Smart speaker e misurazione battito cardiaco: dall’Università di Washington l’altoparlante intelligente basato su un sistema AI che rileva le aritmie del cuore

I ricercatori dell'Università di Washington hanno sviluppato una inedita abilità per gli smart speaker: monitorare, senza alcun contatto fisico, il battito cardiaco, riuscendo a rilevare eventuali alterazioni del ritmo del cuore.

TAKEAWAY

  • Costituito da una cassa audio, un microfono, una connessione Wi-Fi e un software AI, lo smart speaker è quel dispositivo dalle molteplici funzionalità che siamo ormai abituati a vedere dentro casa.
  • Da uno studio USA, arriva un prototipo di smart speaker dall’inedita abilità: monitorare il battito cardiaco senza alcun contatto fisico, arrivando a distinguere tra ritmo regolare e ritmo irregolare del cuore.
  • Il sistema, attraverso il microfono, riproduce suoni non percettibili e, in base al modo in cui questi vengono riflessi sulla persona posta a poca distanza dal dispositivo, identifica i singoli battiti cardiaci.

Smart speaker e misurazione battito cardiaco: il binomio è il frutto di un recente studio che, a detta degli autori, segnerà il futuro della cardiologia.

Costituito da una cassa audio, un microfono, una connessione Wi-Fi e un software AI, lo smart speaker – o “altoparlante intelligente” – è quel dispositivo dalle molteplici funzionalità che siamo ormai abituati a vedere nelle case, in grado, su comando, di riprodurre musica e video, di gestire le nostre agende, di fare ricerche online e aggiornamenti in tempo reale e, nei modelli più evoluti, di collegarsi agli elettrodomestici.

Cuore del dispositivo è il software di intelligenza artificiale, che gli consente di comprendere il linguaggio naturale di coloro che gli parlano e gli danno ordini e di rispondere in modo adeguato, di comunicare.

Ebbene i ricercatori dell’Università di Washington – in uno studio i cui risultati sono stati pubblicati ieri, 9 marzo 2021, sulla rivista accademica Communications Biology – hanno sviluppato, per lo smart speaker, una inedita abilità: monitorare il battito cardiaco senza alcun contatto fisico, arrivando a distinguere tra ritmo regolare e ritmo irregolare del cuore, spesso sinonimo di aritmie e di scompensi cardiaci anche gravi.

Come funziona lo “smart speaker cardiaco”? Il sistema, attraverso il proprio microfono, riproduce suoni non percettibili e, in base al modo in cui questi vengono riflessi sulla persona posta a poca distanza dal dispositivo, identifica i singoli battiti cardiaci. Ma andiamo in profondità.

Smart speaker e misurazione battito cardiaco: la difficoltà nel riprodurre uno schema periodico del ritmo irregolare

Poiché il battito cardiaco è un movimento così tenue sulla superficie del torace, il sistema messo a punto utilizza un particolare algoritmo di machine learning capace di guidare lo smart speaker nel cogliere con precisione i suoni dei battiti, riuscendo addirittura a distinguere tra quelli regolari e quelli irregolari. Spiega Shyam Gollakota, professore associato presso la Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering, in seno all’Università di Washington:

Mentre per i battiti cardiaci regolari – abbastanza facili da rilevare anche se il segnale è debole – è possibile creare uno schema periodico all’interno dei dati con cui allenare l’algoritmo AI, per i battiti irregolari non esiste un tale schema e, dunque, questi risultano impegnativi da identificare per un dispositivo senza contatto come lo smart speaker. Questa è stata, per noi, la difficoltà maggiore

La “frequenza cardiaca” è la media dei battiti cardiaci nel tempo, mentre il “ritmo cardiaco” descrive l’andamento dei battiti: se si ha una frequenza cardiaca di 60 battiti al minuto, il ritmo cardiaco potrebbe essere regolare (un battito ogni secondo) oppure, al contrario, irregolare, con battiti distribuiti casualmente in quel minuto, pur continuando a costituire la media di 60 battiti.

A tale riguardo, Arun Sridhar, professore di cardiologia presso l’University Washington School of Medicine, in tema di smart speaker e misurazione battito cardiaco, sottolinea:

I disturbi del ritmo cardiaco sono, in realtà, più comuni di alcune malattie cardiovascolari ben note. E possono essere la causa di episodi gravi come gli ictus, ma possono anche essere altamente imprevedibili e, quindi, difficili da diagnosticare. La disponibilità di un test a basso costo, che può essere eseguito frequentemente, senza l’ingombro di elettrodi sul torace e stando comodamente a casa, rappresenta un punto di svolta in termini di diagnosi precoce e di agile gestione del disturbo

Tecniche di machine learning per isolare in modo preciso il segnale del battito

Il monitoraggio dei battiti cardiaci inizia quando la persona si siede a una distanza compresa tra 30 e 60 centimetri dallo smart speaker. A quel punto, il sistema riproduce un suono continuo impercettibile, che rimbalza sulla persona e poi ritorna al dispositivo: in base a come è cambiato il suono che viene restituito, il sistema isola i movimenti della persona, inclusi il sollevamento e l’abbassamento del torace durante la respirazione.

Il movimento del torace è di ordini di grandezza più grande rispetto al movimento del muscolo cardiaco. E questo ha rappresentato, per noi, una sfida piuttosto impegnativa – fa notare Anran Wang, tra gli autori della ricerca – Inoltre, il segnale della respirazione non è regolare, quindi è difficile filtrarlo in modo semplice. Sfruttando il fatto che gli smart speaker hanno più microfoni, abbiamo sviluppato un algoritmo proprio per aiutare gli altoparlanti a percepire il battito

In particolare, in tema di smart speaker e misurazione battito cardiaco il team ha progettato un algoritmo di machine learning capace di “auto-supervisionarsi”, cioè in grado di apprendere “strada facendo” anziché da un set precostituito di dati, combinando i segnali provenienti da tutti i microfoni del dispositivo, per poi riuscire a isolare il flebile segnale del battito.

Ricordiamo che l’apprendimento supervisionato è una particolare tecnica di machine learning che mira a istruire un sistema in modo da consentirgli di elaborare automaticamente previsioni sui valori di uscita sulla base di una serie di esempi ideali, costituiti da coppie di input e di output, che gli vengono inizialmente forniti.

Algoritmi di questo tipo vengono utilizzati in molteplici settori, tra cui, appunto, l’ambito medico, dove è possibile prevedere il verificarsi di particolari eventi sulla base dell’esperienza di dati passati. Ne è un esempio l’identificazione vocale che migliora sulla base degli ascolti audio passati, oppure l’identificazione della scrittura manuale che si perfeziona sulla base delle osservazioni di esempi che vengono sottoposti alla macchina.

Accade un po’ come quando Alexa riesce a identificare una determinata voce anche se la persona in questione sta, ad esempio, riproducendo un video o se ci sono più persone che parlano contemporaneamente nella stessa stanza – specifica il professor Gollakota –Quando dico ‘Ehi, Alexa’, i microfoni stanno lavorando insieme per ‘trovarmi’ nella stanza e ascoltare quello che dico. La stessa cosa avviene col nostro prototipo di smart speaker. Solo che, al posto della voce, c’è il battito del cuore

I ricercatori hanno poi utilizzato un secondo algoritmo di intelligenza artificiale per segmentare il segnale in singoli battiti cardiaci, in modo che il sistema potesse estrarre quello che è noto come “intervallo di tempo” tra due battiti.

smart speaker e misurazione battito cardiaco
Dan Nguyen, ricercatore presso l’University Washington School of Medicine e tra gli autori dello studio, mentre utilizza il prototipo di smart speaker per la misurazione del battito cardiaco (immagine concessa alla stampa con Credit: Mark Stone, Università di Washington).

Smart speaker e misurazione battito cardiaco: la fase di test del prototipo

Con questo metodo, il team di ricerca non intende certo rilevare il segnale elettrico del cuore che si contrae – come invece accade mediante l’elettrocardiogramma – bensì le vibrazioni sulla pelle provocate dal cuore che batte.

I ricercatori hanno testato il prototipo di smart speaker cardiaco su due gruppi: 26 partecipanti senza alcuna patologia cardiovascolare e 24 pazienti ospedalizzati, con una varietà di condizioni cardiache, tra cui fibrillazione atriale e insufficienza cardiaca.

Il team ha poi confrontato l’intervallo di tempo tra i battiti rilevato dal prototipo con quello rilevato attraverso il metodo classico, basato su elettrodi posizionati sul torace e visualizzazione del ritmo del cuore su monitor.

Dei quasi 12.300 battiti cardiaci rilevati nei partecipanti senza problemi cardiovascolari, la differenza – in termini di intervallo di tempo tra i battiti – tra quanto monitorato dallo smart speaker e dal sistema classico si è attesta al di sotto dei 28 millisecondi.

Il prototipo si è comportato quasi altrettanto bene con i pazienti cardiopatici: degli oltre 5.600 battiti cardiaci misurati, l’intervallo medio tra i battiti si è attestato al di sotto dei 30 millisecondi rispetto al metodo standard.

Attualmente, il sistema che vede il binomio smart speaker e misurazione battito cardiaco è predisposto per controlli a campione: se una persona è preoccupata per il proprio ritmo cardiaco, può sedersi di fronte allo smart speaker per ottenere una lettura rapida.

L’obiettivo del team di ricerca è puntare a versioni future del sistema che possano monitorare in modo continuo il battito del cuore durante il sonno, consentendo così di diagnosticare condizioni come l’apnea notturna.

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Paola Cozzi
Giornalista dal solido background acquisito lavorando presso i più prestigiosi Editori italiani | Ventidue anni di esperienza nello sviluppo di prodotti editoriali b2b, cartacei e digitali | Vent'anni alla direzione di una testata b2b in tema di Sicurezza anticrimine di tipo fisico | Attualmente si dedica al Giornalismo Digitale ed esplora nuove tecniche e nuovi stili di comunicazione
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