Дышите ровно: ученые научились распознавать стресс по ритму вдохов и выдохов
Российские специалисты совместно с коллегами из Турции создали алгоритм, который распознает стресс по дыханию. На его основе создали приложение для смартфона. Технология поможет мониторить самочувствие людей, чья работа связана с риском.
Человеческий организм воспринимает стресс как сигнал об опасности и мгновенно мобилизуется, чтобы защитить себя. В такие моменты меняется работа многих систем, в том числе дыхание. Оно может учащаться и становиться менее регулярным, меняются продолжительность вдоха и выдоха, а также форма дыхательной волны.
Исследователи Петрозаводского государственного университета и турецкого Университета имени Бинали Йылдырыма в Эрзинджане научили компьютерный алгоритм анализировать сразу несколько характеристик дыхания. Работа получила поддержку Российского научного фонда, ее результаты опубликованы в журнале «Biomedical Signal Processing and Control».
Что показал эксперимент
Во время эксперимента добровольцы сменяли несколько состояний: отдыхали, смотрели развлекательные ролики, медитировали и проходили стресс-тест. В последнем случае нужно было выступить перед комиссией из трех человек и рассказать о своих сильных и слабых сторонах, а потом посчитать вслух. Всё это время дыхание участников записывал нагрудный датчик, который фиксировал движения грудной клетки.
Полученные сигналы нарезались на минутные фрагменты и обработали алгоритмами машинного обучения. Ученые сравнили два подхода. В первом компактная нейросеть анализировала непосредственно дыхательную волну. Во втором из сигнала предварительно выделяли характеристики: особенности формы волны, изменения ритма на разных частотах, устойчивость во времени. Затем эти параметры использовались для оценки состояния человека.
Лучший результат показала нейросеть, работавшая с исходным сигналом. То есть она смотрела не на отдельные показатели, а на дыхание в целом – продолжительность вдоха, регулярность ритма, форму волны. В таком варианте ИИ правильно определял наличие или отсутствие стресса более чем в 96% случаев.
Смартфон вместо датчика
На основе исследования команда разработала приложение для Android – Breath Couple. В лабораторном эксперименте дыхание записывали с помощью нагрудного датчика, а приложение использует другой способ. Оно фиксирует вдохи и выдохи через небольшой внешний микрофон, подключенный к смартфону.
Микрофон нужно расположить рядом с носом. Далее приложение выстраивает дыхательную волну, а затем позволяет отслеживать частоту дыхания и колебания его ритма. Это делает подход потенциально более доступным: для записи не требуется постоянно носить нагрудный датчик.
Пока приложение используется для личного наблюдения и пилотных исследований. Следующий этап – проверить метод на более крупной группе добровольцев и в повседневных условиях. Ученые планируют изучить, как на результат влияют движение, разговор, положение тела, работа за столом, отдых и сон. Такие испытания помогут понять, насколько устойчиво алгоритм распознает изменения дыхания за пределами лаборатории.
Где пригодится технология
Одна из перспективных областей применения – профессии, связанные с высокой ответственностью и экстремальными ситуациями. Это водители, пилоты, авиадиспетчеры и операторы сложных систем на промышленных предприятиях. Если испытания подтвердят надежность метода, анализ дыхания сможет стать дополнительным способом наблюдать за состоянием сотрудников и замечать признаки усталости, эмоциональной и физической перегрузки.
Потенциал технологии связан и с медициной. Объективные данные о дыхании могут пригодиться в исследованиях стресса, тревожности и депрессии, а также при изучении способов регулировать эмоциональные реакции. В спорте и образовании такой мониторинг может помочь исследовать, как нагрузка и волнение отражаются на физиологическом состоянии человека.
Возможности для экспорта
Технологии мониторинга состояния человека становятся все более востребованными. Разработка Петрозаводского государственного университета вписывается в этот мировой тренд, делая его более доступным. Перед тем, как приступить к работе, сотруднику достаточно проверить свое состояние с помощью смартфона и компактного внешнего микрофона. Если дальнейшие испытания подтвердят эффективность метода в реальных условиях, алгоритм сможет заинтересовать зарубежных партнеров как готовое программное решение.
