目標(biāo)

設(shè)計(jì)一款小巧輕便、適合兒童佩戴且電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的咳嗽監(jiān)測(cè)器。且為這一監(jiān)測(cè)器設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 算法開(kāi)發(fā)，用以分析咳嗽頻率，同時(shí)還可屏蔽背景噪聲，實(shí)現(xiàn)僅監(jiān)控咳嗽聲的效果。

解決方案

Quvium 開(kāi)發(fā)出基于 Arm Cortex-M 處理器的 Sonasure 咳嗽監(jiān)測(cè)器，實(shí)現(xiàn)低功耗處理和 ML 功能。Quvium 團(tuán)隊(duì)還通過(guò) Arm 提供的 Keil 微控制器開(kāi)發(fā)套件 (Keil Microcontroller Development Kit, MDK) 專(zhuān)業(yè)版加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

優(yōu)勢(shì)

Arm Cortex-M

高性能，可應(yīng)對(duì)復(fù)雜的 ML 工作負(fù)載

高能效，可延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間

外型小巧，適用于小機(jī)體的

Arm Keil MDK Pro

完全集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境，包含經(jīng)優(yōu)化且免費(fèi)使用的中間件

高性能、高效率的 C/C++ 代碼編譯

用于調(diào)試與測(cè)試算法的指令精確平臺(tái)

對(duì)咳嗽進(jìn)行個(gè)性化分析 讓您安枕無(wú)憂(yōu)

化學(xué)家兼計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Steve Schmidt 和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)專(zhuān)家 Karen Travers 的孩子都患有哮喘，為了改善慢性呼吸系統(tǒng)疾病患者的生活，他們共同成立了 Quvium。據(jù)世界衛(wèi)生組織數(shù)據(jù)顯示，全球有數(shù)億人患有哮喘、慢性阻塞性肺疾病 (COPD) 和囊性纖維化疾病。Quvium 致力于開(kāi)發(fā)出一款經(jīng)久耐用的智能可穿戴咳嗽監(jiān)測(cè)器，可跟蹤早期癥狀，提出治療計(jì)劃，并在需要采取緊急行動(dòng)時(shí)發(fā)送預(yù)警提示。Quvium 制定的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一款紐扣大小的設(shè)備，用以分析咳嗽聲波, 而作為潛在健康問(wèn)題的先兆指標(biāo)，咳嗽頻率的顯著變化也可通過(guò) ML 算法被檢測(cè)。此外，該設(shè)備必須足夠智能，可自動(dòng)屏蔽背景噪聲，僅收集咳嗽數(shù)據(jù)。

堅(jiān)固耐用 專(zhuān)為兒童打造

產(chǎn)品在日常環(huán)境中的實(shí)用性能是開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)面臨的一項(xiàng)主要挑戰(zhàn)。雖然在安靜的室內(nèi)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)早已試驗(yàn)成功，但在無(wú)線(xiàn)電信號(hào)干擾和交通噪聲等嘈雜的環(huán)境背景中，咳嗽檢測(cè)的難度大大增加。除了小巧輕便，Sonasure 設(shè)備還必須堅(jiān)固耐用、易于佩戴且適合兒童安全使用。夜間，設(shè)備在患者身邊進(jìn)行充電的同時(shí)，還要繼續(xù)運(yùn)行對(duì)患者咳嗽進(jìn)行檢測(cè)。

為了將概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，Quvium 將目光投向 Arm 處理器技術(shù)和軟件，以實(shí)現(xiàn)其可擴(kuò)展性與 ML 處理能力。小型低功耗 Cortex-M 處理器可提供嵌入式應(yīng)用所需的耐用性和可擴(kuò)展性，同時(shí)為 Sonasure 提供所需的高性能和高能效。憑借 Arm 提供的 ML 能力，Quvium 為該設(shè)備開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)獨(dú)特功能 —— 可快速分析咳嗽聲并識(shí)別每位佩戴者的正常基線(xiàn)。

Schmidt 表示：我們清楚的知道，如果想要實(shí)現(xiàn)合理計(jì)算，又不耗盡電池電量，佩戴的設(shè)備更不會(huì)像磚塊一樣笨重，Arm 能夠滿(mǎn)足以上這些需求。我們需要一種具有高能效，處理器足夠密集的設(shè)備，以便對(duì)捕捉到的聲音進(jìn)行預(yù)處理，過(guò)濾掉語(yǔ)音內(nèi)容，避免隱私泄露或減少噪音干擾。此外，設(shè)備必須具備預(yù)處理能力，可識(shí)別可能的咳嗽聲，并在檢測(cè)到咳嗽時(shí)，將其發(fā)送到基站進(jìn)行進(jìn)一步分析。而 Arm Cortex-M4 處理器巧妙地集合了成本、尺寸、電源管理和計(jì)算能力方面的優(yōu)勢(shì)，讓這一切成為可能。

加速軟件開(kāi)發(fā)

Quvium 使用了面向基于 Cortex 處理器微控制器的 Arm 旗艦軟件開(kāi)發(fā)解決方案 —— Arm Keil MDK Pro。該全面解決方案為 Quvium 創(chuàng)建、構(gòu)建和調(diào)試嵌入式應(yīng)用提供了所需的全部組件。專(zhuān)業(yè)版支持訪(fǎng)問(wèn) Cortex-M4 仿真模型，因此 Quvium 能夠?qū)崿F(xiàn)軟件與硬件并行開(kāi)發(fā)，從而顯著縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

高效優(yōu)化 C/C++ 代碼的大小和性能也至關(guān)重要，對(duì)于復(fù)雜的 ML 算法代碼尤為如此。CMSIS 軟件包經(jīng)過(guò)預(yù)開(kāi)發(fā)，因此開(kāi)發(fā)者只需選擇相關(guān)內(nèi)核即可最大限度提高性能，并盡可能地減少內(nèi)存占用空間，而無(wú)需從頭開(kāi)始創(chuàng)建所有 ML 代碼。

Quvium Sonasure 開(kāi)發(fā)者 Ragu Bharadwaj 表示：Arm Keil MDK 集成了高效的編譯器、CMSIS 軟件包和指令精確的算法測(cè)試平臺(tái)，是一個(gè)非常出色的全方位解決方案。事實(shí)上，我們想要使用全球最高效的編譯器，這也正是我們決定選擇 Arm 硬件和軟件組合的主要原因之一。

紐扣大小的設(shè)備蘊(yùn)藏挽救生命的巨大力量

Schmidt 補(bǔ)充道，得益于 Arm 技術(shù)，Quvium 成功開(kāi)發(fā)出 Sonasure 咳嗽監(jiān)測(cè)器。這一強(qiáng)大的智能可穿戴設(shè)備即使在三米外，仍可良好運(yùn)行，并有效屏蔽背景噪聲實(shí)現(xiàn)僅監(jiān)聽(tīng)咳嗽聲的效果。

作為呼吸窘迫癥狀的早期檢測(cè)系統(tǒng)，該設(shè)備可通過(guò)分析來(lái)自于邊緣側(cè)的咳嗽頻率和時(shí)長(zhǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，從而提出可能會(huì)影響治療行動(dòng)與計(jì)劃的關(guān)鍵模式。當(dāng)檢測(cè)到偏差時(shí)，服務(wù)器會(huì)向用戶(hù)或看護(hù)者發(fā)送消息，提醒他們采取行動(dòng)。

Sonasure 尺寸小巧且功能強(qiáng)大，可助力臨床醫(yī)生和看護(hù)者在日常生活活動(dòng)中改善對(duì)慢性呼吸系統(tǒng)疾病的控制與管理，從而實(shí)現(xiàn)早期干預(yù)，預(yù)計(jì)每年可挽救數(shù)千人的生命。

Schmidt 表示：無(wú)論是有風(fēng)吹過(guò)、在田野中跑步，還是將設(shè)備放在外套下面，設(shè)備都能正常工作。晚上設(shè)備充電時(shí)，它依然能正常工作?？人园舜罅啃畔?，但到目前為止，沒(méi)有人能夠持續(xù)、高質(zhì)量地捕獲這些信息。得益于 Arm 技術(shù)，我們正在幫助人們利用這個(gè)信號(hào)，以保持健康，收獲美好未來(lái)。