背景

目前生命體征的測(cè)量主要分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式的測(cè)量主要是通過(guò)傳感器或生物電極提取生理信息，然后通過(guò)轉(zhuǎn)化裝置就可以得到能表征人體生理活動(dòng)的電信號(hào)或者機(jī)械信號(hào)。但是這種方法的缺點(diǎn)是必須直接接觸人體并且只適合短時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)，并且在某些特殊的場(chǎng)合比如傳染病人、燒傷病人、新生兒等的生命體征監(jiān)測(cè)中較難實(shí)施。因此在實(shí)際臨床應(yīng)用上，找到一種非接觸式的生命體征監(jiān)測(cè)方法來(lái)獲取特殊場(chǎng)合的病人的生命體征信息是非常必要的。非接觸式監(jiān)測(cè)不需要任何傳感器接觸人體，這就使得連續(xù)測(cè)量病人的體征成為可能，也為分析機(jī)體的健康狀況以及做大數(shù)據(jù)分析、提前預(yù)知各種系統(tǒng)是否發(fā)生病變提供了幫助。

1.人體生命特征建模

心跳和呼吸頻率是人體心肺功能的重要指標(biāo)，對(duì)于一般人體而言，心跳每分鐘大約 60 至100 次，而呼吸則是 15 至 30 次。如遇突發(fā)疾病或是人體劇烈運(yùn)動(dòng)之后，心跳次數(shù)可能達(dá)到120 次每分鐘，呼吸則會(huì)增至 60 次每分鐘。在很多的醫(yī)學(xué)影像中可以觀察到人體心臟的跳動(dòng)過(guò)程，這種運(yùn)動(dòng)模式類似于振動(dòng)的伸縮，其伸縮的幅度約為 0.01~0.2mm。并且人體心跳的速率在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)是周期變化的，所以，可以將心跳近似于正弦振動(dòng)模型。呼吸是胸腔的擴(kuò)張與收縮完成的，同樣類似于正弦振動(dòng)，也可近似為正弦振動(dòng)模型，其起伏的幅度約為 0.1~0.5mm。由于心跳呼吸頻率不一樣，可以視為兩者之間存在相位延遲，假設(shè)人體相對(duì)于雷達(dá)處于靜止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)以上分析可以建立如下模型。

其中，R0為雷達(dá)與人體之間的距離，第二項(xiàng)為呼吸部分，第三項(xiàng)為心跳，Ah和Ab分別為心跳和呼吸的振動(dòng)幅度，fh和fb分別為心跳和呼吸的頻率值，θ是心跳的初始相位。

2.基于雷達(dá)的生命特征檢測(cè)原理

2.1 線性調(diào)頻連續(xù)波（LFMCW） 工作原理

線性調(diào)頻信號(hào)通過(guò)采用非線性相位調(diào)制技術(shù)獲得大時(shí)寬帶寬積，提高雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)探測(cè)能力、 測(cè)量精度和分辨能力，從而得到了廣泛的應(yīng)用。該體制雷達(dá)在發(fā)射周期內(nèi)發(fā)射頻率隨時(shí)間線性變化的信號(hào)，通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相對(duì)頻率關(guān)系來(lái)測(cè)量目標(biāo)信息。

雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)、回波信號(hào)以及差拍信號(hào)的瞬時(shí)頻率如圖 2-1 所示。 則掃頻段在第 m 個(gè)信號(hào)重復(fù)周期內(nèi)，發(fā)射信號(hào)可表示為：

其中T為發(fā)射調(diào)頻信號(hào)的時(shí)間間隔，f0是雷達(dá)載頻，φ0為發(fā)射信號(hào)初始相位。

μ=B/T（B為調(diào)頻帶寬）為調(diào)頻斜率。則距離為R(t)的點(diǎn)目標(biāo)產(chǎn)生的回波延時(shí)為τ(t),其回波信號(hào)可表示為：

Kr為目標(biāo)反射系數(shù)。

則回波信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻（發(fā)射-接收）、相干解調(diào)后，回波差拍信號(hào)可以表示為：

2.2心跳和呼吸提取

將雷達(dá)正對(duì)人體，距離R0 放置，心臟和胸腔散射中心對(duì)雷達(dá)回波的調(diào)制都蘊(yùn)含在雷達(dá)回波差拍信號(hào)中，只需分析差拍信息，就可提取出人體生命特征信號(hào)。 心臟和呼吸幅度均為毫米級(jí)別，而R0一般大于0.5m， 因此在慢時(shí)間維上近似認(rèn)為R(t)為常數(shù) R(mT)，對(duì)φb求關(guān)于慢時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)可得其信號(hào)參數(shù)如下：

易知多個(gè)發(fā)射周期的初始相位信息表達(dá)式為：

其中，N為發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)周期數(shù)。則提取快時(shí)間維的初始相位信息，即可獲得人體心肺信號(hào)。由于相位序列范圍限制為[-π，π]，可知的φb(m)會(huì)因卷繞而出現(xiàn)相位突變，突變處的相位會(huì)比未卷繞序列的相應(yīng)相位增加±2π，造成相位方差的增加，從而導(dǎo)致信號(hào)解算結(jié)果有誤。 因此，需要對(duì)φb(m) 進(jìn)行適當(dāng)?shù)南嘁?，進(jìn)行解卷繞操作。由公式2.4可知，兩個(gè)快時(shí)間維的相位變化為：Δφ=4π/λ(ΔR)，本方案中λ=8.6mm，-1mm＜ΔR＜1mm，則-π/2＜Δφ＜π/2。因此需要對(duì)相位變化不滿足Δφ的相位點(diǎn)進(jìn)行解卷繞操作。

2.4實(shí)時(shí)生命體征信息檢測(cè)

心肺信號(hào)需要進(jìn)行分離。生物雷達(dá)信號(hào)處理方法不同于常用的心電和脈搏波信號(hào)檢測(cè)方法，它檢測(cè)的是心跳和呼吸復(fù)合的信號(hào)。呼吸運(yùn)動(dòng)在幅度上比心跳強(qiáng)得多，使得心跳運(yùn)動(dòng)不易分離提取。而且呼吸與心跳引起的微動(dòng)在體表空間上重疊，由于雷達(dá)系統(tǒng)函數(shù)的非線性，易產(chǎn)生頻域交調(diào)。另外， 雷達(dá)信號(hào)的波形表現(xiàn)為微弱的心跳信號(hào)疊加在幅度較大的呼吸信號(hào)之上。對(duì)于心跳信號(hào)，呼吸信號(hào)是一個(gè)強(qiáng)的基線漂移干擾，這使得時(shí)域上的尋峰或過(guò)零檢測(cè)等常規(guī)心率測(cè)量方法難以應(yīng)用到雷達(dá)解調(diào)信號(hào)的處理上來(lái)。

在分離了呼吸和心跳信號(hào)之后，分別進(jìn)行頻率計(jì)算。對(duì)于心跳數(shù)據(jù)，先進(jìn)行移動(dòng)損毀判斷，如果波的能量超過(guò)了設(shè)定的閾值則丟棄該段數(shù)據(jù)，避免過(guò)大的運(yùn)動(dòng)所帶的能量影響最終計(jì)算的準(zhǔn)確性。然后對(duì)該數(shù)據(jù)分別進(jìn)行基于 FFT、自相關(guān)、峰值間隔的譜估計(jì)，并分別計(jì)算出其置信參數(shù)，然后根據(jù)置信參數(shù)進(jìn)行判斷最終取值。

在基于 FFT 計(jì)算心率的過(guò)程中，需要檢測(cè)并濾除呼吸產(chǎn)生的一次諧波，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行中值濾波。對(duì)于呼吸數(shù)據(jù)只進(jìn)行基于 FFT 和峰值間隔的譜估計(jì)，然后同樣根據(jù)計(jì)算出的置信參數(shù)判斷最終取值。