بازار سمعک‌های حذف کننده نویز فعال (ANC) استریو بی‌سیم واقعی (TWS) (هدفون و هدفون) در سال‌های اخیر افزایش یافته است و حجم ارسال جهانی تقریباً دو برابر مچ‌بندها و ساعت‌های هوشمند در سال 2023 خواهد بود. برای شنیدن ها به دلیل پیشرفت های اخیر در ANC، حالت شفافیت و هوش مصنوعی به طور قابل توجهی گسترش یافته است. کاربران اغلب از وسایل شنیدنی نه تنها برای گوش دادن به موسیقی، بلکه برای ورزش، تمرکز، یا صرفاً تنظیم خلق و خو استفاده می کنند. با این حال، سلامت قابل شنیدن هنوز عمدتاً منطقه ناشناخته ای برای بازار مصرف است.
در «APG: Audioplethysmography برای نظارت بر قلب در افراد شنیدنی» که در MobiCom 2023 ارائه شد، ما یک روش جدید سنجش سلامت در گوش را معرفی می‌کنیم. پلتیسموگرافی صوتی (APG) دستگاه‌های شنیدنی ANC را قادر می‌سازد تا سیگنال‌های فیزیولوژیکی کاربر مانند ضربان قلب و تغییرات ضربان قلب را بدون افزودن حسگرهای اضافی یا به خطر انداختن عمر باتری، نظارت کنند. APG انعطاف پذیری بالایی در برابر مصنوعات حرکتی نشان می دهد، به قوانین ایمنی با حاشیه 80 دسی بل زیر حد پایبند است، تحت تأثیر شرایط مهر و موم قرار نمی گیرد و شامل همه رنگ های پوست می شود.
 |
| APG با استفاده از بلندگوهای هدفون ANC یک موج فرستنده اولتراسوند با شدت کم (موج TX) ارسال می کند و موج دریافتی (موج RX) را از طریق میکروفون های بازخورد روی برد جمع آوری می کند. سیگنال APG یک شکل موج مانند پالس است که با ضربان قلب هماهنگ می شود و اطلاعات غنی قلبی مانند بریدگی های دیکروتیک را نشان می دهد. |
سنجش سلامتی در کانال گوش
مجرای شنوایی خون خود را از شریان گوش عمیق که به عنوان شریان گوش عمیق نیز شناخته می شود، دریافت می کند. این شریان شبکه پیچیده ای از عروق کوچکتر را تشکیل می دهد که به طور گسترده در کانال شنوایی نفوذ می کند. تغییرات جزئی در شکل رگ های خونی ناشی از ضربان قلب (و فشار خون) می تواند منجر به تغییرات ظریف در حجم و فشار کانال های گوش شود و کانال گوش را به مکانی ایده آل برای سنجش سلامت تبدیل کند.
تحقیقات اخیر استفاده از دستگاه‌های شنیدنی برای سنجش سلامت را با بسته‌بندی مجموعه‌ای از حسگرها – به عنوان مثال، photoplethysmograms (PPG) و الکتروکاردیوگرام (ECG) – با یک میکروکنترلر برای فعال کردن برنامه‌های بهداشتی، مانند نظارت بر خواب، ضربان قلب و ردیابی فشار خون مورد بررسی قرار داده است. با این حال، این الگوی نصب حسگر ناگزیر هزینه، وزن، مصرف انرژی، پیچیدگی طراحی آکوستیک و چالش‌های فاکتور شکل را به شنیدنی‌ها اضافه می‌کند و مانعی قوی برای پذیرش گسترده آن می‌شود.
دستگاه‌های شنیدنی ANC موجود، میکروفون‌های بازخورد و بازخورد را برای پیمایش عملکرد ANC به کار می‌برند. این میکروفون‌ها فرصت‌های جدیدی را برای کاربردهای حسی مختلف ایجاد می‌کنند زیرا می‌توانند بسیاری از سیگنال‌های زیستی را در داخل و خارج کانال گوش شناسایی یا ضبط کنند. به عنوان مثال، میکروفون های بازخورد می توانند برای گوش دادن به ضربان قلب و میکروفون های فید فوروارد می توانند تنفس را بشنوند. تحقیقات آکادمیک روی این پارادایم حسگر غیرفعال، کاربردهای تلفن همراه بسیاری از جمله پایش ضربان قلب، تشخیص بیماری گوش، نظارت بر تنفس و تشخیص فعالیت بدن را برانگیخته است. با این حال، میکروفون‌های موجود در هدفون‌های ANC درجه مصرف‌کننده دارای فیلترهای بالا گذر داخلی هستند تا از اشباع شدن حرکات بدن یا صدای شدید باد جلوگیری کنند. کیفیت سیگنال گوش دادن غیرفعال در کانال گوش نیز به شدت به شرایط مهر و موم هدفون گوش بستگی دارد. به این ترتیب، جاسازی ویژگی‌های سلامتی که به گوش دادن غیرفعال سیگنال‌های فرکانس پایین (≤ 50 هرتز) در هدفون‌های تجاری ANC تکیه می‌کنند، چالش برانگیز است.
اندازه گیری سیگنال های فیزیولوژیکی کوچک
APG با ارسال سیگنال کاوشگر اولتراسوند با شدت کم از طریق بلندگوهای هدفون ANC محدودیت های سخت افزاری هدفون ANC را دور می زند. این سیگنال پژواک هایی را ایجاد می کند که از طریق میکروفون های بازخورد داخلی دریافت می شود. ما مشاهده می کنیم که جابجایی پوست کانال گوش و ارتعاشات ضربان قلب این پژواک های اولتراسوند را تعدیل می کنند.
ما یک مدل رزونانس استوانه ای برای درک فیزیک اساسی APG می سازیم. این پدیده در مقیاس بسیار کوچک اتفاق می افتد، که باعث می شود سیگنال پالس خام در سونوگرافی خام دریافتی نامرئی باشد. ما تشخیص منسجم را برای بازیابی این مدولاسیون فیزیولوژیکی میکرو در زیر کف نویز اتخاذ می کنیم (این سیگنال بازیابی شده را به عنوان سیگنال مختلط می گوییم، برای جزئیات بیشتر به مقاله مراجعه کنید). شکل موج نهایی APG به طور قابل توجهی شبیه به شکل موج PPG است، اما نمای بهبود یافته ای از فعالیت های قلبی با بریدگی های دیکروتیک بارزتر (یعنی شکل موج های فشاری که بینش غنی در مورد سیستم شریان مرکزی، مانند فشار خون ارائه می دهد) ارائه می دهد.
 |
| یک مدل استوانه‌ای با فعالیت‌های قلبی ℎ(?) که هم فاز و هم دامنه سیگنال مختلط را تعدیل می‌کند. بر اساس شبیه‌سازی مدل تحلیلی ما، دامنه ?(?) و فاز Φ(?) سیگنال‌های APG مختلط هر دو فعالیت‌های قلبی ℎ(?) را منعکس می‌کنند. |
سنجش APG در عمل
در طول آزمایش‌های اولیه‌مان، مشاهده کردیم که APG با مهر و موم بد هدفون و پخش موسیقی قوی کار می‌کند. با این حال، ما متوجه شدیم که سیگنال APG گاهی اوقات می تواند بسیار پر سر و صدا باشد و به شدت توسط حرکت بدن مختل شود. در آن مرحله، ما به این نتیجه رسیدیم که برای مفید کردن APG، باید آن را برای رقابت با بیش از 80 سال توسعه PPG قوی‌تر کنیم.
در حالی که PPG ها به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند و بسیار پیشرفته هستند، اما محدودیت هایی دارند. به عنوان مثال، سنسورهای PPG معمولا از دو تا چهار دیود برای ارسال و دریافت فرکانس های نور برای سنجش استفاده می کنند. با این حال، به دلیل ماهیت فرکانس فوق العاده بالا (صدها تراهرتز) نور، ارسال چندین رنگ با فرکانس های مختلف برای یک دیود دشوار است. از طرفی به راحتی می توانیم یک سیستم کم هزینه و کم مصرف طراحی کنیم که بیش از ده تن صدا (فرکانس) تولید و دریافت کند. ما از تنوع کانال استفاده می‌کنیم، پدیده‌ای فیزیکی که توضیح می‌دهد چگونه سیگنال‌های بی‌سیم (مثلاً نور و صدا) در فرکانس‌های مختلف دارای کاراکترهای متفاوتی هستند (مثلاً ضرایب میرایی و انعکاس متفاوت) زمانی که سیگنال در یک رسانه منتشر می‌شود، تا سیگنال APG با کیفیت بالاتر را فعال کنیم. و انعطاف پذیری حرکتی
در مرحله بعد، ما به طور تجربی اثربخشی استفاده از فرکانس های متعدد در سیگنال دهی APG را نشان می دهیم. ما سه سیگنال کاوشگر را همزمان با فرکانس‌های آنها از 30 کیلوهرتز تا 32 کیلوهرتز ارسال می‌کنیم. از یک شرکت‌کننده خواسته شد در طول آزمایش چهار بار سر خود را تکان دهد تا تداخل ایجاد کند. شکل زیر نشان می‌دهد که فرکانس‌های مختلف را می‌توان به طور همزمان برای جمع‌آوری اطلاعات مختلف با تشخیص منسجم ارسال کرد که یک مزیت منحصر به فرد برای APG است.
فاز 30 کیلوهرتز چهار حرکت سر و قدر (دامنه) 31 کیلوهرتز سیگنال موج پالس را نشان می دهد. این مشاهدات نشان می دهد که برخی از فرکانس های اولتراسوند ممکن است به فعالیت های قلبی حساس باشند در حالی که برخی دیگر ممکن است به حرکت حساس باشند. بنابراین، می‌توانیم از APG چند تنی به‌عنوان سیگنال کالیبراسیون برای یافتن بهترین فرکانس که ضربان قلب را اندازه‌گیری می‌کند، استفاده کنیم و تنها از بهترین فرکانس برای دریافت شکل موج پالس با کیفیت بالا استفاده کنیم.
 |
| دامنه ترکیبی (ردیف بالایی) و فاز (ردیف پایین) برای یک سیگنال APG چند آهنگی سفارشی که از 30 کیلوهرتز تا 32 کیلوهرتز را در بر می گیرد. با تنوع کانال، فعالیت‌های قلبی در برخی از فرکانس‌ها (مثلاً بزرگی 31 کیلوهرتز) و حرکات سر در فرکانس‌های دیگر (مثلاً بزرگی 30 کیلوهرتز، 30 کیلوهرتز و فاز 31 کیلوهرتز) ثبت می‌شوند. |
پس از انتخاب بهترین فرکانس برای اندازه‌گیری ضربان قلب، شکل موج پالس APG با بریدگی‌های دیکروتیک واضح‌تر قابل مشاهده است و اندازه‌گیری دقیق تغییرات ضربان قلب را امکان‌پذیر می‌کند.
 |
| سیگنال نهایی APG مورد استفاده در مرحله اندازه گیری (ترک کرد) و سیگنال ECG قفسه سینه (درست). |
Multi-tone به چندین مشاهدات همزمان ترجمه می شود که توسعه تکنیک های پردازش سیگنال آرایه را امکان پذیر می کند. ما طیف‌نگار یک آزمایش APG جلسه در حال اجرا را قبل و بعد از اعمال جداسازی منبع کور نشان می‌دهیم (برای جزئیات بیشتر به مقاله مراجعه کنید). ما همچنین اندازه گیری ضربان قلب حقیقت زمینی را در همان آزمایش دویدن با استفاده از نوار قفسه سینه قطبی ECG نشان می دهیم. در APG خام شاهد آهنگ در حال اجرا (حدود 3.3 هرتز) و همچنین دو خط کم نور (حدود 2 هرتز و 4 هرتز) هستیم که نشان دهنده فرکانس ضربان قلب کاربر و هارمونیک های آن است. فرکانس‌های ضربان قلب به‌طور قابل‌توجهی در نسبت سیگنال به نویز (SNR) پس از جداسازی منبع کور، که با فرکانس‌های ضربان قلب حقیقت زمینی همسو می‌شوند، افزایش می‌یابد. ما همچنین ضربان قلب محاسبه شده و آهنگ دویدن را از APG و ECG نشان می دهیم. می بینیم که APG رشد ضربان قلب را در طول جلسه دویدن به طور دقیق ردیابی می کند.
 |
| APG ضربان قلب را به دقت در طول جلسه دویدن ردیابی می کند و سرعت دویدن را نیز اندازه گیری می کند. |
مطالعه میدانی و افکار پایانی
ما دو دور مطالعه تجربه کاربری (UX) را با 153 شرکت‌کننده انجام دادیم. نتایج ما نشان می‌دهد که APG به اندازه‌گیری ضربان قلب دقیق (3.21٪ خطای متوسط در بین شرکت‌کنندگان در تمام سناریوهای فعالیت) و تغییرپذیری ضربان قلب (2.70٪ خطای متوسط در فاصله بین ضربان‌ها) اندازه‌گیری می‌کند. برخلاف PPG، که عملکرد متغیری را در رنگ‌های پوست نشان می‌دهد، مطالعه ما نشان می‌دهد که APG در برابر تغییرات در: رنگ پوست، شرایط مهر و موم کمتر از حد مطلوب و اندازه کانال گوش انعطاف‌پذیر است. ارزیابی های دقیق تر را می توان در مقاله یافت.
APG هر هدفون TWS ANC را با یک ارتقاء نرم افزاری ساده به هدفون حسگر هوشمند تبدیل می کند و در فعالیت های مختلف کاربر به خوبی کار می کند. سیگنال حامل حسگر کاملاً نامفهوم است و تحت تأثیر پخش موسیقی قرار نمی گیرد. مهمتر از آن، APG نشان دهنده دانش جدید در تحقیقات زیست پزشکی و موبایل است و امکانات جدیدی را برای سنجش سلامت کم هزینه باز می کند.
سپاسگزاریها
APG نتیجه همکاری بین Google Health، محصول، UX و تیم‌های حقوقی است. مایلیم از دیوید پرل، جسپر رامسگارد، کودی وورثام، اکتاویو پونس، پاتریک آمی هود، سام شنگ، مایکل پیت، لئوناردو کوسومو، سیمون تانگ، تیم گلدوین، راس میروو، کاسون واکر، گوویند کانان، جیون تیمونز، دنیس راوشمایر، تشکر کنیم. چیونگ لای، شوتاک پاتل، جیک گاریسون، آنران وانگ، شیوا راجاگوپال، شلتن یوئن، سئوبین جونگ، یون لیو، جان هرناندز، ایساک گالاتزر-لوی، آیزایا فیشر-براون، جیمی راجرز، پرامود رودراپاتنا، اندرو برکات، ایسون گوئانث گرابائو، پل پیفر، بیل پارک، هلن اوکانر، میا چنگ، کیچیرو یومیبا، فلیکس بورس، پریانکا جانتره، لوژو ژو، جیان وانگ، جیمی لین، گری پالیپورام، نیکلاس گیلیان، میکال ماتوزاک، یاکوب وویچیچوسکی، یانریان هیلاریو و فیل کارمک برای بینش و حمایت ارزشمندشان. با تشکر از همکاران خارجی Longfei Shangguan و Rich Howard، دانشگاه Rutgers و دانشگاه Pittsburgh.