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創新的60 GHz雷達傳感器,實現非接觸式監測心跳和呼吸頻率等生命體征

作者: 時間:2023-03-29 來源:MEMS 收藏

據麥姆斯咨詢報道,使用雷達監測生命體征的研究已經進行了幾十年。該技術能夠對心跳和呼吸頻率進行持續的非接觸式監測,并具有低功耗和小PCB尺寸的優勢。憑借創新的60 GHz雷達,其在消費電子產品中的應用正在成為現實。

本文引用地址:http://www.fsbox.com.cn/article/202303/445061.htm


在老齡化社會中,健康監測將發揮越來越重要的作用。健康問題最好能在早期階段被發現,從而避免住院或至少盡可能縮短住院時間。人們希望在自己熟悉的環境中過著自主和獨立的生活,直到晚年。


此外,年輕人對更加個性化和自主的醫療服務感興趣。通過隨時監測健康狀態,人們有可能在早期發現疾病和精神壓力并采取行動。此外,父母正在盡一切努力確保他們的孩子和嬰兒情況良好,以便在最壞的情況發生時能夠迅速做出反應。


許多疾病可以根據心肺數據的不正常情況在早期被發現。由于技術的進步,新的可能性正在出現。自智能手表首次推出以來,消費電子產品與數字健康監測的結合越來越受大眾歡迎。這種積極的趨勢在醫療保健行業也很明顯:圖1顯示,在過去10年中,對數字健康的投資增長了20倍,最近一段時間的增長尤為迅猛。


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圖1 近年來數字健康行業的投資急劇增加


需要監測的最重要的生命體征包括心跳和呼吸頻率。這些信息可用于在早期檢測心血管疾病或慢性阻塞性肺?。–OPD)等疾病。同樣,睡眠呼吸暫停等疾病也可以通過睡眠監測來檢測。


目前用于跟蹤和監測的大多數技術都需要設備與患者直接接觸,例如通過電極或與皮膚接觸。這既適用于醫院使用的高精度系統,也適用于消費領域的可穿戴設備。這些解決方案要么需要限制移動自由的電纜,要么需要不方便的定期充電。此外,這些方法不適合過敏或皮膚損傷的患者。同樣,這些依賴接觸的監測方法對于嬰兒和老年人來說往往很困難。因此,數字醫療保健市場需要一種產品能夠實現非接觸和持續的用戶監測。


雷達技術的優勢


雷達傳感器能夠對心跳和呼吸頻率進行持續和非接觸式監測,并能夠記錄長期的生命體征數據,而無需用戶一直關注它。這不僅有助于醫生做出準確的診斷,還可以降低患者的衛生風險。因此,雷達傳感器的生命體征監測能力有望解決當今醫療保健行業的許多挑戰。


生命體征監測是如何與雷達技術協同工作的呢?雷達收發器通過其Tx天線發送低能量射頻(RF)信號,并通過Rx天線接收反射信號(圖2)。通常,運動目標會產生多普勒頻移,這可以通過比較發射信號和接收信號來測量。這使得利用像英飛凌(Infineon)XENSIV? 60 GHz雷達傳感器等高靈敏度的傳感器能夠檢測到呼吸和心跳引起的胸部的微小運動。得益于先進的算法,人們可以從信號中準確提取心跳和呼吸頻率。這也能夠滿足醫療認證的要求。


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圖2 雷達生命體征監測技術的工作原理


在生命體征監測方面,雷達技術與以往的技術相比具有五大優勢:隱蔽、性能穩定、匿名、節能和小尺寸。


隱蔽


對于生命體征監測,雷達技術的優勢在于它幾乎不會影響患者。唯一的要求是用戶與設備保持在一定距離內(通常在1.5米以內)。最好是用戶的胸部朝向傳感器,但這并不是強制性的。由于雷達可以透過非導電材料進行探測,因此人們可以穿任何類型的衣服或用薄毯子覆蓋身體。這項特性使得研發基于雷達傳感器的設備的工程師幾乎可以自由選擇外殼的材料和形狀,以滿足消費者的設計要求。


性能穩定


此外,雷達傳感器的功能幾乎不受周圍條件的影響。例如,無論房間里是完全黑暗還是非常明亮,或者是塵土飛揚、多霧還是潮濕的環境,它都能持續可靠地工作。因此,雷達傳感器不會干擾人們的日常生活。得益于先進的信號處理,雷達傳感器還可以區分人類和非人類目標,因此它可以忽略小寵物和其他雜亂信號的來源。


匿名


基于雷達傳感器的設備僅分析其自身發出信號的修正回波,因此不依賴于任何外部信號。雷達不會收集任何個人數據(如圖像、聲音或視頻)。因此,基于雷達傳感器的健康監測設備可以在家庭和私人空間中持續使用,而用戶無需擔心其隱私受到侵犯。


節能


全天候使用的雷達傳感器僅需要幾毫瓦的低功耗。此外,雷達傳感器通常的輻射功率大約為10 dBm或甚至更低。與5G智能手機相比,這是非常低的,后者的輻射功率通常約為20 dBm。雷達傳感器的輻射對人體沒有不良影響。


小尺寸


雷達芯片的尺寸非常緊湊。英飛凌的BGT60UTR11AIP(圖3)尺寸為4 mm × 4 mm,是市場上最小的帶集成天線的60 GHz雷達傳感器。這樣的傳感器可以很容易地集成到消費電子產品中,并豐富其功能,典型應用包括智能應用中心、筆記本電腦、平板電腦、智能電視和許多其他智能家居設備等。


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圖3 市場上最小的60 GHz雷達傳感器——英飛凌BGT60UTR11AIP(4 mm × 4 mm)


將健康監測引入智能家居


疫情的教訓促使人們意識到了解自己的健康狀況和預防潛在疾病的重要性。同樣,機器學習的進步使傳感器技術的功能能夠得以最大化利用。因此,雷達技術越來越多地進入智能家居的健康監測領域。


生命體征數據的持續記錄意味著它可以很容易地與用戶的醫生共享,以便做出準確的診斷。得益于人工智能(AI),對記錄的數據和長期趨勢的分析可以使人們及早發現疾病。睡眠呼吸暫停等已知或疑似疾病的癥狀可以被識別、記錄,并很容易與患者的醫生共享。此外,如果發生呼吸驟?;蛴泻粑E停的風險,雷達傳感器可以及時自動地向緊急醫療服務部門發出警報。


這些優勢使老年人和病患能夠過上自主的生活。寶爸寶媽們也可以從這項技術中受益,因為嬰兒和新生兒尤其難以使用傳統系統進行監測。這就是雷達傳感器真正證明其價值的地方,無論是監測突發性嬰兒猝死綜合征的跡象,還是監測早產兒或重癥患兒的情況。


雷達傳感器不僅僅可以監控睡眠的人。得益于雷達芯片的緊湊尺寸,雷達傳感器可以直接集成到幾乎所有類型的智能家居設備中,包括智能電視、筆記本電腦或燈具等。這使得傳感器能夠監測正在睡覺、看電視、使用筆記本電腦工作或借助智能臺燈閱讀的人的心跳和呼吸頻率。雷達技術還可以即時檢測到心臟病發作并觸發適當的緊急呼叫。當被集成到機動車中時,它可以指示輔助駕駛系統使車輛安全停車。此外,雷達傳感器還可以用于檢測疲勞跡象,并提醒人們從工作或駕駛中休息一下。


與此同時,雷達傳感器還支持脈搏和呼吸監測以外的其他功能(圖4)。例如,它們可以用于跌倒檢測,并且正在進行的使用雷達測量血壓的研究很有前景。由于雷達技術能夠同時檢測微小運動、速度和方向,因此配備雷達傳感器的產品可以利用這些信息支持生命體征監測之外的更復雜應用。雷達傳感器也可以用于檢測人類是否存在,例如,當沒有人坐在電視機或筆記本電腦前時,雷達傳感器可以將其切換到節能模式。雷達傳感器還可以實現手勢控制以及跟蹤房間中多個人的位置。


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圖4 雷達傳感器在生命體征監測方面的潛在應用


英飛凌助力客戶使用雷達傳感器


憑借XENSIV? 60 GHz雷達傳感器(如BGT60UTR11AIP或BGT60TR13C),英飛凌為開發人員提供了將生命體征監測納入其設計中所需的一切要素。英飛凌在汽車和工業雷達市場擁有多年的經驗,是在消費電子產品中使用雷達進行生命體征傳感的先驅之一。


這種高質量和可靠的產品得到了強有力的支持,為客戶產品的軟件、硬件設計和測試提供了支持??偠灾?,產品研發工程師可以節省開發時間,并能提供高質量的終端產品。


英飛凌的客戶和合作伙伴已經成功地在其生命體征監測產品中使用了英飛凌的雷達傳感器。例如,瑞士Sleepiz公司提供了一種經過醫學認證的睡眠監測設備。此外,谷歌的Nest Hub 2使用英飛凌的雷達傳感器作為附加功能來檢測睡眠期間的生命體征。


分析睡眠和檢測睡眠呼吸暫停


Sleepiz公司的目標是檢測睡眠呼吸暫停等疾病,以預防心臟問題或糖尿病等進一步的健康影響。作為英飛凌的合作伙伴,作為其產品供應的一部分,該公司還向其他客戶銷售其基于英飛凌XENSIV? 60 GHz雷達傳感器的心跳和呼吸頻率檢測算法,以促進和啟動他們的生命體征傳感開發。


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圖5 利用英飛凌XENSIV? 60 GHz雷達傳感器檢測呼吸暫停等睡眠障礙


結論


利用雷達技術,人們有望打造面向消費者的非接觸式監測產品,將智能設備提升到一個全新的水平,并將智能醫療引入大眾市場。雷達傳感器是唯一一種能夠持續和匿名監測心跳和呼吸頻率的非接觸式技術。


雷達傳感器將生命體征監測帶入了消費電子產品和醫療保健市場。從對早產兒的監測到早期疾病檢測,再到對老年人的健康和醫療狀況監測,雷達傳感器可以在生命的任何階段實現低功耗和精確的生命體征監測。



關鍵詞: MEMS 傳感器

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