I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.  14 ,   No .   6 ,  Dec em b er   20 24 ,   p p .   6 9 2 9 ~ 6 9 4 3   I SS N:  2 0 8 8 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / ijece . v 14 i 6 . p p 6 9 2 9 - 6 9 4 3          6929       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Sy stema tic  revi e w :  S tate - of - the - a r t  in se nso r - ba sed  a bno rma lity  respira tion cla ss if ica tion a ppro a che s       Nur  F a t in Sh a zwa ni No r  Ra zm a n 1 ,   H a s lin a h M o hd   Na s i r 1 ,   Su ra y a   Z a inu dd i n 1 ,   No o r  M o hd   Arif f   B ra hin 1 ,   I dn in P a s y a   I bra him 2 ,   M o hd   Sy a f iq M is pa n 1   1 F a k u l t i   Te k n o l o g i   d a n   K e j u r u t e r a a n   El e k t r o n i k   d a n   K o mp u t e r ,   U n i v e r s i t i   Te k n i k a l   M a l a y s i a   M e l a k a ,   M e l a k a ,   M a l a y si a     2 D e p a r t me n t   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   E n g i n e e r i n g ,  D i v i s i o n   o f   C o mp u t e r   En g i n e e r i n g ,   T h e   U n i v e r si t y   o f   A i z u ,   A i z u - W a k a ma t su ,   J a p a n         Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma r   1 6 ,   2 0 2 4   R ev is ed   J u l 2 3 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Au g   6 ,   2 0 2 4       Re sp iratio n - re late d   d ise a se   re fe rs  to   a   wi d e   ra n g e   o f  c o n d it i o n s,   in c lu d in g   in flu e n z a ,   p n e u m o n ia,  a sth m a ,   s u d d e n   i n fa n t   d e a th   s y n d ro m e   (S IDS)  a n d     th e   late st  o u t b re a k ,   c o ro n a v ir u s  d ise a se   2 0 1 9   (COV ID - 1 9 ) ,   a n d   m a n y   o th e r   re sp iratio n   iss u e s.  Ho we v e r,   re a l - ti m e   m o n it o ri n g   f o r  t h e   d e t e c ti o n   o f   re sp irato ry   d iso r d e rs  is  c u rre n tl y   lac k in g   a n d   n e e d s  t o   b e   imp r o v e d .   Re a l - ti m e   re sp irato ry   m e a su re s  a re   n e c e ss a ry   sin c e   u n su p e rv ise d   trea tme n t  o f   re sp irato ry   p ro b lem s  is  t h e   m a in   c o n tri b u to r  to   th e   risi n g   d e a th   r a te.  Th u s,   th is  p a p e r  re v iew e d   th e   c las sifi c a ti o n   o f  t h e   re sp irato r y   si g n a l   u sin g   two   d iffere n t  a p p ro a c h e s  fo r  re a l - ti m e   m o n it o ri n g   a p p li c a ti o n s.  T h is  re se a rc h   e x p lo re s   m a c h in e   lea rn in g   a n d   d e e p   lea rn in g   a p p ro a c h e s  to   f o re c a stin g   re sp iratio n   c o n d it i o n s.  Ev e r y   c o n su m p ti o n   o f  t h e se   a p p r o a c h e s  h a s  b e e n   d isc u ss e d   a n d   re v iew e d .   I n   a d d it i o n ,   th e   c u rre n t  st u d y   is  re v iew e d   to   i d e n ti f y   c rit ica l  d irec ti o n s   fo r  d e v e lo p i n g   re sp iratio n   re a l - ti m e   a p p li c a ti o n s.   K ey w o r d s :   C las s if icatio n   o f   r esp ir atio n   Dee p   lear n in g   Ma ch in e  lear n in g   R ad ar   R esp ir atio n   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Haslin ah   Mo h d   Nasir   Fak u lti T ek n o lo g i d an   Keju r u t er aa n   E lek tr o n ik   d a n   Ko m p u t er ,   Un iv er s iti T ek n ik al  Ma lay s ia  Me lak a   Du r ian   T u n g g al,   Me lak a - 7 6 1 0 0 ,   Ma lay s ia    E m ail:  h asli n ah @ u tem . ed u . m y       1.   I NT RO D UCT I O N   All  liv in g   th in g s   en g ag e  in   r e s p ir atio n ,   wh ich   is   a  f u n d am e n tal  ac tiv ity .   I t  is   th e  m eth o d   b y   wh ich   ce lls   tr an s f o r m   o x y g e n   an d   n u tr ien ts   in to   en er g y ,   wh ich   is   u s ed   to   ca r r y   o u t  n u m er o u s   ce llu lar   p r o ce s s es.  Fo r   ex am p le,   th e  ce lls   u s e  th is   p r o ce s s   to   ab s o r b   o x y g en   an d   ex p el  ca r b o n   d io x id e  as  waste.   L if e  ca n n o t  ex is t  with o u t r esp ir atio n ,   w h ich   is   v ital f o r   m ain tain in g   an   o r g a n is m ’ s   m etab o lic  p r o ce s s es.   T h e  ac t o f   r e s p ir a tio n   in v o lv e s   m o v in g   a ir   in to   an d   o u t   o f   t h e  lu n g s   to   en ab l e  g as   ex ch an g e  w i th   th e   in t er n a l  en v ir o n m en t,  p r im a r ily   to   ex p el  ca r b o n   d io x id e  an d   d r a w  in   o x y g en .   T h e  b r ea th in g   r at e,   o f ten   k n o wn   a s   th e   r e s p ir ato r y   r at e,   i s   o n e   o f   th e   f o u r   lead in g   v i t al   in d ic ato r s   m e a s u r ed   in   r e s p ir a to r y   cy cl es   p e r   m in u te.   Un d er   ty p i ca l  c ir cu m s tan ce s ,   s ev er a l  h o m eo s ta ti c  s y s tem s   t h at  r eg u la te  th e  p ar t ia l  p r e s s u r es  o f   ca r b o n   d io x id e   an d   o x y g en   in   th e   ar ter ia l   ci r cu la tio n   m ain t ain   co n s i s t en t   co n tr o l   o v er   th e  d ep th   a n d   r a te   o f   r es p ir at io n .   B e s id e s ,   r e s p ir at i o n   i s   th e   m o s t  cr u c ia l   m e a s u r e  o f   a  p at ien t’ s   r i s k   f o r   li f e - th r ea ten in g   d i s e a s e s .   T h er e f o r e,   v ar io u s   em er g en cy   m ed ic in e  a lg o r it h m s   s a y   th a t  b ef o r e  p u r s u i n g   f u r th er   d iag n o s ti c  o r   th er ap eu ti c  p r o c ed u r e s ,   n o r m al  r e s p ir a t io n   m u s t  f ir s t  b e  co n f ir m ed   a n d   en s u r e d   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   Mo r eo v er ,   th e  r es p ir ato r y   s y s tem   i s   p ar t  o f   t h e  b o d y   th a t  d e li v er s   o x y g en   an d   r em o v es  ca r b o n   d io x id e   to   tig h t ly   r eg u la te   th e  p ar t ia l  p r e s s u r e s   o f   o x y g e n   an d   c ar b o n   d io x id e  in   a r t er i al  b lo o d .   T h e s e   r o l e s   ar e  p ar t i al ly   a cc o m p l is h ed   b y   s et tin g   th e  r esp ir ato r y   r a te  an d   t id a l  v o lu m e.   No r m al  ti d a l  b r e ath in g   co m p r i s e s   in s p i r a t o r y   an d   ex p i r a to r y   p h as e s   an d   o c cu r s   wi th   s y n ch r o n o u s   m o v e m en t s   o f   th e   th o r ax   an d   a b d o m en   [ 3 ] .   R e s p ir a to r y   m u s cl es   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :  6 9 2 9 - 6 9 4 3   6930   p r o d u ce   p h y s io lo g ica l  s ig n a ls   k n o w n   a s   r e s p i r at o r y   s i g n al s   d u r in g   in h al at io n   an d   ex p i r a tio n .   T h e   d i s p l ac e m en t  o f   th e  ch e s t   w al l,  air f lo w  s en s o r s ,   an d   p r e s s u r e  t r an s d u ce r s   ar e   ju s t  a   f e w  o f   th e  m eth o d s   th a t   ca n   b e  u s ed   to   m e asu r e  th e s e  s i g n a ls .   B esid es,  F ig u r e  1   ex p lain s   th e   r esp ir ato r y   s ig n al' s   p atter n   o v er   tim e.   T h e  am p litu d e  o r   s tr e n g th   o f   t h e  s ig n al  is   s h o wn   o n   t h e  y - ax is ,   an d   tim e  is   s h o w n   o n   th e   x - ax is .   T h e   s ig n al  u s u ally   co n s is ts   o f   in h aled   an d   ex h aled   b r ea th s   s ep ar ate d   b y   p au s es.  As  th e   d iap h r ag m   co n tr ac ts   d u r in g   in h alatio n ,   t h e  ch est  en la r g es,  d r awin g   air   in to   th e  lu n g s .   T h e  r esp ir ato r y   s ig n al’ s   am p litu d e  r is es  b ec au s e  o f   th is .   A s   th e  d iap h r ag m   r elax es  an d   th e  ch est co n tr ac ts ,   th e  air   is   f o r ce d   o u t o f   th e  lu n g s   d u r i n g   ex h alatio n .   T h e  r esp ir ato r y   s ig n al’ s   am p litu d e  d ec r ea s es a s   a  r esu lt.  Nu m er o u s   asp ec ts   o f   r esp ir atio n ,   in clu d in g   th e  r esp ir at o r y   r ate,   th e  d ep th   o f   ea c h   b r ea t h ,   an d   th e  v a r iab ilit y   o f   t h e  s ig n al  o v er   tim e,   ca n   b e  s tu d ied   u s in g   th e  r esp ir ato r y   s ig n al.   Diag n o s in g   r esp ir at o r y   d is o r d er s   an d   g ain in g   in s ig h t i n to   h o w  th e   r esp ir ato r y   s y s tem   wo r k s   b y   an aly zin g   th ese  f e atu r es is   p o s s ib le.           Fig u r e  1 .   R esp ir atio n   s ig n al       An   in d icato r   o f   v e n tilatio n ,   o r   th e  f lo w  o f   air   in to   an d   o u t   o f   th e  lu n g s ,   th e   r esp ir atio n   r ate,   o f te n   k n o wn   as  th e  n u m b e r   o f   b r e ath s   p er   m in u te,   is   a  clin ical   m ea s u r e.   As  th e  b o d y   tr ies  to   k ee p   th e  tis s u es’  o x y g e n   s u p p l y   g o in g ,   a   s h if t  i n   r esp ir atio n   r ate  is   f r eq u en tl y   th e  f ir s t  in d icatio n   o f   d eter i o r atio n   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   Fo r   p u lm o n a r y   d is o r d e r s ,   r esp ir atio n   r ates  an d   p atter n s   m ay   b e  u s ed   to   d iag n o s e  an d   tr ac k   a  p er s o n ' s   h ea lth   co n ce r n s .   W h ile  th e   av er a g e  r esti n g   r esp ir atio n   r ate  v ar ies  f r o m   p e r s o n   to   p er s o n ,   it  g en er ally   r an g es  f r o m   1 2   to   2 0   b p m   ( b r ea th s   p er   m in u te) .   B esid es,  th er e  ar e  th r ee   ty p es  o f   ab n o r m al  r esp ir ato r y   r ates  wh ich   ar e  tach y p n ea   ( h ig h   r esp ir ato r y   r a te) ,   b r ad y p n e a  ( lo w  r esp ir ato r y   r ate) ,   a n d   a p n ea   ( ce s s atio n   o f   r esp ir atio n )   [ 6 ] .  T h e  p r im a r y   r esp ir ato r y   m u s cl e’ s   d iap h r a g m   f latten s   a n d   c o n tr ac ts   ty p ically   d u r in g   in s p ir a tio n ,   p u llin g   o n   th e   b elly   an d   p u s h in g   th e   lo wer   r i b s   f o r war d   a n d   o u twar d   [ 7 ] .   F o r   th o u s an d s   o f   y ea r s ,   E aster n   civ ilizatio n s   h a v e  m an ag ed   o n e’ s   b r ea t h   to   im p r o v e  o r   r esto r e  o n e’ s   h ea lth .   Fo r   in s tan ce ,   y o g ic  r esp ir atio n   ( p r a n ay am a)   is   a   well - k n o wn ,   ag e - o ld   r e g u late d   r esp ir atio n   tech n i q u e  f r e q u e n tly   u s ed   with   y o g a  o r   m ed ita tio n   b ec au s e  o f   it  is   p u r p o r ted   s p ir itu al  a n d   h ea lth - im p r o v in g   b e n ef its .     Pra n ay am a  is   a  ty p e  o f   y o g a  th at  f o cu s es  o n   co n tr o llin g   o n e’ s   b r ea th .   T h er e  ar e  s ev e r a l  f o r m s   o f   p r an ay am a ,   ea ch   with   its   o wn   s et  o f   ad v an tag es.  I m p r o v ed   r esp ir ato r y   f u n ctio n ,   less   s tr ess   an d   an x iety ,   in cr ea s ed   en er g y   lev els,  im p r o v ed   f o cu s   an d   atten tio n ,   en h an ce d   r elax atio n ,   an d   in c r ea s ed   s elf - awa r en ess   ar e  s o m e  o f   th e  b e n ef its   o f   p r a n a y am a.   A  p er s o n ’ s   r esp ir ato r y   r ate  is   r eg u lated   b y   a  v ar iety   o f   f ac to r s ,   in clu d in g   ag e,   ex er cise  lev el,   an d   b o d y   tem p er atu r e.   Alth o u g h   th e  t y p ical  r esp ir atio n   r ate  v ar ies  s ig n if ican tly   ac r o s s   in d iv id u als,  d o cto r s   an d   n u r s es  r eg ar d   a   ce r tain   r a n g e  to   b e   n o r m al.   T ab le  1   p r esen ts   th e   ty p e  o f   r esp ir atio n   r ate  co n d itio n   ac co r d in g   to   ag e  f r o m   n ewb o r n   to   a d u lt.   Ho wev er ,   tach y p n ea   is   th e  ea r lies t  o b s er v ab le  clin ical  s y m p to m   an d   th e  p atien t’ s   m ea n s   o f   co m p en s atin g   f o r   th e  r estricte d   lu n g   ca p ac ity   ca u s ed   b y   r es tr ictiv e  lu n g   d is ea s e.   T h e  ac ti v atio n   o f   au x iliar y   m u s cles  r esu lts   in   f u r th er   co m p en s atio n .   Patien ts   with   r estricte d   illn ess   m ay   o cc asio n ally   tak e     lar g er - th an - tid al  s ig h s   to   attr ac t  co llap s in g   u n its .   I n f ec te d   lu n g s ’   co m p en s ato r y   m ec h a n is m s   also   wo r k   to   im p r o v e  g as  ex ch a n g e  [ 8 ] .   T h u s ,   ea ch   p atter n   is   clin ically   e s s en tial  an d   v alu ab le  in   ev alu atin g   p atien ts   [ 9 ] .   I n   m ed icin e,   r esp ir atio n   m ea s u r e m en t  is   a  cr u cial  m ar k er   f o r   t h e  ea r ly   id en tific atio n   o f   m aj o r   h u m a n   d is o r d er s .   R ep o r ted ly ,   d ata   o n   r esp ir atio n   ca n   b e  u s ed   t o   p r e d ict  p n e u m o n ia,   ca r d io p u lm o n a r y   ar r est,  an d   c h r o n ic  h ea r t   f ailu r e.   Ho we v er ,   it   h as  b ee n   d is co v er ed   th at  th e   b r ea t h   r ate   ( B R )   ca n   d is tin g u is h   b etwe en   s tab le  an d   u n s tab le   in d iv id u als  m o r e   ef f ec tiv ely   th an   th e  h ea r t  r ate  ( HR ) .   Mo n ito r in g   th e  r esp ir ato r y   s ig n al  m ay   b e  u s ed   to   id en tify   an d   tr ea t  r esp ir ato r y   p r o b lem s ,   in clu d in g   ch r o n ic  o b s tr u ctiv e  p u lm o n ar y   d is ea s e,   o n e  o f   th e  m o s t  p r ev alen t lo n g - ter m   co n d itio n s ,   an d   to   f o r ec ast ca r d iac  ar r est an d   d iag n o s e  h y p o x e m ia  o r   h y p er ca r b ia.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       S ystema tic  r ev iew :   S ta te - of - th e - a r t in   s en s o r - b a s ed   a b n o r m a lity  …  ( N u r   F a tin   S h a z w a n i  N o r   R a z ma n )   6931   T ab le  1 .   T y p e  o f   r esp ir atio n   r a te  co n d itio n   Ty p e   o f   r e s p i r a t i o n   c o n d i t i o n   B r e a t h   p e r   mi n u t e   G e n d e r   A g e   ( y e a r )   M a l e   F e mal e   N e w b o r n   ( B i r t h - 1   y)   I n f a n t   (1 - 3   y)   To d d l e r   (3 - 6   y)   C h i l d     (6   y   a n d   o l d e r )   A d u l t   30   y   a n d   a b o v e   N o r mal   r e s p i r a t i o n   12 - 16   14 - 18   30 - 50   20 - 40   20 - 30   18 - 24   12 - 16   R e s p i r a t o r y   r a t e   r e mai n s  c o n s t a n t   A b n o r ma l   r e sp i r a t i o n   T a c h y p n e a   ( h i g h   r e sp i r a t o r y   r a t e )   > 2 0   > 6 0   > 4 0   > 3 0   > 2 0   Bra d y p n e a   ( l o w   r e s p i r a t o r y   r a t e )   <8 - 10   < 1 6   <8 - 10   Ap n e a   ( c e ssa t i o n   o f   r e sp i r a t i o n )   > 2 0       Du e  to   m an y   ca s es  o f   ab n o r m al  r esp ir atio n   o cc u r r i n g ,   m a n y   r esear ch er s   s tu d y   th e  u s e  o f   t ec h n o lo g y   in   m an a g in g   r esp ir ato r y   d is ea s es.  Gen er ally ,   r esp ir at o r y   s y s tem   tech n o lo g y   h as  two   d if f er en t   ty p es  o f   ap p r o ac h :  co n tact  an d   n o n - c o n tact  r esp ir ato r y   d is ea s es.  Ge n er ally ,   r esp ir ato r y   s y s tem   tech n o lo g y   h as  two   ty p es  o f   ap p r o ac h es:  co n tac t  an d   n o n - co n tact  r esp ir atio n   m ea s u r em en t.  C o n v en tio n ally ,   co n tact - b ase d   m ea s u r em en t  h as  b ee n   u s ed   wid ely ,   s u ch   as  wea r ab le  s en s o r s   wh ich   ca n   b e  in s talled   with in   clo th in g   [ 1 0 ] ,  b elts   [ 1 1 ] ,   [ 1 2 ] ,   d ir ec tly   atta ch ed   to   th e  s k in   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] ,   o r   u s ed   in   o th er   way s   as  wea r ab le  s en s o r s   f o r   r esp ir ato r y   m o n ito r in g .   T h e r e   ar e  m an y   d if f er e n t  ap p r o ac h es  to   cr ea tin g   wea r ab le  tech n o lo g y ,   a n d   s o m e  o f   th em   ar e  co v e r ed   in d iv id u ally   in   th e  f o llo win g   s ec tio n s   ac co r d in g   t o   th e  p r im ar y   s en s o r   t y p e.   T h e  s en s o r ,   o r   th e  m ea s u r ed   co m p o n en t,  m u s t  b e  in   co n tact  with   th e  s u b ject's  b o d y   wh en   u s in g   co n tact - b ased   m ea s u r em en t   p r o ce d u r es  [ 1 5 ] .   T ab le  2   s h o ws  th e  ad v an tag e  an d   lim itatio n s   o f   th e  m eth o d   o f   r esp ir atio n   m ea s u r em en t   wea r ab le  co n tact  b ased .       T ab le  2 .   T h e  ad v a n tag e  an d   li m itatio n   o f   wea r a b le  co n tact - b ased   r esp ir atio n   m ea s u r em e n t    Ty p e   o f   c o n t a c t - b a s e d   A d v a n t a g e s   Li mi t a t i o n s   EM F i t   Le ss  i n v a s i v e ,   a n d   i t   w a s   e f f e c t i v e   i n   d e t e c t i n g   r e sp i r a t o r y   r a t e   Th e   se n s o r   w a s  o n l y   e f f e c t i v e   f o r   p a t i e n t s wh o   w e r e   s t a t i o n a r y   o r   o n l y   mo d e r a t e l y   a c t i v e   s i n c e   b o d y   mo t i o n s  i n f l u e n c e   t h e   a c c u r a c y   o f   t h e   m e a s u r e m e n t   [ 1 2 ] .   S p i r o me t r y   C a n   b e   u se d   t o   scr e e n   f o r   r e s p i r a t o r y   d i s e a se   i n   so me   h i g h - r i s k   s c e n a r i o s.   I t   h e l p f u l   i n   sep a r a t i n g   c a r d i a c   d i s e a se   f r o m r e sp i r a t o r y   d i s e a se  [ 1 6 ] .   Th e   r e s u l t   w i l l   b e   p o o r ,   a n d   t h e   i n t e r p r e t a t i o n   w i l l   b e   t o u g h   w h e n   p a t i e n t   n o t   f o l l o w   t h e   i n s t r u c t i o n   w h i l e   u si n g   t h e   sp i r o me t r y .   S martp h o n e ’ s  mi c r o p h o n e   F o r   n a sa l   r e s p i r a t i o n   n o i s e s re c o r d e d   b y   a   smar t p h o n e 's m i c r o p h o n e ,   t h e   a c c u r a t e   r e sp i r a t i o n   r a t e   c a n   b e   c a l c u l a t e d   a s   t h e   e st i mat i o n   e r r o r s   [ 1 7 ] ,  [ 1 8 ] .   A s b a c k g r o u n d   n o i se  g e t s  l o u d e r ,   a c c u r a c y   b e g a n   t o   d e c r e a se   p r o g r e ss i v e l y   t h e   f u r t h e r   u sers w e r e   f r o m  t h e   s o u r c e   o f   t h e   r e sp i r a t i o n   s o u n d .   I mp e d a n c e   p n e u mo g r a p h y   A c c u r a t e   a ss e ssm e n t   o f   se v e r a l   r e s p i r a t o r y   p a r a m e t e r s.  Th i s  p o r t a b l e ,   a f f o r d a b l e   d e v i c e   c o u l d   h e l p   w i t h   h e a l t h c a r e   [ 1 9 ] .   A n a l y s e s a r e   d i f f i c u l t   t o   c o m p l e t e   a n d   r e q u i r e   s p e c i a l i z e d   e q u i p me n t .         Du e  to   t h e  in c o n v e n ien t  li m itatio n   o f   co n tact - b ased ,   m o r e  r esear ch   i n tr o d u ce s   n o n - co n tact  r esp ir atio n   m ea s u r em en t.   T h e   n o n - co n tact   m ea s u r em e n t  o f   r esp ir ato r y   m o tio n   is   an   i n n o v ativ e  m et h o d   o f   ev alu atin g   r esp ir ato r y   f u n ctio n .   B r ief ly ,   n o n - co n tact  m ea s u r em en ts   ar e  m o r e  co m f o r ta b le  f o r   th e  p atien t,   esp ec ially   wh en   p e r f o r m in g   co n tact  m ea s u r em e n ts   is   p ar ticu lar ly   ch allen g i n g   r eg ar d i n g   th e   s p ec ialized   eq u ip m en t  a n d   co m p licated   s etu p   p r o ce s s   [ 2 0 ] .   T h er e f o r e,   s ev er al  tech n iq u es  th at  d o   n o t  r eq u ir e  to u c h   s en s o r s   to   b e  co n n ec ted   to   th e  p atien t  h a v e  b ee n   d ev el o p ed   to   r ed u ce   p atien t  p ain   an d   in c r ea s e  th e  ac ce s s ib ilit y   o f   r esp ir ato r y   d ata,   in clu d in g   th er m al  im ag i n g ,   m icr o wav e - b ased ,   a n d   r ad a r - b ased   tech n iq u es.   Fo r   in s tan ce ,   th ese  ar e   a  f ew  ex am p les  th at  ar e   f r eq u en tly   u s ed   in   a  clin ical  s ettin g   wh ic h   ar e  d o p p ler   r a d ar   [ 2 1 ] ,   d ep th   s en s o r s   [ 2 2 ] ,   laser   v ib r o m et r y   [ 2 3 ] ,   an d   R GB   ca m er as  [ 2 4 ] ,   [ 2 5 ] .   Ho wev e r ,   t h e  p r ac tical  u s e  o f   th ese  tech n iq u es  is   co n s tr ain ed   b y   th e  r eq u ir em en t  f o r   r ath er   lar g e  p er io d s   an d   ass u m p tio n s   r eg ar d in g   th e   r eg u lar ity   o f   r esp ir atio n   r ate  [ 2 6 ] .   T a b le  3   d is p lay s   th e  a d v an tag e  an d   lim itatio n   o f   t h e  t y p e  o f   n o n - co n tact   m eth o d   r e v iewe d .   No n - co n tact  tech n iq u es  f o r   m ea s u r in g   r esp ir atio n   h av e  d r a wn   m o r e  atten tio n   in   r ec en t  y ea r s .   T h u s ,   th e  cr ea tio n   o f   n ew  tech n o l o g ies  an d   th e  r is in g   d em an d   f o r   n o n - in v asiv e  an d   r em o te   m o n ito r in g   s o lu tio n s   in   h ea lth ca r e  an d   welln ess   ap p licatio n s .   C o m p ar ed   t o   co n tact   m eth o d s ,   n o n - c o n tact  tech n iq u es  f o r   m ea s u r in g   r esp ir atio n   h av e  a   f ew  b en e f its .   T h ey   ar e  n o n - in v asiv e,   wh i ch   m ea n s   th e  u s er   ca n   u s e  th e m   m o r e  ea s ily   an d   co m f o r ta b ly   b ec a u s e  n o   s en s o r s   o r   elec tr o d es n ee d   to   b e  a f f i x ed   to   th e  b o d y .   T h e y   also   elim in ate  th e  p o ten tial   f o r   s k in   in f ec tio n s   o r   r ash es th at  co n tact  s en s o r s   m ay   b r i n g   o n .   No n - c o n tact  tech n i q u es c an   also   b e  u s ed   wh e n   it  is   im p r ac tical  to   u s e  co n tact  tech n iq u es,  s u c h   as  wh en   th e  u s er   is   s leep in g   o r   m o v i n g   a r o u n d .   I n   t h e  cu r r en t   co r o n a v ir u s   d is ea s e  2 0 1 9   ( C OVI D - 19)   p a n d em ic  co n tex t,  wh er e  th er e  is   an   in cr ea s in g   n ee d   f o r   telem ed icin e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :  6 9 2 9 - 6 9 4 3   6932   s o lu tio n s ,   th ey   ca n   also   b e  u s ed   f o r   r em o te  m o n ito r in g .   T h e  ab ilit y   to   an aly ze   non - co n ta ct  s ig n als,  s u ch   as   th o s e  o b tain ed   f r o m   ca m er a s   o r   m icr o p h o n es,  an d   e x tr a ct  v alu ab le  d ata  ab o u t  r esp ir atio n ,   s u ch   as  th e   r esp ir ato r y   r ate,   d e p th ,   an d   v a r iab ilit y ,   h as  b ee n   m a d e  p o s s ib le  b y   ad v a n ce s   in   c o m p u te r   v is io n   an d   m ac h in e   lear n in g .   As  a  r esu lt,  n ew  o p p o r tu n ities   f o r   tr ac k in g   c h an g es   in   r esp ir atio n   p atter n s   o v er   ti m e  an d   m o n ito r in g   an d   d iag n o s in g   r esp ir ato r y   d i s o r d er s   u s in g   n o n - co n tact  tec h n iq u es  h av e   co m e   to   lig h t.  I n   th e   clim ax ,   th e   ad v an tag es  o f   n o n - c o n tact  m e th o d s   f o r   m ea s u r i n g   r esp ir atio n   o v er   co n tact  m eth o d s ,   th e  d ev elo p m en t  o f   n ew   tech n o lo g ies,  an d   th e  r is in g   n ee d   f o r   n o n - in v asiv e  an d   r em o te  m o n ito r in g   s o lu tio n s   in   h ea lth ca r e  an d   welln ess   ap p licatio n s   all  co n tr ib u te  to   th e  g r o win g   in ter est in   th ese  m eth o d s .       T ab le  3 .   T h e  ad v a n tag e  an d   li m itatio n s   o f   n o n - co n tact  r esp ir atio n   m ea s u r em e n t   Ty p e   o f   n o n - c o n t a c t   me t h o d   A d v a n t a g e s   Li mi t a t i o n s   R G B   v i d e o   c a mer a   s y st e m  [ 2 4 ] ,   [ 2 7 ] ,   [ 2 8 ]   A   si m p l e   c a mera   u s i n g   st a n d a r d - r e so l u t i o n   i ma g e s   c a n   b e   u s e d .   S o me  m e t h o d s   a r e   e a sy   t o   u s e   a n d   c o u l d   b e   u se d   i n   t h e   w a r d   o r   h o me   e n v i r o n me n t .   B o d y   m o v e me n t   c a n   sh i f t   t h e   f a c e   f r o m t h e   c a mer a ’ s ra n g e   o f   v i e w   f o r   l o n g - t e r m   ( l i k e   n i g h t t i me)   su r v e i l l a n c e .   A   f e e d b a c k   s y st e m w o u l d   b e   r e q u i r e d .   T h e   mo n i t o r i n g   c a n n o t   c o n t i n u e   i f   h a n d s ,   b l a n k e t s,   o r   a n y   h i d e   t h e   f a c e .   D o p p l e r   r a d a r   [ 2 1 ]   I t   c a n   b e   u se d   a t   l o n g   d i s t a n c e s.  P o ssi b i l i t y   o f   w i r e l e ss  t r a n sf e r   o f   r e sp i r a t o r y   r a t e   d a t a   t o   t h e   c e n t r a l   u n i t .   M o v e me n t   c r e a t e s   a r t e f a c t s w h i c h   a l t e r   t h e   r e sp i r a t o r y   r a t e   si g n a l .   C u r r e n t l y   e x p e n si v e   a n d   c h a l l e n g i n g   t o   se t   u p .   La ser  v i b r o me t r y   [ 2 9 ]   Th e   p o s t - p r o c e ss i n g   i s  p r i m a r y   a n d   u s e s rea l - t i me   o u t p u t .   H o w e v e r ,   i t   i s   a   si g n i f i c a n t   s t a n d - o f f   d i st a n c e   n o n - c o n t a c t   d i sp l a c e m e n t   m e a s u r e m e n t   a s w e l l .   Le ss  a c c e ssi b i l i t y   U l t r a - w i d e b a n d   [ 3 0 ] ,   [ 3 1 ]   Th e   u l t r a - w i d e   b a n d   ( U W B )   r a d a r   se n so r   d e m o n s t r a t e d   v e r y   a c c u r a t e   r e s p i r a t i o n   mea s u r e m e n t .   Th e   a c c u r a c y   c o u l d   s u f f e r   f r o m  o b s t a c l e s   b e t w e e n   t h e   h u m a n   b o d y   a n d   t h e   se n s o r .   Th e r m a l   i m a g i n g   [ 3 2 ]   C o m p a r e d   t o   o t h e r   t e c h n i q u e s   f o r   m e a su r i n g   r e s p i r a t o r y   r a t e ,   i t   c o u l d   b e   mo r e   i mp a r t i a l   a n d   r e l i a b l e   [ 3 3 ]   S u c c e ssi v e   e v a l u a t i o n s  o f   t h e   o b j e c t 's   d i s t a n c e   f r o m t h e   c a mera ,   i t s  v a r i a t i o n s   i n   m o v e me n t ,   t e m p e r a t u r e ,   a n d   h u mi d i t y ,   a s we l l   a s  t h e   c r e a t i o n   o f   a   c o st l y   mo n i t o r .       B r ea th in g   s ig n als  ar e   a  f o r m   o f   p h y s io lo g ical   s ig n al  u s ed   to   ev alu ate   r esp ir ato r y   h ea lth .   I t  ca n   b e   u s ed   to   d iag n o s e  r esp ir ato r y   d is o r d er s ,   f o llo w  ch a n g es  in   r esp ir ato r y   h ea lth   o v er   tim e,   a n d   m o n ito r   p atien ts   with   r esp ir ato r y   illn ess es.  T h e  d ata  r ev iew  in   t h is   r esear ch   p ap er   is   b ased   o n   b o th   co n tact  an d     non - c o n tact - b ased   m et h o d s .   D ata  class if icatio n   is   th e  p r o ce s s   o f   lab ellin g   a  d ata  p o in t.  T h e   d ata  class if icatio n   also   ca n   b e  u s ed   to   class if y   r esp ir ato r y   s ig n als  as  n o r m al  o r   ab n o r m al  in   th e  co n tex t  o f   b r ea th in g   s ig n als.   T h er e  ar e  two   ap p r o ac h es  to   r esp ir atio n   class if icatio n :  m ac h in e  lear n in g   a n d   d ee p   lear n in g .   Kn o win g   th e  d if f er en ce s   b etwe en   m ac h in e  an d   d ee p   lear n in g   is   b etter   b ef o r e  class if icatio n .   T ab le  4   ex p o s es th e  d if f er en ce s   b etwe en   m ac h in e  lear n in g   an d   d ee p   lear n in g   in   g en er al.   Dee p   lear n in g   a n d   m ac h i n e  l ea r n in g   ar e  t h e  two   s u g g ested   m eth o d s   f o r   r esp ir at o r y   class if icatio n ,   an d   b o th   ar e  ca teg o r ies o f   a r tific ial  in tellig en ce .   Fig u r e  2   s h o ws  th e   cr itical  d if f er en ce   b etwe en   a r tific ial  in te llig en ce   ( AI )   an d   m ac h in e  lea r n in g .   I n   a   n u ts h ell,   m ac h i n e  lear n in g   is   AI   th at  ca n   a u to m atica lly   a d a p t  with   litt le  h u m an   h elp .   He n ce ,   th e r e  ar e   f o u r   ca teg o r ies  o f   m ac h in e  lear n i n g   alg o r ith m s :  s u p er v is ed ,   s em i - s u p er v is ed ,   u n s u p er v is ed   an d   r ein f o r ce m en t   lear n in g .   I n   s u p e r v is ed   lear n in g ,   th e   c o m p u ter   u s es  g u id an ce   to   i n f er   a   f u n ctio n   f r o m   th e   d ata,   an d   it  is   d iv id ed   in to   th r ee   m ain   ty p es :  class if icatio n ,   r eg r ess io n   an d   f o r ec asti n g .   T h e  ty p ical  alg o r ith m   is   k - n ea r est  n eig h b o r   ( KNN) ,   n aiv e   B ay e s   ( NB ) ,   d ec is io n   tr ee s   ( DT ) ,   lin ea r   r eg r ess io n   ( L R ) ,   s u p p o r t  v ec to r   m ac h i n es  ( SVM)   an d   n e u r al  n etwo r k s .   B esid es,  s em i - s u p er v is ed   lear n in g   u s es  lab elled   a n d   u n lab el ed   d ata  co m p ar ab le   to   s u p er v is ed   lear n in g .   Un la b eled   d ata  h as  n o   m ea n i n g f u l  tag s ,   wh er ea s   lab elled   d ata  h as  th em ,   s o   th e  alg o r ith m   ca n   in ter p r et  th em .   Ma ch in e  lear n in g   s y s tem s   c an   lear n   to   ca teg o r ize   u n lab e led   d ata  u s in g   th is   co m b in atio n .   W h er ea s   in   u n s u p er v is ed   lear n in g ,   th e   co m p u ter   f in d s   a  p atter n   o n   its   o wn .   C lu s ter in g   an d   ass o ciatio n   r u le  lear n in g   alg o r ith m s   ar e  th e  two   p r im ar y   ca t eg o r ies  o f   u n s u p er v is ed   lear n i n g   alg o r ith m s .   T h e  ty p ical  alg o r ith m   u s ed   is   k - m ea n s   clu s ter in g   an d   ass o ciatio n   r u les.  Oth er   th an   t h at,   th e  R ein f o r ce m e n t  L ea r n in g   ap p r o ac h   u s es o b s er v atio n s   f r o m   in ter ac tin g   with   th e  en v ir o n m en t to   ad o p t  b e h a v io r s   th at  m ax im ize   th e  r ewa r d   o r   m i n im ize   th e  r is k .   T h e  ag en t,  a   r ein f o r ce m e n t  lear n in g   alg o r ith m ,   iter ativ ely   co n tin u ally   lear n s   f r o m   th e  en v ir o n m en t.  T h e  ag en t  g r ad u ally   g ain s   k n o wled g e  f r o m   en co u n ter s   with   th e  en v ir o n m en t  u n til  it  h as  in v esti g ated   ev er y   s tate.   Ma ch in e  lear n in g ,   w h ich   in clu d es  r ein f o r ce m e n t  lear n in g ,   is   a  s u b s et  o f   ar tific ial  in tellig en ce .   I t  en a b les  s o f twar e  ag en ts   an d   m ac h in es  to   au t o m atica lly   d ec id e  th e   b est  co u r s e  o f   ac tio n   with in   a  p ar ticu lar   s itu atio n   to   m ax i m ize   p er f o r m an ce .   T h e  r ein f o r ce m en t  s ig n al,   o r   s im p le  r ewa r d   f ee d b ac k ,   is   n ec ess ar y   f o r   th e  a g en t  to   lea r n   its   b eh a v io r .   T h u s ,   th e  s ta n d ar d   alg o r ith m   co n s is ts   o f   Q - lear n in g ,   tem p o r al  d if f er en ce   ( T D)   an d   d ee p   ad v e r s ar ial  n etwo r k .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       S ystema tic  r ev iew :   S ta te - of - th e - a r t in   s en s o r - b a s ed   a b n o r m a lity  …  ( N u r   F a tin   S h a z w a n i  N o r   R a z ma n )   6933   T ab le  4 .   C o m p a r is o n   b etwe en   m ac h in e  lear n in g   an d   d ee p   lea r n in g   P a r a me t e r   M a c h i n e   l e a r n i n g   D e e p   l e a r n i n g   Ex e c u t i o n   t i m e   W h i l e   t e s t i n g   a   m o d e l   w i t h   a   ma c h i n e   l e a r n i n g   a l g o r i t h m  t a k e s  l o n g e r ,   i t   t a k e s  l e ss   t i me  t o   t r a i n   t h e   m o d e l   t h a n   d e e p   l e a r n i n g .   D e e p   l e a r n i n g   r e q u i r e s m u c h   p r o c e ss i n g   t i me  d u r i n g   mo d e l   t r a i n i n g   b u t   l e ss  d u r i n g   mo d e l   t e st i n g .   H a r d w a r e   d e p e n d e n c y   M a c h i n e   l e a r n i n g   m o d e l s   c a n   b e   u se d   o n   l o w - e n d   m a c h i n e s   b e c a u s e   t h e y   d o   n o t   r e q u i r e   mu c h   d a t a .   A   h i g h - e n d   sy s t e m   w i t h   g r a p h i c s  p r o c e ssi n g   u n i t   (GPU s )   i s req u i r e d   b e c a u s e   t h e   d e e p   l e a r n i n g   mo d e l   r e q u i r e s   a   l a r g e   a m o u n t   o f   d a t a   t o   o p e r a t e   e f f e c t i v e l y .   D a t a   d e p e n d e n c y   Ev e n   t h o u g h   mac h i n e   l e a r n i n g   r e q u i r e s a   l a r g e   q u a n t i t y   o f   d a t a ,   i t   c a n   f u n c t i o n   w i t h   l e ss  d a t a .   F o r   d e e p   l e a r n i n g   a l g o r i t h ms  t o   p e r f o r m w e l l ,   u sers   mu st   f e e d   t h e m w i t h   m u c h   d a t a   b e c a u se  t h e y   r e l y   h e a v i l y   o n   i t .   F e a t u r e   e n g i n e e r i n g   B e f o r e   m o v i n g   f o r w a r d ,   m a c h i n e   l e a r n i n g   mo d e l s   r e q u i r e   f e a t u r e   e x t r a c t i o n   b y   a   p r o f e ss i o n a l .   S i n c e   d e e p   l e a r n i n g   i s  a n   i m p r o v e d   f o r m o f   m a c h i n e   l e a r n i n g ,   i t   d o e s   n o t   r e q u i r e   t h e   c r e a t i o n   o f   a   f e a t u r e   e x t r a c t o r   f o r   e v e r y   i ss u e   b u t   i n st e a d   a t t e m p t s   t o   l e a r n   h i g h - l e v e l   f e a t u r e s  i n d e p e n d e n t l y   f r o m t h e   d a t a .   I n t e r p r e t a t i o n   o f   r e su l t   F o r   a   sp e c i f i c   p r o b l e m ,   t h e   r e s u l t   i s si mp l e   t o   i n t e r p r e t .   F u r t h e r mo r e ,   b e c a u se   i t   c a n   q u i c k l y   a n a l y z e   t h e   r e s u l t s wh e n   u si n g   ma c h i n e   l e a r n i n g ,   i t   i s  c l e a r   w h y   a   r e su l t   o c c u r r e d   a n d   h o w   t h e   p r o c e ss   w o r k e d .   I t   i s e x c e e d i n g l y   d i f f i c u l t   t o   i n t e r p r e t   t h e   r e su l t s   f o r   a   sp e c i f i c   p r o b l e m.   F o r   e x a m p l e ,   w h i l e   u si n g   a   d e e p   l e a r n i n g   m o d e l ,   i t   i s  d i f f i c u l t   t o   d e t e r mi n e   w h y   t h e   sp e c i f i c   r e s u l t   t h a t   o c c u r r e d   i s   a   b e t t e r   so l u t i o n   t h a n   a   mac h i n e   l e a r n i n g   mo d e l .   P r o b l e m s o l v i n g   a p p r o a c h   Th e   st a n d a r d   m a c h i n e   l e a r n i n g   me t h o d o l o g y   d i v i d e s   a   p r o b l e m   i n t o   sm a l l e r   c o mp o n e n t s   a n d   so l v e s   e a c h   se p a r a t e l y   b e f o r e   p r o d u c i n g   t h e   f i n a l   a n sw e r .   A   d e e p   l e a r n i n g   mo d e l   a c c e p t s  i n p u t   f o r   a   sp e c i f i c   p r o b l e m  a n d   p r o d u c e s t h e   so l u t i o n ,   w h i c h   d i f f e r s fr o m   a   t y p i c a l   M L  m o d e l ’ s   p r o b l e m - s o l v i n g   a p p r o a c h .   C o n se q u e n t l y ,   i t   a d h e r e s t o   t h e   e n d - to - e n d   me t h o d .   Ty p e   o f   d a t a   M o s t   o f t e n ,   st r u c t u r e d   d a t a   i s   n e e d e d   f o r   mac h i n e   l e a r n i n g   mo d e l s.   D e e p   l e a r n i n g   mo d e l s re l y   o n   a r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r k   l a y e r s  a n d   c a n   p r o c e ss s t r u c t u r e d   a n d   u n s t r u c t u r e d   d a t a .   S u i t a b l e   A   si m p l e   o r   c o mp l e x   p r o b l e m  c a n   b e   so l v e d   u si n g   ma c h i n e   l e a r n i n g   m o d e l s.   D e e p   l e a r n i n g   mo d e l s  a r e   a p p r o p r i a t e   f o r   r e s o l v i n g   c h a l l e n g i n g   i ss u e s.           Fig u r e  1 .   T h e  d if f er en ce   b etwe en   AI   an d   m ac h in e  lea r n in g   [ 3 4 ]       Ma ch in e  lear n in g   alg o r ith m s   ca n   an aly ze   v ast  in f o r m atio n   an d   u n c o v er   co m p licated   p a tter n s   th at   p eo p le  ca n n o t   s ee .   As  a  r esu lt,  m ac h in e   lear n in g   alg o r ith m s   ca n   p r o d u ce   b etter   p r e d ictio n s   th an   t r ad itio n al   s tatis t ical  m eth o d s .   Fu r t h er m o r e,   m ac h in e   lear n in g   alg o r i th m s   ca n   a n aly ze   d ata  th at   ca n n o t  b e  s im p ly   r ep r esen ted   n u m er ically ,   s u c h   as  p h o to s ,   au d io ,   an d   tex t.   T h e  ab ilit y   o f   m ac h in e  lea r n in g   alg o r ith m s   to   an aly ze   d ata  th at  ca n n o t  b e   ea s ily   r ep r esen ted   n u m er ica lly   h as  o p en ed   u p   n ew  s tu d y   av en u es.  T h is   is   p ar ticu lar ly   tr u e   in   h ea lth ca r e,   wh er e  m ac h i n e  lear n in g   alg o r ith m s   ar e  b ei n g   u tili ze d   to   p r o d u ce   n ew  d iag n o s tic  to o ls   an d   th er ap ies.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :  6 9 2 9 - 6 9 4 3   6934   Dee p   lear n in g   is   a  k in d   o f   m a ch in e  lear n in g   th at   u s es  ar tific ial  n eu r al  n etwo r k s   ( ANN)   t o   s im u late   h o w  th e  h u m an   b r ain   lea r n s .   T h e  p o p u lar ity   o f   d ee p   lear n in g ,   a  b r an c h   o f   m ac h in e   lear n in g ,   h as  g r o wn   r ec en tly   as  r esear ch er s ’   ac ce s s   to   d ata  h as  m u ltip lied   q u i ck ly .   T h ese  tech n i q u es  en ab l e  th e  alg o r ith m   t o   au to m atica lly   f in d   th e  u n iq u e   f ea tu r es  an d   t r an s f o r m atio n s   n ec ess ar y   f o r   th e   task   in   th e  r aw  d ata  in s tead   o f   d ep en d i n g   o n   a   r esear ch er ’ s   ju d g em en t   an d   ex p e r ien ce   to   ch o o s e  an d   en g in ee r   c h ar ac ter is tics   [ 3 5 ] .  T h er ef o r e,   d ee p   lear n in g   is   cu r r en tly   b ein g   u s ed   to   im p r o v e  s p ee c h   s ig n if ican tly   [ 3 6 ] ,   [ 3 7 ]   an d   p ictu r e   r ec o g n itio n ,   r esp ec tiv el y .   I n   t h e   f i e l d   o f   c o m p u t e r   v i s i o n   a n d   p a t t e r n   r e c o g n i t i o n   ( C V PR ) ,   d e e p   l e a r n i n g   i s   o n e   o f   t h e   m o s t   e f f e c ti v e   a n d   p o p u l a r   m e t h o d s   [ 3 5 ] ,   [ 3 6 ] ,   [ 3 8 ] ,   a n d   c o u l d   l e a d   t o   a   b e t t e r   u n d e r s ta n d i n g   o f   b e h a v i o r   a n d   p h y s i o l o g i c a l   p a tt e r n s   t o   an   i n d i v i d u a l ’ s   a f f e ct i v e   m o o d s   s u c h   a s   d is t r ess ,   a n x i e t y   a n d   a n y   e l s e .     T o   s o lv e  p r o b lem s   in v o lv in g   u n s tr u ctu r ed   d ata,   d ee p   lear n i n g   n etwo r k s   ar e   th e  m ath em at ical  m o d els  u s ed   to   m im ic   h u m a n   b r ain s   [ 3 9 ] ,   [ 4 0 ] .   B esid es,  Fig u r e  3   r ep r esen ts   th e  s im p le  n e u r al  n etwo r k .   T h ese  m ath em atica l  m o d els  a r e  d e v elo p ed   as  n eu r al   n etwo r k s ,   wh ich   ar e  m ad e  u p   o f   n eu r o n s .   T h e  i n p u t   lay er   ( in itial  lay er   o f   th e  n eu r al  n et wo r k ) ,   th e  h i d d en   lay er   ( all  th e  m id d le  lay er   o f   th e  n eu r al   n etwo r k ) ,   an d   th e   o u tp u t  lay er   a r e  th e  th r ee   m ai n   lay er s   ( last   lay er   o f   th e  n eu r al  n etwo r k ) .   W h ile  s elf - lear n in g   r ep r esen tatio n s   ar e  a  f ea tu r e   o f   d ee p   lear n in g   alg o r ith m s ,   th e y   also   r ely   o n   ANNs  th at  s im u late   h o w   th e  b r ai n   p r o ce s s es   in f o r m atio n   [ 4 1 ] .   Alg o r ith m s   ex p lo it  u n k n o w n   elem en ts   i n   th e  in p u t  d is tr ib u tio n   t h r o u g h o u t  th e  tr ain in g   p h ase  to   ex tr ac t  f ea tu r es,  class if y   o b jects,  an d   id en tif y   r elev an t  d ata  p atter n s .   I t  tak es  p lac e  o n   s ev er al  lev els,   em p lo y in g   th e  alg o r ith m s   to   cr ea te  th e  m o d els,  m u ch   lik e  tr ain in g   m ac h in es  to   lear n   f o r   th em s elv es.  T h er e  ar e  a  f ew  lis ts   o f   d ee p   lear n in g   alg o r ith m   m eth o d s   th at  ca n   b e  u s ed   in   th is   er a  o f   g lo b aliz atio n   to   class if y   th e   s ig n al  o f   r esp ir atio n ,   s u ch   as  co n v o lu tio n al  n eu r al  n etwo r k s   ( C NNs),   lo n g   s h o r t - ter m   m em o r y   n etwo r k s   ( L STM s ) ,   r ec u r r en t  n eu r al   n et wo r k s   ( R NNs),   g en e r ativ e  a d v er s ar ial  n etwo r k s   ( GANs) ,   r ad ial  b asis   f u n ctio n   n etwo r k s   ( R B FNs ) ,   m u ltil ay er   p er ce p tr o n s   ( ML Ps ) ,   s elf - o r g an izin g   m a p s   ( SOMs),   d e ep   b elief   n etwo r k s   ( DB Ns),   r estricte d   B o ltzm an n   m ac h in es  ( R B Ms)   an d   au to en co d er s   [ 4 1 ] .           Fig u r e  3 .   Simp le  n eu r al  n etwo r k       Dep en d in g   o n   th e  ap p licatio n   an d   th e   av ailab le  d ata,   d ee p   lear n in g   an d   m ac h in e  lea r n i n g   m ay   b e  ef f ec tiv e  f o r   class if y in g   r esp ir ato r y   s ig n als.  C las s if y in g   r esp ir ato r y   s ig n als  ca n   b e  ac co m p lis h ed   u s in g   eith er   d ee p   lear n in g   o r   m ac h in e  lear n in g ;  th e  ch o s en   a p p r o ac h   d ep en d s   o n   th e  task   an d   a v ailab le  d ata.   Fo r   ex am p le ,   d ee p   lear n in g   will  b e  a  g o o d   a lter n ativ e  if   th ey   wan t  to   ac h ie v e  h ig h   ac cu r ac y   an d   h av e  a  l ar g e  d ataset  o f   r aw   r esp ir ato r y   s ig n als.  On   th e  o t h er   h an d ,   if   th ey   n ee d   m o r e  i n ter p r etab ilit y   o r   h av e   a   lim ited   d ataset,   m ac h in e   lear n in g   m a y   b e  th e   b etter   ch o ice.       2.   M E T H O D    I n   th is   s ec tio n ,   th e  d ata  class i f icatio n   ap p r o ac h es  ar e  r ev ie wed .   W e  u s ed   Sco p u s   to   d o   a  d atab ase  s ea r ch   an d   it   i s   ab o u t  m o r e   t h an   1 0 0   k in d s   o f   liter atu r e  s e ar ch es  o n   th e   to p ic  o f   th e  d a ta  class if icatio n   o f   b r ea th in g   s ig n als.  Ho wev er ,   n o t  all  o f   th e  liter atu r e  s ea r ch es  wer e  in clu d ed   in   th e  f in al  r ev iew.   L u ck ily   f o u n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       S ystema tic  r ev iew :   S ta te - of - th e - a r t in   s en s o r - b a s ed   a b n o r m a lity  …  ( N u r   F a tin   S h a z w a n i  N o r   R a z ma n )   6935   6 6   r elev a n t  ar ticle  p a p er s   wh i ch   ar e  1 0   a r ticle  p ap er s   o n   m a ch in e  lear n in g   class if icatio n ,   1 6   ar ticle  p a p er s   o n   d ee p   lear n i n g   class if icatio n   an d   th e  r em ai n in g   a r ticle  p ap er s   ab o u t  r a d ar   s en s o r - b ased .   T h e   r esear ch   to p ic   h ad   to   em p lo y   m a ch in e  lear n in g   o r   d ee p   lear n in g   t o   ca teg o r iz e   b r ea th in g   s ig n als,  u s e  a  d a taset  o f   b r ea th in g   s ig n als  f r o m   h ea lth y   co n tr o ls   an d   p atien ts   with   r esp ir a to r y   d is ea s es,  an d   d escr ib e   th e  class if icatio n   alg o r ith m ’ s   ac cu r ac y .   At  th e  s am e  tim e,   th e  r esear ch   to p ic  was  ex clu d ed   b ec au s e  th e  r esear ch   p a p er   was  n o t  in   E n g lis h   an d   d i d   n o t  r e p o r t  t h e  class if icatio n   alg o r ith m ’ s   ac cu r ac y .   T h e  ad v an ta g es,  th e  lim itatio n s ,   an d   th e   m ain   ap p licatio n s   o f   th e  m eth o d s   wer e  d escr ib ed   al o n g   with   th eir   tech n ical  class if icatio n   b y   th eir   al g o r ith m   u s e  in   th e  r ev iew.     2 . 1 .     Cla s s if ica t io n o f   re s pira t io n us ing   m a chine le a rning     Fo r   th e   class if icatio n   o f   r es p ir atio n   p atter n s   f o r   b o t h   r e al - tim e  an d   s im u lated   r esp ir atio n   d ata,   v ar io u s   m ac h i n e  lear n i n g   tech n iq u es  wer e  u s ed .   Nev er th ele s s ,   in   th is   p ap er ,   s u p er v is ed   le ar n in g   is   a  s u itab l e   alg o r ith m   f o r   r esp ir atio n   class if icatio n .   Fu r th e r m o r e ,   it  h as  b ee n   d em o n s tr ated   th at  u s in g   s im u lated   d ata  f o r   tr ain in g   p u r p o s es  in cr ea s es  a cc u r ac y .   T h e  ar ticle  s u g g ests   a  f r am ewo r k   f o r   en h a n cin g   m ac h in e  lear n i n g   d atasets   to   in cr ea s e  th e  p r ec is i o n   o f   class if ier s .   Usi n g   a  s u p e r v is ed   lear n in g   m eth o d o lo g y ,   R eh m an   et  a l.   [ 4 2 ]   ev alu ate  s ev er al  m ac h i n e  lea r n in g   alg o r ith m s ,   s u ch   as  DT ,  SVM ,   an d   ANN .   T h e   d at aset  is   m ad e  u p   o f   r esp ir ato r y   s ig n als  th at  wer e   c ap tu r ed   f r o m   3 5   p atien ts ,   in cl u d in g   h ea lth y   p eo p le   an d   t h o s e  wh o   h a d   d if f er en t  r esp ir ato r y   co n d itio n s .   T h e  a u th o r s   d iv id e d   th e  d ataset  in to   tr ain in g   an d   test in g   s ets  b ef o r e  u s in g   d ata   au g m en tatio n   m eth o d s   lik e  r a n d o m   cr o p p in g   an d   r o tatio n   t o   p r o d u ce   m o r e  tr ain i n g   d ata.   T h en ,   u s in g   m et r ics  lik e  ac cu r ac y ,   p r ec is io n ,   r ec al l,  an d   F1   s co r e,   th e  au th o r s   tr ain ed   s ev er al  m ac h in e  lear n in g   class if ier s   o n   th e  im p r o v e d   d ataset.   T h ey   d is co v er ed   th at  ad d i n g   au g m e n te d   d ata  in cr ea s ed   th e  class if ie r s ’   ac cu r ac y ,   with   ANNs  p r o d u cin g   t h e  b est o u tc o m es.   T h e  KNN  alg o r ith m   ca teg o r izes   th e  test   d ata  b ased   o n   th e  m ajo r ity   class   o f   th e  KNN  af ter   id en tify in g   t h e  KNN  in   th e  t r ain in g   d ata.   T h e  SVM  alg o r ith m   d iv id es  th e  d ata  i n to   v a r io u s   class es  u s in g   h y p er p lan es  an d   m ax im izes   th e  d is tan ce   b etwe en   th e  h y p er p lan es  to   ac h iev e  th e  b est  clas s i f icatio n .   T h en ,   th e   r an d o m   f o r est  ( R F)  alg o r ith m   b u ild s   m u ltip le  d ec is io n   tr ee s   an d   co m b in es  th e  class if icatio n   [ 4 3 ] .   T h e  au t h o r s   u s ed   ac cu r ac y ,   s en s itiv ity ,   an d   s p ec if icity   m etr ics  to   ass ess   th e  p er f o r m an ce   o f   th e   th r ee   alg o r ith m s .   Acc o r d in g   to   th e  r esu lts ,   th e  KNN  alg o r ith m   h ad   th e  h i g h est  ac cu r ac y   ( 9 7 . 2 %),   f o llo wed   b y   th e  SVM   alg o r ith m   ( 9 4 . 6 % a cc u r ac y )   a n d   th e  R F a lg o r ith m   ( 9 2 . 9 % a cc u r ac y ) .   T h e  co m p a r is o n   with   d if f er en t  m ac h in e  lear n in g   m eth o d s   was  in clu d ed   in   th is .   T h e  s y s tem   co n s is ts   o f   th r ee   co m p o n en ts :  d ata  p r ep ar atio n ,   d is ea s e  p r ed ictio n ,   an d   u s er   in ter f ac e  d ev elo p m e n t.  Oth er   th an   th at,   th e  d ep en d ab ilit y   o f   m ac h in e  lear n in g   alg o r ith m s   is   s ig n if ican tly   im p ac ted   b y   th ese  d is cr e p an cies  in   v ar iab le   in p u t  co d in g ,   an d   th e   alg o r ith m ’ s   ex ter n al  v alid ity   is   co n s tr ain ed   b y   th e   v ar iatio n   in   i n p u t  v ar iab les  am o n g   in s titu tio n s   [ 4 4 ] .   L ik e   s u b ject  p o p u latio n   v ar iatio n s ,   m ac h in e  lear n in g   m o d el  g e n er aliza b il ity   is   co n s tr ain ed .     T h en   an o th e r   o n e  o f   th e  s im p lest   m ac h in e  lear n in g   m eth o d s   to   co m p r e h en d   is   th e  KNN  class if icatio n   tech n iq u e  [ 4 5 ] .   T h is   r ev iew  [ 4 6 ]   r ec o g n ize d   p u lm o n ar y   ac o u s tic  s ig n als  f r o m   1 0   h ea lth y   v o lu n teer s   an d   9 5   p atien ts   with   r esp ir ato r y   illn ess es.  T h ey   t o o k   2 0   f ea tu r es  o u t  o f   th e  s ig n als  an d   tr ain ed   an d   test ed   th e  SVM   an d   KNN  cla s s if ier s   with   th em .   T h e  s tu d y ’ s   f in d in g s   d em o n s tr ated   th at,   in   ter m s   o f   ac cu r ac y ,   s en s itiv ity ,   an d   s p ec if icity ,   th e  SVM  o u tp er f o r m ed   th e  KN N  m eth o d .   Fu r th er m o r e,   th e  S VM   an d   KNN  wer e   em p lo y ed   as  two   s ep ar ate  cla s s if ier s ,   an d   it  s h o ws  th at  th e  KNN  class if ier   is   b etter   th an   t h e  SV M   class if ier .   T h u s ,   th e  class if icatio n   ac c u r ac y   r esu lts   wer e  s atis f ac to r y   d esp ite  th e  s m all  am o u n t  o f   d ata  u tili ze d   to   tr ai n   an d   test   th e  class if ier s .   T h e  s tu d y   co m b in es  p atien t  d em o g r ap h ic  an d   m ed ical  in f o r m atio n   with   r esp ir ato r y   r ate  to   ac h iev e  r o b u s t  p er f o r m a n ce .   Sev er al  m ac h in e  lear n in g   class if ier s   ar e  u s ed   b y   th e  au t h o r s   [ 4 7 ] ,   i n clu d in g   NB ,  SVM ,  RF ,   KNN,   Ad a B o o s t,  an d   two   d ee p - lear n in g   m o d els  a  C NN  an d   a n   L STM   n etwo r k .   T h e  p r o p o s ed   ap p r o ac h   p er f o r m s   well  wh en   ad d itio n a l  v ar iab les  ar e   co m b in ed   with   th e  r esp ir atio n   r ate,   a n d   a   co m p ar is o n   t o   ea r lier   r esear ch   attests   to   its   s u p er io r ity .   T h e   f in d i n g s   s h o w  t h at,   with   9 3 %  ac c u r ac y ,   th e  L STM   m o d el   b ea ts   all  o th er   m o d els  u s ed .   Als o ,   th e   p er f o r m a n ce   o f   th e  s u g g ested   ap p r o ac h   is   co n tr asted   with   th at  o f   p r ev io u s   s tu d ies,  d em o n s tr atin g   th e   p r o p o s ed   ap p r o ac h es   s u p e r io r   p e r f o r m an ce .   T h e  au th o r   d ev elo p ed   an   “ E n s em b le  o f   r eg r ess io n   tr ee s ”   a  co m p u ter   v is io n   m eth o d ,   to   au t o m atica lly   f o llo w  th e   n o s tr ils   in   th e  p r esen ce   o f   s ig n if ican t   h ea d   m o v e m en t  an d   o b ject  o cc l u s io n   [ 4 8 ] .   Als o ,   th e y   c r ea ted   a  r ev o l u tio n ar y   “ B r ea th   d etec t io n   alg o r ith m ”   ( B DA)   th at  d is tin g u is h es  b etwe en   n o r m al  an d   ab n o r m al   b r ea t h s   b ased   o n   p r e d eter m in ed   t h r esh o ld s   an d   ca lcu lates  b r ea th s   p er   m in u te  au to m atica ll y .   T h e  p r o p o s ed   alg o r ith m ’ s   ac cu r ac y ,   s en s itiv ity ,   s p u r io u s   cy cle  r ate,   an d   m is s in g   cy cle  r ate  m etr ics  wer e  test ed   o n   8 0   r esp ir atio n   wav ef o r m s   u n d er   v ar io u s   co n d itio n s .   T o   ca teg o r ize   th e  h u m an   v o lu n teer   as   h av in g   n o r m al  o r   ab n o r m al  r esp ir atio n   o r   ex p e r ien cin g   B r ad y p n ea   o r   T ac h y p n ea ,   th e  p ar am eter s   o b tain e d   f r o m   th e  p r o p o s ed   B DA  wer e  th en   i n p u t   to   a   1 0 - f o ld   c r o s s - v alid atio n   KNN   class if ier .   T h er ef o r e,   T a b le  5   [ 4 2 ] – [ 4 4 ] ,   [ 4 6 ] ,   [ 4 8 ] – [ 5 1 ]   s u m m ar izes   th e  ad v a n tag es a n d   d is ad v an ta g es o f   u s in g   a  m ac h in e  lear n i n g   alg o r ith m .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :  6 9 2 9 - 6 9 4 3   6936   T ab le  5 .   T h e  ad v a n tag es a n d   d is ad v an tag es o f   u s in g   a  m ac h i n e  lear n in g   alg o r ith m   A l g o r i t h m   D a t a  i n p u t   Fi n d i n g   A d v an t a g e   L i mi t a t i o n   Co s i n e   K N N ,   co m p l e x   t ree ,   en s em b l e  b o o s t e d   t ree   an d   l i n e ar  SV M  [ 4 2 ]   RF - b as ed   t ec h n o l o g i e s   w e re  u s e d   t o   c o l l e ct   a  d a t a s e t   o f  res p i ra t o r y   ab n o rma l i t i e s .   T h e re  a re  ei g h t   t y p e s   o f   b rea t h i n g   i rre g u l ar i t i e s   i n   t h e  d a t a s et :   eu p n ea ,   b ra d y p n ea,   t ac h y p n e a,   Bi o t ,   s i g h i n g ,   K u s s m au l ,   C h e y n e - s t o k e s ,   an d   cen t ra l   s l ee p   ap n e a  (C S A ).   It   e n t a i l s   b u i l d i n g   a  h i g h - q u al i t y   d at as et   u s i n g   d at a   au g me n t a t i o n   met h o d s   a n d   i n s t r u c t e d   s u p e rv i s e d   l ear n i n g   cl as s i f i er s   t o   cl a s s i f y   re s p i ra t i o n   ab n o rma l i t i e s   p re ci s e l y .   Cl a s s i f i er   ac cu rac y   can   b e  i n crea s e d   b y   u s i n g   d a t a  au g me n t a t i o n   t ec h n i q u e s ,   an d   a  s u p e rv i s e d   l ear n i n g   ap p r o ac h   Imp ro v e d   d a t a s e t s   c o u l d   s t i l l   h a v e  fl a w s   an d   b i a s e s   t h at   red u ce   c l a s s i f i ca t i o n   p rec i s i o n .   T h e   g e n era l i za b i l i t y   o f  t h e  al g o ri t h m s   u s ed   i n   t h i s   s t u d y   t o   m o re   e x t en s i v e  a n d   mo r e  v ar i e d   d a t a s e t s   i s   u n k n o w n   K N N ,   SV M ,   an d   R F  [ 4 3 ]   Brea t h i n g   s o u n d s   fr o m  p e rs o n s   w i t h   r es p i ra t o r y   p r o b l e ms   w ere   reco rd ed   a n d   u t i l i z ed   t o   g en era t e  s p ec t r o g r am  i m ag es .   T h e  i m ag es   w er e  t h en   u s e d   t o   t ra i n   a   C N N   mo d e l ,   w h i c h   w a s   ca p a b l e   o f  rel i a b l y   cl as s i f y i n g   v ar i o u s   res p i ra t o ry   d i s ea s e s .   T h e  p o t en t i al   o f  u s i n g   l u n g   s o u n d s   t o   acc u ra t e l y   cl a s s i f y   re s p i ra t o r y   l u n g   d i s e as es   fo r  t h e  r ap i d   a n d   p rec i s e  d i a g n o s i s   o f  res p i ra t o ry   d i s ea s e s .   U s ef u l   f o r  a n a l y z i n g   res p i ra t o ry   s o u n d s   an d   s p o t t i n g   p a t t er n s   t h at   m i g h t   b e   s u g g e s t i v e  o f   res p i ra t o ry   d i s ea s e s   O n l y   res p i ra t o r y   s o u n d s   w ere   u s ed   i n   t h e   re s ear ch   a s   t h e  i n p u t   d a t a  f o r   t h e   ma ch i n e  l ear n i n g   al g o r i t h ms .   SV M,   D T ,   RF ,   an d   g ra d i e n t   b o o s t i n g   [ 4 4 ]   W h e n   v i t a l s   a re  e x a mi n e d   m o re   reg u l ar l y ,   a n   al g o r i t h m   t ra i n ed   o n   el ec t r o n i c  m ed i c al   rec o r d   ( E MR)   d a t a  ma y   l ear n   t h a t   a   p at i e n t   i s   mo r e  p r o n e  t o   d ec o m p e n s at e.   U s i n g   d a t a  f ro m  e l e ct r o n i c  h ea l t h   rec o r d s   ( E H R s )  t o   p re d i ct   t h e   o n s e t   o f   ac u t e  res p i ra t o ry   fa i l u r e  ( A R F)  an d   a cu t e   re s p i r at o r y   d i s t re s s   s y n d r o me   ( A R D S)   i n   h o s p i t a l i ze d   p a t i en t s .   It   s h o w s   t h e  u s e  o f   ML   t o   an t i c i p at e   t h e   o n s e t   o f   A RF   a n d   A R D S ,   w h i ch   ca n   h e l p   w i t h   e arl y   d i ag n o s i s   a n d   t rea t m en t   o f   t h e s e   i l l n e s s es   a n d   i mp ro v e   p a t i en t   o u t co me s .   T h e  l ac k   o f   e x t er n al   v a l i d a t i o n   fo r  t h e  m ac h i n e   l ear n i n g   m o d el s   i n   t h e  s t u d y   res t r i ct s   t h e   g en era l i za b i l i t y   o f  t h e  fi n d i n g s   b e y o n d   t h e  s t u d y ' s   p a t i e n t   g ro u p   a n d   E H R  s y s t e m.   K N N   a n d   SV M  [ 4 6 ]   A   d a t a s e t   o f  res p i ra t o r y   s o u n d s   fro m  t h e  R . A . L . E   l u n g   s o u n d   d a t a b a s e  w a s   u s e d   a s   t h e  s t u d y ' s   d a t a  i n p u t .   N o r ma l ,   ai r w ay   o b s t r u c t i o n   p a t h o l o g y ,   a n d   p are n c h y m al   p at h o l o g y   ar e  t h e  t h ree  cl as s e s   o f   p u l m o n ar y   aco u s t i c   s i g n al s   t h a t   ar e  m an u a l l y   cl a s s i f i e d .   Pu l m o n ar y   a co u s t i c   s i g n al s   can   b e  u s ed   t o   i d e n t i f y   res p i ra t o ry   i l l n es s e s   acc u ra t el y   T h e  s t u d y   e m p h as i ze s   t h e  s i g n i fi ca n ce  o f   feat u r e  s el ec t i o n   s t r at eg i e s   t o   d ec rea s e  t h e  d i me n s i o n   o f  t h e  d a t a  an d   en h a n c e  cl a s s i f i ca t i o n   acc u rac y .   It   o n l y   u s e d   a  t i n y   d a t a s et ,   w h i ch   m i g h t   ma k e  t h e  fi n d i n g s   l e s s   g e n er al i za b l e .   K N N   [ 4 8 ]   A   d a t a s e t   o f  t h er mal   ca mera   reco rd i n g s   o f   h u ma n   n o s t r i l s   fro m  h ea l t h y   ad u l t s   an d   b a b i e s   w a s   u s e d   a s   t h e  s t u d y ' s   d at a  i n p u t .   T h e  b r ea t h i n g   ra t e  i s   l a b e l l e d   o n   t h e  rec o r d i n g s   a s   n o rma l   o r   a b n o r ma l .   T h e  r es u l t i n g   re s p i rat i o n   w a v ef o r m  i s   s u b s e q u en t l y   p r o ce s s e d   w i t h   t h e  ap p r o p ri at e   f i l t er i n g   t ec h n i q u e s   t o   i n c rea s e  t h e  s i g n a l - to - n o i s e  ra t i o   (SN R).   T h e  s u g g e s t e d   al g o ri t h m  ca n   d i s c ri mi n a t e  b e t w ee n   fas t   a n d   s l o w   res p i ra t i o n   a n d   b e t w ee n   n o rma l   an d   ab n o rma l   b r eat h s ,   w h i ch   ca n   h e l p   d i ag n o s e  a n d   t re at   res p i ra t o ry   i l l n es s e s .   T h e  r es earc h   d o e s   n o t   men t i o n   t h e   p erf o rma n c e  o f  t h e  p r o p o s e d   al g o ri t h m   co m p a re d   t o   p re v i o u s   n o n - co n t ac t   re s p i rat o r y   mo n i t o r i n g   al g o r i t h ms .   T h eref o r e,   h o w   t h e  s u g g e s t e d   al g o ri t h m  s t ac k s   u p   a g a i n s t   o t h e r  c u t t i n g - e d g e  t ec h n i q u e s   i s   u n k n o w n   w i t h o u t   t h i s   co m p a ri s o n .   N a ï v e  B ay es   [4 9 ]   T h e  e x h a l e d   a i rf l o w   c o l l ec t e d   b y   t h e  m i cr o p h o n e   s er v e s   a s   t h e  i n p u t   d a t a  f o r   t h e   rea l - t i me  co n t ac t l e s s   r es p i ra t i o n   mo n i t o r i n g   s y s t em .   T h e  ai r fl o w   i s   c o n v ert ed   i n t o   a n   el ec t ri ca l   s i g n a l   v i a  t h e  mi cr o p h o n e ,   w h i ch   i s   t h e n   an a l y ze d   u s i n g   b l i n d   s o u r ce  s e p ara t i o n   (BSS )  a n d   t h e  N B   cl a s s i f i er .   E m p l o y i n g   BSS   e n a b l es   t h e  I CA   a l g o r i t h m  t o   d i s t i n g u i s h   b e t w ee n   res p i ra t o ry   s i g n al s .   W h e n   u s e d   f o r  d i s e as e  cat e g o r i za t i o n ,   t h e   N a v e  Ba y e s   c l a s s i f i e r  i s   c o m p u t a t i o n a l l y   effec t i v e   a n d   ca n   p r o d u c e  g o o d   re s u l t s   w i t h   l i m i t e d   d at a   s et s .   E x t e rn al   e l eme n t s   l i k e   n o i s e  an d   mo t i o n   art efac t s   c o u l d   h a v e  an   i m p ac t   o n   t h i s .   L D A ,   SV M,   FN N ,   D T ,   R F,   an d   A N N   [ 5 0 ]   A   d a t a s e t   o f  b r eat h i n g   s o u n d s   i s   u s ed   a s   i n p u t   f o r  t h e  re s p i ra t o r y   p a t t ern   c l a s s i f i ca t i o n   t a s k .   T h e   d a t a s et   i n c l u d e s   re co rd i n g s   o f   res p i ra t o ry   s o u n d s   fro m  b o t h   h ea l t h y   p e o p l e  a n d   p e o p l e  w i t h   res p i ra t o ry   d i s o rd ers .   S o me  o f   t h e   reco rd i n g s   i n   t h e  co l l ec t i o n   h a v e   mi s s i n g   d a t a  s i n c e  t h ey   w ere   mad e  i n   l o u d   e n v i ro n m en t s .   T h e  i s s u e   o f   m i s s i n g   d at a  i n   re s p i r at o r y   s i g n a l s   c an   b e  effe ct i v el y   s o l v ed   b y   u s i n g   v ar i o u s   i m p u t at i o n   s t r at eg i e s .   E n h an ci n g   t h e  cl a s s i f i ca t i o n   o f  res p i ra t i o n   p a t t er n s   i s   h i g h l i g h t ed   i n   t h e  p a p er .   U t i l i ze d   a   l i m i t e d   d a t a s et ,   s o   i t   i s   p o s s i b l e   t h a t   t h e  fi n d i n g s   w o u l d   n o t   a p p l y   t o   a   m o re  ex t e n s i v e  d a t a s e t .   K N N   [ 5 1 ]   Sei s m o ca rd i o g ra p h y   (SCG )   s i g n a l s   w ere   g at h e re d   fr o m   b o t h   h ea l t h y   i n d i v i d u a l s   a n d   p e o p l e   w i t h   h e art   c o n d i t i o n s .   T h e  b rea t h i n g   an d   l u n g   v o l u me   p h as es   o f  t h e  re c o rd i n g s   w ere   n o t e d ,   a n d   t h ey   w ere   s av ed   a s   d i g i t al   a u d i o   f i l e s .   E i t h e r  i n s p i ra t i o n   o r  ex p i ra t i o n   are  t h e  p h as es   o f  re s p i ra t i o n .   T h e  d a t a s e t   c o n t ai n s   s e i s mo car d i o g ra p h i c  s i g n a l s   fr o m   t en   h ea l t h y   p ar t i ci p a n t s ,   a n d   i n d e p e n d e n t   c o m p o n e n t   an a l y s i s   (I C A )  i s   u s e d   t o   d i s e n t a n g l e   t h e   s i g n al s   i n t o   t h ei r   p ar t s .   T h e  a l g o ri t h m   s u cce s s fu l l y   s e p ara t e d   t h e  re s p i ra t o ry   a n d   n o n - re s p i ra t o r y   co m p o n e n t s   an d   co rr ec t l y   cl a s s i fi e d   t h e  s i g n a l s   w i t h   h i g h   s e n s i t i v i t y   an d   s p ec i fi ci t y .   T h e  K N N   t ec h n i q u e   d i ff ere d   fro m  o t h er   ma ch i n e  l e ar n i n g   al g o ri t h m s   i n   t h e   s t u d y ,   w h i ch   w o u l d   h av e  s h e d   l i g h t   o n   t h e  re l a t i v e   p erf o r ma n ce  o f  v ar i o u s   a p p ro ac h e s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       S ystema tic  r ev iew :   S ta te - of - th e - a r t in   s en s o r - b a s ed   a b n o r m a lity  …  ( N u r   F a tin   S h a z w a n i  N o r   R a z ma n )   6937   2 . 2 .     Cla s s if ica t io n o f   re s pira t io n us ing   deep  lea rni ng     R ec en tly ,   r esear ch er s   h av e  d em o n s tr ated   th e  ef f ec tiv e n ess   o f   C NN  b ased   m o d els  in   a  r an g e  o f   is s u es,  f r o m   im ag e  class if ica tio n   to   s em an tic  s eg m en tatio n ,   p r o v in g   th at  th e  m o d els  c an   p r o d u ce   b etter   lear n in g   p er f o r m a n ce s   th an   ea r lier   d ee p   lear n in g   ap p r o ac h es   [ 3 6 ] ,   [ 3 8 ] ,   [ 5 2 ] .   T h e  C NN - b a s ed   m o d el  p r ed icts   r esp ir atio n   s ig n al  v alu es  f r o m   th e  s u b ject  ac tio n   wav e f o r m .   T h e  d esig n   was  f ir s t  s et  f o r w ar d   an d   r esear ch ed   f o r   u s e  in   a  v ar iety   o f   id en tifi ca tio n   p r o ce s s in g   ap p licatio n s ,   in clu d in g   g e n d er   r ec o g n itio n ,   an d   m o r e  r ec e n tly   f o r   th e  d etec tio n   o f   b eh a v io r   ( e. g .   d e p r ess io n )   [ 5 3 ] .   A d d itio n al  r esear ch   h as  b ee n   d o n e  to   clar if y   h o w  th is   m eth o d   m o d els   th e  s o u r ce   a n d   s y s tem - r elate d   in f o r m atio n   i n   th e  lin k ed   s ig n al.   T h is   ar c h itectu r e  was  in clu d ed   in   th e  ar ticle  u n d er   r ev iew  b ec au s e  th e  r esp ir atio n   s ig n al  ca n   b e  clo s ely   tied   to   th e  s ig n al' s   s o u r ce .   Oth er   t h an   th at,   th is   au th o r   [ 5 4 ]   d e v elo p ed   a  u n iq u e  alg o r ith m   t o   ca te g o r ize   ab n o r m al  an d   n o r m al  r esp ir atio n   ep is o d es  u s in g   th e   s ig n al  d ec o m p o s itio n   m et h o d .   Ad d itio n ally ,   th e   s y s tem   p er f o r m ed   b etter   in   ac cu r ac y   th an   th e   cu r r en t  b est p r ac tices.    C NN,   r ec u r r en t  n eu r al  n etwo r k s   ( R NN) ,   o r   h y b r id   ar ch itect u r es  ar e  th e  m o s t  co m m o n   d e ep   lear n in g   class if ier s   u s ed   to d ay   t o   a n a ly ze   r esp ir ato r y   s o u n d   s p ec tr o g r am s .   T h e  a r ch itectu r es  u s ed   b y   C NN - b ased   s y s tem s   r an g e  wid ely ,   in clu d i n g   L eNe t6   [ 5 5 ] ,   [ 5 6 ] ,   VGG5   [ 5 7 ] ,   two   p ar allel  VGG1 6 s   [ 5 8 ] ,   an d   R esNet5 0   [ 5 9 ] .   A  C NN  was  in itial ly   u tili ze d   to   tr an s late  a  s p ec tr o g r am   in p u t  to   a  tem p o r al  s eq u e n ce   in   r elatio n   to   th e  h y b r id   ar ch itectu r es  s u g g ested   in   [ 5 8 ] ,  [ 6 0 ] .   Prio r   t o   class if icatio n   u s in g   f u lly - co n n ec te d   lay er s ,   s eq u en ce   s tr u ctu r es we r e  f ir s t le ar n ed   u s in g   L STM   o r   g ated   r ec u r r en t  u n it ( GR U)   lay er s .     Fo r   in s tan ce ,   Per n a  a n d   T ag ar elli   [ 6 1 ]   o f f er s   a  R NN - b ased   s y s tem   to   f o r ec ast  r esp ir ato r y   ab n o r m alities   an d   illn ess es  u s in g   lu n g   s o u n d s .   T h e  a n aly s is   o f   th e  clas s if icatio n   o f   ab n o r m al  r esp ir at o r y   s o u n d s   an d   r esp ir at o r y   illn e s s es  u s in g   a  L STM   n etwo r k .   T h e  ap p r o ac h   co m p r is es  th r ee   s tep s :  f ea tu r e  ex tr ac tio n ,   class if icatio n ,   an d   d ata  p r e - p r o ce s s in g .   T h e   au t h o r s   em p lo y   a  d ig ital  s teth o s co p e  to   r ec o r d   th e   p atien ts ’   lu n g   s o u n d s   d u r in g   t h e  d ata   p r e p ar atio n   s tag e.   T h e   d ata  is   t h en   s ep a r ated   i n to   f ix ed - len g th   s eg m en ts   af ter   p r e - p r o ce s s in g   to   r e d u ce   n o is e  an d   ar tef ac ts .   Nex t,   th e  au th o r s   t u r n   ea ch   s eg m e n t  i n to   a  s p ec tr o g r am   r ep r esen tatio n   d u r in g   th e   f ea t u r e  ex tr ac ti o n   s tag e   u s in g   a   t im e - f r eq u e n cy   an aly s is   ap p r o ac h   k n o wn   as  t h e  s h o r t - tim e  Fo u r ier   tr an s f o r m   ( STFT ) .   A  tr ain ed   R NN  is   th en   f ed   th e   s p ec tr o g r a m   to   e x tr ac t  p er tin en t  f ea t u r es  f r o m   th e  lu n g   s o u n d s .   T h e  r et r iev ed   R NN  f ea tu r es  ar e  u s ed   to   p r ed ict  th e  p r esen ce   o r   a b s en ce   o f   r esp ir ato r y   ab n o r m alities   an d   illn ess es  d u r in g   th e   class if icatio n   s tep .   Fin ally ,   th e   au th o r s   ca lcu late  th e   p r o b ab ilit y   o f   ea c h   class   f o r   ea ch   s eg m e n t  u s in g   a  m ac h in e  lea r n in g   alg o r ith m .   T h en   t h ey   a d d   t h e  p r o b ab ilit i es  f o r   all  s eg m e n ts   to   g et  a  f in al  p r o g n o s is   f o r   t h e  p atien t.  T h e  m eth o d   is   ass ess ed   u s in g   a  d ataset  o f   p atien ts   with   v ar io u s   r esp ir ato r y   d is ea s es.  T h e  f in d in g s   d em o n s tr ate  th at  th e  o v er all  alg o r ith m   is   h ig h ly   ac c u r ate  in   id e n tify in g   r esp ir ato r y   a b n o r m alities   an d   illn ess es.   T h e  o th e r   p a p er   in tr o d u ce d   a  n o v el  d esig n   ca lled   t h e  n o is e  m ask in g   R NN  [ 6 2 ] ,   wh ich   in ten d ed   to   d is cr im in ate  n o is e  a n d   s tr an g e  r esp ir ato r y   s o u n d s   b y   u til izin g   L STM   a n d   GR U  ce lls   in   a n   R NN - b ased   n etwo r k .   T h e   ap p r o ac h   is   d iv id ed   in to   f o u r   s tep s :  f ea tu r e  e x tr ac tio n ,   n o is e  m ask in g ,   clas s if icatio n ,   an d   d ata   p r e - p r o ce s s in g .   First,  th e   au th o r s   r ec o r d   p atien t  r esp ir atio n   s o u n d s   with   a   d ig ital  s teth o s c o p e  d u r in g   th e   d ata   p r ep ar atio n   s tag e.   Af ter   th at,   th e  d ata  is   p r e - p r o ce s s ed   to   eli m in ate  an y   n o is e  an d   a r tef ac ts .   Nex t,  th e  au th o r s   ap p ly   a   STFT   to   tu r n   ea c h   s eg m en t  in to   a  s p ec tr o g r am   r e p r esen tatio n   d u r in g   th e  f ea tu r e  ex tr ac tio n   s tag e.   T h en ,   to   ex tr ac t  p er tin e n t  f ea tu r es  f r o m   th e  r esp ir ato r y   s o u n d s ,   th e  s p ec tr o g r am   is   p ass ed   to   a  tr ain ed   R NN.   Nex t,  to   in cr ea s e  th e   r o b u s tn e s s   o f   th e   R NN  to   f lu ctu atio n s   in   r esp ir ato r y   s o u n d s ,   t h e  s ci en tis ts   ad d   r a n d o m   Gau s s ian   n o is e  to   th e  r etr ie v ed   f ea tu r es  d u r in g   th e  n o is e  m ask in g   s tag e.   Fin ally ,   t h e  f ea tu r es  with   th e   ad d itio n al  n o is e  ar e  u tili ze d   to   p r ed ict  th e  p r esen ce   o r   ab s en ce   o f   r esp ir ato r y   illn ess es  d u r in g   th e   class if icatio n   s tag e.     Mo r eo v er ,   Alq u d ah   et  a l.   [ 6 3 ]   f o cu s ed   o n   u s in g   s ev er al   d e ep   lear n in g   m o d els,  as  d em o n s tr ated   b y   th e  co m b in atio n   o f   C NN  an d   L STM   n eu r al  n etwo r k s .   T h e  d ev elo p e d   m o d els  attain ed   h ig h   lev els  o f   p er f o r m an ce .   T h e  h y b r id   C NN - L STM   m o d el  y ield ed   th e  h ig h est  ac cu r ac y ,   s en s itiv ity ,   an d   s p ec if icity   r esu lts ,   wh ich   p av e  th e  p ath   f o r   ap p ly in g   d ee p   lear n in g   i n   clin ical  co n tex ts   at  1 0 0 %,  1 0 0 %,  an d   1 0 0 %,  r esp ec tiv ely .   T h is   p ap er   r ev iewe d   p r o p o s ed   a  d ee p   lear n in g   m o d el  b ased   o n   a  co m b i n atio n   o f   L STM ,   C NNs,  an d   b o th .   As  class if icatio n   tech n iq u es,  v ar i o u s   d ee p   lear n in g   m o d els  lik e   C NN,   L STM ,   an d   C NN - L STM   wer e  u s ed ,   an d   th e  r esu lts   wer e  co m p ar ed .   Acc o r d in g   to   th e  ex p er im en t al  f in d in g s ,   th e  h y b r id   C NN - L STM   class if icatio n   m o d el  p er f o r m s   b etter   th an   th e  C NN  an d   L STM   m eth o d s   f r eq u e n tly   u s ed   in   th e  liter atu r e.   T h r o u g h   d ev elo p in g   a n d   a p p ly in g   d ee p   lear n in g   m o d els  in   clin ical  co n tex ts ,   th is   r esear ch   p av es  t h e  p ath   f o r   d o cto r s   to   m ak e  h ig h ly   ac cu r ate  d ec is io n s .   T h er ef o r e,   ac co r d in g   to   th e  p ap er s   th at  h av e  b ee n   r e v iewe d ,   it  is   s h o wn   th at  C NNs i s   th e  m o s t p o p u lar   d ee p   lear n in g   alg o r ith m   u s ed   to   cl ass if y   th e  r esp ir atio n   r ate  s y s tem .   Kim   et  a l .   [ 6 4 ]   s u g g ests   u s in g   d ee p   lear n in g   to   class if y   r esp ir ato r y   s o u n d s   s u ch   a s   cr ac k les,  wh ee ze s ,   an d   r h o n c h i  in   th e  clin ical  s ettin g .   I t  i s   f o u n d   th at  1 , 918  d atasets   o f   r esp ir ato r y   s o u n d s   ca p tu r e d   in   a  clin ical  co n tex t  was  d iv i d ed   i n to   ca teg o r ies  b y   t h e  au th o r   u s in g   d ee p   lea r n in g   C NN.   B y   f u s in g   a  p r e - tr ain e d   p ictu r e  f ea tu r e  ex tr ac to r   o f   s er ies,  r esp ir ato r y   s o u n d ,   an d   C NN  class if ier ,   th ey   cr ea te  a  p r ed ictio n   m o d el  f o r   r esp ir ato r y   s o u n d   class if icatio n .   T h e  au th o r s   s tate  th at  th eir   wo r k   p r o v id es  g o o d   class if icatio n   ac cu r ac y   f o r   r esp ir ato r y   s o u n d s ,   alth o u g h   t h e  ca teg o r izatio n   ex clu d es p n eu m o n ia.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :  6 9 2 9 - 6 9 4 3   6938   T h e  au th o r   class if ies  th e  d ata   in to   s ev er al  r esp ir atio n   p atter n s ,   s u ch   as  ty p ical  r esp ir atio n ,   s h allo w  r esp ir atio n ,   d ee p   r esp ir atio n ,   a n d   r a p id   r esp ir atio n ,   u s in g   a  d ee p   lear n in g   tech n i q u e,   n am el y   a  C NN  [ 6 5 ] .   T h e   s tu d y   f o u n d   th at  th e  s u g g es ted   s tr ateg y   h ig h ly   ac cu r atel y   class if ied   v ar io u s   r esp ir atio n   p atter n s   u s in g   in f o r m atio n   g ath er ed   f r o m   w ea r ab le  s en s o r s .   T o   f u r th er   h i g h lig h t  th e   p o ten tial  f o r   clin i ca l  ap p licatio n s ,   th e   au th o r s   also   d em o n s tr ated   h o w  th eir   tech n iq u e  m ig h t b e  u s ed   to   d etec t r esp ir atio n   p atter n s   in   r ea l - tim e.   Usi n g   a  co n v o lu tio n al  n eu r al  n etwo r k ,   [ 5 5 ]   s u g g ests   class if y in g   r e s p ir ato r y   s o u n d s .   T o   ac h iev e   th is ,   th ey   cr ea te d   a   v is u al  r ep r esen tatio n   o f   ea ch   au d io   s am p le  th at  allo ws  id en tify in g   r eso u r ce s   f o r   class if icatio n   u s in g   th e  s am e   tech n iq u es  u s ed   to   class if y   i m ag es  with   h ig h   p r ec is io n .   T h ey   also   ex t r ac ted   r eso u r ce s   u s in g   Mel   f r e q u en c y   ce p s tr al  co ef f icien ts   ( MFC C s )   to   class if y   r esp ir at o r y   d is ea s es.  T h er ef o r e,   T ab le  6   s u m m a r i ze s   th e  ad v an tag es  an d   d is ad v a n tag es o f   u s in g   a  d ee p   lear n in g   alg o r ith m .       T ab le  2 .   T h e  ad v a n tag es a n d   d is ad v an tag es o f   u s in g   a  d ee p   l ea r n in g   alg o r ith m   A l g o r i t h m   D a t a  i n p u t     Fi n d i n g   A d v an t a g e   L i mi t a t i o n   CN N ,   R N N   an d   h y b ri d   CN N + R N N   [5 3 ]   A   d a t a s e t   o f  s p ee ch   d at a  i s   u s e d   as   t h e  s t u d y ’s   d at a  i n p u t .   T h e   d at a   i s   g a t h ere d   f ro m  a   v ar i et y   o f   s p ea k er s ,   i n c l u d i n g   t h o s e  w h o   ar e  h ea l t h y   an d   t h o s e  w h o   h av e  res p i ra t o ry   c o n d i t i o n s .   Su g g es t   a  u n i q u e  me t h o d   f o r   es t i mat i n g   re s p i ra t o r y   p ara me t er s   f ro m  s p eec h   reco rd i n g s   u s i n g   d e ep   l ear n i n g   arc h i t ect u r es .   T h i s   s t u d y   s h o w s   t h a t   t h e  s u g g e s t ed   m et h o d   ca n   es t i mat e  r es p i ra t o ry   p ara me t er s   w i t h   h i g h   acc u rac y   an d   l i t t l e  err o r.   T h e   s m a l l   s a m p l e   s i z e   m a y   a f f e c t   h o w   g e n e r a l i z a b l e   t h e   f i n d i n g s   a r e   a n d   t h e   a b s e n c e   o f   c o m p a r i s o n s   w i t h   e s t a b l i s h e d   t e c h n i q u e s   f o r   m e a s u r i n g   r e s p i r a t o r y   p a r a m e t e r s .   CN N   an d   A N N   [ 5 9 ]   T h e  s t u d y ’ s   d a t a  i n p u t   i s   a  d a t a s e t   o f  d i g i t a l   re s p i ra t o r y   s o u n d s .   T h e  o p t i m i ze d   S - T ra n s fo rm  i s   a   s i g n al   p r o ce s s i n g   a p p r o ac h   fo r   emp h a s i z i n g   t h e  ch arac t e ri s t i c s   o f   w h eez e,   crac k l e,   a n d   n o rma l   n o i s e s .   Su g g es t   a  n o v el   t e ch n i q u e  f o r  reco g n i zi n g   w h ee ze,   cra ck l e ,   an d   n o rma l   re s p i ra t o r y   s o u n d s   u t i l i z i n g   d ee p   r es i d u al   n e t w o r k s   a n d   o p t i mal   S - t ra n s fo rm  (O ST )  ( Res N et s ).   In   t h e  mu l t i - cl as s i fi ca t i o n   o f  res p i ra t o ry   s o u n d s ,   t h e   s u g g e s t ed   m et h o d   u s i n g   o p t i ma l   S - t ra n s fo r m  ( O S T )   an d   d ee p   re s i d u a l   n e t w o r k s   (Res N et s )  s h o w ed   g o o d   acc u rac y ,   s en s i t i v i t y ,   an d   s p ec i fi ci t y .   T h e  s t u d y   d i d   n o t   c o mp are  t h e  p r o p o s e d   me t h o d   t o   o t h er   cu t t i n g - e d g e  a p p r o ac h e s   t h at   u s e  v ar i o u s   fea t u re  ex t ra ct i o n   an d   c l a s s i f i c at i o n   s t ra t e g i e s ,   w h i ch   m i g h t   h a v e   re v ea l e d   mo r e  i n fo r ma t i o n   a b o u t   t h e   p erf o r ma n ce   o f  t h e  s u g g e s t ed   met h o d .   RN N   [6 1 ]   Pat i e n t s   w i t h   a  ra n g e  o f  r es p i ra t o ry   d i s e as es   c o n t r i b u t e d   t o   a   d at as e t   o f   res p i ra t o ry   a u s cu l t at i o n   s o u n d   d a t a.   T o   cr ea t e  d a t a  fea t u re s   re l a t e d   t o   res p i ra t o ry   i l l n es s e s ,   t h e   d at a   w a s   p re - p r o c es s e d   u s i n g   s t at e - of - t h e - ar t   feat u r e  e x t rac t i o n   me t h o d s .   T h e  a p p r o ac h   s u g g es t e d   i n   t h i s   p a p er   i s   w e l l - d e s i g n e d   an d   e ffi ci en t   i n   u s i n g   l u n g   s o u n d s   t o   p r ed i c t   r es p i ra t o r y   ab n o rma l i t i e s   a n d   i l l n e s s es .   T h e  a l g o ri t h m   h as   h i g h   acc u rac y   i n   i d en t i f y i n g   res p i ra t o ry   a b n o r ma l i t i es   an d   d i s o r d er s ,   ma k i n g   i t   a  rel i a b l e  t o o l   f o r   re s p i r at o r y   cat e g o r i za t i o n .   T h e  a l g o ri t h m   ca n   o n l y   cat e g o r i ze   re s p i r at o r y   ab n o rma l i t i e s   a n d   d i s ea s es   b a s e d   o n   l u n g   s o u n d s .   N o i s e   mas k i n g   recu rre n t   n e u ra l   n e t w o r k   (N M R N N )   [6 2 ]   A   d a t a s e t   o f  l u n g   s o u n d   d at a  w a s   u s ed   a s   t h e  s t u d y ’ s   d a t a  i n p u t .   D at a   i s   g at h e re d   fr o m   p at i e n t s   s u f fer i n g   fro m  v ar i o u s   r es p i ra t o r y   d i s o r d er s .   T h e  a l g o ri t h m   at t e mp t s   t o   i s o l a t e  o n l y   cr i t i ca l   res p i ra t o ry - l i k e  fr ame s   free   o f  ex t ra n e o u s   n o i s e  a n d   cl a s s i f i e s   l u n g   s o u n d s   i n t o   fo u r  g r o u p s :   n o rma l ,   co n t ai n i n g   w h e eze s ,   co n t ai n i n g   crac k l e s ,   a n d   co n t ai n i n g   b o t h   w h eeze s   an d   crac k l es .   T h e  c o mp u t a t i o n a l   c o s t   a n d   t i me  n e ed ed   f o r  f eat u r e  ex t rac t i o n   are   d ecre as e d   b y   t h e  N M RN N   a l g o r i t h m,   w h i ch   eff ect i v e l y   e x t rac t s   p er t i n e n t   f ea t u r es   fr o m   l u n g   s o u n d s   u s i n g   a  p re - t r ai n e d   RN N .   T h e  N M R N N   a l g o r i t h m,   l i k e  man y   d ee p   l ear n i n g   al g o r i t h m s ,   i s   t ri c k y   t o   i n t er p r et ,   m ak i n g   i t   ch a l l e n g i n g   t o   c o m p re h e n d   h o w   i t   g e n e rat es   i t s   p re d i c t i o n s .   CN N - L T SM   [ 6 3 ]   A   d a t a s e t   o f  ra w   l u n g   au s c u l t at i o n   s o u n d s   w a s   u s ed   a s   t h e  s t u d y ’s   d a t a  i n p u t .   D at a  i s   g at h er ed   fr o m   p a t i en t s   s u ffer i n g   fr o m   v ari o u s   res p i ra t o ry   d i s o rd ers .   T h i s   s t u d y   f o c u s e s   o n   a p p l y i n g   d e e p   l e a r n i n g   m o d e l s   f o r   d e t e c t i n g   r e s p i r a t o r y   d i s e a s e s   u t i l i z i n g   r a w   l u n g   a u s c u l t a t i o n   s o u n d s .   I t   e m p h a s i z e s   t h e   s i g n i f i c a n c e   o f   c h o o s i n g   s u i t a b l e   d e e p   l e a r n i n g   m o d e l s   f o r   t h i s   t a s k .   E v al u a t i n g   v ari o u s   d ee p   l ear n i n g   m o d el s   o n   b o t h   au g me n t e d   a n d   n o n - au g me n t e d   d a t a s e t s   o ffer s   a  t h o r o u g h   a n a l y s i s   o f  v ar i o u s   met h o d s   fo r  d i ag n o s i n g   res p i ra t o ry   d i s ea s e s .   T h e  s t u d y   i s   c o n s t ra i n e d   b y   t h e  co m p a rat i v e l y   s ma l l   d at as et   s i ze,   w h i c h   c an   aff ec t   h o w   b r o a d l y   t h e  fi n d i n g s   ca n   b e  ap p l i e d .   CN N   [6 5 ]   T h e  s t u d y ’ s   d a t a  i n p u t   i s   a  d a t a s e t   co m p r i s i n g   a cce l er o m et er  a n d   g y ro s c o p i c  d a t a.   T h e  i n fo r ma t i o n   w a s   g a t h ere d   fro m  1 0 0   h ea l t h y   i n d i v i d u a l s   w h o   s i m u l at ed   v ari o u s   b rea t h i n g   ep i s o d e s .   T h e  w e ara b l e  s e n s o r s   an d   d ee p   l e arn i n g   ar e  c o m b i n e d   t o   p re s e n t   a   n o v e l   a p p r o ac h   fo r   cl a s s i f y i n g   a n d   d et ect i n g   res p i ra t i o n   p a t t er n s .   T h e  u s e  o f   w eara b l e  s e n s o rs   t o   c o l l e ct   d at a   o n   re s p i r at i o n   p a t t ern s ,   t h e  d ee p   CN N   u s ed   f o r  cl a s s i fi cat i o n ,   an d   t h e  h i g h   l e v e l   o f  acc u ra cy   at t ai n e d   w h i l e  c l a s s i f y i n g   v ar i o u s   res p i ra t i o n   p a t t er n s .   U s i n g   a   l i m i t e d   s am p l e  s i ze  co u l d   affe ct   h o w   g e n e ral i z ab l e   t h e  f i n d i n g s   are .   CN N s   [ 6 6 ]   T h e  s t u d y ’ s   d a t a  i n p u t   i s   a  d a t a s e t   o f  r es p i ra t o r y   s o u n d   d a t a.   T h e   i n fo rma t i o n   i s   g a t h ere d   f ro m  p a t i en t s   s u ffer i n g   fr o m   v ari o u s   res p i ra t o ry   d i s o rd ers .   F o u r i er   an a l y s i s   i s   a  ma t h ema t i ca l   ap p r o ac h   fo r   s ep ara t i n g   a  s i g n a l ' s   co n s t i t u e n t   fr eq u e n c i e s .   T h i s   c an   b e  u s e d   t o   v i s u a l i ze   a   s i g n al ’s   s p ec t r u m,   w h i c h   ca n   t h en   b e  u s ed   t o   d i s t i n g u i s h   d i f fere n t   s o rt s   o f   s o u n d s .   T h i s   s t u d y   p r o p o s e d   t o   c rea t e  an   au g me n t e d   d at a s e t .   T h e  au t h o r s   fi r s t   a d d   s y n t h e t i c  n o i s e  t o   t h e  o r i g i n a l   res p i ra t o ry   s o u n d s .   T h e  s o u n d s   are   t h e n   d i v i d e d   i n t o   fo u r  g r o u p s   u s i n g   a  d ee p   CN N :   n o rma l ,   w h eez i n g ,   crac k l es ,   a n d   b o t h .   T h e  d ee p   C N N   m o d e l   p erf o r me d   b e t t er  d u e  t o   t h e  ap p l i c at i o n   o f  ar t i f i ci al   n o i s e  au g me n t a t i o n ,   h i g h l i g h t i n g   t h e   v al u e   o f  au g me n t e d   d a t a  i n   en h a n c i n g   t h e   ro b u s t n e s s   o f  d ee p   l e arn i n g   m o d e l s .   T h e  s t u d y   n ee d s   t o   a n a l y ze   t h e  d ee p   C N N   m o d e l ’s   i n t er p r et ab i l i t y   i n   d et ai l ,   w h i c h   may   l i m i t   i t s   cl i n i cal   u s e .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.