英飛凌 | 無接觸測量生命體征和呼吸速率：雷達傳感器推動醫(yī)療保健行業(yè)變革

出于多方面的原因，醫(yī)療保健行業(yè)對用于遠程生命體征監(jiān)測的緊湊節(jié)能型雷達傳感器的需求呈指數(shù)級增長。

圖1 睡眠監(jiān)測

在普通的非ICU患者中，有高達75%的不良事件和可預(yù)防死亡是因缺乏多參數(shù)生命體征（VS）監(jiān)測而發(fā)生[1]?；颊吆屠夏耆酸t(yī)療保健的一個重要方面是監(jiān)測呼吸速率和心率等生命體征。大多數(shù)用于追蹤生命體征的設(shè)備，如心電圖和脈搏血氧儀，需要通過綁帶和電極直接接觸皮膚。它們還需要接線或定期充電，使得患者無法自由活動。然而，先進的雷達傳感器的出現(xiàn)催生出無需任何身體接觸的全新生命體征監(jiān)測技術(shù)。在這方面，非接觸式生命體征監(jiān)測因為具有諸多優(yōu)勢而變得日益重要，其中包括無接觸測量、持續(xù)監(jiān)測、及早發(fā)現(xiàn)異常以及能夠無縫集成到消費類產(chǎn)品中。

本文利用英飛凌XENSIV? 60 GHz雷達作為先進雷達傳感器技術(shù)的例子，講述雷達傳感器對于改善患者和老年人醫(yī)療保健效果的作用。

1 了解雷達傳感器

雷達傳感器通過以電磁輻射的形式發(fā)射無線電波來發(fā)揮作用。這些無線電波以光速在空間中傳播。發(fā)射的雷達波被環(huán)境中的物體和人反射。由于具有超高精度，雷達傳感器能夠感知和探測到最微小的運動，從而實現(xiàn)全面的生命體征監(jiān)測。

為了檢測和測量人體的細微運動，可以使用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達。FMCW雷達利用調(diào)頻原理和頻移分析來實現(xiàn)精確的距離和速度測量。下章將解釋生命體征監(jiān)測的確切機制。

2 可用FMCW雷達傳感器測量的生命體征

雷達傳感器可以檢測呼吸時胸壁的運動。他們探測呼吸時胸壁位移引起的反射無線電波的細微變化。這一技術(shù)被稱為雷達呼吸運動檢測或雷達呼吸傳感。下面我們來了解基本工作原理。

FMCW雷達發(fā)射頻率隨時間而改變的連續(xù)波射頻信號。雷達信號由頻率逐漸增加或減少的連續(xù)波組成。該調(diào)制產(chǎn)生頻率掃描或啁啾。

向目標(biāo)（胸部）發(fā)射雷達信號后，一部分信號通過反射返回雷達接收器。該反射信號被稱為回波，其中包含有（找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城）關(guān)目標(biāo)物體距離和速度的有用信息。

FMCW方法需要發(fā)射之后將與反射波進行比較的線性調(diào)頻波。這個過程將產(chǎn)生一個拍頻或中頻（IF）。該中頻的幅度與被探測物體的距離直接相關(guān)。通過精確測量該頻率差或中頻，可以顯著提高距離測量的精度。一般來說，該頻率差的測量越精確，所進行的距離測量也越精確。

3 非接觸式生命體征監(jiān)測的益處

3.1 提高安全性

傳統(tǒng)的有線監(jiān)測系統(tǒng)通過結(jié)合心電圖和氧飽和度傳感器來報告心率和呼吸速率。傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中的綁帶和電極可能導(dǎo)致皮膚刺激，尤其是對敏感患者而言。這一過程也可能給患有癲癇或精神疾病的患者帶來不適。

然而，通過利用內(nèi)置天線跟蹤胸部的位置和運動速度，雷達傳感器可以實現(xiàn)非接觸式生命體征測量。這些天線通過跟蹤呼吸和心率運動來報告準確的生命體征。該非接觸式測量方法對患者沒有任何限制或約束，因此不會造成任何不適或皮膚刺激。

3.2 提高便利性

傳統(tǒng)的阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征診斷需要通過整夜多導(dǎo)睡眠監(jiān)測進行，存在成本高和“首夜效應(yīng)”的限制[9]。如果受試者在床上翻身，甚至可能引起潛在的誤報警。雷達傳感器僅分析其自身發(fā)出信號的修正回波，而不依賴于任何外部信號。而且，它們還具有透過非導(dǎo)電材料進行感知的能力。這意味著可將傳感器隱藏在產(chǎn)品外殼里面，從而實現(xiàn)匿名化操作。

3.3 精確性和可靠性

傳統(tǒng)的心電圖需要將電極連接到身體上進行心跳測量。然而，這些電極可能給患者帶來不適，并改變患者的自然呼吸模式，從而導(dǎo)致所記錄的生命體征不準確。相比之外，使用非接觸式生命體征監(jiān)測技術(shù)可使患者在不知情的情況下接受監(jiān)測。這意味著，它們不太可能導(dǎo)致呼吸模式改變，從而可以直接提高測量精度。

同樣，在傳統(tǒng)心電圖中，電極與皮膚之間的接觸會產(chǎn)生表面負荷效應(yīng)。這會導(dǎo)致電特性發(fā)生改變和所記錄的信號不準確。但雷達傳感器因為能夠進行無接觸測量，所以不會對身體施加任何壓力。因此，所獲得的信號更接近于自然生理狀態(tài)，從而可以實現(xiàn)更精確的生命體征測量。

3.4 可擴展性

通過利用AI和傳感器融合等其他技術(shù)，雷達傳感器甚至能夠在最具挑戰(zhàn)性的醫(yī)療環(huán)境下進行生命體征監(jiān)測，包括醫(yī)院、診所、養(yǎng)老院，甚至居家醫(yī)療環(huán)境。它們還能無縫集成到夜燈、智能手機、平板電腦和智能鬧鐘等標(biāo)準消費電子產(chǎn)品中，用于為智能家居設(shè)備增加額外的健康跟蹤功能，同時也為患者和老年人提供安全保障。

3.5 緊湊和匿名

雷達傳感器為小巧而堅固的分立式器件。它們具有承受溫度變化、光照變化、濕度和灰塵等不同環(huán)境條件的能力。而且，由于外形小巧，它們可被隱藏在不導(dǎo)電的產(chǎn)品外殼里面，使得最終用戶幾乎察覺不到它們。必須指出的是，因為是以匿名的方式處理信號，所以雷達傳感器不會收集任何個人身份信息。與圖像傳感器或麥克風(fēng)不同的是，雷達傳感器不進行圖像或聲音記錄。例如，英飛凌的XENSIV? 60GHz雷達BGT60UTR11AIP僅占用16 mm2的空間。即使考慮到所有必要的元器件，它們也很容易被部署到2 cm2或更小的電路板上，從而成為緊湊型設(shè)備的理想選擇。

4 非接觸式生命體征監(jiān)測的應(yīng)用

4.1 醫(yī)院和臨床環(huán)境

非接觸式生命體征監(jiān)測可改進醫(yī)院和臨床環(huán)境下的患者照護。所適用的環(huán)境包括ICU、手術(shù)室、普通病房、急診科和睡眠中心。例如，雷達傳感器可在不直接接觸患者身體的情況下持續(xù)監(jiān)測ICU患者的生命體征。它們還可供麻醉師和外科手術(shù)團隊實時密切監(jiān)測患者在手術(shù)過程中的生理反應(yīng)。同樣，在普通病房中使用非接觸式生命體征監(jiān)測技術(shù)，可避免需要進行頻繁的人工監(jiān)測。這使患者能夠保持自然睡眠狀態(tài)，從而提高在睡眠研究中收集的數(shù)據(jù)準確性和可靠性。[2]

4.2 輔助生活設(shè)施或養(yǎng)老院

輔助生活設(shè)施和養(yǎng)老院可通過進行實時監(jiān)測，在必要時及時采取干預(yù)措施。一旦老人的生命體征有任何重大變化或異常，就會觸發(fā)向醫(yī)療保健提供者的自動警報。雷達傳感器甚至可以檢測到老人運動狀態(tài)、步態(tài)和姿勢的變化，從而方便及時進行干預(yù)。醫(yī)生可以聯(lián)系患者進行診斷和開藥，并派出醫(yī)療救護，而無需患者親自到達醫(yī)院。

5 雷達傳感器技術(shù)的進步

通過結(jié)合機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)融合和自適應(yīng)濾波技術(shù)，雷達傳感器的功能不斷增加。機器學(xué)習(xí)算法擅長學(xué)習(xí)來自復(fù)雜數(shù)據(jù)集的模式和過濾噪聲。它們能從不必要的噪聲中有效地分離出所需的生命體征信號，從而提高測量精度。例如，新加坡國立大學(xué)持續(xù)與終身教育學(xué)院（SCALE）進行的研究表明，將機器學(xué)習(xí)應(yīng)用于基于毫米波FMCW雷達的非接觸式生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，可輕松濾除外部噪聲，從而提高相關(guān)生命體征信息的準確性。[8]

融合來自多個雷達傳感器的信息（數(shù)據(jù)融合）可增加先進監(jiān)測功能[3]。雷達傳感器可與光學(xué)或加速度傳感器相結(jié)合，以實現(xiàn)更全面、更精準的數(shù)據(jù)監(jiān)測。這讓醫(yī)護人員能夠更全面地了解患者生命體征，從而進行更好的患者管理。

為了避免雜波和提高信號質(zhì)量，可以使用自適應(yīng)濾波技術(shù)。兩種最有前景的技術(shù)分別是最小均方（LMS）算法和遞歸最小二乘（RLS）算法。這些技術(shù)可以用于抑制雷達數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾。[5]還可以引入自適應(yīng)濾波技術(shù)——比如恒虛警率（CFAR）檢測和自適應(yīng)波束形成，以進一步降低閾值水平以下的背景噪聲。[6]

當(dāng)雷達傳感器有多個通道時，它可同時讀取多個人的生命體征。這使雷達傳感器的應(yīng)用范圍可以擴展到醫(yī)院和養(yǎng)老院以外的地方。例如，它可用于汽車行業(yè)，來確保駕駛員和副駕駛員的安全。多通道毫米波雷達傳感器可持續(xù)監(jiān)測駕駛員/副駕駛員心臟病發(fā)作或其他心肺異常的早期跡象。

然而值得注意的是，這些技術(shù)的應(yīng)用取決于雷達系統(tǒng)的具體特性、信號特性及生命體征信號提取任務(wù)的要求。

6 挑戰(zhàn)和影響因素

雷達傳感器測量的準確性和可靠性會受到不同因素的影響。我們將以兩個重大挑戰(zhàn)為例，來探討克服它們的策略。

6.1 身體運動的幅度

鍛煉或顫抖時的快速身體運動可能導(dǎo)致雷達信號失真，使得無法進行準確的數(shù)據(jù)提取。例如，當(dāng)人四處走動時，很難將由呼吸和心跳引起的輕微胸部運動與腿和手臂的大幅運動區(qū)分開?？赏ㄟ^利用自適應(yīng)濾波、卡爾曼濾波或粒子濾波等算法，采取先進運動補償技術(shù)來解決這一挑戰(zhàn)。[6]這些技術(shù)通過估計和補償運動導(dǎo)致的影響，使得能夠更準確地提取生命體征參數(shù)。

6.2 缺乏定期校準或校驗

隨著時間的推移，由于老化、環(huán)境條件或部件性能退化等因素，雷達傳感器可能產(chǎn)生生命體征讀數(shù)誤差。為了維持測量精度，必須定期進行校準和對讀數(shù)作出必要調(diào)整，以確保讀數(shù)保持在可接受范圍之內(nèi)。

另外，還可考慮采取以下策略來提高測量準確性和可靠性：

將雷達傳感器妥善地安置在穩(wěn)定及恰當(dāng)?shù)奈恢?，以最大限度地減少外部干擾和提高信號質(zhì)量。

利用雷達防護罩技術(shù)來保護毫米波雷達傳感器和天線免于風(fēng)吹雨淋和陽光暴曬等外部環(huán)境影響。

將雷達傳感器測量結(jié)果與利用成熟測量技術(shù)獲得的結(jié)果進行比較，以評估雷達傳感器的可靠性，并識別需要改進的領(lǐng)域。

利用機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法來學(xué)習(xí)來自大數(shù)據(jù)集的模式和相互關(guān)系，以提高測量穩(wěn)健性。

7 英飛凌XENSIVTM 60 GHz雷達傳感器幫助改進雷達傳感技術(shù)

英飛凌的毫米波雷達產(chǎn)品系列提供面向不同物聯(lián)網(wǎng)和汽車應(yīng)用的FMCW和多普勒雷達傳感器。BGT60TR13C和 BGT60UTR11AIP60 GHz雷達傳感器尤其適用于進行低成本的生命體征檢測（心率和呼吸速率）。

圖2 XENSIV? 60 GHz BGT60TR13C

圖3英飛凌的先進雷達傳感器

XENSIV? 60 GHz BGT60UTR11AIP

現(xiàn)在，我們來看看它們在遠程生命體征監(jiān)測系統(tǒng)中的重要設(shè)計特性。

7.1 分立式器件

傳感器與生命體征監(jiān)測系統(tǒng)分立，可實現(xiàn)非侵入式生命體征監(jiān)測。

BGT60TR13C雷達傳感器擁有L型封裝天線（AIP），而BGT60UTR11AIP雷達傳感器采用U型槽AIP設(shè)計。這兩種設(shè)計都有助于實現(xiàn)緊湊的外形尺寸，從而確保了高效的天線集成。小巧的封裝使得這些傳感器可以幫助節(jié)省設(shè)計時所需的電路板面積，并簡化整體設(shè)計過程。

注意：AIP（封裝天線）技術(shù)是指在一個IC封裝中集成一根或多根天線的天線封裝解決方案。

表1 XENSIV? 60 GHz雷達傳感器之間的區(qū)別

7.2 集成有限狀態(tài)機

非接觸式生命體征監(jiān)測的重要挑戰(zhàn)之一是，確?；颊呱眢w運動異常時的網(wǎng)絡(luò)自愈機制。通過利用基于有限狀態(tài)機（FSM）的自主連接恢復(fù)算法，BGT60TR13C和BGT60UTR11AIP都克服了這一挑戰(zhàn)。通過集成FSM，這些雷達傳感器可以自主執(zhí)行啁啾，進行數(shù)據(jù)采集，并存儲到內(nèi)存當(dāng)中。當(dāng)出現(xiàn)任何異常節(jié)點時，可以利用最近的非關(guān)鍵節(jié)點來替代，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的無縫恢復(fù)[7]。這一優(yōu)化的功率變換機制確保了工作周期內(nèi)的功耗最?。ㄆ骄挥袔缀镣撸?。通過直流工作周期還可實現(xiàn)進一步的功耗降低。

7.3 亞毫米級讀數(shù)

由于擁有非凡的超寬帶寬（高達5.6 GHz）以及高距離分辨率（約3 cm），這些傳感器能夠以毫米級精度檢測高達15米范圍內(nèi)的細微運動。這一能力對于及早發(fā)現(xiàn)心臟病發(fā)作或監(jiān)測危重患者或接受重癥監(jiān)護的患者的生理狀況至關(guān)重要。醫(yī)生可以利用這些詳細信息來定制治療方案和進行個性化用藥，從而輕松緩解危急病情。

7.4 無阻礙式監(jiān)測

由于擁有高信噪比（SNR），雷達傳感器即使在來自其他數(shù)字設(shè)備的信號和噪聲可能影響讀數(shù)的復(fù)雜醫(yī)療環(huán)境下，也能探測到遠距離的運動。BGT60TR13C和BGT60UTR11AIP都采取具有高信噪比的專門設(shè)計，使得它們能夠檢測到細微的胸部運動。它們可透過衣物、被褥或其他非金屬屏障感測生命體征。這一功能使得它們無需進行復(fù)雜的設(shè)置，無需患者脫掉衣物，即可在醫(yī)院或養(yǎng)老院等不同環(huán)境下進行患者生命體征監(jiān)測。

8 結(jié)論

雷達技術(shù)可在無需與患者身體接觸的情況下，進行持續(xù)的非侵入式生命體征監(jiān)測。該技術(shù)在生命體征監(jiān)測中的應(yīng)用，尤其有利于老年人和其他有興趣的人以無阻礙、穩(wěn)健、分立和節(jié)能的方式來監(jiān)測他們的生命體征數(shù)據(jù)。

英飛凌的60 GHz雷達傳感器解決了快速身體運動和外部信號干擾等常見挑戰(zhàn)，確保了生命體征檢測的準確性。

審核編輯 黃宇