"Умный" динамик использует белый шум, чтобы следить за дыханием и движениями младенца во сне

Исследователи из Вашингтонского университета представили "умный" динамик, который использует белый шум, чтобы следить за дыханием и движениями спящих детей. Система даже может успокоить ребёнка в случае необходимости.

Поясним, что под белым шумом учёные подразумевают шум, спектральные составляющие которого равномерно распределены по всему диапазону задействованных частот. Примеры – приятный многим шум водопада или (приятный не всем) шум телевизионных помех.

Сегодня специальные генераторы белого шума используются для релаксации и облегчения состояния пациентов, страдающих от постоянного звона, свиста или гула в ушах. Также некоторые педиатры рекомендуют включать белый шум младенцам: считается, что он помогает им быстрее заснуть. Впрочем, с этим согласны не все специалисты (публиковались данные, что белый шум может нарушать слух и вредить работе мозга).

Во многих домах сегодня также есть "умные" колонки, и эти устройства уже способны следить за некоторыми показателями здоровья, даже обнаружить остановку сердца.

"Если мы хотим использовать белый шум в качестве бесконтактного способа отслеживания движений рук и ног, дыхания и плача младенцев, то "умный" динамик станет устройством, способным обеспечить это", – рассуждает соавтор работы Шьям Голлакота (Shyam Gollakota).

Главной целью его команды стала разработка метода обнаружения малейших изменений между белым шумом, который воспроизводит "умный" динамик, и белым шумом, который отражается от тела ребёнка. В этом помог массив встроенных микрофонов.

"Мы начинаем с передачи случайного сигнала белого шума. Но мы сами генерируем этот случайный сигнал, поэтому мы точно знаем, что такое случайность. Этот сигнал отражается от [тела] ребёнка и возвращается к микрофонам. Поскольку мы знаем исходный сигнал, мы можем "вычесть" случайность, и тогда у нас остаётся только информация о движении ребёнка", – объясняет первый автор научной статьи Анран Ван (Anran Wang).

При этом есть одна тонкость. Движения грудной клетки младенцев практически незаметны, и поэтому устройству нужно точно "знать", где искать нужные данные.

"Сигнал дыхания настолько слаб, что мы не можем просто искать изменения в общем сигнале, который получаем. Нам нужен был способ просканировать комнату и точно определить, где находится ребёнок, чтобы максимизировать изменения в сигнале белого шума, – говорит Ван. – Наш алгоритм использует тот факт, что у интеллектуальных динамиков есть набор микрофонов, которые можно использовать для фокусировки в направлении грудной клетки младенца. Система начинает "прислушиваться" к изменениям в нескольких направлениях, а затем продолжает поиск в направлении, откуда исходит самый чёткий сигнал".

При этом устройство, получившее название BreathJunior, отслеживает не только едва различимые движения грудной клетки малыша. Оно фиксирует и более заметные сигналы, когда ребёнок двигается в кроватке. Более того, система также может "услышать" звуки плача.

Первое испытание прототип BreathJunior прошёл на специальном симуляторе. Тесты показали, что устройство может точно определить частоту дыхания в диапазоне от 20 до 60 вдохов в минуту.

Затем устройство протестировали в отделении интенсивной терапии новорождённых. Младенцы были подключены к проводным респираторным мониторам, поэтому учёные смогли сравнить показатели BreathJunior с "контрольными". В тестах с пятью детьми система продемонстрировала впечатляющие результаты: она точно определила частоту дыхания каждого ребёнка (до 65 вдохов в минуту).

Другое испытание показало, что устройство также способно обнаружить патологические изменения дыхания, связанные с апноэ (часто встречается у детей, родившихся раньше срока и ещё не имеющих дыхательных центров в мозге).

Авторы уверены, что их разработка будет полезна для многих родителей, особенно для тех, чьи дети имеют патологические проблемы с дыханием (таким малышам постоянный мониторинг показан клинически). Не исключено, что система найдёт применение и в педиатрических отделениях больниц.

В дальнейшем инженеры намерены расширить возможности BreathJunior, чтобы при необходимости устройство могло успокоить разволновавшегося ребёнка при помощи не только белого шума, но и других звуков, к примеру, колыбельных.

Вывести новинку на рынок учёным поможет стартап Sound Life Sciences.

Добавим, что прототип BreathJunior был представлен на 25-й международной конференции по вопросам мобильных вычислений и сетей MobiCom 2019.

Ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали, о каких потенциальных проблемах может сигнализировать детский храп.

Напомним и о других любопытных разработках: "умной" пижаме, которая проследит за качеством сна, и инновационной системе по уходу за младенцами, созданной на основе "умного" подгузника.