Forskare har utvecklat ny programvara som gör det möjligt att använda billiga, värmekameror anslutna till mobiltelefoner för att spåra hur snabbt en person andas. Denna typ av mobil termisk avbildning kan användas för att övervaka andningsproblem hos äldre som bor ensamma, personer som misstänks ha sömnapné eller spädbarn med risk för plötsligt spädbarnsdödssyndrom (SIDS).

I tidskriften The Optical Society (OSA) Biomedicinsk optik Express , forskarna rapporterar att deras nya programvara i kombination med en billig termisk kamera fungerade bra när de analyserade andningsfrekvensen under tester som simulerade verkliga rörelser och temperaturförändringar.

"När värmekameror fortsätter att bli mindre och billigare, vi förväntar oss att telefoner, datorer och augmented reality -enheter kommer en dag att innehålla värmekameror som kan användas för olika applikationer, "sa Nadia Bianchi-Berthouze från University College London, (Storbritannien) och ledare för forskargruppen. "Genom att använda billiga värmekameror, vårt arbete är ett första steg mot att föra in termisk avbildning i människors vardag. Detta tillvägagångssätt kan användas på platser där andra sensorer kanske inte fungerar eller kan orsaka oro. "

Förutom att upptäcka andningsproblem, det nya tillvägagångssättet kan en dag tillåta kameran på din dator att upptäcka subtila andnings oegentligheter i samband med smärta eller stress och sedan skicka instruktioner som hjälper dig att slappna av och reglera andningen. Även om traditionella videokameror kan användas för att spåra andning, de fungerar inte bra i svagt ljus och kan orsaka integritetsproblem när de används för övervakning på äldreboenden, till exempel.

"Värmekameror kan upptäcka andning på natten och under dagen utan att personen behöver bära någon typ av sensor, "sa Youngjun Cho, tidningens första författare. "Jämfört med en traditionell videokamera, en värmekamera är mer privat eftersom det är svårare att identifiera personen. "

Personliga värmekameror

Värmekameror, som använder infraröda våglängder för att avslöja temperaturen på ett objekt eller en scen, har använts i en mängd olika övervakningsprogram under en tid. Nyligen, deras pris och storlek har sjunkit tillräckligt för att göra dem praktiska för personligt bruk, med små värmekameror som ansluts till mobiltelefoner som nu finns tillgängliga för cirka $ 200.

"Stor, dyra termiska bildsystem har använts för att mäta andning genom att övervaka temperaturförändringar inuti näsborrarna under kontrollerade inställningar, "sa Cho." Vi ville använda de nya bärbara systemen för att göra samma sak genom att skapa en smart telefonbaserad respiratorisk spårningsmetod som kan användas i nästan alla miljöer eller aktiviteter. Dock, vi fann att i verkliga situationer påverkades denna typ av mobil termisk avbildning av förändringar i lufttemperatur och kroppsrörelse. "

För att lösa dessa problem, forskarna utvecklade algoritmer som kan användas med alla värmekameror för att kompensera för förändringar i omgivningstemperaturen och spåra näsborrarna exakt när personen rör sig. Dessutom, de nya algoritmerna förbättrar hur andningssignaler bearbetas. Istället för att medelvärdet för temperaturavläsningarna från 2D -pixlar runt näsborrarna, som har gjorts tidigare Cho utvecklade ett sätt att behandla området som en 3D -yta för att skapa en mer förfinad mätning av temperaturen i näsborrarna.

Testar i verkliga situationer

Förutom laboratorietester inomhus, forskarna använde den mobila värmeavbildningsmetoden för att mäta andning av volontärer i ett scenario som involverade andningsövningar med förändringar i omgivningstemperatur och i ett helt obegränsat test där volontärer gick runt i och utanför en byggnad. Under gångproven, värmekameran placerades mellan 20 och 30 centimeter från en persons ansikte med en rigg som fäst kameran på en hatt. En sladd anslöt sedan kameran med en mobiltelefon bärd av volontärer. Det är också möjligt att hålla en smartphone med en bildkamera cirka 50 centimeter från ansiktet för att mäta andningen.

"För alla tre typer av studier, algoritmerna visade betydligt bättre prestanda vid spårning av näsborreområdet än andra toppmoderna metoder, "sa Cho." När det gäller att uppskatta andningsfrekvensen, testerna utanför laboratoriet visade de bästa resultaten jämfört med de senaste algoritmerna. Även om resultaten var jämförbara med den traditionella andningsbältessensorn, för mobila situationer verkar vårt tillvägagångssätt vara mer stabilt eftersom bältet tenderar att lossna. "

Eftersom det nya tillvägagångssättet är mer stabilt än standard andningsgivare för bröstbältet, metoden kan eventuellt användas för att optimera en idrottares prestanda genom att ge mer tillförlitlig och exakt återkoppling på andningsmönster under träning.

Forskarna tog sitt arbete ett steg längre genom att dra en persons mentala belastning eller stress genom automatisk andningsanalys. De använde sin termiska bildprogramvara för att spåra andningen hos människor som var fria att röra sig medan de utför olika typer av uppgifter, och resultaten stämde väl överens med resultaten från studier som använde mycket mer sofistikerad utrustning, att indikera det bärbara värmekamerabaserade tillvägagångssättet kan vara ett användbart verktyg för appar som hjälper människor att slappna av.

"Genom att använda mobil termisk avbildning för att övervaka endast andning, vi fick resultat mycket jämförbara med vad andra studier hade funnit, "sade Bianchi-Berthouze." Men dessa studier använde komplexa, state-of-the-art tekniker som involverade flera sensorer som inte bara övervakar andning utan även puls. "

Den nuvarande versionen av programvaran uppskattar inte andningsfrekvensen i realtid, men forskarna arbetar med att införliva denna förmåga och testa sina algoritmer i mer verkliga situationer.