生命體征是一組指示人的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。生命體征主要有四種：體溫（BT）、血壓（BP）、呼吸頻率（BR）和心率（HR）。這些參數因年齡、性別、體重和健康水平而異。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信號反射回去。通過捕獲和處理反射信號，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級別的精度，因而成為人類生物信號的理想傳感技術。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。

本文將討論毫米波雷達如何用于監測生命體征信號（例如BR和HR）。

呼吸頻率和心率意味著什么？

通常，健康人的生命體征參數如下表（1）所示：

表1: 健康人的生命體征

如前所述，生命體征的數值可能會隨年齡、性別、健康水平以及測量時的身體或心理活動而變化。對這些參數（HR和BR）的綜合分析有助于醫療保健人員評估被觀察者的健康和壓力水平。下表顯示了不同年齡段人群的靜態心率。

表2: 不同年齡段人群的靜態心率(來源:維基百科)

下圖（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。

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）

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暫停綜合癥（OSAS）和嬰兒猝死綜合癥（SIDS）。OSAS患者在睡眠過程中會長時間暫停呼吸，而SIDS是指嬰兒可能因趴著睡覺或外物阻塞而導致呼吸受阻。其它與呼吸有關的疾病還包括呼吸困難和慢性阻塞性肺疾病。請參閱下圖了解各種情況下的呼吸模式。

圖2: 呼吸模式(來源：Clinicalgate)

研究表明，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起搏器。

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體征測量

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。 這對于需要長時間連續監測的患者來說不是很方便。而且，在當前正流行的COVID-19疫情下，非接觸式生命體征監測設備可能會變得更加重要，因為它將有助于最大程度地減少通過接觸點和接觸者造成的病毒傳播，更好地確保醫療保健人員的安全。因此，遠程、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30-300 GHz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。由于在這些頻率下信號的波長較短，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（AoP）和PCB天線（AoPCB），毫米波雷達得以在汽車導航、樓宇自動化、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雷達連續發射調頻信號以測量目標物體的距離、角度和速度，而傳統脈沖雷達系統定期發送短脈沖。對于FMCW雷達，信號頻率隨時間線性增加，這種信號稱為線性調頻脈沖（chirp）（圖3）。

圖3: 時域中的線性調頻脈沖

FMCW雷達系統發送線性調頻脈沖信號，并捕獲其路徑中物體反射的信號。圖4為FMCW雷達系統主要元器件的簡化框圖。

圖4: FMCW雷達系統框圖（來源：TI）

其中“混頻器”用于混合接收端（RX）和發射端（TX）信號以產生中頻（IF）信號。混頻器的輸出包含了兩種信號，分別為Rx和Tx線性調頻脈沖頻率之和與頻率之差。還有一個低通濾波器用于限制信號，僅允許頻率之差的信號通過。

圖5顯示了頻域中發送和接收的線性調頻脈沖。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沖，每個脈沖都有延遲，延遲的長短則取決于信號返回雷達的時間。對于每個反射的線性調頻脈沖，都會有一個相應的IF頻率。

圖5：Tx和Rx線性調頻脈沖的頻域表示以及IF頻率

分析IF信號頻譜可以得出，頻譜中的每個峰值對應于一個或多個檢測到的目標，而頻率則對應于目標的距離。

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沖的頻率和相位都會改變。由于其波長約為3.5毫米，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，相位信息被用于檢測物體的速度。為確定物體速度，要使用多個線性調頻脈沖，記錄連續反射的線性調頻脈沖之間的相位差，并據此計算出速度。

毫米波雷達如何檢測生命體征？

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4毫米范圍內）能夠檢測出短至小于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沖。由于胸部的運動，反射信號是相位調制的。調制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沖。每個脈沖都進行距離快速傅立葉變換（FFT），并選擇與人的胸部位置相對應的距離檔。每個線性調頻脈沖都會記錄該選定距離檔中的信號相位。由此計算出相位變化，并從而得出速度。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，并繪制其隨時間的變化曲線。每種頻率在一分鐘內產生的峰值數就是心率和呼吸頻率。

圖7：HR和BR檢測算法

毫米波雷達進行生命體征監測所面臨的挑戰

采用毫米波技術進行生命體征監測還在不斷發展中。其主要挑戰之一是不同人之間反射信號的差異。反射取決于皮膚類型、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信號變化的研究將有望取得成果，以通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、高速信號處理能力、增強的距離檢測以及將雷達集成到小尺寸芯片組中，將可能極大地推動醫療保健應用的發展，如患者活動監測、生命體征監測等。此外，毫米波雷達將可能用于測量嗜睡、壓力水平和人的情緒，這對醫療保健和汽車應用中的駕駛員監測系統開發具有重大意義。
編輯：hfy