Voorbij zijn de dagen dat mensen slimme luidsprekers, zoals Amazon Echo of Google Home, alleen gebruiken als kookwekkers of muziekspelers voor etentjes. Deze apparaten zijn begonnen mensen te helpen hun eigen gezondheid te volgen, en kan zelfs controleren op hartstilstand.

Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Washington een nieuwe slimme luidsprekervaardigheid ontwikkeld waarmee een apparaat witte ruis kan gebruiken om slapende baby's te kalmeren en hun ademhaling en beweging te controleren.

Met deze vaardigheid, genaamd Adem Junior, de slimme luidspreker speelt witte ruis en registreert hoe het geluid wordt teruggekaatst om ademhalingsbewegingen van de kleine borstkas van baby's te detecteren. Toen de onderzoekers BreathJunior testten met vijf baby's op de neonatale intensive care van een plaatselijk ziekenhuis, het detecteerde ademhalingsfrequenties die nauw overeenkwamen met de frequenties die werden gedetecteerd door standaardmonitors voor vitale functies. Het team zal zijn bevindingen op 22 oktober presenteren op de MobiCom 2019-conferentie in Los Cabos, Mexico.

"Een van de grootste uitdagingen waarmee nieuwe ouders worden geconfronteerd, is ervoor zorgen dat hun baby's voldoende slaap krijgen. Ze willen ook hun kinderen in de gaten houden terwijl ze slapen. Met dit in gedachten, we probeerden een systeem te ontwikkelen dat rustgevende witte ruis combineert met de mogelijkheid om onopvallend de beweging en ademhaling van een baby te meten, " zei co-auteur Dr. Jacob Sunshine, een assistent-professor anesthesiologie en pijngeneeskunde aan de UW School of Medicine.

Om het nieuwe ouders gemakkelijk te maken, het team maakte een systeem dat zou kunnen draaien op een slimme luidspreker die de hardware repliceert in een Amazon Echo.

"Slimme luidsprekers komen steeds vaker voor, en deze apparaten hebben al de mogelijkheid om witte ruis af te spelen, " zei co-auteur Shyam Gollakota, een universitair hoofddocent aan de Paul G. Allen School of Computer Science &Engineering van de UW en de directeur van de UW computing for health-groep. "Als we deze witte ruisfunctie zouden kunnen gebruiken als een contactloze manier om de hand- en beenbewegingen van baby's te volgen, ademen en huilen, dan wordt de slimme luidspreker een apparaat dat alles kan, dat is echt spannend."

Witte ruis is een combinatie van verschillende geluidsfrequenties, die een schijnbaar willekeurig rustgevend geluid maakt dat andere geluiden kan verdoezelen die een slapende baby zouden kunnen wekken. Om witte ruis als ademhalingsmonitor te gebruiken, het team moest een methode ontwikkelen om kleine veranderingen te detecteren tussen de witte ruis die een slimme luidspreker speelt en de witte ruis die wordt teruggekaatst door het lichaam van de baby in de reeks microfoons van de spreker.

"We beginnen met het verzenden van een willekeurig signaal met witte ruis. Maar we genereren dit willekeurige signaal, zodat we precies weten wat de willekeur is, " zei eerste auteur Anran Wang, een doctoraatsstudent in de Allen School. "Dat signaal gaat uit en weerkaatst op de baby. Dan krijgen de microfoons van de slimme luidspreker een willekeurig signaal terug. Omdat we het originele signaal kennen, we kunnen elke willekeur daaruit wegwerken en dan hebben we alleen informatie over de beweging van de baby."

Ademhaling detecteren bij baby's heeft een extra rimpel:de beweging van hun borstkas is zo klein dat de slimme luidspreker precies moet weten waar de baby's zijn om ze te kunnen 'zien' ademen.

"Het ademhalingssignaal is zo zwak dat we niet zomaar kunnen zoeken naar een verandering in het algemene signaal dat we terugkrijgen, " zei Wang. "We hadden een manier nodig om de kamer te scannen en te bepalen waar de baby is om de veranderingen in het witte ruissignaal te maximaliseren. Ons algoritme maakt gebruik van het feit dat slimme luidsprekers een reeks microfoons hebben die kunnen worden gebruikt om in de richting van de borst van de baby te focussen. Het begint te luisteren naar veranderingen in een aantal mogelijke richtingen, en gaat dan verder met zoeken in de richting die het duidelijkste signaal geeft."

BreathJunior volgt zowel kleine bewegingen - zoals de borstbeweging die betrokken is bij het ademen - als grote bewegingen - zoals baby's die in hun wieg rondlopen. Het kan ook het geluid van een huilende baby opvangen.

Het team creëerde een prototype slimme luidspreker om BreathJunior te testen op een babysimulator. De onderzoekers konden de simulator instellen om met bepaalde snelheden te ademen, waardoor ze konden testen hoe goed BreathJunior verschillende ademhalingsfrequenties detecteerde - van een langzame 20 ademhalingen per minuut tot 60 ademhalingen per minuut. Met de babysimulator kon het team ook testen of BreathJunior abnormale ademhalingspatronen kon detecteren, zoals apneu, die vaak voorkomen bij baby's die vroeg worden geboren en mogelijk geen ademhalingscentra in hun hersenen hebben ontwikkeld. Het systeem presteerde goed voor beide tests.

Vervolgens testte het team hoe goed hun prototype de ademhaling van echte baby's volgde op de neonatale intensive care of NICU. Deze baby's zijn aangesloten op bekabelde, ademhalingsmonitoren van ziekenhuiskwaliteit, zodat het team hun uitlezingen kon vergelijken met die van BreathJunior. Het systeem was in staat om de ademhalingsfrequenties tot 65 ademhalingen per minuut nauwkeurig te identificeren.

"Baby's in de NICU hebben meer kans op een vrij hoge of zeer langzame ademhaling, daarom houdt de NICU hun ademhaling zo nauwlettend in de gaten, " zei Sunshine. "BreathJunior biedt mogelijkheden voor ouders die witte ruis willen gebruiken om hun kind te helpen slapen en die ook een manier willen om de ademhaling en beweging van hun kind te volgen. Het is ook aantrekkelijk als hulpmiddel voor het monitoren van de ademhaling bij de subgroep van zuigelingen bij wie thuismonitoring van de ademhaling klinisch geïndiceerd is, evenals in ziekenhuisomgevingen waar artsen bekabelde ademhalingsbewaking willen gebruiken.

"Echter, het is erg belangrijk op te merken dat de American Academy of Pediatrics aanbeveelt geen monitor te gebruiken die zichzelf op de markt brengt als een vermindering van het risico op wiegendood, en dit onderzoek en het team maken geen dergelijke claim."

Terwijl BreathJunior momenteel witte ruis gebruikt om ademhaling en beweging te volgen, de onderzoekers willen zijn mogelijkheden uitbreiden, zodat hij ook andere rustgevende geluiden zoals slaapliedjes kan gebruiken.

Het team is van plan deze technologie te commercialiseren via een UW-spin-out, Geluidswetenschappen, Inc.

"Over een paar jaar we hebben een lange weg afgelegd van het volgen van grote bewegingen bij volwassenen tot het extraheren van de kleine beweging van de ademhaling van een pasgeboren baby, "Zei Gollakota. "Dit is mogelijk geweest dankzij algoritmische innovaties en vooruitgang in hardware voor slimme luidsprekers. Vooruit kijken, je kunt je voorstellen dat je een slimme luidspreker transformeert in een 'medische tricorder' die contactloos een verscheidenheid aan vitale functies kan bewaken die verder gaan dan alleen ademen."