科學家開發(fā)出可遠程準確監(jiān)測呼吸的光子雷達系統(tǒng)

1 / 1在悉尼大學納米研究所的光子實驗室中監(jiān)測甘蔗蟾蜍呼吸的實驗裝置。科學家們使用一種新的 "光子雷達 "來創(chuàng)建高清晰度的雷達，以準確監(jiān)測甘蔗蟾蜍的生命跡象。來自: 悉尼大學

在各種臨床環(huán)境中，如重癥監(jiān)護室、健康狀況危急的病人、老年護理機構(gòu)和監(jiān)獄的健康監(jiān)測，或在昏睡可能導致事故的安全監(jiān)測情況下，都需要對生命健康跡象進行持續(xù)監(jiān)測。

現(xiàn)在，這大多是通過有線或侵入式接觸系統(tǒng)實現(xiàn)的。然而，這些都是不方便的，或者對于燒傷病人或皮膚面積不足的嬰兒來說，是不適合的。

悉尼大學納米研究所和新南威爾士州智能傳感網(wǎng)絡的科學家們現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種光子雷達系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高度精確的非侵入性監(jiān)測。這項研究發(fā)表在《自然-光子學》上。

利用他們新開發(fā)的專利雷達系統(tǒng)，研究人員監(jiān)測了甘蔗蟾蜍，并能夠準確地遠程檢測呼吸模式的暫停。該系統(tǒng)也被用于模擬人類呼吸的設備上。

科學家們說，這證明了使用光子雷達的原理，可以從一個單一的集中站對多個病人進行生命跡象監(jiān)測。

悉尼大學副校長（研究）和這項研究的領導Ben Eggleton教授說："我們在這里的指導原則是克服舒適和隱私問題，同時提供高度準確的生命體征監(jiān)測。"

這種方法的一個優(yōu)點是能夠從遠處檢測生命體征，消除了與病人身體接觸的需要。這不僅提高了病人的舒適度，而且降低了交叉感染的風險，使其在感染控制至關重要的環(huán)境中具有價值。

"光子雷達使用基于光的光子系統(tǒng)，而不是傳統(tǒng)的電子技術來產(chǎn)生、收集和處理雷達信號。這種方法允許產(chǎn)生非常寬頻的射頻（RF）信號，提供高度精確和同步的多重跟蹤對象，"主要作者、物理學院博士生張子謙說。

"我們的系統(tǒng)將這種方法與LiDAR-光探測和測距相結(jié)合。這種混合方法提供了一個分辨率低至六毫米的生命體征檢測系統(tǒng)，具有微米級的精度。這適用于臨床環(huán)境"。

非接觸式監(jiān)測的替代方法通常依賴于光學傳感器，使用紅外線和可見光波長的相機。

"基于攝像頭的系統(tǒng)有兩個問題。一個是對照明條件和皮膚顏色變化的高度敏感。另一個是病人的隱私問題，病人的高分辨率圖像被記錄并存儲在云計算基礎設施中，"Eggleton教授說，他也是新南威爾士州智能感應網(wǎng)絡的聯(lián)合主任。

無線電頻率（RF）檢測技術可以遠程監(jiān)測生命體征，而不需要視覺記錄，提供了內(nèi)置的隱私保護。信號分析，包括健康特征的識別，可以在不需要云存儲信息的情況下進行。

主要作者和博士生張子謙（左）和Ben Eggleton教授在悉尼納米科學中心的光子學實驗室。資料來源：Stefanie Zingsheim/悉尼大學

共同作者劉洋博士是Eggleton教授團隊的前博士生，現(xiàn)在在瑞士EPFL工作，他說："我們方法的一個真正創(chuàng)新是互補性：我們展示的系統(tǒng)有能力同時實現(xiàn)雷達和LiDAR檢測。這具有內(nèi)在的冗余性；如果任何一個系統(tǒng)遇到故障，另一個系統(tǒng)會繼續(xù)運作。"

傳統(tǒng)的射頻雷達系統(tǒng)完全依賴電子裝置，其射頻帶寬很窄，因此具有較低的范圍分辨率。這意味著它們不能分離位置緊密的目標，也不能在雜亂的環(huán)境中區(qū)分它們。

僅僅依靠LiDAR，它使用更短的光波長，提供更好的范圍和分辨率，但穿透物體（如衣服）的能力有限。

"張先生說："我們提出的系統(tǒng)通過整合光子和射頻技術，最大限度地發(fā)揮了兩種方法的效用。

與新南威爾士州智能傳感網(wǎng)絡的合作者和伙伴合作，研究人員希望這項研究提供一個平臺，開發(fā)一個具有成本效益、高分辨率和快速反應的生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，應用于醫(yī)院和矯正服務。

"張先生說："下一步是將該系統(tǒng)小型化，并將其集成到可用于手持設備的光子芯片中。

參考資料

Ziqian Zhang et al, Photonic radar for contactless vital sign detection, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01245-6