Sensors for Vital Signs Monitoring

Sensor technology for monitoring vital signs is an important topic for various service applications, such as entertainment and personalization platforms and Internet of Things (IoT) systems, as well as traditional medical purposes, such as disease indication judgments and predictions. Vital signs for monitoring include respiration and heart rates, body temperature, blood pressure, oxygen saturation, electrocardiogram, blood glucose concentration, brain waves, etc. Gait and walking length can also be regarded as vital signs because they can indirectly indicate human activity and status. Sensing technologies include contact sensors such as electrocardiogram (ECG), electroencephalogram (EEG), photoplethysmogram (PPG), non-contact sensors such as ballistocardiography (BCG), and invasive/non-invasive sensors for diagnoses of variations in blood characteristics or body fluids. Radar, vision, and infrared sensors can also be useful technologies for detecting vital signs from the movement of humans or organs. Signal processing, extraction, and analysis techniques are important in industrial applications along with hardware implementation techniques. Battery management and wireless power transmission technologies, the design and optimization of low-power circuits, and systems for continuous monitoring and data collection/transmission should also be considered with sensor technologies. In addition, machine-learning-based diagnostic technology can be used for extracting meaningful information from continuous monitoring data

Characterization and processing of novel neck photoplethysmography signals for cardiorespiratory monitoring

Epilepsy is a neurological disorder causing serious brain seizures that severely affect the patients' quality of life. Sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP), for which no evident decease reason is found after post-mortem examination, is a common cause of mortality. The mechanisms leading to SUDEP are uncertain, but, centrally mediated apneic respiratory dysfunction, inducing dangerous hypoxemia, plays a key role. Continuous physiological monitoring appears as the only reliable solution for SUDEP prevention. However, current seizure-detection systems do not show enough sensitivity and present a high number of intolerable false alarms. A wearable system capable of measuring several physiological signals from the same body location, could efficiently overcome these limitations. In this framework, a neck wearable apnea detection device (WADD), sensing airflow through tracheal sounds, was designed. Despite the promising performance, it is still necessary to integrate an oximeter sensor into the system, to measure oxygen saturation in blood (SpO2) from neck photoplethysmography (PPG) signals, and hence, support the apnea detection decision. The neck is a novel PPG measurement site that has not yet been thoroughly explored, due to numerous challenges. This research work aims to characterize neck PPG signals, in order to fully exploit this alternative pulse oximetry location, for precise cardiorespiratory biomarkers monitoring. In this thesis, neck PPG signals were recorded, for the first time in literature, in a series of experiments under different artifacts and respiratory conditions. Morphological and spectral characteristics were analyzed in order to identify potential singularities of the signals. The most common neck PPG artifacts critically corrupting the signal quality, and other breathing states of interest, were thoroughly characterized in terms of the most discriminative features. An algorithm was further developed to differentiate artifacts from clean PPG signals. Both, the proposed characterization and classification model can be useful tools for researchers to denoise neck PPG signals and exploit them in a variety of clinical contexts. In addition to that, it was demonstrated that the neck also offered the possibility, unlike other body parts, to extract the Jugular Venous Pulse (JVP) non-invasively. Overall, the thesis showed how the neck could be an optimum location for multi-modal monitoring in the context of diseases affecting respiration, since it not only allows the sensing of airflow related signals, but also, the breathing frequency component of the PPG appeared more prominent than in the standard finger location. In this context, this property enabled the extraction of relevant features to develop a promising algorithm for apnea detection in near-real time. These findings could be of great importance for SUDEP prevention, facilitating the investigation of the mechanisms and risk factors associated to it, and ultimately reduce epilepsy mortality.Open Acces

2021 ISHNE/ HRS/ EHRA/ APHRS collaborative statement on mHealth in Arrhythmia Management: Digital Medical Tools for Heart Rhythm Professionals: From the International Society for Holter and Noninvasive Electrocardiology/Heart Rhythm Society/European Heart Rhythm Association/Asia Pacific Heart Rhythm Society.

This collaborative statement from the International Society for Holter and Noninvasive Electrocardiology/ Heart Rhythm Society/ European Heart Rhythm Association/ Asia Pacific Heart Rhythm Society describes the current status of mobile health ("mHealth") technologies in arrhythmia management. The range of digital medical tools and heart rhythm disorders that they may be applied to and clinical decisions that may be enabled are discussed. The facilitation of comorbidity and lifestyle management (increasingly recognized to play a role in heart rhythm disorders) and patient self-management are novel aspects of mHealth. The promises of predictive analytics but also operational challenges in embedding mHealth into routine clinical care are explored

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

The design and evaluation of discrete wearable medical devices for vital signs monitoring

The observation, recording and appraisal of an individual’s vital signs, namely temperature, heart rate, blood pressure, respiratory rate and blood oxygen saturation (SpO2), are key components in the assessment of their health and wellbeing. Measurements provide valuable diagnostic data, facilitating clinical diagnosis, management and monitoring. Respiratory rate sensing is perhaps the most under-utilised of all the vital signs, being routinely assessed by observation or estimated algorithmically from respiratory-induced beat-to-beat variation in heart rate. Moreover there is an unmet need for wearable devices that can measure all or most of the vital signs. This project therefore aims to a) develop a device that can measure respiratory rate and b) develop a wearable device that can measure all or most of the vital signs. An accelerometer-based clavicular respiratory motion sensor was developed and compared with a similar thoracic motion sensor and reference using exhalatory flow. Pilot study results established that the clavicle sensor accurately tracked the reference in monitoring respiratory rate and outperformed the thoracic device. An Ear-worn Patient Monitoring System (EPMS) was also developed, providing a discrete telemonitoring device capable of rapidly measuring tympanic temperature, heart rate, SpO2 and activity level. The results of a comparative pilot study against reference instruments revealed that heart rate matched the reference for accuracy, while temperature under read (< 1°C) and SpO2 was inconsistent with poor correlation. In conclusion, both of the prototype devices require further development. The respiratory sensor would benefit from product engineering and larger scale testing to fully exploit the technology, but could find use in both hospital and community-based The design and evaluation of discrete wearable medical devices for vital signs monitoring DG Pitts ii Cranfield University monitoring. The EPMS has potential for clinical and community use, having demonstrated its capability of rapidly capturing and wirelessly transmitting vital signs readings. Further development is nevertheless required to improve the thermometer probe and resolve outstanding issues with SpO2 readings

A Systematic Review and Meta-Analysis of the Incidence of Injury in Professional Female Soccer

The epidemiology of injury in male professional football is well documented and has been used as a basis to monitor injury trends and implement injury prevention strategies. There are no systematic reviews that have investigated injury incidence in women’s professional football. Therefore, the extent of injury burden in women’s professional football remains unknown. PURPOSE: The primary aim of this study was to calculate an overall incidence rate of injury in senior female professional soccer. The secondary aims were to provide an incidence rate for training and match play. METHODS: PubMed, Discover, EBSCO, Embase and ScienceDirect electronic databases were searched from inception to September 2018. Two reviewers independently assessed study quality using the Strengthening the Reporting of Observational Studies in Epidemiology statement using a 22-item STROBE checklist. Seven prospective studies (n=1137 professional players) were combined in a pooled analysis of injury incidence using a mixed effects model. Heterogeneity was evaluated using the Cochrane Q statistic and I2. RESULTS: The epidemiological incidence proportion over one season was 0.62 (95% CI 0.59 - 0.64). Mean total incidence of injury was 3.15 (95% CI 1.54 - 4.75) injuries per 1000 hours. The mean incidence of injury during match play was 10.72 (95% CI 9.11 - 12.33) and during training was 2.21 (95% CI 0.96 - 3.45). Data analysis found a significant level of heterogeneity (total Incidence, X2 = 16.57 P < 0.05; I2 = 63.8%) and during subsequent sub group analyses in those studies reviewed (match incidence, X2 = 76.4 (d.f. = 7), P <0.05; I2 = 90.8%, training incidence, X2 = 16.97 (d.f. = 7), P < 0.05; I2 = 58.8%). Appraisal of the study methodologies revealed inconsistency in the use of injury terminology, data collection procedures and calculation of exposure by researchers. Such inconsistencies likely contribute to the large variance in the incidence and prevalence of injury reported. CONCLUSIONS: The estimated risk of sustaining at least one injury over one football season is 62%. Continued reporting of heterogeneous results in population samples limits meaningful comparison of studies. Standardising the criteria used to attribute injury and activity coupled with more accurate methods of calculating exposure will overcome such limitations