技術(shù)
導(dǎo)讀:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳彥教授團(tuán)隊(duì)在非接觸心臟活動(dòng)感知研究領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。在無(wú)需任何模型訓(xùn)練的情況下,他們利用毫米波雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度的非接觸人體心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)。
12 月 16 日消息,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳彥教授團(tuán)隊(duì)在非接觸心臟活動(dòng)感知研究領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。
研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)并利用心臟機(jī)械活動(dòng)諧波中的“拍頻效應(yīng)”這一重要物理現(xiàn)象,成功克服了遠(yuǎn)場(chǎng)條件下由呼吸運(yùn)動(dòng)引起的大數(shù)量級(jí)干擾。在無(wú)需任何模型訓(xùn)練的情況下,他們利用毫米波雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度的非接觸人體心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)。
非接觸心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
這項(xiàng)研究成果標(biāo)志著非接觸心臟監(jiān)測(cè)技術(shù)邁入新階段,為心血管疾病的早期預(yù)防與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供了創(chuàng)新解決方案。相關(guān)研究成果以“Monitoring Long-term Cardiac Activity with Contactless Radio Frequency Signals”為題,于 12 月 5 日發(fā)表在《自然?通訊》(Nature Communications)上。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)表示,心血管疾病是全球第一大致死疾病,每年約有 1790 萬(wàn)人因此失去生命。研究表明,許多早發(fā)心血管疾病可以通過及時(shí)診斷和治療來(lái)有效預(yù)防。因此,長(zhǎng)期連續(xù)的心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)疾病的早期發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要。
然而,現(xiàn)有心臟監(jiān)測(cè)技術(shù)多為接觸式測(cè)量,例如傳統(tǒng)的心電圖設(shè)備需要在體表貼附多個(gè)電極,可穿戴設(shè)備則?;诠怆娙莘e描記法(PPG)。這些方法由于舒適性不足、對(duì)使用環(huán)境敏感等原因,難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)的心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè),從而可能錯(cuò)過心血管疾病診斷和治療的最佳時(shí)期。
近年來(lái),毫米波雷達(dá)技術(shù)被應(yīng)用于心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè),展現(xiàn)出非接觸、便捷和高精度的潛力。然而,技術(shù)發(fā)展仍面臨“呼吸譜泄漏”這一重大挑戰(zhàn)。由于呼吸幅度(厘米級(jí))遠(yuǎn)大于心跳幅度(亞毫米級(jí)),呼吸諧波在心跳頻段產(chǎn)生顯著的頻譜泄漏,導(dǎo)致信干噪比嚴(yán)重下降,限制了心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)的精度。
對(duì)此,研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)性分析,發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)重要的物理現(xiàn)象,從而成功破解這一難題。首先,研究團(tuán)隊(duì)觀察到呼吸諧波比心跳諧波衰減更快,尤其在高頻段,呼吸干擾的影響顯著減弱。其次,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)心跳諧波中存在“拍頻效應(yīng)”,即高階心跳諧波疊加會(huì)產(chǎn)生與心跳周期一致的拍頻特征,其頻率等于相鄰諧波頻率之差。
基于這兩大發(fā)現(xiàn),研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將心跳特征提取頻段從基頻轉(zhuǎn)移到高階諧波頻段(約 10 倍頻),從而有效消除了呼吸諧波的干擾,顯著提升了監(jiān)測(cè)精度。在包括 6222 名參與者的大規(guī)模醫(yī)院場(chǎng)景和長(zhǎng)達(dá) 21 個(gè)夜晚的日常生活場(chǎng)景中,系統(tǒng)取得了 26.1 毫秒和 34.1 毫秒的中位誤差,充分驗(yàn)證了其醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值。
這一研究突破為毫米波雷達(dá)在心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ),在使用過程中,被測(cè)者不需要佩戴電極也不需要去除衣物,以無(wú)感的方式完成長(zhǎng)期持續(xù)的心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè),展現(xiàn)出廣闊的臨床應(yīng)用前景。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景和部分結(jié)果展示
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院博士后張賓賓為文章的第一作者;陳彥教授為文章的通訊作者;中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院馬禮坤教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫啟彬研究員、胡洋副教授、張東恒副研究員、李亞東、盧智、陳金波、王浩宇、周放、濮玉等為文章的共同作者;學(xué)校賦權(quán)企業(yè)合肥中科知奇信息科技有限公司為文章合作單位。相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、安徽省和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的經(jīng)費(fèi)資助。