Retningsbestemt mikrofonsystem zoomer selv ind på patienten

Tre ingeniørstuderende fra Aarhus Universitet har udviklet et lydsystem, der kan forbedre overvågningen af patienter på hospitalerne. Systemet kan zoome akustisk ind på den enkelte patient og opfange selv de mindste lyde, samtidig med at det filtrerer baggrundsstøjen fra. Det kan give sygeplejersken en klar og støjfri lydforbindelse til de sengeliggende patienter.

»I dag er det ret ressourcekrævende at overvåge patienter. Særligt patienter, der ligger til opvågning eller på observations- eller intensivafdelinger, som der er et stort behov for at holde øje med, koster mange ressourcer. Her er lydsiden meget væsentlig, fordi man ved at overvåge lyden fra dem for eksempel vil kunne høre, hvis de vågner,« siger Ole Mundbjerg, der sammen med sine to medstuderende Peter Christiansen og Mads Dyrmann Larsen står bag udviklingen af systemet.

Lydsystemet, som de har udviklet i deres bachelorprojekt, registrerer den mindste lyd fra patienterne, hvilket gør det muligt for sygeplejerskerne at overvåge patienterne på afstand.

Lokaliserer og forstærker

Systemet består af en række mikrofoner i et mikrofonarray, som opfanger lyden fra patienterne og behandler den i to trin.

Først skal man have fundet ud af, hvor lydkilden befinder sig. Når lyden udbreder sig i en bestemt hastighed og ankommer til hver af mikrofonerne på forskellige tidspunkter, kan systemet ud fra lydbølgernes tidsforskydning beregne lydkildens position i rummet.

»Vi bruger en kombination af en udvidet form for krydskorrelation og stokastiske metoder (matematisk model for tidsudviklingen af et fænomen, hvor tilfældigheder spiller en afgørende rolle, red.). Vi krydskorrelerer lydsignalerne, så vi kan se, hvor stor tidsforskel der er mellem de enkelte mikrofonsignaler, og deraf kan vi via en lokaliseringsalgoritme finde ud af, hvor lydkilden er,« forklarer Ole Mundbjerg.

Når lydkildens position er bestemt, zoomer systemet akustisk ind på den lokaliserede lydkilde ved hjælp et princip, der hedder beamforming.

»Man forskyder lydsignalerne tidsmæssigt, ved at man forsinker de lydsignaler, der rammer mikrofonerne først, sådan at de faktisk rammer samtidig, og derved kan man ved at lægge signalerne sammen få forstærket de signaler, som kommer præcis fra dét sted, der har de tidsforsinkelser, som man har lokaliseret,« forklarer Ole Mundbjerg.

På den måde vil lyde, der kommer fra andre retninger, ikke blive forstærket, fordi der bliver beamformet mod den bestemte lydkilde. Herved får man fjernet noget af den støj, der er i rummet. Støjen reduceres yderligere ved hjælp af adaptive algoritmer, så systemet kan gengive lyden fra kilden i en høj kvalitet uden baggrundsstøj fra medicinske apparater eller samtaler.

Flere mikrofoner er bedre end én

Ifølge Ole Mundbjerg er løsningen med mikrofonarrayet meget bedre end systemer, hvor man kun bruger en mikrofon til at overvåge lyden fra sengeliggende patienter.

»Et alternativ er at bruge én enkelt mikrofon, som man monterer som et headset på hver patient. Men det giver nogle hygiejneproblemer og kræver flere ressourcer, fordi man skal montere mikrofonen manuelt på patienten, hver gang patienten skal overvåges. Og så er der en usikkerhed ved det, fordi patienten kan få hevet mikrofonen af,« fortæller han.

Man kan også montere én mikrofon i loftet over patienten, så man dels undgår hygiejneproblemerne, dels at patienten kommer til at fjerne mikrofonen. Problemet er, at man derved får man en masse støj med fra lokalet og ikke på samme måde får zoomet ind på patienten. Det betyder, at der kommer en masse falske alarmer med udstyr, der bipper, og med folk, der taler ude på gangen.

»Det er lige præcis dét, vi kan sortere væk ved at bruge et mikrofonarray i stedet for en enkelt mikrofon,« forklarer Ole Mundbjerg.

Hvis systemet, som det er nu, skal fungere mest effektivt, skal man montere et mikrofonarray over hver patients seng, men Ole Mundbjerg fortæller, at man sagtens vil kunne udvikle systemet til at kunne fungere ved at placere et mikrofonarray midt i en hospitalsstue, som kan opfange lyde fra alle patienter på en stue, eller mellem to patienter, som kan opfange signaler fra begge.

System kan udvikles

De studerende har i forbindelse med deres bachelorprojekt gennemført en undersøgelse af systemets brugskontekst på en observationsafdeling på Aarhus Universitetshospital. De har arbejdet sammen med virksomheden SoundFocus, der producerer akustisk udstyr til hospitaler. Og selv om deres prototype med otte mikrofoner fungerer som en testmodel og endnu ikke er færdigudviklet til at kunne monteres i et hospitalsmiljø, tror Ole Mundbjerg på, at systemet kan have en fremtid på hospitalerne.

»SoundFocus har vist interesse i at forsøge sig med et lignende produkt, som er en videreudvikling af det system, vi har lavet, og få monteret det i et testmiljø på et hospital,« siger Ole Mundbjerg.

SoundFocus har i forvejen udviklet et højttalerprodukt, hvor højttalerne monteres over hver patient i et højttalerarray, som kan sende retningsbestemt lyd ned mod patienten, som for eksempel
beroligende musik, uden at forstyrre de andre patienter eller personalet.

»På sigt kan man forestille sig at kombinere højttalerarrayet og mikrofonarrayet, så de sidder i samme boks og kan anvendes til tovejskommunikation mellem patient og sygeplejerske, hvilket også kan spare tid og ressourcer,« forklarer Ole Mundbjerg.