Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • TechWeek
  • Биомолтекст2020
  • vsh25

Пластырь с универсальным акустическим датчиком

Датчик-«пластырь» может следить за работой сердца и распознавать речь

Анастасия Краснянская, Geektimes

Физиологические механико-акустические сигналы могут дать нам много полезной информации, в том числе и о состоянии здоровья. Проблема в том, что их нельзя услышать без помощи специальных устройств. Обыкновенные стетоскопы и цифровые акселерометры способны захватывать некоторую информацию, но они не подходят для того, чтобы пользоваться ими в непрерывном, носимом режиме. Кроме того, у обоих есть недостатки, связанные с механической передачей сигналов через кожу. Ученые представили новое устройство, в котором все эти недостатки были исключены.

Мягкий акустический датчик, который можно носить на коже как пластырь, отслеживает сердечный ритм и распознает человеческую речь. Об этом заявила команда создателей из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне. Такой эпидермальный датчик может помочь диагностировать заболевания и позволит людям управлять роботами и играть в компьютерные игры без карманного девайса.

mechano-acoustic0.jpg
Снимок из пресс-релиза University of Colorado Boulder
Tiny electronic device can monitor heart, recognize speech – ВМ

Предыдущие разработки, которые обнаруживали акустические колебания через кожу, в основном работали по принципу стетоскопа. По словам ведущего автора исследования Говарда Ю Хао Лю, они были слишком большими и создавались из жестких материалов. Такие устройства было трудно носить и они в какой-то степени приглушали акустические сигналы.

В отличие от громоздких устройств, созданных ранее, в новых датчиках используются миниатюрные маломощные МЭМС-акселерометры. Они размещаются в пластинке липкой и эластичной силиконовой резины. Исследователи говорят, что эти акселерометры настроены на вибрации частот в диапазоне от 0,5 до 550 Гц. Такая частота характерна для звуков, которые издают жизненно важные органы человеческого организма. Эластичные медные провода соединяют эти датчики с усилителями, резисторами и конденсаторами.

Новое устройство, похожее на небольшой пластырь, весит всего 213,6 миллиграмма. Его толщина – 20 миллиметров. Девайс достаточно гибкий и эластичный, поэтому его можно носить на любой части тела, в том числе и на шее. Кто-то решит, что носить резиновую пластину сколько-нибудь долго на теле – очень неудобно. Как минимум из-за того, что кожа под ней будет нагреваться и потеть. Но ученые уверяют, что силиконовый каучук, из которого выполнен «пластырь», обеспечивает испарение пота. В устройстве также есть электроды, которые записывают электрические сигналы тела. Они помогают датчику следить за работой сердца и кардиостимуляторов.

mechano-acoustic1.jpg

Схема устройства: А – структура устройства; B – иллюстрация собранного устройства; С – искривленное устройство, поддерживаемое пинцетом; D – датчик на коже; E – флуоресцентные микрофотографии клеток, культивируемых на поверхности устройства. Зеленые и красные области соответствуют живым и мертвым клеткам; F – демонстрация возможностей растяжения устройства; G – результаты моделирования взаимосвязанных структур, испытывающих наибольшее напряжение, H – сумма колебательных реакций, измеренных на куриной грудке – имитации ткани на источнике вибрации.

Эксперименты показали, что датчик может непрерывно собирать сразу несколько различных видов акустических сигналов: открытие и закрытие сердечных клапанов, пульсация крови в сонной артерии в области шеи, колебания голосовых связок и движения в желудочно-кишечном тракте. Ученые провели испытания на добровольцах в частной медицинской клинике в Тусоне, Аризона. В ходе тестов выяснилось, что устройство способно обнаружить шумы в сердце. Ученые также провели эксперимент с использованием системы поддержки желудочков сердца. Это устройство помогает сердцу перекачивать кровь, тем самым частично или полностью заменяя его функцию. Ученые сымитировали таким образом работу сердца, а также смоделировали условия для тромбообразования и эмболии. Новые датчики справились с задачей и смогли обнаружить тромбы, которые потенциально могут привести к летальному исходу.

Помимо медицины, ученые нашли и другие применения для своего девайса. Если «пластырь» приклеить к горлу, с его помощью можно управлять роботами или играть в видеоигры, служить интерфейсом для отправки команд на компьютер. Датчик, размещенный соответствующим образом, может захватывать сигналы от мышц артикулярного аппарата и акустических колебаний голосовых связок. Доброволец мог контролировать персонажа Pac-Man, отдавая голосом команды «вверх», «вниз», «влево» и «вправо». Точность распознавания слов составила 90%.

mechano-acoustic2.jpg

Распознавание речи: А – расположение устройства на теле участника эксперимента; В – измерение сигналов артикулярных мышц (сверху) и акустических сигналов (сверху); С – сравнение слов в тихой (слева) и шумной (справа) обстановке, записанных с устройства (сверху) и внешнего микрофона (снизу); D – матрица, описывающая точность распознавания речи; E – распознавание речи в игре

Тесный контакт между датчиками и кожей делает их работу практически независимой от окружающего акустического шума. На схеме можно увидеть сравнение спектрограмм слов-команд, записанных во время игры эпидермальным датчиком и стандартным микрофоном iPhone, которые были прикреплены к горлу. Источники шума расположили в 2,5 метрах от объекта. В спокойной обстановке, где уровень шума не превышал 30 Дб, датчик и микрофон показали похожие результаты. В шумной среде (60 Дб), запись микрофона существенно пострадала, но на работе прототипа это никак не отразилась.

Так, устройство можно использовать для связи в условиях повышенного шума. Говард Ю Хао Лю считает, что датчик также может помочь людям с нарушениями речи, солдатам на поле боя и первым очевидцам в местах бедствия.

Сейчас работа прототипа зависит от проводов, по которым передаются данные. Чтобы сделать его более практичным для использования в реальном мире, команда ученых собирается полностью перевести устройство на беспроводную передачу данных. В перспективе последующие исследования помогут увеличить диапазон частот вибраций, распознаваемых эпидермальным датчиком, до 2000 Гц. Тогда прототип распознает полный спектр вибраций человеческой речи и сможет выступать в качестве микрофона.

Научная работа Liu et al. Epidermal mechano-acoustic sensing electronics for cardiovascular diagnostics and human-machine interfaces опубликована в журнале ScienceAdvances 16 ноября 2016 года

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
 21.11.2016


Читать статьи по темам:

экспресс-диагностика Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Флешка для диагностики ВИЧ

Британские ученые разработали компактное устройство для экспресс-диагностики ВИЧ-инфекции, которое подключается к стандартному USB-разъему.

читать

Карманный спектрометр для параллельной диагностики рака

Американские ученые разработали совместимый со смартфоном спектроскоп, который может одновременно измерять концентрацию маркеров рака в восьми пробах биоматериала.

читать

Биосенсор выявит инфекцию

Устройство способно выявлять бактерии и вирусы при помощи инфракрасного света и может найти широкое применение в крупных транспортных узлах, например, в аэропортах

читать

Новый метод подбора противораковых препаратов

Устройство под названием «суспензионный микроканальный резонатор» может за 15 часов определить реакцию клеток конкретной опухоли на разлиные химиопрепараты.

читать

Отечественный гаджет для мониторинга здоровья

На конец третьего квартала 2016 г. запланирован выпуск телемедицинского комплекса CardioMarker, позволяющего контролировать состояние сердца и всего организма на расстоянии.

читать