基于心率及呼吸生命特征監測技術發展和應用

陳天啟，張玉乾，宗寶超，田志強

中船人因工程研究院（青島）有限公司，青島市，266425

0 引言

隨著科技的進步，生命體征監測技術被廣泛應用于社會發展的各個領域，如，在抗震救災中，通過識別微弱體征指標來進行搶險救援；在乘坐飛機或高鐵等現代化出行工具過安檢時，通過紅外監測技術對人體進行非接觸式體征測量；日常生活中戴的心率手表，可以讀出行走及睡覺時的心率狀況……

在養老領域，老人多伴有一些潛在的心肺疾病，需要進行身體健康的日常定期監測，實際生活中，對于生命監測的相關設備并不普及，在一些家庭會購買相關的設備用于日常的健康監測，受制于設備的使用及體感的舒適性差等問題，導致一些設備使用幾次，便成為擺設。

在醫療領域，現代人普遍工作壓力大，一些疾病也伴隨年輕化趨勢，而對身體健康的日常監測在許多家庭中并沒有普及，一些潛在的疾病如果不能及早發現，會對其后續的健康帶來重大的風險。

在汽車領域，2018年國家交通部發布的相關交通事故數據顯示：因疲勞駕駛導致的交通事故占比達20%，是交通事故的主要誘發原因之一。

為解決上述領域出現的問題，對生命監測技術的研究及發展無疑是行之有效的。其對于人體日常身體健康的識別、診斷、遠程醫療監測等領域的發展也是十分重要的。

心肺參數作為衡量生命體征基本狀態的主要生理指標，對其進行有效監測顯得尤為重要，因此開展生理參數的生命體征識別對于生命監測領域的研究具有現實意義。

1 生命監測技術介紹

1.1 生命監測技術的分類

在生命體征監測技術的研究中，主要監測指標有心率、呼吸、血壓、心電、血氧等人體核心生理參數。

生命監測技術大體可分為接觸式生命監測與非接觸式生命監測兩類，當測試的電極片或監測傳感器貼附或接觸人體時，被稱作接觸式生命監測，反之則為非接觸式生命監測。

非接觸式生命體征監測有別于采用貼敷式電極、傳感器等接觸式監測方式。在非接觸式設備中內置信號無線發射裝置，體征監測時，同過對人體發射微波信號，這些信號在人體內接觸到所需監測的體征部位后，會產生回波，后臺監測系統通過分析信號中的頻率、相位等因素的變化，識別呼吸、心跳、體動等體征數據，從而實現非接觸式監測。

非接觸式生命體征監測技術能夠不間斷連續監測是其主要技術特點，可實現對目標病患生命情況的準確掌握，此外非接觸監測設備與人體不直接接觸，測試過程中，人體舒適性體驗較好[1-2]。

1.2 生命監測產品主要應用需求

隨著技術的發展，生命體征的監測方式得到了長足的發展，從醫院內監測到面向社區及家庭的監測，從病人的病情監測到日常保健護理，從單生理參數監測到多種生命體征的監測，從單臺監測到多臺網絡化監測，監護儀的發展速度非常快，監測系統可以根據人體各部位特征，對人體多個生理參數進行采集和處理，測試結果較為精準。

在多指標的生命監測設備的研制方面，目前其可測量的主要參數為血氧、呼吸、心率等，可將其應用于大型醫療機構、養老院等場所。實際使用過程中，由于這些監測設備對測試人員有很高的專業度要求，使用者很難自行測量，需要有受過專業化訓練的醫療人員進行協助，方可完成，因而很難滿足用戶隨時隨地測量的需求。相比之下，家庭式保健類監測設備以其操作簡便、占用空間小，可隨時測量等優勢，有廣泛的用戶需求。目前市面上專業的體征監測設備以國外進口為主，有些價格動輒萬元以上，普通消費者很難承受，而國內大部分產品雖然價格相對便宜，但監測功能較為單一，很難滿足用戶的日常需求。

生命體征的監測技術，除上述提到的需具有多種生命體征監測指標，并對其指標監測范圍有相應的異常提醒功能外，還需要在監測精度以及其他人體生理監測功能的集成方面有待進一步提升，以便更好地滿足不同年齡階段，不同病情、不同人群的需求。

1.3 傳統接觸式生命監測設備研究現狀

在體征監測方面，歐美和日韓等國家對體征監測系統的開發起步較早，進行了相關領域的大量投入，建立了先進的電子基礎設施，在生命監測的方法、理論和臨床應用等方面，取得了寶貴的經驗。目前，先進的體征監測儀器大多來自美國的CSI公司、凱威（Cadwell）實驗室、德國的IEM公司。這些產品具有功能豐富，測量精度高，穩定性好，抗干擾性強等特點。但進口監測設備價格較高，顯示及操作界面與國內用戶的使用習慣有較大出入，且購買后的維修保養等不變，也制約其在國內市場的占比。

美國CSI公司在監測設備的研制起步較早，該公司生產的8100型多參數監護儀，可以監測血壓、心電、體溫等人體核心體征參數，能夠根據使用者年齡段的不同，去設定與之對應的主要監測參數，同時顯示界面會根據參數設置的不同，進行顯示調整。

我國生產體征監測儀的公司，主要有深圳邁瑞、深圳理邦、廣東寶萊特、深圳金科威等幾家技術相對成熟的企業。其中，深圳邁瑞在數字超聲等臨床醫療設備研制方面已取得較為豐富的經驗。

深圳理邦公司在生命監測產品的研制方面，近年來開發有心電監測、信息化監護儀等產品。國產的體征監測儀與國外同類品相比，技術水平已達到先進水平，在價格方面，國內產品相較于國外產品也更具優勢[3]。

1.4 穿戴式生命監測設備研究現狀

近年來，在微電子計算機技術、微弱信號處理技術、無線通信等技術日趨成熟的背景下，集成有各種小型醫用傳感器、控制單元、無線傳輸模塊的穿戴式醫療監測系統，成為了國內外研究的熱門領域。

在穿戴式醫療監測儀器研制方面，需要考慮人體穿戴過程中舒適性問題。目前以電子織物技術，應用于穿戴式監測設備中較為普遍，其外表類似普通服飾，將監測到的人體生理數據，轉換為電信號，通過導電纖維將這些信息傳輸到特定的后臺分析設備中，通過手機或外置的無線終端，顯示測試分析結果，進而實現人體重要生理參數監測[4]。

國外在穿戴式醫療監測的研究方面，經過多年的技術儲備，先后研制出心血管疾病監測智能穿戴系統、生命針織衫、可穿戴式監測儀等設備。

LifeShirt生命衫（見圖1）是美國VivoMetris公司開發的全球第一款可以實現連續、無創、可移動收集生理參數的系統，該系統的重量僅為8盎司（1 oz=28.35 g），將多種傳感器聯在其上，可實現多種人體體征的測量。測試過程中，被測者需要穿戴上述的生命衫，系統就能夠實時對人體相關體征數據進行實時采集，通過后臺數據處理中心的分析，能夠對這些測量參數進行以波形、圖表等可視化形式輸出，這些可視化的數據可以接入醫生后臺就診終端，有助于在就診時更好地對病人的身體情況做出較為全面的判斷。

圖1 美國Vivo Metrics公司生命衫Fig.1 American Vivo Metrics life shirt

近年來，我國科研院校，在生理監測系統的研制方面也取得了顯著成果，比如清華大學基于無線網絡，針對遠程家庭監護場景，進行系統開發，可將監測到的人體生理數據實時傳輸到遠程終端數據庫，通過對監測數據進行比對分析，將分析結果傳輸到醫生的診療終端界面，可作為醫生診療的輔助數據支撐。

此外，對于接觸式體制監測設備，人們更傾向于接受檢測過程簡單，測試痛感較輕，成本相對較低的方法。光電容積描記技（PPG）技術作為光學檢測技術的一種，用來探測人體組織特別是毛細血管中血量的變化，預測心血管的關鍵參數，得到廣泛應用（見圖2）。

圖2 可穿戴式PPGFig.2 Wearable PPG

目前接觸式PPG技術可分為兩種模式（見圖3）：反射式和透射式。通過出射光和光電接收裝置是否位于同側進行區分，即當光源和光電接收裝置位于同側則為反射式，反之則為透射式。

圖3 PPG兩種模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of two PPG modes

同樣PPG技術也面臨一些關鍵技術有待突破，比如只能實現單點監測、監測過程需要將傳感器進行佩戴式接觸等問題，限制了其在諸如灌注成像和愈合評估或需要自由運動的情況下的實用性。

針對單點分析技術，相關學者采用多個光電探測器，形成區域采集和分析對其技術進行升級。但是，在測試硬件上采用多傳感器的設計方式，將對日常使用的便捷性造成很大影響。而且不同的設計方式，也會對求解的準確性產生較大影響，比如PPG在運動偽差方面，從算法的迭代方式來看，采用單點測量，很難對運動偽差進行消除，因此，對于遠程測量監測技術的后續研究是尤為必要的。

2 非接觸式生命監測技術

近些年來醫療、軍事等領域的需求日益迫切，隨著生物醫學工程、雷達、計算機、微電子等技術的發展與普及，非接觸式生命監測技術應運而生[5]。

2.1 國外非接觸式生命監測研究情況

在國外，許多國家都非常重視對于非接觸式生命監測相關的技術研究，研究機構多集中于美國、日本、德國等發達國家。美國佛羅里達大學Lin團隊開發出基于X波段監測系統，能夠實現對人體心跳和呼吸的監測，但測試距離相對有限，不超過30 cm。

密歇根州立大學基于X波段，L波段和UHF波段的非接觸式生命體征方面取得了突破，其開發出X波段10 GHz生命監測系統，監測范圍有了明顯提升，能在較為空曠的環境識別人躺臥時的心跳和呼吸，監測范圍最大可達30.48 m，該監測系統亦能透過水泥墻體，監測到墻后3 m處人坐立時的心跳和呼吸信號，此外密歇根州立大學也成功開發出由數字移相器和微波衰減器組成的自動雜波對消系統，并將該系統應用于L波段2 GHz，X波段10 GHz的系統中，對于提升設備的監測效果，起到了積極意義[6-7]。

夏威夷大學利用連續波段，開發出基于多普勒雷達生命體征遠程監測技術，能有效避免對動態目標監測時，由于監測設備自身擾動，導致設備整體監測精度不高。佛羅里達大學又研制出了用于平面監測生命信號的多普勒雷達陣列，通過4個探測器，一個8路數據采集模塊和一臺用于頻譜分析的計算機組成的測試陣列，可對運動引起的干擾，起到抑制作用，對于采集人體呼吸和心跳等指標參數的監測系統整體靈敏度提升，起到積極意義[8]。

2.2 國內非接觸式生命監測研究情況

在非接觸式生命監測技術研究方面，國內起步相對較晚，相關高校及科研機構對雷達生命體征監測技術進行了初步理論探索與實踐。

第四軍醫大學針對動態監測時人體呼吸頻率加快對監測產生信號干擾這一問題進行研究，通過采用時域線性累加算法及互相關技術，有效解決上述動態目標信號擾動問題。在雜波信號抑制方面，南臺科技大學采用V波段60 GHz毫米波，借助可調衰減器和移相器，構建基于環境雜波和人體散射信號的干擾抑制方法[9]。

2.3 非接觸式生命監測雷達技術的研究情況

隨著雷達技術在軍事領域探測取得的顯著效果，將雷達技術應用推廣，基于雷達發射的不同脈沖頻率及其帶寬特點，可用于提取生命體征微弱的生理信號。

其主要原理（見圖4）為雷達回波信號中包含攜帶人體呼吸心跳信息的胸膛震動信號，監測過程中，雷達與人體的距離會隨運動個人的位置變化而不斷發生著改變，針對多目標運動時體動干擾，如何通過對每個目標距離的偏移大小預估和校準，從而能夠在微小體動變化范圍內消除外界干擾因素，對生命體征信號進行準確識別，目前是非接觸式生命監測雷達技術研究中的關鍵技術。

圖4 超寬帶雷達技術原理圖Fig.4 Principle of UWB radar technology

這一關鍵技術立足點為采用小波分析雜波去除算法、動態目標MIK距離估計與補償等方式，對呼吸及心跳信號進行分離處理（見圖5）。

圖5 超寬帶雷達關鍵技術流程Fig.5 Key technology flow of UWB radar

在非接觸式生命監測雷達測試領域，針對生命雷達監測技術方面，研究的高校、科研院所及企業等數量較少，且主要集中于信息處理算法以及應用層面，其監測產品應用的基礎核心元器件依賴于進口。我國相關企業及研發機構在生命監測技術應用及拓展方面，經過多年的探索，也取得了一定成果。

基于生理雷達技術，北京郵電大學開展多目標體征及位置監測技術相關研究，已形成關于上述監測技術及數據分析求解算法，能夠實現多目標靜態與動態體征及位置信號提取，目前技術可應用于室內以及車載條件下，對生命體征進行監測。上海兆觀傳感科技有限公司，開發出超寬帶雷達睡眠監測系統（見圖6），用于監測人體睡眠，通過超寬帶（UWB）生物雷達監測技術，對人體呼吸過程中胸腹部運動進行探測，在雷達回波中獲取呼吸、全身體動等信息，對有睡眠呼吸障礙人群，通過無干擾式非接觸監測，能夠為其提供相應診斷意見[10-11]。

國外，將雷達技術應用于生命體征監測，主要側重于生理體征監測算法及芯片的研發方面，如美國ADI，挪威Novelda AS等公司，開發出的新型24 GHz雷達傳感器，可監測人體心率和呼吸速率，相比于以往的探測芯片在探測精度、芯片的小型化、監測的穩定性方面都有明顯地提升。

圖6 超寬帶雷達睡眠監測系統Fig.6 UWB radar sleep monitoring system

3 非接觸式生命監測技術應用展望

目前對于非接觸式生命監測領域，特別是針對心肺核心體征監測方面的研究，正逐步探索將軍事領域先進的雷達探測技術，應用于民用產業。

其中，超寬帶雷達技術（大的帶寬比）因其具有較強的抗干擾能力、位置辨識能力、較好的目標判別能力等特性，日益受到關注。借助超寬帶雷達所發出超低頻電波可精確地判定被測目標的位置，實現人體呼吸、心率等生理數據的實時監測[12]。

基于超寬帶雷達生命體征監測技術，有廣泛的應用前景。

在智慧養老領域（見圖7），采用非接觸式低頻雷達探測技術，射頻頻率符合人體健康要求，老人無需長時間佩戴手環或定位設備等，即可對其進行日常監護，同時雷達監測的老人心肺等重要的生理指標，亦可作為其日常健康護理等基礎性評價數據，可為后續遠程診斷及醫療服務提供有力的保障，也為更好地改善現有養老院監護人員相對缺乏、監護設備相對單一，無法對其進行全天候監護難題提供了新的解決方案。

圖7 基于超寬帶雷達養老場景的體征監測Fig.7 Physical sign monitoring of old-age care scene

如何靈活地實現多種場景下老人日常起居的監測，目前主流研發趨勢是在固定區域范圍內，進行監測雷達組網，實現對區域范圍內動態目標的全覆蓋，通過對監測算法的集成整合，采用神經網絡優化技術對監測算法進行基于老年人體征核心數據喂養，使之能夠不斷適應針對老年人的身體體征監測，不斷提高算法的準確度，進而實現可擴展、易部署的養老場景監測方案。

近年來，汽車的普及化，行車過程中人員的健康安全日益受到重視，據國家最新交通事故調查表明：駕駛員的疲勞駕駛及大中型車內人員超載是引起交通事故的主要原因。目前針對疲勞駕駛的監測多采用車輛內部設置的監測座椅，或在車輛儀表上安裝眼動/視頻設備對其進行監測。由于這些設備會受到人體的坐姿、光線、擺放角度等影響，實際的監測效果一般。

超寬帶雷達監測技術可作為智能汽車配套輔助系統的一部分，通過低頻雷達波實現生命體征的非接觸式監測，其不受光線、擺放角度等環境因素的影響，通過對人體心肺指標的監測與人體日常狀態下的生理指標比對，可以較好地判斷此時人員的生理狀態，從而實現對駕駛員疲勞監測、車內嬰幼兒誤鎖車內及大型貨車或客車人員超載判定等問題。

對于車內監測場景（見圖8），目前主要面臨如何克服車內雜波干擾，準確監測駕駛員心率，如何靈活、可擴展地實現多排監測范圍覆蓋，以及如何克服多徑環境下多人呼吸心跳混疊干擾三個關鍵的技術問題。針對這幾個方面技術探索，目前主流技術趨勢為開發基于距離區間的生命體征監測算法，實現駕駛員生命體征精準監測，結合多個雷達組網，實現可擴展、易部署監測方案，并基于距離區間與相關性算法去除混疊干擾，實現駕駛員與乘客生命體征同時準確監測。

圖8 超寬帶雷達車內監測系統Fig.8 UWB radar in-vehicle monitoring system

隨著技術的更新迭代，未來在生命監測領域，也將有更多的新技術、新產品將應用到的日常生活，而監測的便捷、高效、非接觸，測試的穩定可靠，也將是生命監測技術為之不斷努力的目標。