華人小哥用蘋果音箱「隔空」測心律，論文登上Nature子刊

子豪 2021-03-12 13:29:40 來源：量子位

子豪 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號 QbitAI

什么？蘋果HomePod也能測心律，你沒有聽錯(cuò)，不是用Apple Watch。

來自華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)對智能音箱進(jìn)行了改造，無需接觸皮膚，即可隔空測量心律。

關(guān)于這項(xiàng)研究的論文，已經(jīng)在Nature子刊Communications Biology上發(fā)表。

具體能做什么

注意，它監(jiān)測的不只是心率，而是心律。

也就是說，它能夠?qū)崿F(xiàn)類似Apple Watch的心電圖（ECG）功能，監(jiān)測心跳速率和心跳間隔（R-R間隔），也就是心跳次數(shù)和心跳節(jié)奏是否規(guī)律、均勻。

不同的是，Apple Watch的ECG功能，需要通過新型電子心率監(jiān)測器來實(shí)現(xiàn)，用戶需要將另一只手的手指放到數(shù)字表冠上，來讓Apple Watch監(jiān)測心臟的跳動(dòng)情況。

而研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這一系統(tǒng)，采用的是非接觸式方案。

這種非接觸式方案可以用于遠(yuǎn)程醫(yī)療，讓患者在居家時(shí)也能自我監(jiān)測，適合居家隔離以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的人群。

同時(shí)，設(shè)備還能將數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)生，使臨床數(shù)據(jù)的獲取更加容易。

此外，這種非接觸式方案對于嬰幼兒和皮膚過敏的人也十分友好。

將這種設(shè)備用于監(jiān)測感染性和傳染病患者，還能夠減少傳播、患病的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)免去耗時(shí)又繁瑣的清潔設(shè)備的時(shí)間。

它是如何實(shí)現(xiàn)的？

實(shí)現(xiàn)心律監(jiān)測的關(guān)鍵，在于識別心跳。

研究團(tuán)隊(duì)將智能音箱改造成一個(gè)「短距離有源聲納系統(tǒng)」，用來檢測某人皮膚運(yùn)動(dòng)的微小變化。

具體來說，人的胸部或脖子等區(qū)域，會(huì)因脈搏跳動(dòng)而產(chǎn)生皮膚振動(dòng)，當(dāng)一個(gè)人距離智能音箱大約30～60厘米之間時(shí)，智能音箱會(huì)發(fā)出18～22kHz的人類聽不到的聲音信號，這些信號會(huì)被人體反射，再由麥克風(fēng)接收。

接著，算法將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為心率讀數(shù)，并且測量出跳動(dòng)速度的快慢。

△系統(tǒng)能夠從聲吶信號中提取微小的心臟跳動(dòng)

由于呼吸動(dòng)作也會(huì)使胸部產(chǎn)生起伏，并且比心跳產(chǎn)生的動(dòng)作幅度更大，這對研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)成了很大的挑戰(zhàn)。

最終，團(tuán)隊(duì)利用多個(gè)麥克風(fēng)設(shè)計(jì)了一種新的波束形成算法，區(qū)分呼吸和心跳的胸部位移產(chǎn)生的信號，幫助揚(yáng)聲器識別心跳。

研究人員測試了蘋果HomePod和亞馬遜Echo兩款設(shè)備，因?yàn)樗鼈兎謩e支持6個(gè)和7個(gè)麥克風(fēng)陣列，可用于復(fù)雜的聲學(xué)處理。

△論文一作王安然與設(shè)備原型（圖源：華盛頓大學(xué)）

與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同，研究人員設(shè)計(jì)了一種自監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法，不需要標(biāo)記訓(xùn)練數(shù)據(jù)，而是可以通過內(nèi)置麥克風(fēng)傳來的不同信號實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)。

性能如何？

研究團(tuán)隊(duì)分別對26位健康參與者和24位患有不同心臟疾病的患者進(jìn)行監(jiān)測，并與標(biāo)準(zhǔn)檢測儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

首先，研究團(tuán)隊(duì)對健康參與者的近1.23萬次心跳進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果顯示：

智能音箱與標(biāo)準(zhǔn)儀器所測量的心率，一致性相關(guān)系數(shù)（CCC）為0.983，中位數(shù)絕對誤差（MAE）為1BPM（每分鐘心跳次數(shù)）。

而心跳間隔的平均絕對誤差（MAE）為28毫秒，完全滿足49毫秒的標(biāo)準(zhǔn)偏差要求。

△對健康參與者的心率和R–R間隔準(zhǔn)確性進(jìn)行評估

接著，研究團(tuán)隊(duì)對心臟病患者的超過5600次心跳進(jìn)行測量，結(jié)果顯示：

與標(biāo)準(zhǔn)儀器所測心率的一致性相關(guān)系數(shù)（CCC）為0.984，中位數(shù)絕對誤差（MAE）為2BPM（每分鐘心跳次數(shù)）。

對于心跳間隔的測量，智能音箱也僅有30毫秒的誤差。

△對住院的心臟病患者的心率和R–R間隔準(zhǔn)確性進(jìn)行評估

論文作者

論文第一作者王安然，目前是華盛頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的博士生，主要研究移動(dòng)計(jì)算和人機(jī)交互。他本科畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，還曾在百度、微軟亞洲研究院實(shí)習(xí)。

對這項(xiàng)研究感興趣的讀者，可以通過文末鏈接查看～

Nature論文地址：
https://www.nature.com/articles/s42003-021-01824-9#Sec2

參考鏈接：
https://www.theregister.com/2021/03/10/smart_speakers_sonar/
https://www.washington.edu/news/2021/03/09/first-ai-system-for-contactless-monitoring-of-heart-rhythm-using-smart-speakers/

王安然個(gè)人主頁：
http://anranw.me/