中國(guó)科大突破百余年傳統(tǒng)瓶頸實(shí)現(xiàn)非接觸心電圖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳曼青院士團(tuán)隊(duì)陳彥教授、孫啟彬研究員等在無(wú)線人體感知研究中取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了基于毫米波雷達(dá)的非接觸人體心電圖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，突破了百余年來(lái)心電圖僅能通過(guò)接觸式傳感器獲取的局限。相關(guān)研究成果以“Contactless Electrocardiogram Monitoring with Millimeter Wave Radar”為題發(fā)表于《IEEE Transactions on Mobile Computing》，并于2022年11月28日被IEEE（國(guó)際電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）旗艦出版物IEEE Spectrum特別報(bào)道。

心血管疾病是全球第一大致死疾病，每年約有1860萬(wàn)人因此失去生命。在我國(guó)，隨著人口老齡化問(wèn)題的日益突出，心血管疾病對(duì)人們健康的影響越加顯著，其發(fā)病率與致死率均占世界前列。心電圖（ECG）監(jiān)測(cè)一直被視為臨床診斷心血管疾病的金標(biāo)準(zhǔn)之一，在疾病早期診斷發(fā)現(xiàn)以及后續(xù)治療過(guò)程中均有極高的臨床價(jià)值。

然而，自發(fā)明100多年來(lái)，ECG監(jiān)測(cè)一直要求利用貼身電極測(cè)量體表的電活動(dòng)變化，導(dǎo)致不適的用戶體驗(yàn)。因此，日常生活中的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)ECG監(jiān)測(cè)往往難以實(shí)施，造成轉(zhuǎn)瞬即逝的異常心電狀態(tài)記錄丟失，延誤疾病的診斷。

吳曼青院士團(tuán)隊(duì)聚焦當(dāng)前公共健康領(lǐng)域的痛點(diǎn)問(wèn)題，研究非接觸ECG監(jiān)測(cè)技術(shù)，以突破傳統(tǒng)ECG監(jiān)測(cè)接觸式測(cè)量的應(yīng)用瓶頸。

傳統(tǒng)ECG工作原理是通過(guò)接觸皮膚的電極捕捉反映心臟狀態(tài)的電活動(dòng)變化，而陳彥教授等利用心臟電活動(dòng)與機(jī)械活動(dòng)是心臟活動(dòng)同源不同表征的特性，開(kāi)發(fā)了一種毫米波雷達(dá)系統(tǒng)，使用毫米波雷達(dá)以非接觸形式測(cè)量體表的心臟機(jī)械活動(dòng)，從射頻（RF）信號(hào)中提取4D心臟機(jī)械運(yùn)動(dòng)信號(hào)，隨后利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建模心臟機(jī)械活動(dòng)與電活動(dòng)之間的非線性映射關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式求解該域轉(zhuǎn)換問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)從RF輸入到ECG輸出的端到端重建映射，最終還原出心電ECG波形。

毫米波非接觸心電圖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)的時(shí)間和形態(tài)精度性能分析以及在不同心率狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

研究人員在0.5m非接觸感知距離、不同生理狀態(tài)（正常呼吸、不規(guī)則呼吸、運(yùn)動(dòng)后和睡眠）和人體相對(duì)靜止躺姿約束的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)下，對(duì)35名實(shí)驗(yàn)對(duì)象（年齡在18～65歲之間）進(jìn)行了非接觸心電圖監(jiān)測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，與帶電極的標(biāo)準(zhǔn)心電圖監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，該方法實(shí)現(xiàn)了時(shí)間中位數(shù)精度誤差小于14ms，形態(tài)中位數(shù)精度大于90%的非接觸ECG監(jiān)測(cè)性能。此外，該方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果還支持對(duì)臨床心律紊亂診斷過(guò)程中的關(guān)鍵指標(biāo)——心跳間期的穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，其90%誤差均在9ms以內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的醫(yī)學(xué)價(jià)值。

該研究突破了無(wú)線信號(hào)在人體感知任務(wù)中的物理感知極限，提供了一種非接觸ECG監(jiān)測(cè)方法。在使用過(guò)程中，被測(cè)者不需要佩戴電極,也不需要去除衣物，以無(wú)感的方式完成ECG監(jiān)測(cè)，具有極高的臨床價(jià)值，尤其對(duì)心律失常、心肌梗死等疾病具有重要的診斷價(jià)值。