Смартфоны: Лаборатория в вашем кармане

Сегодня в смартфоне хранятся не только любимые песни, но и важная часть нашей жизни: контактная информация, видеоролики о днях рождения, фотографии с каникул, а также доступ к нашей электронной почте и социальным сетям, играм и даже школьным заметкам. Теперь ученые также превратили наши смартфоны в исследовательские инструменты; с помощью специальных приложений они становятся инструментами для сбора ценных данных.

Для молодых людей это случилось давно, для людей постарше это было не так давно, но 23 октября 2001 года Стив Джобс объявил о запуске устройства iPod с фразой "тысяча песен в кармане". Со временем функции iPod были перенесены на iPhone и все мобильные телефоны.

Охотники за болезнями

Представьте, что вы заразились инфекционным заболеванием. Первое, что ты спросишь себя, это как ты его получил. Вторая вещь - как вылечиться. Между этими двумя вопросами есть и другие неизвестные: как избежать заражения других людей, что делать, чтобы быстрее вылечиться и не заболеть снова. Чтобы ответить на эти вопросы, вам понадобятся данные, данные и многое другое.

К середине 19 века в связи с промышленной революцией Лондон начал беспрепятственно развиваться. В то время были крупные эпидемии холеры, которые унесли тысячи жизней за очень короткое время. Чтобы избежать новых смертей, необходимо знать, как передается болезнь. До 1854 года считалось, что холера может передаваться только при прямом контакте с больным человеком, и что заражение обусловлено миазмами (или испарениями зла), исходящими от этого человека. Но молодой врач по имени Джон Сноу, переживший одну из этих эпидемий в близком окружении, разработал другую гипотезу.

Хотя все считали, что прямой контакт с больными должен быть запрещен, Джон Сноу изучал воду, которую пьют люди в Лондоне, потому что подозревал, что именно этот агент вызвал распространение холеры. К счастью для Снега, люди в пострадавших районах Лондона получали питьевую воду из реки Темзы только от двух компаний, поэтому молодой врач, которому помогали другие коллеги, ходил от двери к двери, чтобы выяснить, какая компания поставляла каждый дом в пострадавшем районе. В статье, опубликованной в 1856 году, он отметил, что эти компании снабжали водой в равной степени как богатых, так и бедных, "поэтому в городе проживало 300 000 человек различных условий и профессий, причудливо смешанных внутри города, но разделенных на две группы по одной характеристике: потреблению воды".

Из клиентов одной компании умерло только 313, в то время как клиенты другой компании - 2 443. Снег быстро соотнес эту разницу с происхождением воды обеих компаний, которые собирали ее из разных точек на Темзе. Вода, которая привела к наибольшим потерям, была загрязнена отходами из городских труб, которые доходили до реки. Медицинское сообщество сомневалось в выводах Сноу. Однако со временем его исследования помогли предотвратить инфекцию и спасти жизни, поэтому сегодня Сноу считается одним из предшественников эпидемиологических исследований.

Скажи мне, что ты делаешь, и я скажу тебе, от чего ты страдаешь

Исследования Снега подчеркивают важность сбора эпидемиологических данных. Но выявление причин других, более сложных заболеваний потребовало от ученых уточнения стратегий получения информации. Сегодняшние эпидемиологические исследования направлены на большое количество людей - изучение их пищевых и оздоровительных привычек, а также физической активности. Запрашивая ежедневные записи через интервью, а также лабораторные анализы каждые несколько месяцев или лет, исследователи могут найти возможные причины некоторых заболеваний.

В 1948 году исследовательская группа собрала 5000 человек из Фрамингема, штат Массачусетс. Участники прошли медосмотр и собеседование по вопросам образа жизни. Каждые два года участники возвращаются, чтобы заполнить свою медицинскую историю и пройти медицинское обследование и лабораторные тесты. В 1974 году к исследованию присоединились еще 5000 человек, детей и жен первых участников, добавив несколько поколений до 2003 года. В результате многолетнего наблюдения за работой добровольцев из Фрамингема было установлено, что люди, наиболее подверженные сердечно-сосудистым заболеваниям, - это люди с высоким давлением и холестерином, которые курили, набирали в весе, не занимались спортом и страдали диабетом. Эти характеристики были факторами риска для этих условий, то, что сегодня всем известно, но это не было научно доказано до тех пор.

Благодаря большому количеству волонтеров, принявших участие в исследовании, его результаты могут быть действительны для других групп населения практически в любой точке мира. Кроме того, это компенсирует потерю данных в связи с тем, что за все это время многие пациенты смогли умереть, переехать в другой город или просто отказаться от исследования. Поскольку многие волонтеры потеряны, лучше всего начать с большого количества добровольцев. Другая проблема заключается в том, что вы должны полагаться на их память и их честность, когда они реагируют на то, как они заботились о себе в последние несколько месяцев. Я забыл, что ел вчера. Следовательно, могут быть недостатки, влияющие на точность результатов.

Наука по телефону

Это место, где смартфоны делают свой вход. Ученые используют возможности этих устройств для проведения своих исследований. Волонтеры могут использовать свои мобильные телефоны для отправки данных в научно-исследовательские институты, а не для заполнения журналов, что помогает держать их в курсе событий.

Телефоны могут собирать высокоточные данные с помощью таких датчиков, как акселерометры, которые могут измерять физическую активность, а также системы GPS-позиционирования, пульсометры, микрофоны и анализаторы звука. Данные миллионов добровольцев по всему миру могут быть отправлены через Интернет в исследовательские центры одним щелчком мыши. Только в одной Мексике сегодня насчитывается 77 миллионов смартфонов, и, по оценкам, к 2025 году в мире будет насчитываться более 5 миллиардов телефонов с усовершенствованными датчиками для измерения гораздо большего количества.

Одним из примеров являются приложения "Диалбетика" и "Фудлог", которые следят за здоровьем и образом жизни больных сахарным диабетом. Приложение рассчитывает калории и процентное содержание углеводов, белков и жиров просто фотографируя продукты питания. Волонтерам, участвовавшим в исследовании с использованием этих приложений, утром выдали цифровой глюкометр для измерения их глюкозы. Акселерометры (обнаруживающие шаги и прыжки телефонной трубки) использовались для расчета их ежедневной физической активности. Вся эта информация была собрана и отправлена исследователям для анализа. Пациент получил совет по поводу своей диеты или поздравления с уходом. Исследование показало, что люди с сахарным диабетом, использующие приложения, лучше контролируют уровень глюкозы по сравнению с теми, кто этого не делал. Аналогичным образом, многие другие человеческие исследования развиваются в различных научных областях.

Тысяча экспериментов в твоем кармане

Пользуясь этой возможностью, в 2015 году компания Apple выпустила пакет ResearchKit - платформу, позволяющую любому ученому создавать приложения для iPhone, которые люди могут загружать для участия в научных исследованиях, не выходя из дома. Сейчас компания, запустившая iPod 18 лет назад с обещанием положить тысячу песен в карман, предоставляет ученым мощный исследовательский инструмент. Через несколько лет у нас в кармане, наверное, будет тысяча научных исследований.

Одной из проблем является конфиденциальность и ответственное использование данных. Мы все чувствовали себя шпионом, когда после обсуждения темы в социальных сетях мы получаем объявления о продуктах, связанных с этой темой, но данные о наших привычках и условиях здоровья являются еще более конфиденциальной информацией, и исследователи, использующие эти приложения, обязаны защищать конфиденциальность участников. В связи с этим компания Apple заявила, что данные, собранные приложениями, разработанными с помощью ResearchKit, будут храниться в полной конфиденциальности и доступны только исследователям. Чтобы защитить личность добровольцев, даже сама компания Apple не будет иметь доступа к этой информации или пользоваться ею.

Такие приложения, как EpiWatch уже были разработаны с использованием ResearchKit, который использует акселерометры для записи эпилептических припадков, чтобы получить данные, которые помогут найти лучшее лечение. Как будто этого недостаточно, приложение посылает сигнал тревоги родственникам перевозчика, когда начинается эпилептический припадок.

Приложение под названием "Нейроны" отслеживает симптомы пациентов с рассеянным склерозом. Здоровье сна позволяет записывать ваши привычки сна для изучения расстройств, которые влияют на вас и mPower предназначен для понимания прогрессирования болезни Паркинсона с помощью тестов на ловкость, равновесие и память. Это заболевание нарушает контроль пациентов над движением, уничтожая дофаминергические нейроны. Приложение mPower измеряет способность пациента контролировать свои движения подобно тому, как это делается в офисе: с телефоном в кармане пациента просят ходить по прямой линии.

Акселерометры измеряют отклонения и колебания пациента (баланс). В другом тесте на экране телефона появляются два красных круга, к которым пациент должен прикасаться попеременно указательным и средним пальцами, чтобы измерить время его реакции. Наконец, приложение попросит пациента подвинуть рот к микрофону и сказать "ах" в течение 10 секунд. Колебания звуковых характеристик являются косвенным показателем способности пациента управлять мышцами, которые вырабатывают голос. Все эти данные анализируются для мониторинга состояния здоровья пациента Паркинсона, и пациент может решить, стоит ли делиться ими с исследователями или нет.

Эти преимущества резко увеличат число участников научных исследований, обеспечивая богатство данных без ущерба для точности. Кроме того, эксперименты будут проводиться в более нормальных для участника условиях, например, дома, а не в лаборатории. Данные будут поступать из различных регионов, позволяя измерять влияние таких переменных, как климат, высота над уровнем моря и пищевые продукты страны, таким образом определяя географические, диетические и физические эффекты. Дополнительная информация, такая как возраст, пол, род занятий, часы работы и сна, позволит анализировать подгруппы и различать последствия заболеваний или лечения для мужчин и женщин, детей и взрослых и других лиц.

Исследования с использованием приложений для мобильных телефонов проанализировали 4 000 участников всего за четыре месяца. Получение такого объема данных с использованием традиционных методов исследования заняло бы более трех лет (в восемь раз больше). В научных журналах уже опубликованы сотни экспериментов, и их авторы утверждают, что их результаты поразительно похожи на результаты исследований, проводимых в контролируемых условиях в научно-исследовательских институтах.

Смартфоны становятся мощным инструментом для исследования всех явлений, связанных с человеческим поведением и здоровьем. Они позволяют одновременно изучать миллионы людей по всему миру, генерируя большие достижения в области научных знаний. Поэтому, если вы когда-нибудь получите приглашение участвовать в исследованиях с помощью своего смартфона, убедитесь, что этические аспекты в порядке, и поощряйте себя к сотрудничеству с научным сообществом для получения большего объема знаний. Это не займет много времени, а взамен ты можешь внести большой вклад в науку.

Большие данные

Гражданский научный эксперимент со смартфонами может генерировать больше данных, чем команда исследователей может обработать за многие годы с помощью традиционных компьютеров в лаборатории. Данные не только объемны, но и разнообразны: теперь можно измерять множество переменных одновременно, что еще больше усложняет дальнейший анализ.

Смартфоны - это важные инструменты в век массивных данных или больших объемов данных. Компании Google, Amazon и Microsoft предлагают услуги хранения и анализа этих массивов данных в облаке. Это хорошая новость для ученых: сегодня им не нужны ни длительные кампании по сбору данных, продолжающиеся годами, ни собственные суперкомпьютеры, которые могут стоить миллионы долларов.

Треморы

В кампусе Калифорнийского университета в Беркли было разработано приложение для обнаружения и измерения толчков с помощью мобильного телефона. Он называется MyShake и может различать толчки, вызванные землетрясением, и толчки, вызванные нормальным движением пользователя. Широко распространенное приложение по сейсмологии может помочь составить карту магнитуды землетрясения и причиненного им ущерба, и все это за очень короткое время.

Все в одном

Датчик - это устройство, которое измеряет определенную форму энергии (например, температуру) и преобразует ее в сигнал, который затем может быть считан электронным устройством. Современные смартфоны оснащаются все более точными датчиками.

Акселерометр

Именно датчик измеряет движение, положение, вибрацию и ускорение. В телефонах он обычно используется для обнаружения движения, наклона и скорости; он отвечает за поворот изображения на экране, если вы перемещаете телефон, определение вашей скорости и запись вашей физической активности, например, ваши шаги. Он исследуется для использования в мониторинге осанки или обнаружения падения пользователя.

Гироскоп

Он используется для определения скорости вращения телефона по трем осям. Он обнаруживает небольшие повороты в приборе, а также его ориентацию (помогает акселерометру узнать, как ориентируется телефон). Камера мобильного телефона полагается на этот датчик для исправления нежелательных движений и предотвращения смазывания фотографий. С помощью одного приложения вы можете контролировать людей с припадками Паркинсона или эпилептическими припадками.

Датчик приближения

Определяет близость или положение объекта по отношению к экрану. Именно благодаря этому датчику клавиатура деактивируется, а питание телефона сохраняется, например, во время телефонного разговора, когда лицо находится рядом с дисплеем.

Датчик внешнего освещения

Этот датчик обнаруживает наличие или отсутствие света с помощью фотоэлементов; он регулирует яркость экрана и, следовательно, снижает потребление энергии.

Магнитометр

Это компас телефона и определяет угол сотового телефона по отношению к магнитному полюсу Земли. Благодаря этому датчику наши телефоны определяют, в каком направлении мы движемся. Используя данные акселерометра и GPS, он может определить наше местонахождение на карте, и таким образом наши телефоны становятся навигационными приборами.

GPS

Поддерживаемая спутниками, она рассчитывает и указывает наше географическое положение. Современный GPS может также полагаться на такие данные, как уровень сигнала соты (расстояние до антенны соты), чтобы обеспечить нам более точное местоположение.

Камера

Существуют приложения для простых офтальмологических тестов, но они все еще не очень надежны.

Микрофон и звуковые анализаторы

Они предоставляют жизненно важную информацию об окружающей среде, в которой движется человек. Используя микрофон мобильного телефона, некоторые исследователи разработали спирометр (прибор, который измеряет поток и объем воздуха, вдыхаемого и выдыхаемого через легкие).

Космические лучи

Команда физиков-частиц из Калифорнийского университета в кампусе Ирвайна разработала приложение под названием CRAYFIS, которое обнаруживает, когда электрически заряженная частица проходит через телефонные цепи и взаимодействует с ними. Это явление происходит постоянно и не имеет никаких последствий, но, интегрируя информацию многих пользователей через приложение, можно обнаружить каскады элементарных частиц, которые образуются, когда космический луч попадает в атмосферную частицу. Энергия исходного космического луча может быть выведена из распределения сигналов.

Авторы:

Джонатан Куэто Эскобедо имеет докторскую степень по психологии Мексиканского национального автономного университета. В настоящее время он является научным сотрудником Института медицинских наук Университета Веракруза.

Мария Габриэла Начон Гарсия - научный сотрудник и директор Института медицинских наук университета Веракруза. Ее исследования посвящены роли эмоций и стресса в тревоге и зависимостях, а также влиянию некоторых заболеваний на другие условия.