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MIT教授:能够识别人体的AI“穿墙术”,究竟是如何完成的?

药明康德AI 药明康德AI 2019-04-29

药明康德AI/报道


之前我们曾经报道过一项重磅研究:MIT计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的Dina Katabi教授及其研究团队能够使用AI技术,来感知墙壁另一端人的姿势和动作。而这项研究的背后又有着哪些故事呢?让我们一起来看看。


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演讲实录


当我还是个孩子的时候,就像这个房间里的许多人一样,我对“星球大战”非常着迷,最让我着迷的是“原力”的概念,它连接所有人和所有物体,甚至允许你感觉到看不到的人。我记得很多个夜晚,我坐在家里,只是集中注意力,集中注意力,试图感受到原力,我没有任何感觉,不用担心(笑)。


在长大以后,我成了一名科学家,加入麻省理工学院,开始研究无线信号,类似Wi-Fi或蜂窝系统。我在这个领域做了很多工作。但是,这个原力的概念一直在我脑海中,突然有一瞬间,我想到了“等一下,这些无线信号——它们就像原力一样!”



因此,如果你想一想,无线信号,它们能穿越太空,穿过障碍物,墙壁和遮挡物,其中一些被我们的身体反射出来。因为我们的身体充满了水,它会产生一些微小的反射。如果我有一个可以感知这些微小反射的设备,那么我将能够感受到无法看到的人。所以我开始和我的学生一起构建这样的设备,我想向你们展示一些早期的结果。


这里,你看到我的学生在站着,这是我们的设备。我们将把设备放在墙后的另一个办公室,我们将监测他的移动。这个红点正在使用无线信号跟踪他。正如您所看到的,红点正在非常准确地跟踪他的动作,纯粹基于他的身体与无线信号之间的相互作用。很准确,不是吗?他身上没有可穿戴设备,没有任何跟踪他的东西



现在你可能想知道,我们怎样才能不通过任何可穿戴设备,隔着墙壁,就可以感知人类并跟踪他们。最容易想到的是雷达。我相信很多人都看过这张照片。你向天空发射无线信号,它们从飞机上反射回来,然后回到你身边,你就可以探测这些飞机。


但如果只是雷达,那么我们在50年前就已经实现这一目标。所以这不仅仅是雷达,它与雷达有两个关键的区别。第一个区别当然是:你不能像雷达一样,只是向某人发射无线电波。如果这样做就像把他们放在微波炉里面,不要那样做。因此,这意味着必须能够发射非常微弱的信号,所以设备必须非常敏感。第二个区别是:天空中没有其它东西,如果你运气好的话,你可以在那里找到一架飞机。看看这个房间,看看有多少物品和人。所以在室内环境中,信号不只是从人身上反射出来,如果反射从人身上,到地板,到天花板,再到周围的其他人,你会得到非常复杂的反射信号,一个信号从我身上反射出来,到你,然后到天花板,然后到地板。你必须解决这种混乱。



但我们很幸运。我们在正确的时间来做这件事。有两件事帮助了我们。首先是无线电技术已经发展了很久,在过去十年中,无线电技术变得更加强大,因此我们能够构建非常灵敏的无线电,可以感知微弱和微小的射频信号。


第二件事是:机器学习。你经常听到机器学习,最近在深度学习中出现了机器学习的革命,这使我们能够构建能理解并且注释无线信号的机器学习模型,了解环境中发生了什么。因此,你可以这么想,收音机就像我们设备的耳朵,机器学习就像大脑,它们共同构成一个非常强大的设备。



那么我们还能用无线信号感受到人们的哪些方面呢?睡觉。实际上,睡眠对我来说是非常珍贵的,因为我的睡眠是一场灾难。


所以说,是当你开始研究某些生理信号时,你发现你的情况很糟糕。


因此,你可以看到为什么我们可以捕捉睡眠。因为当一个人睡觉时,我们看作他在床上运动,当他在床上不动,当他从床上爬起来,对睡眠的记录使用的是腕动计。它的工作原理基于运动。但事实证明,我们实际上可以在更重要的层面了解睡眠。我们可以了解睡眠期间发生的脑电波的变化。



因此,你们中的许多人可能都知道,当进入睡眠状态时,我们的脑波会发生变化,我们会进入不同的阶段:清醒,轻度睡眠,深度睡眠和快速眼动,又叫做快速的眼球运动期。这些阶段与睡眠障碍有关,但它们也与各种疾病有关。例如,REM的紊乱与抑郁有关。深度睡眠的紊乱与阿兹海默病有关。因此,如果你想要了解各个睡眠阶段,目前要把这个人送到医院,把所有这些电极接在头上,然后让他这样睡觉。


这真不是一个愉快的经历。



那么,如果我告诉你我们可以完成同样的事情,但不需要没有任何电极接在人体上呢?这是我们的设备,传输极低功率的无线信号,使用AI分析反射并输出整个晚上的睡眠阶段。所以我们知道,例如说这个人什么时候做梦。不仅如此......我们甚至可以在你坐着的时候监测呼吸,而不会触碰你。所以这个人坐着读书,这是他的吸气,呼气。我们让他屏住呼吸,你看到信号保持稳定,因为他在呼气。他没有吸气。我想放大信号。这与以前的信号相同。这些是吸气,这些是呼气。你看到信号上的这些信号?这些不是噪音。而是他的心跳。而且你可以看到它们的节拍。



我想在这里停下来,给你一个现场演示。Zach将协助我完成演示,我们将使用这个设备监控Zach的呼吸。你在这里看到的这个白色盒子就是设备,Zach正在打开它……我看到他呼吸均匀。因此,我们将完全按照在视频中的操作,无线信号正在通过,触及Zach的身体,并且反射回设备,我们想监视他的呼吸,他的吸气——呼气运动。我们看到吸气,呼气——这些跌宕起伏是Zach的呼吸。吸气,呼气。


所以,他可以呼吸。


Zach,你能屏住呼吸吗?


好吧,现在他屏住呼吸了,所以你看到信号保持稳定,这些都是他的心跳。一拍,一拍,一拍,一拍,一拍。



好的,Zach,你可以再次呼吸了。


我们不想在这里发生意外。


好的谢谢。



正如你所看到的,这个设备可以监控这么多的生理信号,真正有趣的是,它没有任何可穿戴设备,没有要求人改变他的行为或穿任何东西。不会收取任何特殊费用。这让医生非常兴奋,因为医生们总是希望了解更多有关患者的信息,尤其是慢性疾病患者在家中的信息,如肺部疾病COPD,或心力衰竭、阿兹海默病、抑郁症。所有这些慢性病都非常重要。事实上——也许你知道——美国三分之二的医疗保健费用是由慢性病引起的。但是,慢性病的真正特别之处在于,当患者出现要去医院和急诊室的问题时,这个问题不会是在一夜之间发生的。实际上,事情是逐渐发生的。因此,如果我们能够监测家中的慢性病患者,检测到他们的呼吸,心跳,活动能力,睡眠状况的变化——我们就可以在急救发生之前发现问题并让医生提前介入,这样我们就可以避免住院治疗。



事实上,今天我们正在与不同科室的许多医生合作。所以我很兴奋,因为我们已经为许多患者提供了这个设备。我们已经给COPD患者(一种肺部疾病),阿兹海默病患者,抑郁和焦虑症患者,帕金森症患者使用了这个设备。我们正在与医生一起改善生活,更好地了解疾病。


因此,当我一开始告诉你的,我真的对星球大战和星球大战中的原力着迷,事实上,即使是现在,我作为一个成年人仍然非常着迷,在等待着下一部星球大战中的电影。但我现在非常着迷,并对这种新的无线信号能量,以及这种新能量改变医疗保健的潜力感到兴奋。



我们使用的患者之一是我的阿姨。她得了心脏衰竭,我相信观众中很多人都有父母,祖父母,患有慢性疾病的亲人。因此,我希望你想象一下,在每个有慢性疾病患者的家庭中,有这样一种设备待在后台,只是被动地监视睡眠,呼吸,这个慢性疾病患者的健康,在发生急救之前,它就会检测到生理信号的恶化并提醒医生,使我们可以避免住院治疗。这可以改变我们今天对医疗保健的认知,改善我们对慢性病的理解,并且能挽救许多生命。



▲Dina Katabi教授是麻省理工学院无线网络和移动计算中心的主任、美国国家工程院院士、也是麦克阿瑟奖获得者。她设计了一种新型无线设备,使用机器学习穿透墙壁感知人体特征。


参考资料:

A new way to monitor vital signs (that can see through walls). Retrieved Jul 2018,from https://www.ted.com/talks/dina_katabi_a_new_way_to_monitor_vital_signs_that_can_see_through_walls


注:图片来源TED视频


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