使用雷达监测生命体征，可以连续无接触地监测心脏和呼吸频率，同时具有低功耗和小PCB占地面积。

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在老龄化社会中，健康监测发挥着越来越重要的作用。最好在早期发现健康问题，从而避免住院或至少尽可能缩短住院时间。人们希望在熟悉的环境中过上自决和独立的生活，直到老年。


此外，年轻人对更加个性化和自主的医疗服务感兴趣。由于能够随时监测健康和健身状态，因此可以在早期发现疾病和压力并采取行动。此外，父母正在尽一切努力确保他们的孩子和婴儿表现良好，以便在最坏的情况发生时能够迅速做出反应。


许多疾病可以根据心肺数据的不规则性早期发现。由于技术的进步，新的可能性正在出现。自智能手表首次推出以来，消费电子产品与数字健康监测的结合越来越受欢迎。这一积极趋势在医疗保健行业也很明显：图1显示，在过去10年中，对数字健康的投资增长了20倍，最近一段时间增长极为迅猛。1.


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图1：近年来，数字健康行业的投资急剧增加。

可以监测的最重要的生命体征包括心跳和呼吸频率。这些信息可用于检测心血管疾病等疾病2.或慢性阻塞性肺病（COPD）3.在早期阶段。同样，睡眠呼吸暂停等疾病也可以通过睡眠监测来检测。


目前用于跟踪和监测的大多数技术都需要通过电极或皮肤与传感器接触等方式与患者直接接触。这既适用于医院使用的高精度系统，也适用于消费行业的可穿戴设备。这些解决方案要么需要限制移动自由的电缆，要么需要不方便的定期充电。此外，这些方法不适合过敏或皮肤受伤的人。同样，这些依赖接触的测量对于婴儿和老年人来说往往很困难。因此，数字医疗保健市场需要一种能够实现无接触和连续用户监控的产品。


雷达技术的优势

雷达传感器能够对心跳和呼吸频率进行连续和非接触式监测。它还允许记录长期的重要数据，而用户无需一直意识到这一点。这不仅有助于医生做出准确的诊断，还可以降低患者的卫生风险。因此，雷达的重要传感能力有望解决当今医疗保健行业的许多挑战。


但是生命感应是如何与雷达技术协同工作的呢？雷达收发器通过其Tx天线发送低能量RF信号，并通过Rx天线接收反射信号（图2）。通常，移动目标会导致多普勒频移，这可以通过比较发射信号和接收信号来测量。这使得可以使用高度敏感的传感器（如英飞凌XENSIV™ 60 GHz雷达传感器得益于先进的算法，可以从信号中准确地提取心跳和呼吸频率。这也可以满足医疗认证的要求。


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图2：生命感应雷达技术的工作原理

在生命传感方面，雷达技术比以前的技术有五大优势：不引人注目、稳健、匿名、节能和体积小。


不引人注目的

对于生命感应，雷达技术的优点是几乎不会影响患者。唯一的要求是用户保持在设备的一定距离内，通常在1.5米以内。优选地，用户的胸部需要朝向传感器，但这不是强制性的。由于雷达可以通过非导电材料进行探测，人们可以穿任何类型的衣服或用薄毯子盖住自己。同样的功能使基于雷达的设备的工程师在外壳的材料和形状方面几乎可以自由选择，以满足消费者的设计要求。


强健的

此外，雷达传感器的功能几乎不受周围条件的影响。例如，无论房间里是完全黑暗还是非常明亮，或者是尘土飞扬、多雾还是潮湿，它都能继续可靠地工作。因此，雷达传感器不会干扰人们的日常生活。得益于先进的信号处理，传感器还可以区分人类和非人类目标，因此可以忽略小宠物和其他信号杂波来源。


匿名的

雷达设备仅分析其自身发射的信号的修改后的回波，因此不依赖于任何外部信号。因此，雷达不会收集任何个人数据，如图像、声音或视频。因此，基于雷达的健康监测设备可以在家里和私人空间连续使用，而用户不必担心隐私受到侵犯。


节能

只有几毫瓦的低功耗使得全天候使用雷达成为可能。此外，典型的辐射功率是大约10dBm或甚至更小。例如，与5G智能手机相比，这是非常低的，后者通常可以具有大约20 dBm的辐射功率。来自雷达传感器的辐射对人类没有不利影响。4.


小的

雷达芯片也具有非常紧凑的尺寸。英飞凌的BGT60UTR11AIP（图3）尺寸为4.05×4.05 mm，是市场上最小的集成天线60 GHz雷达传感器。5.像这样的传感器可以很容易地集成到消费电子产品中，在那里它们提供了巨大的功能增加。应用包括智能集线器、笔记本电脑、平板电脑、智能电视和许多其他智能家居设备。


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图3：在4×4 mm处英飞凌科技BGT60UTR11AIP是市场上最小的60 GHz雷达传感器。


将健康监测引入智能家居

疫情的教训促使人们意识到了解自己的健康状况和预防潜在疾病的重要性。同样，机器学习的进步使传感器技术的功能能够得到最大限度的利用。因此，雷达技术越来越多地进入智能家居进行健康监测。


生命数据的连续记录意味着可以很容易地与用户的医生共享，以做出准确的诊断。得益于人工智能，对记录的数据和随时间推移的趋势进行分析，可以早期发现疾病。睡眠呼吸暂停等已知或疑似疾病的症状可以被识别、记录，并很容易与患者的医生分享。此外，在发生呼吸暂停或有呼吸暂停风险的情况下，可以及时自动向紧急医疗服务部门发出警报。


这些福利使老年人和病人尤其能够过上自我决定的生活。但父母也从这项技术中受益，因为婴儿和新生儿尤其难以用传统系统进行监测。这就是雷达传感真正证明其价值的地方，无论是监测婴儿猝死综合征的迹象，还是监测早产儿或重病婴儿。


但不仅仅是睡觉的人可以通过雷达进行监控。由于雷达芯片体积小巧，雷达传感器可以直接集成到几乎所有类型的智能家居设备中，包括智能电视、笔记本电脑或灯具。这使得传感器能够在智能灯的帮助下监测睡眠、看电视、在笔记本电脑上工作或阅读的人的心跳和呼吸频率。雷达技术还可以立即检测到心脏病发作并触发适当的紧急呼叫。当集成到机动车辆中时，它可以指示驾驶员辅助系统使汽车安全停车。此外，雷达传感器可以用来检测疲劳迹象，并提醒人们下班或开车休息。


同时，雷达传感器能够实现脉搏和呼吸监测之外的其他功能（图4）。例如，它们可以用于跌倒检测，并且正在进行的使用雷达测量血压的研究很有希望。由于雷达技术能够同时检测微动、速度和方向，因此配备雷达的产品可以利用这些信息支持生命传感之外的更复杂应用。雷达传感器也可以用于强大的人体检测，例如，在没有人坐在电视机或笔记本电脑前面的情况下，将其切换到节能模式。还可以实现手势控制以及跟踪房间中多个人的位置。


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图4：雷达在生命传感方面的潜在应用


工作中的雷达传感器

凭借XENSIV™ 60 GHz雷达传感器，如BGT60UTR11AIP或BGT60TR13C，Infineon为开发人员提供了将生命传感纳入其设计所需的一切。英飞凌在汽车和工业雷达市场拥有多年的经验，是在消费电子产品中使用雷达进行重要传感的先驱之一。


为客户产品的软件、硬件设计和测试提供了强有力的支持，从而加强了高质量可靠的产品系列。总而言之，产品工程师节省了开发时间，可以提供高质量的最终产品。


英飞凌的客户和合作伙伴已经成功地在其生命传感产品中使用了英飞凌雷达传感器。例如，瑞士Sleepiz公司提供一种经过医学认证的睡眠监测设备（见下文）。此外，谷歌的Nest Hub 2正在使用英飞凌的雷达传感器来检测睡眠中的生命体征，这是一项额外的功能。


分析睡眠和检测睡眠呼吸暂停

Sleepiz的目标是检测睡眠呼吸暂停等疾病，以防止心脏问题或糖尿病等进一步的健康影响。作为英飞凌的关联合作伙伴，作为其产品的一部分，该公司还销售其使用英飞凌XENSIV进行稳健心跳和呼吸频率检测的算法™ 60 GHz雷达传感器提供给其他客户，以促进和启动他们的生命传感开发。


Device powered by Infineon’s XENSIV™ 60-GHz radar sensors

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图5：呼吸暂停等睡眠障碍可以通过使用由英飞凌科技的XENSIV™ 60 GHz雷达传感器。


结论

有了雷达技术，就有可能构建面向消费者的产品，将智能设备提升到一个全新的水平，将智能医疗引入大众市场。雷达是唯一一种可以连续匿名监测心跳和呼吸频率的非接触式技术。


雷达传感器为消费电子产品和医疗保健市场带来了至关重要的传感。从对早产儿的监测到早期疾病检测，再到对老年人的健康和医疗状况的监测，雷达可以在生命的任何时候实现低功耗和准确的生命感应。


工具书类

1.Statista公司。(2022). “2010年至2021全球数字健康产业资金总额（十亿美元.”

2.Perret Guillaume，C.，Joly，L.，Benetos，A.（2009年）。“心率是心血管疾病的危险因素”，《心血管疾病进展》，第52卷，第1期，第6-10页。

3.梅奥医学教育与研究基金会。（2020年4月15日）。“慢性阻塞性肺病。”梅奥诊所。

4.英飞凌科技。（2018年11月）。“毫米波辐射对健康的影响.”

5.英飞凌科技。“60GHz雷达传感器.”

>>这篇文章最初发表在我们的姐妹网站上，EE时代欧洲.




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伯恩德·赫蒂奇是英飞凌科技公司的产品营销经理。


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蒋帅是慕尼黑工业大学的硕士生。