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）顯示了在測量時不同身體或精神投入條件下的心率變化。

 

圖1：根據(jù)個人的健康狀況、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病；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)疾病的風險更高，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行測量和監(jiān)測。 這對于需要長時間連續(xù)監(jiān)測的患者來說不是很方便。而且，在當前正流行的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，因為它將有助于最大程度地減少通過接觸點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，遠程、非接觸式儀器是我們的當下之需。

 

毫米波雷達

毫米波雷達，顧名思義是一種雷達技術(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，因此雷達天線的尺寸也較小。小體積的雷達，再加上先進的天線技術(shù)，如封裝天線（AoP）和PCB天線（AoPCB），毫米波雷達得以在汽車導航、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。

 

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

 

圖3: 時域中的線性調(diào)頻脈沖

 

FMCW雷達系統(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雷達系統(tǒng)主要元器件的簡化框圖。

 

圖4: FMCW雷達系統(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)有多個物體，將有多個反射的線性調(diào)頻脈沖，每個脈沖都有延遲，延遲的長短則取決于信號返回雷達的時間。對于每個反射的線性調(diào)頻脈沖，都會有一個相應(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，頻譜中的每個峰值對應(yīng)于一個或多個檢測到的目標，而頻率則對應(yīng)于目標的距離。

 

根據(jù)多普勒效應(yīng)，當物體移向或遠離雷達時，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)此計算出速度。

 

毫米波雷達如何檢測生命體征？

短波長的優(yōu)點是精度高。頻率為60或77GHz的毫米波雷達（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。由于胸部的運動，反射信號是相位調(diào)制的。調(diào)制涵蓋運動的所有分量，包括心跳和呼吸引起的運動。雷達根據(jù)預定時間間隔發(fā)送多個線性調(diào)頻脈沖。每個脈沖都進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動分量。通過執(zhí)行多普勒FFT對獲得的速度進行頻譜分析，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

 

毫米波雷達進行生命體征監(jiān)測所面臨的挑戰(zhàn)

采用毫米波技術(shù)進行生命體征監(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成分也不同。業(yè)界正在進行的反射信號變化的研究將有望取得成果，以通過雷達實現(xiàn)更精確的測量。

 

結(jié)論

毫米波雷達的主要應(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)的最新進展也具有重要意義。更高的精度、高速信號處理能力、增強的距離檢測以及將雷達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。