Сборка, подгонка и процесс производства наушников. Источник: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48682-7
Время от времени на работе все хотят спать, особенно после плотного обеда. Но для людей, чья работа связана с вождением или работой с тяжелой техникой, сонливость может быть чрезвычайно опасной, если не смертельной.
Сонливость за рулем приводит к сотням смертельных дорожно-транспортных происшествий в США каждый год, а Национальный совет по безопасности назвал сонливость критической опасностью в строительстве и горнодобывающей промышленности.
Чтобы защитить водителей и операторов машин от опасности засыпания, инженеры Калифорнийского университета в Беркли создали прототип наушников, которые могут определять признаки сонливости в мозге.
Наушники-вкладыши обнаруживают мозговые волны таким же образом, как электроэнцефалограмма (ЭЭГ), тест, который врачи используют для измерения электрической активности мозга. В то время как большинство ЭЭГ обнаруживают мозговые волны с помощью ряда электродов, прикрепленных к голове, наушники-вкладыши делают это с помощью встроенных электродов, которые предназначены для контакта с ушным каналом.
Электрические сигналы, обнаруживаемые наушниками-вкладышами, меньше тех, которые улавливаются традиционной ЭЭГ. Однако в новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, исследователи показывают, что их платформа Ear EEG достаточно чувствительна, чтобы обнаружить альфа-волны — паттерн мозговой активности, который усиливается, когда вы закрываете глаза или начинаете засыпать.
«Я был вдохновлен, когда купил свою первую пару AirPods от Apple в 2017 году. Я сразу подумал: «Какая потрясающая платформа для нейронной записи», — сказал старший автор исследования Рикки Мюллер, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли.
«Мы считаем, что эта технология имеет множество потенциальных применений, и что классификация сонливости является хорошим показателем того, что технологию можно использовать для классификации сна и даже диагностики расстройств сна».
Использование вкладыша в качестве электрода ЭЭГ создает ряд практических проблем. Для получения точной ЭЭГ электроды должны иметь хороший контакт с кожей. Этого относительно легко достичь в традиционных ЭЭГ, которые используют плоские металлические электроды, прикрепленные к коже головы. Однако гораздо сложнее разработать вкладыш, который будет плотно и удобно сидеть в самых разных размерах и формах ушей.
Когда команда Мюллер начала работать над проектом, другие группы, разрабатывающие платформы для ушной ЭЭГ, либо использовали влажные электродные гели, чтобы обеспечить хорошее уплотнение между вкладышем и ушным каналом, либо создавали индивидуальные вкладыши для каждого отдельного пользователя. Она и ее команда хотели разработать модель, которая была бы сухой и универсальной для пользователя, чтобы любой мог вставить их в уши и получить надежные показания.
«Моей личной целью было попытаться создать устройство, которое мог бы использовать каждый день тот, кто действительно получит от этого пользу», — сказал Райан Кавех, постдокторант Калифорнийского университета в Беркли и соавтор исследования. «Чтобы сделать это, я знал, что оно должно быть многоразовым, подходить разным людям и [быть] простым в производстве».
Кавех руководил исследованием совместно с аспиранткой Кэролин Швендеман и сотрудничал с лабораторией Аны Ариас в Калифорнийском университете в Беркли, чтобы разработать окончательный наушник в трех размерах: маленький, средний и большой.
Наушник включает в себя несколько электродов в консольной конструкции, которая оказывает мягкое внешнее давление на ушной канал и использует гибкую электронику для обеспечения удобной посадки. Сигналы считываются через специальный маломощный беспроводной электронный интерфейс.
В статье 2020 года исследователи показали, что эти наушники могут обнаруживать ряд физиологических сигналов, включая моргание глаз, альфа-волны мозга и слуховой устойчивый ответ, который является реакцией мозга на прослушивание постоянного тона.
В новом исследовании они улучшили конструкцию наушников и включили машинное обучение, чтобы продемонстрировать, как наушники могут использоваться в реальном приложении.
В рамках эксперимента они попросили девять добровольцев носить наушники, выполняя ряд скучных задач в темной комнате. Время от времени добровольцев просили оценить уровень их сонливости, и измерялось время их реакции.
«Мы обнаружили, что даже когда качество сигнала от наушников казалось хуже, мы все равно могли классифицировать начало сонливости с тем же уровнем точности, что и гораздо более сложные, громоздкие системы», — сказал Кавех.
Наушники также сохраняют свою точность при категоризации сонливости у совершенно новых пользователей, что является характеристикой устройств, которые могут работать «из коробки».
Мюллер, который разработал Ear EEG, продолжает совершенствовать конструкцию и исследовать другие потенциальные области применения устройства, которое также может регистрировать сигналы помимо ЭЭГ, такие как сердцебиение, движения глаз и сжатие челюстей.
«Беспроводные наушники — это то, что мы уже носим постоянно», — сказал Мюллер. «Именно это делает Ear EEG таким убедительным подходом к носимым устройствам. Он не требует ничего дополнительного».
Дополнительная информация: Райан Каве и др., Беспроводная Ear EEG для контроля сонливости, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48682-7
Информация о журнале: Nature Communications Предоставлено Калифорнийским университетом в Беркли
