毫米波雷达实现心率与呼吸率的非接触监测
生命体征——体温、血压、呼吸率、心率——为临床医生提供患者健康状况及康复/恶化轨迹的即时洞察。这些指标随年龄、性别、体重、体能及当前身心活动而变化。例如运动时，体温、呼吸率和心率自然上升。
毫米波（mmWave）雷达发射短波长无线电波，经物体反射后，系统可推导距离、速度和角度，精度达毫米级。这使 mmWave 成为持续生命体征监测的理想非接触平台，免去粘贴式传感器，降低感染风险——疫情期间尤为重要。
本文探讨 mmWave 雷达如何检测呼吸率（BR）和心率（HR）、面临的挑战及新兴医疗应用。
BR 和 HR 揭示什么？
BR 和 HR 的典型健康范围汇总如下（表 1）。个体数值因年龄、性别、体能和活动水平而异，HR 和 BR 联合评估有助于临床医生判断压力和整体健康状况。
表 1：健康人群生命体征
年龄特异性静息心率详见表 2（来源：Wikipedia）。
表 2：按年龄划分的静息心率
图 1 展示 HR 如何随体能、压力和医疗状况波动（来源：AAAI 2018）。
异常 BR 和 HR 可预示阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）、婴儿猝死综合征（SIDS）、呼吸困难、慢阻肺等危及生命状况。图 2 展示这些疾病的特征呼吸模式（来源：ClinicalGate）。
静息高 HR 关联心血管风险增加，静息低 HR 可能预示未来起搏器需求。对脆弱患者而言，BR 和 HR 的持续非接触监测可挽救生命。
接触式 vs 非接触式监测
传统生命体征设备——如 ECG 电极和脉搏血氧仪——需直接皮肤接触。长期监测中这不便且增加交叉污染风险。非接触式传感器，尤其是 mmWave 雷达，通过远距离测量微小胸部运动提供更安全替代。
mmWave 雷达基础
mmWave 雷达工作在 30–300 GHz，波长 10–1 mm。工业分配 60–64 GHz，汽车系统用 76–81 GHz。短波长实现紧凑天线和亚毫米级测距精度。
聚焦调频连续波（FMCW）雷达。FMCW 发射线性啁啾——频率随时间增加——并捕获反射信号。发射与接收频差产生距离；相移揭示运动。
典型 FMCW 雷达框图见图 4（来源：TI.com）。
混频器合成发射和接收信号，产生含和频与差频分量的中频 (IF)。低通滤波器分离差频分量，经傅里叶变换显示对应物体距离的峰值。
速度源于连续啁啾间的相位差，利用多普勒效应。短 mmWave 波长（≈ 3.5 mm）放大相位灵敏度，实现亚毫米运动检测。
用 mmWave 检测心率与呼吸率
60 或 77 GHz mmWave 雷达可感知小至几分之一毫米的胸部运动。图 6 描绘信号流：啁啾朝胸部发射，反射信号经距离 FFT 处理隔离胸部频道，随时间跟踪该频道相位。
从速度时间序列，多普勒 FFT 隔离对应心跳（≈ 0.8–2 Hz）和呼吸（≈ 0.1–0.5 Hz）的频率分量。每分钟窗口内计数峰值得出 HR 和 BR 值。图 7 演示此算法。
挑战与未来方向
信号反射因肤质、组织成分和体内水分差异而因人而异。对这些变异性的持续研究旨在优化校准模型、提升测量精度。
结论
mmWave 雷达传统服务于国防、汽车和工业领域，其不断提升的精度、快速信号处理和超紧凑外形如今解锁变革性医疗应用——患者活动监测、生命体征监控、甚至压力或嗜睡检测。这些能力不仅适用于临床环境，也适用于智能驾驶员监测系统。
参考文献
- Texas Instruments. "68xx Vital Signs."
- "Remote Monitoring of Human Vital Signs Using mm‑Wave FMCW Radar."
- DeepHeart: Semi‑Supervised Sequence Learning for Cardiovascular Risk Prediction.
传感器