據麥姆斯咨詢報道，近日，一支來自格但斯克理工大學（Gdańsk University of Technology）的科研團隊在Scientific Reports期刊上發表了題為“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、分析和比較兩種設備（可穿戴傳感腰帶和基于微波雷達的傳感器）采集的呼吸信號的新方法。研究結果表明，所提出的評估方法在統計上是穩定的。信號變異的根源在于個體的呼吸模式，而不是所用設備的工作原理。

實驗裝置

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

本研究的目的是比較標準可穿戴設備（腰帶）和研究人員開發的非接觸式設備獲得的呼吸活動測量結果。研究人員旨在開發一種低成本的基于雷達的解決方案，該解決方案可用于臨床環境和患者家中，以診斷和監測患有呼吸系統疾病的患者，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測的關鍵參數。所提出的解決方案是格但斯克理工大學電子電信與信息工程學院多媒體系統部與波蘭格但斯克醫科大學高血壓和糖尿病部密切合作的成果。

呼吸和循環監測儀組件的框圖

呼吸和循環監測儀的外觀和尺寸

在這項研究中，首先，簡要回顧了適用于監測呼吸的現有傳感器技術和相應的信號處理方法。然后，研究人員提出了一種使用非接觸式微波雷達傳感器監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的傳感器采集呼吸信號方法的描述，以及如何將其與從標準可穿戴腰帶獲得的信號進行比較。最后，對結果進行了討論并得出結論，并概述了工程解決方案的潛在應用。

使用所提出的算法、樸素歐幾里得算法和NeuroKit2 Python庫中的時域尋峰算法（time-domain peak-finding algorithm）計算的呼吸頻率估值。

總而言之，研究人員開發、測試并描述了一種改進的方法，用于基于微波雷達的傳感器設備測量呼吸頻率。重要的是，該設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重要。準確評估呼吸頻率也十分重要。因此，研究人員開發了一種啟發式算法，即使存在誤導性的自相關函數最大值，它也能提供精確的估計，如果使用更簡單的算法，可能會導致錯誤檢測。

研究結果表明，在呼吸頻率監測方面，所提出的算法和基于微波雷達的傳感器的性能與標準可穿戴腰帶相似。還觀察到，這種基于非接觸式雷達的設備是基于腰帶設備的可行替代方案，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據獲得的呼吸頻率估值在統計意義上是相似的。研究發現，測量結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計分析，結果已經證明，所開發的呼吸和循環監測儀有可能成為一種可行、準確的呼吸頻率監測儀。它可以作為腰帶設備的替代品，呼吸監測腰帶需要醫療顧問具有專業的知識才能使用。相比之下，所開發的非接觸式設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。

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

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

審核編輯 ：李倩