研究人员创造了一种设备，利用光子雷达远程准确监测呼吸，甚至可以区分多个病人。他们说，他们的设备有一天可能会被用于医院、老年护理机构和家庭，为有呼吸问题的人提供非接触式监测。
监测病人的生命体征对于跟踪他们的健康和身体机能至关重要。目前医院使用的许多方法都需要与病人进行有线接触--想想那些放置在胸前记录心脏和呼吸频率的粘性电极--如果病人被烧伤，例如，几乎没有可接触的皮肤，这就会有问题。
一个非接触式的替代方案是基于摄像头的监测系统，但它们对光线条件和皮肤颜色很敏感，如果在医疗环境中使用，会引起隐私问题。现在，悉尼大学的研究人员已经开发出一种准确监测呼吸的系统，不需要接触病人。
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"基于摄像头的系统有两个问题，"该研究的通讯作者Ben Eggleton说。"一个是对照明条件和皮肤颜色的变化非常敏感。另一个是病人的隐私问题，病人的高分辨率图像被记录并存储在云计算基础设施中。"
为了克服这些问题，研究人员转向了光子学。光子雷达，或微波光子雷达，使用光子--高频率的光能--而不是电子和电来产生无线电波。一个光子收发器通过脉冲激光器产生微波信号，在击中目标后将信号返回到基于光子学的接收器。
依靠电子技术的传统射频（RF）雷达的带宽很窄，射程分辨率降低。因此，它们不能区分放在一起的目标。
该研究的主要作者Ziqian Zhang说："光子雷达使用基于光的光子系统--而不是传统的电子设备--来产生、收集和处理雷达信号。这种方法可以产生非常宽的无线电频率（RF）信号，提供高度精确和同步的多重跟踪对象"。
研究人员用光探测和测距（LiDAR）补充了他们的光子系统，它使用脉冲光波来测量距离。虽然LiDAR单独提供良好的范围和分辨率，但它穿透衣服等物体的能力是有限的。将雷达和LiDAR结合在一起，使该设备具有两者的优势，并有一个内置的备份系统。
"我们方法的一个真正创新是互补性：我们展示的系统有能力同时实现雷达和激光雷达检测，"共同通讯作者Yang Liu说。"这具有内在的冗余性；如果任何一个系统遇到故障，另一个系统继续运作"。
研究人员首先使用两个人类呼吸模拟器测试了他们的设备。他们发现，该雷达可以准确地实时检测到相距约3.9英寸（10厘米）的两个目标的呼吸速率。它检测到了毫米级的不规则呼吸模式，包括较长的吸气和较短的呼气以及呼吸的暂停。
接下来，他们在一只蔗蟾身上测试了他们的设备，它被放置在离雷达大约39英寸（1米）的地方，光束集中在它的口腔区域，该区域在呼吸过程中会移动。与人类的胸部相比，蟾蜍的口腔区域甚至不到一英寸。
蟾蜍呼吸的视频记录与从该设备中提取的实时数据进行了交叉比对。它准确地测量了动物的呼吸速率，包括两栖动物常见的间歇性呼吸。
展望未来，研究人员看到了改进其设备的若干选择。
Zhang说："我们可以继续研究使用片上组件来缩小设备的体积，或者用人类受试者测试其性能，可能是那些已确定的肺部疾病或心脏疾病。另一个前景是深入研究先进的算法，以提高系统在现实世界应用场景中移动受试者的性能，例如在老年护理设施中。"
他们说，他们的设备从远处测量呼吸的能力提高了病人的舒适度，减少了交叉感染的风险。此外，它还能从一个集中的站点监测多个病人。最终，他们看到了它的一系列应用，包括医疗保健、监狱部门、老年人和家庭护理，以及兽医和畜牧业的用途。
这项研究发表在《自然-光子学》杂志上，下面这个由悉尼大学制作的简短视频展示了该设备如何监测蔗蟾的呼吸。
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2022-12-07 16:33:21
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