非接触式传感器监测呼吸方案 - 全文

　　呼吸率是一项重要的生命征象，有助于瞭解一个人的整体健康状况和睡眠品质。呼吸率和呼吸方式也被认为是反映个人基础健康状况的良好指标。虽然目前市场中的技术都承诺能够准确可靠地进行监测，但大多数并不理想——有的不够准确而必须不断地调整，有的则是用起来并不舒服。

　　本文讨论用于测量和分析呼吸的各种现有方法，以理解它们在满足日常健康照护和健身追踪要求的过程中所存在的局限性。克服这些挑战并不容易，但透过超宽频（UWB）脉冲雷达，能够为诸如Novelda公司的XeThru等感测器提供基础，让这些感测器达到2.8m的有效范围，并能“穿透”衣服等障碍物，而且成本低且易于使用。

　　用于健康照护的呼吸监测

　　呼吸率是一个人每分钟呼吸的次数，最好是在休息的时候进行测量。呼吸率可能由于发烧、生病或其它身体状况而增加。测量呼吸率的最常用方法是借助实体评估方法，即观察人体的胸部，计算一分钟内呼吸的次数。呼吸深度则可以用肺活量计来进行判断，该装置可根据呼出与吸入空气量测量肺功能。最简单的应用方式是医生用肺活量计来检测气喘等病理状态。呼吸率本身只能提供有限的资讯，但呼吸方式（测量速率、振幅和其它特征），则可以提供更多有价值的资讯，然后再用于医疗诊断以及评估睡眠品质。

　　目前市场上已有的大多数呼吸监测技术是侵入式的，需要将受测者与测量设备连接在一起。对于上述的肺活量计来说确实如此，但即使是简单的机电式呼吸率测量通常也必须在受测者的胸部绑上一条弹性带。其它声学技术要求将装置连接到受测者的颈部，而电容技术则要求在床上安装一种专用床垫或在受测者的身体上安装感测元件。这些方法主要用于专业的照护情况，可以提供准确的呼吸方式资料。然而，根本性的挑战仍然存在，即感测器与身体的实体连接仍然会对受测者造成压力。任何相关的不适又会反过来影响受测者的呼吸，从而可能使测试资料无效。

　　消费类呼吸监测技术

　　还在不久前，即使很简单的呼吸测试也得去诊所进行。更精密一点的监测作业是先在诊所或医院做初步的生理诊断，只有确诊的病人才接着进行呼吸测试。智慧型手机和类似的高科技电子产品（包括心率计和血糖仪等装置）的发明，加上人们对自身的健康和幸福更加注意与关心，使得人们对于远离医疗环境以外其他检测方式的期望提高。因此，市场上充斥着各式各样的健康照护和健身监测装置，它们可以协助消费者追踪自己的身体活动以及管理个人健康。这些产品使用与医学认证产品相似的技术，并对医疗设计进行更多的改善，因而能够藉由监测睡眠品质和休息时的呼吸方式，满足提供完整健康评估的趋势要求。

　　考虑到当前解决方案的局限性，以及理解消费者期望健康与健身产品舒适、安全且易用的需求，显然地，一款真正合适的呼吸/睡眠监测器必须符合一些相当严格的设计要求。它应该能够在远端准确地测量和记录呼吸，其摆放位置不需要十分严苛，只要受测者在合理的检测区域内即可（图1）。受测者在此区域内的方向也不影响测量，即使其间存在一般的障碍物（如隔着羽绒被），监测器也应该能够可靠地作业。

　　

　　图1：儿童呼吸记录例子。从图中可以清楚地看到，远端监测的精确度需要达到仅几毫米（mm）的胸部运动检测

　　这种技术应该适用于所有年龄层和身形的人们，而且应该是非侵入式的，能够保护受测者的隐私，即通常要将用任何视讯监控形式的监测排除在外。另外，还应该能够同时监测多人。以感测器技术性能来看，满足这些目标的进一步思考包括安全使用、低成本、低功耗以及易于整合进终端装置设计，而且体积要小，并能提供数位介面。

　　呼吸监测

　　在目前市场中能够测量呼吸率的许多产品中，大多数产品采用健身追踪器的形式，即必须使用内建于腕带或胸带的可穿戴接触式感测器。然而，睡觉时戴着一个连接身体的监测装置并不舒服，而且以电池供电的产品还得定期充电。更先进的睡眠监测器采用非接触式感测，因而避免了这些问题，可在提供优质睡眠监测的同时也具有更好的舒适性。这些先进的监测器使用诸如电容式感测（感测器元件置于床单下）等技术，或从床边监测呼吸运动的连续波（CW）雷达解决方案。虽然这些解决方案不需要直接接触身体，但电容解决方案通常需要在身体附近作业，而且可靠性也易受温度和湿度变化的影响。CW雷达可在更远的距离以外作业，但无法区分是呼吸引起的运动还是其它身体动作。

　　雷达技术似乎是非侵入式系统的理想选择，能够实现远距离监测呼吸，尤其是它的讯号可以穿透衣服或床被等材料。即使如此也仍存在限制。虽然CW都普勒（Doppler）雷达对于运动高度敏感，而且能够很容易地检测到像呼吸这一类重复运动的频率，但它只能提供相位资讯，而无法测量绝对距离。无法测量绝对距离意味着基于CW的雷达系统不能分辨诸如手、足等其它身体部份运动和胸部运动。因此，CW系统在分辨实际的胸部运动方面能力较弱，而这是在一整晚提供可靠资料所必需的。

　　我们真正需要的是能够准确测量距离、足以区分浅呼吸和正常呼吸以及能根据胸部运动准确追踪人体呼吸方式的方法（图2）。然而，采用低功耗、低成本解决方案实现这个目标极具挑战性。

　　

　　图2：根据胸部运动可靠地检测呼吸，需要能够测量绝对距离的雷达系统

　　使用UWB脉冲雷达

　　为了寻找解决这些问题的解决方案，Novelda认为，使用雷达原理的电磁感测器应该能够满足所有的技术要求，其它方面的问题也都可以迎刃而解。前面提到CW雷达在测量绝对距离的局限性，在使用UWB脉冲雷达技术时就不存在了，因为UWB可以产生和取样讯号脉冲，实现由发送和接收脉冲之间的时间差所决定的高准确度距离测量。

　　此外，透过使用本质上是一种扩展频谱途径且采用数位讯号处理（DSP）恢复返回的讯号，UWB雷达可以作业于比传统雷达更低得多的功率电平。如此一来即可克服潜在消费者不想在床边放置大功率雷达设备的顾虑——这种技术的功率电平还不到蓝牙耳机功率的千分之一。UWB的扩频特性还意味着它能与其它射频（RF）系统共存，而不会造成干扰或受到干扰。举例来说，CW Doppler雷达作业于较高的功率电平，因而会干扰Wi-Fi和无线电讯号。相反地，虽然UWB雷达虽然作业于较低的功率电平，但DSP技术能可靠地从杂讯中撷取讯号，这方面与ADSL透过普通电话线上实现宽频网际网路连接非常类似。

　　雷达被认为是一种复杂且昂贵的技术，一般运用于高阶市场。当然，这在过去是成立的，因为传统系统是分离式元件搭建的，使用的是高成本的陶瓷基板。然而，在目前的大多数市场（特别是消费市场）中，IC技术的广泛普及已经使得产品能够大量生产，价格也已经普遍被大众接受。当今的高整合度已能用于实现系统级晶片（SoC）解决方案，使得系统在尺寸和功耗方面也获益匪浅（图3）。

　　

　　图3：Novelda的超宽频脉冲雷达晶片整合完整的收发器电路以及所有必要的时序与讯号处理单元

　　因此，最后……

　　无论如何，大多数人越来越关心保健、健身和健康，从今天市场上无处不在的电子产品可见一斑。许多健身追踪器和类似的装置可以测量活动量，例如距离、速度和步数，但用来测量身体反应的能力通常仅限于心率。呼吸率以及呼吸方式是更有用的性能指标，但正如我们看到的那样，其测量条件更加复杂，也更具侵入性。

　　在调查研究可取代以往只限于医疗应用的呼吸监测技术中，Novelda发现UWB脉冲雷达可以同时克服技术上和易用性上的挑战，提供测量和分析呼吸率和呼吸方式的解决方案，整个系统无需与身体接触，也不会被衣服或床被等物体所阻碍。事实上，这种感测技术可以用来实现紧密型的呼吸监测设计，如Novelda的XeThru感测器模组（图4）。

　　

　　图4：超宽频脉冲雷达可实现具有检测能力的紧密型设计，在单一PCB上整合了天线、讯号处理IC以及控制介面等各种元件

　　（参考原文：Tackling respiration monitoring with non-contact sensor technology，by Kjetil Meisal）