Ношение масок для лица было признано одним из наиболее эффективных способов предотвращения распространения COVID-19, даже в его наступающей эндемической фазе. Помимо обычной функции масок, все больше изучается потенциал интеллектуальных масок для мониторинга физиологических сигналов человека. Исследовательская группа, возглавляемая Городским университетом Гонконга (CityU), недавно изобрела умную маску, интегрирующую ультратонкий датчик звуковых волн на основе нанокомпозитной структуры губки, который способен обнаруживать респираторные звуки дыхания, кашля и речи.

Используя алгоритмы машинного обучения и высокочувствительный датчик звуковых волн, работающий в широком диапазоне частот, интеллектуальная маска открыла новые возможности для ее применения при выявлении респираторных заболеваний, а также в качестве инструмента голосового взаимодействия. Эта сверхлегкая носимая технология также обладает потенциалом для улучшения личного и общественного здоровья, обеспечивая длительный и систематический мониторинг состояния органов дыхания в повседневной жизни.

Исследовательская группа, возглавляемая профессором Ли Вэньцзюном, заведующим кафедрой машиностроения (MNE), профессором Ван Цзяньпином, профессором кафедры компьютерных наук (CS), и доктором Ю Синге, доцентом кафедры биомедицинской инженерии (BME) в CityU, недавно разработала эту умную маску, который может обнаруживать и различать множественные дыхательные действия. Команда профессора Шэнь Цзянгана из Школы китайской медицины Университета Гонконга также внесла важный вклад в проект. Результаты были опубликованы в журнале Advanced Science.

"Многие страны сейчас считают, что COVID-19 скоро станет эндемичным", - сказал профессор Ли. "Однако мы должны отбросить оптимизм и быть реалистами в отношении вероятных уровней заболеваний, инвалидности и смертности, связанных с этим заболеванием, в ближайшие годы. Важно помнить, что эндемичность не соответствует безвредности."

Он привел малярию в качестве примера, чтобы проиллюстрировать, что, хотя в настоящее время она считается эндемичной в 87 странах, по данным Всемирной организации здравоохранения, в 2020 году она заразила примерно 241 миллион человек и стала причиной 627 000 смертей. Таким образом, он предположил, что люди должны продолжать проявлять осторожность в отношении COVID-19 и использовать доступные и проверенные меры, включая маски, для контроля распространения вируса.

"В этой умной маске используется разработанный нами самостоятельно высокочувствительный гибкий датчик с широкой полосой пропускания, который может обнаруживать и записывать повседневную дыхательную активность человека, такую как дыхание, кашель и разговор, для хранения данных в облаке", - пояснил профессор Ли.

Разработанная командой интеллектуальная маска имеет губчатую структуру толщиной до 400 мкм, изготовленную из углеродных нанотрубок и полидиметилсилоксановых материалов (CNT / PDMS) с использованием новой модифицированной технологии жертвенного высвобождения. Ультратонкий и легкий датчик может быть практически интегрирован и эффективно работать как с жесткими масками, так и с деформируемыми масками из нетканого материала.

Хорошая производительность при статическом и динамическом давлении

Исследовательская группа набрала 31 человека, чтобы измерить их дыхательную активность, пока они носили умную маску. Полученные результаты показали, что датчик акустических волн обладает высокой чувствительностью при измерении как статического, так и динамического давления. Помимо хорошей работы в диапазоне статического давления 27,9 Па–2,5 кПа, датчик также реагировал на высокочастотное динамическое давление, создаваемое человеческим голосом, то есть на звуковую гармоническую акустическую энергию частотой до 4000 Гц.

Кроме того, датчик может воспринимать движение воздуха, включая направленный поток и вибрацию. Эти результаты свидетельствуют о том, что датчик можно было бы использовать для обнаружения дыхательной активности человека, интегрировав его с коммерческой маской из поликарбоната. Это также продемонстрировало, что умная маска может обнаруживать и дифференцировать три общие дыхательные функции: дыхание, кашель и речь.

"Передовая технология искусственного интеллекта позволяет встроенной маске автоматически распознавать различные формы кашля и дыхания, что указывает на ее потенциальное использование для диагностики респираторных заболеваний в будущем", - сказал профессор Ван.

"В настоящее время исследователи используют коммерческие датчики для обнаружения изменений температуры и воздушного потока, чтобы подсчитать количество приступов кашля, но они не могут фиксировать важную физиологическую информацию, содержащуюся в человеческом голосе, кашле и дыхании. Наша умная маска чувствительна как к слабому давлению воздуха, так и к высокочастотным вибрациям и может обнаружить три фразы кашля", - добавил профессор Ли.

Команда стремится в конечном итоге разработать алгоритмы диагностики в реальном времени для таких приложений, как оценка симптомов пневмокониоза. "Как потенциально недорогое ежедневное интеллектуальное носимое устройство, эта новая интеллектуальная маска IoT поможет управлению личным и общественным здравоохранением в проведении скрининга и диагностики респираторных заболеваний, особенно в городах с плотным населением, таких как Гонконг", - сказал доктор Ю. Способность смарт-маски распознавать речь также может помочь решить проблему ослабления звука, вызванную ношением масок.