出于多方面的原因，醫(yī)療保健行業(yè)對(duì)用于遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)的緊湊節(jié)能型雷達(dá)傳感器的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

圖1 睡眠監(jiān)測(cè)

在普通的非ICU患者中，有高達(dá)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(cè)而發(fā)生[1]。患者和老年人醫(yī)療保健的一個(gè)重要方面是監(jiān)測(cè)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(guò)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(wú)法自由活動(dòng)。然而，先進(jìn)的雷達(dá)傳感器的出現(xiàn)催生出無(wú)需任何身體接觸的全新生命體征監(jiān)測(cè)技術(shù)。在這方面，非接觸式生命體征監(jiān)測(cè)因?yàn)榫哂兄T多優(yōu)勢(shì)而變得日益重要，其中包括無(wú)接觸測(cè)量、持續(xù)監(jiān)測(cè)、及早發(fā)現(xiàn)異常以及能夠無(wú)縫集成到消費(fèi)類產(chǎn)品中。

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

1 了解雷達(dá)傳感器

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

為了檢測(cè)和測(cè)量人體的細(xì)微運(yùn)動(dòng)，可以使用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)。FMCW雷達(dá)利用調(diào)頻原理和頻移分析來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的距離和速度測(cè)量。下章將解釋生命體征監(jiān)測(cè)的確切機(jī)制。

2 可用FMCW雷達(dá)傳感器測(cè)量的生命體征

雷達(dá)傳感器可以檢測(cè)呼吸時(shí)胸壁的運(yùn)動(dòng)。他們探測(cè)呼吸時(shí)胸壁位移引起的反射無(wú)線電波的細(xì)微變化。這一技術(shù)被稱為雷達(dá)呼吸運(yùn)動(dòng)檢測(cè)或雷達(dá)呼吸傳感。下面我們來(lái)了解基本工作原理。

FMCW雷達(dá)發(fā)射頻率隨時(shí)間而改變的連續(xù)波射頻信號(hào)。雷達(dá)信號(hào)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(dá)信號(hào)后，一部分信號(hào)通過(guò)反射返回雷達(dá)接收器。該反射信號(hào)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(jìn)行比較的線性調(diào)頻波。這個(gè)過(guò)程將產(chǎn)生一個(gè)拍頻或中頻（IF）。該中頻的幅度與被探測(cè)物體的距離直接相關(guān)。通過(guò)精確測(cè)量該頻率差或中頻，可以顯著提高距離測(cè)量的精度。一般來(lái)說(shuō)，該頻率差的測(cè)量越精確，所進(jìn)行的距離測(cè)量也越精確。

3 非接觸式生命體征監(jiān)測(cè)的益處

3.1 提高安全性

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

然而，通過(guò)利用內(nèi)置天線跟蹤胸部的位置和運(yùn)動(dòng)速度，雷達(dá)傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸式生命體征測(cè)量。這些天線通過(guò)跟蹤呼吸和心率運(yùn)動(dòng)來(lái)報(bào)告準(zhǔn)確的生命體征。該非接觸式測(cè)量方法對(duì)患者沒(méi)有任何限制或約束，因此不會(huì)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(guò)整夜多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)進(jìn)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(bào)警。雷達(dá)傳感器僅分析其自身發(fā)出信號(hào)的修正回波，而不依賴于任何外部信號(hào)。而且，它們還具有透過(guò)非導(dǎo)電材料進(jìn)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(shí)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(jìn)行心跳測(cè)量。然而，這些電極可能給患者帶來(lái)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(zhǔn)確。相比之外，使用非接觸式生命體征監(jiān)測(cè)技術(shù)可使患者在不知情的情況下接受監(jiān)測(cè)。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(cè)量精度。

同樣，在傳統(tǒng)心電圖中，電極與皮膚之間的接觸會(huì)產(chǎn)生表面負(fù)荷效應(yīng)。這會(huì)導(dǎo)致電特性發(fā)生改變和所記錄的信號(hào)不準(zhǔn)確。但雷達(dá)傳感器因?yàn)槟軌蜻M(jìn)行無(wú)接觸測(cè)量，所以不會(huì)對(duì)身體施加任何壓力。因此，所獲得的信號(hào)更接近于自然生理狀態(tài)，從而可以實(shí)現(xiàn)更精確的生命體征測(cè)量。

3.4 可擴(kuò)展性

通過(guò)利用AI和傳感器融合等其他技術(shù)，雷達(dá)傳感器甚至能夠在最具挑戰(zhàn)性的醫(yī)療環(huán)境下進(jìn)行生命體征監(jiān)測(cè)，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(wú)縫集成到夜燈、智能手機(jī)、平板電腦和智能鬧鐘等標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)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(shí)也為患者和老年人提供安全保障。

3.5 緊湊和匿名

雷達(dá)傳感器為小巧而堅(jiān)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(jué)不到它們。必須指出的是，因?yàn)槭且阅涿姆绞教幚硇盘?hào)，所以雷達(dá)傳感器不會(huì)收集任何個(gè)人身份信息。與圖像傳感器或麥克風(fēng)不同的是，雷達(dá)傳感器不進(jìn)行圖像或聲音記錄。例如，英飛凌的XENSIV? 60GHz雷達(dá)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(cè)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(cè)可改進(jìn)醫(yī)院和臨床環(huán)境下的患者照護(hù)。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(dá)傳感器可在不直接接觸患者身體的情況下持續(xù)監(jiān)測(cè)ICU患者的生命體征。它們還可供麻醉師和外科手術(shù)團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)密切監(jiān)測(cè)患者在手術(shù)過(guò)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(cè)技術(shù)，可避免需要進(jìn)行頻繁的人工監(jiān)測(cè)。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(zhǔn)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(guò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在必要時(shí)及時(shí)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(huì)觸發(fā)向醫(yī)療保健提供者的自動(dòng)警報(bào)。雷達(dá)傳感器甚至可以檢測(cè)到老人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、步態(tài)和姿勢(shì)的變化，從而方便及時(shí)進(jìn)行干預(yù)。醫(yī)生可以聯(lián)系患者進(jìn)行診斷和開藥，并派出醫(yī)療救護(hù)，而無(wú)需患者親自到達(dá)醫(yī)院。

5 雷達(dá)傳感器技術(shù)的進(jìn)步

通過(guò)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)融合和自適應(yīng)濾波技術(shù)，雷達(dá)傳感器的功能不斷增加。機(jī)器學(xué)習(xí)算法擅長(zhǎng)學(xué)習(xí)來(lái)自復(fù)雜數(shù)據(jù)集的模式和過(guò)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(hào)，從而提高測(cè)量精度。例如，新加坡國(guó)立大學(xué)持續(xù)與終身教育學(xué)院（SCALE）進(jìn)行的研究表明，將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于基于毫米波FMCW雷達(dá)的非接觸式生命體征監(jiān)測(cè)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(zhǔn)確性。[8]

融合來(lái)自多個(gè)雷達(dá)傳感器的信息（數(shù)據(jù)融合）可增加先進(jìn)監(jiān)測(cè)功能[3]。雷達(dá)傳感器可與光學(xué)或加速度傳感器相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更全面、更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。這讓醫(yī)護(hù)人員能夠更全面地了解患者生命體征，從而進(jìn)行更好的患者管理。

為了避免雜波和提高信號(hào)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(dá)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(cè)和自適應(yīng)波束形成，以進(jìn)一步降低閾值水平以下的背景噪聲。[6]

當(dāng)雷達(dá)傳感器有多個(gè)通道時(shí)，它可同時(shí)讀取多個(gè)人的生命體征。這使雷達(dá)傳感器的應(yīng)用范圍可以擴(kuò)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(lái)確保駕駛員和副駕駛員的安全。多通道毫米波雷達(dá)傳感器可持續(xù)監(jiān)測(cè)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(dá)系統(tǒng)的具體特性、信號(hào)特性及生命體征信號(hào)提取任務(wù)的要求。

6 挑戰(zhàn)和影響因素

雷達(dá)傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性會(huì)受到不同因素的影響。我們將以兩個(gè)重大挑戰(zhàn)為例，來(lái)探討克服它們的策略。

6.1 身體運(yùn)動(dòng)的幅度

鍛煉或顫抖時(shí)的快速身體運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致雷達(dá)信號(hào)失真，使得無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)提取。例如，當(dāng)人四處走動(dòng)時(shí)，很難將由呼吸和心跳引起的輕微胸部運(yùn)動(dòng)與腿和手臂的大幅運(yùn)動(dòng)區(qū)分開。可通過(guò)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(jìn)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)來(lái)解決這一挑戰(zhàn)。[6]這些技術(shù)通過(guò)估計(jì)和補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的影響，使得能夠更準(zhǔn)確地提取生命體征參數(shù)。

6.2 缺乏定期校準(zhǔn)或校驗(yàn)

隨著時(shí)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(dá)傳感器可能產(chǎn)生生命體征讀數(shù)誤差。為了維持測(cè)量精度，必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)和對(duì)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(lái)提高測(cè)量準(zhǔn)確性和可靠性：

將雷達(dá)傳感器妥善地安置在穩(wěn)定及恰當(dāng)?shù)奈恢茫宰畲笙薅鹊販p少外部干擾和提高信號(hào)質(zhì)量。

利用雷達(dá)防護(hù)罩技術(shù)來(lái)保護(hù)毫米波雷達(dá)傳感器和天線免于風(fēng)吹雨淋和陽(yáng)光暴曬等外部環(huán)境影響。

將雷達(dá)傳感器測(cè)量結(jié)果與利用成熟測(cè)量技術(shù)獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，以評(píng)估雷達(dá)傳感器的可靠性，并識(shí)別需要改進(jìn)的領(lǐng)域。

利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法來(lái)學(xué)習(xí)來(lái)自大數(shù)據(jù)集的模式和相互關(guān)系，以提高測(cè)量穩(wěn)健性。

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

英飛凌的毫米波雷達(dá)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(dá)傳感器。BGT60TR13C和 BGT60UTR11AIP60 GHz雷達(dá)傳感器尤其適用于進(jìn)行低成本的生命體征檢測(cè)（心率和呼吸速率）。

圖2 XENSIV? 60 GHz BGT60TR13C

圖3英飛凌的先進(jìn)雷達(dá)傳感器

XENSIV? 60 GHz BGT60UTR11AIP

現(xiàn)在，我們來(lái)看看它們?cè)谶h(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要設(shè)計(jì)特性。

7.1 分立式器件

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

BGT60TR13C雷達(dá)傳感器擁有L型封裝天線（AIP），而BGT60UTR11AIP雷達(dá)傳感器采用U型槽AIP設(shè)計(jì)。這兩種設(shè)計(jì)都有助于實(shí)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(jì)時(shí)所需的電路板面積，并簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)過(guò)程。

注意：AIP（封裝天線）技術(shù)是指在一個(gè)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(dá)傳感器之間的區(qū)別

7.2 集成有限狀態(tài)機(jī)

非接觸式生命體征監(jiān)測(cè)的重要挑戰(zhàn)之一是，確保患者身體運(yùn)動(dòng)異常時(shí)的網(wǎng)絡(luò)自愈機(jī)制。通過(guò)利用基于有限狀態(tài)機(jī)（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(guò)集成FSM，這些雷達(dá)傳感器可以自主執(zhí)行啁啾，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并存儲(chǔ)到內(nèi)存當(dāng)中。當(dāng)出現(xiàn)任何異常節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以利用最近的非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)來(lái)替代，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的無(wú)縫恢復(fù)[7]。這一優(yōu)化的功率變換機(jī)制確保了工作周期內(nèi)的功耗最小（平均只有幾毫瓦）。通過(guò)直流工作周期還可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的功耗降低。

7.3 亞毫米級(jí)讀數(shù)

由于擁有非凡的超寬帶寬（高達(dá)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(jí)精度檢測(cè)高達(dá)15米范圍內(nèi)的細(xì)微運(yùn)動(dòng)。這一能力對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)心臟病發(fā)作或監(jiān)測(cè)危重患者或接受重癥監(jiān)護(hù)的患者的生理狀況至關(guān)重要。醫(yī)生可以利用這些詳細(xì)信息來(lái)定制治療方案和進(jìn)行個(gè)性化用藥，從而輕松緩解危急病情。

7.4 無(wú)阻礙式監(jiān)測(cè)

由于擁有高信噪比（SNR），雷達(dá)傳感器即使在來(lái)自其他數(shù)字設(shè)備的信號(hào)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(cè)到遠(yuǎn)距離的運(yùn)動(dòng)。BGT60TR13C和BGT60UTR11AIP都采取具有高信噪比的專門設(shè)計(jì)，使得它們能夠檢測(cè)到細(xì)微的胸部運(yùn)動(dòng)。它們可透過(guò)衣物、被褥或其他非金屬屏障感測(cè)生命體征。這一功能使得它們無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)置，無(wú)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(jìn)行患者生命體征監(jiān)測(cè)。

8 結(jié)論

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

英飛凌的60 GHz雷達(dá)傳感器解決了快速身體運(yùn)動(dòng)和外部信號(hào)干擾等常見挑戰(zhàn)，確保了生命體征檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

審核編輯 黃宇