System ermöglicht kontaktlose Überwachung des Herzrhythmus mit intelligenten Lautsprechern

Intelligente Lautsprecher haben sich bei der Überwachung bestimmter Gesundheitsprobleme zu Hause als geschickt erwiesen, einschließlich der Erkennung von Herzstillständen oder der Überwachung der Atmung von Babys. Jetzt können die Lautsprecher verwendet werden, um die winzige Bewegung einzelner Herzschläge einer Person zu verfolgen, die vor dem Lautsprecher sitzt.

Das System überwacht sowohl regelmäßige als auch unregelmäßige Herzschläge ohne physischen Kontakt. Es sendet unhörbare Geräusche vom Lautsprecher in einen Raum und kann anhand der Art und Weise, wie die Geräusche zurück zum Lautsprecher reflektiert werden, einzelne Herzschläge identifizieren und überwachen. Da der Herzschlag eine so winzige Bewegung auf der Brustoberfläche ist, verwendet das System maschinelles Lernen, um dem Sprecher zu helfen, Signale sowohl von regelmäßigen als auch von unregelmäßigen Herzschlägen zu lokalisieren. Bei Tests an gesunden Teilnehmern und Herzpatienten im Krankenhaus erkannte der intelligente Lautsprecher Herzschläge, die den von Standard-Herzschlagmonitoren erkannten Schlägen sehr ähnlich waren.

Während viele Menschen mit dem Konzept einer Herzfrequenz vertraut sind, interessieren sich Ärzte mehr für die Beurteilung des Herzrhythmus. Die Herzfrequenz ist der Durchschnitt der Herzschläge über die 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 – einen Schlag pro Sekunde – oder einen unregelmäßigen Herzrhythmus – Schläge sind zufällig über diese Minute verteilt, aber sie betragen im Durchschnitt immer noch 60 Schläge pro Minute.

Herzrhythmusstörungen sind tatsächlich häufiger als einige andere bekannte Herzerkrankungen. Herzrhythmusstörungen können schwerwiegende Erkrankungen wie Schlaganfälle verursachen, können jedoch im Auftreten höchst unvorhersehbar und daher schwer zu diagnostizieren sein. Der Schlüssel zur Beurteilung des Herzrhythmus liegt in der Identifizierung der einzelnen Herzschläge. Bei diesem System beginnt die Suche nach Herzschlägen, wenn sich eine Person im Umkreis von 1 bis 2 Fuß vor dem Smart Speaker befindet.

Dann spielt das System einen unhörbaren Dauerton ab, der von der Person abprallt und dann zum Lautsprecher zurückkehrt. Je nachdem, wie sich der zurückgegebene Ton verändert hat, kann das System Bewegungen der Person isolieren – einschließlich des Hebens und Senkens des Brustkorbs beim Atmen.

Die Bewegung der Atmung einer Person ist an der Brustwand um Größenordnungen größer als die Bewegung des Herzschlags, was eine Herausforderung darstellt. Außerdem ist das Atemsignal nicht regelmäßig, sodass es schwierig ist, es einfach herauszufiltern. Da intelligente Lautsprecher über mehrere Mikrofone verfügen, wurde ein Strahlformungsalgorithmus entwickelt, um den Lautsprechern dabei zu helfen, Herzschläge zu finden.

Das Team entwarf einen selbstüberwachten maschinellen Lernalgorithmus, der spontan statt aus einem Trainingssatz lernt. Dieser Algorithmus kombiniert Signale von allen mehreren Mikrofonen des intelligenten Lautsprechers, um das schwer fassbare Herzschlagsignal zu identifizieren.

Die Herzschlagsignale, die der intelligente Lautsprecher erkennt, sehen nicht so aus, wie sie üblicherweise mit herkömmlichen Herzschlagmonitoren in Verbindung gebracht werden. Die Forscher verwendeten einen zweiten Algorithmus, um das Signal in einzelne Herzschläge zu segmentieren, sodass das System das so genannte Inter-Beat-Intervall oder die Zeitspanne zwischen zwei Herzschlägen extrahieren konnte.

Die Forscher testeten einen Prototyp eines intelligenten Lautsprechers, auf dem dieses System lief, an zwei Gruppen:26 gesunden Teilnehmern und 24 Krankenhauspatienten mit einer Vielzahl von Herzerkrankungen, einschließlich Vorhofflimmern und Herzinsuffizienz. Das Team verglich das Inter-Beat-Intervall des intelligenten Lautsprechers mit einem von einem Standard-Herzschlagmonitor. Von den fast 12.300 Herzschlägen, die bei den gesunden Teilnehmern gemessen wurden, lag das mittlere Inter-Beat-Intervall des intelligenten Lautsprechers innerhalb von 28 Millisekunden des Standardmonitors. Fast ebenso gut schnitt der Smart Speaker bei Herzpatienten ab:Von den mehr als 5.600 gemessenen Herzschlägen lag der Median-Inter-Beat-Intervall innerhalb von 30 Millisekunden des Standards.

Derzeit ist das System für Stichproben eingerichtet. Wenn eine Person sich Sorgen um ihren Herzrhythmus macht, kann sie sich vor einen intelligenten Lautsprecher setzen, um eine Messung zu erhalten. Das Team hofft jedoch, dass zukünftige Versionen den Herzschlag kontinuierlich überwachen können, während Menschen schlafen – etwas, das Ärzten helfen könnte, Erkrankungen wie Schlafapnoe zu diagnostizieren.