步行速度和健康密切相關，無線電信號可監測它！

導讀

步行速度和你的健康密切相關？或許有點出乎我們的意料。但是，最近美國麻省理工學院的科研人員研發出了壁掛式的「WiGait」系統，它能利用無線電信號，同時檢測多人的步速，準確率達95%到99%。

關鍵字

無線感知、步速

背景

談及健康，血壓、呼吸、體溫、脈搏等等生理指標會立即出現在大家腦海里。但是，你可能沒想到，步行的速度也是一項十分重要的生命體征，與你的健康密切相關！美國一項調查研究稱，步速往往和認知減退、跌倒、甚至心臟和肺部疾病有聯繫。

那麼，如何監測步速？

如今，許多設備都可檢測步速，例如臨床醫師用的的碼錶，還有一些可穿戴設備，例如具備GPS功能的智能手環、智能手錶、智能手機，都可以進行步數計算。

但是，這種計算往往是不準確的，很多無法應用於臨床。另外，在室內或者有障礙物的情況下，無線電信號會受影響。然而，我們會想到採用攝像頭監控，可它只能在單個房間內進行監測，並且會侵犯個人的隱私。

對於運動捕捉，比較著名的有VICON光學運動捕捉系統，它利用一組聯網的運動捕捉攝像機等設備，獲取實時光學數據，用於實時在線或者離線的運動捕捉、分析。雖然這套系統的精度很高，但是對於檢測每天的健康變化情況來說，這個技術還是缺乏實用性。

所以，有沒有一套系統即具有高準確度，又能在室內使用，還可以穿牆，另外還不侵犯隱私，也無需患者佩戴和主動參與？

創新

也許，你會認為上述的系統很難設計出來。但是，麻省理工學院計算機科學和人工智慧實驗室（CSAIL）的研究小組通過不斷創新探索，研發出了一套創新系統「WiGait」，它不僅可以測量多人的步行速度，準確率達到95%到98%，也可以測量步幅，準確率可達到85%到99%。

它是一個如相框般大小的壁掛式設備，發射出的信號無線輻射強度只有標準手機的百分之一，所以對於人體來說應該是相對安全的。

研究人員稱，該室內感測器可在相當長的時間內，監測步速的變化，從而判斷個人健康狀況，以及進一步說明個人否需要用藥和治療等等。

WiGait 系統主要由麻省理工學院人工智慧實驗室的教授 Dina Katabi 帶領的研究小組研發。博士生Chen-Yu Hsu 是論文的領導作者，而波士頓大學醫學院和香港科技大學的科研人員也有參與。

論文《從周圍的無線電信號中提取步速和步幅》「Extracting Gait Velocity and Stride Length from Surrounding Radio Signal」，將於五月份，發表於美國科羅拉多州召開的美國計算機協會的人機交互大會。

技術

介紹該系統的核心技術之前，我們先介紹一下 Katabi之前研發的WiTrack 系統，因為WiGait 系統是在此基礎上發展而來的。

WiTrack 系統通過分析從人體反射回來的無線信號，對於人體運動等狀況進行監測。在信號被阻擋或者在不同房間的情況下，該系統仍然可以開展工作。

用戶無需自身攜帶任何無線設備，該系統精度超過目前的RF定位系統。它傳輸的無線信號比Wi-Fi 弱100倍，比手機信號弱1000倍。

同時，它能夠集成進消費電子設備，帶來一些列的應用，下面是該系統的幾個應用示例：

室內遊戲

遊戲玩家可以在房間內自由走動，而不是只能站在顯示屏前玩遊戲。WiTrack系統可以追蹤玩家，玩家可以跑到走廊上，或者躲在傢具後面，來躲避遊戲中的敵人。

老人跌倒監測

WiTrack 系統可有效監測老年人跌倒情況，其準確率達96.9%，甚至能夠穿牆監測，而且不暴露老年人的隱私。

控制家用電器

WiTrack 系統使用戶可以控制家用電器，簡單的伸出手指，就可以開關燈，甚至操作不同的房間電器。

監測呼吸和心率

WiTrack 系統可以穿牆式監測用戶的心率和呼吸，可應用於健康監測、嬰兒監控等等。

捕捉人體輪廓

該系統還可以利用無線電信號，穿牆式的檢測個體的身高和體型信息，從而捕捉動作、防止跌倒等等，應用範圍包括智能傢具、虛擬現實和影視製作等多個領域。

檢測情感

該系統可以通過無線電信號監測心率和呼吸，從而測試出人的情感狀況例如悲傷、高興、生氣等等。

關於 WiTrack 的應用讓我們眼花繚亂，下面我們重點介紹一下「WiGait」系統了。

它能夠以很高的精度測量步速，無需用戶佩戴任何感測器。系統的基本原理就是，感測器可以發出低功率的無線電信號，然後分析從人體反射的無線電信號，利用演算法區別行走和其它動作，例如清潔廚房和刷牙等，最後進一步提取出步速和步幅信息。

價值

首先，這項創新的價值就是和健康相關的。它能夠檢測一些列重要健康信息，特別是針對老年人，例如充血性心臟病、慢性阻塞性肺疾病、認知障礙等疾病都和步速相關。步速的改變，意味著某人可能受傷了，或者有跌倒的危險，對於老年人來說，這些信息十分重要。

另外，一個重要的價值，就是無需用戶主動參與，就能監測健康指標，這點特別適用於認知能力受損的用戶。

還有，它和攝像頭不同，並不是那麼容易侵犯隱私，在屏幕上顯示的信息只是移動的點而已，如下圖所示：

最重要的一點，傳統意義上的無線電信號，往往都是用於無線通信例如智能手機、Wi-Fi之類，而這項技術卻是用於無線感知和感測，有效採集測試對象的相關數據。

應用

未來，研究團隊希望這項技術可以幫助到具有行走障礙的人，例如帕金森病、阿爾茨海默氏症或多發性硬化症患者。

這項技術不僅可用於醫院住院區，也可以用於養老院，個人家庭室內等場所。

精準監測患者的步速，有利於醫生準確判斷疾病和調整藥物治療。未來，這項技術可以進行拓展，用於監測睡眠模式、呼吸率等更多的重要生命體征。

題圖和文圖來源於：麻省理工學院

參考資料

【1】http://news.mit.edu/2017/dina-katabi-csail-team-develop-wireless-system-to-detect-walking-speeds-0501

【2】http://news.mit.edu/2013/new-system-allows-for-high-accuracy-through-wall-3-d-motion-tracking-1211

【3】http://news.mit.edu/2016/detecting-emotions-with-wireless-signals-0920

【4】http://news.mit.edu/2014/could-wireless-replace-wearables

【5】http://news.mit.edu/2015/wireless-x-ray-vision-could-power-virtual-reality-smart-homes-hollywood-1028

【7】https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3080184/

【8】https://people.csail.mit.edu/cyhsu/papers/wigait_chi17.pdf

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