Breathing detection based on the topological features of IR sensor and accelerometer signals

This paper describes a non-contact breathing detection system using a pyro-electric infrared (PIR) sensor and an accelerometer. The multi-sensor system can be used to detect the respiratory disorders. A PIR sensor is placed onto a stand near a bed and an accelerometer is placed on the mattress. We recently developed a PIR sensor which is capable of producing 1-D time-varying signals corresponding to the motions in its field of view. The PIR sensor signal due to the thoracic movements turns out to be an almost periodic signal. Similarly, the accelerometer produces an almost periodic signal in response to vibrations in bed. Sensor signals are processed using a topological approach. Point clouds are constructed from the delay-coordinate embedding of the time series sensor data first. Then, periodic structures in the point clouds are detected using persistent homology. The sensors, with the proposed method, complement each other to produce more accurate decisions in different lying positions. © 2016 IEEE

Period estimation of an almost periodic signal using persistent homology with application to respiratory rate measurement

Time-frequency techniques have difficulties in yielding efficient online algorithms for almost periodic signals. We describe a new topological method to find the period of signals that have an almost periodic waveform. Proposed method is applied to signals received from a pyro-electric infrared sensor array for the online estimation of the respiratory rate (RR) of a person. Timevarying analog signals captured from the sensors exhibit an almost periodic behavior due to repetitive nature of breathing activity. Sensor signals are transformed into two-dimensional point clouds with a technique that allows preserving the period information. Features, which represent the harmonic structures in the sensor signals, are detected by applying persistent homology and the RR is estimated based on the persistence barcode of the first Betti number. Experiments have been carried out to show that our method makes reliable estimates of the RR. © 2017 IEEE

Wearable Wireless Devices

No abstract available

Wearable Wireless Devices

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Recent development of respiratory rate measurement technologies

Respiratory rate (RR) is an important physiological parameter whose abnormity has been regarded as an important indicator of serious illness. In order to make RR monitoring simple to do, reliable and accurate, many different methods have been proposed for such automatic monitoring. According to the theory of respiratory rate extraction, methods are categorized into three modalities: extracting RR from other physiological signals, RR measurement based on respiratory movements, and RR measurement based on airflow. The merits and limitations of each method are highlighted and discussed. In addition, current works are summarized to suggest key directions for the development of future RR monitoring methodologies

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 CNN based Multifaceted Signal Processing Framework for Heart Rate Proctoring Using Millimeter Wave Radar Ballistocardiography

The recent pandemic has refocused the medical world's attention on the diagnostic techniques associated with cardiovascular disease. Heart rate provides a real-time snapshot of cardiovascular health. A more precise heart rate reading provides a better understanding of cardiac muscle activity. Although many existing diagnostic techniques are approaching the limits of perfection, there remains potential for further development. In this paper, we propose MIBINET, a convolutional neural network for real-time proctoring of heart rate via inter-beat-interval (IBI) from millimeter wave (mm-wave) radar ballistocardiography signals. This network can be used in hospitals, homes, and passenger vehicles due to its lightweight and contactless properties. It employs classical signal processing prior to fitting the data into the network. Although MIBINET is primarily designed to work on mm-wave signals, it is found equally effective on signals of various modalities such as PCG, ECG, and PPG. Extensive experimental results and a thorough comparison with the current state-of-the-art on mm-wave signals demonstrate the viability and versatility of the proposed methodology. Keywords: Cardiovascular disease, contactless measurement, heart rate, IBI, mm-wave radar, neural networkComment: 13 pages, 10 figures, Submitted to Elsevier's Array Journa