Aerospace Medicine and Biology: A continuing bibliography with indexes, supplement 127, April 1974

This special bibliography lists 279 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in March 1974

Polarization techniques for mitigation of low grazing angle sea clutter

Maritime surveillance radars are critical in commerce, transportation, navigation, and defense. However, the sea environment is perhaps the most challenging of natural radar backdrops because maritime radars must contend with electromagnetic backscatter from the sea surface, or sea clutter. Sea clutter poses unique challenges in very low grazing angle geometries, where typical statistical assumptions regarding sea clutter backscatter do not hold. As a result, traditional constant false alarm rate (CFAR) detection schemes may yield a large number of false alarms while objects of interest may be challenging to detect. Solutions posed in the literature to date have been either computationally impractical or lacked robustness. This dissertation explores whether fully polarimetric radar offers a means of enhancing detection performance in low grazing angle sea clutter. To this end, MIT Lincoln Laboratory funded an experimental data collection using a fully polarimetric X-band radar assembled largely from commercial off-the-shelf components. The Point de Chene Dataset, collected on the Atlantic coast of Massachusetts’ Cape Ann in October 2015, comprises multiple sea states, bandwidths, and various objects of opportunity. The dataset also comprises three different polarimetric transmit schemes. In addition to discussing the radar, the dataset, and associated post-processing, this dissertation presents a derivation showing that an established multiple input, multiple output radar technique provides a novel means of simultaneous polarimetric scattering matrix measurement. A novel scheme for polarimetric radar calibration using a single active calibration target is also presented. Subsequent research leveraged this dataset to develop Polarimetric Co-location Layering (PCL), a practical algorithm for mitigation of low grazing angle sea clutter, which is the most significant contribution of this dissertation. PCL routinely achieves a significant reduction in the standard CFAR false alarm rate while maintaining detections on objects of interest. Moreover, PCL is elegant: It exploits fundamental characteristics of both sea clutter and object returns to determine which CFAR detections are due to sea clutter. We demonstrate that PCL is robust across a range of bandwidths, pulse repetition frequencies, and object types. Finally, we show that PCL integrates in parallel into the standard radar signal processing chain without incurring a computational time penalty

Aerospace medicine and biology: A continuing bibliography with indexes, supplement 164

This bibliography lists 275 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in January 1977

Signal Processing Contributions to Contactless Monitoring of Vital Signs Using Radars

Vital signs are a group of biological indicators that show the status of the body’s life-sustaining functions. They provide an objective measurement of the essential physiological functions of a living organism, and their assessment is the critical first step for any clinical evaluation. Monitoring vital sign information provides valuable insight into the patient's condition, including how they are responding to medical treatment and, more importantly, whether the patient is deteriorating. However, conventional contact-based devices are inappropriate for long-term continuous monitoring. Besides mobility restrictions and stress, they can cause discomfort, and epidermal damage, and even lead to pressure necrosis. On the other hand, the contactless monitoring of vital signs using radar devices has several advantages. Radar signals can penetrate through different materials and are not affected by skin pigmentation or external light conditions. Additionally, these devices preserve privacy, can be low-cost, and transmit no more power than a mobile phone. Despite recent advances, accurate contactless vital sign monitoring is still challenging in practical scenarios. The challenge stems from the fact that when we breathe, or when the heart beats, the tiny induced motion of the chest wall surface can be smaller than one millimeter. This means that the vital sign information can be easily lost in the background noise, or even masked by additional body movements from the monitored subject. This thesis aims to propose innovative signal processing solutions to enable the contactless monitoring of vital signs in practical scenarios. Its main contributions are threefold: a new algorithm for recovering the chest wall movements from radar signals; a novel random body movement and interference mitigation technique; and a simple, yet robust and accurate, adaptive estimation framework. These contributions were tested under different operational conditions and scenarios, spanning ideal simulation settings, real data collected while imitating common working conditions in an office environment, and a complete validation with premature babies in a critical care environment. The proposed algorithms were able to precisely recover the chest wall motion, effectively reducing the interfering effects of random body movements, and allowing clear identification of different breathing patterns. This capability is the first step toward frequency estimation and early non-invasive diagnosis of cardiorespiratory problems. In addition, most of the time, the adaptive estimation framework provided breathing and heart rate estimates within the predefined error intervals, being capable of tracking the reference values in different scenarios. Our findings shed light on the strengths and limitations of this technology and lay the foundation for future studies toward a complete contactless solution for vital signs monitoring

Contribución al diseño de sensores vestibles y ambientales para medir la respiración y el salto vertical en adultos mayores y frágiles.

Con el avance de la tecnología, se ha popularizado entre la población el uso de dispositivos para medir su estado de salud. Para lograr esto, se suelen utilizar dispositivos vestibles como los smartwatch y smartbands, dispositivos ambientales embebidos en los alrededores, e incluso dispositivos conectados a aplicaciones móviles. El uso de estas tecnologías también se ha popularizado entre los profesionales de la salud.Esta tesis se centra en el desarrollo de dispositivos para monitorizar la salud de adultos mayores y adultos frágiles. Se desarrollaron dos líneas de trabajo: en la primera se diseñó e implementó un sistema vestible para monitorizar en tiempo real la respiración de los usuarios; en la segunda se desarrolló un sistema ambiental capaz de medir la altura del salto vertical efectuado por los usuarios sobre él.Sistema vestible para monitorizar la respiración:- Dentro de esta línea de trabajo se investigó un nuevo sensor de respiración que venía a cubrir algunas lagunas existentes en el estado de la técnica: la integración de todos los elementos electrónicos del sistema en un encapsulado compacto, la liberación del diseño para su reutilización y mejora por parte de otros investigadores y el bajo coste de los elementos que componen el sistema, entre otros. El sistema vestible consiste en un dispositivo que se coloca alrededor del pecho mediante una cinta ajustable. Este sistema funciona mediante un sensor piezoresistivo que detecta las variaciones en el diámetro del pecho ocasionadas al inhalar y exhalar; las variaciones detectadas son enviadas de forma inalámbrica mediante Bluetooth a una estación de visualización elegida por el usuario (PC, Tablet o Smartphone). El sistema se encuentra embebido en un armazón impreso en 3D. Para validar el funcionamiento de este sistema, se realizaron pruebas con 21 voluntarios que efectuaron diferentes ritmos de respiración. Para obtener los ritmos respiratorios de cada señal generada, se utilizaron dos algoritmos. Estos algoritmos calculan el ritmo respiratorio al segmentar la señal original en ventanas de tiempo desde 6 hasta 30 segundos. Los resultados obtenidos muestran que, con una ventana de tiempo de 27 segundos, se obtiene el menor error para cada algoritmo (4,02% y 3,40 %).Sistema ambiental para medir el salto vertical:- Dentro de esta segunda línea de trabajo se investigó en un novedoso sistema ambiental para medir la altura del salto, lo que supuso una innovación respecto a los sensores utilizados actualmente para este fin. El sistema ambiental consiste en una plataforma que detecta objetos sobre ella mediante la presión, y mide el tiempo transcurrido desde que un objeto se retira y se coloca de nuevo. El sistema detecta los objetos mediante una matriz de sensores piezoresitivos (Force Sensitive Resistors - FSR realizados con velostat). Las dimensiones de la plataforma son 30 cm x 30 cm, área sobre la cual se distribuyen un total de 256 sensores FSR. El salto vertical se calcula mediante la fórmula de tiempo de vuelo, y el resultado es enviado mediante Bluetooth a un PC o Smartphone. Se realizaron dos experimentos: en el primero participaron un total de 38 voluntarios, con el objetivo de validar el funcionamiento del sistema con una cámara de alta velocidad como referencia (120 fps); en el segundo experimento se capturaron los datos en crudo de 15 voluntarios, con estos datos se emularon 10 frecuencias de muestreo (desde 20 Hz hasta 200 Hz) y se analizaron los efectos de utilizar frecuencias más bajas. Del primer experimento se obtuvo un error relativo medio de 1.98% con un coeficiente de determinación r2= 0,996. Del segundo experimento se determinó que las frecuencias de muestreo de 200 Hz y 100 Hz muestran un desempeño similar al mantener un error relativo por debajo del 5% en el 95% de las mediciones.Finalmente, este trabajo de tesis concluye indicando las principales aportaciones realizadas para cada una de las dos líneas de trabajo, así como el trabajo futuro que podría desarrollarse en cada una de ellas.<br /

State of the art of audio- and video based solutions for AAL

Working Group 3. Audio- and Video-based AAL ApplicationsIt is a matter of fact that Europe is facing more and more crucial challenges regarding health and social care due to the demographic change and the current economic context. The recent COVID-19 pandemic has stressed this situation even further, thus highlighting the need for taking action. Active and Assisted Living (AAL) technologies come as a viable approach to help facing these challenges, thanks to the high potential they have in enabling remote care and support. Broadly speaking, AAL can be referred to as the use of innovative and advanced Information and Communication Technologies to create supportive, inclusive and empowering applications and environments that enable older, impaired or frail people to live independently and stay active longer in society. AAL capitalizes on the growing pervasiveness and effectiveness of sensing and computing facilities to supply the persons in need with smart assistance, by responding to their necessities of autonomy, independence, comfort, security and safety. The application scenarios addressed by AAL are complex, due to the inherent heterogeneity of the end-user population, their living arrangements, and their physical conditions or impairment. Despite aiming at diverse goals, AAL systems should share some common characteristics. They are designed to provide support in daily life in an invisible, unobtrusive and user-friendly manner. Moreover, they are conceived to be intelligent, to be able to learn and adapt to the requirements and requests of the assisted people, and to synchronise with their specific needs. Nevertheless, to ensure the uptake of AAL in society, potential users must be willing to use AAL applications and to integrate them in their daily environments and lives. In this respect, video- and audio-based AAL applications have several advantages, in terms of unobtrusiveness and information richness. Indeed, cameras and microphones are far less obtrusive with respect to the hindrance other wearable sensors may cause to one’s activities. In addition, a single camera placed in a room can record most of the activities performed in the room, thus replacing many other non-visual sensors. Currently, video-based applications are effective in recognising and monitoring the activities, the movements, and the overall conditions of the assisted individuals as well as to assess their vital parameters (e.g., heart rate, respiratory rate). Similarly, audio sensors have the potential to become one of the most important modalities for interaction with AAL systems, as they can have a large range of sensing, do not require physical presence at a particular location and are physically intangible. Moreover, relevant information about individuals’ activities and health status can derive from processing audio signals (e.g., speech recordings). Nevertheless, as the other side of the coin, cameras and microphones are often perceived as the most intrusive technologies from the viewpoint of the privacy of the monitored individuals. This is due to the richness of the information these technologies convey and the intimate setting where they may be deployed. Solutions able to ensure privacy preservation by context and by design, as well as to ensure high legal and ethical standards are in high demand. After the review of the current state of play and the discussion in GoodBrother, we may claim that the first solutions in this direction are starting to appear in the literature. A multidisciplinary 4 debate among experts and stakeholders is paving the way towards AAL ensuring ergonomics, usability, acceptance and privacy preservation. The DIANA, PAAL, and VisuAAL projects are examples of this fresh approach. This report provides the reader with a review of the most recent advances in audio- and video-based monitoring technologies for AAL. It has been drafted as a collective effort of WG3 to supply an introduction to AAL, its evolution over time and its main functional and technological underpinnings. In this respect, the report contributes to the field with the outline of a new generation of ethical-aware AAL technologies and a proposal for a novel comprehensive taxonomy of AAL systems and applications. Moreover, the report allows non-technical readers to gather an overview of the main components of an AAL system and how these function and interact with the end-users. The report illustrates the state of the art of the most successful AAL applications and functions based on audio and video data, namely (i) lifelogging and self-monitoring, (ii) remote monitoring of vital signs, (iii) emotional state recognition, (iv) food intake monitoring, activity and behaviour recognition, (v) activity and personal assistance, (vi) gesture recognition, (vii) fall detection and prevention, (viii) mobility assessment and frailty recognition, and (ix) cognitive and motor rehabilitation. For these application scenarios, the report illustrates the state of play in terms of scientific advances, available products and research project. The open challenges are also highlighted. The report ends with an overview of the challenges, the hindrances and the opportunities posed by the uptake in real world settings of AAL technologies. In this respect, the report illustrates the current procedural and technological approaches to cope with acceptability, usability and trust in the AAL technology, by surveying strategies and approaches to co-design, to privacy preservation in video and audio data, to transparency and explainability in data processing, and to data transmission and communication. User acceptance and ethical considerations are also debated. Finally, the potentials coming from the silver economy are overviewed.publishedVersio

Noninvasive autonomic nervous system assessment in respiratory disorders and sport sciences applications

La presente tesis está centrada en el análisis no invasivo de señales cardíacas y respiratorias, con el objetivo de evaluar la actividad del sistema nervioso autónomo (ANS) en diferentes escenarios, tanto clínicos como no clínicos. El documento está estructurado en tres partes principales. La primera parte consiste en una introducción a los aspectos fisiológicos y metodológicos que serán cubiertos en el resto de la tesis. En la segunda parte, se analiza la variabilidad del ritmo cardiaco (HRV) en el contexto de enfermedades respiratorias, concretamente asma (tanto en niños como en adultos) y apnea del sueño. En la tercera parte, se estudian algunas aplicaciones novedosas del análisis de señales cardiorespiratorias en el campo de las ciencias del deporte. La primera parte está compuesta por los capítulos 1 y 2. El capítulo 1 consiste en una extensa introducción al funcionamiento del sistema nervioso autónomo y las características de las bioseñales analizadas a lo largo de la tesis. Por otro lado, se aborda la patofisiología del asma y la apnea del sueño, su relación con el funcionamiento del ANS y las estrategias de diagnóstico y tratamiento de lasmismas. El capítulo concluye con una introducción a la fisiología del ejercicio, así como al interés en la estimación del volumen tidal y del umbral anaeróbico en el campo de las ciencias del deporte.En cuanto al capítulo 2, se presenta un marco de trabajo para el análisis contextualizado de la HRV. Después de una descripción de las técnicas de evaluación y acondicionamiento de la señal de HRV, el capítulo se centra en el efecto de los latidos ectópicos, la arritmia sinusal respiratoria y la frecuencia respiratoria en el análisis de la HRV.Además, se discute el uso de un índice para la evaluación de la distribución de la potencia en los espectros de HRV, así como diferentes medidas de acoplo cardiorespiratorio.La segunda parte está compuesta por los capítulos 3, 4 y 5, todos ellos relacionados con el análisis de la HRV en enfermedades respiratorias. Mientras que los capítulos 3 y 4 están centrados en asma infantil y en adultos respectivamente, el capítulo 5 aborda la apnea del sueño. El asma es una enfermedad respiratoria crónica que aparece habitualmente acompañada por una inflamación de las vías respiratorias. Aunque afecta a personas detodas las edades, normalmente se inicia en edades tempranas, y ha llegado a constituir una de las enfermedades crónicasmás comunes durante la infancia. Sin embargo, todavía no existe un método adecuado para el diagnóstico de asma en niños pequeños. Por otro lado, el rol fundamental que desempeña el sistema nervioso parasimpático en el control del tono bronco-motor y la bronco-dilatación sugiere que la rama parasimpática del ANS podría estar implicada en la patogénesis del asma. De estemodo, en el capítulo 3 se evalúa el ANS mediante el análisis de la HRV en dos bases de datos diferentes, compuestas por niños en edad pre-escolar clasificados en función de su riesgo de desarrollar asma, o de su condición asmática actual. Los resultados del análisis revelaron un balance simpáticovagal reducido y una componente espectral de alta frecuencia más picuda en aquellos niños con un mayor riesgo de desarrollar asma. Además, la actividad parasimpática y el acoplo cardiorespiratorio se redujeron en un grupo de niños con bajo riesgo de asma al finalizar un tratamiento para bronquitis obstructiva, mientras que estos permanecieron inalterados en aquellos niños con una peor prógnosis.A diferencia de los niños pequeños, en el caso de adultos el diagnóstico de asma se realiza a través de una rutina clínica bien definida. Sin embargo, la estratificación de los pacientes en función de su grado de control de los síntomas se basa generalmente en el uso de cuestionarios auto-aplicados, que pueden tener un carácter subjetivo. Por otro lado, la evaluación de la severidad del asma requiere de una visita hospitalaria y de incómodas pruebas, que no pueden aplicarse de una forma continua en el tiempo. De este modo, en el capítulo 4 se estudia el valor de la evaluación del ANS para la estratificación de adultos asmáticos. Para ello, se emplearon diferentes características extraídas de la HRV y la respiración, junto con varios parámetros clínicos, para entrenar un conjunto de algoritmos de clasificación. La inclusión de características relacionadas con el ANS para clasificar los sujetos atendiendo a la severidad del asma derivó en resultados similares al caso de utilizar únicamente parámetros clínicos, superando el desempeño de estos últimos en algunos casos. Por lo tanto, la evaluación del ANS podría representar un potencial complemento para la mejora de la monitorización de sujetos asmáticos.En el capítulo 5, se analiza la HRV en sujetos que padecen el síndrome de apnea del sueño (SAS) y comorbididades cardíacas asociadas. El SAS se ha relacionado con un incremento de 5 veces en el riesgo de desarrollar enfermedades cardiovasculares (CVD), que podría aumentar hasta 11 veces si no se trata convenientemente. Por otro lado, una HRV alterada se ha relacionado independientemente con el SAS y con numerosos factores de riesgo para el desarrollo de CVD. De este modo, este capítulo se centra en evaluar si una actividad autónoma desbalanceada podría estar relacionada con el desarrollo de CVD en pacientes de SAS. Los resultados del análisis revelaron una dominancia simpática reducida en aquellos sujetos que padecían SAS y CVD, en comparación con aquellos sin CVD. Además, un análisis retrospectivo en una base de datos de sujetos con SAS que desarollarán CVD en el futuro también reveló una actividad simpática reducida, sugiriendo que un ANS desbalanceado podría constituir un factor de riesgo adicional para el desarrollo de CVD en pacientes de SAS.La tercera parte está formada por los capítulos 6 y 7, y está centrada en diferentes aplicaciones del análisis de señales cardiorespiratorias en el campo de las ciencias del deporte. El capítulo 6 aborda la estimación del volumen tidal (TV) a partir del electrocardiograma (ECG). A pesar de que una correcta monitorización de la actividad respiratoria es de gran interés en ciertas enfermedades respiratorias y en ciencias del deporte, la mayor parte de la actividad investigadora se ha centrado en la estimación de la frecuencia respiratoria, con sólo unos pocos estudios centrados en el TV, la mayoría de los cuales se basan en técnicas no relacionadas con el ECG. En este capítulo se propone un marco de trabajo para la estimación del TV en reposo y durante una prueba de esfuerzo en tapiz rodante utilizando únicamente parámetros derivados del ECG. Errores de estimación del 14% en la mayoría de los casos y del 6% en algunos sugieren que el TV puede estimarse a partir del ECG, incluso en condiciones no estacionarias.Por último, en el capítulo 7 se propone una metodología novedosa para la estimación del umbral anaeróbico (AT) a partir del análisis de las dinámicas de repolarización ventricular. El AT representa la frontera a partir de la cual el sistema cardiovascular limita la actividad física de resistencia, y aunque fue inicialmente concebido para la evaluación de la capacidad física de pacientes con CVD, también resulta de gran interés en el campo de las ciencias del deporte, permitiendo diseñar mejores rutinas de entrenamiento o para prevenir el sobre-entrenamiento. Sin embargo, la evaluación del AT requiere de técnicas invasivas o de dispositivos incómodos. En este capítulo, el AT fue estimado a partir del análisis de las variaciones de las dinámicas de repolarización ventricular durante una prueba de esfuerzo en cicloergómetro. Errores de estimación de 25 W, correspondientesa 1 minuto en este estudio, en un 63% de los sujetos (y menores que 50 W en un 74% de ellos) sugieren que el AT puede estimarse de manera no invasiva, utilizando únicamente registros de ECG.<br /

Ultrasound Imaging

In this book, we present a dozen state of the art developments for ultrasound imaging, for example, hardware implementation, transducer, beamforming, signal processing, measurement of elasticity and diagnosis. The editors would like to thank all the chapter authors, who focused on the publication of this book

An investigation of cusp latitude magnetosphere-ionosphere physics: A time series analysis approach

Thesis (Ph.D.) University of Alaska Fairbanks, 1997The shocked solar wind plasma of the magnetosheath has direct access to the Earth's high-latitude ionosphere and upper atmosphere only through the magnetospheric cusps. The interaction of solar and terrestrial plasmas and fields in these regions has made them an obvious choice for the study of coupling processes in the geospace environment. Some of the information regarding these processes is manifest in the transmission and generation of wave energy, a portion of which can be detected by ground-based magnetometers. In the present day, records of the magnetic field are stored in a digital format; therefore, some form of signal processing is required to extract meaningful physical information from them. This thesis is aimed at the physical characterization of the cusp region through the careful application of digital time series analysis techniques to ground-based magnetometer records. It is demonstrated that judicious application of signal processing techniques can yield new, physically meaningful results from ground-based magnetometer records, and aid in the understanding of disparate reports from groups using different analysis techniques on like data. Characterization of the cusp region is couched in terms of three specific, open problems of the physics of magnetic perturbations in the cusp: (1) the coherence of localized pulsations, (2) the spatiotemporal nature of the cusp magnetic spectrum, and (3) the ground-based magnetic determination of the separatrix. The first problem is addressed by assuming that localized pulsations are coherent only over some finite spatial extent. A statistical measure of interstation coherence is developed to estimate an upper bound of ${\cal O}$(200 km) for the coherence length of this class of pulsations. The second problem is addressed by examining the ultra low frequency polarization spectrum. An information theoretic measure is established as a quantitative means of discriminating the spatial passage of the cusp by ground-based magnetic means. This procedure replaces previous determinations which were made "by-eye." Finally, separatrix identification is addressed by applying the statistical interstation coherence measure to pulsations presumably representative of a magnetic field line resonance. The analysis indicates that a determination is not possible to a resolution better than ${\cal O}$3(300 km)