人們僅將智能揚(yáng)聲器(如Amazon Echo或Google Home)用作廚房定時(shí)器或晚宴音樂播放器的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。這些設(shè)備已經(jīng)開始幫助人們追蹤自己的健康狀況，甚至可以 監(jiān)視心臟驟停。

現(xiàn)在，華盛頓大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新的智能揚(yáng)聲器技術(shù)，該技術(shù)可以使設(shè)備使用白噪聲來安撫熟睡的嬰兒并監(jiān)視他們的呼吸和運(yùn)動。

借助稱為BreathJunior的這項(xiàng)技術(shù)，智能揚(yáng)聲器可以播放白噪聲并記錄噪聲如何被反射回去，以檢測嬰兒微小胸部的呼吸運(yùn)動。當(dāng)研究人員在當(dāng)?shù)蒯t(yī)院的新生兒重癥監(jiān)護(hù)室對五個(gè)嬰兒進(jìn)行BreathJunior測試時(shí)，它檢測到的呼吸頻率與標(biāo)準(zhǔn)生命體征監(jiān)護(hù)儀檢測到的呼吸頻率非常匹配。

新的智能揚(yáng)聲器技術(shù)使設(shè)備可以使用白噪聲來監(jiān)視嬰兒的運(yùn)動和呼吸。圖片來源：Dennis Wise /華盛頓大學(xué)

“新父母面臨的最大挑戰(zhàn)之一是確保嬰兒獲得充足的睡眠。他們還想在孩子睡覺時(shí)監(jiān)視自己的孩子?？紤]到這一點(diǎn)，我們試圖建立一個(gè)系統(tǒng)，結(jié)合舒緩的白噪音的能力，悄悄地測量嬰兒的運(yùn)動和呼吸”的合著者博士說 雅各陽光，麻醉與疼痛醫(yī)學(xué)在威斯康星大學(xué)學(xué)院助理教授醫(yī)學(xué)。

為了使新父母感到輕松，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)可以在智能揚(yáng)聲器上運(yùn)行的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在Amazon Echo中復(fù)制硬件。

“智能揚(yáng)聲器正變得越來越普遍，這些設(shè)備已經(jīng)具有播放白噪聲的能力，”合著者， 西澳大學(xué)Paul G. Allen計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院副教授，Sym Gollakota說道。在 UW計(jì)算一個(gè)健康組。“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(jiān)視嬰兒的手和腿的運(yùn)動，呼吸和哭泣，那么智能揚(yáng)聲器將成為可以做到這一切的設(shè)備，這確實(shí)令人興奮。”

白噪聲是不同聲音頻率的 組合，它發(fā)出看似隨機(jī)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。為了將白噪聲用作呼吸監(jiān)測器，團(tuán)隊(duì)需要開發(fā)一種方法來檢測智能揚(yáng)聲器播放的白噪聲與從嬰兒身體反射回?fù)P聲器的麥克風(fēng)陣列之間的白噪聲之間的微小變化。

“我們首先發(fā)送隨機(jī)的白噪聲信號。但是，我們正在生成此隨機(jī)信號，因此我們確切地知道了隨機(jī)性是什么。”第一作者，艾倫學(xué)院的博士生Anran Wang說 。那個(gè)信號熄滅并反射到嬰兒身上。然后，智能揚(yáng)聲器的麥克風(fēng)會返回隨機(jī)信號。因?yàn)槲覀冎涝夹盘?，所以我們可以從中消除任何隨機(jī)性，然后只剩下有關(guān)嬰兒運(yùn)動的信息。”

檢測嬰兒的呼吸會產(chǎn)生額外的皺紋：他們的胸部移動非常微小，以致智能揚(yáng)聲器需要準(zhǔn)確知道嬰兒的位置才能“看到”他們的呼吸。

Wang說：“呼吸信號是如此微弱，以至于我們不能僅僅尋找返回的整體信號的變化。” “我們需要一種方法來掃描房間并查明嬰兒的位置，以最大程度地提高白噪聲信號的變化。我們的算法利用了以下事實(shí)：智能揚(yáng)聲器具有一系列麥克風(fēng)，這些麥克風(fēng)可用于關(guān)注嬰兒胸部的方向。它開始偵聽一堆潛在方向的變化，然后繼續(xù)向提供最清晰信號的方向進(jìn)行搜索。”

BreathJunior既可以跟蹤微小的動作(例如涉及呼吸的胸部動作)，也可以跟蹤較大的動作(例如嬰兒在嬰兒床中移動的動作)。它還可以拾取嬰兒哭泣的聲音。

該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)智能揚(yáng)聲器原型，以在嬰兒模擬器上測試BreathJunior。研究人員可以將模擬器設(shè)置為以特定速率呼吸，這使他們能夠測試BreathJunior對各種呼吸速率的檢測程度，從慢到每分鐘20次呼吸到每分鐘60次呼吸。嬰兒模擬器還允許該團(tuán)隊(duì)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(chǎn)且大腦中可能沒有呼吸中樞的嬰兒中很常見。該系統(tǒng)在兩個(gè)測試中均表現(xiàn)良好。

然后，研究小組測試了他們的原型在新生兒重癥監(jiān)護(hù)病房或新生兒重癥監(jiān)護(hù)病房(NICU)中追蹤真實(shí)嬰兒呼吸的能力。這些嬰兒已連接到醫(yī)院級有線呼吸監(jiān)控器，因此該小組可以將其讀數(shù)與BreathJunior的讀數(shù)進(jìn)行比較。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識別每分鐘高達(dá)65次呼吸的呼吸頻率。

Sunshine說：“ NICU中的嬰兒更有可能出現(xiàn)非常高或非常慢的呼吸速率，這就是為什么NICU如此密切地監(jiān)視其呼吸的原因。” “ BreathJunior對于希望利用白噪聲幫助孩子入睡，并且還希望有一種方法來監(jiān)視孩子的呼吸和運(yùn)動的父母具有巨大的潛力。它也具有作為監(jiān)測臨床上需要進(jìn)行家庭呼吸監(jiān)測的嬰兒子集中呼吸的工具，以及在醫(yī)生希望使用無線呼吸監(jiān)測的醫(yī)院環(huán)境中進(jìn)行呼吸監(jiān)測的工具。

“但是，非常重要的一點(diǎn)是要注意，美國兒科學(xué)會建議不要使用以自我市場營銷為目的的監(jiān)護(hù)儀，以降低嬰兒猝死綜合癥的風(fēng)險(xiǎn)，這項(xiàng)研究和研究小組均未對此做出任何聲明。”

雖然BreathJunior當(dāng)前使用白噪聲來跟蹤呼吸和運(yùn)動，但研究人員希望擴(kuò)展其功能，以便它還可以使用搖籃曲之類的其他舒緩聲音。

該小組計(jì)劃通過UW分拆公司Sound Life Sciences Inc.將該技術(shù)商業(yè)化 。該團(tuán)隊(duì)將于10月22日在 墨西哥洛斯卡沃斯舉行的MobiCom 2019大會上發(fā)表其發(fā)現(xiàn) 。

Gollakota說：“在短短幾年中，我們從監(jiān)視成年人的大動作到提取新生兒呼吸的微小動作已經(jīng)走了很長一段路 。” “由于算法創(chuàng)新以及智能揚(yáng)聲器硬件的進(jìn)步，這之所以成為可能。展望未來，人們可以設(shè)想將智能揚(yáng)聲器變成一種 “醫(yī)療三階”，它可以非接觸式監(jiān)測呼吸以外的各種生命體征。”

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