不用接触就能监测心脏活动，中国科大利用毫米波雷达实现新突破

IT之家12月16日报道指出，中国科学技术大学的陈彦教授团队在非接触心脏活动感知领域取得了重大进展。

研究小组在心脏机械活动谐波中发现了“拍频效应”，成功解决了远场条件下由呼吸运动引起的大幅干扰问题。他们利用毫米波雷达技术实现了非接触人体心脏活动监测的高精度，而无需任何模型训练。

这一研究成果标志着非接触心脏监测技术的新篇章，为早期预防和长期监测心血管疾病提供了创新解决方案。相关研究成果发表在《自然・通讯》（Nature Communications）上，题目为“无需接触的射频信号监测长期心脏活动”。

据中国科学技术大学透露，心血管疾病是全球第一大致命疾病，每年造成约1790万人丧生。研究表明，大多数心血管疾病可以通过及时诊断和治疗得到有效预防。因此，长期连续的心脏活动监测对早期发现疾病至关重要。

然而，现有的心脏监测技术多为接触式，例如传统的心电图设备需要贴多个电极在体表上，而可穿戴设备则主要采用光电容积描记法（PPG）。由于这些方法缺乏舒适性、对使用环境敏感等问题，难以实现长期连续的心脏活动监测，从而可能错过最佳的诊断和治疗时机。

近年来，毫米波雷达技术在心脏活动监测中展现出非接触、便捷和高精度的潜力。然而，技术发展仍然面临“呼吸谱泄漏”等重大挑战。由于呼吸幅度（厘米级）远大于心跳幅度（亚毫米级），呼吸谐波可能导致心跳频段的频谱泄漏，降低信号噪音比，限制心脏活动监测的准确性。

为了解决这一问题，研究团队进行了系统分析并发现了两个重要的物理现象。他们观察到呼吸谐波衰减比心跳谐波更快，尤其在高频段下，呼吸干扰的影响明显减弱。此外，他们还发现心跳谐波中存在“拍频效应”，即高阶心跳谐波的叠加会产生与心跳周期一致的拍频特征，其频率等于相邻谐波频率之差。

基于这些发现，研究团队创新性地将心跳特征提取频段从基频转移到高阶谐波频段（约10倍频），从而有效地消除了呼吸谐波的干扰，显著提高了监测的准确性。在包括6222名参与者的大规模医院环境和长达21个夜晚的日常生活环境中，系统取得了中位误差为26.1毫秒和34.1毫秒的成果，充分验证了其在医学应用中的价值。

这一研究突破为毫米波雷达在心脏活动监测领域奠定了重要基础。使用过程中，被测者无需佩戴电极或脱衣服，可通过无感知方式进行长期持续的心脏活动监测。

中国科学技术大学网络空间安全学院的博士后张宾宾是该论文的第一作者；陈彦教授是通讯作者；中国科学技术大学附属第一医院的马礼坤教授、中国科学技术大学的孙启彬研究员、胡洋副教授、张东恒副研究员、李亚东、卢智、陈金波、王浩宇、周放、濮玉等是共同作者；学校下设的合肥中科知奇信息科技有限公司是合作单位。这项相关工作得到了国家自然科学基金、科技部、安徽省和中国科学技术大学的经费支持。

IT之家附论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-55061-9

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