专利名称：用于测量生命体征的装置、系统与方法
技术领域：
本发明涉及用于测量生命体征的装置、系统与方法，其中自动调整灵敏方向。
背景技术：
对于许多家庭应用以及个人医疗保健和患者监测来说，测量个人的生命体征被认为对于可持续的未来医疗保健系统来说是必要的，因为它将有助于充分降低医疗保健的成本。可以想象的情景不仅有对在家的病人的监管，也有对缓慢发展的疾病的探测，即，出于预防为的目的长期监测(相对)健康的人。在此家庭护理或个人健康的领域，生命体征测量的非注目性对于该测量能够被用户接受是极为重要的。当借助于在例如闹钟、唤醒灯或者睡眠及放松产品(睡眠节奏的呼吸)中的传感器解决方案舒适地监测用户的状态时，这对于涉及放松和睡眠的消费者生活方式应用同样成立。例如在节奏的呼吸中，人们由将注意力集中在一种帮助他们缓慢呼吸的执行器上来分散注意力，来得以放松并轻松地入睡。为了使这种练习非常有效，以尽可能小的干扰测量用户实际的呼吸状态是非常有利的。因此，毫无身体接触的解决方案是被高度优选的。已经表明，也可能依靠电磁波或雷达在一定距离上测量生命体征。例如，能够检测呼吸运动和体力活动引起的胸部运动。然而，借助于电磁波在一定距离上来测量一个人的生命体征会需要波是完全指向那个人的并且对于许多应用甚至是指向那个人的某个特别的身体部分的。因此，当依靠电磁辐射来测量一个人的生命体征时，收发装置的位置极端是重要的。当所述的装置被放置在例如床头桌上以测量目标人的呼吸状态时，对于装置对着目标人的感兴趣区域(即此人的胸部区域)的正确定向，会发生多个问题。例如，当目标人在收发装置前双手放在旁边仰卧时，此人的呼吸就不能够被正确测量。此外，在有两个人的双人床上，第二个人或许也被测量了，而导致了无意义的数据。另一困难为收发装置必需一直被保持着指向目标人，尽管此人或许会移动。即使雷达被用来检测一 个人在床上的呼吸，此人仍然可以转身并移动出雷达的有限的灵敏区域。定向雷达收发单元的灵敏区域是由天线设计所确定的，并且通常包括主瓣(即最高灵敏度的方向)以及几个小的旁瓣。因而，虽然用户的位置可能会在床上变动，感兴趣区域(例如，用户的胸部区域)也随他移动，但是收发装置的灵敏区域或方向是有限的。因而在普通的生命体征监测系统中，这需要小心地安放收发装置并且需要用户在灵敏区域内保持静止。US 2010/0152600A1描述了一种基于雷达的生理学运动传感器。从由传感器收到的信号中提取经多普勒频移的信号能够。所述经多普勒频移的信号能够被数字化并被随后处理以提取涉及一个或多个对象的心肺运动的信息。所述信息能够包括由于呼吸和心脏活动、到达方向、异常或反常呼吸等所造成的呼吸率、心率、波形。US 2006/0170584A1描述了一种用于个人、动物、或物体的探测、追踪、及成像的障
碍穿透动态雷达成像系统，该系统包括产生一组来自于个人、动物、或物体的返回雷达信号的大量低功率超宽频带雷达单元，以及用于所述组的返回雷达信号的处理系统，以便对个人、动物、或物体进行探测、追踪以及成像。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种用于测量生命体征的装置、系统与方法，其使得能够进行准确而不引人注目的信号采集，并且可以自动适应感兴趣区域在预定区域之内改变的位置。通过独立权利要求的特征达成该目的。本发明的想法依赖于确定感兴趣区域，即感兴趣区域的方向，以及随后将主灵敏度方向(即最高灵敏度的方向)调整至确定的感兴趣方向，以便在方向上测量生命体征。因此，一种用于测量生命体征的设备包括用于发射和接收电磁信号的收发单元。根据所述装置的实施方式，可以通过发射和接收方向或者仅通过接收方向来确定灵敏方 向。所述设备还包括控制单元，其用于基于所感测的反射信号来确定感兴趣方向，从而可以将所述收发单元的主灵敏方向调整至该感兴趣方向。通过这些方式，尽管所述装置的灵敏区域是有限的，但是灵敏区域能够被自动调整至改变的感兴趣方向。例如，如果所述装置被用于测量一个人在床上的呼吸参数，所述的装置的主灵敏方向能够自动跟随该运动的人。在另一应用中，所述装置可以被附接或整合到驾驶员和/或乘客的座位中或者车辆、火车或船只的转向区域用于疲劳探测、意识监测和/或健康状态监测。同样地，所述装置可以被应用在飞机上，例如被应用在飞行员或者乘客的座位中。优选地，电磁信号的波长在无线电波或者雷达信号范围之内，因为位于这些波长的福射对于健康无害。在优选实施方式中，通过在预定的角度范围上扫描电磁信号的主波束(主瓣)的发射方向来执行定向感测。可替换地或附加地，也可以在预定的角度范围上扫描所述主接收方向。因此，为了以定向灵敏度感测从感兴趣区域反射回至收发单元的电磁信号，所述的收发单元可以有多个可区分的发射方向和/或接收方向以便提供多个灵敏方向。一般地，收发单元可以包括一个或多个收发器、接收器和/或发射器。优选地，收发单元的收发器、发射器和接收器中的至少一个是定向天线。通过将所述装置的发射和/或接收方向定向到所确定的感兴趣方向，并不必要提供重复的传感器以完全覆盖感兴趣区域可能位于的预定区域，例如床或房间的区域。因而，制造成本能够被节省下来。而且，不必指示用户仔细地对准装置或者将他的身体保持在一个限定的区域内，因而提高了用户便利性。在本发明的另一实施方式中，所述收发单元包括多个定向接收器天线和一个能够发射至感兴趣区域可能位于的整个预定区域的发射天线。在这个实施方式中通过不切换收发器天线阵，而是分离发射和接收天线，简化了切换过程。因此只有接收器天线必须被切换。优选地，所述收发器单元包括多个定向天线，例如相控天线阵、八木天线(Yogiantenna)、抛物形天线、对数周期性天线、角反射器天线以及贴片天线中的至少之一。在一种优选的实施方式中，使用圆柱形或者球形布置的天线阵执行波束形成，使得能够在全360°范围下扫描房间。从而，天线元件可以在垂直方向上被分段。如果天线元件还在水平方向上被分段，则可以任意地形成发射的波束的形状以及从而灵敏方向。在另一个实施方式中，收发单元包括至少两个收发器，其中可以选择具有最佳反射信号的收发器或者其中可以组合来自所有收发器的信号以增强接收信号。优选地，收发单元包括至少两个收发器，该收发器由高度上的四分之一波长或者相位上的180°偏移。由于雷达路径由向着和来自目标的轨迹所构成，该位移也导致了相位上的180°偏移。这促进了实时生命体征的提取与小信号幅度(即当人体的移动很小时)的探测。有可能的话，具有不同波长的天线也包括在收发单元中。优选地，将所述的装置配置成其能够被放置得接近人体。为此，所述装置可以被设计得尤其扁平或者小，从而它能够轻易地被摆放在床垫或椅子下面，被集成床垫或椅子中或者附接到床垫或椅子。由于感测装置同人体接近，尽管使用了更低能量的电磁辐射，却能够实现更佳的信噪比。而且，来自于感兴趣的人的信号是明确和可靠的，并且不会与来自与感兴趣的人靠近的人的信号相混淆。此外，可以不引入注意地安装该装置，使得它对于用户不可见或者不显眼。优选地，基于所接收的反射信号的信噪比来确定感兴趣方向。可替换地，可以使用用于估计信号质量的任何其他方式。一般地，感兴趣方向可能涉及最大信号幅度的方向。例如，当测量用户的呼吸状态时，感兴趣方向涉及用户的胸部方向，可以预期来自用户胸部的具有最大幅度的反射信号。在优选的实施方式中，以周期性间隔、在预定时间点(例如每分钟)和/或每当满足预定条件时，确定所述感兴趣方向。例如，当开启该装置时、当接收到输`入信号时、当探测到人的存在时、当反射信号显著变化时、当不能够从感测的反射信号提取生命体征时、和/或当确定反射信号已经丢失时，感兴趣方向可以被更新。优选地，所述装置首先在先前的感兴趣方向周围轮询并且扫描小的角度，以便找到具有最强信号的新的最佳方向。这尤其适合于新的感兴趣方向从先前感兴趣方向的小改变，即人的小或者慢的移动，因为所述装置不必须扫描可能的灵敏区域的整个范围。因此，感兴趣方向的修正得以加速并简化。优选地，在已经确定感兴趣方向之后，所述的装置能够通过在一段预定的时间内在主灵敏方向上感测反射电磁信号来测量生命体征。在又一个实施方式中，所述的装置能够以待机模式操作，其中以预定时间间隔激活所述装置，以便确定是否有人存在。如果有人存在，所述装置被完全激活以便测量生命体征。为此，当由所述装置探测到一般运动或者生命体征时，可以确定有人存在。如果无人存在，所述装置会返回到待机模式的静止状态并且在该预定时间间隔后重复存在探测。通过这些方式，所述的装置能够被自动开启和关闭，从而降低能量消耗。所述装置还可以包括用于例如通过频率调制、幅度调制、脉冲调制等来调制信号的调制单元。如果有多于一个装置在被使用时极度靠近彼此，那么这可以是有用的。此外，所述装置可以包括用于接收由用户进行的例如设置、参数、时间间隔、处理参数、开启/关闭信号等输入的输入单元。输入单元可以与所述装置一起提供，或者与所述装置进行有线和/或无线通信，即将其作为远程控制。可能的话，所述的装置进一步包括用于视觉地和/或听觉地提供反馈、信息和/或指令的输出单元。如果所述装置是用于节奏呼吸、瑜伽或者呼吸训练的，则这是尤其需要的。除此之外，还可以包括与例如计算机、个人数字助理(PDA)、移动终端等外部装置进行数据传输的通信单元。为了评估随时间的变化，也可以提供存储设备，以便于存储被记录的生命体征、接收到的反射信号、设置和/或参数等。
在本发明的又一方面，提供了一种用于测量生命体征的系统。该系统提供能够发射电磁信号至预定区域的收发单元，感兴趣区域被期望定位于该预定区域中。收发单元还能够以定向灵敏度接收反射的电磁信号，例如反射单元能够区分反射电磁信号从其被接收的方向。除此以外，该系统还包括用于基于所感测的反射信号来确定感兴趣方向的控制单元。例如，当监测一个人的呼吸状态时，感兴趣方向对应于该人胸部相对于收发单元的方向。该方向可以通过考虑预定的信号特征(例如信号幅度、信噪比等)来确定。控制单元进一步能够将接收单元的主灵敏方向调整至感兴趣方向。通过这些方式，大的预定区域能够被覆盖，感兴趣区域可以位于在该预定区域中，而不用提供大量的收发单元或者限制该人停留在特定区域中。由于收发单元和控制单元可能被互相分开提供，它们被适配为相互连接以进行有线和/或无线通信。因此，收发单元和控制单元能够在一个方向或两个方向上交换数据。这种实施方式具有的优势在于，当控制单元被分开提供时，收发单元能够被配置得尤其扁平和小巧。而且，当使用计算机等作为控制单元时，该控制单元已经包括了储存和输入设备。因此，该系统需要的硬件数量能够被进一步减少。在本发明的又一方面，提供了一种用于测量生命体征的方法。在此方法中，首先，借助收发单元向预定区域发射电磁信号。优选地，这在收发单元被开启时执行。预定区域可能涉及这样的区域，要被测量的区域可以被期望在该区域内。在下个步骤中，定向灵敏的收发单元接收反射的电磁信号。基于这些反射的信号，确定感兴趣方向并且将收发单元的主灵敏方向调整至感兴趣方向。优选地，在已经调整了收发单元的主灵敏方向之后，反射的电磁信号会被测量持续一段预定时间并且从这些探测到的信号中导出生命特征。所述方法可以进一步 包括检测有人存在的步骤，例如通过运动探测或者生命体征探测。如果确定有人存在，则开始用于测量生命体征的上述方法。如果无人存在，激活待机模式，在此模式中，以预定的时间间隔重复存在探测。因此，通过近当有人存在时激活用于测量生命体征的方法，可以通过自动开启和关闭相应的装置来节省能量。优选地，在用于测量生命体征的方法中，基于反射信号的形状来确定周期性的生命体征的不同阶段。例如，可以基于特有的信号形状来确定呼气和吸气。
图1示出根据本发明的装置的可能的应用。图2示出根据本发明的装置的另一布置，其具有两个收发器。图3示出了用于雷达子系统的实施方式。图4显示当监测一个人的呼吸状态时接收信号的示例。图5示意性示出生命体征探测的角关系。图6A-图6B示出根据本发明的雷达子系统的其他实施方式，该实施方式各自具有多个收发器天线和多个接收器天线以及一个固定的发射器天线。图7A示出四元相控贴片天线阵的模拟辐射图的方向特性并且图7B示意性示出相控天线阵中波束形成。图8示出用于波束形成的收发器的一种示例性布置。图9A示出根据本发明的方法的流程图。图9B示出根据本发明的实施方式的用于测量生命体征的方法。
图10示出根据本发明的信号记录和处理。图1lA-图1lB示出信号处理的两种供替换的选择。图12示出当装置被切换至另一方向时的信号处理。
具体实施例方式在图1中，显示了根据本发明的装置100的示例性实施方式。用于测量比如心率、呼吸率或脉冲形式的生命体征的装置100，至少包括用于发射和接收电磁波的收发单元110和用于控制收发单元110的控制单元120。控制单元120能够处理所接收的信号，以便确定从其接收最强或最佳的信号的目标方向。然后，可以将在其上执行生命体征测量的测量方向或灵敏方向300调整至该目标方向上。如下所述，取决于装置100的实施方式，可以通过当该装置包括多个各自有固定灵敏方向300的天线111时将测量方向切换到特定天线，或者通过在可能的范围之内摇动相控天线阵的灵敏方向300，来执行测量方向的调整。当监测睡眠中的人的呼吸状态时，装置100可以被安置在用户正睡在上面的床200旁边的床头桌221上。为了确定生命体征，由装置100向用户身体上的感兴趣区域210发射电磁波波束。取决于应用和要被监测的生命体征的种类，发射的波束朝着其定向的目标区域或感兴趣区域210可以改变。在检测睡眠中呼吸状态的例子中，感兴趣区域210对应于用户的胸部区域。因此，装置100的收发单元110朝着用户的胸部对准由发射的波束所限定的它的灵敏方向300。发射辐射由胸壁反射并且由装置100的收发单元110接收。由于呼吸运动，反射信号包括关于用户呼吸状态(例如呼吸率)、瞬间的呼吸阶段(呼气/吸气/屏气)、呼吸的强度、胸部的运动等信息。该信息然后便可以由装置使用以便帮助放松或睡眠，例如闹钟、唤醒灯、睡眠节奏呼吸产品等。在另一个用于汽车行业的应用当中，装置100可以被集成在司机的座椅或者在车辆的驾驶区域中以监测对象的呼吸活动、呼吸状况和心率，例如用于意识监测或者探测关键的健康状态。为此，收发单元110包括具有多个天线的天线阵，每个天线特定的灵敏方向。当装置100确定在感兴趣区域210的位置处有司机存在，选择在感兴趣区域210的方向上发射的天线。然后，在该方向上记录信号以便检测生命体征。优选地，通过停用不正被需要的天线最小化了能量消耗和传输功率。可能地，关于心脏功能和呼吸，监测司机的健康状态。如果得到了异常的生命体征，警报可以被触发，能够告知旁观者或者自动呼叫应急单位求救。可替换地或附加地，乘客座椅与所述装置一起提供以便监测乘客。在下面描述当中，描述了用于监测用户睡眠中呼吸状态的本发明的示例性实施方式，但是，本发明不限于此类生命体征。同样地，在下面描述了使用雷达的装置。然而，本发明不限于其，但装置100可以包括用于发射和接收任何种类的电测辐射的收发单元110。
装置100关于用户的位置对于测量正确的呼吸状态是至关重要的。实际上，每个足够接近100装置并在它的测量区域之内且因而在它的灵敏方向300上的物体将会被测量。例如，如果装置100被安置在床头桌上，则当目标人在收发装置100前双手放在旁边仰卧时，目标人的呼吸状态就不能被正确测量。此外，假设有两人睡在上面的双人床200，除目标人外的第二个人也可能被无意地测量。由于这些原因，优选地，将用于在睡眠中监测生命体征的装置100安置在在床垫222下面后者在床架下面。不过最优选的位置是在床垫222下面，如图2所示，由于在那里，装置100对于用户不那么显眼和引人注意。此外，信号不会被床架本身分散或影响。对其他应用来说，例如对在车辆、火车、船只或者飞机当中通过监测呼吸状态或心率的意识监测，装置100可以被类似地集成到座椅或椅子中。优选地，根据相对应应用的优选安置，用于测量生命体征的装置100被设计得小巧、扁平或紧凑，从而能够被容易地安装而不引入注意。通常，优选地，尽可能靠近感兴趣区域210或者用户定位用于测量生命体征的装置100，使得朝着它定位感兴趣区域210和对齐灵敏方向300得以简化，并且接收的信号的信噪比是有利的。为了提供不同的灵敏方向300，装置100的收发单元110可以包括多个可切换的定向天线111。此类定向天线的例子有八木天线(Yagi antennas)、抛物形天线、角反射器天线、对数周期性天线或者贴片天线(patch antennas)。然而最简单的形式,仍然有实质上定向波束的是贴片天线。贴片天线的阵列是以普通的印刷电路板技术所轻易而便宜地制造的。可以通过使用金属锥结构来增强定向性质。 因此，根据一个图2所示的实施方式中，具有两个天线111的装置100被安置在双人床200的其中一个床垫222的下面，两个人正分别在该床上以侧卧和仰卧的姿势睡觉。图示箭头指出了呼吸时的胸部运动的方向。在该实施方式中，每个天线111有各自的灵敏方向300，因此能够实现装置100的更明确且更大的测量区域。因此，所述目标人将变得不太可能移动出所述测量区域。明显地，由于上述测量方向的选择性对齐(selectivealignment)，所述收发单元110很不可能收到来自于第二个人的任何信号。如上所述，仅朝向感兴趣区域210发射的天线是可以被操作，为了节省能量并且减少用户的辐射暴露。所以，当提供多于一个天线111 (或收发单元110)时，所述天线111 (或收发单元110)优选地是可切换的并且选择接收最佳信号的天线111 (或收发单元110)。在该实施方式中，装置可以被配置成通过在所对应的灵敏方向300之间切换来监测多于一个人。为此，每个人都必须留在在一个不同的预定区域里，此区域然后会被扫描，以便定位各个人的感兴趣区域210。可替换地，由全部天线111 (或收发单元110)所接收的信号能够被组合以增强接收的信号。在另一实施方式中，可以使用多个天线111 (或收发单元110)，其会被布置在床200的横向或者在长边方向。而且，天线111 (或收发单元110)可以被布置在不同的高度，在相位上偏移或者在不同的波长上发射。例如，当使用两个收发单元110时，收发单元110彼此之间可以在高度上以发射辐射的四分之一波长偏移。由于全部轨道是由去往和来自反射表面的路径所组成，这将导致一个180°的相移，使提取实时呼吸信号变得更容易。这在当人体的呼吸全过程很小时是尤其有益。显然地，所述两个收发单元110也可以直接互相被相移 180° 。在图3中，显示了收发器单元110用于发射和接收雷达辐射的示例性雷达子系统。子系统包括皆经由双工器连接至天线111的接收器和发射器。该雷达子系统可以是相干脉冲的、连续波或者频率调制的。可能地，多普勒雷达的子系统会被采用于本发明的任何实施方式当中，来利用多普勒效应以获得关于远处的移动物体的速度信息。为此，在向着期望目标以波束发送微波或雷达信号并且接收反射之后，分析反射信号的频率如何由物体的运动改变。在图4中，显示了当装置100被放置在床垫222下面以便监测睡眠中呼吸状态时接收的信号的示例。由于呼吸的胸壁运动，接收到振荡信号。在图表中，四种阶段能够被识别主来，分别是当人侧卧(1)、仰卧(2)、另一边侧卧(3)以及俯卧(4)时。在这些阶段之间的大信号峰值会在人从一个位置移动到另一位置的时候发生。清楚地，对于被放置在床垫222下面的装置100，足够的信号幅度能被获得以用于检测信号中的呼吸状态。此外，对于一些应用，可能期望辨别不同的呼吸阶段，例如吸气、呼气或者屏气。由于用户身体、床200、床垫222等的干扰因素，从收发单元移开是与吸气有关并且向着它移动是与呼气有关的假设对于大部分测量情况并不成立。所以，根据本发明，可以使用信号自己的形状以便分析呼吸状态。例如，一个呼吸图样在呼气后短暂变平。这个“平”时段可以被用作区分吸气和呼气的特征。附加地或者可替换的，可以将时间比用作准则，即涉及肌肉收缩的吸气相比涉及肌肉舒张的呼气，费时更短，例如时间比为1: 2。这些或者相似的准则可以被用来确定不同的呼吸阶段。当使用装置100监测用户的生命体征时，装置100需要朝着用户身体的与要被监测的生命体征的种类相对应的感兴趣区210调整它的灵敏方向300。在监测呼吸状态的示例中，感兴趣区域210对应着胸腔地区以及周围的一些区域，通常为一个25 X 25厘米(cm)的区域。图5示出了监测睡眠中的生命体征的情况。当收发单元110距人有一个合理的距离，如果装置100的灵敏方向300能够在a =-45°至a =+45°之内摇动，那么感兴趣区域210就能够被覆盖。如图5中右图所指出的，反射信号的幅度随着探测的角度(灵敏角度
a)而强烈变化。在所给的示例中，最强的接收信号来自中央胸腔区域(例如a =0° )。因此，通过仔细地朝着各自的感兴趣区域210调整用于检测生命体征的装置100的角度，信号质量能够被增强甚至小信号能够被探测。然而，由于用户的位置可以在床200上改变，因此感兴趣区域210的位置一般不是恒定的。因此，当所述人在睡眠中移动时，该人的胸部可能会离开装置100的由它的灵敏方向300(发射、接收方向)所确定的有限的灵敏区域。为了克服这个问题，根据本发明实施方式的装置100能够在可能灵敏方向的预定范围内(例如从a = -45°至a = +45° )改变它的灵敏方向300，以便能够将灵敏方向300调整到感兴趣区域210所在的方向，而不需要重新布置装置100。因此，灵敏方向能够在可能的灵敏方向的预定范围内被调整，由于装置100的硬件设置，该范围被限制了。因此，首先，通过将所述的装置100的收发或接收方向改变至在可能的灵敏方向的预定范围内的若干或全部可能的方向，来摇动所述灵敏方向300用以扫描房间来得到信号。例如，当装置100包括若干天线111或收发单元110时，如上所述，能够成功地选择天线111 (或收发单元110)以便摇动装置100的灵敏方向300。可替换地，收发单元110可以包括相控阵，使得能够通过波束形成(将在下面描述)来改变灵敏方向300。在下一步当中，当已经确定最佳或最强的信号的方向并因此确定了感兴趣区域210的方向时，装置100调整对应于该方向的灵敏方向300并且收集期望的信号。当人移动时，信号会恶化或丢失。如果确定了如此，则装置100重新开始扫描房间以便重新定位感兴趣区域。在优选的实施方式中，装置100不会扫描全范围，而对在感兴趣区域210的最后观察到的位置的附近方向进行渐进扫描，以便高效并快速地重新找到信号。结果，根据本发明的一个实施方式的装置100的灵敏方向300能够被控制使得它自动跟随移动中的人。图6A显示用于具有多个收发天 线111的雷达子系统的实施方式。发射器和接收器连接至双工器，双工器连接至切换器切换器。切换器连接至多个收发机天线111，使得在预定方向上发射雷达波束。雷达子系统的切换以例如对于显示器公知的方式最容易被复用到天线111的阵列。对于想要的紧凑尺寸，雷达发射装置100能够以高的GHz域操作，至少K频段或者更高。根据雷达子系统的另一个实施方式，通过将天线分离成发射器天线和接收器天线，能够更容易地实现切换过程。例如，如图6B所示，能够使用大波束角度发射的一个固定发射器天线113。因此，发射器天线113能够覆盖感兴趣区域210可能位于其中的预定区域。此外，多个定向灵敏接收天线112连接至切换器。所以，在该实施方式中，装置100的灵敏方向300能够通过将接收方向切换至所对应的接收天线112的方式来被调整。为了使天线111切换至接收器的切换变得可能并且实用，并不必需雷达给出绝对距离的读数。探测关于信号的相对改变已经足够。在本发明的进一步的实施方式中，装置100的收发单元110包括能过对定向信号传输和/或接收进行波束形成(类似于对于多元件超声波换能器公知的波束形成)的相控天线阵。相控天线阵的空间选择性通过利用在波前的相长和相消干涉实现。因此，对每个天线111的信号的相位和相对幅度进行控制，以便改变阵的灵敏方向300。通常，天线设计确定灵敏方向300。发射剖面通常包括在高灵敏方向上的主瓣和几个小的旁瓣。在图7A中，显示包括四个贴片天线元件111的阵列的辐射特征。数个更小的旁瓣存在在主瓣旁边存在若干小的旁瓣，但大部分能量集中在主瓣中。所以，在阵列配置中，有可能具有相当聚焦的主瓣。此外，利用贴片天线111的相控阵，有可能通过在贴片天线111的馈线中引入可调整的相位延迟来在不同方向上摇动主瓣。在图7B中，显示了具有六个贴片天线元件111的相控天线阵。向电子移相器供应 激励信号，该电子移相器根据期望的发射波束的方向对激励信号的相位进行偏移。这导致以预定角度a (见图7中的箭头)发射的波前。因此，通过在对天线111进行馈入的线上引入不同相移，能够改变主瓣的方向。在使用这样的天线阵接收信号的同时使用不同的相移，导致天线阵在特定的方向上是灵敏的，同时抑制来自其他方向的入射信号。所以，如果使用可电子调整的移相器，有可能对于入射信号扫描给定区域并且朝着感兴趣区域210实际调整装置100的灵敏方向300，而不用必须机械移动天线阵并且不用必须对于每个方向提供定向天线111。代替以平面来布置相控天线阵的天线元件111，还可以以其他集合形状来布置天线元件111。例如，当相控阵的天线元件111被布置在如图所示的圆柱形表面上时，通过激活或组合适当的天线元件111并且引入可变的延迟或者使用用于对天线元件111进行馈入的自适应滤波器，灵敏方向300能够被像灯塔的光锥一样旋转。当天线元件111不仅被垂直地而且水平地分段(在图8右图上)，发射波束也能够水平地捆绑。类似地，天线元件111可以被布置在球形表面上。通过这些方式，对于信号可以扫描整个房间。一般地，根据所描述的其中一个实施方式的用于监测生命体征的装置100可以包括用于向用户或医务人员提供信息、数据或指令的输出单元。同样地，可能提供输入装置，例如用于调整用于确定感兴趣区域210的方向、时间间隔角度等的处理参数。优选地，还提供存储器以便存储参数、设置和数据中的至少一个。此外，在相同信号上应用波形可以使将主信号与次反射或其他源或者辐射中进行区分变得更容易。在该情况下，装置100可以包括用于频率和/或幅度调制的调制单元。装置100并不必需包括所有这些组件。在另一方面，本发明还可以被配置为一个系统。因此，如果装置100包括用于同其它外部装置进行无线或有线数据传送的通信单元，这些组件中的一些可以被分开提供。最理想地，装置100包括收发单元110、控制单元120和通信单元，以便装置100能够被设计得小巧而紧凑。而且，装置100或根据本发明的系统可以被集成到任何系统上，例如在用于在家或在一般的医院病房的病患监测的系统中，在用于飞机、火车或车辆上的意识监测的安全系统中或者在用于诸如放松的生活方式系统中
坐寸O在用于控制根据本发明的用于监测生命体征的装置的方法中，操作收发单元110使得灵敏方向300自动跟随移动的人。在第一步骤SlOO中，对装置100的发射波束进行控制，使得灵敏方向300跨在土 A之间的预定范围摇动，其中土 A可以是装置100能够探测的全范围。优选地，调整预定范围使得扫描用于可能位于其中的区域。在第二步骤S200，确定方向a _，在第一步骤(S100)中从该方向上接收最强或最佳信号，并且将灵敏方向300的角度a设定到该方向可以使用信号方差、信号幅度、信噪比等来确定信号质量。参照在图5和图9B中所示的示例，如果装置100在-45°和+45°之间摇动它的灵敏方向300，在a =0处存在最大值。在该方向上的测量将导致更佳的信噪比、提高的测量质量。在可选的另外的步骤(S300)中，可以检查人或感兴趣区域210(胸部)是否移出灵敏方向300。通过在小的范围a 土 5 (S310)内摇动装置100的灵敏角度a，这能够以预定时间间隔执行。可替换地，当不能从从接收信号中提取生命体征时，或当接收的信号已经显著地变化时，可以确定感兴趣区域210不再与灵敏方向300对齐。为了将灵敏方向300修正到感兴趣区域210的新方向，对灵敏角度a进行控制使得摇动并扫描上一个被使用的方向周围的一区域，以便找到具有最强信号的最佳方向。通过这些方式，如果人移动了，灵敏方向300会自动跟随。如图9所示，根据本发明的方法的另一个详细实施方式，首先，当装置100被开启时，在可能的方向的特定的角方位土 △之间摇动灵敏方向300，例如相控天线阵的主瓣，并且记录反射信号(S110)。接着，将用于生命体征提取的算法应用于记录的信号(S130)，并且确定是否能够从记录的信号提取生 命体征(S140)。如果不是这种情况，在土 A之间的全部范围上再次摇动灵敏方向300并且收集数据(SllO)。然后，重复步骤S110、S130和S140。如果生命体征的提取是成功的(S140)，例如基于信号幅度、信号方差、信噪比等来确定用于指示最强信号的方向的角度a_(S210)。然后，在将主灵敏方向300设定到a-的方向之后，记录信号持续预定时间并且从记录的信号提取生命体征(S310)。可能地，由输出单元显示或者输出提取的生命体征。在优选的实施方式中，天线阵可以在a 土 S之间的小的范围里摇动它的灵敏方向300(灵敏角度a)并且以预定的时间间隔连续地或者当满足特定条件时收集数据(S310)。这些条件可能对应于确定了信号丢失或已经显著变化或者不再能够提取生命体征。然后，对于所有的灵敏角度a 土 S，提取生命体征(S320)，并且确定对于所有灵敏角度a 土 8的生命体征的提取是否可能具有特定阈值±x内的近似相同的结果(S330)。如果对于所有灵敏角度a 土 8不能提取生命体征，例程以步骤SllO重新开始以便更新主灵敏方向300。然而，如果对于所有灵敏角度a 土 8能够提取生命体征，那么可选地，可以将对于所有灵敏角度接收的信号的幅度进行平均并且与之前的测量序列平均幅度进行比较(S340)。如果平均幅度显著变化了，则灵敏方向300可能不再很好地与感兴趣方向210对齐，并且例程以步骤SllO重新开始以便于重新定位感兴趣区域210。如果平均幅度近似保持与上一次测量序列相同的数量级上，则例程继续，确定最强信号的方向a_(S220)。这将导致在小的灵敏角度范围a±S内的用于确定最强信号的方向a _的微调。然而，如果没有确定平均幅度的显著变化(S340)，则也可能以步骤S220继续例程，以在灵敏角度a的方向上进行连续测量。在图9B中举例说明了在a 土 S之间摇动灵敏方向300的步骤(S310)。灵敏方向300可以相继地被调整到a-S、a、以及a + S，其中a±S位于由装置100的硬件预先确定的可能的方向(此处为a ±45° )的范围中。在摇动灵敏方向300的同时测量生命体征将导致例如如图10所示的信号，其中灵敏方向300被连续调整到a = -5°、a = -0°和 a = +5。。在如图9A所示的方法的另外变型中，可以省略一个或多个步骤，例如，该方法可以仅包括S320和S330或者包括S340。而且，在a 土 5之间摇动灵敏方向的步骤(S310)可以通过设5 = 0来省略。此外，所述的方法可能包括用于自动将装置100启动或关闭至待机模式的步骤。为此，装置100可以以预定的时间间隔(例如每10秒)被激活。当装置被开启(SlO)时，步骤SllO开始，其中在土 A之间的可能的方向范围上摇动天线阵的灵敏方向300并且收集信号。然后，装置100被用作动作探测器。如果探测到动作(S120)，应用用于生命体征提取的算法(S130)并且根据上述其中一个实施方式的方法继续。如果没有在S120中探测到动作，则装置100被再次关闭(S20)并且装置100保持在待机模式，在该模式下它被不时地开启(SlO)。在图10中，显示了对于不同的灵敏角度a接收到的信号曲线R、G、B，例如R对于a =-5°、G对于a = 0°以及B对于a =+5°。在此例中，当装置100的主灵敏方向300在a =-5°和a =+5°之间连续地摇动时，信号会被记录(S310)。因此，灵敏角度a被设定到第一角度，例如+5°，并进行测量。然后，灵敏角度a被设定在下一个角度，例如0°，并从该下一个角度进行 测量。如此，在已经采用了所有的角度后，测量从第一角度重新启动。结果信号值在图下面第一行中以时间顺序tlR、tlG、tlB、t2R、t2G、t2B、t3R、t3G、t3B指示，。因为利用电子移相器来设置相控天线阵的灵敏角度a已经在特定角度a处的测量相当快，有可能从所有可能的不同方向上得到几乎同时的测量值。即使当扫描灵敏方向300的整个可能的范围土 △时，测量能够非常快速地完成，使得最强信号的方向a.的确定(S210)仅耗时几秒钟。记录的信号可以关于对应的测量角度和时间进行分类，如图10下部所示。接着，可以例如分块式或滑动窗口式的方式来执行信号的处理。两种选项在图11中概述。在图1lA中，示出了分类的信号值的分块式评估。信号窗口的尺寸可以被适当地设置以便每个窗口包括相同数量的值N。对于每个信号窗口，信号值被逐步处理。在图1lB中，示出了以滑动窗口方式的评估。在此，每个窗口也包括预定数量的值N，但后续窗口互相仅移位一个信号值。因此，在滑动窗口式处理中，后续窗口包括相同信号值的子集。使用滑动窗口式处理具有如下优势，即一旦窗口被填充(其能够通过只添加最新的信号值并移除最旧的信号值(例如从第一信号窗口至第二个信号窗口的过渡(见图1lB))而快速更新。比较起来，分块式处理则需要等待整个块被N个采样数据填充。图12示出了一种示例性情况，新的灵敏角度a _被由信号处理确定为下一个最理想的灵敏方向300。可以看出，在之前的方向a =+5°上的数据收集在第五个值t5B之后停止，而会在一个新的方向上继续。由于方向的改变，第4组和第5组信号有可能不可用从而必须被丢弃。也有可能所有被监测的角度都改变了。根据本发明，通过测量从用户身体上的目标区域(感兴趣区域210)反射的电磁信号，可以监测用户的生命体征。通过扫描大的区域、定位目标区域以及调整测量方向(即对应的灵敏方向300)，自动地跟随用户以及从而目标区域的移动。因此，生命体征能够被连续且不引入注目地测量，而不需重新布置装置100，不必提供重复的收发单元110以覆盖目标区域可能位于的全部区域，或者不必指示用户仔细地对准装置100或者保持身体在限定区域内。因此，本发明的装置、系统以及方法十分适用于生活方式应用，例如节奏呼吸产品、助放松或助睡眠装置、唤醒灯或闹钟。此外，如果其被应用于一般的医院病房或家用医疗应用上，当探测到生命体征(例如被监测的呼吸状态、心率、脉冲形式等)中的异常情况时，可以触发警报。另外，可以想象到将本发明应用于用于飞行员和/或乘客观察或者用于车辆、火车、船只及飞机中的意识监测的应用中 ，以确定例如心脏病发作或疲劳并且采取适当的对策。
权利要求
1.一种用于测量生命体征的装置(100)，包括 收发单元(110)，其能够发射电磁信号并且定向感测反射电磁信号；以及 控制单元(120)，其能够基于所感测的反射信号确定感兴趣方向(210)并且能够将所述收发单元(110)的灵敏方向(300)调整至所述感兴趣方向(210)， 其中所述装置(100)能够以待机模式操作，在所述待机模式中所述装置(100)以预定间隔确定是否有人存在，并且其中如果有人存在，则所述装置(100)被激活以测量生命体征。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中所述电磁信号为雷达信号。
3.根据权利要求1或2所述的装置(100)，其中所述装置(100)能够在预定的角度范围上扫描电磁信号的主波束的发射方向和/或通过在预定的角度范围上扫描所述主接收方向。
4.根据前述权利要求任一项所述的装置(100)，其中所述收发单元(110)包括至少一个发射天线(113)以及多个定向灵敏接收器天线(1112)，所述发射天线能够发射覆盖预定区域的电磁波。
5.根据前述权利要求任一项所述的装置(100)，其中所述收发单元(110)包括相控天线阵、八木天线、抛物形天线、对数周期性天线、角反射器天线以及贴片天线中的至少一个。
6.根据前述权利要求任一项所述的装置(100)，其中所述收发单元(110)包括至少两个收发器(111)，其中用于接收最强的反射信号的所述收发器(111)是可选的。
7.根据前述权利要求任一项所述的装置(100)，其中所述收发单元(110)包括至少两个在高度上和/或在相位上移位和/或具有不同波长的天线(Iio)。
8.根据前述权利要求任一项所述的装置(100)，其中所述控制单元(120)能够基于所感测的反射信号的信噪比、信号幅度和/或信号方差来确定所述感兴趣方向(210)。
9.根据前述权利要求任一项所述的装置(100)，其中所述装置(100)能够以周期性间隔、在预定时间点和/或当满足预定条件时确定所述感兴趣方向(210)。
10.根据权利要求9所述的装置(100)，其中所述的预定条件为下列中的至少一个被开启、接收到输入信号、探测到人的存在、探测到在所述反射信号幅度中的显著的变化、确定不能从所感测的反射信号获得生命体征以及确定所述反射信号已经消失。
11.根据前述权利要求任一项所述的装置(100)，用于基于所述反射信号的形状来确定呼吸状态。
12.根据前述权利要求任一项的所述的装置(100)，还包括用于调制发射信号的调制单元和/或用于接收用户输入的输入单元和/或用于进行到外部装置的数据传输的通信单元和/或用于视觉地和/或听觉地提供反馈、信息和/或指令的输出单元。
13.一种用于测量生命体征的系统，包括 根据权利要求1到12中的任一项所述的用于测量生命体征的装置(100)， 其中所述收发单元(110)和所述控制单元(120)被适配为互相连接以便进行有线和/或无线通信。
14.一种用于测量生命体征的方法，包括 发射(SllO)电磁信号； 定向感测(SllO)反射信号；基于所感测的反射信号确定(S210)感兴趣方向(210)；将灵敏方向(300)调整到(S210)所述感兴趣方向(210);以及从所述灵敏方向接收(S220)反射信号并且从所述反射信号导出生命体征；所述方法还包括在待机模式 以预定间隔确定(S120)是否有人存在，以及如果有人存在，则开始(S130)测量所述生命体征。
全文摘要
为了提供允许精确和不引人注目的信号获取并且自动调整至预定区域内的感兴趣区域的变化的位置的用于测量诸如心率、呼吸率、脉冲形式等生命体征的方式，提供了用于测量生命体征的装置、系统及方法，其中由收发单元发射诸如微波或者雷达等电磁信号并且使用定向灵敏度感测发射的电磁信号，并且其中基于所感测的反射信号确定感兴趣方向并且通过控制单元将主灵敏方向(300)调整至感兴趣方向。因此，能够以不引入注目的和简易的方式监测生命体征。
文档编号G01S13/56GK103068304SQ201180039476
公开日2013年4月24日 申请日期2011年8月5日 优先权日2010年8月12日
发明者B·A·慕尔德, G·Z·安格利斯, P·H·A·迪伦, A·J·范达尔夫森, A·塞沃, R·平特, C·H·伊格内伊, R·戈德利布, M·范登布加德 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司