Дигиталният стетоскоп използва сензорна технология за улавяне на звука, системи за премахване на шума и изкуствен интелект (AI), който помага на здравните работници да поставят точна диагноза (снимка: Johns Hopkins University)
Изкуствен интелект и модерни електронни технологии, съчетани в „умен стетоскоп”, скоро ще могат да преслушват болните деца и да помагат за спасяването на животите им. Предимството на системата е, че не се влияе от околните шумове, като в същото време разпознава звуците добре и при лошо поставена слушалка.
Системата е проектирана от аудио-инженери с помощта на медици от цял свят. Надеждата на учените е, че умният стетоскоп ще спасява човешки животи там, където лекарите не могат да разчитат на каквато и да е друга диагностична техника, освен слушалката – например в отдалечени селски райони и крайно бедни страни.
Когато дете се събуди с висока температура, учестено дишане и свиркане в гърдите, бързаме да го заведем на лекар. Първата работа на медика е да го преслуша: той поставя слушалката на гърдите на детето и съсредоточено слуша дробовете му, сърцето му. Но какво става, ако наоколо има хора, които говорят и е шумно? А ако това се случи във фелдшерския кабинет в Малави, където цари суматоха, бръмчат дизел-генератори, бучат моторетки по пътя?
Лекарят се напряга да чуе. Ще открие ли признаци на пневмония, ще даде ли антибиотици? Ще изпрати ли детето в болница в най-близкия град? Или ще отхвърли симптомите като признаци на обикновена простуда и ще го изпрати у дома? Ако сгреши, ще успее ли детето да преживее грешката?
Умният стетоскоп има за задача да намали тези грешки. Той е създаден от аудио-инженери и намалява до минимум проблемите, характерни за традиционната слушалка.
Стетоскопът почти не се е променил от времето, когато е изобретен – в началото на 18-ти век – досега, казват Джеймс Уест, професор по електрически и компютърен инженеринг в „Джон Хопкинс”, и главният асистент в същия институт – Моуния Елхилали. И двамата работят в Лабораторията по компютърна аудио-техника.
„Този повсеместен клиничен инструмент има редица ограничения. За да се постигнат добри резултати, потребителят трябва да е в тиха среда, тъй като фоновият шум може лесно да маскира фините звуци, идващи от белите дробове. Диагностикът трябва да е добре обучен. Важно е и правилното позициониране на слушалката върху гръдния кош”, разказват изобретателите, цитирани от IEEE Spectrum.
По техните думи, тълкуването на звуците е трудно – това е нещо като изкуство. „Да се научиш да го правиш добре изисква време и менторство, а дори и експертите могат да не се съгласят относно това, което чуват. Ето защо дори водещите лекари предпочитат да допълнят използването на стетоскопа с други техники, като рентгенова снимка на гърдите”.
Стетоскопът почти не се е променил от времето, когато е изобретен – в началото на 18-ти век (снимка: CCO Public Domain)
Проектът, с който двамата учени се залавят, въвлича много други специалисти – инженери, лекари, експерти по обществено здраве. Изобретеният от тях дигитален стетоскоп използва цифрова сензорна технология за улавяне на звука, системи за премахване на шума и изкуствен интелект (AI), който да помогне на здравните работници да поставят точна диагноза. Учените се надяват, че техният интелигентен стетоскоп ще бъде разпространен по целия свят, за да се предпази децата от смърт от пневмония.
Ето как работи класическият стетоскоп. Звукът се произвежда от орган в тялото и акустичните вълни пораждат вибрации в слушалката, която действа като резонатор. Тя има две страни с внимателно подбрани форми – плоска, дискообразна диафрагма и куха чашка, наречена звънец – които естествено осцилират с различни честотни диапазони и се използват за различни диагностични задачи.
Акустичната вибрация преминава през тръбичка, пълна с въздух. Тя е свързана с две слушалки. По този начин се предават звуците от тялото на пациента към лекаря. Въпреки че стетоскопът е проектиран така, че да увеличи максимално звука и да го достави до ушите на лекаря, нивата на звука обикновено са доста ниски.
Има и по-модерни, електронни версии на стетоскопа. Те превръщат акустичните вълни в електрически сигнал, който може да бъде обработван чрез устройство за усилване на звуците. Те заменят двустранната слушалка с джаджа, която използва преобразуватели – на акустични сигнали в електрически – с минимални изкривявания или шумови ефекти. Потребителите могат да превключват между режимите „диафрагма” и „камбанка” и да регулират силата на звука, който достига до ушите им.
Устройството на инженерите от „Джон Хопкинс” обаче значително подобрява цифровите устройства, които в момента са на пазара. Подобрението започва с хардуера. Слушалката е заменена от набори от ретранслатори, за да се постигне еднаква чувствителност в цялата активна област. Този дизайн осигурява силен сигнал, дори когато слушалката не е поставена на правилното място върху гърдите. Това означава, че и неопитни хора могат да използват уреда.
„Експериментирахме с различни трансдюсери, включително микроелектромеханични системи, които ни позволяват да съберем много микрофончета в малка зона, както и нановлакнести материали, които съответстват на акустичните свойства на кожата, за да ограничат загубата на сигнал”, споделят учените.
След това е приложен механизъм за изчистване на фоновите шумове. За да бъде стетоскопът полезен в клиниките в развиващия се свят, справянето с шума е от изключителна важност. Новият вид стетоскоп намалява шума чрез подобряване на връзката между тялото на пациента и слушалката.
Гуменият маркуч е заменен от електрически кабел. Вградени са цифрови техники за контрол на шума, за да се гарантира, че до ушите на потребителя пристига силен и ясен сигнал. Стетоскопът има и външен микрофон близо до слушалката, който събира околните звуци. След това тези данни могат да се използват за намаляване на шума чрез адаптивен анализ на сигналите – прави се филтриране.
Заедно с това в устройството е вграден микропроцесор, който позволява вграждането на специализирани приложения за умния стетоскоп. Засега учените са се фокусирали върху две приложения: едното намалява нивото на шума, а другото подпомага лекарската експертиза.
Намаляването на външния шум е сложен въпрос. Сравнително лесно е да се проектира софтуер за шумопотискане, който разпознава сигнала, създаден от нормалното дишане, и филтрира всичко останало. Но патологичните белодробни състояния създават необичайни звуци. Може да има хрипове, свирене, свистене, клокочене. Тази звукова информация не трябва да се филтрира, тя е нужна на лекаря. Алгоритъмът за шумопотискане не бива да бърка подобни звуци с „висок околен шум”.
„Докато работехме по алгоритъма за анулиране на шума, разгледахме две предизвикателства. Първо, белодробните звуци, които разкриват възможните патологии, са непредсказуеми. Второ, шумовете в натоварената клиника са силно променливи: стаята за преглед може да бъде изпълнена с бърборещи хора, звънене на телефони и бръмчащи вентилатори”, казват Уест и Елхилали. Самото дете, което бива преглеждано, може да плаче, да се върти, а и движенията на самия стетоскоп могат да създадат шум.
Справянето с недостига на експертни знания в бедните страни е другото предизвикателство, пред което учените са се изправили. Затова те са разработили и приложение, което само да разпознава нетипичните белодробни звуци и да сигнализира, когато те говорят за пневмония.
Приложението се базира на изкуствен интелект и е изпробвано чрез записи на 1500 пациенти от Африка и Азия. В изпитанията софтуерът успял да различи здравите хора от тези с пневмония в 87% от случаите. Това надминава всички други автоматизирани диагностични методи, казват учените. Екипът продължава да работи по алгоритъма, който се базира на машинно самообучение, за да подобри степента на разпознаваемост на аномалиите.
Надеждата на Уест и Елхилали е, че този уред ще може да се използва не само от фелдшерите в бедните страни и отдалечените общности в страни от цял свят, но и в детските отделения на болниците по цял свят, дори в развитите държави. Засега информацията от уреда се показва на малък LED дисплей.
Предвижданията на учените са, че устройството ще може да се свързва чрез Bluetooth към телефон или таблет, така че да предоставя повече и по-детайлна информация за диагнозата, наред с визуализации на белодробните звуци. Тъй като е програмируем, умният стетоскоп ще може да разшири възможностите си, отивайки отвъд диагностицирането на пневмония. Може да бъде използван, например, за диагностика на сърдечни проблеми, стомашно-чревни състояния и др.
интересуваме умния стетескоп