Как работает сердце: краткий экскурс
Каждый удар сердца включает три стадии: систолу (сокращение) предсердий, систолу желудочков и диастолу (расслабление). Сокращения инициируются электрическими импульсами — из верхней части миокарда, через предсердия к желудочкам. Последовательное сокращение и расслабление всех отделов сердца называют сердечным циклом. Рисунок, который образуется при ударе сердца, уникален для каждого человека.
Чтобы получить данные о работе сердца, традиционно используются две технологии: электрокардиография (ЭКГ, ECG) и фотоплетизмография (ФПГ, PPG). PPG-датчики установлены в большинстве пульсометров, фитнес-браслетов и умных часов. Если говорить упрощенно, они светят на артерию и измеряют, сколько света поглощается, а сколько — отражается, и так фиксируют пульсацию крови в сосудах.
ЭКГ считается более точным методом: на определенные участки тела устанавливаются электроды, позволяющие измерить разность потенциалов между ними. В носимых кардиографах обычно используется два электрода, в больничных — десять и более. ЭКГ фиксирует каждый этап сердечного цикла. По кардиограмме можно отследить сокращения и расслабления разных отделов сердца, диагностировать нарушения ритма, электрической проводимости, повреждения миокарда и многое другое.
Данные сердца — новое слово в биометрике?
Данные о работе сердца уже несколько лет используются в биометрике, ведь их невозможно подделать. Технологию распознавания лиц можно обмануть с помощью очков, бороды и грима. Отпечатки пальцев — тоже не панацея: в 2014 году хакеры сделали слепок пальца министра обороны Германии, используя фотографии с пресс-конференции (больше подробностей — в публикации BBC).
Что касается сердца, человек может повлиять только на частоту сокращений, но это не помешает его опознать.
Гипотетически, технологию «сердечной» идентификации можно обмануть, если искусственно вызвать аритмию с помощью медикаментов. Но даже в таком случае человек не сможет выдать себя за кого-то другого, а только скроет собственную идентичность.
До сегодняшнего дня данные о работе сердца чаще использовались для аутентификации, а не для идентификации. Аутентификация — это процесс подтверждения конкретной личности, когда пользователь доказывает системе, что он — действительно он. Обычно для этого используют данные ЭКГ, как наиболее точные. Например, в 2016 году на ScienceDirect вышла большая статья на эту тему, ее написали ученые из Universiti Sains Malaysia. Это не первая и не самая громкая работа, а только один из примеров.
Есть и коммерческие решения. Например, год назад мы представили на FinovateSpring 2018 технологию, над которой работали вместе с «ПриватБанком»: добавили в наш браслет-кардиограф NFC-чип для бесконтактных платежей и обучили нейросеть аутентифицировать пользователя по ЭКГ. Если браслет надевает другой человек, функция платежей просто блокируется. После презентации пресса стала называть нас биометрическим стартапом, хотя основной фокус компании — здоровье.
В чем заключается инновация Пентагона
Главное новшество Пентагона — работа на расстоянии, и это действительно прорыв. Их технология Jetson позволяет зафиксировать мельчайшие колебания тела, вызванные сердечными сокращениями. Во время учебы в институте я работал над похожим проектом: сажал человека перед камерой, снимающей в высоком разрешении, и фиксировал эти колебания. Но полученные данные позволяли разве что посчитать частоту сердечных сокращений. А то, что делают американские военные, — настоящая революция.
Ученые заявляют, что смогут идентифицировать человека с 200 метров. В будущем, возможно, рабочая дистанция станет еще больше. Правда, пока лазер не справляется с плотной одеждой и не работает с движущейся целью (она должна оставаться на одном месте минимум 30 секунд).
Сейчас еще непонятно, смогут ли разработчики решить проблему тяжелой одежды, но скорость обработки данных они точно увеличат. Об этом говорит наш опыт: год назад мы аутентифицировали пользователя за 5 секунд замера ЭКГ, а сейчас технологии достаточно одного удара сердца.
Сами разработчики говорят, что Jetson обеспечивает до 95% точности в хороших условиях. Распознавание по ЭКГ уже сейчас работает с точностью более 99%. Скорее всего, технология Пентагона не достигнет такой же точности, но показатель в 95% превысит. Ее можно будет использовать вместе с другими технологиями (например, с распознаванием лиц). Такое сочетание будет работать точнее, а главное — дистанционно и с большим количеством потенциальных целей.
Данные сердца и искусственный интеллект
Без сомнений, для обработки данных Минобороны США будет использовать алгоритмы искусственного интеллекта. Чтобы обучить нейросеть, понадобятся данные десятков или сотен тысяч людей.
У американских военных достаточно ресурсов, чтобы собрать такой датасет. Если общество получит доступ к этим данным (скажем, в неперсонализированном виде), это станет сильным подспорьем для развития превентивной медицины.
Недавно Medical News Today писали, что искусственный интеллект может предсказать болезнь Альцгеймера за 6 лет до появления видимых симптомов. ИИ способен на многое, но главная проблема заключается в отсутствии данных. Их либо мало, либо они «грязные». Данные для алгоритмов Jetson помогут выявлять не только сердечно-сосудистые заболевания, но и, к примеру, болезнь Паркинсона.
Перспективы технологии: публичный сектор
Новую технологию Минобороны США собираются использовать в военных целях и для борьбы с терроризмом. Но разработку можно применить и в публичном секторе — так же, как это произошло с интернетом и со многими другими технологиями, которые когда-то изобрели для военных.
Самая очевидная сфера — маркетинг: можно будет измерять, как меняется пульс зрителей, которые смотрят рекламный ролик или изучают новую вывеску в ТЦ.
Другая перспективная цель — HR. Сейчас данные носимых кардиографов позволяют определить уровень стресса и восстановления, оценить состояние физических и ментальных ресурсов. Для этого анализируется вариабельность сердечного ритма (ВСР) — показатель, который отображает влияние симпатической и парасимпатической нервной систем на организм. Jetson тоже позволит определять ВСР: менее точно, зато на расстоянии.
Jetson против болезней
Вернемся к медицинским перспективам: в статье говорилось, что разработка позволит врачам дистанционно следить за здоровьем пациентов. Датчики действительно можно установить в публичных местах, чтобы отслеживать опасные состояния прохожих.
Но дистанционно мониторить сердца пациентов можно уже сейчас. На рынке есть носимые ЭКГ-устройства, в том числе браслет Mawi Band, нагрудный кардиомонитор iRhythm, мини-кардиографы от пионеров отрасли AliveCor. Особую популярность технология получила с выходом Apple Watch 4. Все эти гаджеты позволяют получать более точные данные и выявлять нарушения сердечного ритма на ранних этапах.
Jetson не сможет в ближайшие несколько лет работать в таком качестве. Но если разработчики создадут для нее медицинский функционал, она станет еще одним инструментом для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, наряду с ECG- и PPG-трекерами. Больше людей получат шанс вовремя выявить нарушения ритма и потенциально — спасут себе жизнь. В мире снизится уровень смертности от ССЗ. Сейчас это причина смерти № 1 в мире, более 30% всех смертей. Снизив этот показатель на треть, можно спасти до 6 млн человек в год.
