陳根：光子雷達(dá)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多用戶呼吸狀況監(jiān)測(cè)

據(jù)《自然·光子學(xué)》雜志最新發(fā)表的論文顯示，悉尼大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種無(wú)需與患者有任何接觸即可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)呼吸的系統(tǒng)。

監(jiān)測(cè)病人的生命體征對(duì)于跟蹤他們的健康和身體機(jī)能至關(guān)重要。目前醫(yī)院使用的許多方法都需要與病人進(jìn)行有線接觸，然而對(duì)于部分特殊病人來(lái)說(shuō)，比如全身燒傷幾乎沒有可接觸的皮膚，這種接觸方式存在實(shí)現(xiàn)上的困難。

為了克服有線接觸的局限性，科研人員開發(fā)了一種基于攝像頭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的非接觸式替代方案。雖然攝像頭可以進(jìn)行非接觸式監(jiān)測(cè)，但存在兩個(gè)現(xiàn)實(shí)問題：對(duì)照明條件和皮膚顏色的變化過于敏感；同時(shí)，對(duì)病人的隱私問題也存在威脅，因?yàn)椴∪说母叻直媛蕡D像會(huì)被記錄并存儲(chǔ)在云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施中。

為了解決這些問題，研究人員將目標(biāo)轉(zhuǎn)向光子學(xué)。該系統(tǒng)的運(yùn)作原理是：一個(gè)光子收發(fā)器通過脈沖激光器產(chǎn)生微波信號(hào)，并將信號(hào)返回到基于光子學(xué)的接收器，從而實(shí)現(xiàn)呼吸的監(jiān)測(cè)。

相較于傳統(tǒng)的基于電子技術(shù)的射頻雷達(dá)，光子雷達(dá)可以產(chǎn)生非常寬的無(wú)線電頻率信號(hào)，提供高度精確和同步的多重跟蹤對(duì)象。這主要?dú)w因于它是基于光的光子系統(tǒng)，而不是傳統(tǒng)的電子設(shè)備，用于產(chǎn)生、收集和處理雷達(dá)信號(hào)。

同時(shí)，研究人員還使用光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR）技術(shù)來(lái)補(bǔ)充他們的光子系統(tǒng)，使用脈沖光波來(lái)測(cè)量距離。雖然LiDAR單獨(dú)提供了良好的范圍和分辨率，但它在穿透衣物等物體方面的能力有限。通過將雷達(dá)和LiDAR結(jié)合在一起，這一設(shè)備兼具了兩者的優(yōu)勢(shì)，并具備內(nèi)置的備份系統(tǒng)。該研究的通訊作者Yang Liu介紹道：“我們的系統(tǒng)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和激光雷達(dá)的檢測(cè)。這意味著，如果其中一個(gè)系統(tǒng)遇到故障，另一個(gè)系統(tǒng)仍然可以繼續(xù)運(yùn)作。”

在設(shè)備效果的評(píng)估中，研究人員分別使用人類呼吸模擬器和動(dòng)物進(jìn)行了測(cè)試。通過人類呼吸模擬器的應(yīng)用監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示光子雷達(dá)可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地檢測(cè)到兩個(gè)目標(biāo)之間約3.9英寸（10厘米）的呼吸速率，并能檢測(cè)到毫米級(jí)的不規(guī)則呼吸模式，包括較長(zhǎng)的吸氣和較短的呼氣，以及呼吸的暫停。通過對(duì)蟾蜍呼吸的視頻記錄，并與從該設(shè)備中提取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，研究人員發(fā)現(xiàn)該設(shè)備能夠準(zhǔn)確測(cè)量動(dòng)物的呼吸速率，包括兩棲動(dòng)物常見的間歇性呼吸。

光子雷達(dá)的遠(yuǎn)程準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)呼吸能力極大地提高了病人的舒適度，并減少了交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。此外，該系統(tǒng)能夠從一個(gè)集中的站點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)病人。研究人員表示，他們已經(jīng)清晰地看到該設(shè)備在醫(yī)療保健、監(jiān)獄部門、老年人和家庭護(hù)理，以及獸醫(yī)和畜牧業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。