Første smarte højttalersystem, der bruger hvid støj til at overvåge spædbørns vejrtrækning

De dage er forbi, hvor folk bruger smarthøjttalere – som Amazon Echo eller Google Home – kun som køkkentimere eller musikafspillere til middagsselskaber. Disse enheder er begyndt at hjælpe folk med at spore deres eget helbred, og kan endda overvåge for hjertestop.

Nu har forskere ved University of Washington udviklet en ny smart højttalerfærdighed, der lader en enhed bruge hvid støj til både at dulme sovende babyer og overvåge deres vejrtrækning og bevægelse.

Med denne færdighed, kaldet BreathJunior, den smarte højttaler afspiller hvid støj og registrerer, hvordan støjen reflekteres tilbage for at registrere åndedrætsbevægelser af spædbørns små bryster. Da forskerne testede BreathJunior med fem babyer på et lokalt hospitals neonatale intensivafdeling, det detekterede åndedrætsfrekvenser, der nøje matchede de frekvenser, der blev registreret af standardmonitorer for vitale tegn. Holdet vil præsentere sine resultater den 22. oktober på MobiCom 2019-konferencen i Los Cabos, Mexico.

"En af de største udfordringer, nye forældre står over for, er at sikre, at deres babyer får nok søvn. De vil også gerne overvåge deres børn, mens de sover. Med dette i tankerne, vi søgte at udvikle et system, der kombinerer beroligende hvid støj med evnen til diskret at måle et spædbarns bevægelser og vejrtrækning, " sagde medforfatter Dr. Jacob Sunshine, en adjunkt i anæstesiologi og smertemedicin ved UW School of Medicine.

For at gøre det nemt for nye forældre, holdet lavede et system, der kunne køre på en smart højttaler, der replikerer hardwaren i et Amazon Echo.

"Smarthøjttalere bliver mere og mere udbredt, og disse enheder har allerede evnen til at afspille hvid støj, " sagde medforfatter Shyam Gollakota, en lektor i UW's Paul G. Allen School of Computer Science &Engineering og direktør for UW computing for health group. "Hvis vi kunne bruge denne hvide støjfunktion som en kontaktløs måde at overvåge spædbørns hånd- og benbevægelser på, trække vejret og græde, så bliver smarthøjttaleren en enhed, der kan det hele, hvilket er rigtig spændende."

Hvid støj er en kombination af forskellige lydfrekvenser, som laver en tilsyneladende tilfældig beroligende lyd, der kan hjælpe med at dække over andre lyde, der kan vække en sovende baby. For at bruge hvid støj som en vejrtrækningsmonitor, holdet havde brug for at udvikle en metode til at detektere små ændringer mellem den hvide støj, en smart højttaler afspiller, og den hvide støj, der reflekteres tilbage fra spædbarnets krop ind i højttalerens række af mikrofoner.

"Vi starter med at sende et tilfældigt hvidt støjsignal. Men vi genererer dette tilfældige signal, så vi ved præcis, hvad tilfældigheden er, " sagde første forfatter Anran Wang, en ph.d.-studerende i Allen-skolen. "Det signal går ud og reflekteres fra babyen. Så får smarthøjttalerens mikrofoner et tilfældigt signal tilbage. Fordi vi kender det originale signal, vi kan annullere enhver tilfældighed fra det, og så står vi tilbage med kun information om bevægelsen fra babyen."

Registrering af vejrtrækning hos babyer har en ekstra rynke:bevægelsen af ​​deres bryster er så lille, at den smarte højttaler skal vide præcis, hvor babyerne er for at kunne "se" dem trække vejret.

"Åndedrætssignalet er så svagt, at vi ikke bare kan se efter en ændring i det overordnede signal, vi får tilbage, " Wang sagde. "Vi havde brug for en måde at scanne rummet og finde ud af, hvor babyen er for at maksimere ændringer i det hvide støjsignal. Vores algoritme udnytter det faktum, at smarthøjttalere har en række mikrofoner, der kan bruges til at fokusere i retning af spædbarnets bryst. Den begynder at lytte efter ændringer i en masse potentielle retninger, og fortsætter derefter søgningen i den retning, der giver det klareste signal."

BreathJunior sporer både små bevægelser - såsom brystbevægelsen involveret i vejrtrækningen - og store bevægelser - såsom babyer, der bevæger sig rundt i deres vugger. Den kan også opfange lyden af ​​en baby, der græder.

Holdet skabte en prototype af smart højttaler til at teste BreathJunior på en spædbarnssimulator. Forskerne kunne indstille simulatoren til at trække vejret med bestemte hastigheder, hvilket gjorde det muligt for dem at teste, hvor godt BreathJunior detekterede en række forskellige åndedrætsfrekvenser - fra langsomme 20 vejrtrækninger i minuttet til 60 vejrtrækninger i minuttet. Spædbarnssimulatoren gjorde det også muligt for holdet at teste, om BreathJunior kunne opdage unormale vejrtrækningsmønstre, såsom apnø, som er almindelige hos babyer, der er født tidligt og måske ikke har udviklet åndedrætscentre i deres hjerner. Systemet fungerede godt for begge tests.

Derefter testede holdet, hvor godt deres prototype sporede rigtige babyers vejrtrækning på neonatal intensiv afdeling eller NICU. Disse babyer er forbundet til kablede, respirationsmonitorer af hospitalskvalitet, så holdet kunne sammenligne deres udlæsninger med BreathJuniors. Systemet var i stand til nøjagtigt at identificere respirationsfrekvenser op til 65 vejrtrækninger i minuttet.

"Spædbørn i NICU er mere tilbøjelige til at have enten ret høje eller meget langsom vejrtrækningshastigheder, Derfor overvåger NICU deres vejrtrækning så nøje, "Sunshine sagde. "BreathJunior rummer potentiale for forældre, der ønsker at bruge hvid støj til at hjælpe deres barn med at sove, og som også ønsker en måde at overvåge deres barns vejrtrækning og bevægelse. Det har også appel som et værktøj til at overvåge vejrtrækningen hos den undergruppe af spædbørn, hvor hjemmeovervågning er klinisk indiceret, samt i hospitalsmiljøer, hvor læger ønsker at bruge ledningsfri respirationsovervågning.

"Imidlertid, det er meget vigtigt at bemærke, at American Academy of Pediatrics anbefaler, at man ikke bruger en monitor, der markedsfører sig selv som at reducere risikoen for pludselig spædbørnsdødssyndrom, og denne forskning og holdet gør ingen sådan påstand."

Mens BreathJunior i øjeblikket bruger hvid støj til at spore vejrtrækning og bevægelse, forskerne vil gerne udvide dens muligheder, så den også kan bruge andre beroligende lyde som vuggeviser.

Holdet planlægger at kommercialisere denne teknologi gennem en UW spinout, Sund Life Sciences, Inc.

"På få år vi er kommet langt fra at overvåge store bevægelser hos voksne til at udtrække den lille bevægelse af et nyfødt spædbarns vejrtrækning, " sagde Gollakota. "Dette har været muligt på grund af algoritmiske innovationer såvel som fremskridt inden for smart højttalerhardware. Ser frem til, man kan forestille sig at omdanne en smart højttaler til en 'medicinsk tricorder', der kontaktløst kan overvåge en række vitale tegn ud over blot at trække vejret."