监控心率和呼吸的智能家居外文翻译资料

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监控心率和呼吸的智能家居

摘 要

无处不在的传感技术的发展带来了智能环境，可以监控和应对我们的日常活动，例如调整我们的供暖和制冷系统，响应我们的手势，以及监控老年人。在本文中，我们询问智能环境是否有可能远程监控我们的生命体征，而无需检测我们的身体。我们推出Vital Radio，这是一种无需身体接触即可监测呼吸和心率的无线传感技术。Vital-Radio利用了无线信号受环境运动影响的事实，包括吸入和呼出导致的胸部运动以及心跳导致的皮肤振动。我们描述了Vital-Radio的操作，并通过用户研究证明，即使用户距离设备8米，或者在不同的房间，它可以跟踪用户的呼吸和心率，中位准确度为99％。此外，它可以同时监控多人的生命体征。我们设想Vital-Radio可以实现智能家居，无需人体仪器即可监控人们的生命体征，并积极为居民的健康做出贡献。

关键词 无线；生命体征；呼吸；智能家居；看穿墙壁；福利

一、介绍

在过去几年中，人们普遍对无处不在的健康监测感兴趣[22,25]。今天，我们看到智能家居不断监控温度和空气质量，并利用这些信息来改善居民的舒适度[46,32]。随着健康监测技术的进一步发展，我们预计未来的智能家居不仅会监测我们的环境，还会监测我们的生命信号，如呼吸和心跳。他们可能会利用这些信息来提高我们的健康意识，回答诸如“我的呼吸和心率是否反映健康的生活方式？”等问题。他们还可以回答诸如“我的孩子在睡觉时呼吸正常吗？”之类的问题来帮助解决我们的一些问题。 或者“我年迈的父母是否经历不规则的心跳？”此外，如果存在非侵入式家庭内持续监测呼吸和心跳，它将使医疗专业人员能够研究这些信号如何与我们的压力水平相关并随时间和年龄而演变，这可能对我们的医疗保健系统产生重大影响。

（a）吸气动作 （b）呼气动作

图1 胸部运动改变信号反射时间

不幸的是，用于跟踪生命信号的典型技术需要身体接触，并且其中大多数是侵入性的。具体来说，今天的呼吸监测传感器很不方便：它们要求患者连接鼻探[19]，佩戴胸带[43]，或躺在特殊的床垫上[3]。一些心率监测技术同样麻烦，因为它们要求使用者佩戴胸带[18]，或在他们的手指上放置脉搏血氧仪[21]。更舒适的技术，如腕带不能捕捉呼吸，心率监测准确度较低[12]。另外，有一部分人群可穿戴传感器是不受欢迎的。例如，老年人通常会感到受到可穿戴设备的阻碍或羞耻[20,37]，患有痴呆症的人可能会忘记佩戴它们。儿童可能会将其移除并丢失，婴儿可能会从可穿戴传感器中产生皮肤刺激[40]。

在本文中，我们询问智能家居是否可以远程监控我们的生命体征，而不需要与我们的身体进行任何身体接触。虽然过去的研究调查了在不直接接触身体的情况下感知呼吸和心率的可行性[17,16,15,34,27,48,14]，但所提出的方法更适合于受控设置，但不适合智能家居：它们在多个用户或无关运动的情况下失败。它们通常要求使用者静止躺在面向设备的床上。此外，只有当它们靠近用户的胸部时，它们才是准确的。

我们推出了Vital-Radio，这是一种新的输入设备，用于跟踪呼吸和心跳，而无需与身体进行身体接触。Vital-Radio在环境中存在多个用户的情况下正常工作，并且可以同时跟踪当前用户的生命体征。此外，Vital-Radio不要求用户面对设备或意识到它的存在。事实上，用户可以睡觉，看电视，在笔记本电脑上打字或查看手机。此外，Vital-Radio可以准确地跟踪用户的呼吸和心率，即使她距离设备8米或在不同的房间。

Vital-Radio通过使用无线信号来监测由于吸气，呼气和心跳引起的微小运动。具体而言，它发送低功率无线信号并测量信号反射回设备所需的时间。反射时间取决于反射器与器件的距离，以及反射器移动时的变化。图1说明了呼吸对信号反射时间的影响。当人吸气时，他的胸部会向前扩张并向前移动，从而缩短反射时间。相反，当人呼气时，他的胸部收缩离开装置，因此增加了反射时间。通常，即使当人没有直接面对我们的设备时，无线信号也会穿过他的身体，并且他的生命体征会导致信号反射时间的周期性变化。Vital-Radio测量这些变化并分析它们以提取呼吸和心跳。

Vital-Radio的一个关键特性是它能够监控多人的生命体征并且能够稳健地操作而无需用户静坐。提供此功能的主要挑战是环境中的任何运动都会影响无线信号，从而干扰跟踪呼吸或心跳。过去的工作通过要求只有一个人出现在设备前面并且该人保持静止来解决这一挑战。相比之下，Vital-Radio认识到人们可以通过利用使用无线信号本地化用户的最新技术来解决这个问题[6]。具体来说，Vital-Radio首先定位环境中的每个用户，然后放大每个用户反射的信号并分析他的反射中的变化以提取他的呼吸和心率。通过隔离用户的反射，Vital-Radio还消除了其他干扰源，包括环境中的噪声或外来运动，这可能会掩盖由于用户的生命体征而导致的微小变化。这使得Vital-Radio可以监控多个用户的呼吸和心率，并且可以在距离用户最远8米的距离或甚至从墙后进行操作。

我们建立了Vital-Radio的实时原型，并通过对14个科目进行实验来验证其功能。对于基线，我们使用FDA批准的呼吸和心率监测器;这些包括用于监测吸气 - 呼气运动的胸带和放置在受试者手指上的脉搏血氧计以监测其心率。在我们的基准评估中，我们要求用户佩戴基线监视器，而Vital-Radio远程监控它们，无需任何身体接触。我们将Vital-Radio的输出与FDA批准的基线的基本事实进行比较，证明Vital-Radio准确地跟踪呼吸模式和心跳。超过200个两分钟的实验，我们的结果表明：

（1）即使用户距离设备8米或墙后，Vital-Radio也能准确跟踪人的呼吸和心率而无需接触身体。

（2）当人距离设备1米时，Vital-Radio的呼吸中位数准确度为99.3％（误差为0.09次/分钟），心率为98.5％（0.95次/分钟）。当人离设备8米时，准确度降低到98.7％（0.15呼吸/分钟的误差）和98.3％（1.1节/分钟）。

（3）在一个面积为8.5米的区域内，Vital-Radio可以监测多达三个人的生命体征，其精确度与一个人相同。

我们还进行以活动为中心的实验，以探索Vital-Radio的监测能力。具体来说，我们证明Vital-Radio可以在用户在电脑上打字或使用手机时准确测量用户的呼吸和心率。我们还证明了Vital-Radio可以跟踪生命体征的急剧变化。具体来说，我们进行实验，要求用户进行锻炼，并展示Vital-Radio如何准确跟踪运动后呼吸和心率的变化。

我们相信Vital-Radio在实现智能家居方面迈出了重要一步，智能家居可以让人们监控他们的重要信号，并且其功能可以对我们的健康意识和我们的医疗保健系统产生重大影响。

二、相关工作

自70年代末期以来，人们一直渴望对生命体征进行非接触式监测[29]。早期工作提出了无线信号受胸部运动影响的概念证明。在这些实验中，人仍然躺在床上，传感器放置在离心脏顶点仅3厘米处。结果是定性的，没有准确性评估。

随后，军事研究通过依靠呼吸影响无线信号的事实，探索了建造可以通过墙壁或瓦砾探测人类存在的雷达的潜力[42,47,26,45]。具体而言，由于无线信号穿过障碍物，它们可用于通过瓦砾感知被困受害者的胸部运动，或使SWAT团队能够从障碍物后方感知运动并避免遭受伏击。然而，由于这些系统以军队为目标，它们通常以过大的功率进行传输并使用军事保留的频谱带[47,45]，这对消费设备来说是不可行的。更重要的是，这一系列工作通常侧重于通过感知由于其生命体征而引起的运动来检测用户，而不是估计或监测生命体征本身。

最近，人们对福祉技术的兴趣日益增加，这促使研究人员研究用于分析生命体征的非接触式方法。目前关于该主题的研究可分为两个领域：基于视觉的技术和无线系统。具体而言，图像处理的进步使研究人员能够放大视频输入中的视觉模式（例如血流引起的颜色变化），以检测呼吸和心率[8,44];然而，这种基于视频的技术要求用户面对相机并且当他/她转身或在相机的视野之外时不工作。

同样，无线传输系统和信号处理的进步使研究人员能够检测和分析人体生命体征。过去的提议使用以下技术之一：多普勒雷达[17,16,15]，Wi-Fi [34,27]或超宽带雷达[48,14,7]。使用无线信号提取生命体征的关键挑战是环境中的任何运动都会影响信号。由于呼吸和心跳是微小的运动，它们很容易被环境中任何其他运动源的干扰所掩盖。此外，多个用户的存在 - 即使它们都没有移动 - 也会阻止这些系统正常运行，因为无线信号会受到生命体征组合的影响，从而难以解开每个人的生命体征。过去的建议通过确保环境中只有一个运动来源来处理这个问题：即被监测个体的生命体征。因此，他们的实验设置有一个人，通常靠近设备[17,16,15,34,27,48,14,7,4]。

与过去的这些系统相比，Vital-Radio具有内在机制，使其能够分离环境中不同的运动源。为此，Vital-Radio以最先进的无线定位技术[6]为基础，可以识别设备与不同移动物体之间的距离。然而Vital-Radio使用这些方法根据距离解开输入信号，而不是估计实际位置。这允许它分离从不同身体和身体部位反射的信号。然后，它独立地分析他们的运动，以估计潜在的多个人的呼吸和心率。

三、背景和范围

我们设想Vital-Radio可以部署在智能家居中，以监控其居民的呼吸和心率，而无需使用身体仪器。该设备可以同时监控多个用户的生命体征，即使它们中的一些被墙壁或家具从设备中遮挡。单个设备可以在距离最远8米处监控用户的生命体征，因此可用于覆盖工作室或小型公寓。通过在环境中部署多个Vital-Radio设备，可以覆盖更大的家庭。

Vital-Radio的算法连续运行，分离来自不同用户的信号，然后独立分析来自每个用户的信号以测量他/她的生命体征。然而，当用户行走（或进行大的身体运动）时，胸部运动主要受到行走的影响并且不再代表呼吸和心率。1 在家中，当用户是时，通常有足够的间隔。准静态;这些包括用户正在看电视，在笔记本电脑上打字，阅读报纸或睡觉的场景。Vital-Radio可以使用所有这些间隔来监控用户的生命体征，并跟踪它们在一天中的变化情况。

图2 将反射器分成不同的桶

四、运作理论

Vital-Radio传输低功率无线信号，测量信号传输到人体并反射回天线的时间。知道无线信号以光速传播，我们可以使用反射时间来计算从设备到人体的距离。当用户呼气和呼气以及心脏跳动时，该距离会略有不同且周期性地变化。Vital-Radio捕捉这些距离的微小变化，并用它们来提取用户的生命体征。

然而，自然环境具有大量的反射器，例如墙壁和家具以及其身体都反映无线信号的多个用户。为解决这些问题，Vital-Radio的运作包括三个步骤：

1、隔离来自不同用户的反射，消除家具和静态物体的反射。

2、对于每个用户，识别由呼吸和心跳引起的信号变化，并将它们与身体或肢体运动引起的变化分开。

3、分析信号变化以提取呼吸和心率。

在下文中，我们将描述这些步骤如何使我们能够使用Vital-Radio监控用户的生命体征。

第1步：隔离不同用户的反射，消除家具和墙壁的反射

为了理解Vital-Radio的操作，让我们考虑图2中的场景，其中设备被放置在具有两个人和一个桌子的房间的墙壁后面。当Vital-无线电发射无线信号时，部分信号从墙上反射出来;另一部分穿过墙壁，从人体和房间内的桌子上反射出来，然后穿过墙壁回到设备。为了隔离从不同物体反射的信号，Vital-Radio使用称为FMCW（调频载波）的雷达技术。我们请读者[6]详细了解FMCW的工作原理。我们在本文中利用的FMCW的一个关键特性是它能够根据反射时间将不同物体的反射分离成桶。由于无线信号以光速传播，因此从不同距离的物体反射的信号将落入不同的桶中。

然而，与过去的本地化工作（使用FMCW感知来自不同距离的电量来定位用户）相比，Vital-Radio使用FMCW技术作为滤波器 - 它使用它来隔离到达的反射信号从环境中的不同距离进入不同的桶，然后进行分析每个桶中的信号以提取生命体征（下面的步骤2）。

我们对FMCW的实施遵循[6]中的系统，其中FMCW铲斗的分辨率约为8厘米。这有两个含义：

1.来自两个相隔至少8厘米的物体的反射将落入不同的桶中。因此，相距几英尺的两个用户自然会陷入不同的桶中。例如，在图2中，墙，鲍勃，桌子和爱丽丝距离我们的设备的距离不同，因此FMCW将从这些实体中的每一个反射的信号隔离到不同的桶中，这使我们能够专注于它们中的每一个分别。

2.使用FMCW作为过滤器还允许我们从呼吸和心跳引起的胸部运动中隔离一些肢体运动。例如，从用户脚部反射的信号将与用户胸部反射的信号不同。因此，让用户移动他的脚（就地）不会干扰Vital-Radio提取呼吸和心率的能力。

再根据反射器的距离反射后，Vital-Radio消除了墙壁和家具等静态物体的反射。具体地说，由于静态物体不移动，它们的反射不会随时间改变，因此可以通过减去连续的时间测量值来消除。

在这一步结束时，Vital-Radio将消除静态物体（例如墙壁和家具）的所有信号反射，并留下分离成桶的移动物体的反射。

第2步：识别涉及呼吸和心率的反射

在Vital-Radio将来自不同移动用户的反射隔离到单独的桶中之后，通过分析这些桶中的每一个来识别呼

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