非接触式生命体征监护系统的呼吸与心跳信号分离算法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达领域，特别涉及一种基于非接触式生命体征监护系统的呼吸与心 跳信号分离算法。
【背景技术】
[0002] 心跳及呼吸是人体重要的身体特征状况信息。目前常用的处理生命体征监护系统 的信号处理方法为采用数字滤波器组对呼吸和心跳信号进行分离提取，运用该种方法时， 需要极高阶数的滤波器才能满足分离的性能要求，并且滤波器本身具有的相移和衰减也会 导致生命体征信号产生形变，因此该法测量精度存在较大的误差。
[0003] 回波信号中的呼吸成分较心跳成分来说，其幅度大、频率低，即主要变化趋势是由 呼吸信号来决定的。因此，采用基于插值运算的重构算法对呼吸信号进行拟合，得到包含实 际呼吸大部分信息的拟合呼吸信号波形是可行的。
[0004] 插值运算并不是试图找到适合于所有自变量数组X的全局最优拟合函数y = f (X)，而是希望能够找到一个解析函数连接自变量相邻的两个点（Xi, Xi+1)，并由此找到两 点之间的数值。在许多工程问题上，由于只能获得无规律的离散点，插值运算可以帮我们获 得近似的连续过程，便于数学的解析方法对已有数据进行处理和运算。
[0005] 本发明采用插值运算的原理，在复杂的正交解调信号当中选择恰当的内节点，并 用曲线将内节点光滑链接起来得到拟合呼吸信号波形，再从正交解调信号中将拟合呼吸信 号波形进行剔除，从而得到心跳信号波形，可以有效解决滤波器处理时面临的众多问题
【发明内容】
[0006] 本发明依托非接触式生命体征监护系统进行实现。
[0007] 该系统采用现代雷达技术和生物医学技术相融合的方式，基于多普勒检测原理， 运用无线测量的方式实时获取被测目标的体征信息，包括呼吸、心跳等；主要包括雷达信号 发射部分、雷达信号模拟接收部分和数字信号处理部分，其中，雷达信号模拟接收部分分别 与雷达信号发射部分和数字信号处理部分相连。
[0008] 发射部分用于通过发射天线向被测目标发出连续波信号并照射在目标的胸腔，连 续波信号经过由呼吸和心跳等周期信号引起的胸腔运动对其进行调制后得到回波信号；回 波信号经过模拟接收部分解调成为两路包含呼吸和心跳信息的正交数字信号，一路为I路 信号，另一路为Q路信号；I路和Q路信号经过数字信号处理部分进行生命体征信号的提取 及频率检测。
[0009] 实现本发明目的的技术解决方案为：
[0010] 步骤1，系统模拟端送来两路包含呼吸和心跳信息的正交数字信号，一路为I路信 号，另一路为Q路信号，对I路和Q路进行反正切处理得到正交解调信号。
[0011] 步骤2,利用基于插值运算的波形重构算法将步骤1获得的正交解调信号进行波 形重构处理得到拟合呼吸信号波形，具体步骤如下：
[0012] 步骤3,将步骤1中的正交解调信号中剔除步骤2获得的拟合呼吸信号得到心跳信 号波形。
[0013] 步骤4,对步骤2中获得的拟合呼吸信号波形进行傅里叶变换处理得到实时呼吸 频率，对步骤3中获得的心跳信号波形进行平滑处理后得到实时心跳波形，再经过傅立叶 变换处理得到实时心跳频率。
[0014] 本发明进一步采用以下技术手段实现发明目的：
[0015] (1)步骤2的具体过程为：
[0016] 步骤2. 1，选取内节点间隔η ;
[0017] 步骤2. 2,根据步骤2. 1中的内节点间隔η，采用插值运算中的三次样条插值算法 对正交解调信号进行波形重构，得到拟合呼吸信号波形。
[0018] 内节点间隔 η 应满足：Th · 乂 ·= /7 ?? I · /s;其中，nQ = 1，2, 3···，T A T 及别为 呼吸信号周期和心跳信号周期，fs为系统采样频率。
[0019] (2)步骤4的具体步骤如下：
[0020] 步骤4. 1，对拟合呼吸信号波形进行FFT运算，得到实时呼吸频率；
[0021] 步骤4. 2,对心跳信号波形进行平滑滤波处理，得到实时心跳波形；
[0022] 步骤4. 3,对实时心跳波形进行FFT运算，得到实时心跳频率。
[0023] 本发明与现有技术相比，其显著优点：⑴可有效对实际测得呼吸信号和心跳信 号进行分离提取，所得计算结果符合实际情况，同时基于本发明实施的双支路正交解调可 以有效的解决空点带来的信号频率无法检测问题；(2)本发明分离效果好，计算精度高，实 际应用性强，方便医务人员准确、实时、连续掌握病人的心跳及呼吸状况。
[0024] 下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明的非接触式生命体征监护系统的信号处理流程框图；
[0026] 图2为本发明的实际I、Q两路信号和正交解调信号波形；
[0027] 图3为本发明的内节点和拟合呼吸信号波形以及心跳信号波形；
[0028] 图4为本发明的拟合呼吸信号波形及其频谱图；
[0029] 图5为本发明的实时心跳波形及其频谱图。
【具体实施方式】
[0030] 结合图1，步骤1，系统模拟端送来两路包含呼吸和心跳信息的正交数字信号，一 路为I路信号（同相支路），另一路为Q路信号（正交支路），对I路和Q路进行反正切处 理得到正交解调信号。
[0031] 步骤2,利用基于插值运算的波形重构算法将步骤1获得的正交解调信号进行波 形重构处理得到拟合呼吸信号波形。
[0032] 步骤3,将步骤1中的正交解调信号中剔除步骤2获得的拟合呼吸信号得到心跳信 号波形。
[0033] 步骤4,对步骤2中获得的拟合呼吸信号波形进行傅里叶变换处理得到实时呼吸 频率，对步骤3中获得的心跳信号波形进行平滑处理后得到实时心跳波形，再经过傅立叶 变换处理得到实时心跳频率。
[0034] 步骤2的具体过程为：
[0035] 步骤2. 1，选取内节点间隔η ;
[0036] 步骤2. 2,根据步骤2. 1中的内节点间隔η，采用插值运算中的三次样条插值算法 对正交解调信号进行波形重构，得到拟合呼吸信号波形。
[0037] 内节点间隔 η 应满足：Th /G ;其中，η。= 1，2, 3. ·.，T !^与 T 别为 呼吸信号周期和心跳信号周期，fs为系统采样频率。
[0038] 步骤4的具体步骤如下：
[0039] 步骤4. 1，对拟合呼吸信号波形进行FFT运算，得到实时呼吸频率；
[0040] 步骤4. 2,对心跳信号波形进行平滑滤波处理，得到实时心跳波形；
[0041] 步骤4. 3,对实时心跳波形进行FFT运算，得到实时心跳频率。
[0042] 结合图2,系统模拟端送来两路包含呼吸和心跳信息的正交数字信号，一路为I路 信号，另一路为Q路信号，对I路和Q路进行反正切处理得到正交解调信号，经过步骤1后 得到正交解调信号如图2中最下方图形所示。
[0043] 结合图3,利用基于插值运算的波形重构算法将步骤1获得的正交解调信号进行 波形重构处理得到拟合呼吸信号波形。经过步骤2. 1后得到内节点如图3中星号所示；经 过步骤2. 2后得到拟合呼吸信号波形如图3中虚线所示。将步骤1中的正交解调信号中剔 除步骤2获得的拟合呼吸信号得到心跳信号波形。经过步骤3后得到心跳信号波形如图3 中加粗实线所示。
[0044] 结合图4、图5,对步骤2中获得的拟合呼吸信号波形进行傅里叶变换处理得到实 时呼吸频率，对步骤3中获得的心跳信号波形进行平滑处理后得到实时心跳波形，再经过 傅立叶变换处理得到实时心跳频率。经过步骤4. 1后得到呼吸信号频谱图如图4中最下方 图形所示，实时呼吸频率为17. 58次/分钟（即0. 293Hz);经过步骤4. 2后得到心跳信号 波形如图5中最上方图形所示；经过步骤4. 3后得到心跳信号频谱图如图5中最下方图形 所示，实时心跳频率为60. 06次/分钟（即I. OOlHz)。
【主权项】
1. 一种非接触式生命体征监护系统的呼吸与心跳信号分离算法，其特征在于，包括以 下步骤： 步骤1，非接触式生命体征监护系统送来正交的两路心跳和呼吸数字混合信号，一路为I路信号，另一路为Q路信号，对I路和Q路进行反正切处理得到正交解调信号； 步骤2,利用插值运算，将步骤1获得的正交解调信号进行波形重构后得到拟合呼吸信 号波形； 步骤3,将步骤1中的正交解调信号中剔除步骤2获得的拟合呼吸信号得到心跳信号波 形； 步骤4,对步骤2获得的拟合呼吸信号波形进行傅里叶变换处理得到实时呼吸频率，对 步骤3获得的心跳信号波形进行平滑处理后得到实时心跳波形，在经过傅立叶变换处理得 到实时心跳频率。
2. 根据权利要求1所述的非接触式生命体征监护系统的呼吸与心跳信号分离算法，其 特征在于，步骤2的具体过程如下： 步骤2.1，选取内节点间隔n; 步骤2. 2,根据步骤2. 1中得到的内节点间隔n，采用三次样条插值算法对正交解调信 号进行波形重构，得到拟合呼吸信号波形。
3. 根据权利要求2所述的非接触式生命体征监护系统的呼吸与心跳信号分离算法，其 特征在于：根据奈奎斯特采样定理，内节点间隔n应满足
其中，％= 1，2, 3. . .，T占T汾别为呼吸信号周期和心跳信号周期，fs为系统采样频 率。
4. 根据权利要求1所述的非接触式生命体征监护系统的呼吸与心跳信号分离算法，其 特征在于，步骤3中心跳信号获取包括如下步骤：将正交解调信号与步骤2中得到的拟合呼 吸信号波形做差，得到心跳信号波形。
5. 根据权利要求1所述的非接触式生命体征监护系统的呼吸与心跳信号分离算法，其 特征在于，步骤4实时频率获取包括如下步骤： 步骤4. 1，对拟合呼吸信号波形进行FFT运算，得到实时呼吸频率； 步骤4. 2,对心跳信号波形进行平滑滤波处理，得到实时心跳波形； 步骤4. 3,对实时心跳波形进行FFT运算，得到实时心跳频率。
【专利摘要】本发明提供一种基于非接触式生命体征监护系统的呼吸与心跳信号分离算法，包括：基于反正切处理原理，将模拟接收端接收到的I/Q两路信号进行反正切处理得到正交解调信号；采用基于插值运算的波形重构算法，选取内节点对呼吸信号进行拟合；将正交解调信号中的拟合呼吸信号波形进行剔除从而获得心跳信号波形；对拟合呼吸信号波形和心跳信号波形进行信号平滑以及频率提取操作，得到呼吸和心跳信号的实时频率。本发明方法可有效对正交解调信号中的呼吸信号和心跳信号进行分离提取，并准确获取两者频率信息，方便医务人员准确、实时、连续掌握病人的呼吸和心跳状况。
【IPC分类】A61B5-07, A61B5-0205, A61B5-113, A61B5-0245
【公开号】CN104605831
【申请号】CN201510056983
【发明人】洪弘, 王蒙, 李彧晟, 顾陈, 李洪涛, 朱晓华
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月3日