【ITニュース解説】WiFi signals can measure heart rate

近年のIT技術の進歩は目覚ましく、私たちの生活に様々な形で影響を与えているが、中でも注目すべき技術の一つに、WiFi信号を用いて心拍数を測定する技術が登場した。これはSFのような話に聞こえるかもしれないが、実際にカリフォルニア大学サンタクルーズ校の研究者たちが「Pulse-Fi」と名付けたシステムを開発し、その実用性を証明した。システムエンジニアを目指す初心者にとって、この技術は単に興味深いだけでなく、将来の技術トレンドや、どのようにして物理的な現象をデジタルデータに変換し活用するかという、基本的な考え方を理解する良い機会となるだろう。

この技術の根底にあるのは、電波の物理的な特性と、それを高度に解析する信号処理技術である。私たちの身の回りには、スマートフォンやPCをインターネットに接続するために、常にWiFiの電波が飛び交っている。これらの電波は、目には見えないが、光と同じ電磁波の一種であり、空気中を伝播していく。通常、私たちはこの電波が情報を運ぶキャリアとして利用されると考えるが、「Pulse-Fi」は、この電波が物体に反射する際の微細な変化を捉えることで、人体内部の活動を読み取ろうとする。

具体的には、WiFiルーターから発せられた電波が、測定対象となる人の胸部に当たり、そこから反射して再びルーターの受信アンテナに戻ってくる。このとき、心臓の拍動は胸部の表面にごくわずかな、ミリメートル単位の動きを引き起こす。この微小な動きが、反射して戻ってくるWiFi信号の「位相」と呼ばれる特性に変化を与えるのだ。位相とは、波のどの部分（山か谷か、あるいはその中間か）が観測されているかを示す指標であり、この位相の変化は、電波が伝播する経路の長さがごくわずかに変化したことを示している。心臓の拍動によって胸部がわずかに動くと、電波が往復する距離もこれに応じて変動し、その結果、位相がずれることになる。これは、ドップラー効果に似た原理であり、動く物体が電波の周波数や位相に影響を与える現象を利用している。

この位相の微細な変化を検出するには、非常に高度なセンサー技術と、それを解析するデジタル信号処理技術が不可欠である。研究チームは、市販されている標準的なWiFi機器を使いながらも、通常のデータ通信では利用されないような高精度な電波の特性情報を抽出する手法を開発した。そして、この非常に微弱な信号の変化を、周囲のノイズや呼吸による動きなど、心拍数以外の要因から区別し、純粋な心拍数として分離するための複雑なアルゴリズムを適用する。これは、多くのノイズが混じり合う信号の中から、心拍由来の微弱なパターンを正確に識別する高度なデータ分析技術が必要であることを意味する。デジタル信号処理アルゴリズムや、パターン認識のための機械学習技術がその中核を担う。

この技術が持つ最大の利点は、何よりも「非接触」であることだ。従来の心拍数測定は、電極を体に装着したり、スマートウォッチのようなウェアラブルデバイスを身につけたりする必要があった。しかし、「Pulse-Fi」は、特別な機器を身につけることなく、部屋の中に設置されたWiFiルーターの電波だけで心拍数を測定できる。これは、病院の患者モニタリング、介護施設での高齢者の健康管理、あるいはスマートホームでの日常的な健康チェックなど、様々なシーンでの応用が期待される。例えば、夜間にベッドで寝ている人の心拍数を継続的にモニタリングすることで、睡眠の質の評価や、心臓疾患の早期発見にも役立つ可能性がある。カメラを使う方法と比較しても、プライバシーの保護という点で大きな優位性がある。

さらに、既存のWiFiインフラを最大限に活用できる点も大きな魅力だ。新たな専用機器を導入することなく、ソフトウェアのアップデートや追加の解析モジュールを組み込むことで、すでに存在するWiFiネットワークが新たな生体センサーへと変貌する可能性がある。これは、システム全体の導入コストを大幅に削減し、技術の普及を加速させる要因となるだろう。

もちろん、この技術にはまだいくつかの課題も存在する。例えば、複数の人が同じ部屋にいる場合、それぞれの心拍数を正確に区別して測定することは容易ではない。また、体の大きな動きや、呼吸による胸部の動きと心拍による微細な動きを完璧に分離し、常に高い精度で心拍数を測定し続けるには、さらなるアルゴリズムの改良や、より強力なノイズ除去技術が必要となる。しかし、これらの課題は、今後の研究開発によって克服される可能性を十分に秘めている。

システムエンジニアを目指す若手にとって、この「Pulse-Fi」のような技術は、単なる応用事例としてだけでなく、電波という目に見えない物理現象をどのようにしてデータとして捉え、それを情報として価値あるものに変えていくかという、情報科学の根源的なアプローチを学ぶ良い教材となる。センサーから得られる生データをいかに加工し、アルゴリズムを設計し、意味のある情報としてユーザーに提供するかという一連のプロセスは、あらゆるシステム開発に通じる重要なスキルである。将来、君たちが開発するシステムの中には、このような革新的なアイデアが組み込まれ、私たちの生活をより豊かで安全なものに変えていく可能性を秘めているだろう。