基于毫米波雷達(dá)的非接觸人體心電圖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)

12月5日消息，據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)消息，該校吳曼青院士團(tuán)隊(duì)陳彥教授、孫啟彬研究員等人實(shí)現(xiàn)了基于毫米波雷達(dá)的非接觸人體心電圖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，突破了100余年來心電圖僅能通過接觸式傳感器獲取的局限。 相關(guān)研究成果以“Contactless Electrocardiogram Monitoring with Millimeter Wave Radar”為題發(fā)表于《IEEE Transactions on Mobile Computing》，并于11月28日被IEEE（國際電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）旗艦出版物IEEE Spectrum特別報(bào)道。

心血管疾病是全球第一大致死疾病，每年約有1860萬人因此失去生命。心電圖（ECG）監(jiān)測(cè)一直被視為臨床診斷心血管疾病的金標(biāo)準(zhǔn)之一，在疾病早期診斷發(fā)現(xiàn)以及后續(xù)治療過程中均有極高的臨床價(jià)值。 然而，自發(fā)明一百多年來至今，ECG的工作原理是通過接觸皮膚的電極捕捉反映心臟狀態(tài)的電活動(dòng)變化，要求利用貼身電極測(cè)量體表的電活動(dòng)變化，導(dǎo)致不適的用戶體驗(yàn)。

△非接觸心電圖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

具體來說，陳彥教授等人利用心臟電活動(dòng)與機(jī)械活動(dòng)是心臟活動(dòng)同源不同表征的特性，開發(fā)了一種毫米波雷達(dá)系統(tǒng)，用于非接觸式測(cè)量心臟機(jī)械活動(dòng)，從射頻（RF）信號(hào)中提取4D心臟機(jī)械運(yùn)動(dòng)信號(hào)，隨后利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建模心臟機(jī)械活動(dòng)與電活動(dòng)之間的非線性映射關(guān)系，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式求解該域轉(zhuǎn)換問題，并實(shí)現(xiàn)從RF輸入到ECG輸出的端到端重建映射，最終還原出心電ECG波形。 據(jù)介紹，研究人員進(jìn)行了200項(xiàng)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)，涉及35名年齡在18至65歲之間的參與者。毫米波雷達(dá)裝置放置在他們身體上方0.4至0.5米之間，在正常呼吸、不規(guī)則呼吸、運(yùn)動(dòng)后和睡眠四種不同的生理狀態(tài)，以模擬日常生活中的常見情況。 在使用這些數(shù)據(jù)來訓(xùn)練和測(cè)試他們的人工智能后，研究人員發(fā)現(xiàn)，與帶電極的標(biāo)準(zhǔn)心電圖監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，該方法的實(shí)現(xiàn)了時(shí)間中位數(shù)精度誤差小于14毫秒，形態(tài)中位數(shù)精度大于90%的非接觸ECG監(jiān)測(cè)性能。

△時(shí)間中位數(shù)精度誤差小于14毫秒

該方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果還支持對(duì)臨床心律紊亂診斷過程中的關(guān)鍵指標(biāo)：R-R間隔的穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，其90%誤差均在9毫秒以內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的醫(yī)學(xué)價(jià)值。

△系統(tǒng)的時(shí)間和形態(tài)精度性能分析以及在不同心率狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

該研究突破了無線信號(hào)在人體感知任務(wù)中的物理感知極限，提供了一種非接觸ECG監(jiān)測(cè)方法。在使用過程中，被測(cè)者不需要佩戴電極也不需要去除衣物，以無感的方式完成ECG監(jiān)測(cè)，具有極高的臨床價(jià)值。 不過需要指出的是，當(dāng)患者隨機(jī)移動(dòng)時(shí)，新方法檢測(cè)方法得出的結(jié)果可能不太準(zhǔn)確。研究小組計(jì)劃在未來的工作中解決這個(gè)問題。這項(xiàng)研究也涉及健康個(gè)體，因此需要進(jìn)一步訓(xùn)練人工智能算法，以適用于患有特定潛在心血管疾病的人。

審核編輯：郭婷