毫米波雷達(dá)用于監(jiān)測生命體征信號的技術(shù)解析

生命體征是一組指示人的健康狀況和身體機(jī)能的醫(yī)學(xué)參數(shù)，它們提供可能的疾病線索以及恢復(fù)或惡化的趨勢。生命體征主要有四種：體溫（BT）、血壓（BP）、呼吸頻率（BR）和心率（HR）。這些參數(shù)因年齡、性別、體重和健康水平而異。在特定條件下，這些參數(shù)也可能因人的身體或心理活動而有所不同。例如，正在從事體育活動的人可能會具有較高的體溫、呼吸頻率和心率。

毫米波（mmWave）雷達(dá)會發(fā)射電磁波，其路徑中的任何物體都會將信號反射回去。通過捕獲和處理反射信號，雷達(dá)系統(tǒng)可以確定物體的距離、速度和角度。毫米波雷達(dá)在物體距離檢測中可以提供毫米級別的精度，因而成為人類生物信號的理想傳感技術(shù)。此外，毫米波技術(shù)還可以對患者進(jìn)行非接觸式的連續(xù)監(jiān)控，因此無論醫(yī)生還是患者都比較方便。

本文將討論毫米波雷達(dá)如何用于監(jiān)測生命體征信號（例如BR和HR）。

呼吸頻率和心率意味著什么？

通常，健康人的生命體征參數(shù)如下表（1）所示：

表1: 健康人的生命體征

如前所述，生命體征的數(shù)值可能會隨年齡、性別、健康水平以及測量時(shí)的身體或心理活動而變化。對這些參數(shù)（HR和BR）的綜合分析有助于醫(yī)療保健人員評估被觀察者的健康和壓力水平。下表顯示了不同年齡段人群的靜態(tài)心率。

表2: 不同年齡段人群的靜態(tài)心率(來源:維基百科)

下圖（圖1）顯示了在測量時(shí)不同身體或精神投入條件下的心率變化。

圖1：根據(jù)個(gè)人的健康狀況、壓力和醫(yī)療狀況而變化的心率 （來源：AAAI）

了解心率和呼吸頻率可以快速診斷某些致命疾??；例如阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥（OSAS）和嬰兒猝死綜合癥（SIDS）。OSAS患者在睡眠過程中會長時(shí)間暫停呼吸，而SIDS是指嬰兒可能因趴著睡覺或外物阻塞而導(dǎo)致呼吸受阻。其它與呼吸有關(guān)的疾病還包括呼吸困難和慢性阻塞性肺疾病。請參閱下圖了解各種情況下的呼吸模式。

圖2: 呼吸模式(來源：Clinicalgate)

研究表明，靜態(tài)心率高的人患心臟相關(guān)疾病的風(fēng)險(xiǎn)更高，而靜態(tài)心率低的人未來則有可能需要永久植入起搏器。

對患有上述疾病的患者進(jìn)行呼吸頻率和心率的監(jiān)測，將有可能挽救其生命。

接觸和非接觸式生命體征測量

現(xiàn)有的測量儀器大多是接觸式的。它們需要附著在患者身上才能進(jìn)行測量和監(jiān)測。 這對于需要長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測的患者來說不是很方便。而且，在當(dāng)前正流行的COVID-19疫情下，非接觸式生命體征監(jiān)測設(shè)備可能會變得更加重要，因?yàn)樗鼘⒂兄谧畲蟪潭鹊販p少通過接觸點(diǎn)和接觸者造成的病毒傳播，更好地確保醫(yī)療保健人員的安全。因此，遠(yuǎn)程、非接觸式儀器是我們的當(dāng)下之需。

毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)，顧名思義是一種雷達(dá)技術(shù)，它利用波長為10mm至1mm、頻率為30-300 GHz的射頻微波。工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的雷達(dá)頻譜為60-64 GHz，汽車應(yīng)用為76-81 GHz。由于在這些頻率下信號的波長較短，因此雷達(dá)天線的尺寸也較小。小體積的雷達(dá)，再加上先進(jìn)的天線技術(shù)，如封裝天線（AoP）和PCB天線（AoPCB），毫米波雷達(dá)得以在汽車導(dǎo)航、樓宇自動化、醫(yī)療保健和工業(yè)應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。

本文介紹的重點(diǎn)是調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)。FMCW雷達(dá)連續(xù)發(fā)射調(diào)頻信號以測量目標(biāo)物體的距離、角度和速度，而傳統(tǒng)脈沖雷達(dá)系統(tǒng)定期發(fā)送短脈沖。對于FMCW雷達(dá)，信號頻率隨時(shí)間線性增加，這種信號稱為線性調(diào)頻脈沖（chirp）（圖3）。

圖3: 時(shí)域中的線性調(diào)頻脈沖

FMCW雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)送線性調(diào)頻脈沖信號，并捕獲其路徑中物體反射的信號。圖4為FMCW雷達(dá)系統(tǒng)主要元器件的簡化框圖。

圖4: FMCW雷達(dá)系統(tǒng)框圖（來源：TI）

其中“混頻器”用于混合接收端（RX）和發(fā)射端（TX）信號以產(chǎn)生中頻（IF）信號?；祛l器的輸出包含了兩種信號，分別為Rx和Tx線性調(diào)頻脈沖頻率之和與頻率之差。還有一個(gè)低通濾波器用于限制信號，僅允許頻率之差的信號通過。

圖5顯示了頻域中發(fā)送和接收的線性調(diào)頻脈沖。如果在不同距離內(nèi)有多個(gè)物體，將有多個(gè)反射的線性調(diào)頻脈沖，每個(gè)脈沖都有延遲，延遲的長短則取決于信號返回雷達(dá)的時(shí)間。對于每個(gè)反射的線性調(diào)頻脈沖，都會有一個(gè)相應(yīng)的IF頻率。

圖5：Tx和Rx線性調(diào)頻脈沖的頻域表示以及IF頻率

分析IF信號頻譜可以得出，頻譜中的每個(gè)峰值對應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)檢測到的目標(biāo)，而頻率則對應(yīng)于目標(biāo)的距離。

根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)物體移向或遠(yuǎn)離雷達(dá)時(shí)，其反射的線性調(diào)頻脈沖的頻率和相位都會改變。由于其波長約為3.5毫米，任何很小的變化都將會導(dǎo)致很大的相位變化。很小的頻率變化不容易檢測，而大的相位變化很容易被檢測到。因此，在FMCW雷達(dá)中，相位信息被用于檢測物體的速度。為確定物體速度，要使用多個(gè)線性調(diào)頻脈沖，記錄連續(xù)反射的線性調(diào)頻脈沖之間的相位差，并據(jù)此計(jì)算出速度。

毫米波雷達(dá)如何檢測生命體征？

短波長的優(yōu)點(diǎn)是精度高。頻率為60或77GHz的毫米波雷達(dá)（對應(yīng)波長在4毫米范圍內(nèi)）能夠檢測出短至小于1mm的移動。

圖6顯示了毫米波雷達(dá)向病人的胸部區(qū)域發(fā)射線性調(diào)頻脈沖。由于胸部的運(yùn)動，反射信號是相位調(diào)制的。調(diào)制涵蓋運(yùn)動的所有分量，包括心跳和呼吸引起的運(yùn)動。雷達(dá)根據(jù)預(yù)定時(shí)間間隔發(fā)送多個(gè)線性調(diào)頻脈沖。每個(gè)脈沖都進(jìn)行距離快速傅立葉變換（FFT），并選擇與人的胸部位置相對應(yīng)的距離檔。每個(gè)線性調(diào)頻脈沖都會記錄該選定距離檔中的信號相位。由此計(jì)算出相位變化，并從而得出速度。所獲得的速度仍然包括所有運(yùn)動分量。通過執(zhí)行多普勒FFT對獲得的速度進(jìn)行頻譜分析，可以解析出各種分量。

圖6: 心率（HR）和呼吸頻率（BR）檢測設(shè)置

圖7顯示了HR和BR檢測算法。成年人的心率在0.8到2Hz之間，呼吸頻率在0.1到0.5Hz之間。在多普勒FFT中，選擇心跳和呼吸頻率的速度分量，并繪制其隨時(shí)間的變化曲線。每種頻率在一分鐘內(nèi)產(chǎn)生的峰值數(shù)就是心率和呼吸頻率。

圖7：HR和BR檢測算法

毫米波雷達(dá)進(jìn)行生命體征監(jiān)測所面臨的挑戰(zhàn)

采用毫米波技術(shù)進(jìn)行生命體征監(jiān)測還在不斷發(fā)展中。其主要挑戰(zhàn)之一是不同人之間反射信號的差異。反射取決于皮膚類型、組織及其組成。人體內(nèi)的水分含量和各種化學(xué)成分也不同。業(yè)界正在進(jìn)行的反射信號變化的研究將有望取得成果，以通過雷達(dá)實(shí)現(xiàn)更精確的測量。

結(jié)論

毫米波雷達(dá)的主要應(yīng)用集中在國防、汽車和工業(yè)領(lǐng)域。然而，其在醫(yī)療保健行業(yè)的最新進(jìn)展也具有重要意義。更高的精度、高速信號處理能力、增強(qiáng)的距離檢測以及將雷達(dá)集成到小尺寸芯片組中，將可能極大地推動醫(yī)療保健應(yīng)用的發(fā)展，如患者活動監(jiān)測、生命體征監(jiān)測等。此外，毫米波雷達(dá)將可能用于測量嗜睡、壓力水平和人的情緒，這對醫(yī)療保健和汽車應(yīng)用中的駕駛員監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)具有重大意義。
編輯：hfy