Error Prevention in Sensors and Sensor Systems

Achievements in all fields of engineering and fabrication methods have led towards optimization and integration of multiple sensing devices into a concise system. These advances have caused significant innovation in various commercial, industrial, and research efforts. Integrations of subsystems have important applications for sensor systems in particular. The need for reporting and real time awareness of a device’s condition and surroundings have led to sensor systems being implemented in a wide variety of fields. From environmental sensors for agriculture, to object characterization and biomedical sensing, the application for sensor systems has impacted all modern facets of innovation. With these innovations, however, additional sources of errors can occur, that can cause new but exciting challenges for such integrated devices. Such challenges range from error correction and accuracy to power optimization. Researchers have invested significant time and effort to improve the applicability and accuracy of sensors and sensor systems. Efforts to reduce inherent and external noise of sensors can range from hardware to software solutions, focusing on signal processing and exploiting the integration of multiple signals and/or sensor types. My research work throughout my career has been focused on deployable and integrated sensor systems. Their integration not only in hardware and components but also in software, machine learning, pattern recognition, and overall signal processing algorithms to aid in error correction and noise tailoring in all their hardware and software components

Review on Smart Electro-Clothing Systems (SeCSs)

This review paper presents an overview of the smart electro-clothing systems (SeCSs) targeted at health monitoring, sports benefits, fitness tracking, and social activities. Technical features of the available SeCSs, covering both textile and electronic components, are thoroughly discussed and their applications in the industry and research purposes are highlighted. In addition, it also presents the developments in the associated areas of wearable sensor systems and textile-based dry sensors. As became evident during the literature research, such a review on SeCSs covering all relevant issues has not been presented before. This paper will be particularly helpful for new generation researchers who are and will be investigating the design, development, function, and comforts of the sensor integrated clothing materials

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

Wearable Wireless Devices

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Wearable Wireless Devices

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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

Wearable and Nearable Biosensors and Systems for Healthcare

Biosensors and systems in the form of wearables and “nearables” (i.e., everyday sensorized objects with transmitting capabilities such as smartphones) are rapidly evolving for use in healthcare. Unlike conventional approaches, these technologies can enable seamless or on-demand physiological monitoring, anytime and anywhere. Such monitoring can help transform healthcare from the current reactive, one-size-fits-all, hospital-centered approach into a future proactive, personalized, decentralized structure. Wearable and nearable biosensors and systems have been made possible through integrated innovations in sensor design, electronics, data transmission, power management, and signal processing. Although much progress has been made in this field, many open challenges for the scientific community remain, especially for those applications requiring high accuracy. This book contains the 12 papers that constituted a recent Special Issue of Sensors sharing the same title. The aim of the initiative was to provide a collection of state-of-the-art investigations on wearables and nearables, in order to stimulate technological advances and the use of the technology to benefit healthcare. The topics covered by the book offer both depth and breadth pertaining to wearable and nearable technology. They include new biosensors and data transmission techniques, studies on accelerometers, signal processing, and cardiovascular monitoring, clinical applications, and validation of commercial devices