非接觸式傳感器監(jiān)測(cè)呼吸方案

呼吸率是一項(xiàng)重要的生命征象，有助于t解一個(gè)人的整體健康狀況和睡眠品質(zhì)。呼吸率和呼吸方式也被認(rèn)為是反映個(gè)人基礎(chǔ)健康狀況的良好指標(biāo)。雖然目前市場(chǎng)中的技術(shù)都承諾能夠準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但大多數(shù)并不理想——有的不夠準(zhǔn)確而必須不斷地調(diào)整，有的則是用起來并不舒服。

本文討論用于測(cè)量和分析呼吸的各種現(xiàn)有方法，以理解它們?cè)跐M足日常健康照護(hù)和健身追蹤要求的過程中所存在的局限性。克服這些挑戰(zhàn)并不容易，但透過超寬頻(UWB)脈沖雷達(dá)，能夠?yàn)橹T如Novelda公司的XeThru等感測(cè)器提供基礎(chǔ)，讓這些感測(cè)器達(dá)到2.8m的有效范圍，并能“穿透”衣服等障礙物，而且成本低且易于使用。

用于健康照護(hù)的呼吸監(jiān)測(cè)

呼吸率是一個(gè)人每分鐘呼吸的次數(shù)，最好是在休息的時(shí)候進(jìn)行測(cè)量。呼吸率可能由于發(fā)燒、生病或其它身體狀況而增加。測(cè)量呼吸率的最常用方法是借助實(shí)體評(píng)估方法，即觀察人體的胸部，計(jì)算一分鐘內(nèi)呼吸的次數(shù)。呼吸深度則可以用肺活量計(jì)來進(jìn)行判斷，該裝置可根據(jù)呼出與吸入空氣量測(cè)量肺功能。最簡(jiǎn)單的應(yīng)用方式是醫(yī)生用肺活量計(jì)來檢測(cè)氣喘等病理狀態(tài)。呼吸率本身只能提供有限的資訊，但呼吸方式(測(cè)量速率、振幅和其它特征)，則可以提供更多有價(jià)值的資訊，然后再用于醫(yī)療診斷以及評(píng)估睡眠品質(zhì)。

目前市場(chǎng)上已有的大多數(shù)呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)是侵入式的，需要將受測(cè)者與測(cè)量設(shè)備連接在一起。對(duì)于上述的肺活量計(jì)來說確實(shí)如此，但即使是簡(jiǎn)單的機(jī)電式呼吸率測(cè)量通常也必須在受測(cè)者的胸部綁上一條彈性帶。其它聲學(xué)技術(shù)要求將裝置連接到受測(cè)者的頸部，而電容技術(shù)則要求在床上安裝一種專用床墊或在受測(cè)者的身體上安裝感測(cè)元件。這些方法主要用于專業(yè)的照護(hù)情況，可以提供準(zhǔn)確的呼吸方式資料。然而，根本性的挑戰(zhàn)仍然存在，即感測(cè)器與身體的實(shí)體連接仍然會(huì)對(duì)受測(cè)者造成壓力。任何相關(guān)的不適又會(huì)反過來影響受測(cè)者的呼吸，從而可能使測(cè)試資料無(wú)效。

消費(fèi)類呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)

還在不久前，即使很簡(jiǎn)單的呼吸測(cè)試也得去診所進(jìn)行。更精密一點(diǎn)的監(jiān)測(cè)作業(yè)是先在診所或醫(yī)院做初步的生理診斷，只有確診的病人才接著進(jìn)行呼吸測(cè)試。智慧型手機(jī)和類似的高科技電子產(chǎn)品(包括心率計(jì)和血糖儀等裝置)的發(fā)明，加上人們對(duì)自身的健康和幸福更加注意與關(guān)心，使得人們對(duì)于遠(yuǎn)離醫(yī)療環(huán)境以外其他檢測(cè)方式的期望提高。因此，市場(chǎng)上充斥著各式各樣的健康照護(hù)和健身監(jiān)測(cè)裝置，它們可以協(xié)助消費(fèi)者追蹤自己的身體活動(dòng)以及管理個(gè)人健康。這些產(chǎn)品使用與醫(yī)學(xué)認(rèn)證產(chǎn)品相似的技術(shù)，并對(duì)醫(yī)療設(shè)計(jì)進(jìn)行更多的改善，因而能夠藉由監(jiān)測(cè)睡眠品質(zhì)和休息時(shí)的呼吸方式，滿足提供完整健康評(píng)估的趨勢(shì)要求。

考慮到當(dāng)前解決方案的局限性，以及理解消費(fèi)者期望健康與健身產(chǎn)品舒適、安全且易用的需求，顯然地，一款真正合適的呼吸/睡眠監(jiān)測(cè)器必須符合一些相當(dāng)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求。它應(yīng)該能夠在遠(yuǎn)端準(zhǔn)確地測(cè)量和記錄呼吸，其擺放位置不需要十分嚴(yán)苛，只要受測(cè)者在合理的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)即可(圖1)。受測(cè)者在此區(qū)域內(nèi)的方向也不影響測(cè)量，即使其間存在一般的障礙物(如隔著羽絨被)，監(jiān)測(cè)器也應(yīng)該能夠可靠地作業(yè)。

圖1：兒童呼吸記錄例子。從圖中可以清楚地看到，遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)的精確度需要達(dá)到僅幾毫米(mm)的胸部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

這種技術(shù)應(yīng)該適用于所有年齡層和身形的人們，而且應(yīng)該是非侵入式的，能夠保護(hù)受測(cè)者的隱私，即通常要將用任何視訊監(jiān)控形式的監(jiān)測(cè)排除在外。另外，還應(yīng)該能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)多人。以感測(cè)器技術(shù)性能來看，滿足這些目標(biāo)的進(jìn)一步思考包括安全使用、低成本、低功耗以及易于整合進(jìn)終端裝置設(shè)計(jì)，而且體積要小，并能提供數(shù)位介面。

呼吸監(jiān)測(cè)

在目前市場(chǎng)中能夠測(cè)量呼吸率的許多產(chǎn)品中，大多數(shù)產(chǎn)品采用健身追蹤器的形式，即必須使用內(nèi)建于腕帶或胸帶的可穿戴接觸式感測(cè)器。然而，睡覺時(shí)戴著一個(gè)連接身體的監(jiān)測(cè)裝置并不舒服，而且以電池供電的產(chǎn)品還得定期充電。更先進(jìn)的睡眠監(jiān)測(cè)器采用非接觸式感測(cè)，因而避免了這些問題，可在提供優(yōu)質(zhì)睡眠監(jiān)測(cè)的同時(shí)也具有更好的舒適性。這些先進(jìn)的監(jiān)測(cè)器使用諸如電容式感測(cè)(感測(cè)器元件置于床單下)等技術(shù)，或從床邊監(jiān)測(cè)呼吸運(yùn)動(dòng)的連續(xù)波(CW)雷達(dá)解決方案。雖然這些解決方案不需要直接接觸身體，但電容解決方案通常需要在身體附近作業(yè)，而且可靠性也易受溫度和濕度變化的影響。CW雷達(dá)可在更遠(yuǎn)的距離以外作業(yè)，但無(wú)法區(qū)分是呼吸引起的運(yùn)動(dòng)還是其它身體動(dòng)作。

雷達(dá)技術(shù)似乎是非侵入式系統(tǒng)的理想選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)呼吸，尤其是它的訊號(hào)可以穿透衣服或床被等材料。即使如此也仍存在限制。雖然CW都普勒(Doppler)雷達(dá)對(duì)于運(yùn)動(dòng)高度敏感，而且能夠很容易地檢測(cè)到像呼吸這一類重復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率，但它只能提供相位資訊，而無(wú)法測(cè)量絕對(duì)距離。無(wú)法測(cè)量絕對(duì)距離意味著基于CW的雷達(dá)系統(tǒng)不能分辨諸如手、足等其它身體部份運(yùn)動(dòng)和胸部運(yùn)動(dòng)。因此，CW系統(tǒng)在分辨實(shí)際的胸部運(yùn)動(dòng)方面能力較弱，而這是在一整晚提供可靠資料所必需的。

我們真正需要的是能夠準(zhǔn)確測(cè)量距離、足以區(qū)分淺呼吸和正常呼吸以及能根據(jù)胸部運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確追蹤人體呼吸方式的方法(圖2)。然而，采用低功耗、低成本解決方案實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)極具挑戰(zhàn)性。

圖2：根據(jù)胸部運(yùn)動(dòng)可靠地檢測(cè)呼吸，需要能夠測(cè)量絕對(duì)距離的雷達(dá)系統(tǒng)

使用UWB脈沖雷達(dá)

為了尋找解決這些問題的解決方案，Novelda認(rèn)為，使用雷達(dá)原理的電磁感測(cè)器應(yīng)該能夠滿足所有的技術(shù)要求，其它方面的問題也都可以迎刃而解。前面提到CW雷達(dá)在測(cè)量絕對(duì)距離的局限性，在使用UWB脈沖雷達(dá)技術(shù)時(shí)就不存在了，因?yàn)閁WB可以產(chǎn)生和取樣訊號(hào)脈沖，實(shí)現(xiàn)由發(fā)送和接收脈沖之間的時(shí)間差所決定的高準(zhǔn)確度距離測(cè)量。

此外，透過使用本質(zhì)上是一種擴(kuò)展頻譜途徑且采用數(shù)位訊號(hào)處理(DSP)恢復(fù)返回的訊號(hào)，UWB雷達(dá)可以作業(yè)于比傳統(tǒng)雷達(dá)更低得多的功率電平。如此一來即可克服潛在消費(fèi)者不想在床邊放置大功率雷達(dá)設(shè)備的顧慮——這種技術(shù)的功率電平還不到藍(lán)牙耳機(jī)功率的千分之一。UWB的擴(kuò)頻特性還意味著它能與其它射頻(RF)系統(tǒng)共存，而不會(huì)造成干擾或受到干擾。舉例來說，CW Doppler雷達(dá)作業(yè)于較高的功率電平，因而會(huì)干擾Wi-Fi和無(wú)線電訊號(hào)。相反地，雖然UWB雷達(dá)雖然作業(yè)于較低的功率電平，但DSP技術(shù)能可靠地從雜訊中擷取訊號(hào)，這方面與ADSL透過普通電話線上實(shí)現(xiàn)寬頻網(wǎng)際網(wǎng)路連接非常類似。

雷達(dá)被認(rèn)為是一種復(fù)雜且昂貴的技術(shù)，一般運(yùn)用于高階市場(chǎng)。當(dāng)然，這在過去是成立的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)系統(tǒng)是分離式元件搭建的，使用的是高成本的陶瓷基板。然而，在目前的大多數(shù)市場(chǎng)(特別是消費(fèi)市場(chǎng))中，IC技術(shù)的廣泛普及已經(jīng)使得產(chǎn)品能夠大量生產(chǎn)，價(jià)格也已經(jīng)普遍被大眾接受。當(dāng)今的高整合度已能用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)晶片(SoC)解決方案，使得系統(tǒng)在尺寸和功耗方面也獲益匪淺(圖3)。

圖3：Novelda的超寬頻脈沖雷達(dá)晶片整合完整的收發(fā)器電路以及所有必要的時(shí)序與訊號(hào)處理單元

因此，最后……

無(wú)論如何，大多數(shù)人越來越關(guān)心保健、健身和健康，從今天市場(chǎng)上無(wú)處不在的電子產(chǎn)品可見一斑。許多健身追蹤器和類似的裝置可以測(cè)量活動(dòng)量，例如距離、速度和步數(shù)，但用來測(cè)量身體反應(yīng)的能力通常僅限于心率。呼吸率以及呼吸方式是更有用的性能指標(biāo)，但正如我們看到的那樣，其測(cè)量條件更加復(fù)雜，也更具侵入性。

在調(diào)查研究可取代以往只限于醫(yī)療應(yīng)用的呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)中，Novelda發(fā)現(xiàn)UWB脈沖雷達(dá)可以同時(shí)克服技術(shù)上和易用性上的挑戰(zhàn)，提供測(cè)量和分析呼吸率和呼吸方式的解決方案，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)需與身體接觸，也不會(huì)被衣服或床被等物體所阻礙。事實(shí)上，這種感測(cè)技術(shù)可以用來實(shí)現(xiàn)緊密型的呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，如Novelda的XeThru感測(cè)器模組(圖4)。

圖4：超寬頻脈沖雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)具有檢測(cè)能力的緊密型設(shè)計(jì)，在單一PCB上整合了天線、訊號(hào)處理IC以及控制介面等各種元件