呼吸率是一項(xiàng)重要的生命征象，有助于瞭解一個(gè)人的整體健康狀況和睡眠品質(zhì)。呼吸率和呼吸方式也被認(rèn)為是反映個(gè)人基礎(chǔ)健康狀況的良好指標(biāo)。雖然目前市場中的技術(shù)都承諾能夠準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行監(jiān)測，但大多數(shù)并不理想——有的不夠準(zhǔn)確而必須不斷地調(diào)整，有的則是用起來并不舒服。

　　本文討論用于測量和分析呼吸的各種現(xiàn)有方法，以理解它們在滿足日常健康照護(hù)和健身追蹤要求的過程中所存在的局限性。克服這些挑戰(zhàn)并不容易，但透過超寬頻（UWB）脈沖雷達(dá)，能夠?yàn)橹T如Novelda公司的XeThru等感測器提供基礎(chǔ)，讓這些感測器達(dá)到2.8m的有效范圍，并能“穿透”衣服等障礙物，而且成本低且易于使用。

　　用于健康照護(hù)的呼吸監(jiān)測

　　呼吸率是一個(gè)人每分鐘呼吸的次數(shù)，最好是在休息的時(shí)候進(jìn)行測量。呼吸率可能由于發(fā)燒、生病或其它身體狀況而增加。測量呼吸率的最常用方法是借助實(shí)體評估方法，即觀察人體的胸部，計(jì)算一分鐘內(nèi)呼吸的次數(shù)。呼吸深度則可以用肺活量計(jì)來進(jìn)行判斷，該裝置可根據(jù)呼出與吸入空氣量測量肺功能。最簡單的應(yīng)用方式是醫(yī)生用肺活量計(jì)來檢測氣喘等病理狀態(tài)。呼吸率本身只能提供有限的資訊，但呼吸方式（測量速率、振幅和其它特征），則可以提供更多有價(jià)值的資訊，然后再用于醫(yī)療診斷以及評估睡眠品質(zhì)。

　　目前市場上已有的大多數(shù)呼吸監(jiān)測技術(shù)是侵入式的，需要將受測者與測量設(shè)備連接在一起。對于上述的肺活量計(jì)來說確實(shí)如此，但即使是簡單的機(jī)電式呼吸率測量通常也必須在受測者的胸部綁上一條彈性帶。其它聲學(xué)技術(shù)要求將裝置連接到受測者的頸部，而電容技術(shù)則要求在床上安裝一種專用床墊或在受測者的身體上安裝感測元件。這些方法主要用于專業(yè)的照護(hù)情況，可以提供準(zhǔn)確的呼吸方式資料。然而，根本性的挑戰(zhàn)仍然存在，即感測器與身體的實(shí)體連接仍然會(huì)對受測者造成壓力。任何相關(guān)的不適又會(huì)反過來影響受測者的呼吸，從而可能使測試資料無效。

　　消費(fèi)類呼吸監(jiān)測技術(shù)

　　還在不久前，即使很簡單的呼吸測試也得去診所進(jìn)行。更精密一點(diǎn)的監(jiān)測作業(yè)是先在診所或醫(yī)院做初步的生理診斷，只有確診的病人才接著進(jìn)行呼吸測試。智慧型手機(jī)和類似的高科技電子產(chǎn)品（包括心率計(jì)和血糖儀等裝置）的發(fā)明，加上人們對自身的健康和幸福更加注意與關(guān)心，使得人們對于遠(yuǎn)離醫(yī)療環(huán)境以外其他檢測方式的期望提高。因此，市場上充斥著各式各樣的健康照護(hù)和健身監(jiān)測裝置，它們可以協(xié)助消費(fèi)者追蹤自己的身體活動(dòng)以及管理個(gè)人健康。這些產(chǎn)品使用與醫(yī)學(xué)認(rèn)證產(chǎn)品相似的技術(shù)，并對醫(yī)療設(shè)計(jì)進(jìn)行更多的改善，因而能夠藉由監(jiān)測睡眠品質(zhì)和休息時(shí)的呼吸方式，滿足提供完整健康評估的趨勢要求。

　　考慮到當(dāng)前解決方案的局限性，以及理解消費(fèi)者期望健康與健身產(chǎn)品舒適、安全且易用的需求，顯然地，一款真正合適的呼吸/睡眠監(jiān)測器必須符合一些相當(dāng)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求。它應(yīng)該能夠在遠(yuǎn)端準(zhǔn)確地測量和記錄呼吸，其擺放位置不需要十分嚴(yán)苛，只要受測者在合理的檢測區(qū)域內(nèi)即可（圖1）。受測者在此區(qū)域內(nèi)的方向也不影響測量，即使其間存在一般的障礙物（如隔著羽絨被），監(jiān)測器也應(yīng)該能夠可靠地作業(yè)。

　　圖1：兒童呼吸記錄例子。從圖中可以清楚地看到，遠(yuǎn)端監(jiān)測的精確度需要達(dá)到僅幾毫米（mm）的胸部運(yùn)動(dòng)檢測

　　這種技術(shù)應(yīng)該適用于所有年齡層和身形的人們，而且應(yīng)該是非侵入式的，能夠保護(hù)受測者的隱私，即通常要將用任何視訊監(jiān)控形式的監(jiān)測排除在外。另外，還應(yīng)該能夠同時(shí)監(jiān)測多人。以感測器技術(shù)性能來看，滿足這些目標(biāo)的進(jìn)一步思考包括安全使用、低成本、低功耗以及易于整合進(jìn)終端裝置設(shè)計(jì)，而且體積要小，并能提供數(shù)位介面。

　　呼吸監(jiān)測

　　在目前市場中能夠測量呼吸率的許多產(chǎn)品中，大多數(shù)產(chǎn)品采用健身追蹤器的形式，即必須使用內(nèi)建于腕帶或胸帶的可穿戴接觸式感測器。然而，睡覺時(shí)戴著一個(gè)連接身體的監(jiān)測裝置并不舒服，而且以電池供電的產(chǎn)品還得定期充電。更先進(jìn)的睡眠監(jiān)測器采用非接觸式感測，因而避免了這些問題，可在提供優(yōu)質(zhì)睡眠監(jiān)測的同時(shí)也具有更好的舒適性。這些先進(jìn)的監(jiān)測器使用諸如電容式感測（感測器元件置于床單下）等技術(shù)，或從床邊監(jiān)測呼吸運(yùn)動(dòng)的連續(xù)波（CW）雷達(dá)解決方案。雖然這些解決方案不需要直接接觸身體，但電容解決方案通常需要在身體附近作業(yè)，而且可靠性也易受溫度和濕度變化的影響。CW雷達(dá)可在更遠(yuǎn)的距離以外作業(yè)，但無法區(qū)分是呼吸引起的運(yùn)動(dòng)還是其它身體動(dòng)作。

　　雷達(dá)技術(shù)似乎是非侵入式系統(tǒng)的理想選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測呼吸，尤其是它的訊號可以穿透衣服或床被等材料。即使如此也仍存在限制。雖然CW都普勒（Doppler）雷達(dá)對于運(yùn)動(dòng)高度敏感，而且能夠很容易地檢測到像呼吸這一類重復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率，但它只能提供相位資訊，而無法測量絕對距離。無法測量絕對距離意味著基于CW的雷達(dá)系統(tǒng)不能分辨諸如手、足等其它身體部份運(yùn)動(dòng)和胸部運(yùn)動(dòng)。因此，CW系統(tǒng)在分辨實(shí)際的胸部運(yùn)動(dòng)方面能力較弱，而這是在一整晚提供可靠資料所必需的。

　　我們真正需要的是能夠準(zhǔn)確測量距離、足以區(qū)分淺呼吸和正常呼吸以及能根據(jù)胸部運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確追蹤人體呼吸方式的方法（圖2）。然而，采用低功耗、低成本解決方案實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)極具挑戰(zhàn)性。

　　圖2：根據(jù)胸部運(yùn)動(dòng)可靠地檢測呼吸，需要能夠測量絕對距離的雷達(dá)系統(tǒng)