Širdies ritmas yra vienas iš pagrindinių ir svarbiausių sveikatos rodiklių, pateikdamas momentinį vaizdą į asmens fizinį aktyvumą, stresą ir nerimą, hidratacijos lygį ir dar daugiau.
Tradiciškai širdies ritmo matavimui reikalingas tam tikras nešiojamas prietaisas, nesvarbu, ar tai būtų išmanusis laikrodis, ar ligoninės klasės mašinos. Tačiau nauji Kalifornijos universiteto Santa Kruzo inžinierių tyrimai rodo, kaip namų ūkio „Wi-Fi“ prietaiso signalas gali būti naudojamas šiam esminiam sveikatos stebėjimui, atsižvelgiant į moderniausią tikslumą-be reikalo nešiojamojo.
Jų koncepcijos įrodymo darbas rodo, kad vieną dieną kiekvienas gali pasinaudoti šia netyčinia „Wi-Fi“ sveikatos stebėjimo technologija savo namuose. Komanda įrodė, kad jų technika veikia su nebrangiais „Wi-Fi“ įrenginiais, parodydama jos naudingumą mažų išteklių nustatymams.
Tyrimas, parodantis technologiją, kurią tyrėjai sukūrė „Pulse-Fi“, buvo paskelbtas 2025 m. 21-oji tarptautinė paskirstyto kompiuterių konferencija intelektualiosiose sistemose ir daiktų internete (DCOSS-IOT)
Matavimas naudojant „Wi-Fi“
UC Santa Cruz Baskino inžinerijos mokyklos tyrėjų komanda, apimanti informatikos ir inžinerijos profesorių Katia Obraczka, Ph.D. Studentas Nayan Bhatia ir vidurinės mokyklos moksleivis bei lankantis tyrėjas Pranay Kocheta sukūrė sistemą, skirtą tiksliai išmatuoti širdies ritmą, kuriame derinami pigūs „Wi-Fi“ įrenginiai su mašininio mokymosi algoritmu.
„Wi-Fi“ įrenginiai išstumia radijo dažnio bangas į fizinę erdvę aplink juos ir link priėmimo įrenginio, paprastai kompiuterio ar telefono. Kai bangos praeina per objektus erdvėje, dalis bangos yra absorbuojama į tuos objektus, sukeliant matematiškai aptinkamus bangų pokyčius.
„Pulse-Fi“ naudoja „Wi-Fi“ siųstuvą ir imtuvą, kuris paleidžia „Pulse-Fi“ signalo apdorojimo ir mašininio mokymosi algoritmą. Jie išmokė algoritmą atskirti net ir silpniausius signalo variantus, kuriuos sukelia žmogaus širdies plakimas, filtruodami visus kitus signalo pokyčius aplinkoje arba sukeltą tokios veiklos kaip judėjimas.
„Signalas yra labai jautrus aplinkai, todėl turime pasirinkti tinkamus filtrus, kad pašalintume visą nereikalingą triukšmą“, – teigė Bhatia.
Dinaminiai rezultatai
Komanda eksperimentavo su 118 dalyvių ir nustatė, kad tik po penkias sekundes signalo apdorojimo metu jie galėjo išmatuoti širdies ritmą klinikinio lygio tikslumu. Per penkias stebėjimo sekundes jie pamatė tik pusę klaidų per minutę, ilgesnį stebėjimo laiko laikotarpį padidino tikslumą.
Komanda nustatė, kad „Pulse-Fi“ sistema veikė nepriklausomai nuo įrangos padėties kambaryje ar asmenyje, kurio širdies ritmas buvo matuojamas-nesvarbu, ar jie vis tiek sėdėjo, stovėjo, gulėjo ar vaikščiojo. Kiekvienam iš 118 dalyvių jie išbandė 17 skirtingų kūno padėties su tiksliais rezultatais.
Šie rezultatai buvo rasti naudojant ypač brangiai kainuojančias ESP32 lustus, kurių mažmeninė prekyba yra nuo 5 iki 10 USD ir „Raspberry Pi“ lustų, kurie kainuoja arčiau 30 USD. „Raspberry Pi“ eksperimentų rezultatai rodo dar geresnį našumą. Brangiesni „Wi-Fi“ įrenginiai, tokie kaip tie, kurie randami komerciniuose maršrutizatoriuose, greičiausiai dar labiau pagerins jų sistemos tikslumą.
Jie taip pat nustatė, kad jų sistema buvo tiksli su asmeniu trijų metrų arba beveik 10 pėdų atstumu nuo aparatūros. Tolesni bandymai, išskyrus tai, kas paskelbta dabartiniame tyrime, rodo daug žadančius rezultatus didesniems atstumams.
„Mes nustatėme, kad dėl mašininio mokymosi modelio, šis atstumas vienas nuo kito iš esmės neturėjo jokios įtakos našumui, o tai buvo labai didelė ankstesnių modelių kova“, – teigė Kocheta. „Kitas dalykas buvo pozicija-visi dalykai, su kuriais susiduriate kasdieniame gyvenime, norėjome įsitikinti, kad esame tvirti, kad ir kiek gyventų žmogus”.
Duomenų rinkinio kūrimas
Norėdami, kad jų širdies ritmo aptikimo sistema veiktų, tyrėjams reikėjo išmokyti savo mašininio mokymosi algoritmą, kad būtų galima atskirti silpną „Wi-Fi“ signalų aptikimą, kurį sukelia žmogaus širdies plakimas. Jie nustatė, kad šiems modeliams nėra duomenų, naudojant ESP32 įrenginį, todėl jie nusprendė sukurti savo duomenų rinkinį.
UC „Santa Cruz“ mokslo ir inžinerijos bibliotekoje jie sukūrė savo ESP32 sistemą kartu su standartiniu oksimetru, kad surinktų „žemės tiesos“ duomenis. Derindami „Pulse-Fi“ sąrankos duomenis su pagrindinių tiesos duomenimis, jie galėtų išmokyti neuroninio tinklo, kuris keičiasi signalų, atitiko širdies ritmą.
Be ESP32 duomenų rinkinio, kurį jie surinko, jie taip pat išbandė „Pulse-Fi“, naudodamiesi duomenų rinkiniu, kurį sukūrė Brazilijos tyrėjų komanda, naudodami „Raspberry Pi“ įrenginį, kuris, kiek tyrėjai žino, sukūrė plačiausią esamą „Wi-Fi“ duomenų rinkinį.
Už širdies ritmo ribų
Dabar tyrėjai dirba tolesniais tyrimais, kad išplėstų savo techniką, kad nustatytų kvėpavimo greitį, be širdies ritmo, kuris gali būti naudingas nustatant tokias sąlygas kaip miego apnėja. Nepaskelbti rezultatai rodo didelį pažadą tiksliai nustatyti kvėpavimo greitį ir apnėjos aptikimą.