Sono finiti i giorni in cui le persone usavano altoparlanti intelligenti, come Amazon Echo o Google Home, solo come timer da cucina o lettori musicali per le cene. Questi dispositivi hanno iniziato ad aiutare le persone a monitorare la propria salute, e può persino monitorare l'arresto cardiaco.

Ora i ricercatori dell'Università di Washington hanno sviluppato una nuova abilità di altoparlante intelligente che consente a un dispositivo di utilizzare il rumore bianco sia per lenire i bambini che dormono sia per monitorare la loro respirazione e i loro movimenti.

Con questa abilità, chiamato BreathJunior, l'altoparlante intelligente riproduce il rumore bianco e registra come il rumore viene riflesso indietro per rilevare i movimenti respiratori dei piccoli petti dei bambini. Quando i ricercatori hanno testato BreathJunior con cinque bambini nell'unità di terapia intensiva neonatale di un ospedale locale, ha rilevato frequenze respiratorie che corrispondevano strettamente alle frequenze rilevate dai monitor dei segni vitali standard. Il team presenterà i suoi risultati il ​​22 ottobre alla conferenza MobiCom 2019 a Los Cabos, Messico.

"Una delle maggiori sfide che i nuovi genitori devono affrontare è assicurarsi che i loro bambini dormano a sufficienza. Vogliono anche monitorare i loro figli mentre dormono. Con questo in mente, abbiamo cercato di sviluppare un sistema che combinasse il rumore bianco rilassante con la capacità di misurare discretamente il movimento e la respirazione di un bambino, " ha detto il co-autore Dr. Jacob Sunshine, un assistente professore di anestesiologia e medicina del dolore presso la UW School of Medicine.

Per rendere le cose facili ai neo-genitori, il team ha realizzato un sistema che potrebbe funzionare su un altoparlante intelligente che replica l'hardware in un Amazon Echo.

"Gli altoparlanti intelligenti stanno diventando sempre più diffusi, e questi dispositivi hanno già la capacità di riprodurre il rumore bianco, " ha detto il co-autore Shyam Gollakota, professore associato presso la Paul G. Allen School of Computer Science &Engineering dell'UW e direttore del gruppo UW Computing for Health. "Se potessimo usare questa funzione di rumore bianco come un modo senza contatto per monitorare i movimenti delle mani e delle gambe dei bambini, respirando e piangendo, poi lo smart speaker diventa un dispositivo in grado di fare tutto, che è davvero emozionante."

Il rumore bianco è una combinazione di diverse frequenze sonore, che emette un suono rilassante apparentemente casuale che può aiutare a coprire altri rumori che potrebbero svegliare un bambino che dorme. Per utilizzare il rumore bianco come monitor della respirazione, il team aveva bisogno di sviluppare un metodo per rilevare piccoli cambiamenti tra il rumore bianco riprodotto da un altoparlante intelligente e il rumore bianco che viene riflesso dal corpo del bambino nella serie di microfoni dell'altoparlante.

"Cominciamo trasmettendo un segnale di rumore bianco casuale. Ma stiamo generando questo segnale casuale, quindi sappiamo esattamente qual è la casualità, " ha detto il primo autore Anran Wang, uno studente di dottorato alla Allen School. "Quel segnale si spegne e si riflette sul bambino. Quindi i microfoni dell'altoparlante intelligente ricevono un segnale casuale. Poiché conosciamo il segnale originale, possiamo cancellare qualsiasi casualità da questo e poi ci rimangono solo le informazioni sul movimento del bambino".

Rilevare la respirazione nei bambini ha una ruga in più:il movimento del loro petto è così piccolo che l'altoparlante intelligente deve sapere esattamente dove si trovano i bambini per poterli "vedere" respirare.

"Il segnale respiratorio è così debole che non possiamo semplicemente cercare un cambiamento nel segnale generale che riceviamo, "Ha detto Wang. "Avevamo bisogno di un modo per scansionare la stanza e individuare dove si trova il bambino per massimizzare i cambiamenti nel segnale del rumore bianco. Il nostro algoritmo sfrutta il fatto che gli altoparlanti intelligenti hanno una serie di microfoni che possono essere utilizzati per mettere a fuoco nella direzione del torace del bambino. Inizia ad ascoltare i cambiamenti in una serie di potenziali direzioni, e poi continua la ricerca verso la direzione che dà il segnale più chiaro."

BreathJunior tiene traccia sia dei piccoli movimenti, come il movimento del torace coinvolto nella respirazione, sia dei grandi movimenti, come i bambini che si muovono nelle loro culle. Può anche rilevare il suono di un bambino che piange.

Il team ha creato un prototipo di altoparlante intelligente per testare BreathJunior su un simulatore infantile. I ricercatori potrebbero impostare il simulatore per respirare a velocità specifiche, che ha permesso loro di testare quanto bene BreathJunior rilevasse una varietà di frequenze respiratorie, da 20 respiri lenti al minuto a 60 respiri al minuto. Il simulatore infantile ha anche permesso al team di testare se BreathJunior potesse rilevare modelli di respirazione anormali, come l'apnea, che sono comuni nei bambini che nascono presto e potrebbero non aver sviluppato centri respiratori nel cervello. Il sistema ha funzionato bene per entrambi i test.

Quindi il team ha testato quanto bene il loro prototipo ha monitorato la respirazione dei bambini reali nell'unità di terapia intensiva neonatale o nell'unità di terapia intensiva neonatale. Questi bambini sono collegati a cablati, monitor respiratori ospedalieri, in modo che il team potesse confrontare le loro letture con quelle di BreathJunior. Il sistema è stato in grado di identificare con precisione frequenze respiratorie fino a 65 respiri al minuto.

"I neonati in terapia intensiva neonatale hanno maggiori probabilità di avere tassi di respirazione piuttosto alti o molto lenti, ecco perché l'unità di terapia intensiva neonatale monitora la loro respirazione così da vicino, " Sunshine ha detto. "BreathJunior ha il potenziale per i genitori che vogliono usare il rumore bianco per aiutare il loro bambino a dormire e che vogliono anche un modo per monitorare la respirazione e il movimento del loro bambino. Ha anche un appeal come strumento per monitorare la respirazione nel sottogruppo di neonati in cui il monitoraggio respiratorio domiciliare è clinicamente indicato, così come negli ambienti ospedalieri in cui i medici desiderano utilizzare il monitoraggio respiratorio non cablato.

"Però, è molto importante notare che l'American Academy of Pediatrics raccomanda di non utilizzare un monitor che si spaccia per ridurre il rischio di sindrome della morte improvvisa del lattante, e questa ricerca e il team non fanno affermazioni del genere".

Mentre BreathJunior attualmente utilizza il rumore bianco per monitorare la respirazione e il movimento, i ricercatori vorrebbero espandere le sue capacità in modo che possa utilizzare anche altri suoni rilassanti come le ninne nanne.

Il team prevede di commercializzare questa tecnologia attraverso uno spin-out UW, Scienze della vita del suono, Inc.

"In pochi anni, abbiamo fatto molta strada dal monitoraggio di grandi movimenti negli adulti all'estrazione del piccolo movimento della respirazione di un neonato, " Ha detto Gollakota. "Questo è stato possibile grazie alle innovazioni algoritmiche e ai progressi nell'hardware degli altoparlanti intelligenti. Guardando avanti, si può immaginare di trasformare un altoparlante intelligente in un "tricorder medico" in grado di monitorare senza contatto una varietà di segni vitali oltre alla semplice respirazione".