60GHz雷达传感器实现非接触式监测心跳和呼吸频率等生命体征

据麦姆斯咨询报道，使用雷达传感器监测生命体征的研究已经进行了几十年。该技术能够对心跳和呼吸频率进行持续的非接触式监测，并具有低功耗和小PCB尺寸的优势。凭借创新的60 GHz雷达传感器，其在消费电子产品中的应用正在成为现实。

在老龄化社会中，健康监测将发挥越来越重要的作用。健康问题最好能在早期阶段被发现，从而避免住院或至少尽可能缩短住院时间。人们希望在自己熟悉的环境中过着自主和独立的生活，直到晚年。

此外，年轻人对更加个性化和自主的医疗服务感兴趣。通过随时监测健康状态，人们有可能在早期发现疾病和精神压力并采取行动。此外，父母正在尽一切努力确保他们的孩子和婴儿情况良好，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正常情况在早期被发现。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大众欢迎。这种积极的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，最近一段时间的增长尤为迅猛。

图1 近年来数字健康行业的投资急剧增加

需要监测的最重要的生命体征包括心跳和呼吸频率。这些信息可用于在早期检测心血管疾病或慢性阻塞性肺病（COPD）等疾病。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设备与患者直接接触，例如通过电极或传感器与皮肤接触。这既适用于医院使用的高精度系统，也适用于消费领域的可穿戴设备。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损伤的患者。同样，这些依赖接触的监测方法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产品能够实现非接触和持续的用户监测。

雷达技术的优势

雷达传感器能够对心跳和呼吸频率进行持续和非接触式监测，并能够记录长期的生命体征数据，而无需用户一直关注它。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，雷达传感器的生命体征监测能力有望解决当今医疗保健行业的许多挑战。

生命体征监测是如何与雷达技术协同工作的呢？雷达收发器通过其Tx天线发送低能量射频（RF）信号，并通过Rx天线接收反射信号（图2）。通常，运动目标会产生多普勒频移，这可以通过比较发射信号和接收信号来测量。这使得利用像英飞凌（Infineon）XENSIV 60 GHz雷达传感器等高灵敏度的传感器能够检测到呼吸和心跳引起的胸部的微小运动。得益于先进的算法，人们可以从信号中准确提取心跳和呼吸频率。这也能够满足医疗认证的要求。

图2 雷达生命体征监测技术的工作原理

在生命体征监测方面，雷达技术与以往的技术相比具有五大优势：隐蔽、性能稳定、匿名、节能和小尺寸。

隐蔽

对于生命体征监测，雷达技术的优势在于它几乎不会影响患者。唯一的要求是用户与设备保持在一定距离内（通常在1.5米以内）。最好是用户的胸部朝向传感器，但这并不是强制性的。由于雷达可以透过非导电材料进行探测，因此人们可以穿任何类型的衣服或用薄毯子覆盖身体。这项特性使得研发基于雷达传感器的设备的工程师几乎可以自由选择外壳的材料和形状，以满足消费者的设计要求。

性能稳定

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、多雾还是潮湿的环境，它都能持续可靠地工作。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，雷达传感器还可以区分人类和非人类目标，因此它可以忽略小宠物和其他杂乱信号的来源。

匿名

基于雷达传感器的设备仅分析其自身发出信号的修正回波，因此不依赖于任何外部信号。雷达不会收集任何个人数据（如图像、声音或视频）。因此，基于雷达传感器的健康监测设备可以在家庭和私人空间中持续使用，而用户无需担心其隐私受到侵犯。

节能

全天候使用的雷达传感器仅需要几毫瓦的低功耗。此外，雷达传感器通常的辐射功率大约为10 dBm或甚至更低。与5G智能手机相比，这是非常低的，后者的辐射功率通常约为20 dBm。雷达传感器的辐射对人体没有不良影响。

小尺寸

雷达芯片的尺寸非常紧凑。英飞凌的BGT60UTR11AIP（图3）尺寸为4 mm × 4 mm，是市场上最小的带集成天线的60 GHz雷达传感器。这样的传感器可以很容易地集成到消费电子产品中，并丰富其功能，典型应用包括智能应用中心、笔记本电脑、平板电脑、智能电视和许多其他智能家居设备等。

图3 市场上最小的60 GHz雷达传感器——英飞凌BGT60UTR11AIP（4 mm × 4 mm）

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以最大化利用。因此，雷达技术越来越多地进入智能家居的健康监测领域。

生命体征数据的持续记录意味着它可以很容易地与用户的医生共享，以便做出准确的诊断。得益于人工智能（AI），对记录的数据和长期趋势的分析可以使人们及早发现疾病。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共享。此外，如果发生呼吸骤停或有呼吸骤停的风险，雷达传感器可以及时自动地向紧急医疗服务部门发出警报。

这些优势使老年人和病患能够过上自主的生活。宝爸宝妈们也可以从这项技术中受益，因为婴儿和新生儿尤其难以使用传统系统进行监测。这就是雷达传感器真正证明其价值的地方，无论是监测突发性婴儿猝死综合征的迹象，还是监测早产儿或重症患儿的情况。

雷达传感器不仅仅可以监控睡眠的人。得益于雷达芯片的紧凑尺寸，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、笔记本电脑或灯具等。这使得传感器能够监测正在睡觉、看电视、使用笔记本电脑工作或借助智能台灯阅读的人的心跳和呼吸频率。雷达技术还可以即时检测到心脏病发作并触发适当的紧急呼叫。当被集成到机动车中时，它可以指示辅助驾驶系统使车辆安全停车。此外，雷达传感器还可以用于检测疲劳迹象，并提醒人们从工作或驾驶中休息一下。

与此同时，雷达传感器还支持脉搏和呼吸监测以外的其他功能（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前景。由于雷达技术能够同时检测微小运动、速度和方向，因此配备雷达传感器的产品可以利用这些信息支持生命体征监测之外的更复杂应用。雷达传感器也可以用于检测人类是否存在，例如，当没有人坐在电视机或笔记本电脑前时，雷达传感器可以将其切换到节能模式。雷达传感器还可以实现手势控制以及跟踪房间中多个人的位置。

图4 雷达传感器在生命体征监测方面的潜在应用

英飞凌助力客户使用雷达传感器

凭借XENSIV 60 GHz雷达传感器（如BGT60UTR11AIP或BGT60TR13C），英飞凌为开发人员提供了将生命体征监测纳入其设计中所需的一切要素。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生命体征传感的先驱之一。

这种高质量和可靠的产品得到了强有力的支持，为客户产品的软件、硬件设计和测试提供了支持。总而言之，产品研发工程师可以节省开发时间，并能提供高质量的终端产品。

英飞凌的客户和合作伙伴已经成功地在其生命体征监测产品中使用了英飞凌的雷达传感器。例如，瑞士Sleepiz公司提供了一种经过医学认证的睡眠监测设备。此外，谷歌的Nest Hub 2使用英飞凌的雷达传感器作为附加功能来检测睡眠期间的生命体征。

分析睡眠和检测睡眠呼吸暂停

Sleepiz公司的目标是检测睡眠呼吸暂停等疾病，以预防心脏问题或糖尿病等进一步的健康影响。作为英飞凌的合作伙伴，作为其产品供应的一部分，该公司还向其他客户销售其基于英飞凌XENSIV 60 GHz雷达传感器的心跳和呼吸频率检测算法，以促进和启动他们的生命体征传感开发。

结论

利用雷达技术，人们有望打造面向消费者的非接触式监测产品，将智能设备提升到一个全新的水平，并将智能医疗引入大众市场。雷达传感器是唯一一种能够持续和匿名监测心跳和呼吸频率的非接触式技术。

雷达传感器将生命体征监测带入了消费电子产品和医疗保健市场。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监测，雷达传感器可以在生命的任何阶段实现低功耗和精确的生命体征监测。

审核编辑：刘清