超過五千萬的人患有睡眠障礙，包括帕金森氏癥和阿爾茨海默氏癥在內(nèi)的疾病也會破壞睡眠。診斷和監(jiān)視這些狀況通常需要將電極和各種其他傳感器連接到患者身上，這可能會進一步擾亂他們的睡眠。

為了更容易診斷和研究睡眠問題，麻省理工學(xué)院和馬薩諸塞州總醫(yī)院的研究人員設(shè)計了一種新的方法來監(jiān)測睡眠階段，而無需將傳感器連接到身體上。他們的設(shè)備使用先進的人工智能算法來分析人周圍的無線電信號，并將這些測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為睡眠階段：淺，深或快速眼動(REM)。

“想象一下您的Wi-Fi路由器是否知道您在的時間，并且可以監(jiān)視您是否有足夠的深度睡眠，這對于內(nèi)存整合是必不可少的。”電氣工程與計算機科學(xué)學(xué)院的Andrew and Erna Viterbi教授Dina Katabi說，誰領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。“我們的愿景是開發(fā)健康傳感器，該傳感器將消失在后臺并捕獲生理信號和重要的健康指標(biāo)，而無需用戶以任何方式改變其行為。”

研究人員已經(jīng)設(shè)計出一種新的方法來監(jiān)視睡眠階段，而無需將傳感器連接到身體上。他們的設(shè)備使用先進的人工智能算法來分析人周圍的無線電信號，并將這些測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為睡眠階段：淺，深或快速眼動(REM)。圖片來源：Christine Daniloff / MIT

Katabi與MGH睡眠醫(yī)學(xué)部門負(fù)責(zé)人Matt Bianchi以及MIT數(shù)據(jù)工程，系統(tǒng)和社會研究所的Thomas Siebel電氣工程和計算機科學(xué)教授Tommi Jaakkola進行了這項研究。麻省理工學(xué)院研究生趙明敏是該論文的第一作者，另一位麻省理工學(xué)院研究生岳世超也是該論文的合著者。

研究人員在國際機器學(xué)習(xí)大會上展示了他們的新型傳感器。

遙感

Katabi和她在麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)與人工智能實驗室的小組成員以前已經(jīng)開發(fā)了基于無線電的傳感器，這些傳感器使他們能夠遠程測量可以指示健康的生命體征和行為。這些傳感器由一個無線設(shè)備組成，該無線設(shè)備的大小相當(dāng)于膝上型計算機的大小，它會發(fā)出低功率射頻(RF)信號。隨著無線電波從身體反射回來，身體的任何輕微移動都會改變反射波的頻率。分析這些波浪可以顯示生命體征，例如脈搏和呼吸頻率。

卡塔比說：“這是一個類似Wi-Fi的智能盒子，它可以在家中放置并分析這些反射，并通過身體在RF信號上留下的簽名來發(fā)現(xiàn)體內(nèi)的所有這些變化。”

Katabi和她的學(xué)生還使用這種方法創(chuàng)建了一種稱為WiGait的傳感器，該傳感器可以使用無線信號測量步行速度，這可以幫助醫(yī)生預(yù)測認(rèn)知能力下降，跌倒，某些心臟或肺部疾病或其他健康問題。

在開發(fā)了這些傳感器之后，卡塔比認(rèn)為，類似的方法也可以用于監(jiān)測睡眠，目前這種方法是在患者在連接至諸如腦電圖(EEG)機等監(jiān)測器的睡眠實驗室中過夜時進行的。

“機會很大，因為我們對睡眠不太了解，而且很大一部分人口有睡眠問題，”趙說。“我們擁有這項技術(shù)，如果我們能夠使其運轉(zhuǎn)，它將使我們從一個在睡眠實驗室每隔幾個月進行一次睡眠研究的世界轉(zhuǎn)移到在家中進行連續(xù)睡眠研究的世界。”

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員必須想出一種將脈搏，呼吸頻率和運動的測量值轉(zhuǎn)換為睡眠階段的方法。人工智能的最新進展使人們有可能訓(xùn)練稱為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算機算法，以從復(fù)雜的數(shù)據(jù)集中提取和分析信息，例如從研究人員的傳感器獲得的無線電信號。但是，這些信號具有與睡眠無關(guān)的大量信息，并且可能使現(xiàn)有算法感到困惑。麻省理工學(xué)院的研究人員必須提出一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新AI算法，該算法可以消除不相關(guān)的信息。

“周圍的環(huán)境會在您的測量結(jié)果中帶來很多不必要的變化。新穎之處在于在保留其余睡眠信號的同時保持睡眠信號。” Jaakkola說。他們的算法可以在不同的地方和不同的人使用，而無需任何校準(zhǔn)。

研究人員使用這種方法對25名健康志愿者進行了測試，發(fā)現(xiàn)他們的技術(shù)準(zhǔn)確度約為80%，與睡眠專家基于EEG測量所確定的評分準(zhǔn)確度相當(dāng)。

“我們的設(shè)備不僅使您可以卸下戴在身上的所有這些傳感器，而且可以在家中獲得更好的體驗，還可以使醫(yī)生和睡眠技術(shù)人員的工作變得更加輕松，”卡塔比說。“他們不必遍歷數(shù)據(jù)并手動對其進行標(biāo)記。”

睡眠不足

其他研究人員嘗試使用無線電信號來監(jiān)視睡眠，但是這些系統(tǒng)僅在65%的時間內(nèi)準(zhǔn)確，并且主要確定一個人是處于清醒狀態(tài)還是睡眠狀態(tài)，而不是確定他們處于什么睡眠階段?？ㄋ群退耐聜兡軌蚋纳仆ㄟ^訓(xùn)練他們的算法來忽略無線信號，這些信號從房間中的其他物體反彈而來，并且僅包括從睡眠中的人反射的數(shù)據(jù)。

研究人員現(xiàn)在計劃使用這項技術(shù)來研究帕金森氏病如何影響睡眠。

卡塔比說：“當(dāng)你想到帕金森氏癥時，你會把它看作是一種運動障礙，但是這種疾病也與非常復(fù)雜的睡眠不足有關(guān)，而對于睡眠不足的了解還不是很清楚。”