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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽(yáng)系系主任
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中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)非接觸心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)
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中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)非接觸心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳彥教授團(tuán)隊(duì)在非接觸心臟活動(dòng)感知研究領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)并利用心臟機(jī)械活動(dòng)諧波中的“拍頻效應(yīng)”這一重要物理現(xiàn)象，成功克服了遠(yuǎn)場(chǎng)條件下由呼吸運(yùn)動(dòng)引起的大數(shù)量級(jí)干擾。在無(wú)需任何模型訓(xùn)練的情況下，他們利用毫米波雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度的非接觸人體心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)研究成果標(biāo)志著非接觸心臟監(jiān)測(cè)技術(shù)邁入新階段，為心血管疾病的早期預(yù)防與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供了創(chuàng)新解決方案。相關(guān)研究成果以“Monitoring Long-term Cardiac Activity with Contactless Radio Frequency Signals”為題，于12月5日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。 心血管疾病是全球第一大致死疾病，每年約有1790萬(wàn)人因此失去生命。在我國(guó)，隨著人口老齡化的加劇，心血管疾病的發(fā)病率與致死率均居世界前列。研究表明，許多早發(fā)心血管疾病可以通過(guò)及時(shí)診斷和治療來(lái)有效預(yù)防。因此，長(zhǎng)期連續(xù)的心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)疾病的早期發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有心臟監(jiān)測(cè)技術(shù)多為接觸式測(cè)量，例如傳統(tǒng)的心電圖設(shè)備需要在體表貼附多個(gè)電極，可穿戴設(shè)備則常基于光電容積描記法（PPG）。這些方法由于舒適性不足、對(duì)使用環(huán)境敏感等原因，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)的心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)，從而可能錯(cuò)過(guò)心血管疾病診斷和治療的最佳時(shí)期。 圖一：非接觸心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 近年來(lái)，毫米波雷達(dá)技術(shù)被應(yīng)用于心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)，展現(xiàn)出非接觸、便捷和高精度的潛力。然而，技術(shù)發(fā)展仍面臨“呼吸譜泄漏”這一重大挑戰(zhàn)。由于呼吸幅度（厘米級(jí)）遠(yuǎn)大于心跳幅度（亞毫米級(jí)），呼吸諧波在心跳頻段產(chǎn)生顯著的頻譜泄漏，導(dǎo)致信干噪比嚴(yán)重下降，限制了心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)的精度。 對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)性分析，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)重要的物理現(xiàn)象，從而成功破解這一難題。首先，研究團(tuán)隊(duì)觀察到呼吸諧波比心跳諧波衰減更快，尤其在高頻段，呼吸干擾的影響顯著減弱。其次，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)心跳諧波中存在“拍頻效應(yīng)”，即高階心跳諧波疊加會(huì)產(chǎn)生與心跳周期一致的拍頻特征，其頻率等于相鄰諧波頻率之差。 基于這兩大發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將心跳特征提取頻段從基頻轉(zhuǎn)移到高階諧波頻段（約10倍頻），從而有效消除了呼吸諧波的干擾，顯著提升了監(jiān)測(cè)精度。在包括6222名參與者的大規(guī)模醫(yī)院場(chǎng)景和長(zhǎng)達(dá)21個(gè)夜晚的日常生活場(chǎng)景中，系統(tǒng)取得了26.1毫秒和34.1毫秒的中位誤差，充分驗(yàn)證了其醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值。 這一研究突破為毫米波雷達(dá)在心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)，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)感的方式完成長(zhǎng)期持續(xù)的心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)，展現(xiàn)出廣闊的臨床應(yīng)用前景。 圖二：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景和部分結(jié)果展示 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院博士后張賓賓為文章的第一作者；陳彥教授為文章的通訊作者；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院馬禮坤教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫啟彬研究員、胡洋副教授、張東恒副研究員、李亞?wèn)|、盧智、陳金波、王浩宇、周放、濮玉等為文章的共同作者；學(xué)校賦權(quán)企業(yè)合肥中科知奇信息科技有限公司為文章合作單位。相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、安徽省和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的經(jīng)費(fèi)資助。 論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55061-9 （網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院、科研部） |
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