Інженери Північно-Західного університету розробили невелику бездротову систему поліграфа, яку можна носити на собі.
На відміну від поліграфів, що використовуються в кримінальних серіалах, ця версія не оптимізована для виявлення брехні. Натомість інженери та лікарі розробили її для визначення прихованого стресу, що знаходиться глибоко всередині організму – без необхідності проведення допиту у спеціально обладнаному приміщенні.
Легкий, схожий на пов'язку пристрій м'яко прикріплюється до грудей, де одночасно вимірює серцеву активність, дихання, потовиділення, кровотік та температуру. Разом ці сигнали дозволяють отримати уявлення про стан всього організму як реального часу.
Безперервно відстежуючи безліч фізіологічних сигналів одночасно, пристрій може допомогти лікарям виявляти стрес і потенційний дискомфорт у пацієнтів — включаючи немовлят і людей похилого віку, — які можуть бути не в змозі спілкуватися, діагностувати порушення сну без громіздкого лабораторного обладнання, відстежувати психічне здоров'я протягом часу і навіть виявляти рани. Дослідження було опубліковано у журналі Science Advances.
Іноді організм виявляє ознаки стресу ще до того, як людина усвідомлює це, сказав Джон А. Роджерс з Північно-Західного університету, який очолював розробку пристрою. "Навіть якщо люди не розуміють, під яким тиском вони перебувають, стрес непомітно впливає на їхнє здоров'я. Тривалий стрес може мати несприятливі наслідки, особливо для вагітних жінок, дітей та тяжкохворих пацієнтів. Можливість відстежувати стрес на основі кількісних вимірювань може дати людям можливість робити дії зі зняття стресу, які вплинуть безпосередньо на їх здоров'я. Важливо відзначити, що ми прагнули розробити пристрій, який концептуально схожий на поліграф, який працює на основі біофізичних реакцій організму, не вимагаючи доступу до хімічних біомаркерів, що містяться в біологічних рідинах".
Голос для вразливих
Проєкт розпочався з прохання педіатрів із Дитячої лікарні ім. Енн і Роберт Х. Лурі в Чикаго. За ці роки команда Роджерса розробила набір бездротових електронних пристроїв для немовлят і дітей — для відстеження життєво важливих показників, моніторингу захворювань, лікування вроджених станів та діагностики хвороб. Тепер педіатри попросили Роджерса створити м'який, неінвазивний пристрій для виявлення та безперервного відстеження рівня стресу у немовлят протягом усього перебування у лікарні, без вимірювання біохімічних показників стресу у слині та крові. В цей час визначення рівня стресу у немовлят часто залежить від того, що можуть бачити й чути особи, які здійснюють догляд за дитиною - плач, вираз обличчя та руху, а також від основних життєво важливих показників. Але ці сигнали можуть бути ледь помітними, непослідовними або навіть повністю відсутніми.
"Рівень стресу часто оцінюється за допомогою анкет та медичних оглядів", - сказав Роджерс. "У записі вказуються такі параметри, як тон та гучність плачу. Немовлята, очевидно, що неспроможні описати свій власний рівень болю. Тому, на відміну від дорослих, визначення рівня стресу у немовлят може бути неймовірно складним завданням. Ми хотіли виключити суб'єктивність із цих оцінок".
"Цей новий пристрій цілодобово відстежує сигнали стресу в організмі, допомагаючи кількісно оцінити, як довго людина відчуває стрес щодня і наскільки він інтенсивний", - сказала Віз-Майєр, колега Роджерса. "Краса пристрою в тому, що тепер і люди, і медичні працівники можуть визначати рівень стресу та об'єктивно відстежувати ефективність втручань зі зниження стресу та відновлення здорового балансу абсолютно неінвазивним способом".
Універсальний пристрій для вимірювання стресу
Для цього Роджерс та його команда знайшли натхнення у несподіваному місці: поліграфах. Хоча в розмовній промові їх називають «детекторами брехні», насправді вони не виявляють брехню. Вони вимірюють реакцію організму на стрес, який може бути викликаний багатьма факторами, окрім обману. Роджерс побачив можливість розвинути цю основну ідею. Але, в той час, як традиційні поліграфи покладаються на безліч громіздких дротових датчиків, Роджерс прагнув зафіксувати ті ж фізіологічні сигнали - і навіть більше - в комплекснішій, повністю інтегрованій, точній і такой формі, що носиться.
В результаті була розроблена технологія, що поєднує кілька крихітних датчиків в одному м'якому пристрої. Разом ці датчики безперервно відстежують безліч фізіологічних сигналів, які реагують на стрес, що виникає в організмі. Вбудований датчик руху та мініатюрний мікрофон вловлюють тонкі механічні та акустичні сигнали від серця та легень. Інші датчики визначають температуру шкіри та тепловий потік, пов'язаний із кровообігом поблизу поверхні тіла. А ще один датчик вимірює зміни електропровідності шкіри, спричинені активністю потових залоз – добре відомий маркер стресу. "Вимір стресу — складне завдання, оскільки воно багатовимірне, — сказав Роджерс. — Неможливо надійно визначити рівень стресу, вимірюючи лише один, два або навіть три чи чотири параметри. Необхідний широкий спектр факторів. Тому ми розмістили в цій платформі пристрою якнайбільше датчиків фізіологічних процесів, зберігши при цьому компактні розміри та легку конструкцію, а також уникнувши необхідності доступу до біологічних рідин".
Система бездротовим способом передає ці синхронізовані потоки даних на смартфон, розумний годинник або планшет, де алгоритми машинного навчання аналізують закономірності, пов'язані зі стресом, в режимі реального часу. Вага пристрою становить менше ніж 8 грамів (еквівалентно восьми скріпкам), і він розроблений таким чином, щоб природно рухатися разом зі шкірою, що дозволяє йому працювати безперервно понад 24 години.
Перевірено у реалістичних сценаріях
Після розробки системи команда Роджерса перевірила її у широкому діапазоні сценаріїв, включаючи контрольовані експерименти та реальні умови. Під час імітації тестів на детекторі брехні пристрій точно фіксував стресові реакції, викликані делікатними питаннями, і результати практично збігалися з вимірюваннями комерційних поліграфічних систем.
У когнітивних тестах, таких як розуміння мови в шумних обставинах, пристрій виявляв явне збільшення сигналів, пов'язаних зі стресом, у міру підвищення складності завдань. Результати збігалися з одночасними незалежними вимірами розширення зіниць – поширеним методом визначення рівня стресу.
В іншому експерименті учасники дослідження опускали руки в крижану воду, і система реєструвала скоординовані зміни серцевої активності, характеру дихання, потовиділення та температурних сигналів. У педіатричних дослідженнях сну пристрій, що носився, виявляв ключові клінічні події, включаючи порушення дихання і нічні пробудження, з точністю, порівнянною з лікарняними тестами сну, але з набагато меншою кількістю збоїв.
І, нарешті, під час тренувань у відділенні невідкладної допомоги зі студентами-медиками пристрій виявив разючу закономірність. Учасники з більш вираженою стресовою реакцією, як правило, демонстрували найгірші результати, що дозволяє припустити, що стрес може погіршувати ухвалення рішень у стресових ситуаціях.
"Зрештою, пристрій зможе відправляти оповіщення користувачеві або опікуну, коли рівень стресу досягне певної межі", - сказав Роджерс. "Багато людей можуть не повною мірою усвідомлювати рівень стресу, який вони відчувають, і не розуміти, що це впливає на їхню працездатність".
Що далі?
Далі команда планує вивести свою технологію за рамки валідаційних досліджень та впровадити її у ширшу клінічну практику. Наступні кроки включатимуть тестування пристрою на великих групах пацієнтів, вдосконалення його здатності до персоналізованого виявлення стресу та інтеграцію його до лікарняних та домашніх систем моніторингу для забезпечення безперервного моніторингу стану здоров'я пацієнтів у режимі реального часу.
Роджерс також вивчає можливості включення до пристрою ще більшої кількості датчиків, включаючи можливість вимірювання мозкової активності. Додавання можливостей електроенцефалограми (ЕЕГ) дозволить пристрою вийти за рамки вимірювання стресової реакції організму та почати фіксувати, як мозок сприймає цей стрес. Це може наблизити вчених до розмежування стресу і болю — навіть у домашніх умовах — і до розуміння того, як вони сприймають біль у контексті біомаркерів стресу, що одночасно реєструються.
"Ми живемо в стресові часи, і у нас немає достатніх заходів для завчасного виявлення стресу", - сказала Віз-Майєр. "Виявляючи стрес - чи то екологічний, чи викликаний хворобою - на ранній стадії, ми можемо розпочати втручання до того, як наслідки стресу стануть незворотними".
