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%的不良事件和可預防死亡是因缺乏多參數(shù)生命體征（VS）監(jiān)測而發(fā)生[1]。患者和老年人醫(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。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（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）關目標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。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睡眠監(jiān)測進行，存在成本高和“首夜效應”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。這會導致電特性發(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，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準消費電子產(chǎn)品中，用于為智能家居設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，從而成為緊湊型設備的理想選擇。

4 非接觸式生命體征監(jiān)測的應用

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團隊實時密切監(jiān)測患者在手術過程中的生理反應。同樣，在普通病房中使用非接觸式生命體征監(jiān)測技術，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 輔助生活設施或養(yǎng)老院

輔助生活設施和養(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。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 雷達傳感器技術的進步

通過結(jié)合機器學習、數(shù)據(jù)融合和自適應濾波技術，雷達傳感器的功能不斷增加。機器學習算法擅長學習來自復雜數(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，新加坡國立大學持續(xù)與終身教育學院（SCALE）進行的研究表明，將機器學習應用于基于毫米波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，可以使用自適應濾波技術。兩種最有前景的技術分別是最小均方（LMS）算法和遞歸最小二乘（RLS）算法。這些技術可以用于抑制雷達數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾。[5]還可以引入自適應濾波技術——比如恒虛警率（CFAR）檢測和自適應波束形成，以進一步降低閾值水平以下的背景噪聲。[6]

當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，這些技術的應用取決于雷達系統(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來解決這一挑戰(zhàn)。[6]這些技術通過估計和補償運動導致的影響，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?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來保護毫米波雷達傳感器和天線免于風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域。

利用機器學習和深度學習算法來學習來自大數(shù)據(jù)集的模式和相互關系，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

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設計。這兩種設計都有助于實現(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)省設計時所需的電路板面積，并簡化整體設計過程。

注意：AIP（封裝天線）技術是指在一個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)絡自愈機制。通過利用基于有限狀態(tài)機（FSM）的自主連接恢復算法，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)存當中。當出現(xiàn)任何異常節(jié)點時，可以利用最近的非關鍵節(jié)點來替代，以實現(xiàn)網(wǎng)絡連接的無縫恢復[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)字設備的信號和噪聲可能影響讀數(shù)的復雜醫(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雜的設置，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。該技術在生命體征監(jiān)測中的應用，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