小希科普 | 生物雷达：实现睡眠呼吸暂停监测的“向往的方式”

导语

最近播出的综艺节目《向往的生活》中，55岁的演员黄磊在节目戴着呼吸机入睡，让无数观众第一次直观地认识到：睡眠呼吸暂停综合症（OSAS）不再遥远的陌生医学专业名词，而是离很多中年人的身体现状很近。

黄磊在《向往的生活》节目中，图片源自网络

这一期的希卡立科普小课堂，咱们就来聊一聊睡眠呼吸疾病以及毫米波生物雷达如何实现“准确的非接触式睡眠呼吸暂停综合症检测”。

金标准困境

多导睡眠监测（Polysomnography，PSG）装备，至今仍是诊断睡眠呼吸问题的“金标准”。这个金标准的监测方式是需要被检查者在睡眠实验室里，戴着布满导线的面罩和头套，在无数传感器的包围中入睡。它需要同步记录脑电、眼动、肌电、心电、呼吸气流、胸腹呼吸运动等多个生理信号，医护人员甚至需要花费约1-2小时为患者安装这些设备，确保每个传感器都处于最佳位置。更现实的问题是资源的稀缺性。专业的睡眠实验室数量有限，设备昂贵，一次PSG检查费用不菲，且患者通常需要等待数月才能排到检查机会。此外，佩戴PSG入睡极其不舒服，在临床上存在“首夜效应”，影响了睡觉监测的准确性和效率。这种可及性困境使得大量潜在的睡眠呼吸暂停患者无法得到及时诊断。

睡眠实验室的实验装置

诊断金标准

在PSG监测中，气流（Airflow）是判断睡眠呼吸暂停事件的“金标准”信号之一。睡眠呼吸暂停大致可以分为以下三种：

阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）：胸部腹部还在用力（有呼吸动作），但鼻口处的气流停止了。这就像水管被堵住了，水泵还在工作，但水出不来。

中枢性睡眠呼吸暂停（CSA）：大脑没有发出呼吸指令，所以呼吸动作和气流同时消失。这就像是水泵本身停止了工作。

低通气（Hypopnea）：气流强度显著降低（降低超过30%），同时伴随血氧下降和不足。

因此，如果能用其他更舒适的方式“复刻”出这条气流曲线，理论上就能诊断出这些呼吸疾病。

睡眠呼吸暂停综合症（OSAS）的分类

生物雷达黑科技

有别于临床上使用的PSG睡眠监测，希卡立团队利用毫米波生物雷达技术，创造性地设计了“物理-生理-算法”链条，它将毫米波生物雷达测到的患者胸部微小运动，一步步转化成了医疗诊断中熟悉的气流信号：

• 第一步：高精度测量胸壁位移

得益于希卡立团队自研的硬件架构和算法，毫米波生物雷达可以感知微米级的物体位移运动。当电磁波照射到人体胸部时，会被反射回来。胸部随着呼吸一起一伏，哪怕只有微米级的移动，都会引起反射波信号的细微相位变化。通过解算这种相位变化（多普勒线性相位解调技术），雷达可以绘制出一条极其精确的胸部位移曲线。这条曲线本身就包含了呼吸和心跳的混合节律信息。

• 第二步：从“位移”到“胸腔容积”

胸腔像一个可以膨胀和收缩的风箱，其容积变化与位移的立方成正比。人深吸气时，胸腔的扩张不仅仅是向前，而是向四周的立体膨胀，其容积的变化远比单纯的表面位移要复杂得多。

• 第三步：从“容积”到“气流”

在呼吸力学中，气流正是胸腔容积随时间的变化率（即导数）。也就是说，气流速度等于容积变化的快慢。当你快速吸气时，胸腔容积迅速扩大，产生高速吸入气流；当你屏住呼吸时，容积不变，气流为零。

将这三步串联起来，就完成了从“雷达测到的胸部运动”到“临床认可的气流信号”的神奇转换：雷达信号 → 胸部位移 → 胸腔容积 → 气流信号（多普勒气流）

对比PSG的金标准信号和雷达提取的信号，直观地展示了其技术的有效性。

在阻塞性睡眠呼吸暂停OSA中，我们可以清晰地看到：雷达的“呼吸动作波形”（来自胸部位移）依然存在，但 “多普勒气流信号”却变成了平坦的直线——这完美复现了PSG上“有呼吸动作，但无气流”的OSA特征。

在中枢性睡眠呼吸暂停CSA中，雷达的“呼吸努力波形”和“多普勒气流信号”都变成了直线，这与PSG信号完全同步，精准捕捉了“呼吸努力和气流同时消失”的中枢性暂停特征。

在低通气症Hypopnea中，雷达的两条信号曲线的振幅都明显降低了超过30%，同样与PSG记录吻合。

这些实验结果强有力地证明，毫米波生物雷达不仅监测出是否有呼吸暂停，而且能精确区分呼吸暂停的类型，这是实现临床诊断的根本前提。

未来已来

从需要连接无数线缆的PSG，到可能仅需床头一个小设备的雷达监测，这种转变不仅仅是技术的进步，更是医疗理念的革新——从侵入到无感，从实验室到家庭，从治疗到预防。

它让我们看到，未来在居家中进行精准的睡眠呼吸暂停筛查并非遥不可及。或许不久之后，一个放置在床头的小盒子，就能在你不被任何线缆打扰的安睡中，完成一夜的呼吸健康评估，让更多人能像了解自己的体重一样，了解自己睡眠中的呼吸安全，从而更早地拥抱健康。

注：本文引自希卡立技术团队国际会议论文“15th Globol Symposium on Millimeter-Waves & Terahertz (GSMM) 20 - 22 May, 2024, Hong Kong SAR, PRC”