(Ritmo cardiaco-Immagine: i ricercatori della UW hanno sviluppato una nuova abilità per un altoparlante intelligente che funge da monitor senza contatto per rilevare battiti cardiaci regolari e irregolari).
Utilizzando altoparlanti intelligenti, i ricercatori hanno sviluppato il primo sistema di intelligenza artificiale per il monitoraggio senza contatto dei ritmi cardiaci.
Altoparlanti intelligenti come Amazon Echo e Google Home si sono dimostrati abili nel monitorare alcuni problemi sanitari a casa. I ricercatori dell’Università di Washington hanno dimostrato che questi dispositivi possono rilevare gli arresti cardiaci e monitorare la respirazione dei bambini.
Ma che dire del monitoraggio di qualcosa di ancora più piccolo: il movimento minuto dei singoli battiti cardiaci in una persona?
Il coautore, il dottor Dan Nguyen, utilizza il prototipo di altoparlante intelligente del team per dimostrare come funziona il sistema. Credito immagine: Mark Stone / University of Washington
I ricercatori della University of Washington hanno sviluppato una nuova abilità per altoparlanti intelligenti che per la prima volta monitorano i battiti cardiaci regolari e irregolari senza contatto fisico. Il sistema invia suoni non udibili dall’altoparlante in una stanza e, in base al modo in cui i suoni vengono riflessi all’altoparlante, può identificare e monitorare i singoli battiti cardiaci. Poiché il battito cardiaco è un movimento così piccolo sulla superficie del torace, il sistema del team utilizza l’apprendimento automatico per aiutare l’oratore intelligente a individuare i segnali di battiti cardiaci regolari e irregolari.
Quando i ricercatori hanno testato questo sistema su partecipanti sani e pazienti cardiopatici ospedalizzati, l’oratore intelligente ha rilevato i battiti cardiaci che corrispondevano strettamente ai battiti cardiaci standard rilevati dal monitor.
Il team ha pubblicato questi risultati su Communications Biology.
“I battiti cardiaci regolari sono abbastanza facili da rilevare anche se il segnale è piccolo perché puoi cercare uno schema periodico nei dati”, ha detto l’autore co-senior Shyam Gollakota, Professore associato UW presso la Paul G. Allen School of Computer Science & Ingegneria. “Ma i battiti cardiaci irregolari sono davvero impegnativi perché non esiste un tale schema. Non ero sicuro che sarebbe stato possibile rilevarli, quindi sono rimasto piacevolmente sorpreso dal fatto che i nostri algoritmi potessero identificare i battiti cardiaci irregolari durante i test con pazienti cardiopatici”.
Mentre molte persone hanno familiarità con il concetto di frequenza cardiaca, i medici sono più interessati alla valutazione del ritmo cardiaco. La frequenza cardiaca è la media dei battiti cardiaci nel tempo, mentre un ritmo cardiaco descrive l’andamento dei battiti cardiaci.
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Ad esempio, se una persona ha una frequenza cardiaca di 60 battiti al minuto, potrebbe avere un ritmo cardiaco regolare – un battito ogni secondo – o un ritmo cardiaco irregolare, in cui i battiti sono distribuiti casualmente in quel minuto, ma comunque in media 60 battiti per minuto.
“I disturbi del ritmo cardiaco sono in realtà più comuni di altre patologie cardiache ben note. Le aritmie cardiache possono causare gravi morbilità come gli ictus, ma possono essere altamente imprevedibili e quindi difficili da diagnosticare “, ha detto il co-autore senior Dr. Arun Sridhar, assistente Professore di cardiologia presso la UW School of Medicine. “La disponibilità di un test a basso costo che può essere eseguito frequentemente e comodamente da casa può essere un punto di svolta per alcuni pazienti in termini di diagnosi precoce e gestione“.
La chiave per valutare il ritmo cardiaco sta nell’identificare i singoli battiti cardiaci. Per questo sistema, la ricerca dei battiti cardiaci inizia quando una persona si siede sessanta cm circa dall’altoparlante intelligente. Quindi il sistema riproduce un suono continuo impercettibile, che rimbalza sulla persona e poi ritorna all’altoparlante. In base a come è cambiato il suono restituito, il sistema può isolare i movimenti della persona, inclusi il sollevamento e l’abbassamento del torace mentre respira.
“Il movimento del respiro di qualcuno è di ordini di grandezza più grande sulla parete toracica rispetto al movimento del battito cardiaco, quindi rappresenta una sfida piuttosto grande”, ha detto l’autore principale Anran Wang, un dottorando della Allen School. “E il segnale respiratorio non è regolare, quindi è difficile semplicemente filtrarlo. Sfruttando il fatto che gli altoparlanti intelligenti hanno più microfoni, abbiamo progettato un nuovo algoritmo di formazione del raggio per aiutare gli altoparlanti a trovare il battito cardiaco”.
Il team ha progettato quello che viene chiamato algoritmo di apprendimento automatico autogestito, che apprende al volo anziché da un set di addestramento. Questo algoritmo combina i segnali provenienti da tutti i microfoni multipli dell’altoparlante intelligente per identificare l’elusivo segnale del battito cardiaco.
“Questo è simile a come Alexa può sempre trovare la mia voce anche se sto riproducendo un video o se ci sono più persone che parlano nella stanza”, ha detto Gollakota. “Quando dico ‘Ehi, Alexa’, i microfoni stanno lavorando insieme per trovarmi nella stanza e ascoltare quello che dico dopo. Questo è fondamentalmente quello che sta succedendo qui, ma con il battito del cuore. “
I segnali del battito cardiaco che l’altoparlante intelligente rileva non assomigliano ai picchi tipici comunemente associati ai tradizionali monitor del battito cardiaco. I ricercatori hanno utilizzato un secondo algoritmo per segmentare il segnale in singoli battiti cardiaci in modo che il sistema potesse estrarre quello che è noto come l’intervallo tra i battiti, o la quantità di tempo tra due battiti cardiaci.
“Con questo metodo, non riceviamo il segnale elettrico del cuore che si contrae. Invece stiamo vedendo le vibrazioni sulla pelle quando il cuore batte”, ha detto Wang.
I ricercatori hanno testato un prototipo di altoparlante intelligente che esegue questo sistema su due gruppi: 26 partecipanti sani e 24 pazienti ospedalizzati con una varietà di condizioni cardiache, tra cui fibrillazione atriale e insufficienza cardiaca. Il team ha confrontato l’intervallo tra i battiti dell’oratore intelligente con quello di un monitor del battito cardiaco standard. Dei quasi 12.300 battiti cardiaci misurati per i partecipanti sani, l’intervallo mediano tra i battiti dell’oratore intelligente era entro 28 millisecondi dal monitor standard. Lo smart speaker ha funzionato quasi altrettanto bene con i pazienti cardiopatici: degli oltre 5.600 battiti cardiaci misurati, l’intervallo mediano tra i battiti era entro 30 millisecondi dallo standard.
Attualmente questo sistema è predisposto per controlli a campione: se una persona è preoccupata per il proprio ritmo cardiaco, può sedersi di fronte a un altoparlante intelligente per ottenere una lettura. Ma il team di ricerca spera che le versioni future possano monitorare continuamente i battiti cardiaci mentre le persone dormono, qualcosa che potrebbe aiutare i medici a diagnosticare condizioni come l’apnea notturna.
“Se si dispone di un dispositivo come questo, è possibile monitorare un paziente su base estesa e definire schemi personalizzati per il paziente. Ad esempio, possiamo capire quando si verificano aritmie per ogni paziente specifico e quindi sviluppare piani di assistenza corrispondenti che sono su misura per quando i pazienti ne hanno effettivamente bisogno”, ha detto Sridhar. “Questo è il futuro della cardiologia. E il bello dell’utilizzo di questo tipo di dispositivi è che si trovano già nelle case delle persone“.
Fonte: Università di Washington
