做醫(yī)療電子和健康監(jiān)測(cè)這些年我最大的一個(gè)感觸是生命體征監(jiān)測(cè)的方向正在從貼在身上慢慢變成藏在環(huán)境里。非接觸式生命體征監(jiān)測(cè)這幾年在學(xué)術(shù)圈和產(chǎn)業(yè)圈熱度一直很高它的核心目標(biāo)說(shuō)簡(jiǎn)單也簡(jiǎn)單——不接觸身體就能持續(xù)拿到心率、呼吸率、血氧甚至睡眠分期這些關(guān)鍵生理參數(shù)。這篇文章我打算把射頻雷達(dá)、光學(xué)成像、WiFi感知幾條主流技術(shù)路線的研究進(jìn)展和落地情況系統(tǒng)梳理一遍同時(shí)把我自己實(shí)際測(cè)試中踩過(guò)的坑和排查經(jīng)驗(yàn)一并拿出來(lái)分享。不管你是做智能硬件的產(chǎn)品經(jīng)理、算法工程師還是醫(yī)療健康領(lǐng)域的從業(yè)者甚至只是琢磨著給家里老人孩子選一套監(jiān)護(hù)設(shè)備的普通用戶這篇文章應(yīng)該都能給你一些參考。1. 非接觸式生命體征監(jiān)測(cè)到底在解決什么問(wèn)題1.1 從接觸式到非接觸式需求是怎么一步步被逼出來(lái)的傳統(tǒng)的生命體征監(jiān)測(cè)大家最熟悉的就是醫(yī)院心電監(jiān)護(hù)儀、血氧指夾、還有智能手環(huán)。這些設(shè)備有一個(gè)共同前提必須和皮膚接觸或者至少要求被測(cè)者保持一定配合狀態(tài)。接觸式測(cè)量的準(zhǔn)確度確實(shí)高這是事實(shí)但痛點(diǎn)也同樣明顯。第一個(gè)痛點(diǎn)是長(zhǎng)期佩戴的舒適性問(wèn)題。我自己做過(guò)連續(xù)佩戴測(cè)試那種心率胸帶戴超過(guò)24小時(shí)皮膚上真的會(huì)留下壓痕敏感一點(diǎn)的直接起紅疹。老年人對(duì)這種異物感尤其抵觸。我接觸過(guò)幾家養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的反饋夜里老人會(huì)無(wú)意識(shí)地把血氧指夾或者腕帶摘掉第二天一看數(shù)據(jù)斷層了護(hù)理員還得重新戴上一來(lái)一回增加不少工作量。第二個(gè)痛點(diǎn)更直接有些場(chǎng)景接觸式根本沒(méi)法用。大面積燒傷病人、新生兒重癥監(jiān)護(hù)、需要絕對(duì)靜臥的患者給他們貼電極片本身就是一種額外負(fù)擔(dān)。第三個(gè)痛點(diǎn)是很多慢性疾病的早期識(shí)別依賴連續(xù)監(jiān)測(cè)而接觸式設(shè)備一旦被摘掉后續(xù)的趨勢(shì)分析就全斷了。這些痛點(diǎn)疊加在一起就構(gòu)成了非接觸式監(jiān)測(cè)的剛性需求人不需要穿戴任何設(shè)備躺在那里或者坐在那里系統(tǒng)自己就能感知到生理信號(hào)的變化。從研究角度看非接觸式監(jiān)測(cè)真正的價(jià)值在于無(wú)感化和連續(xù)化。它把生命體征從一天測(cè)幾次的離散采樣變成了真正意義上的連續(xù)監(jiān)測(cè)。這對(duì)睡眠呼吸暫停篩查、術(shù)后恢復(fù)跟蹤、慢性病患者長(zhǎng)期趨勢(shì)管理尤其重要因?yàn)檫@些場(chǎng)景靠幾天量一次的數(shù)據(jù)根本發(fā)現(xiàn)不了異常。1.2 哪些人最需要非接觸式監(jiān)測(cè)先說(shuō)說(shuō)睡眠場(chǎng)景。成年人正常呼吸頻率是每分鐘12到20次心率是每分鐘60到100次這些都是低頻、低幅度的生理運(yùn)動(dòng)。睡眠時(shí)人基本保持靜止又沒(méi)有穿戴設(shè)備的干擾這正好是非接觸式監(jiān)測(cè)的理想條件。睡眠呼吸暫停綜合征的患者夜間會(huì)出現(xiàn)反復(fù)的呼吸暫停和低通氣傳統(tǒng)診斷需要去睡眠中心做多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)頭上貼一堆電極身上纏滿導(dǎo)線很多人一晚上都睡不踏實(shí)。非接觸式方案如果能達(dá)到可用的精度對(duì)于持續(xù)篩查和居家跟蹤來(lái)說(shuō)意義非常大。然后是養(yǎng)老和病患監(jiān)護(hù)。老年人跌倒、夜間突發(fā)心腦血管事件這類風(fēng)險(xiǎn)靠人工巡檢很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。在房間內(nèi)部署一臺(tái)雷達(dá)或者攝像頭持續(xù)監(jiān)測(cè)呼吸和心率一旦出現(xiàn)異常就觸發(fā)告警這中間的響應(yīng)時(shí)間差可能直接決定搶救結(jié)果。院內(nèi)場(chǎng)景也一樣普通病房里不可能給每個(gè)病人都接一臺(tái)多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀但通過(guò)病房級(jí)的非接觸式系統(tǒng)做連續(xù)趨勢(shì)篩查可以提前發(fā)現(xiàn)病情惡化的苗頭。還有一類是駕駛和特殊作業(yè)場(chǎng)景。駕駛員疲勞時(shí)心率變異性和眨眼頻率都會(huì)發(fā)生變化車載攝像頭和毫米波雷達(dá)可以在不打攪駕駛行為的前提下捕捉這些信號(hào)。礦山、電力、化工廠這類特殊作業(yè)環(huán)境下人體狀態(tài)監(jiān)測(cè)同樣有需求但很多現(xiàn)場(chǎng)根本不允許佩戴金屬電子設(shè)備。這些場(chǎng)景的共同特征是人對(duì)監(jiān)測(cè)行為的感知應(yīng)該越低越好最好戴上或者不用接觸因此非接觸就成了一種剛性的約束條件。2. 主流的幾條技術(shù)路線原理與優(yōu)劣勢(shì)硬碰硬2.1 毫米波雷達(dá)多普勒頻移和微動(dòng)感知目前產(chǎn)業(yè)界關(guān)注度最高的非接觸式技術(shù)路線我非常確認(rèn)是毫米波雷達(dá)。它用雷達(dá)射頻芯片往外發(fā)射電磁波波的頻率通常在24GHz、60GHz、77GHz這幾個(gè)頻段其中60GHz和77GHz由于波長(zhǎng)更短、帶寬更大在生命體征監(jiān)測(cè)領(lǐng)域用得更多。它的物理原理并不復(fù)雜。雷達(dá)發(fā)射的電磁波遇到人體胸腹表面后反射回來(lái)當(dāng)人呼吸時(shí)胸廓會(huì)有幾毫米到十幾毫米的起伏心跳時(shí)人體表面也會(huì)有亞毫米級(jí)的震動(dòng)。這些表面運(yùn)動(dòng)會(huì)使反射波產(chǎn)生多普勒頻移也就是說(shuō)返回波的頻率和相位跟發(fā)射波相比發(fā)生了微小的變化。雷達(dá)芯片通過(guò)混頻把這種相位變化提取出來(lái)再經(jīng)過(guò)ADC采集、信號(hào)處理就能還原出一個(gè)與胸壁位移相關(guān)的波形。這個(gè)波形里既包含呼吸頻率也包含心跳頻率。選雷達(dá)方案有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。第一個(gè)是穿透性好60GHz雷達(dá)能穿透大部分衣物77GHz甚至能穿透一定厚度的被子這對(duì)夜間睡眠監(jiān)測(cè)極其重要。第二個(gè)是環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)雷達(dá)不受光線影響全黑環(huán)境下依然正常工作也不會(huì)像攝像頭那樣拍到人臉引發(fā)隱私問(wèn)題。代價(jià)也有雷達(dá)對(duì)微弱信號(hào)的處理難度比較大且多目標(biāo)分離一直是個(gè)工程難題。另外雷達(dá)監(jiān)測(cè)的信噪比高度依賴人體朝向和距離側(cè)睡或者被子裹得太緊信號(hào)質(zhì)量會(huì)明顯下降。2.2 光學(xué)成像方案rPPG和微動(dòng)放大第二條技術(shù)路線是光學(xué)成像說(shuō)白了就是用攝像頭捕捉人體生理信號(hào)最核心的技術(shù)叫rPPG也就是遠(yuǎn)程光電容積描記法。原理是基于一個(gè)生理事實(shí)心臟每次搏動(dòng)都會(huì)把血液泵到皮下微血管導(dǎo)致皮膚表面的血容量周期變化這個(gè)變化會(huì)改變皮膚對(duì)光的吸收和反射特性。普通攝像頭就能捕捉到這種亮度變化只是變化幅度極其微小肉眼看不見(jiàn)而已。rPPG的典型處理鏈路是首先用攝像頭拍臉或裸露皮膚區(qū)域做面部檢測(cè)和關(guān)鍵點(diǎn)跟蹤選定幾個(gè)感興趣區(qū)域然后提取這些區(qū)域在RGB或者特定的膚色通道上的像素平均值得到一條隨時(shí)間變化的信號(hào)再經(jīng)過(guò)盲源分離、帶通濾波這類算法把心率相關(guān)的周期成分從中分離出來(lái)。目前公開(kāi)數(shù)據(jù)集上用rPPG做心率估計(jì)在靜止?fàn)顟B(tài)下的誤差可以做到每分鐘3次以內(nèi)這個(gè)精度已經(jīng)相當(dāng)能打了。光學(xué)方案最大的問(wèn)題是光和運(yùn)動(dòng)的干擾。光照突變、陰影、頭部轉(zhuǎn)動(dòng)都會(huì)讓信號(hào)崩潰。現(xiàn)在有研究團(tuán)隊(duì)用紅外相機(jī)或者高幀率相機(jī)來(lái)提高魯棒性也有人引入深度學(xué)習(xí)模型直接從圖像序列中回歸心率效果比傳統(tǒng)信號(hào)處理方法好不少。但在真實(shí)家庭場(chǎng)景里攝像頭本身帶來(lái)的隱私壓力不容小覷這也是它難以在臥室和衛(wèi)生間落地的核心原因。2.3 WiFi感知和聲學(xué)低成本的另類路線還有一個(gè)方向是利用商用WiFi設(shè)備的CSI信道狀態(tài)信息做感知。當(dāng)人呼吸時(shí)胸腹的起伏會(huì)改變室內(nèi)WiFi信號(hào)的傳播路徑接收端的CSI數(shù)據(jù)就會(huì)攜帶微小的幅度和相位變化。把CSI數(shù)據(jù)做預(yù)處理再通過(guò)FFT等手段提取周期成分同樣可以得到呼吸率和心率估計(jì)。這套方案的最大優(yōu)勢(shì)是零額外硬件家里已有的路由器就能用部署成本極低。WiFi感知的短板也很明顯它對(duì)環(huán)境變化極其敏感人稍微挪個(gè)位置、家具搬動(dòng)一下之前的訓(xùn)練模型基本就得重新標(biāo)定。目前大多數(shù)研究還停留在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境距離真正產(chǎn)品化還有一段路。聲學(xué)方案則是利用喇叭發(fā)出超聲波或者人耳聽(tīng)不見(jiàn)的高頻聲波通過(guò)麥克風(fēng)接收人體表面反射的回波來(lái)分析呼吸和心跳。這個(gè)方案在手機(jī)上比較好實(shí)現(xiàn)已經(jīng)有App嘗試用揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)組合做睡眠呼吸監(jiān)測(cè)但實(shí)際使用中環(huán)境噪聲干擾很大精度參差不齊。三條技術(shù)路線放在一起比對(duì)我的建議是追求部署隱蔽性和全天候能力就選毫米波雷達(dá)追求成本最低、硬件現(xiàn)成的場(chǎng)景優(yōu)先考慮WiFi和聲學(xué)方案攝像頭rPPG更適合在強(qiáng)光可控的環(huán)境里做短時(shí)測(cè)量比如辦公場(chǎng)景的疲勞監(jiān)測(cè)和面板端的生理指標(biāo)檢測(cè)。3. 信號(hào)處理與核心算法是真正決定精度的硬骨頭3.1 從原始波形到生理參數(shù)一條完整的提取鏈路很多剛?cè)胄械娜艘詾榉墙佑|式監(jiān)測(cè)只是把雷達(dá)數(shù)據(jù)拿過(guò)來(lái)做個(gè)FFT看看峰值真做起來(lái)遠(yuǎn)不止這么簡(jiǎn)單。我自己做雷達(dá)體征監(jiān)測(cè)的一年里最大的體會(huì)是硬件能拿到原始數(shù)據(jù)只占三成工作量剩下七成都耗在信號(hào)處理上。完整的提取鏈路大致分這樣幾步。第一步是原始數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理雷達(dá)會(huì)輸出I/Q兩路正交中頻信號(hào)先要做直流偏置校準(zhǔn)目的是把由于靜態(tài)物體反射產(chǎn)生的直流分量去掉保留隨時(shí)間變化的微動(dòng)分量。第二步是信號(hào)增強(qiáng)通過(guò)設(shè)計(jì)帶通濾波器把呼吸和心跳頻段從幾十赫茲的原始采樣里截出來(lái)。呼吸頻率一般落在0.1到0.5Hz對(duì)應(yīng)每分鐘6到30次心跳落在0.8到2.5Hz對(duì)應(yīng)每分鐘48到150次。這兩個(gè)頻段在頻譜上離得比較近又存在諧波干擾所以濾波器的階數(shù)和截止頻率都得仔細(xì)調(diào)試。第三步是頻譜估計(jì)常用方法是對(duì)滑動(dòng)窗口內(nèi)的信號(hào)做快速傅里葉變換窗口長(zhǎng)度通常取30到60秒時(shí)間窗口越長(zhǎng)頻率分辨率越高但實(shí)時(shí)性就越差。第四步才是峰值的提取和置信度評(píng)估把頻譜上最大峰對(duì)應(yīng)的頻率換算成呼吸率或心率。這里有一個(gè)非常重要的工程細(xì)節(jié)很多新手直接拿頻譜最大值當(dāng)心率大概率會(huì)出錯(cuò)。因?yàn)楹粑C波、身體微動(dòng)、雷達(dá)本身的相位噪聲都可能形成更高的譜峰。合理的做法是結(jié)合生理先驗(yàn)做約束比如心率和呼吸率之間通常不存在整數(shù)倍的關(guān)系可以利用這個(gè)先驗(yàn)來(lái)剔除呼吸諧波對(duì)心率估計(jì)的干擾。另外還要做時(shí)域上的連續(xù)性校驗(yàn)前后兩幀估計(jì)的心率值不可能瞬間跳變超過(guò)每分鐘10到20次一旦檢測(cè)到突變應(yīng)該結(jié)合前一幀的值做平滑或者重新搜索峰值。3.2 運(yùn)動(dòng)干擾分離整個(gè)領(lǐng)域最難啃的骨頭非接觸式監(jiān)測(cè)在靜止?fàn)顟B(tài)下做到高精度現(xiàn)在不算什么大難題真正的分水嶺是運(yùn)動(dòng)干擾的處理。人在睡覺(jué)時(shí)會(huì)翻身會(huì)無(wú)意識(shí)的肢體抽動(dòng)會(huì)被咳嗽和打鼾打斷這些都會(huì)讓雷達(dá)回波的相位發(fā)生遠(yuǎn)大于呼吸幅度的變化。運(yùn)動(dòng)干擾有兩種典型形態(tài)。一種是瞬時(shí)大幅度運(yùn)動(dòng)比如翻身表現(xiàn)為信號(hào)波形上出現(xiàn)一個(gè)幅度很大的突變處理思路是先檢測(cè)突變時(shí)間點(diǎn)把運(yùn)動(dòng)段的樣本標(biāo)記為無(wú)效等運(yùn)動(dòng)結(jié)束后再重新收斂。另一種是周期性小幅運(yùn)動(dòng)比如手放在胸口導(dǎo)致的局部起伏這種干擾頻率可能和呼吸頻率很接近單純靠幅度閾值檢測(cè)不出來(lái)需要用更高的維度去分辨。我在實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)對(duì)距離維做高分辨率處理會(huì)很有幫助人體軀干部位的反射能量集中在某一個(gè)距離門上而手部運(yùn)動(dòng)反射的距離門和軀干不一樣利用距離維的差異就能把部分運(yùn)動(dòng)干擾從軀干信號(hào)里隔離掉。電磁波領(lǐng)域里還有個(gè)經(jīng)典問(wèn)題叫相位解纏誤差。當(dāng)胸壁位移超過(guò)雷達(dá)發(fā)射波長(zhǎng)的一半時(shí)相位會(huì)發(fā)生模糊解出來(lái)的位移信號(hào)會(huì)跳變導(dǎo)致頻譜上出現(xiàn)虛假峰。60GHz雷達(dá)的波長(zhǎng)約為5毫米呼吸的胸廓起伏幅度就能超過(guò)這個(gè)量級(jí)所以不做相位解纏就去做頻譜分析得到的心率值會(huì)飄。這個(gè)問(wèn)題在真實(shí)床墊場(chǎng)景中尤其突出我在做60GHz雷達(dá)臥床監(jiān)測(cè)時(shí)第一次遇到心率估計(jì)值每十幾秒跳一次的情況排查了很久才發(fā)現(xiàn)是呼吸信號(hào)幅度過(guò)大導(dǎo)致相位跳變后來(lái)在算法里加了基于相鄰采樣點(diǎn)相位差的解纏模塊才穩(wěn)住。3.3 深度學(xué)習(xí)在生命體征估計(jì)里扮演的角色傳統(tǒng)信號(hào)處理方法對(duì)物理模型依賴強(qiáng)參數(shù)可解釋性好但在強(qiáng)干擾場(chǎng)景下魯棒性不足。深度學(xué)習(xí)這幾年被引入來(lái)做生命體征估計(jì)思路主要有兩派。一派是用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接做回歸輸入端是雷達(dá)的距離多普勒譜或者光流的時(shí)序特征輸出端是心率呼吸率的估計(jì)值中間過(guò)程完全黑箱。另一派是神經(jīng)科學(xué)與信號(hào)處理結(jié)合用深度學(xué)習(xí)做信號(hào)增強(qiáng)或者運(yùn)動(dòng)檢測(cè)把干凈的生命體征波形從混合信號(hào)里摳出來(lái)再做傳統(tǒng)頻譜分析。我個(gè)人的實(shí)踐感受是端到端回歸模型在公開(kāi)數(shù)據(jù)集上指標(biāo)很好看但跨場(chǎng)景遷移能力較差。你在A房間用A床墊采集的數(shù)據(jù)訓(xùn)練出來(lái)的模型換到B房間、換個(gè)被子厚度性能立刻掉一截。反而是深度學(xué)習(xí)做特征提取前置傳統(tǒng)譜分析做生理參數(shù)估計(jì)的混合方案在實(shí)際部署中更穩(wěn)。這里有一個(gè)很重要的原因生命體征是強(qiáng)周期信號(hào)頻率信息本身就很關(guān)鍵純神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理周期性信號(hào)時(shí)并不天然擅長(zhǎng)而傳統(tǒng)FFT對(duì)周期性成分的提取已經(jīng)非常成熟兩者的結(jié)合正好取長(zhǎng)補(bǔ)短。4. 典型應(yīng)用場(chǎng)景剖析從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品的最后一公里4.1 睡眠監(jiān)測(cè)最接近落地的方向睡眠是非接觸式監(jiān)測(cè)公認(rèn)的最佳落地場(chǎng)景原因是人在睡眠中運(yùn)動(dòng)量小、環(huán)境相對(duì)固定、位置相對(duì)穩(wěn)定這幾個(gè)條件對(duì)信號(hào)質(zhì)量極其有利。目前市面上已經(jīng)有不少睡眠監(jiān)護(hù)雷達(dá)產(chǎn)品主要監(jiān)測(cè)呼吸率、心率、體動(dòng)、離床狀態(tài)這幾項(xiàng)指標(biāo)個(gè)別產(chǎn)品聲稱能做到睡眠分期。睡眠分期這件事我要多說(shuō)一句。真正醫(yī)學(xué)級(jí)的睡眠分期需要腦電、眼電、肌電綜合判斷非接觸式設(shè)備靠雷達(dá)和攝像頭只能根據(jù)呼吸節(jié)律、體動(dòng)頻率、心率變異性做間接推斷它和PSG一致性最好的分期判斷大概在清醒、淺睡、深睡、REM這四個(gè)大類上再細(xì)分就勉強(qiáng)了。所以不要盲目相信消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的睡眠報(bào)告能替代醫(yī)療診斷但作為睡眠趨勢(shì)參考和睡眠呼吸暫停初篩它是有實(shí)際價(jià)值的。我自己用雷達(dá)睡眠監(jiān)測(cè)做過(guò)一個(gè)月的連續(xù)跟蹤呼吸率曲線能比較清晰地反映整晚的變化節(jié)奏深睡階段呼吸率確實(shí)會(huì)更低更平穩(wěn)這個(gè)趨勢(shì)信息和臨床上觀察到的一致。4.2 養(yǎng)老護(hù)理與院內(nèi)病房場(chǎng)景養(yǎng)老場(chǎng)景里非接觸式監(jiān)測(cè)最大的價(jià)值是不打擾。老人不需要學(xué)習(xí)使用手表、不需要記得給設(shè)備充電房間里的雷達(dá)就這么靜靜地放著數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳。跌倒檢測(cè)也是這類產(chǎn)品的重要功能通過(guò)雷達(dá)點(diǎn)云或者多普勒特征的突變來(lái)識(shí)別跌倒事件比攝像頭方案更有隱私優(yōu)勢(shì)。目前一些高端養(yǎng)老機(jī)構(gòu)和模塊化養(yǎng)老社區(qū)已經(jīng)批量部署了這類設(shè)備配合護(hù)理管理平臺(tái)做告警工單流轉(zhuǎn)。院內(nèi)場(chǎng)景的挑戰(zhàn)要更大一些。病房環(huán)境里的監(jiān)護(hù)儀、輸液泵、其他電子設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生電磁干擾多張病床之間的距離又不足以保證雷達(dá)波束不互相照射。我在醫(yī)院合作測(cè)試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)相鄰病床的雷達(dá)如果不做協(xié)同兩個(gè)床的信號(hào)會(huì)互相串?dāng)_心率估計(jì)值會(huì)在兩床人的真實(shí)心率之間跳來(lái)跳去。后來(lái)我們?cè)诓渴鹕弦罄走_(dá)波束盡量對(duì)準(zhǔn)床中線同時(shí)在后端算法里加入目標(biāo)生命特征連續(xù)性的跟蹤才把串?dāng)_問(wèn)題壓下去。醫(yī)院場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)合規(guī)的要求也更嚴(yán)格患者信息、生理數(shù)據(jù)都屬于敏感數(shù)據(jù)系統(tǒng)必須具備本地化存儲(chǔ)和嚴(yán)格的訪問(wèn)控制能力。4.3 駕駛艙監(jiān)測(cè)和其他新興場(chǎng)景智能汽車是另一個(gè)非?；钴S的應(yīng)用領(lǐng)域。駕駛員的疲勞和分心狀態(tài)是交通事故的重要誘因通過(guò)車內(nèi)攝像頭監(jiān)測(cè)眼瞼閉合程度、通過(guò)方向盤上的傳感器和毫米波雷達(dá)監(jiān)測(cè)心率和呼吸率可以在駕駛員進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)之前發(fā)出預(yù)警。這個(gè)場(chǎng)景對(duì)算法的實(shí)時(shí)性要求很高端到端延遲必須控制在秒級(jí)以內(nèi)同時(shí)還要適應(yīng)駕駛過(guò)程中的強(qiáng)振動(dòng)和光線變化。除此之外嬰兒監(jiān)護(hù)也是一個(gè)被低估的場(chǎng)景。嬰幼兒無(wú)法表達(dá)不適嬰兒猝死綜合征又常發(fā)生在夜間睡眠中非接觸式的嬰兒呼吸心跳監(jiān)護(hù)儀可以讓父母在隔壁房間實(shí)時(shí)掌握孩子的狀態(tài)。這類產(chǎn)品對(duì)誤報(bào)率極其敏感——誤報(bào)太多家長(zhǎng)會(huì)被折磨得整夜睡不好漏報(bào)又會(huì)有安全風(fēng)險(xiǎn)。目前市面上做嬰兒呼吸監(jiān)護(hù)的多為壓力墊方案和雷達(dá)方案雷達(dá)方案的探測(cè)距離更遠(yuǎn)但需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的醫(yī)療或消費(fèi)電子認(rèn)證才能在市場(chǎng)上銷售這一點(diǎn)大家在選型時(shí)要重點(diǎn)考慮。5. 實(shí)測(cè)中的常見(jiàn)問(wèn)題與排查經(jīng)驗(yàn)5.1 距離、角度和遮擋這三個(gè)變量怎么影響精度我在實(shí)際測(cè)試中反復(fù)驗(yàn)證過(guò)毫米波雷達(dá)的監(jiān)測(cè)效果受三個(gè)變量支配距離、角度和遮擋。距離不是越近越好雷達(dá)的近場(chǎng)存在盲區(qū)離得太近反射信號(hào)反而會(huì)飽和通常建議雷達(dá)與人體保持在0.5米到2.5米這個(gè)區(qū)間。角度方面雷達(dá)波束最好垂直照射胸腹部夾角超過(guò)45度后反射信號(hào)的能量會(huì)明顯衰減等于是斜著看了峰峰的幅度會(huì)變小提取出來(lái)的呼吸波形就會(huì)比實(shí)際情況幅度更小甚至變形。至于被子這是所有雷達(dá)方案最大的天然屏障。被子材質(zhì)不同對(duì)電磁波的衰減程度差異很大薄棉被問(wèn)題不大但厚羽絨被和毛毯會(huì)讓信號(hào)衰減好幾個(gè)分貝。如果你部署的床品環(huán)境不固定我建議在算法端做自適應(yīng)增益根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)調(diào)整放大器增益不然等到冬天換了厚被子整套系統(tǒng)精度會(huì)突然掉一截。一個(gè)我特別想強(qiáng)調(diào)的實(shí)測(cè)細(xì)節(jié)是呼吸暫停的檢測(cè)。呼吸暫停的定義是氣流停止超過(guò)10秒在雷達(dá)波形上看就是呼吸信號(hào)幅度驟降接近為零。但雷達(dá)實(shí)際采集到的信號(hào)里還包括心跳引起的微動(dòng)呼吸暫停時(shí)心跳信號(hào)會(huì)被漏出來(lái)在頻譜上表現(xiàn)成一個(gè)低頻峰。如果算法只盯著呼吸頻段看就可能把呼吸暫停誤判成正常呼吸。解決思路是在呼吸頻段能量過(guò)低時(shí)切換去檢查物理位移波形本身的包絡(luò)變化而不是只看頻域峰值。這類問(wèn)題的排查最有效的工具是同步錄一段呼吸帶傳感器的真值信號(hào)把雷達(dá)輸出和真值放在一起對(duì)比看很快就能定位是算法哪一步出了問(wèn)題。5.2 環(huán)境干擾和多目標(biāo)是怎么一回事環(huán)境干擾最典型的就是空調(diào)和風(fēng)扇?？照{(diào)的擺風(fēng)葉片會(huì)產(chǎn)生周期性的微動(dòng)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)葉片本身就是強(qiáng)多普勒源這些都可能被雷達(dá)識(shí)別成呼吸信號(hào)。我遇到過(guò)一個(gè)紅外熱電堆陣列和雷達(dá)同時(shí)工作的場(chǎng)景熱電堆的轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇距離雷達(dá)不到一米雷達(dá)數(shù)據(jù)里硬生生跳出一個(gè)穩(wěn)定的呼吸頻率來(lái)查了半天才發(fā)現(xiàn)是風(fēng)扇的葉片旋轉(zhuǎn)頻率恰好落在0.3Hz左右。處理措施要么是調(diào)整雷達(dá)的探測(cè)距離門把風(fēng)扇位置排除在外要么加一個(gè)基于信號(hào)源距離的篩選邏輯只接受軀干距離門附近的信號(hào)。多目標(biāo)場(chǎng)景的難度更大。夫妻兩人睡在同一張床上兩臺(tái)雷達(dá)各自負(fù)責(zé)一個(gè)人很容易互相干擾。比如你用了定向波束的雷達(dá)波束有一定寬度測(cè)左邊那個(gè)人時(shí)把右邊人的呼吸也掃進(jìn)去了結(jié)果頻譜上出現(xiàn)兩個(gè)峰。目前商用產(chǎn)品比較常見(jiàn)的做法是結(jié)合點(diǎn)云信號(hào)做人形定位先找到人體中心坐標(biāo)再做距離—角度二維約束的波束成形把非目標(biāo)方向的信號(hào)壓掉。在算法評(píng)估階段建議用兩臺(tái)雷達(dá)做交叉驗(yàn)證看看兩個(gè)通道提取出來(lái)的呼吸率是否互相矛盾矛盾程度超過(guò)閾值就判定為串?dāng)_需要重新調(diào)整部署。5.3 隱私和數(shù)據(jù)合規(guī)是繞不開(kāi)的副本關(guān)卡非接觸式監(jiān)測(cè)最終要落地到人的空間里隱私是無(wú)論如何都繞不過(guò)去的。攝像頭方案拍到的面部信息涉及生物識(shí)別數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和使用都受嚴(yán)格監(jiān)管雷達(dá)方案雖然有先天隱私優(yōu)勢(shì)但高分辨率雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在某些條件下也可能被重建出人體姿態(tài)未必能完全豁免。我的建議是產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初就把隱私架構(gòu)考慮進(jìn)去雷達(dá)原始數(shù)據(jù)盡量在設(shè)備端做處理只上傳提取后的生理參數(shù)和告警事件不上傳原始波形所有數(shù)據(jù)都要加密傳輸和存儲(chǔ)訪問(wèn)權(quán)限分級(jí)管理。這樣既降低合規(guī)風(fēng)險(xiǎn)也更容易獲得用戶信任。我見(jiàn)過(guò)不少團(tuán)隊(duì)在產(chǎn)品原型階段完全不在意這個(gè)問(wèn)題到了要進(jìn)醫(yī)院或者進(jìn)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)招標(biāo)的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)隱私合規(guī)不達(dá)標(biāo)整個(gè)項(xiàng)目推倒重來(lái)。非接觸式生命體征監(jiān)測(cè)本來(lái)就是沖著更少侵?jǐn)_、更自然去的如果隱私處理做不好那就和當(dāng)初的技術(shù)初衷背道而馳了。這塊建議盡早和法務(wù)、安全合規(guī)團(tuán)隊(duì)一起評(píng)審別等Demo跑通了再回頭補(bǔ)課。6. 個(gè)人體會(huì)這項(xiàng)技術(shù)真正值錢的地方在哪里我做了兩年多的非接觸式生命體征監(jiān)測(cè)如果說(shuō)最初是被技術(shù)本身吸引那后來(lái)更打動(dòng)我的其實(shí)是它給使用體驗(yàn)帶來(lái)的改變。接觸式設(shè)備本質(zhì)上是讓人來(lái)適應(yīng)機(jī)器你得記得充電、記得佩戴、記得調(diào)整位置而非接觸式設(shè)備是讓機(jī)器來(lái)適應(yīng)人人該干嘛干嘛機(jī)器在后臺(tái)默默工作。這種體驗(yàn)上的代差才是這項(xiàng)技術(shù)最核心的價(jià)值。從我的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)看如果你打算用成品建議先明確自己的核心訴求是什么是要夜間呼吸心率趨勢(shì)還是要跌倒告警或者是要睡眠呼吸暫停初篩。不同產(chǎn)品在天線設(shè)計(jì)、算法側(cè)重、告警策略上差異很大沒(méi)有一款產(chǎn)品能同時(shí)在所有場(chǎng)景做到頂尖。如果你是開(kāi)發(fā)者我的建議是先從呼吸率這個(gè)指標(biāo)做起它信噪比高、實(shí)現(xiàn)難度低跑通了整條鏈路再擴(kuò)展到心率和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)循序漸進(jìn)會(huì)比一上來(lái)就啃多模態(tài)融合穩(wěn)妥得多。最后還想分享一個(gè)小技巧無(wú)論你選擇哪種技術(shù)路線一定要在真實(shí)使用環(huán)境下驗(yàn)證而不是只在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)。我當(dāng)時(shí)把雷達(dá)設(shè)備從實(shí)驗(yàn)臺(tái)挪到真實(shí)居家的臥室時(shí)所有指標(biāo)都變了——床墊材質(zhì)、房間大小、空調(diào)位置、窗簾厚度每一樣都在影響最終效果。好在這些問(wèn)題都有對(duì)應(yīng)的工程化手段可以解決關(guān)鍵是你得先舍得花時(shí)間去把真實(shí)環(huán)境當(dāng)成第一測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。非接觸式生命體征監(jiān)測(cè)已經(jīng)走過(guò)了從能不能測(cè)到測(cè)得好不好的階段接下來(lái)真正考驗(yàn)大家的是能不能在工程化、成本、隱私合規(guī)之間找到那個(gè)最優(yōu)解。