El sensor de "parche" puede monitorear la función cardíaca y reconocer el habla

Northwestern University / University of Colorado Boulder

Las señales fisiológicas mecánico-acústicas pueden brindarnos mucha información útil, incluida información sobre la salud. El problema es que no se pueden escuchar sin la ayuda de dispositivos especiales. Los estetoscopios ordinarios y los acelerómetros digitales son capaces de capturar cierta información, pero no son adecuados para usarlos en un modo continuo y portátil. Además, ambos tienen desventajas asociadas con la transmisión mecánica de señales a través de la piel. Los científicos han introducido un nuevo dispositivo en el que se eliminaron todas estas deficiencias.

Un sensor acústico suave que se puede usar en la piel como un parche rastrea su ritmo cardíaco y reconoce el habla humana. Así lo afirmó el equipo de creadores deUniversidad de Illinois en Urbana-Champaign . Tal sensor epidérmico puede ayudar a diagnosticar enfermedades y permitir a las personas controlar robots y jugar juegos de computadora sin un dispositivo de bolsillo.


Diagrama del dispositivo: A - estructura del dispositivo; B es una ilustración de un dispositivo ensamblado; C es un dispositivo curvo compatible con pinzas; D - sensor en la piel; E - micrografías de fluorescencia de células cultivadas en la superficie del dispositivo. Las áreas verdes y rojas corresponden a células vivas y muertas; F - demostración de las capacidades de estiramiento del dispositivo; G - los resultados de modelar las estructuras interconectadas que experimentan el mayor estrés, H - la suma de las reacciones vibratorias medidas en la pechuga de pollo - simulando el tejido en la fuente de vibración

Desarrollos anteriores, que detectaron vibraciones acústicas a través de la piel, básicamente funcionaron según el principio de un estetoscopio. Según el autor principal del estudio, Howard Yu Hao Liu, eran demasiado grandes y estaban hechos de materiales duros. Dichos dispositivos eran difíciles de usar y, en cierta medida, atenuaban las señales acústicas.

A diferencia de los dispositivos voluminosos creados anteriormente, los nuevos sensores utilizan MEMS en miniatura de baja potenciaacelerómetros Se colocan en una placa de goma de silicona adhesiva y elástica. Los investigadores dicen que estos acelerómetros están sintonizados para vibrar frecuencias en el rango de 0.5 a 550 Hz. Esta frecuencia es característica de los sonidos que emiten órganos vitales del cuerpo humano. Los cables de cobre elásticos conectan estos sensores a amplificadores, resistencias y condensadores.

El nuevo dispositivo, similar a un pequeño parche, pesa solo 213,6 miligramos. Su grosor es de 20 milímetros. El dispositivo es bastante flexible y elástico, por lo que se puede usar en cualquier parte del cuerpo, incluido el cuello. Alguien decide que usar una placa de goma por mucho tiempo en el cuerpo es muy inconveniente. Al menos debido al hecho de que la piel debajo de ella se calentará y sudará. Pero los científicos aseguran que el caucho de silicona, del cual está hecho el "parche", proporciona evaporación del sudor. El dispositivo también tiene electrodos que registran las señales eléctricas del cuerpo. Ayudan al sensor a controlar el trabajo del corazón y los marcapasos.

Los experimentos han demostrado que el sensor puede recolectar continuamente varios tipos diferentes de señales acústicas a la vez: apertura y cierre de las válvulas cardíacas, pulsación de sangre en la arteria carótida en el cuello, vibraciones de las cuerdas vocales y movimiento en el tracto gastrointestinal. Los científicos evaluaron a voluntarios en una clínica médica privada en Tucson, Arizona. Durante las pruebas, resultó que el dispositivo puede detectar soplos cardíacos. Los científicos también realizaron un experimento utilizando el sistema de soporte ventricular. Este dispositivo ayuda al corazón a bombear sangre, por lo que reemplaza parcial o completamente su función. Los científicos simularon el trabajo del corazón de esta manera, y también simularon las condiciones de trombosis y embolia. Los nuevos sensores hicieron frente a la tarea y pudieron detectar coágulos de sangre que podrían ser fatales.

Además de la medicina, los científicos han encontrado otros usos para su dispositivo. Si el "parche" está pegado a la garganta, puede usarse para controlar robots o jugar videojuegos, servir como interfaz para enviar comandos a una computadora. Un sensor colocado adecuadamente puede capturar señales de los músculos del aparato articular y las vibraciones acústicas de las cuerdas vocales. El voluntario podría controlar el personaje de Pac-Man, dando a su voz el comando "arriba", "abajo", "izquierda" y "derecha". La precisión del reconocimiento de palabras fue del 90%.


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El contacto cercano entre los sensores y la piel hace que su funcionamiento sea prácticamente independiente del ruido acústico ambiental. En el diagrama puede ver una comparación de los espectrogramas de palabras de comando registradas durante el juego por el sensor epidérmico y el micrófono estándar del iPhone, que se conectaron a la garganta. Las fuentes de ruido se encuentran a 2,5 metros del establecimiento. En un ambiente tranquilo, donde el nivel de ruido no excedió los 30 dB, el sensor y el micrófono mostraron resultados similares. En un entorno ruidoso (60 dB), la grabación del micrófono se vio significativamente afectada, pero esto no afectó el trabajo del prototipo.

Por lo tanto, el dispositivo se puede utilizar para la comunicación en condiciones de mayor ruido. Howard Yu Hao Liu cree que el sensor también puede ayudar a las personas con discapacidades del habla, a los soldados en el campo de batalla y a los primeros testigos en los sitios del desastre.

Ahora el trabajo del prototipo depende de los cables a través de los cuales se transmiten los datos. Para hacerlo más práctico para su uso en el mundo real, un equipo de científicos va a transferir completamente el dispositivo a la transmisión inalámbrica de datos. En el futuro, otros estudios ayudarán a aumentar el rango de frecuencias de vibración reconocidas por el sensor epidérmico a 2000 Hz. Luego, el prototipo reconoce la gama completa de vibraciones del habla humana y puede actuar como un micrófono.

El trabajo científico fue publicado en la revista ScienceAdvances el 16 de noviembre de 2016
DOI: 10.1126 / sciadv.1601185

Source: https://habr.com/ru/post/es399183/