面向非接觸式生命體征檢測(cè)的光子雷達(dá)

生命體征是反映人體基本功能的一組臨床測(cè)量值，被用作監(jiān)測(cè)醫(yī)療和健康狀況的診斷參數(shù)。因此，生命體征檢測(cè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多臨床場(chǎng)景，例如，重癥監(jiān)護(hù)病房用于危重患者的監(jiān)護(hù)，老年護(hù)理機(jī)構(gòu)用于晝夜健康監(jiān)測(cè)以防止無人看管的患者出現(xiàn)醫(yī)療緊急情況，以及在車輛中用于確定駕駛員是否打嗜睡等。

傳統(tǒng)的生命體征檢測(cè)需要依賴接觸式設(shè)備，例如脈搏血氧計(jì)，利用電極來檢測(cè)由心臟收縮引起的微弱電變化，還有智能手表，利用基于血流和體積變化引起的紅外探測(cè)光的強(qiáng)度變化（光體積描記術(shù)）。這類應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但接觸式方案在全天候監(jiān)測(cè)中還是會(huì)引起用戶不適。盡管利用可穿戴傳感器嵌入腕帶或衣物等方案大幅改善了用戶體驗(yàn)，但它們?nèi)匀徊贿m合燒傷或皮膚刺激性的患者，也不適合附著面積不足的嬰兒。

業(yè)界已經(jīng)探索了基于光學(xué)傳感器的非接觸式檢測(cè)方案，例如，利用相機(jī)來跟蹤人體某些目標(biāo)區(qū)域。然而，基于相機(jī)的系統(tǒng)（包括紅外相機(jī)和傳統(tǒng)可見光相機(jī)）對(duì)皮膚顏色和照明條件很敏感。這些系統(tǒng)通常需要復(fù)雜的計(jì)算算法，以及紅外相機(jī)生成的熱成像視頻，其分辨率通常有限。此外，一些基于高分辨率攝像頭的系統(tǒng)則可能會(huì)導(dǎo)致隱私問題，尤其是涉及侵入性監(jiān)控以及云計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施具有潛在安全風(fēng)險(xiǎn)的情況。

利用射頻（RF）波的雷達(dá)可以遠(yuǎn)距離捕捉目標(biāo)的生命體征，以克服接觸式傳感器的缺點(diǎn)。這種生命體征信息基于射頻感應(yīng)而非相機(jī)拍攝而產(chǎn)生，因此自然提供了所需要的隱私保護(hù)。近年，已有利用單音調(diào)頻波電子雷達(dá)進(jìn)行生命體征檢測(cè)的探索?；诙嗥绽赵淼膯我衾走_(dá)可以通過運(yùn)動(dòng)物體反射信號(hào)的相位信息來獲取生命體征。

不過，這種技術(shù)缺乏檢測(cè)往返時(shí)間的功能，因此無法獲取目標(biāo)的距離信息。它們無法利用距離信息來分離位置較近的目標(biāo)，并將目標(biāo)與周圍的雜波隔離開，這限制了它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的性能和實(shí)用性。相比之下，調(diào)頻雷達(dá)可以提取距離信息來克服這一問題。更重要的是，通過拓寬傳感信號(hào)的帶寬可以提高調(diào)頻雷達(dá)的距離分辨率和精度。

不幸的是，傳統(tǒng)電子雷達(dá)系統(tǒng)通常僅有有限的亞千兆赫帶寬，導(dǎo)致分辨率僅為數(shù)十厘米，這不足以準(zhǔn)確檢測(cè)微弱的生命體征信號(hào)（例如人體呼吸，胸部位移僅約1 cm）。這種分辨率很難從身體運(yùn)動(dòng)中分離生命體征信號(hào)，也無法跟蹤多個(gè)目標(biāo)。此外，新興應(yīng)用往往需要多個(gè)頻段和部署位置進(jìn)行分布式傳感，這對(duì)于沒有復(fù)雜并行硬件架構(gòu)的傳統(tǒng)電子器件來說具有挑戰(zhàn)性。

微波光子雷達(dá)技術(shù)由于其相對(duì)于傳統(tǒng)電子雷達(dá)傳感方案的眾多優(yōu)勢(shì)而獲得發(fā)展。光子雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)證明了它們?cè)诋a(chǎn)生超寬帶信號(hào)方面的能力，由此可以實(shí)現(xiàn)卓越的距離分辨率?；谏⒌募夹g(shù)可以提供高達(dá)40 GHz的帶寬?，實(shí)現(xiàn)低至3.9?mm的分辨率。

基于外部光注入的掃頻光源實(shí)現(xiàn)了超過1.2 ×?10?的大時(shí)間帶寬積?，更長(zhǎng)的脈沖時(shí)間改善了噪聲環(huán)境中的信噪比以及整體性能。光子倍頻器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器為精確的雷達(dá)傳感提供了充足的帶寬和高時(shí)頻線性度。光子雷達(dá)可以產(chǎn)生不同類型的雷達(dá)信號(hào)，包括線性調(diào)頻（LFM）和步進(jìn)頻率（SF）信號(hào)。

此外，它還可以在毫米波區(qū)域的多個(gè)頻段工作，根據(jù)工作條件優(yōu)化性能。這些功能克服了電子雷達(dá)的局限性，使其非常適合生命體征檢測(cè)。然而，盡管光子雷達(dá)具有潛力，但用于生命體征檢測(cè)的光子雷達(dá)尚未在實(shí)際應(yīng)用中得到探索。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，澳大利亞悉尼大學(xué)（University of Sydney）光子學(xué)與光學(xué)科學(xué)研究所（Institute of Photonics and Optical Science）的研究人員近期在Nature Photonics期刊上發(fā)表了一篇題為“Photonic radar for contactless vital sign detection”的文章。在這篇文章中，研究人員展示了一種用于生命體征檢測(cè)的光子雷達(dá)，利用人類呼吸模擬器和活體動(dòng)物（蔗蟾）代替人類進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。該雷達(dá)可在Ka波段（26.5–40?GHz）產(chǎn)生10 GHz寬的SF RF信號(hào)，來檢測(cè)模擬器的呼吸活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了13.7 mm的距離分辨率和微米級(jí)的檢測(cè)精度。即使動(dòng)物雷達(dá)截面尺寸較小，這種高分辨率和精度對(duì)于檢測(cè)蔗蟾細(xì)微的生命體征至關(guān)重要。

研究人員展示了高達(dá)30 GHz的帶寬可擴(kuò)展性?，不受RF天線和放大器的限制。研究人員還展示了基于相同微波光子源的激光雷達(dá)（LiDAR）生命體征檢測(cè)系統(tǒng)，展示了該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和激光雷達(dá)互補(bǔ)功能的潛力。研究人員設(shè)想了將這種高性能分布式雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于一系列醫(yī)療保健場(chǎng)景，例如老年護(hù)理機(jī)構(gòu)、醫(yī)院以及監(jiān)管機(jī)構(gòu)的全天候生命體征監(jiān)測(cè)等。

例如，具有多個(gè)雷達(dá)光學(xué)RF接入點(diǎn)的分布式光子雷達(dá)傳感網(wǎng)絡(luò)，可以使用RF波來檢測(cè)人類生命體征（如下圖a所示）。與部署單個(gè)雷達(dá)接入點(diǎn)不同，這種方法可以連續(xù)跟蹤自由活動(dòng)的背面或側(cè)面目標(biāo)。支持多個(gè)光學(xué)RF接入點(diǎn)的光學(xué)雷達(dá)信號(hào)源可以覆蓋不同的視角，以使用低損耗光纖來監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)。

面向非接觸式生命體征檢測(cè)的光子雷達(dá)系統(tǒng)

基于呼吸模擬器的多目標(biāo)生命體征檢測(cè)結(jié)果

利用蔗蟾代替人類進(jìn)行的生命體征檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

總結(jié)來說，研究人員展示了一種分辨率達(dá)到毫米級(jí)、精度達(dá)到微米級(jí)的光子生命體征檢測(cè)系統(tǒng)?，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)檢測(cè)，并且不會(huì)帶來舒適性和隱私問題。實(shí)驗(yàn)證明了它在發(fā)現(xiàn)細(xì)微呼吸異常，準(zhǔn)確提取蔗蟾口腔運(yùn)動(dòng)方面的能力和有效性。更重要的是，它具有簡(jiǎn)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提供了改進(jìn)的帶寬和靈活性，這是當(dāng)前最先進(jìn)的生命體征電子雷達(dá)無法實(shí)現(xiàn)的。

這種光子方案為實(shí)現(xiàn)高分辨率、快速響應(yīng)且具有高成本效益的混合雷達(dá)-激光雷達(dá)模塊提供了一條新途徑，可用于分布式、非接觸式生命體征檢測(cè)。

審核編輯：劉清