通過精確且連續地測量心率和呼吸頻率，可以深入了解人體的生理和心理健康狀況。生命體征分析可以檢測到生理衰退的跡象，提示危及生命的事件，確定潛在病因，確保醫生及時干預，以改善患者的健康。

據麥姆斯咨詢報道，美國德克薩斯大學達拉斯分校（University of Texas at Dallas）的研究人員使用數字波束成形方法掃描受試者的身體，提供更可靠的心率檢測估算技術。以前的研究使用雷達傳感器，基于最大返回信號或最大方差的范圍選擇策略，以篩選被測范圍內的受試者。此次，研究人員開發了一種結合多范圍和角域的策略，以降低心率誤測的概率。該算法在多個受試者身上進行了測試，與現有方法相比，提供了更準確的心率估算。

在該研究中，研究人員并不試圖確定單個最佳位置。首先，他們通過基于天線陣列的數字波束成形技術，將被測對象身體部位定位擴展到角域。盡管波束成形技術傳統上用于分離多個受試者，但他們提出了一種使用接收波束成形虛擬掃描單個受試者的方法，以使心率檢測更加可靠。

雖然多個對象仍然可以在范圍和角域中進行分辨，但跨多個范圍和角度的虛擬掃描可以用于識別個體心率。隨后，他們圍繞這一點構建了心率估算方法。最后，他們通過對多個受試者使用該算法的實驗結果來驗證心率位置的存在，并表明心率信號確實在范圍-角域的多個位置普遍存在。

慢時間信號處理和生命體征估算流程

該論文介紹了研究中使用的調頻連續波（FMCW）傳輸系統，與所使用系統相關的相應數據結構，以及所提出的算法細節。值得注意的是，即使該研究使用的是FMCW雷達系統，但所討論的概念不僅僅限于FMCW雷達，并且可推廣到所有能夠在空間域和多普勒域區分目標的系統。

FMCW中頻（IF）信號的數據立方體表示

該實驗在常規雜亂的房間中進行。一張平面桌上放著雷達傳感器，離傳感器約1.3米的地方一把椅子。測量設置如下圖所示。受試者被要求佩戴可穿戴胸帶記錄參考心率。受試者坐在椅子上，每次測量持續80秒，在此期間保持一個姿勢不動。這種測量持續4到10次。之所以選擇80秒的時長，是為了受試者可以相對靜止的坐著，不會因疲勞而不由自主地晃動。傳感器放置在大約是受試者胸部高度的水平線上。

（a）德州儀器（TI）77 GHz AWR1843傳感器；（b）博能（Polar）H10胸帶

受試者的測量設置

（a）受試者定位流程圖；（b）覆蓋受試者和靜態雜波受限空間的傳感器；（c）在距離范圍和角域中定位受試者，同時抑制靜態雜波的回波

在本研究工作中，研究人員使用8通道MIMO FMCW雷達傳感器來檢測受試者的心率。他們的新方法不同于將人體視為空間中的一個小反射體——傳統方法嘗試為心率信號的檢測找到一個最佳位置。而此次，研究人員提出了一種將空間劃分為范圍-角域區間，并利用被劃分的多區間獲取心率的算法。

包括一種諧波校正方法，用于解釋呼吸諧波，并利用諧波積譜校正心率諧波的頻譜影響。心率信號存在于身體的多個位置，這一事實通過顯示跨范圍和角域的正確心率值的熱圖得到了驗證。該算法改進了生命體征的檢測和跟蹤，性能優于以往的研究。對多個受試者的測試得出1.31 bpm的低平均絕對誤差、93.5%的高心率準確率的結果。此外，該方法可以與其它信號處理技術結合使用，以增強現有方法。

值得注意的是，雖然本研究中使用的天線是按方位角對齊的，但將這項工作擴展到仰角域，以創建三維搜索算法可能會產生更有意義的結果。該算法還可以擴展到高程域。這種方法需要一個二維天線陣列，在仰角域上具有足夠數量的通道，從而提高該域的角度分辨率。提高角度分辨率的其它方法是使用合成孔徑雷達方法或級聯雷達板，這是未來研究的潛在途徑。對于較低的角度分辨率，估算結果的改進可能不會那么顯著。

將雷達傳感器作為生命體征測量應用的首選工具，面臨的另一個挑戰是運動問題。在未來工作中，研究人員將致力于在運動的情況下對生命體征進行穩健檢測。在設計諸如睡眠監測或在醫院環境中監測患者生命體征等應用時，受試者不會一直處于運動狀態。除了軀干外，其它運動都是間歇性的。

因此，在生命體征信號被運動隱藏的情況下，可以通過移除運動影響的持續時間或嘗試從被運動干擾的信號中檢測生命體征信號來解決。該研究提出的思路可以與任何運動校正算法結合使用，無論是否有運動，都可以增強心率的檢測和跟蹤。




審核編輯：劉清