摘要：“我们在 6222 名参与者的大规模医院场景和长达 21 个夜晚的日常生活场景中，取得了 26.1 毫秒和 34.1 毫秒的中位误差，充分验证了其本次射频系统的医用价值。目前相关产品已经研发完毕，并已和三甲医院达成落地合作。”中国科学技术大学陈彦教授表示。
“我们在 6222 名参与者的大规模医院场景和长达 21 个夜晚的日常生活场景中，取得了 26.1 毫秒和 34.1 毫秒的中位误差，充分验证了其本次射频系统的医用价值。目前相关产品已经研发完毕，并已和三甲医院达成落地合作。”中国科学技术大学陈彦教授表示。
图 | 陈彦（来源：陈彦）
近日，他和团队提出一种基于射频的新型系统，其能用于心率变异性的长期监测，精确度达到临床级别。
研究中，他们首次发现并利用心脏机械活动谐波中的拍频效应一物理现象，克服了远场条件下呼吸运动带来的大数量级干扰。
在无需任何模型训练的条件下，实现了基于毫米波雷达的高精度非接触人体心脏活动感知。
期间，他们还观察到这一现象：呼吸运动谐波比心跳谐波衰减得更快。这是由于与心跳相比，呼吸的频率比较低，所以衰减得更快。
因此，在某个高频段心跳信息将占主导。基于此，他们提出应从超出 10 阶心跳谐波的高频段中提取心跳特征。
然而，从远离心率频带的频段中提取心跳信号面临着一定挑战，由于信号强度的快速衰减和心跳谐波的未知阶数，导致很难从心跳高频信息中得到心跳特征。
幸运的是，他们发现了另一个重要物理现象，即前面提到的拍频效应。拍频效应是指当两个谐波叠加时，它们会产生一个频率等于两个谐波频率之差的独特的信号特征。
所以，通过叠加相邻的心跳谐波，就可以产生特定心跳特征，其频率恰好等于心率。
基于这一规律，只需将高频段的心跳谐波提取出来，即可产生等于心跳基频的特征，从而实现心跳特征提取。
值得一提的是，这种方法与传统观点的显著不同在于：传统观点认为谐波是有害的因此应该被抑制，而本次方法恰恰利用心跳谐波实现了高质量的心跳信息获取。
总的来说，这一系统解决了呼吸运动干扰等挑战，其有效性在大规模门诊和日常长时间生活场景中已经得到验证。
验证结果显示：它的性能与基于心电图的方法基本相当，故能为长期的非侵入性精确心脏监测提供可行的方案，从而能为心血管疾病的早期预防和长期监测提供新方法。
在应用场景上：
首先，由于系统能达到医疗级别的准确率，所以可被广泛部署于医院门诊或病房场景中，患者无需佩戴任何装置，即可接受高精度的心脏活动实时监测，能够有效避免患者在就诊过程中因为设备安装繁琐带来的不便和不适。
其次，本次系统可用于在日常生活中监测用户健康状况。例如可以将其部署在卧室中，在夜晚睡眠时针对人体健康状况进行监测和评估，假如发现潜在风险就能进行提前预测和提醒。
再次，在智慧养老领域本次系统可以远程监测老年人的心脏活动，包括监测心率和心率变异性。由于使用时无需穿戴任何接触式设备，因此对于居住在养老院或独居老人来说尤为有用。
即本次系统不仅能提供连续的健康监控，还不会打扰老人的日常活动，并且所收集到的心脏活动数据还能帮助医护人员制定个性化的护理计划，为老人提供更加精准的健康管理。
从极力避免到巧妙利用
据陈彦介绍，心血管疾病是全球第一大致死疾病，每年约有 1790 万人因此失去生命。在中国随着人口老龄化的加剧，心血管疾病的发病率与致死率均占世界前列。
研究表明，大部分早发心血管疾病可以通过及时诊断和治疗来避免。因此，长期连续的心脏活动监测对心血管疾病的提早发现至关重要。
然而，现有的监测手段比如心电图设备需要在体表贴附多个电极，会让用户感觉不适。可穿戴设备大多基于光电容积描记法，容易受到环境光线和皮肤状况的影响。
所以，日常生活中的长期连续监测往往难以实施，导致一些患者错过了心血管疾病诊断和治疗的最佳时期。
射频信号，具备用于移动健康感知领域的潜力。由于其具有非接触、隐私保护以及能够捕捉由心跳引起的细微动的能力，因此基于此所构建的监测技术已被广泛用于监测心脏活动，包括监测心音、心电图和心率变异性等。
其中，心率变异性指的是连续心跳时间间隔的变化，它也是心血管疾病的有效预测指标。为了从混叠呼吸微动的射频信号中分离出心跳特征，已有方法通常基于呼吸率和心率频率的不同来实现呼吸和心跳的分离。
然而，呼吸微动的幅度在厘米级，这远远大于幅度在亚毫米级的心跳微动。
因此，呼吸微动的谐波在心率频带存在能量泄漏，这就导致心跳信号的信噪比非常低，进而导致现有基于射频信号的心脏监测活动精度也比较低。
为了解决这一问题，研究中他们先是确定使用毫米波雷达技术进行非接触心脏活动监测的课题。
调研之后该团队发现：已有研究尽管在基于毫米波雷达的心脏监测活动上取得了一定的进展，但是现有成果在面对大规模人群和长时间监测时总是存在精度较差的问题。
经过分析之后他们发现影响监测系统精度的主要原因，是由于射频反射信号中存在着“呼吸谱泄漏”的问题。
对于基于毫米波雷达的心脏监测系统来说，其工作原理是通过捕捉人体表面由于心脏活动引起的微动来实现心脏活动监测。
然而，人体表面不仅有心脏活动引起的微动，还有呼吸引起的微动，并且呼吸微动的幅度远远大于心跳微动。
这会导致尽管呼吸谐波出现一定的衰减，但却仍然在心跳频段产生显著的频谱泄漏，进而导致心跳频段的心跳信息质量严重下降，从而会严重影响心脏活动监测的精度。
对于科学研究来说，有的时候找对问题就等于解决了问题的一半。通过系统性的分析他们发现了两个重要的物理现象：
其一，呼吸谐波比心跳谐波衰减更快，尤其在高频段呼吸干扰的影响会显著减弱。
其二，心跳谐波中存在拍频效应，即高阶心跳谐波叠加会产生与心跳周期一致的拍频特征。
基于上述发现，该团队将心跳特征提取频段从基频转移到高阶谐波频段（约 10 倍频），借此有效消除了呼吸谐波的干扰，并能显著提升监测精度。
当实验成功的消息传来时，部分课题组成员正在高铁上。听到这一消息后他们非常激动，晚上到宾馆后开始连夜跑实验。
确定实验可以被重复之后，他们开始分析成功背后的原因，结果发现了一个此前从未有人关注的现象：高频成分叠加在一起之后，会出现低频的包络。
经过一番探究之后，他们发现这个现象便是拍频效应，并发现拍频效应是心脏活动的高阶谐波。
更神奇的是，此前人们都认为谐波对于机械系统和电力系统等存在有害性，因此之前人们都是极力地避免谐波。而本次工作恰恰很好地利用了心跳高阶谐波。
日前，相关论文以《使用非接触式射频信号监测长期心脏活动》（Monitoring long-term cardiac activity with contactless radio frequency signals）为题发在 Nature Communications[1]。中国科学技术大学博士后张宾宾为第一作者，陈彦担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
已成立中科大赋权企业孵化成果
研究中，在长期监测的实验验证阶段，需要同时采集雷达数据和心电图设备数据。在使用心电图设备设备时，需要在参与者体表贴附多个电极片。
期间，他们惊讶地发现：在使用接触式设备的时候，贴附式电极片会导致过敏这一现象并不是偶发事件。
采集过程中有两位参与者均出现了过敏症状，并出现了不同的程度的皮肤瘙痒和皮肤溃烂。正是这一事件的发生，更加坚定了他们将本次非接触式监测设备进行广泛推广的决心。
因此，后续他们将进一步推进应用落地。目前，相关产品的研发已经完成，他们也已经与多家三甲医院就本次成果的落地达成了合作，接下来会对他们的系统进行更广泛的测试与验证。
未来，其将围绕非接触心脏活动监测进行两个方面的研究：一是争取解决本系统落地所面临的一些挑战，例如运动伪影带来的干扰；二是基于现有的感知系统，探究一些常见心脏疾病的诊断和发病机理。
为了更好地落地，陈彦联合 IEEE Fellow 孙启彬创办了中科知奇信息科技有限公司（下称“中科知奇”），这也是一家中国科学技术大学赋权企业。
据陈彦介绍，中科知奇致力于智能电磁感知技术的推广与应用，目前已开发出一系列基于电磁信号的感知技术，从广覆盖低分辨到特定区域的细粒度监测，形成了一系列不同尺度下基于电磁信号的智能感知手段，能够提供全天候、全时段的实时监测及分析服务，可以及早发现潜在心脑血管健康问题并提前预警。
参考资料：
1.Zhang, BB., Zhang, D., Li, Y.et al. Monitoring long-term cardiac activity with contactless radio frequency signals. Nat Commun 15, 10598 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55061-9
运营/排版：何晨龙
来源：DeepTech深科技一点号
