上海交通大學(xué)：基于4D心臟波束成形的MIMO毫米波生物雷達(dá)生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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射頻異質(zhì)異構(gòu)集成全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海交通大學(xué)）毛軍發(fā)院士團(tuán)隊(duì)顧昌展副教授課題組的兩項(xiàng)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(jí)學(xué)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(jí)學(xué)術(shù)會(huì)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(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，毫米波生物雷達(dá)在用于睡眠監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)面臨各種挑戰(zhàn)，如在復(fù)雜安裝環(huán)境下被測(cè)試者的不同睡姿干擾，微弱的心跳會(huì)被人體的腹式呼吸掩蓋，以及發(fā)射帶寬的限制導(dǎo)致無法精確分辨人體不同部位的運(yùn)動(dòng)信息等，最終導(dǎo)致無法在睡眠過程中進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。

課題組提出了通用性的MIMO雷達(dá)生命體征監(jiān)測(cè)框架，結(jié)合了4D Cardiac Beamformer心臟定位技術(shù)以及自適應(yīng)的微弱心率估計(jì)追蹤算法，使用波束成形以及超分辨率時(shí)域FMCW雷達(dá)相位提取方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)于人體目標(biāo)的3D定位。通過構(gòu)建心臟信號(hào)質(zhì)量評(píng)估器，并結(jié)合時(shí)頻域能量譜的前向積累和后向推導(dǎo)，完成對(duì)于第四個(gè)維度時(shí)間-頻域維度心臟目標(biāo)信號(hào)的追蹤，從而實(shí)現(xiàn)了人體心臟信號(hào)的4D探測(cè)。

課題組所提出的MIMO雷達(dá)生命體征信號(hào)監(jiān)測(cè)框架具有普適性，對(duì)于所有的MIMO FMCW毫米波雷達(dá)架構(gòu)均可以進(jìn)行部署，該方法可以有效的提升對(duì)于人體心臟位置的定位效果，以及輸出達(dá)到醫(yī)療級(jí)精度的呼吸、心率以及心臟活動(dòng)周期細(xì)節(jié)信息。

基于提出的系統(tǒng)框架，課題組自主設(shè)計(jì)并加工了用于體征探測(cè)的小型化2T4R 4D MIMO雷達(dá)原型機(jī)。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下對(duì)于不同的睡姿，基于該框架獲取的信號(hào)均好于傳統(tǒng)方法直接以反射強(qiáng)度為目標(biāo)獲取信息的檢測(cè)效果。即使對(duì)于四肢有遮擋的睡姿以及俯臥，利用該框架依然可以對(duì)心臟的位置進(jìn)行精確定位，并且獲取到高質(zhì)量的心臟細(xì)節(jié)信息。在整夜睡眠測(cè)試中，該方法的心率RMS誤差2.2 bpm，心率變異性檢測(cè)達(dá)到醫(yī)療級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（5%）的有效時(shí)間占總監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)的比重超過75%。同時(shí)，原型機(jī)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(huì)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(dá)在實(shí)際居家環(huán)境下的長(zhǎng)程無感監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，為進(jìn)一步基于獲取到的心臟周期活動(dòng)信號(hào)開展心肺慢病的早篩與預(yù)警提供了可能性。

來源：射頻異質(zhì)異構(gòu)集成全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

原文鏈接：

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

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