CN113273978A

CN113273978A - 一种基于超宽带雷达的人体呼吸和心跳频率的检测方法

Info

Publication number: CN113273978A
Application number: CN202110559655.2A
Authority: CN
Inventors: 梁菁; 敬芳菲; 黄霞飞; 罗子涵; 徐泽楷
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-05-21
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2021-08-20
Anticipated expiration: 2041-05-21
Also published as: CN113273978B

Abstract

本发明公开了一种基于超宽带雷达的人体呼吸和心跳频率的检测方法，对雷达回波信号进行预处理得到一维时域体征信号；对一维时域体征信号进行CZT变换得到频谱，获取频谱的最大峰值点的频率作为目标的呼吸频率；获取频谱的剩余峰值点，在心跳频率范围、心跳一次呼吸一次的互调波频率范围和心跳二次谐波频率范围内通过剩余峰值点获取所有可能的心跳频率；根据可能的心跳频率去计算各自对应的频率成份，在频谱中找到与频率最接近的峰值点，计算他们的频率差，将频率差和峰值点幅度作为模糊逻辑系统的输入，求评分值；对评分值做加权平均得到每个可能的心跳频率的评分，取最大的评分对应的心跳频率作为目标的心跳频率；提升了心跳频率估计的准确性。

Description

一种基于超宽带雷达的人体呼吸和心跳频率的检测方法

技术领域

本发明属于呼吸、心跳频率检测技术领域，涉及一种基于超宽带雷达的人体呼吸和心跳频率的检测方法。

背景技术

超宽带雷达技术具有低系统复杂性、低成本、低功耗、高数据速率和高穿透性等优点，可广泛应用于特殊患者监护、睡眠呼吸暂停监护、车内生命体征监测和震后救援等领域。传统的生命体征检测系统主要是基于接触式传感器的，在临床医学诊断中，目前使用的呼吸和心跳检测技术分别是电极式胸部阻抗扫描法和心电图法，这些接触式方法不适用于皮肤受损或患有传染性疾病的患者，而且在睡眠监测和行车安全监测等场景下使用不便，而超宽带雷达可以非接触地探测人体。

频谱分析是生命体征估计的常用方法，例如中国专利号CN201810288607.2公开了一种基于超宽带雷达的人体呼吸速率和心率的测定方法，该方法依据回波信号对人体位置进行估计，并提取到一维时间序列信号；对时域信号做巴特沃斯带通滤波，Min-Max归一化方法增强信号，汉宁窗做平滑处理；通过快速傅里叶变换得到频域信号；在呼吸和心跳频率区间内提取峰值对应的频率作为所求的呼吸和心跳频率。

上述方法只关注呼吸和心跳的基波峰值，而忽略了谐波和互调波，因为呼吸引起的身体位移比心跳大得多，从而导致频谱中呼吸的峰值最大，其谐波和互调波的峰值也很大，很可能与心跳基波的幅度差不多，而且和心跳的频率范围相似，所以它们很可能会掩盖了心跳基波，这使得心跳频率估计的准确性大打折扣。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种基于超宽带雷达的人体呼吸和心跳频率的检测方法，解决了因为呼吸引起的身体位移比心跳大得多，其谐波和互调波的峰值也很大，很可能与心跳基波的幅度差不多，而且和心跳的频率范围相似，所以它们很可能会掩盖了心跳基波，这使得心跳频率估计的准确性大打折扣的问题，本发明利用了呼吸和心跳的谐波和互调波成分，可提升心跳频率估计的准确性。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于超宽带雷达的人体呼吸和心跳频率的检测方法，包括以下步骤：

对雷达回波信号进行预处理得到一维时域体征信号；

对一维时域体征信号进行CZT变换得到频谱，获取频谱的最大峰值点的频率作为目标的呼吸频率；

获取频谱的剩余峰值点，在心跳频率范围、心跳一次呼吸一次的互调波频率范围和心跳二次谐波频率范围内通过剩余峰值点获取所有可能的心跳频率；

根据可能的心跳频率去计算各自对应的频率成份，在频谱中找到与频率最接近的峰值点，计算他们的频率差，将频率差和峰值点幅度作为模糊逻辑系统的输入，求评分值；

对评分值做加权平均得到每个可能的心跳频率的评分，取最大的评分对应的心跳频率作为目标的心跳频率。

优选地，在心跳频率范围是否有均大于其它峰值点1.5dB的峰值点，若有则峰值点的频率作为目标的心跳频率。

具体地，所述心跳一次呼吸一次的互调波频率范围包括心跳频率范围与呼吸频率相减和心跳频率范围与呼吸频率相加两个范围。

优选地，所述心跳频率范围为0.95-1.8Hz，所述心跳二次谐波频率范围为1.9Hz-3.6Hz。

具体地，所述预处理包括去静止杂波、选择距离门、带通滤波和平滑处理。

优选地，频率差不能超过0.02Hz，若频率差超过0.02Hz则默认没有峰值点，评分值为0。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明一种基于超宽带雷达的人体呼吸和心跳频率的检测方法，综合利用谐波和互调波的信息，通过模糊逻辑方法对可能的心跳频率进行评分并加权平均，评分最大的心跳频率作为受试者的心跳频率，相比于只利用频谱峰值和检测二次谐波的方法，提升了心跳频率估计的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1是实施例的流程示意图；

图2是不同呼吸位移下的仿真示意图；

图3是受试者一采用不同方法处理的对比图；

图4是受试者二采用不同方法处理的对比图；

图5是模糊逻辑系统的两个前因隶属度函数示意图；

图6是模糊逻辑系统的输出隶属度函数示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

呼吸和心跳会引起胸腔的振动，将该过程看作正弦波周期运动，那么雷达到人体胸腔的距离是随着时间变化的，可表示为：

d(t)＝d₀+m_rsin(2πf_rt)+m_hsin(2πf_ht)

式中，d₀为天线到人体的固定距离，t表示时间，m_r表示呼吸位移，m_h表示心跳位移，f_r为呼吸频率，f_h为呼吸频率。

脉冲到达时间为：

式中，c是光速。

接收到的UWB信号为发射脉冲s(τ)和信道脉冲响应h(t,τ)的卷积，包含了待测生命体的回波以及静止杂波两部分：

其中，t表示慢时间，τ表示快时间，a_d是待测生命体的信道响应幅度，a_i是静止背景的信道响应幅度；τ_d(t)是待测生命体到达雷达的时间，τ_i是静止背景到达雷达的时间。

将待测生命体产生的回波记为y(t,τ)：

y(t,τ)＝a_ds(τ-τ_d(t))

对上式做二维傅里叶变换：

由Bessel展开公式：

则可将Y(f,v)表示为：

对快时间维做反傅里叶变换得到Y(f,τ)：

其中，

当

时，|G_k,l(τ)|最大，将该最大值记为C_k,l：

因此得到：

上式说明C_k,l决定了基波、谐波和互调波的强度；基波、谐波和互调波可被统一表示为f_k.l＝kf_r+lf_h，其中，k是呼吸次数，l是心跳次数，呼吸基频为f_r(也可以表示为f_1,0)，心跳基频为f_h(也可以表示为f_0,1)；当k≠0,l＝0时，f_k,0为呼吸谐波；当k＝0,l≠0时，f_0,l为心跳谐波；当k≠0,l≠0时，f_k,l为互调波。

由积分中值定理得：

其中，BW是超宽带雷达的带宽，f_c是其中心频率，S(f_c)表示发射脉冲的傅里叶变换在中心频率处的幅度。m_r表示呼吸位移，m_h表示心跳位移，c表示光速，

为在

上的k阶巴塞尔函数，

为在

上的l阶巴塞尔函数，k是呼吸次数，l是心跳次数。呼吸和心跳的基波频率、谐波频率和互调波频率关系为，f_k.l＝kf_1,0+lf_0,1。

对于确定的系统，BW、f_c和S(f_c)是确定的，C_k,l仅由呼吸位移m_r和心跳位移m_h决定。相对幅度C_k.l/C_1.0的仿真如图2所示，当呼吸位移越大，心跳基波越容易淹没在呼吸谐波和噪声中，且心跳基波和互调波的幅度差越小，这是提取心跳频率面临的一个挑战。因此本发明考虑利用谐波、互调波和基波之间的关系，即f_k.l＝kf_r+lf_h，对心跳进行更准确的估计。

实施例

如图1所示，本发明较佳实施例提供的一种基于超宽带雷达的人体呼吸和心跳频率的检测方法，包括以下步骤：

对雷达回波信号进行预处理得到一维时域体征信号。

本实施例中，所述预处理包括去静止杂波、选择距离门、带通滤波和平滑处理，具体如下：

采用动目标检测法将背景的静止杂波去除，动目标检测法具体如下：

式中，R[m,n]是回波数据矩阵，m是慢时间采样点，n表示快时间采样点，M表示慢时间采样点总数，R'[m,n]是去除静止杂波后的数据矩阵。

选择距离门为选择能量最大的快时间距离门信号作为生命体征信号，每个距离门信号的能量计算为：

滤波为采用巴特沃兹带通滤波器滤除低频和高频噪声，通带的频率范围设置为0.13Hz-4Hz。

平滑处理用凯塞窗平滑频谱。

对一维时域体征信号进行CZT变换得到频谱，获取频谱的最大峰值点的频率作为目标的呼吸频率f_1,0。

在心跳频率范围是否有均大于其它峰值点1.5dB的峰值点，若有则峰值点的频率作为目标的心跳频率f_0,1；若没有，获取频谱的剩余峰值点，在心跳频率范围、心跳一次呼吸一次的互调波频率范围和心跳二次谐波频率范围内通过剩余峰值点获取所有可能的心跳频率

所述心跳一次呼吸一次的互调波频率范围包括心跳频率范围与呼吸频率相减和心跳频率范围与呼吸频率相加两个范围；所述心跳频率范围为0.95-1.8Hz，所述心跳二次谐波频率范围为1.9Hz-3.6Hz。

本实施例中，心跳频率范围是0.95-1.8Hz，其中，心跳一次呼吸一次的互调波频率范围有两个，一个搜索的范围是心跳频率范围与呼吸频率相减，即[0.95-f_1,0,1.8-f_1,0]，另一个搜索范围是心跳频率范围与呼吸频率相加，即[0.95+f_1,0,1.8+f_1,0]。心跳二次谐波频率范围是二倍的心跳频率范围，即1.9Hz-3.6Hz。取这四个搜索的范围内的所有峰值，计算得到所有可能的心跳频率

如表1所示。

表1获取可能的心跳频率

根据可能的心跳频率去计算各自对应的频率成份

k是呼吸次数，l是心跳次数，i是可能的心跳频率的标号，本实施例中可能的频率成份包括

在频谱中找到与频率最接近的峰值点，计算他们的频率差

将频率差

和峰值点幅度

作为模糊逻辑系统(FLS)的输入，求评分值

需要说明的是，在频谱中找到与频率最接近的峰值点，计算他们的频率差

频率差不能超过0.02Hz，若频率差超过0.02Hz则默认没有峰值点，评分值为0。在这0.02Hz范围内，可能没有峰值点，也可能有多个峰值点，若没有峰值点则直接令其评分值

为0，若有多个峰值点，则将它们都输入进模糊逻辑系统中，选择评分最大作为该频点的评分值

模糊逻辑系统(FLS)，使用单点集合模糊化、中心去模糊化和“IF-THEN”规则。通常选择最小

的谱峰或最大振幅

的谱峰作为最接近的想要的频率。因此，模糊逻辑系统的两个前因是频率差

和相应的峰值点幅度

这两个前因分为三个级别：小、中、大，隶属度函数(MFs)如图5所示。系统的输出结果分为5个级别:很低，低，中等，高，非常高，其隶属度函数如图6所示，其质心为c¹＝1.0561,c²＝3,c³＝5,c⁴＝7,c⁵＝8.9439。

如表2，建立了9条FLS规则，规则设计如下:如果频率差

较小，其频谱幅值

较大，则相应频率的评分

较高。

使用每个规则的所有响应的质心，得到了p^th规则：R^p：如果频差

(前因x₁)为

其频谱对应的幅值

(前因x₂)为

计算得到的频率

(结果y)得分为

(p＝1,…,9),

是由p^th规则决定的c^q(q＝1,…,5,p＝1,…,9)，见表2。

表2 FLS的9条规则

对于所有的输入x₁，x₂输出结果y计算如下：

其中，

对评分值做加权平均得到每个可能的心跳频率的评分scoreⁱ，取最大的评分对应的心跳频率f_0,1作为目标的心跳频率。

本发明与现有的处理方法存在的效果差异如图3和图4所示。

综上所述，综合利用谐波和互调波的信息，通过模糊逻辑方法对可能的心跳频率进行评分并加权平均，评分最大的心跳频率作为受试者的心跳频率，相比于只利用频谱峰值和检测二次谐波的方法，提升了心跳频率估计的准确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。