本发明属于超宽带雷达探测和信号处理技术领域；具体涉及一种基于uwb技术的呼吸和心跳速率检测系统。
背景技术：
当前临床上使用的呼吸和心跳速率检测方法基本是侵入式的，需要将受测者与测量设备连接在一起。例如，在呼吸速率检测中，简单的机电式呼吸率测量须在受测者的胸部绑上一条弹性带，基于声学技术的呼吸率测量则要求将装置连接到受测者的颈部，而电容技术呼吸率测量则要求在床上安装一种专用床垫或在受测者的身体上安装感测元件；在心跳速率检测中，心电图法通过在人体特定点放置电极可以检测到心跳速率，心音描记法表现为用听诊器等监听心脏在收缩与舒张过程中心脏瓣膜的开闭声音。这些临床方法可以提供准确的呼吸和心跳速率信息。然而，当感测器与身体进行接触时，通常会对受测者的心理造成压力或不自在，这种不自在会反过来影响受测者的呼吸或心跳，从而可能使测试结果不准确，特别地，在一些重症患者如皮肤烧伤、有睡眠障碍的病人、婴儿等，接触式的测量则不适用。
基于uwb技术的呼吸和心跳速率检测技术利用电磁波来检测，系统采用纳秒级的窄脉冲对人体的呼吸和心跳速率信息进行采集，无需将感测器物理接触检测者，克服了传统检测方法的不足，可取代传统的接触式传感器，用于临床上病人（特别是特殊病人如皮肤烧伤、精神病等）的呼吸和心跳速率检测。
在基于uwb技术的呼吸和心跳速率检测技术中，准确度是非常重要的指标之一，呼吸信号相对较强容易测出，而心跳信号则很微弱，容易淹没在雷达的噪声和杂波中，特别地容易受人体的抖动等随机运动的干扰，因此需要设计良好的检测系统以降低干扰提高检测的准确度。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种基于uwb技术的呼吸和心跳速率检测系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于uwb技术的呼吸和心跳速率检测系统，操作具体如下：包括uwb生理特征信号采集装置和呼吸与心跳速率检测系统；
所述uwb生理特征信号采集装置包括一个低频信号源、一个高频信号源、一个延时控制单元、一个微处理器、两个脉冲成形器、一个通道开关、一个信号混合器、一个发射天线、一个接收天线、一个a/d转换器、一个数据发送器以及八个滤波器；
所述呼吸与心跳速率检测系统包括一个数据接收器、i路信号去直流、针对i路信号的n路呼吸与心跳速率检测算法、q路信号去直流、针对q路信号的n路呼吸与心跳速率检测算法、呼吸速率联合检测、心跳速率联合检测、呼吸速率输出和心跳速率输出。
进一步地，所述低频信号经延时控制单元产生两路输出信号，延时控制单元的一路输出信号经由一个脉冲成形器产生一个短脉冲用于控制高频信号源的开启以产生周期性高频信号，周期性高频信号经滤波器滤波进入通道开关；延时控制单元的另一路输出信号经由一个脉冲成形器产生一个短脉冲，短脉冲控制通道开关将高频信号输出至发射天线路径，再经一个滤波器滤波后由发射天线发射出去；
接收天线接收反射回的高频信号经一个滤波器滤波之后输入信号混合器；
延时控制单元产生的延时信号经脉冲成形器产生一个短脉冲，短脉冲控制通道开关将经滤波器滤波后输出的高频信号送至信号混合器，与接收的高频信号进行混波；信号混合器将接收的高频信号与原始的高频信号混波后得到i路信号和q路信号；i路信号和q路信号分别经过两个滤波器滤波后，送入高精度的a/d转换单元转换为数字信号送入微处理器，由微处理器将其输入数据发送单元，发送给呼吸心跳速率检测系统进行进一步数据处理。
进一步地，所述呼吸与心跳速率检测系统中的数据接收器接收来自uwb生理特征信号采集装置的数据分离出i路信号和q路信号，然后分别进行去直流处理，再分别送入呼吸与心跳速率检测算法进行初始呼吸速率与初始心跳速率的分离；呼吸与心跳速率检测算法采用n路呼吸与心跳速率检测算法进行并行处理；
i路信号经过n路呼吸与心跳速率检测算法可得到n个初始呼吸速率和n个初始心跳速率，q路信号经过n路呼吸与心跳速率检测算法可得到n个初始呼吸速率和n个初始心跳速率，将i路和q路得到的2n个初始呼吸速率和2n个初始心跳速率分布送入呼吸速率联合检测和心跳速率联合检测；最后通过呼吸速率输出和心跳速率输出分别输出最终的呼吸速率和心跳速率。
进一步地，所述n路呼吸与心跳速率检测算法设置有不同平滑滤波器参数和噪声滤取参数；
呼吸与心跳速率检测算法同时对输入信号进行处理；在每一路呼吸与心跳速率检测算法中，输入信号先经过平滑滤波处理进行心跳与噪声信号的消除（这里的平滑滤波可采用诸如移动平均滤波、高斯滤波等算法）；输出为呼吸信号经过幅度抑制进行处理以消除人体抖动引入的干扰，而后经fft变换到频域进行呼吸速率提取，经频谱峰值幅度判断后，满足一定条件（频谱峰值幅度大于其他频率幅度一定值）即可得到初始呼吸速率；
将输入信号与平滑滤波输出信号进行相减可得到带噪声的心跳信号，将带噪声的心跳信号输入噪声滤取以滤出噪声，再将带噪声的心跳信号与滤出的噪声相减便可得到心跳信号，心跳信号随后经过幅度抑制进行处理以消除人体抖动引入的干扰，而后经fft变换到频域进行心跳速率提取，经频谱峰值幅度判断后，满足一定条件（频谱峰值幅度大于其他频率幅度一定值）即可得到初始心跳速率。
本发明提供的基于uwb技术的呼吸和心跳速率检测系统可在非接触受测者的情况下有效提取呼吸和心跳信号并且获得准确的呼吸和心跳速率，有效解决传统呼吸和心率检测仪在特殊临床上病人（如皮肤烧伤、精神病等）不适用的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1为本发明基于uwb技术的呼吸和心跳速率检测系统原理框图；
图2为本发明的单路呼吸与心跳速率检测算法流程示意图；
图3为本发明的方法和呼吸监测仪的呼吸速率检测结果示意图；
图4为本发明的方法和心率监测仪的心率检测结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1-2所示，本发明一种基于uwb技术的呼吸和心跳速率检测系统包括uwb生理特征信号采集装置和呼吸与心跳速率检测系统；
所述uwb生理特征信号采集装置包括一个低频信号源、一个高频信号源、一个延时控制单元、一个微处理器、两个脉冲成形器、一个通道开关、一个信号混合器、一个发射天线、一个接收天线、一个a/d转换器、一个数据发送器以及八个滤波器；
所述呼吸与心跳速率检测系统包括一个数据接收器、i路信号去直流、针对i路信号的n路呼吸与心跳速率检测算法、q路信号去直流、针对q路信号的n路呼吸与心跳速率检测算法、呼吸速率联合检测、心跳速率联合检测、呼吸速率输出和心跳速率输出。
所述低频信号经延时控制单元产生两路输出信号，延时控制单元的一路输出信号经由一个脉冲成形器产生一个短脉冲用于控制高频信号源的开启以产生周期性高频信号，周期性高频信号经滤波器滤波进入通道开关；延时控制单元的另一路输出信号经由一个脉冲成形器产生一个短脉冲，短脉冲控制通道开关将高频信号输出至发射天线路径，再经一个滤波器滤波后由发射天线发射出去；
接收天线接收反射回的高频信号经一个滤波器滤波之后输入信号混合器；
延时控制单元产生的延时信号经脉冲成形器产生一个短脉冲，短脉冲控制通道开关将经滤波器滤波后输出的高频信号送至信号混合器，与接收的高频信号进行混波；信号混合器将接收的高频信号与原始的高频信号混波后得到i路信号和q路信号；i路信号和q路信号分别经过两个滤波器滤波后，送入高精度的a/d转换单元转换为数字信号送入微处理器，由微处理器将其输入数据发送单元，发送给呼吸心跳速率检测系统进行进一步数据处理。
所述呼吸与心跳速率检测系统中的数据接收器接收来自uwb生理特征信号采集装置的数据分离出i路信号和q路信号，然后分别进行去直流处理，再分别送入呼吸与心跳速率检测算法进行初始呼吸速率与初始心跳速率的分离；呼吸与心跳速率检测算法采用n路呼吸与心跳速率检测算法进行并行处理；
i路信号经过n路呼吸与心跳速率检测算法可得到n个初始呼吸速率和n个初始心跳速率，q路信号经过n路呼吸与心跳速率检测算法可得到n个初始呼吸速率和n个初始心跳速率，将i路和q路得到的2n个初始呼吸速率和2n个初始心跳速率分布送入呼吸速率联合检测和心跳速率联合检测；最后通过呼吸速率输出和心跳速率输出分别输出最终的呼吸速率和心跳速率。
所述n路呼吸与心跳速率检测算法设置有不同平滑滤波器参数和噪声滤取参数；
呼吸与心跳速率检测算法同时对输入信号进行处理；在每一路呼吸与心跳速率检测算法中，输入信号先经过平滑滤波处理进行心跳与噪声信号的消除（这里的平滑滤波可采用诸如移动平均滤波、高斯滤波等算法）；输出为呼吸信号经过幅度抑制进行处理以消除人体抖动引入的干扰，而后经fft变换到频域进行呼吸速率提取，经频谱峰值幅度判断后，满足一定条件（频谱峰值幅度大于其他频率幅度一定值）即可得到初始呼吸速率；
将输入信号与平滑滤波输出信号进行相减可得到带噪声的心跳信号，将带噪声的心跳信号输入噪声滤取以滤出噪声，再将带噪声的心跳信号与滤出的噪声相减便可得到心跳信号，心跳信号随后经过幅度抑制进行处理以消除人体抖动引入的干扰，而后经fft变换到频域进行心跳速率提取，经频谱峰值幅度判断后，满足一定条件（频谱峰值幅度大于其他频率幅度一定值）即可得到初始心跳速率。
本发明的工作原理：
首先放置好uwb生理特征信号采集装置正对人体的胸腔，同时根据天线与人体的距离计算出时延差并输入微处理器以对时延控制单元进行控制。低频信号源产生1mhz的信号，经时延控制单元后，一路经过脉冲成形器控制高频信号源产生7.25ghz的高频信号并经过一个3.9ghz~9.8ghz的滤波器，另一路经过脉冲成形器控制通道开关将产生的高频信号输送至发射路径，经过一个0~8ghz的滤波器滤波后由发射天线发送出去，高频信号经人体胸腔反射后由接收天线接收，接收信号同样经过一个0~8ghz的滤波器并进入信号混合器，此时延时控制单元的另一路输出经脉冲成形器产生的脉冲刚好控制通道开关将高频信号输送至信号混合器（高频信号先经过一个0~8ghz的滤波器再进入信号混合器），接收信号与原始高频信号经信号混合器后输出两路包含呼吸和心跳速率信息的信号：i路信号和q路信号。i路信号和q路信号分别经过一个0~400mhz的滤波器和一个0.1hz~10hz的滤波器滤波后，送入高精度的a/d转换单元转换为数字信号送入微处理器，微处理器再将i路信号和q路信号经数据发送单元发送给呼吸心跳速率检测系统进行进一步数据处理，这里的数据发送单元可以为蓝牙设备或者串口。
呼吸与心跳速率检测系统中的数据接收器接收来自uwb生理特征信号采集装置的数据接收并从中分离出i路信号和q路信号，而后分别先进行去直流处理，再分别送入呼吸与心跳速率检测算法进行初始呼吸速率与初始心跳速率的分离，这里采用5路呼吸与心跳速率检测算法进行并行处理，在5路呼吸与心跳速率检测算法中，每一路的平滑滤波器和噪声滤取均使用移动平均滤波器，且配置了与其他组不同的参数，这里的参数为滤波器窗长度，5路的参数分别为（55，50）、（60，50）、（65，50）、（70，50）、（70，55），频谱峰值幅度判断条件为峰值需大于次峰值一倍以上。i路信号经过5路呼吸与心跳速率检测算法可得到5个初始呼吸速率和5个初始心跳速率，同样的，q路信号经过5路呼吸与心跳速率检测算法可得到5个初始呼吸速率和5个初始心跳速率，将i路和q路得到的10个初始呼吸速率和10个初始心跳速率分布送入呼吸速率联合检测和心跳速率联合检测（其中呼吸速率联合检测和心跳速率联合检测主要是未来防止某路初始呼吸速率初始心跳速率因干扰过大造成异常而带来的误检，通常可采用少数服从多数原则或者其他可排除异常数据的算法来实现），呼吸速率联合检测准则为：计算每个数与其他数的差值，当某个数的差值数组中有一半以上的数值大于2时剔除该数组，剩下的数计算平均数并取整后输出；心跳速率联合检测准则为：计算每个数与其他数的差值，当某个数的差值数组中有一半以上的数值大于3时剔除该数组，剩下的数计算平均数并取整后输出。
图3为本实例方法与呼吸监测仪的检测结果，从图中可见，除了在第10秒处有1次/分钟的差别以外，其他观测时间内本实例方法与呼吸监测仪均能很好的吻合。
图4为本实例方法与心率监测仪的检测结果，从图中可见，除了在第30秒和第85秒处有1次/分钟的差别以外，其他观测时间内本实例方法与心率监测仪均能很好的吻合。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。