生命體征是反映人體基本功能的一組臨床測量值，被用作監測醫療和健康狀況的診斷參數。因此，生命體征檢測已經廣泛應用于很多臨床場景，例如，重癥監護病房用于危重患者的監護，老年護理機構用于晝夜健康監測以防止無人看管的患者出現醫療緊急情況，以及在車輛中用于確定駕駛員是否打嗜睡等。
傳統的生命體征檢測需要依賴接觸式設備，例如脈搏血氧計，利用電極來檢測由心臟收縮引起的微弱電變化，還有智能手表，利用基于血流和體積變化引起的紅外探測光的強度變化（光體積描記術）。這類應用已經非常廣泛，但接觸式方案在全天候監測中還是會引起用戶不適。盡管利用可穿戴傳感器嵌入腕帶或衣物等方案大幅改善了用戶體驗，但它們仍然不適合燒傷或皮膚刺激性的患者，也不適合附著面積不足的嬰兒。
業界已經探索了基于光學傳感器的非接觸式檢測方案，例如，利用相機來跟蹤人體某些目標區域。然而，基于相機的系統（包括紅外相機和傳統可見光相機）對皮膚顏色和照明條件很敏感。這些系統通常需要復雜的計算算法，以及紅外相機生成的熱成像視頻，其分辨率通常有限。此外，一些基于高分辨率攝像頭的系統則可能會導致隱私問題，尤其是涉及侵入性監控以及云計算和數據存儲基礎設施具有潛在安全風險的情況。
利用射頻（RF）波的雷達可以遠距離捕捉目標的生命體征，以克服接觸式傳感器的缺點。這種生命體征信息基于射頻感應而非相機拍攝而產生，因此自然提供了所需要的隱私保護。近年，已有利用單音調頻波電子雷達進行生命體征檢測的探索。基于多普勒原理的單音雷達可以通過運動物體反射信號的相位信息來獲取生命體征。
不過，這種技術缺乏檢測往返時間的功能，因此無法獲取目標的距離信息。它們無法利用距離信息來分離位置較近的目標，并將目標與周圍的雜波隔離開，這限制了它們在現實應用中的性能和實用性。相比之下，調頻雷達可以提取距離信息來克服這一問題。更重要的是，通過拓寬傳感信號的帶寬可以提高調頻雷達的距離分辨率和精度。
不幸的是，傳統電子雷達系統通常僅有有限的亞千兆赫帶寬，導致分辨率僅為數十厘米，這不足以準確檢測微弱的生命體征信號（例如人體呼吸，胸部位移僅約1 cm）。這種分辨率很難從身體運動中分離生命體征信號，也無法跟蹤多個目標。此外，新興應用往往需要多個頻段和部署位置進行分布式傳感，這對于沒有復雜并行硬件架構的傳統電子器件來說具有挑戰性。
微波光子雷達技術由于其相對于傳統電子雷達傳感方案的眾多優勢而獲得發展。光子雷達系統已經證明了它們在產生超寬帶信號方面的能力，由此可以實現卓越的距離分辨率。基于色散的技術可以提供高達40 GHz的帶寬?，實現低至3.9?mm的分辨率。
基于外部光注入的掃頻光源實現了超過1.2 ×?10?的大時間帶寬積?，更長的脈沖時間改善了噪聲環境中的信噪比以及整體性能。光子倍頻器和數模轉換器為精確的雷達傳感提供了充足的帶寬和高時頻線性度。光子雷達可以產生不同類型的雷達信號，包括線性調頻（LFM）和步進頻率（SF）信號。
此外，它還可以在毫米波區域的多個頻段工作，根據工作條件優化性能。這些功能克服了電子雷達的局限性，使其非常適合生命體征檢測。然而，盡管光子雷達具有潛力，但用于生命體征檢測的光子雷達尚未在實際應用中得到探索。
據麥姆斯咨詢介紹，澳大利亞悉尼大學（University of Sydney）光子學與光學科學研究所（Institute of Photonics and Optical Science）的研究人員近期在Nature Photonics期刊上發表了一篇題為“Photonic radar for contactless vital sign detection”的文章。在這篇文章中，研究人員展示了一種用于生命體征檢測的光子雷達，利用人類呼吸模擬器和活體動物（蔗蟾）代替人類進行了實驗。該雷達可在Ka波段（26.5–40?GHz）產生10 GHz寬的SF RF信號，來檢測模擬器的呼吸活動，實現了13.7 mm的距離分辨率和微米級的檢測精度。即使動物雷達截面尺寸較小，這種高分辨率和精度對于檢測蔗蟾細微的生命體征至關重要。
研究人員展示了高達30 GHz的帶寬可擴展性?，不受RF天線和放大器的限制。研究人員還展示了基于相同微波光子源的激光雷達（LiDAR）生命體征檢測系統，展示了該系統實現雷達和激光雷達互補功能的潛力。研究人員設想了將這種高性能分布式雷達系統應用于一系列醫療保健場景，例如老年護理機構、醫院以及監管機構的全天候生命體征監測等。
例如，具有多個雷達光學RF接入點的分布式光子雷達傳感網絡，可以使用RF波來檢測人類生命體征（如下圖a所示）。與部署單個雷達接入點不同，這種方法可以連續跟蹤自由活動的背面或側面目標。支持多個光學RF接入點的光學雷達信號源可以覆蓋不同的視角，以使用低損耗光纖來監測一個或多個目標。
面向非接觸式生命體征檢測的光子雷達系統
基于呼吸模擬器的多目標生命體征檢測結果
利用蔗蟾代替人類進行的生命體征檢測實驗
總結來說，研究人員展示了一種分辨率達到毫米級、精度達到微米級的光子生命體征檢測系統?，能夠實現多目標檢測，并且不會帶來舒適性和隱私問題。實驗證明了它在發現細微呼吸異常，準確提取蔗蟾口腔運動方面的能力和有效性。更重要的是，它具有簡化的系統結構，提供了改進的帶寬和靈活性，這是當前最先進的生命體征電子雷達無法實現的。
這種光子方案為實現高分辨率、快速響應且具有高成本效益的混合雷達-激光雷達模塊提供了一條新途徑，可用于分布式、非接觸式生命體征檢測。
延伸閱讀：
《激光雷達（LiDAR）技術及市場-2022版》
《即時診斷應用的生物傳感器技術及市場-2022版》
