一种无接触式生命体征信号测量装置及方法

1.本发明涉及医疗领域，特别是涉及一种无接触式生命体征信号测量装置及方法。


背景技术：

2.生命体征信号（包括心跳和呼吸频率）是反映人体基本机能是否正常的重要参数，当人体发生异常时，他们的呼吸和心跳频率大概率会发生突变。
3.目前，国内现有的大多数医院采用接触式设备，对生命体征信号进行监测。接触式的生命体征监测装置主要是用监护仪，心电仪等设备，将传感器或者电极贴片附着在人体身上，然后将接收到的心电信号进行放大和转换，从而得到人体的体征信号。采用接触式的方法准确度较高，但是在使用过程中，各种信号线需要经常插拔，这会导致传感器接触不良，致使采集的数据不准确，甚至器材损坏，使用寿命降低等问题。并且长时间佩戴接触式监测设备会限制患者的活动范围，给患者带来不适感，甚至二次伤害。
4.例如，一种在中国专利文献上公开的“一种生命体征监测装置及生命体征监测方法”，其公告号cn105769147a，在手环上集成生命体征监测器，生命体征监测器包括生命体征检测模块、单片机、a/d转换器、蜂鸣器、发送模块，所述单片机分别与所述生命体征检测模块、a/d转换器、蜂鸣器、发送模块连接；所述生命体征检测模块用于获取生命体征数据。手环集成生命体征监测器，方便被监测者能够实时佩戴，实时监测数据，如监测体温、脉搏、血氧饱和度等数据，将数据发送给手机，由手机发送给云端服务器，实现对人体健康的实时掌控。然而该生命体征检测装置仍然需要佩戴手环，因此仍然会限制患者的活动范围，给患者带来不适感。


技术实现要素：

5.针对现有技术无法对移动的目标进行实时准确的监测生命体征信号，并且长时间的佩戴接触式监测设备会给患者带来不适感甚至二次伤害的问题，提出了一种无接触式生命体征信号测量装置及方法；采用一种无接触生命体征监测装置，通过摄像头检测病人所在位置，对病人位置的原始图像进行分析，框定病人区域，并通过天线发射毫米波，对传递回的信息进行检测和分析，获取病人的呼吸和心跳数据，而不会限制病人的移动，同时也避免了接触式测量多次拔插造成的隐患。
6.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种无接触式生命体征监测装置，包括cpu电路板、摄像头、毫米波雷达装置、竖直转动装置、水平转动装置、信号收发天线、电源和固定底座；固定底座上方设置水平转动装置和电源，摄像头与毫米波雷达装置固定在同一有机合成材料外壳中，外壳两侧安装有竖直转动装置；所述水平转动装置和竖直转动装置共同构成运动装置。将毫米波雷达与摄像头组合的方法来进行生命体征信号的监测，主要功能是实现对目标的生命体征信号进行实时、多角度的监测。在工作过程中由摄像头获取位置信息，通过cpu控制步进电机和舵机运动，调整摄像头指向的同时同步调整雷达指向，实现对目标的快速定位。装置中cpu的作用
是处理摄像头送达的位置信息，实时控制步进电机和舵机，确定摄像头指向的同时同步调整雷达指向。步进电机通过齿轮箱的蜗轮蜗杆将动力输送给传动轴，传动轴转动并带动上方的法兰，整个装置可以用220v交流电源供电，也可以采用12v蓄电池供电。
7.作为优选，所述水平转动装置包括齿轮箱、步进电机、驱动器、蜗轮蜗杆和法兰；所述步进电机和电源安装在齿轮箱表面同侧，蜗轮蜗杆的一端固定在步进电机的中心轴上，另一端固定在齿轮箱的对侧面；法兰通过螺丝设置在蜗轮传动轴上，法兰与齿轮箱之间设置有一对圆环形凹槽，凹槽内安装滚珠。方便齿轮箱的转动。
8.作为优选，所述竖直转动装置通过螺丝固定在法兰的表面，所述竖直转动装置由舵机驱动。
9.作为优选，所述cpu电路板安装于齿轮箱内，在电源对面的左上角位置，距离齿轮箱底部60mm；信号收发天线安装于有机合成材料外壳的上方位置。
10.作为优选，所述天线和相机固定在防滚架中，由于天线和相机是一致对准病人寻找目标的，因此两者的方向具有统一性，将两者安装在同一防滚架中，可以保证相机和天线对准的方向一致，且保证两者不会出现脱落的风险。
11.一种无接触式生命体征信号测量方法，采用上述装置，所述方法包括如下步骤：步骤s1、调用摄像头数据，生成病人位置的原始图像；步骤s2、对原始图像进行目标检测；将处理后的图像传递至运动装置，并旋转信号收发天线对准病人；步骤s3、信号收发天线发送毫米波信号；并接收反射后的信号；步骤s4、处理信号并获取呼吸和心跳数据，将呼吸和心跳数据生成在显示器上。
12.通过相机直接选择目标，并通过天线发送毫米波实现对目标的检测，可以精准的对移动的目标进行生命体征信号检测，不再限制病人的移动范围。
13.作为优选，步骤s4所述的信号处理流程包括调制解调，快速傅里叶变换、相位解缠绕和相位差计算。对信号数据进行处理，快速得到最准确的数据信息，作为优选，所述呼吸和心跳数据通过对单位时间内的呼吸频率和心跳频率取均值并取倒数获得。单位时间一般采取分钟为单位，也可以根据测量时间的不同，将单位时间缩短到二十秒，此时通过呼吸和心跳的频率均值取倒数便能够准确得到病人真实的心跳和呼吸数据信息。
14.作为优选，步骤s2所述目标检测对病人位置进行检测并框出病人所在位置，方便后续的运动装置针对病人的位置调动自身角度。
15.作为优选，运动装置通过目标在图中位置判断自身转动角度是否合适；所述合适的判断标准为目标是否处于图片的中心位置。当目标人物处于图片的中心范围内的时候，后续天线发射的毫米波才能准确的发射到病人身上，并且接收到病人身上传递回来的信号数据，避免了因为方向位置问题造成的信号发射失误，从而影响测量的准确性和精确性。
16.本发明的有益效果是：1.通过相机直接选择目标，并通过天线发送毫米波实现对目标的检测，可以精准的对移动的目标进行生命体征信号检测，不再限制病人的移动范围，不会给患者，尤其是烧伤患者带来不适感甚至二次伤害。
17.2.通过无接触式检测能够避免接触式设备多次拔插造成的传感器接触不良、采集
数据不准确、设备使用寿命降低，甚至损坏器材等问题；准确且不易损坏设备。
附图说明
18.图1为本发明方法框图；图2是装置的整体图；图3是装置齿轮箱内部结构图；图4是装置cpu安装位置图；图5是装置截面图；附图标记：1是天线，2是毫米波雷达装置，3是摄像头，4是法兰，5是竖直转动装置，6是电源箱，7是步进电机，8是整体支架，9是齿轮箱外壳，10是铝合金固定底座，11是蜗轮传动轴，12是蜗轮蜗杆，13是cpu，14是滚珠。
具体实施方式
19.应理解，实施例仅用于说明发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
20.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
21.本发明采用一种无接触式生命体征监测装置对病人进行检测，该装置由安装cpu的电路板、摄像头、毫米波雷达装置、竖直转动装置、水平转动装置、信号收发天线、电源、固定底座八个部分组成；如附图2所示，固定底座由两部分构成，一块尺寸为530
×
470mm的长方形铝合金板，通过铆钉固定在四个尺寸为 80
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80
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400mm长方形支柱上；固定底座的上方安装有水平转动装置和电源，水平转动装置由齿轮箱、步进电机、驱动器、蜗轮蜗杆和法兰组成，步进电机和电源均安装在齿轮箱的同一外侧面，蜗杆的一端固定在步进电机的中心轴上，另一端固定在齿轮箱的对侧面，法兰与蜗轮传动轴通过螺丝固定，法兰与齿轮箱之间设置有一对圆环形凹槽，凹槽内安装滚珠；摄像头与毫米波雷达装置固定在同一个有机合成材料外壳，同步调整指向，毫米波雷达装置采用 awr1443boost专用模块，外壳两侧安装有竖直转动装置，竖直转动装置通过螺丝固定在法兰的表面，竖直转动装置由舵机驱动；安装cpu的电路板安装于齿轮箱内，在电源对面的左上角位置，距离齿轮箱底部60mm；信号收发天线安装于有机合成材料外壳的上方位置。
22.装置的水平转动装置和竖直转动装置会根据摄像头采集的图像数据进行相应角度的调整，其中，步进电机和舵机的驱动信号统一由cpu提供，cpu采用 broadcom bcm2711，搭载linux开发系统。装置的供电电源为12v；其中步进电机电源由12v电压直接提供， cpu和毫米波雷达模块所需的5v电压由12v电源通过dc-dc降压模块提供。
23.本发明采用的方法首先会首先调用相机数据，对目标患者进行拍照，得到病人的原始图像，此时使用使用目标检测，对原始图像进行标定，找出其中病人所在的位置，并且将病人的位置框出，方便后续运动装置能够快速的锁定目标所在位置，并且对目标的状态进行判断。而经过目标检测处理后的装置将信号传递至运动装置，运动装置是一个包括水平和俯仰功能的云台，运动装置会结合目标在图中的位置判断自身转动角度是否合适；合适的标准是目标处于图片的中心位置。当运动装置判断自身转动角度合适后，旋转将天线
对准病人。天线发送毫米波信号，并对接收回的信号进行处理，处理流程包括调制解调，fft(快速傅里叶变换)、相位解缠绕和相位差计算等，最终根据呼吸和心跳的频率不同，统计一段时间内的呼吸频率和心跳频率并计算均值，取倒数后将结果实时输出在显示器上。该方法可以对移动的目标进行实时准确的监测生命体征信号，快速有效且准确。