科学家开发出可远程准确监测呼吸的光子雷达系统
发布时间：2023-07-03 08:00:00 阅读数： 24
1 / 1在悉尼大学纳米研究所的光子实验室中监测甘蔗蟾蜍呼吸的实验装置。科学家们使用一种新的 "光子雷达 "来创建高清晰度的雷达，以准确监测甘蔗蟾蜍的生命迹象。来自: 悉尼大学
在各种临床环境中，如重症监护室、健康状况危急的病人、老年护理机构和监狱的健康监测，或在昏睡可能导致事故的安全监测情况下，都需要对生命健康迹象进行持续监测。
现在，这大多是通过有线或侵入式接触系统实现的。然而，这些都是不方便的，或者对于烧伤病人或皮肤面积不足的婴儿来说，是不适合的。
悉尼大学纳米研究所和新南威尔士州智能传感网络的科学家们现在已经开发出一种光子雷达系统，可以实现高度精确的非侵入性监测。这项研究发表在《自然-光子学》上。
利用他们新开发的专利雷达系统，研究人员监测了甘蔗蟾蜍，并能够准确地远程检测呼吸模式的暂停。该系统也被用于模拟人类呼吸的设备上。
科学家们说，这证明了使用光子雷达的原理，可以从一个单一的集中站对多个病人进行生命迹象监测。
悉尼大学副校长（研究）和这项研究的领导Ben Eggleton教授说："我们在这里的指导原则是克服舒适和隐私问题，同时提供高度准确的生命体征监测。"
这种方法的一个优点是能够从远处检测生命体征，消除了与病人身体接触的需要。这不仅提高了病人的舒适度，而且降低了交叉感染的风险，使其在感染控制至关重要的环境中具有价值。
"光子雷达使用基于光的光子系统，而不是传统的电子技术来产生、收集和处理雷达信号。这种方法允许产生非常宽频的射频（RF）信号，提供高度精确和同步的多重跟踪对象，"主要作者、物理学院博士生张子谦说。
"我们的系统将这种方法与LiDAR-光探测和测距相结合。这种混合方法提供了一个分辨率低至六毫米的生命体征检测系统，具有微米级的精度。这适用于临床环境"。
非接触式监测的替代方法通常依赖于光学传感器，使用红外线和可见光波长的相机。
"基于摄像头的系统有两个问题。一个是对照明条件和皮肤颜色变化的高度敏感。另一个是病人的隐私问题，病人的高分辨率图像被记录并存储在云计算基础设施中，"Eggleton教授说，他也是新南威尔士州智能感应网络的联合主任。
无线电频率（RF）检测技术可以远程监测生命体征，而不需要视觉记录，提供了内置的隐私保护。信号分析，包括健康特征的识别，可以在不需要云存储信息的情况下进行。
主要作者和博士生张子谦（左）和Ben Eggleton教授在悉尼纳米科学中心的光子学实验室。资料来源：Stefanie Zingsheim/悉尼大学
共同作者刘洋博士是Eggleton教授团队的前博士生，现在在瑞士EPFL工作，他说："我们方法的一个真正创新是互补性：我们展示的系统有能力同时实现雷达和LiDAR检测。这具有内在的冗余性；如果任何一个系统遇到故障，另一个系统会继续运作。"
传统的射频雷达系统完全依赖电子装置，其射频带宽很窄，因此具有较低的范围分辨率。这意味着它们不能分离位置紧密的目标，也不能在杂乱的环境中区分它们。
仅仅依靠LiDAR，它使用更短的光波长，提供更好的范围和分辨率，但穿透物体（如衣服）的能力有限。
"张先生说："我们提出的系统通过整合光子和射频技术，最大限度地发挥了两种方法的效用。
与新南威尔士州智能传感网络的合作者和伙伴合作，研究人员希望这项研究提供一个平台，开发一个具有成本效益、高分辨率和快速反应的生命体征监测系统，应用于医院和矫正服务。
"张先生说："下一步是将该系统小型化，并将其集成到可用于手持设备的光子芯片中。
参考资料
Ziqian Zhang et al, Photonic radar for contactless vital sign detection, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01245-6
