一种临床生命信号检测方法、系统及存储介质

1.本发明属于超声波技术领域，具体涉及一种临床生命信号检测方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.生物医学信号是人体生命信息的集中体现，是窥视生命现象的一个窗口。生命信号作为现代化医疗检测中的重要指标，能够为医生提供可靠的诊断和治疗依据。现有的测量设备大多是基于接触式检测的仪器，在临床应用上，大部分采用的都是通过穿戴式传感器或粘贴式电极直接接触人体来实现的传统生命信号检测办法，穿戴式传感器和粘贴式电极都需要贴在病人的身体上进行监测。
3.目前国内多参数监护设备主要分两大类：高端监护设备和中低端监护设备，高低端的区别主要在于系统处理单元及各模块处理单元的变化。虽然国内监护仪发展迅速，但是我国监护仪产业存在着不少的问题，如整体水平低、竞争力不足、受经济水平和医疗水平差异化明显。监护仪本身功能单一，多为crt显示，体积较大，移动不方便，如今基本上还是靠生产低端的监护仪为主，国内医院普遍使用的监护仪依赖国外进口，由于进口仪器价格昂贵，也造成在中小医院推广难的问题。
4.对于需要长时间持续监测的患者来说，接触式的检测方法有些时候并不方便。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种临床生命信号检测方法、系统及存储介质。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种临床生命信号检测方法，包括以下步骤：
8.向待检测目标发射连续波信号；
9.接收待检测目标反射后的回波信号；
10.对所述回波信号与连续波信号进行处理，得到多个中频信号；
11.根据多个所述中频信号确定待检测目标所在位置；
12.提取待检测目标所在位置与连续波发射位置所在距离区间上的相位信号；
13.分离所述相位信号中的呼吸和心跳信号；
14.通过所述呼吸和心跳信号计算呼吸频率和心跳频率。
15.优选地，所述通过对所述回波信号与连续波信号进行处理得到多个中频信号，具体包括以下步骤：
16.对所述回波信号与连续波信号进行混频得到混频信号；
17.利用低通滤波器滤除所述混频信号中的高频分量；
18.对去除高频分量后的混频信号进行采样和基带信号处理，得到多个中频信号。
19.优选地，基于所述中频信号，所述根据多个所述中频信号确定待检测目标所在位
置，具体包括以下步骤：
20.将多个所述中频信号构成一个二维矩阵，其中包含采样点的一个扫频时间维度，即为快时间域；多个中频信号累积的维度构成慢时间域；
21.对快时间域单个中频信号的采样点进行快速傅里叶变换fft获取中频信号频谱，其频谱峰值对应不同距离的待检测目标。
22.优选地，所述提取待检测目标所在位置与连续波发射位置所在距离区间上的相位信号，具体包括：
23.利用fft去除待检测目标所在位置；
24.利用反正切解调方法恢复生命信号的相位信号ψ(t)，即：
25.ψ(t)＝arctan(i(t)/q(t))
26.式中，i(t)和q(t)分别表示i和q两路回波信号。
27.优选地，在分离所述相位信号中的呼吸和心跳信号之前，对相位信号进行差分和去噪处理，具体包括：
28.采用分段线性插值方法去除噪声对相位的影响，当相位差分值大于给定的阙值时，则采用分段线性内插值替代原先相位差分值；定义区间[ki，k
i+1
]上的子插值多项式fi为：
[0029][0030]
式中，ki表示相位信号f(k)的第i个采样点，则在整个区间[ki，kn]上的插值函数f(k)为：
[0031][0032]
其中，li(k)的定义如下：
[0033][0034]
优选地，利用hr带通滤波器从频域上对所述相位信号中的呼吸和心跳信号进行分离。
[0035]
优选地，通过所述呼吸和心跳信号计算呼吸频率和心跳频率，具体为：选取呼吸频率和心跳频率所在的频率区间上幅度最大的频率作为呼吸和心跳信号的频率，再将该频率乘以60，即得到待检测目标每分钟的呼吸频率和心跳频率。
[0036]
本发明还提供一种一种临床生命信号检测系统，其特征在于，包括：
[0037]
iwr1642雷达板，用于向待检测目标发射连续波信号，并接收待检测目标反射后的回波信号，再对所述回波信号与连续波信号进行处理，得到中频信号；
[0038]
信号处理模块，用于根据多个所述中频信号确定待检测目标所在位置；提取待检测目标所在位置与连续波发射位置所在距离区间上的相位信号；分离所述相位信号中的呼
吸和心跳信号；通过所述呼吸和心跳信号计算呼吸频率和心跳频率；
[0039]
数据存储模块，用于存储所述信号处理模块的计算结果。
[0040]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的临床生命信号检测方法。
[0041]
本发明提供的临床生命信号检测方法及系统具有以下有益效果：
[0042]
(1)本发明通过向待检测目标发射连续波信号，并对接收到的回波信号进行处理，达到了无接触检测的目的，使检测人员避免接触病毒，提高安全性。
[0043]
(2)与传统的接触式方法相比，非接触式的生命信号检测方法在检测距离、检测时间、被检测者的使用体验等方面有明显的优势，无需接触检测设备便可以远距离、长时间监测呼吸和心跳等生命信号。
[0044]
(3)避免因生命信号检测造成的点对点接触，减少病毒传播途径，在保护待检测者生命安全的同时，也为医疗人员提供安全保障，集合了高效、清洁、安全的检测特征，方便移动，不仅可以应用于防疫医疗检测，也能够适用于慢性病患者或老人居家呼吸心跳等健康体征监测。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。
[0046]
图1为本发明提供的临床生命信号检测方法的流程图；
[0047]
图2为本发明实施例1提供的临床生命信号检测方法的流程图。
具体实施方式
[0048]
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0049]
本发明提供了一种临床生命信号检测方法，具体如图1所示，包括以下步骤：
[0050]
步骤1、向待检测目标发射连续波信号。
[0051]
步骤2、接收待检测目标反射后的回波信号。
[0052]
步骤3、对回波信号与连续波信号进行处理，得到多个中频信号，具体包括以下步骤：
[0053]
步骤3.1、对回波信号与连续波信号进行混频得到混频信号。
[0054]
步骤3.2、利用低通滤波器滤除混频信号中的高频分量。
[0055]
步骤3.3、对去除高频分量后的混频信号进行采样和基带信号处理，得到多个中频信号。
[0056]
步骤4、根据多个中频信号确定待检测目标所在位置，具体包括以下步骤：
[0057]
步骤4.1、将多个中频信号构成一个二维矩阵，其中包含采样点的一个扫频时间维度，即为快时间域；多个中频信号累积的维度构成慢时间域；
[0058]
步骤4.2、对快时间域单个中频信号的采样点进行快速傅里叶变换fft获取中频信
号频谱，其频谱峰值对应不同距离的待检测目标。
[0059]
步骤5、提取待检测目标所在位置与连续波发射位置所在距离区间上的相位信号，具体包括：
[0060]
利用fft去除待检测目标所在位置。
[0061]
利用反正切解调方法恢复生命信号的相位信号ψ(t)，即：
[0062]
ψ(t)＝arctan(i(t)/q(t))
[0063]
式中，i(t)和q(t)分别表示i和q 2路回波信号。
[0064]
步骤6、对相位信号进行差分和去噪处理。
[0065]
由于噪声的影响，相位差分信号中可能包含错误相位值，从而影响生命相位提取的准确性。因此，本发明采用分段线性插值方法去除噪声对相位的影响。当相位差分值大于给定的阙值时，则采用分段线性内插值替代原先相位差分值。
[0066]
处理过程具体为：
[0067]
采用分段线性插值方法去除噪声对相位的影响，当相位差分值大于给定的阙值时，则采用分段线性内插值替代原先相位差分值；定义区间[ki，k
i+1
]上的子插值多项式fi为：
[0068][0069]
式中，ki表示相位信号f(k)的第i个采样点，则在整个区间[ki，kn]上的插值函数f(k)为：
[0070][0071]
其中，li(k)的定义如下：
[0072][0073]
步骤7、利用hr带通滤波器分离相位信号中的呼吸和心跳信号。
[0074]
一般呼吸频率(单位:hz)区间为[0.2,0.8](12～48次/min)，心跳频率(单位:hz) 区间为[0.8,2](48～120次/min)。因此，为了得到人体的呼吸和心跳信号，本发明采用hr带通滤波器从频域上对呼吸和心跳信号进行分离。
[0075]
步骤8、通过呼吸和心跳信号计算呼吸频率和心跳频率，具体为：选取呼吸频率和心跳频率所在的频率区间上幅度最大的频率作为呼吸和心跳信号的频率，再将该频率乘以60，即得到待检测目标每分钟的呼吸频率和心跳频率。
[0076]
本发明的另一目的在于提供一种临床生命信号检测系统，包括iwr1642雷达板、信号处理模块及数据存储模块。
[0077]
具体地，生命信号属于微弱信号，其振动产生的位移一般为毫米级，可以利用毫米波信号的相位变化确定生命信号的振动位移，从而实现对生命信号的有效检测。尽管多普
勒雷达可以检测到生命信号产生的微多普勒信号，但环境中的干扰、噪声以及人体的微多普勒信号等干扰很严重，往往会掩盖生命信号。因此，本发明利用fmcw毫米波雷达估计人体位置，再提取人体位置区间的信号，能够有效减小环境中微多普勒对生命信号的影响。
[0078]
本实施例中，fmcw毫米波雷达为texas instruments的iwr1642 雷达板，并采用dca1000高速数据采集卡采集雷达信号。通过将dca1000与 iwr1642联调，并通过以太网网口使用用户数据包协议(user datagram protocol, udp)将雷达信号传输到计算机上。本发明使用的iwr1642雷达板具有2根发射天线和4根接收天线，并且2根发射天线交替发射中频信号，每个中频信号持续时间设为50μs，脉冲间隔为7μs，发射的锯齿波斜率为70mhz/μs，帧速率为50ms，每帧内2根天线分别发送一个中频信号。
[0079]
信号处理模块用于根据多个中频信号确定待检测目标所在位置；提取待检测目标所在位置与连续波发射位置所在距离区间上的相位信号；分离相位信号中的呼吸和心跳信号；通过呼吸和心跳信号计算呼吸频率和心跳频率，数据存储模块用于存储信号处理模块的计算结果。本实施例中的信号处理模块和数据存储模块位于上位机内，上位机拟选用jetson nano开发板，jetson nano采用四核64位arm cpu和128核集成nvidia gpu，可提供472 gflops的计算性能。它还包括4gb lpddr4存储器，采用高效，低功耗封装，具有5w/10w 功率模式和5v dc输入。jetson nano可以运行各种各样的高级网络，包括流行的ml框架的完整原生版本，如tensorflow，pytorch，caffe/caffe2，keras， mxnet等。通过实现图像识别，对象检测和定位，姿势估计，语义分割，视频增强和智能分析等强大功能，这些网络可用于构建自动机器和复杂ai系统。 jetson nano在许多场景中都具有实时性能，能够处理多个高清视频流。在对用户进行长时间检测后，可以根据用户自身的检测数据与预制数据集进行深度学习推理，对用户进行一个初步研判，辅助医师进行临床判断。jetson nano 开发板接收fmcw收集到的信号后进行处理，对处理后的信号进行分析后，可自动进行一些预设的简单自动化陪护措施(如调整病床靠背、远程预警、通知值班医师等)。
[0080]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的临床生命信号检测方法。
[0081]
本发明提供的临床生命信号检测方法和系统具有以下优势：
[0082]
(1)采用fmcw毫米波雷达采集人体生命信号，可以进行远距离、长时间检测呼吸和心跳等生命信号，且无需接触检测设备。
[0083]
(2)使用分段线性插值方法去除噪声对生命信号相位的影响，使用分段线性插值方法得到的内插值替换原有的错误的相位差分值，可以有效去除相位差分信号中的噪声，提高呼吸和心跳频率区间的信噪比，从而大大提高心跳频率和呼吸频率的准确性。
[0084]
(3)上位机平台jetson nano：英伟达的jetson nano是一块用于深度学习或者计算机视觉的gpu运算平台，其整合了128核maxwell架构的gpu及 4核arm a57cpu。体积小，功耗只有5-10w。
[0085]
(4)下位机iwr1642是一款能够在76至81ghz频带中运行且基于 fmcw雷达技术的集成式单芯片毫米波传感器，具有高达4ghz的连续线性调频脉冲。该器件采用ti的低功耗45nm rfcmos工艺进行构建，并且此解决方案在极小的封装中实现了前所未有的集成度。
[0086]
(5)发明由于上位机选用jetson nano开发板，所以具有相当强大的计算性能与可扩展性。
[0087]
(6)与传统的接触式方法相比，非接触式的生命信号检测方法在检测距离、检测时间、被检测者的使用体验等方面有明显的优势，无需接触检测设备便可以远距离、长时间监测呼吸和心跳等生命信号。
[0088]
(7)避免因生命信号检测造成的点对点接触，减少病毒传播途径，使检测人员避免接触病毒，提高安全性。
[0089]
(8)发明扩展性强，可以搭载深度学习框架对数据进行处理与预研判。
[0090]
以上方法在相比之下，非接触式的生命信号检测方法在检测距离、检测时间、被检测者的使用体验等方面有明显的优势，无需接触检测设备便可以远距离、长时间监测呼吸和心跳等生命信号。例如，非接触式生命信号检测设备会更加重要，因为它们有助于最大限度地减少病毒的点对点传播，确保了医护人员的安全。
[0091]
实施例1
[0092]
常规医疗检测手段避免不了点对点接触，而点对点接触正是病毒传播的一个主要途径。本实施例从这一痛点出发，旨在开发出扩展性强的无接触医疗检测设备。在临床以及各种场合下均可以进行无接触的生命信号检测，避免点对点接触，在保护病人生命安全的同时，也为前线医疗人员提供安全保障，集合了高效、清洁、安全的检测特征，不仅应用于防疫医疗检测，也适用于慢性病患者或老人居家呼吸心跳等健康体征监测。本实施例的扩展性不仅体现在检测方式的扩展上，还可以在对生命信号进行分析后通过下位机对临床病人提供简单的护理措施。
[0093]
基于此，通过具体的本实施例对本发明提供的检测方法做进一步说明，具体如图2所示，包括以下步骤：
[0094]
(1)采集fmcw毫米波雷达i/q 2路数据，fmcw毫米波雷达包含发射天线、接收天线、射频、数模转换器和数字信号处理器等组件。通过天线发射射频模块产生的调频连续波信号，接收经人体发射后的回波信号，并与发射信号混频得到混频信号，然后利用低通滤波器滤除高频分量，最后通过采样和基带信号处理即可得到中频信号。
[0095]
(2)利用fft确定人体所在位置。根据采集得到的多个中频信号可以构成一个二维矩阵，其中包含采样点的一个扫频时间维度，即为快时间域，多个中频信号累积的维度构成慢时间域。对快时间域单中频信号的采样点进行fft 可以获取中频信号频谱，其频谱峰值对应不同距离的人体目标。
[0096]
(3)提取人体所在距离区间上的相位信号。利用fft确定人体所在位置后，利用反正切解调方法恢复生命信号的相位信号ψ(t)，即ψ(t)＝arctan(i(t)/q(t))，式中，i(t)和q(t)分别表示i、q 2路信号。
[0097]
(4)对相位信号进行差分和去噪。采用分段线性插值方法去除噪声对相位的影响。当相位差分值大于给定的阙值时，则采用分段线性内插值替代原先相位差分值。定义区间[ki，k
i+1
]上的子插值多项式fi为：
[0098][0099]
式中，ki表示相位信号f(k)的第i个采样点。那么，在整个区间[ki，kn]上的插值函数f(k)为：
[0100][0101]
其中，li(k)的定义如下：
[0102][0103]
(5)利用hr带通滤波器分离呼吸和心跳信号，一般呼吸频率(单位:hz) 区间为[0.2，0.8](12～48次/min)，心跳频率(单位:hz)区间为[0.8，2](48～120次/min)。因此，为了得到人体的呼吸和心跳信号，本发明拟采用hr带通滤波器从频域上对呼吸和心跳信号进行分离。
[0104]
(6)计算呼吸频率和心跳频率。根据hr带通滤波器分离出来的呼吸和心跳信号，并选取呼吸频率和心跳频率所在的频率区间上幅度最大的频率作为呼吸和心跳信号的频率，再将该频率乘以60，即可得到人体每分钟的呼吸频率和心跳频率。
[0105]
(7)利用上位机jetson nano开发板对检测数据进行存储与分析。jetsonnano可以运行各种各样的高级网络，包括流行的ml框架的完整原生版本，如 tensorflow，pytorch，caffe/caffe2，keras，mxnet等。通过实现图像识别，对象检测和定位，姿势估计，语义分割，视频增强和智能分析等强大功能，这些网络可用于构建自动机器和复杂ai系统.强大的jetson nano开发板作为上位机，增加了系统的可扩展性。
[0106]
(8)在上位机对数据处理后，驱动预设的电机机构，做出简单反应。如远程预警、呼叫值班医师、调节病床角度等行为，或在前端web或app中显示数据。
[0107]
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。