標(biāo)準(zhǔn)助力NIST研發(fā)抗擊新冠疫情的“呼吸智能”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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(shí)現(xiàn)了一種新用途：分析人的呼吸，并實(shí)時(shí)檢測(cè)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(hào)。當(dāng)CSI信號(hào)在穿過房間的過程中遭遇從環(huán)境中的物體上反彈時(shí)信號(hào)會(huì)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(hào)會(huì)被更仔細(xì)地檢查，以監(jiān)測(cè)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(gè)人的胸部因喘息或咳嗽而發(fā)生異常移動(dòng)現(xiàn)象，系統(tǒng)能夠檢測(cè)出來。

Wi-Fi技術(shù)是這項(xiàng)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(huì)(ANSI)的成員和認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)制定成員。

為了開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，NIST科學(xué)家使用一個(gè)可以模擬不同呼吸場(chǎng)景的人體模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，該人體模型放置在一個(gè)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(shí)驗(yàn)提供“無場(chǎng)”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(cè)定噪聲源的聲功率級(jí)和聲能級(jí)　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(huì)噪聲分委會(huì)(ISO/TC43/SC1)制定。美國聲學(xué)協(xié)會(huì)（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(hào)后，會(huì)對(duì)其進(jìn)行分析，找出異常模式。通過在實(shí)驗(yàn)中模擬大量的呼吸場(chǎng)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(shí)進(jìn)行“學(xué)習(xí)”，并提高其識(shí)別呼吸模式的能力。指導(dǎo)機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)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(huì)人工智能分委會(huì)（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(hào)感知人或運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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。