CN103108588A

CN103108588A - 用于监控对象呼吸活动的方法和装置

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Publication number: CN103108588A
Application number: CN2011800458160A
Authority: CN
Inventors: J.梅尔斯特夫
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2031-09-19
Also published as: JP2013541371A; WO2012038877A1; US20130172770A1; CN103108588B; EP2618733A1; JP5872559B2; EP2618733B1; US9883821B2

Abstract

本发明涉及一种监控对象呼吸活动的方法，所述方法包括：获取至少一个多普勒-雷达传感器的代表对象呼吸活动的传感器信号；将传感器信号变换为变换信号，变换信号是根据公式

Figure 2011800458160100004DEST_PATH_IMAGE002

（I）的级数，其中，a_k是专用于一个个体对象的预定的常系数集合；以及处理变换信号S(t)。可以利用应用在电感体积描记术中的基本的信号处理技术来分析变换信号。本发明还涉及对应的监控系统。

Description

用于监控对象呼吸活动的方法和装置

技术领域

本发明涉及例如在临床应用中、在用于监控车辆中驾驶员或乘客的生理状况的系统中、在用于控制对象放松的生物反馈系统中等监控对象呼吸活动领域。

背景技术

对于各种应用而言，用于测量对象呼吸活动的监控系统是已知的。例如，在临床重症监护的情况下，使用这些应用来监控病人的呼吸活动。另一应用是生物反馈系统，其基于引导呼吸练习（guided breathing exercise）来帮助对象入睡。此外，用于监控呼吸活动的方法和设备的另一种应用是车辆驾驶员睡意的早期检测。在所有这些应用中，传感器用于获取代表感兴趣对象呼吸活动的传感器信号，并由系统进一步处理并解释所述信号。

监控呼吸力气（respiration effort）的测量原理是胸部电感体积描记术（thorax inductive plethysmography），其中，一根带子被置于对象胸部外围，并监控由于呼吸而导致的胸部横截面面积的变化。尽管这种所谓的呼吸带（respiband）通常用在医学应用中，但是它在诸如上述生物反馈系统或驾驶员监控系统之类的消费品应用中是不可接受的，这是因为带子的附着不方便、麻烦并且对普通用户而言是不可接受。基于这个原因，不接触的方法是优选的。存在基于传感器的监控系统，其包括无接触传感器阵列，比如基于多普勒-雷达（Doppler-Radar）原理的雷达传感器阵列。这些传感器中的每一个都能够检测物体与传感器的距离在某一时间段期间的变化。由于多普勒-雷达传感器的工作原理，其可以用于检测呼吸相关的胸部运动。它们可以被容易地合并到家具部件或诸如车座或方向盘之类的汽车配件中。例如，对于上述驾驶员睡意早期检测的应用而言，可以将多普勒-雷达传感器阵列合并到驾驶员座位的靠背中。通过这种阵列，不接触而可靠地监控呼吸活动是可能的。

在电感体积扫描术的公知方法的使用中，如上所述，可以基于丰富的经验来执行信号处理，然而，借助多普勒-雷达传感器不接触地监控呼吸活动的方法由于缺乏这些经验而更加困难。在这样的情况下，一个重要问题在于，为呼吸带测量开发的算法不能被容易地转用到多普勒-雷达传感器测量中，而仍然必须被发展来提供相同可靠性的处理结果。一般而言，希望将关于诸如电感或电阻测量之类的公知测量技术的经验应用于多普勒-雷达测量领域中。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种借助于多普勒-雷达传感器来监控对象呼吸活动的方法，其中，可以使用在电感体积描记术领域中已经测试过的基本信号处理技术，以简化相应无接触监控系统的开发并以更高可靠性来提供处理结果。

本发明的另一目的在于提供一种监控对象呼吸活动的相应装置，所述装置按照上述原理进行工作。

这些目的通过根据权利要求1所述的用于监控对象呼吸活动的方法和根据权利要求9所述的装置来实现。

根据本发明的方法，获取至少一个多普勒-雷达传感器的代表对象呼吸活动的传感器信号D(t) 。根据公知的多普勒原理，如果胸壁由于对象呼吸而移动，则电磁波将在胸壁处被反射并且经历多普勒频移。因此，所接收的信号包括胸部运动的信息。

将传感器信号D(t)变换为所谓的变换信号S(t)，S(t)是根据等式（1）的级数：

(1)

即，变换信号S(t) 表示数项之和，每个数项表示原始传感器信号D(t)的幂乘以常系数a_k。对于适当选择的数目m，可以确定a_k的一个集合，k = 0至 m。然后，可以进一步处理得到的变换信号S(t)。

通过上述等式（1），原始传感器信号D(t) 被变换为变换信号S(t) ，变换信号S(t)表示在相同条件下针对相同对象测出的相应电感体积描记术信号的估计。然而，变换信号S(t)提供的优势在于，可以利用公知的信号处理方法对其进行处置，尤其是用与最初在不使用多普勒-雷达传感器的情况下利用呼吸带测量电感体积描记术信号相同的算法。

多普勒-雷达信号D(t) 与估计体积描记术信号S(t) 之间的根据等式（1）的数学关系基于以下推导。

人的胸部可以用人造躯干模型（artificial torso model）加以描述，其中，胸部（假设是圆柱形的）的半径由于对着所有方向的均匀呼吸而改变。然后，围绕胸部外围伸展的关联呼吸带的信号S(t) 可以用等式（2）表示：

(2)。

在该等式（2）中，R(t) 是胸部的半径，其被分离为参考半径R₀和时变的数项

。这里，假定长度L是常数。

另一方面，根据以下等式（3），多普勒-雷达传感器所获取的多普勒-雷达信号只与传感器和对象之间的距离

成比例：

(3)。

为了将所测量的基于雷达的信号D(t)变换为 S(t)，将根据以上等式(3)的D(t)代入等式（2）中，得到：

(4)。

可以将这个表达式写成三个数项之和：

(5)。

因为人的躯干通常不是圆柱形的，所以上述表达式(5)可以概括如下：

(1)

即，以上等式（1）表示在以上考虑中假设的简化躯干模型的概括。

a_k是预定的常系数集合，其可以专用于个体对象。可以在校准过程中获取这种集合a_k，在校准过程中，同时测量体积描记术信号和多普勒-雷达传感器信号，并且从这个测量导出集合a_k 。可以任意地选择数目m。

一旦为要监控的对象确定了集合a_k，就可以通过从多普勒-雷达传感器信号D(t)进行转换来确定估计变换信号S(t)，以及根据可应用于电感体积描记术信号的信号处理方法来进一步处理估计变换信号S(t)。换言之，像处置利用呼吸带来获取的原始呼吸信号一样地处置估计变换信号S(t)。

根据本发明的优选实施例，从查找表获得系数集合a_k。

在这种情况下，系数集合a_k在测量开始时就存在，并且可以例如从适当存储单元中获得，以将所测量的传感器信号D(t) 变换为变换信号S(t)， S(t)可以被进一步处理。

根据另一优选实施例，该查找表包含多个不同系数集合a_k 。

为了使用专用于个体对象的集合 a_k，每个集合a_k不得不选自多个集合a_k，以选择与要监控的当前对象相匹配的集合。

优选地，识别该对象，并根据识别结果从多个系数集合a_k选择相应的系数集合a_k。监控系统可以自动进行这种识别，或者用户可以被要求将识别信息输入系统。根据该信息从查找表选择集合 a_k。可替代地，如果识别结果是否定的，即，如果没能发现匹配集合a_k，则可以选择默认集合a_k以进行进一步处理。

根据本发明的另一优选实施例，在校准步骤中获取用于个体对象的系数集合a_k，校准步骤包括：在一段时间内测量与对象呼吸相关的体积描记术信号S'(t) ，在相同时间段内测量与对象的胸部运动相关的传感器信号D(t)；以及根据以下关系从S'(t) 和D(t)来确定系数集合a_k：

（6）。

这个校准过程可以例如在汽车间或汽车销售点完成。通过利用呼吸带和所设置的雷达同时进行测量，可以经由数据的标准信号处理方案来完成系数a_k的确定。

根据本发明的优选实施例，D(t)是来自n个传感器的传感器信号D_i(t)之和，i = 1至n。

在有多于一个多普勒-雷达传感器的情况下，将所有传感器信号D_i(t) 相加以得到公共（common）传感器信号D(t)，根据等式（1）进一步处理D(t)，即，将D(t)进一步变换为变换信号S(t)。在这种情况下，对于个体对象而言，一个常系数集合a_k是必需的。

构建所有多普勒-雷达传感器之和D(t)所提供的优点在于，与只使用一个多普勒-雷达传感器的情况相比，监控系统可以更容易地感知对象呼吸中的可能的不规则。典型地，在呼吸活动期间，在测量范围内分布多个传感器，测量范围表示覆盖胸部的移动部分的区域。在简化示例中，胸腔移动和腹部移动由不同传感器来测量。尽管诸如打哈欠之类的不规则只被一个传感器测量到时，而其它传感器可能错过了该不规则。然而，如果将两个传感器信号相加，则不规则依然会在和信号中示出。借助于模式检测算法，可以在和信号中找出呼气过程中的不规则。

根据本发明的另一优选实施例，从多个（n个）传感器中获取多个传感器信号D_i(t)， i = 1至n，并且为这些传感器中的每一个确定一个系数集合 a_k。

在这种情况下，可以借助于相应系数集合a_ki为每个传感器信号D_i(t)单独确定变换信号，使得将存在与每个传感器信号D_i(t)相对应的估计变换信号S_i(t) 。在如上所述的校准过程中，必须单独确定用于每个传感器的系数集合a_ki。

优选地，根据以下等式（7）为每个传感器i导出变换信号S_i(t)，

(7)

以及总变换信号Ŝ(t)被计算为传感器的变换信号S_i(t)之和：

(8)。

这意味着，由从每个原始多普勒-雷达传感器信号D_i(t)导出的个体变换信号S_i(t)形成变换信号之和。

根据本发明的用于监控对象呼吸活动的相应系统包括：至少一个多普勒-雷达传感器，其被提供以获取代表对象呼吸活动的传感器信号D(t) ；传感器变换单元，其被提供用于将传感器信号D(t)变换为变换信号S(t)， S(t)是根据等式（1）的级数，

(1)

其中，a_k 是预定的常系数集合；存储单元，用于存储预定的恒定系数集合a_k；以及处理单元，用于处理变换信号S(t)。

优选地，该系统还包括设置在测量范围内的不同位置处的多个多普勒-雷达传感器。

典型地，该测量范围与在呼吸运动期间移动的胸部区域相对应。例如，可以在胸腔部位中提供一个传感器，而在腹部部位中设置另一传感器，使得每个传感器在呼吸运动期间测量不同移动。这增大了测量呼吸不规则的机会，呼吸不规则可以只涉及一个胸部部位中的移动，而另一部位表现出正常呼吸活动。

根据该系统的另一优选实施例，传感器变换单元被提供用于将每个传感器i的传感器信号D_i(t) 变换为变换信号S_i(t)，并将得到的变换信号 S_i(t)相加以得到总变换信号Ŝ(t)。

根据另一优选实施例，传感器变换单元被提供用于将传感器的传感器信号D_i(t)相加以得到和D(t)，并将总信号D(t)变换为变换信号S(t) 。可以根据依照如已描述的本发明的规则来执行该变换，即根据等式（1）将总信号D(t)变换为幂级数，使得用变换信号S(t)表示这些数项之和。

附图说明

通过参考下述实施例，本发明的这些和其它方面将显而易见并参照这些附图而得以阐明。在附图中：

图1是根据本发明第一实施例的基于传感器的监控系统的示意图；

图2是示出根据本发明的方法的实施例的流程图；

图3是说明根据本发明的方法的校准步骤的另一个流程图；以及

图4是根据本发明第二实施例的另一基于传感器的监控系统的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于监控对象呼吸活动的系统10，对象例如是位于车辆的驾驶座12上的驾驶员。备选地，座位或椅子是通过使用座位来监控或控制人放松的生物反馈系统的一部分。系统可以包括床垫，来代替座位或椅子。以下将结合图4更详细地描述这种实施例。在座位12的靠背14的背面，传感器18的阵列16被并入到座位12中。这些传感器是多普勒-雷达传感器，用于监控对象的呼吸活动。每个传感器18都具有与确定的对象胸部区域相对应的明确的测量范围。例如，阵列16的上部传感器18可以被提供以监控对象的胸腔区域，而下部传感器18被提供以监控胸部的腹部移动。根据多普勒原理，如果胸壁由于对象呼吸而移动，则传感器18所发射的电磁波将在胸壁处被反射并且经历多普勒频移。因此，传感器18所接收的信号包含关于胸部运动的信息。

系统10还包括传感器变换单元20，传感器变换单元20用于接收多普勒-雷达传感器18所获取的传感器信号。该单元20还可以包括控制功能，控制功能用于控制传感器18以例如仅激活阵列16内传感器18的有限子集。即，变换单元20不仅被提供用于将在下文中展开的信号变换任务，还可以包括另外的功能。

一旦信号变换单元20接收到传感器18的传感器信号D(t) ，就将这个传感器信号D(t) 变换为变换信号S(t)，如将在下文进一步说明的。变换使得得到的变换信号S(t)可以像由电感体积描记术（即，呼吸带测量，其测量胸部外围在呼吸运动期间的变化）产生的信号一样被处理。现有信号处理方法可以被容易地应用到这种变换信号 S(t)，变换信号 S(t)被当作估计体积描记术信号。

在与信号变换单元20进行通信的存储单元22中存储这种变换所必需的系数集合a_k。每个预定的常系数集合a_k可以专用于个体对象。针对不同对象，在存储单元22中存储多个系数集合a_k。

一旦确定了变换信号S(t) ，就可以在处理单元24中对其进行进一步处理，以鉴于不规则来分析变换信号。这种不规则可以是对象打哈欠，这在传感器18之一的至少一个传感器信号图中清楚地示出。如果这种不规则被识别出，则其将被当作座位中的人放松的指示。如果座位是车辆驾驶座，则打哈欠可以被认为是有关驾驶员临界状态的指示，并且可以向他发出反馈信号。类似地，如果座位是旨在帮助用户放松的生物反馈系统的一部分，则可以向用户给出反馈信号。如果座位是驾驶座，则指示特定不规则（假设其表示对象的各个特定生理状况）的信号可以由处理单元24输出，并经由总线系统传输。如果是车辆，则这可以是例如汽车的CAN总线26。在其它应用中，座位或椅子可以连接至局域网（有线的或无线的）。处理单元将经由总线系统或网络连接至其它硬件单元，其它硬件单元可以被安排来向用户生成反馈信号。该信号可以例如是音频和/或视频信号。

应当指出，图1中的监控系统10的示例仅是监控对象呼吸活动的一个应用。此外，包括信号变换单元20和处理单元24的系统10的示意性体系结构仅被理解为示例。变换功能和进一步的处理功能也可以由一个单独硬件单元来执行，所以只是为了说明的原因而将这些任务分为两个操作单元20和24。只提一个其它示例，不同单元22、24和26可以经由总线系统或网络26本身而进行连接。

在下文中，将关于图2的流程图说明用于借助于图1中的监控系统10来监控对象呼吸活动的方法的实施例。

首先，在步骤100中，用户被识别为受监控的对象。可以通过系统检测特定的对象特性或通过将用户ID输入系统10来自动地执行这种识别。一旦识别出驾驶员（对象），就根据识别结果从存储单元22选取（poll）一个系数集合a_k（步骤110）。通常在存储单元22之内的查找表内存储多个常数集合 a_k，并且根据识别结果选择这些集合a_k之一。

如果不能识别对象，即识别步骤100的结果是否定的，以及在查找表中不存在与对象相匹配的单独集合a_k，则可以从查找表选取默认（标准）集合a_k并且可以基于此执行进一步的处理。

以下将说明单个变换所必需的这个系数集合a_k的更深一层的含义。

在另一步骤120中，从传感器18获取代表对象呼吸活动的传感器信号D(t) 。多普勒-雷达传感器的传感器信号D(t) 与传感器和对象（即，胸壁，电磁波从此处反射回传感器）之间的距离成比例。为了简化传感器信号的进一步处理，在变换步骤130中，根据以下等式将原始传感器信号变换为变换信号S(t)：

(1)。

这意味着变换信号S(t)由数项之和构成，每个数项是原始传感器信号D(t) 的幂乘以系数a_k。数目m可以按要求选取。a_k, k = 0至m表示在前述步骤110中从查找表获得的系数。

该变换信号S(t) 表示估计的体积描记术信号，其可以被看作从呼吸带等获取的信号。在处理步骤140中，可应用于这样的呼吸带信号的信号处理方法可以用于进一步处理变换信号 S(t)。然而，应该指出，也可以用可应用于电阻测量的信号处理方法来处置变换信号S(t)，这是因为这些方法所获取的信号也可以在数学上被展开成幂级数。

尽管用户识别步骤100和从查找表选取系数的后续步骤110代表了整个过程的初始程序150，但是应该理解，以下步骤120、130和140将在永久性监控例程160中被连续地执行（和重复）。即，在监控对象期间，存在信号获取、立即变换所获取的信号以及最终进一步处理变换信号的永久性的过程。

在如图1所示的多个传感器18的情况下，处理原始传感器信号D(t)存在不同可能性。一种可能性是，将来自n个传感器的传感器信号D_i(t)相加， i = 1至n ，并按照如上所述的方式进一步处理和D(t)。这意味着，像处置一个公共传感器信号D(t)一样处置所有传感器信号D_i(t) 之和。对于进一步变换为变换信号S(t) 而言，唯一一个系数集合a_k是一个对象所需的。

使用多个传感器18提供的优势在于，可以在阵列16内的不同位置处设置这些传感器18中的每一个。例如，呼吸节奏的不规则可以被一个传感器18检测到，而另一传感器18则未检测到任何不规则。然而，在这两个传感器信号D_i(t)的和D(t) 中，将存在不规则。不规则的一个典型示例是打哈欠图，其可以在一个传感器的传感器信号中示出，但是在另一传感器的传感器信号中却不可检测。

处置n个传感器的传感器信号D_i(t)（i = 1至n）的另一种可能性是，将每个传感器信号D_i(t)变换为相应变换信号S_i(t)， i = 1至N，使得将存在N个变换信号S_i(t)。根据以下等式计算这些变换信号中的每一个S_i(t)：

(7)

显而易见，在这种情况下，每个传感器必需一个系数集合a_ki。

用以下等式将（在变换步骤130中获得的）不同变换信号S_i(t)相加，以计算传感器的变换信号S_i(t)之和：

(8)

然后，可以用相符的信号处理算法对这个总变换信号Ŝ(t) 做进一步处理（步骤140），并将其当作估计的体积描记术信号。

为了获取预定的常系数集合a_k，可以执行如图3的流程图所示的校准步骤。

在该校准步骤中，在特定时间段内测量体积描记术信号S'(t) 。这种信号S'(t)可以由呼吸带测量获得，并且与对象的胸部体积（thorax volume）相关（步骤200）。同时，测量与对象的胸部运动相关的多普勒-雷达传感器信号D(t)（步骤220）。通过两种测量，在接下来的步骤230中，基于当前发展水平的统计学方法，根据以下关系式计算系数a_k ：

(6)。

可以请求用户输入用户ID（步骤240），以及将系数集合a_k与用户识别数据一起存储在查找表内（步骤250）。

根据所选择的设置，可以为每个传感器18确定系数a_k，使得在校准步骤中，为整个传感器集合确定系数a_k并将其与用户ID存储在一起。如果在车辆中使用，则其可以被存储在汽车管理系统中。如果如以下将结合图4更详细地描述的，所述系统在例如家中用作放松系统，则可以将其存储在本地或者与家庭网络相连的另一模块或计算机中。能够经由如图1所示的总线或网络26传送所有数据，包括系数集合a_k 和用户识别数据。

尽管以上已描述的发明创建变换信号，该变换信号对应于电感体积描记术借助于呼吸带而得到的信号的估计，但是可以将变换信号解释为通过其它方法获取的估计信号。例如，变换信号还可以用来估计对象胸部外围的电阻测量，这是因为电阻测量信号也可以用包括多普勒-雷达信号信息的数项级数来比拟。关于这个方面，能够认可其它测量技术。

图4示出根据本发明的用于监控对象32的呼吸活动的系统30的另一实施例。该系统30包括床垫，在床垫中并入了传感器18阵列以监控躺在床垫34上表面的对象32。系统30还包括信号变换单元20和处理单元24以及存储单元22。传感器18、信号变换单元20、处理单元24和存储单元22的工作原理基本上与参照图1说明的相同，所以这里为了简洁而省略进一步的说明。在图4的实施例中，如果从处理单元24接收到相应命令，则处理单元24与输出单元36进行通信，以产生对象32可察觉的音频和/或视频反馈信号。这种反馈系统可以帮助对象32通过调整呼吸节奏来放松，即，给出关于当前测量的呼吸的可察觉反馈。此外，可以在临床监护中使用类似系统30（其包括并入到床垫34中的传感器18）来监控病人。

尽管已经在附图和上述说明书中详细地例证并描述了本发明，但是这种例证和描述应认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。在实践所要求保护的发明中，本领域技术人员可以通过学习附图、公开和所附权利要求来理解和实现所公开实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载特定措施的纯粹事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应该解释为限制范围。

Claims

1.一种用于监控对象呼吸活动的方法，包括：

-获取至少一个多普勒-雷达传感器的、代表对象呼吸活动的传感器信号D(t)，

-将传感器信号D(t)变换为变换信号S(t)，S(t)是根据下式的级数：

，

其中，a_k 是预定的常系数集合，

-以及处理变换信号S(t)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，从查找表获得所述系数集合a_k 。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述查找表包括多个不同系数集合a_k 。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，识别所述对象，并根据识别结果从所述多个系数集合 a_k中选择一个相应的系数集合 a_k。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，在校准步骤中获取用于一个个体对象的系数集合a_k ，所述校准步骤包括：

-在一段时间内测量与对象的对象胸部体积相关的信号S’(t)；

-在相同时间段内测量与对象胸部运动相关的传感器信号D(t)；

-根据以下关系从S’(t)和D(t)确定系数集合a_k ：

。

6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，D(t)是来自n个传感器的传感器信号D_i(t)之和，i = 1至n。

7.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中，从n个传感器的多个传感器获取多个传感器信号D_i(t)，i = 1至n，

以及为这n个传感器中的每一个确定一个系数集合a_k 。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，根据下式为每个传感器i导出一个变换信号 S_i(t)：

,

以及计算总变换信号 Ŝ(t) ，作为传感器的变换信号S_i(t) 之和：

。

9.用于监控对象（32）的呼吸活动的系统（10；30），包括：

-至少一个多普勒-雷达传感器（18），被提供来获取代表对象（32）的呼吸活动的传感器信号D(t)，

-信号变换单元（20），被提供来将传感器信号D(t)变换为变换信号S(t)，S(t)是根据下式的级数：

,

其中，a_k 是预定的常系数集合，

-存储单元（22），用于存储预定的常系数集合a_k，

-以及处理单元（24），用于处理变换信号S(t)。

10.根据权利要求9所述的系统，包括设置在测量范围内的不同位置处的多个多普勒-雷达传感器（18）。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述传感器变换单元（20）被提供用于将每个传感器i的传感器信号D_i(t) 变换为变换信号S_i(t)，并将得到的变换信号S_i(t)相加以得到总变换信号Ŝ(t)。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述传感器变换单元（20）被提供用于将传感器的传感器信号D_i(t) 相加以得到和D(t) ，并将总信号D(t) 变换为变换信号S(t)。