Дыхание младенцев теперь можно контролировать с помощью инновационной технологии Smart-speaker

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 определить остановку сердца. Теперь исследователи из Вашингтонского университета разработали новую функцию для такого динамика, которая позволяет устройству и его электроники использовать белый шум, чтобы успокоить спящих детей и контролировать их дыхание и движение.

Немного о Breath Junior

С помощью этой функции, называемой Breath Junior, умный динамик воспроизводит белый шум и записывает, как шум отражается назад, чтобы проанализировать и записать дыхание младенца. Когда исследователи протестировали Breath Juniorна пяти детях в отделении интенсивной терапии новорожденных в местной больнице, они обнаружил частоту дыхания, которая соответствовала частоте, которая отображалась на мониторахс жизненно важными функциями.

«Одна из самых больших проблем, с которыми сталкиваются родители, заключается в том, чтобы их дети высыпались. Они также хотят следить за своими детьми, пока они спят. Имея это в виду, мы стремились разработать систему, которая сочетает в себе функцию успокаивающего белого шумас возможностью контролироватьдвижения и дыхание младенца», - сказал соавтор доктор Джейкоб Саншайн, доцент кафедры анестезиологии и медицины в UW School. Чтобы упростить жизнь родителям, команда создала систему, которая может работать на таком оборудовании как Amazon Echo.

Использование белого шума в Breath Junior

«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. «Если бы мы могли использовать эту функцию белого шума в качестве бесконтактного способа отслеживания движений рук и ног, дыхания и плача младенцев, то умный динамик станет устройством, способным на 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, которые могут разбудить спящего ребенка. Чтобы использовать белый шум для мониторинга дыхания, команде необходимо было разработать метод обнаружения небольших изменений между белым шумом, который воспроизводит умный динамик, и белым шумом, который отражается от тела ребенка в массив микрофонов динамика.

«Мы начинаем с передачи случайного сигнала белого шума. Но так как мы генерируем его самостоятельно, то у нас есть информация об исходном состоянии этого шума», - сказал Анран Ванг, аспирант в школе Аллена. «Этот сигнал гаснет и отражается от ребенка. Затем микрофоны умного динамика получают случайный сигнал обратно. Поскольку мы знаем исходный сигнал, мы можем исключить любую случайность из этого, и тогда у нас останется только информация о движениях ребенка».

Когда ребенок дышит, у него на груди появляется некая складка: движения их грудной клетки настолько незаметны, что устройству нужно точно указать место, где должна находится эта складка для получения корректного результата. «Сигнал дыхания настолько слаб, что получаемый обратно белый шум просто не способен засечь его», - сказал Ван. «Нам нужен был способ сканировать комнату и точно определить, где находится ребенок, чтобы максимизировать изменения в сигнале белого шума.

Наш алгоритм использует преимущество того факта, что у умных динамиков есть множество микрофонов, которые можно использовать для фокусировки в определенной точке. Устройство сперва сканирует всю комнату, а затем выбирает направление, где цель может находиться и фокусируется на ней». Breath Junior отслеживает как незначительные движения, такие как движение грудной клетки, так и более заметные, такие как движение младенцев в кроватках. Он также может уловить звук плача ребенка.

Тестирование Breath Junior

Команда создала прототип умного динамика для тестирования Breath Junior на симуляторе для младенцев. Исследователи могли настроить симулятор для дыхания с определенной частотой, что позволило им проверить, насколько хорошо Breath Junior обнаруживает различные частоты дыхания - от медленных 20 вдохов в минуту до 60 вдохов в минуту. Симулятор также позволил команде проверить, может ли Breath Junior обнаруживать патологическое дыхание, такое как апноэ, которое часто встречается у детей, которые родились рано и могут не иметь дыхательных центров в мозге.

Система работала хорошо во время обоих тестов. Затем команда проверила, насколько хорошо их прототип отслеживал дыхание настоящих детей в отделении интенсивной терапии новорожденных. Эти дети подключены к проводным респираторным мониторам больничного уровня, поэтому команда могла сравнить их показания с данными Breath Junior. Система смогла точно определить частоту дыхания до 65 вдохов в минуту.

«Младенцы в отделении интенсивной терапии имеют более высокую или очень низкую частоту дыхания, поэтому отделение интенсивной терапии контролирует их дыхание так сильно», - сказал Саншайн. «Breath Junior» обладает потенциалом для родителей, которые хотят использовать белый шум, чтобы помочь ребенку спать, а также хотят контролировать дыхание и движение своего ребенка. Он также привлекателен в качестве инструмента для мониторинга дыхания в подгруппе младенцев, у которых клинически назначен домашний респираторный мониторинг, а также в больничной среде, если врачи не захотят использовать более тяжелые устройства.

«Тем не менее, очень важно отметить, что Американская академия педиатрии рекомендует не использовать данное устройство, ведь оно не защитит ребенка от неожиданной смерти». Хотя Breath Junior 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 данную технологию, и представит свои результаты 22 октября на конференции Mobi Com 2019 в Лос-Кабос, Мексика. «Всего за несколько лет мы прошли долгий путь от отслеживания движений взрослого человека, до отслеживания движений младенцев», - сказал Голлакота. «Это стало возможным благодаря алгоритмическим инновациям, а также достижениям в создании интеллектуальных колонок.

Заглядывая в будущее, можно представить себе превращение умного динамика в «медицинский трикодер», который может бесконтактно контролировать множество жизненно важных признаков, помимо дыхания».