算法改进的微波雷达比传感带更准确地监测呼吸

据麦姆斯咨询报道，近日，一支来自格但斯克理工大学（Gdańsk University of Technology）的科研团队在Scientific Reports期刊上发表了题为“Algorithmically improved microwave radar monitors breathing more accurate than sensorized belt”的论文。文中描述了一种测量、处理、分析和比较两种设备（可穿戴传感腰带和基于微波雷达的传感器）采集的呼吸信号的新方法。研究结果表明，所提出的评估方法在统计上是稳定的。信号变异的根源在于个体的呼吸模式，而不是所用设备的工作原理。

实验装置

通过利用现有的基于微电子和信息技术的创新系统来记录和分析生命体征，可以改善院内、院外的诊断和治疗过程。目前，一系列市售设备和系统广泛用于日常监测呼吸频率，其经常用于体育活动期间，以及在家中监测患者和老人。不幸的是，并非所有此类设备和系统都能可靠地评估呼吸频率。医学界和科学界在发展呼吸监测方法和技术方面已经取得了重大进展。最近的两篇论文对几种不同工作原理的设备进行了全面报道，包括声学（呼吸音）、电阻式（呼吸活动引起空气湿度变化）、光学（基于光纤的空气流量计）、感应式和压力式（胸壁运动）、湿度/温度、加速度（流量测量和胸壁运动）、肌电图（生物电势）、阻抗（胸壁应变）、红外（气体吸收）和微波。大多数技术都是非侵入式、基于接触的解决方案。然而，自从冠状病毒（COVID-19）大流行以来，开发非接触式设备变得至关重要。使用不接触患者身体的设备减少了消毒程序的需求，对患者和医务人员都更安全。

本研究的目的是比较标准可穿戴设备（腰带）和研究人员开发的非接触式设备获得的呼吸活动测量结果。研究人员旨在开发一种低成本的基于雷达的解决方案，该解决方案可用于临床环境和患者家中，以诊断和监测患有呼吸系统疾病的患者，尤其是COVID-19等传染病患者。因此，本研究评估了非侵入性、非接触式自动呼吸监测的关键参数。所提出的解决方案是格但斯克理工大学电子电信与信息工程学院多媒体系统部与波兰格但斯克医科大学高血压和糖尿病部密切合作的成果。

呼吸和循环监测仪组件的框图

呼吸和循环监测仪的外观和尺寸

在这项研究中，首先，简要回顾了适用于监测呼吸的现有传感器技术和相应的信号处理方法。然后，研究人员提出了一种使用非接触式微波雷达传感器监测呼吸频率的新方法，该方法采用了一种倍频程误差消除的算法。实验方案包括对基于雷达的传感器采集呼吸信号方法的描述，以及如何将其与从标准可穿戴腰带获得的信号进行比较。最后，对结果进行了讨论并得出结论，并概述了工程解决方案的潜在应用。

使用所提出的算法、朴素欧几里得算法和NeuroKit2 Python库中的时域寻峰算法（time-domain peak-finding algorithm）计算的呼吸频率估值。

总而言之，研究人员开发、测试并描述了一种改进的方法，用于基于微波雷达的传感器设备测量呼吸频率。重要的是，该设备提供了一种非接触式方法来估计呼吸频率，这在管理具有高度传染性的传染病患者时至关重要。准确评估呼吸频率也十分重要。因此，研究人员开发了一种启发式算法，即使存在误导性的自相关函数最大值，它也能提供精确的估计，如果使用更简单的算法，可能会导致错误检测。

研究结果表明，在呼吸频率监测方面，所提出的算法和基于微波雷达的传感器的性能与标准可穿戴腰带相似。还观察到，这种基于非接触式雷达的设备是基于腰带设备的可行替代方案，用于分析恒定频率呼吸和自由呼吸。使用两种不同类型传感器的数据获得的呼吸频率估值在统计意义上是相似的。研究发现，测量结果变异性的主要来源是人与人之间的呼吸差异。从基于雷达的测量切换到基于腰带的测量，反之亦然，测得的呼吸频率估值差异非常微小。

通过本研究的实验和统计分析，结果已经证明，所开发的呼吸和循环监测仪有可能成为一种可行、准确的呼吸频率监测仪。它可以作为腰带设备的替代品，呼吸监测腰带需要医疗顾问具有专业的知识才能使用。相比之下，所开发的非接触式设备是估计呼吸频率的一种可信的替代方案，尤其是在与受试者的直接接触受到限制的情况下。

该监护仪在心肺监护方面具有潜在的应用前景。在大规模疾病的情况下，如COVID-19大流行，它可用于：监测居家隔离和无症状患者；专科诊所的诊断，特别是以内科为重点的诊所；医院急诊科对有入院指征的患者进行诊断；需要与医院工作人员和设备进行必要接触的住院患者，以检测临床恶化情况、机械通气指征或评估其从重症监护病房出院的可能性。在非大流行情况下，可用于诊断和监测中风后心力衰竭患者（包括在家中）；改善睡眠期间呼吸异常的评估（包括在家）；对呼吸节律和模式以及呼吸和心血管调节的研究（包括大规模研究）；以及改善对参与临床试验患者的监测。

论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41598-022-18808-2

审核编辑 ：李倩