广告

毫米波雷达是如何监测生命体征信号的?

时间:2020-10-19 作者: Srinivasan Subramani 阅读:
毫米波(mmWave)雷达会发射电磁波,其路径中的任何物体都会将信号反射回去。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。毫米波雷达在物体距离检测中可以提供毫米级别的精度,因而成为人类生物信号的理想传感技术。本文将讨论毫米波雷达如何用于监测生命体征信号(例如BR和HR)。
广告

生命体征是一组指示人的健康状况和身体机能的医学参数,它们提供可能的疾病线索以及恢复或恶化的趋势。生命体征主要有四种:体温(BT)、血压(BP)、呼吸频率(BR)和心率(HR)。这些参数因年龄、性别、体重和健康水平而异。在特定条件下,这些参数也可能因人的身体或心理活动而有所不同。例如,正在从事体育活动的人可能会具有较高的体温、呼吸频率和心率。

毫米波(mmWave)雷达会发射电磁波,其路径中的任何物体都会将信号反射回去。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。毫米波雷达在物体距离检测中可以提供毫米级别的精度,因而成为人类生物信号的理想传感技术。此外,毫米波技术还可以对患者进行非接触式的连续监控,因此无论医生还是患者都比较方便。

本文将讨论毫米波雷达如何用于监测生命体征信号(例如BR和HR)。

呼吸频率和心率意味着什么?

通常,健康人的生命体征参数如下表(1)所示:

表1: 健康人的生命体征

如前所述,生命体征的数值可能会随年龄、性别、健康水平以及测量时的身体或心理活动而变化。对这些参数(HR和BR)的综合分析有助于医疗保健人员评估被观察者的健康和压力水平。下表显示了不同年龄段人群的静态心率。

表2:  不同年龄段人群的静态心率(来源:维基百科)

下图(图1)显示了在测量时不同身体或精神投入条件下的心率变化。

图1:根据个人的健康状况、压力和医疗状况而变化的心率 (来源:AAAI)

了解心率和呼吸频率可以快速诊断某些致命疾病;例如阻塞性睡眠呼吸暂停综合症(OSAS)和婴儿猝死综合症(SIDS)。OSAS患者在睡眠过程中会长时间暂停呼吸,而SIDS是指婴儿可能因趴着睡觉或外物阻塞而导致呼吸受阻。其它与呼吸有关的疾病还包括呼吸困难和慢性阻塞性肺疾病。请参阅下图了解各种情况下的呼吸模式。

图2: 呼吸模式(来源:Clinicalgate)

研究表明,静态心率高的人患心脏相关疾病的风险更高,而静态心率低的人未来则有可能需要永久植入起搏器。

对患有上述疾病的患者进行呼吸频率和心率的监测,将有可能挽救其生命。

接触和非接触式生命体征测量

现有的测量仪器大多是接触式的。它们需要附着在患者身上才能进行测量和监测。 这对于需要长时间连续监测的患者来说不是很方便。而且,在当前正流行的COVID-19疫情下,非接触式生命体征监测设备可能会变得更加重要,因为它将有助于最大程度地减少通过接触点和接触者造成的病毒传播,更好地确保医疗保健人员的安全。因此,远程、非接触式仪器是我们的当下之需。

毫米波雷达

毫米波雷达,顾名思义是一种雷达技术,它利用波长为10mm至1mm、频率为30-300 GHz的射频微波。工业应用领域的雷达频谱为60-64 GHz,汽车应用为76-81 GHz。由于在这些频率下信号的波长较短,因此雷达天线的尺寸也较小。小体积的雷达,再加上先进的天线技术,如封装天线(AoP)和PCB天线(AoPCB),毫米波雷达得以在汽车导航、楼宇自动化、医疗保健和工业应用中得到广泛应用。

本文介绍的重点是调频连续波(FMCW)雷达。FMCW雷达连续发射调频信号以测量目标物体的距离、角度和速度,而传统脉冲雷达系统定期发送短脉冲。对于FMCW雷达,信号频率随时间线性增加,这种信号称为线性调频脉冲(chirp)(图3)。

图3: 时域中的线性调频脉冲

FMCW雷达系统发送线性调频脉冲信号,并捕获其路径中物体反射的信号。图4为FMCW雷达系统主要元器件的简化框图。

图4: FMCW雷达系统框图(来源:TI)

其中“混频器”用于混合接收端(RX)和发射端(TX)信号以产生中频(IF)信号。混频器的输出包含了两种信号,分别为Rx和Tx线性调频脉冲频率之和与频率之差。还有一个低通滤波器用于限制信号,仅允许频率之差的信号通过。

图5显示了频域中发送和接收的线性调频脉冲。如果在不同距离内有多个物体,将有多个反射的线性调频脉冲,每个脉冲都有延迟,延迟的长短则取决于信号返回雷达的时间。对于每个反射的线性调频脉冲,都会有一个相应的IF频率。

图5:Tx和Rx线性调频脉冲的频域表示以及IF频率

分析IF信号频谱可以得出,频谱中的每个峰值对应于一个或多个检测到的目标,而频率则对应于目标的距离。

根据多普勒效应,当物体移向或远离雷达时,其反射的线性调频脉冲的频率和相位都会改变。由于其波长约为3.5毫米,任何很小的变化都将会导致很大的相位变化。很小的频率变化不容易检测,而大的相位变化很容易被检测到。因此,在FMCW雷达中,相位信息被用于检测物体的速度。为确定物体速度,要使用多个线性调频脉冲,记录连续反射的线性调频脉冲之间的相位差,并据此计算出速度。

毫米波雷达如何检测生命体征?

短波长的优点是精度高。频率为60或77GHz的毫米波雷达(对应波长在4毫米范围内)能够检测出短至小于1mm的移动。

图6显示了毫米波雷达向病人的胸部区域发射线性调频脉冲。由于胸部的运动,反射信号是相位调制的。调制涵盖运动的所有分量,包括心跳和呼吸引起的运动。雷达根据预定时间间隔发送多个线性调频脉冲。每个脉冲都进行距离快速傅立叶变换(FFT),并选择与人的胸部位置相对应的距离档。每个线性调频脉冲都会记录该选定距离档中的信号相位。由此计算出相位变化,并从而得出速度。所获得的速度仍然包括所有运动分量。通过执行多普勒FFT对获得的速度进行频谱分析,可以解析出各种分量。

图6: 心率(HR)和呼吸频率(BR)检测设置

图7显示了HR和BR检测算法。成年人的心率在0.8到2Hz之间,呼吸频率在0.1到0.5Hz之间。在多普勒FFT中,选择心跳和呼吸频率的速度分量,并绘制其随时间的变化曲线。每种频率在一分钟内产生的峰值数就是心率和呼吸频率。

图7:HR和BR检测算法

毫米波雷达进行生命体征监测所面临的挑战

采用毫米波技术进行生命体征监测还在不断发展中。其主要挑战之一是不同人之间反射信号的差异。反射取决于皮肤类型、组织及其组成。人体内的水分含量和各种化学成分也不同。业界正在进行的反射信号变化的研究将有望取得成果,以通过雷达实现更精确的测量。

结论

毫米波雷达的主要应用集中在国防、汽车和工业领域。然而,其在医疗保健行业的最新进展也具有重要意义。更高的精度、高速信号处理能力、增强的距离检测以及将雷达集成到小尺寸芯片组中,将可能极大地推动医疗保健应用的发展,如患者活动监测、生命体征监测等。此外,毫米波雷达将可能用于测量嗜睡、压力水平和人的情绪,这对医疗保健和汽车应用中的驾驶员监测系统开发具有重大意义。

(参考原文:Using mmWave radar for vital signs monitoring

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2020年10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅  

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 下一代iPad或可以触觉反应,将是电子产品的一大革命 苹果的产品一向以接近人的真实体验而深受消费者喜爱,最近一项专利显示,下一代苹果iPad或可以触觉反馈,即按压屏幕可以得到反应,从而实现一个类似触摸有生命力的生物的感觉,如果这项专利能够实现并应用,将是电子产品的一大进步或者革命。
  • 可穿戴设备、智能手机和应用是否真能测量血压? 由于使用智能手机的人数大幅上升,手表等可穿戴设备不断普及,许多推出的应用声称能够利用手机设备或可穿戴设备传感器来测量用户或穿戴者的血压。大部分设备都声称能够在没有压力传感器的情况下测算血压。但是,它们依靠的是检测在动脉上传播的脉搏速度。
  • 复星医药将向台积电及鸿海供应1000万剂mRNA新冠疫苗 上海复星医药集团和BioNTech 在上海证券交易所发布公告,该公司所属复星实业(香港)有限公司与台积电(买方一)、鸿海和永龄基金会(买方二)以及裕利医药(有进口疫苗资质的医药公司)日前已签订mRNA新冠疫苗的销售协议。
  • 《三体》作者刘慈欣加入商汤科技,担任科幻星球研究中心 世界人工智能大会(WAIC)企业论坛上,《三体》作者、著名科幻作家、“雨果奖”得主刘慈欣通过线上方式公布了新身份——商汤科技(SenseTime)科幻星球研究中心主任。在视频发言中,刘慈欣透露,很高兴能携手商汤,参与“三体宇宙”开发工作。
  • 从初创企业市场现状,看AI行业的发展热度 英伟达初创加速计划(NVIDIA Inception)进入中国是2016年, 推行也有些年头了,这个计划本身就在加速AI创业公司发展。从AI初创企业市场,以及英伟达初创加速计划这样的项目,都可观察AI技术或行业如今的发展热度。
  • 台力保芯片产业,传优先为三大科学园区员工打疫苗 据《美国之音》报道,面对新冠疫情尚未趋缓的现实,台疫情指挥中心决定,若新竹、中部和南部三大科学园区分配到疫苗,将依园区规划尽速为区内从业人员施打,以确保当地至关重要的高科技产业不受新冠疫情的冲击和影响。台湾的三大科学园区去年总营业额超过三兆新台币(约合1080亿美元),占台湾地区生产总值的15.31%……
  • 新款iPad Pro 2021成最受欢迎的 由于采用性能相对强大的M1处理器和mini-LED屏幕以及更多的创新,新款iPad Pro 2021已经成为消费者心目中最受欢迎。然而,iPad 2却已经在全球范围内被列入“复古和过时”的名单中。
  • 三星折叠屏手机Galaxy Z Fold 3 目前来看,折叠屏新机作为一种新的生产力工具,逐渐成为高端/平板的一种趋势,有报料称三星的Galaxy Z Fold 3发布时间或为7月,并且会引入新手势操控。

  • ​快人一步,一触即发|芯海科技信号 视频来源:iQOO手机官方微博8月17日晚,iQOO8系列未来电竞旗舰重磅发布,通过屏下双控压感实现更多样的操控体验,双指变四指手速度倍增,在保持机身简洁的同时助你成为自带BUFF的竞技
  • 泰艺电子推出小型化恒温控制晶体振 泰艺电子,频率控制解决方案的领先供货商,推出全新 NN 系列恒温控制晶体振荡器(OCXO),能够满足严格的频率稳定度要求,同时具备优越的相位噪声性能。
  • 友恩开关电源芯片U65113E为你打开新天地 手机品牌几分天下的大局似乎已尘埃落定,TCL却借助旗下子品牌雷鸟在发布会上推出了雷鸟旗下的首款智能手机--雷鸟FF1手机。不得不说,平静的湖面下,永远有波涛在流动。竞争从未停止过。譬如这颗5W的开关电
  • 佑明党支部成立,深圳照明显示行业党委直属支部达11家 点击上方蓝字 关注我们2021年8月24日下午,中共深圳市佑明光电有限公司支部委员会成立大会在佑明光电会议室顺利召开。市照明与显示工程行业协会党委书记赵飞同志、办公室主任余俊霞同志、佑明光电董事长吴学
  • 半导体招聘!高薪职位!  中国半导体论坛 振兴国产半导体产业!    1.宁波比亚迪半导体有限公司工艺工程师设备工程师技术开发工程师2.北方华创微电子装备有限公司工艺工程师射频工程师清洗机工艺工
  • 教育照明25强专访丨兴特能源:已为近5万间教室提供教育照明解决方案 点击上方蓝字 关注我们日前,在由深圳市照明与显示工程行业协会举办的第八届中国LED首创大会上,深圳市兴特能源科技有限公司荣获“2020年中国LED行业教育照明25强企业”称号。近日,每日LED记者就教
  • 台积电涨价,iPhone13将提价!  中国半导体论坛 振兴国产半导体产业!    8月27日消息,据报道,苹果计划提高iPhone 13系列的价格,以弥补其主要芯片代工厂台积电涨价所带来的成本上升,从而“减
  • 半导体精品公众号推荐!  中国半导体论坛 振兴国产半导体产业! 信息爆炸的时代更需要断舍离如何更加高效的获取高质量的信息在碎片化的时代里收获满满?2021年,半导体人只需关注5个公众号半导体技术天地ID:
  • 谁在操控中国电信股价? 8月26日,中国电信A股收盘时股价下跌了2.5%,这是回归A股以来第五个交易日,股价两次一字跌停,市值从5500多亿跌到现在的4300多亿,损失至少1200亿市值。现在中国电信股价4.71元,盘中一度
  • 演讲征集-第四届中国半导体大硅片论坛2021 点击上方图片直接报名会议尊敬的行业同仁:亚化咨询将于2021年11月2日在杭州召开第四届中国半导体大硅片论坛2021。硅片是IC生产的主要原材料。亚化咨询数据显示,2020年全球半导体硅片市场达到12
  • 突发!欧盟将对英伟达收购ARM案展开正式调查 点击上方图片直接报名会议据金融时报报道,在监管机构与美国芯片公司进行了数月的非正式讨论后,欧盟将于下月初对英伟达计划收购英国芯片设计商ARM的交易展开正式竞争调查。 据两位知情人士透露,调查
  • 最强国产自研CPU公司表态:没人可以“卡我们的脖子” 在国内多家研发处理器的公司中,龙芯中科选择的路线有所不同,现在已经全面转向自己的指令集。龙芯高管表示这条路很难走,但好处也是最大的,那就是没人可以“卡我们的脖子。8月26日,在成都举行的2021成都新
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了