CN107595260A - 非接触式体征检测方法、装置、存储介质及其计算机设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非接触式体征检测方法、装置存储介质及其计算机设备，其中，方法包括：根据照射待检测对象反射的毫米波，分析出待检测对象胸腔位置变化数据，进而可以准确得出待检测对象呼吸速率和心跳速率，整个检测过程，无需与待检测对象接触，使用方便。

Description

非接触式体征检测方法、装置、存储介质及其计算机设备

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别是涉及非接触式体征检测方法、装置、存储介质及其计算机设备。

背景技术

呼吸速率和心跳速率这两项体征信息的检测在临床治疗中具有很重要的作用，而且也能体现人体日常生活中的身体状况。

但是，现有的用于医疗的生命体征检测技术都要求测试对象穿戴或者接触特殊的设备。这会给测试对象带来很大的不便，造成使用的局限性。

发明内容

基于此，有必要针对传统呼吸速率与心跳速率的体征检测需要与待检测对象接触，造成使用不便的问题，提供一种无需与待检测对象接触的体征检测方法、装置、存储介质及其计算机设备。

一种非接触式体征检测方法，包括步骤：

接收待检测对象在毫米波照射下反射的毫米波；

分析预设时间内反射的毫米波，获取待检测对象胸腔位置变化数据；

根据待检测对象胸腔位置变化数据，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。

一种非接触式体征检测装置，包括相互连接的主机和基带处理模块；

基带处理模块接收待检测对象在毫米波照射下反射的毫米波，主机分析预设时间内反射的毫米波的相位变化，获取待检测对象胸腔位置变化数据，根据待检测对象胸腔位置变化数据，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。

本发明非接触式体征检测方法与装置，根据照射待检测对象反射的毫米波，分析出待检测对象胸腔位置变化数据，进而可以准确得出待检测对象呼吸速率和心跳速率，整个检测过程，无需与待检测对象接触，使用方便。

另，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。

另，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如上述方法的步骤。

上述计算机可读存储介质与计算机设备，其中非接触式体征检测方法，根据照射待检测对象反射的毫米波，分析出待检测对象胸腔位置变化数据，进而可以准确得出待检测对象呼吸速率和心跳速率，整个检测过程，无需与待检测对象接触，使用方便。

附图说明

图1为本发明非接触式体征检测方法第一个实施例的流程示意图；

图2为本发明非接触式体征检测方法其中一个应用实例中，得到的图胸腔位置变化曲线示意图；

图3为本发明非接触式体征检测方法其中一个应用实例中，得到的图胸腔位置变化曲线示意图；

图4为本发明非接触式体征检测方法第二个实施例的流程示意图；

图5为本发明非接触式体征检测装置第一个实施例的结构示意图；

图6为本发明非接触式体征检测装置第二个实施例的结构示意图；

图7为本发明非接触式体征检测装置其中一个应用实例的架构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种非接触式体征检测方法，包括步骤：

S200：接收待检测对象在毫米波照射下反射的毫米波。

待检测对象可以人体，即本次检测到的是人体的呼吸速率和心跳速率，另外待检测对象还可以为其他动物。波长为1～10毫米的电磁波称毫米波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点，与光波相比，毫米波利用大气窗口(毫米波与亚毫米波在大气中传播时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减24GHZ微波雷达传感器为极小值的频率)传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小，毫米波具有以下优点：1)极宽的带宽，通常认为毫米波频率范围为26.5～300GHz，带宽高达273.5GHz，超过从直流到微波全部带宽的10倍，即使考虑大气吸收，在大气中传播时只能使用四个主要窗口，但这四个窗口的总带宽也可达135GHz，为微波以下各波段带宽之和的5倍，这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力；2)波束窄，在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多，例如一个12cm的天线，在9.4GHz时波束宽度为18度，而94GHz时波速宽度仅1.8度，因此可以分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节；3)与激光相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全天候特性；4)和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多，因此毫米波系统更容易小型化。

毫米波照射待检测对象，待检测对象会反射对应的毫米波，待检测对象在呼吸和心跳过程中胸腔位置会发生变化，基于反射的毫米波可以准确捕捉到这个变化的数据，在这里接收待检测对象在毫米波照射下反射的毫米波。非必要的，不同频率的毫米波有不同的特性，在这里可以基于当前应用场景选择最佳的频域的毫米波。更进一步的，继续研究发现在本发明非接触式体征检测方法中可以选择60GHz的毫米波作为照射波，这样可以达到最佳的检测效果。在实际应用中，可以选用60GHz的毫米波照射待检测对象，接收待检测对象反射的60GHz的毫米波，在反射回的毫米波中会发生相位变化，并且相位变化与待检测对象胸腔位置变化是相关的。

S400：分析预设时间内反射的毫米波，获取待检测对象胸腔位置变化数据。

预设时间可以基于需要进行设定，例如1分钟、3分钟或5分钟等。在这里，可以理解为采集一定时间内毫米波照射待检测对象反射回的毫米波，由于这些反射回的毫米波中携带有待检测对象胸腔位置变化数据，因此，我们可以对这些数据进行分析，获得待检测对象胸腔位置变化数据。非必要的，可以先对预设时间内反射的毫米波进行分析，得到其对应的信号相位变化数据，再基于相位变化数据绘制对应的变化曲线图，进一步基于变化曲线图得到待检测对象胸腔位置变化数据。

S600：根据待检测对象胸腔位置变化数据，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。

待检测对象在呼吸或心脏跳动过程中，其胸腔位置是会发生变化的。简单来说，这里描述的胸腔位置变化是由于胸腔外形变化带来的，即待检测对象在一呼一吸过程胸腔外形发生变化，在步骤S400基于发射的毫米波准确捕捉到这部分数据，在本步骤中，根据待检测对象胸腔位置变化数据，可以准确识别出待检测对象完成一次完整的呼吸(一呼一吸)或一次完整心脏跳动，再考虑时间参数，即可得到待检测对象呼吸速率和心跳速率。

本发明非接触式体征检测方法，根据照射待检测对象反射的毫米波，分析出待检测对象胸腔位置变化数据，进而可以准确得出待检测对象呼吸速率和心跳速率，整个检测过程，无需与待检测对象接触，使用方便。

在其中一个实施例中，分析预设时间内反射的毫米波，获取待检测对象胸腔位置变化数据的步骤包括：

通过快速傅里叶变换和相位解缠算法，分析预设时间内反射的毫米波，获取待检测对象胸腔位置变化数据。

快速傅里叶变换的基本思想是把原始的N点序列，依次分解成一系列的短序列，充分利用离散傅里叶变换计算式中指数因子所具有的对称性质和周期性质，进而求出这些短序列相应的离散傅里叶变换并进行适当组合，达到删除重复计算，减少乘法运算和简化结构的目的。一般来说相位解缠算法包括两个步骤：1)基于缠绕相位计算解缠相位的相位梯度估算值；(2)沿适当的路径完成相位积分。相位解缠算法基于这样的假设：可以求解出缠绕相位的离散偏导数，即相位像元间的相位差，并且这些相位差的绝对值小于pi。通过这些离散的偏导数可以重建解缠相位。理想状态下干涉相位呈周期性变化，由0到2pi的过程是一个渐变的过程，再由2pi迅速变为0，然后又渐变为2pi，反复出现，呈周期性，变化轮廓明显，层次均匀，突变点为相位周期分界点。因而，理想情况下可以提取离散相位偏导数，分别在水平和垂直向进行积分，即可达到解缠的目的。针对预设时间内反射的毫米波，采用快速傅里叶变换和相位解缠算法可以还原出真实的毫米波的相位变化，又由于相位变化与胸腔位置变化成正相关，因此可以计算出测试者的胸腔位置变化数据。

在其中一个实施例中，根据待检测对象胸腔位置变化数据，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率的步骤包括：

根据待检测对象胸腔位置变化数据，通过快速傅里叶变换、频域滤波以及线性拟合，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。

频域是描述信号在频域方面特性时用到的一种坐标系。频域滤波是指在频域里面对信号进行处理，只让某些频率的信号通过，而把其它频率的信号阻止。具体来说，频域滤波可以采用频域滤波器完成。线性拟合是指用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之间的函数关系，更广泛地说，空间或高维空间中的相应问题亦属此范畴，在数值分析中，曲线拟合就是用解析表达式逼近离散数据，即离散数据的公式化。在实际应用中，由于待检测对象(人体)呼吸速率与心跳速率对应的胸腔位置的变化范围各不相同，采用快速傅里叶变换的方法可以得到待测对象胸腔位置变化曲线图。如图2所示，在0.08Hz到0.38Hz之间可以找到呼吸速率对应的胸腔位置变化峰值，如图3所示，在0.88Hz到1.92Hz之间可以找到心跳速率对应的胸腔位置变化峰值。由于快速傅里叶变换存在频率分辨率不够高的问题，进一步使用频域滤波的方法分别提取两个峰值和两个峰值相邻点的信息，然后通过线性拟合方法精确估计出待测对象的呼吸速率和心跳速率。

在其中一个实施例中，根据待检测对象胸腔位置变化数据，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率的步骤包括：

步骤一：通过快速傅里叶变换分析待检测对象胸腔位置变化数据，获得胸腔位置变化曲线图；

步骤二：通过频域滤波分别提取胸腔位置变化曲线图中与呼吸速率和心跳速率对应的两个峰值以及峰值相邻点的数据；

步骤三：根据提取的数据，通过线性拟合获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。

具体来说，如图2或图3所示，采用快速傅里叶变换可以得到待检测对象胸腔位置变化数据，进而得到胸腔位置变化曲线图，考虑待检测对象(人体)呼吸速率与心跳速率对应的胸腔位置的变化范围的差异，查找该胸腔位置变化曲线图中与待检测对象(人体)呼吸速率对应的峰值以及与心跳速率对应的峰值(具体可以参见图2和图3中2个点)，提取两个峰值以及相邻点的数据，再对提出的数据采用线性拟合处理即可准确获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。

如图4所示，在其中一个实施例中，步骤S200之前还包括：

S120：生成基带单音正弦信号，根据基带单音正弦信号，生成60GHz毫米波；

S140：将生成的60GHz毫米波照射待检测对象。

简单来说，单音正弦信号是指单一频率的正弦信号。在实际应用中生成基带单音正弦信号，生成的基带单音正弦信号发送到60GHz毫米波发生器，60GHz毫米波发生器会发射对60GHz毫米波照射待检测对象。在本实施例中，采用60GHz的毫米波作为照射波，60GHz毫米对距离变化敏感，具有方向性以及良好抗干扰性，能够获得对体征信息更加准确的测量结果。60GHz毫米波发生器中的天线可以采用60GHz相控阵天线。

如图4所示，在其中一个实施例中，步骤S140之前还包括：

S132：扫描搜索待检测对象的位置；

S134：根据待检测对象的位置，调整生成的60GHz毫米波的波束照射方向。

扫描搜索待检测对象的位置可以通过声波方式、红外感应方式等实现。在实际应用中，在获取到待检测对象的位置之后，调整60GHz毫米波发生器的波束照射方向，以使60GHz毫米波波束能够准确照射待检测对象。进一步的，待检测对象有多个时，可以扫描搜索待检测对象的位置，即获得各个待检测对象的位置，基于各个待检测对象的位置，调整60GHz毫米波发生器的波束照射方向，实现同时测量多个待检测对象的呼吸速率和心跳速率。

另外，如图5所示，本发明还提供一种非接触式体征检测装置，包括相互连接的主机100和基带处理模块200；

基带处理模块200接收待检测对象在毫米波照射下反射的毫米波，主机100分析预设时间内反射的毫米波的相位变化，获取待检测对象胸腔位置变化数据，根据待检测对象胸腔位置变化数据，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。

基带处理模块200接收待检测对象在毫米波照射下反射的毫米波。具体来说，基带处理模块200可以包括FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)和数模/模数转换器。更进一步的，基带处理模块200可以采用基于FPGA时钟的时间戳同步方案，以便使用相位变化来检测测试者胸腔位置。

主机100用于分析预设时间内反射的毫米波的相位变化，获取待检测对象胸腔位置变化数据，根据待检测对象胸腔位置变化数据，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。具体来说，主机100通过快速傅里叶变换和相位解缠算法，分析预设时间内反射的毫米波，获取待检测对象胸腔位置变化数据，根据待检测对象胸腔位置变化数据，通过快速傅里叶变换、频域滤波以及线性拟合，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。

本发明非接触式体征检测装置，基带处理模块200接收待检测对象在毫米波照射下反射的毫米波，主机100根据照射待检测对象反射的毫米波，分析出待检测对象胸腔位置变化数据，进而可以准确得出待检测对象呼吸速率和心跳速率，整个检测过程，无需与待检测对象接触，使用方便。

如图6所示，在其中一个实施例中，本发明非接触式体征检测装置还包括60GHz毫米波发生器300，60GHz毫米波发生器300与基带处理模块200连接；

主机100还用于生成基带单音正弦信号，将基带单音正弦信号通过基带处理模块200发送至60GHz毫米波发生器300，60GHz毫米波发生器300用于根据接收到的基带单音正弦信号，发射60GHz毫米波照射待检测对象。更具体来说，60GHz毫米波发生器300与主机100连接，主机100还用于扫描搜索待检测对象的位置，根据待检测对象的位置，调整60GHz毫米波发生器300的波束照射方向。

60GHz毫米波发生器300可以采用PEM009工具套件以及相控阵天线，可以收发60GHz频段信号并且动态调整天线波束的方向与宽度。

为更进一步详细解释本发明非接触式体征检测方法与装置的技术方案，下面将采用一具体应用实例，并结合图2、图3以及图7详细说明整个方案。

如图7所示，在具体应用实例中，本发明非接触式体征检测装置包括主机、基带处理模块、60GHz毫米波发生器(60GHz毫米波发射端)以及功分器，待检测对象为人体。

步骤一，单音信号的收发。主机生成基带单音正弦信号，通过基带处理模块发送到60GHz毫米波发生器，产生60GHz射频信号，并经过人体发射之后，通过基带处理模块返回主机。基带处理模块可以使用Xilinx的ZYNQ系列。其中的数模/模数转换器使用AD9361射频模块，支持单通道最大带宽56MHz。并且采用基于FPGA时钟的时间戳同步方案，以便使用相位变化来检测人体胸腔位置变化。60GHz毫米波发生器可以采用PEM009工具套件以及相控阵天线，可以收发60GHz频段信号并且动态调整天线波束的方向与宽度。主机以每秒100次以上的速率循环收发单音信号，实现对呼吸速率和心跳速率的持续检测。

步骤二，根据相位变化计算胸腔位置变化。的主机采用快速傅里叶变换，相位解缠绕等信号处理算法还原出真实的相位变化。又因为相位变化与胸腔位置变化成正比，因此可以计算出测试者的胸腔位置变化。

步骤三，根据胸腔位置变化计算体征信息。由于人体呼吸速率与心跳速率的变化范围各不相同，的主机采用快速傅里叶变换的方法可以得到测试者的体征信息，如图2，在0.08Hz到0.38Hz之间可以找到呼吸速率对应的峰值,如图3，在0.88Hz到1.92Hz之间可以找到心跳速率对应的峰值。由于快速傅里叶变换存在频率分辨率不够高的问题，主机端进一步使用频域滤波的方法分别提取两个峰值和相邻点的信息，然后通过线性拟合方法精确估计出测试者的呼吸速率和心跳速率。

步骤四，在多用户的测试场景下，首先利用相控阵天线(60GHz毫米波发生器)改变天线波束方向，每次测试若干秒的时间，通过检测是否有周期性的相位变化来检测是否有人体存在，然后将波束方向改变一定角度，重复操作，直到搜索覆盖所有角度。主机检测并记录所有测试者的所在角度之后，就可以在实际工作时，利用相控阵天线快速切换天线波束方向，依次检测每个用户的胸部位置变化，实现同时测量多用户的体征信息。

另，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。

另，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如上述方法的步骤。

上述计算机可读存储介质与计算机设备，其中非接触式体征检测方法，根据照射待检测对象反射的毫米波，分析出待检测对象胸腔位置变化数据，进而可以准确得出待检测对象呼吸速率和心跳速率，整个检测过程，无需与待检测对象接触，使用方便。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种非接触式体征检测方法，其特征在于，包括步骤：

接收待检测对象在毫米波照射下反射的毫米波；

分析预设时间内反射的毫米波，获取待检测对象胸腔位置变化数据；

根据所述待检测对象胸腔位置变化数据，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。

2.根据权利要求1所述的非接触式体征检测方法，其特征在于，所述分析预设时间内反射的毫米波，获取待检测对象胸腔位置变化数据的步骤包括：

通过快速傅里叶变换和相位解缠算法，分析预设时间内反射的毫米波，获取待检测对象胸腔位置变化数据。

3.根据权利要求1所述的非接触式体征检测方法，其特征在于，所述根据所述待检测对象胸腔位置变化数据，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率的步骤包括：

根据所述待检测对象胸腔位置变化数据，通过快速傅里叶变换、频域滤波以及线性拟合，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。

4.根据权利要求1所述的非接触式体征检测方法，其特征在于，所述根据所述待检测对象胸腔位置变化数据，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率的步骤包括：

通过快速傅里叶变换分析所述待检测对象胸腔位置变化数据，获得胸腔位置变化曲线图；

通过频域滤波分别提取所述胸腔位置变化曲线图中与呼吸速率和心跳速率对应的两个峰值以及峰值相邻点的数据；

根据提取的数据，通过线性拟合获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。

5.根据权利要求1所述的非接触式体征检测方法，其特征在于，所述接收待检测对象在毫米波照射下反射的毫米波的步骤之前还包括：

生成基带单音正弦信号，根据所述基带单音正弦信号，生成60GHz毫米波；

将生成的60GHz毫米波照射所述待检测对象。

6.根据权利要求5所述的非接触式体征检测方法，其特征在于，所述通过所述60GHz毫米波发生器发射60GHz毫米波照射所述待检测对象的步骤之前还包括：

扫描搜索所述待检测对象的位置；

根据所述待检测对象的位置，调整所述生成的60GHz毫米波的波束照射方向。

7.一种非接触式体征检测装置，其特征在于，包括相互连接的主机和基带处理模块；

所述基带处理模块接收待检测对象在毫米波照射下反射的毫米波，所述主机分析预设时间内反射的毫米波的相位变化，获取待检测对象胸腔位置变化数据，根据所述待检测对象胸腔位置变化数据，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。

8.根据权利要求7所述的非接触式体征检测装置，其特征在于，所述主机用于通过快速傅里叶变换和相位解缠算法，分析预设时间内反射的毫米波，获取待检测对象胸腔位置变化数据，根据所述待检测对象胸腔位置变化数据，通过快速傅里叶变换、频域滤波以及线性拟合，获取待检测对象呼吸速率和心跳速率。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任意一项所述方法的步骤。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任意一项所述方法的步骤。