0 引言

呼吸是衡量人体健康的一项重要指标，可用于跟踪和诊断许多医疗领域的疾病，例如睡眠、肺病学和心脏病学［1］。此外，准确的呼吸监测还可以提供有关个人心理状态和生理状况的有用线索。

睡眠场景下对人体呼吸量进行持续监测具有重要意义。呼吸量可用于推断人的睡眠状态：轻度、深度或者是快速动眼（Rapid Eye Movement，REM）睡眠，进而用于评估用户的睡眠质量，睡眠质量的优劣将直接影响到人的生产力和精神状态［1］。睡眠监测系统能够实现持续不间断的用户睡眠状态评估，并为用户提供一些隐性疾病的诊断线索与改善睡眠习惯的建议［2］。此外，诊断呼吸障碍和睡眠呼吸暂停综合症必须在睡眠期间对呼吸量进行连续监测。

传统的呼吸量监测方法需要用户穿戴呼吸带或者是鼻插管入眠，数小时佩戴这类设备会对用户造成严重干扰并且由于用户睡眠期间睡姿的切换极易发生连接线脱落、对设备造成损坏等情况。近期基于WIFI技术的睡眠监测方法［3-6］实现了在没有任何传感器的情况下对呼吸频率进行监测。其他的非接触式方法利用Kinect体感相机［7］、呼吸音频［8-9］、射频信号（Radio Frequency，RF）［1］等技术来实现对呼吸频率的监测，然而上述的非接触式方法主要针对呼吸频率的监测，并没有实现对呼吸量的监测。虽然呼吸频率也是人体的一项重要指标，但在很多应用中无法取代呼吸量的作用，如临床呼吸照护、阻塞性气道疾病（如哮喘和慢性阻塞性肺病）诊断。

近期一些关注呼吸量的研究包括：Nguyen等［10］通过分析运动引起定向无线电信号的细微相位变化，重建微小的胸部和腹部运动，基于神经网络来建立呼吸量与胸腹部运动之间的映射关系，进而评估用户的呼吸量；Oh等［11］提出了使用深度摄像机结合水平集分割法区分呼吸相关区域，再从胸壁形态变化上推算人体呼吸量的方法；Lee等［12］则评估了多普勒雷达实现呼吸量监测的可行性。然而上述文献中的方法多数需要特殊设备在严格的实验要求下进行实验，对于实验期间用户肢体的活动没有提出轻量且合理的应对措施。

本文提出了一种基于无线射频识别（Radio Frequency IDentification，RFID）标签阵列的非接触式连续监测用户睡眠状态下呼吸量的系统。如图1所示在用户胸部区域和肩膀处分别附着RFID标签阵列，用户平躺于双天线下方1～2 m处进行呼吸量监测。首先阅读器连续询问标签并获得其当前位置报告的相位值，附着在胸部的标签所反馈的相位流经过预处理后可推导出单次呼气、吸气阶段内胸部区域标签的位移量。用户肩膀处双参考标签的相位流保持相对稳定期间，胸部区域标签位移量的计算才能视为有效，即用户保持当前睡姿到切换下一睡姿的时间段内。接着利用双参考标签计算出当前睡姿维持的时间段内胸部平面和天线所在平面的夹角来还原真实的胸部标签位移。最后，利用广义回归神经网络（General Regression Neural Network，GRNN）建立胸部位移量与呼吸量之间的关系模型。

图1 实验场景设置Fig.1 Experimental scenesetting

1 相位值

RFID标签从阅读器发射的射频场中获取能量，并利用反向散射耦合方式完成从标签到阅读器的数据传输。阅读器连续询问射频区域内的标签并报告每个成功识别标签的相位值［13-14］。如图2所示，假设天线与标签之间的距离为d，无线电波在阅读器天线和标签之间来回传播时，其传播的总距离为2d。那么阅读器输出标签于当前位置的相位值如下：

其中：λ是波长；c是恒定的相位偏移，仅与天线硬件和标签电路有关；?T、?R、?Tag分别表示由天线发射电路，天线接收电路以及标签反射特性造成的额外相位旋转。在反向散射通信的过程中，电磁波每传播λ/2的距离相位值旋转2π弧度，当阅读器成功检测到标签时会输出相应的相位估计值，具体取决于各个天线和信道。典型的超高频（Ultra High Frequency，UHF）读取器有16个信道，分别工作在920～926 MHz ISM（Industrial Scientific Medical）频段。因此，理论上相位分辨率可以达到0.001 5弧度，从而提供320 mm*0.001 5（/4×3.14）=0.038 mm 的测距分辨率［13，15］。这种超高分辨率使相位值成为测量用户睡眠过程中胸部微小位移量的绝佳指标。

图2 相位示意图Fig.2 Schematic diagram of phase

2 RF-SLEEP系统

RF-SLEEP包括阅读器和多个RFID标签阵列，标签阵列附着在用户身体表面或是衣物表面，可以有效应对睡眠场景下的弱光条件以及棉织物阻隔。本文利用RF-SLEEP中3个重要组成模块来评估用户睡眠过程中的呼吸量，即胸部位移提取、胸部位移误差消除以及广义回归神经网络。

文章来源：《世界睡眠医学杂志》 网址: http://www.sjsmyxzz.cn/qikandaodu/2021/0718/1658.html