本發(fā)明涉及一種檢測(cè)裝置，尤其涉及一種連續(xù)波生物雷達(dá)體征檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

作為一種新興的生理信號(hào)檢測(cè)方式，微波生物雷達(dá)可以檢測(cè)人體心肺活動(dòng)等生命體征信號(hào)。與傳統(tǒng)的心電、脈搏等相比，它不僅是非接觸式的，而且具有良好的穿透性，能夠穿透衣服和被褥等障礙物進(jìn)行檢測(cè)，這些優(yōu)勢(shì)使得微波生物雷達(dá)技術(shù)在醫(yī)療診斷、健康監(jiān)護(hù)、災(zāi)難救援等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

目前，應(yīng)用微波生物雷達(dá)技術(shù)的非接觸式生命體征檢測(cè)已有相關(guān)理論研究；生物雷達(dá)收發(fā)機(jī)電路已有集成化設(shè)計(jì)的報(bào)道；更多的研究正投入到雷達(dá)回波信號(hào)處理、人體運(yùn)動(dòng)或生理信息提取，以及如何使生物雷達(dá)系統(tǒng)小型化等方面。面向醫(yī)療診斷、家庭健康監(jiān)護(hù)等應(yīng)用場(chǎng)合，微波生物雷達(dá)需要具有實(shí)用性強(qiáng)、便攜性好、成本低等特點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了開(kāi)發(fā)實(shí)用性好、便攜性好、成本低的非接觸體征檢測(cè)裝置，設(shè)計(jì)了一種連續(xù)波生物雷達(dá)體征檢測(cè)裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：連續(xù)波生物雷達(dá)體征檢測(cè)裝置由雷達(dá)前端、ASP、ADC、信號(hào)處理單元、外圍設(shè)備等部分構(gòu)成。連續(xù)波生物雷達(dá)在硬件上設(shè)計(jì)為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，體積大小為（12×6×17)cm³，用戶(hù)交互界面為觸摸顯示屏，下端非金屬窗口用于天線(xiàn)收發(fā)，系統(tǒng)使用鋰電池供電，一次充電續(xù)航時(shí)間可達(dá)12h。連續(xù)波生物雷達(dá)向人體目標(biāo)發(fā)射連續(xù)電磁波，同時(shí)接收人體體表反射的回波，通過(guò)回波信號(hào)的頻率或相位的變化，提取和計(jì)算得到體表的微動(dòng)信息。由于電磁波頻率越高，在人體皮膚與空氣界面上的反射越強(qiáng)，但同時(shí)在衣服被褥等障礙物上的反射也會(huì)增加，為了得到較高的檢測(cè)精度，并減小雜波的功率，通常生物雷達(dá)選用(2.4～60) GHz的載頻。在生理學(xué)方面，人體體表微動(dòng)信息可反映人體的某些生理活動(dòng)，如檢測(cè)胸壁的振動(dòng)可得到呼吸、心跳等心肺活動(dòng)相關(guān)信息。正常人體的心搏運(yùn)動(dòng)能夠引起的體表機(jī)械振動(dòng)幅度為0.6mm左右；由呼吸作用產(chǎn)生的幅度在(4~12) mm左右。如果使用10GHz頻段的生物雷達(dá)來(lái)檢測(cè)胸壁運(yùn)動(dòng)，每1 mm的胸壁位移將會(huì)引起最大25.2°的相位偏移，因而理論上，雖然胸壁振動(dòng)幅度很小，反映在雷達(dá)基帶的相位偏移量在載頻足夠高時(shí)仍然能夠被分辨出來(lái)。

所述的雷達(dá)前端使用等幅正弦波發(fā)射，零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)，雷達(dá)載波工作頻段為10GHz。

所述的收發(fā)所用天線(xiàn)為微帶天線(xiàn)，以節(jié)省體積。

所述的模擬信號(hào)處理電路(ASP)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大濾波和電平搬移，模擬濾波器使用0.1Hz的下限截止頻率以抑制直流偏移和低頻噪聲，使用100Hz的上限截止頻率防止信號(hào)發(fā)生采樣混疊。

所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換使用16bit高精度ADC。

所述的信號(hào)處理單元為嵌入式平臺(tái)，用于數(shù)字信號(hào)處理和調(diào)控各級(jí)聯(lián)單元的工作；同時(shí)信號(hào)處理單元與多種外圍設(shè)備相連，一方面實(shí)現(xiàn)生命體征結(jié)果的輸出，包括顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、與計(jì)算機(jī)通信等；另一方面實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的控制信號(hào)輸入，包括控制系統(tǒng)的運(yùn)行，設(shè)置系統(tǒng)各種參數(shù)等功能。

本發(fā)明的有益效果是：本文提出一種使用連續(xù)波生物雷達(dá)技術(shù)的生命體征檢測(cè)方法，所設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置集成了微波雷達(dá)電路，模擬信號(hào)處理電路，ADC，嵌入式信號(hào)處理電路及外圍設(shè)備，并對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，使之成為電池供電的手持式設(shè)備。檢測(cè)裝置能夠?qū)?0 cm范圍內(nèi)的目標(biāo)微弱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行非接觸式的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。使用單個(gè)靜止人體目標(biāo)實(shí)驗(yàn)時(shí)，在30 cm的距離上與脈搏傳感器相比，識(shí)別正確率為96.1%。另外，該系統(tǒng)提高了生物雷達(dá)的便攜性和使用便利性，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，以及面向呼吸障礙疾病診斷、睡眠監(jiān)測(cè)、嬰兒檢測(cè)等應(yīng)用的研究打下基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是連續(xù)波生物雷達(dá)前端電路原理圖。

圖2是系統(tǒng)原理框圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示， 微波生物雷達(dá)提供了一種非接觸式的，具有一定穿透能力的檢測(cè)生物體運(yùn)動(dòng)信息的手段。其中，連續(xù)波雷達(dá)利用電磁波的多普勒效應(yīng)檢測(cè)目標(biāo)的位移、速度等運(yùn)動(dòng)信息，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接收信號(hào)易處理。連續(xù)波生物雷達(dá)向人體目標(biāo)發(fā)射連續(xù)電磁波，同時(shí)接收人體體表反射的回波，通過(guò)回波信號(hào)的頻率或相位的變化，提取和計(jì)算得到體表的微動(dòng)信息。由于電磁波頻率越高，在人體皮膚與空氣界面上的反射越強(qiáng)，但同時(shí)在衣服被褥等障礙物上的反射也會(huì)增加，為了得到較高的檢測(cè)精度，并減小雜波的功率，通常生物雷達(dá)選用(2.4～60)GHz的載頻。在生理學(xué)方面，人體體表微動(dòng)信息可反映人體的某些生理活動(dòng)，如檢測(cè)胸壁的振動(dòng)可得到呼吸、心跳等心肺活動(dòng)相關(guān)信息。正常人體的心搏運(yùn)動(dòng)能夠引起的體表機(jī)械振動(dòng)幅度為0.6 mm左右；由呼吸作用產(chǎn)生的幅度在(4~12)mm左右。如果使用10GHz頻段的生物雷達(dá)來(lái)檢測(cè)胸壁運(yùn)動(dòng)，每1 mm的胸壁位移將會(huì)引起最大25.2°的相位偏移，因而理論上，雖然胸壁振動(dòng)幅度很小，反映在雷達(dá)基帶的相位偏移量在載頻足夠高時(shí)仍然能夠被分辨出來(lái)。連續(xù)波生物雷達(dá)的前端射頻電路通常采用直接變頻結(jié)構(gòu)，包括收發(fā)天線(xiàn)、匹配電路、振蕩器、混頻器、射頻和模擬濾波器等。圖1描述了連續(xù)波生物雷達(dá)射頻前端原理圖。假設(shè)人體目標(biāo)在距離收發(fā)天線(xiàn)d0處產(chǎn)生周期運(yùn)動(dòng)x(t)，振蕩器產(chǎn)生的正弦信號(hào)作為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)T(t)，并同時(shí)提供給接收通路作為本振信號(hào)LO(t)，發(fā)射信號(hào)傳播2d(t)的距離后變?yōu)榻邮招盘?hào)R(t)。接收信號(hào)在雷達(dá)接收機(jī)中與LO(t)信號(hào)混頻并經(jīng)過(guò)低通濾波得到基帶信號(hào)輸出B(t)。在單路接收機(jī)結(jié)構(gòu)中，總相位偏移為π/2的整倍數(shù)時(shí)具有最高的相位解調(diào)精度，且當(dāng)x(t)的幅度變化較小時(shí)可利用小角近似條件，B(t)近似的正比于4πx(t)/λ 。本文中生物雷達(dá)生命體征的提取更關(guān)注信號(hào)的周期性信息，對(duì)波形的失真要求較低，因此直接進(jìn)行有用信號(hào)的提取即可滿(mǎn)足算法的需要。

如圖2所示，連續(xù)波生物雷達(dá)體征檢測(cè)裝置由雷達(dá)前端、ASP、ADC、信號(hào)處理單元、外圍設(shè)備等部分構(gòu)成。連續(xù)波生物雷達(dá)在硬件上設(shè)計(jì)為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，體積大小為（12×6×17)cm³，用戶(hù)交互界面為觸摸顯示屏，下端非金屬窗口用于天線(xiàn)收發(fā)，系統(tǒng)使用鋰電池供電，一次充電續(xù)航時(shí)間可達(dá)12h。本文的心率/呼吸頻率檢測(cè)方法流程如下：首先，檢測(cè)算法對(duì)雷達(dá)接收機(jī)得到的預(yù)處理和量化后的原始信號(hào)進(jìn)行帶通濾波和降采樣。帶通濾波的目的是將呼吸與心跳信號(hào)分離，同時(shí)對(duì)于降采樣有抗混疊作用。呼吸和心跳信號(hào)帶通截止頻率分別設(shè)計(jì)為(0.1~0.75) Hz和(0.75~10) Hz。濾波后進(jìn)行降采樣有助于減小算法的計(jì)算量。在此之后是進(jìn)行頻譜變換，考慮到對(duì)心肺活動(dòng)變化規(guī)律檢測(cè)的需求，本文采用時(shí)頻分析的方法從連續(xù)波生物雷達(dá)信號(hào)中提取心肺活動(dòng)信息，通過(guò)短時(shí)傅里葉變換(STFT)得到雷達(dá)基帶信號(hào)的時(shí)頻信息。STFT使用窗函數(shù)來(lái)截取信號(hào)做傅里葉分析，然后沿著信號(hào)時(shí)間方向移動(dòng)窗函數(shù)，得到頻率隨時(shí)間的變化關(guān)系。使用STFT方法進(jìn)行信號(hào)處理的關(guān)鍵問(wèn)題是要選擇長(zhǎng)度合理的窗函數(shù)，折中考慮頻率分辨率與時(shí)間分辨率，以滿(mǎn)足實(shí)際的需要。當(dāng)窗口長(zhǎng)度過(guò)小時(shí)，心率的識(shí)別結(jié)果隨時(shí)間的變化劇烈，存在較大的截?cái)嘣肼?Truncation noise)，此時(shí)頻率分辨率低，影響識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確率；當(dāng)窗口長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)會(huì)造成更長(zhǎng)的算法處理延遲，時(shí)間分辨率低，并增加計(jì)算量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于心跳信號(hào)，窗口長(zhǎng)度在10 s左右較為理想。STFT是基于DFT的譜分析，可利用FFT實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算，因而特別適合于實(shí)時(shí)信號(hào)處理。頻譜變換得到的頻率分辨率只取決于窗函數(shù)內(nèi)信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度，為保證檢測(cè)算法的延時(shí)較小，所取用的信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng)從而限制了頻率分辨率。因此本文使用STFT進(jìn)行頻率估計(jì)實(shí)現(xiàn)頻率的粗測(cè)，在此之后采用插值方法提高估計(jì)精度。文使用1000點(diǎn)的頻譜插值運(yùn)算，在心跳和呼吸頻段分別進(jìn)行尋峰，可得到的心率結(jié)果計(jì)算分辨率為0.005Hz，即0.3bpm（beat pear minute）。最后，尋找頻譜峰值并對(duì)結(jié)果進(jìn)行平滑處理，計(jì)算出心率與呼吸頻率。實(shí)際的信號(hào)中存在情況復(fù)雜的雜波干擾，每次插值后獲得的心率和呼吸頻段的頻譜峰值可能因?yàn)閺?qiáng)的雜波而發(fā)生突變。為避免這類(lèi)強(qiáng)噪聲引起識(shí)別錯(cuò)誤，引入頻譜峰值跟蹤機(jī)制。認(rèn)為人體目標(biāo)的心率和呼吸頻率不會(huì)突變，據(jù)此設(shè)定跟蹤范圍，并實(shí)時(shí)修正；同時(shí)對(duì)于識(shí)別結(jié)果中突發(fā)性的、突變程度超過(guò)設(shè)定的閾值的、突變頻率點(diǎn)超過(guò)所設(shè)定的跟蹤范圍的點(diǎn)可以認(rèn)為是強(qiáng)干擾信號(hào)，對(duì)這種強(qiáng)干擾信號(hào)做剔除處理。