CN115349843A - 一种基于雷达的心率分析系统 - Google Patents

Abstract

本方案涉及心率检测的技术领域，具体公开了一种基于雷达的心率分析系统，包括毫米波雷达模块、环境感知雷达模块、心率采集器、振动传感器、数据传输模块、数据处理模块和控制中心，所述毫米波雷达模块用于隔空采集受试者的第一心率数据，所述环境感知雷达模块用于监测受试者的周围环境并生成对应的环境数据，所述振动传感器用于检测受试者整个人体表面的细微振动情况。采用本发明的技术方案，可以用于解决毫米波雷达在检测心率时，受试者周围环境影响心率检测不准确的问题。

Description

一种基于雷达的心率分析系统

技术领域

本方案属于心率检测的技术领域，具体涉及一种基于雷达的心率分析系统。

背景技术

目前，常用的心率检测手段包括接触式与非接触式两种。其中，接触式方法主要是指利用传统的心电图、光电容积描记波信号等手段通过在人员身体上粘贴电极片、佩戴传感器等设备实现心率的检测。然而，这会给患者造成一定的困扰及心理负担，极易产生排斥情绪。

利用雷达实现心率的提取是一种被广泛应用的非接触信号检测方式，具有全天候、高精度优势。例如，中国专利申请号为202111249754 .7公开了一种基于雷达的心率分析方法及设备，包括：获取毫米波雷达装置采集多处不同位置的心率数据，对心率数据执行去噪处理，得到降噪后的波形数据；创建全卷积神经网络，对全卷积神经网络进行训练，得到心率检测模型；对降噪后的波形数据计算样本熵；调整毫米波雷达装置获取多个不同位置的降噪后的波形数据计算样本熵，选取样本熵最小的位置进行持续的心率监测。

该方案通过使用毫米波雷达集成芯片，增强了毫米波雷达的信号和方向性，同时根据全卷积神经网络训练得到的心率检测模型，计算出心率，极大的提高了心率检测的准确性。但是，该毫米波雷达在检测受试者心率时，受试者周围环境可能影响所采集的心率数据，导致最终通过波形数据计算后的心率检测不准确。

发明内容

本方案提供一种基于雷达的心率分析系统，用于解决毫米波雷达在检测心率时，受试者周围环境影响心率检测不准确的问题。

为了达到上述目的，本方案提供一种基于雷达的心率分析系统，包括:毫米波雷达模块、环境感知模块、心率采集器、振动传感器、数据传输模块、数据处理模块和控制中心，

所述毫米波雷达模块用于隔空采集受试者的第一心率数据，并对所述第一心率数据进行去噪，得到降噪后的第一心率波形信号；

所述环境感知雷达模块用于监测受试者的周围环境并生成对应的环境数据；

所述心率采集器用于接触采集受试者的第二心率数据，并对所述第二心率数据进行去噪，得到降噪后的第二心率波形信号；

所述振动传感器用于检测受试者整个人体表面的细微振动情况，并将振动信号传输给控制中心，所述控制中心用于接收到振动信号后进行识别判断，当振动信号超过预设阈值，所述控制中心生成异常振动信号并通过所述数据传输模块传输给所述数据处理模块；

所述数据传输模块用于将第一心率波形信号、第二心率波形信号、环境数据和振动信号发送给数据处理模块；

所述数据处理模块用于根据环境数据和振动信号，对第一心率波形信号和第二心率波形信号进行特征点提取，当环境感知雷达模块监测到受试者在一段时间内的环境数据发生变化，所述数据处理模块则不提取该段时间内的第一心率波形信号特征点，当所述数据处理模块接收到所述控制中心在一段时间内发出的异常振动信号，则所述数据处理模块不提取该段时间内的第二心率波形信号特征点，所述数据处理模块对第一波形信号和第二心率波形信号的特征点进行提取完毕后，将所提取到的第一心率波形信号特征点和第二心率波形信号特征点进行合并形成第三心率波形信号，并将第三心率波形信号发送给控制中心；

所述控制中心用于根据第三心率波形信号进行计算得到受试者的心率数据。

本方案的基本原理：进行心率检测时，首先毫米波雷达模块隔空采集受试者的第一心率数据，并对该第一心率数据进行滤波降噪处理，从而得到第一心率的波形信号。在进行雷达检测受试者心率的同时，心率采集器也直接采集受试者的第二心率数据，并生成第二心率的波形信号。

其次，第一心率波形信号和第二心率波形信号通过数据传输模块传输给数据处理模块进行其特征点的提取和处理。在进行特征点提取的过程中，数据处理模块会根据环境感知雷达模块监测到的受试者环境数据，以及振动传感器检测到的受试者整个人体表面的细微振动情况，进行判断提取。当环境感知雷达模块监测到受试者在一段时间内的环境数据发生变化，则数据处理模块不提取该段时间内的第一心率波形信号特征点；当数据处理模块接收到控制中心在一段时间内发出的异常振动信号（即振动传感器检测到的振动信号超过预设阈值），则数据处理模块不提取该段时间内的第二心率波形信号特征点。

当数据处理模块对符合要求的第一心率波形信号和第二心率波形信号的特征点进行提取完毕后，将所提取到的第一心率波形信号特征点和第二心率波形信号特征点进行合并形成第三心率波形信号，并将该第三心率波形信号发送给控制中心。

最后，控制中心根据所接收到的第三心率波形信号进行计算得到受试者的心率数据。

本方案的有益效果：本方案中的毫米波雷达模块能够对受试者进行隔空的心率测量，以适应不同应用场景的需要。即当受试者为无法直接接触的一些个体时，例如：大面积烧伤病人、传染病患者、皮肤病患者等，单独利用毫米波雷达能够在保证安全的情况下，实现对心率的隔空测量，提升了用户体验。

当受试者为正常个体时，毫米波雷达和心率采集器能够进行共同合作，实现对心率的精准测量，提升了心率测量的准确性。当用毫米波雷达在进行心率测量时，心率波形信号在传递的过程中可能受到受试者周围环境的影响（即第一心率波形信号受到部分环境因素的作用，使其在传递的过程中部分信号丢失），导致心率波形出现变化，影响心率测量的准确。

当用心率采集器在进行心率的检测时，部分受试者可能出现恐惧、害怕等厌反心理从而导致其整个身体态作处于不安静的状态，例如:情绪亢奋引起的过度肢体抖动，导致测量的心率不准确。因此，用毫米波雷达进行心率测量时，如果受试者周围环境导致第一心率波形信号出现变化，则数据处理模块不再采集该段时间内的第一心率波形信号。用心率采集器进行心率测量时，如果控制中心发出了异常的振动信号，则数据处理模块不再采集该段时间内的第二心率波形信号。数据处理模块通过将所采集的第一心率波形信号和第二心率波形信号进行合并形成第三心率波形信号，再通过控制中心对该第三心率波形信号进行计算出最终的受试者心率，保证了心率测量的准确性。

综上，本方案通过利用毫米波雷达模块和心率采集器同时对受试者进行心率测量，实现了对心率的精准采集，避免了由于环境因素和受试者的客观原因造成的心率测量不准确。

进一步，所述环境数据包括声音信息、温度信息和氧气量信息。

有益效果：声音信息、温度信息和氧气量信息都会影响第一心率波形信号的传输,对这些信息进行监测能够辅助了解毫米波雷达所获取到的第一心率波形信号是否缺失，保证了最终所测得的心率较为准确。

进一步，所述第一心率波形信号包括若干第一波峰心率信号和第一波谷心率信号，所述第二心率波形信号包括若干第二波峰信号和第二波谷信号。

有益效果：若干第一波峰心率信号和第一波谷心率信号，以及若干第二波峰信号和第二波谷信号能够更加直观了解第一心率波形信号和第二心率波形信号的变化情况。

进一步，还包括有信号放大模块，所述信号放大模块用于对所述第一心率波形信号进行放大。

有益效果：信号放大模块可以增强第一心率波形信号的采集传输。

进一步，还包括有显示端和存储模块，所述显示端用于显示所述控制中心计算的受试者的心率数据，所述存储模块用于存储所述第一心率数据和所述第二心率数据。

有益效果：显示模块可以便于受试者直接知道其所检测到的最终心率数据，从而了解自己的身体情况。存储模块可以保存受试者的第一心率数据和第二心率数据，方便受试者所测得的心率数据错误时，判断毫米波雷达模块采集的第一心率波形信号是否丢失，或者心率采集器所采集的第二心率波形信号是否存在异常（即受试者所测的第二心率波形信号与正常采集时差异较大）。

进一步，还包括有信号检测模块和警报模块，所述信号检测模块用于检测所述第一心率波形信号和第二心率波形信号，所述控制中心还预设第一心率波形信号和第二心率波形信号阈值，当检测到的第一心率波形信号或者第二心率波形信号超过预设阈值，所述控制中心生成警报信号并发送给警报模块，所述警报模块接收到警报信号以后进行报警，其中控制中心、警报模块和信号检测模块串联于同一电路中。

有益效果：信号检测模块可以事先判断所获取到的第一心率波形信号是否丢失或者第二心率波形信号是否有误，并通过警报模块发出警报，提醒受试者换个测试环境或者保持较为平静的状态（即不影响心率测量的人体舒适状态），来提高心率测量的准确性。

进一步，当检测到的第一心率波形信号或者第二心率波形信号超过预设阈值，所述控制中心会控制毫米波雷达模块再次隔空采集受试者的第一心率数据或者心率采集器再次接触采集受试者的第二心率数据。

有益效果：二次采集第一心率波形信号或者第二心率波形信号，可以提高最终心率测量的准确性。

进一步，还包括有监控模块，所述监控模块用于监控受试者在测量心率时的身体体态，所述身体体态包括平静状态、小动作状态、大动作状态及非安静状态。

有益效果：监控模块可以判断受试者进行心率测量时的身体体态，来决定是否经过一段时间再对受试者进行心率测量。提高了心率测量的准确性，避免非安静状态下产生较大的数据误差，影响受试者的心率测量体验。

附图说明

图1为本发明实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例基本如附图1所示：

一种基于雷达的心率分析系统，包括：毫米波雷达模块、环境感知模块、心率采集器、振动传感器、数据传输模块、数据处理模块和控制中心。毫米波雷达模块用于当受试者进行心率测量时，隔空采集受试者的第一心率数据，并对第一心率数据进行滤波去噪，得到降噪后的第一心率波形信号。该第一心率波形信号包括若干第一波峰心率信号和第一波谷心率信号，若干第一波峰心率信号和第一波谷心率信号串联起来可以形成一个完整的第一心率波形信号，并通过显示模块显示出来。显示模块可以为科曼C60心电监护仪液晶屏，若干第一波峰心率信号和第一波谷心率信号，能够更加直观了解第一心率波形信号在进行毫米波雷达采集时的具体变化情况（即通过第一波峰心率信号和第一波谷心率信号的振幅）。在毫米波雷达模块旁还设有信号放大模块和存储模块，信号放大模块可以增强第一心率波形信号的采集传输，存储模块能够对第一心率波形信号进行存储，方便受试者所测得的心率数据错误时，判断毫米波雷达模块采集的第一心率波形信号是否丢失。

环境感知雷达模块用于监测受试者的周围环境并生成对应的环境数据，环境数据为受试者测量心率时周围的声音数据信息、温度数据信息、氧气量数据信息和水量数据信息以及在其他实施例中能够引起心率变化的其他环境数据。声音数据信息、温度数据信息、氧气量数据信息和水量数据信息都会影响第一心率波形信号的传输,对这些信息进行监测能够辅助了解毫米波雷达所获取到的第一心率波形信号是否缺失，保证了最终所测得的心率较为准确。

心率采集器用于接触采集受试者的第二心率数据（受试者为非大面积烧伤病人、传染病患者和皮肤病患者），心率采集器可以为迈瑞心电监护仪。迈瑞心电监护仪对第二心率数据进行滤波去噪后，能够得到降噪后的第二心率波形信号。该第二心率波形信号也包括有若干第二波峰心率信号和第二波谷心率信号，若干第二波峰心率信号和第二波谷心率信号串联起来可以形成一个完整的第二心率波形信号，并显示在迈瑞心电监护仪的显示屏上。存储模块也能够对第二心率波形信号进行存储，方便受试者所测得的心率数据错误时，判断心率采集器所采集的第二心率波形信号是否存在异常（即受试者所测的第二心率波形信号与正常采集时差异较大）。

振动传感器用于检测受试者整个人体表面的细微振动情况，并将振动信号传输给控制中心，控制中心用于接收到振动信号后进行识别判断，当振动信号超过预设阈值，控制中心生成异常振动信号并通过数据传输模块传输给数据处理模块。振动传感器选用Risym高灵敏震动传感器，该Risym高灵敏震动传感器设置在受试者的头部、腿部以及腹部上，振动传感器能够准确获取到受试者在测量心率时整个身体的振动情况，从而确认当前心率采集器所测量的第二心率波形信号是否较为准确（即可能存在受试者处于情绪亢奋状态时，引起身体振动剧烈，呼吸频率加快）。

在受试者进行心率测量的周围还设有监控模块，监控模块可以为若干摄像头，该摄像头能够对受试者进行全方位的监测。监控模块用于监控受试者在测量心率时的身体体态，身体体态包括平静状态（即受试者的正常心里情绪状态，同时未有任何肢体动作）、小动作状态（受试者有小幅度的肢体动作）、大动作状态（受试者有较大的肢体动作，例如跑步、俯卧撑等等）及非安静状态（受试者情绪激动较为亢奋，且呼吸较为急促）。监控模块可以判断受试者进行心率测量时的身体体态，来决定是否经过一段时间再对受试者进行心率测量。提高了心率测量的准确性，避免非安静状态下产生较大的数据误差，影响受试者的心率测量体验。

数据传输模块用于将第一心率波形信号、第二心率波形信号、环境数据和振动信号发送给数据处理模块。数据传输模块可以选用5G通讯，5G通讯能够保证信息的实时快速传输。

数据处理模块用于根据环境数据和振动信号，对第一心率波形信号和第二心率波形信号进行特征点提取。当环境感知雷达模块监测到受试者在一段时间内的周围环境数据发生变化，即声音数据信息超过90dB、温度数据信息超过45℃、空气中的含氧量数据信息低于正常人体呼吸所需含氧量的90%时，人体的呼吸频率会加快，对于心脏的负荷加大，可能导致心率加快，影响心率测量的准确性。因此，数据处理模块不提取该段时间内的第一心率波形信号特征点。

当数据处理模块接收到控制中心在一段时间内发出的异常振动信号（即振动信号超过控制中心预设的阈值，表明人体此时可能处于非安静状态），则数据处理模块不提取该段时间内的第二心率波形信号特征点。数据处理模块对一波形信号和第二心率波形信号的特征点进行提取完毕后，将所提取到的第一心率波形信号特征点和第二心率波形信号特征点进行合并形成第三心率波形信号，并将第三心率波形信号发送给控制中心。该第三心率波形信号也通过显示模块进行显示，便于人们了解所测得的心率数据的最终波形信号，并通过波形信号的振幅情况，知道其心率的具体变化。

控制中心用于根据第三心率波形信号进行计算得到受试者的心率数据，最终实现对心率的准确测量。

还包括有信号检测模块和警报模块，信号检测模块用于检测第一心率波形信号和第二心率波形信号，控制中心还预设第一心率波形信号和第二心率波形信号阈值，当检测到的第一心率波形信号或者第二心率波形信号超过预设阈值，控制中心生成警报信号并发送给警报模块，警报模块接收到警报信号以后进行报警，其中控制中心、警报模块和信号检测模块串联于同一电路中。

警报模块可以选用LTE-5061小型警报灯，该小型警报灯信号放置在受试者的旁边。检测模块可以事先判断所获取到的第一心率波形信号是否丢失或者第二心率波形信号是否有误，并通过警报模块发出警报，提醒受试者换个测试环境或者保持较为平静的状态（即不影响心率测量的人体舒适状态），来提高心率测量的准确性。

具体实施过程：首先毫米波雷达模块隔空采集受试者的第一心率数据，并对该第一心率数据进行滤波降噪处理，从而得到第一心率的波形信号。在进行雷达检测受试者心率的同时，迈瑞心电监护仪也直接采集受试者的第二心率数据，并生成第二心率的波形信号。

其次，第一心率波形信号和第二心率波形信号通过数据传输模块传输给数据处理模块进行其特征点的提取和处理。在进行特征点提取的过程中，数据处理模块会根据环境感知雷达模块监测到的受试者环境数据，以及振动传感器检测到的受试者整个人体表面的细微振动情况，进行判断提取。当环境感知雷达模块监测到受试者在一段时间内的环境数据发生变化，则数据处理模块不提取该段时间内的第一心率波形信号特征点；当数据处理模块接收到控制中心在一段时间内发出的异常振动信号（即振动传感器检测到的振动信号超过预设阈值），则数据处理模块不提取该段时间内的第二心率波形信号特征点。

当数据处理模块对符合要求的第一心率波形信号和第二心率波形信号的特征点进行提取完毕后，将所提取到的第一心率波形信号特征点和第二心率波形信号特征点进行合并形成第三心率波形信号，并将该第三心率波形信号发送给控制中心。

最后，控制中心根据所接收到的第三心率波形信号进行计算得到受试者的最终心率数据。

以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种基于雷达的心率分析系统，其特征在于，包括：毫米波雷达模块、环境感知模块、心率采集器、振动传感器、数据传输模块、数据处理模块和控制中心，

所述毫米波雷达模块用于隔空采集受试者的第一心率数据，并对所述第一心率数据进行去噪，得到降噪后的第一心率波形信号；

所述环境感知雷达模块用于监测受试者的周围环境并生成对应的环境数据；

所述心率采集器用于接触采集受试者的第二心率数据，并对所述第二心率数据进行去噪，得到降噪后的第二心率波形信号；

所述振动传感器用于检测受试者整个人体表面的细微振动情况，并将振动信号传输给控制中心，所述控制中心用于接收到振动信号后进行识别判断，当振动信号超过预设阈值，所述控制中心生成异常振动信号并通过所述数据传输模块传输给所述数据处理模块；

所述数据传输模块用于将第一心率波形信号、第二心率波形信号、环境数据和振动信号发送给数据处理模块；

所述数据处理模块用于根据环境数据和振动信号，对第一心率波形信号和第二心率波形信号进行特征点提取，当环境感知雷达模块监测到受试者在一段时间内的环境数据发生变化，所述数据处理模块则不提取该段时间内的第一心率波形信号特征点，当所述数据处理模块接收到所述控制中心在一段时间内发出的异常振动信号，则所述数据处理模块不提取该段时间内的第二心率波形信号特征点，所述数据处理模块对第一心率波形信号和第二心率波形信号的特征点进行提取完毕后，将所提取到的第一心率波形信号特征点和第二心率波形信号特征点进行合并形成第三心率波形信号，并将第三心率波形信号发送给控制中心；

所述控制中心用于根据第三心率波形信号进行计算得到受试者的心率数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于雷达的心率分析系统，其特征在于，所述环境数据包括声音信息、温度信息和氧气量信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于雷达的心率分析系统，其特征在于，所述第一心率波形信号包括若干第一波峰心率信号和第一波谷心率信号，所述第二心率波形信号包括若干第二波峰信号和第二波谷信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于雷达的心率分析系统，其特征在于，还包括有信号放大模块，所述信号放大模块用于对所述第一心率波形信号进行放大。

5.根据权利要求1所述的一种基于雷达的心率分析系统，其特征在于，还包括有显示端和存储模块，所述显示端用于显示所述控制中心计算的受试者的心率数据，所述存储模块用于存储所述第一心率数据和所述第二心率数据。

6.根据权利要求1所述的一种基于雷达的心率分析系统，其特征在于，还包括有信号检测模块和警报模块，所述信号检测模块用于检测所述第一心率波形信号和第二心率波形信号，所述控制中心还预设第一心率波形信号和第二心率波形信号阈值，当检测到的第一心率波形信号或者第二心率波形信号超过预设阈值，所述控制中心生成警报信号并发送给警报模块，所述警报模块接收到警报信号以后进行报警，其中控制中心、警报模块和信号检测模块串联于同一电路中。

7.根据权利要求6所述的一种基于雷达的心率分析系统，其特征在于，当检测到的第一心率波形信号或者第二心率波形信号超过预设阈值，所述控制中心会控制毫米波雷达模块再次隔空采集受试者的第一心率数据或者心率采集器再次接触采集受试者的第二心率数据。

8.根据权利要求6所述的一种基于雷达的心率分析系统，其特征在于，还包括有监控模块，所述监控模块用于监控受试者在测量心率时的身体体态，所述身体体态包括平静状态、小动作状态、大动作状态及非安静状态。

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