一种基于波形设计与反射波处理的生命体征无线监测方法与流程

本发明涉及一种基于波形设计与反射波处理的生命体征无线监测方法，属于医疗健康与信息技术领域。该方法利用人体心跳与呼吸生命体征造成的人体反射波相位信息的变化，通过设计与控制发射波形，以及分离、提取与分析反射波相位变化规律估计出各个人体的心率与呼吸频率。本发明为基于无线反射波估计人体心率与呼吸频率生命体征提供了一种新方法，可显著提升人体生命体征监测设备的性能。

背景技术：

人体生命体征监测在医疗监护、老人及儿童监护等领域有着广泛的应用前景。当前主流的人体生命体征监测方式为基于佩戴传感器的接触式监测设备。这类方法造成被监测人活动不便，仅适用于重症病人监护，不适用于日常监护。

随着无线技术的发展，基于人体反射波的无线监测方法近年来得到了广泛关注。相关工作，如“专利cn201520665067.7非接触式生命体征监测装置及睡眠管理系统”，该装置采用多普勒雷达作为无线传感器，通过向被监护人发送固定频率的无线电波，然后通过快速傅里叶变换方法分析无线反射波实现对心率、呼吸等信息的监测；专利“cn201510746873.1一种非接触式生命体征智能检测装置”，该装置同样基于发射单一频率的无线信号，通过对反射波进行快速傅里叶变换探测单个人体的心率、呼吸等人体生命体征参数。上述装置虽然可以探测单人的生命体征，但是，这些装置无距离分辨能力，无法实现对多人的同时监测。针对这些问题，本发明通过设计与控制发射波形，以及分离、提取与分析反射波相位变化规律估计出多个人体的心率与呼吸频率，从而有效的提高基于人体反射波的无线监测设备的性能。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种适用于生命体征无线监测的波形设计与反射波处理方法，该方法利用人体心跳与呼吸生命体征造成的人体反射波相位信息的变化，通过设计与控制发射波形，以及分离、提取与分析反射波相位变化规律估计出多个人体的心率与呼吸频率。与现有技术相比，本方法通过发射波形设计来控制发射无线电波的频率，通过反射波相位变化规律的分离、提取与分析实现对多个人体心率与呼吸频率的估计。

本发明的技术方案：

一种基于波形设计与反射波处理的生命体征无线监测方法，步骤如下：

(1)通过线性调频的方式产生无线电波，无线电波的波形频率随着三角波的幅度变化规律周期性线性变化，随着三角波幅度的增加，无线电波的波形频率升高，随着三角波幅度的减小，无线电波的波形频率降低。

(2)将产生的无线电波发射至人体，人体对无线电波进行反射；

(3)测量反射波与发射波的差频信号，连续采集差频信号构成差频信号序列，将差频信号序列分成短帧与长帧的结构，以单个三角波周期ts为长度构建短帧，以连续的多个三角波周期tl为长度构建长帧；

(4)对每个短帧内的差频信号序列进行快速傅里叶变换，获得对应多个人体的幅度谱峰，利用不同位置人体反射波与发射波的差频信号具有不同的频域特征来分离多个人体的反射波；并将对应各个幅度谱峰位置的相位谱的相位作为各个人体在该短帧内的初始相位信息；

(5)由于长帧内对应某个人体的连续多个初始相位信息的变化规律，即为该人体心跳与呼吸引起的人体微尺度动作造成的反射波相位的变化规律，所以，对长帧内某个人体的连续多个初始相位序列进行快速傅里叶变换，获得的幅度谱的高频谱峰对应的频率为心率，低频谱峰对应的频率为呼吸频率。

所述的短帧时长小于0.1秒，长帧时长大于10秒。

本发明的有益效果：本发明的方法可使得基于人体反射波的无线监测设备具有同时监测多个人体生命体征的能力。该方法可通过对现有无线监测设备进行信号处理软操作使之具备多人监测能力。其在医疗监护、老人及儿童监护、健康状态监护等领域有着很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明波形设计原理图。

图2为本发明反射波差频信号帧结构及处理原理图。

图3为本发明反射波处理方法流程。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图具体详细阐述本发明的具体实施。

实施例基于英飞凌公司24ghz的fmcw雷达芯片bgt24mtr12作为无线收发机，基于altera公司cycloneii的ffga芯片以及adi公司的数模转换芯片ad5542a来进行波形设计。波形设计如图1所示，利用cycloneii以及数模转换芯片ad5542a产生频率为100hz、幅度为3v的三角波，并将该波形送入到fmcw雷达芯片bgt24mtr12的压控振荡器输入端，fmcw雷达芯片bgt24mtr12将产生如图1所示的频率随着压控振荡器输入端电压线性变化的无线信号。fmcw雷达芯片bgt24mtr12将无线信号通过天线发射，同时，接收人体的反射波，并计算发射波与反射波的差频信号；该差频信号经过ti公司的模数转换芯片ads8354转换为数字信号。连续采集20秒差频信号构成差频信号序列，并形成图2所示的长帧与短帧结构；之后，按照图3所示流程对差频信号序列做处理分析。首先，对各短帧内的差频信号序列进行快速傅里叶变换获得各短帧的幅度谱以及相位谱；之后，基于幅度谱峰以及相位谱确定各人体发射波的初始相位；然后，对长帧内对应各人体的初始相位序列进行快速傅里叶变换，获得各人体相位序列的幅度谱；最后，对各人体相位序列的幅度谱进行分析处理，将幅度谱的高频谱峰对应的频率作为心率，将低频谱峰对应的频率作为呼吸频率。

测试表明，采用本发明的波形设计与反射波处理方法，该实施例在测量3人的条件下，当人体间隔0.5米时测量误差在1％以内，人体间隔在0.1米时测量误差在3％以内。

技术特征：

技术总结
本发明提供一种基于波形设计与反射波处理的生命体征无线监测方法，属于医疗健康与信息技术领域。该方法可使得基于人体反射波的无线监测设备具有同时监测多个人体生命体征的能力。该方法利用人体心跳与呼吸生命体征造成的人体反射波相位信息的变化，通过发射频率随三角波规律变化的无线电波，将反射波与发射波的差频信号分为短帧与长帧的结构，以及提取并分析不同人体发射波初始相位的变化规律来估计出各个人体的心率与呼吸频率。该方法可通过对现有无线监测设备进行信号处理软操作使之具备多人监测能力。其在医疗监护、老人及儿童监护、健康状态监护等领域有着很好的应用前景。

技术研发人员：王洁;高庆华
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2018.10.10
技术公布日：2019.02.12