成果速遞

射頻異質(zhì)異構(gòu)集成全國重點實驗室（上海交通大學）毛軍發(fā)院士團隊顧昌展副教授課題組的兩項研究工作“A Robust and Accurate FMCW MIMO Radar Vital Sign Monitoring Framework With 4-D Cardiac Beamformer and Heart-Rate Trace Carving Technique”和“A Fast and Efficient FMCW Radar Phase Extraction Technique at Ultra-Narrow Range for Vital Sign Detection”近期先后發(fā)表于微波領(lǐng)域頂級學術(shù)期刊《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》（中科院1區(qū)，TOP期刊，IF=4.1）和微波領(lǐng)域頂級學術(shù)會議2024 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium（IMS），并被選為IMS首屆6篇PDP (Post Deadline Paper) 論文之一。

實際應用場景下，毫米波生物雷達在用于睡眠監(jiān)測時會面臨各種挑戰(zhàn)，如在復雜安裝環(huán)境下被測試者的不同睡姿干擾，微弱的心跳會被人體的腹式呼吸掩蓋，以及發(fā)射帶寬的限制導致無法精確分辨人體不同部位的運動信息等，最終導致無法在睡眠過程中進行有效的監(jiān)測。

課題組提出了通用性的MIMO雷達生命體征監(jiān)測框架，結(jié)合了4D Cardiac Beamformer心臟定位技術(shù)以及自適應的微弱心率估計追蹤算法，使用波束成形以及超分辨率時域FMCW雷達相位提取方法，實現(xiàn)對于人體目標的3D定位。通過構(gòu)建心臟信號質(zhì)量評估器，并結(jié)合時頻域能量譜的前向積累和后向推導，完成對于第四個維度時間-頻域維度心臟目標信號的追蹤，從而實現(xiàn)了人體心臟信號的4D探測。

課題組所提出的MIMO雷達生命體征信號監(jiān)測框架具有普適性，對于所有的MIMO FMCW毫米波雷達架構(gòu)均可以進行部署，該方法可以有效的提升對于人體心臟位置的定位效果，以及輸出達到醫(yī)療級精度的呼吸、心率以及心臟活動周期細節(jié)信息。

基于提出的系統(tǒng)框架，課題組自主設(shè)計并加工了用于體征探測的小型化2T4R 4D MIMO雷達原型機。在實驗場景下對于不同的睡姿，基于該框架獲取的信號均好于傳統(tǒng)方法直接以反射強度為目標獲取信息的檢測效果。即使對于四肢有遮擋的睡姿以及俯臥，利用該框架依然可以對心臟的位置進行精確定位，并且獲取到高質(zhì)量的心臟細節(jié)信息。在整夜睡眠測試中，該方法的心率RMS誤差2.2 bpm，心率變異性檢測達到醫(yī)療級標準（5%）的有效時間占總監(jiān)測時長的比重超過75%。同時，原型機硬件系統(tǒng)相關(guān)的工作發(fā)表于2024 IEEE Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP)國際會議上，并獲得了Best Student Paper Award Second Place Winner。

上述研究為毫米波生物雷達在實際居家環(huán)境下的長程無感監(jiān)測提供了技術(shù)基礎(chǔ)，為進一步基于獲取到的心臟周期活動信號開展心肺慢病的早篩與預警提供了可能性。

來源：射頻異質(zhì)異構(gòu)集成全國重點實驗室

原文鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10516282

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