如何利用非接觸傳感器監測呼吸

呼吸率是一個重要的生命體徵，通過它可以了解一個人的總體健康狀況和睡眠質量。呼吸率和呼吸方式也被認為能很好地反應一個人的身體基礎狀況。雖然目前市場中的技術都承諾能夠精確可靠地實現監測，但大多數並不理想--要麼不夠精確，要求不斷地作出調整；要麼用起來不那麼舒服。

本文討論了用於測量和分析呼吸的各種成熟方法，以便理解它們在滿足日常健康護理和健身跟蹤要求的過程中存在的局限性。克服這些挑戰並不容易，但超寬帶(UWB)脈衝雷達可以作為像Novelda公司的XeThru等傳感器的運用基礎，以幫助這些傳感器達到2.8米的有效範圍，並能夠「穿透」障礙物，比如衣服，而且成本低，容易使用。

用於健康護理的呼吸監測

呼吸率是一個人每分鐘呼吸的次數，最好是在人休息的時候進行測量。呼吸率可能由於發燒、生病或其它身體狀況而增加。測量呼吸率的最常用方法是藉助物理評估方法，即觀察人的胸部，計算一分鐘內呼吸的次數。呼吸深度可以用根據呼出吸入空氣體積測量肺功能的肺活量計來進行判斷。在最簡單的應用方式中，醫生用肺活量計來檢測像哮喘這樣的病理狀態。呼吸率本身只能提供有限的信息，但呼吸方式(測量速率、幅度和其它特徵)，則可以提供更多有價值的信息，然後再用於醫療診斷和睡眠質量的評估。

目前市場上已有的大多數呼吸監測技術是侵入式的，需要將待測人員與測量設備連接在一起。對於上面所述的肺活量計來說肯定是這樣的，但即使是簡單的機電式呼吸率測量通常也要求在被測人員胸部綁上一根有彈性的帶了。其它聲學技術要求將設備連接到被測人員的頸部，而電容技術要求在床上安裝一種專門的床墊或在被測人員的身體上安裝傳感部件。這些方法主要用於專業的護理情況，可以提供精確的呼吸方式數據。但根本性的挑戰仍然存在，即傳感器與身體的物理連接會給被測人員帶來壓力。任何相關的不適反過來又會影響被測人員的呼吸，從而可能使測試數據無效。

消費類呼吸監測技術

還在不久前，即使很簡單的呼吸測試也要去醫生辦公室做。比較擴展一些的監測方式是先在診所，或醫院做初步的生理診斷，只有確診的病人才去做呼吸測試。智慧型手機和類似高科技電子產品(包括心率和血糖等設備)的發明，加上人們對自身的健康和幸福更加的關注和關心，使得人們增加了對醫療環境之外的檢測手段的期望值。也因此市場上充斥著各種各樣的健康護理和健身監測設備，它們可以幫助消費者跟蹤自己的身體活動，並管理他們的個人健康。這些產品使用與經過醫學認證的產品相似的技術，並對醫療設計作了進一步的改進，因此可以滿足通過監測睡眠質量和休息時的呼吸方式提供完整的健康評估這一趨勢要求。

考慮到當前解決方案的局限性，並且理解消費者期望健康與健身產品舒適、安全和容易使用，因此很明顯一款真正合適的呼吸/睡眠監測器需要滿足一些相當嚴格的設計要求。它應該能夠遠程離精確地測量和記錄呼吸，它的擺放位置不應該很嚴，只要被測人員在合理的檢測區域內即可(圖1)。在這個區域內人的朝向應該不重要，即使中間有正常的障礙物(如隔著羽絨被)，監測器也應該能夠可靠地工作。

圖1：兒童呼吸記錄例子。從圖中可以清楚地看到，遠程監測需要能夠檢測只有幾個毫米的胸部運動

這種技術應該適合所有年齡和身材的人們使用，而且應該是非侵入式的，能夠保護被測人員的隱私，即通常要將用任何形式的視頻監控進行的監測排除在外。另外，還應該能夠同時監測多個人。在滿足這些目標的傳感器技術性能方面需要做的進一步思考有：安全使用、低成本、低功耗，以及最好容易集成進終端設備設計，並且體積要小，能提供數字接口。

呼吸監測

在目前市場中能夠測量呼吸率的許多產品中，大多數產品採用健身跟蹤器的形式，即需要使用到嵌入腕帶或胸帶的身體佩戴接觸式傳感器。然而，睡覺時戴著一個連著身體的監測設備是很不舒服的，而且電池供電的產品還要求定期充電。更先進的睡眠監測器採用非接觸傳感的方式避免這些問題，在提供睡眠質量監測的同時具有更好的舒適性。這些先進監測器使用的技術有在床墊下放傳感部件的電容檢測以及從床邊監測呼吸運動的連續波(CW)雷達解決方案。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工作，它們的可靠性受溫度和溼度變化的影響。連續波雷達可以工作在更遠距離，但不能區分是呼吸引起的運動還是其它身體運動。

雷達技術似乎是非侵入式系統的理想選擇，可以遠距離監測呼吸，特別是它的信號可以透過衣服或床褥等材料。即使這樣也存在局限性。雖然連續波都卜勒雷達對運動高度敏感，能夠很容易檢測到像呼吸這樣重複運動的頻率，但它只能提供相位信息，不能測量絕對距離。不能測量絕對距離意味著基於連續波的雷達系統不能分辨諸如手足等其它身體部分運動和胸部運動。因此，連續波系統在分辨真實的胸部運動方面能力較弱，而這是在整個夜晚提供可靠數據所必需的。

我們真正需要的是能夠精確測量距離、足以區分淺呼吸和正常呼吸以及能根據胸部運動精確跟蹤人體呼吸方式的方法(圖2)。採用低功耗低成本解決方案實現這個目標極具挑戰性。

圖2：根據胸部運動可靠檢測呼吸要求雷達系統能夠測量絕對距離

在尋找解決這些問題的解決方案中，Novelda公司得出的結論是：使用雷達原理的電磁傳感器應該能夠滿足所有這些技術要求，其它方面的問題也都可以克服。前面提到的連續波雷達不能測量絕對距離的局限性在使用超寬帶(UWB)脈衝雷達技術時就不存在了，因為後者可以產生和採樣信號脈衝，實現由發送和接收脈衝之間的時間差決定的高精度距離測量。

另外，通過使用本質上是一種擴展頻譜的方法並採用數位訊號處理(DSP)恢復返回的信號，超寬帶雷達可以工作在比傳統雷達低得多的功率電平。這樣就消除了潛在消費者不想在床邊放一個大功率雷達設備的擔憂，這種技術允許工作時的功率電平不到藍牙耳機功率的千分之一。超寬帶的擴頻特性還意味著它能與其它射頻系統共存，而不會造成幹擾或受到幹擾。舉例來說，連續波都卜勒雷達工作在高得多的功率電平，它會干擾WiFi和無線電信號。相反，雖然超寬帶雷達工作在很低的功率電平，但DSP技術可以從噪聲中可靠地提取出信號，這方面與ADSL在普通電話線上實現寬帶網際網路連接非常類似。

雷達被認為是一種複雜且昂貴的技術，一般運用於高端市場。這在過去當然是成立的，因為傳統系統是用分立元件搭建的，使用的是高成本的陶瓷基板。然而在目前大多數市場特別是消費市場中，集成電路技術的廣泛普及已經使得產品能夠大批量生產，價格已經可以普遍被大眾接受。今天的高集成度已經可以用來實現系統級晶片解決方案，使得系統在體積和功耗方面極大的受益(圖3)。

圖3：Novelda的超寬帶脈衝雷達晶片集成了完整的收發器電路和所有必要的時序與信號處理單元

因此最後……

不管你怎麼想，大多數人越來越關心保健、健身和健康，從今天市場上無處不在的電子產品可見一斑。許多健身跟蹤器和類似設備可以測量活動量，比如距離、速度和步數，但它們測量身體反應的能力通常限於心率。呼吸率特別是呼吸方式是更有用的性能指標，但正如我們看到的那樣，它們的測量更加複雜，也更具侵入性。

在調查研究可以代替以前只限於醫療應用的呼吸監測技術中，Novelda發現超寬帶脈衝雷達可以同時克服技術上和易用性上的挑戰，實現測量和分析呼吸率和呼吸方式的解決方案，整個系統無需與身體接觸，也不會被衣服或床褥等物體所阻礙。事實上，這種傳感檢測技術可以用來實現緊湊型呼吸監測設計，比如Novelda公司自己的XeThru傳感器模塊。