Der Patch-Sensor kann die Herzfunktion überwachen und Sprache erkennen

Northwestern University / Universität von Colorado Boulder

Physiologische mechanisch-akustische Signale können uns viele nützliche Informationen geben, einschließlich Gesundheitsinformationen. Das Problem ist, dass sie ohne die Hilfe spezieller Geräte nicht gehört werden können. Gewöhnliche Stethoskope und digitale Beschleunigungsmesser können einige Informationen erfassen, sind jedoch nicht für die Verwendung in einem kontinuierlichen, tragbaren Modus geeignet. Darüber hinaus weisen beide Nachteile auf, die mit der mechanischen Übertragung von Signalen durch die Haut verbunden sind. Wissenschaftler haben ein neues Gerät eingeführt, mit dem all diese Mängel beseitigt wurden.

Ein weicher akustischer Sensor, der als Pflaster auf der Haut getragen werden kann, erfasst Ihre Herzfrequenz und erkennt die menschliche Sprache. Dies wurde vom Entwicklerteam von angegebenUniversität von Illinois in Urbana-Champaign . Ein solcher epidermaler Sensor kann bei der Diagnose von Krankheiten helfen und es Menschen ermöglichen, Roboter zu steuern und Computerspiele ohne Taschengerät zu spielen.


Gerätediagramm: A - Gerätestruktur; B ist eine Darstellung einer zusammengebauten Vorrichtung; C ist eine gekrümmte Vorrichtung, die von einer Pinzette getragen wird; D - Sensor auf der Haut; E - fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen von Zellen, die auf der Oberfläche des Geräts kultiviert wurden. Grüne und rote Bereiche entsprechen lebenden und toten Zellen; F - Demonstration der Dehnungsfähigkeiten des Geräts; G - die Ergebnisse der Modellierung der miteinander verbundenen Strukturen, die der größten Belastung ausgesetzt sind, H - die Summe der an der Hühnerbrust gemessenen Schwingungsreaktionen - simulierendes Gewebe an der Schwingungsquelle

Frühere Entwicklungen, bei denen akustische Schwingungen durch die Haut festgestellt wurden, arbeiteten im Wesentlichen nach dem Prinzip eines Stethoskops. Laut dem Hauptautor der Studie, Howard Yu Hao Liu, waren sie zu groß und bestanden aus harten Materialien. Solche Geräte waren schwer zu tragen und dämpften bis zu einem gewissen Grad akustische Signale.

Im Gegensatz zu sperrigen Geräten, die früher entwickelt wurden, verwenden die neuen Sensoren Miniatur- MEMS mit geringem StromverbrauchBeschleunigungsmesser. Sie werden in eine klebrige und elastische Silikonkautschukplatte eingelegt. Forscher sagen, dass diese Beschleunigungsmesser auf Schwingungsfrequenzen im Bereich von 0,5 bis 550 Hz abgestimmt sind. Diese Frequenz ist charakteristisch für Geräusche, die lebenswichtige Organe des menschlichen Körpers emittieren. Elastische Kupferdrähte verbinden diese Sensoren mit Verstärkern, Widerständen und Kondensatoren.

Das neue Gerät wiegt ähnlich wie ein kleines Pflaster nur 213,6 Milligramm. Seine Dicke beträgt 20 Millimeter. Das Gerät ist sehr flexibel und elastisch, sodass es an jedem Körperteil getragen werden kann, auch am Hals. Jemand entscheidet, dass das Tragen einer Gummiplatte über einen längeren Zeitraum am Körper sehr unpraktisch ist. Zumindest aufgrund der Tatsache, dass sich die Haut darunter erwärmt und schwitzt. Wissenschaftler versichern jedoch, dass Silikonkautschuk, aus dem das "Pflaster" besteht, für die Verdunstung von Schweiß sorgt. Das Gerät verfügt auch über Elektroden, die die elektrischen Signale des Körpers aufzeichnen. Sie helfen dem Sensor, die Arbeit des Herzens und der Herzschrittmacher zu überwachen.

Die Experimente zeigten, dass der Sensor kontinuierlich mehrere verschiedene Arten von akustischen Signalen gleichzeitig erfassen kann: Öffnen und Schließen der Herzklappen, Blutpulsation in der Halsschlagader, Vibrationen der Stimmbänder und Bewegung im Magen-Darm-Trakt. Wissenschaftler testeten Freiwillige in einer privaten medizinischen Klinik in Tucson, Arizona. Während der Tests stellte sich heraus, dass das Gerät Herzgeräusche erkennen kann. Die Wissenschaftler führten auch ein Experiment mit dem ventrikulären Unterstützungssystem durch. Dieses Gerät hilft dem Herzen, Blut zu pumpen, wodurch seine Funktion teilweise oder vollständig ersetzt wird. Wissenschaftler simulierten auf diese Weise die Arbeit des Herzens und simulierten auch die Bedingungen für Thrombose und Embolie. Neue Sensoren bewältigten die Aufgabe und konnten Blutgerinnsel erkennen, die möglicherweise tödlich sein könnten.

Neben der Medizin haben Wissenschaftler andere Verwendungsmöglichkeiten für ihr Gerät gefunden. Wenn der „Patch“ am Hals festgeklebt ist, kann er zur Steuerung von Robotern oder zum Spielen von Videospielen verwendet werden und als Schnittstelle zum Senden von Befehlen an einen Computer dienen. Ein entsprechend platzierter Sensor kann Signale von den Muskeln des Gelenkapparates und die akustischen Schwingungen der Stimmbänder erfassen. Der Freiwillige konnte den Charakter von Pac-Man kontrollieren und seiner Stimme den Befehl „hoch“, „runter“, „links“ und „rechts“ geben. Die Worterkennungsgenauigkeit betrug 90%.


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Der enge Kontakt zwischen den Sensoren und der Haut macht ihren Betrieb praktisch unabhängig von Umgebungsgeräuschen. Im Diagramm sehen Sie einen Vergleich der Spektrogramme von Befehlswörtern, die während des Spiels vom Epidermissensor und dem Standard-iPhone-Mikrofon aufgezeichnet wurden, die am Hals angebracht waren. Lärmquellen befinden sich 2,5 m von der Unterkunft entfernt. In einer ruhigen Umgebung, in der der Geräuschpegel 30 dB nicht überschritt, zeigten Sensor und Mikrofon ähnliche Ergebnisse. In einer lauten Umgebung (60 dB) wurde die Mikrofonaufnahme erheblich beeinträchtigt, dies hatte jedoch keinen Einfluss auf die Arbeit des Prototyps.

So kann das Gerät für die Kommunikation unter Bedingungen mit erhöhtem Rauschen verwendet werden. Howard Yu Hao Liu glaubt, dass der Sensor auch Menschen mit Sprachbehinderungen, Soldaten auf dem Schlachtfeld und ersten Augenzeugen an den Katastrophenorten helfen kann.

Jetzt hängt die Arbeit des Prototyps von den Drähten ab, über die die Daten übertragen werden. Um es für den Einsatz in der realen Welt praktischer zu machen, wird ein Team von Wissenschaftlern das Gerät vollständig auf die drahtlose Datenübertragung übertragen. Weitere Studien werden in Zukunft dazu beitragen, den Bereich der vom Epidermissensor erkannten Schwingungsfrequenzen auf 2000 Hz zu erhöhen. Dann erkennt der Prototyp den gesamten Bereich der Schwingungen der menschlichen Sprache und kann als Mikrofon fungieren.

Die wissenschaftliche Arbeit wurde am 16. November 2016 in der Zeitschrift ScienceAdvances veröffentlicht.
DOI: 10.1126 / sciadv.1601185

Source: https://habr.com/ru/post/de399183/