研究人員創造了一種設備，利用光子雷達遠程準確監測呼吸，甚至可以區分多個病人。他們說，他們的設備有一天可能會被用於醫院、老年護理機構和家庭，為有呼吸問題的人提供非接觸式監測。

監測病人的生命體徵對於跟踪他們的健康和身體機能至關重要。目前醫院使用的許多方法都需要與病人進行有線接觸–想想那些放置在胸前記錄心臟和呼吸頻率的粘性電極–如果病人被燒傷，例如，幾乎沒有可接觸的皮膚，這就會有問題。

一個非接觸式的替代方案是基於攝像頭的監測系統，但它們對光線條件和皮膚顏色很敏感，如果在醫療環境中使用，會引起隱私問題。現在，悉尼大學的研究人員已經開發出一種準確監測呼吸的系統，不需要接觸病人。

“基於攝像頭的系統有兩個問題，”該研究的通訊作者Ben Eggleton說。”一個是對照明條件和皮膚顏色的變化非常敏感。另一個是病人的隱私問題，病人的高分辨率圖像被記錄並存儲在雲計算基礎設施中。”

為了克服這些問題，研究人員轉向了光子學。光子雷達，或微波光子雷達，使用光子–高頻率的光能–而不是電子和電來產生無線電波。一個光子收發器通過脈衝激光器產生微波信號，在擊中目標後將信號返回到基於光子學的接收器。

依靠電子技術的傳統射頻（RF）雷達的帶寬很窄，射程分辨率降低。因此，它們不能區分放在一起的目標。

該研究的主要作者Ziqian Zhang說：”光子雷達使用基於光的光子系統–而不是傳統的電子設備–來產生、收集和處理雷達信號。這種方法可以產生非常寬的無線電頻率（RF）信號，提供高度精確和同步的多重跟踪對象”。

研究人員用光探測和測距（LiDAR）補充了他們的光子系統，它使用脈衝光波來測量距離。雖然LiDAR單獨提供良好的範圍和分辨率，但它穿透衣服等物體的能力是有限的。將雷達和LiDAR結合在一起，使該設備具有兩者的優勢，並有一個內置的備份系統。

“我們方法的一個真正創新是互補性：我們展示的系統有能力同時實現雷達和激光雷達檢測，”共同通訊作者Yang Liu說。”這具有內在的冗餘性；如果任何一個系統遇到故障，另一個系統繼續運作”。

研究人員首先使用兩個人類呼吸模擬器測試了他們的設備。他們發現，該雷達可以準確地實時檢測到相距約3.9英寸（10厘米）的兩個目標的呼吸速率。它檢測到了毫米級的不規則呼吸模式，包括較長的吸氣和較短的呼氣以及呼吸的暫停。

接下來，他們在一隻蔗蟾身上測試了他們的設備，它被放置在離雷達大約39英寸（1米）的地方，光束集中在它的口腔區域，該區域在呼吸過程中會移動。與人類的胸部相比，蟾蜍的口腔區域甚至不到一英寸。

蟾蜍呼吸的視頻記錄與從該設備中提取的實時數據進行了交叉比對。它準確地測量了動物的呼吸速率，包括兩棲動物常見的間歇性呼吸。

展望未來，研究人員看到了改進其設備的若干選擇。

Zhang說：”我們可以繼續研究使用片上組件來縮小設備的體積，或者用人類受試者測試其性能，可能是那些已確定的肺部疾病或心臟疾病。另一個前景是深入研究先進的算法，以提高系統在現實世界應用場景中移動受試者的性能，例如在老年護理設施中。”

他們說，他們的設備從遠處測量呼吸的能力提高了病人的舒適度，減少了交叉感染的風險。此外，它還能從一個集中的站點監測多個病人。最終，他們看到了它的一系列應用，包括醫療保健、監獄部門、老年人和家庭護理，以及獸醫和畜牧業的用途。

這項研究發表在《自然-光子學》雜誌上，下面這個由悉尼大學製作的簡短視頻展示了該設備如何監測蔗蟾的呼吸。