英飞凌 | 无接触测量生命体征和呼吸速率：雷达传感器推动医疗保健行业变革

出于多方面的原因，医疗保健行业对用于远程生命体征监测的紧凑节能型雷达传感器的需求呈指数级增长。

图1 睡眠监测

在普通的非ICU患者中，有高达75%的不良事件和可预防死亡是因缺乏多参数生命体征（VS）监测而发生[1]。患者和老年人医疗保健的一个重要方面是监测呼吸速率和心率等生命体征。大多数用于追踪生命体征的设备，如心电图和脉搏血氧仪，需要通过绑带和电极直接接触皮肤。它们还需要接线或定期充电，使得患者无法自由活动。然而，先进的雷达传感器的出现催生出无需任何身体接触的全新生命体征监测技术。在这方面，非接触式生命体征监测因为具有诸多优势而变得日益重要，其中包括无接触测量、持续监测、及早发现异常以及能够无缝集成到消费类产品中。

本文利用英飞凌XENSIV™ 60 GHz雷达作为先进雷达传感器技术的例子，讲述雷达传感器对于改善患者和老年人医疗保健效果的作用。

1 了解雷达传感器

 

雷达传感器通过以电磁辐射的形式发射无线电波来发挥作用。这些无线电波以光速在空间中传播。发射的雷达波被环境中的物体和人反射。由于具有超高精度，雷达传感器能够感知和探测到最微小的运动，从而实现全面的生命体征监测。

为了检测和测量人体的细微运动，可以使用调频连续波（FMCW）雷达。FMCW雷达利用调频原理和频移分析来实现精确的距离和速度测量。下章将解释生命体征监测的确切机制。

2 可用FMCW雷达传感器测量的生命体征

 

雷达传感器可以检测呼吸时胸壁的运动。他们探测呼吸时胸壁位移引起的反射无线电波的细微变化。这一技术被称为雷达呼吸运动检测或雷达呼吸传感。下面我们来了解基本工作原理。

FMCW雷达发射频率随时间而改变的连续波射频信号。雷达信号由频率逐渐增加或减少的连续波组成。该调制产生频率扫描或啁啾。

向目标（胸部）发射雷达信号后，一部分信号通过反射返回雷达接收器。该反射信号被称为回波，其中包含有（找元器件现货上唯样商城）关目标物体距离和速度的有用信息。

FMCW方法需要发射之后将与反射波进行比较的线性调频波。这个过程将产生一个拍频或中频（IF）。该中频的幅度与被探测物体的距离直接相关。通过精确测量该频率差或中频，可以显著提高距离测量的精度。一般来说，该频率差的测量越精确，所进行的距离测量也越精确。

3 非接触式生命体征监测的益处

 

3.1 提高安全性

 

传统的有线监测系统通过结合心电图和氧饱和度传感器来报告心率和呼吸速率。传统监测系统中的绑带和电极可能导致皮肤刺激，尤其是对敏感患者而言。这一过程也可能给患有癫痫或精神疾病的患者带来不适。

然而，通过利用内置天线跟踪胸部的位置和运动速度，雷达传感器可以实现非接触式生命体征测量。这些天线通过跟踪呼吸和心率运动来报告准确的生命体征。该非接触式测量方法对患者没有任何限制或约束，因此不会造成任何不适或皮肤刺激。

3.2  提高便利性

传统的阻塞性睡眠呼吸暂停综合征诊断需要通过整夜多导睡眠监测进行，存在成本高和“首夜效应”的限制[9]。如果受试者在床上翻身，甚至可能引起潜在的误报警。雷达传感器仅分析其自身发出信号的修正回波，而不依赖于任何外部信号。而且，它们还具有透过非导电材料进行感知的能力。这意味着可将传感器隐藏在产品外壳里面，从而实现匿名化操作。

3.3 精确性和可靠性

传统的心电图需要将电极连接到身体上进行心跳测量。然而，这些电极可能给患者带来不适，并改变患者的自然呼吸模式，从而导致所记录的生命体征不准确。相比之外，使用非接触式生命体征监测技术可使患者在不知情的情况下接受监测。这意味着，它们不太可能导致呼吸模式改变，从而可以直接提高测量精度。

同样，在传统心电图中，电极与皮肤之间的接触会产生表面负荷效应。这会导致电特性发生改变和所记录的信号不准确。但雷达传感器因为能够进行无接触测量，所以不会对身体施加任何压力。因此，所获得的信号更接近于自然生理状态，从而可以实现更精确的生命体征测量。

3.4 可扩展性

 

通过利用AI和传感器融合等其他技术，雷达传感器甚至能够在最具挑战性的医疗环境下进行生命体征监测，包括医院、诊所、养老院，甚至居家医疗环境。它们还能无缝集成到夜灯、智能手机、平板电脑和智能闹钟等标准消费电子产品中，用于为智能家居设备增加额外的健康跟踪功能，同时也为患者和老年人提供安全保障。

3.5 紧凑和匿名

雷达传感器为小巧而坚固的分立式器件。它们具有承受温度变化、光照变化、湿度和灰尘等不同环境条件的能力。而且，由于外形小巧，它们可被隐藏在不导电的产品外壳里面，使得最终用户几乎察觉不到它们。必须指出的是，因为是以匿名的方式处理信号，所以雷达传感器不会收集任何个人身份信息。与图像传感器或麦克风不同的是，雷达传感器不进行图像或声音记录。例如，英飞凌的XENSIV™ 60GHz雷达BGT60UTR11AIP仅占用16 mm²的空间。即使考虑到所有必要的元器件，它们也很容易被部署到2 cm²或更小的威廉希尔官方网站 板上，从而成为紧凑型设备的理想选择。

4 非接触式生命体征监测的应用

 

4.1 医院和临床环境

 

非接触式生命体征监测可改进医院和临床环境下的患者照护。所适用的环境包括ICU、手术室、普通病房、急诊科和睡眠中心。例如，雷达传感器可在不直接接触患者身体的情况下持续监测ICU患者的生命体征。它们还可供麻醉师和外科手术团队实时密切监测患者在手术过程中的生理反应。同样，在普通病房中使用非接触式生命体征监测技术，可避免需要进行频繁的人工监测。这使患者能够保持自然睡眠状态，从而提高在睡眠研究中收集的数据准确性和可靠性。[2]

4.2 辅助生活设施或养老院

辅助生活设施和养老院可通过进行实时监测，在必要时及时采取干预措施。一旦老人的生命体征有任何重大变化或异常，就会触发向医疗保健提供者的自动警报。雷达传感器甚至可以检测到老人运动状态、步态和姿势的变化，从而方便及时进行干预。医生可以联系患者进行诊断和开药，并派出医疗救护，而无需患者亲自到达医院。

5 雷达传感器技术的进步

 

通过结合机器学习、数据融合和自适应滤波技术，雷达传感器的功能不断增加。机器学习算法擅长学习来自复杂数据集的模式和过滤噪声。它们能从不必要的噪声中有效地分离出所需的生命体征信号，从而提高测量精度。例如，新加坡国立大学持续与终身教育学院（SCALE）进行的研究表明，将机器学习应用于基于毫米波FMCW雷达的非接触式生命体征监测系统，可轻松滤除外部噪声，从而提高相关生命体征信息的准确性。[8]

融合来自多个雷达传感器的信息（数据融合）可增加先进监测功能[3]。雷达传感器可与光学或加速度传感器相结合，以实现更全面、更精准的数据监测。这让医护人员能够更全面地了解患者生命体征，从而进行更好的患者管理。

为了避免杂波和提高信号质量，可以使用自适应滤波技术。两种最有前景的技术分别是最小均方（LMS）算法和递归最小二乘（RLS）算法。这些技术可以用于抑制雷达数据中的噪声和干扰。[5]还可以引入自适应滤波技术——比如恒虚警率（CFAR）检测和自适应波束形成，以进一步降低阈值水平以下的背景噪声。[6]

当雷达传感器有多个通道时，它可同时读取多个人的生命体征。这使雷达传感器的应用范围可以扩展到医院和养老院以外的地方。例如，它可用于汽车行业，来确保驾驶员和副驾驶员的安全。多通道毫米波雷达传感器可持续监测驾驶员/副驾驶员心脏病发作或其他心肺异常的早期迹象。

然而值得注意的是，这些技术的应用取决于雷达系统的具体特性、信号特性及生命体征信号提取任务的要求。

6 挑战和影响因素

 

雷达传感器测量的准确性和可靠性会受到不同因素的影响。我们将以两个重大挑战为例，来探讨克服它们的策略。

6.1 身体运动的幅度

 

锻炼或颤抖时的快速身体运动可能导致雷达信号失真，使得无法进行准确的数据提取。例如，当人四处走动时，很难将由呼吸和心跳引起的轻微胸部运动与腿和手臂的大幅运动区分开。可通过利用自适应滤波、卡尔曼滤波或粒子滤波等算法，采取先进运动补偿技术来解决这一挑战。[6]这些技术通过估计和补偿运动导致的影响，使得能够更准确地提取生命体征参数。

 

6.2 缺乏定期校准或校验

 

随着时间的推移，由于老化、环境条件或部件性能退化等因素，雷达传感器可能产生生命体征读数误差。为了维持测量精度，必须定期进行校准和对读数作出必要调整，以确保读数保持在可接受范围之内。

另外，还可考虑采取以下策略来提高测量准确性和可靠性：

将雷达传感器妥善地安置在稳定及恰当的位置，以最大限度地减少外部干扰和提高信号质量。

利用雷达防护罩技术来保护毫米波雷达传感器和天线免于风吹雨淋和阳光暴晒等外部环境影响。

将雷达传感器测量结果与利用成熟测量技术获得的结果进行比较，以评估雷达传感器的可靠性，并识别需要改进的领域。

利用机器学习和深度学习算法来学习来自大数据集的模式和相互关系，以提高测量稳健性。

7 英飞凌XENSIVTM 60 GHz雷达传感器帮助改进雷达传感技术

英飞凌的毫米波雷达产品系列提供面向不同物联网和汽车应用的FMCW和多普勒雷达传感器。BGT60TR13C和     BGT60UTR11AIP 60 GHz雷达传感器尤其适用于进行低成本的生命体征检测（心率和呼吸速率）。

图2 XENSIV™ 60 GHz BGT60TR13C

图3英飞凌的先进雷达传感器

XENSIV™ 60 GHz BGT60UTR11AIP

现在，我们来看看它们在远程生命体征监测系统中的重要设计特性。

7.1 分立式器件

 

传感器与生命体征监测系统分立，可实现非侵入式生命体征监测。

BGT60TR13C雷达传感器拥有L型封装天线（AIP），而BGT60UTR11AIP雷达传感器采用U型槽AIP设计。这两种设计都有助于实现紧凑的外形尺寸，从而确保了高效的天线集成。小巧的封装使得这些传感器可以帮助节省设计时所需的威廉希尔官方网站 板面积，并简化整体设计过程。

注意：AIP（封装天线）技术是指在一个IC封装中集成一根或多根天线的天线封装解决方案。

表1 XENSIV™ 60 GHz雷达传感器之间的区别

 

传感器	BGT60UTR11AIP	BGT60TR13C
集成天线	1根发射天线和1根接收天线	1根发射天线和3根接收天线
FMCW带宽	5.6 GHz (57.4 – 63.0 GHz)	5.5 GHz (58.0 – 63.5 GHz)
上升/下降速度	400 MHz/µs	400 MHz/µs
尺寸	4.05x4.05 mm²	5 x6.5 mm²

 

7.2 集成有限状态机

非接触式生命体征监测的重要挑战之一是，确保患者身体运动异常时的网络自愈机制。通过利用基于有限状态机（FSM）的自主连接恢复算法，BGT60TR13C和BGT60UTR11AIP都克服了这一挑战。通过集成FSM，这些雷达传感器可以自主执行啁啾，进行数据采集，并存储到内存当中。当出现任何异常节点时，可以利用最近的非关键节点来替代，以实现网络连接的无缝恢复[7]。这一优化的功率变换机制确保了工作周期内的功耗最小（平均只有几毫瓦）。通过直流工作周期还可实现进一步的功耗降低。

 

7.3 亚毫米级读数

 

由于拥有非凡的超宽带宽（高达5.6 GHz）以及高距离分辨率（约3 cm），这些传感器能够以毫米级精度检测高达15米范围内的细微运动。这一能力对于及早发现心脏病发作或监测危重患者或接受重症监护的患者的生理状况至关重要。医生可以利用这些详细信息来定制治疗方案和进行个性化用药，从而轻松缓解危急病情。

 

7.4 无阻碍式监测

 

由于拥有高信噪比（SNR），雷达传感器即使在来自其他数字设备的信号和噪声可能影响读数的复杂医疗环境下，也能探测到远距离的运动。BGT60TR13C和BGT60UTR11AIP都采取具有高信噪比的专门设计，使得它们能够检测到细微的胸部运动。它们可透过衣物、被褥或其他非金属屏障感测生命体征。这一功能使得它们无需进行复杂的设置，无需患者脱掉衣物，即可在医院或养老院等不同环境下进行患者生命体征监测。

8 结论

 

雷达技术可在无需与患者身体接触的情况下，进行持续的非侵入式生命体征监测。该技术在生命体征监测中的应用，尤其有利于老年人和其他有兴趣的人以无阻碍、稳健、分立和节能的方式来监测他们的生命体征数据。

英飞凌的60 GHz雷达传感器解决了快速身体运动和外部信号干扰等常见挑战，确保了生命体征检测的准确性。

审核编辑 黄宇