Kontaktlose Herzschlagüberwachung via Smart Speaker: Ein revolutionäres System

Smart Speaker haben sich als adekvat erwiesen, bestimmte Gesundheitsprobleme zu Hause zu überwachen, einschließlich der Erkennung von Herzstillstand oder der Überwachung der Atmung von Babys. Jetzt können die Speaker genutzt werden, um die winzige Bewegung einzelner Herzschläge einer Person zu verfolgen, die vor dem Speaker sitzt.

Das System überwacht sowohl regelmäßige als auch unregelmäßige Herzschläge ohne physischen Kontakt. Es sendet unhörbare Töne vom Speaker in den Raum und basierend auf der Art, wie die Töne zum Speaker zurückreflektiert werden, kann es einzelne Herzschläge identifizieren und überwachen. Da der Herzschlag eine so winzige Bewegung auf der Brustoberfläche ist, nutzt das System maschinelles Lernen, um dem Speaker zu helfen, Signale sowohl von regelmäßigen als auch unregelmäßigen Herzschlägen zu lokalisieren. Bei Tests an gesunden Teilnehmern und hospitalisierten Herzpatienten detektierte der Smart Speaker Herzschläge, die eng mit den von Standard-Herzschlagmonitoren erfassten Schlägen übereinstimmten.

Während viele Menschen mit dem Konzept einer Herzfrequenz vertraut sind, sind Ärzte mehr an der Bewertung des Herzrhythmus interessiert. Herzfrequenz ist der Durchschnitt der Herzschläge über Zeit, während ein Herzrhythmus das Muster der Herzschläge beschreibt. Wenn eine Person eine Herzfrequenz von 60 Schlägen pro Minute hat, könnte sie einen regelmäßigen Herzrhythmus haben – ein Schlag pro Sekunde – oder einen unregelmäßigen Herzrhythmus – Schläge sind zufällig über diese Minute verstreut, aber sie mitteln sich immer noch auf 60 Schläge pro Minute.

Herzrhythmusstörungen sind tatsächlich häufiger als einige andere bekannte Herzerkrankungen. Herzrhythmusstörungen können schwerwiegende Morbiditäten wie Schlaganfälle verursachen, sind aber in ihrem Auftreten hochgradig unvorhersehbar und daher schwer zu diagnostizieren. Der Schlüssel zur Bewertung des Herzrhythmus liegt in der Identifizierung einzelner Herzschläge. Für dieses System beginnt die Suche nach Herzschlägen, wenn eine Person 1 bis 2 Fuß vor dem Smart Speaker sitzt.

Dann spielt das System einen unhörbaren kontinuierlichen Ton ab, der von der Person abprallt und dann zum Speaker zurückkehrt. Basierend darauf, wie sich der zurückgekehrte Ton verändert hat, kann das System Bewegungen an der Person isolieren – einschließlich des Hebens und Senkens ihrer Brust beim Atmen.

Die Bewegung durch Atmen ist um Größenordnungen größer an der Brustwand als die Bewegung durch Herzschläge, was eine Herausforderung darstellt. Auch ist das Atemsignal nicht regelmäßig, sodass es schwierig ist, es einfach herauszufiltern. Da Smart Speaker mehrere Mikrofone haben, wurde ein Beamforming-Algorithmus entworfen, um den Speakern zu helfen, Herzschläge zu finden.

Das Team entwarf einen selbstüberwachten maschinellen Lernalgorithmus, der on-the-fly lernt statt von einem Trainingsdatensatz. Dieser Algorithmus kombiniert Signale von allen Mikrofonen des Smart Speakers, um das schwer fassbare Herzschlagsignal zu identifizieren.

Die Herzschlagsignale, die der Smart Speaker detektiert, sehen nicht aus wie die, die gemeinhin mit traditionellen Herzschlagmonitoren assoziiert werden. Die Forscher nutzten einen zweiten Algorithmus, um das Signal in einzelne Herzschläge zu segmentieren, damit das System das als Inter-Beat-Intervall bekannte Maß extrahieren konnte – die Zeitspanne zwischen zwei Herzschlägen.

Die Forscher testeten einen Prototyp-Smart-Speaker, der dieses System ausführt, an zwei Gruppen: 26 gesunde Teilnehmer und 24 hospitalisierte Patienten mit einer Vielfalt an Herzerkrankungen einschließlich Vorhofflimmern und Herzinsuffizienz. Das Team verglich das Inter-Beat-Intervall des Smart Speakers mit einem von einem Standard-Herzschlagmonitor. Von den fast 12.300 Herzschlägen, die für die gesunden Teilnehmer gemessen wurden, lag der mediane Inter-Beat-Intervall des Smart Speakers innerhalb von 28 Millisekunden des Standardmonitors. Der Smart Speaker schnitt bei Herzpatienten fast genauso gut ab: von den mehr als 5.600 gemessenen Herzschlägen lag der mediane Inter-Beat-Intervall innerhalb von 30 Millisekunden des Standards.

Derzeit ist das System für Spot-Checks eingerichtet. Wenn eine Person besorgt über ihren Herzrhythmus ist, kann sie vor einem Smart Speaker sitzen, um eine Messung zu erhalten. Aber das Team hofft, dass zukünftige Versionen kontinuierlich Herzschläge überwachen könnten, während Menschen schlafen – etwas, das Ärzten helfen könnte, Erkrankungen wie Schlafapnoe zu diagnostizieren.