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使用毫米波雷達監測各項生命體征信息

2020-08-21 來源:EEWORLD

本文作者:Srinivasan Subramani,是Mistral Solutions的高級技術架構師,Mistral Solutions是一家技術設計和系統工程公司,為產品設計和應用部署提供端到端解決方案,專注于三個業務領域:產品工程服務、航空航天和國防與國土安全。斯里尼瓦桑在毫米波雷達、電信、多媒體、汽車和工業應用領域擁有超過22年的電子和軟件開發經驗。他在精密電子設計方面的經驗極大地幫助了Mistral發展其毫米波雷達產品開發的技術專長,并為客戶提供了更大的價值主張。


生命體征是一組個人健康狀況和身體功能的醫學參數,它們可為疾病恢復或及時診斷提供線索。目前主要并且便于獲取的生命體征有四個:體溫(BT)、血壓(BP)、呼吸頻率(BR)和心率(HR),生命體征因年齡、性別、體重和健康水平而異,同時也會一個人在特定情況下的身體或心理活動而有所不同。例如,從事體育活動的人會表現出不同的體溫、呼吸頻率和心率。


毫米波雷達可以獲取這些醫學參數。


雷達路徑上的任何物體都會反射回信號,雷達系統通過捕獲和處理反射信號,可以確定目標的距離、速度和角度。毫米波雷達在目標距離檢測中提供毫米級精度的潛力使其成為檢測人體生物信號的理想技術。此外,毫米波技術還帶來了非接觸、連續監視病人的優勢。


在本文中,我們將討論如何使用毫米波雷達來監測生命體征,如BR和HR。


BR和HR的生命體征表明什么?


通常,健康人的生命體征如下表(1)所示:


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表1:健康人的生命體征


如前所述,這些數值可能因測量時的年齡、性別、健康水平和身體或精神活動的不同而不同。這些參數(HR和BR)的綜合分析有助于醫療保健專業人員評估被觀察者的健康和壓力水平,不同年齡組人群的靜息心率如下表所示。


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表2:各年齡段靜息心率(來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Heart_-rate靜止心率)


下面的圖顯示了在測量時基于人的身體或精神變化時HR變化。


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圖:基于個人健康、壓力和醫療狀況的心率變化(來源:https://www.aaai.org/ocs/index.php/aaai/AAAI18/paper/view/16967/15916)


HR和BR可以快速診斷某些致命的疾病,例如阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征(OSAS)和嬰兒猝死綜合征(SIDS)。在OSAS中,患者在睡眠期間長時間暫停呼吸,如果是SIDS,嬰兒的呼吸會因為趴在臉上或由于物質障礙而受阻。呼吸困難和慢性阻塞性肺病是其他與呼吸有關的疾病。如下圖所示,了解各種情況下的呼吸模式。


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圖:呼吸模式(來源:https://clinicalgate.com/)


研究表明,靜息心率高的個體患心臟病的風險更高。靜息心率較低的個體將來可能需要永久性起搏器植入。


監測呼吸頻率和心率有助于挽救生命。


基于接觸和非接觸的生命體征測量


現有的測量設備大多是基于接觸的儀器。它們需要貼在病人的身體上進行測量和監測。對于需要長時間持續監測的患者來說,這并不總是方便的。例如,考慮正在進行的COVID-19大流行情況,在這種情況下,非接觸式重要監測設備可能會變得更加相關,因為它們有助于最大限度地減少病毒通過接觸點和接觸點的傳播。這確保了醫護人員的安全。因此,需要遠程非接觸式儀器。


毫米波雷達


顧名思義,這是利用波長從10毫米到1毫米,頻率為30至300兆赫的射頻波的雷達技術。工業應用中雷達的頻譜為60至64Ghz,汽車應用為76至81GHz。由于這些頻率下的信號波長較短,雷達天線的尺寸較小。這些雷達體積小,加上天線封裝(AoP)和PCB上天線(AoPCB)等天線技術的進步,使其在汽車導航、樓宇自動化、醫療保健和工業應用中得到廣泛應用。


本文主要研究調頻連續波雷達,FMCW雷達連續發射調頻信號來測量目標的距離、角度和速度。FMCW雷達不同于傳統的脈沖雷達系統,后者周期性地發射短脈沖。對于FMCW雷達,信號頻率隨時間線性增加。這種類型的信號稱為Chirp(圖3)。


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圖3:時域Chirp。(來源:作者)


FMCW雷達系統發射一個Chirp信號,并捕獲其路徑上物體反射的信號。圖4是FMCW雷達主要部件的簡化框圖。


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圖4:FMCW雷達框圖(來源:德州儀器)


“混頻器”將接收和發送信號組合起來,以產生一個中頻(IF)信號。混頻器輸出有兩個信號,即Rx和TxChirp頻率的和及差,低通濾波器用于只允許頻率差的信號通過。


圖5顯示了在頻域中發射和接收的Chirp。如果在不同的距離有多個目標,就會有多個反射Chirp,每一個都有一個基于返回雷達所需時間的延遲。對于每一個反射的Chirp都會有一個相應的中頻音調。


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圖5:TX和Rx Chirp和中頻頻率的頻域表示(來源:德州儀器)


在分析中頻信號的頻譜時,頻譜中的每個峰值對應一個或多個檢測目標,頻率對應于目標的范圍。


當目標向雷達或遠離雷達移動時,由于多普勒效應,反射Chirp的頻率和相位會發生變化。由于波長約為3.5毫米,微小的變化會導致大的相位變化。相較于頻率的微小變化,很容易檢測到相位的大變化。因此,在FMCW雷達中,相位信息被用來檢測目標的速度。為了確定物體的速度,使用多個Chirp。記錄了連續反射Chirp之間的相位差,并用它計算速度。


毫米波雷達如何探測生命體征?


短波的優點是精度高。在60或77GHz(相應波長在4毫米范圍內)工作的毫米波雷達將能夠探測到短至毫米的運動。


圖6顯示了一個毫米波雷達向病人胸部發射Chirp。由于胸部的運動,反射信號被相位調制。調制包含了運動的所有組成部分,包括由心跳和呼吸引起的運動。雷達以預定的間隔發射多個Chirp。在每一個Chirp中,進行距離FFT,并選擇與人胸部位置相對應的距離。每一次Chirp都會記錄下所選范圍內信號的相位。由此計算出相位的變化,從而得出速度。獲得的速度仍然包括所有運動的分量。對獲得的速度進行頻譜分析有助于解析各種分量。這是通過做多普勒FFT來實現的。


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圖6:HR和BR檢測設置。(來源:作者)


圖7顯示了HR和BR檢測算法。成年人的心跳頻率在0.8到2赫茲之間,而呼吸頻率在0.1到0.5赫茲之間。從多普勒FFT中,選擇心跳和呼吸頻率處的速度分量,并繪制與時間的關系圖。每一個頻率在一分鐘內的峰值數提供了人的心率和呼吸頻率。


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圖7:HR和BR檢測算法。(來源:作者)


基于毫米波雷達的生命體征監測面臨的挑戰


使用毫米波技術監測生命體征仍在開發中。主要的挑戰之一是人與人之間反射信號的變化。反射取決于皮膚類型、組織及其成分。體內的含水量和各種化學成分不同。目前正在進行的對反射信號變化的研究有望產生結果,并通過雷達實現更精確的測量。


結論


毫米波雷達的主要研究方向是國防、汽車和工業應用。然而,毫米波技術的最新進展在醫療保健行業也具有重要意義。更高的精確度、高速信號處理能力、增強的距離檢測以及將雷達集成到一個超小型芯片組中有望極大地實現醫療保健應用,如患者活動監測、生命體征監測等。此外,毫米波雷達還可用于測量睡意,人的壓力水平和人的情緒——這對醫療保健和開發汽車應用中的駕駛員監控系統具有重要意義。

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