使用毫米波雷达进行生命体征监测

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生命体征是一组医学参数，可指示一个人的健康状况和身体机能状况。它们为可能的疾病以及恢复或恶化的趋势提供线索。有四个主要生命体征：体温 (BT)、血压 (BP)、呼吸频率 (BR) 和心率 (HR)。生命体征因人而异，取决于年龄、性别、体重和健康水平。这些迹象也可能因一个人在特定情况下的身体或精神参与而异。例如，从事体育活动的人可能会表现出高体温、呼吸频率和心率。
毫米波 (mmWave) 雷达发射电磁波，路径中的任何物体都会将信号反射回来。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。毫米波雷达在物体范围检测中提供毫米级精度的潜力使其成为感测人体生物信号的理想技术。此外，毫米波技术带来了对患者进行非接触式、连续监测的优势，使人和用户更加方便。
在本文中，我们将讨论毫米波雷达如何用于监测 BR 和 HR 等生命体征。
BR 和 HR 生命体征表示什么？
通常，健康人的生命体征如下表 (1) 所示：

表 1：健康人的生命体征

如前所述，这些值可能因测量时的年龄、性别、健康水平和身体或精神活动而异。对这些参数（HR 和 BR）的综合分析有助于医疗保健专业人员评估被观察者的健康和压力水平。不同年龄组人的静息心率如下表所示。

表 2：按年龄划分的静息心率（来源：https : //en.wikipedia.org/wiki/Heart_rate#Resting_heart_rate）

下面的图 1 显示了基于测量时人的身体或精神参与度的 HR 变化。

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图 1：基于个人健康、压力和医疗状态的心率变化（来源：https : //www.aaai.org/ocs/index.php/AAAI/AAAI18/paper/view/16967/15916）

HR 和 BR 能够快速诊断某些致命的医疗状况；例如，阻塞性睡眠呼吸暂停综合征 (OSAS) 和婴儿猝死综合征 (SIDS)。在 OSAS 中，患者在睡眠期间长时间暂停呼吸，在 SIDS 的情况下，婴儿的呼吸会因趴在脸上或由于物质障碍而受阻。呼吸困难和慢性阻塞性肺病是其他与呼吸有关的疾病。请参阅下图以了解各种条件下的呼吸模式。

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图 2：呼吸模式（来源：https : //clinicalgate.com/chest-inspection-palpation-and-percussion/）

研究表明，静息心率高的人患心脏相关问题的风险更高。静息心率低的人将来可能需要植入永久性起搏器。
监测患有上述疾病的患者的呼吸频率和心率可能会挽救生命。
基于接触式和非接触式的生命体征测量
大多数现有的测量设备是基于接触的仪器。它们需要附着在患者的身体上以进行测量和监测。对于需要长时间连续监测的患者来说，这并不总是很方便。例如，考虑持续的 COVID-19 大流行情况，在这种情况下，非接触式重要监测设备可能会变得更加重要，因为它们有助于最大程度地减少病毒通过接触点和接触的传播。这确保了医疗保健专业人员的更好安全。因此，远程、非接触式仪器是小时的需要。
毫米波雷达
顾名思义，这些是利用波长从 10 毫米到 1 毫米、频率为 30 到 300 Gz 的射频波的雷达技术。工业应用中分配给雷达的频谱为 60 至 64Ghz，汽车应用的频谱为 76 至 81GHz。由于这些频率的信号波长较短，因此雷达天线的尺寸较小。这些雷达的小尺寸结合封装天线 (AoP) 和PCB天线 (AoPCB) 等天线技术的进步，使其广泛应用于汽车导航、楼宇自动化、医疗保健和工业应用。
在本文中，我们重点介绍调频连续波 (FMCW) 雷达。FMCW 雷达连续发射调频信号以测量目标物体的距离以及角度和速度。FMCW 雷达不同于传统的脉冲雷达系统，后者周期性地发射短脉冲。对于 FMCW 雷达，信号频率随时间线性增加。这种类型的信号称为啁啾（图 3）。

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图 3：时域中的啁啾。（来源：作者）

FMCW 雷达系统发射啁啾信号并捕获其路径中物体反射的信号。图 4 表示 FMCW 雷达主要组件的简化框图。

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图 4：FMCW 雷达框图（来源：TI.com）

“混频器”组合 RX 和 TX 信号以产生中频 (IF) 信号。混频器输出具有 Rx 和 Tx 啁啾频率的和和差两种信号。低通滤波器用于只允许频率不同的信号通过。
图 5 显示了频域中发送和接收的啁啾。如果在不同范围内有多个物体，则会有多个反射的啁啾，每个都有延迟，具体取决于返回雷达所需的时间。对于每个反射的啁啾，都会有相应的 IF 音调。

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图 5：TX 和 Rx Chirps 以及 IF 频率音调的频域表示（来源：TI.com）

在分析中频信号的频谱时，频谱中的每个峰值对应一个或多个检测到的物体，频率对应于物体的范围。
如果物体靠近或远离雷达，由于多普勒效应，反射线性调频的频率和相位会发生变化。由于波长约为 3.5 mm，因此小的变化会导致大的相位变化。与频率的小变化相比，很容易检测到相位的大变化。因此，在 FMCW 雷达中，相位信息用于检测物体的速度。为了确定物体的速度，使用了多个啁啾。记录连续反射啁啾之间的相位差并用它计算速度。
毫米波雷达如何检测生命体征？
短波长的优点是精度高。工作频率为 60 或 77GHz（对应波长在 4 毫米范围内）的毫米波雷达将能够检测短至几分之一毫米的运动。
图 6 显示了一个毫米波雷达向患者胸部区域发射啁啾声。由于胸部的运动，反射信号被相位调制。调制具有运动的所有成分，包括由于心跳和呼吸引起的运动。雷达以预定义的时间间隔发送多个啁啾。在每个 chirp 中，进行距离 FFT 并选择与人胸部位置相对应的距离区间。对于每个啁啾，在这个选定的范围仓中的信号相位都被记录下来。从这些，计算相位的变化，这给出了速度。获得的速度仍然包括所有运动的分量。对获得的速度进行频谱分析有助于解析各种分量。这是通过执行多普勒 FFT 实现的。

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图 6：HR 和 BR 检测设置。（来源：作者）

图 7 显示了 HR 和 BR 检测算法。成年人的心跳频率在0.8到2Hz之间，而呼吸频率在0.1到0.5Hz之间。从多普勒 FFT 中，选择心跳频率和呼吸频率的速度分量，并根据时间绘制。这些频率中的每一个的一分钟内的峰值数量提供了人的心率和呼吸率。

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图 7：HR 和 BR 检测算法。（来源：作者）

基于毫米波雷达的生命体征监测面临的挑战
使用毫米波技术的生命体征监测仍在开发中。主要挑战之一是人与人之间反射信号的变化。反射取决于皮肤类型、组织及其成分。体内的水分含量水平和各种化学成分不同。正在进行的关于反射信号变化的研究有望产生结果并通过雷达实现更准确的测量。
结论
毫米波雷达的主要焦点集中在国防、汽车和工业应用上。然而，毫米波技术的最新进展也在医疗保健行业中发挥了重要作用。更高精度、高速信号处理能力、增强的距离检测以及将雷达集成到超紧凑芯片组中，有望极大地支持医疗保健应用，例如患者活动监测、生命体征监测等。此外，毫米波雷达可以可能用于测量一个人的困倦、压力水平和人类情绪——从医疗保健的角度来看，这在开发汽车应用中的驾驶员监控系统方面具有重要意义。