生命体征是一组指示人的健康状况和身体机能的医学参数,它们提供可能的疾病线索以及恢复或恶化的趋势。生命体征主要有四种:体温(BT)、血压(BP)、呼吸频率(BR)和心率(HR)。这些参数因年龄、性别、体重和健康水平而异。在特定条件下,这些参数也可能因人的身体或心理活动而有所不同。例如,正在从事体育活动的人可能会具有较高的体温、呼吸频率和心率。

 

毫米波(mmWave)雷达会发射电磁波,其路径中的任何物体都会将信号反射回去。通过捕获和处理反射信号,雷达系统可以确定物体的距离、速度和角度。毫米波雷达在物体距离检测中可以提供毫米级别的精度,因而成为人类生物信号的理想传感技术。此外,毫米波技术还可以对患者进行非接触式的连续监控,因此无论医生还是患者都比较方便。

 

本文将讨论毫米波雷达如何用于监测生命体征信号(例如BR和HR)。

 

呼吸频率和心率意味着什么?
通常,健康人的生命体征参数如下表(1)所示:

 

表1: 健康人的生命体征

 

如前所述,生命体征的数值可能会随年龄、性别、健康水平以及测量时的身体或心理活动而变化。对这些参数(HR和BR)的综合分析有助于医疗保健人员评估被观察者的健康和压力水平。下表显示了不同年龄段人群的静态心率。

 

表2:  不同年龄段人群的静态心率(来源:维基百科)

 

下图(图1)显示了在测量时不同身体或精神投入条件下的心率变化。

 

图1:根据个人的健康状况、压力和医疗状况而变化的心率 (来源:AAAI)

 

了解心率和呼吸频率可以快速诊断某些致命疾病;例如阻塞性睡眠呼吸暂停综合症(OSAS)和婴儿猝死综合症(SIDS)。OSAS患者在睡眠过程中会长时间暂停呼吸,而SIDS是指婴儿可能因趴着睡觉或外物阻塞而导致呼吸受阻。其它与呼吸有关的疾病还包括呼吸困难和慢性阻塞性肺疾病。请参阅下图了解各种情况下的呼吸模式。

 

图2: 呼吸模式(来源:Clinicalgate)

 

研究表明,静态心率高的人患心脏相关疾病的风险更高,而静态心率低的人未来则有可能需要永久植入起搏器。

 

对患有上述疾病的患者进行呼吸频率和心率的监测,将有可能挽救其生命。

 

接触和非接触式生命体征测量
现有的测量仪器大多是接触式的。它们需要附着在患者身上才能进行测量和监测。这对于需要长时间连续监测的患者来说不是很方便。而且,在当前正流行的COVID-19疫情下,非接触式生命体征监测设备可能会变得更加重要,因为它将有助于最大程度地减少通过接触点和接触者造成的病毒传播,更好地确保医疗保健人员的安全。因此,远程、非接触式仪器是我们的当下之需。

 

毫米波雷达
毫米波雷达,顾名思义是一种雷达技术,它利用波长为10mm至1mm、频率为30-300 GHz的射频微波。工业应用领域的雷达频谱为60-64 GHz,汽车应用为76-81 GHz。由于在这些频率下信号的波长较短,因此雷达天线的尺寸也较小。小体积的雷达,再加上先进的天线技术,如封装天线(AoP)和PCB天线(AoPCB),毫米波雷达得以在汽车导航、楼宇自动化、医疗保健和工业应用中得到广泛应用。

 

本文介绍的重点是调频连续波(FMCW)雷达。FMCW雷达连续发射调频信号以测量目标物体的距离、角度和速度,而传统脉冲雷达系统定期发送短脉冲。对于FMCW雷达,信号频率随时间线性增加,这种信号称为线性调频脉冲(chirp)(图3)。

 

图3: 时域中的线性调频脉冲

 

FMCW雷达系统发送线性调频脉冲信号,并捕获其路径中物体反射的信号。图4为FMCW雷达系统主要元器件的简化框图。

 

图4: FMCW雷达系统框图(来源:TI)

 

其中“混频器”用于混合接收端(RX)和发射端(TX)信号以产生中频(IF)信号。混频器的输出包含了两种信号,分别为Rx和Tx线性调频脉冲频率之和与频率之差。还有一个低通滤波器用于限制信号,仅允许频率之差的信号通过。

 

图5显示了频域中发送和接收的线性调频脉冲。如果在不同距离内有多个物体,将有多个反射的线性调频脉冲,每个脉冲都有延迟,延迟的长短则取决于信号返回雷达的时间。对于每个反射的线性调频脉冲,都会有一个相应的IF频率。

 

图5:Tx和Rx线性调频脉冲的频域表示以及IF频率

 

分析IF信号频谱可以得出,频谱中的每个峰值对应于一个或多个检测到的目标,而频率则对应于目标的距离。

 

根据多普勒效应,当物体移向或远离雷达时,其反射的线性调频脉冲的频率和相位都会改变。由于其波长约为3.5毫米,任何很小的变化都将会导致很大的相位变化。很小的频率变化不容易检测,而大的相位变化很容易被检测到。因此,在FMCW雷达中,相位信息被用于检测物体的速度。为确定物体速度,要使用多个线性调频脉冲,记录连续反射的线性调频脉冲之间的相位差,并据此计算出速度。

 

毫米波雷达如何检测生命体征?
短波长的优点是精度高。频率为60或77GHz的毫米波雷达(对应波长在4毫米范围内)能够检测出短至小于1mm的移动。

 

图6显示了毫米波雷达向病人的胸部区域发射线性调频脉冲。由于胸部的运动,反射信号是相位调制的。调制涵盖运动的所有分量,包括心跳和呼吸引起的运动。雷达根据预定时间间隔发送多个线性调频脉冲。每个脉冲都进行距离快速傅立叶变换(FFT),并选择与人的胸部位置相对应的距离档。每个线性调频脉冲都会记录该选定距离档中的信号相位。由此计算出相位变化,并从而得出速度。所获得的速度仍然包括所有运动分量。通过执行多普勒FFT对获得的速度进行频谱分析,可以解析出各种分量。

 

图6: 心率(HR)和呼吸频率(BR)检测设置

 

图7显示了HR和BR检测算法。成年人的心率在0.8到2Hz之间,呼吸频率在0.1到0.5Hz之间。在多普勒FFT中,选择心跳和呼吸频率的速度分量,并绘制其随时间的变化曲线。每种频率在一分钟内产生的峰值数就是心率和呼吸频率。

 

图7:HR和BR检测算法

 

毫米波雷达进行生命体征监测所面临的挑战
采用毫米波技术进行生命体征监测还在不断发展中。其主要挑战之一是不同人之间反射信号的差异。反射取决于皮肤类型、组织及其组成。人体内的水分含量和各种化学成分也不同。业界正在进行的反射信号变化的研究将有望取得成果,以通过雷达实现更精确的测量。

 

结论
毫米波雷达的主要应用集中在国防、汽车和工业领域。然而,其在医疗保健行业的最新进展也具有重要意义。更高的精度、高速信号处理能力、增强的距离检测以及将雷达集成到小尺寸芯片组中,将可能极大地推动医疗保健应用的发展,如患者活动监测、生命体征监测等。此外,毫米波雷达将可能用于测量嗜睡、压力水平和人的情绪,这对医疗保健和汽车应用中的驾驶员监测系统开发具有重大意义。