CN102973254B - 非接触式心肺活动监视装置及其信号的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非接触式心肺活动监视装置，其包含一用以产生一高频弦波脉冲序列的脉冲产生器、一用以从所述高频振波脉冲序列产生一探测高频弦波脉冲序列及一参考高频弦波脉冲序列的分割器、一发射所述探测高频弦波脉冲序列至一待测者的心肺部的发射天线、一接收经所述心肺部散射的探测高频弦波脉冲序列的接收天线、一耦合于所述接收天线且产生一心肺活动信号的平衡混波器以及一耦接于所述平衡混波器的信号处理模块。所述平衡混波器包含一接收所述参考高频弦波脉冲序列的第一输入端以及一电气连接于所述接收天线的第二输入端。

Description

非接触式心肺活动监视装置及其信号的获取方法

本案是申请号为200610170013.9，申请日为2006年12月22日，公开日为2008年6月25日，申请人为财团法人工业技术研究院，发明名称为“非接触式心肺活动监视装置及其信号的获取方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种非接触式心肺活动监视装置及心肺活动信号的获取方法，尤其涉及一种使用高频弦波脉冲序列测量心跳及呼吸信号的非接触式心肺活动监视装置及心肺活动信号的获取方法。

背景技术

早产儿常发生呼吸障碍疾病，例如呼吸暂停或间歇性呼吸等。呼吸障碍疾病可引发两种症状：其一主要发生于早产儿的呼吸暂停，又称未熟性呼吸暂停症(apnea ofprematurity，AOP)；另一则为婴儿猝死症(sudden infant death syndrome，SIDS)或明显的致命性事件(apparent life threatening event，ALTE)。未熟性呼吸暂停症如不予以治疗的话，有这种病症的早产儿属于婴儿猝死症的高危险群，在家中发生意外的可能性较高。呼吸停止后可能会发生心跳迟缓，甚至血压下降等血流动力学上的连锁反应，而这些血流动力学上的变化则可能会引起重要器官，尤其是脑组织暂时性的缺血或缺氧，甚至造成永久性伤害。临床上对早产儿的照顾经常遭遇到婴儿在其它各方面均已经恢复而达到可出院回家的状态，仅有此类偶发性的呼吸暂停症使得他们必须留在医院里接受持续观察。

目前临床使用的婴儿监视器都以传统的床边病人生理监视器为基础，使用上必须以三片电极紧贴在婴儿胸部皮肤上，获取因呼吸而产生的胸腔阻抗的变化信号以及心跳信号，然后将这两种信号以滤波器分离转换计算为呼吸频率及心跳频率。此种监测技术的最大缺点为电极长期接触皮肤易于造成敏感红肿溃烂等后遗症。此外，临床用监视器的价格相当昂贵，因而不适于居家护理用途。

为了解决上述问题，美国专利US 4,738,264揭示一种可放置于床上且与病人分离的振动测量装置，其工作原理为将呼吸与心跳造成人体体表的微弱振动经过床铺传送至测量装置，再转换为代表婴儿呼吸与心跳的综合能量指标。此一技术的缺点为无法准确的分辨及测量婴儿的呼吸频率与心跳频率，因此无法满足临床对于AOP的检测警示阀值的需求(即呼吸率低于20次/分钟或呼吸中止期间超过15秒，及心跳率低于80次/分钟)。

另外，美国专利US 5,964,720揭示一种分散式振动测量系统，其使用压电晶体为振动感测元件，并以条状导电薄膜作为感测元件的基座。这些条状导电膜可埋入床垫、椅背或椅垫内以便检测病人呼吸与心跳所造成的人体体表微弱振动。此一技术的主要缺点在于感测元件所获取的信号为心脏与胸腔振动经过人体与床铺或座椅传送，易受到环境振动噪音的干扰。

发明内容

本发明提供一种使用高频弦波脉冲序列测量心跳及呼吸信号的非接触式心肺活动监视装置及心肺活动信号的获取方法，其可避免常规技术使用电极长期接触皮肤而易于造成敏感红肿溃烂等后遗症。

本发明的非接触式心肺活动监视装置包含一输出一探测高频弦波脉冲序列及一参考高频弦波脉冲序列的脉冲序列产生器、一发射所述探测高频弦波脉冲序列至一心肺部的发射天线、一接收经所述心肺部散射的探测高频弦波脉冲序列的接收天线、一平衡混波器以及一根据所述心肺部散射的探测脉冲序列产生心肺活动信号的信号处理模块。所述平衡混波器包含一接收所述参考高频弦波脉冲序列的第一输入端以及一电气连接于所述接收天线的第二输入端。

本发明的心肺活动信号的获取方法可在所述心肺活动异常时发出一警示信号，其首先发射一探测高频弦波脉冲序列至一心肺活动处(其散射所述探测高频弦波脉冲序列而产生一反射高频弦波脉冲序列)，再测量所述反射高频弦波脉冲序列与一参考高频弦波脉冲序列之间的相位差。因所述相位差信号与心肺活动成正比例线性关系而可转换成一代表所述心肺活动的模拟信号，再经由所述信号处理模块的模拟数字转换器产生数字信号据以判断所述心肺活动的状态并在异常状态时发出一警示信号。

本发明的心肺活动信号的获取方法还可测量所述心肺活动的频率，其首先发射一探测脉波至一心肺活动处(其散射所述探测脉波而产生一反射脉波)，再测量所述反射脉波与一参考脉波之间的相位差信号。之后，将所述相位差信号转换成一代表所述心肺活动的数字信号，并根据所述数字信号计算所述心肺活动的频率。

附图说明

图1例示本发明的非接触式心肺活动监视装置的功能方框图；

图2例示本发明的非接触式心肺活动监视装置的系统架构图；

图3例示本发明的平衡混波器的输出信号；

图4例示本发明的信号处理模块的功能方框图；

图5例示本发明第一实施例的心肺活动信号的获取方法；

图6例示本发明第二实施例的心肺活动信号的获取方法；以及

图7例示本发明测量一待测者的呼吸频率(心跳频率)的方法。

具体实施方式

图1例示本发明非接触式心肺活动监视装置10的功能方框图。所述接触式心肺活动监视装置10包含一输出一探测高频弦波脉冲序列及一参考高频弦波脉冲序列的脉冲序列产生器12、一发射所述探测高频弦波脉冲序列至一心肺部的发射天线42、一接收经所述心肺部散射的探测高频弦波脉冲序列的接收天线44、一包含一第一输入端46A(用以接收所述参考高频弦波脉冲序列)以及一第二输入端46B(电气连接于所述接收天线44)的平衡混波器46以及一根据所述心肺部散射的探测脉冲序列产生心肺活动信号的信号处理模块50。所述心肺部散射所述高频弦波脉冲序列而产生一反射脉波，其包含所述高频弦波脉冲序列及一代表所述待测者的呼吸或心跳的低频模拟信号。

图2例示本发明非接触式心肺活动监视装置10的系统架构图。所述脉冲序列产生器12包含一产生所述高频弦波脉冲序列的脉波产生器20、一从所述高频弦波脉冲序列产生所述探测高频弦波脉冲序列及所述参考高频弦波脉冲序列的分割器30。所述脉波产生器20包含一产生一高频连续弦波信号的弦波信号产生器26、一产生一开关信号的开关信号产生器22以及一根据所述开关信号导通使得所述高频连续弦波信号通过而产生所述高频弦波脉冲序列的开关元件24，其具有一信号输入端24A及一信号输出端24B。所述开关信号产生器22包含一产生一时脉信号的时脉产生器22A以及一调节所述时脉信号的时距而产生所述开关信号的波形压缩器22B。

所述非接触式心肺活动监视装置10可另外包含一电气耦合于所述脉波产生器20的输出端的第一放大器32A、一电气耦合所述第一放大器32A与所述分割器30的第一高频滤波器34A、一电气耦合于所述接收天线44的第二高频滤波器34B以及一电气耦合所述第二高频滤器34B与所述平衡混波器46的第二放大器32B。优选地，所述第一放大器34A的放大倍率可增强所述微波脉波使得传送至所述平衡混波器46的信号强度可达+7dBm。

图3例示本发明的信号处理模块50的功能方框图。所述信号处理模块50包含一电气耦合于所述平衡混波器46的输出端的低频滤波器34C、一电气耦合于所述低频滤波器34C的第三放大器32C、一内置模拟/数字转换器54的微处理器52、一电气耦合所述第三放大器32C与所述模拟/数字转换器54的带通滤波器56、一警示信号产生器58、一用以存储数据的存储器60以及一无线传输模块62。

所述低频滤波器34C从所述平衡混波器46输出产生代表待测者的呼吸或心跳的模拟信号，所述微处理器52内置的模拟/数字转换器54再将模拟信号予以数字化。数字化的信号可运用所述微处理器52的固件将呼吸与心跳信号分离，并以信号处理算法予以分别处理及计算呼吸率或心跳率并由所述警示信号产生器58在异常时发出警示信号，而处理过的数据也可经由所述无线传输模块62传送至数据终端机进行统计分析、打印与存储等工作。

图4例示本发明的平衡混波器46的输出信号。经过所述第一高频滤波器34A滤波后的高频弦波脉冲序列再经由所述分割器30分为两等份；其一为探测高频弦波脉冲序列经由所述发射天线42向一待测者的心肺部(例如胸部)辐射，其二为参考高频弦波脉冲序列则馈入所述平衡混波器46的参考输入端46A。发射的探测高频弦波脉冲序列经待测者的胸腔与心脏散射而为所述接收天线44获取后即由所述平衡混波器46与参考高频弦波脉冲序列混波。所述平衡混波器46的输出为一低频序列脉冲，每一个脉冲的极性与振幅大小则随着待测者的胸腔与心脏的振动而变动。所述低频滤波器34C将低频脉冲序列的封包(即图4的虚线部分)予以获取而得到待测者的呼吸与心跳信号，而所述第三放大器34C再将其信号幅度予以增强。

图5例示本发明第一实施例的心肺活动的获取方法，其可在所述心肺活动异常时发出一警示信号。首先利用所述非接触式心肺活动监视装置10发射所述探测高频弦波脉冲序列至一心肺活动处(其散射所述探测脉波而产生一反射高频弦波脉冲序列)，再测量所述反射高频弦波脉冲序列与所述参考高频弦波脉冲序列之间的相位差信号。之后，利用所述微处理器52内置的模拟/数字转换器54再将所述相位差信号转换成一代表所述心肺活动的数字信号，所述信号处理模块50的微处理器52再根据所述数字信号判断所述心肺活动的状态并于异常状态时发出一警示信号。

所述信号处理模块50的微处理器52首先利用移动平均法(moving average)处理数字信号，再以软件实现的带通滤波器将呼吸信号滤出。之后，比较测量的数字信号的强度是否大于预设的信号强度阈值以判断是否检测到呼吸的波峰，并在一预定时间(例如20秒)内没有数字信号大于所述信号强度阈值时产生所述警示信号，且将所有呼吸参数值归零以重新启动计算流程。此外，本发明还可选择性地在移动平均法处理数据之后，获取部分数字信号(例如设定采样率为1/5)或舍弃系统启动时的不稳定信号。再者，所述信号强度阈值也可根据使用者的经验值或测量的数字信号的强度予以设定。

图6例示本发明第二实施例的心肺活动信号的获取方法，其可在心跳异常时发出警示信号。所述非接触式心肺活动监视装置10获取的数字信号可为一心跳信号，而所述警示信号为一心跳停止信号。所述信号处理模块50的微处理器52首先利用软件实现的带通滤波器将心跳信号滤出，并根据使用者的经验值或测量的数字信号的强度设定一信号强度阈值，再比较测量的数字信号的强度是否大于所述信号强度阈值判断是否检测到心跳信号。如果在一预定时间(例如40秒)内没有数字信号大于所述信号强度阈值，则发出所述警示信号。

图7例示本发明测量一待测者的呼吸频率(心跳频率)的方法。首先，利用所述非接触式心肺活动监视装置10发射所述探测脉波至待测者的心肺活动处(其散射所述探测脉波而产生一反射脉波)，再测量所述反射脉波与所述参考脉波之间的相位差信号。之后，利用所述微处理器52内置的模拟/数字转换器54再将所述相位差信号转换成一代表所述心肺活动的数字信号，而所述信号处理模块50的微处理器52再根据所述数字信号计算所述待测者的心跳频率。

所述信号处理模块50的微处理器52首先利用移动平均法处理原始的数字信号，再以软件实现的带通滤波器将呼吸信号滤出。之后，比较测量的数字信号的强度是否大于预设的信号强度阈值判断是否检测到心跳信号的波峰。如果检测到心跳信号的波峰，则计算此次心跳信号的波峰与上次心跳信号的波峰的时间差并存入存储器。之后，平均复数个信号波峰的时间差以计算平均周期，并根据平均周期计算心跳频率。此外，本发明还可选择性地在移动平均法处理数据之后，获取部分数字信号(例如设定采样率为1/5)或舍弃系统启动时的不稳定信号。再者，所述信号强度阈值还可根据测量的数字信号的强度予以设定。

此外，在完成呼吸频率(心跳频率)的计算后，还可据以判断所述待测者的呼吸频率(心跳频率)是否在一预定范围内。如果计算的呼吸频率(心跳频率)高于所述预定范围，则发出一呼吸频率(心跳频率)过高的警示信号；反之，如果计算的呼吸频率(心跳频率)低于所述预定范围，则发出一呼吸频率(心跳频率)过低的警示信号

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍可基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修改。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修改，并为所附的权利要求书所涵盖。

Claims (22)

1.一种非接触式心肺活动监视装置，其特征在于包含：

一脉冲序列产生器，其包含：

一脉波产生器，其输出一高频弦波脉冲序列；以及

一分割器，耦合于所述脉波产生器，其输出为一探测高频弦波脉冲序列及一参考高频弦波脉冲序列；

其中所述探测高频弦波脉冲序列和所述参考高频弦波脉冲序列的频率介于2.7～10.0GHz；

一发射天线，其发射所述探测脉冲序列至一心肺部，所述心肺部散射所述探测高频弦波脉冲序列而产生一反射脉波；

一接收天线，其接收经所述反射脉波；

一混波器，包含：

一接收所述参考脉冲序列的第一输入端；以及

一电气连接于所述接收天线的第二输入端；以及一信号处理模块，其将所述反射脉波与所述参考高频弦波脉冲序列之间的相位差信号转换成一代表所述心肺活动的数字信号，且根据所述数字信号判断所述心肺活动的状态；

其中所述反射脉波包含所述探测高频弦波脉冲序列及一代表待测者的呼吸或心跳的低频模拟信号，且所述相位差信号为一低频脉冲序列。

2.如权利要求1所述的非接触式心肺活动监视装置，其特征在于所述脉波产生器包含：

一弦波信号产生器，用以产生一连续弦波信号；

一开关信号产生器，用以产生一开关信号；以及

一开关元件，具有一输入端及一输出端，其根据所述开关信号导通使得所述连续弦波信号通过而产生所述高频弦波脉冲序列。

3.如权利要求2所述的非接触式心肺活动监视装置，其特征在于所述开关信号产生器包含：

一时脉产生器，用以产生一时脉信号；以及

一波形压缩器，用以调节所述时脉信号的时距而产生所述开关信号。

4.如权利要求1所述的非接触式心肺活动监视装置，其特征在于另外包含：

一放大器，电气耦合于所述脉波产生器的输出端；以及

一高频滤波器，电气耦合所述放大器与所述分割器。

5.如权利要求1所述的非接触式心肺活动监视装置，其特征在于另外包含：

一高频滤波器，电气耦合于所述接收天线的输出端；以及

一放大器，电气耦合所述高频滤波器与所述混波器。

6.如权利要求1所述的非接触式心肺活动监视装置，其特征在于另外包含：

一低频滤波器，电气耦合于所述混波器的输出端；以及

一放大器，电气耦合所述低频滤波器于的输出端。

7.如权利要求1所述的非接触式心肺活动监视装置，其特征在于所述信号处理模块包含：

一微处理器，具有一模拟/数字转换器，用以将所述心肺活动信号转换成一数字信号；以及

一带通滤波器，电气耦合所述混波器与所述模拟/数字转换器。

8.如权利要求7所述的非接触式心肺活动监视装置，其特征在于所述信号处理模块另外包含一警示信号产生器，电气耦合于所述微处理器。

9.如权利要求1所述的非接触式心肺活动监视装置，其特征在于所述混波器为一平衡混波器。

10.一种心肺活动信号的获取方法，所述方法不用于诊断疾病，所述方法的特征在于包含：

发射一高频弦波脉冲序列至一心肺活动处，其散射所述高频弦波脉冲序列而产生一反射脉波；

测量所述反射脉波与一参考脉波之间的相位差信号；

将所述相位差信号转换成一代表所述心肺活动的数字信号；以及

根据所述数字信号判断所述心肺活动的状态,

其中，所述反射脉波包含所述高频弦波脉冲序列及一代表待测者的呼吸或心跳的低频模拟信号，且所述相位差信号为一低频脉冲序列。

11.如权利要求10所述的心肺活动信号的获取方法，其特征在于根据所述数字信号判断所述心肺活动状态的步骤包含：

设定一信号强度阈值；

比较所述数字信号的强度是否大于所述信号强度阈值；以及

如果在一预定时间内没有数字信号大于所述信号强度阈值，则发出警示信号。

12.如权利要求10所述的心肺活动信号的获取方法，其特征在于所述数字信号为一呼吸信号。

13.如权利要求12所述的心肺活动信号的获取方法，其特征在于根据所述数字信号判断所述心肺活动状态的步骤包含：

设定一信号强度阈值；

比较所述数字信号的强度是否大于所述信号强度阈值；以及

如果在一预定时间内没有数字信号大于所述信号强度阈值，则发出警示信号。

14.如权利要求13所述的心肺活动信号的获取方法，其特征在于所述数字信号为一心跳信号。

15.如权利要求10所述的心肺活动信号的获取方法，其特征在于设定一信号强度阈值的步骤是根据测量的数字信号的强度。

16.一种心肺活动信号的获取方法，所述方法不用于诊断疾病，所述方法的特征在于包含：

发射一高频弦波脉冲序列至一心肺活动处，其散射所述高频弦波脉冲序列而产生一反射脉波；

测量所述反射脉波与一参考脉波之间的相位差信号；

将所述相位差信号转换成一代表所述心肺活动的数字信号；以及

根据所述数字信号计算所述心肺活动的频率，

其中，所述反射脉波包含所述高频弦波脉冲序列及一代表待测者的呼吸或心跳的低频模拟信号，且所述相位差信号为一低频脉冲序列。

17.如权利要求16所述的心肺活动信号的获取方法，其特征在于根据所述数字信号计算所述心肺活动的频率的步骤包含：

设定一信号强度阈值；

比较所述数字信号的强度是否大于所述信号强度阈值，并据以判断是否测量到所述心肺活动的信号波峰；以及

计算复数个信号波峰的时间差，并予以平均以产生所述心肺活动的频率。

18.如权利要求16所述的心肺活动信号的获取方法，其特征在于所述数字信号为一呼吸信号。

19.如权利要求16所述的心肺活动信号的获取方法，其特征在于另外包含：

检查所述心肺活动的频率是否在一预定范围内；以及

如果所述心肺活动的频率超出所述预定范围，则发出一警示信号。

20.如权利要求19所述的心肺活动信号的获取方法，其特征在于所述数字信号为一心跳信号，而所述警示信号为一心跳过高信号。

21.如权利要求19所述的心肺活动信号的获取方法，其特征在于所述数字信号为一心跳信号，而所述警示信号为一心跳过低信号。

22.如权利要求16所述的心肺活动信号的获取方法，其特征在于设定一信号强度阈值的步骤是根据测量的数字信号的强度。