基于調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達的非接觸式睡眠呼吸事件監(jiān)測

AbstractObjective：Toinvestigate theefectof non-contact slep monitoringusing milimeter-waveradarfordetectingsleepapnea events.Methods：A sleep monitoring model with a 6O-64GHz frequency-modulated continuous wave（FMCW）radar and an algorithm platform was established.Atotal of sixpatients diagnosedwithobstructive sleepapnea（OSA）whoreceivedtreatment China-JapanFrendshipHospitalfromMarchtoJune，2O24 wereincludedinthiscinicalobservationalstudy.Themillimeter-wave radarwas positioned5Ocmabovethepatients’anteriorchest inahorizontalorientationandpolysomnographywasusedtomonitor thepatientsthroughout thenighttocolectslepdataatthesame time.ClinicalinformationanddataoftheMedicalOutcomes Study Sleep Scale（MOS-SS，Chinese version）werecolectedandanalyzed.Resultsfromthemillmeter-waveradar and polysomnographywerecomparedandanalyzed.Results：The main symptoms of the six patients were noctural snoring orsuffcation，and mostof thepatientssuffredfromhigherBMIscore，rhadahistoryofexposure totoxicsubstances，hypertension，drugorfoodallergies，oraloholconsumption.The MOS-SSresultsindicated thatOSAcouldleadtosleepdisturbances，afecting patients'sleep qualityanddaytimecognitivefunction.Underthesleepmonitoring testmodelsystem，theFMCWradar'smonitoringeffciencyfor apnea events was 52.21% ，with an average reduction in chest wall mobility of 38.92% . However，the monitoring efficiency for hypopnea events was 45.96% ，with an average reduction in chest wall mobility of 33.61% . Conclusion ： The monitoring efficiency of FMCW Millimeter-wave Radar for apnea and hypopnea events was respectively 52.21% and 45.96% ，and it has a certain

effect in monitoring sleep apnea events.

KeywordsMilimeter-wave radar； Non-contact； Sleep monitoring；Polysomnography；Obstructive sleep apnea中圖分類號：R338.63;R56 文獻標識碼：A doi：10.3969/j. issn.2095 -7130.2025.04.004

阻塞性睡眠呼吸暫停（Obstructive Sleep Apnea，OSA），又稱為阻塞性睡眠呼吸暫停-低通氣綜合征，是一種因睡眠中上氣道反復(fù)塌陷導(dǎo)致的慢性疾病，表現(xiàn)為夜間打鼾、憋醒、睡眠結(jié)構(gòu)紊亂及日間嗜睡等[1]。由于低通氣與呼吸暫停造成間歇性低氧、高碳酸血癥、交感神經(jīng)興奮、胸腔內(nèi)壓力波動及自主神經(jīng)失調(diào)等，OSA與心血管系統(tǒng)、內(nèi)分泌和代謝系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等疾病發(fā)生密切相關(guān)，同時影響患者生命質(zhì)量，增加日間發(fā)生事故風(fēng)險[2]。目前全球約10 億人患有OSA。中國成人OSA總患病率為 3.93% ，男性患病率為女性的2.62倍。在 30～69 歲人群中，中國0SA患者約1.76億，居世界首位，其次為美國，約有5400萬OSA患者[34]。隨著肥胖與老齡人口增長，我國OSA患者仍在不斷增加。OSA的診斷主要依靠在睡眠中心進行多導(dǎo)睡眠監(jiān)測（Polysom-nography，PSG），但目前我國OSA的診斷和治療率均不足 1% ，遠低于西方發(fā)達國家[5]，這可能與醫(yī)療資源分布、對疾病認識不足以及診斷技術(shù)的可及性等因素有關(guān)。整夜PSG監(jiān)測是診斷OSA的金標準，但該檢查復(fù)雜、費用昂貴，必須在睡眠監(jiān)測中心進行且存在“首夜效應(yīng)”[6]。便攜式睡眠監(jiān)測（Portable Mo-nitoring，PM）對比PSG，導(dǎo)聯(lián)數(shù)較少，可在家中監(jiān)測，具有便捷、成本低等優(yōu)點，但PM仍須在醫(yī)生指導(dǎo)下進行，對低風(fēng)險人群診斷價值有限[7]，存在一定誤診和漏診的可能性[8]

近年來，隨著微電子傳感器及無線通信技術(shù)的發(fā)展，生物雷達以其穿透性強、抗干擾性強、不易受環(huán)境噪聲和光線制約等優(yōu)點逐漸成為非接觸式睡眠監(jiān)測研究領(lǐng)域熱點。其中，毫米波雷達以毫米波段電磁波為媒介，基于微多普勒效應(yīng)實現(xiàn)對目標特征提取，可實時獲取心跳、呼吸等生命體征信息。為探究該技術(shù)在臨床中的監(jiān)測效能，本研究采用毫米波雷達與PSG對患者進行同步監(jiān)測的方法，通過對比2者的監(jiān)測結(jié)果，初步探索其臨床應(yīng)用價值。

資料與方法

1.1一般資料選取2024年3月至2024年6月中日友好醫(yī)院睡眠呼吸中心收治的臨床確診或擬診為呼吸睡眠暫停-低通氣綜合征患者6例作為研究對象?；颊咭话闱闆r見表1。本研究通過中日友好醫(yī)院臨床研究倫理委員會審查（倫理審批號：2024-KY-080）。

1.2納入標準1）既往確診為OSA或臨床擬診為OSA;2）年齡 ?18 周歲；3）愿意參與本研究項目并簽署知情同意書。

1.3排除標準1）無法耐受多導(dǎo)睡眠監(jiān)測、腦電圖錄像監(jiān)測等檢查;2）合并呼吸系統(tǒng)其他疾病及嚴重心腦血管、腎臟、肝臟及造血系統(tǒng)等疾病者;3）研究對象綜合評估不適合加入本研究項目者

1.4研究方法患者穿戴多導(dǎo)睡眠監(jiān)測設(shè)備平臥于病床，無吸氧及呼吸機裝置，將毫米波雷達設(shè)備分別放置于患者前胸兩乳頭連線中點正上方 50cm 處，收集患者整晚睡眠呼吸及心跳數(shù)據(jù)；采用中文版MOS-SS 睡眠 量表（Medical Outcomes Study SleepScale，MOS-SS）評分；對比分析毫米波雷達與PSG監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.5觀察指標毫米波雷達睡眠監(jiān)測模型，本次試驗所使用的采集設(shè)備為德州儀器（TexasInstruments，TI）生產(chǎn)的調(diào)頻連續(xù)波（FrequencyModulatedContinuous Wave，F(xiàn)MCW）IWR6843雷達 + DCA1000采集板，工作頻段在 60GHz?64GHz ，信號接收端口采用mmwavestudio及matlab軟件（2021b）進行數(shù)據(jù)儲存及處理。本試驗構(gòu)建的毫米波雷達睡眠監(jiān)測模型，主要包含4個部分，1）信號發(fā)射與接收：雷達系統(tǒng)產(chǎn)生一個連續(xù)的線性調(diào)頻信號，遇到目標物體后的反射信號被接收天線接收。2）信號處理：發(fā)射信號與回波信號進行混頻處理后產(chǎn)生差頻信號，對差頻信號進行快速傅里葉變換（FastFourierTrans-form，F(xiàn)FT）等處理，計算出目標運動的距離和相對速度。3）特征提取：提取心跳、呼吸信號，獲得對應(yīng)的時域圖、頻譜圖。4）數(shù)據(jù)對比：根據(jù)醫(yī)師判讀的PSG診斷結(jié)果，對應(yīng)分析雷達采集的心跳、呼吸信號。

1.6統(tǒng)計學(xué)方法采用 SPSS 22.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行分析，計量資料采用均值 ± 標準差 表示，進行 χ_t 檢驗;計數(shù)資料采用率 （%） 表示，進行 χ² 檢驗，以 Plt;0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1中文版MOS-SS 睡眠量表（MOS-SS）MOS-SS睡眠量表[9-10]是目前廣泛應(yīng)用的睡眠質(zhì)量評估量表之一，中文版MOS-SS量表[1]經(jīng)驗證具有良好的臨床適用性。該量表從睡眠干擾、睡眠充足度、日間精神狀態(tài)、打鼾、醒后氣促以及睡眠量6個維度，包含12個條目進行睡眠質(zhì)量評估，量表的計分方法為，條目2以睡眠時長（小時）計分，其余條目分值為1＼～6分，其中條目4、12為反向計分。條目維度分值的計算方法是將維度內(nèi)各條目得分之和除以維度內(nèi)條目總分，再乘以 100% 。 01～06 例患者 MOS-SS量表各維度得分見表2。

2.2毫米波雷達與PSG 睡眠監(jiān)測結(jié)果比較患者同時接受PSG與毫米波雷達監(jiān)測。PSG結(jié)果經(jīng)由睡眠醫(yī)師判讀后，由本研究成員統(tǒng)計呼吸事件次數(shù)及對應(yīng)時間段。在雷達呼吸時域圖中將以上呼吸事件段及其基線呼吸段一一對應(yīng)并標記。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，計算呼吸時域圖中各呼吸事件段及基線呼吸段的平均幅值，并計算呼吸事件段較基線段幅值的平均下降率。呼吸時域圖縱坐標反映的物理含義為每15ms 胸壁位移的距離，反映胸壁運動的快慢，其圖像幅值的改變反映了胸壁運動快慢的變化情況。根據(jù)心跳信號頻譜圖分析心率指標。

2.3統(tǒng)計 01～06 例患者PSG監(jiān)測結(jié)果中呼吸事件次數(shù)及整夜睡眠中最高心率、最低心率01患者由于為短程監(jiān)測，因此無心率相關(guān)指標；統(tǒng)計 01～ 06例患者毫米波雷達各呼吸事件段（呼吸暫停、呼吸低通氣）較基線呼吸段幅值的平均下降率;統(tǒng)計毫米波雷達剔除呼吸事件次數(shù)占比，分析雷達監(jiān)測效率。統(tǒng)計結(jié)果見表3，PSG中呼吸事件與雷達時域圖對應(yīng)示例見圖1。

3 討論

隨著經(jīng)濟水平的發(fā)展，睡眠健康逐步得到關(guān)注，而OSA作為常見睡眠疾患，發(fā)病率高，并發(fā)癥多，不僅影響睡眠質(zhì)量，同時帶來系統(tǒng)性疾病風(fēng)險。如何有效診斷和監(jiān)測該疾病是臨床關(guān)注重點。PSG作為

注：——呼吸暫停事件，——呼吸低通氣事件。橫坐標表示監(jiān)測日期與時間;上排數(shù)字代表第 n 次呼吸事件；下排數(shù)字代表呼吸事件的起始時間

診斷OSA金標準，因場地、設(shè)備及專業(yè)人員配備均有較高要求，實際臨床中并不適用于OSA的廣泛初篩。由此更加便捷、費用低廉的PM得到逐步推廣，但患者仍需佩戴設(shè)備，夜間設(shè)備脫落無法及時處理，同時由于設(shè)計原理各異，仍需依靠臨床進行結(jié)果判讀[8]。因此便捷、非接觸及標準化結(jié)果判讀成為睡眠呼吸監(jiān)測手段的要求。傳統(tǒng)的生命信號探測主要依靠接觸式探測，多應(yīng)用于醫(yī)療場景，近年來可穿戴設(shè)備滿足了人們的日常監(jiān)測需求。然而，面對大面積燒傷患者或地震搜救等特殊場景，接觸式監(jiān)測應(yīng)用受限[12]，因此利用電磁波等非接觸式監(jiān)測技術(shù)受到關(guān)注。在我國，第四軍醫(yī)大學(xué)最早在1998年展開相關(guān)研究，2001年研制了基于連續(xù)波的生命信號檢測系統(tǒng)[13]。21世紀以來，雷達檢測技術(shù)成為研究熱點，在軍事、氣象等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，并逐步應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域[14-15]。我國多個研究團隊基于毫米波雷達技術(shù)開發(fā)了非接觸式生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，在實時心電圖、動態(tài)血壓監(jiān)測及OSA監(jiān)測，推動了該技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的臨床應(yīng)用[16-21]

本次試驗共納入6例患者，平均年齡52歲，平均BMI25.4，以夜間打鼾與憋氣為主要癥狀。6例患者平均每夜睡眠時長為 6.83h ，夜間打鼾等情況對患者造成了睡眠干擾，少數(shù)患者有醒后氣促或頭痛。通過與PSG同步監(jiān)測結(jié)果對比，評估本研究構(gòu)建的毫米波雷達睡眠監(jiān)測模型的監(jiān)測效能。結(jié)果顯示，本試驗條件下的毫米波雷達監(jiān)測模型對呼吸暫停事件的監(jiān)測效率為 52.21% ，胸壁運動速率平均下降率為 38.92% ；對呼吸低通氣事件的監(jiān)測效率為 45.96% ，胸壁運動速率平均下降率為 33.61% 。結(jié)果說明發(fā)生呼吸事件時，患者的胸壁運動較基線呼吸均有減慢，而發(fā)生呼吸暫停事件時胸壁運動減慢程度大于呼吸低通氣事件。這與呼吸暫停、呼吸低通氣分別對應(yīng)不同程度的氣流降低有關(guān)，氣流下降越多，則胸壁運動減慢的幅度越大。同時結(jié)果也反映出本試驗毫米波雷達睡眠監(jiān)測模型能識別約50% 的呼吸事件，具有一定的監(jiān)測效能，進一步提升監(jiān)測效率后具有臨床應(yīng)用價值。

本研究為小樣本臨床觀察性試驗，旨在初步驗證毫米波雷達非接觸式睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的臨床應(yīng)用效能。研究通過自主研發(fā)的毫米波雷達監(jiān)測系統(tǒng)及長程監(jiān)測算法，實現(xiàn)整夜連續(xù)睡眠數(shù)據(jù)采集，并以PSG標準進行臨床驗證，為毫米波雷達技術(shù)應(yīng)用于睡眠醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了客觀依據(jù)。然而本次觀察試驗樣本量較少，結(jié)果具有相對局限性。對此，未來可開展大樣本、多中心臨床試驗，優(yōu)化并提升雷達監(jiān)測設(shè)備性能，推動其進一步應(yīng)用。

本研究設(shè)計了一套毫米波雷達睡眠監(jiān)測系統(tǒng)，并初步評估其對睡眠呼吸事件的診斷效能。與PSG對比分析，結(jié)果顯示該系統(tǒng)可有效獲取睡眠呼吸參數(shù)，但其監(jiān)測精準度仍需進一步臨床驗證

利益沖突聲明：本研究不存在利益沖突。

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