背景

目前生命體征的測量主要分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式的測量主要是通過傳感器或生物電極提取生理信息，然后通過轉(zhuǎn)化裝置就可以得到能表征人體生理活動的電信號或者機(jī)械信號。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間的連續(xù)監(jiān)測，并且在某些特殊的場合比如傳染病人、燒傷病人、新生兒等的生命體征監(jiān)測中較難實(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)測方法來獲取特殊場合的病人的生命體征信息是非常必要的。非接觸式監(jiān)測不需要任何傳感器接觸人體，這就使得連續(xù)測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)動之后，心跳次數(shù)可能達(dá)到120 次每分鐘，呼吸則會增至 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過程，這種運(yùn)動模式類似于振動的伸縮，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，也可近似為正弦振動模型，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，第二項為呼吸部分，第三項為心跳，Ah和Ab分別為心跳和呼吸的振動幅度，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)頻信號通過采用非線性相位調(diào)制技術(shù)獲得大時寬帶寬積，提高雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)探測能力、 測量精度和分辨能力，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)射頻率隨時間線性變化的信號，通過測量接收信號與發(fā)射信號的相對頻率關(guān)系來測量目標(biāo)信息。

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

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

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)生的回波延時為τ(t),其回波信號可表示為：

Kr為目標(biāo)反射系數(shù)。

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

2.2心跳和呼吸提取

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

易知多個發(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)頻信號周期數(shù)。則提取快時間維的初始相位信息，即可獲得人體心肺信號。由于相位序列范圍限制為[-π，π]，可知的φb(m)會因卷繞而出現(xiàn)相位突變，突變處的相位會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)致信號解算結(jié)果有誤。 因此，需要對φb(m) 進(jìn)行適當(dāng)?shù)南嘁疲M(jìn)行解卷繞操作。由公式2.4可知，兩個快時間維的相位變化為：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)時生命體征信息檢測

心肺信號需要進(jìn)行分離。生物雷達(dá)信號處理方法不同于常用的心電和脈搏波信號檢測方法，它檢測的是心跳和呼吸復(fù)合的信號。呼吸運(yùn)動在幅度上比心跳強(qiáng)得多，使得心跳運(yùn)動不易分離提取。而且呼吸與心跳引起的微動在體表空間上重疊，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)信號的波形表現(xiàn)為微弱的心跳信號疊加在幅度較大的呼吸信號之上。對于心跳信號，呼吸信號是一個強(qiáng)的基線漂移干擾，這使得時域上的尋峰或過零檢測等常規(guī)心率測量方法難以應(yīng)用到雷達(dá)解調(diào)信號的處理上來。

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

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