[論文レビュー] Comparing Respiratory Monitoring Performance of Commercial Wireless Devices

Peter Hillyard, Anh Luong+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2018

Non-Invasive Vital Sign Monitoring参考文献 53被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、実際の睡眠環境における非接触呼吸数モニタリングを目的として、4種類の商用無線デバイス（WiFi CSI、UWB CIR、および狭帯域RSS（1-dBおよびsub-dB量子化））を比較した。160時間にわたる患者データにおいて、同時にRF測定と接触センサーによる真値を取得した結果、WiFi CSIが最も頑健な呼吸数推定を達成したが、すべてのシステムが不利な fading 条件下で一時的に信頼性を失うことが判明し、PSDに基づく推定法が時間領域のIBI手法を上回った。

ABSTRACT

This paper addresses the performance of systems which use commercial wireless devices to make bistatic RF channel measurements for non-contact respiration sensing. Published research has typically presented results from short controlled experiments on one system. In this paper, we deploy an extensive real-world comparative human subject study. We observe twenty patients during their overnight sleep (a total of 160 hours), during which contact sensors record ground-truth breathing data, patient position is recorded, and four different RF breathing monitoring systems simultaneously record measurements. We evaluate published methods and algorithms. We find that WiFi channel state information measurements provide the most robust respiratory rate estimates of the four RF systems tested. However, all four RF systems have periods during which RF-based breathing estimates are not reliable.

研究の動機と目的

• 実世界の条件下における非接触呼吸数モニタリングの目的で、4種類の商用無線RF技術（WiFi CSI、UWB CIR、および2種類のRSSベースの狭帯域システム）の性能を評価・比較すること。
• 一晩にわたる睡眠研究における患者の姿勢や動きの変化に伴う、これらのシステムの信頼性を評価すること。
• 周波数ドメインのPSDと時間ドメインの間欠的呼吸間隔（IBI）の2つの推定手法のうち、実世界の fading 条件および運動条件下で、どちらがより正確な呼吸数推定を達成するかを特定すること。
• 将来のベンチマーク評価やアルゴリズム開発のため、同期されたRF測定データと真値呼吸データを公開可能なデータセットとして提供すること。

提案手法

• 睡眠クリニック環境で、4台のRFデバイス（WiFi（CSI）、UWB（CIR）、および2組の狭帯域ペア（RSSおよびsub-dB RSS））を同時に設置し、無線チャネル測定を実施した。
• 20件の一晩睡眠ポリソムノグラフィー研究（合計160時間）中に、接触センサーを用いた真値呼吸数と患者の姿勢・運動状態を同時に記録した。
• ストリーム選択、運動検出、および2種類のRR推定手法（周波数ドメインのPSDと時間ドメインの間欠的呼吸間隔（IBI））を含む、既存の信号処理技術を適用した。
• RR推定の正確性を比較する主な指標として、中央絶対誤差（MAE）を用いた。
• 患者の運動イベントの前後およびその間の期間に分けてデータをセグメント化し、動的条件下での性能を分析した。
• 誤差のピークと患者の動き・姿勢との相関関係を分析することで、fading 条件の有利性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実世界の睡眠環境下で、異なる商用無線RF技術（WiFi CSI、UWB CIR、RSS、sub-dB RSS）の非接触呼吸数推定精度は、どのように比較されるか？
• RQ2 患者の姿勢や動きは、各RF技術を用いた呼吸数推定の信頼性にどのように影響するか？
• RQ3 PSDベースの推定法とIBIベースの推定法のうち、テストされたRFシステム全体で、どちらが中央絶対誤差を低く抑えるか？
• RQ4 高帯域幅およびマルチアンテナシステム（CSI、CIR）は、単純な低帯域幅RSSシステムに比べて、呼吸追跡の信頼性を顕著に向上させるか？
• RQ5 RFベースの呼吸数モニタリングの失敗期間は、不利なfading条件に起因するものであり、患者の姿勢や動きと相関があるか？

主な発見

• 安定した期間中、WiFi CSIが中央絶対誤差（0.12 bpm）を最も低く抑え、UWB CIR（0.12 bpm）、RSS（0.24 bpm）、sub-dB RSS（0.24 bpm）を上回った。
• すべての4つのRFシステムが、不利なfading条件下で高誤差（最大7.38 bpm）を示したが、条件が有利な場合には性能差は顕著ではなかった。
• 運動イベントに伴い誤差が急増し、中央誤差はシステムによって2.22～7.38 bpmに上昇した。特にsub-dB RSSは、運動イベント間で7.38 bpmに達した。
• PSDベースの呼吸数推定法が、すべてのRF技術でIBIベースの手法を上回り、中央絶対誤差が低かった。
• 失敗期間と患者の姿勢（仰向け、俯瞰、左側、右側）との間に有意な相関は認められず、fading 条件は姿勢だけでは予測できないことが示された。
• 高い帯域幅とマルチアンテナダイバーシティを備えても、CSIおよびCIRはRSSベースのシステムより信頼性が高くならず、fading に対する耐性は帯域幅やアンテナ数にのみ依存するわけではないことが示唆された。