专利名称：患者的非接触呼吸监测的制作方法
技术领域：
本发明涉及患者的呼吸监测领域，具体涉及用于吸气/呼气的可靠的逐次呼吸 检测的方法和装置，用以基于多普勒-雷达(Doppler-Radar)原理的非接触远程呼吸监 测。
背景技术：
在临床环境中，观测呼吸活动(呼吸频率)是相当重要的。脉搏和呼吸是评定 患者健康状态的最重要的基本生命体征之一。在重症监护室(ICU)环境中，经由ECG电 极分别从心电图和在呼吸活动期间测得的胸阻抗改变中例行测量脉搏和呼吸。多普勒雷达传感器已经被认为是用于呼吸和心脏活动的非接触测量的有前景的 技术。大量的研究活动已经聚焦于频率在60GHz以上的雷达系统。目前，商业可获得 主要在< 25GHz的频率范围内用于家庭中的活动检测的低功率低成本多普勒雷达传感 器。这些传感器可能是用于远程生命体征监测的感兴趣的低成本解决方案，但它们需要 在开发智能信号分析中付出更多努力，因为现有技术中的信号处理方法难以应用于这些 传感器。主要原因是与呼吸和心脏搏动引起的胸的运动幅度相比，该波长较大(近似为 10 …120mm)一般而言，在多普勒雷达传感器中，发送器/接收器单元向目标持续发射电磁 波。电磁波在目标处被反射并行进返回至发送器/接收器。采用两个混频器/接收器以 便评估接收到的信号。第一混频器下变频直接在天线处接收到的信号；第二混频器下变 频被相移90度之后的天线信号。雷达传感器的优点在于不需要直接的皮肤接触。在测得的信号中对运动的速度 和方向以及方向的改变进行编码，但具体对于工作频率< 25GHz，现有技术的检测方案 却难以应用。因此，这些信号的正确和可靠的解析是富有挑战性的。然而目前，在临床 环境中对呼吸活动的可靠和舒适的检测是尚未满足的需求。
发明内容
本发明的目的是提供基于可靠和易于操作的多普勒-雷达原理的用于患者的非 接触远程呼吸监测的方法和装置。该目的通过用于患者的呼吸检测的方法实现，所述方法包括以下步骤向患者发射电磁信号；使用双通道多普勒雷达传感器接收从患者反射的反射电磁信号；转换该反射电磁信号，产生第一信号；相移该反射电磁信号并转换经相移的反射电磁信号，产生第二信号；对于共同的第一时间点，确定由第一信号和第二信号的时间导数限定的第一向 量；对于共同的第二时间点，确定由第一信号和第二信号的时间导数限定的第二向量；以及计算经正规化的第一向量和经正规化的第二向量的标量积，作为从患者的呼气 到吸气或反之亦然的改变的指示值。因此，本发明的重要思想是提供允许检测从患者的呼气到吸气或反之亦然的改 变的标准。该标准基于经正规化的第一向量和经正规化的第二向量的标量积，所述第一 向量和第二向量分别对于共同的第一或第二时间点由第一信号和第二信号的时间导数确 定。这样，提供了允许检测由优选工作在低于30GHz频率的多普勒雷达传感器分析的胸 运动的方向改变的指示值，以便提供呼气和吸气运动的逐次呼吸信息。本发明提供了若干优点可以执行使用双通道雷达对呼吸期间胸运动的方向改 变的可靠测量，从而允许对吸气/呼气的逐次呼吸检测。此外，可以完成对吸气运动和 呼气运动的独立的评估。这样，可以显著减少远程呼吸监测的故障警报率。此外，实现 了基于多普勒雷达原理的用于远程呼吸监测的呼吸率检测的精度的提高。
此外，由于提出了低处理功率(processing power)方法，能够以低成本采用简单 的方式实现该方法。由于提供了用于特征化运动方向的明确限定的标准，无需解析未明 确限定的多普勒信号形态结构，并且无需硬件限定的参数。根据本发明的优选实施例，为了分别确定用于创建第一向量和第二向量的第一 时间点和第二时间点，确定由在第一和第二信号中同时履行的特定标准限定的特征时间 点。优选地，这一特定标准分别是第一信号或第二信号的时间导数的检测到的零交叉。 此外，根据本发明的优选实施例，通过分别获取在第一测得的零交叉和第二测得的零交 叉之间的阶段中的两个信号的时间导数来创建第一向量。通过分别获取在第二零交叉和 测得的零交叉之间的阶段中的两个信号的时间导数来创建第二向量。在这两种情况下， 将第一信号的时间导数作为第一向量坐标，而将第二信号的时间导数作为第二向量坐 标。一般而言，可以采取不同的方式使用该指示值以便检测从患者的呼气到吸气或 反之亦然的改变。然而，根据本发明的优选实施例，将该指示值与预定的阈值进行比 较。优选使用为0的阈值。这样，由于基于对于两个不同时间点根据测得的信号的时间导数限定的两个向 量的标量积计算了根据本发明的标准，能够可靠地检测从吸气到呼气或反之亦然的改 变。如果经正规化的向量的标量积小于一，运动的方向已经改变并表示呼气/吸气的不 同胸运动。在理想情况下，向量彼此相逆，这意味着向量之间的角度是180°，并且因此 标量积为-1。在实际应用中，将发生的是呼吸运动不会完全对称。在这些情况下，向量 将不会精确地彼此相逆，而是表现为<180°的角度。因此，优选最小值90°等同于阈 值0。此外，如果指示值低于阈值，优选指示从患者的呼气到吸气或反之亦然的改变。此外，根据本发明的优选实施例，优选在预定的时间阶段中，连续确定第一向 量、第二向量以及经正规化的第一向量和经正规化的第二向量的标量积，以作为对于从 患者的呼气到吸气或反之亦然的改变的指示值。这样，可以对于胸运动的方向改变而基 本连续地扫描测得的信号。此外，根据本发明的优选实施例，分别通过巧-巧^^^！^一^和V2 = —F2 XCiQr2(T2)-F2)计算对于两个不同时间点T1和T2的涡量f， 其中巧是第一向量，F2是第二向量，而Jiir1和众2分别根据在时间T1和T2时的第一 信号和第二信号的时间导数创建。涡量取决于目标(即胸)的速度符号以及传感器与目 标的距离。优选使用这一附加特征以便改善检测的可靠性，正如下文更详细的进一步阐 述。由于使用了双通道多普勒雷达传感器，优选在转换反射电磁信号之前将其相移 90°。此外，根据本发明的优选实施例，基于检测到的运动改变指示患者的呼吸率。上述目的还通过用于患者的非接触呼吸监测的装置来实现，该装置包括双通道多普勒雷达传感器，其用于接收从患者反射的反射电磁信号，其中该双通道多普勒雷达传感器适于转换反射电磁信号，产生第一信号，并且适于 相移反射电磁信号并转换经相移的反射电磁信号，产生第二信号；其中提供了计算单元，其适于对于共同的第一时间点确定由第一信号和第二信号的 时间导数限定的第一向量，对于共同的第二时间点确定由第一信号和第二信号的时间导 数限定的第二向量，并计算经正规化的第一向量和经正规化的第二向量的标量积，以作 为从患者的呼气到吸气或反之亦然的改变的指示值。一般而言，如上所述，根据本发明的装置的优选实施例与根据本发明的方法的 优选实施例相关。具体而言，根据本发明的优选实施例，计算单元适于将指示值与预定的阈值进 行比较，并且适于如果指示值低于阈值则指示从患者的呼气到吸气或反之亦然的改变。 此外，优选提供用于基于从患者的呼气到吸气或反之亦然的指示的改变来显示呼吸率的
显不器。应当强调的是，尽管在本说明书中未详细描述测得的和/或计算的数据的平均 化，但是这种平均化可以在处理数据的任何阶段执行，并应当将其理解为完全由本发明
完全涵盖。本发明的优选应用如下临床和家庭环境中的抽检非接触呼吸努力监测；临床 和家庭环境中的连续非接触呼吸率监测；应力弛豫；以及计算机断层摄影(CT)中的呼 吸门控。
从下文描述的实施例中，本发明的这些和其它方面将变得明显，并且将参考其 进行描述。在附图中图1示出了在潮气呼吸期间测得的两个多普勒雷达传感器的原始信号以及作为 参考的利用呼吸带测得的在呼吸期间的呼吸努力；图2描绘了所论述的用于检测运动期间方向改变的流程图；图3示出了预期的多普勒雷达信号、两个传感器通道的时间导数和经计算的向 量的第一模拟；图4示出了预期的多普勒雷达信号、两个传感器通道的时间导数和经计算的向 量的第二模拟；
图5描绘了根据本发明的优选实施例的标准的零交叉的检测；以及图6示出了对于段1禾Π 2来自图2的信号的导数的χ-y绘图。
具体实施例方式来自双通道多普勒雷达传感器的两个传感器信号可以由以下等式建模Xlit) = a'^~5^ycos{ "(t))⑴= -^y cos( *+ 2φ.> ⑵余弦因子表示反射电磁波的局部幅度。信号幅度a和b不同，因为独立的通道具 有不同的灵敏度。由指数因子Y对改变的传感器/目标的距离Dk(t)的影响进行建模。 相位差由所使用的特定的多普勒传感器确定。及时变化的相位 k(t)与多普勒效应 相关其作为来自N个反射器的信号与t = 0时的传感器/反射器的距离Ξ k的和，所 述反射器以与多普勒频移相关的速度分量vk(t)运动。下文中，分析单个运动中的反射 器，这意在简化函数D (t)和θ (t)。那么传感器/反射器的距离D (t)和相位θ (t)由以 下等式线性相关D(t) = ^-Θ( )-Ξ⑷对于以恒定速度ν运动的单个反射器，等式(3)是周知的多普勒_雷达等式。图1在上部和中部的曲线图中示出了利用双通道多普勒传感器在潮气呼吸期间 测得的原始信号。该传感器检测胸腔的运动。作为参考，使用基于诱导性呼吸描记法的 传感器(呼吸带传感器)，这是用于测量呼吸努力和呼吸率的广为接受的方法。在下部曲 线图中示出了参考信号。正如在上部和中部的曲线图中可见的，雷达信号的形态结构非常复杂，并且与 下部曲线图中的参考信号不直接相关。呼吸努力传感器的周期性以及呼吸循环期间的运 动方向不能够从多普勒传感器中容易地导出。在频域中，该信息不能由现有技术方案来 提取。根据下文描述的本发明的优选实施例，可以从双通道多普勒雷达传感器中提取 关于运动方向的信息，尤其对于与电磁波的波长λ相比较小的运动。提供了明确限定的 标准，其允许在连续检测的运动阶段期间评估方向改变。图2示出了根据本发明的优选实施例的标准的流程图，以便改善测量呼吸率的 精确度，其假定由零交叉检测方案分析涵盖若干呼吸循环的预定时间窗。根据该流程图 用于方向改变的方法如下步骤1:对于预定的时间窗，例如1分钟，检测时间导数的零交叉的时间点Τ,。步骤2 计算连续检测的零交叉的时间差DTk = Tw-T^步骤3 检查连续检测的零交叉的方向改变的标准。
步骤4:消除不满足标准的DTk。步骤5 根据TDk计算对于间隔RRk的呼吸率。步骤6 基于生理约束消除异常值(outlier) RRk。步骤7 计算对于时间窗的平均并显示结果。下文中，描述了根据本发明的优选实施例用于检测对于三个检测到的零交叉之 间的两个时间段的运动方向改变的标准。三个检测到的零交叉将测得的原始信号X1和X2 分割为两个段ι和2。对于这两个段1和2，基于根据测得的信号X1和X2的时间导数限 定的两个向量的标量积来计算该标准。如果经正规化的向量的标量积为负，运动方向已 经改变，并且表示呼气/吸气的不同胸运动
权利要求
1.一种用于患者的呼吸检测的方法，包括以下步骤 向所述患者发射电磁信号；接收从所述患者反射的反射电磁信号； 转换所述反射电磁信号，产生第一信号；相移所述反射电磁信号并转换所述经相移的反射电磁信号，产生第二信号； 对于共同的第一时间点，确定由所述第一信号和所述第二信号的时间导数限定的第 一向量；对于共同的第二时间点，确定由所述第一信号和所述第二信号的时间导数限定的第 二向量；以及计算经正规化的第一向量和经正规化的第二向量的标量积，作为从所述患者的呼气 到吸气或反之亦然的改变的指示值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，为了确定分别用于创建所述第一向量和所述第二 向量的所述第一时间点和所述第二时间点，确定在所述第一信号和所述第二信号中同时 履行的特定标准限定的特征时间点。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述特定标准分别是所述第一信号或所述第二信 号的所述时间导数的检测到的零交叉。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，将所述指示值与预定的阈值进行比较。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述预定的阈值为0。
6.如权利要求4或5所述的方法，其中，如果所述指示值低于所述阈值则指示从所述 患者的呼气到吸气或反之亦然的改变。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，优选在预定的时间阶段中，连续地 确定所述第一向量、所述第二向量以及所述经正规化的第一向量和所述经正规化的第二 向量的所述标量积，作为从所述患者的呼气到吸气或反之亦然的改变的指示值。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，分别通过等式F1=-^x(M1 (T1)-F1 )和巧=-F2 χ(M2(T2)一F2)计算对于两个不同时间点T1和T2的涡量P，其中，巧是所述第一向量，F2是所述第二向量，而J^1和众2是分别从在时间T1和T2 时的所述第一信号和所述第二信号的所述时间导数中创建。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，指示所述呼吸率。
10.—种用于患者的非接触呼吸监测的装置，包括双通道多普勒雷达传感器，其用于接收从所述患者反射的反射电磁信号，其中 所述双通道多普勒雷达传感器适于转换所述反射电磁信号，产生第一信号，并且适 于相移所述反射电磁信号并转换所述经相移的反射电磁信号，产生第二信号；其中提供了计算单元，其适于对于共同的第一时间点确定由所述第一信号和所述第二信 号的所述时间导数限定的第一向量；对于共同的第二时间点确定由所述第一信号和所述 第二信号的所述时间导数限定的所述第二向量；并计算经正规化的第一向量和经正规化 的第二向量的标量积，作为从所述患者的呼气到吸气或反之亦然的改变的指示值。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述计算单元适于将所述指示值与预定的阈值进行比较，并且如果所述指示值低于所述阈值则指示从所述患者的呼气到吸气或反之亦 然的改变。
12.如权利要求10或11所述的装置，其中，提供用于基于从所述患者的呼气到吸气 或反之亦然的指示的改变显示呼吸率的显示器。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测患者呼吸的方法，包括以下步骤向患者发射电磁信号；接收从所述患者反射的反射电磁信号；转换反射电磁信号，产生第一信号；相移反射电磁信号并转换经相移的反射电磁信号，产生第二信号；对于共同的第一时间点，确定由第一信号和第二信号的时间导数限定的第一向量；对于共同的第二时间点，确定由第一信号和第二信号的时间导数限定的第二向量；以及计算正规化的第一向量和正规化的第二向量的标量积，作为对于患者从呼气到吸气或反之亦然的改变的指示值。如果指示值低于阈值，优选低于值0，那么指示患者从呼气到吸气或反之亦然的改变。这样，提供了基于多普勒雷达原理可靠而且易于操作的患者的非接触远程呼吸监测的可能性。
文档编号G06F17/00GK102014745SQ200980116403
公开日2011年4月13日 申请日期2009年5月4日 优先权日2008年5月9日
发明者G·G·G·莫伦, J·米尔史蒂夫, R·平特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司