A Textile Sleeve for Monitoring Oxygen Saturation Using Multichannel Optical Fibre Photoplethysmography

Textile-based systems are an attractive prospect for wearable technology as they can provide monitoring of key physiological parameters in a comfortable and unobtrusive form. A novel system based on multichannel optical fibre sensor probes integrated into a textile sleeve is described. The system measures the photoplethysmogram (PPG) at two wavelengths (660 and 830 nm), which is then used to calculate oxygen saturation (SpO2). In order to achieve reliable measurement without adjusting the position of the garment, four plastic optical fibre (POF) probes are utilised to increase the likelihood that a high-quality PPG is obtained due to at least one of the probes being positioned over a blood vessel. Each probe transmits and receives light into the skin to measure the PPG and SpO2. All POFs are integrated in a stretchable textile sleeve with a circumference of 15 cm to keep the sensor in contact with the subject's wrist and to minimise motion artefacts. Tests on healthy volunteers show that the multichannel PPG sensor faithfully provides an SpO2 reading in at least one of the four sensor channels in all cases with no need for adjusting the position of the sleeve. This could not be achieved using a single sensor alone. The multichannel sensor is used to monitor the SpO2 of 10 participants with an average wrist circumference of 16.0 ± 0.6 cm. Comparing the developed sensor's SpO2 readings to a reference commercial oximeter (reflectance Masimo Radical-7) illustrates that the mean difference between the two sensors' readings is -0.03%, the upper limit of agreement (LOA) is 0.52% and the lower LOA is -0.58%. This multichannel sensor has the potential to achieve reliable, unobtrusive and comfortable textile-based monitoring of both heart rate and SpO2 during everyday life

Optimal fiducial points for pulse rate variability analysis from forehead and finger PPG signals

Objective: The aim of this work is to evaluate and compare five fiducialpoints for the temporal location of each pulse wave from forehead and fingerphotoplethysmographic pulse waves signals (PPG) to perform pulse rate variability(PRV) analysis as a surrogate of heart rate variability (HRV) analysis. Approach: Forehead and finger PPG signals were recorded during tilt-table testsimultaneously to the ECG. Artifacts were detected and removed and, five fiducialpoints were computed: apex, middle-amplitude and foot points of the PPG signal,apex point of the first derivative signal and, the intersection point of the tangent tothe PPG waveform at the apex of the derivative PPG signal and the tangent to thefoot of the PPG pulse defined as intersecting tangents method. Pulse period (PP)time intervals series were obtained from both PPG signals and compared to the RRintervals obtained from the ECG. Heart and pulse rate variability signals (HRV andPRV) were estimated and, classical time and frequency domain indices were computed. Main Results: The middle-amplitude point of the PPG signal (nM), the apexpoint of the first derivative (n*A), and the tangents intersection point (nT) are themost suitable fiducial points for PRV analysis, which result in the lowest relativeerrors estimated between PRV and HRV indices, higher correlation coefficients and reliability indexes. Statistically significant differences according to the Wilcoxon testbetween PRV and HRV signals were found for the apex and foot fiducial points ofthe PPG, as well as the lowest agreement between RR and PP series according toBland-Altman analysis. Hence, they have been considered less accurate for variabilityanalysis. In addition, the relative errors are significantly lower fornMandn*Afeaturesby using Friedman statistics with Bonferroni multiple-comparison test and, we proposenMas the most accurate fiducial point. Based on our results, forehead PPG seems toprovide more reliable information for a PRV assessment than finger PPG. Significance: The accuracy of the pulse wave detections depends on the morphologyof the PPG. There is therefore a need to widely define the most accurate fiducial pointto perform a PRV analysis under non-stationary conditions based on different PPGsensor locations and signal acquisition techniques

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

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

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

Sources of inaccuracy in photoplethysmography for continuous cardiovascular monitoring

Photoplethysmography (PPG) is a low-cost, noninvasive optical technique that uses change in light transmission with changes in blood volume within tissue to provide information for cardiovascular health and fitness. As remote health and wearable medical devices become more prevalent, PPG devices are being developed as part of wearable systems to monitor parameters such as heart rate (HR) that do not require complex analysis of the PPG waveform. However, complex analyses of the PPG waveform yield valuable clinical information, such as: blood pressure, respiratory information, sympathetic nervous system activity, and heart rate variability. Systems aiming to derive such complex parameters do not always account for realistic sources of noise, as testing is performed within controlled parameter spaces. A wearable monitoring tool to be used beyond fitness and heart rate must account for noise sources originating from individual patient variations (e.g., skin tone, obesity, age, and gender), physiology (e.g., respiration, venous pulsation, body site of measurement, and body temperature), and external perturbations of the device itself (e.g., motion artifact, ambient light, and applied pressure to the skin). Here, we present a comprehensive review of the literature that aims to summarize these noise sources for future PPG device development for use in health monitoring