利用毫米波「免接觸」量測生命徵象

作者 : Srinivasan Subramani,Mistral Solutions技術架構師

毫米波雷達的主要應用集中在國防、汽車和工業領域。然而,其在醫療保健行業的最新進展也具有重要意義。更高的精度、高速訊號處理能力、增強的距離檢測以及將雷達整合到小尺寸晶片組中,將可能極大地推動醫療保健應用的發展,如患者活動監測、生命徵象監測等。

生命徵象是一組指示人們健康狀況和身體機能的醫學參數,它們提供可能的疾病線索以及恢復或惡化的趨勢。生命徵象主要有四種:體溫(BT)、血壓(BP)、呼吸頻率(BR)和心率(HR),這些參數因年齡、性別、體重和健康水準而異。在特定條件下,這些參數也可能因人的身體或心理活動而有所不同;例如正在從事體育活動的人可能會具有較高的體溫、呼吸頻率和心率。

毫米波(mmWave)雷達會發射電磁波,其路徑中的任何物體都會將訊號反射回去。透過擷取和處理反射訊號,雷達系統可以確定物體的距離、速度和角度。毫米波雷達在物體距離檢測中可以提供毫米(mm)等級的精度,因而成為人類生物訊號的理想感測技術。此外,毫米波技術還可以對患者進行非接觸式的連續監控,因此無論醫生還是患者都比較方便。

以下本文將討論毫米波雷達如何用於監測生命徵象訊號,例如呼吸頻率與心率。

呼吸頻率和心率意味著什麼?

通常,健康者的生命徵象參數如下表一所示:

表1:健康者的生命徵象。

如前所述,生命徵象的數值可能會隨年齡、性別、健康水準以及測量時的身體或心理活動而變化。對這些參數(HR和BR)的綜合分析有助於醫療保健人員評估被觀察者的健康和壓力水準。下表顯示了不同年齡層人群的靜態心率(resting heart)。

表2:不同年齡段人群的靜態心率。
(來源:維基百科)

圖1顯示了在測量時不同身體或精神投入條件下的心率變化。了解心率和呼吸頻率可以快速診斷某些致命疾病;例如阻塞性睡眠呼吸中止症候群(OSAS)和嬰兒猝死症候群(SIDS)。OSAS患者在睡眠過程中會長時間暫停呼吸,而SIDS是指嬰兒可能因趴睡或外物阻塞導致呼吸受阻。其他與呼吸有關的疾病還包括呼吸困難和慢性阻塞性肺疾病。請參考圖2了解各種情況下的呼吸模式。

 

圖1:根據個人的健康狀況、壓力和醫療狀況而變化的心率。

(來源:AAAI)

 

圖2:呼吸模式。
(來源:Clinicalgate)

 

研究顯示,靜態心率高的人患心臟相關疾病的風險更高,而靜態心率低的人未來則有可能需要永久植入心律調整器(pacemaker)。而對患有上述疾病的患者進行呼吸頻率和心率的監測,將有可能挽救其生命。

接觸和非接觸式生命徵象測量

現有的測量儀器大多是接觸式的,它們需要附著在患者身上才能進行測量和監測。這對於需要長時間連續監測的患者來說不是很方便。

不過考量到正流行的COVID-19疫情,非接觸式生命徵象監測設備可能會變得更加重要,因為它將有助於最大程度地減少透過接觸點和接觸者造成的病毒傳播,更能確保醫療保健人員的安全。因此,遠端、非接觸式儀器是我們的當下之需。

毫米波雷達

毫米波雷達,顧名思義是一種雷達技術,它利用波長為10mm至1mm、頻率為30~300GHz的射頻微波。工業應用領域的雷達頻譜為60~64 GHz,汽車應用為76~81 GHz。由於在這些頻率下訊號的波長較短,因此雷達天線的尺寸也較小。

小體積的雷達,再加上先進的天線技術,如封裝天線(Antenna on PCB,AoP)和PCB天線(AoPCB),毫米波雷達得以在汽車導航、大樓自動化、醫療保健和工業應用中得到廣泛應用。

本文介紹的重點是調頻連續波(FMCW)雷達。FMCW雷達連續發射調頻訊號以量測目標物體的距離、角度和速度,而傳統脈衝雷達系統定期發送短脈衝。對於FMCW雷達,訊號頻率隨時間以線性增加,這種訊號稱為線性調頻脈衝(chirp),參考圖3。

 

圖3:時域中的線性調頻脈衝

 

FMCW雷達系統發送線性調頻脈衝訊號,並擷取其路徑中物體反射的訊號。圖4為FMCW雷達系統主要零組件的簡化電路圖。

 

圖4:FMCW雷達系統電路圖。
(來源:TI)

 

其中「混頻器」(mixer)用於混合接收端(RX)和發射端(TX)訊號以產生中頻(IF)訊號。混頻器的輸出包含了兩種訊號,分別為Rx和Tx線性調頻脈衝頻率之和與頻率之差。還有一個低通濾波器用於限制訊號,僅允許頻率之差的訊號通過。

圖5顯示了頻域中發送和接收的線性調頻脈衝。如果在不同距離內有多個物體,將有多個反射的線性調頻脈衝,每個脈衝都有延遲,延遲的長短則取決於訊號返回雷達的時間。對於每個反射的線性調頻脈衝,都會有一個相應的IF頻率。

 

圖5:Tx和Rx線性調頻脈衝的頻域表示,以及IF頻率。

 

分析IF訊號頻譜可以得出,頻譜中的每個峰值對應於一個或多個檢測到的目標,而頻率則對應於目標的距離。

根據多普勒效應,當物體移向或遠離雷達時,其反射的線性調頻脈衝的頻率和相位都會改變。由於其波長約為3.5mm,任何很小的變化都將會導致很大的相位變化。很小的頻率變化不容易檢測,而大的相位變化很容易被檢測到。

因此,在FMCW雷達中,相位資訊被用於檢測物體的速度。為確定物體速度,要使用多個線性調頻脈衝,記錄連續反射的線性調頻脈衝之間的相位差,並據此計算出速度。

毫米波雷達如何檢測生命徵象?

短波長的優點是精度高。頻率為60或77GHz的毫米波雷達(對應波長在4mm範圍內)能夠檢測出短至小於1mm的移動。

圖6顯示了毫米波雷達向病人的胸部區域發射線性調頻脈衝。由於胸部的運動,反射訊號是相位調變的。調變涵蓋運動的所有分量,包括心跳和呼吸引起的運動。雷達根據預定時間間隔發送多個線性調頻脈衝。

每個脈衝都進行距離快速傅立葉轉換(FFT),並選擇與人的胸部位置相對應的距離檔。每個線性調頻脈衝都會記錄該選定距離檔中的訊號相位。由此計算出相位變化,並從而得出速度。所獲得的速度仍然包括所有運動分量。通過執行多普勒FFT對獲得的速度進行頻譜分析,可以解析出各種分量。

 

圖6:心率(HR)和呼吸頻率(BR)檢測設置。

 

圖7顯示了HR和BR檢測演算法。成年人的心率在0.8到2Hz之間,呼吸頻率在0.1到0.5Hz之間。在多普勒FFT中,選擇心跳和呼吸頻率的速度分量,並繪製其隨時間的變化曲線。每種頻率在1分鐘內產生的峰值數就是心率和呼吸頻率。

 

圖7:HR和BR檢測演算法。

 

毫米波雷達監測進生命徵象的挑戰

採用毫米波技術進行生命徵象監測還在不斷發展中。其主要挑戰之一是不同人之間反射訊號的差異。反射取決於皮膚類型、組織及其組成。人體內的水分含量和各種化學成分也不同。業界正在進行的反射訊號變化的研究將有望取得成果,以透過雷達實現更精確的測量。

結論

毫米波雷達的主要應用集中在國防、汽車和工業領域。然而,其在醫療保健行業的最新進展也具有重要意義。更高的精度、高速訊號處理能力、增強的距離檢測以及將雷達整合到小尺寸晶片組中,將可能極大地推動醫療保健應用的發展,如患者活動監測、生命徵象監測等。

此外,毫米波雷達將可能用於測量嗜睡、壓力水準和人的情緒,這對醫療保健和汽車應用中的駕駛員監測系統(DMS)開發具有重大意義。

 

本文同步刊登於簡體中文版《電子工程專輯》雜誌2020年10月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:Using mmWave radar for vital signs monitoring,by Srinivasan Subramani )

 

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