Northwestern University/University of Colorado Boulder

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.


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

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.

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%.


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 и 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 опубликована в журнале ScienceAdvances 16 ноября 2016 года
DOI: 10.1126 / sciadv.1601185