O mercado de aparelhos auditivos estéreo sem fio verdadeiros (TWS) com cancelamento de ruído ativo (ANC) (fones de ouvido e fones de ouvido) tem disparado nos últimos anos, e o volume de remessas globais quase dobrará o de pulseiras e relógios inteligentes em 2023. O tempo disponível para ouvintes aumentou significativamente devido aos recentes avanços em ANC, modo de transparência e inteligência artificial. 

Os usuários frequentemente usam aparelhos auditivos não apenas para ouvir música, mas também para se exercitar, se concentrar ou simplesmente para ajustar o humor. No entanto, a saúde auditiva ainda é um território desconhecido para o mercado consumidor.

Em “ APG: Audiopletismografia para Monitoramento Cardíaco em Pessoas Audíveis ”, apresentado no MobiCom 2023 , apresentamos uma nova modalidade ativa de detecção de saúde intra-auricular. A audiopletismografia (APG) permite que dispositivos auditivos ANC monitorem os sinais fisiológicos do usuário, como frequência cardíaca e variabilidade da frequência cardíaca, sem adicionar sensores extras ou comprometer a vida útil da bateria. 

O APG apresenta alta resiliência a artefatos de movimento, adere às regulamentações de segurança com uma margem de 80 dB abaixo do limite, permanece inalterado pelas condições de vedação e inclui todos os tons de pele.

O APG envia uma onda de transmissão de ultrassom de baixa intensidade (onda TX) usando os alto-falantes de um fone de ouvido ANC e coleta a onda receptora (onda RX) por meio dos microfones de feedback integrados. O sinal APG é uma forma de onda semelhante a um pulso que sincroniza com os batimentos cardíacos e revela informações cardíacas ricas, como entalhes dicróticos .

Detecção de saúde no canal auditivo

O canal auditivo recebe seu suprimento sanguíneo da artéria auricular profunda , também conhecida como artéria do ouvido profundo. Esta artéria forma uma intrincada rede de vasos menores que permeiam extensivamente o canal auditivo. Pequenas variações no formato dos vasos sanguíneos causadas pelos batimentos cardíacos (e pela pressão arterial ) podem levar a mudanças sutis no volume e na pressão dos canais auditivos, tornando o canal auditivo um local ideal para detecção de saúde.

Pesquisas recentes exploraram o uso de dispositivos auditivos para detecção de saúde, reunindo uma infinidade de sensores – por exemplo, fotopletismogramas (PPG) e eletrocardiogramas (ECG) – com um microcontrolador para permitir aplicações de saúde, como monitoramento do sono, monitoramento da frequência cardíaca e da pressão arterial. 

No entanto, este paradigma de montagem de sensores inevitavelmente acrescenta custo, peso, consumo de energia, complexidade de design acústico e desafios de fator de forma aos aparelhos audíveis, constituindo uma forte barreira à sua ampla adoção.

Os dispositivos auditivos ANC existentes implantam microfones de feedback e feedforward para navegar na função ANC. Esses microfones criam novas oportunidades para diversas aplicações de detecção, pois podem detectar ou registrar muitos sinais biológicos dentro e fora do canal auditivo. 

Por exemplo, microfones de feedback podem ser usados ​​para ouvir batimentos cardíacos e microfones feedforward podem ouvir respirações. A pesquisa acadêmica sobre esse paradigma de detecção passiva gerou muitas aplicações móveis, incluindo monitoramento de frequência cardíaca, diagnóstico de doenças auditivas, monitoramento de respiração e reconhecimento de atividade corporal. 

No entanto, os microfones dos fones de ouvido ANC de consumo vêm com filtros passa-alta integrados para evitar a saturação causada por movimentos do corpo ou forte ruído do vento. A qualidade do sinal da audição passiva no canal auditivo também depende muito das condições de vedação do fone de ouvido. Como tal, é um desafio incorporar recursos de saúde que dependem da escuta passiva de sinais de baixa frequência (≤ 50 Hz) em fones de ouvido ANC comerciais.

Medindo pequenos sinais fisiológicos

O APG ignora as restrições de hardware de fone de ouvido ANC mencionadas acima, enviando um sinal de sondagem de ultrassom de baixa intensidade através dos alto-falantes de um fone de ouvido ANC. Este sinal aciona ecos, que são recebidos através de microfones de feedback integrados. Observamos que o pequeno deslocamento da pele do canal auditivo e as vibrações dos batimentos cardíacos modulam esses ecos do ultrassom.

Construímos um modelo de ressonância cilíndrica para compreender a física subjacente do APG. Esse fenômeno ocorre em uma escala extremamente pequena, o que torna o sinal de pulso bruto invisível no ultrassom bruto recebido. Adotamos detecção coerente para recuperar essa modulação microfisiológica sob o piso de ruído (denominamos esse sinal recuperado como sinal misto, consulte o artigo para obter mais detalhes). 

A forma de onda final do APG é muito semelhante à forma de onda do PPG, mas fornece uma visão aprimorada das atividades cardíacas com entalhes dicróticos mais pronunciados (ou seja, formas de onda de pressão que fornecem informações valiosas sobre o sistema arterial central, como a pressão arterial).

Um modelo cilíndrico com atividades cardíacas ℎ(𝑡) que modula a fase e a amplitude do sinal misto . Com base na simulação do nosso modelo analítico, a amplitude 𝑅(𝑡) e a fase Φ(𝑡) dos sinais APG mistos refletem as atividades cardíacas ℎ(𝑡).

 

Detecção APG na prática

Durante nossos experimentos iniciais, observamos que o APG funciona de maneira robusta com vedações ruins dos fones de ouvido e com a reprodução de música. No entanto, notamos que o sinal APG às vezes pode ser muito barulhento e pode ser fortemente perturbado pelo movimento do corpo. Nesse ponto, determinamos que, para tornar o APG útil, teríamos que torná-lo mais robusto para competir com mais de 80 anos de desenvolvimento do PPG.

Embora os PPG sejam amplamente utilizados e altamente avançados, eles apresentam algumas limitações. Por exemplo, os sensores PPG normalmente usam de dois a quatro diodos para enviar e receber frequências de luz para detecção. No entanto, devido à natureza de frequência ultra-alta (centenas de Terahertz ) da luz, é difícil para um único diodo enviar várias cores com frequências diferentes. 

Por outro lado, podemos facilmente projetar um sistema de baixo custo e baixo consumo de energia que gere e receba mais de dez tons de áudio (frequências). Aproveitamos a diversidade de canais , um fenômeno físico que descreve como os sinais sem fio (por exemplo, luz e áudio) em diferentes frequências têm caracteres diferentes (por exemplo, diferentes coeficientes de atenuação e reflexão) quando o sinal se propaga em um meio, para permitir um sinal APG de maior qualidade e resiliência ao movimento.

A seguir, demonstramos experimentalmente a eficácia do uso de múltiplas frequências na sinalização APG. Transmitimos três sinais de sondagem simultaneamente com suas frequências abrangendo uniformemente de 30 KHz a 32 KHz. Um participante foi solicitado a balançar a cabeça quatro vezes durante o experimento para introduzir interferência. A figura abaixo mostra que diferentes frequências podem ser transmitidas simultaneamente para reunir diversas informações com detecção coerente , uma vantagem única do APG.

A fase de 30 kHz mostra os quatro movimentos da cabeça e a magnitude (amplitude) de 31 kHz mostra o sinal da onda de pulso. Esta observação mostra que algumas frequências de ultrassom podem ser sensíveis às atividades cardíacas, enquanto outras podem ser sensíveis ao movimento. Portanto, podemos usar o APG multitons como um sinal de calibração para encontrar a melhor frequência que mede a frequência cardíaca e usar apenas a melhor frequência para obter uma forma de onda de pulso de alta qualidade.

A amplitude misturada (linha superior) e fase (linha inferior) para um sinal APG multitom personalizado que se estende de 30 kHz a 32 kHz. Com a diversidade de canais, as atividades cardíacas são capturadas em algumas frequências (por exemplo, magnitude de 31 kHz) e os movimentos da cabeça são capturados em outras frequências (por exemplo, magnitude de 30 kHz, 30 kHz e fase de 31 kHz).

Depois de escolher a melhor frequência para medir a frequência cardíaca, a forma de onda do pulso APG torna-se mais visível com entalhes dicróticos pronunciados e permite uma medição precisa da variabilidade da frequência cardíaca .

O sinal APG final usado na fase de medição ( esquerda ) e sinal de ECG torácico ( direita ).

Multitons se traduz em múltiplas observações simultâneas, o que permite o desenvolvimento de técnicas de processamento de sinais de array . Demonstramos o espectrograma de um experimento APG de sessão em execução antes e depois de aplicar a separação cega de fontes (veja o artigo para mais detalhes). Também mostramos a medição real da frequência cardíaca no mesmo experimento de corrida usando uma cinta torácica Polar ECG . No APG bruto, vemos a cadência de corrida (em torno de 3,3 Hz), bem como duas linhas escuras (em torno de 2 Hz e 4 Hz) que indicam a frequência cardíaca do usuário e seus harmônicos. As frequências de frequência cardíaca são significativamente melhoradas na relação sinal-ruído (SNR) após a separação cega da fonte, que se alinha com as frequências de frequência cardíaca reais. Também mostramos a frequência cardíaca calculada e a cadência de corrida do APG e do ECG. Podemos ver que o APG monitora com precisão o crescimento da frequência cardíaca durante a sessão de corrida.

O APG monitora a frequência cardíaca com precisão durante a sessão de corrida e também mede a cadência da corrida.