生命體征是反映人體基本功能的一組臨床測量值，被用作監(jiān)測醫(yī)療和健康狀況的診斷參數(shù)。因此，生命體征檢測已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多臨床場景，例如，重癥監(jiān)護病房用于危重患者的監(jiān)護，老年護理機構(gòu)用于晝夜健康監(jiān)測以防止無人看管的患者出現(xiàn)醫(yī)療緊急情況，以及在車輛中用于確定駕駛員是否打嗜睡等。

傳統(tǒng)的生命體征檢測需要依賴接觸式設(shè)備，例如脈搏血氧計，利用電極來檢測由心臟收縮引起的微弱電變化，還有智能手表，利用基于血流和體積變化引起的紅外探測光的強度變化（光體積描記術(shù)）。這類應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但接觸式方案在全天候監(jiān)測中還是會引起用戶不適。盡管利用可穿戴傳感器嵌入腕帶或衣物等方案大幅改善了用戶體驗，但它們?nèi)匀徊贿m合燒傷或皮膚刺激性的患者，也不適合附著面積不足的嬰兒。

業(yè)界已經(jīng)探索了基于光學(xué)傳感器的非接觸式檢測方案，例如，利用相機來跟蹤人體某些目標區(qū)域。然而，基于相機的系統(tǒng)（包括紅外相機和傳統(tǒng)可見光相機）對皮膚顏色和照明條件很敏感。這些系統(tǒng)通常需要復(fù)雜的計算算法，以及紅外相機生成的熱成像視頻，其分辨率通常有限。此外，一些基于高分辨率攝像頭的系統(tǒng)則可能會導(dǎo)致隱私問題，尤其是涉及侵入性監(jiān)控以及云計算和數(shù)據(jù)存儲基礎(chǔ)設(shè)施具有潛在安全風(fēng)險的情況。

利用射頻（RF）波的雷達可以遠距離捕捉目標的生命體征，以克服接觸式傳感器的缺點。這種生命體征信息基于射頻感應(yīng)而非相機拍攝而產(chǎn)生，因此自然提供了所需要的隱私保護。近年，已有利用單音調(diào)頻波電子雷達進行生命體征檢測的探索。基于多普勒原理的單音雷達可以通過運動物體反射信號的相位信息來獲取生命體征。

不過，這種技術(shù)缺乏檢測往返時間的功能，因此無法獲取目標的距離信息。它們無法利用距離信息來分離位置較近的目標，并將目標與周圍的雜波隔離開，這限制了它們在現(xiàn)實應(yīng)用中的性能和實用性。相比之下，調(diào)頻雷達可以提取距離信息來克服這一問題。更重要的是，通過拓寬傳感信號的帶寬可以提高調(diào)頻雷達的距離分辨率和精度。

不幸的是，傳統(tǒng)電子雷達系統(tǒng)通常僅有有限的亞千兆赫帶寬，導(dǎo)致分辨率僅為數(shù)十厘米，這不足以準確檢測微弱的生命體征信號（例如人體呼吸，胸部位移僅約1 cm）。這種分辨率很難從身體運動中分離生命體征信號，也無法跟蹤多個目標。此外，新興應(yīng)用往往需要多個頻段和部署位置進行分布式傳感，這對于沒有復(fù)雜并行硬件架構(gòu)的傳統(tǒng)電子器件來說具有挑戰(zhàn)性。

微波光子雷達技術(shù)由于其相對于傳統(tǒng)電子雷達傳感方案的眾多優(yōu)勢而獲得發(fā)展。光子雷達系統(tǒng)已經(jīng)證明了它們在產(chǎn)生超寬帶信號方面的能力，由此可以實現(xiàn)卓越的距離分辨率。基于色散的技術(shù)可以提供高達40 GHz的帶寬?，實現(xiàn)低至3.9?mm的分辨率。

基于外部光注入的掃頻光源實現(xiàn)了超過1.2 ×?10?的大時間帶寬積?，更長的脈沖時間改善了噪聲環(huán)境中的信噪比以及整體性能。光子倍頻器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器為精確的雷達傳感提供了充足的帶寬和高時頻線性度。光子雷達可以產(chǎn)生不同類型的雷達信號，包括線性調(diào)頻（LFM）和步進頻率（SF）信號。

此外，它還可以在毫米波區(qū)域的多個頻段工作，根據(jù)工作條件優(yōu)化性能。這些功能克服了電子雷達的局限性，使其非常適合生命體征檢測。然而，盡管光子雷達具有潛力，但用于生命體征檢測的光子雷達尚未在實際應(yīng)用中得到探索。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，澳大利亞悉尼大學(xué)（University of Sydney）光子學(xué)與光學(xué)科學(xué)研究所（Institute of Photonics and Optical Science）的研究人員近期在Nature Photonics期刊上發(fā)表了一篇題為“Photonic radar for contactless vital sign detection”的文章。在這篇文章中，研究人員展示了一種用于生命體征檢測的光子雷達，利用人類呼吸模擬器和活體動物（蔗蟾）代替人類進行了實驗。該雷達可在Ka波段（26.5–40?GHz）產(chǎn)生10 GHz寬的SF RF信號，來檢測模擬器的呼吸活動，實現(xiàn)了13.7 mm的距離分辨率和微米級的檢測精度。即使動物雷達截面尺寸較小，這種高分辨率和精度對于檢測蔗蟾細微的生命體征至關(guān)重要。

研究人員展示了高達30 GHz的帶寬可擴展性?，不受RF天線和放大器的限制。研究人員還展示了基于相同微波光子源的激光雷達（LiDAR）生命體征檢測系統(tǒng)，展示了該系統(tǒng)實現(xiàn)雷達和激光雷達互補功能的潛力。研究人員設(shè)想了將這種高性能分布式雷達系統(tǒng)應(yīng)用于一系列醫(yī)療保健場景，例如老年護理機構(gòu)、醫(yī)院以及監(jiān)管機構(gòu)的全天候生命體征監(jiān)測等。

例如，具有多個雷達光學(xué)RF接入點的分布式光子雷達傳感網(wǎng)絡(luò)，可以使用RF波來檢測人類生命體征（如下圖a所示）。與部署單個雷達接入點不同，這種方法可以連續(xù)跟蹤自由活動的背面或側(cè)面目標。支持多個光學(xué)RF接入點的光學(xué)雷達信號源可以覆蓋不同的視角，以使用低損耗光纖來監(jiān)測一個或多個目標。

面向非接觸式生命體征檢測的光子雷達系統(tǒng)

基于呼吸模擬器的多目標生命體征檢測結(jié)果

利用蔗蟾代替人類進行的生命體征檢測實驗

總結(jié)來說，研究人員展示了一種分辨率達到毫米級、精度達到微米級的光子生命體征檢測系統(tǒng)?，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標檢測，并且不會帶來舒適性和隱私問題。實驗證明了它在發(fā)現(xiàn)細微呼吸異常，準確提取蔗蟾口腔運動方面的能力和有效性。更重要的是，它具有簡化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提供了改進的帶寬和靈活性，這是當前最先進的生命體征電子雷達無法實現(xiàn)的。

這種光子方案為實現(xiàn)高分辨率、快速響應(yīng)且具有高成本效益的混合雷達-激光雷達模塊提供了一條新途徑，可用于分布式、非接觸式生命體征檢測。

審核編輯：劉清