信号探测器及信号探测方法与流程

本发明涉及信号处理领域，具体而言，涉及一种信号探测器及信号探测方法。

背景技术：

当前，非侵入式人体组织生理信号探测已有多种技术途径。在心血管状态参数检测领域，压电信号传感器、心电信号传感器(electrocardiograph，简称为ecg)、光电容积脉搏波信号传感器(photoplethysmography，简称为ppg)、生物阻抗信号传感器(impedancecardiography，简称为icg)、多普勒频移/相移信号传感器等均取得了显著的研究成果，并有众多相关产品问世。

从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗依据，历来都受到中外医学界的重视。研究表明，在人体主动脉血管上测量脉搏波能够获得更加真实有效的信号。但由于主动脉血管埋藏在人体复杂的皮肤、脂肪、肌肉、骨骼等组织中，给各项探测技术都带来严峻挑战。

压电信号传感器不可避免的需要气囊施加外部压力以压迫血管来完成血压测量，外部施压往往会给人带来情绪紧张、感觉不适等不良反应，从而影响检测精度和使用体验；心电信号传感器需要在人体皮肤上直接贴金属电极片，或至少需要双手触摸电极；光电容积脉搏波信号传感器目前只适用于皮肤表面毛细血管测量，信号极不稳定，且受肤色影响；生物阻抗信号传感器同样需要在心脏四周粘贴测量电极；而多普勒频移/相移检测方式检测到的信号非常微弱，容易受到干扰，且需要复杂的信号处理，检测精度较低。

在相关技术中，在对人体组织生理活动进行探测时，一般将信号输入口连接待测人体组织，通过对应的测量电路对输入的信号以及对信号输出口的输出信号进行测量，从而得到获得人体组织生理活动信号，由于需要同时对天线输入端口的入射信号和反射信号进行测量，增加了测量电路的复杂度。

在相关技术中，另外一种测量方式是：基于电感或电容感测，人体组织产生的寄生电容或寄生电感随脉搏周期性的搏动而变化，从而引起传感器谐振电路参数(谐振频率)的变化。为了获得较高的探测灵敏度，要求该谐振电路具有较高的本征品质因数。由于人体组织本身具有的高损耗和高介电特性，该谐振电路很容易受到极大影响，对传感器实际使用带来诸多困难和不便。

因此，在相关技术中，对组织生理活动进行测量时，存在测量复杂，使用不便的问题。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种信号探测器及信号探测方法，以至少解决相关技术中，对组织生理活动进行测量时，存在测量复杂，使用不便的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种信号探测器，包括：射频rf信号发生器，用于产生rf信号；rf天线，用于根据输入的所述rf信号激励起交变电场，并接收电场扰动信号；其中，所述电场扰动信号为交变电场被待测皮肤表面的振动信号所扰动，待测皮肤表面的振动信号幅度调制到交变电场上产生的调幅信号；调幅包络检波器，用于从所述电场扰动信号中解调出所述待测皮肤表面的振动信号。

可选地，该信号探测器还包括：rf输出功率放大器，用于放大所述射频rf信号发生器产生的rf信号，并控制输出功率在-10dbm至20dbm；rf输出匹配电路，用于将所述rf信号的输出阻抗匹配到rf天线的输入阻抗；rf输入匹配电路，用于完成对从所述rf天线接收的所述电场扰动信号的最大功率传输。

可选地，该信号探测器还包括：第一滤波器，用于滤除从所述rf输入匹配电路输出的电场扰动信号中所述rf信号的工作频段外的干扰信号；第二滤波器，用于根据所述待测皮肤表面的振动信号的频谱特征，滤除从所述调幅包络检波器中输出的所述待测皮肤表面的振动信号中预定截止频率外的干扰信号；信号放大器，将解调出的所述待测皮肤表面的振动信号进行放大；模拟数字ad转换器，用于将解调出的所述待测皮肤表面的振动信号转换为数字信号；数据信号处理器，用于对所述数字信号进行处理和显示。

可选地，所述rf天线为一个或多个，所述rf天线支持收发共用，或者支持收发分离，其中，所述rf天线采用非平衡式馈电。

可选地，所述rf天线制作在柔性电路板fpc上；或者，所述rf天线制作在柔性导电编织物上，其中，采用导电纱线刺绣工艺或导电织布裁剪后粘贴的方式制作在贴身衣物上。

可选地，所述rf天线周边预定距离内增加有一个或多个耦合部件，以及所述一个或多个耦合部件对应的匹配电路，用于改变所述rf天线的电场分布。

可选地，所述耦合部件为金属结构，所述耦合部件的形状为以下之一：矩形片、曲折线、矩形片的变形、曲折线的变形，其中，所述耦合部件与所述rf天线间的间距可调；所述一个或多个耦合部件对应的匹配电路用于互联对应的耦合部件和电路金属地。

可选地，该信号探测器还包括：绝缘隔离层，设置于所述rf天线与待测皮肤表面之间，用于隔离出空气间隔。

可选地，所述绝缘隔离层的材质为医用硅胶、动物皮质、皮革。

根据本发发明的另一个方面，提供了一种信号探测方法，包括：采用射频rf信号发生器产生rf信号；通过rf天线根据输入的所述rf信号激励起交变电场，并接收电场扰动信号；其中，所述电场扰动信号为交变电场被待测皮肤表面的振动信号所扰动，待测皮肤表面的振动信号幅度调制到交变电场上产生的调幅信号；采用调幅包络检波器从所述电场扰动信号中解调出所述待测皮肤表面的振动信号。

可选地，在采用所述rf信号发生器产生所述rf信号之后，采用rf输出功率放大器放大所述射频rf信号发生器产生的rf信号；并通过rf输出匹配电路将所述rf信号的输出阻抗匹配到rf天线的输入阻抗；在采用调幅包络检波器从所述电场扰动信号中解调出所述待测皮肤表面的振动信号之前，采用rf输入匹配电路完成对从所述rf天线接收的所述电场扰动信号的最大功率传输；以及采用第一滤波器滤除从所述rf输入匹配电路输出的电场扰动信号中所述rf信号的工作频段外的干扰信号；在采用调幅包络检波器从所述电场扰动信号中解调出所述待测皮肤表面的振动信号之后，采用第二滤波器根据所述待测皮肤表面的振动信号的频谱特征，滤除从所述调幅包络检波器中输出的所述待测皮肤表面的振动信号中预定截止频率外的干扰信号；通过信号放大器，将解调出的所述待测皮肤表面的振动信号进行放大；通过模拟数字ad转换器将解调出的所述待测皮肤表面的振动信号转换为数字信号；以及采用数据信号处理器对所述数字信号进行处理和显示。

在本发明实施例中，采用将待测皮肤表面的振动信号的振动幅度调制到交变电场上产生的电场扰动信号，并从该电场扰动信号中解调出待测皮肤表面的振动信号的方式，达到了直接测量组织生理活动的目的，进而解决了相关技术中，对组织生理活动进行测量时，存在测量复杂，使用不便的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的信号探测器的结构示意图；

图2是根据本发明第一实施例的可穿戴式用于检测人体皮肤表面振动的探测器的rf天线的示意图；

图3是根据本发明第一实施例的可穿戴式用于检测人体皮肤表面振动的探测器装置的示意图；

图4是根据本发明实施例的人体桡动脉处皮肤表面振动的探测结果的示意图；

图5是根据本发明第二实施例的可穿戴式用于检测人体皮肤表面振动的探测器装置的示意图；

图6是根据本发明第一实施例的流程图。

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、系统、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。

组织生理活动，例如，人体的浅表动脉如桡动脉、肱动脉、颈动脉、锁骨下动脉等区域，通常动脉血管离皮肤表面很近，由脉搏波引起的血管振动可以直接传播，并反映到其相邻皮肤表面的振动上。大量的临床实测结果证实，脉搏波其表现出的形态(波的形状)、强度(波的幅值)、速率(波的速度)与节律(波的周期)等方面的综合信号，在相当程度上反映出人体心血管系统的许多生理和病理特征。基于此，在本发明实施例中，提供了一种信号探测器，图1是根据本发明实施例的信号探测器的结构示意图，如图1所示，该信号探测器包括：

射频(radiofrequency，简称为rf)信号发生器11，用于产生rf信号，例如，可以用于产生一个连续波rf信号，信号频率处于rf天线谐振频段内；rf天线12，与上述rf信号发生器11连接，用于根据输入的rf信号激励起交变电场，并接收电场扰动信号，其中，该电场扰动信号为交变电场被待测皮肤表面的振动信号所扰动，待测皮肤表面的振动信号幅度调制到交变电场上产生的调幅信号；调幅包络检波器13，与上述rf天线12连接，用于从电场扰动信号中解调出待测皮肤表面的振动信号。

通过上述信号探测器，采用将待测皮肤表面的振动信号的幅度调制到交变电场上产生的电场扰动信号，并从该电场扰动信号中解调出待测皮肤表面的振动信号的方式，达到了直接测量组织生理活动的目的，进而解决了相关技术中，对组织生理活动进行测量时，存在测量复杂，使用不便的技术问题。

其中，该rf天线可以采用非平衡式馈电，工作在近场模式，用于在待测人体皮肤表面区域产生一个交变的振荡电场；交变电场会被人体皮肤表面的振动所扰动，从而将皮肤表面振动幅度调制到交变电场上，产生调幅的电场扰动信号。另外，需要说明的是，该rf天线也可以为一个或多个，而且，该rf天线可以支持收发共用，也可以支持收发分离。因此，可以根据具体需要或者设计要求灵活选择。

可选地，rf天线可以优先制作在柔性电路板(flexibleprintedcircuit，简称为fpc)介质基板上，其中，该fpc介质基板具有一定的柔韧性，能够与人体组织皮肤表面良好共形、自如贴合。

可选地，该rf天线也可以优先制作在柔性金属编织物上，采用金属纱线刺绣工艺或导电布裁剪后粘贴的方式制作在贴身衣物上。

可选地，该rf天线周边预定距离内可以增加一个或多个耦合部件及其对应的匹配电路，以改变该rf天线附近的电场分布，在目标区域获得最大的电场强度；通常该预定距离不大于rf天线工作频率的四分之一波长，其中，匹配电路为耦合部件与电路金属地之间的互联。

可选地，在rf天线两侧还可以增加一个或多个金属结构作为耦合部件，金属结构可以为矩形片、曲折线或其变形。其中，增加的金属结构与天线间的间距可调。还可以通过优化耦合部件的形状与间距，以及其与电路金属地互联匹配，从而调整天线两侧的电场强度与分布，达到提高皮肤表面振动对天线附近交变电场的调幅效果。

为实现装置的简化，优选地，该信号探测器还可以设置一双工器，该双工器与rf天线相连，用于实现rf天线的收发共用。

为保证安全，在rf天线与待测皮肤表面之间设置一绝缘隔离层；该rf天线和人体皮肤表面之间有一层低介电损耗的、具生物相容性的绝缘隔离层。

需要说明的是，绝缘隔离层的材质可以为医用硅胶、动物皮质、皮革，例如，该低介电损耗的绝缘隔离层可以采用医用硅胶为主要材质，医用硅胶注塑包裹该rf天线，通过开槽或加棱，使隔离层与皮肤表面之间的介质为空气。

可选地，绝缘隔离层可以采用牛皮、羊皮等动物皮质、皮革为主要材质，将该rf天线用动物皮质蒙皮，通过开槽或加棱，使隔离层与皮肤表面之间的介质为空气。

为了使得输出到rf天线上的信号合适，该探测器还可以包括：rf输出功率放大器，用于放大连续波rf信号，并将输出功率限制在-10dbm至20dbm。

另外，该探测器还可以包括：rf输出匹配电路，用于将所述rf信号的输出阻抗匹配到rf天线的输入阻抗，例如，将所述rf信号源或rf输出功率放大器输出的rf信号的输出阻抗匹配到rf天线的输入阻抗；rf输入匹配电路，用于完成对从rf天线接收的电场扰动信号的最大功率传输。实现rf信号的尽可能的无损传输。

为了有效地控制干扰信号的干扰，该信号探测器，还可以包括：第一滤波器，用于滤除连续波rf信号工作频段外的干扰信号。

为了进一步地避免干扰信号的干扰，该信号探测器，还可以包括：第二滤波器，用于根据人体皮肤表面振动信号的频谱特点，选取合适截止频率，滤除其他干扰信号。

在解调出待测皮肤表面的振动信号后，为有效实现对该待测皮肤表面的振动信号进行有效处理，该信号探测器还包括：信号放大器，用于将解调出的所述待测皮肤表面的振动信号进行放大；ad转换器，用于将解调出的人体皮肤表面振动信号转换成数字信号；以及数字信号处理器，用于对转换成的数字信号进行后续的算法处理和显示。

需要说明的是，上述实施例所提供的探测器可以为一种可穿戴式用于检测人体皮肤表面振动的探测器，有效解决了相关技术中探测器检测生理组织时需要气囊加压、直接皮肤接触，易受干扰、检测精度低等技术问题。

下面以信号探测器为一种可穿戴式用于检测人体皮肤表面振动的探测器为例进行说明。

图2是根据本发明第一实施例的可穿戴式用于检测人体皮肤表面振动的探测器的rf天线的示意图，如图2所示，该rf天线包括：

rf天线辐射体，该rf天线辐射体为单一辐射体，采用非平衡式馈电，以提高天线与人体组织的电场耦合强度，并且有利于天线周围耦合部件的设计。

耦合部件1、耦合部件2，分别分布在rf天线辐射体两侧；耦合部件的形状、与rf天线辐射体的间接可调。

匹配电路1、匹配电路2，分别连接对应的耦合部件，并实现不同的匹配，达到调整电场分布，改善皮肤表面振动的幅度调制效果。

图3是根据本发明第一实施例的可穿戴式用于检测人体皮肤表面振动的探测器装置的示意图，如图3所示，该探测器装置包括：

rf天线12，该rf天线可以采用非平衡式馈电，工作在近场模式。

其中，该rf天线12可以优先设计成柔性天线，以便更易与人体贴合；可选地，该rf天线12采用平面印制方式制作在柔性fpc介质基板上；可选地，该rf天线12采用导电纱线刺绣工艺或导电织布裁剪后粘贴方式制作在贴身穿戴的衣物上；

双工器38；与上述rf天线相连，实现rf天线的收发共用；

绝缘隔离层39；用于在上述rf天线和人体皮肤表面之间有一层低介电损耗的、具生物相容性的绝缘隔离层；

其中，绝缘隔离层具有低的介电损耗，厚度应尽量薄，建议不超过1mm,以降低能量在介质中传播的损耗。绝缘隔离层具有良好的生物相容性以保证与人体皮肤长期接触的安全；绝缘层还具有较好的机械柔韧性，能与人体各部位皮肤良好共形，并在两者之间应引入足够的空气间隔，以保障绝缘隔离层没有压迫皮肤表面振动。

可选的，低介电损耗的、具生物相容性的绝缘隔离层采用医用硅胶为主要材质，医用硅胶注塑包裹rf天线，通过开槽或加棱，使隔离层与皮肤表面之间的介质为空气。

可选的，低介电损耗的、具生物相容性的绝缘隔离层采用牛皮、羊皮等动物皮质、皮革为主要材质，将rf天线用动物皮质蒙皮，通过开槽或加棱，使隔离层与皮肤表面之间的介质为空气。

rf信号发生器11；产生一个的连续波rf信号，信号频率为rf天线谐振频段内；

rf输出功率放大器36；放大连续波rf信号，输出功率限制在-10dbm至20dbm；

rf输出匹配电路37；将rf输出功率放大器的输出阻抗以最大功率匹配方式匹配到天线的输入阻抗；

rf输入匹配电路35；将天线的输出阻抗以最大功率匹配方式匹配到下一级电路；

第一滤波器34；滤除连续波rf信号工作频段外的干扰信号；

调幅包络检波器13；解调携带有皮肤表面振动信号的调幅电场扰动信号；

第二滤波器33；根据人体皮肤表面振动信号的特点，选取合适截止频率，滤除其他干扰信号；

信号放大器32；用于将解调出的所述待测皮肤表面的振动信号进行放大；

ad转换器与数字信号处理器31；将解调出的人体皮肤表面振动信号转换成数字信号，并进行后续的算法处理。

图4是根据本发明实施例的人体桡动脉处皮肤表面振动的探测结果的示意图，采用418mhz的探测信号，通过腕带式手表测试得到的脉搏信号波形如图4所示，测试结果同时显示：波峰幅值8520000左右，波谷幅值8350000左右，脉搏波状态是随时间连续的等。测试结果表明，本发明实施例的人体皮肤表面振动的探测方法可用并具有良好的结果。

图5是根据本发明第二实施例的可穿戴式用于检测人体皮肤表面振动的探测器装置的示意图，如图5所示，该实施例与图3的区别在于，将调幅包络检波器13换成了混频器51，且省略了信号放大器32。混频器51需要rf信号发生器11提供一路rf信号作为本振信号用于与第一滤波器34之后的接收信号进行同步解调，该方法可以提高解调电路转换增益，节省掉信号放大器。

根据本发明实施例，提供了一种可穿戴式用于检测人体皮肤表面振动的探测方法。该探测方法可以由本发明第一实施例的探测器装置执行，图6是根据本发明第一实施例的流程图，如图6所示，该方法包括如下步骤：

步骤s101，将rf天线放置在人体有浅表振动的皮肤表面，如桡动脉、肱动脉、颈动脉、锁骨下动脉等对应位置处；

步骤s102，rf信号发生器产生一个连续波rf信号，通过rf输出功率放大器放大，经rf输出匹配电路，连接到天线双工器信号输入端；此时，天线周围附近会激励起交变的振荡电场；交变电场会被人体皮肤表面的振动所扰动，从而将皮肤表面振动幅度调制到交变电场上，产生调幅的电场扰动信号；

步骤s103，该电场扰动信号被rf天线探测到，经过双工器输出端口连接到rf输入匹配电路；

步骤s104，经过第一滤波器滤除工作频段外的干扰信号，由调幅包络检波器解调出人体皮肤表面振动信号；

步骤s105，解调出的人体皮肤表面振动信号，经第二滤波器滤波，通过ad转换，输入到数字信号处理器中做后续处理。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。