首頁資訊上海交大團隊開展臨床驗證，證明毫米波心動圖在心肺生命健康監(jiān)測和疾病早篩應(yīng)用的有效性

上海交大團隊開展臨床驗證，證明毫米波心動圖在心肺生命健康監(jiān)測和疾病早篩應(yīng)用的有效性

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月06日 14:43

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提及毫米波雷達技術(shù)，人們通常與車載毫米波雷達技術(shù)關(guān)聯(lián)。隨著近年來半導體技術(shù)的突破以及自動駕駛的興起，毫米波雷達技術(shù)展現(xiàn)出強大的發(fā)展?jié)摿褪袌鲂枨蟆?/p>

但與此同時，因為毫米波雷達技術(shù)具備高性能、全天時全天候等優(yōu)勢，近年在小型化和低成本上有較大突破。因其可實現(xiàn)對人和環(huán)境進行非接觸式感知，它的應(yīng)用邊界也在不斷地向物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、健康醫(yī)療等泛消費領(lǐng)域拓展。

那么，作為新興的消費級毫米波技術(shù)最近有哪些成果？其發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用場景有哪些？該技術(shù)在未來將如何發(fā)展？

突破跨尺度復雜位移運動的精準追蹤技術(shù)，并在進行臨床驗證

目前市場上已有的毫米波健康監(jiān)測技術(shù)方案，多數(shù)采用車載毫米波路線（中長距雷達），其在近距感知方面有些“水土不服”，面臨近距盲區(qū)、靈敏度不夠高和功耗較高等挑戰(zhàn)。

為此，上海交通大學電子信息與電氣工程學院的顧昌展教授與團隊從硬件底層出發(fā)，開發(fā)了專為消費級場景定制的端到端的解決方案，包括天線、芯片架構(gòu)以及專用算法等。

顧昌展指出，如果把車載毫米波芯片和解決方案比作 CPU（通用處理器，Central Processing Unit），上海交大團隊研究的毫米波解決方案就是針對近距感知定制的 GPU，或者專門的 AI Processor（專用處理器）。

圖丨顧昌展（來源：資料圖）

截至目前，顧昌展團隊在今年有 6 篇論文被微波領(lǐng)域國際頂級會議 IEEE MTT-S International Microwave Symposium（IMS）接收。在近期發(fā)表的論文中，他們不僅解決了消費級毫米波感知中存在的近距盲區(qū)問題，突破了跨尺度復雜位移運動的精準追蹤技術(shù)，還在醫(yī)療健康監(jiān)測領(lǐng)域進行了臨床驗證。

第一，解決了消費級毫米波感知中存在的近距盲區(qū)問題。

近距盲區(qū)是指，由于天線泄露、片內(nèi)鏈路耦合、靜態(tài)雜散等造成的，無法完成半米內(nèi)準確測量的問題。該團隊提出全雙工共口徑高隔離天線、模擬-數(shù)字融合干擾消除等技術(shù)，有效解決了這一問題。

與傳統(tǒng)車載毫米波方案相比，近距盲區(qū)干擾功率降低了 3000 倍以上。顧昌展指出，該技術(shù)完全消除了近距盲區(qū)的影響，可將毫米波技術(shù)帶入更廣泛的消費級市場，比如極近人體皮膚表面的可穿戴設(shè)備。

圖丨近距盲區(qū)消除技術(shù)極大提升了近距感知性能 [1]（來源：IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques）

第二，突破跨尺度復雜位移運動的精準追蹤技術(shù)。

從雷達探測目標看，車載場景中汽車的形狀可近似為長方體，運動是簡單線性運動。而在以手勢識別、體征監(jiān)測為代表的消費場景中，目標形狀是多點復雜散射體，運動軌跡變化多端、尺度跨度大。其中，心臟跳動引起的胸腔表面振幅在微米級，大手勢動作則是分米級。

圖丨車載毫米波、新興消費級毫米波技術(shù)（來源：該團隊）

該團隊建立了運動目標的多點散射電磁場模型，提出了多普勒相位調(diào)制理論與線性解調(diào)方法，突破了高精度跨尺度相位信息提取技術(shù)（跨越微米到分米 3 個數(shù)量級），實現(xiàn)了微米級運動感知精度。

從而使毫米波技術(shù)可以獲取“多普勒心動圖”等心肺系統(tǒng)的細節(jié)活動信息，奠定了毫米波技術(shù)在醫(yī)療、健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。

圖丨近距感知多點散射電磁場模型 [2]（來源：IEEE Microwave Magazine）

第三，近距毫米波感知技術(shù)在醫(yī)療健康監(jiān)測中的臨床驗證。

傳統(tǒng)心電圖 ECG 需要通過電極與人體皮膚接觸，給長期連續(xù)監(jiān)測帶來不便。而該團隊提出了毫米波“多普勒心動圖 DCG”（Doppler Electrocardiogram）新概念，可實現(xiàn)無感無接觸監(jiān)測?；诙鄠€底層技術(shù)的積累，該團隊將毫米波感知技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療健康監(jiān)測，取得了一系列進展。

顧昌展表示：“在今年新發(fā)表的 2 篇 IMS 論文中，我們首次在臨床上驗證了多普勒心動圖的有效性，及無感連續(xù)血壓監(jiān)測的可行性。該論文還獲得 IMS 會議高級應(yīng)用論文（Advanced Practice Paper）提名，以及以第一單位在國內(nèi)首次獲得 IMS Top50 Paper 提名?！盵3]

圖丨毫米波生命體征探測的臨床驗證（來源：該團隊）

利用多普勒原理，顧昌展團隊設(shè)計了毫米波生物雷達傳感器，能夠精準地感知心臟跳動、肺部收縮、脈搏跳動等生命體征活動引起的人體皮膚表面的微振動，獲取心血管系統(tǒng)相關(guān)的一系列信息。

并且，該技術(shù)已經(jīng)在上海某三甲醫(yī)院心內(nèi)科進行臨床驗證。同時，團隊正在收集臨床大數(shù)據(jù)以及開發(fā)人工智能醫(yī)學模型與算法，從而實現(xiàn)精準判斷目標對象的健康狀況。

該團隊將利用毫米波技術(shù)測得的心動圖數(shù)據(jù)與臨床上使用的精確度極高的 ECG 進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)能精準地獲取 R-R 間期、心率變異性（Heart Rate Variability，HRV）、射血前期（preejection period，PEP）和左室射血時間（left ventricular ejection time，LVET）等心臟重要指標。

圖 | 通過非接觸方式獲得與接觸式 ECG 相似的生理信息（來源：IEEE MTT-S International Microwave Symposium）

顧昌展表示，這些指標對于醫(yī)生判斷心臟功能情況有重大意義。他舉例說道：“R-R 間期可以用來識別心律不齊、房顫等疾病，PEP/LVET 可以用于心衰、心肌梗塞、心絞痛等疾病的判斷和預(yù)后。”

毫米波技術(shù)有望幫助患者實現(xiàn)房顫的早篩和長期健康管理，預(yù)計未來 2-3 年落地臨床應(yīng)用

以心血管疾病之一房顫為例，中國的房顫患者超千萬人，具有知曉率低、并發(fā)癥危害大、治療依從性差的痛點。

據(jù)一項覆蓋 6 萬人的流行病學研究，大約有三分之一的房顫患者不知道自己患有房顫。從地域上來看，農(nóng)村患者的房顫知曉率為 35.3%，遠低于城市地區(qū)的 78.3%；從年齡來看，75 歲以上人群房顫知曉率小于 50% [4]。

房顫并發(fā)癥危害最大的是卒中。在房顫發(fā)生時，心房中血液發(fā)生瘀滯，容易導致心房內(nèi)血栓的產(chǎn)生，而一旦血栓脫落，隨血液進入腦部的主要血管，就會堵塞血管，發(fā)生卒中（腦梗）。而腦卒中后果嚴重，可導致癱瘓、甚至死亡。據(jù)統(tǒng)計，顫患者得卒中的概率是普通人的 5 倍，大約 20% 的腦卒中是歸因于房顫。

因為超高的腦卒中風險，房顫患者需要持續(xù)服用普羅帕酮等藥物來控制房顫的發(fā)生。同時，也需要服用抗凝藥，避免血栓的形成。然而，由于房顫目前沒有便捷的居家監(jiān)測手段，導致患者不能清晰直觀的知道自己的房顫發(fā)生。這些因素導致房顫患者服藥依從性差，易出現(xiàn)自行停藥、不足量服藥的現(xiàn)象，進而使房顫易復發(fā)、加重。

顧昌展表示，目前的“多普勒心動圖”已經(jīng)在醫(yī)院證明可以實現(xiàn)房顫的識別。未來大規(guī)模商業(yè)化后，可幫助高危人群進行房顫早篩，同時也可以裝載在房顫確診患者的家中，進行持續(xù)健康管理，防止病情惡化。如此一來，能夠幫助患者早發(fā)現(xiàn)，避免惡化、減少病痛的同時，也可以為社會節(jié)約寶貴的醫(yī)療資源和醫(yī)保經(jīng)費。

圖丨基于毫米波心動圖獲得 RR Lorenz-plots 用于房顫診斷（來源：該團隊）

據(jù)悉，該團隊依托上海交大醫(yī)學院及附屬醫(yī)院資源，已與多家三甲醫(yī)院相關(guān)科室進行醫(yī)工交叉合作研究，探索毫米波感知技術(shù)在醫(yī)療、健康監(jiān)測等方面的應(yīng)用。除了房顫監(jiān)測外，該團隊還在積極探索心衰監(jiān)測、持續(xù)無感血壓監(jiān)測等技術(shù)，目前已取得重要技術(shù)進展，論證了可行性。

此外，該團隊還與多家企業(yè)開展毫米波技術(shù)的合作研究，探索無感睡眠監(jiān)測、新生兒監(jiān)測等應(yīng)用場景。顧昌展表示，“我們和醫(yī)院攜手共同完成毫米波技術(shù)在臨床的驗證，希望在未來 2-3 年可在臨床中實際應(yīng)用?！?/p>

全程參與毫米波雷達傳感器在消費硬件產(chǎn)品首次量產(chǎn)落地，致力于把毫米波技術(shù)推向消費級應(yīng)用

顧昌展本科與碩士階段在浙江大學完成，之后赴美國德克薩斯理工大學電子工程系進行博士階段研究。2013 年博士畢業(yè)后，在硅谷工作了 6 年。

起初，他在 Marvell 從事射頻芯片的研發(fā)，積累了對芯片架構(gòu)的深厚積累。2015 年，加入谷歌先進技術(shù)與項目實驗室，曾參與毫米波手勢雷達項目 Project Soli。

并作為射頻技術(shù)方向的創(chuàng)始成員，深度參與了消費級毫米波技術(shù)“從 0 到 1，再從 1 到 10”的技術(shù)研發(fā)全過程，并進一步將技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品，推動了毫米波手勢雷達技術(shù)應(yīng)用于谷歌 Pixel 4 手機，實現(xiàn)了毫米波雷達傳感器在消費硬件產(chǎn)品中的第一次量產(chǎn)落地。

2019 年 3 月，顧昌展選擇回國全職加入上海交通大學，其科研團隊專注于毫米波感知技術(shù)的系統(tǒng)級研究，從底層硬件架構(gòu)出發(fā)，突破近距毫米波感知的關(guān)鍵技術(shù)問題。他表示，希望可以先沉淀技術(shù)、壓實基礎(chǔ)，再借助國內(nèi)完備產(chǎn)業(yè)鏈，推動毫米波技術(shù)在廣闊的消費級應(yīng)用實現(xiàn)落地，服務(wù)于每個人。

圖丨顧昌展教授（中）與團隊部分成員（來源：該團隊）

因在近距微波感知生物醫(yī)學和人機交互研究方面的貢獻，顧昌展獲得了“2019 IEEE 傳感學會職業(yè)早期技術(shù)成就獎”（該獎項全球每年僅 2 人，為國內(nèi)學者首次獲獎、迄今唯一獲獎?wù)撸?/p>

談及相關(guān)工作經(jīng)驗，顧昌展表示，“不僅積累了深厚的研究經(jīng)驗，還參與了產(chǎn)品供應(yīng)鏈、產(chǎn)線等落地全過程。我有時和朋友開玩笑說，我可能是國內(nèi)極少數(shù)擁有富士康產(chǎn)線工作經(jīng)驗的高?？蒲腥藛T?！?/p>

圖丨IEEE 傳感學會職業(yè)早期技術(shù)成就獎（來源：顧昌展）

目前，毫米波技術(shù)在消費級市場還處于初期階段，應(yīng)用主要集中于存在感知等簡單場景，技術(shù)要求較低。顧昌展認為，現(xiàn)階段該技術(shù)主要靠成本競爭，在存量市場中取代傳統(tǒng)紅外技術(shù)。

此外，基于車載毫米波芯片的技術(shù)方案在性能、功耗等方面存在很多瓶頸與挑戰(zhàn)，在智慧城市、智慧交通、智慧家居、智慧醫(yī)療等新興領(lǐng)域，面對更加復雜的應(yīng)用場景，近距感知還有很多關(guān)鍵技術(shù)亟待攻克。

對于消費級毫米波雷達在未來 3-5 年的發(fā)展，顧昌展認為，一方面，未來將在越來越多的新興場景中看到毫米波技術(shù)，比如在健康監(jiān)測產(chǎn)品的落地，進入醫(yī)院和普通家庭。

另一方面，也將看到一些公司或研究機構(gòu)從毫米波硬件底層出發(fā)，研發(fā)針對近距感知場景的專用毫米波芯片，這將使毫米波技術(shù)在消費級的應(yīng)用進一步加速。

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參考：

1.J. Liu, J. Lu, Y. Li, C. Gu, and J. Mao，"Mitigation of Leakage and Stationary Clutters in Short-Range FMCW Radar with Hybrid Analog and Digital Compensation Technique," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques70,1,62-73,（2022）. https://ieeexplore.ieee.org/document/9583883/

2.C. Gu, J. Wang, J. Lien, “Motion Sensing Using Radar: Gesture Interaction and Beyond,”IEEE Microwave Magazine20, 8（2019）.

3.S. Dong, L. Wen, Z. Zhang, C. Gu and J. Mao, "Contactless Measurement of Human Systolic Time Intervals Based on Doppler Cardiograms in Clinical Environment,"IEEE Microwave and Wireless Components Lettersdoi: 10.1109/LMWC.2022.3157596.

4.S.Shi et al.The Lancet Regional Health - WesternPacific(2022). https://doi.org/10.1016/j.lanwpc.2022.100439

網(wǎng)址: 上海交大團隊開展臨床驗證，證明毫米波心動圖在心肺生命健康監(jiān)測和疾病早篩應(yīng)用的有效性 http://m.u1s5d6.cn/newsview315672.html