近年來，非接觸式生理監(jiān)測技術(shù)憑借其便捷性和高精度，逐漸成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。在這股技術(shù)浪潮中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳彥教授團(tuán)隊取得了重大突破，成功利用毫米波雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非接觸式心臟活動監(jiān)測，并在呼吸干擾條件下，將心率監(jiān)測誤差率控制在僅26.1毫秒。這一成果不僅解決了傳統(tǒng)非接觸監(jiān)測面臨的關(guān)鍵難題，還為心血管健康管理提供了全新的解決方案。

一、技術(shù)背景：非接觸式監(jiān)測的挑戰(zhàn)

心血管疾病是全球首要致死原因之一。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）數(shù)據(jù)，缺血性心臟病每年導(dǎo)致約890萬人死亡，占全球總死亡人數(shù)的16%。與此同時，長期心臟活動監(jiān)測在疾病早期預(yù)防、診斷及康復(fù)管理中具有關(guān)鍵作用。

傳統(tǒng)心臟監(jiān)測方法，如心電圖（ECG）和光電容積脈搏波（PPG）等，雖然監(jiān)測精度高，但依賴接觸式傳感器，需要貼附電極或光學(xué)傳感器，存在佩戴不適、感染風(fēng)險、長時間監(jiān)測依從性差等問題。而非接觸式技術(shù)，如毫米波雷達(dá)，克服了上述不足，但受限于呼吸運(yùn)動干擾，監(jiān)測精度往往難以滿足實(shí)際需求。

為解決這一難題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳彥教授團(tuán)隊通過創(chuàng)新性研究，提出了基于心臟機(jī)械活動諧波的全新信號提取方法，并成功應(yīng)用于毫米波雷達(dá)心臟監(jiān)測系統(tǒng)中。

二、技術(shù)原理：拍頻效應(yīng)與高階諧波的創(chuàng)新應(yīng)用

1. 拍頻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

陳彥教授團(tuán)隊首先利用毫米波雷達(dá)捕捉人體胸腔的微弱振動信號，這些振動主要由心臟機(jī)械活動和呼吸運(yùn)動共同引起。然而，在遠(yuǎn)場監(jiān)測條件下，呼吸引起的低頻振動往往會掩蓋心跳信號，導(dǎo)致監(jiān)測精度下降。

為此，團(tuán)隊深入研究了心臟活動的頻譜特性，首次發(fā)現(xiàn)并利用了拍頻效應(yīng)。當(dāng)兩個頻率相近的諧波疊加時，會產(chǎn)生一個頻率等于兩個諧波頻率之差的拍頻信號。在心臟監(jiān)測中，相鄰的心跳諧波經(jīng)過疊加，可以生成一個新的心率特征信號，頻率精確對應(yīng)于心跳頻率。

這一發(fā)現(xiàn)為毫米波雷達(dá)信號去噪提供了新思路，成功將心率信號從復(fù)雜背景中分離出來。

圖：非接觸心臟活動監(jiān)測系統(tǒng)流程示意圖

2. 高階諧波的利用

進(jìn)一步研究表明，呼吸引起的信號諧波衰減較慢，尤其在低頻段，影響較為顯著。但隨著頻率增加，呼吸諧波衰減加速，而心跳信號在高階諧波頻段仍然保持穩(wěn)定。

基于這一特性，研究團(tuán)隊將心跳信號提取頻段從基頻轉(zhuǎn)移至高階諧波頻段（約10倍頻）。這種方法有效規(guī)避了呼吸運(yùn)動的干擾，使得毫米波雷達(dá)能夠在遠(yuǎn)場條件下實(shí)現(xiàn)高精度的心臟監(jiān)測。

三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：誤差率僅26.1毫秒

為驗(yàn)證技術(shù)有效性，陳彥教授團(tuán)隊在不同場景下進(jìn)行了大規(guī)模實(shí)驗(yàn)：

· 醫(yī)院場景：對6222名參與者進(jìn)行監(jiān)測，系統(tǒng)的中位誤差為26.1毫秒；

· 日常場景：在連續(xù)21個夜晚的家居環(huán)境中進(jìn)行測試，中位誤差為34.1毫秒。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使在存在呼吸干擾、環(huán)境噪聲等復(fù)雜條件下，毫米波雷達(dá)系統(tǒng)依然表現(xiàn)出極高的精度。這一突破使非接觸式心臟監(jiān)測的精度首次達(dá)到臨床可用標(biāo)準(zhǔn)。

四、技術(shù)優(yōu)勢：非接觸式毫米波雷達(dá)的獨(dú)特價值

1. 高精度：通過拍頻效應(yīng)和高階諧波提取方法，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與接觸式傳感器相媲美的監(jiān)測精度。

2. 非接觸式：無需佩戴電極或傳感器，被測者可在自然狀態(tài)下進(jìn)行監(jiān)測，顯著提升用戶體驗(yàn)。

3. 遠(yuǎn)場監(jiān)測：毫米波雷達(dá)可在數(shù)米距離外捕捉胸腔微小振動，適用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)、家庭及智能健康設(shè)備等多種場景。

4. 安全性高：毫米波信號具有良好的穿透性，對皮膚、衣物無影響，且無輻射危害。

五、應(yīng)用前景：醫(yī)療與健康管理的廣泛潛力

1. 臨床診斷與監(jiān)護(hù)

毫米波雷達(dá)心臟監(jiān)測技術(shù)可應(yīng)用于醫(yī)院重癥監(jiān)護(hù)病房（ICU）、心血管?？圃\室等場景，提供持續(xù)、精準(zhǔn)的心臟活動監(jiān)測。同時，該技術(shù)可與遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)結(jié)合，幫助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和實(shí)時監(jiān)控。

2. 家庭健康管理

對于老年人、心血管疾病高風(fēng)險人群，非接觸式監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)長期、無感的健康管理，及時發(fā)現(xiàn)潛在的心臟異常。

3. 智能設(shè)備集成

毫米波雷達(dá)技術(shù)具備小型化和低功耗特點(diǎn)，可集成到智能家居設(shè)備、穿戴設(shè)備等消費(fèi)電子產(chǎn)品中，成為下一代智能健康監(jiān)測的核心技術(shù)。

六、全球心血管健康現(xiàn)狀與市場機(jī)遇

全球心血管疾病患者數(shù)量持續(xù)增長，監(jiān)測需求日益擴(kuò)大。2021年，全球約1991萬人死于心血管疾病，顯示出這一健康問題的嚴(yán)峻性。

與此同時，全球健康監(jiān)測市場正在快速增長。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2026年，非接觸式生理監(jiān)測市場規(guī)模將突破120億美元，年復(fù)合增長率超過15%。在此背景下，中科大毫米波雷達(dá)技術(shù)的突破無疑具有重要的市場競爭力和應(yīng)用前景。

七、未來展望：技術(shù)優(yōu)化與發(fā)展方向

盡管取得了顯著成就，毫米波雷達(dá)心臟監(jiān)測技術(shù)仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間：

1. 算法提升：進(jìn)一步優(yōu)化信號處理算法，提升系統(tǒng)在不同人群、不同姿態(tài)下的適應(yīng)性和精度。

2. 設(shè)備小型化：推進(jìn)毫米波雷達(dá)模塊的集成化、小型化，降低成本，推動商業(yè)化落地。

3. 多參數(shù)監(jiān)測：研究毫米波雷達(dá)在血氧飽和度、呼吸頻率等多生理參數(shù)同步監(jiān)測的可行性，打造全方位健康監(jiān)測系統(tǒng)。

八、結(jié)語：技術(shù)突破引領(lǐng)健康未來

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳彥教授團(tuán)隊通過創(chuàng)新的拍頻效應(yīng)和高階諧波提取方法，成功克服了非接觸式心臟監(jiān)測中呼吸干擾的技術(shù)瓶頸，將誤差率控制在26.1毫秒。這一突破標(biāo)志著毫米波雷達(dá)技術(shù)在醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域邁出了關(guān)鍵一步，展現(xiàn)出廣闊的臨床和市場應(yīng)用前景。

隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和商業(yè)化落地，這一創(chuàng)新有望為全球心血管疾病的預(yù)防與管理提供強(qiáng)有力的支持，助力健康監(jiān)測邁向更加智能化和普及化的未來。

論文原文：Monitoring long-term cardiac activity with contactless radio frequency signals

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