Исследователи из Вашингтонского университета разработали новую функцию умного динамика, которая позволяет устройству использовать белый шум, чтобы успокоить спящих детей и контролировать их дыхание и движение, — пишет eurekalert.org.

С помощью этой функции, называемой BreathJunior, умный динамик воспроизводит белый шум и записывает, как шум отражается обратно, чтобы проанализировать дыхание младенцев. Когда исследователи проверили BreathJunior на пяти детях в отделении интенсивной терапии новорожденных в местной больнице, они обнаружил частоту дыхания, которая близко соответствовала частоте, обнаруживаемой стандартными мониторами жизненно важных функций.

«Одна из самых больших проблем, с которыми сталкиваются новоиспеченные родители, заключается в том, чтобы их дети высыпались. Они также хотят контролировать своих детей, пока те спят. Учитывая это, мы стремились разработать систему, сочетающую в себе успокаивающий белый шум и способность незаметно измерять движение и дыхание младенца», — сказал соавтор доктор Джейкоб Саншайн, доцент кафедры анестезиологии и медицины боли в Медицинской школе Университета Вашингтона.

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 Университете Вашингтона. — Если мы сможем 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 это делать действительно хорошо».

Белый шум — это комбинация разных звуковых частот, из-за которых звук кажется случайным, успокаивающим и помогает скрыть другие звуки, которые 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, который отражается обратно от тела ребенка.

«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 ребенка».

При обнаружении дыхания у младенцев возникает дополнительная проблема: движения их грудной клетки настолько малы, что умный динамик должен быть расположен там, где дыхание заметно.

«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 грудной клетки младенца. Он начинает прислушиваться к изменениям в нескольких потенциальных направлениях, а затем продолжает поиск в направлении, которое дает самый четкий сигнал».

BreathJunior отслеживает как маленькие движения — такие как движение грудной клетки, вовлеченное в дыхание, — так и большие движения — такие как движения дети в своих кроватках. Он также может уловить звук плача ребенка.

Команда создала прототип умного динамика для тестирования BreathJunior на симуляторе для младенцев. Исследователи могли настроить симулятор для дыхания 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. Симулятор младенца также позволил команде проверить, может ли BreathJunior обнаруживать патологическое дыхание, такое как апноэ, которое часто встречается у детей, которые родились раньше срока 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 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.

«Младенцы в отделении интенсивной терапии имеют повышенную или пониженную частоту дыхания, поэтому отделение интенсивной терапии контролирует их дыхание так пристально, — сказал Саншайн. — BreathJunior обладает потенциалом для родителей, которые хотят использовать белый шум, чтобы помочь своему ребенку спать, и контролировать дыхание и движения своего ребенка. Он также является привлекательным инструментом для мониторинга дыхания в подгруппе младенцев, для которых домашний мониторинг дыхания показан клинически, а также в больничной среде, где врачи хотят использовать проводной мониторинг дыхания».

Однако, заметил Саншайн, «Американская академия педиатрии рекомендует не приписывать монитору функцию снижения риска внезапной детской смерти…».

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.

«Всего за несколько лет мы прошли долгий путь от мониторинга больших движений у взрослых до фиксирования крошечных дыхательных движений новорожденного, — 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 множество жизненно важных показателей, помимо дыхания».