點(diǎn)擊圖文閱讀報(bào)告全文

提及毫米波雷達(dá)技術(shù)，人們通常與車載毫米波雷達(dá)技術(shù)關(guān)聯(lián)。隨著近年來半導(dǎo)體技術(shù)的突破以及自動(dòng)駕駛的興起，毫米波雷達(dá)技術(shù)展現(xiàn)出強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)需求。

但與此同時(shí)，因?yàn)楹撩撞ɡ走_(dá)技術(shù)具備高性能、全天時(shí)全天候等優(yōu)勢(shì)，近年在小型化和低成本上有較大突破。因其可實(shí)現(xiàn)對(duì)人和環(huán)境進(jìn)行非接觸式感知，它的應(yīng)用邊界也在不斷地向物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、健康醫(yī)療等泛消費(fèi)領(lǐng)域拓展。

那么，作為新興的消費(fèi)級(jí)毫米波技術(shù)最近有哪些成果？其發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用場(chǎng)景有哪些？該技術(shù)在未來將如何發(fā)展？

突破跨尺度復(fù)雜位移運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)追蹤技術(shù)，并在進(jìn)行臨床驗(yàn)證

目前市場(chǎng)上已有的毫米波健康監(jiān)測(cè)技術(shù)方案，多數(shù)采用車載毫米波路線（中長(zhǎng)距雷達(dá)），其在近距感知方面有些“水土不服”，面臨近距盲區(qū)、靈敏度不夠高和功耗較高等挑戰(zhàn)。

為此，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院的顧昌展教授與團(tuán)隊(duì)從硬件底層出發(fā)，開發(fā)了專為消費(fèi)級(jí)場(chǎng)景定制的端到端的解決方案，包括天線、芯片架構(gòu)以及專用算法等。

顧昌展指出，如果把車載毫米波芯片和解決方案比作 CPU（通用處理器，Central Processing Unit），上海交大團(tuán)隊(duì)研究的毫米波解決方案就是針對(duì)近距感知定制的 GPU，或者專門的 AI Processor（專用處理器）。

圖丨顧昌展（來源：資料圖）

截至目前，顧昌展團(tuán)隊(duì)在今年有 6 篇論文被微波領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)會(huì)議 IEEE MTT-S International Microwave Symposium（IMS）接收。在近期發(fā)表的論文中，他們不僅解決了消費(fèi)級(jí)毫米波感知中存在的近距盲區(qū)問題，突破了跨尺度復(fù)雜位移運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)追蹤技術(shù)，還在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了臨床驗(yàn)證。

第一，解決了消費(fèi)級(jí)毫米波感知中存在的近距盲區(qū)問題。

近距盲區(qū)是指，由于天線泄露、片內(nèi)鏈路耦合、靜態(tài)雜散等造成的，無法完成半米內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量的問題。該團(tuán)隊(duì)提出全雙工共口徑高隔離天線、模擬-數(shù)字融合干擾消除等技術(shù)，有效解決了這一問題。

與傳統(tǒng)車載毫米波方案相比，近距盲區(qū)干擾功率降低了 3000 倍以上。顧昌展指出，該技術(shù)完全消除了近距盲區(qū)的影響，可將毫米波技術(shù)帶入更廣泛的消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，比如極近人體皮膚表面的可穿戴設(shè)備。

圖丨近距盲區(qū)消除技術(shù)極大提升了近距感知性能 [1]（來源：IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques）

第二，突破跨尺度復(fù)雜位移運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)追蹤技術(shù)。

從雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)看，車載場(chǎng)景中汽車的形狀可近似為長(zhǎng)方體，運(yùn)動(dòng)是簡(jiǎn)單線性運(yùn)動(dòng)。而在以手勢(shì)識(shí)別、體征監(jiān)測(cè)為代表的消費(fèi)場(chǎng)景中，目標(biāo)形狀是多點(diǎn)復(fù)雜散射體，運(yùn)動(dòng)軌跡變化多端、尺度跨度大。其中，心臟跳動(dòng)引起的胸腔表面振幅在微米級(jí)，大手勢(shì)動(dòng)作則是分米級(jí)。

圖丨車載毫米波、新興消費(fèi)級(jí)毫米波技術(shù)（來源：該團(tuán)隊(duì)）

該團(tuán)隊(duì)建立了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多點(diǎn)散射電磁場(chǎng)模型，提出了多普勒相位調(diào)制理論與線性解調(diào)方法，突破了高精度跨尺度相位信息提取技術(shù)（跨越微米到分米 3 個(gè)數(shù)量級(jí)），實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)運(yùn)動(dòng)感知精度。

從而使毫米波技術(shù)可以獲取“多普勒心動(dòng)圖”等心肺系統(tǒng)的細(xì)節(jié)活動(dòng)信息，奠定了毫米波技術(shù)在醫(yī)療、健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。

圖丨近距感知多點(diǎn)散射電磁場(chǎng)模型 [2]（來源：IEEE Microwave Magazine）

第三，近距毫米波感知技術(shù)在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)中的臨床驗(yàn)證。

傳統(tǒng)心電圖 ECG 需要通過電極與人體皮膚接觸，給長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)帶來不便。而該團(tuán)隊(duì)提出了毫米波“多普勒心動(dòng)圖 DCG”（Doppler Electrocardiogram）新概念，可實(shí)現(xiàn)無感無接觸監(jiān)測(cè)?；诙鄠€(gè)底層技術(shù)的積累，該團(tuán)隊(duì)將毫米波感知技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)，取得了一系列進(jìn)展。

顧昌展表示：“在今年新發(fā)表的 2 篇 IMS 論文中，我們首次在臨床上驗(yàn)證了多普勒心動(dòng)圖的有效性，及無感連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)的可行性。該論文還獲得 IMS 會(huì)議高級(jí)應(yīng)用論文（Advanced Practice Paper）提名，以及以第一單位在國(guó)內(nèi)首次獲得 IMS Top50 Paper 提名?！盵3]

圖丨毫米波生命體征探測(cè)的臨床驗(yàn)證（來源：該團(tuán)隊(duì)）

利用多普勒原理，顧昌展團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了毫米波生物雷達(dá)傳感器，能夠精準(zhǔn)地感知心臟跳動(dòng)、肺部收縮、脈搏跳動(dòng)等生命體征活動(dòng)引起的人體皮膚表面的微振動(dòng)，獲取心血管系統(tǒng)相關(guān)的一系列信息。

并且，該技術(shù)已經(jīng)在上海某三甲醫(yī)院心內(nèi)科進(jìn)行臨床驗(yàn)證。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)正在收集臨床大數(shù)據(jù)以及開發(fā)人工智能醫(yī)學(xué)模型與算法，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)判斷目標(biāo)對(duì)象的健康狀況。

該團(tuán)隊(duì)將利用毫米波技術(shù)測(cè)得的心動(dòng)圖數(shù)據(jù)與臨床上使用的精確度極高的 ECG 進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)能精準(zhǔn)地獲取 R-R 間期、心率變異性（Heart Rate Variability，HRV）、射血前期（preejection period，PEP）和左室射血時(shí)間（left ventricular ejection time，LVET）等心臟重要指標(biāo)。

圖 | 通過非接觸方式獲得與接觸式 ECG 相似的生理信息（來源：IEEE MTT-S International Microwave Symposium）

顧昌展表示，這些指標(biāo)對(duì)于醫(yī)生判斷心臟功能情況有重大意義。他舉例說道：“R-R 間期可以用來識(shí)別心律不齊、房顫等疾病，PEP/LVET 可以用于心衰、心肌梗塞、心絞痛等疾病的判斷和預(yù)后?！?/p>

毫米波技術(shù)有望幫助患者實(shí)現(xiàn)房顫的早篩和長(zhǎng)期健康管理，預(yù)計(jì)未來 2-3 年落地臨床應(yīng)用

以心血管疾病之一房顫為例，中國(guó)的房顫患者超千萬人，具有知曉率低、并發(fā)癥危害大、治療依從性差的痛點(diǎn)。

據(jù)一項(xiàng)覆蓋 6 萬人的流行病學(xué)研究，大約有三分之一的房顫患者不知道自己患有房顫。從地域上來看，農(nóng)村患者的房顫知曉率為 35.3%，遠(yuǎn)低于城市地區(qū)的 78.3%；從年齡來看，75 歲以上人群房顫知曉率小于 50% [4]。

房顫并發(fā)癥危害最大的是卒中。在房顫發(fā)生時(shí)，心房中血液發(fā)生瘀滯，容易導(dǎo)致心房?jī)?nèi)血栓的產(chǎn)生，而一旦血栓脫落，隨血液進(jìn)入腦部的主要血管，就會(huì)堵塞血管，發(fā)生卒中（腦梗）。而腦卒中后果嚴(yán)重，可導(dǎo)致癱瘓、甚至死亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，顫患者得卒中的概率是普通人的 5 倍，大約 20% 的腦卒中是歸因于房顫。

因?yàn)槌叩哪X卒中風(fēng)險(xiǎn)，房顫患者需要持續(xù)服用普羅帕酮等藥物來控制房顫的發(fā)生。同時(shí)，也需要服用抗凝藥，避免血栓的形成。然而，由于房顫目前沒有便捷的居家監(jiān)測(cè)手段，導(dǎo)致患者不能清晰直觀的知道自己的房顫發(fā)生。這些因素導(dǎo)致房顫患者服藥依從性差，易出現(xiàn)自行停藥、不足量服藥的現(xiàn)象，進(jìn)而使房顫易復(fù)發(fā)、加重。

顧昌展表示，目前的“多普勒心動(dòng)圖”已經(jīng)在醫(yī)院證明可以實(shí)現(xiàn)房顫的識(shí)別。未來大規(guī)模商業(yè)化后，可幫助高危人群進(jìn)行房顫早篩，同時(shí)也可以裝載在房顫確診患者的家中，進(jìn)行持續(xù)健康管理，防止病情惡化。如此一來，能夠幫助患者早發(fā)現(xiàn)，避免惡化、減少病痛的同時(shí)，也可以為社會(huì)節(jié)約寶貴的醫(yī)療資源和醫(yī)保經(jīng)費(fèi)。

圖丨基于毫米波心動(dòng)圖獲得 RR Lorenz-plots 用于房顫診斷（來源：該團(tuán)隊(duì)）

據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)依托上海交大醫(yī)學(xué)院及附屬醫(yī)院資源，已與多家三甲醫(yī)院相關(guān)科室進(jìn)行醫(yī)工交叉合作研究，探索毫米波感知技術(shù)在醫(yī)療、健康監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用。除了房顫監(jiān)測(cè)外，該團(tuán)隊(duì)還在積極探索心衰監(jiān)測(cè)、持續(xù)無感血壓監(jiān)測(cè)等技術(shù)，目前已取得重要技術(shù)進(jìn)展，論證了可行性。

此外，該團(tuán)隊(duì)還與多家企業(yè)開展毫米波技術(shù)的合作研究，探索無感睡眠監(jiān)測(cè)、新生兒監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景。顧昌展表示，“我們和醫(yī)院攜手共同完成毫米波技術(shù)在臨床的驗(yàn)證，希望在未來 2-3 年可在臨床中實(shí)際應(yīng)用。”

全程參與毫米波雷達(dá)傳感器在消費(fèi)硬件產(chǎn)品首次量產(chǎn)落地，致力于把毫米波技術(shù)推向消費(fèi)級(jí)應(yīng)用

顧昌展本科與碩士階段在浙江大學(xué)完成，之后赴美國(guó)德克薩斯理工大學(xué)電子工程系進(jìn)行博士階段研究。2013 年博士畢業(yè)后，在硅谷工作了 6 年。

起初，他在 Marvell 從事射頻芯片的研發(fā)，積累了對(duì)芯片架構(gòu)的深厚積累。2015 年，加入谷歌先進(jìn)技術(shù)與項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室，曾參與毫米波手勢(shì)雷達(dá)項(xiàng)目 Project Soli。

并作為射頻技術(shù)方向的創(chuàng)始成員，深度參與了消費(fèi)級(jí)毫米波技術(shù)“從 0 到 1，再?gòu)?1 到 10”的技術(shù)研發(fā)全過程，并進(jìn)一步將技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品，推動(dòng)了毫米波手勢(shì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于谷歌 Pixel 4 手機(jī)，實(shí)現(xiàn)了毫米波雷達(dá)傳感器在消費(fèi)硬件產(chǎn)品中的第一次量產(chǎn)落地。

2019 年 3 月，顧昌展選擇回國(guó)全職加入上海交通大學(xué)，其科研團(tuán)隊(duì)專注于毫米波感知技術(shù)的系統(tǒng)級(jí)研究，從底層硬件架構(gòu)出發(fā)，突破近距毫米波感知的關(guān)鍵技術(shù)問題。他表示，希望可以先沉淀技術(shù)、壓實(shí)基礎(chǔ)，再借助國(guó)內(nèi)完備產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)毫米波技術(shù)在廣闊的消費(fèi)級(jí)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)落地，服務(wù)于每個(gè)人。

圖丨顧昌展教授（中）與團(tuán)隊(duì)部分成員（來源：該團(tuán)隊(duì)）

因在近距微波感知生物醫(yī)學(xué)和人機(jī)交互研究方面的貢獻(xiàn)，顧昌展獲得了“2019 IEEE 傳感學(xué)會(huì)職業(yè)早期技術(shù)成就獎(jiǎng)”（該獎(jiǎng)項(xiàng)全球每年僅 2 人，為國(guó)內(nèi)學(xué)者首次獲獎(jiǎng)、迄今唯一獲獎(jiǎng)?wù)撸?/p>

談及相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，顧昌展表示，“不僅積累了深厚的研究經(jīng)驗(yàn)，還參與了產(chǎn)品供應(yīng)鏈、產(chǎn)線等落地全過程。我有時(shí)和朋友開玩笑說，我可能是國(guó)內(nèi)極少數(shù)擁有富士康產(chǎn)線工作經(jīng)驗(yàn)的高?？蒲腥藛T?！?/p>

圖丨IEEE 傳感學(xué)會(huì)職業(yè)早期技術(shù)成就獎(jiǎng)（來源：顧昌展）

目前，毫米波技術(shù)在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)還處于初期階段，應(yīng)用主要集中于存在感知等簡(jiǎn)單場(chǎng)景，技術(shù)要求較低。顧昌展認(rèn)為，現(xiàn)階段該技術(shù)主要靠成本競(jìng)爭(zhēng)，在存量市場(chǎng)中取代傳統(tǒng)紅外技術(shù)。

此外，基于車載毫米波芯片的技術(shù)方案在性能、功耗等方面存在很多瓶頸與挑戰(zhàn)，在智慧城市、智慧交通、智慧家居、智慧醫(yī)療等新興領(lǐng)域，面對(duì)更加復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，近距感知還有很多關(guān)鍵技術(shù)亟待攻克。

對(duì)于消費(fèi)級(jí)毫米波雷達(dá)在未來 3-5 年的發(fā)展，顧昌展認(rèn)為，一方面，未來將在越來越多的新興場(chǎng)景中看到毫米波技術(shù)，比如在健康監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的落地，進(jìn)入醫(yī)院和普通家庭。

另一方面，也將看到一些公司或研究機(jī)構(gòu)從毫米波硬件底層出發(fā)，研發(fā)針對(duì)近距感知場(chǎng)景的專用毫米波芯片，這將使毫米波技術(shù)在消費(fèi)級(jí)的應(yīng)用進(jìn)一步加速。

-End-

參考：

1.J. Liu, J. Lu, Y. Li, C. Gu, and J. Mao，"Mitigation of Leakage and Stationary Clutters in Short-Range FMCW Radar with Hybrid Analog and Digital Compensation Technique," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques70,1,62-73,（2022）. https://ieeexplore.ieee.org/document/9583883/

2.C. Gu, J. Wang, J. Lien, “Motion Sensing Using Radar: Gesture Interaction and Beyond,”IEEE Microwave Magazine20, 8（2019）.

3.S. Dong, L. Wen, Z. Zhang, C. Gu and J. Mao, "Contactless Measurement of Human Systolic Time Intervals Based on Doppler Cardiograms in Clinical Environment,"IEEE Microwave and Wireless Components Lettersdoi: 10.1109/LMWC.2022.3157596.

4.S.Shi et al.The Lancet Regional Health - WesternPacific(2022). https://doi.org/10.1016/j.lanwpc.2022.100439

相關(guān)知識(shí)

上海六院與清華大學(xué)合作發(fā)表論文：毫米波雷達(dá)技術(shù)助力睡眠呼吸暫停診斷
智護(hù)先鋒 —上海大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)針對(duì)AD早期篩查的便攜式系統(tǒng)
毫米波雷達(dá)助力保護(hù)嬰幼兒呼吸健康監(jiān)測(cè)，硬核科技護(hù)航寶寶健康成長(zhǎng)
疾病監(jiān)測(cè)與早期預(yù)警.ppt
越“綠”越健康！首次臨床證明綠色地中海飲食對(duì)減肥、改善心血管與代謝疾病效果良好
清雷科技：世界心臟日，心行合一從睡眠監(jiān)測(cè)開始
上海平安健康（檢測(cè)）中心PET-MR分子影像臨床應(yīng)用研討峰會(huì)圓滿召開
毫米波雷達(dá)+AI，清雷科技引領(lǐng)睡眠體檢新風(fēng)向
心肺運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)在兒童呼吸系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用 心臟康復(fù)網(wǎng)—心臟康復(fù)領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)術(shù)平臺(tái)
預(yù)測(cè)上百種疾病風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)26個(gè)潛力新靶點(diǎn)！《細(xì)胞》：復(fù)旦團(tuán)隊(duì)繪制人類健康與疾病蛋白質(zhì)組圖譜

網(wǎng)址: 上海交大團(tuán)隊(duì)開展臨床驗(yàn)證，證明毫米波心動(dòng)圖在心肺生命健康監(jiān)測(cè)和疾病早篩應(yīng)用的有效性 http://www.u1s5d6.cn/newsview315672.html