CN112716462B - 一种可控照射指向的窄波束毫米波人体心跳/呼吸体征监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可控照射指向的窄波束毫米波人体心跳/呼吸体征监测装置，包括制毫米波雷达、毫米波透镜天线、AD采集卡、智能波束控制机构及上位机软件；通过在雷达收发天线前端加装特制的窄波束低旁瓣小体积毫米波天线透镜，提高了雷达接收机信噪比。利用波束控制机构改变雷达装置主波束的方向，并根据雷达接收机中频信号相位解调后的幅度特征自动寻找监测人体体表心跳振幅的最大位置。本发明减小了呼吸谐波及杂波对心率判别的影响，从而提高心率测量精度，适用于单人或多人监测，在不接触人体的情况下实现呼吸和心跳频率的精确测量，可识别心率不齐、呼吸衰竭等异常生理状态，在传染病、烧伤危重病人的临床动态监护方面应用前景，也用于日常生活中的生命体征监测。

Description

一种可控照射指向的窄波束毫米波人体心跳/呼吸体征监测 装置

技术领域

本发明涉及非接触式人体生命体征监测技术领域，具体涉及一种可控照射指向的窄波束毫米波人体心跳/呼吸体征监测装置。

背景技术

呼吸和心跳是人体的重要生命体征，其频率的正常与否是判断病患健康状况变化的重要依据。目前临床上进行心跳、呼吸频率监测时需要在体表粘贴电极，其准备工作复杂，且有可能造成皮肤过敏或体感不舒适，不适用于长时间监测，甚至存在交叉感染风险。因此，在无需与身体直接接触的情况下可靠监测心跳/呼吸频率，对于重病患者特别是行动不便的患者的监护与诊疗具有重要的意义。

为了实现体征参数的非接触检测，研究人员利用电磁波能够穿透衣服等非金属介质的特性和多普勒原理，从雷达波的回波中提取因体表微弱的生理运动引起的相位变化信息，运用多种信号处理方法提取心跳和呼吸信号，开发了多种非接触式生命参数检测系统。然而，在现阶段，基于多普勒雷达原理的非接触式呼吸、心跳监测装置仍存在一些问题亟待解决：(1)普遍使用较低频段微波雷达，波束较宽、辐射功率大，在空间狭窄的病房内易受多径效应和环境噪声干扰，从而使后续的信号处理算法繁琐复杂，不利于心跳和呼吸信号的提取。由于低频段微波波长较长，而心跳、呼吸等生理运动均处于亚毫米或毫米量级。对于给定位移d，较长的波长产生的相位变化较小，从而使得提取相位信息精度较差。(2)传统的信号处理算法通过FIR滤波器处理中频信号相位序列实现呼吸和心跳信号的分离，而后使用FFT计算信号频率。由于心跳信号幅值小，因而存在呼吸信号谐波及杂波对心跳信号干扰问题，影响了心跳信号频率的精确测量。

为了解决上述问题，本发明提出了一种方向可控窄波束毫米波人体体征监测装置，通过窄波束透镜天线和智能波束控制机构实现自动寻找心跳和呼吸振动最佳监测位置，有效抑制环境干扰，提高了系统的信噪比，从而降低了后续提取呼吸和心跳频率的难度。同时应用非线性系统随机共振法增强心跳信号的相对幅度，使心率测量精度得到了进一步的提高。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种方向可控窄波束毫米波人体体征监测装置，能够利用智能波束控制机构控制窄波束雷达前端自动寻找心跳和呼吸振动最佳监测位置。同时通过随机共振法提高心跳信号的相对幅值，提升心率监测的准确率。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术实现方案：

本发明的一种可控照射指向的窄波束毫米波人体心跳/呼吸体征监测装置，包括：工作频率范围为100-150GHz的FMCW体制雷达前端、透镜天线、AD采集卡、智能波束控制机构、计算机及上位机软件；扫描控制机构即智能波束控制机构固定于扫描控制机构上的所述雷达前端发射天线通过毫米波透镜天线向人体发射窄波束的调频连续波(FMCW)脉冲，反射回波经接收天线接收，并与本振信号混频得到中频信号；AD采集卡采集中频信号并上传到计算机；计算机中的上位机软件利用自动控制方法，结合AD采集卡采集后的中频信号相位解调后的波形特征，通过智能波束控制机构调整透镜天线主波束的方位角和俯仰角，获取监测呼吸和心跳的最佳位置；然后保持所述雷达与人体处于相对静止状态，雷达前端发射毫米波FMCW脉冲，上位机软件提取每个FMCW脉冲对应的中频信号的相位，形成原始相位数据序列；对原始相位数据序列进行高斯平滑滤波，得到呼吸基波，并通过寻找呼吸基波波形峰值的方法得到呼吸频率；用原始相位数据序列减去呼吸基波，得到含呼吸谐波等杂波的心跳信号；再用呼吸谐波去除法去除含呼吸谐波等杂波的心跳信号中的呼吸谐波；最后用心跳信号幅度加强方法对去除呼吸基波和谐波后的心跳信号进行相对幅度加强，得到幅度加强的含有心跳信号的相位数据序列，对上述相位数据序列作FFT运算，寻找频谱峰值，从而实现心率的提取。

所述毫米波透镜天线由馈源和透镜组成，馈源由贴片天线阵列组成，透镜由椭球面、三层圆柱及柱面金属涂层构成。

所述智能波束控制机构包括雷达固定夹具、俯仰控制电机、方位控制电机、基座、俯仰/方位电机驱动器以及计算机；所述毫米波雷达固定在所述智能波束控制机构顶端的夹具内，随所述扫描机构做全向运动。

所述自动控制方法采用比例积分微分控制(PID)方法，在天线波束大致对准人体胸腔部位的情况下，进行雷达前端天线主波束方向调整过程：上位机软件对AD采集卡采样连续20秒的I+j*Q两路正交中频信号作FFT变换，提取幅度峰值点相位；此时的原始相位数据序列为呼吸和心跳复合信号，分别用两个FIR带通滤波器对相位序列进行滤波，获得呼吸和心跳信号的波形轮廓；检查两路波形的峰-峰值，并将心跳信号峰-峰值与呼吸信号峰-峰值的比值作为上位机软件的反馈输入Y(t)，上位机软件将Y(t)与预设的阈值Yd求差得到偏差e(t)；上位机软件根据偏差e(t)并利用PID算法控制所述智能波束控制机构的俯仰控制电机、方位控制电机运动；重复波束方向调整过程，当偏差e(t)小于某个值K时，认为天线主波束已对准心跳信号最强位置。

所述呼吸谐波去除法为自适应陷波滤波(ANF)法；所述心跳信号幅度加强方法为随机共振法，也即将含噪声的准周期或周期信号输入随机共振系统，调整随机共振系统参数，求解微分方程，获得相对幅度加强的心跳信号；随机共振系统参数的调整方法为遗传寻优算法。

与现有非接触式心跳和呼吸监测装置相比，本发明申请所述的技术方案的优点是：

(1)本发明通过智能波束控制机构控制窄波束雷达转动，结合中频信号的相位序列的幅度特征，实现了在无光学摄像头等外部设备辅助的情况下自动寻找心跳测量的最佳位置，从而在中频信号相位序列中，获得更有利于后端检测的心跳信号。

(2)采用频率为100-150GHz的毫米波频段，实现了透镜天线的小型化，设计了主瓣3dB波束宽度很窄的高增益天线，降低了环境干扰，提高了信杂比，降低了后续信号处理的复杂度；

(3)以往的非接触式心跳和呼吸频率监测装置使用FIR滤波器分离呼吸和心跳信号，并通过FFT算法计算呼吸频率和心率，其难以解决呼吸信号的谐波及其它杂波谱干扰心率判别的问题，导致心率监测准确率较低。本发明采用自适应陷波滤波器滤除呼吸信号及其主要谐波，并应用随机共振法，即在特定的非线性系统中，剩余相位序列中噪声能量将加强心跳信号，提高了心率监测的准确率。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明中毫米波透镜天线示意图；

图3为本发明中毫米波透镜天线安装示意图；

图4为本发明中智能波束控制机构及其上位机软件的一种结构示意图；

图5为本发明中智能波束控制机构在对仰卧病人进行监测时的示意图；

图6为本发明中的信号处理流程图。

其中：前端1、毫米波透镜天线2、智能波束控制机构3、中频信号4、电机驱动器5、AD采集卡6、计算机7、上位机软件8、椭球面9、柱面金属涂层10、三层圆柱11、透镜12、馈源13、俯仰控制电机14、方位控制电机15、基座16、俯仰/方位电机驱动器17、雷达固定夹具18。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

为了更好的阐明上述技术方案，将结合说明书附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明一种可控照射指向的窄波束毫米波人体心跳/呼吸体征监测装置，用于实现呼吸和心跳频率的实时监测，其装置结构示意图如图1所示。由FMCW体制毫米波雷达前端1、毫米波透镜天线2、智能波束控制机构3、电机驱动器5、AD采集卡6、计算机7及上位机软件8组成。可在不接触人体的情况下实现多人的呼吸率、心率的精确测量，同时也可以用于个人日常生理状态监测。

如图2、3所示，毫米波透镜天线2由馈源13和透镜12组成，馈源13由贴片天线阵列组成，透镜由椭球面9、三层圆柱11及柱面金属涂层10构成，如图3所示，用于实现雷达前端发射波束的窄波束控制。智能波束控制机构3包括雷达固定夹具18、俯仰控制电机14、方位控制电机15、基座16、俯仰/方位电机驱动器17以及计算机7，如图4所示，用于实现雷达前端发射波束的方向控制。

如图5所示，测量呼吸和心跳频率时，待测人员静坐(或仰卧)于雷达前端R₀＝1.5～2m处，胸脯与雷达发射天线主波束方向大致保持垂直关系。此时，固定于扫描机构3上的毫米波雷达1发射天线通过毫米波透镜天线2向人体连续发射窄波束(E面方向图3dB波束宽度为5°，主瓣增益为29.35dB)的线性调频连续波(FMCW)脉冲(扫频斜率K)，反射回波经接收天线接收，并与本振信号混频得到中频输出信号

(d(t)为体表因心跳呼吸引起的位移变化)。

通过AD采集卡6对中频信号4进行连续20秒的AD采样并经USB上传到计算机7，对每个FMCW脉冲对应的中频数字信号作FFT变换，获得中频信号的频谱(range-FFT)。选择所关注的人体目标对应的频谱峰值，利用频谱峰值点的实部、虚部计算相位θ，得到一个与FMCW脉冲对应的相位数据序列θ(n)(n＝1,2…,N)。因呼吸引起的胸腔位移有时会大于雷达波长的1/4，因此相位序列存在跳变问题，需要进行相位修正。相位跳变修正原则为：对于每一对相邻的相位值(θ(m)，θ(m+1))，如果θ(m+1)-θ(m)>π，说明θ(m+1)>0且θ(m)<0，此时置θ(m+1)＝θ(m+1)-2π；如果θ(m+1)-θ(m)<-π，说明θ(m+1)<0且θ(m)>0，此时置θ(m+1)＝θ(m+1)+2π。相位修正后的原始相位数据序列为呼吸/心跳复合信号。正常情况下，如果此时发射天线的主波束未对准心跳信号最强位置，心跳信号在复合信号中不甚明显，易导致心跳频率监测精度下降。针对这一情形，进行雷达前端天线主波束方向调整过程：分别用两个通带范围为0.13～0.4Hz、0.83～3.3Hz的FIR带通滤波器对呼吸/心跳复合信号进行滤波，获得呼吸、心跳的波形轮廓。检查两路波形的峰-峰值，并将(心跳信号峰-峰值)/(呼吸信号峰-峰值)的值作为上位机控制软件的反馈输入Y(t)，与预设的阈值Yd求差得到偏差值e(t)。上位机软件根据偏差e(t)并利用PID算法控制所述智能波束控制机构的电机以特定的角度转动或俯仰，雷达天线主波束方向随之发生变化，每20秒重复一次雷达前端天线主波束方向调整过程，当偏差e(t)小于某个值K时，心跳信号的能量在相位序列总能量中占比达到测量要求，系统认为天线主波束已对准心跳信号最强位置。

锁死电机后，连续采集50秒雷达中频信号，进行如图6所示的处理过程：1.提取距离和相位信息，根据距离变化判断距离是否徙动，如果发生距离徙动，则重新采集50秒中频信号，并提取距离和相位信息，直至无距离徙动；2.按照相位跳变修正原则修正相位序列；对相位复合信号序列进行高斯低通平滑滤波，得到呼吸信号；利用函数(findpeaks)寻找呼吸信号的峰值点，根据极大值点计算相邻波峰的时间间隔，根据呼吸不会突变的特点，删除相邻波峰间隔太小的波峰点，提取50秒时间内的全部波峰点，根据波峰相邻点时间之差计算呼吸频率，同时通过FFT计算平均呼吸频率f_RR；3.在雷达获得的原始呼吸和心跳相位复合信号序列中减去高斯低通平滑滤波得到的呼吸信号，随后使用自适应陷波滤波法去除呼吸的基波及其二次和三次谐波(2f_RR、3f_RR)；4.然后在此基础上将去除呼吸基波及谐波的剩余信号序列输入随机共振系统，应用遗传寻优算法调整随机共振系统参数a，b，应用随机共振方法，即在特定的非线性系统中，剩余相位序列中噪声能量将加强心跳信号，然后对随机共振系统输出的含有幅度增强心跳信号的相位序列再作快速傅里叶变换，寻找频谱峰值，得到心跳频率。上位机软件显示结果，生命体征监测过程完成。

总之，本发明对于解决目前生命体征监测雷达易受环境因素干扰、心率监测精度不高的问题具有重要意义。同时为了增强微弱心跳信号的幅度，减小呼吸谐波及杂波对心率判别的影响，本发明首先在雷达获得的呼吸心跳相位复合信号序列中去除呼吸的基波和二次、三次谐波，然后应用随机共振方法，即在特定的非线性系统中，剩余相位序列中噪声能量将加强心跳信号，减小呼吸谐波及杂波对心率判别的影响，从而提高了心率测量精度。本发明适用于单人或多人监测，在不接触人体的情况下实现呼吸和心跳频率的精确测量，可识别心率不齐、呼吸衰竭等异常生理状态，在传染病、烧伤危重病人的临床动态监护方面有广泛的应用前景，同时也可以用于个人日常生活中的生命体征监测。

Claims (3)

1.一种可控照射指向的窄波束毫米波人体心跳/呼吸体征监测装置，其特征在于：包括：工作频率范围为100-150GHz的FMCW体制雷达前端、透镜天线、AD采集卡、智能波束控制机构、计算机及上位机软件；智能波束控制机构即扫描控制机构，固定于扫描控制机构上的所述雷达前端发射天线通过毫米波透镜天线向人体发射窄波束的FMCW脉冲，反射回波经接收天线接收，并与本振信号混频得到中频信号；AD采集卡采集中频信号并上传到计算机；计算机中的上位机软件利用自动控制方法，结合AD采集卡采集后的中频信号相位解调后的波形特征，通过智能波束控制机构调整透镜天线主波束的方位角和俯仰角，获取监测呼吸和心跳的最佳位置；所述自动控制方法采用比例积分微分控制方法，在天线波束大致对准人体胸腔部位的情况下，进行雷达前端天线主波束方向调整过程：上位机软件对AD采集卡采样连续20秒的I+j*Q两路正交中频信号作FFT变换，提取幅度峰值点相位；此时的原始相位数据序列为呼吸和心跳复合信号，分别用两个FIR带通滤波器对相位数据序列进行滤波，获得呼吸和心跳信号的波形轮廓；检查两路波形的峰-峰值，并将心跳信号峰-峰值与呼吸信号峰-峰值的比值作为上位机软件的比例积分微分控制算法的负反馈输入Y(t)，上位机软件将Y(t)与预设的阈值Yd求差得到偏差e(t)；上位机软件根据偏差e(t)并利用比例积分微分控制算法控制所述智能波束控制机构的俯仰控制电机、方位控制电机运动；重复波束方向调整过程，当偏差e(t)小于某个值K时，认为天线主波束已对准心跳信号最强位置；

然后保持所述雷达前端与人体处于相对静止状态，雷达前端发射毫米波FMCW脉冲，上位机软件提取每个FMCW脉冲对应的中频信号的相位，形成原始相位数据序列；对原始相位数据序列进行高斯平滑滤波，得到呼吸基波，并通过寻找呼吸基波波形峰值的方法得到呼吸频率；用原始相位数据序列减去呼吸基波，得到含呼吸谐波杂波的心跳信号；再用自适应陷波滤波法去除含呼吸谐波杂波的心跳信号中的呼吸谐波；最后用随机共振算法对去除呼吸基波和谐波后的心跳信号进行相对幅度加强，得到幅度加强的含有心跳信号的相位数据序列，对上述相位数据序列作FFT运算，寻找频谱峰值，从而实现心率的提取。

2.根据权利要求1所述的一种可控照射指向的窄波束毫米波人体心跳/呼吸体征监测装置，其特征在于：所述毫米波透镜天线由馈源和透镜组成，馈源由贴片天线阵列组成，透镜由椭球面、三层圆柱及柱面金属涂层构成。

3.根据权利要求1所述的一种可控照射指向的窄波束毫米波人体心跳/呼吸体征监测装置，其特征在于：所述智能波束控制机构包括雷达固定夹具、俯仰控制电机、方位控制电机、基座、俯仰/方位电机驱动器以及计算机；所述毫米波雷达固定在所述智能波束控制机构顶端的夹具内，随所述扫描控制机构做全向运动，其中水平方向控制电机实现360°方位角全向扫描，俯仰控制的电机实现俯仰±60°的扫描。

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