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本研究的主要作者包括Tianben Wang（西北工业大学）、Daqing Zhang（法国Institut Mines-Télécom/Télécom SudParis）、Yuanqing Zheng（香港理工大学）、Tao Gu（澳大利亚RMIT大学）、Xingshe Zhou（西北工业大学）和Bernadette Dorizzi（法国Institut Mines-Télécom/Télécom SudParis）。该研究发表于2017年12月的《ACM互动、移动、可穿戴和普适技术论文集》第1卷第4期。
这项研究属于普适计算和健康监测领域。近年来，普适感知技术在生命体征监测中的应用激增，而呼吸频率是其中重要的生命体征之一，常用于评估和追踪人体健康状况。然而，现有的呼吸监测方法要么成本高昂，要么误差率较高。因此，开发一种方便且非侵入性的系统显得尤为必要。本研究旨在提出一种基于相关性调频连续波（C-FMCW）的方法，利用商品音频设备实现高精度的人体呼吸监测。
本研究主要包括以下几个步骤：
首先，研究人员使用两个笔记本电脑分别连接一对商用扬声器（JBL Jembe，6瓦特，80dB）和麦克风（Samson MeteorMic，16位，48kHz），形成一个音频收发器系统。为了过滤背景噪声，研究人员应用了一个带通滤波器（通带[fc, fc + B]），其中fc表示载波频率，B表示扫频带宽。
关键功能模块是使用提出的C-FMCW方法估计每个反射路径的距离。具体而言，首先根据公式(5)计算补偿后的传输信号和接收信号的互相关函数，并找到所有互相关函数的峰值。然后，通过寻找幅度和位置变化最小的峰值来识别参考点。确定参考点后，使用第4.2.2节中提出的解决方案估算所有反射路径的绝对距离（这里的距离指反射路径长度的一半）。通过使用参考点和当前反射路径对应的峰值之间的位置差计算Lag，然后使用C-FMCW距离估算方程(8)估算距离。每个反射路径随时间的距离估算结果保存为距离序列，这些距离序列将作为下一模块的输入。
主要工作是基于距离估算结果检测呼吸。并非所有的距离估算结果都可以用于呼吸检测。首先，使用自相关函数计算所有距离序列的周期性。然后，选择能够很好地反映呼吸的主要反射路径对应的距离序列。从而可以检测到干扰因素（如身体运动、睡姿变化等）。图8显示了用户改变睡姿时的呼吸检测结果。当用户改变睡姿时，系统会停止识别呼吸，因为在此期间的距离估算波动无法可靠地捕捉胸部运动。一旦至少有一个距离序列的周期性高于阈值，系统将恢复识别呼吸。
实验结果表明，本系统在不同房间和不同睡姿下的呼吸检测中均表现出色。具体来说，在四个不同的房间中，系统的中位数呼吸检测误差均为0次/分钟，而基线方法的中位数误差为0.35次/分钟。此外，在第一种场景下（薄衣物或薄被子覆盖，窗户打开或空调开启），本系统表现良好，误差小于0.5次/分钟，而基线方法未能检测到呼吸。这主要是因为基线方法通过感应呼出气流来检测呼吸，容易受到环境气流（如风或人经过）的干扰。相比之下，本系统仍然有效，因为其测量的是收发器与受试者胸部之间的距离，不会受到气流的影响。
在第二种场景下（厚衣物或被子覆盖），基线方法表现良好，而本系统未能检测到呼吸。这是因为在这种情况下，呼吸过程中胸部运动的位移会被埋没，因为厚衣物或被子的位移非常小。基线方法的感应目标是鼻孔周围的气流，因此不受厚衣物或被子的影响。在第三种场景下（薄衣物或薄被子覆盖，窗户关闭且空调关闭），两种系统均表现良好，因为没有干扰。在第四种场景下（被子覆盖头部或俯卧睡觉），两种系统均未能检测到呼吸，因为鼻孔周围的呼出气流被阻挡，背部反射的位移太小而无法直接检测到。
本研究提出了一种基于C-FMCW的非接触式呼吸检测系统，利用商品音频设备实现了高精度的距离估算。实验结果表明，该系统在不同房间和不同睡姿下的呼吸检测中均表现出色，中位数误差低于0.35次/分钟。本研究不仅在科学上具有重要意义，还在实际应用中提供了巨大的价值，例如在家庭环境中进行长期呼吸监测，帮助老年人和慢性病患者更好地管理健康。
本研究的重要发现包括：1）C-FMCW方法实现了亚厘米级的距离估算精度；2）利用商品音频设备实现了高精度的呼吸检测；3）解决了采样频率偏移、启动时间差异和多重反射路径选择等实际问题。此外，本研究还展示了C-FMCW方法在其他细微运动检测（如心跳、手指手势甚至机械振动）中的潜在应用价值。
尽管实验结果表明该系统可以在真实房间中检测三种常见睡姿下的呼吸，并能适应不同的实际场景、不同的传感距离、变化的呼吸速率、不同类型的模拟呼吸暂停和身体运动，但目前的实施仍存在一些局限性。首先，收发器必须直接面对腹部以确保能够接收到反射的声信号。其次，由于用户的隐私和法律问题，尚未对患有睡眠呼吸暂停的受试者进行测试。然而，这些实验至少允许我们评估系统是否能够检测到一些导致呼吸停止或其他不规则呼吸模式的呼吸暂停事件。