CN204542097U - 基于雷达波的心率与呼吸检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于雷达波的心率与呼吸检测装置，包括以下模块，雷达波收发模块：包括发射天线和接收天线，用于检测心率与呼吸信号；振荡信号模块：包括内部振荡器和硬件滤波器，用于产生振荡信号；混频模块：采用混频器Mixer对心率与呼吸信号和振荡信号进行混频，产生中频信号；中频信号幅值调理模块：对混频模块输出的中频信号进行幅值的提升；Bessel带通滤波器：对中频信号幅值调理模块的输出信号进行滤波处理，去除干扰信号；ADC采集与数据传输模块：接收Bessel带通滤波器的输出信号，并将此信号传输给Android平台。本实用新型实时操作方便，具有更高的灵敏度。

Description

基于雷达波的心率与呼吸检测装置

技术领域

本实用新型涉及医疗电子领域，特别涉及一种基于雷达波的心率与呼吸检测装置。 

背景技术

医疗电子是一个非常实用的领域，主要通过一些电子设备完成对人体部分生理参数的检测，以判定身体是否处于健康状态。相对来说，美国、日本等发达国家在医疗电子行业方面要超过国内很多，一些国内的医疗电子设备稳定性差、不精确，而最大的问题是国内对设备的内部算法还处于模糊状态，这也是造成国内医疗设备处于一个不稳定状态的首要原因。在国内，对人体心率进行检测的方法不外乎超声波、红光等手段，采用这些手段的产品在功能稳定性、灵敏度和方便度上均有所缺点。雷达波是一种电磁波，它不随温度、光线等环境因素的影响而变化，这在很大程度上提升了产品的抗干扰能力和稳定性，通过雷达波射频收发模块来完成对心率与呼吸信号的检测，可以实现非接触式检测，方便操作，可靠性较高。雷达波可以很好地穿过衣服和皮肤完成对心率与呼吸频率的检测。虽然心率与呼吸信号的幅度小，但是雷达射频收发模块实现了可调灵敏度，可以有效地完成心率与呼吸信号的检测。

随着人们生活水平的不断提升，人们对身体健康的关注度也是越来越高，实时快捷方便地检测心率与呼吸频率成为一种必然的趋势，传统检测设备不易携带、实时操作性较差。鉴于提升医疗电子技术的需要，提供一种能实时地、方便地完成对心率与呼吸频率信号的检测装置成为大家最迫切的愿望。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于雷达波的心率与呼吸检测装置，实时操作方便，且有更高的灵敏度。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于雷达波的心率与呼吸检测装置，包括以下模块：

雷达波收发模块：包括发射天线和接收天线，用于检测心率与呼吸信号；

振荡信号模块：包括内部振荡器和硬件滤波器，用于产生振荡信号；

混频模块：采用混频器Mixer对心率与呼吸信号和振荡信号进行混频，产生中频信号；

中频信号幅值调理模块：对混频模块输出的中频信号进行幅值的提升；

Bessel带通滤波器：对中频信号幅值调理模块的输出信号进行滤波处理，去除干扰信号；

ADC采集与数据传输模块：接收Bessel带通滤波器的输出信号，并将此信号传输给Android平台。

作为一种改进，还包括中频信号幅值再调理模块，用于对Bessel带通滤波器的输出信号进行幅值的提升，并将提升后的信号作为ADC采集与数据传输模块的输入。

所述Android平台为经过裁剪的嵌入式Android平台或者支持WIFI/蓝牙的Android平台。

所述中频信号幅值调理模块及Bessel带通滤波器的具体电路结构为：电压跟随器U1同相输入端接有电容C1并通过电阻R1连接到电压跟随器U2的反相输入端，所述电压跟随器U1的反相输入端与输出端相连，且电压跟随器U1与高通滤波器U3之间依次串联电容C2、C3；所述电压跟随器U2的同相输入端通过电容C4接地，电压跟随器U2的反相输入端与输出端相连，所述电压跟随器U2的输出端通过电阻R2连接到高通滤波器U3的同相输入端，也依次通过电阻R3与电阻R4连到高通滤波器U3的输出端；电容C2与电容C3之间通过电阻R5连到高通滤波器U3的输出端，所述高通滤波器U3的反相输入端连到电阻R3与电阻R4之间；所述高通滤波器U3依次通过电阻R6、电阻R7连到低通滤波器U4的同相输入端，所述低通滤波器U4的同相输入端还通过电容C6接地，所述低通滤波器U4的反相输入端与输出端相连，并且通过电容C5连到电阻R6和电阻R7之间。

所述雷达波收发模块的发射天线和接收天线都为微带线。

所述雷达波的频率为10.525GHz，Bessel带通滤波器的频率范围设置为100mHz到40Hz。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：采用雷达波射频收发器完成对心率与呼吸频率信号的检测，解决了传统方案中超声波受外界环境因素的影响、灵敏度差等问题。中频信号幅值调理与带通滤波电路解决了传统方案中电路结构复杂，多组电源结构等问题。最终的数据显示采用Android硬件平台，只要使用Android手机或其它Android硬件平台安装一个app，就可以实时查看当前的心率与呼吸频率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明，其中：

图1是本实用新型装置整体结构示意图。

图2是本实用新型装置的中频信号幅值调理和Bessel带通滤波器电路结构图。

图3是本实用新型装置的中频信号幅值调理仿真图形。

图4是本实用新型装置的Bessel带通滤波器中的高通滤波器增益示图。

图5是本实用新型装置的Bessel带通滤波器中的低通滤波器增益示图。

图6是本实用新型装置的ADC采集与数据传输前端部分结构示意图。

图2中：1-第一高通滤波器（无源高通滤波器）；2-第二电压跟随器部分，包括电压跟随器U2；3-第二高通滤波器（即是Bessel带通滤波器中的高通滤波器）；4-低通滤波器（Bessel带通滤波器中的一部分）。

图3中：a-中频信号幅值调理后的信号；b-第二高通滤波器的输出信号；c-Bessel带通滤波器的输出信号。

具体实施方式

为解决传统医疗设备对心率与呼吸频率检测出现的精度差、稳定性差、灵敏度差和不易操作与使用等问题，本实用新型提供一种由雷达波收发模块（例如多普勒雷达射频前端收发机）、中频信号幅值调理模块、带通滤波器模块以及数字后端处理与相关算法，包括峰值寻找算法、FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅氏变换变换）、Android UI应用等组成检测装置，实现了一体化，整个装置从根本上解决了传统方案精度差、稳定性差、灵敏度差等缺点。同时，传统方案需要各种设备配合使用，比如需要复杂的连接线（探头）、PC机等，而本方案采用雷达电磁波非接触检测心率与呼吸信号，一体化装置，无均额外设备，整个系统可操作性强，方便携带。

本实用新型基于雷达波的心率与呼吸检测装置，包括以下模块：

雷达波收发模块：包括发射天线和接收天线，用于检测心率与呼吸信号；

振荡信号模块：包括内部振荡器和硬件滤波器，用于产生振荡信号；

混频模块：采用混频器Mixer对心率与呼吸信号和振荡信号进行混频，产生中频信号；

中频信号幅值调理模块：对混频模块输出的中频信号进行幅值的提升；

Bessel带通滤波器：对中频信号幅值调理模块的输出信号进行滤波处理，去除干扰信号；

ADC采集与数据传输模块：接收Bessel带通滤波器的输出信号，并将此信号传输给Android平台。所述Android平台为经过裁剪的嵌入式Android平台或者支持WIFI/蓝牙的Android平台。

如图1所示，雷达波收发模块包括发射天线与接收天线，所述雷达波收发模块的发射天线和接收天线都为微带线。这种微带天线的效率高，剖面低，厚度很薄，重量轻，尺寸小，频带一般较窄，增益不高，功率容量低。用于单人个体心肺检测的生物雷达，要求有一定的指向性，但为了覆盖足够的范围，增益不能太高。作为便携式设备，要求小尺寸、轻薄。考虑到人体安全，采用低辐射射频功率。可见微带贴片天线基本能够满足生物雷达的要求，因此在本实用新型中采用这种天线。通过雷达波收发模块并处理后的中频信号是脉动信号，直接送到中频信号负责调理模块。在本实用新型中，电路的调幅结构比较简单，但是非常灵活，可最大程度简单电路，其基本原理是直流的叠加与基准的提供，两次直流叠加，完成信号幅值的提升。同时，经过了一个Bessel带通滤波操作，由于本实用新型装置采用的是非接触式检测，易获取额外的干扰信号，根据人体的呼吸频率与心率值，将Bessel带通滤波器的通带范围设定为100mHz到40Hz。最后，将处理后的中频信号送往数字后端ADC进行采样与处理。

为了ADC采集与数据传输模块有更好的信号输入，还设置有中频信号幅值再调理模块：对Bessel带通滤波器的输出信号进行幅值的提升，并将提升后的信号作为ADC采集与数据传输模块的输入。

如图2所示，所述中频信号幅值调理模块及Bessel带通滤波器的具体电路结构为：电压跟随器U1同相输入端接有电容C1并通过电阻R1连接到电压跟随器U2的反相输入端，所述电压跟随器U1的反相输入端与输出端相连，且电压跟随器U1与高通滤波器U3之间依次串联电容C2、C3；所述电压跟随器U2的同相输入端通过电容C4接地，电压跟随器U2的反相输入端与输出端相连，所述电压跟随器U2的输出端通过电阻R2连接到高通滤波器U3的同相输入端，也依次通过电阻R3与电阻R4连到高通滤波器U3的输出端；电容C2与电容C3之间通过电阻R5连到高通滤波器U3的输出端，所述高通滤波器U3的反相输入端连到电阻R3与电阻R4之间；所述高通滤波器U3依次通过电阻R6、电阻R7连到低通滤波器U4的同相输入端，所述低通滤波器U4的同相输入端还通过电容C6接地，所述低通滤波器U4的反相输入端与输出端相连，并且通过电容C5连到电阻R6和电阻R7之间。

可以看出图2所示电路主要由四部分构成，分别为：1-第一高通滤波器（无源高通滤波器），将雷达波模块输出的中频信号中的直流耦合成份去掉；2-第二电压跟随器部分，包括电压跟随器U2；3-第二高通滤波器（即是Bessel带通滤波器中的高通滤波器）；4-低通滤波器（Bessel带通滤波器中的一部分）。在图2中，Vref是由MCU提供，电压跟随器U2的输出信号经过电阻R1叠加到了中频信号上，经过无源高通滤波器1后，第一次将Vref叠加到了中频信号中。同理，U1是一个电压跟随器，电压跟随器U1的输出端就直接送到二阶的Bessel带通滤波器，这个带通滤波器是由一个第二高通滤波器3与一个低通滤波器4组合而成，其不仅完成滤除低频成份，还完成了信号接近24dB的增益。然后，再经过低通滤波器4，这是一个单位增益的低通滤波器。从而实现了幅值的调理与杂波信号的滤除，得到我们想要的信号。

如图3所示，a为电压跟随器U1的输出信号（中频信号幅值调理后的信号），即输入信号经过第一高通滤波、直流叠加与电压跟随后所得；b为第二高通滤波器的输出信号，从图3可以知道其电压幅值得到了很大程度的增长，并且在这一级当中会再次将中频信号中的直流成分滤除，所以电阻R2与电阻R3同时叠加了Vref基准直流，再次将信号的幅值提升。再经过低通滤波（单位增益）后，就得到想要的中频信号了。

图4为第二高通滤波器3增益示图，图5为低通滤波器4的增益示图。从两图中可知，Bessel带通滤波器仅适用于低频信号处理，在达到一定频率值后，电路就不能正常工作了。

图6为数字后端处理与一体化结构，经过MCU集成的片上12位ADC后，得到数字化的信号，并通过MCU预处理（组装成帧）通过SPI控制器与嵌入式Android平台进行对接，完成数字信号传输，在Android平台端进行数字信号处理，得到有用信息并以曲线和文字的形式结合显示。如果用户切换了手动转换开关，还可以去掉嵌入式Android平台，直接使用其它的Android设备来完成数据的显示（通过WIFI或蓝牙的对接）。

Claims (6)

1.一种基于雷达波的心率与呼吸检测装置，其特征在于，包括以下模块：

雷达波收发模块：包括发射天线和接收天线，用于检测心率与呼吸信号；

振荡信号模块：包括内部振荡器和硬件滤波器，用于产生振荡信号；

混频模块：采用混频器Mixer对心率与呼吸信号和振荡信号进行混频，产生中频信号；

中频信号幅值调理模块：对混频模块输出的中频信号进行幅值的提升；

Bessel带通滤波器：对中频信号幅值调理模块的输出信号进行滤波处理，去除干扰信号；

ADC采集与数据传输模块：接收Bessel带通滤波器的输出信号，并将此信号传输给Android平台。

2.如权利要求1所述的基于雷达波的心率与呼吸检测装置，其特征在于，还包括中频信号幅值再调理模块，用于对Bessel带通滤波器的输出信号进行幅值的提升，并将提升后的信号作为ADC采集与数据传输模块的输入。

3.如权利要求1或2所述的基于雷达波的心率与呼吸检测装置，其特征在于，所述Android平台为经过裁剪的嵌入式Android平台或者支持WIFI/蓝牙的Android平台。

4.如权利要求3所述的基于雷达波的心率与呼吸检测装置，其特征在于，所述中频信号幅值调理模块及Bessel带通滤波器的具体电路结构为：电压跟随器U1同相输入端接有电容C1并通过电阻R1连接到电压跟随器U2的反相输入端，所述电压跟随器U1的反相输入端与输出端相连，且电压跟随器U1与高通滤波器U3之间依次串联电容C2、C3；所述电压跟随器U2的同相输入端通过电容C4接地，电压跟随器U2的反相输入端与输出端相连，所述电压跟随器U2的输出端通过电阻R2连接到高通滤波器U3的同相输入端，也依次通过电阻R3与电阻R4连到高通滤波器U3的输出端；电容C2与电容C3之间通过电阻R5连到高通滤波器U3的输出端，所述高通滤波器U3的反相输入端连到电阻R3与电阻R4之间；所述高通滤波器U3依次通过电阻R6、电阻R7连到低通滤波器U4的同相输入端，所述低通滤波器U4的同相输入端还通过电容C6接地，所述低通滤波器U4的反相输入端与输出端相连，并且通过电容C5连到电阻R6和电阻R7之间。

5.如权利要求4所述的基于雷达波的心率与呼吸检测装置，其特征在于，所述雷达波收发模块的发射天线和接收天线都为微带线。

6.如权利要求5所述的基于雷达波的心率与呼吸检测装置，其特征在于，所述雷达波的频率为10.525GHz，Bessel带通滤波器的频率范围设置为100mHz到40Hz。