CN103070728A - 一种非接触式生命体征监护设备 - Google Patents

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洪弘
朱晓华
顾陈
李洪涛
李彧晟
陈恒明
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本发明公开了一种非接触式生命体征监护设备，包括雷达信号发射模块、雷达信号接收模块、数字信号处理模块，雷达信号接收模块分别与雷达信号发射模块和数字信号处理模块相连；雷达信号发射模块用于向被监测人员发射连续波雷达信号，由雷达信号发射模块发射的连续波雷达信号经过人体发射后得到的雷达回波信号经过雷达信号接收模块接收并解调成为同相和正交两路基带信号，由雷达信号接收模块处理得到的同相和正交两路基带信号经过数字信号处理模块进行反正切处理和频率检测。本发明可方便医务人员根据生命体征的实际情况及时采取相应的医疗措施，设备具有高安全性、高准确性、小型化和智能化的优点，方便医务人员实时、连续掌握病人的生命体征状况。

Description

一种非接触式生命体征监护设备
技术领域
本发明属于雷达领域，特别涉及一种非接触式生命体征监护设备。
背景技术
呼吸、心跳等生理指标是人体的基本生命体征信息，常常被用来表征人体的生理状况，因此对这些生命体征信息的实时监护对临床医学诊断和治疗具有重要的意义。目前常用的呼吸监护仪、超声心动图仪等通过与人体直接接触的传感器提取人体各项生理指标，此类接触式测量方式限制了被测患者的活动，并且电极的接触也会对生命体征信息造成一定的影响，从而影响其检测的准确度。目前用于临床应用的非接触式生命体征监护设备体积庞大，不便于安装，测量精度不高，发射功率较大，同时不方便医务人员准确、实时、连续掌握病人的生命体征状况。
发明内容
本发明提供了一种非接触式生命体征监护设备，包括雷达信号发射模块、雷达信号接收模块、数字信号处理模块，雷达信号接收模块分别与雷达信号发射模块和数字信号处理模块相连；雷达信号发射模块用于向被监测人员发射连续波雷达信号，由雷达信号发射模块发射的连续波雷达信号经过人体发射后得到的雷达回波信号经过雷达信号接收模块接收并解调成为同相和正交两路基带信号，由雷达信号接收模块处理得到的同相和正交两路基带信号经过数字信号处理模块进行反正切处理和频率检测。
本发明与现有技术相比，其显著优点：该生命体征监护设备满足高安全性、高准确性、小型化和智能化。可以对患者生命体征信息进行实时、准确、量化、客观、连续的监测。同时，由于病人并不知道正在进行远端监测，因此不太会改变他们的呼吸状态及心跳速率，从而提高了监护的可靠性。
附图说明
图1是本发明所提供的非接触式生命体征监护设备的系统结构图。
图2是经过数字下变频器得到同相(I)和正交(Q)两路基带信号波形图，其中图2（a）是同相(I) 路基带信号波形图，图2（b）是正交(Q)路 基带信号波形图。
图3是呼吸信号和心跳信号的反正切数值波形图。
图4是经过频率提取模块后得到的呼吸信号和心跳信号的频谱图，其中图4（a）是呼吸信号的频谱图；图4（b）是心跳信号的频谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
    本发明提供了一种非接触式生命体征监护设备，包括雷达信号发射模块、雷达信号接收模块、数字信号处理模块，雷达信号接收模块分别与雷达信号发射模块和数字信号处理模块相连；雷达信号发射模块用于向被监测人员发射连续波雷达信号，由雷达信号发射模块发射的连续波雷达信号经过人体发射后得到的雷达回波信号经过雷达信号接收模块接收并解调成为同相(I)和正交(Q)两路基带信号，由雷达信号接收模块处理得到的同相(I)和正交(Q)两路基带信号经过数字信号处理模块进行反正切处理和频率检测。
雷达信号发射模块包括第一本地振荡器、功率放大器和发射天线，功率放大器一端与第一本地振荡器相连，另一端与发射天线相连，发射天线再雷达信号接收模块相连。第一本地振荡器用于产生连续波雷达信号，由第一本地振荡器产生的连续波雷达信号通过功率放大器放大发射功率，由功率放大器放大功率后的信号通过发射天线向被监测人员发射。
雷达信号接收模块包括接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器、镜像干扰抑制滤波器、混频器、第二本地振荡器、中频带通滤波器、模/数转换器和数字下变频器。接收天线一端与雷达信号发射模块相连，另一端与低噪声放大器相连，射频带通滤波器一端与低噪声放大器相连，另一端与镜像干扰抑制滤波器相连，混频器一端与镜像干扰抑制滤波器相连，另一端与中频带通滤波器相连，第二本地振荡器和混频器相连，模/数转换器一端和中频带通滤波器相连，另一端与数字下变频器相连，数字下变频器再与数字信号处理模块相连。接收天线用于接收经过被监测人员发射的雷达回波信号；由接收天线接收的雷达回波信号经过低噪声放大器滤除噪声，将信号放大；由经过低噪声放大器放大的信号经过射频带通滤波器滤除射频信号中夹带的低频信号；由经过射频带通滤波器后得到的射频信号经过镜像干扰抑制滤波器抑制镜像干扰；由经过镜像干扰抑制滤波器后得到的射频信号经过混频器和第二本地振荡器产生的本地振荡信号混频得到中频信号；由经过混频器后得到的中频信号经过中频带通滤波器滤除中频信号中夹带的低频信号；由经过中频带通滤波器后得到的中频信号经过模/数转换器将模拟信号转换成数字信号；由经过模/数转换器后得到的数字信号经过数字下变频器得到同相(I)和正交(Q)两路基带信号。
数字信号处理模块包括滤波模块、反正切模块和频率提取模块，滤波模块一端与雷达信号接收模块相连，另一端与反正切模块相连，反正切模块一端与滤波模块相连，另一端与频率提取模块相连。由经过滤波模块滤波后的信号经过反正切模块得到呼吸和心跳的反正切数值；由经过反正切模块后得到的反正切数值经过频率提取模块进行呼吸和心跳频率检测。
本发明的工作原理：第一本地振荡器用于产生连续波雷达信号，由第一本地振荡器产生的连续波雷达信号经过功率放大器放大功率，由功率放大器放大功率后的雷达信号通过发射天线向被监测人员发射。发射的雷达信号经过被监测人员反射得到回波信号并由接收天线接收，由接收天线接收的雷达回波信号经过低噪声放大器滤除噪声，将信号放大。由经过低噪声放大器放大的信号经过射频带通滤波器滤除射频信号中夹带的低频信号，由经过射频带通滤波器后得到的射频信号经过镜像干扰抑制滤波器抑制镜像干扰，由经过镜像干扰抑制滤波器抑制镜像干扰后的射频信号经过混频器和第二本地振荡器产生的本地振荡信号混频得到中频信号；由经过混频器后得到的中频信号经过中频带通滤波器滤除中频信号中夹带的低频信号；由经过中频带通滤波器后得到的中频信号经过模/数转换器将模拟信号转换成数字信号；由经过模/数转换器后得到的数字信号经过数字下变频器得到同相(I)和正交(Q)两路基带信号。由经过数字下变频器后得到的同相(I)和正交(Q)两路基带信号经过滤波模块滤除基带信号中的干扰信号；由经过滤波模块滤波后的信号经过反正切模块得到呼吸和心跳的反正切数值；由经过反正切模块后得到的反正切数值经过频率提取模块进行呼吸和心跳频率检测。
本发明实施所提供的设备参数如下：
第一本地振荡器：工作频率为2.47GHz，用于产生S波段的连续波雷达信号；
功率放大器：工作频率范围2GHz-4GHz，射频功率放大器；
发射天线和接收天线：经典平板天线，其中波束宽度为                                               
Figure 2013100464020100002DEST_PATH_IMAGE002
，，天线增益为12.5dBi，天线发射功率为0.1mW，监测距离为3米；
低噪声放大器：中心频率为2.4GHz，噪声系数为1.65dB（含隔离器损耗）；
射频带通滤波器：中心频率为2.4GHz，带宽100MHz，插入损耗小于3dB；
镜像干扰抑制滤波器：用于抑制频率为2.33GHz的干扰信号；
第二本地振荡器：工作频率为2.4GHz；
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。
（1）用于利用本地振荡器产生雷达发射信号，通过功率放大器放大并经由发射天线发射出去的雷达信号发射模块；
（2）与雷达信号发射模块相连，利用接收天线接收回波，并对回波信号进行低噪声放大、射频带通滤波、镜像干扰抑制滤波、混频、中频带通滤波、正交解调、下变频和模/数转换的雷达信号接收模块；
（3）与雷达信号接收模块相连，用于对模/数转换得到的生命体征信号进行滤波、反正切和频率提取的数字信号处理模块。
在本发明实施例中，雷达信号发射模块进一步包括：
（1）用于产生雷达发射信号的第一本地振荡器；
（2）与第一本地振荡器相连接，用于放大雷达发射信号的功率放大器；
（3）与功率放大器相连接，用于发射信号的发射天线。
在本发明实施例中，雷达信号接收模块进一步包括：
（1）用于产生接收模块的本振信号的第二本地振荡器；
（2）用于接收回波的接收天线；
（3）与接收天线相连接，用于放大回波信号的低噪声放大器；
（4）与低噪声放大器相连接，用于衰减带外信号和镜像干扰的射频带通滤波器；
（5）与射频带通滤波器相连接，用于抑制镜像干扰的镜像干扰抑制滤波器；
（6）与第二本地振荡器和镜像干扰抑制滤波器相连接，用于将射频信号转换至中频的混频器；
（7）与混频器相连接，用于去除邻近的频道信号，完成信道选择的中频带通滤波器；
（8）与中频带通滤波器相连接，用于将模拟信号转变为数字信号的模/数转换器；
（9）与模/数转换器相连接，用于产生同相(I)和正交(Q)两路基带信号的数字下变频器。
在本发明实施例中，数字信号处理模块进一步包括：
（1）用于滤除同相(I)和正交(Q)两路基带信号中夹杂的干扰信号及噪声信号的滤波处理模块；
（2）与滤波相连接，用于提取同相(I)和正交(Q)两路基带信号的相位信息的反正切处理模块；
（3）与反正切相连接，用傅立叶变换检测心跳和呼吸频率的频率提取处理模块。
该监护设备可采用一体化结构，即将第一本地振荡器、功率放大器、发射天线、第二本地振荡器、接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器、镜像干扰抑制滤波器、混频器和中频带通滤波器十个部分加工为一个整体。
实施例：
第一本地振荡器产生2.47GHz的S波段连续波雷达信号经过功率放大器放大后由发射天线向被监测人员发射。
发射的雷达信号经过被监测人员反射得到回波信号并由接收天线接收，接收到的回波信号载波频率为2.47GHz；由接收天线接收的雷达回波信号经过低噪声放大器滤除噪声，将信号放大；由经过低噪声放大器放大的信号经过射频带通滤波器滤除射频信号中夹带的低频信号，由经过射频带通滤波器后得到的射频信号经过镜像干扰抑制滤波器抑制镜像干扰，主要滤除频率为2.33GHz的射频干扰信号，由经过镜像干扰抑制滤波器抑制镜像干扰后的射频信号经过混频器和第二本地振荡器产生的频率为2.4GHz的本地振荡信号混频得到频率为75MHz的中频信号；由经过混频器后得到的75MHz频率的中频信号经过中频带通滤波器滤除中频信号中夹带的低频信号；由经过中频带通滤波器后得到的中频信号经过模/数转换器将模拟信号转换成数字信号；由经过模/数转换器后得到的数字信号经过数字下变频器得到同相(I)和正交(Q)两路基带信号。其中同相(I)和正交(Q)两路基带信号的波形图如图2所示。
由经过数字下变频器后得到的同相(I)和正交(Q)两路基带信号经过滤波模块滤除基带信号中的干扰信号；由经过滤波模块滤波后的信号经过反正切模块得到呼吸和心跳的反正切数值，其中呼吸和心跳的反正切数值波形如图3所示：
由经过反正切模块后得到的反正切数值经过频率提取模块进行呼吸和心跳频率检测，其中得到的呼吸和心跳的频谱图如图4所示。
由得到的频谱图监测出该被监测人员的呼吸信号频率为0.1953Hz，心跳信号频率为1.9507Hz。

Claims (5)

1.一种非接触式生命体征监护设备，其特征在于，包括雷达信号发射模块、雷达信号接收模块、数字信号处理模块，雷达信号接收模块分别与雷达信号发射模块和数字信号处理模块相连；雷达信号发射模块用于向被监测人员发射连续波雷达信号，由雷达信号发射模块发射的连续波雷达信号经过人体发射后得到的雷达回波信号经过雷达信号接收模块接收并解调成为同相和正交两路基带信号，由雷达信号接收模块处理得到的同相和正交两路基带信号经过数字信号处理模块进行反正切处理和频率检测。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式生命体征监护设备，其特征在于：雷达信号发射模块包括第一本地振荡器、功率放大器和发射天线，功率放大器一端与第一本地振荡器相连，另一端与发射天线相连，发射天线再雷达信号接收模块相连；第一本地振荡器用于产生连续波雷达信号，由第一本地振荡器产生的连续波雷达信号通过功率放大器放大发射功率，由功率放大器放大功率后的信号通过发射天线向被监测人员发射。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式生命体征监护设备，其特征在于：雷达信号接收模块包括接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器、镜像干扰抑制滤波器、混频器、第二本地振荡器、中频带通滤波器、模/数转换器和数字下变频器；接收天线一端与雷达信号发射模块相连，另一端与低噪声放大器相连，射频带通滤波器一端与低噪声放大器相连，另一端与镜像干扰抑制滤波器相连，混频器一端与镜像干扰抑制滤波器相连，另一端与中频带通滤波器相连，第二本地振荡器和混频器相连，模/数转换器一端和中频带通滤波器相连，另一端与数字下变频器相连，数字下变频器再与数字信号处理模块相连；接收天线用于接收经过被监测人员发射的雷达回波信号；由接收天线接收的雷达回波信号经过低噪声放大器滤除噪声，将信号放大；由经过低噪声放大器放大的信号经过射频带通滤波器滤除射频信号中夹带的低频信号；由经过射频带通滤波器后得到的射频信号经过镜像干扰抑制滤波器抑制镜像干扰；由经过镜像干扰抑制滤波器后得到的射频信号经过混频器和第二本地振荡器产生的本地振荡信号混频得到中频信号；由经过混频器后得到的中频信号经过中频带通滤波器滤除中频信号中夹带的低频信号；由经过中频带通滤波器后得到的中频信号经过模/数转换器将模拟信号转换成数字信号；由经过模/数转换器后得到的数字信号经过数字下变频器得到同相和正交两路基带信号。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式生命体征监护设备，其特征在于：数字信号处理模块包括滤波模块、反正切模块和频率提取模块，滤波模块一端与雷达信号接收模块相连，另一端与反正切模块相连，反正切模块一端与滤波模块相连，另一端与频率提取模块相连；由经过滤波模块滤波后的信号经过反正切模块得到呼吸和心跳的反正切数值；由经过反正切模块后得到的反正切数值经过频率提取模块进行呼吸和心跳频率检测。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式生命体征监护设备，其特征在于：本发明采用一体化结构，即将第一本地振荡器、功率放大器、发射天线、第二本地振荡器、接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器、镜像干扰抑制滤波器、混频器和中频带通滤波器十个部分加工为一个整体。
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