Warnung bei Atemproblemen 18.10.2019, 07:00 Uhr

Intelligente Lautsprecher überwachen schlafende Babys

Warum es bei manchen Babys zum Versagen der Atmung und zum plötzlichen Kindstod kommt, ist nach wie vor unklar. US-Forscher zeigen jetzt, dass sich die Atemfrequenz mit handelsüblichen smarten Lautsprechern messen lässt.

Smarte Lautsprecher

Smarte Lautsprecher überwachen ein Baby (hier eine Puppe) im Labor.

Foto: Dennis Wise/University of Washington

Bundesweit sterben bei einer Gesamtzahl von 700.000 bis 750.000 Lebendgeburten rund 100 bis 120 Kinder pro Jahr am plötzlichen Kindstod. Etwa 80% aller Todesfälle ereignen sich vor dem sechsten Lebensmonat – meistens, während ein Säugling schläft. Zu den möglichen Risikofaktoren zählen Frühgeburten mit nicht richtig entwickeltem Atemzentrum, Überwärmung, Schlafen in Bauchlage und ein Zudecken des Kopfes. Eltern sind in Sorge, ihre ständige Anwesenheit schadet jedoch der Entspannung ihres Kindes.

Doch welche Alternativen gibt es? Am 22. Oktober präsentieren Forscher der University of Washington eine technische Lösung auf der MobiCom-Konferenz 2019 in Los Cabos, Mexiko: BreathJunior. Sie setzen smarte Lautsprecher ein, die sogenanntes weißes Rauschen abgeben, um Auffälligkeiten bei der Atmung zu messen.

Weißes Rauschen als Signalquelle für Messungen  

Zum Hintergrund: Weißes Rauschen ist eine Kombination verschiedener Frequenzen, die einen scheinbar zufälligen Klang erzeugen – wie ein altes Radio, bei dem kein Sender eingestellt worden ist. Es handelt sich um eintönige Geräusche eines konstanten Leistungsdichtespektrums, die dem Gehirn helfen, Störgeräusche zu ignorieren. Vielfach wurde diskutiert, ob weißes Rauschen Babys sogar beim Einschlafen helfen könnte. Darum geht es den Ingenieuren aber nicht.

Vielmehr verwenden sie das weiße Rauschen als akustisches Signal, um die Atmung eines Babys zu überwachen. Das war schwerer als gedacht: Ingenieure mussten eine Methode entwickeln, mit der winzige Änderungen zwischen dem weißen Rauschen eines intelligenten Lautsprechers und dem weißen Rauschen, das vom Körper des Säuglings zurück in die Mikrofone des Sprechers reflektiert wird, erkannt werden. „Da wir das ursprüngliche Signal kennen, können wir jede Zufälligkeit herausrechnen und haben dann nur noch Informationen über die Bewegung des Babys“, sagt Anran Wang. Er ist Doktorand an der Allen School of Health Sciences in Phoenix, Arizona.

Mehrere Mikrofone in smarten Lautsprechern ansteuern

Doch Wangs Idee erwies sich bei der Umsetzung im Experiment als schwierig. Atmen Babys, führt das nur zu minimalen Bewegungen ihrer Brust. „Das Atemsignal ist so schwach, dass wir nicht einfach nach einer Änderung im reflektierten Gesamtsignals suchen konnten“, berichtet Wang. „Vielmehr benötigten wir eine Möglichkeit, den Raum zu scannen und genau zu bestimmen, wo das Baby liegt, sprich, wo Änderungen im weißen Rauschen zu erwarten sind.“

Das geht so: Ein Algorithmus nutzt die Tatsache, dass intelligente Lautsprecher über mehrere Mikrofone verfügen, mit denen eine Fokussierung in Richtung der kindlichen Brust möglich ist. Dann wird weißes Rauschen in diese Richtung emittiert. Und Reflexionen werden nur an dieser Stelle untersucht. BreathJunior verfolgt sowohl kleine Bewegungen, wie sie beim Atmen auftretenden, als auch stärkere Änderungen, falls sich Babys beispielsweise drehen. Das Tool nimmt auch gezielt wahr, wenn der Nachwuchs weint.

Erste Tests des Prototypen im Labor und im Krankenhaus

Doch erkennt BreathJunior tatsächlich gefährliche Situationen wie einen Atemstillstand? Das untersuchte Wang mit einem Säuglingssimulator. Er hat die Gestalt eines Babys und simuliert eine Vielzahl an Atemfrequenzen – von langsamen 20 Atemzügen pro Minute bis zu 60 Atemzügen pro Minute. Mit dem Säuglingssimulator konnte das Team auch testen, ob BreathJunior abnormale Atmungsmuster entdeckt, die bei Frühgeborenen häufig sind, weil sie möglicherweise keine Atmungszentren im Gehirn entwickelt haben. Hier kann es zum plötzlichen Kindstod kommen. Alle Szenarien wurden mit dem Algorithmus fehlerfrei erkannt.

Dann untersuchte die Forscher, wie gut ihr Prototyp die Atmung von Babys auf der Neugeborenen-Intensivstation misst. Alle kleinen Patienten wurden mit kabelgebundenen Beatmungsmonitoren überwacht und Ärzte verglichen Werte aus diesem klinischen Standardverfahren mit BreathJunior. „Säuglinge auf der Intensivstation haben mit größerer Wahrscheinlichkeit entweder sehr hohe oder sehr langsame Atemfrequenzen“, erklärt Jacob Sunshine. Er ist Assistenzprofessor für Anästhesiologie und Schmerzmedizin an der UW School of Medicine. Das neue Tool habe Atemfrequenzen von bis zu 65 Atemzügen pro Minute genau bestimmt.

Vermarktung von BreathJunior über ein Start-up

Die Autoren planen jetzt, ihr Tool über eine Ausgründung zu vermarkten. Zielgruppe sind Eltern, welche die Atmung ihres Kindes überwachen wollen. Ob es dadurch zu weniger Fällen mit plötzlichem Kindstod kommt, können sie ohne große klinische Studien derzeit nicht sagen, weitere Untersuchungen sind geplant. Die Ingenieure wollen außerdem testen, ob BreathJunior Babys vielleicht das Einschlafen erleichtern kann – mit beruhigenden Geräuschen oder Schlafliedern.

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