Прошли те времена, когда люди использовали умные динамики — такие, как Amazon Echo или Google Home — только в качестве кухонных таймеров или музыкальных проигрывателей для вечеринки. Эти устройства начали помогать людям отслеживать свое собственное здоровье и даже могут отслеживать остановку сердца.
Теперь исследователи из Вашингтонского университета разработали новый навык умного динамика, который позволяет устройству использовать белый шум, чтобы успокоить спящих детей и контролировать их дыхание и движение.
С помощью этого умения, называемого BreathJunior, умный динамик воспроизводит белый шум и записывает, как шум отражается обратно, чтобы обнаружить дыхательные движения крошечных сундуков младенцев. Когда исследователи проверили BreathJunior с пятью детьми в отделении интенсивной терапии новорождённых в местной больнице, он обнаружил частоту дыхания, которая близко соответствовала частоте, обнаруживаемой стандартными мониторами жизненно важных функций. Команда представит свои результаты 22 октября на конференции MobiCom 2019 в Лос-Кабос, Мексика.
«Одна из самых больших проблем, с которыми сталкиваются новые родители, заключается в том, чтобы их дети выспались. Они также хотят следить за своими детьми, пока они спят. Учитывая это, мы стремились разработать систему, сочетающую в себе успокаивающий белый шум и способность чтобы ненавязчиво измерить движение и дыхание младенца «, — сказал соавтор доктор Джейкоб Саншайн, доцент кафедры анестезиологии и медицины боли в Медицинской школе UW.
Чтобы упростить жизнь новым родителям, команда создала систему, которая могла бы работать на интеллектуальном динамике, дублирующем оборудование в Amazon Echo.
«Интеллектуальные колонки становятся все более и более распространенными, и эти устройства уже способны воспроизводить белый шум», — сказал соавтор Shyam Gollakota, доцент Школы компьютерных наук и инженерии имени Пола Аллена в UW и директор UW вычисления для группы здоровья. «Если бы мы могли использовать эту функцию белого шума в качестве бесконтактного способа контроля движений рук и ног, дыхания и плача младенцев, то умный динамик станет устройством, которое может делать все это, и это действительно здорово».
Белый шум — это комбинация разных звуковых частот, из-за которых звук кажется случайным, успокаивающим, что может помочь скрыть другие звуки, что могут разбудить спящего ребенка. Чтобы использовать белый шум в качестве монитора дыхания, команде необходимо было разработать метод обнаружения крошечных изменений между белым шумом, который воспроизводит умный динамик, и белым шумом, отражающемся обратно от тела ребенка в массив микрофонов говорящего.
«Мы начинаем с передачи случайного сигнала белого шума. Но мы генерируем этот случайный сигнал, поэтому мы точно знаем, что такое случайность», — сказал первый автор Анран Ванг, аспирант в школе Аллена. «Этот сигнал гаснет и отражается от ребенка. Затем микрофоны умного говорящего получают случайный сигнал назад. Поскольку мы знаем исходный сигнал, мы можем отменить любую случайность из этого, и тогда у нас остается только информация о движении от ребёнка.»
При обнаружении дыхания у младенцев возникает дополнительная складка: движения их грудной клетки настолько малы, что умному говорящему нужно точно знать, где дети могут «видеть» их дыхание.
«Сигнал дыхания настолько слаб, что мы не можем просто искать изменения в общем сигнале, который мы получаем», — сказал Ван. «Нам нужен был способ сканировать комнату и точно определить, где находится ребенок, чтобы максимизировать изменения в сигнале белого шума. Наш алгоритм использует тот факт, что у интеллектуальных динамиков есть набор микрофонов, которые можно использовать для фокусировки в направлении грудная клетка младенца. Он начинает прислушиваться к изменениям в нескольких потенциальных направлениях, а затем продолжает поиск в направлении, которое дает самый четкий сигнал.
BreathJunior отслеживает как небольшие движения, такие как движения грудной клетки, связанные с дыханием, так и большие движения, такие как движение детей в кроватках. Он также может уловить звук плача ребенка.
Команда создала прототип умного динамика для тестирования BreathJunior на симуляторе для младенцев. Исследователи могли настроить симулятор на дыхание с определенной частотой, что позволило им проверить, насколько хорошо BreathJunior обнаруживает различные частоты дыхания — от медленных 20 вдохов в минуту до 60 вдохов в минуту. Тренажер для младенцев также позволил команде проверить, может ли BreathJunior обнаруживать патологическое дыхание, такое как апноэ, которое часто встречается у детей, родившихся рано и могут не иметь дыхательных центров в мозге. Система работала хорошо для обоих тестов.
Затем команда проверила, насколько хорошо их прототип отслеживал дыхание реальных детей в отделении интенсивной терапии или отделении интенсивной терапии новорожденных. Эти дети подключены к проводным респираторным мониторам больничного уровня, поэтому команда могла сравнить их показания с данными BreathJunior. Система смогла точно определить частоту дыхания до 65 вдохов в минуту.
С помощью этого умного динамика устройство воспроизводит белый шум и записывает, как шум отражается обратно, чтобы обнаружить дыхательные движения крошечных сундуков младенцев. Он может отслеживать как небольшие движения, такие как движения грудной клетки, связанные с дыханием, так и большие движения, например, движение детей в кроватках. Он также может уловить звук плача ребенка. Кредит: Деннис Уайз / Университет Вашингтона
«Младенцы в отделении интенсивной терапии имеют более высокую или очень низкую частоту дыхания, поэтому отделение интенсивной терапии контролирует свое дыхание так тесно», — сказал Саншайн. «BreathJunior обладает потенциалом для родителей, которые хотят использовать белый шум, чтобы помочь своему ребенку спать, и также хотят контролировать дыхание и движение своего ребенка. Он также является привлекательным инструментом для мониторинга дыхания в подгруппе младенцев, у которых домашнее дыхание мониторинг показан клинически, а также в больничной среде, где врачи хотят использовать проводной мониторинг дыхания.
«Тем не менее, очень важно отметить, что Американская академия педиатрии рекомендует не использовать монитор, который позиционирует себя как снижающий риск синдрома внезапной детской смерти, и это исследование и команда не делают таких заявлений».
Хотя BreathJunior в настоящее время использует белый шум для отслеживания дыхания и движения, исследователи хотели бы расширить его возможности, чтобы он мог также использовать другие успокаивающие звуки, такие как колыбельные.
Команда планирует коммерциализировать эту технологию через UW, Sound Life Sciences, Inc.
«Всего за несколько лет мы прошли долгий путь от отслеживания больших движений у взрослых до извлечения крошечных движений дыхания новорождённого», — сказал Голлакота. «Это стало возможным благодаря алгоритмическим инновациям, а также достижениям в оборудовании интеллектуальных динамиков. Заглядывая в будущее, можно представить себе преобразование интеллектуального динамика в« медицинский трикодер », который может бесконтактно контролировать различные жизненно важные показатели, помимо простого дыхания ».
