Monitoramento de Batimentos Cardíacos sem Contato via Smart Speakers: Um Sistema Revolucionário

Smart speakers provaram ser adeptos em monitorar certos problemas de saúde em casa, incluindo detectar parada cardíaca ou monitorar a respiração de bebês. Agora, os alto-falantes podem ser usados para rastrear o movimento minúsculo de batimentos cardíacos individuais em uma pessoa sentada na frente do alto-falante.

O sistema monitora batimentos cardíacos regulares e irregulares sem contato físico. Ele envia sons inaudíveis do alto-falante para a sala e, com base na forma como os sons são refletidos de volta ao alto-falante, pode identificar e monitorar batimentos cardíacos individuais. Como o batimento cardíaco é um movimento tão minúsculo na superfície do peito, o sistema usa aprendizado de máquina para ajudar o alto-falante a localizar sinais de batimentos cardíacos regulares e irregulares. Quando testado em participantes saudáveis e pacientes cardíacos hospitalizados, o smart speaker detectou batimentos cardíacos que correspondiam de perto aos detectados por monitores de batimento cardíaco padrão.

Embora muitas pessoas estejam familiarizadas com o conceito de frequência cardíaca, médicos estão mais interessados na avaliação do ritmo cardíaco. Frequência cardíaca é a média de batimentos cardíacos ao longo do tempo, enquanto um ritmo cardíaco descreve o padrão de batimentos cardíacos. Se uma pessoa tem uma frequência cardíaca de 60 batimentos por minuto, ela poderia ter um ritmo cardíaco regular — uma batida a cada segundo — ou um ritmo cardíaco irregular — batidas espalhadas aleatoriamente naquele minuto, mas ainda com média de 60 batimentos por minuto.

Distúrbios de ritmo cardíaco são na verdade mais comuns do que algumas outras condições cardíacas bem conhecidas. Arritmias cardíacas podem causar morbidades graves como derrames, mas podem ser altamente imprevisíveis na ocorrência e, portanto, difíceis de diagnosticar. A chave para avaliar o ritmo cardíaco está em identificar os batimentos cardíacos individuais. Para este sistema, a busca por batimentos cardíacos começa quando uma pessoa senta dentro de 30 a 60 cm na frente do smart speaker.

Então, o sistema toca um som contínuo inaudível que ricocheteia na pessoa e retorna ao alto-falante. Com base em como o som retornado mudou, o sistema pode isolar movimentos na pessoa — incluindo a subida e descida do peito enquanto respiram.

O movimento da respiração de alguém é ordens de magnitude maior na parede torácica do que o movimento dos batimentos cardíacos, o que representa um desafio. Além disso, o sinal de respiração não é regular, então é difícil simplesmente filtrá-lo. Como smart speakers têm múltiplos microfones, um algoritmo de formação de feixe foi projetado para ajudar os alto-falantes a encontrar batimentos cardíacos.

A equipe projetou um algoritmo de aprendizado de máquina auto-supervisionado, que aprende na hora em vez de um conjunto de treinamento. Este algoritmo combina sinais de todos os microfones do smart speaker para identificar o elusivo sinal de batimento cardíaco.

Os sinais de batimento cardíaco que o smart speaker detecta não se parecem com os comumente associados a monitores de batimento cardíaco tradicionais. Os pesquisadores usaram um segundo algoritmo para segmentar o sinal em batimentos cardíacos individuais para que o sistema pudesse extrair o que é conhecido como intervalo inter-batimento, ou a quantidade de tempo entre dois batimentos cardíacos.

Os pesquisadores testaram um smart speaker protótipo rodando este sistema em dois grupos: 26 participantes saudáveis e 24 pacientes hospitalizados com uma diversidade de condições cardíacas, incluindo fibrilação atrial e insuficiência cardíaca. A equipe comparou o intervalo inter-batimento do smart speaker com um de um monitor de batimento cardíaco padrão. Dos quase 12.300 batimentos cardíacos medidos para os participantes saudáveis, o intervalo inter-batimento mediano do smart speaker estava dentro de 28 milissegundos do monitor padrão. O smart speaker funcionou quase tão bem com pacientes cardíacos: dos mais de 5.600 batimentos cardíacos medidos, o intervalo inter-batimento mediano estava dentro de 30 milissegundos do padrão.

Atualmente, o sistema está configurado para verificações pontuais. Se uma pessoa está preocupada com seu ritmo cardíaco, ela pode sentar na frente de um smart speaker para obter uma leitura. Mas a equipe espera que versões futuras possam monitorar continuamente batimentos cardíacos enquanto as pessoas dormem — algo que poderia ajudar médicos a diagnosticar condições como apneia do sono.