通過精確且連續(xù)地測量心率和呼吸頻率，可以深入了解人體的生理和心理健康狀況。生命體征分析可以檢測到生理衰退的跡象，提示危及生命的事件，確定潛在病因，確保醫(yī)生及時干預(yù)，以改善患者的健康。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校（University of Texas at Dallas）的研究人員使用數(shù)字波束成形方法掃描受試者的身體，提供更可靠的心率檢測估算技術(shù)。以前的研究使用雷達(dá)傳感器，基于最大返回信號或最大方差的范圍選擇策略，以篩選被測范圍內(nèi)的受試者。此次，研究人員開發(fā)了一種結(jié)合多范圍和角域的策略，以降低心率誤測的概率。該算法在多個受試者身上進(jìn)行了測試，與現(xiàn)有方法相比，提供了更準(zhǔn)確的心率估算。

在該研究中，研究人員并不試圖確定單個最佳位置。首先，他們通過基于天線陣列的數(shù)字波束成形技術(shù)，將被測對象身體部位定位擴展到角域。盡管波束成形技術(shù)傳統(tǒng)上用于分離多個受試者，但他們提出了一種使用接收波束成形虛擬掃描單個受試者的方法，以使心率檢測更加可靠。

雖然多個對象仍然可以在范圍和角域中進(jìn)行分辨，但跨多個范圍和角度的虛擬掃描可以用于識別個體心率。隨后，他們圍繞這一點構(gòu)建了心率估算方法。最后，他們通過對多個受試者使用該算法的實驗結(jié)果來驗證心率位置的存在，并表明心率信號確實在范圍-角域的多個位置普遍存在。

慢時間信號處理和生命體征估算流程

該論文介紹了研究中使用的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）傳輸系統(tǒng)，與所使用系統(tǒng)相關(guān)的相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及所提出的算法細(xì)節(jié)。值得注意的是，即使該研究使用的是FMCW雷達(dá)系統(tǒng)，但所討論的概念不僅僅限于FMCW雷達(dá)，并且可推廣到所有能夠在空間域和多普勒域區(qū)分目標(biāo)的系統(tǒng)。

FMCW中頻（IF）信號的數(shù)據(jù)立方體表示

該實驗在常規(guī)雜亂的房間中進(jìn)行。一張平面桌上放著雷達(dá)傳感器，離傳感器約1.3米的地方一把椅子。測量設(shè)置如下圖所示。受試者被要求佩戴可穿戴胸帶記錄參考心率。受試者坐在椅子上，每次測量持續(xù)80秒，在此期間保持一個姿勢不動。這種測量持續(xù)4到10次。之所以選擇80秒的時長，是為了受試者可以相對靜止的坐著，不會因疲勞而不由自主地晃動。傳感器放置在大約是受試者胸部高度的水平線上。

（a）德州儀器（TI）77 GHz AWR1843傳感器；（b）博能（Polar）H10胸帶

受試者的測量設(shè)置

（a）受試者定位流程圖；（b）覆蓋受試者和靜態(tài)雜波受限空間的傳感器；（c）在距離范圍和角域中定位受試者，同時抑制靜態(tài)雜波的回波

在本研究工作中，研究人員使用8通道MIMO FMCW雷達(dá)傳感器來檢測受試者的心率。他們的新方法不同于將人體視為空間中的一個小反射體——傳統(tǒng)方法嘗試為心率信號的檢測找到一個最佳位置。而此次，研究人員提出了一種將空間劃分為范圍-角域區(qū)間，并利用被劃分的多區(qū)間獲取心率的算法。

包括一種諧波校正方法，用于解釋呼吸諧波，并利用諧波積譜校正心率諧波的頻譜影響。心率信號存在于身體的多個位置，這一事實通過顯示跨范圍和角域的正確心率值的熱圖得到了驗證。該算法改進(jìn)了生命體征的檢測和跟蹤，性能優(yōu)于以往的研究。對多個受試者的測試得出1.31 bpm的低平均絕對誤差、93.5%的高心率準(zhǔn)確率的結(jié)果。此外，該方法可以與其它信號處理技術(shù)結(jié)合使用，以增強現(xiàn)有方法。

值得注意的是，雖然本研究中使用的天線是按方位角對齊的，但將這項工作擴展到仰角域，以創(chuàng)建三維搜索算法可能會產(chǎn)生更有意義的結(jié)果。該算法還可以擴展到高程域。這種方法需要一個二維天線陣列，在仰角域上具有足夠數(shù)量的通道，從而提高該域的角度分辨率。提高角度分辨率的其它方法是使用合成孔徑雷達(dá)方法或級聯(lián)雷達(dá)板，這是未來研究的潛在途徑。對于較低的角度分辨率，估算結(jié)果的改進(jìn)可能不會那么顯著。

將雷達(dá)傳感器作為生命體征測量應(yīng)用的首選工具，面臨的另一個挑戰(zhàn)是運動問題。在未來工作中，研究人員將致力于在運動的情況下對生命體征進(jìn)行穩(wěn)健檢測。在設(shè)計諸如睡眠監(jiān)測或在醫(yī)院環(huán)境中監(jiān)測患者生命體征等應(yīng)用時，受試者不會一直處于運動狀態(tài)。除了軀干外，其它運動都是間歇性的。

因此，在生命體征信號被運動隱藏的情況下，可以通過移除運動影響的持續(xù)時間或嘗試從被運動干擾的信號中檢測生命體征信號來解決。該研究提出的思路可以與任何運動校正算法結(jié)合使用，無論是否有運動，都可以增強心率的檢測和跟蹤。




審核編輯：劉清