美科学家利用无线电信号追踪步速，监测人体健康状况！
导读
步行速度和你的健康密切相关？或许有点出乎我们的意料。但是，最近美国麻省理工学院的科研人员研发出了壁挂式的“WiGait”系统，它能利用无线电信号，同时检测多人的步速，准确率达95%到99%。
关键字
无线感知、步速
背景
谈及健康，血压、呼吸、体温、脉搏等等生理指标会立即出现在大家脑海里。但是，你可能没想到，步行的速度也是一项十分重要的生命体征，与你的健康密切相关！美国一项调查研究称，步速往往和认知减退、跌倒、甚至心脏和肺部疾病有联系。
那么，如何监测步速？
如今，许多设备都可检测步速，例如临床医师用的的码表，还有一些可穿戴设备，例如具备GPS功能的智能手环、智能手表、智能手机，都可以进行步数计算。
但是，这种计算往往是不准确的，很多无法应用于临床。另外，在室内或者有障碍物的情况下，无线电信号会受影响。然而，我们会想到采用摄像头监控，可它只能在单个房间内进行监测，并且会侵犯个人的隐私。
对于运动捕捉，比较著名的有VICON光学运动捕捉系统，它利用一组联网的运动捕捉摄像机等设备，获取实时光学数据，用于实时在线或者离线的运动捕捉、分析。虽然这套系统的精度很高，但是对于检测每天的健康变化情况来说，这个技术还是缺乏实用性。
所以，有没有一套系统即具有高准确度，又能在室内使用，还可以穿墙，另外还不侵犯隐私，也无需患者佩戴和主动参与？
创新
也许，你会认为上述的系统很难设计出来。但是，麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室（CSAIL）的研究小组通过不断创新探索，研发出了一套创新系统“WiGait”，它不仅可以测量多人的步行速度，准确率达到95%到98%，也可以测量步幅，准确率可达到85%到99%。
它是一个如相框般大小的壁挂式设备，发射出的信号无线辐射强度只有标准手机的百分之一，所以对于人体来说应该是相对安全的。
研究人员称，该室内传感器可在相当长的时间内，监测步速的变化，从而判断个人健康状况，以及进一步说明个人否需要用药和治疗等等。
WiGait 系统主要由麻省理工学院人工智能实验室的教授 Dina Katabi 带领的研究小组研发。博士生Chen-Yu Hsu 是论文的领导作者，而波士顿大学医学院和香港科技大学的科研人员也有参与。
论文《从周围的无线电信号中提取步速和步幅》“Extracting Gait Velocity and Stride Length from Surrounding Radio Signal”，将于五月份，发表于美国科罗拉多州召开的美国计算机协会的人机交互大会。
技术
介绍该系统的核心技术之前，我们先介绍一下 Katabi之前研发的WiTrack 系统，因为WiGait 系统是在此基础上发展而来的。
WiTrack 系统通过分析从人体反射回来的无线信号，对于人体运动等状况进行监测。在信号被阻挡或者在不同房间的情况下，该系统仍然可以开展工作。
用户无需自身携带任何无线设备，该系统精度超过目前的RF定位系统。它传输的无线信号比Wi-Fi 弱100倍，比手机信号弱1000倍。
同时，它能够集成进消费电子设备，带来一些列的应用，下面是该系统的几个应用示例：
室内游戏
游戏玩家可以在房间内自由走动，而不是只能站在显示屏前玩游戏。WiTrack系统可以追踪玩家，玩家可以跑到走廊上，或者躲在家具后面，来躲避游戏中的敌人。
老人跌倒监测
WiTrack 系统可有效监测老年人跌倒情况，其准确率达96.9%，甚至能够穿墙监测，而且不暴露老年人的隐私。
控制家用电器
WiTrack 系统使用户可以控制家用电器，简单的伸出手指，就可以开关灯，甚至操作不同的房间电器。
监测呼吸和心率
WiTrack 系统可以穿墙式监测用户的心率和呼吸，可应用于健康监测、婴儿监控等等。
捕捉人体轮廓
该系统还可以利用无线电信号，穿墙式的检测个体的身高和体型信息，从而捕捉动作、防止跌倒等等，应用范围包括智能家具、虚拟现实和影视制作等多个领域。
检测情感
该系统可以通过无线电信号监测心率和呼吸，从而测试出人的情感状况例如悲伤、高兴、生气等等。
关于 WiTrack 的应用让我们眼花缭乱，下面我们重点介绍一下“WiGait”系统了。
它能够以很高的精度测量步速，无需用户佩戴任何传感器。系统的基本原理就是，传感器可以发出低功率的无线电信号，然后分析从人体反射的无线电信号，利用算法区别行走和其它动作，例如清洁厨房和刷牙等，最后进一步提取出步速和步幅信息。
价值
首先，这项创新的价值就是和健康相关的。它能够检测一些列重要健康信息，特别是针对老年人，例如充血性心脏病、慢性阻塞性肺疾病、认知障碍等疾病都和步速相关。步速的改变，意味着某人可能受伤了，或者有跌倒的危险，对于老年人来说，这些信息十分重要。
另外，一个重要的价值，就是无需用户主动参与，就能监测健康指标，这点特别适用于认知能力受损的用户。
还有，它和摄像头不同，并不是那么容易侵犯隐私，在屏幕上显示的信息只是移动的点而已，如下图所示：
最重要的一点，传统意义上的无线电信号，往往都是用于无线通信例如智能手机、Wi-Fi之类，而这项技术却是用于无线感知和传感，有效采集测试对象的相关数据。
应用
未来，研究团队希望这项技术可以帮助到具有行走障碍的人，例如帕金森病、阿尔茨海默氏症或多发性硬化症患者。
这项技术不仅可用于医院住院区，也可以用于养老院，个人家庭室内等场所。
精准监测患者的步速，有利于医生准确判断疾病和调整药物治疗。未来，这项技术可以进行拓展，用于监测睡眠模式、呼吸率等更多的重要生命体征。
题图和文图来源于：麻省理工学院
参考资料
【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
【6】
http://witrack.csail.mit.edu/
【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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