Informatik
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Artefaktkorrektur und verfeinerte Metriken für ein EEG-basiertes System zur Müdigkeitserkennung
(2019)
Fragestellung: Müdigkeit ist ein oft unterschätztes, aber dennoch großes Problem im Straßenverkehr. Von rund 2,5 Mio. Verkehrsunfällen 2015 in Deutschland, waren 2898 Unfälle, mit insgesamt 59 Toten (~1,7 % der Todesfälle), auf Übermüdung zurückzuführen. Schätzungen gehen von einer Dunkelziffer von bis zu 20 % aus. In einer ersten eigenen Studie wurde überprüft, ob ein mobiles EEG in einem Fahrsimulator Müdigkeitszustände zuverlässig erkennen kann. Die Erkennungsrate lag lediglich bei 61 %. Ziel dieser Arbeit ist, das verwendete Messsystem zu verbessern. Dazu wird die Genauigkeit durch eine Artefaktkorrektur und mit Hilfe von verfeinerten Qualitätsmetriken erhöht. Eine erkannte Übermüdung wird dem Fahrer dann in angemessener Weise angezeigt, so dass er entsprechend reagieren kann.
Patienten und Methoden: Die Independent Component Analysis (ICA) ist ein multivariates Verfahren, um mehrere Zufallsvariablen zu analysieren. Für die Entscheidung, ob ein Fahrer gerade müde oder wach ist, wird der erstellte Merkmalsvektor für jede Sequenz mit ICA klassifiziert. Dafür wird ein trainierter Machine-Learning-Algorithmus eingesetzt, der in der Lage ist, auch unbekannte Datensätze in Klassen einzuteilen. Um die benötigten Frequenzwerte zu erhalten, wurde für jeden EEG-Kanal eine Fourier Transformation durchgeführt. Der erstellte Merkmalsvektor wird im nächsten Schritt durch ein Künstliches Neuronales Netz klassifiziert. Für das Training werden vorab erstellte Merkmalsvektoren mit den Klassen „Wach“ und „Müde“ versehen. Diese Daten werden zufällig gemischt und im Verhältnis 2:1 in eine Trainings- und Testmenge geteilt. Das Experiment wurde mit acht Personen mit jeweils zweimal 45 min Testfahrt durchgeführt.
Ergebnisse: Der komplette Datensatz besteht aus 150.000 Signalwerten, welche zu ca. 7000 Sequenzen zusammengefasst werden. Durch die Anwendung der Qualitätsmetrik bleiben 4370 Sequenzen für das Training übrig. Bei invaliden Sequenzen aufgrund von EEG-Artefakten gibt es deutliche Unterschiede. Im „Wach“ Zustand werden dreimal so viele Sequenzen verworfen als im „Müde“ Zustand. Insgesamt werden bei wachen Probanden im Schnitt ca. 50 % der Sequenzen verworfen, bei Müden lediglich 25 %. Im Durchschnitt erreicht das System eine Erkennungsrate von 73 % für beide Zustände. Vergleicht man nun das Verhältnis von „Wach“ und „Müde“ und lässt „Leichte Müdigkeit“ außen vor, liegen die Ergebnisse bei über 90 %.
Schlussfolgerungen: Die Ergebnisse zeigen, dass die Aufmerksamkeit während des Experiments abnimmt bzw. die Müdigkeit zunimmt. Dies verdeutlichen zum einen subjektive und objektive Beobachtungen von Müdigkeitsanzeichen. Zum anderen lassen sich messbare und klassifizierbare Unterschiede im EEG Signal nachweisen. Die als Merkmale eingesetzten Theta-Wellen zeigten eine niedrigere Amplitude gegen Ende des Experiments. Die Erweiterung der binären Klassifizierung führt zu einer weiteren Stabilisierung der Ergebnisse. Artefaktkorrektur und Qualitätsmetriken steigern die Güte der Daten weiter. Die entwickelte Anwendung zur Müdigkeitserkennung ermittelt messbare Zeichen von Müdigkeit und kann eine gute Entscheidung über die Fahrtauglichkeit treffen.
The investigation of stress requires to distinguish between stress caused by physical activity and stress that is caused by psychosocial factors. The behaviour of the heart in response to stress and physical activity is very similar in case the set of monitored parameters is reduced to one. Currently, the differentiation remains difficult and methods which only use the heart rate are not able to differentiate between stress and physical activity, without using additional sensor data input. The approach focusses on methods which generate signals providing characteristics that are useful for detecting stress, physical activity, no activity and relaxation.
Autismus-Spektrum-Störungen (ASD) bei Kindern werden häufig zu spät diagnostiziert und die Begleitung der chronischen Krankheit gestaltet sich schwierig. Der vorgestellte Ansatz erlaubt die Behandlung der Kinder in dem bekannten häuslichen Umfeld und versucht die Beziehungen zwischen Schlaf und Verhalten herauszuarbeiten. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen die Lebensqualität der Patienten verbessern und den Eltern Hilfestellung geben. Die notwendige infrastrukturelle Unterstützung wird durch medizinisches Fachpersonal geleistet, das auf einen web-basierten Service zurückgreifen kann, der sämtliche Prozesse (Diagnostik, Datenerfassung, -aufzeichnung und Training etc.) begleitet. Die anonymisierten Daten werden in einem Diagnosesystem zentral abgelegt und können so für zukünftige Behandlungsstrategien nutzbar sein. Die umfassende Lösung setzt auf zentrale Elemente von Smart-Homes und AAL auf.
Fatigue and drowsiness are responsible for a significant percentage of road traffic accidents. There are several approaches to monitor the driver's drowsiness, ranging from the driver's steering behavior to the analysis of the driver, e.g. eye tracking, blinking, yawning, or electrocardiogram (ECG). This paper describes the development of a low-cost ECG sensor to derive heart rate variability (HRV) data for drowsiness detection. The work includes hardware and software design. The hardware was implemented on a printed circuit board (PCB) designed so that the board can be used as an extension shield for an Arduino. The PCB contains a double, inverted ECG channel including low-pass filtering and provides two analog outputs to the Arduino, which combines them and performs the analog-to-digital conversion. The digital ECG signal is transferred to an NVidia embedded PC where the processing takes place, including QRS-complex, heart rate, and HRV detection as well as visualization features. The resulting compact sensor provides good results in the extraction of the main ECG parameters. The sensor is being used in a larger frame, where facial-recognition-based drowsiness detection is combined with ECG-based detection to improve the recognition rate under unfavorable light or occlusion conditions.
This document presents an algorithm for a nonobtrusive recognition of Sleep/Wake states using signals derived from ECG, respiration, and body movement captured while lying in a bed. As a core mathematical base of system data analytics, multinomial logistic regression techniques were chosen. Derived parameters of the three signals are used as the input for the proposed method. The overall achieved accuracy rate is 84% for Wake/Sleep stages, with Cohen’s kappa value 0.46. The presented algorithm should support experts in analyzing sleep quality in more detail. The results confirm the potential of this method and disclose several ways for its improvement.
The goal of this paper pretends to show how a bed system with an embedded system with sensor is able to analyze a person’s movement, breathing and recognizing the positions that the subject is lying on the bed during the night without any additional physical contact. The measurements are performed with sensors placed between the mattress and the frame. An Intel Edison board was used as an endpoint that served as a communication node from the mesh network to external service. Two nodes and Intel Edison are attached to the bottom of the bed frame and they are connected to the sensors.
Due to the rising need for palliative care in Russia, it is crucial to provide timely and high-quality solutions for patients, relatives, and caregivers. A methodology for remote monitoring of patients in need of palliative care and the requirements will be developed for a hardware-software complex for remote monitoring of patients' health at home.
Assistive environments are entering our homes faster than ever. However, there are still various barriers to be broken. One of the crucial points is a personalization of offered services and integration of assistive technologies in common objects and therefore in a regular daily routine. Recognition of sleep patterns for the preliminary sleep study is one of the Health services that could be performed in an undisturbing way. This article proposes the hardware system for the measurement of bio-vital signals necessary for initial sleep study in a nonobtrusive way. The first results confirm the potential of measurement of breathing and movement signals with the proposed system.