創(chuàng)新的60 GHz雷達(dá)傳感器，實(shí)現(xiàn)非接觸式監(jiān)測(cè)心跳和呼吸頻率等生命體征

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，使用雷達(dá)傳感器監(jiān)測(cè)生命體征的研究已經(jīng)進(jìn)行了幾十年。該技術(shù)能夠?qū)π奶秃粑l率進(jìn)行持續(xù)的非接觸式監(jiān)測(cè)，并具有低功耗和小PCB尺寸的優(yōu)勢(shì)。憑借創(chuàng)新的60 GHz雷達(dá)傳感器，其在消費(fèi)電子產(chǎn)品中的應(yīng)用正在成為現(xiàn)實(shí)。

在老齡化社會(huì)中，健康監(jiān)測(cè)將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。健康問(wèn)題最好能在早期階段被發(fā)現(xiàn)，從而避免住院或至少盡可能縮短住院時(shí)間。人們希望在自己熟悉的環(huán)境中過(guò)著自主和獨(dú)立的生活，直到晚年。

此外，年輕人對(duì)更加個(gè)性化和自主的醫(yī)療服務(wù)感興趣。通過(guò)隨時(shí)監(jiān)測(cè)健康狀態(tài)，人們有可能在早期發(fā)現(xiàn)疾病和精神壓力并采取行動(dòng)。此外，父母正在盡一切努力確保他們的孩子和嬰兒情況良好，以便在最壞的情況發(fā)生時(shí)能夠迅速做出反應(yīng)。

許多疾病可以根據(jù)心肺數(shù)據(jù)的不正常情況在早期被發(fā)現(xiàn)。由于技術(shù)的進(jìn)步，新的可能性正在出現(xiàn)。自智能手表首次推出以來(lái)，消費(fèi)電子產(chǎn)品與數(shù)字健康監(jiān)測(cè)的結(jié)合越來(lái)越受大眾歡迎。這種積極的趨勢(shì)在醫(yī)療保健行業(yè)也很明顯：圖1顯示，在過(guò)去10年中，對(duì)數(shù)字健康的投資增長(zhǎng)了20倍，最近一段時(shí)間的增長(zhǎng)尤為迅猛。

圖1 近年來(lái)數(shù)字健康行業(yè)的投資急劇增加

需要監(jiān)測(cè)的最重要的生命體征包括心跳和呼吸頻率。這些信息可用于在早期檢測(cè)心血管疾病或慢性阻塞性肺病（COPD）等疾病。同樣，睡眠呼吸暫停等疾病也可以通過(guò)睡眠監(jiān)測(cè)來(lái)檢測(cè)。

目前用于跟蹤和監(jiān)測(cè)的大多數(shù)技術(shù)都需要設(shè)備與患者直接接觸，例如通過(guò)電極或傳感器與皮膚接觸。這既適用于醫(yī)院使用的高精度系統(tǒng)，也適用于消費(fèi)領(lǐng)域的可穿戴設(shè)備。這些解決方案要么需要限制移動(dòng)自由的電纜，要么需要不方便的定期充電。此外，這些方法不適合過(guò)敏或皮膚損傷的患者。同樣，這些依賴(lài)接觸的監(jiān)測(cè)方法對(duì)于嬰兒和老年人來(lái)說(shuō)往往很困難。因此，數(shù)字醫(yī)療保健市場(chǎng)需要一種產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸和持續(xù)的用戶(hù)監(jiān)測(cè)。

雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

雷達(dá)傳感器能夠?qū)π奶秃粑l率進(jìn)行持續(xù)和非接觸式監(jiān)測(cè)，并能夠記錄長(zhǎng)期的生命體征數(shù)據(jù)，而無(wú)需用戶(hù)一直關(guān)注它。這不僅有助于醫(yī)生做出準(zhǔn)確的診斷，還可以降低患者的衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)。因此，雷達(dá)傳感器的生命體征監(jiān)測(cè)能力有望解決當(dāng)今醫(yī)療保健行業(yè)的許多挑戰(zhàn)。

生命體征監(jiān)測(cè)是如何與雷達(dá)技術(shù)協(xié)同工作的呢？雷達(dá)收發(fā)器通過(guò)其Tx天線(xiàn)發(fā)送低能量射頻（RF）信號(hào)，并通過(guò)Rx天線(xiàn)接收反射信號(hào)（圖2）。通常，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，這可以通過(guò)比較發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)來(lái)測(cè)量。這使得利用像英飛凌（Infineon）XENSIV? 60 GHz雷達(dá)傳感器等高靈敏度的傳感器能夠檢測(cè)到呼吸和心跳引起的胸部的微小運(yùn)動(dòng)。得益于先進(jìn)的算法，人們可以從信號(hào)中準(zhǔn)確提取心跳和呼吸頻率。這也能夠滿(mǎn)足醫(yī)療認(rèn)證的要求。

圖2 雷達(dá)生命體征監(jiān)測(cè)技術(shù)的工作原理

在生命體征監(jiān)測(cè)方面，雷達(dá)技術(shù)與以往的技術(shù)相比具有五大優(yōu)勢(shì)：隱蔽、性能穩(wěn)定、匿名、節(jié)能和小尺寸。

隱蔽

對(duì)于生命體征監(jiān)測(cè)，雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于它幾乎不會(huì)影響患者。唯一的要求是用戶(hù)與設(shè)備保持在一定距離內(nèi)（通常在1.5米以?xún)?nèi)）。最好是用戶(hù)的胸部朝向傳感器，但這并不是強(qiáng)制性的。由于雷達(dá)可以透過(guò)非導(dǎo)電材料進(jìn)行探測(cè)，因此人們可以穿任何類(lèi)型的衣服或用薄毯子覆蓋身體。這項(xiàng)特性使得研發(fā)基于雷達(dá)傳感器的設(shè)備的工程師幾乎可以自由選擇外殼的材料和形狀，以滿(mǎn)足消費(fèi)者的設(shè)計(jì)要求。

性能穩(wěn)定

此外，雷達(dá)傳感器的功能幾乎不受周?chē)鷹l件的影響。例如，無(wú)論房間里是完全黑暗還是非常明亮，或者是塵土飛揚(yáng)、多霧還是潮濕的環(huán)境，它都能持續(xù)可靠地工作。因此，雷達(dá)傳感器不會(huì)干擾人們的日常生活。得益于先進(jìn)的信號(hào)處理，雷達(dá)傳感器還可以區(qū)分人類(lèi)和非人類(lèi)目標(biāo)，因此它可以忽略小寵物和其他雜亂信號(hào)的來(lái)源。

匿名

基于雷達(dá)傳感器的設(shè)備僅分析其自身發(fā)出信號(hào)的修正回波，因此不依賴(lài)于任何外部信號(hào)。雷達(dá)不會(huì)收集任何個(gè)人數(shù)據(jù)（如圖像、聲音或視頻）。因此，基于雷達(dá)傳感器的健康監(jiān)測(cè)設(shè)備可以在家庭和私人空間中持續(xù)使用，而用戶(hù)無(wú)需擔(dān)心其隱私受到侵犯。

節(jié)能

全天候使用的雷達(dá)傳感器僅需要幾毫瓦的低功耗。此外，雷達(dá)傳感器通常的輻射功率大約為10 dBm或甚至更低。與5G智能手機(jī)相比，這是非常低的，后者的輻射功率通常約為20 dBm。雷達(dá)傳感器的輻射對(duì)人體沒(méi)有不良影響。

小尺寸

雷達(dá)芯片的尺寸非常緊湊。英飛凌的BGT60UTR11AIP（圖3）尺寸為4 mm × 4 mm，是市場(chǎng)上最小的帶集成天線(xiàn)的60 GHz雷達(dá)傳感器。這樣的傳感器可以很容易地集成到消費(fèi)電子產(chǎn)品中，并豐富其功能，典型應(yīng)用包括智能應(yīng)用中心、筆記本電腦、平板電腦、智能電視和許多其他智能家居設(shè)備等。

圖3 市場(chǎng)上最小的60 GHz雷達(dá)傳感器——英飛凌BGT60UTR11AIP（4 mm × 4 mm）

將健康監(jiān)測(cè)引入智能家居

疫情的教訓(xùn)促使人們意識(shí)到了解自己的健康狀況和預(yù)防潛在疾病的重要性。同樣，機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)步使傳感器技術(shù)的功能能夠得以最大化利用。因此，雷達(dá)技術(shù)越來(lái)越多地進(jìn)入智能家居的健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

生命體征數(shù)據(jù)的持續(xù)記錄意味著它可以很容易地與用戶(hù)的醫(yī)生共享，以便做出準(zhǔn)確的診斷。得益于人工智能（AI），對(duì)記錄的數(shù)據(jù)和長(zhǎng)期趨勢(shì)的分析可以使人們及早發(fā)現(xiàn)疾病。睡眠呼吸暫停等已知或疑似疾病的癥狀可以被識(shí)別、記錄，并很容易與患者的醫(yī)生共享。此外，如果發(fā)生呼吸驟?；蛴泻粑E停的風(fēng)險(xiǎn)，雷達(dá)傳感器可以及時(shí)自動(dòng)地向緊急醫(yī)療服務(wù)部門(mén)發(fā)出警報(bào)。

這些優(yōu)勢(shì)使老年人和病患能夠過(guò)上自主的生活。寶爸寶媽們也可以從這項(xiàng)技術(shù)中受益，因?yàn)閶雰汉托律鷥河绕潆y以使用傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這就是雷達(dá)傳感器真正證明其價(jià)值的地方，無(wú)論是監(jiān)測(cè)突發(fā)性嬰兒猝死綜合征的跡象，還是監(jiān)測(cè)早產(chǎn)兒或重癥患兒的情況。

雷達(dá)傳感器不僅僅可以監(jiān)控睡眠的人。得益于雷達(dá)芯片的緊湊尺寸，雷達(dá)傳感器可以直接集成到幾乎所有類(lèi)型的智能家居設(shè)備中，包括智能電視、筆記本電腦或燈具等。這使得傳感器能夠監(jiān)測(cè)正在睡覺(jué)、看電視、使用筆記本電腦工作或借助智能臺(tái)燈閱讀的人的心跳和呼吸頻率。雷達(dá)技術(shù)還可以即時(shí)檢測(cè)到心臟病發(fā)作并觸發(fā)適當(dāng)?shù)木o急呼叫。當(dāng)被集成到機(jī)動(dòng)車(chē)中時(shí)，它可以指示輔助駕駛系統(tǒng)使車(chē)輛安全停車(chē)。此外，雷達(dá)傳感器還可以用于檢測(cè)疲勞跡象，并提醒人們從工作或駕駛中休息一下。

與此同時(shí)，雷達(dá)傳感器還支持脈搏和呼吸監(jiān)測(cè)以外的其他功能（圖4）。例如，它們可以用于跌倒檢測(cè)，并且正在進(jìn)行的使用雷達(dá)測(cè)量血壓的研究很有前景。由于雷達(dá)技術(shù)能夠同時(shí)檢測(cè)微小運(yùn)動(dòng)、速度和方向，因此配備雷達(dá)傳感器的產(chǎn)品可以利用這些信息支持生命體征監(jiān)測(cè)之外的更復(fù)雜應(yīng)用。雷達(dá)傳感器也可以用于檢測(cè)人類(lèi)是否存在，例如，當(dāng)沒(méi)有人坐在電視機(jī)或筆記本電腦前時(shí)，雷達(dá)傳感器可以將其切換到節(jié)能模式。雷達(dá)傳感器還可以實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制以及跟蹤房間中多個(gè)人的位置。

圖4 雷達(dá)傳感器在生命體征監(jiān)測(cè)方面的潛在應(yīng)用

英飛凌助力客戶(hù)使用雷達(dá)傳感器

憑借XENSIV? 60 GHz雷達(dá)傳感器（如BGT60UTR11AIP或BGT60TR13C），英飛凌為開(kāi)發(fā)人員提供了將生命體征監(jiān)測(cè)納入其設(shè)計(jì)中所需的一切要素。英飛凌在汽車(chē)和工業(yè)雷達(dá)市場(chǎng)擁有多年的經(jīng)驗(yàn)，是在消費(fèi)電子產(chǎn)品中使用雷達(dá)進(jìn)行生命體征傳感的先驅(qū)之一。

這種高質(zhì)量和可靠的產(chǎn)品得到了強(qiáng)有力的支持，為客戶(hù)產(chǎn)品的軟件、硬件設(shè)計(jì)和測(cè)試提供了支持?？偠灾a(chǎn)品研發(fā)工程師可以節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，并能提供高質(zhì)量的終端產(chǎn)品。

英飛凌的客戶(hù)和合作伙伴已經(jīng)成功地在其生命體征監(jiān)測(cè)產(chǎn)品中使用了英飛凌的雷達(dá)傳感器。例如，瑞士Sleepiz公司提供了一種經(jīng)過(guò)醫(yī)學(xué)認(rèn)證的睡眠監(jiān)測(cè)設(shè)備。此外，谷歌的Nest Hub 2使用英飛凌的雷達(dá)傳感器作為附加功能來(lái)檢測(cè)睡眠期間的生命體征。

分析睡眠和檢測(cè)睡眠呼吸暫停

Sleepiz公司的目標(biāo)是檢測(cè)睡眠呼吸暫停等疾病，以預(yù)防心臟問(wèn)題或糖尿病等進(jìn)一步的健康影響。作為英飛凌的合作伙伴，作為其產(chǎn)品供應(yīng)的一部分，該公司還向其他客戶(hù)銷(xiāo)售其基于英飛凌XENSIV? 60 GHz雷達(dá)傳感器的心跳和呼吸頻率檢測(cè)算法，以促進(jìn)和啟動(dòng)他們的生命體征傳感開(kāi)發(fā)。

圖5 利用英飛凌XENSIV? 60 GHz雷達(dá)傳感器檢測(cè)呼吸暫停等睡眠障礙

結(jié)論

利用雷達(dá)技術(shù)，人們有望打造面向消費(fèi)者的非接觸式監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，將智能設(shè)備提升到一個(gè)全新的水平，并將智能醫(yī)療引入大眾市場(chǎng)。雷達(dá)傳感器是唯一一種能夠持續(xù)和匿名監(jiān)測(cè)心跳和呼吸頻率的非接觸式技術(shù)。

雷達(dá)傳感器將生命體征監(jiān)測(cè)帶入了消費(fèi)電子產(chǎn)品和醫(yī)療保健市場(chǎng)。從對(duì)早產(chǎn)兒的監(jiān)測(cè)到早期疾病檢測(cè)，再到對(duì)老年人的健康和醫(yī)療狀況監(jiān)測(cè)，雷達(dá)傳感器可以在生命的任何階段實(shí)現(xiàn)低功耗和精確的生命體征監(jiān)測(cè)。