The 2023 wearable photoplethysmography roadmap

Photoplethysmography is a key sensing technology which is used in wearable devices such as smartwatches and fitness trackers. Currently, photoplethysmography sensors are used to monitor physiological parameters including heart rate and heart rhythm, and to track activities like sleep and exercise. Yet, wearable photoplethysmography has potential to provide much more information on health and wellbeing, which could inform clinical decision making. This Roadmap outlines directions for research and development to realise the full potential of wearable photoplethysmography. Experts discuss key topics within the areas of sensor design, signal processing, clinical applications, and research directions. Their perspectives provide valuable guidance to researchers developing wearable photoplethysmography technology

Sensing with Earables: A Systematic Literature Review and Taxonomy of Phenomena

Earables have emerged as a unique platform for ubiquitous computing by augmenting ear-worn devices with state-of-the-art sensing. This new platform has spurred a wealth of new research exploring what can be detected on a wearable, small form factor. As a sensing platform, the ears are less susceptible to motion artifacts and are located in close proximity to a number of important anatomical structures including the brain, blood vessels, and facial muscles which reveal a wealth of information. They can be easily reached by the hands and the ear canal itself is affected by mouth, face, and head movements. We have conducted a systematic literature review of 271 earable publications from the ACM and IEEE libraries. These were synthesized into an open-ended taxonomy of 47 different phenomena that can be sensed in, on, or around the ear. Through analysis, we identify 13 fundamental phenomena from which all other phenomena can be derived, and discuss the different sensors and sensing principles used to detect them. We comprehensively review the phenomena in four main areas of (i) physiological monitoring and health, (ii) movement and activity, (iii) interaction, and (iv) authentication and identification. This breadth highlights the potential that earables have to offer as a ubiquitous, general-purpose platform

Non Contact Heart Monitoring

Electrocardiograms are one of the most widely used methods for evaluating the structure-function relationships of the heart in health and disease. This book is the first of two volumes which reviews recent advancements in electrocardiography. This volume lays the groundwork for understanding the technical aspects of these advancements. The five sections of this volume, Cardiac Anatomy, ECG Technique, ECG Features, Heart Rate Variability and ECG Data Management, provide comprehensive reviews of advancements in the technical and analytical methods for interpreting and evaluating electrocardiograms. This volume is complemented with anatomical diagrams, electrocardiogram recordings, flow diagrams and algorithms which demonstrate the most modern principles of electrocardiography. The chapters which form this volume describe how the technical impediments inherent to instrument-patient interfacing, recording and interpreting variations in electrocardiogram time intervals and morphologies, as well as electrocardiogram data sharing have been effectively overcome. The advent of novel detection, filtering and testing devices are described. Foremost, among these devices are innovative algorithms for automating the evaluation of electrocardiograms. Permanenet links: Full chapter: http://www.intechopen.com/articles/show/title/non-contact-heart-monitoring Book: http://www.intechopen.com/books/show/title/advances-in-electrocardiograms-methods-and-analysi

Sensing with Earables: A Systematic Literature Review and Taxonomy of Phenomena

Earables have emerged as a unique platform for ubiquitous computing by augmenting ear-worn devices with state-of-the-art sensing. This new platform has spurred a wealth of new research exploring what can be detected on a wearable, small form factor. As a sensing platform, the ears are less susceptible to motion artifacts and are located in close proximity to a number of important anatomical structures including the brain, blood vessels, and facial muscles which reveal a wealth of information. They can be easily reached by the hands and the ear canal itself is affected by mouth, face, and head movements. We have conducted a systematic literature review of 271 earable publications from the ACM and IEEE libraries. These were synthesized into an open-ended taxonomy of 47 different phenomena that can be sensed in, on, or around the ear. Through analysis, we identify 13 fundamental phenomena from which all other phenomena can be derived, and discuss the different sensors and sensing principles used to detect them. We comprehensively review the phenomena in four main areas of (i) physiological monitoring and health, (ii) movement and activity, (iii) interaction, and (iv) authentication and identification. This breadth highlights the potential that earables have to offer as a ubiquitous, general-purpose platform

Hybrid head cap for mouse brain studies

Abstract. In this thesis, I present a hybrid head cap in combination with non-invasive multi-channel Electroencephalogram (EEG) and Near-Infrared Spectroscopy (NIRS) to measure brainwaves on mice’s scalps. Laboratory animal research provides insights into multiple potential applications involving humans and other animals. An experimental framework that targets laboratory animals can lead to useful transnational research if it strongly reflects the actual application environment. The non-invasive head cap with three electrodes for EEG and two optodes for NIRS is suggested to measure brainwaves throughout the laboratory mice’s entire brain region without surgical procedures. The suggested hybrid head cap aims to ensure stability in vivo monitoring for mouse brain in a non-invasive way, similarly as the monitoring is performed for the human brain. The experimental part of the work to study the quality of the gathered EEG and fNIRS signals, and usability validation of the head cap, however, was not completed in the planned time frame of the thesis work

Sensing Systems for Respiration Monitoring: A Technical Systematic Review

Respiratory monitoring is essential in sleep studies, sport training, patient monitoring, or health at work, among other applications. This paper presents a comprehensive systematic review of respiration sensing systems. After several systematic searches in scientific repositories, the 198 most relevant papers in this field were analyzed in detail. Different items were examined: sensing technique and sensor, respiration parameter, sensor location and size, general system setup, communication protocol, processing station, energy autonomy and power consumption, sensor validation, processing algorithm, performance evaluation, and analysis software. As a result, several trends and the remaining research challenges of respiration sensors were identified. Long-term evaluations and usability tests should be performed. Researchers designed custom experiments to validate the sensing systems, making it difficult to compare results. Therefore, another challenge is to have a common validation framework to fairly compare sensor performance. The implementation of energy-saving strategies, the incorporation of energy harvesting techniques, the calculation of volume parameters of breathing, or the effective integration of respiration sensors into clothing are other remaining research efforts. Addressing these and other challenges outlined in the paper is a required step to obtain a feasible, robust, affordable, and unobtrusive respiration sensing system

Advanced sensors technology survey

This project assesses the state-of-the-art in advanced or 'smart' sensors technology for NASA Life Sciences research applications with an emphasis on those sensors with potential applications on the space station freedom (SSF). The objectives are: (1) to conduct literature reviews on relevant advanced sensor technology; (2) to interview various scientists and engineers in industry, academia, and government who are knowledgeable on this topic; (3) to provide viewpoints and opinions regarding the potential applications of this technology on the SSF; and (4) to provide summary charts of relevant technologies and centers where these technologies are being developed

Earables: Wearable Computing on the Ears

Kopfhörer haben sich bei Verbrauchern durchgesetzt, da sie private Audiokanäle anbieten, zum Beispiel zum Hören von Musik, zum Anschauen der neuesten Filme während dem Pendeln oder zum freihändigen Telefonieren. Dank diesem eindeutigen primären Einsatzzweck haben sich Kopfhörer im Vergleich zu anderen Wearables, wie zum Beispiel Smartglasses, bereits stärker durchgesetzt. In den letzten Jahren hat sich eine neue Klasse von Wearables herausgebildet, die als "Earables" bezeichnet werden. Diese Geräte sind so konzipiert, dass sie in oder um die Ohren getragen werden können. Sie enthalten verschiedene Sensoren, um die Funktionalität von Kopfhörern zu erweitern. Die räumliche Nähe von Earables zu wichtigen anatomischen Strukturen des menschlichen Körpers bietet eine ausgezeichnete Plattform für die Erfassung einer Vielzahl von Eigenschaften, Prozessen und Aktivitäten. Auch wenn im Bereich der Earables-Forschung bereits einige Fortschritte erzielt wurden, wird deren Potenzial aktuell nicht vollständig abgeschöpft. Ziel dieser Dissertation ist es daher, neue Einblicke in die Möglichkeiten von Earables zu geben, indem fortschrittliche Sensorikansätze erforscht werden, welche die Erkennung von bisher unzugänglichen Phänomenen ermöglichen. Durch die Einführung von neuartiger Hardware und Algorithmik zielt diese Dissertation darauf ab, die Grenzen des Erreichbaren im Bereich Earables zu verschieben und diese letztlich als vielseitige Sensorplattform zur Erweiterung menschlicher Fähigkeiten zu etablieren. Um eine fundierte Grundlage für die Dissertation zu schaffen, synthetisiert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik im Bereich der ohr-basierten Sensorik und stellt eine einzigartig umfassende Taxonomie auf der Basis von 271 relevanten Publikationen vor. Durch die Verbindung von Low-Level-Sensor-Prinzipien mit Higher-Level-Phänomenen werden in der Dissertation anschließ-end Arbeiten aus verschiedenen Bereichen zusammengefasst, darunter (i) physiologische Überwachung und Gesundheit, (ii) Bewegung und Aktivität, (iii) Interaktion und (iv) Authentifizierung und Identifizierung. Diese Dissertation baut auf der bestehenden Forschung im Bereich der physiologischen Überwachung und Gesundheit mit Hilfe von Earables auf und stellt fortschrittliche Algorithmen, statistische Auswertungen und empirische Studien vor, um die Machbarkeit der Messung der Atemfrequenz und der Erkennung von Episoden erhöhter Hustenfrequenz durch den Einsatz von In-Ear-Beschleunigungsmessern und Gyroskopen zu demonstrieren. Diese neuartigen Sensorfunktionen unterstreichen das Potenzial von Earables, einen gesünderen Lebensstil zu fördern und eine proaktive Gesundheitsversorgung zu ermöglichen. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation ein innovativer Eye-Tracking-Ansatz namens "earEOG" vorgestellt, welcher Aktivitätserkennung erleichtern soll. Durch die systematische Auswertung von Elektrodenpotentialen, die um die Ohren herum mittels eines modifizierten Kopfhörers gemessen werden, eröffnet diese Dissertation einen neuen Weg zur Messung der Blickrichtung. Dabei ist das Verfahren weniger aufdringlich und komfortabler als bisherige Ansätze. Darüber hinaus wird ein Regressionsmodell eingeführt, um absolute Änderungen des Blickwinkels auf der Grundlage von earEOG vorherzusagen. Diese Entwicklung eröffnet neue Möglichkeiten für Forschung, welche sich nahtlos in das tägliche Leben integrieren lässt und tiefere Einblicke in das menschliche Verhalten ermöglicht. Weiterhin zeigt diese Arbeit, wie sich die einzigarte Bauform von Earables mit Sensorik kombinieren lässt, um neuartige Phänomene zu erkennen. Um die Interaktionsmöglichkeiten von Earables zu verbessern, wird in dieser Dissertation eine diskrete Eingabetechnik namens "EarRumble" vorgestellt, die auf der freiwilligen Kontrolle des Tensor Tympani Muskels im Mittelohr beruht. Die Dissertation bietet Einblicke in die Verbreitung, die Benutzerfreundlichkeit und den Komfort von EarRumble, zusammen mit praktischen Anwendungen in zwei realen Szenarien. Der EarRumble-Ansatz erweitert das Ohr von einem rein rezeptiven Organ zu einem Organ, das nicht nur Signale empfangen, sondern auch Ausgangssignale erzeugen kann. Im Wesentlichen wird das Ohr als zusätzliches interaktives Medium eingesetzt, welches eine freihändige und augenfreie Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglicht. EarRumble stellt eine Interaktionstechnik vor, die von den Nutzern als "magisch und fast telepathisch" beschrieben wird, und zeigt ein erhebliches ungenutztes Potenzial im Bereich der Earables auf. Aufbauend auf den vorhergehenden Ergebnissen der verschiedenen Anwendungsbereiche und Forschungserkenntnisse mündet die Dissertation in einer offenen Hard- und Software-Plattform für Earables namens "OpenEarable". OpenEarable umfasst eine Reihe fortschrittlicher Sensorfunktionen, die für verschiedene ohrbasierte Forschungsanwendungen geeignet sind, und ist gleichzeitig einfach herzustellen. Hierdurch werden die Einstiegshürden in die ohrbasierte Sensorforschung gesenkt und OpenEarable trägt somit dazu bei, das gesamte Potenzial von Earables auszuschöpfen. Darüber hinaus trägt die Dissertation grundlegenden Designrichtlinien und Referenzarchitekturen für Earables bei. Durch diese Forschung schließt die Dissertation die Lücke zwischen der Grundlagenforschung zu ohrbasierten Sensoren und deren praktischem Einsatz in realen Szenarien. Zusammenfassend liefert die Dissertation neue Nutzungsszenarien, Algorithmen, Hardware-Prototypen, statistische Auswertungen, empirische Studien und Designrichtlinien, um das Feld des Earable Computing voranzutreiben. Darüber hinaus erweitert diese Dissertation den traditionellen Anwendungsbereich von Kopfhörern, indem sie die auf Audio fokussierten Geräte zu einer Plattform erweitert, welche eine Vielzahl fortschrittlicher Sensorfähigkeiten bietet, um Eigenschaften, Prozesse und Aktivitäten zu erfassen. Diese Neuausrichtung ermöglicht es Earables sich als bedeutende Wearable Kategorie zu etablieren, und die Vision von Earables als eine vielseitige Sensorenplattform zur Erweiterung der menschlichen Fähigkeiten wird somit zunehmend realer

A Wearable System for Real-Time Continuous Monitoring of Physical Activity

Over the last decades, wearable systems have gained interest for monitoring of physiological variables, promoting health, and improving exercise adherence in different populations ranging from elite athletes to patients. In this paper, we present a wearable system for the continuous real-time monitoring of respiratory frequency (fR), heart rate (HR), and movement cadence during physical activity. The system has been experimentally tested in the laboratory (by simulating the breathing pattern with a mechanical ventilator) and by collecting data from one healthy volunteer. Results show the feasibility of the proposed device for real-time continuous monitoring of fR, HR, and movement cadence both in resting condition and during activity. Finally, different synchronization techniques have been investigated to enable simultaneous data collection from different wearable modules.Ministerio de Economía y Competitivida