讓非接觸心臟監測技術邁入新階段：中科大團隊實現隔空測「心」，可實現長期持續無感監測

「我們在 6222 名參與者的大規模醫院場景和長達 21 個夜晚的日常生活場景中，取得了 26.1 毫秒和 34.1 毫秒的中位誤差，充分驗證了其本次射頻系統的醫用價值。目前相關產品已經研發完畢，並已和三甲醫院達成落地合作。」中國科學技術大學陳彥教授表示。

近日，他和團隊提出一種基於射頻的新型系統，其能用於心率變異性的長期監測，精確度達到臨床級別。

研究中，他們首次發現並利用心臟機械活動諧波中的拍頻效應一物理現象，克服了遠場條件下呼吸運動帶來的大數量級干擾。

在無需任何模型訓練的條件下，實現了基於毫米波雷達的高精度非接觸人體心臟活動感知。

期間，他們還觀察到這一現象：呼吸運動諧波比心跳諧波衰減得更快。這是由於與心跳相比，呼吸的頻率比較低，所以衰減得更快。

因此，在某個高頻段心跳信息將佔主導。基於此，他們提出應從超出 10 階心跳諧波的高頻段中提取心跳特徵。

然而，從遠離心率頻帶的頻段中提取心跳信號面臨著一定挑戰，由於信號強度的快速衰減和心跳諧波的未知階數，導致很難從心跳高頻信息中得到心跳特徵。

幸運的是，他們發現了另一個重要物理現象，即前面提到的拍頻效應。拍頻效應是指當兩個諧波疊延長，它們會產生一個頻率等於兩個諧波頻率之差的獨特的信號特徵。

所以，通過疊加相鄰的心跳諧波，就可以產生特定心跳特徵，其頻率恰好等於心率。

基於這一規律，只需將高頻段的心跳諧波提取出來，即可產生等於心跳基頻的特徵，從而實現心跳特徵提取。

值得一提的是，這種方法與傳統觀點的顯著不同在於：傳統觀點認為諧波是有害的因此應該被抑制，而本次方法恰恰利用心跳諧波實現了高質量的心跳信息獲取。

總的來說，這一系統解決了呼吸運動干擾等挑戰，其有效性在大規模門診和日常長時間生活場景中已經得到驗證。

驗證結果顯示：它的性能與基於心電圖的方法基本相當，故能為長期的非侵入性精確心臟監測提供可行的方案，從而能為心血管疾病的早期預防和長期監測提供新方法。

在應用場景上：

首先，由於系統能達到醫療級別的準確率，所以可被廣泛部署於醫院門診或病房場景中，患者無需佩戴任何裝置，即可接受高精度的心臟活動實時監測，能夠有效避免患者在就診過程中因為設備安裝繁瑣帶來的不便和不適。

其次，本次系統可用於在日常生活中監測用戶健康狀況。例如可以將其部署在臥室中，在夜晚睡眠時針對人體健康狀況進行監測和評估，假如發現潛在風險就能進行提前預測和提醒。

再次，在智慧養老領域本次系統可以遠程監測老年人的心臟活動，包括監測心率和心率變異性。由於使用時無需穿戴任何接觸式設備，因此對於居住在養老院或獨居老人來說尤為有用。

即本次系統不僅能提供連續的健康監控，還不會打擾老人的日常活動，並且所收集到的心臟活動數據還能幫助醫護人員製定個性化的護理計劃，為老人提供更加精準的健康管理。

從極力避免到巧妙利用

據陳彥介紹，心血管疾病是全球第一大致死疾病，每年約有 1790 萬人因此失去生命。在中國隨著人口老齡化的加劇，心血管疾病的發病率與致死率均佔世界前列。

研究表明，大部分早發心血管疾病可以通過及時診斷和治療來避免。因此，長期連續的心臟活動監測對心血管疾病的提早發現至關重要。

然而，現有的監測手段比如心電圖設備需要在體表貼附多個電極，會讓用戶感覺不適。可穿戴設備大多基於光電容積描記法，容易受到環境光線和皮膚狀況的影響。

所以，日常生活中的長期連續監測往往難以實施，導致一些患者錯過了心血管疾病診斷和治療的最佳時期。

射頻信號，具備用於移動健康感知領域的潛力。由於其具有非接觸、隱私保護以及能夠捕捉由心跳引起的細微動的能力，因此基於此所構建的監測技術已被廣泛用於監測心臟活動，包括監測心音、心電圖和心率變異性等。

其中，心率變異性指的是連續心跳時間間隔的變化，它也是心血管疾病的有效預測指標。為了從混疊呼吸微動的射頻信號中分離出心跳特徵，已有方法通常基於呼吸率和心率頻率的不同來實現呼吸和心跳的分離。

然而，呼吸微動的幅度在釐米級，這遠遠大於幅度在亞毫米級的心跳微動。

因此，呼吸微動的諧波在心率頻帶存在能量泄漏，這就導致心跳信號的信噪比非常低，進而導致現有基於射頻信號的心臟監測活動精度也比較低。

為瞭解決這一問題，研究中他們先是確定使用毫米波雷達技術進行非接觸心臟活動監測的課題。

調研之後該團隊發現：已有研究儘管在基於毫米波雷達的心臟監測活動上取得了一定的進展，但是現有成果在面對大規模人群和長時間監測時總是存在精度較差的問題。

經過分析之後他們發現影響監測系統精度的主要原因，是由於射頻反射信號中存在著「呼吸譜泄漏」的問題。

對於基於毫米波雷達的心臟監測系統來說，其工作原理是通過捕捉人體表面由於心臟活動引起的微動來實現心臟活動監測。

然而，人體表面不僅有心臟活動引起的微動，還有呼吸引起的微動，並且呼吸微動的幅度遠遠大於心跳微動。

這會導致儘管呼吸諧波出現一定的衰減，但卻仍然在心跳頻段產生顯著的頻譜泄漏，進而導致心跳頻段的心跳信息質量嚴重下降，從而會嚴重影響心臟活動監測的精度。

對於科學研究來說，有的時候找對問題就等於解決了問題的一半。通過系統性的分析他們發現了兩個重要的物理現象：

其一，呼吸諧波比心跳諧波衰減更快，尤其在高頻段呼吸乾擾的影響會顯著減弱。

其二，心跳諧波中存在拍頻效應，即高階心跳諧波疊加會產生與心跳週期一致的拍頻特徵。

基於上述發現，該團隊將心跳特徵提取頻段從基頻轉移到高階諧波頻段（約 10 倍頻），借此有效消除了呼吸諧波的干擾，並能顯著提升監測精度。

當實驗成功的消息傳來時，部分課題組成員正在高鐵上。聽到這一消息後他們非常激動，晚上到賓館後開始連夜跑實驗。

確定實驗可以被重覆之後，他們開始分析成功背後的原因，結果發現了一個此前從未有人關注的現象：高頻成分疊加在一起之後，會出現低頻的包絡。

經過一番探究之後，他們發現這個現象便是拍頻效應，併發現拍頻效應是心臟活動的高階諧波。

更神奇的是，此前人們都認為諧波對於機械系統和電力系統等存在有害性，因此之前人們都是極力地避免諧波。而本次工作恰恰很好地利用了心跳高階諧波。

日前，相關論文以《使用非接觸式射頻信號監測長期心臟活動》（Monitoring long-term cardiac activity with contactless radio frequency signals）為題發在 Nature Communications[1]。中國科學技術大學博士後張賓賓為第一作者，陳彥擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）

已成立中科大賦權企業孵化成果

研究中，在長期監測的實驗驗證階段，需要同時採集雷達數據和心電圖設備數據。在使用心電圖設備設備時，需要在參與者體表貼附多個電極片。

期間，他們驚訝地發現：在使用接觸式設備的時候，貼附式電極片會導致過敏這一現象並不是偶發事件。

採集過程中有兩位參與者均出現了過敏症狀，並出現了不同的程度的皮膚瘙癢和皮膚潰爛。正是這一事件的發生，更加堅定了他們將本次非接觸式監測設備進行廣泛推廣的決心。

因此，後續他們將進一步推進應用落地。目前，相關產品的研發已經完成，他們也已經與多家三甲醫院就本次成果的落地達成了合作，接下來會對他們的系統進行更廣泛的測試與驗證。

未來，其將圍繞非接觸心臟活動監測進行兩個方面的研究：一是爭取解決本系統落地所面臨的一些挑戰，例如運動偽影帶來的干擾；二是基於現有的感知系統，探究一些常見心臟疾病的診斷和發病機理。

為了更好地落地，陳彥聯合 IEEE Fellow 孫啟彬創辦了中科知奇信息科技有限公司（下稱「中科知奇」），這也是一家中國科學技術大學賦權企業。

據陳彥介紹，中科知奇致力於智能電磁感知技術的推廣與應用，目前已開發出一系列基於電磁信號的感知技術，從廣覆蓋低分辨到特定區域的細粒度監測，形成了一系列不同尺度下基於電磁信號的智能感知手段，能夠提供全天候、全時段的實時監測及分析服務，可以及早發現潛在心腦血管健康問題並提前預警。

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

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