物理

檢測生理訊號,都卜勒雷達來幫忙

運用雷達原理,即可隔空判斷生命跡象,提升醫療與居家照護的便利性,也可成為個人聲紋的辨識工具,應用範圍廣泛。

撰文/呂怡貞
審稿/張盛富(中正大學電機系、通訊系教授)、張嘉展(中正大學電機系、通訊系教授)

物理

檢測生理訊號,都卜勒雷達來幫忙

運用雷達原理,即可隔空判斷生命跡象,提升醫療與居家照護的便利性,也可成為個人聲紋的辨識工具,應用範圍廣泛。

撰文/呂怡貞
審稿/張盛富(中正大學電機系、通訊系教授)、張嘉展(中正大學電機系、通訊系教授)

  在高齡化與少子化的社會,老年人和嬰幼兒的健康照護與安全監測越來越受到重視,然而市面上常見的生理訊號量測儀器,總要透過接觸式貼片,既不舒適也不方便,如長時間配戴,年長或年幼的受測者更是不易接受。中正大學與工研院團隊利用都卜勒雷達探測原理,開發可偵測呼吸、心跳的非接觸式生醫感測系統,並已微型化做成卡片形式,技術領先國際,獲得2012年旺宏金矽獎的優勝獎。



無所不在的都卜勒效應


  你是否曾注意過,在路邊聽到警車或救護車從遠方接近時,鳴笛聲比較尖銳;等車子經過身邊開始遠離時,聲音又突然變得低沉?這是因為車子發出的聲波在移動中產生頻率偏移,傳到我們耳朵時已與原本發出的聲波頻率不同:靠近時聲波被壓縮、波長較短、音頻增加、音調較高,遠離時則反之。像這樣當訊號來源(波源)與觀察者之間有相對運動時,觀察者觀測或感受到的波長會有變化的現象,稱為「都卜勒效應」(Doppler effect),是日常生活中經常遇到的自然現象,在水波、聲波及電磁波都會發生。


  雷達系統的原理是發射出電磁波打到探測物上,藉由探測物回彈反射波的時間、波長、波形等散射情形,得知探測物的距離、方向、形狀等訊息。若將都卜勒效應的原理應用在雷達上,探測移動中的物體,雷達就會根據接收到的不同波長變化,判斷此物的移動方式,這樣的雷達稱為都卜勒雷達。


  都卜勒雷達最早為軍用雷達,設備規模與體積龐大,功率很高,探測距離長達幾百公里,用來探測飛機船艦的行進。之後漸漸朝小型化、民生或科研用途發展,如用來偵測車速或球速的雷達槍、量測降雨情況的氣象觀測工具等。


  1975年美國科學家首次將都卜勒雷達運用到量測生物的生理訊號上,當時是對貓進行呼吸量測實驗,1998年進一步量測人體咽喉振動。之後中斷了數年,直到2004年小型化的都卜勒雷達推出,才又嘗試以之量測生理訊號。到了2010年,台灣科學家如中正大學、中山大學、成功大學、工研院等團隊,陸續開始系統性研發都卜勒雷達無線生醫感測系統。


都卜勒效應是生活中常發生的自然現象。當波源與觀察者有相對運動時,假設波源以等速向觀察者靠近時,波長較短、頻率較高,當與觀察者擦身而過、即將遠離的瞬間,波長會突然變長而頻率降低,之後就一直維持低頻的狀態遠離。以聲波為例,靠近觀察者時感覺聲音音調較高,遠離瞬間音調會突然掉下變為低沉。(電腦繪圖:姚裕評)



心肺與聲帶偵測微型雷達


  人體無時無刻都會產生微幅的生理運動,像是心跳及肺部呼吸造成胸腔的週期性起伏、咽喉裡聲帶的振動等,如以低功率的電磁波照射心肌、胸腔或聲帶等身體部位,根據都卜勒效應,這些部位的肌肉收縮與擴張運動,將會造成電磁波在反射時發生波長與相位改變,此時若比對初始波與反射波的差異,便能將這微量變化提取出來(稱做同步解調,coherent demodulation),再經由數學理論轉換,便能分析與判斷這些生理訊號。


  中正大學研發的心肺偵測微型雷達會持續傳送出頻率2.4GHz、功率為手機萬分之一的微波,配置高靈敏度接收器,接收受測者心肺反射波細微的電磁波頻率偏移。目前非接觸式的心肺訊號檢測,偵測距離最遠可達八公尺。


  然而,遠距心肺偵測微型雷達目前需克服受測者在晃動或移動時產生的雜波干擾。大力甩手或揮手、彎腰、扭腰、走或跑等大動作,反射波的電訊號振幅可達心肺反射波振幅的10~100倍,會讓電路飽和而將心肺反射波的訊號蓋過;即使是小幅度的人體晃動,反射波可通過後端電路再做轉換,但仍容易導致量測不精確。目前是以架設兩台雷達,比較兩者接收到波形的差異來改善。現階段研發的設備較適用於靜止的受測者,例如長時間臥床的病患、還不會爬行的新生兒,或用於夜間照護。


  訊號辨識是另一待解決的問題,像是兩人交錯後分開、多人共處一室時的個別辨識等,目前則待尋求其他更有效的解決方法。有鑑於此,中正大學電機系、通訊系教授張盛富所帶領的研究團隊於2011年開始同步研發近身檢測技術,將有助於個人辨識並減少身體晃動所造成的干擾。


  受惠於近年積體電路的成熟與發展,研究團隊目前已將心肺偵測雷達技術微型化,並且與射頻收發晶片、GPS晶片結合,完成的系統如名片大小形式,可配戴於胸前口袋,方便受測者隨身攜帶。新加入的定位功能,在室內搭配讀取器,可將心肺資料無線傳輸和進行無線室內定位。在室外,搭配GPS與無線區域網路,即可隨時偵測受測者的生理訊號與戶外定位。


  另外,都卜勒微型雷達亦可用於量測只有短短幾毫米位移的咽喉聲帶振動,運用的原理和技術與偵測呼吸心跳相同,只是將儀器貼近受測者的喉嚨,當受測者說出單字,雷達就能依據反射的電磁波分析出個人聲紋。此技術分析出的聲紋,較傳統從麥克風接收受測者的聲波波紋,在吵雜環境中更能清晰擷取與分辨。


  張盛富表示,都卜勒微型雷達生醫感測系統目前仍處研發階段,必須繼續提升接收器的靈敏度,以及去除低頻雜訊的關鍵技術,而這有賴軟硬體相互調整與搭配。


  未來待測試穩定後,心肺偵測微型雷達除了用做居家照護,也可廣泛應用於救難人員、登山客或需長時駕駛的司機等以確保其安全,並讓相關人員能在使用者發生意外的第一時間提供協助;也能結合量測體溫、血壓、血糖等功能,成為多功能醫療檢測儀器;或者應用於救災現場,探測深埋於土石瓦礫下的微弱生命跡象,成為搶救生命的輔助工具。


  而聲紋的獨特性如同指紋一樣,每個人都不同,聲帶偵測微型雷達技術進一步開發後便可做為身份辨識與安全認證系統,如大樓語音門禁、車用聲控鑰匙等,甚至與指紋辨識機結合,多增添一道「人體生理密碼」,強化保全系統。



心肺偵測微型雷達搭配定位雷達的實際測試情形。現階段遠距的心肺偵測雷達,較適合於靜止時量測,因此目前主要用於夜間照護;日間照護可選用一般接觸式感測器,但必須一直配戴在身上。(影像來源:張盛富)



目前心肺偵測雷達系統已微型化如名片大小,方便受測者隨身攜帶。(影像來源:張盛富)


聲帶偵測微型雷達使用時放在喉嚨處,受測者說出單字後即可辨別電磁波回傳的聲紋;右方裝設麥克風是為了與傳統收音方式做比較分析。(影像來源:張盛富)




延伸閱讀

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〈行動保健科技妙用無窮〉,柯林斯(Francis Collins)撰文,《科學人》2012年8月號

〈心跳呼吸全都錄〉,阿爾珀特(Mark Alpert)撰文,《科學人》2005年3月號

〈都卜勒效應「反」啦!〉,蔡宙(Charles Choi)撰文,《科學人》2004年2月號

〈寬頻無線傳輸,發射!〉,利珀(David G. Leeper)撰文,《科學人》2002年7月號

〈改造天氣之路〉,周仲島撰文,《科學人》2004年2月號

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