中國科學技術大學陳彥教授團隊在非接觸心臟活動感知研究領域取得重大進展。研究團隊首次發現并利用心臟機械活動諧波中的“拍頻效應”這一重要物理現象，成功克服了遠場條件下由呼吸運動引起的大數量級干擾。在無需任何模型訓練的情況下，他們利用毫米波雷達技術實現了高精度的非接觸人體心臟活動監測。這項研究成果標志著非接觸心臟監測技術邁入新階段，為心血管疾病的早期預防與長期監測提供了創新解決方案。相關研究成果以“Monitoring Long-term Cardiac Activity with Contactless Radio Frequency Signals”為題，于12月5日發表在《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1790萬人因此失去生命。在我國，隨著人口老齡化的加劇，心血管疾病的發病率與致死率均居世界前列。研究表明，許多早發心血管疾病可以通過及時診斷和治療來有效預防。因此，長期連續的心臟活動監測對疾病的早期發現至關重要。然而，現有心臟監測技術多為接觸式測量，例如傳統的心電圖設備需要在體表貼附多個電極，可穿戴設備則常基于光電容積描記法（PPG）。這些方法由于舒適性不足、對使用環境敏感等原因，難以實現長期連續的心臟活動監測，從而可能錯過心血管疾病診斷和治療的最佳時期。

圖一：非接觸心臟活動監測系統。圖片來源：中國科大

近年來，毫米波雷達技術被應用于心臟活動監測，展現出非接觸、便捷和高精度的潛力。然而，技術發展仍面臨“呼吸譜泄漏”這一重大挑戰。由于呼吸幅度（厘米級）遠大于心跳幅度（亞毫米級），呼吸諧波在心跳頻段產生顯著的頻譜泄漏，導致信干噪比嚴重下降，限制了心臟活動監測的精度。

對此，研究團隊通過系統性分析，發現了兩個重要的物理現象，從而成功破解這一難題。首先，研究團隊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，研究團隊發現心跳諧波中存在“拍頻效應”，即高階心跳諧波疊加會產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。

基于這兩大發現，研究團隊創新性地將心跳特征提取頻段從基頻轉移到高階諧波頻段（約10倍頻），從而有效消除了呼吸諧波的干擾，顯著提升了監測精度。在包括6222名參與者的大規模醫院場景和長達21個夜晚的日常生活場景中，系統取得了26.1毫秒和34.1毫秒的中位誤差，充分驗證了其醫學應用價值。

這一研究突破為毫米波雷達在心臟活動監測領域的應用奠定了重要基礎，在使用過程中，被測者不需要佩戴電極也不需要去除衣物，以無感的方式完成長期持續的心臟活動監測，展現出廣闊的臨床應用前景。

圖二：監測系統的應用場景和部分結果展示。圖片來源：中國科大

中國科學技術大學網絡空間安全學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；中國科學技術大學附屬第一醫院馬禮坤教授、中國科學技術大學孫啟彬研究員、胡洋副教授、張東恒副研究員、李亞東、盧智、陳金波、王浩宇、周放、濮玉等為文章的共同作者；學校賦權企業合肥中科知奇信息科技有限公司為文章合作單位。相關工作得到了國家自然科學基金委、科技部、安徽省和中國科學技術大學的經費資助。

參考資料：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55061-9