呼吸率是一項重要的生命徵象,有助於瞭解一個人的整體健康狀況和睡眠品質。呼吸率和呼吸方式也被認為是反映個人基礎健康狀況的良好指標。雖然目前市場中的技術都承諾能夠準確可靠地進行監測,但大多數並不理想——有的不夠準確而必須不斷地調整,有的則是用起來並不舒服。

本文討論用於測量和分析呼吸的各種現有方法,以理解它們在滿足日常健康照護和健身追蹤要求的過程中所存在的局限性。克服這些挑戰並不容易,但透過超寬頻(UWB)脈衝雷達,能夠為諸如Novelda公司的XeThru等感測器提供基礎,讓這些感測器達到2.8m的有效範圍,並能「穿透」衣服等障礙物,而且成本低且易於使用。

用於健康照護的呼吸監測

呼吸率是一個人每分鐘呼吸的次數,最好是在休息的時候進行測量。呼吸率可能由於發燒、生病或其它身體狀況而增加。測量呼吸率的最常用方法是借助實體評估方法,即觀察人體的胸部,計算一分鐘內呼吸的次數。呼吸深度則可以用肺活量計來進行判斷,該裝置可根據呼出與吸入空氣量測量肺功能。最簡單的應用方式是醫生用肺活量計來檢測氣喘等病理狀態。呼吸率本身只能提供有限的資訊,但呼吸方式(測量速率、振幅和其它特徵),則可以提供更多有價值的資訊,然後再用於醫療診斷以及評估睡眠品質。

目前市場上已有的大多數呼吸監測技術是侵入式的,需要將受測者與測量設備連接在一起。對於上述的肺活量計來說確實如此,但即使是簡單的機電式呼吸率測量通常也必須在受測者的胸部綁上一條彈性帶。其它聲學技術要求將裝置連接到受測者的頸部,而電容技術則要求在床上安裝一種專用床墊或在受測者的身體上安裝感測元件。這些方法主要用於專業的照護情況,可以提供準確的呼吸方式資料。然而,根本性的挑戰仍然存在,即感測器與身體的實體連接仍然會對受測者造成壓力。任何相關的不適又會反過來影響受測者的呼吸,從而可能使測試資料無效。

消費類呼吸監測技術

還在不久前,即使很簡單的呼吸測試也得去診所進行。更精密一點的監測作業是先在診所或醫院做初步的生理診斷,只有確診的病人才接著進行呼吸測試。智慧型手機和類似的高科技電子產品(包括心率計和血糖儀等裝置)的發明,加上人們對自身的健康和幸福更加注意與關心,使得人們對於遠離醫療環境以外其他檢測方式的期望提高。因此,市場上充斥著各式各樣的健康照護和健身監測裝置,它們可以協助消費者追蹤自己的身體活動以及管理個人健康。這些產品使用與醫學認證產品相似的技術,並對醫療設計進行更多的改善,因而能夠藉由監測睡眠品質和休息時的呼吸方式,滿足提供完整健康評估的趨勢要求。

考慮到當前解決方案的局限性,以及理解消費者期望健康與健身產品舒適、安全且易用的需求,顯然地,一款真正合適的呼吸/睡眠監測器必須符合一些相當嚴格的設計要求。它應該能夠在遠端準確地測量和記錄呼吸,其擺放位置不需要十分嚴苛,只要受測者在合理的檢測區域內即可(圖1)。受測者在此區域內的方向也不影響測量,即使其間存在一般的障礙物(如隔著羽絨被),監測器也應該能夠可靠地作業。

20160607 Novelda TA31P1 圖1:兒童呼吸記錄例子。從圖中可以清楚地看到,遠端監測的精確度需要達到僅幾毫米(mm)的胸部運動檢測

這種技術應該適用於所有年齡層和身形的人們,而且應該是非侵入式的,能夠保護受測者的隱私,即通常要將用任何視訊監控形式的監測排除在外。另外,還應該能夠同時監測多人。以感測器技術性能來看,滿足這些目標的進一步思考包括安全使用、低成本、低功耗以及易於整合進終端裝置設計,而且體積要小,並能提供數位介面。

呼吸監測

在目前市場中能夠測量呼吸率的許多產品中,大多數產品採用健身追蹤器的形式,即必須使用內建於腕帶或胸帶的可穿戴接觸式感測器。然而,睡覺時戴著一個連接身體的監測裝置並不舒服,而且以電池供電的產品還得定期充電。更先進的睡眠監測器採用非接觸式感測,因而避免了這些問題,可在提供優質睡眠監測的同時也具有更好的舒適性。這些先進的監測器使用諸如電容式感測(感測器元件置於床單下)等技術,或從床邊監測呼吸運動的連續波(CW)雷達解決方案。雖然這些解決方案不需要直接接觸身體,但電容解決方案通常需要在身體附近作業,而且可靠性也易受溫度和濕度變化的影響。CW雷達可在更遠的距離以外作業,但無法區分是呼吸引起的運動還是其它身體動作。

雷達技術似乎是非侵入式系統的理想選擇,能夠實現遠距離監測呼吸,尤其是它的訊號可以穿透衣服或床被等材料。即使如此也仍存在限制。雖然CW都普勒(Doppler)雷達對於運動高度敏感,而且能夠很容易地檢測到像呼吸這一類重複運動的頻率,但它只能提供相位資訊,而無法測量絕對距離。無法測量絕對距離意味著基於CW的雷達系統不能分辨諸如手、足等其它身體部份運動和胸部運動。因此,CW系統在分辨實際的胸部運動方面能力較弱,而這是在一整晚提供可靠資料所必需的。

我們真正需要的是能夠準確測量距離、足以區分淺呼吸和正常呼吸以及能根據胸部運動準確追蹤人體呼吸方式的方法(圖2)。然而,採用低功耗、低成本解決方案實現這個目標極具挑戰性。

20160607 Novelda TA31P2 圖2:根據胸部運動可靠地檢測呼吸,需要能夠測量絕對距離的雷達系統

使用UWB脈衝雷達

為了尋找解決這些問題的解決方案,Novelda認為,使用雷達原理的電磁感測器應該能夠滿足所有的技術要求,其它方面的問題也都可以迎刃而解。前面提到CW雷達在測量絕對距離的局限性,在使用UWB脈衝雷達技術時就不存在了,因為UWB可以產生和取樣訊號脈衝,實現由發送和接收脈衝之間的時間差所決定的高準確度距離測量。

此外,透過使用本質上是一種擴展頻譜途徑且採用數位訊號處理(DSP)恢復返回的訊號,UWB雷達可以作業於比傳統雷達更低得多的功率電平。如此一來即可克服潛在消費者不想在床邊放置大功率雷達設備的顧慮——這種技術的功率電平還不到藍牙耳機功率的千分之一。UWB的擴頻特性還意味著它能與其它射頻(RF)系統共存,而不會造成干擾或受到干擾。舉例來說,CW Doppler雷達作業於較高的功率電平,因而會干擾Wi-Fi和無線電訊號。相反地,雖然UWB雷達雖然作業於較低的功率電平,但DSP技術能可靠地從雜訊中擷取訊號,這方面與ADSL透過普通電話線上實現寬頻網際網路連接非常類似。

雷達被認為是一種複雜且昂貴的技術,一般運用於高階市場。當然,這在過去是成立的,因為傳統系統是分離式元件搭建的,使用的是高成本的陶瓷基板。然而,在目前的大多數市場(特別是消費市場)中,IC技術的廣泛普及已經使得產品能夠大量生產,價格也已經普遍被大眾接受。當今的高整合度已能用於實現系統級晶片(SoC)解決方案,使得系統在尺寸和功耗方面也獲益匪淺(圖3)。

20160607 Novelda TA31P13 圖3:Novelda的超寬頻脈衝雷達晶片整合完整的收發器電路以及所有必要的時序與訊號處理單元

因此,最後……

無論如何,大多數人越來越關心保健、健身和健康,從今天市場上無處不在的電子產品可見一斑。許多健身追蹤器和類似的裝置可以測量活動量,例如距離、速度和步數,但用來測量身體反應的能力通常僅限於心率。呼吸率以及呼吸方式是更有用的性能指標,但正如我們看到的那樣,其測量條件更加複雜,也更具侵入性。

在調查研究可取代以往只限於醫療應用的呼吸監測技術中,Novelda發現UWB脈衝雷達可以同時克服技術上和易用性上的挑戰,提供測量和分析呼吸率和呼吸方式的解決方案,整個系統無需與身體接觸,也不會被衣服或床被等物體所阻礙。事實上,這種感測技術可以用來實現緊密型的呼吸監測設計,如Novelda的XeThru感測器模組(圖4)。

20160607 Novelda TA31P14 圖4:超寬頻脈衝雷達可實現具有檢測能力的緊密型設計,在單一PCB上整合了天線、訊號處理IC以及控制介面等各種元件

(參考原文:Tackling respiration monitoring with non-contact sensor technology,by Kjetil Meisal)