CN104783799B - 一种短距离非接触式单目标呼吸率和呼吸幅度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短距离非接触式单目标呼吸率和呼吸幅度检测方法，包括如下内容：使用含有超宽带脉冲的无线电波直射到人体胸部，人体胸部的皮肤、体内骨骼和内部组织对无线电波进行反射，发射的回波会随着时间变化，带有胸部呼吸运动带来的机械波信息，通过无线接收机在短距离内收到反射电磁波，根据人体介质发射的特点，应用时频降噪、自反馈和多分辨率分解相结合的数字信号处理方法处理采集到的含有快时间和慢时间的二维数字序列，来复原呼吸波信号，从而得到目标人的呼吸率和呼吸幅度。本发明的检测方法为非接触式的对人体无害的呼吸波测试精度较高的检测方法，它适合于短距离多种场景下对人体呼吸率，呼吸幅度的长时间实时监控和记录。
Description
技术领域
本发明涉及一种呼吸率和呼吸深度测试方法，具体涉及一种短距离非接触式单目标呼吸率和呼吸幅度检测方法。
背景技术
人的呼吸率、呼气和吸气的周期以及呼吸的幅度变化，是诊断呼吸类疾病和其他相关类疾病最重要的生理指标。比如睡眠呼吸障碍事件的检测中，呼吸的变化，包括呼吸进气量、呼吸率的变化都能够反映人体一定的病理特征。这些病理特征经常用于动脉硬化等病症的早期诊断。
传统的呼吸率和呼吸深度测试方法通常采用测试胸带、呼吸导管等接触式检测仪器来完成，传统的接触式测试方式对测试场景具有一定的要求，而在某些特殊的场景下，这些传统方式不方便使用。现有技术中亟需一种呼吸波测试精度高、适合于短距离多种场景下对人体呼吸率和呼吸幅度的长时间实时监控和记录的短距离非接触式单目标呼吸率和呼吸幅度检测方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的不足，提供一种适合于短距离多种场景下对人体呼吸率和呼吸幅度的长时间实时监控和记录的呼吸波测试精度高的短距离非接触式单目标呼吸率和呼吸幅度检测方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种短距离非接触式单目标呼吸率和呼吸幅度检测方法，包括如下内容：使用含有超宽带脉冲的无线电波直射到人体胸部，人体胸部的皮肤、体内骨骼和内部组织对无线电波进行反射，发射的回波会随着时间变化，带有胸部呼吸运动带来的机械波信息，通过无线接收机在短距离内收到反射电磁波，根据人体介质发射的特点，应用时频降噪、自反馈和多分辨率分解相结合的数字信号处理方法处理采集到的含有快时间和慢时间的二维数字序列，来复原呼吸波信号，从而得到目标人的呼吸率和呼吸幅度。
所述数字信号处理方法依次包括采用慢时间和快时间平均滤波的方法进行滤波降噪、互相关法增强信号、小波变换方法得到时空域分量、小波分量选取、逆小波变换复原呼吸波信号及计算并得到呼吸率和呼吸幅度。
本发明的有益效果是：本发明的检测方法通过无线电波的发射和接收来实现，不需要与人体接触，信号功率非常低，远远低于常用无线通信设备，如手机，wifi路由器等，对人体无害，并且本检测方法采用了多种弱信号数字信号处理方法，提高了呼吸波测试的精度。本发明的方法适合于短距离多种场景下对人体呼吸率，呼吸幅度的长时间实时监控和记录。
附图说明
图1是单目标短距离非接触式人体呼吸波检测系统的结构框图；
图2是数字信号处理模块复原呼吸波波形的处理过程框图。
具体实施方式
1短距离非接触式单目标呼吸波检测方法
1.1系统框图和原理
电磁波照射人体组织的吸收和发射特性取决于组织的电介质特性。我们采用中心频率从4G到10.5G左右的电磁波直射到人体的上部躯干时，人体的皮肤，体内骨骼和内脏的脂肪，会对电磁波进行一定程度的反射。通过无线接收机在短距离内收到的反射电磁波，我们称为回波。当我们发射一个很窄的短时脉冲时，发射波和回波都是一个带宽很宽的频域信号，具有良好的时间分辨率。
系统框图如图1。假定发射天线到人体某个反射点的距离为Dt,而接收天线到这个反射点的距离为Dr,而接收到发射的固定参考时延为τoffset，那么从发射窄脉冲开始，到收到这个人体反射点发射的回波的时延为
其中c为光速。
那么不同接收时延的回波信号就对应不同的人体发射位置的回波。
当电磁波直射到静止人体的胸部时，人体的不同位置点的皮肤、内部骨骼、内部组织对电磁波的反射，会影响到回波在不同时延上的幅度变化。一个静止人体，胸部运动主要由呼吸周期性运动、轻微体动和心脏周期性运动这些机械性运动引起。随着时间变化，这些机械性运动会带来不同时延上回波幅度的变化。
当我们在某个时刻，采用高速多阶延时器实现的快时间延时器，见图1，把接收端数据采样的时延τ分成多个时间间隔τ1、τ2、τ3、…τN，那么N个采样值就对应于N个距离点对应的回波。每个时刻，我们得到N个采样值，作为一帧数据。这里N个采样时延叫做快时间。这个时间间隔为20ps-30ps可调。
而系统框图中的慢时间采样时钟，是产生每个采样帧的间隔时钟。每个时间间隔为25ms-10ms，对应的采样率为40hz-100hz。
随着时间的变化，我们可以采样到一个回波幅度时间序列X(τ，t)。τ为快时间，实际上对应于不同的反射距离，t为慢时间，对应于采样时刻。
X(τ，t)作为数字信号处理模块的输入，用来复原呼吸信号。
系统框图中的窄脉冲发射器，利用阶跃恢复二极管和滤波器来产生二阶高斯脉冲，脉冲宽度1.2ns-4ns。
系统中的接收天线采用专用宽带高增益维瓦尔第天线。接收天线和发送天线平行放置。天线的方向角为60度。
系统可检测距离0.5m-3.5m，发射功率很小，避免对人体有害。
脉冲功率额定值为8mw-10mw。平均发射功率0.05mw-0.2mw。
扫描采样器，模数转换器等用高速FPGA，高速比较器和高速多通路数模转换芯片实现。
1.2用数字信号处理复原呼吸波信号
从采集器采样到的含有快时间和慢时间的二维数字序列X(τ，t),随着时间的变化，系统就可以采集到回波的幅度序列X(N,t1)、X(N,t2)、X(N,t3)、…X(N,tM),…其中N为256，t1、t2、t3、…tM、…为采集慢时间。
数字信号处理模块复原呼吸波波形的处理过程如图2所示。
回波信号在无线传播过程中会受到其他射频信号和射频噪声的干扰，本系统采用在慢时间和快时间平均滤波的方法去除这些噪声的干扰。公式为
N和M分别为在快时间和慢时间的平滑时间窗长度。
因为呼吸引起的皮肤和上肢器官的周期性起伏，会引起回波信号在快时间上所对应的发射距离区域内，有明显的周期性变化。另外我们发射脉冲信号为二阶高斯脉冲，有较强的相关性，我们采用短时相关的方法来增强呼吸波搏动的回波信号，处理公式为
回波信号中，除了周期性的呼吸波信号，还有呼吸波信号的多次谐波，还有心脏搏动的信号。另外随着快时间和慢时间的变化，呼吸波信号的幅度和频率有一定的变化，所以我们采用小波分解和滤波的方法，来复原出呼吸波信号，小波变化的公式为
T为观测时间窗。Z(t)为Z(N,t)在以回波幅度最大的快时间中心点上下M个点的多个值的平均值。ω为小波基函数。
用小波变换方法，可以得到时空域的多分辨率时空分量。从这些分量中，我们滤除不属于呼吸波分量的信号，就可以复原出呼吸波信号。
呼吸波信号有如下几个特点，一是呼吸波信号的频率范围在一定范围之内，如正常成年人呼吸率在0.1hz-1hz，正常静息或运动中为0.2hz-0.66hz。二是在人体静止情况下，同心跳或其他微体动信号相比，呼吸波信号是回波最强的信号。三是呼吸波信号正常情况下，在以30秒为单位相邻检测时间窗之间，变化起伏不会特别大，或者很难发生突变。根据以上特点，我们采用一种小波滤波和自反馈机制相结合的方法来提取呼吸分量的方法，具体策略是，首先把明显处于呼吸率范围之外的分量滤除，公式为
fh为处理频域的上限。
第一次运算把最强的分量作为呼吸波分量，后续的计算中，在剩余的提取出最强的两个分量，假定这两个分量出现的概率为P(A)和P(B),那么我们计算出后验概率P(A|B)＝P(B|A)*P(A)/P(B)，当后验概率大于一定的统计门限α时，把A作为下一个小波分量选取的反馈依据。这种反馈机制大大提高了小波分量重呼吸分量的准确率。
在选取出合适的小波分量后，采用小波逆变换的方法，就可以复原出呼吸波的时域波形以及相应的幅度和频率。
1.3呼吸波的计算和显示
对从小波逆变换得到的呼吸波波形，可以进行短时FFT来提取和计算出呼吸率，以次数/每分钟表示，对呼吸波时域波形的幅度进行归一化，可以输出呼吸幅度的变化规律。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (1)
1.一种短距离非接触式单目标呼吸率和呼吸幅度检测方法，其特征在于包括如下内容：使用超宽带脉冲无线电波直射人体胸部，由于人体不同组织的介电常数不同，无线电波会在不同组织交界处发生反射和折射，随着人体的呼吸运动，反射面到检测仪器之间的距离也会发生规律性变动，因而反射的回波携带有呼吸运动的信息，通过无线接收机在短距离内接收反射电磁波，应用时频降噪、自反馈和多分辨率分解相结合的数字信号处理方法处理采集到的含有快时间和慢时间的二维数字序列，来复原呼吸波信号，从而得到目标人的呼吸率和呼吸幅度；
其中，所述数字信号处理方法具体为：首先利用慢时间和快时间平均滤波的方法去除在无线传播过程中受到的其他射频信号和射频噪声的干扰；其次，针对呼吸引起的器官周期性起伏变化，采用短时相关分析方法来增强呼吸波搏动的回波信号；为了去除回波中心脏搏动信号的干扰，将增强后的呼吸波搏动的回波信号采用小波分解和滤波的方法滤除不属于呼吸波分量的信号，并采用小波滤波和自反馈机制相结合的方法来提取呼吸分量，具体是将明显处于呼吸率范围之外的分量滤除，并在首次运算中把最强的分量作为呼吸波分量，后续计算中，在剩余的分量中再提取最强的两个分量，并设这两个分量出现的概率P(A)和P(B)，计算后验概率P(A|B)＝P(B|A)*P(A)/P(B)，当后验概率大于统计门限α时，把A作为下一个小波分量选取的反馈依据以提高小波分量中呼吸分量的准确率，在选取合适的小波分量后，采用小波逆变换的方法复原出呼吸波的时域波形以得到相应的幅度和频率，并对小波逆变换得到的呼吸波波形进行短时FFT以提取和计算呼吸率，对呼吸波时域波形的幅度进行归一化，输出呼吸幅度的变化规律。
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