Цифровые стетоскопы обеспечивают лучшие результаты по сравнению с традиционными методами записи и визуализации современной аускультации. Современные стетоскопы громоздки, неконформны и не подходят для удаленного использования, а артефакты движения могут привести к неточной диагностике. В новом отчете, опубликованном в Science Advances, Сунг Хун Ли и исследовательская группа в области инженерии, нанотехнологий и медицины в Технологическом институте Джорджии, США, и в больнице Национального университета Чунгнам в Республике Корея описали класс методов, предлагающих непрерывную беспроводную аускультацию в реальном времени. Устройства являются частью мягкой носимой системы для количественной диагностики различных патологий. Используя программное устройство, Lee и соавт. обнаружили непрерывные сердечно-легочные звуки с минимальным шумом, чтобы охарактеризовать аномалии сигнала в режиме реального времени. Команда провела клиническое исследование с несколькими пациентами и контрольными субъектами, чтобы понять уникальное преимущество носимого метода аускультации со встроенным машинным обучением ., чтобы автоматизировать диагностику четырех типов заболеваний легких, от хрипов до хрипов, стридора и хрипов, с точностью 95%. Мягкая система применима для исследования сна для выявления нарушений дыхания и выявления апноэ во сне.
Аускультация в области медицины
Хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) и сердечно- сосудистые заболевания (ССЗ) являются преобладающими факторами смертности во всем мире. Эти две патологии образуют общий термин для заболеваний сердца и легких, приводящих к нарушению функции и ограничению кровотока при дыхании. Хотя примерно 80% смертности от ХОБЛ происходит в странах с низким и средним уровнем дохода из-за недоступности медицинской помощи, точная аускультация может быть полезной для диагностики заболевания на ранней стадии и оценки ответа на лечение. Точно так же звуки сердца также облегчают диагностику и идентификацию сосудистых заболеваний сердца.
Аускультация является самым основным и жизненно важным методом диагностики в медицине благодаря ее неинвазивному, быстрому, информативному и недорогому применению. Поскольку большинство стетоскопов не могут записывать обнаруженные звуки, процесс может быть ограничен с помощью обычных стетоскопов, что затрудняет совместное использование результатов для записи аномалий. В результате некоторые критические респираторные и сердечные заболевания могут быть неправильно диагностированы или не диагностированы . Цифровые стетоскопы, которые помогают аускультации в режиме реального времени , могут преобразовывать акустические звуки в электрические сигналы для усиления неслышимых звуков с помощью акустических стетоскопов. В этой работе Ли и др. представили мягкий носимый стетоскоп .система для амбулаторной аускультации кардиомиопатии с помощью класса методов, основанных на передовой электронике, гибкой механике и мягкой упаковке для сердечно-сосудистых заболеваний и мониторинга дыхания.
Устройство мягкого носимого стетоскопа (МНО)
Команда точно собирала кардиореспираторные данные во время повседневной деятельности, чтобы диагностировать легочные аномалии . Затем они улучшили отношение сигнал-шум из звуковой коллекции с подавлением вейвлетов, чтобы минимизировать схемы и сделали устройство более компактным для обучения модели машинного обучения , чтобы точно идентифицировать стридор , хрипы , хрипы и треск .легочные звуки. Lee et al. также разработали удобное приложение для мобильных устройств для записи звуков сердца и легких, а также удаленно и безопасно загрузили информацию. Они сформировали миниатюрную, мягкую переносную систему для удаленной сердечно-легочной аускультации пациента с исключительно маленькими и механически гибкими устройствами, гибкой интеграцией кожи и самопомощью для облегчения непрерывного дистанционного мониторинга без физического взаимодействия пациента и врача. Эластомерный корпус содержал внутренний силиконовый гель для облегчения контакта с кожей ., и включал тонкий проводящий слой, связанный с гидрогелем, для аускультации сердечной и дыхательной деятельности. Установка включала в себя несколько слоев мягких материалов и электронных компонентов, в том числе датчик микрофона, перезаряжаемую батарею и тонкопленочные схемы с энергосберегающим блоком синего зуба для беспроводной передачи данных. Система содержала микроэлектронный механический системный микрофон для записи звука, что позволяло команде преобразовывать звук, собранный с микрофона, в цифровые сигналы с помощью аналого-цифрового преобразователя, оптимизированного с помощью беспроводного чипа для обработки данных. Полностью портативный стетоскоп предоставил уникальную возможность удаленно контролировать цифровое здоровье.
Обычный стетоскоп против цифрового стетоскопа
Команда стремилась поддерживать надлежащий контакт системы носимых микрофонов с кожей. По сравнению с коммерческим стетоскопом тонкий и гибкий цифровой стетоскоп образует удобный контакт для высококачественной записи звука. Ли и др. провели эксперименты, чтобы сравнить производительность записи звука между обычными и цифровыми стетоскопами, в которых здоровые люди шли или стояли с устройством, закрепленным на груди, и записывали звуки каждые пять минут. Устройство также продемонстрировало водонепроницаемость и воздухопроницаемость для длительного использования.
Обнаружение тонов сердца в повседневной жизни и внедрение алгоритма шумоподавления для автоматической диагностики заболеваний
Поскольку повседневная деятельность связана с разнообразными источниками шума и может негативно повлиять на запись звуков обычным стетоскопом, клиницисты проводят аускультацию у пациентов в состоянии покоя. Ли и др. продемонстрировали эффективность цифрового стетоскопа для регулирования артефактов движения в зависимости от качества контакта с кожей, исследуя ряд сценариев, в которых испытуемые имитировали различные ситуации из реальной жизни, чтобы показать влияние измеренного качества звука. В то время как программное устройство позволяло эффективно записывать звук, обычные устройства, подобные стетоскопам, приводили к некачественной записи звуков сердца и легких. Команда использовала дополнительную фильтрацию частот среза первого уровня для удаления нежелательных высокочастотных шумов.
Исследователи изучали вейвлет-преобразование звуковых сигналов сердца, легких и фильтрацию шумов для захвата звуков тела и окружающих звуков. Они добились этого с помощью порогового алгоритма для подавления шума в цифровых сигналах. Работа показала превосходную производительность мягкой носимой системы путем обнаружения легочных звуков и аномалий при различных заболеваниях. Новый стетоскоп предоставил решающее преимущество для непрерывной записи высококачественных звуков в режиме реального времени и количественных данных с помощью машинного обучения на основе сверточной нейронной сети (CNN) для автоматической классификации заболеваний. Команда объединила приложение для смартфона с машинным обучением для классификации фенотипов заболеваний в режиме реального времени.
Перспектива
Таким образом, Сунг Хун Ли и его коллеги разработали гибкий механизм шумоподавления из мягкого материала и связанный с ним алгоритм для полной реализации портативного непрерывного метода аускультации в реальном времени с помощью носимого стетоскопа. Команда продемонстрировала кардиопульмональный мониторинг нескольких людей, занимающихся различными повседневными делами. Мягкая носимая система является биосовместимой и безопасной для кожи, со встроенным глубоким обучением, применимой для успешных клинических исследований и удаленного анализа заболеваний, подходит для персонализированных биометрических систем безопасности следующего поколения.
