無(wú)線運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可以收集健康和行為數(shù)據(jù)

我們生活在一個(gè)無(wú)線信號(hào)的世界里，在我們周圍流動(dòng)，從我們的身體里跳出來(lái)。麻省理工學(xué)院的研究人員正在利用這些信號(hào)反射為科學(xué)家和護(hù)理人員提供關(guān)于人們行為和健康的有價(jià)值的見(jiàn)解。

這個(gè)被稱為馬科的系統(tǒng)向環(huán)境發(fā)送低功率射頻信號(hào)。如果信號(hào)從運(yùn)動(dòng)的人體反彈回來(lái)，信號(hào)會(huì)回到系統(tǒng)，并做出一些改變。然后，新算法分析這些變化的反射，并將它們與特定的個(gè)體相關(guān)聯(lián)。

然后，系統(tǒng)跟蹤每個(gè)人圍繞數(shù)字平面圖的移動(dòng)。將這些運(yùn)動(dòng)模式與其他數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配可以提供關(guān)于人們?nèi)绾蜗嗷プ饔靡约碍h(huán)境的見(jiàn)解。

在本周于計(jì)算系統(tǒng)的人因會(huì)議上發(fā)表的一篇論文中，研究人員描述了該系統(tǒng)及其在六個(gè)地點(diǎn)的實(shí)際使用情況：兩個(gè)輔助生活設(shè)施、三套公寓和一個(gè)有四名居民的聯(lián)排別墅。案例研究證明，該系統(tǒng)只能根據(jù)無(wú)線信號(hào)區(qū)分個(gè)體，并揭示了一些有用的行為模式。

在一個(gè)輔助生活設(shè)施中，在患者家屬和護(hù)理人員的允許下，研究人員對(duì)癡呆患者進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，這些患者經(jīng)常因?yàn)槲粗脑蚨乖瓴话?。一個(gè)多月后，他們測(cè)量了患者在單位區(qū)域之間增加的起搏——這是一種已知的興奮跡象。通過(guò)將增加的起搏與訪視記錄進(jìn)行匹配，他們確定患者在家庭訪視后的幾天內(nèi)更加興奮。研究人員表示，這表明Marko可以提供一種新的被動(dòng)方式來(lái)跟蹤患者在家中的功能健康狀況。

“這些都是我們通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的有趣的東西，”第一作者、計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)博士生陳玉宇說(shuō)?！拔覀兩钤跓o(wú)線信號(hào)的海洋中，我們移動(dòng)和走動(dòng)的方式改變了這些反射。我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)來(lái)傾聽(tīng)這些反射.更好地了解人們的行為和健康?！?

這項(xiàng)研究由電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授、麻省理工學(xué)院無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)計(jì)算中心(Wireless @ MIT)主任Dina Katabi、Andrew和Erna Viterbi領(lǐng)導(dǎo)。加入Katabi和Hsu的還有CSAIL研究生趙明敏和李光和以及校友瘤胃Hristov SM '16。

預(yù)測(cè)“跟蹤”和身份

當(dāng)部署在家里時(shí)，馬科會(huì)發(fā)射射頻信號(hào)。當(dāng)信號(hào)反彈時(shí)，它會(huì)創(chuàng)建一個(gè)切割成垂直和水平“幀”的熱圖，以指示人們?cè)谌S空間中的位置。人在地圖上顯示為亮點(diǎn)。豎框捕捉人的身高和構(gòu)造，橫框決定人的大致位置。當(dāng)一個(gè)人行走時(shí)，系統(tǒng)會(huì)分析射頻幀——大約每秒30幀——以生成短軌跡，稱為軌跡。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——一種常用于圖像處理的機(jī)器學(xué)習(xí)模型——使用這些跟蹤來(lái)分離一些個(gè)體的反射。對(duì)于它感應(yīng)到的每個(gè)人，系統(tǒng)將創(chuàng)建兩個(gè)“過(guò)濾面具”，它們是圍繞個(gè)人的小圓圈。這些口罩基本上過(guò)濾掉了除圓圈以外的所有信號(hào)，圓圈鎖定了個(gè)體在移動(dòng)時(shí)的軌跡和高度。綜合所有這些信息——海拔、建筑和移動(dòng)性——網(wǎng)絡(luò)將特定的射頻反射與特定的個(gè)體聯(lián)系起來(lái)。

但是要將身份標(biāo)記為匿名blob，系統(tǒng)必須首先“訓(xùn)練”。幾天后，這個(gè)人戴上低功率加速計(jì)傳感器，可以用來(lái)標(biāo)記反射的無(wú)線電信號(hào)和他們各自的身份。在訓(xùn)練中部署時(shí)，Marko首先生成用戶的軌跡，就像在實(shí)踐中一樣。然后，該算法將一些加速度特征與運(yùn)動(dòng)特征相關(guān)聯(lián)。例如，當(dāng)用戶行走時(shí)，加速度會(huì)逐漸振蕩，但當(dāng)它們停止時(shí)，就會(huì)變成柔性扁平電纜。該算法找到加速度數(shù)據(jù)與軌跡的最佳匹配，并用用戶標(biāo)識(shí)標(biāo)記軌跡。通過(guò)這樣做，馬科知道哪些反射信號(hào)與特定身份有關(guān)。

傳感器永遠(yuǎn)不需要充電，個(gè)人訓(xùn)練后也不需要再次佩戴。在家庭部署中，Marko可以在新家里標(biāo)記個(gè)人身份，準(zhǔn)確率在85%到95%之間。

獲得良好的平衡(數(shù)據(jù)收集)

研究人員希望醫(yī)療機(jī)構(gòu)可以利用Marko被動(dòng)監(jiān)測(cè)，比如患者如何與家人和照顧者互動(dòng)，患者是否按時(shí)接受藥物治療。例如，在輔助生活設(shè)施中，研究人員注意到護(hù)士會(huì)去病房的藥柜，然后在特定的時(shí)間去病人的床上。這表明護(hù)士在特定的時(shí)間給病人用藥。

該系統(tǒng)還可以取代心理學(xué)家或行為科學(xué)家目前使用的問(wèn)卷和日記，以獲取受試者的家庭動(dòng)態(tài)、日常時(shí)間表或睡眠模式以及其他行為的數(shù)據(jù)。那些傳統(tǒng)的記錄方法可能不準(zhǔn)確，有偏見(jiàn)，不適合長(zhǎng)期研究，人們可能不得不回憶幾天或幾周前做了什么。一些研究人員已經(jīng)開(kāi)始為人們配備可穿戴傳感器來(lái)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)和生物識(shí)別。但老年患者尤其經(jīng)常忘記佩戴或充電?！斑@里的動(dòng)機(jī)是為研究人員設(shè)計(jì)更好的工具，”徐說(shuō)。

為什么不裝個(gè)攝像頭？對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，這需要有人觀察并手動(dòng)記錄所有必要的信息。另一方面，Marko會(huì)自動(dòng)將行為模式(如運(yùn)動(dòng)、睡眠和互動(dòng))標(biāo)記到特定的區(qū)域、日期和時(shí)間。

此外，視頻只是更具攻擊性，徐補(bǔ)充道：“大多數(shù)人不習(xí)慣一直拍攝，尤其是在自己家里。使用無(wú)線電信號(hào)來(lái)完成所有這些工作在一定程度上是有幫助的。

Katabi和她的學(xué)生還計(jì)劃將Marko與他們之前關(guān)于從周圍無(wú)線電信號(hào)推斷呼吸和心率的工作結(jié)合起來(lái)。然后Marko將用于將這些生物識(shí)別與相應(yīng)的個(gè)體相關(guān)聯(lián)。它還可以跟蹤人們的步行速度，這是老年患者功能健康的良好指標(biāo)。