اندازه‌گیری ضربان قلب با Wi-Fi بدون نیاز به دستگاه پوشیدنی | معرفی Pulse-Fi

1

یک تحول بزرگ در فناوری پزشکی رخ داده است. پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز (UCSC) موفق به توسعه سیستمی شده‌اند که می‌تواند تنها با استفاده از سیگنال‌های Wi-Fi، ضربان قلب را با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری کند، بدون اینکه نیازی به ساعت‌های هوشمند یا تجهیزات پزشکی گران‌قیمت باشد.

این سیستم که Pulse-Fi نام دارد، می‌تواند آینده پایش سلامت قلب را متحول کند. در ادامه جزئیات کامل این فناوری نوآورانه را بررسی می‌کنیم.

نقش ضربان قلب در سلامت

ضربان قلب یکی از مهم‌ترین سیگنال‌های بدن است که اطلاعات زیادی درباره سلامت انسان فاش می‌کند. این ریتم حیاتی تحت تأثیر عواملی مانند:

• فعالیت بدنی
• میزان استرس
• وضعیت آب‌رسانی بدن

تا همین اواخر، پایش ضربان قلب تنها با استفاده از دستگاه‌های تخصصی مانند مانیتورهای بیمارستانی یا ساعت‌های هوشمند ممکن بود. اما اکنون، محققان UCSC راهی پیدا کرده‌اند که این فرآیند را بسیار ساده‌تر و ارزان‌تر می‌کند.

Pulse-Fi؛ فناوری که Wi-Fi را به پزشک تبدیل می‌کند

سیستم Pulse-Fi قادر است با استفاده از سیگنال‌های Wi-Fi موجود در خانه یا محل کار شما، بدون هیچ وسیله‌ی اضافی، ضربان قلب را تشخیص دهد.

این فناوری یک مزیت بزرگ دارد: دیگر نیازی به پوشیدن دستگاه‌های هوشمند یا استفاده از تجهیزات گران‌قیمت نیست. Wi-Fi که در بیشتر خانه‌ها وجود دارد، به یک ابزار سلامتی دقیق تبدیل می‌شود.

Wi-Fi چگونه کار می‌کند؟

برای درک Pulse-Fi، باید ابتدا با نحوه کار Wi-Fi آشنا شویم:

• Wi-Fi داده‌ها را با استفاده از امواج رادیویی ارسال می‌کند.
• این امواج در فرکانس‌های بسیار بالا حرکت می‌کنند و می‌توانند حجم زیادی از اطلاعات را انتقال دهند.
• روتر شما داده‌های دیجیتال را به امواج رادیویی تبدیل می‌کند.
• دستگاه شما (مانند گوشی یا لپ‌تاپ) این امواج را دریافت کرده و دوباره به صدا، تصویر یا متن تبدیل می‌کند.

اما نکته مهم اینجاست: امواج Wi-Fi توسط دیوارها، کف، یا حتی آب موجود در بدن انسان تغییر می‌کنند. همین تغییرات، پایه‌گذار فناوری Pulse-Fi شده‌اند.

تبدیل Wi-Fi به Pulse-Fi با هوش مصنوعی

تیم UCSC شامل پروفسور کاتیا ابراتزکا، دانشجوی دکتری نایان باتیا و پژوهشگر مهمان پرانی کوچتا بود.

آنها با ترکیب فرستنده‌ها و گیرنده‌های Wi-Fi با الگوریتم‌های یادگیری ماشین، روشی ارزان و دقیق برای پایش ضربان قلب توسعه دادند.

نحوه عملکرد سیستم:

1. امواج Wi-Fi در محیط حرکت کرده و به اطراف بازتاب پیدا می‌کنند.
2. زمانی که این امواج با بدن انسان برخورد می‌کنند، تغییرات بسیار کوچکی در سیگنال رخ می‌دهد.
3. الگوریتم‌های Pulse-Fi این تغییرات را تحلیل کرده و ضربان قلب را استخراج می‌کنند.
4. نویزهای محیطی و حرکات غیرمرتبط نیز توسط فیلترهای دقیق حذف می‌شوند.

به گفته باتیا:

«سیگنال بسیار به محیط حساس است، بنابراین باید فیلترهای مناسبی برای حذف تمام نویزهای غیرضروری انتخاب کنیم.»

دقت بی‌نظیر در کمتر از پنج ثانیه

آزمایش‌های Pulse-Fi روی ۱۱۸ شرکت‌کننده انجام شد و نتایج حیرت‌انگیز بود:

• تنها در ۵ ثانیه تحلیل، سیستم توانست ضربان قلب را با خطای کمتر از نیم ضربان در دقیقه تشخیص دهد.
• هرچه مدت پایش طولانی‌تر باشد، دقت سیستم بالاتر می‌رود.
• این فناوری در موقعیت‌های مختلف مانند نشسته، ایستاده، خوابیده و حتی در حال راه رفتن عملکرد خوبی داشت.

استفاده از سخت‌افزار ارزان و در دسترس

یکی از مزایای بزرگ Pulse-Fi این است که برای اجرای آن به سخت‌افزار گران‌قیمت نیازی نیست:

• چیپ‌های ESP32 با قیمت کمتر از ۱۰ دلار استفاده شدند و کارایی بالایی داشتند.
• دستگاه‌های Raspberry Pi نیز عملکردی حتی بهتر ارائه دادند.
• استفاده از تجهیزات تجاری Wi-Fi می‌تواند دقت این فناوری را باز هم افزایش دهد.

دقت بالا حتی در فاصله ۳ متری

برخلاف سیستم‌های قبلی که فاصله روی دقت تأثیر می‌گذاشت، Pulse-Fi در فاصله تا ۳ متر (حدود ۱۰ فوت) ضربان قلب را با دقت بالا اندازه‌گیری کرد.

به گفته کوچتا:

«مدل یادگیری ماشین ما به گونه‌ای طراحی شده که فاصله تأثیری بر عملکرد ندارد و این موضوع یک پیشرفت بزرگ نسبت به مدل‌های قبلی است.»

ایجاد مجموعه‌داده اختصاصی

یکی از چالش‌های اصلی تیم، نبود داده‌های آموزشی کافی بود. بنابراین آنها در کتابخانه علوم و مهندسی UCSC، مجموعه‌داده‌ای اختصاصی با استفاده از دستگاه‌های ESP32 و اکسی‌مترهای استاندارد پزشکی ایجاد کردند.

سپس شبکه‌های عصبی را آموزش دادند تا حتی کوچک‌ترین تغییرات سیگنال را که به ضربان قلب مربوط می‌شود، تشخیص دهد.

این مجموعه‌داده با یکی از بزرگ‌ترین پایگاه‌های داده جهانی جمع‌آوری‌شده توسط Raspberry Pi در برزیل مقایسه و اعتبارسنجی شد. نتیجه نشان داد که Pulse-Fi می‌تواند در شرایط و محیط‌های مختلف عملکردی پایدار و دقیق داشته باشد.

آینده Pulse-Fi؛ تشخیص مشکلات تنفسی و آپنه خواب

محققان UCSC در حال توسعه نسخه پیشرفته‌تر این فناوری هستند که می‌تواند الگوی تنفس را هم شناسایی کند.

کاربردهای احتمالی در آینده:

• تشخیص اختلالات خواب مانند آپنه خواب
• نظارت بر کیفیت خواب
• تشخیص مشکلات تنفسی مزمن
• جمع‌آوری داده‌های سلامت بدون نیاز به دستگاه‌های تهاجمی

به این ترتیب، خانه‌های هوشمند در آینده می‌توانند از Pulse-Fi برای پایش مداوم سلامت قلب و ریه‌ها استفاده کنند.

جمع‌بندی

فناوری Pulse-Fi یک جهش بزرگ در پزشکی دیجیتال است که پایش سلامت قلب را ساده‌تر، ارزان‌تر و در دسترس‌تر می‌کند.

این سیستم می‌تواند جایگزین بسیاری از دستگاه‌های پوشیدنی و تجهیزات بیمارستانی شود و مراقبت‌های پیشگیرانه را برای میلیون‌ها نفر در سراسر جهان آسان‌تر سازد.

آنچه پیش‌تر نیازمند دستگاه‌های تخصصی بود، اکنون توسط سیگنال‌های نامرئی Wi-Fi که در اطراف ما جریان دارند، انجام می‌شود.