CN113425270B - 一种基于相位比较的非接触式生命体征检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于相位比较的非接触式生命体征检测方法，包括：信号源发射两路同幅度同相位同频率的正弦信号，其中一路信号通过收发天线发射至胸腔后回波至幅度相位比较模块，另一路信号直接输入至幅度相位比较模块；幅度相位比较模块比较两路信号的相位差和幅度差，将相位差的变化和幅度差的变化变换为两路电压的变化并输出；通过数学模型得到两路电压的变化频率和变化幅度与呼吸/心跳的频率和强度的关系，并输出检测的呼吸/心跳。

Description

一种基于相位比较的非接触式生命体征检测方法
技术领域
本发明属于非接触式生命体征监测领域，尤其涉及一种基于相位比较的非接触式生命体征检测方法。
背景技术
人体生命体征检测广泛应用于疫情防控，灾后搜救，智能家居，车辆安全等领域。
传统的接触式传感器在工程中存在组网复杂、安装不便、成本高等突出问题，在生物传感领域中可穿戴式传感技术由于受限于穿戴操作，实际使用亦受到较大限制。另一方面，视觉感知技术对光线比较敏感，难以实现高精度的微动监测，且在动态监测中存在天然缺陷；激光探测技术常需要扫描实现全场感知，且对使用环境和操作方法具有严格要求。
目前的生命体征检测多以呼吸心跳的检测为主。通过本发明提出的方法可以实现对患者进行心率及呼吸频率等体征数据的非接触式监测，为智慧医疗提供良好支撑，具有重要的应用前景。使用接触式的检测方法会显著增加感染的风险，同时也可能会对被测量者的身体产生二次伤害或引发不适。
在灾后搜救领域大多数情况下无法使用接触式的生命体征检测方法实现对生命体征的远程捕捉。以至于对搜救行动的展开造成了极大的不便。由于电磁波有一定的穿透性，可以在一定范围内实现远程生命体征探寻，为搜救工作的展开提供便利。
智能家居领域，随着全球人口老龄化的不断加剧，现代医疗和健康保障体系面临着巨大的挑战，据统计，到2050年，世界上65岁以上的人口将突破15亿，在缺乏子女照料的情况下，独居老人的日常生活管理以及身体健康等问题已十分凸显。在大健康与智能家居领域，非接触式的智能传感为解决老龄化及医疗资源紧缺等提供了新的途径，目前来看接触式设备对使用者而言存在一定的安全隐患以及佩戴舒适度问题。而传统的非接触式生命体征检测方法又往往成本高昂且设备体积相对较大，难以实现小型化和轻量化。
因此，急需提供一种体积小，可穿透，低功耗，抗干扰能力强的非接触式生命体征检测方法，以用于对传染性疾病的病人、重症患者、独居老人、婴幼儿等实现生命体征的实时监测。
发明内容
为了解决上述问题，有必要提供一种基于相位比较的非接触式生命体征检测方法。
本发明提供了一种基于相位比较的非接触式生命体征检测方法，包括以下步骤：
信号源发射两路同幅度同相位同频率的正弦信号，其中一路信号通过收发天线发射至胸腔后回波至幅度相位比较模块，另一路信号直接输入至幅度相位比较模块；
幅度相位比较模块比较两路信号的相位差和幅度差，将相位差的变化和幅度差的变化变换为两路电压的变化并输出；
通过数学模型得到两路电压的变化频率和变化幅度与呼吸/心跳的频率和强度的关系，并输出检测的呼吸/心跳。
基于上述，幅度相位比较模块将相位差的变化和幅度差的变化变换为两路电压的变化并输出的方法为：
幅度相位比较模块接收信号源发出的信号作为比较基准，以及接收胸腔反射的信号作为包含信息的输入信号；
比较两个信号的相位差和幅度差；
将相位差和幅度差分别转换为电压进行输出。
基于上述，还包括：分析回波信号和信号源输入信号的幅度差所对应的电压变化，调节回波信号和信号源输入信号的放大和衰减。
基于上述，通过数学模型得到两路电压的变化频率和变化幅度与呼吸/心跳的频率和强度的关系的方法为：
测出幅度相位比较模块关于相位差变化的电压输出变化曲线，以及幅度相位比较模块关于幅度差变化的电压输出变化曲线；
取相位差电压变化曲线中变化较为明显的一段，测出人类呼吸所造成的胸腔起伏的振幅；
由振幅和输入信号频率的关系推算出胸腔起伏所造成的回波信号相位变化的幅度；
所得的两路电压信号进行互校准，并以此为依据进行数字滤波，滤波之后，由相位变化和电压变化的关系得出人的胸腔起伏的幅度和频率。
基于上述，所述信号源发射的正弦信号为2Ghz的雷达厘米波。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体的说：
1、本发明通过相位比较的方式实现了对生命体征的检测，实现了非接触式的生命体征检测方法，相较于传统的接触式生命体征检测方法减少了二次伤害的可能性；
2、本发明通过采用具有一定的衣物穿透性功能的厘米波雷达技术，保护了用户的隐私；
3、本发明通过相位比较的方法，通过结合回波信号的频率和幅度，可以有效地提高检测的精度，快速精确的得到生命体征的信息。且。
4、本方法设计结构简单，易于集成，数据处理容易，更加适合进行小型化和轻量化的设备的设计和生产，相较于其它的使用人工智能图像识别的设计，本方法结构更加简单，对算力的要求更低，且成本相对比较低廉。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明方法中的相位变换的信号图。
图2是本发明方法中的相位做傅里叶变换后的信号图。
图3是本发明方法中的幅度变化的信号图。
图4是本发明方法中的幅度做傅里叶变换后的信号图。
图5是本发明方法中的相位和幅度互校准之后的信号图。
图6是本发明方法中的做傅里叶变换后的信号图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本实施例提出一种基于相位比较的非接触式生命体征检测方法，包括以下步骤：
S1、信号源发射两路同幅度同相位同频率的正弦信号，其中一路信号通过收发天线发射至胸腔后回波至幅度相位比较模块，另一路信号直接输入至幅度相位比较模块。
S2、幅度相位比较模块比较两路信号的相位差和幅度差，将相位差的变化和幅度差的变化变换为两路电压的变化并输出；
具体来说，幅度相位比较模块接收信号源发出的信号作为比较基准，以及接收胸腔反射的信号作为包含信息的输入信号；比较两个信号的相位差和幅度差；将相位差和幅度差分别转换为电压进行输出。
幅度相位比较模块在比较两个信号的相位差和幅度差时，还分析回波信号和信号源输入信号的幅度差所对应的电压变化，并以此为依据，对回波信号和信号源输入信号，进行放大和衰减，使其减少因为功率与幅度相位比较模块要求差距过大进而造成的结果不准确；
对于回波信号的相位，由于距离的存在，肯定会存在一个基准的相位差，所以两路信号的相位不可能相同，也就是相位电压初始值不为零；
对于幅度相位比较模块来说，若采用无方向性器件，则只能比较两个信号的相位差的绝对值所以相位差最大量程为180°。
S3、通过数学模型得到两路电压的变化频率和变化幅度与呼吸/心跳的频率和强度的关系，并输出检测的呼吸/心跳。
具体的，测出幅度相位比较模块关于相位差变化的电压输出变化曲线，以及幅度相位比较模块关于幅度差变化的电压输出变化曲线；
取相位差电压变化曲线中变化较为明显的一段，测出人类呼吸所造成的胸腔起伏的振幅；
由振幅和输入信号频率的关系推算出胸腔起伏所造成的回波信号相位变化的幅度；
所得的两路电压信号进行互校准，并以此为依据进行数字滤波，滤波之后，由相位变化和电压变化的关系得出人的胸腔起伏的幅度和频率。
特别的，所述信号源发射的正弦信号为2Ghz的雷达厘米波。
对于所述信号源，假设信号源输出的信号为正弦信号则其表达式为
Figure 11842DEST_PATH_IMAGE002
，假定频率设置为2Ghz，由
Figure 128702DEST_PATH_IMAGE004
可知此时的正弦信号波长为15cm。即距离变化15cm相位变化360°，由此可以推知相位变化1°对应的距离变化0.0417cm，相对于人体呼吸产生的胸腔起伏而言0.0417cm的变化量是极为微小的，由此可见只要幅度相位比较模块可以检测的相位差精度达到几个毫伏每度，就可以精确的反映出胸腔起伏的程度，进而得到人的生命体征。此时外接放大器对幅度相位比较模块进行信号放大，就可以准确地检测微小的信号变化，通过相位的改变角度能够推知胸腔的起伏程度和起伏频率。人在呼吸时引起的胸腔起伏改变量远远大于0.0417cm，即引起的相位改变量远远大于1°，也就是说，使用2Ghz频率作为信号频率，是完全可行的。
对于所述幅度相位比较模块，往往有两路信号输入，即INPUTA和INPUTB，依据实施例的实现步骤，把信号源直接输出的信号经处理达到模块的输入要求后，输入INPUTA，回波信号经过一定的信号处理达到模块的输入要求后，输入INPUTB。
由于幅度相位比较模块存在不同相位差的敏感度变化，需要进行相位的一些校对，来确保相位差工作在电压变化较为明显的区间，这样设置的目的是保持灵敏度表现的优异，在信号处理上应以曲线斜率最大区间为宜，且假设此时的曲线斜率大致为A。
以2Ghz的信号频率为例，此时在保持较高精确度的前提下相位区间可达120°则可准确测得胸腔起伏的范围为5.04cm，此区间可以有效涵盖大多数人在呼吸时胸腔的起伏范围。同时选用合适的幅度相位比较模块，使用更高的频率的信号源进行比较也可以得到更准确的测量结果。
对于相位幅度比较后的数据处理，依据相位幅度比较模块采集到的离散的电压变化范围进行与相位幅度比较模块的工作曲线对比得到相位变化范围
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，结合已知的信号源的频率F，可知胸腔起伏范围
Figure 279585DEST_PATH_IMAGE006
，C 为已知光速，F为已知频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为已知常量。
Figure 708161DEST_PATH_IMAGE005
可有
Figure 842340DEST_PATH_IMAGE005
=A×
Figure 79286DEST_PATH_IMAGE008
得到，即
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，在这个表达式中经过相位幅度校准之后A也是已知的，那么对于一个确定系统则存在一个确定的系统斜率常量
Figure 135491DEST_PATH_IMAGE010
，这个常量是系统校准调试完成之后就可以确定的一个具体的数值，现在简化运算胸腔起伏范围L=S×
Figure 723467DEST_PATH_IMAGE008
。
如图1-6所示，当得到电压变化在时域的变化规律之后，可以对获得的信号进行快速傅里叶变换，快速傅里叶变换的作用是对于连续的时域信号变换到频域范围内，测的信号不仅包含了呼吸引起的胸腔起伏同时也包含了心跳引起的胸腔起伏，以及外界的空间杂波和人体不可避免的微小活动，这些信号混杂在一起从时域上看是互相重叠的，从频域上看这些信号能够相互分离，在得到信号在频域的分布后，把不需要的频率的信号进行数字滤波，滤去可能存在的空间杂波，由于相位变化是微弱的，对外界干扰更为敏感，此时引入幅度变化电压曲线，同样做快速傅里叶变换，进行互校准，让结果更加准确，由于人的心跳和呼吸的频率是不一样的，这样就可以在频域上清晰地看出，两个波峰，就可以把心跳引起的胸腔微小震动和呼吸引起的胸腔起伏分离开，就可以从胸腔起伏中获得心跳/呼吸生命体征。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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 (2)

1.一种基于相位比较的非接触式生命体征检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
信号源发射两路同幅度同相位同频率的正弦信号，其中一路信号通过收发天线发射至胸腔后回波至幅度相位比较模块，另一路信号直接输入至幅度相位比较模块；
幅度相位比较模块比较两路信号的相位差和幅度差，将相位差的变化和幅度差的变化变换为两路电压的变化并输出；
通过数学模型得到两路电压的变化频率和变化幅度与呼吸/心跳的频率和强度的关系，并输出检测的呼吸/心跳；
幅度相位比较模块将相位差的变化和幅度差的变化变换为两路电压的变化并输出的方法为：
幅度相位比较模块接收信号源发射的另一路信号作为比较基准，以及接收胸腔反射的回波信号作为包含信息的输入信号；
比较两路信号的相位差和幅度差；
将相位差和幅度差分别转换为电压进行输出；
分析回波信号和信号源发射的另一路信号的幅度差所对应的电压变化，调节回波信号和信号源发射的另一路信号的放大和衰减；
通过数学模型得到两路电压的变化频率和变化幅度与呼吸/心跳的频率和强度的关系的方法为：
测出幅度相位比较模块关于相位差变化的电压输出变化曲线，以及幅度相位比较模块关于幅度差变化的电压输出变化曲线；
取相位差变化的电压输出变化曲线中变化较为明显的一段，测出人类呼吸所造成的胸腔起伏的振幅；
由振幅和信号源发射的信号的频率的关系推算出胸腔起伏所造成的回波信号相位变化的幅度；
所得的两路电压信号进行互校准，并以此为依据进行数字滤波，滤波之后，由相位变化和电压变化的关系得出人的胸腔起伏的幅度和频率。
2.根据权利要求1所述的基于相位比较的非接触式生命体征检测方法，其特征在于：所述信号源发射的正弦信号为2Ghz的雷达厘米波。
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