CN116643268A - 一种基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法，通过使用毫米波雷达来对心肺复苏的按压进行检测，从而通过其波形得到相应的按压深度、按压频率和按压/放松时间比三个参数，再通过与标准预设参数的对比来判断按压是否标准，精确指导心肺复苏按压，还会通过语音提示不标准的按压，促进施救者按压标准化。

Description

一种基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法及系统

技术领域

本发明涉及医疗设备及心肺复苏领域，具体涉及一种基于雷达的心肺复苏按压评估方法及系统。

背景技术

心搏骤停(Cardiac Arrest,CA)是指各种原因引起的、在未能预计的情况和时间内心脏突然停止搏动，从而导致有效心泵功能和有效循环突然中止，引起全身组织细胞严重缺血、缺氧和代谢障碍，如不及时抢救即可立刻失去生命。心搏骤停不同于任何慢性病终末期的心脏停搏，若及时采取正确有效的复苏措施，病人有可能被挽回生命并得到康复。心搏骤停一旦发生，如得不到即刻及时地抢救复苏，4～6min后会造成患者脑和其他人体重要器官组织的不可逆的损害，因此心搏骤停后的心肺复苏(cardiopulmonaryresuscitation,CPR)必须在现场立即进行，为进一步抢救直至挽回心搏骤停伤病员的生命而赢得最宝贵的时间。

心肺复苏术，是针对骤停的心脏和呼吸采取的救命技术。是为了恢复患者自主呼吸和自主循环。将学生健康知识、急救知识，特别是心肺复苏纳入教育内容。2022版心肺复苏指南对胸外按压动作有如下规定：1、下压深度为5厘米到6厘米。2、按压频率为100到120次每分钟。3、按压/放松时间比为1：1。然而，如何达到规定的按压深度和频率、保证按压质量，目前医疗上的监测方法往往较为复杂，增加了医务人员的额外工作，导致按压质量监测在临床实际执行过程中难以实施，无法普及。另外，最早接触病人的第一批目击者通常是病人的朋友、父母、同学等，他们的心肺复苏动作不规范，深度、频率等更是无法达标，无法起到最佳的效果。有鉴于此，本发明提出一种基于毫米波雷达的心肺复苏按压质量检测评估方法及系统，使用毫米波雷达测距算法得到胸腔与雷达之间的距离，有利于对心肺复苏动作进行客观评估。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，在现有的技术中使用毫米波雷达来对心肺复苏的按压进行检测，从而通过其波形得到相应的检测参数，用来精准评估按压是否准确，同时也开发了与该检测评估方法相适应的系统，实现精准评估按压。

为达到以上目的，本发明提供一种基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一，雷达信号发射与接收，60GHz毫米波雷达周期性地发射频率随时间线性增长的发射信号，并获取来自雷达视场内多个目标的反射信号，将所述发射信号和所述反射信号混频，得到的中频信号；

步骤二，计算位移信息，对所述中频信号进行快速傅里叶变换，雷达视场被划分为不同的距离区间，每个频率对应着一个特定的距离区间，称为距离量化单元，所述距离量化单元内的反射目标存在位移时，所述距离量化单元对应的谐波的相位随时间变化，且受该目标的位移调制，去除直流分量后可以得出位移与相位的调制关系；

步骤三，计算按压波形图，对于每一个所述距离量化单元，计算5秒内所述距离量化单元内信号的幅值，比较所有所述距离量化单元计算得到的五秒幅值，选取幅值最大的距离量化单元作为目标距离量化单元，计算所述目标距离量化单元的相位信息，并根据所述调制关系计算得出位移，从而获得按压波形图；

步骤四，根据所述按压波形图计算按压参数；

步骤五，将步骤四获得的所述按压参数与预设参数进行比较，当所述按压参数与所述预设参数差距超过预设阈值，判断为按压不符合规范，并用语音提示器进行提示。

进一步的，步骤四是截取大于五秒的按压波形图计算按压参数，所述按压参数包括：按压深度、按压频率和按压/放松时间比。

进一步的，步骤一中的所述发射信号为：

其中，S_T(t)为发射信号，B为发射信号带宽，T_c为发射信号的持续时间，A_T为发射信号的幅度，f_c为发射信号的起始频率。接收天线Rx获取来自雷达视场内多个目标的反射信号；

所述反射信号为：

其中，i为第i个目标，d_i为第i个目标与雷达的距离，c为光速，α_i为第i个目标的反射系数；

所述中频信号为：

其中，f_i、φ_i为第i个目标对应的频率与相位。

进一步的，步骤二中的调制关系为：

其中，λ_c＝c/f_c为雷达信号的波长，δ_i(t)为反射目标的位移。

进一步的，步骤四截取大于五秒的按压波形图中会存在多个波峰和波谷，的所述按压深度为：

其中，y_{max_i}为第i个波峰的值，y_{min_i}表示第i个波谷的值；

所述按压频率为：

其中，t_{max_n}为出现第n个波峰对应的时间；

按压时间T_p为：

其中，t_{max_i}表示第i个波峰的时间，t_{min_i}表示第i个波谷的时间；

放松时间T_r为：

计算T_p/T_r获得所述按压/放松时间比。

一种采用上述任一一种基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法的系统，其特征在于，包括：

信号模块、按压深度采集模块、按压频率采集模块、按压/放松时间比采集模块、数据处理模块、按压参数显示器和按压建议语音提示器；

所述信号模块，采用60GHz毫米波雷达发射无线电信号，并接受环境和人体的反射信号；

所述按压深度采集模块，用于采集心肺复苏的按压深度；

所述按压频率采集模块，用于采集心肺复苏的按压频率；

所述按压/放松时间比采集模块，用于采集心肺复苏时的按压/放松时间比；

所述按压参数显示器，用于显示按压参数；

所述数据处理模块中提前进行参数预设，并将预设参数与所述按压参数进行比较处理；

所述按压建议语音提示器，当所述数据处理模块得出的处理结果为按压不符合规范时，采用语音提醒按压者。

本发明的有益效果在于，通过一系列信号转换，使得毫米波雷达能够将心肺复苏按压转化为波形图，从而利用波形图得到不同的心肺复苏检测按压参数，并通过与预设参数之间的对比，精准的评估判断按压是否准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法流程图；

图2为本发明实施例基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法的系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法包括雷达信号发射与接收、计算位移信息、计算按压波形、计算按压参数、比较预设参数和按压参数五个步骤。

步骤一中，60GHz毫米波雷达，发射天线周期性地发射频率随时间线性增长的信号：

其中，S_T(t)为发射信号，该信号被称为Chirp，其中B是Chirp的带宽，T_c是Chirp的持续时间，A_T与f_c分别为Chirp的幅度与起始频率。

接收天线获取来自雷达视场内多个目标的反射信号，设第i个目标与雷达的距离为d_i，则接收天线获取到的信号：

为多个目标的反射信号的叠加，其中c为光速，α_i为第i个目标的反射系数，该参数受距离d_i，目标的面积与材质等因素影响。

将接收信号S_R(t)与发射信号S_T(t)混频，得到的中频(Intermediate Frequency,IF)信号：

为多个谐波的叠加，其中f_i、φ_i为第i个目标对应的频率与相位。

步骤二中，对所述中频信号进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)，雷达视场被划分为不同的距离区间，每个频率对应着一个特定的距离区间，当第i个距离区间的反射目标存在位移时，即d_i(t)＝d_i+δ_i(t)，其中δ_i(t)为该目标的位移模式，该距离区间对应的谐波的相位φ_i(t)随时间变化，且受δ_i(t)调制。去除直流分量后，φ_i(t)与δ_i(t)的调制关系为：

其中，λ_c＝c/f_c为雷达信号的波长，φ_i(t)被称为反射目标的位移。

步骤三中，对于每一个所述距离量化单元，计算5秒内所述距离量化单元内信号的幅值，比较所有所述距离量化单元计算得到的五秒幅值，选取幅值最大的距离量化单元作为目标距离量化单元，计算所述目标距离量化单元的相位信息，并根据所述调制关系计算得出位移，从而获得按压波形图；

步骤四，根据所述按压波形图；

截取持续五秒的按压信号，检测按压波形的极大值点和极小值点，当该点比附近5个点都大或者都小时(该点即波峰和波谷)，记录这些点的时间(t_{max_n}，t_{min_n})和幅值(y_{max_n}，y_{min_n})。

通过计算信号中相邻最大值点之间的时间差，计算得到按压频率：

其中，假设信号中出现了n个波峰，t_{max_n}表示出现第n个波峰对应的时间。

按压深度的计算如下：

其中y_{max_i}表示第i个波峰的值，y_{min_i}表示第i个波谷的值。

为了计算按压/放松时间比，首先计算按压时间T_p：

其中t_{max_i}表示第i个波峰的时间，t_{min_i}表示第i个波谷的时间。计算放松时间T_r：

最后，计算T_p/T_r获得按压/放松时间比。

步骤五，根据预设的参数，使用数据处理器判断采集到的上述三个参数是否符合规范，并显示在按压参数显示器中。当按压参数不符合规范，数据处理器计算当前参数和预设参数之间的差距并判断是否超过预设阈值，如果超过阈值，则使用按压建议语音提示器进行提示。

如图2所示的基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法的系统1。系统包括：信号模块2、按压深度采集模块3、按压频率采集模块4、按压/放松时间比采集模块5、数据处理模块6、按压参数显示器7和按压建议语音提示器8。信号模块2，采用60GHz毫米波雷达发射无线电信号，并接受环境和人体的反射信号。使用按压深度采集模块3、按压频率采集模块4和按压/放松时间比采集模块5采集按压深度、按压频率和按压/放松时间比三个参数。按压参数显示器7，用于显示上述三个按压参数。数据处理模块6中提前进行参数预设，并将预设参数与所述按压参数进行比较处理，当数据处理模块6得出的处理结果为按压不符合规范时，按压建议语音提示器8采用语音提醒按压者。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一，雷达信号发射与接收，60GHz毫米波雷达周期性地发射频率随时间线性增长的发射信号，并获取来自雷达视场内多个目标的反射信号，将所述发射信号和所述反射信号混频，得到中频信号；

步骤二，计算位移信息，对所述中频信号进行快速傅里叶变换，雷达视场被划分为不同的距离区间，每个频率对应着一个特定的距离区间，称为距离量化单元，所述距离量化单元内的反射目标存在位移时，所述距离量化单元对应的谐波相位随时间变化，且受该目标的位移调制，去除直流分量后可以得出位移与相位的调制关系；

步骤三，计算按压波形图，对于每一个所述距离量化单元，计算5秒内所述距离量化单元内信号的幅值，比较所有所述距离量化单元计算得到的五秒幅值，选取幅值最大的距离量化单元作为目标距离量化单元，计算所述目标距离量化单元的相位信息，并根据所述调制关系计算得出位移，从而获得按压波形图；

步骤四，根据所述按压波形图计算按压参数；

步骤五，将步骤四获得的所述按压参数与预设参数进行比较，当所述按压参数与所述预设参数差距超过预设阈值，判断为按压不符合规范，并用语音提示器进行提示。

2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法，其特征在于，步骤四是截取大于五秒的按压波形图计算按压参数，所述按压参数包括：按压深度、按压频率和按压/放松时间比。

3.根据权利要求2所述的一种基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法，其特征在于，步骤一中的所述发射信号为：

其中，S_T(t)为发射信号，B为发射信号带宽，T_c为发射信号的持续时间，A_T为发射信号的幅度，f_c为发射信号的起始频率；

接收天线Rx获取来自雷达视场内多个目标的反射信号，所述反射信号为：

其中，i为第i个目标，d_i为第i个目标与雷达的距离，c为光速，α_i为第i个目标的反射系数；

所述中频信号为：

其中，f_i、φ_i为第i个目标对应的频率与相位。

4.根据权利要求3所述的一种基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法，其特征在于，步骤二中的调制关系为：

其中，λ_c＝c/f_c为雷达信号的波长，δ_i(t)为反射目标的位移。

5.根据权利要求4所述的一种基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法，其特征在于，步骤四截取大于五秒的按压波形图中会存在多个波峰和波谷，的所述按压深度为：

其中，y_{max_i}为第i个波峰的值，y_{min_i}表示第i个波谷的值；

所述按压频率为：

其中，t_{max_}n为出现第n个波峰对应的时间；

按压时间T_p为：

其中，t_{max_i}表示第i个波峰的时间，t_{min_i}表示第i个波谷的时间；

放松时间T_r为：

计算T_p/T_r获得所述按压/放松时间比。

6.一种采用权利要求1-5中任意一种基于毫米波雷达的心肺复苏按压检测评估方法的系统，其特征在于，包括：

信号模块、按压深度采集模块、按压频率采集模块、按压/放松时间比采集模块、数据处理模块、按压参数显示器和按压建议语音提示器；

所述信号模块，采用60GHz毫米波雷达发射无线电信号，并接受环境和人体的反射信号；

所述按压深度采集模块，用于采集心肺复苏的按压深度；

所述按压频率采集模块，用于采集心肺复苏的按压频率；

所述按压/放松时间比采集模块，用于采集心肺复苏时的按压/放松时间比；

所述按压参数显示器，用于显示按压参数；

所述数据处理模块中提前进行参数预设，并将预设参数与所述按压参数进行比较处理；

所述按压建议语音提示器，当所述数据处理模块得出的处理结果为按压不符合规范时，采用语音提醒按压者。