スター・ウォーズのフォースからインスピレーションを受けた科学:無線信号で見えないものを感じる技術

医療・医学

At MIT, Dina Katabi and her team are working on a bold new way to monitor patients’ vital signs in a hospital (or even at home), without wearables or bulky, beeping devices. Bonus: it can see through walls. In a mind-blowing talk and demo, Katabi previews a system that captures the reflections of signals like Wi-Fi as they bounce off people, creating a reliable record of vitals for healthcare workers and patients. And in a brief Q&A with TED curator Helen Walters, Katabi discusses safeguards being put in place to prevent people from using this tech to monitor somebody without their consent.

MITのディナ・カタビと彼女のチームは、装着型デバイスやかさばるビーピングデバイスなしに、病院(または家庭)で患者のバイタルサインをモニタリングする大胆な新しい方法に取り組んでいます。

さらに、壁を透視することができます。驚異的なトークとデモで、Katabiは、Wi-Fiなどの信号の反射を捉え、人々からバウンスして信号の信頼性のある記録を作成するシステムを紹介します。そして、TEDキュレーターのHelen Waltersとの簡単なQ&Aで、Katabiは、この技術を誰かの同意なしに監視するのを防ぐために導入されている保護策について議論します。

タイトル A new way to monitor vital signs (that can see through walls)
バイタルサインを監視する新しい方法 (壁越しに見ることができる)
スピーカー ディナ・カタビ
アップロード 2018/08/10

「バイタルサインを監視する新しい方法 (壁越しに見ることができる) (A new way to monitor vital signs (that can see through walls) )」の文字起こし

When I was a kid, I was, like many of you in this room, very much fascinated by Star Wars, and what fascinated me the most is this notion of the Force, this energy that connects all people and all objects and allows you to feel people that you can’t even see. And I remember many nights, I would be sitting at home, just, like, concentrating and focusing, trying to feel the Force, and I didn’t feel anything, don’t worry.

And later in life, I became a scientist. I joined the MIT faculty and started working on wireless signals. These are things like Wi-Fi or cellular systems, and I did a lot of work in that domain. But then, again, this Force thing kept nagging me, and at some point, I was just like, “Wait a minute, these wireless signals — they are like the Force.” So if you think about it, wireless signals, they travel through space, they go through obstacles and walls and occlusions, and some of them, they reflect off our bodies, because our bodies are full of water, and some of these minute reflections, they come back. And if, just if, I had a device that can just sense these minute reflections, then I would be able to feel people that I cannot see. So I started working with my students on building such a device, and I want to show you some of our early results.

So here, you see my student standing, and here is our device. And we are going to put the device in the other office, behind the wall, and we are going to monitor him as he moves. This red dot is tracking him using wireless signals. And as you can see, the red dot is tracking his movements very accurately, purely based on how his body interacts with the surrounding wireless signals. Pretty accurate, isn’t it? He has no wearables, nothing.

Now you might be wondering, how is it possible that we can sense people and track them, without any wearables, through walls, and the easiest analogy to think about is radar. I’m sure many of you have seen this picture. You transmit a wireless signal to the sky, it reflects off some airplane, comes back to you, and you start detecting these airplanes. But if it were just radar, then we would have this 50 years ago. So it’s not just radar. There are two key differences.

So the first difference, of course — you can’t, like radar, just blast wireless power at somebody. You’re going to fry them like if they were in a microwave. Don’t do that. So it means that you have to be able to deal with very weak signals, and that means that your device has to be very sensitive. The second difference is that, unlike the sky, where it’s empty — if you are lucky, there is one airplane that you can catch there. Like, look at the room and look how many objects and people there are. So in indoor environments, the signal not only reflects off the person, if reflects off the person, off the floor, the ceiling, off other people around, and you get very complex reflections where the same signal reflects off me and then off you, and then off the ceiling, then off the floor. And you have to make sense of that mess. But we were lucky. We were coming at the right time. So two things helped us.

The first thing is radiotechnologies have evolved a lot, and over the last decade, radio technology became much more powerful, so we were able to build very sensitive radios that can sense weak and minute RF signals. The second thing: machine learning. So you keep hearing about machine learning and there was a revolution of machine learning recently, in deep learning, and that allowed us to build machine-learning models that can understand wireless signals and interpret them so they would know what happened in the environment. So if you think of it, the radio is like the ear of our device and the machine learning is like the brain, and together, they have a very powerful device. So what else can we sense about people using wireless signals? Sleep. Sleep, actually, is something very dear to my heart, because my sleep is a disaster.

So one thing is when you start working on some physiological signal and you discover that yours sucks. So you can see why we can capture sleep, because the person walks and the device sees him as he walks to bed, when he stops tossing around in bed, when he steps out of bed, and that measure of sleep is what people call actigraphy. It’s based on motion. But it turned out that we can actually get sleep at a much more important level. We can understand the change in the brain waves that occur during sleep. So, many of you probably know that as we go to sleep, our brainwaves change and we enter different stages: awake, light sleep, deep sleep and REM, or rapid eye movement. These stages are of course related to sleep disorders, but they are also related to various diseases. So for example, disturbances in REM are associated with depression. Disturbances in deep sleep are associated with Alzheimer’s. So if you want to get sleep staging, today, you will send the person to the hospital, they put all of these electrodes on their head, and they ask them to sleep like that.

It’s not really a happy experience. So what if I tell you that I can do the same thing but without any of these electrodes on the person’s body? So here is our device, transmitting very low power wireless signal, analyzes the reflections using AI and spits out the sleep stages throughout the night. So we know, for example, when this person is dreaming. Not just that … we can even get your breathing while you are sitting like that, and without touching you. So he is sitting and reading and this is his inhales, exhales. We asked him to hold his breath, and you see the signal staying at a steady level because he exhaled. He did not inhale. And I want to zoom in on the signal. And this is the same signal as before. These are the inhales, these are the exhales. And you see these blips on the signal? These are not noise. They are his heartbeats. And you can see them beat by beat. So I want to stop here for a moment and show you a live demo. Zach is going to help me with the demo, and we’re going to use the device to monitor Zach’s breathing. So this white box that you see here is the device, and Zach is turning it on … and let’s see whether he breathes well. So we’re going to do exactly what we did in the video with the other guy, so the wireless signal is going through, it’s touching Zach’s body, and it’s reflecting back to the device, and we want to monitor his breathing, his inhale-exhale motion. So we see the inhales, exhales — so see, these ups and downs are Zach breathing. Inhaling, exhaling.

So, he can breathe.

Zach, can you hold your breath, please?
OK, so now he’s holding his breath,
so you see the signal stays at a steady level,
and these are his heartbeats.
Beat, beat, beat, beat, beat.

OK, Zach, you can breathe again.

We don’t want accidents here.

OK, thank you.

So as you can see, we have this device
that can monitor so many physiological signals for you,
and what is really interesting about this device
is that it does all this without any wearables,
without asking the person to change his behavior
or to wear anything or charge anything special.
And that got doctors very excited,
because doctors,
they always want to know more information about their patients,
particularly at home,
and this is particularly true in chronic diseases,
like pulmonary diseases, like COPD,
or heart failure or Alzheimer’s and even depression.
All of these chronic diseases are very important.
In fact — perhaps you know —
two-thirds of the cost of health care in the US
is due to chronic diseases.

But what is really interesting about chronic diseases
is that when the person, for example,
has a problem that leads to the hospital and the emergency room,
this problem doesn’t happen overnight.
Actually, things happen gradually.
So if we can monitor chronic disease patients in their home,
we can detect changes in their breathing, heartbeat, mobility, sleep —
and we can detect emergencies before they occur
and have the doctor intervene earlier
so that we can avoid hospitalization.

And indeed, today we are working with multiple doctors
in different disease categories.
So I’m really excited
because we have deployed the device with many patients.
We have deployed the device with patients that have COPD,
which is a pulmonary disease,
patients that have Alzheimer’s,
patients that have depression and anxiety
and people that have Parkinson’s.
And we are working with the doctors on improving their life,
understanding the disease better.

So when I started, I told you
that I’m really fascinated with Star Wars and the Force in Star Wars,
and indeed, I’m still very much fascinated,
even now, as a grown-up, with Star Wars,
waiting for the next movie.
But I’m very fascinated now and excited
about this new Force of wireless signals,
and the potential of changing health care with this new force.

One of the patients with whom we deployed is actually my aunt.
She has heart failure,
and I’m sure many of you guys in the audience
have parents, grandparents, loved ones who have chronic diseases.
So I want you to imagine with me a future
where in every home that has a chronic disease patient,
there is a device like this device sitting in the background
and just monitoring passively
sleep, breathing, the health of this chronic disease patient,
and before an emergency occurs,
it would detect the degradation in the physiological signal
and alert the doctor
so that we can avoid hospitalization.

This can change health care as we know it today,
improve how we understand chronic diseases
and also save many lives.

Thank you.

Helen Walters: Dina, thank you so much. Thank you too, Zach. So glad you’re breathing. So Dina, this is amazing. The positive applications are incredible. What is the framework, though, like the ethical framework around this? What are you doing to prevent this technology from being used for other, perhaps less positive types of applications?

Dina Katabi: Yeah, this is a very important question, of course, like, what about misuse, or what about, I guess you could say, about the Dark Side of the Force?

HW: Right, right.

DK: So we actually have technologies that prevent people from trying to use this device to monitor somebody without their consent. Because the device understands space, it will ask you to prove, by doing certain movements, that you have access to the space and you are the person who you are asking the device to monitor. So technology-wise, we have technology that we integrate to prevent misuse, but also, I think there is a role for policy, like everything else, and hopefully, with the two of them, we can control any misuse.

HW: Amazing. Thank you so much.

DK: Thank you.

「バイタルサインを監視する新しい方法 (壁越しに見ることができる) (A new way to monitor vital signs (that can see through walls) )」の和訳

子供の頃、私はこの部屋にいる多くの方々と同じように、『スター・ウォーズ』に非常に魅了されていました。特に私が最も心を奪われたのは、フォースという概念でした。このフォースは、人々や物体をすべて結びつけ、見えない人々を感じることを可能にするエネルギーです。多くの夜、私は家で集中し、フォースを感じようと試みましたが、何も感じることはできませんでした。

その後、私は科学者になりました。MITの教員に加わり、無線信号、Wi-Fiやセルラーシステムなどについての研究を始めました。しかし、フォースのことが頭から離れず、ある時、「待てよ、これらの無線信号はフォースのようなものだ」と思いました。無線信号は空間を通過し、障害物や壁を通り抜け、一部は私たちの体に反射します。私たちの体は水分で満たされているため、これらの微小な反射が戻ってくるのです。もし、これらの微小な反射を感知する装置があれば、見えない人々を感じることができるのではないかと考えました。そこで、私は学生たちと一緒にそのような装置を作り始めました。今日はその初期の結果をお見せします。

ここに、私の学生が立っています。そして、ここに私たちの装置があります。装置を隣のオフィスの壁の向こうに置き、彼が動く様子をモニターします。この赤い点が無線信号を使って彼を追跡しています。ご覧の通り、赤い点は彼の動きを非常に正確に追跡しています。彼はウェアラブルデバイスを何も着けていません。

今、どうしてウェアラブルなしで人々を感知し、追跡できるのか不思議に思うかもしれません。最も簡単なアナロジーはレーダーです。多くの方がこのイメージを見たことがあるでしょう。無線信号を空に送信し、それが飛行機に反射して戻ってきて飛行機を検出します。しかし、もしこれが単なるレーダーであれば、50年前に既に実現していたでしょう。なので、これは単なるレーダーではありません。2つの大きな違いがあります。

まず第一に、レーダーのように無線電力を人に向けて発射することはできません。そうすると、電子レンジのように人を焼いてしまいます。ですので、非常に弱い信号に対処できる必要があり、そのためには装置が非常に敏感である必要があります。第二に、空のように何もない場所とは異なり、部屋には多くの物体や人々が存在します。屋内環境では、信号は人に反射するだけでなく、床、天井、周囲の他の人々にも反射し、非常に複雑な反射が生じます。そのため、その混乱を理解しなければなりません。しかし、私たちは運が良かったのです。適切な時期に取り組んでいたのです。

最初に、無線技術は大きく進化しました。過去10年間で無線技術は非常に強力になり、微弱で微細なRF信号を感知できる非常に敏感な無線機を構築できました。次に、機械学習です。最近、ディープラーニングにおいて機械学習の革命が起こり、それによって無線信号を理解し解釈する機械学習モデルを構築できるようになりました。無線機はデバイスの耳のようなもので、機械学習は脳のようなものであり、これらが組み合わさることで非常に強力な装置が完成しました。

まず、無線技術は大きく進化し、過去10年間で無線技術は非常に強力になりました。これにより、微弱で微細なRF信号を感知できる非常に敏感な無線機を構築できるようになりました。次に、機械学習です。最近、ディープラーニングにおける機械学習の革命が起こり、それによって無線信号を理解し解釈する機械学習モデルを構築できるようになりました。無線機が私たちの装置の耳のようなものであり、機械学習が脳のようなものであり、この二つが組み合わさることで非常に強力な装置が完成しました。

では、無線信号を使って人々について他に何を感知できるでしょうか?睡眠です。睡眠は私にとって非常に大切なものであり、私の睡眠はひどいものです。生理信号の研究を始めると、自分の睡眠がいかに悪いかを発見することがあります。なぜ私たちが睡眠を感知できるのかというと、人がベッドに歩いて行くと装置がその動きを感知し、ベッドで寝返りを打たなくなった時、ベッドから出た時を感知できるからです。このようにして得られる睡眠の指標は、運動量に基づくアクチグラフィと呼ばれます。しかし、実際にはもっと重要なレベルで睡眠を感知できることがわかりました。睡眠中に発生する脳波の変化を理解できるのです。多くの方がご存じのように、私たちが眠りにつくと脳波が変化し、覚醒、浅い眠り、深い眠り、そしてREM(急速眼球運動)という異なる段階に入ります。これらの段階は睡眠障害と関連していますが、さまざまな病気とも関連しています。例えば、REMの乱れはうつ病と関連し、深い眠りの乱れはアルツハイマー病と関連しています。

今日、睡眠段階を知りたい場合、病院に行って頭にたくさんの電極を付けられて寝る必要があります。それはあまり快適な体験ではありません。そこで、これを電極なしで実現できると言ったらどうでしょうか?私たちの装置は非常に低電力の無線信号を送信し、AIを使って反射を分析し、夜を通して睡眠段階を特定します。例えば、この人が夢を見ている時を知ることができます。それだけでなく、座っているだけで呼吸も感知できます。吸気と呼気を確認できます。息を止めてもらうと、信号が一定のレベルで止まります。息を再開すると、信号が再び上下します。これは心拍数をも感知でき、心拍が一つ一つ確認できます。

ここでライブデモを行いたいと思います。ザックが呼吸をモニターするのを手伝ってくれます。ここに見える白い箱が装置で、ザックがそれをオンにしています。ザックの呼吸をモニターします。吸気と呼気が見えますね。ザック、息を止めてください。息を止めると、信号が一定のレベルで止まります。そして、これが彼の心拍です。

ザック、呼吸を再開してください。事故を防ぎたいので。ありがとうございました。

この装置は非常に多くの生理信号をモニターできる装置です。そして、興味深いのは、この装置がウェアラブルなしで、行動を変えることなく、何か特別なものを身に付けることなく機能するということです。

では、彼は呼吸ができることがわかりました。

ザック、息を止めてもらえますか?
はい、今彼は息を止めています。
信号が一定のレベルで止まり、これが彼の心拍です。
ビート、ビート、ビート、ビート、ビート。

OK、ザック、呼吸を再開してください。
ここで事故を起こしたくありませんので。

ありがとうございました。

ご覧の通り、この装置は非常に多くの生理的信号をモニターできます。
この装置の本当に興味深い点は、ウェアラブルなしで、行動を変えることなく、何か特別なものを身に付けることなく、また充電する必要もなく、すべてを行えるということです。
これにより、医師たちは非常に興奮しました。
医師は常に患者についての情報をもっと知りたいと思っています。特に自宅での情報です。
これは特に慢性疾患に関して当てはまります。COPDや心不全、アルツハイマー病、さらにはうつ病などの慢性疾患は非常に重要です。
実際、アメリカの医療費の3分の2は慢性疾患によるものです。

慢性疾患について興味深いのは、例えば、病院や緊急治療室に至る問題が一夜にして起こるわけではないということです。実際には徐々に進行します。
もし、慢性疾患の患者を自宅でモニターできれば、呼吸、心拍、移動、睡眠の変化を感知し、緊急事態が発生する前に検出し、早期に介入することで入院を防ぐことができます。

実際、現在、さまざまな疾患カテゴリーの多くの医師と協力しています。
多くの患者にこの装置を展開していることに非常に興奮しています。
COPDを持つ患者や、アルツハイマー病、うつ病や不安障害、パーキンソン病を持つ患者にこの装置を展開しています。
私たちは、彼らの生活を改善し、病気をよりよく理解するために、医師と協力しています。

私が最初にお話ししたように、『スター・ウォーズ』とそのフォースに非常に魅了されています。そして、今でも大人になっても『スター・ウォーズ』に非常に魅了されており、次の映画を待ち望んでいます。しかし、今は無線信号という新しいフォースと、それが医療を変える可能性に非常に興奮しています。

私たちが装置を展開した患者の一人は、実は私の叔母です。彼女は心不全を患っています。この会場にいる多くの皆さんも、慢性疾患を持つ親や祖父母、愛する人々がいると思います。そこで、皆さんと一緒に想像してみたいのは、慢性疾患を持つ患者がいるすべての家庭にこのような装置が設置されており、睡眠や呼吸、慢性疾患患者の健康を受動的にモニターし、緊急事態が発生する前に生理信号の悪化を検出し、医師に警告を出して入院を防ぐ未来です。

これにより、今日の医療を変え、慢性疾患の理解を深め、多くの命を救うことができます。

ありがとうございました。

ヘレン・ウォルターズ:ディナ、ありがとうございます。そして、ザックもありがとう。呼吸してくれてよかったです。ディナ、この技術は驚くべきものです。そのポジティブな応用例は素晴らしいです。しかし、倫理的な枠組みについてはどうでしょうか?この技術が他の、あまりポジティブでない用途に使われないようにするために、何をしていますか?

ディナ・カタビ:はい、これは非常に重要な質問です。悪用について、あるいはフォースのダークサイドについて心配することです。

HW:そうですね。

DK:私たちは、同意なしに誰かをモニターしようとする人々を防ぐ技術を実際に持っています。この装置は空間を理解しているため、特定の動作を行ってその空間にアクセスできることを証明し、モニターする人が本人であることを確認するよう求めます。技術的には、悪用を防ぐために統合している技術がありますが、政策の役割も重要だと思います。両方を組み合わせることで、悪用を防ぐことができると期待しています。

HW:素晴らしいです。ありがとうございました。

DK:ありがとうございます。

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