如前所述，生命體征的數值可能會(huì )隨年齡、性別、健康水平以及測量時(shí)的身體或心理活動(dòng)而變化。對這些參數（HR和BR）的綜合分析有助于醫療保健人員評估被觀(guān)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(lái)源:維基百科)

 

下圖（圖1）顯示了在測量時(shí)不同身體或精神投入條件下的心率變化。

 

圖1：根據個(gè)人的健康狀況、壓力和醫療狀況而變化的心率 （來(lái)源：AAAI）

 

了解心率和呼吸頻率可以快速診斷某些致命疾??；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(guò)程中會(huì )長(cháng)時(shí)間暫停呼吸，而SIDS是指嬰兒可能因趴著(zhù)睡覺(jué)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(lái)源：Clinicalgate)

 

研究表明，靜態(tài)心率高的人患心臟相關(guān)疾病的風(fēng)險更高，而靜態(tài)心率低的人未來(lái)則有可能需要永久植入起搏器。

 

對患有上述疾病的患者進(jìn)行呼吸頻率和心率的監測，將有可能挽救其生命。

 

接觸和非接觸式生命體征測量

現有的測量?jì)x器大多是接觸式的。它們需要附著(zhù)在患者身上才能進(jìn)行測量和監測。 這對于需要長(cháng)時(shí)間連續監測的患者來(lái)說(shuō)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測設備可能會(huì )變得更加重要，因為它將有助于最大程度地減少通過(guò)接觸點(diǎn)和接觸者造成的病毒傳播，更好地確保醫療保健人員的安全。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(cháng)為10mm至1mm、頻率為30-300 GHz的射頻微波。工業(yè)應用領(lǐng)域的雷達頻譜為60-64 GHz，汽車(chē)應用為76-81 GHz。由于在這些頻率下信號的波長(cháng)較短，因此雷達天線(xiàn)的尺寸也較小。小體積的雷達，再加上先進(jìn)的天線(xiàn)技術(shù)，如封裝天線(xiàn)（AoP）和PCB天線(xiàn)（AoPCB），毫米波雷達得以在汽車(chē)導航、樓宇自動(dòng)化、醫療保健和工業(yè)應用中得到廣泛應用。

 

本文介紹的重點(diǎn)是調頻連續波（FMCW）雷達。FMCW雷達連續發(fā)射調頻信號以測量目標物體的距離、角度和速度，而傳統脈沖雷達系統定期發(fā)送短脈沖。對于FMCW雷達，信號頻率隨時(shí)間線(xiàn)性增加，這種信號稱(chēng)為線(xiàn)性調頻脈沖（chirp）（圖3）。

 

圖3: 時(shí)域中的線(xiàn)性調頻脈沖

 

FMCW雷達系統發(fā)送線(xiàn)性調頻脈沖信號，并捕獲其路徑中物體反射的信號。圖4為FMCW雷達系統主要元器件的簡(jiǎn)化框圖。

 

圖4: FMCW雷達系統框圖（來(lái)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(xiàn)性調頻脈沖頻率之和與頻率之差。還有一個(gè)低通濾波器用于限制信號，僅允許頻率之差的信號通過(guò)。

 

圖5顯示了頻域中發(fā)送和接收的線(xiàn)性調頻脈沖。如果在不同距離內有多個(gè)物體，將有多個(gè)反射的線(xiàn)性調頻脈沖，每個(gè)脈沖都有延遲，延遲的長(cháng)短則取決于信號返回雷達的時(shí)間。對于每個(gè)反射的線(xiàn)性調頻脈沖，都會(huì )有一個(gè)相應的IF頻率。

 

圖5：Tx和Rx線(xiàn)性調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(gè)峰值對應于一個(gè)或多個(gè)檢測到的目標，而頻率則對應于目標的距離。

 

根據多普勒效應，當物體移向或遠離雷達時(shí)，其反射的線(xiàn)性調頻脈沖的頻率和相位都會(huì )改變。由于其波長(cháng)約為3.5毫米，任何很小的變化都將會(huì )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(gè)線(xiàn)性調頻脈沖，記錄連續反射的線(xiàn)性調頻脈沖之間的相位差，并據此計算出速度。

 

毫米波雷達如何檢測生命體征？

短波長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)是精度高。頻率為60或77GHz的毫米波雷達（對應波長(cháng)在4毫米范圍內）能夠檢測出短至小于1mm的移動(dòng)。

 

圖6顯示了毫米波雷達向病人的胸部區域發(fā)射線(xiàn)性調頻脈沖。由于胸部的運動(dòng)，反射信號是相位調制的。調制涵蓋運動(dòng)的所有分量，包括心跳和呼吸引起的運動(dòng)。雷達根據預定時(shí)間間隔發(fā)送多個(gè)線(xiàn)性調頻脈沖。每個(gè)脈沖都進(jìn)行距離快速傅立葉變換（FFT），并選擇與人的胸部位置相對應的距離檔。每個(gè)線(xiàn)性調頻脈沖都會(huì )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(dòng)分量。通過(guò)執行多普勒FFT對獲得的速度進(jìn)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(shí)間的變化曲線(xiàn)。每種頻率在一分鐘內產(chǎn)生的峰值數就是心率和呼吸頻率。

 

圖7：HR和BR檢測算法

 

毫米波雷達進(jìn)行生命體征監測所面臨的挑戰

采用毫米波技術(shù)進(jìn)行生命體征監測還在不斷發(fā)展中。其主要挑戰之一是不同人之間反射信號的差異。反射取決于皮膚類(lèi)型、組織及其組成。人體內的水分含量和各種化學(xué)成分也不同。業(yè)界正在進(jìn)行的反射信號變化的研究將有望取得成果，以通過(guò)雷達實(shí)現更精確的測量。

 

結論

毫米波雷達的主要應用集中在國防、汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域。然而，其在醫療保健行業(yè)的最新進(jìn)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(dòng)醫療保健應用的發(fā)展，如患者活動(dòng)監測、生命體征監測等。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，這對醫療保健和汽車(chē)應用中的駕駛員監測系統開(kāi)發(fā)具有重大意義。