Учёные создали дешевый Wi-Fi-приёмник для измерения сердцебиения без контакта

Инновационная разработка под названием "Pulse-Fi" представляет собой прототип системы мониторинга сердечного ритма, который использует существующую Wi-Fi-инфраструктуру для определения пульса человека. Эта технология кардинально меняет подход к измерению жизненно важных показателей, предлагая более доступное и простое решение по сравнению с традиционными носимыми устройствами.

Как работает Pulse-Fi и почему это важно

Современные устройства, такие как смарт-часы и пульсометры с ремешками на груди, требуют тесного контакта с телом для точных измерений. Они сопровождаются высокими ценами, требуют регулярной зарядки и могут вызывать дискомфорт при длительном использовании. В противовес этому, система Pulse-Fi использует существующие Wi-Fi-сигналы, чтобы в безконтактном режиме определять частоту сердечных сокращений.

Основой технологии является анализ "состояния канала связи" (Channel State Information, CSI). CSI — это характеристика сигнала, передающегося между точками доступа Wi-Fi и устройством, которая отражает его амплитуду и фазу. Когда человек находится в комнате, его дыхание и пульс влияют на формы сигнала, создавая небольшие, но измеримые изменения. Эти изменения и позволяют определить сердечный ритм даже при полном отсутствии контакта.

Эксперты считают, что данная технология — не только экономически выгодная, но и перспективная для широкого применения в области телемедицины и мониторинга здоровья в домашних условиях. По словам исследователей, Pulse-Fi позволяет получать достоверные показатели даже в условиях многократной смены поз, движений и за различной дистанции до Wi-Fi-роутера.

Экспериментальные исследования и ключевые показатели точности

Для оценки эффективности системы команда ученых из Университета Калифорнии в Санта-Круз (UC Santa Cruz) собралась провести серию экспериментов. В них участвовали семь добровольцев — пять мужчин и две женщины, которые находились в пространстве, где установлены два микроконтроллера ESP32, выпускаемые для интернет-вещей. Эти устройства создавали Wi-Fi-сигналы, а один из них выступал в роли передатчика, а другой —receivера. Одновременные измерения с помощью "пульсоксиметра" на пальце служили эталоном для сравнения.

В каждом эксперименте участники находились на расстоянии 1 метра (3,3 фута), 2 метров (6,6 фута) и 3 метров (9,8 фута) от устройств, и проведение измерений занимало по пять минут. В результате был собран массив данных, проходивших дальнейшую обработку.

Используя машинное обучение, команда разработала алгоритм, основанный на долгосрочной-кратковременной памяти (LSTM), который способен анализировать изменение CSI и точно оценивать сердце участников. Важной частью стало выделение амплитудных характеристик сигнала и фильтрация шумов, вызванных препятствиями и движениями окружающей среды. В результате, средняя погрешность определения сердечного ритма составляла менее 0,5 удара в минуту — уровень, сопоставимый с существующими медицинскими оборудованием.

Обеспечение универсальности и устойчивости

Для проверки универсальности системы, ученые использовали базу данных из 118 взрослых участников из Бразилии, которые занимались различными активностями в различных позах: сидели, шли на месте, подметали пол. Все они находились на расстоянии 1 метра от Wi-Fi-устройств и использовали Raspberry Pi 3B+ для сбора CSI. Анализ показал, что качество оценки пульса оставалось стабильным независимо от положения тела или типа активности. Средняя ошибка в определении сердечного ритма не превышала 0,2 удара в минуту.

Преимущества и критика новой технологии

Создатели Pulse-Fi подчеркивают, что их система позволяет получать надежную информацию о сердце без необходимости контактных датчиков, что делает ее особенно привлекательной для использования в домашних условиях и в учреждениях здравоохранения. Кроме того, стоимость установки и обслуживания значительно ниже по сравнению с классическими носимыми гаджетами. Это делает технологию особенно актуальной для развивающихся стран и уязвимых групп населения, где доступ к дорогостоящему медицинскому оборудованию ограничен.

«Использование существующей Wi-Fi-инфраструктуры позволяет не только снизить издержки, но и внедрять мониторинг в реальные сценарии, где применение носимых устройств затруднено или невозможно», — отмечают разработчики.

Однако, подобные системы вызывают и некоторые критикующие оценки. В частности, эксперт по анализу медицинских данных Андреас Карват из Университета Бирмингема указывает, что использование одних и тех же данных для обучения и тестирования модели может создавать искажения и переоценку точности. Он подчеркнул, что для полноценной оценки системы необходимо проведение испытаний в реальных условиях, в том числе в многочеловечных средах и при различных уровнях активности.

По мнению исследователей, эти вопросы решаются путем постепенного расширения тестовых сценариев и внедрения системы в реальные медицинские практики. Кроме того, использование сертифицированных медицинских устройств для сбора сравниваемых данных помогает повысить достоверность результатов.

Перспективы и будущее развития

Несмотря на существующие ограничения, разработчики Pulse-Fi уверенно движутся к тому, чтобы технологию можно было внедрять на коммерческом уровне. В планах — тестирование системы на несколько человек одновременно, что важно для мониторинга в реальных бытовых или госпитальных условиях. Также предполагается интеграция с системами автоматического оповещения при обнаружении аномалий — например, сердечных приступов или аритмий.

Эксперты предрекают, что полноценная коммерциализация подобной системы может занять от пяти до десяти лет, однако уже сейчас очевидна ее потенциальная важность для медицины и телеметрики.

Эта разработка — яркий пример того, как искусственный интеллект и доступное аппаратное обеспечение меняют правила игры в области мониторинга здоровья, делая его более доступным, дешевым и безопасным.