É possível medir a frequência cardíaca com sinal WiFi

• É possível realizar medição de frequência cardíaca em nível clínico apenas com sinal WiFi
• A combinação de dispositivos WiFi de custo ultrabaixo com algoritmos permite verificar o estado de saúde sem wearables
• É possível obter medições precisas mesmo a 3 metros de distância, independentemente da posição ou do movimento da pessoa
• A equipe de pesquisa treinou o algoritmo com dados de dispositivos de baixo custo como ESP32 e Raspberry Pi
• No futuro, há grande potencial de uso também para medição da frequência respiratória e detecção de apneia do sono

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Visão geral

• A equipe de pesquisa da UC Santa Cruz desenvolveu o sistema Pulse-Fi, capaz de medir com precisão a frequência cardíaca usando apenas sinais de WiFi doméstico comum
• O sistema combina dispositivos WiFi de custo ultrabaixo com algoritmos de machine learning, mostrando a possibilidade de monitoramento de saúde em tempo real sem a necessidade de wearables tradicionais

Pulse-Fi: medição da frequência cardíaca com WiFi e machine learning

• Dispositivos WiFi emitem ondas de frequência ao redor, e quando essas ondas atingem objetos como pessoas, produzem mudanças matematicamente detectáveis no sinal
• O Pulse-Fi analisa os sinais coletados por transmissores e receptores WiFi usando processamento de sinais e machine learning
  • Ele filtra o ruído para extrair apenas as pequenas variações de sinal causadas pelos batimentos cardíacos
• Professores da Baskin School of Engineering, junto com estudantes de pós-graduação e um pesquisador visitante do ensino médio, lideraram o projeto

Resultados dos experimentos e precisão

• Em testes com 118 participantes, o sistema alcançou precisão em nível clínico com apenas 5 segundos de medição
  • O erro médio foi de apenas 0,5 batimento por minuto, e a precisão aumenta conforme o tempo de medição se estende
• O sistema funcionou sem problemas não apenas em ambiente de laboratório, mas também independentemente de várias posturas (sentado, em pé, deitado, caminhando etc.) e da posição dos equipamentos
• Mesmo a uma distância de 3 metros (cerca de 10 pés), obteve alta precisão, e espera-se desempenho ainda melhor com dispositivos WiFi mais avançados, como roteadores comerciais

Construção do dataset

• Para treinar o algoritmo, os pesquisadores coletaram dados diretamente usando ESP32 junto com um oxímetro de pulso padrão
  • Os dados do Pulse-Fi foram combinados com os dados de referência do oxímetro para treinar uma rede neural
• O Pulse-Fi também foi aplicado a um grande dataset construído por outra equipe de pesquisa com Raspberry Pi

Aplicações e direções futuras

• Pesquisas futuras devem expandir o uso para funções adicionais, como medição da frequência respiratória e detecção de apneia do sono
• Em experimentos ainda não divulgados publicamente, também foi confirmada a possibilidade de alta precisão na detecção de respiração e apneia

Uso industrial

• Empresas interessadas em adoção comercial podem entrar em contato com o responsável por transferência de tecnologia da UC Santa Cruz

Conclusão

• A combinação de hardware de custo ultrabaixo com machine learning torna possível o monitoramento sem contato da frequência cardíaca e da saúde
• Espera-se uma transformação na forma de verificar o estado de saúde em casa, de maneira simples e não invasiva, sem necessidade de wearables ou equipamentos hospitalares

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Comentários do Hacker News

• Algumas pessoas sugerem usar essa tecnologia para monitorar continuamente informações biométricas. Outras acham que isso cria problemas de privacidade. Mas o problema maior pode ser que o monitoramento contínuo leve a excesso de tratamento, causando resultados piores para os pacientes. O ponto importante é que normalmente monitoramos sinais vitais quando já suspeitamos que há algo errado. Se você observar pessoas saudáveis o tempo todo, pode aparecer uma variação bem grande, fazendo parecer que existe um problema mesmo quando não existe. Isso já foi demonstrado experimentalmente em hospitais ao monitorar continuamente mães e bebês durante o parto. Em algumas clínicas, começaram o monitoramento contínuo assim que a paciente chegava e acabaram fazendo mais intervenções desnecessárias, com resultados piores apesar de a situação inicial ser saudável. Claro, algumas clínicas podem já ter tendência a tratar em excesso, mas acho convincente essa explicação intuitiva de que monitoramento excessivo leva a tratamento excessivo
• Já ouvi falar de como helicópteros de inspeção de postes de energia conseguem determinar o estado de postes de madeira — se estão bons ou apodrecidos — pelo padrão de reverberação das ondas sonoras das hélices. A área de sensoriamento não invasivo, usando fontes de emissão já existentes ou ambientais, está avançando de forma realmente impressionante
  • Na área de obras de telecomunicações, ensinam que sempre se deve fazer o "teste do martelo" ao trabalhar perto de postes. A diferença de som entre um poste bom, um parcialmente apodrecido e um completamente podre é bem grande
  • Artigo original relacionado (2001): Nova tecnologia usa lasers aéreos e IA para avaliar a confiabilidade de estruturas de madeira. Não sei se isso foi realmente comercializado, e mais recentemente também vi usos de termografia e imageamento multiespectral
  • Fico curioso sobre que modelo de helicóptero consegue se aproximar de postes de energia com fios conectados tendo esse tamanho todo
  • Tomografia computadorizada expõe o paciente à radiação e ainda assim continua sendo padrão de atendimento
• Isso me lembrou um episódio de Star Trek TOS em que o capitão Kirk é acusado de assassinato, e eles isolam e detectam batimentos cardíacos para encontrar a vítima, que ainda estava na nave. O episódio é de quase 60 anos atrás, então desculpem se isso contar como spoiler
  • Como fã de Star Trek clássico, digo o seguinte: eles conseguem escanear um planeta inteiro para encontrar tripulantes, mas não conseguem saber quem está dentro da própria nave. Apesar de haver dispositivos de vigilância de áudio por toda a nave, ainda precisam usar interfones na parede
  • Você tirou de mim a chance de fazer a piada do “spoiler!”. Na verdade, isso é ainda mais frustrante do que contar o episódio antes
  • Resumo divertido: resumo desse episódio no planetofhats
• O coração de cada pessoa é diferente. Assim como a íris ou as impressões digitais, sinais cardíacos únicos — uma espécie de assinatura cardíaca — podem ser usados para diferenciação. Já existe pesquisa detectando isso à distância com laser artigo relacionado: Pentágono desenvolve laser capaz de identificar pessoas apenas pelo batimento cardíaco
  • Identificação biométrica com base em como o corpo humano interfere na propagação do sinal WiFi | post relacionado no HN
    Os pesquisadores focaram em como a CSI aplicada ao WiFi (informação de estado do canal: amplitude, fase e outros dados do sinal eletromagnético) é distorcida de forma diferente por cada indivíduo. Processaram isso com deep learning para extrair uma assinatura de dados única baseada no sinal. Esse método pode ser aplicado a sistemas de Re-ID baseados em sinal
  • Impressões digitais não mudam, mas os batimentos cardíacos variam a cada vez. Como cada batimento é diferente, uma "assinatura cardíaca" individual também mudaria sempre, o que provavelmente dificultaria a identificação contínua de uma pessoa específica
• Sem wearables desconfortáveis, sem precisar de cinta peitoral na esteira. Batimento cardíaco e respiração ao mesmo tempo? Monitorar todas as pessoas da casa 24/7 com um Raspberry Pi barato? Espero que essa tecnologia não demore para chegar ao mercado. Parece realmente útil
  • Existem cenários positivos de uso quase de ficção científica. Mas isso só faz sentido se os dados e a automação estiverem completamente sob controle da própria pessoa monitorada. Ex.: servidor self-hosted, GPU local, LLM local, reconhecimento de voz offline, escaneamento 3D pessoal da casa e do corpo etc.
  • Também parece ter um valor enorme para cuidados com idosos e cuidadores. Eu cuido da minha avó, e até colocar um AirTag nas chaves já é difícil. Dispositivos vestíveis ou alertas pessoais não são algo que ela consiga usar de forma consistente. Um monitoramento de saúde não invasivo e passivo seria excelente
  • Essa tecnologia parece estranha demais, a ponto de eu suspeitar que o setor de WiFi vá tratá-la com extrema cautela. Talvez até a prendam em patentes. Também acho que governos não vão querer que isso se torne amplamente conhecido
  • Hacks com RSSI de WiFi (por exemplo, WiSee(2013)), Linksys Aware(-2024) busca do Google por Linksys Aware,
    thread relacionada: explicação do 802.11bf,
    busca por 802.11bf: Google,
    "Reconhecimento de gestos usando sinais sem fio em toda a casa" (2013): artigo da ACM,
    artigos que citam esse trabalho Google Scholar,
    reconhecimento sem fio de gestos baseado em acelerômetro de alta liberdade, Awesome-WiFi-CSI-Sensing,
    até chegar a tecnologias e aplicações de escaneamento 3D
• Sou o estudante do ensino médio que desenvolveu essa tecnologia. Se tiverem perguntas, posso responder
  • Parabéns, é realmente impressionante. O artigo linkado deixa faltar muitos detalhes, então queria saber se você pode compartilhar um paper ou preprint
• Pelo fato de funcionar em chips ESP32, tenho certeza de que também funcionaria bem nos chips WiFi de smartphones (embora isso não seja mencionado no artigo). Hoje em dia muita gente anda sempre com o smartphone. Isso permitiria construir um perfil muito profundo de uma pessoa. Por exemplo, daria para saber o que ela vê no celular, que ligações recebe, onde está e até quem está por perto (pela identidade de outros smartphones). Ao combinar isso com emoções do usuário, como excitação, medo ou raiva, parece possível descobrir muito mais ainda
• Essa tecnologia não é nova. Sinais de WiFi já vêm sendo usados há pelo menos 10 anos para detectar objetos/pessoas/animais, analisar caminhada[1], reconhecer digitação[2], monitorar respiração e batimentos cardíacos[3] e até espionar conversas[4].
  Discussão anterior relacionada no HN,
  The Atlantic - Vigilância por Wi-Fi,
  arquivo
  1: artigo da IEEE sobre análise de caminhada
  2: artigo da ACM sobre detecção de digitação
  3: arquivo sobre detecção de respiração e batimentos
  4: arquivo sobre espionagem de conversas
  • Fico curioso se alguém já conseguiu implementar essas técnicas com sucesso na prática. Analisei aplicações parecidas alguns anos atrás, e havia bastante limitação ou falha metodológica em muitos dos métodos citados nos artigos
  • Na verdade, o mesmo princípio já foi aplicado também ao som. Alguns anos atrás lembro de ver um artigo sobre usar os alto-falantes e microfones de um carro para verificar quantas pessoas havia dentro do veículo, especialmente para detectar crianças ou animais de estimação deixados ali
  • [Pelo anúncio oficial] a novidade, por enquanto, é a comercialização para casas e escritórios
• O 802.11bf está focado em aplicações de sensoriamento

  Avanços recentes tornaram possíveis funções de sensoriamento com tecnologia WiFi, como detecção, rastreamento de posição e reconhecimento
  Porém, os padrões WLAN existentes foram desenvolvidos com foco em comunicação e não atendem plenamente às exigências avançadas de sensoriamento
  Para isso, o grupo de trabalho IEEE 802.11 criou a task group 802.11bf (TG), produzindo uma revisão do padrão que atende requisitos avançados de sensoriamento com impacto mínimo na comunicação
  artigos relacionados: IEEE Xplore - introdução ao sensoriamento no 802.11bf,
  NIST - pesquisa para ampliar a adoção de sensoriamento por Wi-Fi,
  Cognitive Systems - como o 802.11bf aprimora o sensoriamento legado
  referência: também existe o IEEE 802.11bi (fortalecimento da privacidade de dados)

  • 802.11 Blue Falcon
• É uma pena que este artigo (press release) destaque apenas os supostos efeitos positivos para monitoramento de saúde, sem mencionar em nada os problemas de privacidade. Essa tecnologia corre grande risco de ser abusada de várias formas. Por exemplo, seria possível monitorar mudanças no batimento cardíaco após ver anúncios e fazer segmentação publicitária emocionalmente agressiva. O mesmo vale para acompanhar alterações durante compras. Um ladrão poderia até usar isso para detectar se há alguém em casa. Em vez de nos preocuparmos apenas com roteadores WiFi desatualizados sendo explorados por botnets, talvez também tenhamos de nos preocupar com o rastreamento e a venda de dados biométricos, como localização e nível de excitação
  • Um novo e eficiente mercado será aberto (=new and more efficient markets)