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New ubiquitous computing system uniting chaos theory and data science for sleep apnea hypopnea syndrome (SAHS) screening with wearable devices

研究課題

研究課題/領域番号 21K17670
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分59040:栄養学および健康科学関連
研究機関京都先端科学大学

研究代表者

梁 滋路  京都先端科学大学, 工学部, 講師 (10782807)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2023年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2021年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
キーワードsleep apnea / SpO2 / ensemble learning / machine learning / multiscale entropy / oximeter / wearable computing / ubiquitous computing / personal informatics / digital health / mHealth / chaos theory
研究開始時の研究の概要

SAHS screening markers will be identified through nonlinear analysis of the chaotic dynamics of the physiological data measurable by wearable devices. These markers, together with features derived using data science techniques, will be used to develop SAHS screening algorithms.

研究実績の概要

The achievement this year revolved around enhancing the performance of SpO2-based sleep apnea screening models. A new feature set was constructed leveraging machine learning and chaos analysis techniques. Probabilistic ensemble approach was applied to construct apnea screening models at three cutoff points: 5, 15, 30 events/h. These models underwent thorough evaluation using multiple performance metrics and rigorous statistical analysis. The impact of decision boundaries and data granularity were systematically explored, marking the first comprehensive investigation of its kind in machine learning based sleep apnea screening. The models outperform existing models by a substantial margin. The findings have led to several publications in international journals and conferences, indexed in Web of Science and Scopus.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

The project progressed as planned during this fiscal year. A new feature set was constructed by combining classic machine learning and chaos analysis techniques. Utilizing this feature set, probabilistic ensemble models were constructed using three tuned and calibrated base classifiers: SVM, logistic regression, and light gradient boosting machine. Model performance was evaluated using multiple measures, considering varying decision boundaries and data granularity. The developed models demonstrated superior performance across all three AHI cutoffs compared to existing sleep apnea screening models. The new approach allows for elegant integration of the pre-test sleep apnea prevalence into model tuning, thereby enhancing its clinical relevance and applicability in real-world scenarios.

今後の研究の推進方策

We have identified two key directions for future research. Firstly, we plan to explore the effectiveness of an original feature engineering method, which involves multiscale feature extraction. This approach aims to capture more nuanced patterns and relationships within the data, potentially enhancing the performance of our sleep apnea screening models. Secondly, we intend to conduct a comprehensive assessment of the external validity and generalizability of the developed sleep apnea screening models. This evaluation will involve testing the models on other datasets to ensure their robustness and applicability across different contexts. By addressing these areas in future work, we aim to further advance the effectiveness and reliability of our models in real-world settings.

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (47件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (20件) (うち国際共著 4件、 査読あり 18件、 オープンアクセス 9件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 8件、 招待講演 3件) 備考 (6件)

  • [国際共同研究] University of California, Santa Cruz(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Worcester Polytechnic Institute (WPI)(米国)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Queensland University of Technology(オーストラリア)

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Universite de Toulouse(フランス)

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Novel method combining multiscale attention entropy of overnight blood oxygen level and machine learning for easy sleep apnea screening2023

    • 著者名/発表者名
      Liang Z
    • 雑誌名

      DIGITAL HEALTH

      巻: 9 ページ: 1-19

    • DOI

      10.1177/20552076231211550

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Knowledge Discovery in Ubiquitous and Personal Sleep Tracking: Scoping Review2023

    • 著者名/発表者名
      Hoang NH, Liang Z
    • 雑誌名

      JMIR Mhealth Uhealth

      巻: 11 ページ: 1-17

    • DOI

      10.2196/42750

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] What’s keeping teens up at night? Reflecting on sleep and technology habits with teens2023

    • 著者名/発表者名
      Ploderer B, Rodgers S, Liang Z
    • 雑誌名

      Personal and Ubiquitous Computing

      巻: 27 号: 2 ページ: 249-270

    • DOI

      10.1007/s00779-021-01661-x

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Developing and Validating Ensemble Classifiers for At-Home Sleep Apnea Screening2023

    • 著者名/発表者名
      Liang Z
    • 雑誌名

      Engineering Proceedings

      巻: 58 ページ: 1-4

    • DOI

      10.3390/ecsa-10-16184

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Developing a Cross-Platform Application for Integrating Real-time Time-series Data from Multiple Wearable Sensors2023

    • 著者名/発表者名
      Sirithummarak P, Liang Z
    • 雑誌名

      Engineering Proceedings

      巻: 58 ページ: 1-4

    • DOI

      10.3390/ecsa-10-16185

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effect of Decision Boundary for Logistic Regression Classifiers on Sleep Apnea Screening Accuracy with Wearable SpO2 Data2023

    • 著者名/発表者名
      Liang Z
    • 雑誌名

      In Proceedings of the14th International Conference on Mobile Computing and Ubiquitous Networking (ICMU 2023)

      巻: 0 ページ: 1-4

    • DOI

      10.23919/icmu58504.2023.10412217

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multiscale Attention Entropy (MSAE) of Overnight Pulse Oximetry for Assessing Sleep Apnea2023

    • 著者名/発表者名
      Liang Z
    • 雑誌名

      In Proceedings of the 7th International Conference on Medical and Health Informatics (ICMHI '23)

      巻: 0 ページ: 77-80

    • DOI

      10.1145/3608298.3608314

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Developing Sleep Apnea Screening Models Compatible with Low-Resolution SpO2 Data2023

    • 著者名/発表者名
      Liang Z
    • 雑誌名

      In Proceedings of 2023 IEEE 12th Global Conference on Consumer Electronics (GCCE 2023)

      巻: 0 ページ: 330-331

    • DOI

      10.1109/gcce59613.2023.10315249

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mining Contrast Rules in a Sleep Apnea Dataset2023

    • 著者名/発表者名
      Jayen H, Lukovnikova A, Nhung HH, Liang Z
    • 雑誌名

      In Proceedings of 2023 IEEE 12th Global Conference on Consumer Electronics (GCCE 2023)

      巻: 0 ページ: 1057-1060

    • DOI

      10.1109/gcce59613.2023.10315646

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Context-aware sleep health recommender systems (CASHRS): a narrative review2022

    • 著者名/発表者名
      Liang Zilu
    • 雑誌名

      Electronics

      巻: 11 号: 20 ページ: 3384-3384

    • DOI

      10.3390/electronics11203384

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Mining associations between glycemic variability in awake-time and in-sleep among non-diabetic adults2022

    • 著者名/発表者名
      Liang Zilu
    • 雑誌名

      Frontiers in Medical Technology

      巻: 4 ページ: 1026830-1026830

    • DOI

      10.3389/fmedt.2022.1026830

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Not Just a Matter of Accuracy: A fNIRS Pilot Study into Discrepancy Between Sleep Data and Subjective Sleep Experience in Quantified-Self Sleep Tracking2022

    • 著者名/発表者名
      Liang Zilu
    • 雑誌名

      Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering

      巻: 432 ページ: 74-87

    • DOI

      10.1007/978-3-030-99197-5_7

    • ISBN
      9783030991968, 9783030991975
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Context-aware Sleep Analysis with Intraday Steps and Heart Rate Time Series Data from Consumer Activity Trackers2022

    • 著者名/発表者名
      Liang Zilu、Nhung Huyen、Bertrand Lauriane、Cleyet-Marrel Nathan
    • 雑誌名

      Proceedings of the 15th International Joint Conference on Biomedical Engineering Systems and Technologies - HEALTHINF

      巻: 2022 ページ: 170-179

    • DOI

      10.5220/0010892900003123

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Correlation Analysis of Nested Consumer Health Data: A New Look at an Old Problem2022

    • 著者名/発表者名
      Liang Zilu
    • 雑誌名

      Proceedings of 2022 IEEE 4th Global Conference on Life Sciences and Technologies (LifeTech)

      巻: 2022 ページ: 46-47

    • DOI

      10.1109/lifetech53646.2022.9754805

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Association Rules Mining on Multimodal Quantified-Self Data2022

    • 著者名/発表者名
      Liang Zilu
    • 雑誌名

      Proceedings of 2021 International Seminar on Machine Learning, Optimization, and Data Science (ISMODE)

      巻: 2022 ページ: 342-346

    • DOI

      10.1109/ismode53584.2022.9742965

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Multi-level Classification Approach for Sleep Stage Prediction with Processed Data Derived from Consumer Wearable Activity Trackers2021

    • 著者名/発表者名
      Liang Z, Chapa-Martell MA
    • 雑誌名

      Frontiers in Digital Health

      巻: 3 ページ: 665946-665946

    • DOI

      10.3389/fdgth.2021.665946

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] What Does Sleeping Brain Tell About Stress? A Pilot Functional Near-Infrared Spectroscopy Study Into Stress-Related Cortical Hemodynamic Features During Sleep2021

    • 著者名/発表者名
      Liang Zilu
    • 雑誌名

      Frontiers in Computer Science

      巻: 3 ページ: 1-15

    • DOI

      10.3389/fcomp.2021.774949

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Recognizing eating activities in free-living environment using consumer wearable devices2021

    • 著者名/発表者名
      Bertrand L, Cleyet-Marrel N, Liang Z
    • 雑誌名

      Proceedings of The 8th International Symposium on Sensor Science

      巻: 1 ページ: 1-5

    • DOI

      10.3390/i3s2021dresden-10141

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] An N-of-1 Investigation into Stress-Related Hemodynamics in the Prefrontal Cortex During the First Sleep Cycle2021

    • 著者名/発表者名
      Liang Zilu
    • 雑誌名

      Proceedings of 2021 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC)

      巻: 2021 ページ: 1192-1197

    • DOI

      10.1109/smc52423.2021.9659157

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Investigating the Effect of Feature Distribution Shift on the Performance of Sleep Stage Classification with Consumer Sleep Trackers2021

    • 著者名/発表者名
      Sirithummarak Pataranit、Liang Zilu
    • 雑誌名

      Proceedings of 2021 IEEE 10th Global Conference on Consumer Electronics (GCCE)

      巻: 2021 ページ: 242-243

    • DOI

      10.1109/gcce53005.2021.9621361

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] FunAlarm: Gamification-Based Smartphone Alarm Application for Reducing Wakeup Delay2023

    • 著者名/発表者名
      Liang Z, Yahya KN, Setiawan EN, Kasan JA, Firdauzi MO
    • 学会等名
      The 4th Sleep Congress of Asian Society of Sleep (ASSM 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Shallow and Deep Learning Models for Detecting Apnea Events in Stroke Patients2023

    • 著者名/発表者名
      Hoang HN, Liang Z
    • 学会等名
      The 4th Sleep Congress of Asian Society of Sleep (ASSM 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A Pilot Study into the Feasibility of Utilizing Contagious Yawning to improve Sleep Quality2023

    • 著者名/発表者名
      Khotchasing K, Liang Z
    • 学会等名
      The 4th Sleep Congress of Asian Society of Sleep (ASSM 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigating Subjective-Objective Sleep Discrepancy with Consumer Sleep Tracking and Wearable fNIRS Technologies2023

    • 著者名/発表者名
      Liang Z, Saskovets M
    • 学会等名
      The 2023 International Artinis (f)NIRS Symposium
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Machine Learning based Sleep Apnea Screening with Overnight SpO2 Recordings2023

    • 著者名/発表者名
      Liang Z
    • 学会等名
      The 48th Annual Meeting of Japanese Society of Sleep Research (JSSR 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Beyond Statistical Analysis: Identifying Meaningful Patterns in Sleep Apnea Dataset using Contrast Set Mining2023

    • 著者名/発表者名
      Nhung HH, Jayen H, Lukovnikova A, Liang Z
    • 学会等名
      The 48th Annual Meeting of Japanese Society of Sleep Research (JSSR 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Design and Development of Gamification mHealth Application for Sleep Hygiene Intervention2023

    • 著者名/発表者名
      Khotchasing K, Nhung HH, Liang Z
    • 学会等名
      The 48th Annual Meeting of Japanese Society of Sleep Research (JSSR 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Developing a Cross-Platform Application for Health Data Integration from Multiple Wearable Sensors2023

    • 著者名/発表者名
      Sirithummarak P, Liang Z
    • 学会等名
      IEICE Society Conference 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Ubiquitous and personal computing for health and wellbeing2023

    • 著者名/発表者名
      Zilu Liang
    • 学会等名
      International Seminar on Seminar on Machine Learning, Optimization, and Data Science
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Identifying patterns in continuous glucose monitoring data using contrast set mining2023

    • 著者名/発表者名
      Zilu Liang, Nhung Huyen Hoang
    • 学会等名
      IEICE General Conference 2023
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Contrast set mining for actionable insights into associations between sleep and glucose in a normoglycemic population2023

    • 著者名/発表者名
      Nhung Hoang, Liang Zilu
    • 学会等名
      Proceedings of the 16th International Joint Conference on Biomedical Engineering Systems and Technologies (BIOSTEC 2023) - HEALTHINF
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mining associations between Fitbit measured sleep structure and subsequent daytime glycemia patterns2022

    • 著者名/発表者名
      Zilu Liang
    • 学会等名
      The 47th Annual Meeting of Japanese Society of Sleep Research (JSSR)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Machine learning and data mining in consumer health informatic2022

    • 著者名/発表者名
      Zilu Liang
    • 学会等名
      2021 International Seminar on Machine Learning, Optimization, and Data Science (ISMODE)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Mobile and Wearable Computing for Studying Human Physiology and Behavior in the Wild2021

    • 著者名/発表者名
      Zilu Liang
    • 学会等名
      AIST Human Augmentation Research Center Seminar
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Association between bedtime stress level and hemodynamics in prefrontal cortex during sleep2021

    • 著者名/発表者名
      Zilu Liang
    • 学会等名
      The 46th Annual Meeting of Japanese Society of Sleep Research
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Self-rated sleep quality is associated with hemodynamics in prefrontal cortex in the first sleep cycle2021

    • 著者名/発表者名
      Zilu Liang
    • 学会等名
      The 3rd Congress of Asian Society of Sleep Medicine
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of feature distribution shift on sleep-wake classification with Apple watch2021

    • 著者名/発表者名
      Sirithummarak Pataranit、Liang Zilu
    • 学会等名
      The 2021 IEICE Society Conference
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考] Lab Homepage

    • URL

      https://www.ubicomp-lab.org/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書
  • [備考] Personal Website

    • URL

      https://www.zilu-liang.net

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] Personal Website

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考] Google Scholar Profile

    • URL

      https://scholar.google.co.jp/citations?user=UlMDCkQAAAAJ&hl=ja

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考] DBLP Profile

    • URL

      https://dblp.org/pid/79/11222.html

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考] ResearchGate Profile

    • URL

      https://www.researchgate.net/profile/Zilu-Liang

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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