Первая система искусственного интеллекта для бесконтактного мониторинга сердечного ритма с помощью умных динамиков

Ученые выясняют, как умные колонки могут отслеживать сердечный ритм человека, сидящего рядом с ними, - пишет eurekalert.org со ссылкой на Communications Biology.

Умные колонки, такие как Amazon Echo и Google Home, доказали свою способность отслеживать определенные проблемы со здоровьем дома. Например, исследователи из Вашингтонского университета показали, что эти устройства могут обнаруживать остановку сердца или контролировать дыхание младенцев.

Теперь исследователи из Университета Вашингтона разработали новый навык для умного динамика, который впервые отслеживает как регулярное, так и нерегулярное сердцебиение без физического контакта. Система отправляет неслышимые звуки из динамика в комнату и, в зависимости от того, как звуки отражаются обратно в динамик, может идентифицировать и отслеживать индивидуальные сердцебиения. Поскольку сердцебиение - это крошечное движение на поверхности груди, система команды использует машинное обучение, чтобы помочь интеллектуальному динамику обнаруживать сигналы как от регулярного, так и от нерегулярного сердцебиения.

Когда исследователи протестировали эту систему на здоровых участниках и госпитализированных кардиологических пациентах, интеллектуальный динамик обнаружил сердцебиение, которое близко соответствовало ударам, обнаруживаемым стандартными мониторами сердцебиения.

«Регулярное сердцебиение достаточно легко обнаружить, даже если сигнал слабый, потому что вы можете искать периодический образец в данных, - сказал соавтор исследования Шьям Голлакота, доцент Университета штата Вашингтон в Школе компьютерных наук и инженерии Пола Г. Аллена. - Но нерегулярное сердцебиение действительно сложно отследить, потому что такого паттерна нет. Я не был уверен, что его можно будет обнаружить, поэтому я был приятно удивлен, что наши алгоритмы могут определять нерегулярное сердцебиение во время тестов с кардиологическими пациентами».

Хотя многие люди знакомы с концепцией сердечного ритма, врачей больше интересует оценка сердечного ритма. Частота сердечных сокращений - это среднее значение сердечных сокращений с течением времени, тогда как сердечный ритм описывает характер сердечных сокращений.

Например, если у человека частота сердечных сокращений 60 ударов в минуту, у него может быть нормальный сердечный ритм - один удар в секунду - или нерегулярный сердечный ритм - удары случайным образом разбросаны по этой минуте, но они все равно усредняются до 60 ударов в минуту.

«Нарушения сердечного ритма на самом деле более распространены, чем некоторые другие известные сердечные заболевания. Сердечные аритмии могут вызывать серьезные заболевания, такие как инсульты, но могут быть очень непредсказуемыми по возникновению и, следовательно, трудными для диагностики, - сказал соавтор исследования доктор Арун. Шридхар, доцент кардиологии Медицинской школы UW. - Доступность недорогого теста, который можно проводить часто и не выходя из дома, может изменить ситуацию для некоторых пациентов с точки зрения ранней диагностики и лечения».

Ключ к оценке сердечного ритма заключается в определении индивидуальных ударов сердца. Для этой системы поиск сердцебиения начинается, когда человек садится на расстояние от 1 до 2 футов перед умным динамиком. Затем система воспроизводит неслышимый непрерывный звук, который отражается от человека, а затем возвращается в динамик. В зависимости от того, как изменился возвращаемый звук, система может изолировать движения человека, включая подъем и опускание его груди во время дыхания.

«Движение от дыхания в грудной стенке на несколько порядков больше, чем движение от ударов сердца, так что это представляет собой довольно большую проблему, - сказал ведущий автор исследования Анран Ван, докторант в школе Аллена. - А дыхательный сигнал не является регулярным, поэтому его сложно просто отфильтровать. Используя тот факт, что умные динамики имеют несколько микрофонов, мы разработали новый алгоритм формирования вектора, чтобы помочь динамикам улавливать сердцебиение».

Команда разработала так называемый алгоритм машинного обучения с самоконтролем, который учится на лету, а не на основе обучающего набора. Этот алгоритм объединяет сигналы от всех нескольких микрофонов умного динамика для определения неуловимого сигнала сердцебиения.

«Это похоже на то, как Алекса всегда может найти мой голос, даже если я проигрываю видео или если в комнате разговаривают несколько человек, - сказал Голлакота. - Когда я говорю: «Привет, Алекса», микрофоны работают вместе, чтобы найти меня в комнате и послушать, что я скажу дальше. Это происходит и в нашей работе, только с сердцебиением».

Сигналы сердцебиения, которые обнаруживает интеллектуальный динамик, не похожи на типичные пики, которые обычно ассоциируются с традиционными мониторами сердцебиения. Исследователи использовали второй алгоритм для сегментирования сигнала на отдельные сердечные сокращения, чтобы система могла извлекать то, что известно как интервал между сердечными сокращениями.

«С помощью этого метода мы не получаем электрический сигнал о сокращении сердца. Вместо этого мы видим вибрации на коже, когда сердце бьется», - сказал Ван.

Исследователи протестировали прототип умного динамика с этой системой на двух группах: 26 здоровых участников и 24 госпитализированных пациента с различными сердечными заболеваниями, включая фибрилляцию предсердий и сердечную недостаточность. Команда сравнила интервал между ударами умного динамика с измерениями стандартного пульсометра. Из почти 12300 сердечных сокращений, измеренных у здоровых участников, средний интервал между биениями умного динамика находился в пределах 28 миллисекунд от стандартного монитора. Умный динамик почти так же хорошо показал себя с сердечными пациентами: из более чем 5600 измеренных сердечных сокращений средний интервал между ударами был в пределах 30 миллисекунд от стандарта.

В настоящее время эта система настроена для выборочных проверок: если человека беспокоит сердечный ритм, он может сесть перед умным динамиком, чтобы получить показания. Но исследовательская группа надеется, что в будущих версиях можно будет постоянно отслеживать сердцебиение, пока люди спят, что может помочь врачам диагностировать такие состояния, как апноэ во сне.

«Если у вас есть подобное устройство, вы можете наблюдать за пациентом в течение длительного времени и определять варианты поведения и лечения, которые индивидуализированы для пациента. Например, мы можем выяснить, когда возникают аритмии у каждого конкретного пациента, а затем разработать соответствующие планы лечения, которые созданы для тех случаев, когда они действительно нужны пациентам, - сказал Шридхар. - Это будущее кардиологии. И прелесть использования таких устройств в том, что они уже есть у нас дома».

[Фото: eurekalert.org]