Towards using Cough for Respiratory Disease Diagnosis by leveraging Artificial Intelligence: A Survey

Cough acoustics contain multitudes of vital information about pathomorphological alterations in the respiratory system. Reliable and accurate detection of cough events by investigating the underlying cough latent features and disease diagnosis can play an indispensable role in revitalizing the healthcare practices. The recent application of Artificial Intelligence (AI) and advances of ubiquitous computing for respiratory disease prediction has created an auspicious trend and myriad of future possibilities in the medical domain. In particular, there is an expeditiously emerging trend of Machine learning (ML) and Deep Learning (DL)-based diagnostic algorithms exploiting cough signatures. The enormous body of literature on cough-based AI algorithms demonstrate that these models can play a significant role for detecting the onset of a specific respiratory disease. However, it is pertinent to collect the information from all relevant studies in an exhaustive manner for the medical experts and AI scientists to analyze the decisive role of AI/ML. This survey offers a comprehensive overview of the cough data-driven ML/DL detection and preliminary diagnosis frameworks, along with a detailed list of significant features. We investigate the mechanism that causes cough and the latent cough features of the respiratory modalities. We also analyze the customized cough monitoring application, and their AI-powered recognition algorithms. Challenges and prospective future research directions to develop practical, robust, and ubiquitous solutions are also discussed in detail.Comment: 30 pages, 12 figures, 9 table

Project Achoo: A Practical Model and Application for COVID-19 Detection from Recordings of Breath, Voice, and Cough

The COVID-19 pandemic created a significant interest and demand for infection detection and monitoring solutions. In this paper we propose a machine learning method to quickly triage COVID-19 using recordings made on consumer devices. The approach combines signal processing methods with fine-tuned deep learning networks and provides methods for signal denoising, cough detection and classification. We have also developed and deployed a mobile application that uses symptoms checker together with voice, breath and cough signals to detect COVID-19 infection. The application showed robust performance on both open sourced datasets and on the noisy data collected during beta testing by the end users

Cough Monitoring Through Audio Analysis

The detection of cough events in audio recordings requires the analysis of a significant amount of data as cough is typically monitored continuously over several hours to capture naturally occurring cough events. The recorded data is mostly composed of undesired sound events such as silence, background noise, and speech. To reduce computational costs and to address the ethical concerns raised from the collection of audio data in public environments, the data requires pre-processing prior to any further analysis. Current cough detection algorithms typically use pre-processing methods to remove undesired audio segments from the collected data but do not preserve the privacy of individuals being recorded while monitoring respiratory events. This study reveals the need for an automatic pre-processing method that removes sensitive data from the recording prior to any further analysis to ensure privacy preservation of individuals. Specific characteristics of cough sounds can be used to discard sensitive data from audio recordings at a pre-processing stage, improving privacy preservation, and decreasing ethical concerns when dealing with cough monitoring through audio analysis. We propose a pre-processing algorithm that increases privacy preservation and significantly decreases the amount of data to be analysed, by separating cough segments from other non-cough segments, including speech, in audio recordings. Our method verifies the presence of signal energy in both lower and higher frequency regions and discards segments whose energy concentrates only on one of them. The method is iteratively applied on the same data to increase the percentage of data reduction and privacy preservation. We evaluated the performance of our algorithm using several hours of audio recordings with manually pre-annotated cough and speech events. Our results showed that 5 iterations of the proposed method can discard up to 88.94% of the speech content present in the recordings, allowing for a strong privacy preservation while considerably reducing the amount of data to be further analysed by 91.79%. The data reduction and privacy preservation achievements of the proposed pre-processing algorithm offers the possibility to use larger datasets captured in public environments and would beneficiate all cough detection algorithms by preserving the privacy of subjects and by-stander conversations recorded during cough monitoring

FluNet: An AI-Enabled Influenza-like Warning System

Influenza is an acute viral respiratory disease that is currently causing severe financial and resource strains worldwide. With the COVID-19 pandemic exceeding 153 million cases worldwide, there is a need for a low-cost and contactless surveillance system to detect symptomatic individuals. The objective of this study was to develop FluNet, a novel, proof-of-concept, low-cost and contactless device for the detection of high-risk individuals. The system conducts face detection in the LWIR with a precision rating of 0.98, a recall of 0.91, an F-score of 0.96, and a mean intersection over union of 0.74 while sequentially taking the temperature trend of faces with a thermal accuracy of ± 1 K. While in parallel determining if someone is coughing by using a custom lightweight deep convolutional neural network with a precision rating of 0.95, a recall of 0.92, an F score of 0.94 and an AUC of 0.98. We concluded this study by testing the accuracy of the direction of arrival estimation for the cough detection revealing an error of ± 4.78°. If a subject is symptomatic, a photo is taken with a specified region of interest using a visible light camera. Two datasets have been constructed, one for face detection in the LWIR consisting of 250 images of 20 participants’ faces at various rotations and coverings, including face masks. The other for the real-time detection of coughs comprised of 40,482 cough / not cough sounds. These findings could be helpful for future low-cost edge computing applications for influenza-like monitoring

Proceedings of Abstracts Engineering and Computer Science Research Conference 2019

© 2019 The Author(s). This is an open-access work distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited. For further details please see https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/. Note: Keynote: Fluorescence visualisation to evaluate effectiveness of personal protective equipment for infection control is © 2019 Crown copyright and so is licensed under the Open Government Licence v3.0. Under this licence users are permitted to copy, publish, distribute and transmit the Information; adapt the Information; exploit the Information commercially and non-commercially for example, by combining it with other Information, or by including it in your own product or application. Where you do any of the above you must acknowledge the source of the Information in your product or application by including or linking to any attribution statement specified by the Information Provider(s) and, where possible, provide a link to this licence: http://www.nationalarchives.gov.uk/doc/open-government-licence/version/3/This book is the record of abstracts submitted and accepted for presentation at the Inaugural Engineering and Computer Science Research Conference held 17th April 2019 at the University of Hertfordshire, Hatfield, UK. This conference is a local event aiming at bringing together the research students, staff and eminent external guests to celebrate Engineering and Computer Science Research at the University of Hertfordshire. The ECS Research Conference aims to showcase the broad landscape of research taking place in the School of Engineering and Computer Science. The 2019 conference was articulated around three topical cross-disciplinary themes: Make and Preserve the Future; Connect the People and Cities; and Protect and Care

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