陈根：光子雷达可远程同时监测多用户呼吸状况

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文/陈根

据《自然·光子学》杂志最新发表的论文显示，悉尼大学的研究人员开发出了一种准确监测呼吸的系统，不需要跟患者有任何的接触。

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，而这对于部分特殊病人来说，是有着极大的实现困难的，比如全身烧伤到几乎没有可接触的皮肤。

为了解决有线接触的局限性，科研人员开发了基于摄像头监测系统的非接触式替代方案。摄像头虽然可以进行非接触式的监测，但是也存在着两个现实问题：对照明条件和皮肤颜色的变化过于敏感；对病人的隐私问题存在威胁，因为病人的高分辨率图像会被记录并存储在云计算基础设施中。

为了克服摄像头系统带来的问题，研究人员将目标转向了光子学。其运作逻辑是：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。

比起传统的基于电子技术的射频雷达，光子雷达可以产生非常宽的无线电频率信号，提供高度精确和同步的多重跟踪对象，这主要归因于它是基于光的光子系统——而不是传统的电子设备——来产生、收集和处理雷达信号的。

同时，研究人员用光探测和测距（LiDAR）补充了他们的光子系统，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。而将雷达和LiDAR结合在一起，便使该设备具有了两者的优势，并有一个内置的备份系统。该研究的通讯作者Yang Liu介绍：“我们的系统有能力同时实现雷达和激光雷达检测，也就是说如果其中任何一个系统遇到故障，另一个系统还可以继续运作。”

在对设备效果的评估中，研究人员分别通过人类呼吸模拟器和动物对设备进行测试。通过人类呼吸模拟器的应用监测，结果发现，光子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。而对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后，研究人员发现该设备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。

光子雷达远程准确监测呼吸能力，大大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同时监测多个病人。对于该设备的应用前景，研究人员表示已经可以清晰地看到它的一系列应用，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。