一種非接觸式生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)領(lǐng)域，特別涉及一種非接觸式生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 心跳、呼吸、血壓等是人體的基本生命體征信息參數(shù)，這些體征參數(shù)的變化直接反 映了人體的身體是否健康，而且體征參數(shù)的異常也是引發(fā)醫(yī)學(xué)上的突發(fā)緊急事件原因之 一，因此對(duì)人體體征信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掌握具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。目前臨床上主要依靠 貼附于人體的電極、接觸式傳感器等進(jìn)行測(cè)量來(lái)實(shí)時(shí)獲得人體的生命參數(shù)信號(hào)，其主要檢 測(cè)方法有：容積式呼吸測(cè)量法、速度式呼吸測(cè)量法等。這些方法都需要直接或間接的接觸人 體，大大制約了其應(yīng)用范圍，而且儀器對(duì)身體的接觸也給生命體征信息探測(cè)的準(zhǔn)確度帶來(lái) 一定的影響，同時(shí)也給生命體征信息的后期處理帶來(lái)很多不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種非接觸生命體征信息監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)，該系統(tǒng)融合生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)于一體，不需要任何電極或傳感器去接觸生命 體，可以在較遠(yuǎn)的距離內(nèi)探測(cè)到生命體的生命體征信號(hào)（呼吸、心跳等），對(duì)大面積燒傷創(chuàng) 傷等危重病人、傳染病人以及精神病人等來(lái)說(shuō)進(jìn)行生命體征信息的監(jiān)測(cè)有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià) 值，因?yàn)檫@些群體不宜采用接觸式方法進(jìn)行生理參數(shù)測(cè)量。它不僅可以應(yīng)用在臨床醫(yī)學(xué)軍 事方面，在塌方、地震等災(zāi)害情況下的傷員及時(shí)解救中同樣發(fā)揮了重要的作用。
[0004] 根據(jù)本發(fā)明提出的一種非接觸生命體征信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括雷達(dá)信號(hào)發(fā)射單元， 模擬接收單元，數(shù)字下變頻單元，數(shù)字信號(hào)處理單元，其特征在于，
[0005] 所述雷達(dá)信號(hào)發(fā)射單元主要包括產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)的本地振蕩器和發(fā)射信號(hào)的天線， 用以發(fā)射固定頻率的連續(xù)波，
[0006] 所述模擬接收單元包括低噪放大器，射頻帶通濾波器，混頻器，本地振蕩器，中頻 濾波器，用以收集正交的多路生命體征信號(hào)，
[0007] 所述數(shù)字下變頻單元包括本地振蕩器、混頻器、低通濾波器和抽取器，是在高中頻 信號(hào)中提取有用信號(hào)，采用正交解調(diào)將信號(hào)分成多路，
[0008] 所述數(shù)字信號(hào)處理單元，通過(guò)反正切解調(diào)提取多路基帶信號(hào)的信息，根據(jù)各路信 號(hào)的頻域不同，利用自適應(yīng)濾波器將各路生命體征信號(hào)進(jìn)行分離，最后用傅立葉變換進(jìn)行 信號(hào)的頻率提取。
[0009] 本發(fā)明的工作原理是：雷達(dá)通過(guò)本振向人體發(fā)射連續(xù)波信號(hào)，由于人體生命運(yùn)動(dòng) (呼吸、心跳等）的存在，將雷達(dá)周期信號(hào)進(jìn)行了調(diào)制，使得被人體反射回去的回波信號(hào)特 點(diǎn)發(fā)生了變化。對(duì)該回波信號(hào)（攜帶有與被測(cè)人體生命體征相關(guān)的信息）進(jìn)行放大、濾波、 解調(diào)、分離，接下來(lái)將一系列處理過(guò)后的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示，最終就 獲得了被測(cè)人體的生命體征參數(shù)（呼吸、心跳等），從而可以得到人體的生命體征信息。
[0010] 由于非接觸式生命體征的監(jiān)測(cè)是基于在毫米或厘米距離處感知小的生理運(yùn)動(dòng)，因 此隨機(jī)的身體運(yùn)動(dòng)或周?chē)h(huán)境的變化會(huì)極大地干擾精準(zhǔn)的檢測(cè)。例如，當(dāng)在診所中使用雷 達(dá)來(lái)監(jiān)測(cè)夜間睡眠呼吸暫停時(shí)，當(dāng)被監(jiān)測(cè)者在床上翻身的時(shí)候，監(jiān)測(cè)的生命體征信號(hào)會(huì)中 斷，進(jìn)而引起誤報(bào)警。生命體征信號(hào)的頻率很低（一般來(lái)說(shuō)大約在0. 1-3HZ)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn) 生的相位噪聲可能會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)的影響，妨礙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常工作。在這種情況下就要對(duì)人 體呼吸、心跳等參數(shù)進(jìn)行提取、分離與處理，使檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的信號(hào)檢測(cè)靈敏度。在發(fā) 明中針對(duì)該干擾信號(hào)特點(diǎn)采用了基于最小均方誤差（LMS)或最小二乘法算法（RLS)，將同 時(shí)攜帶呼吸、心跳頻率成分的信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)呼吸和心跳信號(hào)的分離。
[0011] 雷達(dá)信號(hào)發(fā)射單元：連續(xù)波發(fā)射器發(fā)射固定頻率的連續(xù)波，經(jīng)過(guò)環(huán)形器至天線，由 天線將連續(xù)波發(fā)送出去；當(dāng)遇到目標(biāo)后，大部分的電磁波就會(huì)被目標(biāo)反射回來(lái)至天線，天線 接收回波后經(jīng)環(huán)形器加載到混頻器，再進(jìn)行后續(xù)處理。
[0012] 模擬接收單元：天線將接收到的微弱的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪放大器放大后送入射頻 帶通濾波器（射頻帶通濾波器也稱(chēng)預(yù)選器，主要作用是衰減帶外信號(hào)和鏡像干擾），之后進(jìn) 入混頻器，輸入的射頻信號(hào)與本振信號(hào)在混頻電路中進(jìn)行混頻，輸出中頻信號(hào)，隨后通過(guò)中 頻濾波器濾出我們需要的中頻信號(hào)。
[0013] 數(shù)字下變頻單元：包含A/D采樣和數(shù)字下變頻兩個(gè)過(guò)程。A/D采樣是在中頻進(jìn)行 帶通采樣，中頻頻率為75MHz，采樣頻率為IOOMHz;數(shù)字下變頻從高速中頻數(shù)字信號(hào)中提取 有用信號(hào)，將75MHz中頻信號(hào)下變頻至零中頻信號(hào)，下變頻采用正交解調(diào)將信號(hào)分成多路 信號(hào)，送入數(shù)字信號(hào)處理單元中進(jìn)行后續(xù)處理。數(shù)字下變頻部分由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0014] 數(shù)字信號(hào)處理單元：要包括反正切解調(diào)和自適應(yīng)濾波算法（最小均方誤差LMS算 法或最小二乘法算法RLS算法）。從數(shù)字下變頻模塊輸出的多路信號(hào)基帶信號(hào)送入數(shù)字信 號(hào)處理部分，經(jīng)過(guò)反正切解調(diào)提取多路基帶信號(hào)的信息，根據(jù)生命體征信號(hào)的頻域不同，利 用自適應(yīng)濾波技術(shù)將這兩信號(hào)進(jìn)行分離，最后用傅立葉變換進(jìn)行這兩種信號(hào)的頻率提取， 將結(jié)果送至PC顯示，最終獲得被測(cè)者實(shí)際體征情況，數(shù)字信號(hào)處理部分由DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0015] LMS算法：它的基本原理是在最速下降法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，即沿著權(quán)值的梯 度估值的負(fù)方向搜索，達(dá)到權(quán)值最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)均方誤差最小意義下的自適應(yīng)濾波。
[0016] 本發(fā)明中使用的LMS算法是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的可變步長(zhǎng)的自適應(yīng)LMS算法。該算法的步 長(zhǎng)因子是以現(xiàn)時(shí)誤差和前一時(shí)刻誤差的自相關(guān)的時(shí)間均值估計(jì)的平方作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)自動(dòng)調(diào) 節(jié)的，因此算法有較小的穩(wěn)態(tài)失調(diào)量，在自適應(yīng)初始階段有較快的收斂速度，該算法原理如 下：
[0017] e(n) =d(n)-wH(n_l)X(n)
[0018] y(n) =wT (n)x(n)
[0019] w(n) =w(n_l) +y(n)u(n)e* (n)
[0020] 其中，w(n)是n時(shí)刻濾波器全系數(shù)矢量，w(n) = [w0 (n)，W1 (n) ? ? ?Wlri (n)]，d(n) 為期望信號(hào)，x(n)是n時(shí)刻的輸入矢量，y(n)為調(diào)節(jié)的步長(zhǎng)。
[0021] RLS算法：自適應(yīng)RLS算法旨在使期望信號(hào)與濾波器輸出之差的平方和達(dá)到最小， 它可以在外界環(huán)境變化的時(shí)候自動(dòng)調(diào)整自身參數(shù)逐步實(shí)現(xiàn)最優(yōu)處理結(jié)果，這一點(diǎn)對(duì)于隨機(jī) 性較強(qiáng)的非平穩(wěn)信號(hào)來(lái)說(shuō)十分有效。由于生命體征信號(hào)很弱，受到的外界干擾比較強(qiáng)，信號(hào) 隨機(jī)性很強(qiáng)且信號(hào)通常又是非平穩(wěn)的，本項(xiàng)目中也選用了自適應(yīng)RLS濾波算法來(lái)進(jìn)行人體 生命體征信號(hào)的處理，從心跳和呼吸的回波信號(hào)中將這兩個(gè)信號(hào)分離出來(lái)。
[0022]自適應(yīng)RLS算法是從給定的初始條件出發(fā)，通過(guò)應(yīng)用新的數(shù)據(jù)樣值中所包含的信 息對(duì)舊的估值來(lái)實(shí)現(xiàn)更新。可測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度是可以變化的，與一般的最小二乘方法不同的 是，自適應(yīng)RLS算法在最小化的代價(jià)函數(shù)e(n)中引入了指數(shù)加權(quán)因子0 (n，i)。公式表 示為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種非接觸式生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，包括雷達(dá)信號(hào)發(fā)射單元，模擬接收單元，數(shù)字下變 頻單元，數(shù)字信號(hào)處理單元，其特征在于， 所述雷達(dá)信號(hào)發(fā)射單元主要包括產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)的本地振蕩器和發(fā)射信號(hào)的天線，用以 發(fā)射固定頻率的連續(xù)波， 所述模擬接收單元包括低噪放大器，射頻帶通濾波器，混頻器，本地振蕩器，中頻濾波 器，用以收集正交的多路生命體征信號(hào)， 所述數(shù)字下變頻單元包括本地振蕩器、混頻器、低通濾波器和抽取器，用以在高中頻信 號(hào)中提取有用信號(hào)，采用正交解調(diào)將信號(hào)分成多路， 所述數(shù)字信號(hào)處理單元，通過(guò)反正切解調(diào)提取多路基帶信號(hào)的信息，根據(jù)各路信號(hào)的 頻域不同，利用自適應(yīng)濾波器將各路體生命征信號(hào)進(jìn)行分離，最后用傅立葉變換進(jìn)行信號(hào) 的頻率提取。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述雷達(dá)信 號(hào)發(fā)射單元，發(fā)射功率是0.1 mW的2. 5GHz連續(xù)波。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬接 收單元，天線把接收回來(lái)的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻處理到75MHz的中頻信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字下 變頻單元，基于多相濾波的正交解調(diào)將采樣后的中頻數(shù)字信號(hào)下變頻至零中頻信號(hào)，隨后 通過(guò)濾波器進(jìn)行一系列抽取處理，將IOOMHz的采樣率最終轉(zhuǎn)換為IOOHz的低頻信號(hào)供后續(xù) 的DSP處理。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述自適應(yīng) 濾波器由參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器和自適應(yīng)算法組成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種非接觸式生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述自適 應(yīng)算法為L(zhǎng)MS算法或RLS算法。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種非接觸式生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，主要采用連續(xù)波雷達(dá)來(lái)探測(cè)人體的生命體征信號(hào)。本系統(tǒng)首先由雷達(dá)信號(hào)發(fā)射單元向待測(cè)生命體發(fā)射固定頻率的連續(xù)波，其次模擬接收單元收集產(chǎn)生的正交多路生命體征信號(hào)，再次利用數(shù)字下變頻單元用以在高中頻信號(hào)中提取有用信號(hào)，采用正交解調(diào)將信號(hào)分成多路，最后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理單元，提取多路基帶信號(hào)的信息，并利用自適應(yīng)濾波器將各路生命體征信號(hào)進(jìn)行分離，并用傅立葉變換進(jìn)行信號(hào)的頻率提取。本發(fā)明使用方便，測(cè)量準(zhǔn)確，具有良好的抗干擾能力，其在使用時(shí)無(wú)需接觸生命體，即可獲得高精度生命體征數(shù)據(jù)，方便相關(guān)人員準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、連續(xù)地掌握被測(cè)人員的生命體征狀況。
【IPC分類(lèi)】A61B5-0205
【公開(kāi)號(hào)】CN104644143
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510102048
【發(fā)明人】耿希華
【申請(qǐng)人】耿希華
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年3月9日