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如何利用非接触传感器监测呼吸

时间:2017-03-13 作者:Kjetil Meisal 阅读:
虽然目前市场中的技术都承诺能够精确可靠地实现监测,但大多数并不理想——要么不够精确,要求不断地作出调整;要么用起来不那么舒服。

呼吸率是一个重要的生命体征,通过它可以了解一个人的总体健康状况和睡眠质量。呼吸率和呼吸方式也被认为能很好地反应一个人的身体基础状况。虽然目前市场中的技术都承诺能够精确可靠地实现监测,但大多数并不理想——要么不够精确,要求不断地作出调整;要么用起来不那么舒服。jkuEETC-电子工程专辑

本文讨论了用于测量和分析呼吸的各种成熟方法,以便理解它们在满足日常健康护理和健身跟踪要求的过程中存在的局限性。克服这些挑战并不容易,但超宽带(UWB)脉冲雷达可以作为像Novelda公司的XeThru等传感器的运用基础,以帮助这些传感器达到2.8米的有效范围,并能够“穿透”障碍物,比如衣服,而且成本低,容易使用。jkuEETC-电子工程专辑

用于健康护理的呼吸监测

呼吸率是一个人每分钟呼吸的次数,最好是在人休息的时候进行测量。呼吸率可能由于发烧、生病或其它身体状况而增加。测量呼吸率的最常用方法是借助物理评估方法,即观察人的胸部,计算一分钟内呼吸的次数。呼吸深度可以用根据呼出吸入空气体积测量肺功能的肺活量计来进行判断。在最简单的应用方式中,医生用肺活量计来检测像哮喘这样的病理状态。呼吸率本身只能提供有限的信息,但呼吸方式(测量速率、幅度和其它特征),则可以提供更多有价值的信息,然后再用于医疗诊断和睡眠质量的评估。jkuEETC-电子工程专辑

目前市场上已有的大多数呼吸监测技术是侵入式的,需要将待测人员与测量设备连接在一起。对于上面所述的肺活量计来说肯定是这样的,但即使是简单的机电式呼吸率测量通常也要求在被测人员胸部绑上一根有弹性的带了。其它声学技术要求将设备连接到被测人员的颈部,而电容技术要求在床上安装一种专门的床垫或在被测人员的身体上安装传感部件。这些方法主要用于专业的护理情况,可以提供精确的呼吸方式数据。但根本性的挑战仍然存在,即传感器与身体的物理连接会给被测人员带来压力。任何相关的不适反过来又会影响被测人员的呼吸,从而可能使测试数据无效。jkuEETC-电子工程专辑

消费类呼吸监测技术

还在不久前,即使很简单的呼吸测试也要去医生办公室做。比较扩展一些的监测方式是先在诊所,或医院做初步的生理诊断,只有确诊的病人才去做呼吸测试。智能手机和类似高科技电子产品(包括心率和血糖等设备)的发明,加上人们对自身的健康和幸福更加的关注和关心,使得人们增加了对医疗环境之外的检测手段的期望值。也因此市场上充斥着各种各样的健康护理和健身监测设备,它们可以帮助消费者跟踪自己的身体活动,并管理他们的个人健康。这些产品使用与经过医学认证的产品相似的技术,并对医疗设计作了进一步的改进,因此可以满足通过监测睡眠质量和休息时的呼吸方式提供完整的健康评估这一趋势要求。jkuEETC-电子工程专辑

考虑到当前解决方案的局限性,并且理解消费者期望健康与健身产品舒适、安全和容易使用,因此很明显一款真正合适的呼吸/睡眠监测器需要满足一些相当严格的设计要求。它应该能够远程离精确地测量和记录呼吸,它的摆放位置不应该很严,只要被测人员在合理的检测区域内即可(图1)。在这个区域内人的朝向应该不重要,即使中间有正常的障碍物(如隔着羽绒被),监测器也应该能够可靠地工作。jkuEETC-电子工程专辑

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图1:儿童呼吸记录例子。从图中可以清楚地看到,远程监测需要能够检测只有几个毫米的胸部运动jkuEETC-电子工程专辑

这种技术应该适合所有年龄和身材的人们使用,而且应该是非侵入式的,能够保护被测人员的隐私,即通常要将用任何形式的视频监控进行的监测排除在外。另外,还应该能够同时监测多个人。在满足这些目标的传感器技术性能方面需要做的进一步思考有:安全使用、低成本、低功耗,以及最好容易集成进终端设备设计,并且体积要小,能提供数字接口。jkuEETC-电子工程专辑

呼吸监测

在目前市场中能够测量呼吸率的许多产品中,大多数产品采用健身跟踪器的形式,即需要使用到嵌入腕带或胸带的身体佩戴接触式传感器。然而,睡觉时戴着一个连着身体的监测设备是很不舒服的,而且电池供电的产品还要求定期充电。更先进的睡眠监测器采用非接触传感的方式避免这些问题,在提供睡眠质量监测的同时具有更好的舒适性。这些先进监测器使用的技术有在床垫下放传感部件的电容检测以及从床边监测呼吸运动的连续波(CW)雷达解决方案。虽然这些解决方案不需要直接接触身体,但电容解决方案通常需要在身体附近工作,它们的可靠性受温度和湿度变化的影响。连续波雷达可以工作在更远距离,但不能区分是呼吸引起的运动还是其它身体运动。jkuEETC-电子工程专辑

雷达技术似乎是非侵入式系统的理想选择,可以远距离监测呼吸,特别是它的信号可以透过衣服或床褥等材料。即使这样也存在局限性。虽然连续波多普勒雷达对运动高度敏感,能够很容易检测到像呼吸这样重复运动的频率,但它只能提供相位信息,不能测量绝对距离。不能测量绝对距离意味着基于连续波的雷达系统不能分辨诸如手足等其它身体部分运动和胸部运动。因此,连续波系统在分辨真实的胸部运动方面能力较弱,而这是在整个夜晚提供可靠数据所必需的。jkuEETC-电子工程专辑

我们真正需要的是能够精确测量距离、足以区分浅呼吸和正常呼吸以及能根据胸部运动精确跟踪人体呼吸方式的方法(图2)。采用低功耗低成本解决方案实现这个目标极具挑战性。jkuEETC-电子工程专辑

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图2:根据胸部运动可靠检测呼吸要求雷达系统能够测量绝对距离jkuEETC-电子工程专辑

在寻找解决这些问题的解决方案中,Novelda公司得出的结论是:使用雷达原理的电磁传感器应该能够满足所有这些技术要求,其它方面的问题也都可以克服。前面提到的连续波雷达不能测量绝对距离的局限性在使用超宽带(UWB)脉冲雷达技术时就不存在了,因为后者可以产生和采样信号脉冲,实现由发送和接收脉冲之间的时间差决定的高精度距离测量。jkuEETC-电子工程专辑

另外,通过使用本质上是一种扩展频谱的方法并采用数字信号处理(DSP)恢复返回的信号,超宽带雷达可以工作在比传统雷达低得多的功率电平。这样就消除了潜在消费者不想在床边放一个大功率雷达设备的担忧,这种技术允许工作时的功率电平不到蓝牙耳机功率的千分之一。超宽带的扩频特性还意味着它能与其它射频系统共存,而不会造成干扰或受到干扰。举例来说,连续波多普勒雷达工作在高得多的功率电平,它会干扰WiFi和无线电信号。相反,虽然超宽带雷达工作在很低的功率电平,但DSP技术可以从噪声中可靠地提取出信号,这方面与ADSL在普通电话线上实现宽带互联网连接非常类似。jkuEETC-电子工程专辑

雷达被认为是一种复杂且昂贵的技术,一般运用于高端市场。这在过去当然是成立的,因为传统系统是用分立元件搭建的,使用的是高成本的陶瓷基板。然而在目前大多数市场特别是消费市场中,集成电路技术的广泛普及已经使得产品能够大批量生产,价格已经可以普遍被大众接受。今天的高集成度已经可以用来实现系统级芯片解决方案,使得系统在体积和功耗方面极大的受益(图3)。jkuEETC-电子工程专辑

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图3:Novelda的超宽带脉冲雷达芯片集成了完整的收发器电路和所有必要的时序与信号处理单元jkuEETC-电子工程专辑

因此最后……jkuEETC-电子工程专辑

不管你怎么想,大多数人越来越关心保健、健身和健康,从今天市场上无处不在的电子产品可见一斑。许多健身跟踪器和类似设备可以测量活动量,比如距离、速度和步数,但它们测量身体反应的能力通常限于心率。呼吸率特别是呼吸方式是更有用的性能指标,但正如我们看到的那样,它们的测量更加复杂,也更具侵入性。jkuEETC-电子工程专辑

在调查研究可以代替以前只限于医疗应用的呼吸监测技术中,Novelda发现超宽带脉冲雷达可以同时克服技术上和易用性上的挑战,实现测量和分析呼吸率和呼吸方式的解决方案,整个系统无需与身体接触,也不会被衣服或床褥等物体所阻碍。事实上,这种传感检测技术可以用来实现紧凑型呼吸监测设计,比如Novelda公司自己的XeThru传感器模块。图3jkuEETC-电子工程专辑

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图4:超宽频脉冲雷达可实现具有检测能力的紧密型设计,在单一PCB上整合了天线、讯号处理IC以及控制介面等各种元件jkuEETC-电子工程专辑

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