雷达生理感知论文速览 | Arxiv 2023, Toward Non-contact Muscle Activity Estimation using FMCW Radar
注1：本文属于‘最新论文速览’系列中的一份综述性文章。该系列旨在全面且深入地介绍和解释近期发表在顶级会议或期刊中的创新研究成果。
Radarsensing for Physiological Monitoring: A Research Overview
该研究采用了频率调制连续波雷达技术进行非接触式肌肉活动监测，并由牛津大学与开普敦大学共同参与完成。论文详细探讨了这一创新方法的理论基础与实际应用效果，并可访问https://arxiv.org/pdf/2312.14273.pdf获取完整研究资料。
摘要:
表面肌电图（sEMG）作为一种广泛应用的常见手段，在现代医学领域发挥着重要作用。它借助单极或多极多个电极装置对肌肉活动进行测量。然而由于这一特性使得sEMG成为一种可能带来不适感的测量手段。此外在临床应用中由于其安装过程耗时繁琐而被视为主要的技术障碍之一。
本研究开发了一种新型的非接触式肌动检测系统,该系统采用毫米波FMCW雷达技术来捕捉肌肉形变信息。我们将其命名为射频肌张力图（RMG）装置。该方法显著简化了测试流程并提升了操作便捷性。
引言
肌肉活动监测在神经康复和骨科治疗中发挥着至关重要的作用，并对假肢控制也具有重要意义。
目前最为先进的表面肌电图（sEMG）技术已成为评估肌肉活动的主要手段。
该技术利用皮肤表面布置的电极系统来采集和分析肌肉电信号。
由于该方法要求使用者直接接触皮肤表面进行校准或初始化操作，在实际应用中存在一定的不便。
本研究则采用毫米波频偏移连续波（FMCW）雷达作为创新性解决方案。
FMCW雷达理论
FMCW雷达利用线性调频频率实现了对目标的探测。
接收信号携带有目标微小运动信息。
该系统能够识别出肌肉变形信号。
肌肉活动估计流程
通过傅立叶变换技术,获取信号频谱信息
选取目标对应的频谱点,确定目标点对应的位置
消除直流偏置影响
采用反正切解调方法,获得相位数据
分离相位编码数据
输出分离后的相位数据序列,这些数据记录了肌肉变形的信息
关键公式:
相位编码了小幅运动:
\phi_i = \frac{4\pi R_0}{\lambda_0} + \frac{4\pi x(iT)}{\lambda_c}
相位解调:
\phi = tan^{-1}(\frac{Q_i}{I_i})
实验
本研究采集了3名受试者的肌肉活动相关传感器数据。
研究表明，在肌肉收缩过程中雷达相位值显著增大，在肌肉放松过程中则显著减小。
雷达相位数据与EMG信号之间显示出显著关联性。
经标准化处理后，雷达相位值与EMG信号呈指数关系。
关键公式:
标准化后的指数关系:
Y = A(1-e^{-BX})
其中Y是标准化后的肌肉变形,X是标准化后的EMG,A和B为系数。
- 收缩和放松阶段之间存在滞环关系
结论
- 该雷达系统能够非接触地监测肌肉活动。
- 处理后的雷达信号与声肌图(SMG)测得的肌肉变形信号一致。
- 成本低且易于操作是其显著优势。
- 未来的工作计划旨在扩展这一技术以便支持运动员以及随机体运动的有效抵消。