使用毫米波雷达监测各项生命体征信息

2020-08-21来源: EEWORLD关键字:毫米波雷达

本文作者:Srinivasan Subramani,是Mistral Solutions的高级技术架构师,Mistral Solutions是一家技术设计和系统工程公司,为产品设计和应用部署提供端到端解决方案,专注于三个业务领域:产品工程服务、航空航天和国防与国土安全。斯里尼瓦桑在毫米波雷达、电信、多媒体、汽车和工业应用领域拥有超过22年的电子和软件开发经验。他在精密电子设计方面的经验极大地帮助了Mistral发展其毫米波雷达产品开发的技术专长,并为客户提供了更大的价值主张。


生命体征是一组个人健康状况和身体功能的医学参数,它们可为疾病恢复或及时诊断提供线索。目前主要并且便于获取的生命体征有四个:体温(BT)、血压(BP)、呼吸频率(BR)和心率(HR),生命体征因年龄、性别、体重和健康水平而异,同时也会一个人在特定情况下的身体或心理活动而有所不同。例如,从事体育活动的人会表现出不同的体温、呼吸频率和心率。


毫米波雷达可以获取这些医学参数。


雷达路径上的任何物体都会反射回信号,雷达系统通过捕获和处理反射信号,可以确定目标的距离、速度和角度。毫米波雷达在目标距离检测中提供毫米级精度的潜力使其成为检测人体生物信号的理想技术。此外,毫米波技术还带来了非接触、连续监视病人的优势。


在本文中,我们将讨论如何使用毫米波雷达来监测生命体征,如BR和HR。


BR和HR的生命体征表明什么?


通常,健康人的生命体征如下表(1)所示:


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表1:健康人的生命体征


如前所述,这些数值可能因测量时的年龄、性别、健康水平和身体或精神活动的不同而不同。这些参数(HR和BR)的综合分析有助于医疗保健专业人员评估被观察者的健康和压力水平,不同年龄组人群的静息心率如下表所示。


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表2:各年龄段静息心率(来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Heart_-rate静止心率)


下面的图显示了在测量时基于人的身体或精神变化时HR变化。


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图:基于个人健康、压力和医疗状况的心率变化(来源:https://www.aaai.org/ocs/index.php/aaai/AAAI18/paper/view/16967/15916)


HR和BR可以快速诊断某些致命的疾病,例如阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(OSAS)和婴儿猝死综合征(SIDS)。在OSAS中,患者在睡眠期间长时间暂停呼吸,如果是SIDS,婴儿的呼吸会因为趴在脸上或由于物质障碍而受阻。呼吸困难和慢性阻塞性肺病是其他与呼吸有关的疾病。如下图所示,了解各种情况下的呼吸模式。


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图:呼吸模式(来源:https://clinicalgate.com/)


研究表明,静息心率高的个体患心脏病的风险更高。静息心率较低的个体将来可能需要永久性起搏器植入。


监测呼吸频率和心率有助于挽救生命。


基于接触和非接触的生命体征测量


现有的测量设备大多是基于接触的仪器。它们需要贴在病人的身体上进行测量和监测。对于需要长时间持续监测的患者来说,这并不总是方便的。例如,考虑正在进行的COVID-19大流行情况,在这种情况下,非接触式重要监测设备可能会变得更加相关,因为它们有助于最大限度地减少病毒通过接触点和接触点的传播。这确保了医护人员的安全。因此,需要远程非接触式仪器。


毫米波雷达


顾名思义,这是利用波长从10毫米到1毫米,频率为30至300兆赫的射频波的雷达技术。工业应用中雷达的频谱为60至64Ghz,汽车应用为76至81GHz。由于这些频率下的信号波长较短,雷达天线的尺寸较小。这些雷达体积小,加上天线封装(AoP)和PCB上天线(AoPCB)等天线技术的进步,使其在汽车导航、楼宇自动化、医疗保健和工业应用中得到广泛应用。


本文主要研究调频连续波雷达,FMCW雷达连续发射调频信号来测量目标的距离、角度和速度。FMCW雷达不同于传统的脉冲雷达系统,后者周期性地发射短脉冲。对于FMCW雷达,信号频率随时间线性增加。这种类型的信号称为Chirp(图3)。


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图3:时域Chirp。(来源:作者)


FMCW雷达系统发射一个Chirp信号,并捕获其路径上物体反射的信号。图4是FMCW雷达主要部件的简化框图。


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图4:FMCW雷达框图(来源:德州仪器)


“混频器”将接收和发送信号组合起来,以产生一个中频(IF)信号。混频器输出有两个信号,即Rx和TxChirp频率的和及差,低通滤波器用于只允许频率差的信号通过。


图5显示了在频域中发射和接收的Chirp。如果在不同的距离有多个目标,就会有多个反射Chirp,每一个都有一个基于返回雷达所需时间的延迟。对于每一个反射的Chirp都会有一个相应的中频音调。


image.png

图5:TX和Rx Chirp和中频频率的频域表示(来源:德州仪器)


在分析中频信号的频谱时,频谱中的每个峰值对应一个或多个检测目标,频率对应于目标的范围。


当目标向雷达或远离雷达移动时,由于多普勒效应,反射Chirp的频率和相位会发生变化。由于波长约为3.5毫米,微小的变化会导致大的相位变化。相较于频率的微小变化,很容易检测到相位的大变化。因此,在FMCW雷达中,相位信息被用来检测目标的速度。为了确定物体的速度,使用多个Chirp。记录了连续反射Chirp之间的相位差,并用它计算速度。


毫米波雷达如何探测生命体征?


短波的优点是精度高。在60或77GHz(相应波长在4毫米范围内)工作的毫米波雷达将能够探测到短至毫米的运动。


图6显示了一个毫米波雷达向病人胸部发射Chirp。由于胸部的运动,反射信号被相位调制。调制包含了运动的所有组成部分,包括由心跳和呼吸引起的运动。雷达以预定的间隔发射多个Chirp。在每一个Chirp中,进行距离FFT,并选择与人胸部位置相对应的距离。每一次Chirp都会记录下所选范围内信号的相位。由此计算出相位的变化,从而得出速度。获得的速度仍然包括所有运动的分量。对获得的速度进行频谱分析有助于解析各种分量。这是通过做多普勒FFT来实现的。


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图6:HR和BR检测设置。(来源:作者)


图7显示了HR和BR检测算法。成年人的心跳频率在0.8到2赫兹之间,而呼吸频率在0.1到0.5赫兹之间。从多普勒FFT中,选择心跳和呼吸频率处的速度分量,并绘制与时间的关系图。每一个频率在一分钟内的峰值数提供了人的心率和呼吸频率。


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图7:HR和BR检测算法。(来源:作者)


基于毫米波雷达的生命体征监测面临的挑战


使用毫米波技术监测生命体征仍在开发中。主要的挑战之一是人与人之间反射信号的变化。反射取决于皮肤类型、组织及其成分。体内的含水量和各种化学成分不同。目前正在进行的对反射信号变化的研究有望产生结果,并通过雷达实现更精确的测量。


结论


毫米波雷达的主要研究方向是国防、汽车和工业应用。然而,毫米波技术的最新进展在医疗保健行业也具有重要意义。更高的精确度、高速信号处理能力、增强的距离检测以及将雷达集成到一个超小型芯片组中有望极大地实现医疗保健应用,如患者活动监测、生命体征监测等。此外,毫米波雷达还可用于测量睡意,人的压力水平和人的情绪——这对医疗保健和开发汽车应用中的驾驶员监控系统具有重要意义。

关键字:毫米波雷达 编辑:冀凯 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/medical_electronics/ic507197.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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