CN102508256A - 非接触式实时生理信号监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式实时生理信号监测系统。该系统包括：目标捕捉装置，用于捕捉目标，得到目标的位置信息；跟踪控制单元，用于根据目标的位置信息，控制云台转动和/或俯仰，维持位于云台上方的生物雷达的天线对准目标；生物雷达，用于产生并发射探测信号，接收目标反射的带有人体生理信息的回波信号；数据采集和处理单元，用于从生物雷达的回波信号中进行采样，并从采样取得的信号中分析提取出探测目标的生理信息。本发明中，目标捕捉与跟踪单元可以保证生理信号传感器的天线随时指向目标，从而有利于扩大探测目标的空间范围，同时所需辐射功率低。

Description

非接触式实时生理信号监测系统

技术领域

本发明涉及医学行业生理信号检测领域，尤其涉及一种非接触式实时生理信号监测系统。

背景技术

实时监测人体生理参数在很多场合有重要意义，如临床上了解病人的呼吸心率随时间的变化规律，老年人的家庭健康监护场合，特殊人群的生理状况监护等。为了使实时监测能够更方便的进行，对受监测对象产生尽可能小的影响，目前，生理信号采集系统的体积和功耗大幅减小，便携性和可穿戴性增强，并出现非接触式的生理信号监测方式。

非接触生理信号监测中，用于生理信号采集传感器或探头本身不与人体接触，而是用电磁波，红外线，超声等方式间接的获取人体生理参数，传感器与信号处理设备间用有线连接或者使用无线通信。非接触式的生理信号监测方式更有益于受监测对象，使监测对象使用方便，不受监测仪器束缚，活动自由，无需主动介入监测，同时这种监测方式适应更多的监测场合，包括灾害救援、隔墙监控、传染性疾病临床监护等特殊场合。因此，非接触式实时生理参数监测具有较高的研究价值。

目前，非接触式生理参数监测手段主要有激光探测、红外探测、声波探测、生物雷达探测技术。其中应用生物雷达的探测技术不易受到环境影响，穿透障碍物的能力更强，具更广泛的应用空间。应用生物雷达的非接触式生理信号监测原理可简述为：生物雷达发送电磁波，并接收回波信号，通过监测回波信号的某些特征，如频率、相位、形状等，得到所探测对象的种类、数量、姿态、方位、生理参数等信息。

在现阶段，非接触式生理信号监测方式仍存在一些问题有待研究解决：

1、为在一定距离和空间范围内监测目标，需要较大辐射功率，监测装置的工作效率低。当使用生物雷达监测人体生理参数时，需要使足够大强度的电磁波辐射到人体，以使得反射后衰减的电磁波仍然能够被检出，而为了在一定距离和空间范围内起作用，往往需要大功率的辐射源，辐照较大面积的空间范围(全向的辐射或半空间辐射等)，这样不利于节省功耗，会增加电磁污染，有可能使监测目标受到不必要的强辐射。另外，为了使辐照面积包含更大的空间，需要使用全向天线或大体积天线，这不利于天线的集成；

2、使用生理信号采集传感器或探头难以区分监测目标和障碍物、准确定位监测目标，因此会引入较多噪声，使得算法处理困难，算法实时性较差，难以应用到实际生活中来。由于雷达采集信号的过程不是只针对监测目标的，而是同时采集较大空间范围的信号，或者扫描一段距离空间内的信号，所以雷达采集的信号受环境的影响很大，尤其是雷达的接收会受到其他物体反射带来的干扰。为了克服这类干扰很多人研究更先进的算法和电路结构，如采用多个生物雷达放置在不同位置共同作用等，但目前来看这些措施或者增加系统的复杂度和开销，使得算法的实时处理更加困难，或者在提高生理参数分析识别精度方面表现不明显。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种非接触式实时生理信号监测装置，以提高探测的灵敏度，降低噪声。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种非接触式实时生理信号监测系统。该系统包括：云台、目标捕捉装置、跟踪控制单元、生物雷达及数据采集和处理单元；其中，目标捕捉装置，用于捕捉目标，得到目标的位置信息；跟踪控制单元，用于根据目标的位置信息，控制云台转动和/或俯仰，维持位于云台上方的生物雷达的天线对准目标；生物雷达，用于产生并发射探测信号，接收目标反射的带有人体生理信息的回波信号；数据采集和处理单元，用于从生物雷达的回波信号中进行采样，并从采样取得的信号中分析提取出探测目标的生理信息。

优选地，本发明非接触式实时生理信号监测系统还包括：距离测量装置及功率调整单元，其中，跟踪控制单元，还用于维持位于云台上方的距离测量装置对准目标。距离测量装置，用于测量生物雷达与监测目标之间的距离；功率调整单元，用于根据生物雷达与监测目标之间的距离，调整生物雷达的信号发射功率。优选地，数据采集和处理单元，还用于结合生物雷达与监测目标之间的距离，从采样取得的信号中分析提取出探测目标的生理信息。

(三)有益效果

从上述技术方案可知，本发明非接触式实时生理信号监测装置具有下列有益效果：

1、目标捕捉与跟踪单元可以保证生理信号传感器的天线随时指向目标，因此生理信号传感器的天线可以使用高指向性的天线，指向性高的天线有助于在同样辐射强度时探测到更远的目标，因此，本发明装置有利于扩大探测目标的空间范围，同时所需辐射功率低；

2、由于使用指向性好的天线，所获得的生物雷达信号中引入的环境噪声会减少，有利于后续的生物雷达信号分析和提高算法的识别效果；

3、距离测量装置可估计出目标与生物雷达之间的距离，这有利于发射电磁波信号的强度可以根据实际需要而改变，从而降低功耗。同时也有利于降低生物雷达信号处理算法复杂度，有利于提高监测系统的实时性。

附图说明

图1为本发明实施例非接触式实时生理信号监测装置的示意图；

图2为本发明实施例非接触式实时生理信号监测装置在应用场景1的结构示意图；

图3为本发明实施例非接触式实时生理信号监测装置在应用场景2的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的目的是提供一种功率低、指向性高、监测范围大的非接触式实时生理监测装置。该装置能够自动捕捉生物雷达所要监测的目标，使指向性高的天线始终瞄准监测目标，并且能够自动获得与该目标的距离信息，根据距离信息自动调整雷达功率，优化雷达信号处理算法，从而达到监测目标定位精确、电磁辐射功率低、监测范围大的目的。

图1为本发明实施例非接触式实时生理信号监测装置的示意图。如图1所示，本实施例包括：生物雷达，距离测量装置，功率调整单元，目标捕捉装置，跟踪控制单元，云台，数据采集和处理单元，监测装置。其中距离测量装置，生物雷达，目标捕捉装置固定在云台上，可随云台做全向运动。跟踪控制单元、数据采集和处理单元、监测装置中可以集成在计算机中，并与相应设备通过控制线相连接；也可以通过相应的芯片电路实现。

在本发明优选的实施例中，系统自下向上，依次为云台、距离测量装置、生物雷达和目标捕捉装置。但事实上，云台、距离测量装置、生物雷达和目标捕捉装置位置并没有特殊的限制，只要各装置都能够正常工作即可。以下分别对各装置进行介绍：

目标捕捉装置用于捕捉目标(得到目标的位置信息)。目标捕捉装置可以是摄像机，红外成像设备等。目标捕捉装置与跟踪控制单元相连。

跟踪控制单元用于根据目标捕捉装置得到的位置信息，发出指令控制云台转动，维持生物雷达对准目标。跟踪控制单元可以在计算机上实现、用微控制器(单片机等)等实现。跟踪控制单元与目标捕捉装置和云台相连。

云台用于根据跟踪控制单元的指令进行转动。云台可以是电动全向云台等。云台的电动控制部分与跟踪控制单元相连，机械部分与距离测量装置，生物雷达，目标捕捉装置连接并固定。当目标捕捉装置捕捉目标信息后，跟踪控制单元做出响应，云台根据指令执行转动动作，动作的结果是使得生物雷达的天线更准确的指向监测目标。

生物雷达用于发射电磁波(产生发射信号)，接收监测目标(人体)反射的带有人体生理信息的回波(接收回波信号)。其中，生物雷达可以是连续波多普勒雷达，超宽带雷达等。生物雷达包括接收和发射天线，射频发生电路，发射电路，接收电路，信号处理电路等。生物雷达与数据采集和处理单元、功率调整单元相连。

距离测量装置用于测量生物雷达与监测目标之间的距离。距离测量装置可以是超声测距装置、激光测距装置、红外测距装置等。距离测量装置与数据采集和处理单元、功率调整单元相连。

功率调整单元用于根据距离测量装置得到的距离信息控制生物雷达的发射功率，使得发射功率随实际需求而变，即满足监测生理参数的需求，又不至于过大而增加能耗和对人体的射频辐射。功率调整单元可以包括控制电路和与生物雷达发射部分连接的电路实现，也可以集成于生物雷达中。功率调整单元与距离测量装置、生物雷达相连。

数据采集和处理单元用于采集生物雷达和距离测量装置产生的数据，包括模数转换、电平转换、滤波、缓存等，并对取得的数据进行算法处理。根据生物雷达的回波信号分析提取出探测目标的生理信息，包括呼吸、心跳的频率和幅度等。运用距离测量装置获得的距离信息作为算法处理中的辅助参数，提高生理参数的测量精度和算法的实时性。数据采集和处理单元可以包括数据采集卡、微控制器、专用模数转换芯片、计算机等。数据采集和处理单元与生物雷达、距离测量装置、监测装置相连。

监测装置用于整理、记录(存储)数据处理单元得出的生理参数，并具有显示，提示，向其它软硬件设备输出的功能。监测装置可以包括手持移动终端，互联网计算机，专用监测记录仪等。目标捕捉装置与数据处理单元相连。

本发明中，目标捕捉与跟踪单元可以保证生理信号传感器的天线随时指向目标，从而生物雷达的天线可以使用高指向性的天线，指向性高的天线有助于在同样辐射强度时探测到更远的目标。因此，本发明装置有利于扩大探测目标的空间范围，同时所需辐射功率低。同时，由于使用指向性好的天线，所获得的生物雷达信号中引入的环境噪声会减少，有利于后续的生物雷达信号分析和提高算法的识别效果。本发明中的距离测量装置可估计出目标与生物雷达之间的距离，这有利于降低生物雷达信号处理算法复杂度，有利于提高监测系统的实时性。以下将以两个具体的应用场景为例对本发明非接触式实时生理信号监测装置的工作过程进行说明

应用场景1：

图2为本发明实施例非接触式实时生理信号监测装置在应用场景1的结构示意图。如图2所示，本应用场景中连续波多普勒雷达相当于所述生物雷达，连续波多普勒雷达集成发射功率调整电路，这个调整电路相当于所述功率调整单元。超声测距仪相当于所述距离测量装置，摄像头相当于所述目标捕捉装置，计算机内的跟踪控制程序和云台驱动器共同作用相当于所述跟踪控制单元，全向云台相当于所述云台，数据采集卡和计算机内软件相当于所述数据采集和处理单元，计算机内实现的数据存储、显示、与互联网交换数据、对比数据库对所得数据做出判断、警报等功能共同作用相当于所述监测装置。

本应用场景下非接触式实时生理信号监测装置的工作过程描述如下：

(1)当装置正常上电工作后，首先启用摄像头进行图像采集，采集到的图像传输至计算机，用计算机内的跟踪控制程序对其使用人脸识别算法判断图像中是否有人，如果跟踪控制程序没有成功识别出人脸则发出指令控制云台转换到其他视角(控制指令从计算机输出后经过云台驱动器再与全向云台相连)，并重新接收摄像头的采集数据进行处理和判断；

(2)如果跟踪控制程序成功识别出人脸，则进一步计算出人脸的坐标，发出指令控制云台旋转到超声测距仪可探测到人体的位置；

(3)计算机读取超声测距仪的数据，取得生物雷达与人脸之间的距离信息，再根据该距离信息估算出人心脏的位置，进而发出指令控制云台转换到该位置，即使得连续波多普勒雷达的天线指向被监测人体的心脏部位。与此同时，连续波多普勒雷达发射信号的功率根据超声测距仪等到的距离信息做出调整；

(4)装置进入正常工作状态，所得到的雷达信号由数据采集卡进行采集和传输，计算机内的信号处理程序在接收到采集卡的数据后，结合超声测距仪的距离信息，经过一系列算法，得出被监测对象的呼吸频率，心率及其变化情况。计算机内的监测程序与互联网相通，所的监测结果被实时的传输至病例数据库进行比对，得出监测分析结果反馈回来，与心率，呼吸频率及其变化趋势等信息同时显示在计算机的显示屏上；

(5)当计算机内的跟踪控制程序发现采集到的图像位置发生足够大的偏移(偏移大小有一个门限机制，偏移量小于这个门限时云台不动作)，则发出控制指令使跟踪捕捉过程重新进行，全向云台按照偏移向量旋转，使雷达的天线重新瞄准被监测对象的心脏部位。

应用场景2：

图3为本发明实施例非接触式实时生理信号监测装置在应用场景2的结构示意图。如图3所示，本实施例中超宽带雷达相当于所述生物雷达，超宽带雷达集成发射功率调整电路，这个调整电路相当于所述功率调整单元。激光测距仪相当于所述距离测量装置，红外热像仪相当于所述目标捕捉装置，嵌入式平台内的跟踪控制程序相当于所述跟踪控制单元，全向云台相当于所述云台，嵌入式平台同时相当于所述数据采集和处理单元，以及所述监测装置。

本应用场景下非接触式实时生理信号监测装置的工作过程描述如下：

(1)当装置正常上电工作后，首先启用红外热像仪进行图像采集，得到热分布图像，采集到的图像传输至嵌入式系统，用嵌入式系统内的跟踪控制程序对其进行结合温度信息的图像识别，根据温度和热分布产生的人体轮廓，使用识别算法判断图像中是否有人，如果跟踪控制程序没有成功识别出人体轮廓，则发出指令控制全向云台转换到其他视角，并重新接收红外热像仪的采集数据进行处理和判断；

(2)如果跟踪控制程序成功识别出人体轮廓，则进一步计算出人的位置信息，发出指令控制云台旋转到激光测距仪可探测到的位置；

(3)嵌入式系统读取激光测距仪的数据，取得超宽带雷达与人体之间的距离信息，再根据该距离信息估算出人心脏的位置，进而发出指令控制云台转换到该位置，即使得超宽带雷达的天线指向被监测人体的心脏部位。与此同时，超宽带雷达进入正常工作状态，所得到的雷达信号由数据采集卡进行采集和传输。计算机内的超宽带雷达信号处理程序结合激光测距仪的距离信息，将超宽带雷达的距离扫描范围限定在所得到的距离信息附近，以减小处理算法的工作量；

(4)经过一系列算法，信号处理程序得出被监测对象的呼吸频率，心率及其变化情况，并将得出的监测分析结果(包括心脏搏动波形，心率，呼吸频率及其变化趋势曲线等信息)显示在嵌入式平台的显示屏上；

(5)当嵌入式平台内的跟踪控制程序发现采集到的图像位置发生足够大的偏移(偏移大小有一个门限机制，偏移量小于这个门限时云台不动作)，则发出控制指令使跟踪捕捉过程重新进行，全向云台按照偏移向量旋转，使超宽带雷达的天线重新瞄准被监测对象的心脏部位。

综上所述，本发明非接触式实时生理信号监测装置具有下列有益效果：

1、目标捕捉与跟踪单元可以保证生理信号传感器的天线随时指向目标，因此生理信号传感器的天线可以使用高指向性的天线，指向性高的天线有助于在同样辐射强度时探测到更远的目标，因此，本发明装置有利于扩大探测目标的空间范围，同时所需辐射功率低；

2、同时，由于使用指向性好的天线，所获得的生物雷达信号中引入的环境噪声会减少，有利于后续的生物雷达信号分析和提高算法的识别效果；

3、本发明中的距离测量装置可估计出目标与生物雷达之间的距离，这有利于降低生物雷达信号处理算法复杂度，有利于提高监测系统的实时性。同时也有利于发射电磁波信号的强度可以根据实际需要而改变，从而降低功耗。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非接触式实时生理信号监测系统，其特征在于，包括：云台、目标捕捉装置、跟踪控制单元、生物雷达及数据采集和处理单元；其中，

所述目标捕捉装置，用于捕捉目标，得到目标的位置信息；

所述跟踪控制单元，用于根据所述目标的位置信息，控制所述云台转动和/或俯仰，维持位于云台上方的所述生物雷达的天线对准目标；

所述生物雷达，用于产生并发射探测信号，接收目标反射的带有人体生理信息的回波信号；

所述数据采集和处理单元，用于从所述生物雷达的回波信号中进行采样，并从采样取得的信号中分析提取出探测目标的生理信息。

2.根据权利要求1所述的非接触式实时生理信号检测系统，其特征在于，还包括：距离测量装置及功率调整单元，其中，

所述跟踪控制单元，还用于维持位于云台上方的所述距离测量装置对准目标。

所述距离测量装置，用于测量所述生物雷达与监测目标之间的距离；

所述功率调整单元，用于根据所述生物雷达与监测目标之间的距离，调整所述生物雷达的信号发射功率。

3.根据权利要求2所述的非接触式实时生理信号检测系统，其特征在于，

所述数据采集和处理单元，还用于结合所述生物雷达与监测目标之间的距离，从采样取得的信号中分析提取出探测目标的生理信息。

4.根据权利要求2所述的非接触式实时生理信号检测系统，其特征在于，系统自下向上，依次为所述云台、所述距离测量装置、所述生物雷达和所述目标捕捉装置；

所述距离测量装置、所述生物雷达、所述目标捕捉装置均固定在所述云台上，随所述云台做全向运动。

5.根据权利要求2所述的非接触式实时生理信号检测系统，其特征在于，所述距离测量装置为超声测距装置、激光测距装置，或红外测距装置。

6.根据权利要求1所述的非接触式实时生理信号检测系统，其特征在于，所述跟踪控制单元，还用于如果当前目标位置信息与预存的前期目标位置信息相比偏移值大于预设的偏移阈值时，控制所述云台重新转动和/或俯仰，维持所述生物雷达天线对准目标。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的非接触式实时生理信号检测系统，其特征在于，所述目标捕捉装置为摄像机或红外成像设备。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的非接触式实时生理信号检测系统，其特征在于，所述生物雷达为连续波多普勒雷达或超宽带雷达。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的非接触式实时生理信号检测系统，其特征在于，还包括：监测装置；

所述监测装置，用于记录、显示，和/或向外界输出所述探测目标的生理信息。

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