Умная колонка подслушала сердцебиение

Mark Stone / University of Washington

Американские инженеры создали прототип умной колонки, которая может отслеживать частоту сердечных сокращений. Она издает неслышимые человеческим ухом ультразвуковые сигналы и по отраженному сигналу регистрирует едва заметные смещения кожи, возникающие во время сердечных сокращений. Эксперименты с добровольцами показали, что коэффициент корреляции с данными, полученными с помощью ЭКГ, составляет 0,929. Статья опубликована в журнале Communications Biology.

Для обнаружения патологий сердца используются разные методы и метрики. Одна из них — это интервал RR, то есть временной интервал между двумя последовательными сердечными сокращениями. Измерение интервалов RR позволяет обнаружить у пациента аритмию, а также изучать вариабельность сердечного ритма у здоровых пациентов. Как правило, для этого используют электрокардиограф, но они в основном встречаются в больницах, хотя существуют также малопопулярные домашние ЭКГ-аппараты. В последние годы в нескольких моделях умных часов также появилась функция записи электрокардиограммы, но она доступна не во всех странах и в любом случае требует отдельного измерения, а не работает в фоне, как измерение пульса с помощью оптического датчика.

Есть и прототипы бесконтактных измерителей сердечного ритма, работающих на миллиметровых радиоволн: они работают подобно радарам и по отраженному сигналу восстанавливают смещения тела, возникающие во время сердечных сокращений или вдохов (если измеряется частота дыхания). Аньжань Ван (Anran Wang) с коллегами из Вашингтонского университета разработали аналогичный по принципу работы бесконтактный метод слежения за сердечным ритмом, но основанный на более удобном виде сигналов — ультразвуке. Они выбрали акустические колебания для того, чтобы метод можно было использовать с умными колонками, которые в последние годы набрали большую популярность, особенно в США.

Основная проблема, с которой столкнулись разработчики, заключалась в том, как отделить на записях звука небольшие смещения кожи из-за сердцебиения от дыхания и шумов. Они решили это при помощи стандартного оборудования умных колонок — массива из нескольких микрофонов. Совмещая сигналы от них, алгоритм пытается вычленить в сигнале пики от сердцебиения, отсекая шумы и остальные звуки.

В популярных умных колонках используются прориетарные алгоритмы, которые не предоставляют разработчикам доступ к массиву микрофонов, поэтому авторы использовали плату, которая по расположению и чувствительности микрофонов аналогична Amazon Echo Dot, но выдает сырые данные. Также они оснастили свою умную колонку микрофоном и 3D-печатным корпусом.

Прототип умной колонкиMark Stone / University of Washington

В колонке используется схема радара с непрерывным излучением, при которой динамик последовательно воспроизводит сигналы с линейно повышающейся с 18 до 22 килогерц частотой. Параллельно с этим массив микрофонов записывает отражения сигнала от предметов в комнате, в том числе от человека. Алгоритм объединяет данные с разных микрофонов, причем для данных с каждого микрофона установлен свой вес, который заранее подбирается при помощи метода градиентного спуска. После фильтрации сигнала алгоритм разбивает его на сегменты, соответствующие сердечным сокращениям, и рассчитывает их частоту вместе с интервалами RR.

Схема метода и сердцебиение на графике отраженного ультразвукового сигналаAnran Wang et al. / Communications Biology, 2021

Инженеры проверили работу самодельной умной колонки на двух группах добровольцев: 26 людях без известных проблем с сердцем и 24 пациентах больницы, госпитализированных с различными сердечными патологиями (их авторы разделили на группы с регулярным и нерегулярным сердечным ритмом). Добровольцы сидели недалеко от колонки на расстоянии около полуметра (расстояние варьировалось), под прямым или немного отличающимся углом, а в одном из подходов испытуемым также включали джаз. Для контроля добровольцы также надевали датчик для измерения электрокардиограммы.

Испытания показали, что умная колонка рассчитывает интервал RR с медианным отклонением 28 миллисекунд для здоровых людей и 30 миллисекунд для больных. Коэффициент корреляции с графиком сердечных сокращений составил 0,929 для здоровых и 0,901 для больных.

Авторы отмечают, что производители умных колонок в будущем могли бы внедрить такой метод отслеживания сердечных сокращений в свои устройства, чтобы упросить людям отслеживание сердечного ритма.

Удобные и применимые дома способы отслеживания сердечных сокращений могут помочь и ученым для получения статистики в реальных условиях. Например, в прошлом году исследователи обнаружили связь времени отхода ко сну с сердцебиением: оказалось, что если человек засыпает позже обычного времени, то во сне и на следующий день его сердцебиение будет учащенным.

Автор: Григорий Копиев

Источник: https://nplus1.ru/news/2021/03/16/smart-speaker