评述：利用光子雷达来监测室内人员的生命体征

研究背景

      很多国家的人口老龄化问题日益严重，尤其是我国受到计划生育政策的影响，问题更大。计划生育的第一批是80后，他们的父辈开始退休进入老人行列。80后又大多是独生子女，夫妻二人要照顾四位老人，压力很大。也因此，老人们面临着老无所依(空巢老人)无人照料的困境。空巢老人面临的问题可以分为身、心两部分。心理部分主要是寂寞孤独问题，可以通过子女的陪伴、培养自身的兴趣爱好、寻找精神寄托等方法来解决。身体部分主要就是健康问题，现在比较好的解决办法，就是智慧医疗。

      智慧医疗是一个比较大的课题，本文只讨论与广大人民群众息息相关的末端问题：首先需要收集观测目标的生理参数才能发挥其“智慧”的特点来给出医疗建议或者措施。很多学者都在尝试研究适用于家庭、养老院、重症监护室等应用场景的非接触式生理参数监测方法。例如远程光电脉搏波描记术(rPPG)，其目标是通过对监控视频的分析来获取目标的生理参数。这样在硬件上不用投入太多，推广起来会比较容易。但是，rPPG属于被动测量方式，信噪比差，测量精度和稳定性还难以达到实用标准。该文所研究的光子雷达是主动式测量，虽然成本要高一些，但精度和稳定性更佳。

论文导读

      呼吸、体温、脉搏、血压是生命的四大体征。它们是维持机体正常活动的支柱，任何一项出现异常都是身体健康受到威胁的标志。因此，对这些关键生理指标的监测技术对智慧医疗有着极为重要的作用，在重症监护、老年人护理、疲劳驾驶预防等领域有着很广泛的应用前景。

      目前，医疗领域对于生命体征的检测仍依赖于接触式设备。例如：电子血压计可以同时测量血压和脉搏；体温测量还是依赖水银体温计；门诊通常使用听诊器检查呼吸情况；重症监护室常用监护仪来监测心率、血压、血氧饱和度，等等。在日常生活中，人们常用的则是智能手表和运动手环等基于PPG的测量设备。它们虽然也能实现24小时监测心率、睡眠状态等参数，但是戴的时间长了，还是会有表带过敏、压痕瘙痒等问题。因此，很多学者开始研究非接触式的生理参数测量方法，如rPPG。

      rPPG技术虽然可以通过对监控视频的分析，从面部的肤色或光强的微弱变化提取出心率等生理信息，但侵犯隐私权是其最大的问题。毕竟在日常生活中有很多时候是不适合拍视频的。为了解决这一问题，悉尼大学物理学院的光子与光科学研究所的Benjamin J. Eggleton和Yang Liu等人针对基于光子雷达的生理参数非接触测量方法展开研究，研制了一套实时测量多个目标呼吸活动的分布式系统实现了13.7mm的位置分辨率，呼吸活动中胸部起伏的测量精度达到了微米级。相关成果以Photonic radar for contactless vital sign detection为题发表在Nature Photonics上。

技术突破

      呼吸和心跳是最重要的生命体征。人的呼吸和心跳都能够引发胸腔的振动。当雷达发出的信号被胸腔反射时，会因为多普勒效应而产生频移和相位变化。分析反射信号就能获知人的呼吸频率、幅度或者是心率。一般成年人呼吸时胸腔的起伏大约在4到12mm之间，心跳引发的振动则只有0.2到0.5mm之间，因此要实现呼吸或者心跳的监测需要雷达系统具有很高的测量精度。传统的基于电学的雷达系统受到带宽的限制，很难满足这样的需求。因此该文选择光学辅助雷达系统来突破这一限制。

      该文所述的基于光子雷达的呼吸监测系统由一个中控台(Centralized system)、低损耗光纤网络和多个‘光-射频热点’组成，如图1a所示：

      如图1b中蓝色虚线所包围的部分所示，中控台里包含激光器、RF控制器、光开关(OS)和频移光纤腔。该文所用RF控制器为一个双通道函数发生器(100MHz模拟带宽)，其中一个通道(CH1)被用于控制OS从频率为f_c的连续正弦激光中截取一个单脉冲作为频移光纤腔的输入；另一个通道(CH2)被用于驱动声光频移器(AOFS)产生所需的频移量△f。在频移光纤腔中，AOFS负责在光每次连续往返中将注入脉冲的频率移动100MHz(△f)，掺铒光纤放大器(EDFA)则负责损耗补偿。频移光纤腔的输出信号为一系列频率呈线性递增的正弦光脉冲(如图1b所示)，即步进频率(stepped-frequency, SF) 光信号。SF光信号的持续时间或总带宽，由CH2驱动信号的持续时间和重复周期决定：从亚千兆赫水平调谐到30GHz可调谐(详见论文补充材料1)。该输出信号经过光纤网络到达各个‘光-射频热点’，然后与热点中的参考激光做外差混频产生RF域的SF信号从天线发射出去(TX)。

      雷达信号被待测目标反射后，由天线收集(RX)导入电光调制器(EOM)转为光信号再经过光纤网络传回中控系统。在中控系统中，将发射的SF光信号和接收到的光信号在光电探测器(PD)处混合相干。如图1c所示，不同距离d₁和d₂处的目标反射回来的信号(虚线)与参考光(实线)混合后会产生不同振荡频率的相干信号。因此，对PD输出信号做傅里叶变换，频域中各个峰值对应着不同距离目标的反射信号，从而实现多目标的信号分离和位置测量，如图1d所示。

      在该文所述的光学辅助雷达系统中，要确保位置测量的精度和分辨率，需要RF信号满足带宽大、时频线性度高的条件。实验验证结果如图2a所示，脉冲注入频移腔后完成250个往返和频移后，生成的SF信号总带宽为25GHz。时频线性度的详细测量结果见该论文的补充材料1。

      频移腔生成的SF波形的功率谱密度(PSD)保持在-103.7dBc/Hz左右的恒定水平，如图2b所示，在达到第250个循环时仅略微降低至?108.3dBc/Hz，优于任意波形发生器(AWG)产生的SF信号。在信噪比方面，频移腔和AWG生成的SF波形性能相当，如图2c所示。证明了光辅助不会造成雷达信号的劣化。

      该文使用一块4×5×0.3cm³金属平面反射器放在预定的各个位置来测试所述系统的测距分辨率和精度(以标准差s.d.来表征)，实验结果如图2d和e所示。实验中使用了10GHz和2.5GHz两种不同带宽的信号，以测试带宽对结果的影响。测距分辨率分别为13.7mm (10GHz)和53.2mm (2.5GHz)，对应的标准差分别为93.28 μm (10GHz)和725.90?μm (2.5GHz)，显然带宽越大效果越好(如图2f所示)。实验结果证明增大感测信号的带宽能同时提高测距分辨率和精度，这也是该文所设计的光子雷达的优势所在。

      作者使用了两个人体呼吸模拟器来测试雷达系统的实用效果，如图3a所示。实验时根据成年人休息时的典型呼吸频率 (respiratory rate, RR)选择12b.p.m.和16.5?b.p.m.分别作为两个呼吸模拟器的呼吸频率。这两个模拟器的距离约为10cm，所得实验结果如图3b所示。在60秒内测量到的相对胸部运动曲线如图3c所示。经傅氏变换后，频域中最大的峰值对应的频率标示出了RR，如图3f所示。此外作者还测试了一些病态呼吸特征的监测，如吸气长呼气短(如图3d所示)和呼吸骤停(如图3e所示)。其中吸气长呼气短是吸气性呼吸困难的典型症状，即吸气比较费力，呼气相对比较容易，这通常预示着肥胖、哮喘、焦虑、冠心病、慢性阻塞性肺病等健康问题，需要提醒被测者就医检查。呼吸骤停的原因则可能有：呼吸道阻塞、中枢性呼吸抑制、心脏骤停等，有必要立即发出警报提醒施救。这一实验也展示了该系统可以实现对呼吸活动的监测而不仅仅是测一个呼吸频率。

      作者用甘蔗蟾蜍做动物呼吸实验来证实该系统的实用性，如图4a所示。甘蔗蟾蜍的口腔和肺部所属区域(统称为颊腔)面积约为2×2.5cm²，远小于人的胸部，测量难度更高。实验时蟾蜍与热点的距离为1m，雷达波束指向蟾蜍的颊腔区域。测量结果如图4b所示，蟾蜍呼吸时体表振幅约为5mm(实线)与通过相机分析出的结果(虚线)相符。这两套数据的互相关系数为0.746(如图4c所示)，频域结果也基本一致(如图4d所示)，说明了雷达测量结果是可信的。此外该雷达系统也可以按照激光测距仪(LiDAR)的模式工作，实验装置如图4a所示；总合成带宽25GHz时，结果如图4e到g所示。

观点评述

      该文主要面向空巢老人、重症病人等弱势群体的健康监测需求，针对rPPG等基于视频分析的生命体征监测技术所涉及的隐私问题，以及PPG等接触式测量的长期佩戴舒适性问题，向读者展示了一种基于光学辅助雷达的非接触式生命体征监测系统。该系统仅使用100MHz带宽的函数发生器就实现了SF信号的总合成带宽的精确控制(从亚千兆赫水平到30GHz可调谐)，达到了毫米级的定位分辨率和微米级的测量精度，实现了多目标的呼吸状况监测。

      该文所述系统具有两种工作模式：光学辅助雷达和LiDAR。光学辅助雷达的信号为无线电波，穿透能力强，可以忽略衣服的影响，改进天线提高增益后甚至具备穿墙测量的潜力。但相对来说也容易受到周边其它射频源的信号干扰。LiDAR使用光作为信号，波长比无线电波短、带宽更大、测量精度更高。但衣服等遮蔽物对它的影响更大一些。

      此外，该文给出了室内应用的概念图，其所提出的一个中控多个终端的系统构成方式，可以对任意体位的目标进行测量，有一定的启发性。作者也提出了可以利用光子集成技术对系统做进一步的优化。综合来看，该文为分布式非接触生命体征监测技术的发展提供了一条分辨率高、精度好、响应快、结构简单、经济有效的新思路。

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