De dagar då människor använder smarta högtalare – som Amazon Echo eller Google Home – bara som kökstimer eller middagsmusikspelare är förbi. Dessa enheter har börjat hjälpa människor att spåra sin egen hälsa, och kan till och med övervaka hjärtstopp.

Nu har forskare vid University of Washington utvecklat en ny smart högtalarfärdighet som låter en enhet använda vitt brus för att både lugna sovande bebisar och övervaka deras andning och rörelser.

Med denna färdighet, kallad BreathJunior, den smarta högtalaren spelar vitt brus och registrerar hur bruset reflekteras tillbaka för att upptäcka andningsrörelser hos spädbarns små bröst. När forskarna testade BreathJunior med fem barn på ett lokalt sjukhuss neonatala intensivvårdsavdelning, den upptäckte andningsfrekvenser som nära överensstämde med frekvenserna detekterade av standardmonitorer för vitala tecken. Teamet kommer att presentera sina resultat den 22 oktober på MobiCom 2019-konferensen i Los Cabos, Mexiko.

"En av de största utmaningarna som nya föräldrar står inför är att se till att deras barn får tillräckligt med sömn. De vill också övervaka sina barn medan de sover. Med detta i åtanke, vi försökte utveckla ett system som kombinerar lugnande vitt brus med förmågan att diskret mäta ett spädbarns rörelser och andning, " sa medförfattaren Dr. Jacob Sunshine, en biträdande professor i anestesiologi och smärtmedicin vid UW School of Medicine.

För att göra det enkelt för nyblivna föräldrar, teamet skapade ett system som kunde köras på en smart högtalare som replikerar hårdvaran i ett Amazon Echo.

"Smarta högtalare blir mer och mer utbredda, och dessa enheter har redan förmågan att spela vitt brus, " sa medförfattaren Shyam Gollakota, en docent vid UW:s Paul G. Allen School of Computer Science &Engineering och chef för UW Computing for Health-gruppen. "Om vi ​​kunde använda den här vita brusfunktionen som ett kontaktlöst sätt att övervaka spädbarns hand- och benrörelser, andas och gråter, då blir den smarta högtalaren en enhet som kan göra allt, vilket är riktigt spännande."

Vitt brus är en kombination av olika ljudfrekvenser, som gör ett till synes slumpmässigt lugnande ljud som kan hjälpa till att dölja andra ljud som kan väcka en sovande bebis. För att använda vitt brus som en andningsmonitor, teamet behövde utveckla en metod för att upptäcka små förändringar mellan det vita bruset en smart högtalare spelar och det vita bruset som reflekteras tillbaka från spädbarnets kropp in i högtalarens mikrofoner.

"Vi börjar med att sända en slumpmässig signal med vitt brus. Men vi genererar den här slumpmässiga signalen, så vi vet exakt vad slumpen är, " sa första författaren Anran Wang, en doktorand i Allen School. "Den signalen slocknar och reflekteras av barnet. Sedan får den smarta högtalarens mikrofoner en slumpmässig signal tillbaka. Eftersom vi känner till den ursprungliga signalen, vi kan ta bort all slumpmässighet från det och sedan har vi bara information om rörelsen från barnet."

Att upptäcka andning hos bebisar har en extra rynka:rörelsen i deras bröst är så liten att den smarta högtalaren behöver veta exakt var bebisarna är för att kunna "se" dem andas.

"Andningssignalen är så svag att vi inte bara kan leta efter en förändring i den övergripande signalen vi får tillbaka, " Wang sa. "Vi behövde ett sätt att skanna rummet och lokalisera var barnet är för att maximera förändringar i signalen för vitt brus. Vår algoritm utnyttjar det faktum att smarta högtalare har en rad mikrofoner som kan användas för att fokusera i riktning mot barnets bröst. Den börjar lyssna efter förändringar i ett gäng potentiella riktningar, och fortsätter sedan sökningen mot den riktning som ger den tydligaste signalen."

BreathJunior spårar både små rörelser – som bröströrelsen involverad i andningen – och stora rörelser – som spädbarn som rör sig i sina spjälsängar. Den kan också fånga upp ljudet av en baby som gråter.

Teamet skapade en prototyp av smart högtalare för att testa BreathJunior på en spädbarnssimulator. Forskarna kunde ställa in simulatorn att andas vid specifika hastigheter, vilket gjorde det möjligt för dem att testa hur väl BreathJunior detekterade en mängd olika andningsfrekvenser - från långsamma 20 andetag per minut till 60 andetag per minut. Spädbarnssimulatorn gjorde det också möjligt för teamet att testa om BreathJunior kunde upptäcka onormala andningsmönster, såsom apné, som är vanliga hos spädbarn som föds tidigt och kanske inte har utvecklat andningscentrum i hjärnan. Systemet fungerade bra för båda testerna.

Sedan testade teamet hur väl deras prototyp spårade riktiga spädbarns andning på neonatal intensivvårdsavdelning eller NICU. Dessa barn är anslutna till trådbundna, andningsmonitorer av sjukhuskvalitet, så att teamet kunde jämföra sina avläsningar med BreathJuniors. Systemet kunde exakt identifiera andningsfrekvenser upp till 65 andetag per minut.

"Spädbarn på NICU är mer benägna att ha antingen ganska höga eller mycket långsamma andningshastigheter, det är därför NICU övervakar deras andning så noga, "Sunshine sa. "BreathJunior har potential för föräldrar som vill använda vitt brus för att hjälpa sitt barn att sova och som också vill ha ett sätt att övervaka sitt barns andning och rörelser. Det har också tilltalande som ett verktyg för att övervaka andningen hos den delmängd av spädbarn där hemandningsövervakning är kliniskt indicerad, samt i sjukhusmiljöer där läkare vill använda andningsövervakning utan kablar.

"Dock, det är mycket viktigt att notera att American Academy of Pediatrics rekommenderar att man inte använder en monitor som marknadsför sig själv som minskar risken för plötslig spädbarnsdöd, och denna forskning och teamet gör inget sådant påstående."

Medan BreathJunior för närvarande använder vitt brus för att spåra andning och rörelse, forskarna skulle vilja utöka dess kapacitet så att den också kan använda andra lugnande ljud som vaggvisor.

Teamet planerar att kommersialisera denna teknik genom en UW spinout, Sund livsvetenskap, Inc.

"På bara några år, vi har kommit långt från att övervaka stora rörelser hos vuxna till att extrahera den lilla rörelsen av ett nyfött barns andning, " Gollakota sa. "Detta har varit möjligt på grund av algoritmiska innovationer såväl som framsteg inom smarta högtalarhårdvara. Blickar framåt, man kan tänka sig att förvandla en smart högtalare till en "medicinsk tricorder" som kontaktlöst kan övervaka en mängd vitala tecken utöver att bara andas."