一种基于非接触传感手段的呼吸引导与调节系统

本发明属于非接触式呼吸信号检测，涉及非接触呼吸信号采集、呼吸信号处理和呼吸引导与调节技术，具体涉及一种基于非接触传感手段的呼吸引导与调节系统。

背景技术：

1、随着社会不断发展，工作压力的不断增大，受到心血管疾病、高血压、抑郁、焦虑、社交功能障碍等疾病的人越来越多，极端情况下可能会引起死亡事件。压力会导致呼吸频率、心率以及收缩压和舒张压升高，是许多慢性疾病发展的主要风险因素。因此，能够实时检测人体呼吸等生命体征的方法和系统就显得尤其关键和重要。

2、医学研究表明，人在各种不同条件下其呼吸型式不同，以膈和腹壁肌运动为主者称为“腹式呼吸”。腹式呼吸法着重于呼吸并减慢呼吸频率，方法是在扩张腹部并通过鼻子深吸气时数呼吸，暂停，然后收缩腹部并通过嘴巴缓慢而完全地呼气。当人体有规律地做引导腹式呼吸情况下，能降低血压，改善人体生理状态。深呼吸有助于促进血液循环，增加慢性阻塞性肺病等患者的动脉血氧饱和度，对一些慢性疾病治疗过程起到重要作用。

3、基于现有研究，非接触式的呼吸检测系统较多。然而，对于一些特殊的患者，例如烧伤患者和早产儿、传染性疾病患者等，传统接触式测量往往需要花费大量时间准备，以避免直接接触造成的额外风险，而非接触式生命体征监测可以避免这些缺点和不足。雷达为生理监测提供了一种非接触式和非侵入式的方法。特别适用于这些禁止接触方式的场景。雷达非接触式方法可以确保更准确的评估，因为目标对象在不知道测量设备时往往会有更多的自主呼吸模式。

4、现尚未有用于非接触式呼吸引导与调节的完备系统，针对接触式呼吸检测存在的皮肤接触不舒适、交叉感染风险、无法长期监测等问题，本专利提出了一种基于非接触传感手段的呼吸引导与调节系统。该系统利用雷达传感器测量呼吸信号，对监测人群而言更加方便，并且这种非接触式测量比紧贴肌肤表面测量更舒适。该系统能够非接触式地检测和引导呼吸，通过腹式呼吸引导运动，实时地监测用户健康状态，改善人体生理状态，预报呼吸性疾病的发生。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于非接触传感手段的呼吸引导与调节系统，通过毫米波雷达传感器实现非接触式采集呼吸信号，由单片机模块处理后通过串口将数据上传到上位机，进行信号处理和特征数据提取，进而通过特征数据分析识别呼吸模式，根据呼吸频率进行腹式呼吸引导，完成闭环调控，实时地检测用户健康状态，有效预报呼吸性疾病的发生。

2、技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于非接触传感手段的呼吸引导与调节系统，包括非接触式呼吸信号采集硬件模块、上位机显示模块、呼吸特征提取模块、呼吸模式识别模块、呼吸引导与调节模块，其中非接触式呼吸信号采集硬件模块包含毫米波雷达传感器模块和单片机模块；所述毫米波雷达传感器模块用于非接触式采集人体由于呼吸引起的胸部和腹部微动信号；所述单片机模块用于处理雷达采集的微动信号，提取出呼吸的相位信号和幅值信号，通过串口通信与上位机进行数据传输；所述上位机显示模块包含呼吸运动轨迹、呼吸特征数据、呼吸引导与调节指示以及人体距离等的显示；所述呼吸特征提取模块包含呼吸气过程识别、呼吸频率、呼吸比等呼吸特征数据的计算；所述呼吸模式识别模块，通过对呼吸特征数据分析，进行胸式呼吸和腹式呼吸模式的识别；所述呼吸引导与调节模块通过上位机界面做出目标呼吸频率指示，对目标进行腹式呼吸引导，完成呼吸频率的调节。

4、进一步地，所述非接触式呼吸信号采集硬件模块包括毫米波雷达传感器和单片机硬件模块。所述毫米波雷达传感器模块用于非接触式采集人体呼吸引起的微动信号，并将数据传输至单片机进行预处理。雷达传感器通过串行外设接口将数据传输至单片机模块。所述单片机模块对毫米波雷达采集传输的雷达信号数据处理，并计算信号的相位和幅值信息以及目标的距离信息。

5、进一步地，所述上位机显示模块在电脑端显示，通过串口与单片机模块通信传输数据，对硬件获取的雷达回波信号进行滤波等处理提取出呼吸信号，并将信号进行存储与显示。

6、进一步地，所述上位机显示模块与呼吸特征提取模块、呼吸引导与调节模块形成数据交互。

7、进一步地，所述呼吸特征提取模块对存储呼吸信号和实时呼吸信号进行数据处理，提取出呼吸特征数据等，并将数据返回给上位机显示。

8、进一步地，所述呼吸特征提取模块对雷达提取的呼吸信号进行峰值搜索，可以找到信号的波峰值、波谷值及其时间索引。对于雷达检测到的呼吸信号，峰值表示吸气和呼气之间的过渡。

9、进一步地，选取一定时间窗口大小的呼吸信号做滑动处理，其中1秒为实时更新的当前时刻呼吸信号，其余为存储的呼吸信号。对信号进行快速傅里叶变换(fast fouriertransform，fft)，做频域分析，提取的峰值频率作为当前时刻的呼吸频率。

10、进一步地，在一定时间内，波峰数表示呼吸活动中呼气的次数，波谷数表示呼吸活动中吸气的次数。呼气深度定义为从波峰到波谷的总位移，呼气时间为两点之间的时间，呼气速率计算方式为呼气深度/呼气时间。吸气深度定义为从波谷到波峰的总位移，吸气时间为两点之间的时间，吸气速率计算方式为吸气深度/呼气时间。呼吸比定义为呼气时间/吸气时间。

11、进一步地，识别出目标的呼气与吸气过程特征之后，打开上位机的呼气或吸气指示灯。

12、进一步地，所述呼吸模式识别模块，对雷达呼吸轨迹中提取的相关特征进行分类，识别胸式呼吸和腹式呼吸模式。胸式呼吸，是指以胸廓运动为主完成的呼吸形式，主要靠肋间肌肉收缩放松，呼吸气深度较大，速率较快，呼吸相位变化较快。腹式呼吸，是指横隔肌运动为主完成的呼吸形式，呼吸气深度较小，速率较慢，呼吸相位变化较慢。

13、进一步地，所述呼吸引导与调节模块将呼吸引导的指示传输至上位机模块，实现腹式呼吸引导调节的闭环交互系统，引导用户进行呼吸状态的调节。

14、进一步地，所述呼吸引导与调节模块，目标指示频率数值是结合当前目标呼吸特征数据与生理活动状态、心理状态调节需求而进行设定的。当所述呼吸频率小于目标频率时，上位机界面做出指示，引导用户加快腹式呼吸，当所述呼吸频率大于目标频率时，引导用户放慢腹式呼吸。

15、进一步地，所述呼吸引导与调节模块，对用户做出腹式呼吸引导与调节活动之后，评估用户的呼吸特征参数，分析用户的生理健康状态与系心理状态，做出呼吸性疾病预测。

16、与现有技术相比，本发明提供的非接触呼吸引导与调节系统的有益效果包括：

17、(1)本发明的信号采集模块应用了雷达与单片机融合，能够非接触式高效地采集处理呼吸信号，并能够长期监测，而不影响用户活动。

18、(2)本发明的上位机界面能够实时地和非接触式呼吸信号采集硬件模块、呼吸特征提取模块进行数据交互，在上位机界面显示呼吸信号轨迹、呼吸特征等数据更具有实时性。通过对特征数据进行分析，可以准确地识别人体的不同呼吸模式。

19、(3)本发明可以实现用户的腹式呼吸引导闭环调控，完成呼吸频率的调节，有助于促进人体血液循环，降低血压，改善人体生理状态。对调节后的用户呼吸特征数据进行分析，可以有效的识别用户的生理和心理健康状态，有效的做出呼吸性疾病预测。