美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)研發(fā)的一種深度學(xué)習(xí)算法最近發(fā)表在IEEE Access上,該算法利用了Wi-Fi路由器的功能,實現(xiàn)了一種新用途:分析人的呼吸,并實時檢測人體呼吸困難。
“呼吸智能”(BreatheSmart)學(xué)習(xí)算法利用了“信道狀態(tài)信息”,即CSI,CSI是由設(shè)備(如手機(jī)或筆記本電腦)發(fā)送到Wi-Fi路由器的一組信號。當(dāng)CSI信號在穿過房間的過程中遭遇從環(huán)境中的物體上反彈時信號會失真。通常,Wi-Fi路由器簡單地分析失真,以便調(diào)整和優(yōu)化鏈路;有了“呼吸智能”系統(tǒng),CSI信號會被更仔細(xì)地檢查,以監(jiān)測環(huán)境的微小變化,比如房間里有人的異常呼吸模式。如果一個人的胸部因喘息或咳嗽而發(fā)生異常移動現(xiàn)象,系統(tǒng)能夠檢測出來。
Wi-Fi技術(shù)是這項創(chuàng)新的核心,自Wi-Fi產(chǎn)生以來,許多標(biāo)準(zhǔn)在支持其可靠性和互操作性方面發(fā)揮了重要的指導(dǎo)作用。IEEE 802.11 《信息技術(shù) 系統(tǒng)間電信和信息交換 局域網(wǎng)和城域網(wǎng) 特定要求》長期以來為Wi-Fi系統(tǒng)所需的架構(gòu)和規(guī)范提供了基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)由IEEE制定,IEEE是美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ANSI)的成員和認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)制定成員。
為了開發(fā)這項技術(shù),NIST科學(xué)家使用一個可以模擬不同呼吸場景的人體模型進(jìn)行了實驗,該人體模型放置在一個現(xiàn)成的商用Wi-Fi設(shè)備的消聲室內(nèi)。消聲室阻止聲波或電磁波的反射,為實驗提供“無場”條件,其有效條件和使用遵循ANSI/ASA S12.55-2012/ISO 3745:2012(R2019)《聲學(xué) 使用聲壓測定噪聲源的聲功率級和聲能級 消聲室和半消聲室的精確方法》等標(biāo)準(zhǔn)。該國際標(biāo)準(zhǔn)最初由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的聲學(xué)技術(shù)委員會噪聲分委會(ISO/TC43/SC1)制定。美國聲學(xué)協(xié)會(ASA)是ANSI成員和ANSI認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu),是ANSI認(rèn)可的該TC和SC的技術(shù)咨詢組(TAG)管理機(jī)構(gòu)。該文件已被ASA作為美國國家標(biāo)準(zhǔn)在全國范圍內(nèi)采用。
“呼吸智能”系統(tǒng)收到信號后,會對其進(jìn)行分析,找出異常模式。通過在實驗中模擬大量的呼吸場景,科學(xué)家們利用了深度學(xué)習(xí)——一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法,使系統(tǒng)在接收更多數(shù)據(jù)時進(jìn)行“學(xué)習(xí)”,并提高其識別呼吸模式的能力。指導(dǎo)機(jī)器學(xué)習(xí)的一個標(biāo)準(zhǔn)是ISO/IEC 23053,《使用機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)的人工智能(AI)系統(tǒng)框架》,該標(biāo)準(zhǔn)描述了使用機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)技術(shù)的AI生態(tài)系統(tǒng)中的系統(tǒng)組件及其功能。它由ISO和IEC信息技術(shù)聯(lián)合技術(shù)委員會人工智能分委會(ISO/IEC/JTC 1/SC 42)制定。ANSI承擔(dān)了JTC 1和SC 42的秘書處。
NIST科學(xué)家在前期研究的基礎(chǔ)上,探索了使用Wi-Fi信號感知人或運動的方法,作為幫助醫(yī)生持續(xù)抗擊新冠肺炎疫情努力的一部分。本實驗中介紹的過程展示了應(yīng)用程序和軟件開發(fā)人員如何創(chuàng)建遠(yuǎn)程監(jiān)控呼吸的程序。