一种非接触式生理体征监测系统的制作方法

本发明涉及生理监测领域，特别涉及一种非接触式生理体征监测系统。

背景技术：

呼吸和心跳频率等人体生理体征参数是医生诊断和治疗心肺相关的异常类疾病的重要生理指标。常见的呼吸和心跳频率测定方法通常采用接触式的手段，比如心电图等。接触式的测量方式对于婴幼儿实施相对比较困难，而对于那些远程监护的老年公寓和宾馆晚上人体健康监测的应用场合，尽管市场上已有大量的可穿戴式手环、手表等产品，但接触式的测量方式还是不方便。随着科技的发展，基于微波雷达的非接触式测量方式能够弥补以上不足，具有广阔的发展前景和应用价值。

微波雷达监测人体生理体征参数方法是一种新颖的非接触式生理信号监测方法。人在相对静止状态时，胸腔因呼吸和心跳产生周期性的振动，微波雷达通过对人体发射微波信号，从人体反射回来的信号将包含人体胸腔振动的信息，其中含有呼吸和心跳频率信息。从这些信号中，通过一定的信号处理方法和算法，就可以提取出与人体呼吸和心跳频率等信息。这些信息可用于日常的生理体征检测和健康监测。微波雷达对人体的呼吸和心跳频率进行感应的技术已相对成熟，与市场上成熟专业的可穿戴式呼吸和心跳监测系统比较，微波雷达是非接触式，无须每时每刻佩戴，非常方便；同时与视频摄像头等传统的安防系统相比，微波雷达技术不侵犯人的隐私，尤其是在对个人隐私非常在意的国家或地区，微波雷达人体识别技术更为广泛应用。目前微波雷达对人体的呼吸和心跳频率进行感应能达到专业的可穿戴式感应技术的80-85％的匹配度(准确率)。

理想情况下，雷达天线正对所监测人体的胸腔，这样从人体反射回来的信号中所含呼吸和心跳频率的信息最佳，但在实际应用时，基于安装位置限制以及被监测对象移动等一系列原因，无法时刻保证雷达天线正对所监测人体的胸腔。现有技术中存在此缺陷，天线的角度位置对检测/监测结果具有重要影响，不合适的天线位置或角度可能。

技术实现要素：

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种非接触式生理体征监测系统，能够精确调节天线到最佳位置，以提高人体生理体征监测结果的准确性，技术方案如下：

本发明提供了一种非接触式生理体征监测系统，包括：

设置在可转动的天线平台上的天线单元，用于发射或接收射频信号；

射频信号处理单元，包括传送所述天线单元发射的射频信号的射频发射通道，及对该射频信号经反射后的信号进行信号处理并传送处理得到的模拟信号的射频接收通道；

模数转换单元，用于接收所述射频接收通道输出的模拟信号并将其转换为数字信号；

数字信号处理单元，用于接收所述模数转换单元输出的数字信号，并对其进行过滤得到生理体征监测信号，还用于对所述生理体征监测信号进行时域或频域信号处理，得到信号质量指标；

所述天线平台为一轴或多轴可转动，调节所述天线平台的转动角度，得到相应的信号质量指标，以确定信号质量指标最大值对应的天线平台的转动角度。

进一步地，本发明提供的所述生理体征监测系统还包括中央处理单元及驱动单元，所述中央处理单元用于向所述驱动单元发出不同的角度调节指令，所述驱动单元在所述中央处理单元的角度调节指令下驱动所述天线平台转动相应的角度，所述中央处理单元接收不同的角度状态下所述数字信号处理单元输出的相应的信号质量指标；

所述中央处理单元确定信号质量指标最大值对应的天线平台的转动角度，以此向驱动单元发出最优角度调节指令，所述驱动单元根据所述最优角度调节指令驱动所述天线平台转到对应的最优角度。

作为一种可选的技术方案，所述数字信号处理单元对所述生理体征监测信号进行时域信号处理，所述信号质量指标为预设时间段内的最大接收信号能量，其通过以下计算公式得到：

或其中，将预设时间段t分为n等分，n＝0,1,2,...,n-1，x(n)为第n等分时间段内的生理体征监测信号，预设时间段t内的能量总和。

作为另一种可选的技术方案，所述数字信号处理单元对所述生理体征监测信号进行频域信号处理，所述信号质量指标为预设时间段内的最高信噪比，其通过以下计算公式得到：

其中，将预设时间段t分为n等分，k＝0,1,2,...,n-1，x(k)为第k等分时间段内的生理体征监测信号对应的快速离散傅立叶变换，为预设时间段t内的信号和噪声总和。

进一步地，所述中央处理单元还用于接收最优角度状态下所述数字信号处理单元输出的生理体征监测信号，所述生理体征监测信号包括心跳和/或呼吸频率信号。

进一步地，本发明提供的所述生理体征监测系统还包括与所述中央处理单元连接的报警装置，当所述中央处理单元判断所述生理体征监测信号超出正常范围阈值时，则向所述报警装置发送报警指令。

进一步地，当所述中央处理单元判断所述生理体征监测信号超出正常范围阈值时，所述中央处理单元通过无线通讯单元向远程客户端发送远程报警信号。

进一步地，所述射频信号处理单元的射频发射通道数量为一个，所述射频接收通道的数量为一个或多个。

进一步地，所述驱动单元为电机，所述电机的数量为一个或多个。

可选地，所述数字信号处理单元与中央处理单元集成设置或各自独立设置。

本发明提供的生理体征监测系统及发热系统能够产生以下有益效果：

a.将天线单元设置在角度可调的天线平台上，灵活应对监测对象其所在的监测区域的变动；

b.通过时域或频域处理方式评估信号质量指标，精确调节天线到最佳位置，以提高人体生理体征监测结果的准确性；

c.中央处理单元控制驱动机构自动驱动天线平台，以自动分析得到最佳驱动角度；

d.实时监测生理体征信号，当超出正常范围时，实现本地报警和/或远程报警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的非接触式生理体征监测系统的基本模块框图；

图2是本发明实施例提供的具有本地报警功能的生理体征监测系统的模块框图；

图3是本发明实施例提供的具有远程报警功能的生理体征监测系统的模块框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明的一个实施例中，提供了一种非接触式生理体征监测系统，参见图1，所述生理体征监测系统包括：

设置在可转动的天线平台上的天线单元，具体地，该单元一般是一个或多个平面天线组成的单元，负责射频信号的发射和接收。天线单元安装在该天线平台上，该天线平台可以对天线单元进行单轴或多轴的调整(垂直、水平和其他角度)。

射频信号处理单元，包括传送所述天线单元发射的射频信号的射频发射通道，及对该射频信号经反射后的信号进行信号处理并传送处理得到的模拟信号的射频接收通道。具体地，该单元主要包括一个或多个射频接收通道和一个射频发射通道，该单元的射频发射通道通过天线单元向人体发射射频信号，其射频接收通道对来自射频天线的从人体反射回来的微弱信号进行低噪声放大并混频出基带信号，该基带信号再经过模拟信号放大、滤波，将带有人体生理体征信息的模拟信号送到模数转换器进行模拟-数字信号转换。

模数转换单元，用于接收所述射频接收通道输出的模拟信号并将其转换为数字信号，并送到数字信号处理单元作进一步处理。

数字信号处理单元，用于接收所述模数转换单元输出的数字信号，并对其进行过滤得到生理体征监测信号，还用于对所述生理体征监测信号进行时域或频域信号处理，得到信号质量指标。具体地，该单元对来自模数转换单元的数字信号作进一步的处理，该单元包括一个或多个数字信号滤波器，滤出监测目标信号即人体生理体征信号，并可以对这些信号作进一步的时域/频域信号处理，该单元对含有人体生理体征参数的信号质量(最大接收信号能量或最高信号/噪声比等)指标进行估计。

微波雷达对人体的呼吸和心跳频率进行感应的技术已相对成熟，即从射频信号自人体反射回来的微波中取得人体生理体征信号，尤其是呼吸和心跳频率信号，这部分不属于本发明的发明点，该现有技术可参考如下两个现有技术：

[1]changzhangu,short-rangenoncontactsensorsforhealthcareandotheremergingapplications:areview,sensors2016,16,1169，www.mdpi.com/journal/sensors；

[2]tauhidurrahmanetal,“dopplesleep:acontactlessunobtrusivesleepsensingsystemusingshort-rangedopplerradar”,ubicomp'15,september7–11,2015,osaka,japan.

所述天线平台为一轴或多轴可转动，调节所述天线平台的转动角度即调节天线单元的射频信号发射角度，在相应角度下所述数字信号处理单元输出相应的信号质量指标，以确定信号质量指标最大值对应的天线平台的转动角度。作为一种可选的实施方式，可以通过数字示波器来显示所述信号质量指标，进而根据示波器的显示信号来手动调节所述天线平台的转动角度。

作为一种优选方式，所述天线平台可以由驱动机构进行驱动调节，即在本发明的一个优选实施例中，所述生理体征监测系统还包括中央处理单元及驱动单元，所述中央处理单元用于向所述驱动单元发出不同的角度调节指令，所述驱动单元在所述中央处理单元的角度调节指令下驱动所述天线平台转动相应的角度，所述中央处理单元接收不同的角度状态下所述数字信号处理单元输出的相应的信号质量指标(最大接收信号能量或最高信号/噪声比)；

可选地，所述数字信号处理单元与中央处理单元集成设置或各自独立设置。所述中央处理单元确定信号质量指标最大值对应的天线平台的转动角度，以此向驱动单元发出最优角度调节指令，所述驱动单元根据所述最优角度调节指令驱动所述天线平台转到对应的最优角度，作为最佳的天线位置。

无论是手动还是电动调节天线平台的转动角度，都使得本发明实施例的生理体征监测系统能够灵活应对监测对象其所在的监测区域发生变动的情况，比如，当房间内床位发生变化时，无需拆卸天线单元重新安装，而只需调节其角度，并通过重新计算信号质量指标，找到最佳角度。

下面分别对两种不同类型的信号质量指标的获取方式作出详细说明：

第一种为所述数字信号处理单元对所述生理体征监测信号进行时域信号处理，计算预设时间段内的最大接收信号能量作为信号质量指标，其计算公式如下：

或其中，将预设时间段t分为n等分，n＝0,1,2,...,n-1，x(n)为第n等分时间段内的生理体征监测信号，预设时间段t内的能量总和。

第二种为所述数字信号处理单元对所述生理体征监测信号进行频域信号处理，计算预设时间段内的最高信号/噪声比作为信号质量指标，其计算公式如下：

其中，将预设时间段t分为n等分，k＝0,1,2,...,n-1，x(k)为第k等分时间段内的生理体征监测信号对应的快速离散傅立叶变换，为预设时间段t内的信号和噪声总和。

在本发明的一个实施例中，一方面，所述数字信号处理单元把信号质量指标送到所述中央处理单元(如上述)；另一方面，所述数字信号处理单元还把包括人体心跳和呼吸频率等人体生理体征的信号送到所述中央处理单元作进一步的处理，尤其优选地，在确认并调节天线平台转动到所述最优角度状态下，所述数字信号处理单元输出生理体征监测信号至所述中央处理单元，所述生理体征监测信号包括心跳和/或呼吸频率信号。所述中央处理单元根据来自数字信号处理单元的信号质量指标，对驱动单元发出对天线进行调整的指令，直到找到最佳的天线位置(对应于人体生理体征参数的信号质量指标最大值)，所述驱动单元优选为电机，所述电机的数量为一个或多个。同时该单元对来自含有人体心跳和呼吸频率等人体生理体征的信号作进一步的处理，监测出人体心跳和呼吸频率，并根据人体心跳和呼吸频率的正常范围，判断所监测人体的心跳和呼吸频率是否异常。在一个可选的实施例中，如图2所示，所述生理体征监测系统还包括与所述中央处理单元连接的报警装置，当所述中央处理单元判断所述生理体征监测信号超出正常范围阈值时，则向所述报警装置发送报警指令，比如应用于养老监护机构中，所述报警装置安装于值班室内，所述报警装置在工作状态下发出包括但不限于生、光、振动等信号。在另一个可选实施例中，如图3所示，当所述中央处理单元判断所述生理体征监测信号超出正常范围阈值时，所述中央处理单元还可以通过无线通讯单元把心跳和呼吸频率数据和报警信号传送到远程客户端，比如给手机发短信或给终端app发消息。需要说明的是，图2中的异常报警方式可以与图3中的异常报警方式结合。

本发明的非接触式生理体征监测系统将天线单元设置在角度可调的天线平台上，灵活应对监测对象其所在的监测区域的变动，通过时域或频域处理方式评估信号质量指标，精确调节天线到最佳位置，以提高人体生理体征监测结果的准确性；中央处理单元控制驱动机构自动驱动天线平台，以自动驱动到最佳角度；实时监测生理体征信号，当超出正常范围时，能够实现本地报警和/或远程报警。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。