ลำโพงอัจฉริยะตรวจจังหวะเต้นของหัวใจ

---

นักวิจัยพัฒนาระบบเสียงได้พลังงานจากปัญญาประดิษฐ์  สามารถตรวจหาการเต้นของหัวใจที่ไม่สม่ำเสมอได้ ระบบจะส่งเสียงที่หูไม่ได้ยินเข้าไปในสภาพแวดล้อมแบบปิด และวิเคราะห์คลื่นที่สะท้อนกลับมาเพื่อบอกการเต้นของหัวใจ เทคโนโลยีนี้อาจมีประโยชน์ในการตรวจหาจังหวะการเต้นของหัวใจที่ผิดปกติได้

คำบรรยายภาพ 1 :  คณะผู้วิจัยที่ University of Washington ได้พัฒนาทักษะใหม่สำหรับลำโพงอัจฉริยะ ซึ่งทำหน้าที่เป็นเครื่องตรวจการเต้นของหัวใจโดยไม่มีการสัมผัสร่างกาย (contactless monitor) ทั้งการเต้นที่สม่ำเสมอและไม่สม่ำเสมอ ในภาพ Dr. Dan Nguyen ผู้ร่วมเขียนรายงาน ซึ่งเป็นอาจารย์ภาคคลินิกที่คณะแพทยศาสตร์ ของมหาวิทยาลัย ใช้ตัวแบบลำโพงอัจฉริยะของคณะทำงาน (กล่องสีขาวที่มุมซ้ายล่าง) เพื่อแสดงว่าระบบทำงานอย่างไร  Mark Stone/University of Washington

    ลำโพงอัจฉริยะอย่าง Amazon Echo และ Google Home ได้พิสูจน์ถึงความสามารถในการติดตามประเด็นของการดูแลสุขภาพที่บ้าน ตัวอย่างเช่น นักวิจัยที่ University of Washington ได้แสดงให้เห็นว่า อุปกรณ์เหล่านี้สามารถตรวจหาภาวะหัวใจหยุดเต้น (cardiac arrest) หรือตรวจสอบการหายใจของเด็กทารกได้
    แต่สำหรับการติดตามสิ่งที่เล็กกว่า เช่น การเคลื่อนไหวแค่เล็กน้อยจากการเต้นของหัวใจในคนที่นั่งอยู่ข้างหน้าลำโพงอัจฉริยะนี้จะให้ผลเป็นอย่างไร
    คณะผู้วิจัยที่ University of Washington ได้พัฒนาทักษะใหม่สำหรับลำโพงอัจฉริยะเป็นครั้งแรกในการตรวจติดตามการเต้นของหัวใจทั้งการเต้นที่สม่ำเสมอและไม่สม่ำเสมอ โดยไม่ต้องมีการสัมผัสร่างกาย ระบบนี้จะส่งเสียงที่หูไม่สามารถได้ยิน (inaudible sounds) จากลำโพงออกไปในห้อง และจากลักษณะที่เสียงสะท้อนกลับมาที่ลำโพง  ลำโพงจะสามารถระบุและติดตามการเต้นของหัวใจในแต่ละบุคคลได้  เนื่องจากการเต้นของหัวใจเป็นการเคลื่อนไหวเพียงเล็กน้อยบนพื้นผิวที่หน้าอก  ระบบของคณะทำงานได้ใช้การเรียนรู้ของอุปกรณ์ (machine learning) เพื่อช่วยลำโพงอัจฉริยะในการค้นหาสัญญาณจากการเต้นของหัวใจทั้งการเต้นที่สม่ำเสมอและไม่สม่ำเสมอ
    เมื่อคณะผู้วิจัยได้ทดสอบระบบนี้กับผู้เข้าร่วมการศึกษาที่สุขภาพแข็งแรงและผู้ป่วยโรคหัวใจในโรงพยาบาล ลำโพงอัจฉริยะได้ตรวจหาการเต้นของหัวใจที่เข้ากันได้ใกล้เคียงกับการเต้นที่ตรวจหาด้วยเครื่องตรวจการเต้นของหัวใจแบบมาตรฐาน  โดยคณะทำงานได้เผยแพร่ผลการค้นพบนี้ใน Communications Biology
    “การตรวจการเต้นของหัวใจที่สม่ำเสมอนั้นทำได้ง่าย แม้จะมีสัญญาณเพียงเล็กน้อย เพราะคุณสามารถค้นหารูปแบบที่ซ้ำกันเป็นช่วง ๆ ในข้อมูลได้” Shyam Gollakota ผู้ร่วมเขียนรายงานอาวุโส และเป็นรองศาสตราจารย์ที่ School of Computer Science & Engineering แห่ง University of Washington กล่าว
    “แต่การเต้นที่ไม่สม่ำเสมอเป็นปัญหาที่ท้าทายมาก เนื่องจากเป็นการเต้นที่ไม่มีรูปแบบ เราไม่แน่ใจว่าการตรวจหาจะทำได้ ดังนั้น จึงรู้สึกแปลกใจมากที่อัลกอริทึมมของเราสามารถระบุการเต้นของหัวใจที่ไม่สม่ำเสมอได้ในระหว่างการทดสอบกับผู้ป่วยโรคหัวใจ”
 

คำบรรยายภาพ 2 :  ต้นแบบลำโพงอัจฉริยะของคณะทำงานในที่นี้ จะเปรียบเทียบสัญญาณจากไมโครโฟนหลายตัว (จะเห็นได้ผ่านรูบนกล่อง) เพื่อระบุสัญญาณการเต้นของหัวใจที่จับได้ยาก  Mark Stone/University of Washington

    แม้หลายคนจะรู้จักคุ้นเคยกับเรื่องเกี่ยวกับอัตราการเต้นของหัวใจ แต่แพทย์ให้ความสนใจมากกว่ากับการประเมินจังหวะการเต้นของหัวใจ  อัตราการเต้นเป็นจำนวนการเต้นโดยเฉลี่ยต่อช่วงเวลาหนึ่ง แต่จังหวะการเต้นจะบอกถึงรูปแบบการเต้นของหัวใจ
    ตัวอย่างเช่น ถ้าบุคคลคนหนึ่งมีอัตราการเต้นของหัวใจ 60 ครั้งต่อนาที บุคคลนั้นอาจมีจังหวะการเต้นของหัวใจสม่ำเสมอ คือ  1 ครั้งทุกวินาที หรืออาจมีจังหวะการเต้นไม่สม่ำเสมอ คือ เต้นแบบกระจายไม่เป็นช่วงจังหวะแน่นอนใน 1 นาที แต่ยังมีอัตราการเต้นเฉลี่ย 60 ครั้งต่อนาที
    “จังหวะการเต้นของหัวใจที่ไม่เป็นระเบียบเป็นอาการที่พบได้มากกว่าภาวะอื่น ๆ ของหัวใจ  การมีภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ (cardiac arrhythmias) อาจทำให้เกิดโรคร่วมที่สำคัญ ได้แก่ โรคหลอดเลือดสมอง แต่ไม่สามารถพยากรณ์การเกิดขึ้นได้ ดังนั้น จึงวินิจฉัยโรคได้ยาก” Dr. Arun Sridhar ผู้ช่วยศาสตราจารย์สาขาหทัยวิทยาที่คณะแพทยศาสตร์ University of Washington ผู้ร่วมเขียนรายงานอาวุโส กล่าว
    “การมีวิธีทดสอบที่ราคาถูกซึ่งสามารถทำได้บ่อยครั้งและทำได้สะดวกที่บ้าน จะเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญสำหรับผู้ป่วยบางคนในการวินิจฉัยโรคและการจัดการโรคแต่เนิ่น ๆ”
    หัวใจของการประเมินจังหวะการเต้นของหัวใจอยู่ที่การระบุการเต้นของหัวใจในแต่ละบุคคล สำหรับระบบนี้ การค้นหาการเต้นของหัวใจเริ่มทำได้ เมื่อผู้รับการตรวจนั่งอยู่หน้าลำโพงอัจฉริยะในระยะ 1-2 ฟุต
    แล้วระบบจะปล่อยเสียงที่หูไม่ยินอย่างต่อเนื่อง ซึ่งจะสะท้อนออกจากบุคคลและกลับมาที่ลำโพง  จากการตรวจว่าเสียงที่กลับมานั้นเปลี่ยนแปลงอย่างไร ระบบจะสามารถแยกแยะการเคลื่อนไหวบนบุคคล รวมทั้งการเคลื่อนไหวขึ้นลงของหน้าอกในขณะที่พวกเขาหายใจได้
    “การเคลื่อนไหวจากการหายใจของคนจะปรากฏขนาดการเคลื่อนไหวบนผนังหน้าอกที่มากกว่าการเคลื่อนไหวจากการเต้นของหัวใจ ดังนั้น จึงเป็นปัญหาใหญ่สำหรับเรื่องนี้” Anran Wang ผู้นำการเขียนรายงาน ซึ่งเป็นนักศึกษาปริญญาเอกที่ Allen School กล่าว
“และสัญญาณการหายใจนั้นยังไม่สม่ำเสมอ ดังนั้น จึงยากที่จะแยกแยะออกมาได้  เนื่องจากการที่ลำโพงอัจฉริยะมีไมโครโฟนหลายตัว เราจึงได้ออกแบบอัลกอริทึมสร้างตัวคลื่นใหม่เพื่อช่วยลำโพงค้นหาการเต้นของหัวใจ”
    คณะทำงานได้ออกแบบสิ่งที่เรียกว่า อัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องซึ่งควบคุมตัวเองได้ (self-supervised machine learning algorithm) อัลกอริทึมนี้จะรวมสัญญาณจากไมโครโฟนทั้งหมดของลำโพงอัจฉริยะเพื่อระบุสัญญาณการเต้นของหัวใจที่ตรวจจับได้ยาก

คำบรรยายภาพ 3 :  Anran Wang ผู้นำการเขียนรายงานนั่งอยู่ข้างตัวแบบลำโพงอัจฉริยะ (กล่องสีขาวด้านหน้า) ที่คณะทำงานใช้สำหรับการศึกษาครั้งนี้  Mark Stone/University of Washington

    “การทำงานนี้เหมือนกับวิธีที่ลำโพง Alexa สามารถค้นหาเสียงของผมได้ แม้ผมจะเล่นวิดีโออยู่หรือมีคนหลายคนกำลังคุยกันอยู่ในห้องก็ตาม” Gollakota  อธิบาย “เมื่อผมพูด ‘สวัสดี Alexa’ ไมโครโฟนหลายตัวจะทำงานพร้อมกันเพื่อค้นหาตัวผมในห้อง และฟังสิ่งที่ผมจะพูดต่อไป นี่คือพื้นฐานการทำงาน แต่ในที่นี้จะเกี่ยวกับการเต้นของหัวใจ”
    สัญญาณการเต้นของหัวใจที่ลำโพงอัจฉริยะตรวจหา ไม่เหมือนกับยอดคลื่นทั่วไปที่สัมพันธ์กับเครื่องตรวจการเต้นของหัวใจแบบดั้งเดิม คณะผู้วิจัยได้ใช้อัลกอริทึมอันที่ 2 เพื่อแยกสัญญาณให้เป็นการเต้นของหัวใจของแต่ละคน ดังนั้น ระบบจึงสามารถดึงส่วนที่เป็นช่วงระยะระหว่างการบีบตัวของหัวใจ (inter-beat interval) หรือระยะเวลาระหว่างการเต้นของหัวใจ 2 ครั้ง ออกมาได้
    “ด้วยวิธีนี้ เราจะไม่ได้สัญญาณไฟฟ้าของการบีบตัวของหัวใจ  แต่เรากำลังดูการสั่นของผิวหนังเมื่อหัวใจเต้น” Wang บอก
    คณะผู้วิจัยได้ทดสอบตัวแบบลำโพงอัจฉริยะที่ขับเคลื่อนระบบนี้กับคน 2 กลุ่ม คือ ผู้เข้าร่วมการศึกษาที่มีสุขภาพดี 26 คน และผู้ป่วยในโรงพยาบาลที่มีภาวะต่าง ๆ ของโรคหัวใจ ได้แก่ ภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้ว (atrial fibrillation) และหัวใจล้มเหลว  คณะทำงานได้เปรียบเทียบช่วงระยะระหว่างการบีบตัวของหัวใจจากลำโพงอัจฉริยะกับที่ได้จากเครื่องตรวจการเต้นหัวใจมาตรฐาน  จากการเต้นของหัวใจเกือบ 12,300 ครั้ง ที่วัดจากผู้เข้าร่วมการศึกษาที่สุขภาพแข็งแรง พบว่า ค่ามัธยฐานของช่วงระยะระหว่างการบีบตัวของหัวใจจากลำโพงอัจฉริยะอยู่ที่ภายใน 28 millisecond ของเครื่องตรวจมาตรฐาน
    ลำโพงอัจฉริยะทำงานได้เกือบใกล้เคียงกันในผู้ป่วยโรคหัวใจ จากการเต้นของหัวใจมากกว่า 5,600 ครั้ง ที่วัดได้ ค่ามัธยฐานของช่วงระยะระหว่างการบีบตัวของหัวใจอยู่ภายใน 30 milliseconds ของมาตรฐาน
    “ถ้าคุณมีอุปกรณ์แบบนี้ คุณจะสามารถตรวจติดตามผู้ป่วยได้มากขึ้น และทราบรูปแบบการเต้นของหัวใจที่เป็นของผู้ป่วยแต่ละบุคคลได้  ตัวอย่างเช่น เราสามารถคำนวณได้ว่าเมื่อไรที่ภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะจะเกิดขึ้นสำหรับผู้ป่วยแต่ละคน แล้วพัฒนาแผนการรักษาพยาบาลที่สอดคล้องกันเหมาะสมกับเวลาที่ผู้ป่วยต้องการจริง ๆ” Sridhar กล่าวและว่า “นี่คืออนาคตของหทัยวิทยา และความสุดยอดของการใช้อุปกรณ์เหล่านี้ คือ มีอุปกรณ์พร้อมสำหรับใช้ที่บ้านของผู้ป่วย”
    Dr. Dan Nguyen เป็นอาจารย์สอนทางคลินิกที่คณะแพทยศาสตร์ และเป็นผู้ร่วมเขียนรายงาน งานวิจัยนี้ได้รับทุนสนับสนุนจาก National Science Foundation