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第一個使用白噪聲監控嬰兒呼吸的智能揚聲器系統

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2019/10/16
華盛頓大學大學的研究人員開發了一種新的智能揚聲器技術,該技術可以使設備使用白噪聲來安撫熟睡的嬰兒,並監視其呼吸和運動。圖片來源:華盛頓大學Dennis Wise

一般人通常只將智能揚聲器如Amazon EchoGoogle Home,用作廚房定時器或音樂播放器,但除了娛樂用途,這些設備甚至已經開始幫助使用者追踪自己的健康狀況,甚至可以監測心臟驟停。

美國華盛頓大學的研究人員開發出一種新的智能揚聲器技術,該技術可以使設備利用白噪聲,來安撫熟睡的嬰兒並監視他們的呼吸和運動。

借助稱為BreathJunior的這項技術,智能揚聲器可以播放白噪聲,並紀錄噪聲如何反射,以檢測嬰兒微小胸部的呼吸運動。當研究人員在當地醫院的新生兒重症監護室,對五名嬰兒進行BreathJunior測試時,它檢測到的呼吸頻率,與標準生命體徵監護儀檢測到的呼吸頻率非常匹配。該團隊將於1022日在墨西哥洛斯卡沃斯舉行的MobiCom 2019大會上發表其發現。

美國華盛頓大學麻醉學與止痛醫學助理教授Jacob Sunshine博士說:「新手爸媽面臨的最大挑戰之一是確保嬰兒獲得充足的睡眠。他們還想在孩子睡覺時監視自己的孩子,以確認孩子安然入睡。考慮到這一點,我們尋求開發一種將舒緩的白噪聲,與能夠不干擾地測量嬰兒的運動和呼吸能力的系統相結合。」

為了使新父母感到輕鬆,該團隊製作了一個可以在智能揚聲器上運行的系統,該系統可以在Amazon Echo中複製硬體。

合著者,西澳大學Paul G. Allen電腦科學與工程學院副教授Sym Gollakota說道:「智能揚聲器越來越普遍,這些設備已經具有播放白噪聲的能力。如果我們可以將這種白噪聲功能,作為一種非接觸式方式來監視嬰兒的手和腿的運動、呼吸和哭泣,那麼智能揚聲器將可以成監控嬰兒呼吸的設備。」

白噪聲是不同聲音頻率的組合,它發出看似隨機的舒緩聲音,可以幫助掩蓋可能喚醒熟睡的嬰兒的其他噪聲。為了使用白噪聲作為呼吸監測器,研究團隊需要開發一種方法,來檢測智能揚聲器播放的白噪聲,與從嬰兒身體反射回揚聲器的麥克風陣列之間的白噪聲與白造生之間的微小變化。

檢測嬰兒的呼吸有些小困難,因為他們的胸部運動非常微小,以致智能揚聲器需要準確知道嬰兒的位置才能“看到”他們的呼吸。

第一作者Anran Wang 博士說:「呼吸信號是如此微弱,我們不能僅僅尋找返回的整體信號的變化。我們需要一種掃描房間並精確定位嬰兒位置的方法,以最大程度地改變白噪聲信號。我們的演算法利用智能揚聲器具有一系列麥克風,可用於將焦點對準嬰兒的胸部的事實。它開始偵聽一堆潛在方向的變化,然後繼續向提供最清晰信號的方向搜索。」


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藉助這種智能揚聲器技術,該設備可以播放白噪聲並紀錄噪聲如何被反射回去,以檢測嬰兒微小胸部的呼吸運動。 圖片來源:華盛頓大學Dennis Wise)

BreathJunior既可以追踪微小的動作(例如,與呼吸有關的胸部運動),也可以追踪較大的動作(例如,嬰兒在嬰兒床上四處走動)。它還可以抓取嬰兒的哭聲。

研究團隊創建了一個原型智能揚聲器,以在嬰兒模擬器上測試BreathJunior。研究人員可以將模擬器設置為以特定速率呼吸,從而使他們能夠測試BreathJunior對各種呼吸速率的檢測程度,從每分鐘20次緩慢的呼吸,到每分鐘60次呼吸。嬰兒模擬器還能讓團隊測試BreathJunior是否可以檢測到異常呼吸模式,例如呼吸暫停,這在早產嬰兒且大腦中可能沒有呼吸中樞的嬰兒中很常見。該系統在兩個測試中均表現良好。

之後,研究小組測試了他們的原型在新生兒重症監護病房(NICU)中,追踪真實嬰兒呼吸的能力。這些嬰兒連接到醫院級有線呼吸監控器,因此該小組可以將其讀數與BreathJunior的讀數進行比較。該系統能夠準確識別每分鐘高達65次呼吸的呼吸頻率。

Sunshine說:「 NICU中的嬰兒更有可能出現非常高或非常慢的呼吸速率,這就是為什麼NICU如此密切地監測其呼吸的原因。 BreathJunior對於希望利用白噪聲幫助孩子入睡,並且還希望有一種方法來監視孩子的呼吸和運動的父母具有巨大的潛力。它也可以用於臨床指示家庭呼吸監測的嬰兒子集中,以及醫生希望使用無線呼吸監測的醫院環境中監測呼吸。」

「但是,非常重要的一點是要注意,美國兒科學會建議不要使用以降低嬰兒猝死綜合症風險為目標的監護儀,而這項研究和研究小組也沒有這樣的主張。」

雖然BreathJunior當前使用白噪聲來追踪呼吸和運動,但研究人員希望擴展其功能,以便使用搖籃曲之類的其他舒緩聲音。

該小組計劃透過美國華盛頓大學分拆公司Sound Life Sciences,將該技術商業化。

Gollakota說:「由於演算法的創新以及智能揚聲器硬體的進步,使我們能在短短幾年,從監視成年人的大動作,到提取新生兒呼吸的微小動作。展望未來,人們可以設想將智能揚聲器變成一種“醫療三錄儀”,不僅可以非接觸式地監測呼吸,還可以監測其他生命體徵。」