610 Medizin, Gesundheit
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An ongoing challenge in our days is to lower the impact on the quality of life caused by dysfunctionality through individual support. With the background of an aging society and continuous increases in costs for care, a holistic solution is needed. This solution must integrate individual needs and preferences, locally available possibilities, regional conditions, professional and informal caregivers and provide the flexibility to implement future requirements. The proposed model is a result of a common initiative to overcome the major obstacles and to center a solution on individual needs caused by dysfunctionality.
In the last decades, several driving systems were developed to improve the driving behaviour in energy efficiency or safety. However, these driving systems cover either the area of energy-efficiency or safety. Furthermore, they do not consider the stress level of the driver when showing a recommendation, although stress can lead to an unsafe or inefficient driving behaviour. In this paper, an approach is presented to consider the driver stress level in a driving system for safe and energy-efficient driving behaviour. The driving system tries to suppress a recommendation when the driver is in stress in order not to stress the driver additionally with recommendations in a stressful driving situation. This can lead to an increase in the road safety and in the user acceptance of the driving system, as the driver is not getting bothered or stressed by the driving system.
The evaluation of the approach showed, that the driving system
is able to show recommendations to the driver, while also reacting
to a high stress level by suppressing recommendations in
order not to stress the driver additionally.
The goal of the presented project is to develop the concept of home e-health centers for barrier-free and cross-border telemedicine. AAL technologies are already present on the market but there is still a gap to close until they can be used for ordinary patient needs. The general idea needs to be accompanied by new services, which should be brought together in order to provide a full coverage of service for the users. Sleep and stress were chosen as predominant influence in the population. The executed scientific study of available home devices analyzing sleep has provided the necessary to select appropriate devices. The first choice for the project implementation is the device EMFIT QS+. This equipment provides a part of a complete system that a home telemedical hospital can provide at a level of precision and communication with internal and/or external health services.
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 recovery of our body and brain from fatigue directly depends on the quality of sleep, which can be determined from the results of a sleep study. The classification of sleep stages is the first step of this study and includes the measurement of vital data and their further processing. The non-invasive sleep analysis system is based on a hardware sensor network of 24 pressure sensors providing sleep phase detection. The pressure sensors are connected to an energy-efficient microcontroller via a system-wide bus. A significant difference between this system and other approaches is the innovative way in which the sensors are placed under the mattress. This feature facilitates the continuous use of the system without any noticeable influence on the sleeping person. The system was tested by conducting experiments that recorded the sleep of various healthy young people. Results indicate the potential to capture respiratory rate and body movement.
The main aim of presented in this manuscript research is to compare the results of objective and subjective measurement of sleep quality for older adults (65+) in the home environment. A total amount of 73 nights was evaluated in this study. Placing under the mattress device was used to obtain objective measurement data, and a common question on perceived sleep quality was asked to collect the subjective sleep quality level. The achieved results confirm the correlation between objective and subjective measurement of sleep quality with the average standard deviation equal to 2 of 10 possible quality points.
Identifikation von Schlaf- und Wachzuständen durch die Auswertung von Atem- und Bewegungssignalen
(2021)
Recognition of sleep and wake states is one of the relevant parts of sleep analysis. Performing this measurement in a contactless way increases comfort for the users. We present an approach evaluating only movement and respiratory signals to achieve recognition, which can be measured non-obtrusively. The algorithm is based on multinomial logistic regression and analyses features extracted out of mentioned above signals. These features were identified and developed after performing fundamental research on characteristics of vital signals during sleep. The achieved accuracy of 87% with the Cohen’s kappa of 0.40 demonstrates the appropriateness of a chosen method and encourages continuing research on this topic.
There have been substantial research efforts for algorithms to improve continuous and automated assessment of various health-related questions in recent years. This paper addresses the deployment gap between those improving algorithms and their usability in care and mobile health applications. In practice, most algorithms require significant and founded technical knowledge to be deployed at home or support healthcare professionals. Therefore, the digital participation of persons in need of health care professionals lacks a usable interface to use the current technological advances. In this paper, we propose applying algorithms taken from research as web-based microservices following the common approach of a RESTful service to bridge the gap and make algorithms accessible to caregivers and patients without technical knowledge and extended hardware capabilities. We address implementation details, interpretation and realization of guidelines, and privacy concerns using our self-implemented example. Also, we address further usability guidelines and our approach to those.
In many cases continuous monitoring of vital signals is required and low intrusiveness is an important requirement. Incorporating monitoring systems in the hospital or home bed could have benefits for patients and caregivers. The objective of this work is the definition of a measurement protocol and the creation of a data set of measurements using commercial and low-cost prototypes devices to estimate heart rate and breathing rate. The experimental data will be used to compare results achieved by the devices and to develop algorithms for feature extraction of vital signals.