據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，一支來自格但斯克理工大學(xué)（Gdańsk University of Technology）的科研團(tuán)隊在Scientific Reports期刊上發(fā)表了題為“Algorithmically improved microwave radar monitors breathing more accurate than sensorized belt”的論文。文中描述了一種測量、處理、分析和比較兩種設(shè)備（可穿戴傳感腰帶和基于微波雷達(dá)的傳感器）采集的呼吸信號的新方法。研究結(jié)果表明，所提出的評估方法在統(tǒng)計上是穩(wěn)定的。信號變異的根源在于個體的呼吸模式，而不是所用設(shè)備的工作原理。

實驗裝置

通過利用現(xiàn)有的基于微電子和信息技術(shù)的創(chuàng)新系統(tǒng)來記錄和分析生命體征，可以改善院內(nèi)、院外的診斷和治療過程。目前，一系列市售設(shè)備和系統(tǒng)廣泛用于日常監(jiān)測呼吸頻率，其經(jīng)常用于體育活動期間，以及在家中監(jiān)測患者和老人。不幸的是，并非所有此類設(shè)備和系統(tǒng)都能可靠地評估呼吸頻率。醫(yī)學(xué)界和科學(xué)界在發(fā)展呼吸監(jiān)測方法和技術(shù)方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。最近的兩篇論文對幾種不同工作原理的設(shè)備進(jìn)行了全面報道，包括聲學(xué)（呼吸音）、電阻式（呼吸活動引起空氣濕度變化）、光學(xué)（基于光纖的空氣流量計）、感應(yīng)式和壓力式（胸壁運(yùn)動）、濕度/溫度、加速度（流量測量和胸壁運(yùn)動）、肌電圖（生物電勢）、阻抗（胸壁應(yīng)變）、紅外（氣體吸收）和微波。大多數(shù)技術(shù)都是非侵入式、基于接觸的解決方案。然而，自從冠狀病毒（COVID-19）大流行以來，開發(fā)非接觸式設(shè)備變得至關(guān)重要。使用不接觸患者身體的設(shè)備減少了消毒程序的需求，對患者和醫(yī)務(wù)人員都更安全。

本研究的目的是比較標(biāo)準(zhǔn)可穿戴設(shè)備（腰帶）和研究人員開發(fā)的非接觸式設(shè)備獲得的呼吸活動測量結(jié)果。研究人員旨在開發(fā)一種低成本的基于雷達(dá)的解決方案，該解決方案可用于臨床環(huán)境和患者家中，以診斷和監(jiān)測患有呼吸系統(tǒng)疾病的患者，尤其是COVID-19等傳染病患者。因此，本研究評估了非侵入性、非接觸式自動呼吸監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)。所提出的解決方案是格但斯克理工大學(xué)電子電信與信息工程學(xué)院多媒體系統(tǒng)部與波蘭格但斯克醫(yī)科大學(xué)高血壓和糖尿病部密切合作的成果。

呼吸和循環(huán)監(jiān)測儀組件的框圖

呼吸和循環(huán)監(jiān)測儀的外觀和尺寸

在這項研究中，首先，簡要回顧了適用于監(jiān)測呼吸的現(xiàn)有傳感器技術(shù)和相應(yīng)的信號處理方法。然后，研究人員提出了一種使用非接觸式微波雷達(dá)傳感器監(jiān)測呼吸頻率的新方法，該方法采用了一種倍頻程誤差消除的算法。實驗方案包括對基于雷達(dá)的傳感器采集呼吸信號方法的描述，以及如何將其與從標(biāo)準(zhǔn)可穿戴腰帶獲得的信號進(jìn)行比較。最后，對結(jié)果進(jìn)行了討論并得出結(jié)論，并概述了工程解決方案的潛在應(yīng)用。

使用所提出的算法、樸素歐幾里得算法和NeuroKit2 Python庫中的時域?qū)し逅惴ǎ╰ime-domain peak-finding algorithm）計算的呼吸頻率估值。

總而言之，研究人員開發(fā)、測試并描述了一種改進(jìn)的方法，用于基于微波雷達(dá)的傳感器設(shè)備測量呼吸頻率。重要的是，該設(shè)備提供了一種非接觸式方法來估計呼吸頻率，這在管理具有高度傳染性的傳染病患者時至關(guān)重要。準(zhǔn)確評估呼吸頻率也十分重要。因此，研究人員開發(fā)了一種啟發(fā)式算法，即使存在誤導(dǎo)性的自相關(guān)函數(shù)最大值，它也能提供精確的估計，如果使用更簡單的算法，可能會導(dǎo)致錯誤檢測。

研究結(jié)果表明，在呼吸頻率監(jiān)測方面，所提出的算法和基于微波雷達(dá)的傳感器的性能與標(biāo)準(zhǔn)可穿戴腰帶相似。還觀察到，這種基于非接觸式雷達(dá)的設(shè)備是基于腰帶設(shè)備的可行替代方案，用于分析恒定頻率呼吸和自由呼吸。使用兩種不同類型傳感器的數(shù)據(jù)獲得的呼吸頻率估值在統(tǒng)計意義上是相似的。研究發(fā)現(xiàn)，測量結(jié)果變異性的主要來源是人與人之間的呼吸差異。從基于雷達(dá)的測量切換到基于腰帶的測量，反之亦然，測得的呼吸頻率估值差異非常微小。

通過本研究的實驗和統(tǒng)計分析，結(jié)果已經(jīng)證明，所開發(fā)的呼吸和循環(huán)監(jiān)測儀有可能成為一種可行、準(zhǔn)確的呼吸頻率監(jiān)測儀。它可以作為腰帶設(shè)備的替代品，呼吸監(jiān)測腰帶需要醫(yī)療顧問具有專業(yè)的知識才能使用。相比之下，所開發(fā)的非接觸式設(shè)備是估計呼吸頻率的一種可信的替代方案，尤其是在與受試者的直接接觸受到限制的情況下。

該監(jiān)護(hù)儀在心肺監(jiān)護(hù)方面具有潛在的應(yīng)用前景。在大規(guī)模疾病的情況下，如COVID-19大流行，它可用于：監(jiān)測居家隔離和無癥狀患者；專科診所的診斷，特別是以內(nèi)科為重點(diǎn)的診所；醫(yī)院急診科對有入院指征的患者進(jìn)行診斷；需要與醫(yī)院工作人員和設(shè)備進(jìn)行必要接觸的住院患者，以檢測臨床惡化情況、機(jī)械通氣指征或評估其從重癥監(jiān)護(hù)病房出院的可能性。在非大流行情況下，可用于診斷和監(jiān)測中風(fēng)后心力衰竭患者（包括在家中）；改善睡眠期間呼吸異常的評估（包括在家）；對呼吸節(jié)律和模式以及呼吸和心血管調(diào)節(jié)的研究（包括大規(guī)模研究）；以及改善對參與臨床試驗患者的監(jiān)測。

論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41598-022-18808-2

審核編輯 ：李倩