O sensor "patch" pode monitorar a função cardíaca e reconhecer a fala

Universidade Northwestern / Universidade do Colorado Boulder

Sinais mecânico-acústicos fisiológicos podem nos fornecer muitas informações úteis, incluindo informações sobre saúde. O problema é que eles não podem ser ouvidos sem a ajuda de dispositivos especiais. Os estetoscópios comuns e os acelerômetros digitais são capazes de capturar algumas informações, mas não são adequados para usá-los em um modo contínuo e portátil. Além disso, ambos têm desvantagens associadas à transmissão mecânica de sinais através da pele. Os cientistas introduziram um novo dispositivo no qual todas essas deficiências foram eliminadas.

Um sensor acústico suave que pode ser usado na pele como um adesivo rastreia sua frequência cardíaca e reconhece a fala humana. Isto foi afirmado pela equipe de criadores deUniversidade de Illinois em Urbana-Champaign . Esse sensor epidérmico pode ajudar a diagnosticar doenças e permitir que as pessoas controlem robôs e joguem jogos de computador sem um dispositivo de bolso.


Diagrama do dispositivo: A - estrutura do dispositivo; B é uma ilustração de um dispositivo montado; C é um dispositivo curvo suportado por uma pinça; D - sensor na pele; E - micrografias de fluorescência de células cultivadas na superfície do dispositivo. Áreas verdes e vermelhas correspondem a células vivas e mortas; F - demonstração das capacidades de alongamento do dispositivo; G - os resultados da modelagem das estruturas interconectadas que sofrem o maior estresse, H - a soma das reações vibracionais medidas no peito de frango - simulando o tecido na fonte de vibração

Desenvolvimentos anteriores, que detectaram vibrações acústicas através da pele, basicamente trabalharam no princípio de um estetoscópio. Segundo o principal autor do estudo, Howard Yu Hao Liu, eles eram muito grandes e eram feitos de materiais duros. Esses dispositivos eram difíceis de usar e, até certo ponto, abafavam os sinais acústicos.

Ao contrário dos dispositivos volumosos criados anteriormente, os novos sensores usam MEMS em miniatura de baixa potênciaacelerômetros. Eles são colocados em uma placa de borracha de silicone pegajosa e elástica. Os pesquisadores dizem que esses acelerômetros são ajustados para vibrar frequências na faixa de 0,5 a 550 Hz. Essa frequência é característica dos sons que emitem órgãos vitais do corpo humano. Fios de cobre elástico conectam esses sensores a amplificadores, resistores e capacitores.

O novo dispositivo, semelhante a um pequeno adesivo, pesa apenas 213,6 miligramas. Sua espessura é de 20 milímetros. O dispositivo é bastante flexível e elástico, podendo ser usado em qualquer parte do corpo, inclusive no pescoço. Alguém decide que usar uma placa de borracha por qualquer período de tempo no corpo é muito inconveniente. Pelo menos devido ao fato de que a pele sob ela vai esquentar e suar. Mas os cientistas asseguram que a borracha de silicone, da qual o "adesivo" é feito, fornece a evaporação do suor. O dispositivo também possui eletrodos que registram os sinais elétricos do corpo. Eles ajudam o sensor a monitorar o trabalho do coração e dos marcapassos.

Os experimentos mostraram que o sensor pode coletar continuamente vários tipos diferentes de sinais acústicos de uma só vez: abrir e fechar as válvulas cardíacas, pulsação de sangue na artéria carótida no pescoço, vibrações das cordas vocais e movimento no trato gastrointestinal. Os cientistas testaram voluntários em uma clínica médica particular em Tucson, Arizona. Durante os testes, verificou-se que o dispositivo é capaz de detectar sopro cardíaco. Os cientistas também realizaram um experimento usando o sistema de suporte ventricular. Este dispositivo ajuda o coração a bombear sangue, substituindo parcial ou completamente sua função. Os cientistas simularam o trabalho do coração dessa maneira e também as condições de trombose e embolia. Novos sensores lidaram com a tarefa e foram capazes de detectar coágulos sanguíneos que poderiam ser fatais.

Além da medicina, os cientistas encontraram outros usos para o seu dispositivo. Se o “patch” estiver colado na garganta, ele pode ser usado para controlar robôs ou jogar videogames, servir como uma interface para enviar comandos para um computador. Um sensor colocado adequadamente pode capturar sinais dos músculos do aparelho articular e das vibrações acústicas das cordas vocais. O voluntário poderia controlar o personagem de Pac-Man, dando à voz o comando "para cima", "para baixo", "esquerda" e "direita". A precisão do reconhecimento de palavras foi de 90%.


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O contato próximo entre os sensores e a pele torna sua operação praticamente independente do ruído acústico do ambiente. No diagrama, você pode ver uma comparação dos espectrogramas das palavras de comando gravadas durante o jogo pelo sensor epidérmico e pelo microfone padrão do iPhone, que foram anexados à garganta. As fontes de ruído estão localizadas a 2,5 metros da propriedade. Em um ambiente silencioso, onde o nível de ruído não excede 30 dB, o sensor e o microfone mostraram resultados semelhantes. Em um ambiente barulhento (60 dB), a gravação do microfone foi significativamente afetada, mas isso não afetou o trabalho do protótipo.

Portanto, o dispositivo pode ser usado para comunicação em condições de aumento de ruído. Howard Yu Hao Liu acredita que o sensor também pode ajudar pessoas com deficiência de fala, soldados no campo de batalha e primeiras testemunhas oculares nos locais de desastre.

Agora, o trabalho do protótipo depende dos fios através dos quais os dados são transmitidos. Para torná-lo mais prático para uso no mundo real, uma equipe de cientistas transferirá completamente o dispositivo para transmissão de dados sem fio. No futuro, novos estudos ajudarão a aumentar o alcance das frequências de vibração reconhecidas pelo sensor epidérmico para 2000 Hz. Em seguida, o protótipo reconhece toda a gama de vibrações da fala humana e pode atuar como um microfone.

O trabalho científico foi publicado na revista ScienceAdvances em 16 de novembro de 2016
DOI: 10.1126 / sciadv.1601185

Source: https://habr.com/ru/post/pt399183/