CN106913335B - 一种呼吸暂停检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种呼吸暂停检测系统的检测方法，包括以下步骤：电磁波探测模块采集待测者呼吸信号并发送给呼吸检测模块；呼吸检测模块获取电磁波探测模块采集的呼吸信号后，对呼吸信号进行分析并判定呼吸是否暂停，当判定为呼吸暂停时触发报警模块发出警报；报警模块在呼吸检测模块触发下发出警报。本发明电磁波探测模块发射的电磁波可以穿透非金属介质探测到呼吸信号，不需与人体直接接触即可进行检测，不限制待测者的自由；基于时频分析和频谱分析技术，利用呼吸信号具有周期性的性质，对呼吸信号进行时频分析，估算出呼吸的多普勒瞬时频率，判断呼吸的多普勒瞬时频率是否具有周期性，从而判断呼吸是否存在，运算量小，检测速度快。

Description

一种呼吸暂停检测系统
技术领域
本发明涉及呼吸检测技术领域，具体涉及一种呼吸暂停检测系统的检测方法。
背景技术
在睡眠中，口鼻呼吸气流完全停止10S以上，即被认为呼吸暂停。当睡眠呼吸暂停发生时，血液中的氧气减少，机体处于缺氧状态。如果这种现象频繁发生，即每小时出现5次以上或7h的睡眠过程中暂停次数超过30次，长年累月如果呼吸暂停现象未被发现，不进行有效地治疗，就会造成严重后果，可能出现一系列的病理、生理变化。因此，监测睡眠呼吸对关注人体健康至关重要。
常用于监测睡眠的有PSG仪和腕式活动记录仪。腕式活动记录仪可以被连接到任何一个肢体上，是基于相同加速度原则来获取体动数据的，其在监测睡眠中体动状态的应用效果好，但并不能监测呼吸状态。PSG仪可同时测量脑电图、心电图、肌电图、眼动图、胸式和腹式呼吸张力图、鼻及口通气量、体位体动、血氧饱和度等多个生理信号，但是测量较为复杂，而且需要在监测者身上固定多个电极，限制了监测者的自由，增加了其心理负担，还需要通过长时间监测来获取数据进行分析，多用于实验室环境，不易用于家庭监护。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有检测呼吸暂停技术操作复杂，限制监测者的自由，需根据长时间的监测数据进行分析才能得到检测结果，不易于日常家庭监护。
为解决上述问题，本发明采用的具体技术方案如下：一种呼吸暂停检测系统的检测方法，所述呼吸暂停检测系统包括电磁波探测模块、呼吸检测模块和报警模块，电磁波探测模块连接呼吸检测模块，呼吸检测模块连接报警模块；上述呼吸暂停检测系统的检测方法包括以下步骤：
步骤1、电磁波探测模块采集待测者呼吸信号，并发送给呼吸检测模块；
步骤2、呼吸检测模块获取电磁波探测模块采集的呼吸信号后，对呼吸信号进行分析处理，判定呼吸是否暂停，当判定为呼吸暂停时触发报警模块，具体步骤为：
2.1、获得电磁波探测模块采集的呼吸信号，使用时频分析方法对呼吸信号进行分析，得到呼吸信号的时频分布；
2.2、使用瞬时频率估算方法求取呼吸多普勒瞬时频率；
2.3、对呼吸多普勒瞬时频率进行傅里叶变换得到多普勒瞬时频率的频谱，从而获得多普勒瞬时频率的幅度谱；
2.4、检测幅度谱中的峰值幅度及峰值频率，计算幅度谱中频率在0.1～0.8Hz之间的平均幅度，计算峰值幅度与平均幅度之比；
2.5、比较峰值频率是否在0.1～0.8Hz之间，若在则判定为无呼吸，否则比较峰值幅度与平均幅度之比是否小于预设阈值，若是则判定为无呼吸，若连续三次判定为无呼吸，则确定为呼吸暂停，触发报警模块；
步骤3、报警模块在呼吸检测模块的触发下发出警报。
作为本发明的进一步改进，步骤2中使用的时频分析方法为短时傅里叶变换。短时傅里叶变换对呼吸信号采用单一分辨率进行研究，可反应呼吸信号的时频趋势，算法简单，实现容易。
作为本发明的进一步改进，步骤2中使用的瞬时频率估算方法为极大值法。使用极大值法求取多普勒瞬时频率，计算简单、快速。
本发明的有益效果：本发明中通过电磁波探测模块发射的电磁波穿透非金属介质(被褥、衣物等)探测到人体呼吸信号，不需与人体直接接触即可进行呼吸信号的采集，不限制待测者的自由；本发明基于时频分析和频谱分析技术，利用呼吸信号具有周期性的性质，首先对呼吸信号进行时频分析，再估算出呼吸的多普勒瞬时频率，然后对多普勒瞬时频率的时频分布进行频谱分析，判断呼吸的多普勒瞬时频率是否具有周期性，从而判断呼吸是否存在，运算量小，只需采集一个采样时间段的呼吸信号即可判定呼吸是否存在，检测速度快；使用的预设阈值在整个检测过程中不改变，设置好后不受测量距离和环境的影响，也不用针对不同的待测者进行设置，通用性好；本发明在判断出呼吸暂停时通过报警模块发出警告，提醒效果明显，监护人员能及时发现采取措施；本发明方法操作简单，可用于日常家庭监护。
附图说明
图1是本发明呼吸暂停检测系统的结构框图。
图2是本发明呼吸暂停检测系统的检测方法流程图。
图3是本发明检测方法的具体实施例中电磁波探测模块输出的I和Q两路信号图。
图4是本发明检测方法的具体实施例中得到的呼吸多普勒瞬时频率时频分布图。
图5是发明检测方法的具体实施例中得到的呼吸幅度谱图。
具体实施方式
如图1所示，本发明方法基于的一种呼吸暂停检测系统，包括用于采集待测者呼吸信号的电磁波探测模块、用于接收呼吸信号并检测呼吸是否暂停的呼吸检测模块和用于在呼吸暂停时发出警告的报警模块，电磁波探测模块连接呼吸检测模块，呼吸检测模块连接报警模块。
本发明具体实施例中，电磁波探测模块为连续波生命探测仪，用于采集待测者呼吸信号；呼吸检测模块为PC机，用于接收呼吸信号并检测呼吸是否暂停，呼吸暂停时触发报警模块；报警模块为PC机自带的扬声器或外设扬声器。其中连续波生命探测仪包括发射机及与其连接的发射天线、接收机前端及与其连接的接收天线、模拟信号调理电路、单片机和无线通信模块，发射机与接收机前端连接，接收机前端通过模拟信号调理电路与单片机连接，单片机连接无线通信模块，发射机将本振LO信号输送至接收机前端，接收机前端向模拟信号调理电路输出I/Q两路信号，模拟信号调理电路将接收到的信号滤波放大后再分成I/Q两路信号输送给单片机，单片机进行A/D转换后通过无线通信模块发送给PC机。PC机包括无线通信模块、存储器、呼吸信号分析系统和扬声器，PC机通过接收从连续波生命探测仪采集到的呼吸信号，并将其存储到存储器中，呼吸信号分析系统对呼吸信号进行处理分析，判断呼吸是否暂停，并在呼吸暂停时控制扬声器发出报警声。其中呼吸信号分析系统对呼吸信号进行处理的过程如下：使用时频分析方法对呼吸信号进行分析，得到呼吸信号的时频分布；使用瞬时频率估算方法求取呼吸多普勒瞬时频率；对呼吸多普勒瞬时频率进行傅里叶变换得到多普勒瞬时频率的频谱，从而获得多普勒瞬时频率的幅度谱；检测幅度谱中的峰值幅度及峰值频率，计算幅度谱中频率在0.1～0.8Hz之间的平均幅度，计算峰值幅度与平均幅度之比；判断峰值频率是否在0.1～0.8Hz之间，若在则判定为无呼吸，否则判断峰值幅度与平均幅度之比是否小于预设阈值，若是则判定为无呼吸，若连续三次为无呼吸，则判定为呼吸暂停，触发扬声器发出警报。
如图2所示，本发明提出的呼吸暂停检测系统的检测方法，具体步骤如下：
S1,设置电磁波探测模块的采集呼吸信号的采样频率fs和采样点个数N，则采样时间段为ts＝N/fs；其中电磁波探测模块输出的呼吸信号为I和Q两路数字信号。
S2，电磁波探测模块采集待测者的呼吸信号，将采集的一个采样时间段的呼吸信号传输给呼吸检测模块。
S3，呼吸检测模块接收到一个采样时间段的呼吸信号后，对呼吸信号进行分析处理，判定呼吸是否暂停，当判定为呼吸暂停时触发报警模块，具体步骤如下：
S3.1，使用时频分析方法对呼吸信号进行分析，得到呼吸信号的时频分布。
本发明具体实施例中优选地采用短时傅里叶变换(STFT)对I和Q信号组成的复信号进行时频分析，得到呼吸信号的二维时频矩阵TFR(n,k)，其中n为离散时间序列，k为对应的离散频率序列。也可采用其它具有较高的时频分辨率的高性能时频分析方法，例如重排的短时傅里叶变换(Reassigned STFT)、B分布等。
S3.2，使用瞬时频率估算方法求取呼吸多普勒瞬时频率。
本发明具体实施例中优选地采用极值法求取多普勒瞬时频率，获得多普勒瞬时频率的时频分布，也可采用Viterbi算法求取多普勒瞬时频率，获得的多普勒瞬时频率的精度会更高。
S3.3，对呼吸多普勒瞬时频率进行傅里叶变换得到多普勒瞬时频率的频谱，从而得到呼吸多普勒瞬时频率的幅度谱。
S3.4，检测呼吸多普勒瞬时频率的幅度谱中的峰值幅度Amax及峰值频率F，计算幅度谱中频率在0.1～0.8Hz之间的平均幅度C，计算峰值幅度与平均幅度之比ratio＝Amax/C。
S3.5，比较峰值频率F是否在0.1～0.8Hz之间，若在则判定为本采样时间段内无呼吸，否则比较比值ratio是否大于预设阈值T,若大于则判定为本采样时间段内有呼吸，继续S2采集下一个采样时间段的呼吸信号，否则判断为无呼吸；若已连续三个采样时间段内判定为无呼吸，则确定呼吸暂停，发送触发信号给报警模块。
其中预设阈值T根据电磁波探测模块在有人和无人两种情况下采集的多个采样时间段的呼吸信号，经过呼吸检测模块处理后得到两种情况下的多个采样时间段内的峰值幅度与平均幅度的比值，人工统计分析后找到一个值，该值能够区别有人和无人两种情况，将该值确定为预设阈值T。该预设阈值只与电磁波波探测模块的硬件参数及呼吸检测模块采用的时频分析方法、频谱分析方法以及瞬时频率估计方法的算法参数有关，一旦设置好后整个检测过程中阈值不改变，不受测量距离和环境的影响，也不用针对不同的待测者进行设置，通用性好。
S4，报警模块接收到触发信号后发出警报。
本发明具体实施例中，设置连续波生命探测仪的采样频率fs＝30Hz，采样点个数N＝512，通过测量在有人与无人两种情况下的幅度比，确定阈值T＝3。呼吸检测时将呼吸暂停检测系统放置距离待测者50cm处进行检测，电磁波探测模块的某个采样时间段输出的I和Q两路数字信号如图2所示，得到的该采样时间段的呼吸多普勒瞬时频率的时频分布如图3所示，图4为呼吸的幅度谱图。图中峰值频率约为0.3Hz，位于有效频率范围0.1～0.8Hz之间，峰值幅度为233.46，频率在0.1～0.8Hz之间的平均幅度为47.53，两者比为4.9，该采样时间段的判断结果为呼吸存在，继续进行下一采样时间段的检测。

Claims (3)

1.一种呼吸暂停检测系统，其特征在于，包括用于采集待测者呼吸信号的电磁波探测模块、用于接收呼吸信号并检测呼吸是否暂停的呼吸检测模块和用于在呼吸暂停时发出警告的报警模块，电磁波探测模块连接呼吸检测模块，呼吸检测模块连接报警模块；
电磁波探测模块为连续波生命探测仪，用于采集待测者呼吸信号；呼吸检测模块为PC机，用于接收呼吸信号并检测呼吸是否暂停，呼吸暂停时触发报警模块；报警模块为PC机自带的扬声器或外设扬声器；
其中连续波生命探测仪包括发射机及与其连接的发射天线、接收机前端及与其连接的接收天线、模拟信号调理电路、单片机和无线通信模块，发射机与接收机前端连接，接收机前端通过模拟信号调理电路与单片机连接，单片机连接无线通信模块，发射机将本振LO信号输送至接收机前端，接收机前端向模拟信号调理电路输出I/Q两路信号，模拟信号调理电路将接收到的信号滤波放大后再分成I/Q两路信号输送给单片机，单片机进行A/D转换后通过无线通信模块发送给PC机；
PC机包括无线通信模块、存储器、呼吸信号分析系统和扬声器，PC机通过接收从连续波生命探测仪采集到的呼吸信号，并将其存储到存储器中，呼吸信号分析系统对呼吸信号进行处理分析，判断呼吸是否暂停，并在呼吸暂停时控制扬声器发出报警声；
其中呼吸信号分析系统对呼吸信号进行处理的过程如下：使用时频分析方法对呼吸信号进行分析，得到呼吸信号的时频分布；使用瞬时频率估算方法求取呼吸多普勒瞬时频率；对呼吸多普勒瞬时频率进行傅里叶变换得到多普勒瞬时频率的频谱，从而获得多普勒瞬时频率的幅度谱；检测幅度谱中的峰值幅度及峰值频率，计算幅度谱中频率在0.1～0.8Hz之间的平均幅度，计算峰值幅度与平均幅度之比；判断峰值频率是否在0.1～0.8Hz之间，若不在则判定为无呼吸，否则判断峰值幅度与平均幅度之比是否小于预设阈值，若是则判定为无呼吸，若连续三次为无呼吸，则判定为呼吸暂停，触发扬声器发出警报。
2.根据权利要求1所述的呼吸暂停检测系统，其特征在于，所述时频分析方法为短时傅里叶变换。
3.根据权利要求1所述的呼吸暂停检测系统，其特征在于，所述瞬时频率估算方法为极大值法。
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