DE102020117244A1 - IoT-based intelligent bed sensor system for contactless respiratory rate monitoring - Google Patents

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DE102020117244A1
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Abstract

Die Erfindung gibt ein Verfahren zum Bestimmen einer Atemfrequenz (RR) eines Patienten an, wobei das Verfahren umfasst: Messen eines Gewichts eines Patienten durch Abrufen gewichtsbezogener Informationen von einer Mehrzahl bettmontierter Lastsensoren (2), Übertragen der gewichtsbezogenen Informationen an einen Server.The invention provides a method for determining a patient's respiratory rate (RR), the method comprising: measuring a patient's weight by retrieving weight-related information from a plurality of bed-mounted load sensors (2), transmitting the weight-related information to a server.

Description

Gebietarea

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein bettmontiertes Sensorsystem für eine kontaktlose Atemfrequenzüberwachung und ein entsprechendes Verfahren.The present invention relates to a bed-mounted sensor system for contactless respiratory rate monitoring and a corresponding method.

Hintergrundbackground

Die Atemfrequenz (Respiratory Rate, RR), kombiniert mit der Körpertemperatur, dem Blutdruck und dem Puls, sind die vier Vitalzeichen, die mit dem Gesundheitszustand einer Person, wie zum Beispiel dem Fortschritt einer Krankheit und der klinischen Schwere der Krankheit, eng verbunden sind. RR ist ein guter Diskriminator bei der Erkennung von Hochrisiko-Patientengruppen, bevor schwere Verläufe, wie zum Beispiel ein kardiopulmonaler Stillstand oder eine Aufnahme in die Intensivstation, ein Thema werden. Natürlich erleichtert die RR-Überwachung die Erkennung auf die Atmung bezogener Symptome, wie zum Beispiel Schlaf-Apnoe, chronischobstruktive Lungenerkrankung und Asthma. Darüber hinaus haben Veränderungen in der RR auch eine starke Verbindung mit psychologischen Aspekten, wie zum Beispiel Stress und Angst und kognitiver Belastung. RR kann auch mit Polysomnografie verbunden werden, da ihre Veränderungen verschiedene Phasen des Schlafes widerspiegeln. Die aktuelle Praxis zum Überwachen der RR in Krankenhäusern und in der Pflege basiert üblicherweise auf der manuellen Beobachtung durch Klinikpersonal. Dies verhindert das Sammeln kontinuierlicher und zuverlässiger Daten in einem Maßstab, der eine frühe Risikoanalyse und frühe Interventionen ermöglicht.The respiratory rate (respiratory rate, RR ), combined with body temperature, blood pressure and pulse, are the four vital signs that are closely related to a person's state of health, such as the progression of a disease and the clinical severity of the disease. RR is a good discriminator in the detection of high-risk patient groups before severe processes, such as cardiopulmonary arrest or admission to the intensive care unit, become an issue. Of course, RR monitoring makes it easier to identify breathing-related symptoms such as sleep apnea, chronic obstructive pulmonary disease, and asthma. They also have changes in the RR also have a strong connection with psychological issues, such as stress and anxiety and cognitive load. RR can also be linked to polysomnography, as its changes reflect different phases of sleep. The current practice for monitoring the RR in hospitals and nursing is usually based on manual observation by clinical staff. This prevents the collection of continuous and reliable data on a scale that allows early risk analysis and early intervention.

Verschiedene RR-Schätzmethoden wurden entwickelt. Insgesamt können die RR-Schätzmethoden in zwei Gruppen kategorisieren werden: kontaktgebunden und nicht kontaktgebunden. In manchen kontaktgebundenen Methoden werden Sensoren in der Nähe der Luftröhre oder von Körperteilen (Hals, Brust, Bauch usw.) angebracht, an denen die gesammelten Signale direkt die Atemaktivitäten, zum Beispiel Luftstrom, Atemakustik, Lungenbewegungen, widerspiegeln. Weitere kontaktgebundene Methoden verwenden Sensoren, zum Beispiel PPG- und ECG-Geräte, die implizite Ateminformationen erfassen, die eine bestimmte Art der Atemmodulation zur Hauptkomponente enthalten. Bei einem herkömmlichen und immer noch häufig gebrauchten kontaktlosen Verfahren werden ausgebildete klinische Beobachtungen benötigt, indem die Anzahl von Brusthebungen während eines bestimmten Zeitraums (zum Beispiel einer vollen Minute) gezählt wird. Die nicht kontaktgebundenen Methoden verwenden Sensoren, wie zum Beispiel für Druck, optische Bildgebung, thermische Bildgebung und Radarsignale, die mechanische Bewegungen erfassen könnten, oder Heatmaps, die durch die Atmung verursacht werden. Ebenfalls wird darauf hingewiesen, dass nicht kontaktgebundene Erfassungsmethoden dem Patienten einen besseren Komfort bieten und genauer sind, da die „durch ein kontaktgebundenes Gerät verursachte Belastung die Atemfrequenz ändern kann“.Various RR estimation methods have been developed. Overall, the RR estimation methods can be categorized into two groups: contact-based and non-contact-based. In some contact-based methods, sensors are attached near the windpipe or parts of the body (neck, chest, abdomen, etc.), on which the collected signals directly reflect the breathing activities, for example air flow, breathing acoustics, lung movements. Other contact-based methods use sensors, for example PPG and ECG devices, which capture implicit respiratory information that contains a certain type of respiratory modulation to the main component. A conventional and still widely used non-contact method requires trained clinical observations by counting the number of breast lifts during a given period (e.g., a full minute). The non-contact methods use sensors such as pressure, optical imaging, thermal imaging, and radar signals that could detect mechanical movement or heat maps caused by breathing. It is also pointed out that non-contact recording methods offer the patient better comfort and are more precise, since “the stress caused by a contact device can change the respiratory rate”.

Trotz einer großen Anzahl bestehender Erfassungstechniken für die RR-Überwachung verwenden die meisten der oben genannten Systeme ein einziges Gerät, das jeweils zum Betrieb einen ausgebildeten Techniker bzw. ausgebildetes Klinikpersonal benötigt. Der manuelle Betrieb macht dies für eine Echtzeitüberwachung im großen Maßstab schwierig.Despite a large number of existing detection techniques for RR monitoring, most of the above systems use a single device, each of which requires a trained technician or trained clinician to operate. Manual operation makes this difficult for real-time, large-scale monitoring.

Zusammenfassungsummary

Die Entwicklung automatischer und kontinuierlicher RR-Überwachungslösungen trägt dazu bei, robustere und skalierbare frühe Interventionen in schwierigen Gesundheitsumgebungen zu erschaffen, wobei RR ein entscheidender Indikator sein kann.The development of automated and continuous RR monitoring solutions is helping to create more robust and scalable early interventions in challenging healthcare environments, with RR can be a crucial indicator.

Die vorliegende Offenbarung gibt unter anderem ein Verfahren zum Bestimmen einer Atemfrequenz (RR) eines Patienten an, wobei das Verfahren die Schritte des Messens eines Gewichts eines Patienten durch Abrufen gewichtsbezogener Informationen von einer Mehrzahl bettmontierter Lastsensoren, das Übertragen der gewichtsbezogenen Informationen an einen Server umfasst.The present disclosure provides, inter alia, a method for determining a respiratory rate ( RR ) of a patient, the method comprising the steps of measuring a patient's weight by retrieving weight-related information from a plurality of bed-mounted load sensors, transmitting the weight-related information to a server.

Weiter gibt es einen Schritt einer Datenbereinigung, wobei der Schritt der Datenbereinigung umfasst: Umordnen von Datenrahmen durch Vergleichen von Zeitstempeln und/oder Erfassen redundanter Daten durch Vergleichen benachbarten Rahmen, und oder Entfernen der redundanten Daten und/oder Auszeichnen fehlender Zeitrahmen durch Vergleichen von Unterschieden zwischen Zeitstempeln sowie einer Gesamtzahl gesammelter Rahmen.There is also a step of data cleansing, the step of data cleansing comprising: rearranging data frames by comparing time stamps and / or acquiring redundant data by comparing neighboring frames, and or removing the redundant data and / or marking up missing time frames by comparing differences between Time stamps and a total number of frames collected.

Weiter kann es einen Schritt einer nichtlinearen Transformation unter der Verwendung einer Sigmoid-Funktion zum Verstärken von Signalen geben, die durch Atmung mit kleinen Magnituden verursacht werden, während ein durch Körperbewegung hervorgerufenes Signal unterdrückt wird, das die Atmungsinformationen verdeckt.Further, there may be a step of non-linear transformation using a sigmoid function to amplify signals caused by small magnitude breathing while suppressing a body movement signal obscuring the respiratory information.

Ferner kann es einen Schritt einer Segmentierung mit überlappenden, verschiebbaren Rechteckfenstern geben, die sich über mehrere Rahmen, insbesondere sieben Rahmen, mit dem Schritt von einem Rahmen, erstrecken, ferner umfassend eine Hauptkomponentenanalyse zur Dimensionsreduktion.Furthermore, there can be a step of segmentation with overlapping, displaceable rectangular windows that extend over several frames, in particular seven frames, with the step of one frame, further comprising a main component analysis for dimensional reduction.

Es kann auch eine Daten-Reliabilitätsanalyse geben, umfassend: Anwenden eines binären Annahme-Verwerfung-Klassifikators zum Erkennen der Zuverlässigkeit eines jeden Rahmens.There may also be a data reliability analysis comprising: applying a binary acceptance rejection classifier to recognize the reliability of each frame.

Es kann drei verschiedene Typen von Klassifikatoren mit einem offline stattfindenden überwachten Training geben, wobei die Grundwahrheit manuell gekennzeichnet wird. Die Referenz-Kennzeichnung eines Rahmens, d.h., ob ein Rahmen zuverlässig ist, um zur RR-Schätzung beizutragen, oder nicht, wird manuell ausgezeichnet. Diese Referenz-Kennzeichnungen werden auch als Grundwahrheit bezeichnet.There can be three different types of classifiers with supervised training taking place offline, with the basic truth being marked manually. The reference identifier of a frame, i.e. whether or not a frame is reliable to contribute to the RR estimation, is marked manually. These reference markings are also known as the basic truth.

In einem Aspekt kann eine Stützvektormaschine (Support Vector Machine, SVM) angewendet werden.In one aspect, a support vector machine (support vector machine, SVM ) be applied.

In einem weiteren Aspekt kann ein Mehrschicht-Perzeptron (Multilayer-Perceptron, MLP) angewendet werden.In a further aspect, a multilayer perceptron (multilayer perceptron, MLP ) be applied.

Noch weiter kann ein hybrides rekurrentes neuronales Netz (Hybrid RNN) angewendet werden.A hybrid recurrent neural network (hybrid RNN ) be applied.

Datenrahmen, die als zuverlässig erkannt werden, können in mehrere Fragmente unterschiedlicher Längen zusammengefasst werden.Data frames that are recognized as reliable can be combined into several fragments of different lengths.

Eine Atemfrequenz (RR) kann unter der Verwendung von Beiträgen der Fragmente extrahiert werden, während unzuverlässige und fehlende Rahmen ignoriert werden.A breathing rate ( RR ) can be extracted using contributions from the fragments while ignoring unreliable and missing frames.

Auf jedes Fragment kann eine Spitzenerkennung angewendet werden, wobei eine gewichtete Kombination verfolgt wird, je nach (gegebenenfalls) der Länge zwischen der ersten und der letzten erfassten Spitze in jedem Fragment sowie der FragmentLänge, um die Atemfrequenz zu erfassen.Peak detection can be applied to each fragment, with a weighted combination followed, depending on the length between the first and last detected peak in each fragment (if any) and the fragment length to detect the respiratory rate.

Auf jedes Fragment kann eine Zeitbereichs-Hilbert-Transformation angewendet werden, um ein Analysesignal zu erhalten, aus dem die Phaseninformationen berechnet und entfaltet werden können, ferner umfassend ein Steigungs-Fitting für alle Fragmente, mit einem gemeinsam genutzten Steigungsparameter und einem weiteren Verzerrungs-Parameter für jedes Segment, wobei die Atemfrequenz (RR) aus dem Steigungsparameter abgebildet wird.A time-domain Hilbert transform can be applied to each fragment in order to obtain an analysis signal from which the phase information can be calculated and unfolded, further comprising a slope fitting for all fragments, with a shared slope parameter and a further distortion parameter for each segment, where the respiratory rate ( RR ) is mapped from the slope parameter.

In einem Aspekt werden die Anzahl von Rahmen in jedem Block, die Variation des erfassten Spitzen-Ort-Abstands und der Fitting-Fehler als Indikatoren für das Zuverlässigkeitsniveau der Atemfrequenz (RR) verwendet.In one aspect, the number of frames in each block, the variation in the detected peak-to-location distance and the fitting errors are used as indicators of the level of confidence in the respiratory rate ( RR ) used.

Die vorliegende Offenbarung gibt auch ein System zum Bestimmen einer Atemfrequenz (RR) eines Patienten an. Das System kann eine Mehrzahl bettmontierter Lastsensoren (Gewichtssensoren) umfassen, die im Wesentlichen randständig um ein Bett herum angeordnet sind, elektronische Schaltungen zum Empfangen und Verarbeiten entsprechender Gewichtsdaten aus der Mehrzahl bettmontierter Sensoren, einen Datenlogger zum vorübergehenden Speichern der Gewichtsdaten, und einen Sender zum Übertragen der Gewichtsdaten an eine Datenverarbeitungseinheit, wobei die Datenverarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, eine Scheibe (Slice) von Atmungsdaten in den empfangenen Daten zu klassifizieren, eine Atemfrequenz (RR) in der Scheibe zu erfassen und die erfasste Atemfrequenz (RR) als eine Schablone zum Erfassen weiterer Atemfrequenzinformationen zu verwenden.The present disclosure also provides a system for determining a respiratory rate ( RR ) of a patient. The system can comprise a plurality of bed-mounted load sensors (weight sensors), which are arranged essentially at the edge around a bed, electronic circuits for receiving and processing corresponding weight data from the plurality of bed-mounted sensors, a data logger for temporarily storing the weight data, and a transmitter for transmission the weight data to a data processing unit, wherein the data processing unit is configured to classify a slice of respiratory data in the received data, a respiratory rate ( RR ) in the disc and the recorded respiratory rate ( RR ) as a template for capturing additional respiratory rate information.

Die zentrale Datenverarbeitungseinheit kann ferner dazu konfiguriert sein, eine SVM, hybrides RNN und/oder MLP zur Klassifizierung anzuwenden.The central data processing unit can also be configured to provide a SVM , hybrid RNN and or MLP to be used for classification.

Die zentrale Datenverarbeitungseinheit ist dazu konfiguriert, eine Hilbert-Transformation anzuwenden.The central data processing unit is configured to use a Hilbert transformation.

Die vorliegende Offenbarung geht von der Erkenntnis aus, dass IoT-Technologien (Internet of Things) eine Lösung für die eingangs erwähnten Einschränkungen bereitstellen kann. Die vorliegende Offenbarung gibt ein nicht kontaktgebundenes IoT-basiertes System zur im Bett stattfindenden Echtzeit-RR-Überwachung an.The present disclosure is based on the knowledge that IoT technologies (Internet of Things) can provide a solution for the restrictions mentioned at the beginning. The present disclosure provides a non-contact IoT-based system for real-time in-bed RR monitoring.

Ein IoT-System könnte eine komplexe Struktur haben, wie zum Beispiel Sensorknoten, Datenspeicherung, Netzwerk, Benutzer. Ein vorteilhaftes Konzept ist jedoch ziemlich einfach, d.h. ein „Kommunikations-Betätigungs-Netzwerk“ mit einer weitläufigen Verteilung von Sensorgeräten.An IoT system could have a complex structure, such as sensor nodes, data storage, network, users. One advantageous concept, however, is quite simple, that is, a "communication actuation network" with an extensive distribution of sensor devices.

Das offenbarte System besteht aus fünf Hauptkomponenten: Bettsensorgeräte, Gateway, Back-End, Maschinenlern (ML)-Algorithmus und Benutzerschnittstelle (UI). Jeder Gerätesatz enthält vier Lastsensoren, die unter Bettfüßen montiert sind, die mit einem Datenlogger drahtgebunden verbunden sind, der die gemessenen Daten kalibriert, verarbeitet und überträgt. Das von dem Datenlogger gesendete Datenpaket enthält Wellenformdaten die einer Atmung zugeordnet sind, sowie andere Metadaten, wie zum Beispiel die Geräte-ID, Patienten-ID, Gewicht, Schwerpunkt und Haltung. Das Gateway empfängt Daten über ein drahtloses Netz und erzeugt ein gemeinsames Datenformat, bevor es sie in einem Speicher speichert. Mit verschiedenen Konfigurationen und Spezifikationen koordiniert das Back-End eine Datenbankverwaltung und andere Webdienste, wie zum Beispiel Nachrichtenbus, Authentifizierungs-Middleware und Netzwerkprotokolle. Die ML-Komponente schätzt die Echtzeit-RR, und die Benutzerschnittstelle visualisiert die den registrierten Patienten zugeordneten Daten. Das offenbarte System bietet gegenüber herkömmlichen RR-Extraktionsmethoden die folgenden Vorteile.The disclosed system consists of five main components: bed sensor devices, gateway, back-end, machine learning ( ML ) Algorithm and user interface ( UI ). Each equipment set contains four load sensors, which are mounted under the feet of the bed, which are connected by wire to a data logger, which calibrates, processes and transmits the measured data. The data packet sent by the data logger contains waveform data associated with a respiration, as well as other metadata, such as the device ID, patient ID, weight, center of gravity and posture. The gateway receives data over a wireless network and creates a common data format before storing it in memory. With various configurations and specifications, the back end coordinates database management and other web services such as message bus, authentication middleware and network protocols. The ML component estimates the real-time RR and the user interface visualizes the data associated with the registered patients. The disclosed system offers the following advantages over conventional RR extraction methods.

Die Verfahren und das System der vorliegenden Offenbarung haben eine sehr geringe Betriebsauffälligkeit, da die bettmontierten Sensoren nicht kontaktgebunden sind und unter dem Bett angebracht werden können, mit der Zielsetzung, die Atmung in der Ruhe oder im Schlaf zu überwachen. Als ein Ergebnis hiervon fühlt die Person keine Störung aufgrund des kontinuierlichen Betriebs. Außerdem werden keine Einschränkungen hinsichtlich der Haltung oder der Position gefordert, was den Benutzern größten Komfort bietet. Die vorliegende Offenbarung bietet auch leicht erweiterbare RR-Schätzmethoden. Das Gateway, das Back-End und die ML-Komponente können auf einem entfernten Server anstelle eines physischen Servers an der Überwachungsstelle laufen. Das ML-Modul kann kontinuierlich laufen, stört jedoch den Datensammelprozess nicht. Die verwendeten ML-Modelle können neu trainiert und fein eingestellt werden, um sich an neue Muster und Statistiken in den gesammelten Daten anzupassen.The methods and system of the present disclosure have very little operational anomaly because the bed mounted sensors are non-contact and can be placed under the bed for the purpose of monitoring breathing while at rest or asleep. As a result, the person does not feel any disturbance due to the continuous operation. In addition, there are no restrictions on posture or position required, making it extremely convenient for users. The present disclosure also offers easily extensible RR estimation methods. The gateway, back-end and ML component can run on a remote server instead of a physical server at the monitoring point. The ML module can run continuously, but does not interfere with the data collection process. The ML models used can be retrained and fine-tuned to accommodate new patterns and statistics in the data collected.

Die vorliegende Offenbarung stellt auch ein skalierbares und erweiterbares Ökosystem bereit. Neue Geräte können durch autorisierte Benutzer über die Benutzerschnittstelle (User Interface, UI) hinzugefügt und registriert und zugewiesenen Patienten zugeordnet werden. Die ML-Funktion kann mit mehr Merkmalen nach Kundenwunsch erweitert werden, zum Beispiel um die Schlafqualität vorherzusagen. Andere Typen von Geräten, zum Beispiel welche, die am Körper getragen werden, können in das System integriert werden, um physiologische Signale zum Vergleich oder zur Zusammenführung mit den Atemsignalen zu sammeln. Zusätzlich kann eine Fernüberwachung vorgesehen werden. Autorisierte Benutzer, zum Beispiel Klinikpersonal, können Zugriff auf die Benutzerschnittstelle haben und können sowohl Echtzeit- als auch Historien-Berichte entfernt einsehen und verwalten. Die technischen Neuheiten dieser Arbeit sind unter anderem i) Entwickeln eines Ende-zu-Ende-Systems vom Sammeln roher Sensordaten bis zur Endbenutzer-Schnittstelle und Visualisierung. ii) Bereitstellen einer flexiblen IoT-Architektur, die andere Sensorgeräte ebenfalls enthalten kann, was eine große Systemflexibilität ermöglicht. iii) Aufbauen eines neuartigen Verfahrens zum Analysieren der rauschenden und dynamischen Daten zum Erfassen der Atemfrequenz aus den unauffällig gesammelten Sensordaten und Auswerten der Arbeit und Vergleichen der Leistung mit herkömmlichen Benchmark-Algorithmen.The present disclosure also provides a scalable and expandable ecosystem. New devices can be added and registered and assigned to assigned patients by authorized users via the user interface (UI). The ML function can be expanded with more features according to customer requirements, for example to predict sleep quality. Other types of devices, for example those that are worn on the body, can be integrated into the system in order to collect physiological signals for comparison or for merging with the respiratory signals. Remote monitoring can also be provided. Authorized users, such as clinical staff, can have access to the user interface and can remotely view and manage both real-time and historical reports. The technical novelties of this work include i) Developing an end-to-end system from collecting raw sensor data to end-user interface and visualization. ii) Providing a flexible IoT architecture that can also contain other sensor devices, which enables great system flexibility. iii) Establishing a novel method for analyzing the noisy and dynamic data for capturing the respiratory rate from the inconspicuously collected sensor data and evaluating the work and comparing the performance with conventional benchmark algorithms.

Die offenbarten Verfahren und Systeme sind dazu konfiguriert, von dem Bettsensorgerät eine exakte Echtzeit-RR zu extrahieren.The disclosed methods and systems are configured to extract an accurate real-time RR from the bed sensor device.

Die vorliegende Offenbarung gibt auch eine Benutzerschnittstelle (UI) an, die dazu konfiguriert ist, gemäß den Aspekten dieser Offenbarung und mit diesen zusammen betrieben zu werden.The present disclosure also provides a user interface (UI) configured to operate in accordance with and in conjunction with aspects of this disclosure.

FigurenlisteFigure list

Weitere Aspekte und Charakteristiken der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen anhand der beiliegenden Zeichnungen hervorgehen. Es zeigt:

  • 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines loT-basierten RR-Überwachungssystems gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
  • 2 eine weitere vereinfachte schematische Darstellung des RR-Überwachungssystems 1, in dem mehr Details gezeigt sind;
  • 3 eine 30 Sekunden lange Sensor-Wellenform-Darstellung;
  • 4 eine vereinfachte schematische Darstellung eines MLP-Netzwerks gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
  • 5 eine vereinfachte schematische Darstellung eines hybriden RNN-Netzwerks gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
  • 6 eine vereinfachte schematische Darstellung, in der die Anwendung von HT auf die Signale in den oberen zwei Zeilen von 3 veranschaulicht wird;
  • 7 eine vereinfachte schematische Darstellung, in der eine Konvergenz des MLP- und des RNN-Verfahrens auf den Validations-Datensatz veranschaulicht;
  • 8 eine vereinfachte schematische Darstellung, in der ein Vergleich von Vorhersageergebnissen (vor dem Vorzeichen-Operator) aus den drei trainierten Modellen mit der Grundwahrheit veranschaulicht wird;
  • 9 eine vereinfachte schematische Darstellung, in der die Anwendung von sowohl Spitzenzählung als auch HT auf die rohe Wellenform veranschaulicht wird, um für jede Minute eine RR zu extrahieren;
  • 10 eine vereinfachte schematische Darstellung, in der die Kombination des SVM-Modells mit der RR-Schätzung für eine robustere Atemfrequenzextraktion veranschaulicht wird; und
  • 11 eine vereinfachte schematische Darstellung, in der die Kombination des hybriden RNN-Modells mit der RR-Schätzung veranschaulicht wird.
Further aspects and characteristics of the present disclosure will become apparent from the following description of the embodiments with reference to the accompanying drawings. It shows:
  • 1 a simplified schematic representation of a loT-based RR monitoring system in accordance with aspects of the present disclosure;
  • 2 another simplified schematic representation of the RR monitoring system 1 where more details are shown;
  • 3 a 30 second sensor waveform display;
  • 4th a simplified schematic representation of an MLP network in accordance with aspects of the present disclosure;
  • 5 a simplified schematic representation of a hybrid RNN network in accordance with aspects of the present disclosure;
  • 6th a simplified schematic showing the application of HT to the signals in the top two lines of 3 is illustrated;
  • 7th a simplified schematic representation in which a convergence of the MLP and the RNN method on the validation data set illustrates;
  • 8th a simplified schematic representation in which a comparison of prediction results (before the sign operator) from the three trained models with the basic truth is illustrated;
  • 9 is a simplified schematic showing the use of both peak counting and HT on the raw waveform is illustrated to make one for every minute RR to extract;
  • 10 a simplified schematic diagram illustrating the combination of the SVM model with the RR estimate for a more robust respiratory rate extraction; and
  • 11th a simplified schematic diagram illustrating the combination of the hybrid RNN model with the RR estimate.

Detaillierte Beschreibung von AusführungsformenDetailed description of embodiments

1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines IoT-basierten RR-Überwachungssystems 1 gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Es gibt eine Bettsensoreinheit 2 und ihre drahtgebundene Verbindung mit dem Datenlogger 3 (oben). Der Datenlogger 3 kalibriert, vorverarbeitet und sendet Datenmessungen aus. Ein Signalschnipsel, der über 15 Minuten der Ausgabe durch den Bettsensor 2 dauert, wird geplottet (unten). Der eingebettete Plot vergrößert ein kurzes Segment, das in dem kleinen Rechteck hervorgehoben ist, wenn der Patient sich nicht erheblich bewegt, woraus ein periodisches Atemmuster beobachtet wird. Hierbei zeigt die A-Achse die Magnitude A und die T-Achse die Zeit im Format MM:SS. 1 is a simplified schematic of an IoT-based RR monitoring system 1 in accordance with aspects of the present disclosure. There is a bed sensor unit 2 and its wired connection with the data logger 3 (above). The data logger 3 calibrates, preprocesses and sends out data measurements. A signal snippet that was output by the bed sensor for over 15 minutes 2 takes, is plotted (below). The embedded plot enlarges a short segment that is highlighted in the small rectangle when the patient is not moving significantly, from which a periodic breathing pattern is observed. The A-axis shows the magnitude A. and the T-axis the time in the format MM: SS.

Eine Bettsensorvorrichtung 9 enthält einen Datenlogger 3 und vier Sensoreinheiten 2, die im Wesentlichen als Kraftsensoren (d.h. Kraftmesszellen) konfiguriert sein können. Die Sensoreinheiten 2 können eine hohe Sensibilität aufweisen. Auf diese Weise kann jegliche Druckveränderung aufgrund mechanischer Bewegungen erfasst und in den Vibrationen der Sensormessung reflektiert werden, einschließlich der sehr trivialen Atmungsaktivität. Der Datenlogger 3 kalibriert die Rohdaten und erzeugt ein Wellenformsignal, das Körperbewegungen widerspiegelt. Andere Informationen, wie zum Beispiel Körpergewicht, Schwerpunkt und Haltung, können ebenfalls aus dem Datenlogger 3 extrahiert werden. Diese Zusatzinformationen sind nicht im Umfang der vorliegenden Offenbarung enthalten und werden nicht weiter erörtert. Der drahtlose Datensender und Empfänger (Transceiver) 10 ist in den Datenlogger 3 zur Datenkommunikation integriert. Eine bettmontierte Vorrichtung und ihr Ausgabe-Wellenformsignal sind in 1 veranschaulicht.A bed sensor device 9 contains a data logger 3 and four sensor units 2 which can essentially be configured as force sensors (ie load cells). The sensor units 2 can show a high level of sensitivity. In this way, any pressure change due to mechanical movements can be recorded and reflected in the vibrations of the sensor measurement, including the very trivial breathability. The data logger 3 calibrates the raw data and generates a waveform signal that reflects body movements. Other information, such as body weight, center of gravity and posture, can also be obtained from the data logger 3 extracted. This additional information is not included in the scope of the present disclosure and will not be discussed further. The wireless data transmitter and receiver (transceiver) 10 is in the data logger 3 integrated for data communication. A bed mounted device and its output waveform signal are in 1 illustrated.

Das Bettsensorsystem 9 erfasst durch mechanische Bewegungen hervorgerufene Vibrationen. Regelmäßige Bewegungen, wie zum Beispiel Umdrehen, Aufsetzen, Husten, ergeben eine relativ große Magnitude A in der gemessenen Wellenform, wodurch die Atmungsinformationen überdeckt werden, wie ab der zehnten Minute in 1 gezeigt ist (unten). Wenn der Teilnehmer/Patient jedoch ruht, können auf die Atmung bezogene Bewegungen durch die gemessene Wellenform erfasst werden, trotzdem sie nur eine sehr kleine Magnitude A aufweisen (zwei Größenordnungen kleiner verglichen mit der, die durch regelmäßige Bewegungen verursacht wird). Diese „schwachen“ Signale enthalten jedoch reichhaltige Atmungsinformationen, aus denen mit entsprechenden Signalverarbeitungstechniken die zugrunde liegende RR geschätzt werden kann.The bed sensor system 9 detects vibrations caused by mechanical movements. Regular movements, such as turning around, sitting up, coughing, result in a relatively large magnitude A. in the measured waveform, which obscures the respiratory information, as from the tenth minute in 1 shown (below). However, when the participant / patient is resting, breathing-related movements can be detected by the measured waveform, although they are only of a very small magnitude A. (two orders of magnitude smaller compared to that caused by regular movement). However, these “weak” signals contain rich respiratory information, from which the underlying respiratory information can be determined using appropriate signal processing techniques RR can be appreciated.

2 ist eine weitere vereinfachte schematische Darstellung des RR-Überwachungssystems 1, wobei mehr Details gezeigt sind. Verschiedene Komponenten, d.h. lokale Geräte 2, 3, die biologische Patienteninformationen sammeln, Service Provider (Server) 4, Endverbraucher 5, können entweder verteilt sein oder denselben Zugangspunkt teilen. Die schematische Darstellung veranschaulicht einen schwierigeren verteilten Fall, in dem die lokalen Geräte 2, 3 und der Server 4 über ein VPN (Virtual Private Network) 6 verbunden sind, während ein autorisierter Zugang zwischen dem Server 4 und den Endverbrauchern 5 aufgebaut wird, um Datensicherheit und den Datenschutz für Patienten zu gewährleisten. 2 Figure 3 is another simplified schematic of the RR monitoring system 1 , with more details shown. Various components, that is, local devices 2 , 3 who collect patient biological information, service providers (servers) 4th , Consumer 5 , can either be distributed or share the same access point. The schematic illustrates a more difficult distributed case in which the local devices 2 , 3 and the server 4th via a VPN (Virtual Private Network) 6th are connected while having authorized access between the server 4th and the end users 5 is established to ensure data security and data protection for patients.

Mit anderen Worten zeigt 2 einen potentiellen allgemeinen Aufbau des Systems 1, wobei eine skalierbare Architektur verwendet wird, die eine Echtzeitüberwachung mehrerer Teilnehmer ermöglicht. An verschiedenen Standorten verteilte Geräte 11 sind mit dem zentralen Datenverarbeitungspunkt 12 verbunden, in dem die meisten der rechenintensiven und ressourcenfressenden Dienste untergebracht sind, einschließlich des Gateways 13, Back-Front-Enden 14 und die ML-Komponente 15. In other words shows 2 a potential general structure of the system 1 , using a scalable architecture that enables real-time monitoring of multiple participants. Devices distributed in different locations 11th are with the central data processing point 12th that houses most of the compute-intensive and resource-hungry services, including the gateway 13th , Back-front ends 14th and the ML component 15th .

Zur einfacheren Darstellung kann dieser zentrale Datenverarbeitungspunkt 12 hier auch als der „Server“ 12 bezeichnet werden.This central data processing point 12th here also as the "server" 12th are designated.

Eine Menge von Back-End-Diensten laufen auf dem Server 12, um die Effizienz, Sicherheit, Stabilität und auf diese Weise qualitativ hochwertige Benutzererfahrungen zu sichern. Zum Beispiel sind das Authentifizierungsdienste zur Verwaltung von Benutzerkonten, Geräte- und Patientendienste zur Registrierung und Zuordnung, Ausgabe, Kommentar und Mitteilungsdienste zum Berichten von Problemen und zum Pushen einer Front-End-Visualisierung. Zur Unterstützung der Kompatibilität mit anderen Gesundheits- und Pflege-Plattformen werden die die gesammelten Daten enthaltenden Datenpakete in FHIR-Nachrichten (Fast Healthcare Interoperability Resources) umgewandelt. Zum effizienten Handhaben der großen Menge der durch das Gateway aus den verteilten Geräten gesammelten Datenpakete ordnet ein RabbitMQ Message Broker 8 die umgewandelten FHIR-Nachrichten in Warteschlangen ein und leitet sie an das Speichersystem weiter. MongoDB 16 wird verwendet, um die Datenbank zu verwalten, die mehrere Sicherheitsmaßnahmen zum Datenschutz enthält.A lot of back end services are running on the server 12th to ensure the efficiency, safety, stability and thus high quality user experiences. For example, these are authentication services for managing user accounts, device and patient services for registration and assignment, output, comment and notification services for reporting problems and for pushing a front-end visualization. To support compatibility with other health and care platforms, the data packets containing the collected data are converted into FHIR messages (Fast Healthcare Interoperability Resources). A RabbitMQ Message Broker organizes the efficient handling of the large amount of data packets collected by the gateway from the distributed devices 8th queues the converted FHIR messages and forwards them to the storage system. MongoDB 16 is used to manage the database which contains several security measures related to data protection.

Die Front-End-Komponente 17 ermöglicht (autorisiert) es, dass Benutzer auf eine interaktive Web-Schnittstelle zugreifen, um i) Benutzerkonten zu verwalten, ii) eine Echtzeitüberwachung vorzusehen und auch auf Historiendaten zuzugreifen, iii) die Geräte- und Patientenberichte zu verwalten, zum Beispiel neue Patienten hinzuzufügen und zu registrieren, iv) Warnhinweise zu geben, wenn das System unregelmäßige Muster in Teilnehmermessungen erfasst, die möglicherweise auf Aktivität und/oder Gesundheitsrisiken hinweisen.The front-end component 17th enables (authorizes) users to access an interactive web interface to i) manage user accounts, ii) provide real-time monitoring and also access historical data, iii) manage the device and patient reports, e.g. add new patients and register iv) issue warnings when the system detects irregular patterns in participant measurements that may indicate activity and / or health risks.

Die Verarbeitungs- und Speicherkapazität des Systems 1 kann durch Cloud-Computing und Big-Data-Analysetechniken auf einem Cloud-Server gesteigert werden, was die Skalierbarkeit des Systems beträchtlich verbessern könnte, wodurch sein möglicher Einsatz in den Stationen und Krankenhäusern mit einer großen Patientenpopulation verbessert werden könnte. Hierdurch werden auch die Hardwarekosten zum Erstellen und Pflegen lokaler physikalischer Server zur individuellen Nutzung in Heimumgebungen verringert, zum Beispiel zur Pflege zu Hause von alleinlebenden älteren Menschen. Zusätzlich ermöglicht ein Cloud-Server auch die Systempflege (z. B. Dienst-Upgrade) und maximiert die Stabilität (z. B. weil Probleme der Kompatibilität eines lokalen Servers vermieden werden).The processing and storage capacity of the system 1 can be increased by cloud computing and big data analysis techniques on a cloud server, which could significantly improve the scalability of the system, thereby enhancing its possible use in the wards and hospitals with a large patient population. This also reduces the hardware costs for creating and maintaining local physical servers for individual use in home environments, for example for care at home for elderly people living alone. In addition, a cloud server enables system maintenance (e.g. service upgrade) and maximizes stability (e.g. because problems with the compatibility of a local server are avoided).

Nachdem die Daten-Sammel- und -Speicher-Komponenten bereitgestellt wurden, werden die Daten unter der Verwendung von Analyse- und ML-Methoden analysiert. Verschiedene ML-Methoden wurden auf diesem Gebiet auf verschiedene Fälle angewendet. Die bestehenden Techniken sind jedoch für die dynamischen und multivarianten Daten in dem System nicht skalierbar. Es gibt Methoden zur RR-Schätzung, welche die dynamischen Sensordaten in dem System und dann im Auswertungsabschnitt nutzen. Die Leistung des Systems wird mit den herkömmlichen Benchmark-Algorithmen verglichen.After the data collection and storage components have been deployed, the data is analyzed using analysis and ML methods. Different ML methods have been applied to different cases in this field. However, the existing techniques are not scalable for the dynamic and multivariate data in the system. There are methods for RR estimation which use the dynamic sensor data in the system and then in the evaluation section. The performance of the system is compared with the conventional benchmark algorithms.

3 ist die Darstellung einer 30 Sekunden langen Sensor-Wellenform, bei der die T-Achse die Zeit in Sekunden zeigt, während der der Teilnehmer vier Stadien mit (untere drei) und ohne (oberste) Körperbewegungen außer der Atmung durchläuft. Körperbewegungen modifizieren und verdecken Atemaktivitäten in der Wellenform, was für die RR-Schätzung zu unzuverlässigen Daten führt. 3 is a representation of a 30 second sensor waveform with the T-axis showing the time in seconds that the participant goes through four stages with (lower three) and without (uppermost) body movements other than breathing. Body movements modify and obscure breathing activity in the waveform, resulting in unreliable data for the RR estimation.

Der Bettsensor 2 erzeugt eine Wellenform, die sich auf Atmung bezieht, wenn der Patient im Ruhezustand oder annähernd unbewegt ist. Es ist jedoch nicht praktisch umsetzbar, einen Patienten über eine lange Zeit unbewegt zu halten. Deshalb wird der Einfluss von Ausreißern und unzuverlässigen Daten, die durch Körperbewegungen verursacht werden, gemildert, während die RR kontinuierlich überwacht wird.The bed sensor 2 creates a waveform related to breathing when the patient is at rest or nearly motionless. However, it is not practical to keep a patient still for a long time. Therefore, the influence of outliers and unreliable data caused by body movements is mitigated while the RR is continuously monitored.

3 veranschaulicht die gesammelten Bettsensorsignale, während der Teilnehmer 4 Stadien durchläuft: unbewegt in einer rückgelehnten Position 19, sprechend in einer rückgelehnten Position 20, sich zufällig bewegend 21 und keuchend 22 (die Figuren sind von oben nach unten gezeigt). Wenn der Teilnehmer unbewegt liegt 19, ergibt das Signal ein Sinusmuster mit einer sehr kleinen Magnitude A. Jeder Übergang von einem Maximum (Spitze) zu einem Minimum ist in diesem Fall einem vollen Atemzyklus zugeordnet. Die RR kann dann direkt berechnet werden, indem Spitzen (Maxima) innerhalb eines bestimmten Zeitraums gezählt werden. 3 illustrates the bed sensor signals collected during the participant 4th Stages going through: immobile in a reclined position 19th , speaking in a reclined position 20th , randomly moving 21 and panting 22nd (the figures are shown from top to bottom). When the participant lies motionless 19th , the signal produces a sinusoidal pattern with a very small magnitude A. . Each transition from a maximum (peak) to a minimum is assigned to a full breathing cycle in this case. the RR can then be calculated directly by counting peaks (maxima) within a certain period of time.

Wenn es neben der Atmung noch weitere Aktivität, wie zum Beispiel Sprechen 20, gibt, können die dem Atmen zugeordneten Wellenformen, die von den Sensoren gesammelt werden, beträchtlich verzerrt werden. Sprech-Atmen hat aufgrund der Veränderungen der Tiefe und der Dauer des Einatmens und Ausatmens unregelmäßige Zyklen. Beim Sprechen werden Muskeln des Unterkiefers, des Halses und der Schulter aktiviert, und es gibt Thoraxbewegungen, und diese Kinematik ist im Vergleich zu Atemaktivitäten nicht vernachlässigbar, wodurch Artefakte und Ausreißer eingeführt werden. Wenn dabei „schwerere“ Bewegungen auftreten, wie zum Beispiel Zufallsbewegungen 21 und Keuchen 22, werden große Magnituden A erhalten, wie in den letzten beiden Teilplots in 3 gezeigt ist. Diese Bewegungen zeigen viel komplexere und unregelmäßigere Muster aufgrund ihrer Zufälligkeit in Position, Richtung und Stärke der Bewegung. Am wichtigsten ist jedoch, dass die Ateminformationen durch diese Bewegungen verzerrt werden. Deshalb sind die betroffenen Sensormessungen für die RR-Schätzung möglicherweise nicht zuverlässig.If there is other activity besides breathing, such as speaking 20th , the waveforms associated with breathing collected by the sensors can be significantly distorted. Speech-breathing has irregular cycles due to changes in the depth and duration of inhalation and exhalation. When speaking, muscles of the lower jaw, neck, and shoulder are activated, and there are chest movements, and these kinematics are not negligible compared to breathing activity, introducing artifacts and outliers. If "heavier" movements occur, such as random movements 21 and panting 22nd , become large magnitudes A. as in the last two subplots in 3 is shown. These movements show much more complex and irregular patterns due to their randomness in position, direction and strength of movement. Most importantly, these movements distort the breathing information. Therefore, the affected sensor measurements for the RR estimation may not be reliable.

Eine Lösung für dieses Problem der Daten-Reliabilität ist die Anwendung eines Klassifikators gefolgt von der RR-Schätzung. Der Klassifikator erkennt die Reliabilität eines Sammelns oder eines kurzen Segments der Sensormessung, d.h. es handelt sich um einen binären Annahme-Verwerfung-Klassifikator. Danach können von den ausgewählten zuverlässigen Daten beigetragene Informationen zum robusten Berechnen der Atemfrequenz verwendet werden.One solution to this data reliability problem is to use a classifier followed by RR estimation. The classifier recognizes the reliability of a collection or a short segment of the sensor measurement, i.e. it is a binary acceptance-rejection classifier. Information contributed by the selected reliable data can then be used to robustly calculate the respiratory rate.

Körperbewegungen verursachen oft größere Magnituden A (größere Energie) als Atemaktivitäten. Eine einfache Lösung besteht darin, dem Wellenformsignal einen Energieschwellenwert aufzuerlegen. Diese Lösung kann sich jedoch schlecht darauf einstellen, Muster zu erkennen, die durch Atmen und sehr geringe Bewegungen, wie zum Beispiel Sprechen, verursacht werden. Zusätzlich ist es schwierig, den Schwellenwert zu definieren, wenn man individuelle Unterschiede im Gewicht, der Position (Rand oder Mittelpunkt des Bettes), der Haltung (auf dem Rücken liegend liegend, auf der Seite liegend) und des Atemtyps (tiefes Atmen, leichtes Atmen), die alle Auswirkungen auf den Energiepegel des Signals haben, berücksichtigt.Body movements often cause larger magnitudes A. (greater energy) than breathing activities. A simple solution is to impose an energy threshold on the waveform signal. However, this solution can be difficult to adjust to detecting patterns caused by breathing and very small movements, such as speaking. In addition, it is difficult to define the threshold value when considering individual differences in weight, position (edge or center of the bed), posture (lying on your back, lying on your side) and breathing type (deep breathing, light breathing ), all of which have an impact on the energy level of the signal.

Ein vorteilhaftes Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein überwachtes Training durch Liefern von genügend gekennzeichneten Daten und eines entsprechenden Klassifizierungsmodells. Ein überwachter Algorithmus kann angewendet werden, um die versteckte Struktur freizulegen und die in den Daten enthaltenen zugrunde liegenden Informationen zu erforschen.An advantageous method according to the present disclosure is a supervised training by supplying sufficiently labeled data and a corresponding classification model. A supervised algorithm can be used to uncover the hidden structure and explore the underlying information contained in the data.

Eine Vielzahl überwachter Klassifizierungsverfahren kann binäres Clustering, zum Beispiel die Modelle Logistik Regression (LR), Entscheidungsbäume, Random Forest, Stützvektormaschine (Support Vector Machine, SVM) und tiefes neuronales Netz (Deep Neural Network, DNN) durchführen. Entscheidungsbäume und Random Forest werden oft bei Daten mit vielfachen Arten von Merkmalen eingesetzt. Dies ist jedoch bei einer zeitseriellen eindimensionalen Wellenform nicht der Fall. LR hat die Tendenz zum Overfitting und nimmt eine lineare Kombination der eingegebenen Merkmale an. Auf der anderen Seite zeigt SVM Vorteile eines reichhaltigen Hypothese-Raums mit einer großen Anzahl von Kernelfunktionen, die linear herausfordernde Daten handhaben. Modelle mit neuronalen Netzen sind dazu fähig, „in großen Datensätzen eine feingliedrige Struktur zu entdecken“, wenn ein genügend großer Satz von Trainingsdaten vorhanden ist. Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden SVM und DNN vorgesehen, um einen robusten Klassifikator aufzubauen.A large number of monitored classification methods can use binary clustering, for example the models logistics regression ( LR Decision trees, random forest, support vector machine SVM ) and deep neural network ( DNN ) execute. Decision trees and random forests are often used on data with multiple types of characteristics. However, this is not the case with a time-series one-dimensional waveform. LR has a tendency to overfitting and assumes a linear combination of the entered characteristics. On the other hand shows SVM Advantages of a rich hypothesis space with a large number of kernel functions that handle linearly challenging data. Models with neural networks are able to “discover a delicate structure in large data sets” if a sufficiently large set of training data is available. In accordance with the present disclosure SVM and DNN intended to build a robust classifier.

s(t) sei das Wellenformsignal, das von dem Zeitpunkt t indiziert wird, und - Fs sei die Abtastrate. Zielsetzung ist das Aufbauen eines Klassifikators, der die Reliabilität des n-ten Rahmens s(n) = [s((n - 1)Fs + 1), ..., s(nFs)]T erfasst, wobei das hochgestellte T die Transposition repräsentiert. Diese Grundwahrheits-Reliabilitäts-Kennzeichnung wird als y(n) ∈ {0,1} bezeichnet. Zum Konstruieren der Eingaben in die offenbarten Klassifizierungsmodelle werden die folgenden Merkmale extrahiert.Let s (t) be the waveform signal indexed from time t, and Let -F s be the sample rate. The objective is to build a classifier that records the reliability of the nth frame s (n) = [s ((n - 1) F s + 1), ..., s (nF s )] T , with the superscript T represents the transposition. This basic truth reliability label is called y (n) ∈ {0,1}. To construct the inputs to the disclosed classification models, the following features are extracted.

Wie schon erwähnt, ergeben Atemaktivitäten und andere Körperbewegungen unterschiedliche Energiepegel. Zum Unterdrücken unzuverlässiger Ausreißer mit großen Magnituden A und zum Betonen der stabilen, jedoch „schwachen“ Atemwellenform wird das Signal mit einer skalierten und verschobenen Sigmoid-Funktion zuerst auf den Bereich von (-0,5, 0,5) normalisiert: s ¯ ( t ) = 1 / ( 1 + exp ( σ s ( t ) ) ) 0.5,

Figure DE102020117244A1_0001
wobei σ der Skalierungsfaktor ist. Der normalisierte n - te Rahmen wird als s̅(n) bezeichnet.As already mentioned, breathing activities and other body movements result in different energy levels. To suppress unreliable outliers with large magnitudes A. and to emphasize the stable, but "weak" breath waveform, the signal is first normalized to the range of (-0.5, 0.5) with a scaled and shifted sigmoid function: s ¯ ( t ) = 1 / ( 1 + exp ( - σ s ( t ) ) ) - 0.5,
Figure DE102020117244A1_0001
where σ is the scaling factor. The normalized nth frame is denoted as s̅ (n).

Zur Nutzung der temporalen Information über den aktuellen Rahmen n hinaus, z.B. der Korrelation zwischen benachbarten 2L + 1 Rahmen, werden über den n - ten Rahmen zentrierte Rahmen extrahiert und zusammen verkettet, wobei 2L + 1Fsdimensionale Daten resultieren: z ( n ) = [ s ¯ ( n L ) T , , s ¯ ( n + L ) T ] T .

Figure DE102020117244A1_0002
To use the temporal information beyond the current frame n, e.g. the correlation between neighboring 2L + 1 frames, frames centered over the nth frame are extracted and concatenated, with 2L + 1F s dimensional data resulting: z ( n ) = [ s ¯ ( n - L. ) T , ... , s ¯ ( n + L. ) T ] T .
Figure DE102020117244A1_0002

Zur Vermeidung eines übertriebenen Fittings hochdimensionaler Daten wird eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) angewendet, um die Datendimension zu verringern. Das PCA-Verfahren erzeugt das Merkmal x(n): x ( n ) = Wz ( n ) ,

Figure DE102020117244A1_0003
wobei W E ℝQx(2L+1)F s Q Eigenvektoren enthält, die den größten Q Eigenwerten entsprechen, überspannt von dem Eigenraum {z(n)}, n = 1, 2, ... , N von allen N Trainingsabtastungen.To avoid excessive fitting of high-dimensional data, a principal component analysis ( PCA ) is applied to reduce the data dimension. The PCA method generates the feature x (n): x ( n ) = Wz ( n ) ,
Figure DE102020117244A1_0003
where WE ℝ Qx (2L + 1) F s Q contains eigenvectors corresponding to the largest Q eigenvalues spanned by the eigenspace {z (n)}, n = 1, 2, ..., N of all N training samples.

Im Prinzip können auch andere Zusammenfassungstechniken, die die Zeitserie effizient darstellen, zur Merkmalsextraktion verwendet werden. Zum Beispiel kann die diskrete Cosinus-Transformation und Eigenwertcharakterisierung der segmentierten Daten ebenfalls zur Dimensionsreduktion verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform besteht die Zielsetzung jedoch in der Implementierung eines (nahe) Echtzeitverfahrens und der Vermeidung der Verwendung von Verfahren, die eine höhere Rechenkomplexität haben. Die extrahierten Merkmale behalten und repräsentieren die Schlüsselcharakteristiken der Daten und ermöglichen den Aufbau eines robusteren Klassifikators.In principle, other summary techniques that represent the time series efficiently can also be used for feature extraction. For example, the discrete cosine transformation and eigenvalue characterization of the segmented data can also be used for dimension reduction. In the present embodiment, however, the objective is to implement a (near) real-time method and avoid the use of methods that have a higher computational complexity. The extracted features retain and represent the key characteristics of the data and allow a more robust classifier to be built.

2) SVM: Die extrahierten Merkmale werden in den SVM-Trainingsprozess eingespeist, in dem die c-Stützvektor-Klassifizierung verwendet wird, die die Zielsetzung hat, Folgendes zu optimieren:           arg  min p , p 0 , ξ = 0.5 p 2 + C n = 1 N ξ n s .t .      y ( n ) ( p T ϕ ( x ( n ) ) + p 0 ) 1 ξ n ξ n > = 0,

Figure DE102020117244A1_0004
wobei || · | die Frobenius-Norm ist, C der Box Constraint ist, der den Penalty-Ausdruck von Schlupfvariablen ξn gewichtet; ϕ(·) eine Konvertierung der eingegebenen Daten in einen höherdimensionalen Raum anwendet.2) SVM : The extracted features are fed into the SVM training process using the c-support vector classification which aims to optimize: bad min p , p 0 , ξ = 0.5 p 2 + C. n = 1 N ξ n s .t . y ( n ) ( p T ϕ ( x ( n ) ) + p 0 ) 1 - ξ n ξ n > = 0,
Figure DE102020117244A1_0004
where || · | is the Frobenius norm, C is the box constraint that weights the penalty expression of slack variables ξ n; ϕ (·) applies a conversion of the entered data to a higher-dimensional space.

Gleichung (4) wird durch eine duales Optimierungsproblem gelöst, das auf dem Kernelraum definiert ist, wobei der Kernel das innere Produkt zweier konvertierter Variablen ist. Der Kernel kann aus einer Menge von Kernelfunktionen ausgewählt werden. Der Kernel der radialen Basisfunktion (RBF) wurde auf Basis der Vorab-Klassifizierungstests ausgewählt. Der duale Optimierungsprozess wurde durch den Box Constraint C, und einen Kernel-Skalierungsparameter γ, der über eine heuristische Prozedur, wie zum Beispiel eine Gittersuche, gesetzt werden kann, reguliert, nachdem die Kernelfunktion gewählt wurde. Das trainierte Modellψ(svm)(·) wird zur Reliabilitätserfassung auf einen Datenpunkt angewendet: y ^ ( n ) = sign ( Ψ ( svm ) ( x ( n ) ) ) .

Figure DE102020117244A1_0005
Equation (4) is solved by a dual optimization problem defined on kernel space, where the kernel is the inner product of two converted variables. The kernel can be selected from a number of kernel functions. The kernel of the radial basis function (RBF) was selected based on the pre-classification tests. The dual optimization process was made possible by the box constraint C. , and a kernel scaling parameter γ, which can be set via a heuristic procedure such as a grid search, is regulated after the kernel function has been selected. The trained modelψ (svm) (·) is applied to a data point to measure reliability: y ^ ( n ) = sign ( Ψ ( svm ) ( x ( n ) ) ) .
Figure DE102020117244A1_0005

Wenn durch Bagging erhaltene Ensembles von SVM-Modellen Ψ k ( svm ) ( ) , k = 1, , K

Figure DE102020117244A1_0006
über eine K-fache Kreuzvalidation trainiert werden, wird die letzte Vorhersage zu: y ^ ( n ) = sign ( k = 1 K Ψ k ( svm ) ( x ( n ) ) ) .
Figure DE102020117244A1_0007
When ensembles of SVM models obtained by bagging Ψ k ( svm ) ( ) , k = 1, ... , K
Figure DE102020117244A1_0006
are trained via a K-fold cross-validation, the last prediction becomes: y ^ ( n ) = sign ( k = 1 K Ψ k ( svm ) ( x ( n ) ) ) .
Figure DE102020117244A1_0007

3) DNN: DNN können die komplexen zugrunde liegenden Strukturen in den Daten lernen. In der vorliegenden Ausführungsform wird zuerst ein herkömmliches Mehrschicht-Perzeptron (MLP)-Modell implementiert, um den Daten-Reliabilitäts-Klassifikator zu konstruieren.3) DNN : DNN can learn the complex underlying structures in the data. In the present embodiment, a conventional multilayer perceptron (MLP) model is first implemented to construct the data reliability classifier.

4 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines MLP-Netzes gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Das implementierte MLP-Netz enthält drei versteckte Schichten (Hidden Layers), die jeweils von einer Dropout-Schicht 23 gefolgt werden. Schwarze Linien zwischen der Eingabe-Schicht und der ersten versteckten Schicht bezeichnen die Dense-Kombination 24, wobei der Bias-Ausdruck über eine Einheit von 1 addiert wird. Die folgenden Schichten und ihre Dense-Verbindungen 24 wurden zu Veranschaulichungszwecken vereinfacht. Nichtlineare Neuronen werden nach der vollständig verbundenen (Fully Connected oder Dense) Schicht 24 verwendet, z.B. rektifizierte Lineareinheiten (ReLU) und Sigmoid-Funktionen, die oben aufgetragen sind. 4th FIG. 3 is a simplified schematic representation of an MLP network in accordance with aspects of the present disclosure. The implemented MLP network contains three hidden layers, each from a dropout layer 23 to be followed. Black lines between the input layer and the first hidden layer indicate the dense combination 24 , where the bias term is added over a unit of 1. The following layers and their dense connections 24 have been simplified for illustration purposes. Nonlinear neurons are after the fully connected (or dense) layer 24 used, e.g. rectified linear units ( ReLU ) and sigmoid functions plotted above.

MLP, auch als Vanilla Network bezeichnet, hat eine einfache Feedforward-Struktur, wie in 4 gezeigt. Einheiten in zwei benachbarten Schichten sind über vollständig verbundene Dense-Verbindungen 24 verbunden, gefolgt von einer nichtlinearen Aktivierungsfunktion. In einer Ausführungsform werden ReLU an versteckten Schichten zur schnellen Berechnung in der Backpropagation und schnellen Konvergenz verwendet. Das Sigmoid-Neuron wird an der letzten Ausgabe-Schicht verwendet, um die Vorhersage innerhalb des Bereichs von (0,1) einzuschränken. Um ein Overfitting zu vermeiden, wird nach jeder Dense-Schicht 24 eine Dropout-Schicht 23 verwendet, wodurch Einheiten zusammen mit ihren Verbindungen in einem vordefinierten Verhältnis zufällig fallen gelassen werden.MLP, also known as the Vanilla Network, has a simple feedforward structure, as in 4th shown. Units in two adjacent layers are via fully connected dense links 24 connected, followed by a non-linear activation function. In one embodiment ReLU used on hidden layers for fast computation in backpropagation and fast convergence. The sigmoid neuron is used on the final output layer to narrow the prediction within the range of (0,1). To avoid overfitting, it is done after each dense layer 24 a dropout layer 23 is used, which causes units to be dropped randomly along with their connections in a predefined ratio.

Dasselbe Eingabemerkmal für den SVM-Klassifikator, d.h. die PCA-Komponente aus 2L + 1 verketteten Rahmen in Gleichung (3), wird in das MLP-Modell ψ(mlp)(·) eingesetzt, um die finale Vorhersage zu erhalten: y ^ ( ñ ) = sign ( Ψ ( mlp ) ( x ( n ) ) 0.5 ) .

Figure DE102020117244A1_0008
The same input feature for the SVM classifier, i.e. the PCA component from 2L + 1 concatenated frames in equation (3), is inserted into the MLP model ψ (mlp) (·) to obtain the final prediction: y ^ ( ñ ) = sign ( Ψ ( mlp ) ( x ( n ) ) - 0.5 ) .
Figure DE102020117244A1_0008

Um das MLP-Modell ψ(mlp)(·) zu trainieren, wird die Kreuzentropie als die Verlustfunktion während der Backpropagation minimiert: y log ( Ψ ( mlp ) ( x ) ) ( 1 y ) log ( 1 Ψ ( mlp ) ( x ) ) ,

Figure DE102020117244A1_0009
wobei zur größeren Einfachheit der Zeitindex n weggelassen wird.To train the MLP model ψ (mlp) (), the cross entropy is minimized as the loss function during backpropagation: - y log ( Ψ ( mlp ) ( x ) ) - ( 1 - y ) log ( 1 - Ψ ( mlp ) ( x ) ) ,
Figure DE102020117244A1_0009
where the time index n is omitted for the sake of simplicity.

Die einfache MLP-Struktur hat jedoch die Einschränkung, dass ihr Aufnahmefeld durch die feste Eingabegröße, z.B. 2L + 1 Rahmen, eingeschränkt ist. Deshalb wird die lange zeitliche Information nicht ausgenutzt. Zum Kompensieren der Vernachlässigung der langfristigen Kontextinformationen wurde ein weiteres hybrides Netz hauptsächlich auf Basis der Rekurrenten Neuronalen Netze (RNN) implementiert.However, the simple MLP structure has the restriction that its recording field is restricted by the fixed input size, e.g. 2L + 1 frame. Therefore the long time information is not used. To compensate for the neglect of long-term context information, another hybrid network was created, mainly based on the recurrent neural networks ( RNN ) implemented.

5 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer hybriden RNN gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Das implementierte hybride RNN enthält zwei gestapelte Schichten eines lang anhaltenden Kurzzeitgedächtnisses (LSTM, Long Short-Term Memory) und eines Rückwärts-LSTM, das zukünftige L Rahmen ausnutzt, wodurch versteckte Vorwärts- 26 und Rückwärts-Tensoren 27 ausgegeben werden, die durch Summation verschmolzen werden. Eine vollständig verbundene Dense-Schicht mit einer Sigmoid-Aktivitätsfunktion wird bei jedem Zeitpunkt des verschmolzenen Tensors angewendet, um die aufeinanderfolgenden Vorhersagen zu erzeugen. Die LSTM-Schichten sind mit dicken hohlen Pfeilen veranschaulicht, und die Blöcke 25 sind die Tensor-Ausgaben. RNN kann Eingaben verschiedener Länge von T aufnehmen, und man bekommt T ≥ 2L ≥ 2L + 1 Rahmen von Eingabedaten. Anstelle der Verwendung der extrahierten Merkmale, wie zum Beispiel der PCA-Komponente, die in den Verfahren SVM und MLP eingesetzt werden, werden normalisierte Zeitserien s̅(n), n = 1, ..., T direkt verwendet. RNN-Schichten mit LSTM-Einheiten werden verwendet, welche bei der Vorhersage des aktuellen Rahmens die Historieninformationen aus allen vorhergehenden Rahmen nutzen. Eine Alternative ist bidirektionales LSTM (BiLSTM), das sowohl den vorherigen Kontext als auch den zukünftigen Kontext erforscht, um die Zeitabhängigkeiten für den aktuellen Rahmen zu lernen. BiLSTM führt jedoch zu einem Latenzproblem und erfordert, dass eine gesamte Sequenz durchläuft, was für die Online-Verarbeitung nicht geeignet ist. Zur Lösung dieses Problems wurde eine hybride Struktur angewendet, wie sie in 5 gezeigt ist. Das offenbarte Modell modifiziert den Mechanismus bidirektionaler rekurrenter Netze, während es jedoch gleichzeitig die Möglichkeit einer Online-Verarbeitung mit einer annehmbaren Latenz bietet. Zum Bereitstellen einer konsistenten Basis zum Vergleich mit den Modellen SVM und MLP, die sowohl vorhergehende als auch zukünftige L Rahmen verwenden, hat die offenbarte RNN-Struktur auch L Rahmen Latenz. 5 is a simplified schematic representation of a hybrid RNN in accordance with aspects of the present disclosure. The implemented hybrid RNN contains two stacked layers of long-lasting short-term memory ( LSTM , Long Short-Term Memory) and a backward LSTM that uses future L frames to create hidden forward 26th and backward tensors 27 that are merged by summation. A fully connected dense layer with a sigmoid activity function is applied at each point in time of the fused tensor to generate the successive predictions. The LSTM layers are illustrated with thick hollow arrows, and the blocks 25th are the tensor outputs. RNN can take inputs of various lengths of T, and one gets T ≥ 2L ≥ 2L + 1 frame of input data. Instead of using the extracted features, such as the PCA component, included in the process SVM and MLP are used, normalized time series s̅ (n), n = 1, ..., T are used directly. RNN layers with LSTM units are used which use the history information from all previous frames when predicting the current frame. An alternative is bidirectional LSTM ( BiLSTM ) exploring both the previous context and the future context to learn the time dependencies for the current frame. BiLSTM however, introduces a latency problem and requires an entire sequence to be traversed, which is not suitable for on-line processing. To solve this problem, a hybrid structure was used as described in 5 is shown. The disclosed model modifies the mechanism of bidirectional recurrent networks, while at the same time allowing on-line processing with acceptable latency. To provide a consistent basis for comparison with the models SVM and MLP using both previous and future L frames, the disclosed RNN structure also has L frame latency.

Die normalisierte Zeitserie [s̅(1), ..., s̅(T - L)] geht zuerst durch zwei gestapelte LSTM-Schichten, die beide D Filter enthalten, was in einem Vorwärts-Tensor 26 einer Größe D × (T - L) resultiert. Parallel dazu werden die Zeitserien [s̅(L+1), ..., s̅(T)] in T - 2L überlappende Segemente unterteilt, die jeweils L + 1 Rahmen enthalten. Jedes Segment geht durch eine rückwärts gerichtete LSTM-Schicht, die D Filter enthält, und nur die letzte Rahmenausgabe ist reserviert. Ausgaben aus allen Segmenten werden verkettet, um einen Rückwärts-Tensor 27 einer Größe D × (T - 2L) zu bilden. Der Vorwärts- 26 und der Rückwärts-Tensor 27 werden zusammenaddiert, und zum Beibehalten der dimensionalen Konsistenz werden nur die letzten (T - 2L) Rahmen des Vorwärts-Tensors 26 mit dem Rückwärts-Tensor 27 vereinigt. Sigmoid-Einheiten werden auf den vereinigten Tensor bei jedem Rahmen angewendet, wodurch T - 2L Kennzeichnungs-Schätzungen erzeugt werden, die T - 2L Rahmen zugeordnet sind, die von L + 1 bis T - L indiziert sind.The normalized time series [s̅ (1), ..., s̅ (T - L)] first goes through two stacked LSTM layers, both of which contain D filters, which results in a forward tensor 26 of size D × (T - L ) results. In parallel, the time series [s̅ (L + 1), ..., s̅ (T)] are subdivided into T - 2L overlapping segments that each contain L + 1 frames. Each segment goes through a backward LSTM layer containing D filters and only the last frame output is reserved. Outputs from all segments are concatenated using a backward tensor 27 of a size D × (T - 2L). The forward 26 and the backward tensor 27 are added together, and to maintain dimensional consistency, only the last (T-2L) frames of the forward tensor are added 26th with the backward tensor 27 united. Sigmoid units are applied to the pooled tensor at each frame, producing T-2L label estimates associated with T-2L frames indexed from L + 1 to T-L.

Zur Anwendung dieses RNN Netzes auf ein Online-Vorhersage-Szenario (d.h. Erzeugung einer Kennzeichnungs-Vorhersage, wann ein neuer Rahmen ankommt), wird eine Verzögerung von L Sekunden zugelassen, um die zukünftigen L Frames für die Aktualisierung des Rückwärts-Tensors 27 zu erhalten. Zusätzlich werden versteckte Ausgaben der zwei gestapelten LSTM-Schichten am vorhergehenden Rahmen behalten, welche die Historieninformationen repräsentieren. Wenn man das RNN-Modell als ψ(mn)(·) bezeichnet, wird die Reliabilität erhalten als: y ^ ( n ) = sign ( Ψ ( mn ) ( [ s ¯ ( 1 ) , , s ¯ ( n + L ) ] ) 0.5 ) .

Figure DE102020117244A1_0010
To apply this RNN Network on an online prediction scenario (ie generation of a label prediction of when a new frame will arrive), a delay of L seconds is allowed in order to allow the future L frames to update the backward tensor 27 to obtain. In addition, hidden outputs of the two stacked LSTM layers are kept on the previous frame, which represent the history information. If one denotes the RNN model as ψ (mn) (), the reliability is obtained as: y ^ ( n ) = sign ( Ψ ( mn ) ( [ s ¯ ( 1 ) , ... , s ¯ ( n + L. ) ] ) - 0.5 ) .
Figure DE102020117244A1_0010

Nach dem Anwenden der konvergierten Klassifizierungsmodelle auf die gesammelte Wellenform zum Erfassen, ob ein Rahmen von Daten zuverlässig ist oder nicht, kann die RR aus diesen zuverlässigen Rahmen extrahiert werden. Zwei RR-Schätzmethoden werden implementiert, von denen eine auf einer Spitzenzählung (Peak Counting) und die andere auf einer Hilbert-Transformation (HT) basiert.After applying the converged classification models to the collected waveform to detect whether or not a frame of data is reliable, the RR extracted from these reliable frames. Two RR estimation methods are implemented, one on a peak counting and the other on a Hilbert transform ( HT ) based.

Aus der oberen Zeile in 3 kann beobachtet werden, dass ein vollständiger Atemzyklus ein Maximum und ein Minimum hat. Als Ergebnis hiervon ist die Anzahl von Atemzügen in einem bestimmten Zeitraum gleich der Zählung der Maxima (Spitzen).From the top line in 3 it can be observed that a complete breathing cycle has a maximum and a minimum. As a result, the number of breaths in a given period is equal to the count of the maxima (peaks).

Angenommen I Segmente aufeinanderfolgender Daten werden während eines Zeitraums als zuverlässig erfasst, z.B. über eine Minute, und ti,1 bis tl,2 der Anfangsindex bzw. der Endindex des i - ten Segments. Dieses Segment wird mit si = [s(ti,1), ..., s(ti,2)]T bezeichnet. Spitzen können als die lokalen Maxima in der Kurve erfasst werden. Zur Vermeidung falsch-positiver Ergebnisse, sollten Einschränkungen, wie zum Beispiel ein Schwellenwert für die Magnitude A und ein Höhendifferenzschwellenwert mit dem benachbarten Minimum auferlegt werden. Angenommen, es werden insgesamt Ji Maxima in si, angeordnet bei pi,j, j = 1, ..., Ji. erfasst, dann kann RR wie folgt berechnet werden: RR = ( i = 1, J i > 1 I ( J i 1 ) + i = 1, J i 1 I J i ) 60 / F s i = 1, J i > 1 I ( p i , J i p i ,1 ) + i = 1, J i 1 I ( t i ,2 t i ,1 ) .

Figure DE102020117244A1_0011
Assume I segments of consecutive data are recorded as reliable during a period of time, for example over a minute, and t i, 1 to t l, 2 is the starting index or the end index of the i-th segment. This segment is denoted by s i = [s (t i, 1 ), ..., s (t i, 2 )] T. Peaks can be recorded as the local maxima in the curve. To avoid false positives, restrictions, such as a threshold value for the magnitude, should be considered A. and imposing an altitude difference threshold with the adjacent minimum. Assume that there are a total of J i maxima in s i , arranged at p i, j , j = 1, ..., J i . captured, then can RR can be calculated as follows: RR = ( i = 1, J i > 1 I. ( J i - 1 ) + i = 1, J i 1 I. J i ) 60 / F. s i = 1, J i > 1 I. ( p i , J i - p i ,1 ) + i = 1, J i 1 I. ( t i , 2 - t i ,1 ) .
Figure DE102020117244A1_0011

6 ist eine vereinfachte schematische Darstellung, in der die Anwendung von HT auf die Signale in den beiden oberen Zeilen von 3 veranschaulicht wird. Die Anwendung von HT auf die Signale in den beiden oberen Zeilen von 3 ist vorteilhaft zum Erhalten der gefalteten Phase B (oben), aus der die IF berechnet und auf RR abgebildet werden kann (unten). Unter der Verwendung der HT-basierten Methode der Steigungsanpassung (Slope Fitting) wurden die RR-Werte von 20 bzw. 16 jeweils für diese beiden Sequenzen berechnet. 6th is a simplified schematic illustrating the application of HT to the signals in the top two lines of 3 is illustrated. The application of HT to the signals in the top two lines of 3 is advantageous for obtaining the folded phase B (above) from which the IF is calculated and based on RR can be shown (below). Using the HT-based method of slope fitting, the RR values of 20 and 16 were calculated for these two sequences.

Eine HT-Methode kann zur Berechnung der momentanen Frequenz (Instantaneous Frequency, IF) verwendet werden, die die Steigung der ungefalteten Phase des Analysesignals ist. IF = U ( H ( ) ) ,

Figure DE102020117244A1_0012
An HT method can be used to calculate instantaneous frequency (IF), which is the slope of the unfolded phase of the analysis signal. IF = U ( H ( ) ) ,
Figure DE102020117244A1_0012

In der vorliegenden Ausführungsform wird HT auf die Signale in den beiden oberen Zeilen von 3 angewendet, um die gefaltete Phase B (oben) zu erhalten, für welche die IF berechnet und auf RR abgebildet werden kann (unten). Unter der Verwendung der HT-basierten Methode der Steigungsanpassung wurden die RR-Werte von 20 bzw. 16 jeweils für diese beiden Sequenzen berechnet.In the present embodiment, HT to the signals in the top two lines of 3 applied to get the folded phase B (above), for which the IF is calculated and based on RR can be shown (below). Using the HT-based method of slope adjustment, the RR values of 20 and 16 were calculated for these two sequences, respectively.

Wenn H(·) HT bezeichnet, dann entfaltet U(·) die Phase, und berechnet ∇ die Gradienten. Für die vorliegende Ausführungsform kann die IF direkt auf die RR abgebildet werden durch: RR = 60 2 π IF .

Figure DE102020117244A1_0013
If H (·) HT then U (·) unfolds the phase, and ∇ computes the gradients. For the present embodiment, the IF can directly refer to the RR are represented by: RR = 60 2 π IF .
Figure DE102020117244A1_0013

Die IF ist jedoch gegenüber Rauschen sehr empfindlich ist. Das Atemmuster einer Person ist keine ideale Sinuswelle. Lokale Änderungen im Einatmen und Ausatmen würden daher große Veränderungen in der erfassten RR verursachen, wie in 6 veranschaulicht ist, wo die punktierte Linie das aufgenommene Signal einer liegenden Person zeigt, die vollkommen unbeweglich liegt, und die durchgezogene Linie das aufgenommene Signal einer liegenden Person zeigt, die spricht. Die IF ist im Wesentlichen die Steigung der Phasenkurve an jedem Zeitpunkt. Wenn man jedoch die Gesamtsteigung beobachtet, ist diese relativ glatt und reflektiert stabilere Ateminformationen. Als Ergebnis hiervon kann ein robuster RR-Wert aus allen zuverlässigen Datenpunkten durch eine Anpassung durch fragmentierte Linien (Fragmented Line Fitting) erhalten werden. αi sei die ungefaltete Phase aus H(si): α i = U ( H ( s i ) ) = [ α ( t i ,1 ) , , α ( t i ,2 ) ] T ,

Figure DE102020117244A1_0014
dann können die Beiträge zur Steigungsanpassung aus allen I Segmenten wie folgt formuliert werden: [ α 1 {     α ( t 1,1 ) α ( t 1,1 + 1 )            α ( t 1,2 )                     α I {    α ( t I ,1 ) α ( t I ,1 + 1 )           α ( t I ,2 ) ] η [ 1 1 0 0 2 1 0 0 Δ t 1 1 0 0 1 0 1 0 2 0 1 0 1 0 0 1 2 0 0 1 Δ t I 0 0 1 ] Φ [ b 0 b 1 b I ] b ,
Figure DE102020117244A1_0015
wobei ΔtI = ti,2 - ti,1 + 1 ist und b die Gesamtsteigung b0 und einen Bias-Ausdruck bi für jedes i - te Segment enthält, dessen Lösung in geschlossener Form wie folgt ist: b = ( Φ T Φ ) 1 Φ T η .
Figure DE102020117244A1_0016
However, the IF is very sensitive to noise. A person's breathing pattern is not an ideal sine wave. Local changes in inhalation and exhalation would therefore make large changes in the recorded RR cause, as in 6th What is illustrated is where the dotted line shows the recorded signal of a person lying down who is completely immobile, and the solid line shows the recorded signal of a person lying down who is speaking. The IF is essentially the slope of the phase curve at each point in time. However, if one observes the overall slope, it is relatively smooth and reflects more stable breath information. As a result, a robust RR value can be obtained from all reliable data points through an adaptation by fragmented line fitting. α i is the unfolded phase from H (s i ): α i = U ( H ( s i ) ) = [ α ( t i ,1 ) , , α ( t i , 2 ) ] T ,
Figure DE102020117244A1_0014
then the contributions to the slope adjustment from all I segments can be formulated as follows: [ α 1 { α ( t 1.1 ) α ( t 1.1 + 1 ) α ( t 1.2 ) α I. { α ( t I. ,1 ) α ( t I. ,1 + 1 ) α ( t I. , 2 ) ] η [ 1 1 0 ... 0 2 1 0 ... 0 Δ t 1 1 0 ... 0 1 0 1 0 ... 2 0 1 0 ... 1 0 ... 0 1 2 0 ... 0 1 Δ t I. 0 ... 0 1 ] Φ [ b 0 b 1 b I. ] b ,
Figure DE102020117244A1_0015
where Δt I = t i, 2 - t i, 1 + 1 and b contains the total slope b 0 and a bias expression b i for every i - th segment, the solution of which in closed form is as follows: b = ( Φ T Φ ) - 1 Φ T η .
Figure DE102020117244A1_0016

Durch Integrieren der Abtastfrequenz, die in Gleichung (14) weggelassen wurde, wird unter der Verwendung von Gleichung (12) RR = 60 F s 2 π b 0

Figure DE102020117244A1_0017
erhalten.By integrating the sampling frequency, which is omitted from equation (14), using equation (12) RR = 60 F. s 2 π b 0
Figure DE102020117244A1_0017
receive.

Zum Trainieren und Validieren der offenbarten ML-Methoden zur RR-Schätzung wurden Daten von vier Teilnehmern aufgezeichnet, die jeweils ungefähr eine Stunde dauerten. Die Daten wurden auf einem standardmäßigen Einzelbett aufgenommen, wie es in 1 dargestellt ist. Eine ausgebildete Beobachtungsperson zählte die Anzahl von Atemzügen während festgelegter Zeiträume, wenn die Atemaktivität sichtbar war. Die Beobachtungsinformationen wurden als Grundwahrheit-RR verwendet, um das offenbarte Verfahren zu validieren. Insgesamt wurden 56 Minuten erfolgreich mit einer Grundwahrheit RR geloggt. Angaben über die vier Teilnehmer, einschließlich Geschlecht, Alter, Gewicht und Körper-Gewichts-Index (Body Mass Index, BMI) sind in Tabelle I zusammengefasst. Keiner hatte bekannte Atemvorerkrankungen, welche die Ventilation behindern würden.To train and validate the disclosed ML methods for RR estimation, data was recorded from four participants, each lasting approximately one hour. The data were recorded on a standard single bed as shown in 1 is shown. A trained observer counted the number of breaths during set periods of time when breathing activity was visible. The observational information was used as a ground truth RR to validate the disclosed method. A total of 56 minutes were successful with one basic truth RR logged. Information about the four participants, including gender, age, weight, and body mass index (BMI) is summarized in Table I. No one had any known pre-existing respiratory illnesses that would impede ventilation.

TABELLE I: Zusammenfassung der demographischen Informationen der Teilnehmer # Geschlecht Alter Gewicht [kg] BMI 1 M 25 93 24.26 2 F 23 50 19.53 3 M 46 68 21.4 4 F 25 62 21.9 TABLE I: Summary of Participant Demographic Information # gender old Weight [kg] BMI 1 M. 25th 93 24.26 2 F. 23 50 19.53 3 M. 46 68 21.4 4th F. 25th 62 21.9

Zum Simulieren von Atemaktivitäten, sowie anderer Aktivitäten und Faktoren, die das Atemmuster stören könnten, wurden alle Teilnehmer gebeten, die folgenden 17 Aktionen auszuführen, die jeweils 2 Minuten dauerten: Liegen in einer auf dem Rücken liegenden Position, Liegen auf dem Bauch, Liegen auf der linken Seite des Körpers, Liegen auf der rechten Seiten des Körpers, auf dem Rücken liegende Position in der Nähe des rechten Bettrands, auf dem Rücken liegende Position in der Nähe des linken Bettrands, zufällige Bewegungen auf dem Bett, Beine Herumwerfen, Husten, tiefe Atemzüge, Keuchen (nach Atem Ringen), Sprechen, Aufsitzen in der Mitte des Bettes, Sitzen auf dem Bettrand, schnelle seichte Atemzüge, Körpertremor, Beinbewegungen.To simulate breathing activities, as well as other activities and factors that could disrupt the breathing pattern, all participants were asked to perform the following 17 actions, each lasting 2 minutes: lying on their back, lying on their stomach, lying on the left side of the body, lying on the right side of the body, lying on his back position near the right edge of the bed, lying on his back position near the left edge of the bed, random movements on the bed, legs tossing, coughing, deep Breaths, wheezing (gasping for breath), speaking, sitting up in the middle of the bed, sitting on the edge of the bed, quick shallow breaths, body tremors, leg movements.

Insgesamt wurden 14078 Sekunden Daten aufgezeichnet. Zum Trainieren der zuvor in Abschnitt III erwähnten Reliabilitäts-Klassifikatoren, wurde die Daten-Reliabilität pro Sekunde (Rahmen) gekennzeichnet. Drei Klassifikatoren wurden trainiert, wie unten im Einzelnen ausgeführt.

  • 1) SVM: Ein SVM-Klassifikator wurde zuerst trainiert. Zum Extrahieren von in dem SVM-Modell verwendeten Merkmalen wurde der Skalierungsfaktor σ in Gleichung (12) empirisch auf 10 gesetzt. Verschiedene Zeitparameter L wurden getestet. PCA wurde angewendet, um die größten Eigenwerte zu erhalten, die über 95% Eigenraum beherrschen. Insgesamt wurden 14078 - 8L Merkmalsvektoren erhalten, die zum Testen des Trainings (80% - 20%) aufgespalten wurden. Eine 10-fache (K = 10) Validation wurde angewendet, um ein Ensemble von SVM-Modellen ψ k ( s v m ) ( ) , k = 1, , K
    Figure DE102020117244A1_0018
    zu generieren.
A total of 14078 seconds of data was recorded. To train the reliability classifiers mentioned in Section III, the data reliability per second (frame) was marked. Three classifiers were trained as detailed below.
  • 1) SVM : An SVM classifier was trained first. To extract features used in the SVM model, the scaling factor σ in equation (12) was empirically set to 10. Various time parameters L were tested. PCA was used to get the largest eigenvalues that dominate over 95% eigenspace. A total of 14078-8L feature vectors were obtained which were broken down to test the training (80% -20%). A 10-fold (K = 10) validation was applied to an ensemble of SVM models ψ k ( s v m ) ( ) , k = 1, ... , K
    Figure DE102020117244A1_0018
    to generate.

Die Ergebnisse zeigten unter Verwendung eines Gaußschen Kernels (d.h. RBF-Kernels) hinsichtlich einer Vorhersagegenauigkeit eine bessere Leistung und wurden daher danach auch gewählt. Dies stimmt auch mit einer Intuition über die RR-Daten überein, die eine multivariante Gauß-Verteilung zu haben scheint. Die Parameter γ und C wurden über eine Gittersuche ausgewählt, die mit dem Zeitparameter L variierte.The results performed better in terms of prediction accuracy using a Gaussian kernel (i.e., RBF kernel) and were therefore chosen accordingly. This also agrees with an intuition about the RR data that appears to have a multivariate Gaussian distribution. The parameters γ and C were selected via a grid search that varied with the time parameter L.

Fünf Kandidaten von L wurden getestet, und die Leistung wurde an dem Test-Datensatz mit den folgenden drei Metriken evaluiert (Evaluations): Gesamterfassungsfehler (Fehler), Präzision precision = # tp # tp + # fp ,

Figure DE102020117244A1_0019
und Trefferquote recall = # tp # tp + # fn .
Figure DE102020117244A1_0020
Five candidates of L were tested and performance was evaluated on the test data set using the following three metrics: overall detection error (error), precision precision = # tp # tp + # fp ,
Figure DE102020117244A1_0019
and hit rate recall = # tp # tp + # fn .
Figure DE102020117244A1_0020

Diese Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengefasst.These results are summarized in Table II.

TABELLE II: quantitative Evaluierungen der erstellten SVM-Modelle L Parameter Evaluationen Q C γ Fehler Präzision Trefferquote 0 3 2 0.05 0.23 0.65 0.71 1 7 2 0.2 0.14 0.80 0.78 2 11 2 0.3 0.12 0.83 0.79 3 15 2 0.4 0.11 0.87 0.78 4 19 2 0.5 0.10 0.88 0.79 5 23 2 0.6 0.11 0.88 0.77 TABLE II: quantitative evaluations of the created SVM models L. parameter Evaluations Q C. γ error precision Hit rate 0 3 2 0.05 0.23 0.65 0.71 1 7th 2 0.2 0.14 0.80 0.78 2 11th 2 0.3 0.12 0.83 0.79 3 15th 2 0.4 0.11 0.87 0.78 4th 19th 2 0.5 0.10 0.88 0.79 5 23 2 0.6 0.11 0.88 0.77

Wie aus Tabelle II hervorgeht, verbessert sich die Leistung mit der Zunahme der zeitlichen Länge und bleibt nach einer spezifischen Länge, z.B. 7 Rahmen (L = 3), ungefähr stabil. Ein großes L führt jedoch auch zu einer größeren rechnerischen Komplexität aufgrund der relativ hochdimensionalen Daten sowie auch einer großen Anzahl von Stützvektoren in dem Modell, was es zu einem Overfitting tendieren lässt. Deshalb wurde beschlossen, das mit L = 3 trainierte Modell zu wählen, wie in Tabelle II hervorgehoben. Um die Vergleiche fair zu gestalten, wurde die gleiche zeitliche Länge auch für die auf DNN basierenden Modelle verwendet.As can be seen from Table II, the performance improves as the length of time increases and remains approximately stable after a specific length, for example 7 frames (L = 3). However, a capital L also leads to greater computational complexity due to the relatively high-dimensional data and also a large number of support vectors in the model, which means that it tends to overfitting. It was therefore decided to choose the model trained with L = 3, as highlighted in Table II. To make the comparisons fair, the same length of time was also used for the DNN based models are used.

2) DNN: Zwei DNN-Topologien wurden implementiert: Strukturen von MLP und hybridem RNN.2) DNN : Two DNN topologies have been implemented: Structures from MLP and hybrid RNN .

Dieselben Merkmale, die für das SVM-Training verwendet wurden, wurden auch für das MLP-Modell verwendet. Wie in 4 veranschaulicht, hat das MLP-Modell drei versteckte Schichten. Die Größe wurde für jede der vollständig verbundenen Schichten auf 100 gesetzt, gefolgt von einer Dropout-Schicht von 0,2. Der Regularisierungsausdruck l2 wurde mit einem Gewicht von 10-6 hinzugefügt. 20% der Trainingsdaten wurden zur Validierung verwendet. Die Lernrate wurde auf 0,001 initialisiert, mit einer Verfallsrate von 0,99 nach jeder Epoche. Der Adam-Optimierer wurde in der Backpropagation eingesetzt. Mini-Batches der Größe 64 wurden verwendet, wobei für jedes Mini-Batch ∈ ℝ64×Q gilt, wobei Q = 15 für I = 3 Situationen ist. Insgesamt wurden 1000 Epochen laufen gelassen, und die Trainingsdaten wurden nach jeder Epoche randomisiert.The same characteristics that were used for SVM training were also used for the MLP model. As in 4th As illustrated, the MLP model has three hidden layers. The size was set to 100 for each of the fully connected layers, followed by a dropout layer of 0.2. The regularization expression l 2 was added with a weight of 10 -6 . 20% of the training data was used for validation. The learning rate was initialized to 0.001, with a decay rate of 0.99 after each epoch. The Adam optimizer was used in backpropagation. Mini-batches of size 64 were used, with ∈ ℝ 64 × Q for each mini-batch, where Q = 15 for I = 3 situations. A total of 1000 epochs were run and the training data were randomized after each epoch.

Für RNN wurden die normalisierten Rohdaten direkt anstelle der über die PCA-Darstellung in Gleichung (3) extrahierten Merkmale verwendet. Wie in 5 dargestellt, wurden zwei Schichten von gestapelten LSTM-Schichten verwendet, wobei jede Schicht eine Größe von 50 hatte, was für jeden Zeitpunkt zu einem Vorwärts-Tensor 26 einer Dimension D = 50 führte. Der Rückwärts-LSTM hatte zur Beibehaltung der Konsistenz ebenfalls eine Größe von 50. Die anfänglichen L = 3 Rahmen des Vorwärts-Tensors 26 wurden entfernt, bevor eine Addition mit dem Rückwärts-Tensor 27 durchgeführt wurde. Mini-Batches einer Größe 32 wurden verwendet, wobei jeder Mini-Batch ∈ ℝ32×F s×T war, wobei 20 ≤ T ≤ 30. war. Das weitere Parameter-Setup ist mit dem MLP-Modell konsistent.for RNN the normalized raw data was used directly instead of the features extracted via the PCA representation in equation (3). As in 5 As shown, two layers of stacked LSTM layers were used, each layer 50 in size, which corresponds to a forward tensor for each point in time 26th a dimension D = 50. The backward LSTM was also 50 in size to maintain consistency. The initial L = 3 frames of the forward tensor 26th were removed before adding with the backward tensor 27 was carried out. Mini batches of one size 32 were used, with each mini-batch ∈ 32 × F s × T , where 20 T 30. The rest of the parameter setup is consistent with the MLP model.

7 ist eine vereinfachte schematische Darstellung, die eine Konvergenz C der MLP- und der RNN-Methode an dem Validations-Datensatz veranschaulicht, wobei der MLP-Fehler 28, der MLP-Verlust 29, der Hybrid-RNN-Fehler 30 und der Hybrid-RNN-Verlust 31 gezeigt sind. Das Hybrid-RNN-Modell konvergierte nicht so schnell wie MLP. Doch zeigte es gegenüber MLP nach 100 Epochen E mit einem stabileren und geringem Verlust letztendlich eine bessere Leistung. Außerdem ergab das Hybrid-RNN-Modell auch konsistent eine größere Genauigkeit, d.h. eine geringere Fehlerrate als MLP. 7 zeigt die Konvergenz der beiden DNN-basierten Modelle an den Valiationsdaten hinsichtlich der objektiven Verlustfunktion (Kreuzentropie + Regularisierungsausdrücke) sowie den Gesamt-Vorhersagefehler. Es war zu beobachten, dass MLP nach 20 Epochen E schnell konvergierte. Danach verschlechterte sich sein Verlust geringfügig und blieb dann glatt. RNN zeigte auf der anderen Seite eine relativ langsame, doch stetige Verbesserung bei sowohl Verlust als auch Genauigkeit, wodurch es insbesondere für die Verlustkonvergenz eine bessere Leistung als MLP zeigte. Das RNN-Modell konvergierte nach ungeführ 400 Epochen E. 7th is a simplified schematic showing a convergence C. The MLP and RNN methods on the validation data set illustrate where the MLP error 28 , the MLP loss 29 , the hybrid RNN bug 30th and the hybrid RNN loss 31 are shown. The hybrid RNN model did not converge as quickly as MLP . But it showed opposite MLP after 100 epochs E. with a more stable and low loss, ultimately better performance. In addition, the hybrid RNN model also consistently yielded greater accuracy, that is, a lower error rate than MLP . 7th shows the convergence of the two DNN-based models on the valiation data with regard to the objective loss function (cross entropy + regularization expressions) as well as the overall forecast error. It was observed that MLP after 20 epochs E. converged quickly. After that, its loss worsened slightly and then stayed smooth. RNN on the other hand, showed a relatively slow but steady improvement in both loss and accuracy, making it better than MLP showed. The RNN model converged after about 400 epochs E. .

Auf die Testsequenzen angewendet zeigte MLP einen Fehler von 0,10, eine Genauigkeit von 0,88 und eine Trefferquote von 0,82, was geringfügig besser als SVM hinsichtlich der Genauigkeit und der Präzision war, sowie eine relativ größere Verbesserung von 0,04 in der Trefferquote. Das RNN-Modell zeigte Vorteile mit einer viel größeren Marge, ergab einen Fehler von 0,03, eine Präzision von 0,98 und eine Trefferquote von 0,94. RNN hatte eine viel größere Genauigkeit an Testsequenzen als der trainierte Datensatz, aus den folgenden Gründen.Applied to the test sequences showed MLP an error of 0.10, an accuracy of 0.88, and a hit rate of 0.82, which are marginally better than SVM in terms of accuracy and precision, as well as a relatively larger improvement of 0.04 in hit rate. The RNN model showed benefits with a much larger margin, gave an error of 0.03, a precision of 0.98, and a hit rate of 0.94. RNN had much greater accuracy on test sequences than the trained data set, for the following reasons.

In der RNN-Trainingsphase wurden die Vorwärts-Zeitinformationen nur für kurze Sequenzen verwendet, die 20 ≤ T ≤ 30 Rahmen lang dauerten. Die ersten paar Rahmen litten aufgrund des Fehlens langer Zeitabhängigkeiten mit größerer Wahrscheinlichkeit an einem höheren Erfassungsfehler. Auf der Inferenzstufe wurde das trainierte RNN-Modell auf viel längere Sequenzen angewendet, wobei die meisten Rahmen (außer den ersten paar Rahmen) von den angesammelten Zeitabhängigkeiten profitierten, wodurch sich eine größere Genauigkeit ergab.In the RNN training phase, the forward time information was only used for short sequences that lasted 20 T 30 frames. The first few frames were more likely to suffer from a higher detection error due to the lack of long time dependencies. At the inference level, the trained RNN model was applied to much longer sequences, with most frames (except the first few frames) benefited from the accumulated time dependencies, resulting in greater accuracy.

Zum Demonstrieren des Unterschiedes in der Leistung der drei Reliabilitäts-Schätzmodelle trugen wir ein Beispiel einer Anwendung dieser Modelle auf einer Sequenz auf, die eine Stunde dauerte, wobei die direkten Vorhersageergebnisse vor dem Vorzeichen-Operator gezeigt wurden. Insgesamt zeigten SVM und MLP eine ähnliche Leistung, und beide litten an Unsicherheiten, insbesondere von der 30. bis zur 45. Minute. Das hybride RNN hatte jedoch eine höhere Leistung, die auch in der Nähe der Grundwahrheit war. Diese Beobachtung war mit den quantitativen Evaluierungen, die hier auch offenbart sind, ebenfalls konsistent.To demonstrate the difference in the performance of the three reliability estimation models, we provided an example of applying these models to a sequence lasting one hour, with the direct prediction results shown before the sign operator. Overall showed SVM and MLP performed similarly, and both suffered from insecurities, particularly from the 30th to the 45th minute. The hybrid RNN however, had a higher performance that was also close to the basic truth. This observation was also consistent with the quantitative evaluations also disclosed here.

8 ist eine vereinfachte schematische Darstellung, in der ein Vergleich von Vorhersageergebnissen (vor dem Vorzeichen-Operator) von den drei trainierten Modellen mit der Grundwahrheit 32 veranschaulicht ist. Die SVM-Vorhersageergebnisse wurden linear auf einen Bereich von [0 1] abgebildet, damit sie mit anderen Methoden konsistent sind, wobei 0 unzuverlässig und 1 zuverlässig ist. 8th is a simplified schematic representation in which a comparison of prediction results (before the sign operator) from the three trained models with the basic truth 32 is illustrated. The SVM prediction results have been mapped linearly to a range of [0 1] to be consistent with other methods, where 0 is unreliable and 1 is reliable.

9 ist eine vereinfachte schematische Darstellung, in der die Anwendung sowohl der Spitzenzählung 33 als auch der HT 34 auf die rohe Wellenform (schwarze Kurve mit der linken Y-Achse) RR dargestellt ist, um RR für jede Minute (Rauten- und Kreis-Kurven mit der rechten Y-Achse) A zu extrahieren. Auf Basis der Experten-Beobachtungen während des Aufzeichnungsprozesses war der Teilnehmer in den ersten 20 Minuten insgesamt in Ruhe mit gelegentlichen Bewegungen, und die durchschnittliche RR war ungefähr 16 Atemzüge pro Minute. Danach zeigte der Teilnehmer mehr und mehr Bewegungen, und nahm auch tiefe, langsame Atemzüge um die 38. Minute herum, und schnelle, seichte Atemzüge an der 53. Minute, wobei beides 2 Minuten lang dauerte. Von Ausreißern beeinträchtigt leidet die direkte RR-Schätzung unter großen Variationen von einer Minute zur anderen, insbesondere für das Verfahren der Spitzenzählung 33, bei dem die größere Wahrscheinlichkeit einer Überschätzung besteht. Das HT-Verfahren 34 leidet an niederenergetischem Nulldurchgangsrauschen, wie das durch die hervorgehobene Spitze um die 11. Minute herum veranschaulicht ist. Die kurzen Cyan-Balken sind die menschlichen Beobachtungen der Grundwahrheit. 9 is a simplified schematic showing the application of both peak counting 33 as well as the HT 34 on the raw waveform (black curve with the left Y-axis) RR is shown to RR extract A for every minute (diamond and circle curves with the right Y-axis). Based on the expert observations during the recording process, the participant was at rest with occasional movements for the first 20 minutes, and the average RR was about 16 breaths per minute. After that, the participant began to move more and more, including taking deep, slow breaths around the 38th minute and quick, shallow breaths around the 53rd minute, both of which lasted 2 minutes. Affected by outliers, the direct RR estimate suffers from large minute-to-minute variations, especially for the peak counting method 33 that is more likely to be overestimated. The HT process 34 suffers from low energy zero crossing noise as illustrated by the highlighted spike around the 11th minute. The short cyan bars are the human observations of the basic truth.

Wenn die RR-Schätzung entweder über eine Spitzenzählung 33 oder eine HT 34 direkt auf die rohe Wellenform angewendet wird, könnte die Genauigkeit durch einen höheren Rauschpegel beeinträchtigt werden. 9 veranschaulicht die RR, die direkt von einer Sequenz extrahiert wurde, die eine Stunde dauerte, die jede Minute aktualisiert wurde. Aufgrund des großen Anteils unzuverlässiger Daten, die durch Körperbewegungen verursacht wurden, leiden das Verfahren der Spitzenzählung 33 und der HT 34 beide an hohen Fehlern, wie das durch die großen Sprünge zwischen zwei benachbarten Minuten widergespiegelt ist. Es wurde eine Einschränkung dahingehend eingeführt, dass eine Spitze nur dann als gültig betrachtet wird, wenn sie auf beiden Seiten um mindestens die Standardabweichung eines jeden einminütigen Segments abfällt. Es stellte sich aber immer noch heraus, dass die Spitzenzählung 33 mehr an Ausreißern litt und einen Trend der Überschätzung zeigte. Die HT 34 war relativ robuster als die Spitzenzählung 33. Es bestand jedoch auch hier ein höheres Niveau von Erfassungsfehler bei der Verwendung des HT-Verfahrens 34. Hauptsächlich war das Verfahren der HT 34 mit größerer Wahrscheinlichkeit von dem Nulldurchgangsrauschen betroffen, das eine niedrige Energie hatte, wie durch die Spitze um die 11. Minute (hervorgehoben durch die gestrichelte Linie 35) in 9 gezeigt ist.If the RR estimate either has a peak count 33 or one HT 34 is applied directly to the raw waveform, accuracy could be affected by higher noise levels. 9 illustrates the RR extracted directly from a sequence that lasted an hour that was updated every minute. Because of the large amount of unreliable data caused by body movement, the peak counting technique suffers 33 and the HT 34 both from high errors, as is reflected by the large jumps between two adjacent minutes. A restriction has been introduced that a peak is only considered valid if it falls on both sides by at least the standard deviation of each one-minute segment. It still turned out to be the top count 33 suffered more from outliers and showed a trend of overestimation. the HT 34 was relatively more robust than the top count 33 . However, there was also a higher level of detection errors when using the HT method 34 . Mainly the procedure was the HT 34 more likely to be affected by the low energy zero crossing noise, as shown by the spike around the 11th minute (highlighted by the dashed line 35 ) in 9 is shown.

Zur Lösung dieses Problems wurden die in Abschnitt IV-B aufgebauten Reliabilitätsmodelle mit den RR-Schätzmodellen kombiniert. Zunächst wurden die trainierten Ensembles der SVM-Modelle Ψ k ( svm ) ( · ) , k = 1, ,10

Figure DE102020117244A1_0021
integriert. Die Reliabilitäts-Kennzeichnung wurde zunächst für jeden Rahmen (Sekunde) vorhergesagt. Segmente, die aufeinanderfolgende zuverlässige Rahmen enthielten, wurden dann extrahiert, und diejenigen, die nur ein oder zwei Sekunden lang dauerten, wurden entfernt. Diese Entfernung der Rahmen erfolgte aus folgenden Gründen: i) es ist sehr wahrscheinlich, dass während dieser kurzen Schnipsel keine Spitze erfasst wird, und ii) die Steigung nach der HT variiert für sehr kurze Segmente erheblich. Wenn die Gesamtlänge der verfeinerten Segmente länger als 9 Sekunden (15 Prozent der aktuellen Minute) war oder wenn das längste gültige Segment länger als 6 Sekunden (10 Prozent) dauerte, wurde durch Anwendung von Gleichung (10) und Gleichung (14) eine RR-Schätzung durchgeführt. Ergebnisse an denselben Daten wie 9 sind in 10 dargestellt.To solve this problem, the reliability models set up in Section IV-B were combined with the RR estimation models. First, the trained ensembles were the SVM models Ψ k ( svm ) ( · ) , k = 1, ... , 10
Figure DE102020117244A1_0021
integrated. The reliability label was initially predicted for each frame (second). Segments containing consecutive reliable frames were then extracted and those that lasted only a second or two were removed. This removal of the frames was done for the following reasons: i) it is very likely that no peak will be detected during these short snippets, and ii) the slope after the HT varies considerably for very short segments. If the total length of the refined segments is longer than 9 seconds ( 15th Percent of current minute) or when the longest valid segment lasted longer than 6 seconds (10 percent), an RR estimate was performed using equation (10) and equation (14). Results on the same dates as 9 are in 10 shown.

10 ist eine vereinfachte schematische Darstellung, welche die Kombination des SVM-Modells mit der RR-Schätzung zur robusteren Extraktion einer Atemfrequenz zeigt. 10 Figure 12 is a simplified schematic showing the combination of the SVM model with the RR estimation for a more robust extraction of a respiratory rate.

Aufgrund des großen Anteils von Bewegungen (mehr als die Hälfte) hat nicht jede Minute ein zugeordnetes RR-Ergebnis. Es wird beobachtet, dass während der Intervalle, wenn der Teilnehmer überwiegend ruhte, d. h. während des normalen Atmens innerhalb der ersten 20 Minuten, tiefe Atemzüge von der 38. Minute an, seichte Atemzüge von der 53. Minute an, die RR mit einer größeren Genauigkeit sowohl durch Spitzenzählung 33 als auch HT 34 extrahiert wurde. Dann wurde das SVM-Modell durch das erste Modell eines neuronalen Netzes ψ(mlp)(·) ersetzt. Wie in 8 gezeigt, hatte das MLP-Modell ein sehr ähnliches Annahme-Verwerfungs-Muster wie SVM, was auch durch ähnliche quantitative Evaluierungsergebnisse bei Fehler, Präzision und Trefferquote bestätigt wurde. Als ein Ergebnis ergaben die MLP-Integration für die RR-Schätzung sehr ähnliche Ergebnisse, wie in 10 gezeigt ist. Von allen erfassten RR, die denselben Zeitstempeln zugeordnet sind, hatten SVM und MLP eine absolute durchschnittliche Differenz von 0,56 Atemzügen pro Minute und 0,42 Atemzügen pro Minute für die Spitzenzählung 33 bzw. HT 34. Aufgrund ihrer ähnlichen Ergebnisse ist die RR-Schätzung kombiniert mit dem LMP-Modell nicht aufgetragen.Due to the large proportion of movements (more than half), not every minute has an associated RR result. It is observed that during the intervals when the participant was mostly resting, that is, during normal breathing within the first 20 minutes, deep breaths from the 38th minute and shallow breaths from the 53rd minute onwards RR with greater accuracy through both peak counting 33 as well as HT 34 was extracted. Then the SVM model was replaced by the first model of a neural network ψ (mlp) (·). As in 8th shown, the MLP model had an acceptance-rejection pattern very similar to that of SVM which was also confirmed by similar quantitative evaluation results for error, precision and hit rate. As a result, the MLP integration for the RR estimation gave results very similar to those in FIG 10 is shown. Captured by all RR associated with the same timestamps SVM and MLP an absolute average difference of 0.56 breaths per minute and 0.42 breaths per minute for the peak count 33 or. HT 34 . Due to their similar results, the RR estimate combined with the LMP model is not plotted.

Das hybride RNN zeigte auf der anderen Seite eine höhere Erfassungsgenauigkeit als sowohl das SVM- als auch MLP-Modell, wie in 8 gezeigt ist. Dann wurde das SVM-Modell durch das RNN-Modell ersetzt, und die letztendlich extrahierte RR ist in 11 gezeigt.The hybrid RNN on the other hand, showed higher detection accuracy than both the SVM and MLP models, as in 8th is shown. Then the SVM model was replaced by the RNN model, and that ultimately extracted RR is in 11th shown.

11 ist eine vereinfachte schematische Darstellung, in der die Kombination des hybriden RNN-Modells mit der RR-Schätzung dargestellt ist. Im Vergleich mit 10 wurden weniger Segmente einer RR-Vorhersage zugeordnet, da mehr Rahmen korrekt als unzuverlässig erfasst wurden. Wenn der Teilnehmer normal in Ruhestellung atmete, d. h. die ersten 20 Minuten, zeigte das hybride RNN-Modell fast identische RR-Werte wie das SVM-Modell. Interessanterweise wurden, wenn der Teilnehmer um die 53. Minute herum sehr schnell atmete RR = 41 Atemzüge pro Minute, durch die Spitzenzählung 33 nur 34 Spitzen gezählt. Diese Erfassungsrate liegt daran, dass eine Einschränkung dahingehend auferlegt wurde, dass nur bei einem Abfall des Signals auf beiden Seiten um mindestens die Standardabweichung dieses einminütigen Segments dies als eine Spitze betrachtet wurde. Diese Einschränkung ist geeignet, wenn eine Person normal atmet, wobei die vollständigen Zyklen der Atmung ähnliche Spitzenwerte aufweisen. Es würde jedoch während der Periode der schnellen Atmung mehrere relativ seichte Atemzüge geben, deren Magnitude A sehr klein ist. Auf diese Weise wurden diese zugeordneten Spitzen vernachlässigt. Die Spitzenzählung 33 führte keinen beträchtlichen Fehler ein, wenn das SVM-Modell verwendet wurde, da Rahmen dieser seichteren Atemzüge als unzuverlässig (falsch-negatives Ergebnis) erfasst wurden. Im Gegensatz zur Methode der Spitzenzählung 33, zeigte die HT 34 eine größere Robustheit gegenüber den dynamischen Pegeln der Atmung. 11th Figure 13 is a simplified schematic showing the combination of the hybrid RNN model and the RR estimate. In comparison with 10 Fewer segments were assigned to an RR prediction because more frames were recorded correctly as unreliable. When the participant breathed normally at rest, ie the first 20 minutes, the hybrid RNN model showed almost identical RR values as the SVM model. Interestingly, if the participant was breathing very quickly around the 53rd minute, the peak count became RR = 41 breaths per minute 33 only 34 Peaks counted. This capture rate is because a constraint was imposed that only if the signal fell on either side by at least the standard deviation of that one minute segment, it was considered a spike. This restriction is appropriate when a person is breathing normally, with full cycles of breathing having similar peaks. However, there would be several relatively shallow breaths of magnitude during the rapid breathing period A. is very small. In this way, these associated peaks have been neglected. The top count 33 did not introduce significant error when using the SVM model as frames of these shallower breaths were recorded as unreliable (false negative result). In contrast to the method of peak counting 33 , showed the HT 34 greater robustness to dynamic levels of breathing.

Zum quantitativen Evaluieren der RR-Schätzgenauigkeit wurden die geschätzten RR mit den Grundwahrheits-RR verglichen, die durch eine ausgebildete beobachtende Person gezählt wurden. Zum Verringern des Fehlers der menschlichen Beobachtung zählt der Beobachter Atemzüge während der Zeitlänge von zwei Minuten anstelle von einer, wie das bei herkömmlichen Messungen im Krankenhaus gemacht wird. Insgesamt wurden 28 Zählungen, die 56 Minuten dauerten, erhalten. Die folgende Evaluierungsmetrik wurde angewendet: e = | RP RR ( gth ) | | RR ( gth ) | ,

Figure DE102020117244A1_0022
wobei RR(gth) die Grundwahrheit ist und | · | der Modul-Operator ist. Die durchschnittlichen Ergebnisse wurden in Tabelle III berichtet.For the quantitative evaluation of the RR estimation accuracy, the estimated RR compared to the ground truth RR counted by a trained observer. To reduce the error of human observation, the observer counts breaths during the two minute length instead of one as is done in conventional hospital measurements. A total of 28 counts lasting 56 minutes were obtained. The following evaluation metric was applied: e = | RP - RR ( gth ) | | RR ( gth ) | ,
Figure DE102020117244A1_0022
where RR (gth) is the fundamental truth and | · | is the module operator. The average results were reported in Table III.

Tabelle III: durchschnittlicher RR-Schätzfehler e aus 56 Minuten. direkt SVM MLP Hybrid RNN Spitzenzählung 18.26% 6.54% 5.10% 5.53% HT-basiert 10.43% 5.48% 4.40% 3.92% Table III: Average RR estimation error e from 56 minutes. direct SVM MLP Hybrid RNN Peak counting 18.26% 6.54% 5.10% 5.53% HT based 10.43% 5.48% 4.40% 3.92%

Wo die Verfahren der RR-Schätzung der Spitzenzählung 33 oder der HT 34 direkt auf die gesammelte Wellenform angewendet wurden, d. h. „direct“ in Tabelle III, wurde ein hoher Fehler erhalten, insbesondere für die Spitzenzählung 33 (fast 20%). Auch wenn das HT-basierte Verfahren 34 gegenüber der Spitzenzählung eine gewisse Verbesserung zeigte, gab es immer noch einen Fehler von ungefähr 10%. Diese hohen Fehler sind mit den großen Variationen von einem Rahmen zum anderen in 9 konsistent. Wenn die offenbarte Daten-Reliabilitäts-Erfassung zum RR-Schätzverfahren hinzugefügt wurde, wurde der Fehler beträchtlich verringert, insbesondere wenn das hybride RNN-Klassifizierungsmodell mit der HT-basierten 34 RR-Schätzung kombiniert wurde. Es sollte betont werden, dass trotzdem die Grundwahrheit als der Goldstandard verwendet wird. Die Wahrscheinlichkeit eines menschlichen Beobachtungsfehlers wird jedoch nicht berücksichtigt. Zum Beispiel wurden nur vollständige Zyklen von Atemzügen gezählt, während nur zum Teil durchgeführte Atemzüge vernachlässigt wurden, wodurch eine Unterberechnung tatsächlicher RR eingeführt wurde. Alle drei getesteten Modelle zeigten eine beträchtliche Verbesserung in der RR-Schätzgenauigkeit, was die Wirksamkeit der offenbarten Strategie beweist.Where the procedure of RR estimation of the peak count 33 or the HT 34 applied directly to the collected waveform, ie "direct" in Table III, a high error was obtained, especially for the peak count 33 (almost 20%). Even if the HT-based method 34 showed some improvement over the peak count, there was still an error of about 10%. These high errors are in with the large variations from one frame to another 9 consistent. When the revealed When data reliability capture was added to the RR estimation process, the error was significantly reduced, especially when the hybrid RNN classification model was combined with the HT-based 34 RR estimation. It should be emphasized that nonetheless, the basic truth is used as the gold standard. However, it does not take into account the likelihood of human error in observation. For example, only complete cycles of breaths were counted, while only partial breaths were neglected, making an under-calculation more actual RR was introduced. All three models tested showed a significant improvement in RR estimation accuracy, demonstrating the effectiveness of the disclosed strategy.

Zum Rechtfertigen der Praktikabilität des beschriebenen RR-Schätzverfahrens wurde die Analyse der Rechenkomplexität für die Verarbeitung von Daten für eine Minute (60 Rahmen, 600 rohe Wellenform-Datenpunkte) durchgeführt, die wie folgt aufgelistet ist. Die Anzahl von Operationen in der Merkmalsextraktion aus den rohen Daten ist ungefähr 60 × Q(2L + 1)10. Die zehnfach-SVM mit dem RBF-Kernel hatte ungefähr 10 × 60 × nsvQ Operationen, wobei nsv die Anzahl von Stützvektoren für jede Gruppe (Fold) ist, die im trainierten SVM-Modell durchschnittlich 7876 ist, wenn L = 3 und Q = 15 ist. Die rechenintensiven Operationen in dem vorgeschlagenen MLP liegen hauptsächlich zwischen den drei vollständig verbundenen versteckten Schichten, die jeweils die Größe von 100 überspannen, deren Anzahl ungefähr 60 × 2 × 1002 ist. Die meisten RNN-Operationen existieren in den beiden gestapelten und der einen zeitverteilten LSTM-Schichten, deren Anzahl ungefähr 60 x 80.000 ist. Die Spitzenzählung 33 hat eine sehr geringe Rechenkomplexität von O(600). Die HT 34 hat eine Komplexität ähnlich der Fast Fourier Transformation (FFT) plus ihrem inversen Prozess, was 2O(600log2600) ist. Die Gesamtzahl von Operationen in der Anpassung durch fragmentierte Linien in der HT-basierten Methode ist ungefähr 6000, wenn alle Rahmen als zuverlässig erfasst werden. Als ein Ergebnis hiervon haben die Vorverarbeitung, die auf der Spitzenzählung basierende RR-Schätzung und die HT-basierte RR-Schätzung alle eine sehr geringe Rechenkomplexität, die im Vergleich zu den drei Daten-Reliabilitäts-Erfassungsmodellen vernachlässigbar ist. Insbesondere hat SVM die höchste Rechenlast, ungefähr eine Größenordnung höher als beim Modell des hybriden RNN, während das RNN-Modell ungefähr dreimal mehr Rechenleistung benötigt als das MLP-Modell.In order to justify the practicability of the described RR estimation method, the computational complexity analysis for processing data for one minute (60 frames, 600 raw waveform data points) was performed, which is listed as follows. The number of operations in the feature extraction from the raw data is about 60 × Q (2L + 1) 10. The ten-fold SVM with the RBF kernel had approximately 10 × 60 × n sv Q operations, where n sv is the number of support vectors for each group (fold), which in the trained SVM model averages 7876 when L = 3 and Q = 15. The computationally intensive operations in the proposed MLP lie mainly between the three fully connected hidden layers, each spanning the size of 100, the number of which is approximately 60 × 2 × 100 2 . Most of the RNN operations exist in the two stacked and one time-shared LSTM layers, the number of which is approximately 60 x 80,000. The top count 33 has a very low computational complexity of O (600). the HT 34 has a complexity similar to the Fast Fourier Transform (FFT) plus its inverse process, which is 2O (600log 2 600). The total number of operations in the fragmentation line matching in the HT-based method is about 6000 when all frames are detected as reliable. As a result of this, the preprocessing, the peak count based RR estimation, and the HT based RR estimation all have very little computational complexity which is negligible compared to the three data reliability collection models. In particular, has SVM the highest processing load, about an order of magnitude higher than the model of the hybrid RNN , while the RNN model requires roughly three times more computing power than the MLP model.

Um auf die besten klinischen Praktiken einzugehen, wurde auch eine benutzerfreundliche webbasierte Ul vorgesehen. Die Front-End-Komponente ist in JavaScript implementiert, das verschiedene Endgeräte, wie zum Beispiel Laptops und Mobiltelefone unterstützt. Autorisierte Benutzer, zum Beispiel Ärzte, Klinikpersonal und Pflegepersonal, können sich in die interaktive Ul einloggen, um die Gerät- und Patientenberichte einzusehen und zu verwalten.A user-friendly web-based UI has also been provided to reflect best clinical practice. The front-end component is implemented in JavaScript that supports various end devices such as laptops and cell phones. Authorized users, such as doctors, clinicians and nurses, can log into the interactive UI to view and manage device and patient reports.

Die vorliegende Offenbarung gibt ein loT-basiertes Bettsensorsystem zur Echtzeit-Gesundheitsüberwachung an. Dabei gibt es ein Verfahren zum Erfassen der Atemfrequenz aus Messungen an, die durch unauffällige Sensorgeräte gesammelt wurden. Das Verfahren und das System haben eine gute Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit. Bettsensorgeräte, die zum Sammeln physiologischer Signale verwendet werden, sind kontaktlos und bieten eine geringe Betriebsauffälligkeit für Teilnehmer, insbesondere für eine langzeitige Krankheitsüberwachung.The present disclosure provides a loT-based bed sensor system for real-time health monitoring. There is a method for recording the respiratory rate from measurements that were collected by inconspicuous sensor devices. The method and the system have good scalability and expandability. Bed sensor devices, which are used to collect physiological signals, are non-contact and offer low operational anomalies for participants, especially for long-term disease monitoring.

Die vorliegende Offenbarung gibt Maschinenlernmodelle an, die eine gleichzeitige und robuste RR-Schätzung ermöglichen. Die offenbarten Modelle sind kombiniert mit einer Vorverarbeitungsmethode zum Schätzen der Reliabilität und zum Auswählen der Rahmen aus rohen Atmungsdaten zum Beitragen zur robusten RR-Schätzung. Die vorliegende Offenbarung gibt ferner mehrere Evaluierungen an, um die Auswirkung der Vorverarbeitungsmethoden zu zeigen, und es wurde die Atemfrequenz im Vergleich mit dem Goldstandard menschlicher Beobachtungen geprüft und evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die offenbarte Lösung die aus den unauffälligen Geräten gesammelten Daten verwenden kann und eine exakte Schätzung einer Atemfrequenz (RR) für eine Person liefern kann, die auf dem Bett liegt, insbesondere in Fällen, in denen sich die Person nicht wesentlich auf dem Bett bewegt. Die Arbeit hat eine beträchtliche Auswirkung auf das Liefern kontinuierlicher und exakter RR-Messwerte in der entfernten Krankheits- und Pflegeüberwachung und der Überwachung auf der Krankenhausstation. Die aktuelle Praxis basiert hauptsächlich auf manuellen Beobachtungen, die ressourcenintensiv sind und auch dem menschlichen Fehler bei der Beobachtung und der Aufzeichnung unterliegen. In der vorliegenden Arbeit lag der Hauptfokus auf den technischen Problemen und der Entwicklung einer Ende-zu-Ende-Lösung zum Transformieren der Rohdaten in zuverlässige RR-Informationen in einer kontinuierlichen Weise.The present disclosure provides machine learning models that enable simultaneous and robust RR estimation. The disclosed models are combined with a preprocessing technique for estimating the reliability and selecting the frames from raw respiratory data to contribute to the robust RR estimation. The present disclosure also gives several evaluations to show the effect of the preprocessing methods, and the respiratory rate has been tested and evaluated against the gold standard of human observation. The results show that the disclosed solution can use the data collected from the inconspicuous devices and provide an accurate estimate of a respiratory rate ( RR ) for a person lying on the bed, especially in cases where the person does not move significantly on the bed. The work has had a significant impact on providing continuous and accurate RR readings in remote disease and care monitoring and in-hospital ward monitoring. Current practice is mainly based on manual observations which are resource intensive and also subject to human error in observation and recording. In the present work the main focus was on the technical problems and the development of an end-to-end solution to transform the raw data into reliable RR information in a continuous manner.

Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird das Internet of Things (IoT) auf Anwendungen der klinischen und Gesundheitspflege-Überwachungsanwendungen angewendet, unterstützt durch die wachsende Anzahl von Sensorgeräten, die verschiedene physiologische und biologische Merkmale messen können. Die vorliegende Offenbarung sieht ein IoT-basiertes intelligentes Bettsensorsystem vor, das auf die Atmung bezogene Signale sammelt und analysiert, um zu Hause, in Krankenhäusern und Pflegeeinrichtungen eine nicht störende Überwachung bereitzustellen. Es wird eine kontaktlose Vorrichtung verwendet, die vier Lastsensoren, die unter dem Bett montiert sind, sowie eine Datenverarbeitungseinheit (Datenlogger) aufweist. Verschiedene Maschinenlernverfahren werden auf die Daten angewendet, die von dem Datenlogger gestreamt werden, um die Atemfrequenz (RR) zu erfassen. Eingesetzt werden Stützvektormaschine (Support Vector Machine, SVM) und auch auf neuronalen Netzen (NN) basierende Mustererkennungsmethoden, die entweder mit Spitzenerfassung oder Hilbert-Transformation zur robusten RR-Berechnung kombiniert werden. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Methoden die RR effektiv extrahieren konnten, wobei die von den kontaktlosen Bettsensoren gesammelten Daten verwendet wurden. Die Methoden sind gegenüber durch Körperbewegungen verursachten Ausreißern und Rauschen robust. Das Überwachungssystem stellt auch eine flexible und skalierbare Weise für die kontinuierliche und entfernte Überwachung von Schlaf, Bewegung und Gewicht unter der Verwendung der eingebetteten Sensoren bereit.In accordance with aspects of the present disclosure, the Internet of Things (IoT) is applied to clinical and healthcare monitoring applications, aided by the growing number of sensor devices that measure various physiological and biological characteristics be able. The present disclosure provides an IoT-based intelligent bed sensor system that collects and analyzes respiratory-related signals to provide non-intrusive monitoring in the home, hospitals, and care facilities. A contactless device is used which has four load sensors mounted under the bed and a data processing unit (data logger). Various machine learning techniques are applied to the data streamed from the data logger to determine the respiratory rate ( RR ) capture. Support vector machines (support vector machines, SVM ) and also pattern recognition methods based on neural networks (NN), which are combined either with peak detection or Hilbert transformation for robust RR calculation. Experimental results show that the methods are the RR could effectively extract using the data collected by the non-contact bed sensors. The methods are robust to outliers and noise caused by body movements. The monitoring system also provides a flexible and scalable manner for continuous and remote monitoring of sleep, exercise, and weight using the embedded sensors.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
IoT-basiertes RR-Überwachungssystem/ SystemIoT based RR monitoring system / system
22
bettmontierter Sensor/ Bettsensor/ Bettsensoreinheit (siehe auch 9: lokale Geräte)bed-mounted sensor / bed sensor / bed sensor unit (see also 9: local devices)
33
Datenlogger (siehe auch 9: lokale Geräte)Data logger (see also 9: local devices)
44th
Serverserver
55
EndnutzerEnd User
66th
VPN (Virtual Private Network)VPN (Virtual Private Network)
77th
WLANWIRELESS INTERNET ACCESS
88th
RabbitMQRabbitMQ
99
Bettsensorgerät, lokale Geräte (siehe auch 2)Bed sensor device, local devices (see also 2)
1010
drahtloser Transceiverwireless transceiver
1111th
verteilte Gerätedistributed devices
1212th
zentrale Datenverarbeitungseinheit / zentraler Datenverarbeitungspunktcentral data processing unit / central data processing point
1313th
GatewayGateway
1414th
Back-Front-Enden (siehe auch 17)Back-front ends (see also 17)
1515th
ML-KomponenteML component
1616
MongoDBMongoDB
1717th
Back-End- und Front-End-Komponente (siehe auch 14)Back-end and front-end components (see also 14)
1919th
Ruhestellung in auf dem Rücken liegender PositionRest position in the lying position on the back
2020th
Sprechen in auf dem Rücken liegender PositionSpeak while lying on your back
2121
ZufallsbewegungenRandom movements
2222nd
KeuchenPanting
2323
Dropout-SchichtDropout layer
2424
DenseDense
2525th
Blockblock
2626th
Vorwärts-TensorForward tensor
2727
Rückwärts-TensorBackward tensor
2828
MLP-FehlerMLP error
2929
MLP-VerlustMLP loss
3030th
Hybrid-RNN-FehlerHybrid RNN failure
3131
Hybrid-RNN-VerlustHybrid RNN Loss
3232
GrundwahrheitBasic truth
3333
SpitzenzählungPeak counting
3434
HT-basiertHT based
3535
gestrichelte Liniedashed line
AA.
MagnitudeMagnitude
EE.
EpochenEpochs
BiLSTMBiLSTM
bidirektionaler LSTM (Long Short-Term Memory)bidirectional LSTM (Long Short-Term Memory)
CC.
Konvergenzconvergence
DNNDNN
tiefes neuronales Netz (Deep Neural Network)deep neural network
HTHT
Hilbert-TransformationHilbert transformation
IoTIoT
Internet der Dinge (Internet of Things)Internet of Things
ReLUReLU
rektifizierte lineare Einheitenrectified linear units
RNNRNN
rekurrentes neuronales Netzrecurrent neural network
RRRR
Atemfrequenz (Respiratory Rate)Respiratory rate
MLML
MaschinenlernenMachine learning
MLPMLP
Mehrschicht-Perzeptron (Multilayer-Perceptron)Multi-layer perceptron (multilayer perceptron)
LRLR
Logistische RegressionLogistic regression
LSTMLSTM
Long Short-Term MemoryLong short-term memory
PCAPCA
HauptkomponentenanalysePrincipal component analysis
SVMSVM
Stützvektormaschine (Support Vector Machine)Support vector machine
TT
Zeittime
UIUI
Benutzerschnittstelle (User Interface)User interface

Claims (17)

Verfahren zum Bestimmen einer Atemfrequenz (RR) eines Patienten, wobei das Verfahren umfasst: Messen eines Gewichts eines Patienten durch Abrufen gewichtsbezogener Informationen von einer Mehrzahl bettmontierter Lastsensoren (2), Übertragen der gewichtsbezogenen Informationen an einen Server (4).A method for determining a patient's respiratory rate (RR), the method comprising: measuring a patient's weight by retrieving weight-related information from a plurality of bed-mounted load sensors (2), transmitting the weight-related information to a server (4). Verfahren gemäß Anspruch 1, umfassend einen Schritt einer Datenbereinigung, wobei der Schritt der Datenbereinigung umfasst: Umordnen von Datenrahmen durch Vergleichen von Zeitstempeln, und/oder Erfassen redundanter Daten durch Vergleichen benachbarten Rahmen, und/oder Entfernen der redundanten Daten, und/oder Auszeichnen fehlender Zeitrahmen durch Vergleichen von Unterschieden zwischen Zeitstempeln sowie einer Gesamtzahl gesammelter Rahmen.Procedure according to Claim 1 , comprising a step of data cleansing, wherein the step of data cleansing comprises: rearranging data frames by comparing time stamps, and / or acquiring redundant data by comparing neighboring frames, and / or removing the redundant data, and / or marking up missing time frames by comparing Difference between timestamps and a total number of frames collected. Verfahren gemäß Anspruch 2, umfassend einen Schritt einer nichtlinearen Transformation unter der Verwendung einer Sigmoid-Funktion zum Verstärken von Signalen, die durch Atmung mit kleinen Magnituden (A) verursacht werden, während ein durch Körperbewegung hervorgerufenes Signal unterdrückt wird, das die Atmungsinformationen verdeckt.Procedure according to Claim 2 comprising a step of nonlinear transformation using a sigmoid function to amplify signals caused by small magnitude (A) breathing while suppressing a body movement signal obscuring the breathing information. Verfahren gemäß Anspruch 3, umfassend den Schritt einer Segmentierung mit überlappenden, verschiebbaren Rechteckfenstern, die sich über mehrere, zum Beispiel 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder insbesondere 7, Rahmen mit dem Schritt von 1 Rahmen, erstrecken, ferner umfassend eine Hauptkomponentenanalyse zur Dimensionsreduktion.Procedure according to Claim 3 , comprising the step of segmentation with overlapping, movable rectangular windows that extend over several, for example 1, 2, 3, 4, 5, 6 or in particular 7, frames with the step of 1 frame, further comprising a principal component analysis for dimension reduction . Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Daten-Reliabilitätsanalyse, umfassend: Anwenden eines binären Annahme-Verwerfungs-Klassifikators zum Erkennen der Zuverlässigkeit eines jeden Rahmens.A method according to any one of the preceding claims, comprising a data reliability analysis comprising: applying a binary acceptance rejection classifier to identify the reliability of each frame. Verfahren gemäß Anspruch 5, ferner umfassend drei verschiedene Typen von Klassifikatoren mit einem off-line stattfindenden überwachten Training, wobei die Grundwahrheit (32) manuell gekennzeichnet wird.Procedure according to Claim 5 , further comprising three different types of classifiers with off-line supervised training, the basic truth (32) being manually marked. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Anwenden einer Stützvektormaschine (Support Vector Machine, SVM).Method according to one of the preceding claims, further comprising using a support vector machine (SVM). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Anwenden eines Mehrschicht-Perzeptrons (Multilayer-Perceptron, MLP).Method according to one of the preceding claims, further comprising using a multilayer perceptron (multilayer perceptron, MLP). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend Anwenden eines hybriden rekurrenten neuronalen Netzes (Hybrid RNN).Method according to one of the preceding claims, comprising using a hybrid recurrent neural network (Hybrid RNN). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend Zusammenfassen von Datenrahmen, die als zuverlässig erkannt wurden, in mehrere Fragmente verschiedener Längen.Method according to one of the preceding claims, comprising combining data frames which have been recognized as reliable into several fragments of different lengths. Verfahren gemäß Anspruch 10, umfassend Extrahieren einer Atemfrequenz (RR) unter der Verwendung von Beiträgen der Fragmente, während unzuverlässige und fehlende Rahmen ignoriert werden.Procedure according to Claim 10 comprising extracting a respiratory rate (RR) using contributions from the fragments while ignoring unreliable and missing frames. Verfahren gemäß Anspruch 11, umfassend Anwenden einer Spitzenerkennung auf jedes Fragment, wobei eine gewichtete Kombination verfolgt wird, je nach (gegebenenfalls) der Länge zwischen der ersten und der letzten erfassten Spitze in jedem Fragment sowie der Fragmentlänge, um die Atemfrequenz (RR) zu erfassen.Procedure according to Claim 11 comprising applying a peak detection to each fragment, tracking a weighted combination based on the length between the first and last detected peaks (if any) in each fragment and the fragment length to detect respiratory rate (RR). Verfahren gemäß Anspruch 11, umfassend Anwenden einer Hilbert-Transformation auf jedes Zeitbereichs-Fragment zum Erhalten eines Analysesignals, aus dem die Phaseninformationen berechnet und entfaltet werden, ferner umfassend eine Steigungsanpassung (Slope Fitting) für alle Fragmente, mit einem (1) gemeinsam genutzten Steigungsparameter und einem weiteren Verzerrungs-Parameter für jedes Segment, wobei die Atemfrequenz (RR) aus dem Steigungsparameter abgebildet wird.Procedure according to Claim 11 , comprising applying a Hilbert transform to each time domain fragment to obtain an analysis signal from which the phase information is calculated and unfolded, further comprising slope fitting for all fragments, with one (1) shared slope parameter and another distortion Parameters for each segment, with the respiratory rate (RR) being mapped from the slope parameter. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die Anzahl von Rahmen in jedem Block, die Variation des erfassten Spitzen-Ort-Abstands und der Fitting-Fehler als Indikatoren für das Zuverlässigkeitsniveau der Atemfrequenz (RR) verwendet werden.Procedure according to Claim 12 or 13th , the number of frames in each block, the variation in the detected peak-to-location distance and the fitting errors being used as indicators of the level of confidence in the respiratory rate (RR). System zum Bestimmen einer Atemfrequenz (RR) eines Patienten, wobei das System umfasst: eine Mehrzahl bettmontierter Lastsensoren (Gewichtssensoren), die im Wesentlich randständig um ein Bett herum angeordnet sind, elektronische Schaltungen zum Abrufen und Verarbeiten entsprechender Gewichtsdaten aus der Mehrzahl bettmontierter Sensoren, einen Datenlogger zum vorübergehenden Speichern der Gewichtsdaten, einen Sender zum Übertragen der Gewichtsdaten an eine Datenverarbeitungseinheit, wobei die Datenverarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, eine Scheibe (Slice) von Atmungsdaten in den empfangenen Daten zu klassifizieren, eine Atemfrequenz (RR) in der Scheibe zu erfassen und die erfasste Atemfrequenz (RR) als eine Schablone zum Erfassen weiterer Atemfrequenzinformationen zu verwenden.A system for determining a patient's respiratory rate (RR), the system comprising: a plurality of bed-mounted load sensors (weight sensors), which are essentially arranged at the edge of a bed, electronic circuits for retrieving and processing corresponding weight data from the plurality of bed-mounted sensors, a data logger for temporarily storing the weight data, a transmitter for transmitting the weight data to a data processing unit , wherein the data processing unit is configured to classify a slice (slice) of respiratory data in the received data, to detect a respiratory rate (RR) in the slice and to use the detected respiratory rate (RR) as a template for the detection of further respiratory rate information. System gemäß Anspruch 15, wobei die zentrale Datenverarbeitungseinheit ferner dazu konfiguriert ist, SVM, Hybrid RNN und/oder MLP zur Klassifizierung anzuwenden.System according to Claim 15 , wherein the central data processing unit is further configured to use SVM, Hybrid RNN and / or MLP for classification. System gemäß Anspruch 16, wobei die zentrale Datenverarbeitungseinheit ferner dazu konfiguriert ist, eine Hilbert-Transformation und eine Anpassung durch fragmentierte Linien (Fragmented Line Fitting) anzuwenden.System according to Claim 16 wherein the central data processing unit is further configured to apply a Hilbert transform and a fragmented line fitting.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69128225T2 (en) 1990-03-09 1998-03-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd DEVICE FOR INDICATING SLEEP
US20130245389A1 (en) 2012-03-15 2013-09-19 Christian P. Schultz Learning Patient Monitoring and Intervention System
US20190320987A1 (en) 2008-05-12 2019-10-24 Earlysense Ltd. Monitoring, predicting and treating clinical episodes

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69128225T2 (en) 1990-03-09 1998-03-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd DEVICE FOR INDICATING SLEEP
US20190320987A1 (en) 2008-05-12 2019-10-24 Earlysense Ltd. Monitoring, predicting and treating clinical episodes
US20130245389A1 (en) 2012-03-15 2013-09-19 Christian P. Schultz Learning Patient Monitoring and Intervention System

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Hauptkomponentenanalyse, 16.11.2019 [recherchiert am 05.02.2021]. Im Internet: <URL:http://web.archive.org/web/20191116003242/https://de.wikipedia.org/wiki/Hauptkomponentenanalyse>
Real-time Transport Protocol, 21.05.2020 [recherchiert am 05.02.2021]. Im Internet: <URL: http://web.archive.org/web/20200521052941/https://en.wikipedia.org/wiki/Real-time_Transport_Protocol>

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