利用雷达非接触测量生命体征

现代社会中，健康监测发挥着越来越重要的作用。最好在早期能够发现健康问题，从而避免住院或至少尽可能缩短住院时间。人们希望在熟悉的环境中过上自主和独立的生活，直到老年。

此外，年轻人对更加个性化和自主的医疗服务也更感兴趣。由于能够随时监测身体健康状态，因此可以在早期发现疾病并得到尽可能快的治疗。此外，父母正在尽一切努力，确保他们的孩子或婴儿发育良好，以便能在最坏情况发生时，能够迅速做出反应。

根据心肺数据的不规则性，许多疾病都可以早期发现。随着技术的进步，各类新的发现手段正在出现。自智能手表首次推出以来，消费电子产品与数字健康监测的结合越来越受欢迎。这一积极趋势在医疗保健行业也很明显，如图1显示，在过去10年中，业界对数字健康的投资增长了20倍，最近一段时间增长极为迅猛。

图1：近年来，数字健康行业的投资急剧增加。

可以监测的最重要生命体征包括心跳和呼吸频率。这些信息可用于早期检测心血管疾病或慢性阻塞性肺病(COPD)等疾病。同样，睡眠呼吸暂停等疾病的检测也可以通过睡眠监测来实现。

目前所用大多数技术的健康跟踪监测，都需要通过电极或传感器与患者皮肤直接接触等方式来实现。这类接触式监测，既用于医院所用的高精度医疗系统，也用于了消费行业的可穿戴设备。但这些解决方案中，要么离不开影响病人自由移动的电缆，要么离不开麻烦的定期充电。此外，这些方法也不适合皮肤过敏或皮肤受伤的人群。同样，这些依赖接触的测量，对于婴儿和老年人来说往往很困难。因此，数字医疗保健市场中，需要一种能够实现无接触和连续用户监控的产品。

雷达技术的优点

雷达传感器能够连续无接触地监测心跳和呼吸频率。它还支持长期的重要数据记录，另外用户也无需一直惦记着监测这件事。这不仅有助于医生做出准确的诊断，还可以保证患者的卫生。因此，雷达的重要传感能力，有望解决当今医疗保健行业的许多挑战。

但是生命传感是如何与雷达技术协同工作的呢？

雷达收发器通过其Tx天线，发射低能量RF信号，然后通过Rx天线接收反射信号(见图2)。通常，移动目标会导致多普勒频移，这可以通过将接收信号与发射信号进行比较来得到测量结果。利用像英飞凌XENSIV™60-GHz雷达传感器这类高灵敏度传感器，能够检测到由呼吸和心跳引起的胸部微小运动。得益于先进的算法，可以从信号中准确提取心跳和呼吸频率。这也可以满足医疗认证的要求。

图2：用于生命体征传感的雷达工作原理。

在生命传感的背景下，相较以前的技术，雷达技术有五大优势：包括不易察觉、坚固耐用、匿名、节能和体积小。

不易察觉

对于生命体征传感，雷达技术的优点是几乎不影响患者。唯一的要求是用户需活动在设备的覆盖范围内，通常为1.5米以内。如果用户的胸部能够朝向传感器将会更好，不过这并非强制性的。由于雷达可以通过非导电材料进行探测，人们可以穿任何类型的衣服或用薄毯子盖住身体。这一性能也使得雷达设备工程师在外壳的材料和形状方面几乎可以自由选择，以满足消费者的应用要求。

坚固耐用

此外，雷达传感器的功能几乎不受周围条件的影响。例如，无论房间里是完全黑暗还是非常明亮，或者是尘土飞扬、多雾还是潮湿，它都能连续可靠地工作。因此，雷达传感器不会干扰人们的日常生活。得益于先进的信号处理，传感器还可以区分人类和非人类目标，因此可以忽略小宠物和其他杂波信号来源。

匿名

雷达设备只分析其自身发射信号的回波，不依赖于任何外部信号。因此，雷达不会收集任何个人数据，如图像、声音或视频。因此，基于雷达的健康监测设备，用户可以在家中和其他私人空间持续使用，而不必担心侵犯隐私问题。

节能

由于只有几毫瓦的低功耗，故雷达能够全天候使用。此外，典型的辐射功率大约为10dBm(10mw)，甚至更小。来自雷达传感器的该辐射功率是很低的，对人体没有什么不良影响。如果要找一个参照的话，就看一下智能手机，5G手机的辐射功率也要高达20dBm(100mw)。而5G之前，手机辐射还要大得多。

体积小

雷达芯片的尺寸也非常紧凑。英飞凌BGT60UTR11AIP(见图3)的尺寸为4.05×4.05mm，是市场上最小的带集成天线的60GHz雷达传感器。像这样的传感器，可以很容易地集成到消费电子产品中，在那里它们能够提供许多增强功能。集成应用产品包括智能集线器、笔记本电脑、平板电脑、智能电视和许多其他智能家居设备。

图3：英飞凌BGT60UTR11AIP雷达传感器示意图。

将健康监测引入智能家居

疫情的教训，促使人们意识到了解自己健康状况和预防潜在疾病的重要性。同样，机器学习的进步，使传感器技术的功能能够得到最大限度的利用。因此，雷达技术将越来越多地进入智能家居进行健康监测。

生命数据的连续记录，意味着可以很容易地与医生共享，以便做出准确的诊断。得益于人工智能，对记录的数据和随时间推移的趋势进行分析，可以早期发现疾病，比如睡眠呼吸暂停等已知或疑似疾病的症状可以被识别、记录，并与医生分享。此外，在发生呼吸暂停或有呼吸暂停风险的情况下，设备还可以自动且及时地向医疗急救系统发出求救警报。

基于这些功能，使老年人、尤其是病人能够过上自主的生活。但年轻父母也能从这项技术中受益，因为对于婴儿和新生儿而言，尤其难以用传统系统进行监测。这也是雷达传感能真正体现其价值的地方，无论是监测婴儿猝死综合征的迹象，还是监测早产儿或重病婴儿。

实际上，不仅仅是睡眠中的人可以通过雷达进行监控。由于雷达芯片体积小巧，雷达传感器可以直接被集成到几乎所有类型的智能家居设备中，包括智能电视、笔记本电脑或灯具。这使得传感器能够在智能灯的帮助下，监测人的心跳和呼吸频率，无论他/她是在睡眠中、看电视时、还是在笔记本电脑前工作或阅读时。雷达技术还可以立即检测到心脏病发作，并触发适当的紧急呼叫。当集成到机动车辆中时，它还可以指示驾驶员辅助系统使汽车安全停车。此外，雷达传感器还可以用来检测疲劳迹象，并提醒人们在工作或开车过程中适度休息。

同时，雷达传感器能够实现脉搏和呼吸监测之外的其他功能(见图4)。例如，它们可以用于跌倒检测，并且正在进行中的、利用雷达进行血压测量方面的研究也颇有建树。由于雷达技术能够同时检测微动、速度和方向，因此配备雷达的产品，可以利用这些信息支持生命传感之外的更复杂应用。雷达传感器也可以用于强大的人体检测，例如，在没有人坐在电视机或笔记本电脑前的情况下，还可以将设备自动切换到节能模式。还可以实现手势控制，以及跟踪房间中多个人的位置。

图4：雷达在生命传感中的潜在应用。

工作中的雷达传感器

英飞凌利用其XENSIV™60-GHz雷达传感器(如BGT60UTR11AIP或BGT60TR13C)，为开发人员提供了将生命传感纳入其设计中所需的一切。英飞凌在汽车和工业雷达市场拥有多年的经验，是在消费电子产品中使用雷达进行生命传感的先驱之一。

由于能够为客户产品的软硬件设计和测试提供强有力的支持，反过来强化了公司高质量、高可靠性产品系列。总而言之，产品工程师节省了开发时间，可以提供高质量的最终产品。

一些客户和合作伙伴，已经成功地在其生命传感产品中集成了英飞凌雷达传感器。例如，瑞士Sleepiz公司提供一种经过医学认证的睡眠监测设备(见图5)；此外，谷歌的NestHub2也正在使用英飞凌的雷达传感器，作为其产品的附加功能，来检测睡眠中的生命体征。

分析睡眠和检测睡眠呼吸暂停

Sleepiz的目标是检测睡眠呼吸暂停等疾病，以防止心脏病或糖尿病等引发更严重的健康问题。作为英飞凌的关联合作伙伴，该公司还将其稳健心跳和呼吸频率检测算法与英飞凌的XENSIV™60-GHz雷达传感器，作为其产品的一部分一道提供给其他客户，以简化和加快这些用户的生命传感产品开发。

图5：采用英飞凌XENSIV™60-GHz雷达传感器的设备，可以通过分析呼吸频率和心跳等生命体征，来检测呼吸暂停等睡眠障碍。

结论

有了雷达技术，可以构建面向消费者的产品，将智能设备提升到一个全新的水平，将智能医疗引入大众市场。雷达监测是唯一可以连续匿名监测心跳和呼吸频率的非接触式技术。

雷达传感器为消费电子产品和医疗保健市场提供了生命传感。从对早产儿的监测到早期疾病检测，再到对老年人的健康和医疗状况的监测，雷达可以在生命的任何阶段，实现低功耗和准确的生命传感。

(参考原文：Contactless Measurement of Vital Signs with Radar Sensors）

本文为《电子工程专辑》2023年6月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅