CN107928674B - 一种基于声波测距的非接触式呼吸检测方法 - Google Patents

一种基于声波测距的非接触式呼吸检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于声波测距的非接触式呼吸检测方法，包括：使用声波收发器发送线性调频波并接收回波；对所述回波做带通滤波；采样率差异补偿，采集线性调频波和回波做回归分析，拟合出误差模型，并根据所述误差模型进行补偿；计算所述线性调频波和回波的互相关函数；确定参考点并将相对延迟转化为绝对延迟；根据测距公式估算距离；计算所述测距结果的自相关函数；选择自相关函数第一峰值最大的测距结果作为最终的呼吸波形；对呼吸波进行低通滤波，在给定时间窗口计算呼吸率，并可视化所述呼吸波。本发明测量精度高，不容易受周围移动物体和室内气流的影响；测距分辨率高，对于呼吸时胸腹起伏较弱的人群也能够精确测量。

Description

一种基于声波测距的非接触式呼吸检测方法
技术领域
本发明涉及呼吸检测方法，尤其涉及一种利用声波信号非接触式检测人体呼吸的方法。
背景技术
呼吸是人体重要生命体征，直接反应人体健康状态。呼吸检测对于许多疾病的早期诊断、治疗非常关键。按照检测方式，呼吸检测方法大致分为两类：接触式和非接触式。可穿戴式方法又包含医用可穿戴和便携式家用智能可穿戴。医用可穿戴式方法包括胸阻抗扫描器、二氧化碳扫描器等穿戴设备，但是面临价格高昂、有侵扰性、且必须随时贴身携带等困难，难以用于长期呼吸检测；便携式家用智能可穿戴设备包括智能腕带、智能腕表、智能胸带等设备，但也面临检测准确度低、舒适度差和用户很难坚持长期使用的困难。目前非接触式呼吸检测技术，特别是声波呼吸检测技术逐渐受到人们的关注，相比于接触式检测，它无需人体携带或贴靠任何设备，且声波信号已经广泛存在，具有非侵扰性、方便、低成本的优点，尤其适合长期的呼吸检测。
在非接触式呼吸检测技术方面，文献[1][2]记载了基于声波信号检测呼吸的可行性研究，并设计检测方法和实现了相应的检测系统。但是，文献[1]所述方法存在容易受周围移动物体(如周围有人走过)和室内气流的影响；文献[2]所述方法由于受可用带宽的限制，存在测距分辨率不足的问题，对于呼吸时胸腹起伏较弱的人群(如体型偏瘦的人群、老年人和儿童)不适用。
引用文献：
[1]Philippe Arlotto,Michel Grimaldi,Roomila Naeck and Jean-MarcGinoux.2014.An ultrasonic contactless sensor for breathing monitoring.Sensors14.8(2014),15371-86.
[2]Rajalakshmi Nandakumar,Shyamnath Gollakota,Nathaniel WatsonM.D..2015.Contactless Sleep Apnea Detection on Smartphones.In Proceedings ofthe 13th Annual International Conference on Mobile Systems,Applications,andServices.ACM,45-57.
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于高精度声波测距的非接触式呼吸检测的方法。该方法包含一个高精度声波测距技术,并利用该技术实时的检测呼吸时人胸腹的起伏从而实现实时的呼吸检测。
具体的，本发明提供了一种基于声波测距的非接触式呼吸检测方法，包括：
使用声波收发器发送线性调频波并接收回波；
对所述回波做带通滤波，滤除扫频范围以外的噪音；
采样率差异补偿，采用离线的方式采集线性调频波和回波做回归分析，拟合出误差模型，并根据所述误差模型进行补偿；
计算所述线性调频波和回波的互相关函数；
确定参考点并将相对延迟转化为绝对延迟；
根据测距公式估算距离，构建定长缓存队列，以缓存测距结果；
计算所述测距结果的自相关函数；
选择自相关函数第一峰值最大的测距结果作为最终的呼吸波形；
对呼吸波进行低通滤波，在给定时间窗口计算呼吸率，并可视化所述呼吸波。
本发明测量精度高，不容易受周围移动物体和室内气流的影响；测距分辨率高，对于呼吸时胸腹起伏较弱的人群也能够精确测量。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明基于声波测距的非接触式呼吸检测方法的流程图；
图2为本发明基于声波测距的声波收发装置结构图；
图3为本发明基于声波测距的声波收发装置感知测量范围示意图；
图4为本发明基于声波测距的声波收发装置感知的一个优选实施例的布置方法示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明的原理是：利用发送信号和经过胸腹反射回来的回波的互相关性估算发送波形和回波之间的时间延迟，即信号在空中的飞行时间，然后利用距离，时间，速度之间的关系实时的估算设备到胸腹之间的距离。由于呼吸会引起胸腹的起伏，因此胸腹起伏可视为呼吸的可靠表征。因此，实时的估算设备到胸腹之间的距离即可实现呼吸实时检测。
本发明提供的技术方案如下：
如图1所示，本发明提供一种基于声波测距的非接触式呼吸检测方法，包括如下步骤：
A.由于上述基本原理的关键环节是测距，测距精度取决于首发波形互相关性计算的准确性。因此需要设计出自相关性良好的发送波形。该发明利用线性调频波(FMCW)作为发送波形。发送波形描述如式1
Figure GDA0002439191810000031
发送波形参数须满足：
A1.载频Fc须在人听觉范围以外即Fc>18KHz。
A2.调频带宽B≤FuperBound-Fc,其中FuperBound为音频设备的频响上限。
普通音频设备的有效频响上限为22KHz。
A3.调频周期T须满足
Figure GDA0002439191810000032
其中Range为期望的感知范围(最大测距距离)，C为声速。
B.将扬声器和麦克风尽可能近的绑定在一块(如图2)，保证扬声器和麦克风朝向相同。调用声卡接口发送上述发送波形并同时接收回波。声卡采样频率Fs设置为不小于48KHz。
C.接收回波并做带通滤波，滤除扫频范围以外的噪音。
D.采样率差异补偿。真实的音频设备中扬声器和麦克风收发端采样率不一致(即使通过程序在声卡接口中设置为相同的采样率，实际采扬声器和麦克风的采样率也不相同)。采样率不一致会在后续测距过程中引入累积误差。本发明采用离线的方式采集发送波形和回波做回归分析，拟合出误差模型。并在接收到回波后根据误差模型进行补偿。
E.按式2计算发送波形vtx和回波vrx的互相关函数并识别互相关函数M个峰值(M一般取3～5)
Figure GDA0002439191810000041
N为一个调频周期T内发送波形的样本数。
F.确定参考点并将相对延迟转化为绝对延迟。设互相关函数峰值对应的横坐标从右到左依次为Lagi,i＝1,2,…N.Lagi为相对延迟(单位：采样点)。由于扬声器和麦克风绑定在一块产生的自干扰现象会使得扬声器发出的一部分声波不经过反射直接被麦克风接收到。由于这部分声波未经过反射，因此可以近似的认为这部分声波在互相关函数中产生的峰值对应着R＝0，可作为非常理想的参考点。用式3计算绝对延迟(单位采样点)。
Lagj＝Lagj-Lag1,j＝2,3,...M (式3)
M表示互相关峰值个数(见步骤E)。
根据式4计算绝对距离
Figure GDA0002439191810000042
式中Fs为声卡采样频率，C为声速常数。
G.根据测距公式估算距离，构建定长缓存队列Rcache(j)(先进先出)缓存测距结果。设缓存时间长度为Tcache,则缓存队列长度为Fs*Tcache
Rcache(j)＝[R(j|t＝1/Fs),R(j|t＝2/Fs),...R(j|t＝Tcache)],j＝2,3,...N
R(j|t)表示R(j)在时刻t取值。
H.计算每个缓存队列Rcache(j)中各测距结果的自相关函数。若用Rcache(j,i)表示Rcache(j)的第i个元素，i＝1,2,…,Fs*Tcache,Rcache(j)的自相关函数可按5式求得
Figure GDA0002439191810000051
其中μ为Rcache(j,i)的均值，σ2为Rcache(j,i)的方差。
I.选择自相关函数第一峰值最大的测距结果作为最终的呼吸波形；
J.对呼吸波进行低通滤波，并在给定时间窗口(建议设置为1min)计算呼吸率，并可视化所述呼吸波。
以下通过一个优选实施例进一步阐述本发明的实现过程。
实施例1
本发明提供一种基于高精度声波测距的非接触式呼吸检测方法，利用声波信号检测人体呼吸，根据声波收发器感知范围(在有效感知范围内，测距误差在0.3cm以下)，在床两边部署两套声波收发器倾斜照向被测者腹部(大致在胃的位置，此处是大多数人呼吸时起伏最明显的地方)，使得声波束覆盖更大的范围，同时使得被测者在常见的三种睡姿(平躺，左侧卧，右侧卧)的情况下至少有一个声波收发器可以测到呼吸。本发明的具体实施方式如下：
(1)一名被测试者平躺在床上，一套声波收发器部署在被测者正上方，使得声波束垂直照向被测者腹部，并尝试将声波收发器和被测者之间的距离由30cm逐渐增大，确定声波收发器的最大可测距离。逐渐将声波收发器向一侧偏转(如图3)一定角度(建议步长设置为5度)，采用上一步中的方法，确定声波收发器在不同倾斜角度下的最大可测距离。本例中使用的扬声器和麦克风分别为JBL Jembe(6Watt,80dB)和SAMSON MeteorMic,(16bit,48KHz)如图2所示。本例中，声波收发器的可测范围如图3所示。
(2)在上述可测范围内，将两套声波收发器倾斜(建议倾斜角度为30度到45度之间)部署在床的两侧，声波收发器发出的声波恰好直射人的腹部。本例中设备的部署图见图4；如此布置的目的是，无论被测者向左还是向右侧躺，其腹部至少会面对一个声波收发器，因此至少有一个声波收发器能够有效检测呼吸情况。当然，本发明的其他优选实施例中，并不限于两套声波收发器的情况，也可以采用一套声波收发器或者三套以上声波收发器，按需布置。
(3)根据图1提供的系统流程图及前述技术方案中的关键技术运行程序检测呼吸，此处不再赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于声波测距的非接触式呼吸检测方法，其特征在于，包括：
使用声波收发器发送线性调频波并接收回波；
对所述回波做带通滤波，滤除扫频范围以外的噪音；
采样率差异补偿，采用离线的方式采集线性调频波和回波做回归分析，拟合出误差模型，并根据所述误差模型进行补偿；
计算所述线性调频波和回波的互相关函数；
确定参考点并将相对延迟转化为绝对延迟；
根据测距公式估算距离，构建定长缓存队列，以缓存测距结果；
计算所述测距结果的自相关函数；
选择自相关函数第一峰值最大的测距结果作为最终的呼吸波形；
对呼吸波进行低通滤波，在给定时间窗口计算呼吸率，并可视化所述呼吸波。
2.根据权利要求1所述的基于声波测距的非接触式呼吸检测方法，其特征在于：
所述线性调频波的波形vtx(t)描述如下式1
Figure FDA0002543918910000011
其中：载频Fc在人听觉范围以外，即Fc>18KHz；调频带宽B≤FuperBound-Fc,其中FuperBound为所述声波收发器的频响上限；调频周期T满足
Figure FDA0002543918910000012
其中Range为所述声波收发器的最大测距距离，C为声速。
3.根据权利要求1所述的基于声波测距的非接触式呼吸检测方法，其特征在于：
所述声波收发器包括绑定在一起并且朝向相同的扬声器和麦克风。
4.根据权利要求1所述的基于声波测距的非接触式呼吸检测方法，其特征在于：
根据下式2计算所述线性调频波的波形vtx和回波vrx的互相关函数并识别互相关函数M个峰值：
Figure FDA0002543918910000021
N为一个调频周期T内发送波形的样本数。
5.根据权利要求4所述的基于声波测距的非接触式呼吸检测方法，其特征在于：
设所述互相关函数峰值对应的横坐标从右到左依次为Lagi,i＝1,2,…N，其中Lagi为相对延迟，根据下式3计算所述绝对延迟Lagj：
Lagj＝Lagj-Lag1,j＝2,3,...M (式3)
M表示互相关函数峰值个数。
6.根据权利要求5所述的基于声波测距的非接触式呼吸检测方法，其特征在于：
根据下式4计算绝对距离：
Figure FDA0002543918910000022
其中，Fs为所述声波收发器的声卡采样频率，C为声速常数。
7.根据权利要求6所述的基于声波测距的非接触式呼吸检测方法，其特征在于：
设缓存时间长度为Tcache,则缓存队列Rcache(j)为：
Rcache(j)＝[R(j|t＝1/Fs),R(j|t＝2/Fs),...R(j|t＝Tcache)],j＝2,3,...N
R(j|t)表示R(j)在时刻t的取值。
8.根据权利要求7所述的基于声波测距的非接触式呼吸检测方法，其特征在于：
根据下式5计算每个缓存队列中自相关函数AC(k)：
Figure FDA0002543918910000023
其中μ为Rcache(j)的均值，σ2为Rcache(j)的方差，Rcache(j,i)表示Rcache(j)的第i个元素，i＝1,2,…,Fs*Tcache，Fs*Tcache为缓存队列长度。
9.根据权利要求1所述的基于声波测距的非接触式呼吸检测方法，其特征在于：
所述时间窗口为1分钟。
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