基于微波非接觸式呼吸檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

梁松，蔡雨，王慧泉△，韓旭，胡猛

(1.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，天津 300387)

1 引 言

呼吸是一種至關(guān)重要的人體生命活動(dòng)，機(jī)體的新陳代謝離不開呼吸運(yùn)動(dòng)的正常進(jìn)行[1]。呼吸生理參數(shù)能直接反映人體生理狀況，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)可及時(shí)獲取人體的生理信息，預(yù)防疾病的發(fā)生[2]。

對(duì)人體呼吸的檢測(cè)，現(xiàn)階段采用較多的是傳統(tǒng)接觸式方法，利用粘性電極片或靈敏傳感器與人體肌膚直接相接觸，當(dāng)有肌膚灼傷感染情況時(shí)不能進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)用環(huán)境大為受限[3]，出于安全性與應(yīng)用廣泛性考慮，需要對(duì)人體呼吸進(jìn)行遠(yuǎn)距離無創(chuàng)檢測(cè)，非接觸式呼吸檢測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生。該方式可穿透障礙物如衣服、被褥，檢測(cè)人體呼吸參數(shù)，較為典型的方法有光電檢測(cè)、紅外呼吸檢測(cè)、生物雷達(dá)檢測(cè)等[4]。因外界環(huán)境的溫度、光強(qiáng)的易變性，生物雷達(dá)檢測(cè)法應(yīng)用較廣泛。

本研究目的是設(shè)計(jì)一種基于微波非接觸式檢測(cè)人體呼吸系統(tǒng)，對(duì)多組人群進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示該系統(tǒng)可有效檢測(cè)出人體的呼吸信號(hào)且檢測(cè)魯棒性較高，同時(shí)可以克服人體體位對(duì)檢測(cè)的影響。

2 檢測(cè)原理分析

微波雷達(dá)供電時(shí)，天線發(fā)射連續(xù)的正弦波形信號(hào)，振幅對(duì)信號(hào)忽略不計(jì)，發(fā)射信號(hào)為：

T(t)=cos(2πft+φ(t))

(1)

式(1)中，f代表微波電磁波的載頻，φ(t)為相位噪聲。當(dāng)受測(cè)者與雷達(dá)天線距離為d，人體呼吸運(yùn)動(dòng)致胸腹腔時(shí)變位移為x(t)，則電磁波傳輸?shù)目偩嚯x為2d(t)=2d+2x(t)。

微波雷達(dá)電磁波照射到人體的胸腹部，當(dāng)雷達(dá)天線接收信號(hào)時(shí)，回波信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

式(2)中，c為電磁波信號(hào)傳播速度，γ=c/f表示微波波長(zhǎng)。在信號(hào)解調(diào)方面，將微波發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)進(jìn)行混頻，后經(jīng)低通濾波得：

(3)

式(3)中θ是固定的相位相移，第二項(xiàng)為常量，第三項(xiàng)為人體胸腹部時(shí)變位移產(chǎn)生的變化量，解調(diào)出的信號(hào)隨胸腹腔時(shí)變位移而產(chǎn)生周期性輸出[5]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以多普勒原理為理論基礎(chǔ)，進(jìn)行微波系統(tǒng)的研制，實(shí)現(xiàn)呼吸數(shù)據(jù)采集，為后續(xù)微波系統(tǒng)測(cè)試提供數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本研究研制的微波檢測(cè)系統(tǒng)組成單元有微波檢測(cè)模塊、ARM處理器、信號(hào)增益模塊、串口及無線通信模塊、供電電源管理模塊、紅外檢測(cè)、系統(tǒng)報(bào)警模塊。本研究設(shè)計(jì)的微波電磁波形式為等幅正弦波，微波模塊天線接收一體。從微波接收信號(hào)中提取目標(biāo)信息時(shí)呼吸頻率在0.1～8 Hz，且信號(hào)幅度微弱[6]。微波檢測(cè)前端硬件電路需進(jìn)行增益運(yùn)放提高信號(hào)信噪比，同時(shí)需對(duì)混頻后信號(hào)進(jìn)行直流偏移校正，模擬濾波器的下限截至頻率為0.05 Hz，上限為10 Hz。

3.2 工作流程

系統(tǒng)就緒后，紅外模塊先檢測(cè)待測(cè)人體，如待測(cè)人體不存在則微波檢測(cè)系統(tǒng)處于靜默狀態(tài)，節(jié)約功耗。當(dāng)檢測(cè)到待測(cè)人體時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)射電磁波開啟呼吸檢測(cè)。微波模塊振蕩器形成24 GHz的連續(xù)周期電磁波，發(fā)射到人體體表，根據(jù)多普勒理論，經(jīng)過混頻，硬件二階反相型電路放大從回波信號(hào)中解調(diào)出人體呼吸信號(hào)，由ARM進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)無線傳輸至上位機(jī)做信號(hào)分析處理。供電驅(qū)動(dòng)對(duì)整個(gè)微波檢測(cè)系統(tǒng)供電，系統(tǒng)報(bào)警單元具有預(yù)警功能，預(yù)防意外出現(xiàn)。

圖1 微波非接觸呼吸檢測(cè)系統(tǒng)硬件框圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)研制出的微波系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試和系統(tǒng)魯棒性測(cè)試。 利用微波系統(tǒng)與權(quán)威商用設(shè)備同時(shí)對(duì)正常健康待測(cè)人體進(jìn)行檢測(cè)，獲取檢測(cè)信號(hào)，分析測(cè)得信號(hào)是否為呼吸信號(hào)，如否，返回系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)；如是，進(jìn)行下一步系統(tǒng)魯棒性測(cè)試，測(cè)試情形為多種人體體位與多種人群。魯棒性指標(biāo)為呼吸次數(shù)，因測(cè)試數(shù)據(jù)量大，為便于處理，需對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行呼吸提取，與實(shí)驗(yàn)記錄的呼吸數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較，分析可靠性。圖2是本微波系統(tǒng)的測(cè)試流程圖。

圖2 系統(tǒng)測(cè)試流程框圖

4.1 系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試與結(jié)果

測(cè)試系統(tǒng)與受試者準(zhǔn)備就緒后，微波檢測(cè)系統(tǒng)與權(quán)威呼吸檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，以驗(yàn)證該系統(tǒng)檢測(cè)出來的信號(hào)是人體的呼吸信號(hào)，而不是其它生理信號(hào)。如測(cè)試成功，則說明本研究研制的系統(tǒng)能檢測(cè)出人體的真實(shí)呼吸信號(hào)。

以怡和嘉業(yè)公司的鼻氣流設(shè)備YH-600B作為對(duì)照參考，微波系統(tǒng)與YH-600B同時(shí)、同步對(duì)受試者進(jìn)行呼吸信號(hào)采集，見圖3。YH-600B 呼吸軟件界面中Flow曲線表示呼吸信號(hào)。

圖3微波系統(tǒng)與YH-600B同步采集測(cè)試場(chǎng)景

Fig.3Microwave system and YH-600B synchronousacquisition test scenario

圖4YH-600B采集到的呼吸信號(hào)

Fig.4Respiratory signal collected by YH-600B

圖5 微波系統(tǒng)采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)

圖4-圖5是YH-600B和微波系統(tǒng)同步采集的結(jié)果。分析比較得出Flow呼吸曲線與微波采集信號(hào)波形有相同的時(shí)域波形特征，F(xiàn)low曲線對(duì)應(yīng)呼吸時(shí)刻點(diǎn)、呼吸次數(shù)、呼吸間隔在微波采集信號(hào)波形有相同體現(xiàn)。經(jīng)大量同步采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，同樣得到如上結(jié)果，故可驗(yàn)證微波檢測(cè)出的信號(hào)就是人體呼吸信號(hào)。

由圖5微波系統(tǒng)采集的信號(hào)波形中可看出有很多干擾與噪聲，為便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析，需對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行帶通濾波預(yù)處理。

4.2 系統(tǒng)魯棒性測(cè)試與結(jié)果

當(dāng)呼吸信號(hào)幅度強(qiáng)，呼吸特征規(guī)律時(shí)，呼吸易檢測(cè)，反之則難[7]。人體不同體姿可對(duì)回波信號(hào)有影響。處于不同體位情況下，微波雷達(dá)的散射截面積與穿透性能不同，進(jìn)而影響微波回波信號(hào)能量及幅度[8-9]。此外微波信號(hào)還受個(gè)體差異性影響，不同人群呼吸特征不同[10]。故體位與個(gè)人差異性都會(huì)影響呼吸的檢測(cè)。在日常呼吸中，人體可能有多種受測(cè)體位，待測(cè)目標(biāo)可能有不同人群，系統(tǒng)魯棒性測(cè)試應(yīng)考慮以上兩種影響因素。

測(cè)試流程如下：

實(shí)驗(yàn)對(duì)象：受試者為男性和女性各5位，年齡23～27歲，生理狀況良好，無呼吸相關(guān)既往病史，測(cè)試前使受試者了解微波系統(tǒng)的工作方式，且知情同意。

實(shí)驗(yàn)方案：首先固定系統(tǒng)微波模塊的測(cè)量位置，該模塊與人體胸腹腔部位的最短距離為1 m，模塊高度為1.2 m。每位受試者依次進(jìn)行坐立、平躺、側(cè)躺等體位，每種體位持續(xù)時(shí)間為100 s，共計(jì)300 s，在體位持續(xù)時(shí)間段內(nèi)，受試者可正常呼吸，盡量避免身體晃動(dòng)，受試者記錄自己呼吸次數(shù)，測(cè)試完畢后交給實(shí)驗(yàn)操作人員備份記錄，依次對(duì)10位受試者做重復(fù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：分析微波檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量到的10位受試者的呼吸數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)分析提取微波呼吸信號(hào)中的呼吸波峰，計(jì)算每位受試者的呼吸次數(shù)，與實(shí)驗(yàn)操作人員的呼吸記錄做對(duì)比結(jié)果分析。

圖6 某一受試者測(cè)試實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

圖6為微波系統(tǒng)魯棒性測(cè)試場(chǎng)景，受試者分別進(jìn)行側(cè)躺(隨機(jī)左躺或右躺)、坐立、平躺等測(cè)試體位。

圖7 某一受試者右躺情況下微波檢測(cè)呼吸數(shù)據(jù)

圖7-圖10為同一受試者不同測(cè)試體位下的微波檢測(cè)呼吸數(shù)據(jù)。根據(jù)10組呼吸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得受試者在不同體位下呼吸信號(hào)的幅度不同，呼吸幅度大小呈現(xiàn)如下關(guān)系：坐立 > 左躺 > 平躺 > 右躺，且不同人群的呼吸特征曲線不同，見圖11。

圖8 某一受試者左躺情況下微波檢測(cè)呼吸數(shù)據(jù)

圖9 某一受試者坐立情況下微波檢測(cè)呼吸數(shù)據(jù)

圖10 某一受試者平躺情況下微波檢測(cè)呼吸數(shù)據(jù)

圖11 10組受試者分別處于四種體位呼吸幅度平均值曲線圖

表1 微波數(shù)據(jù)與操作人員記錄數(shù)據(jù)對(duì)比表

由表1數(shù)據(jù)得出檢測(cè)呼吸次數(shù)精確度為：

(4)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，在不同體位及個(gè)人差異性的情形下，該微波系統(tǒng)檢測(cè)人體呼吸的魯棒性較高。出現(xiàn)誤差的原因有多方面，受試者體位變化的體動(dòng)及生理顫動(dòng)等都會(huì)影響檢測(cè)準(zhǔn)確度。

5 小結(jié)

呼吸信號(hào)的檢測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)防呼吸系統(tǒng)疾病，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著重要的意義。鑒于此，本研究研制了一種基于微波非接觸式呼吸檢測(cè)的系統(tǒng)。通過與權(quán)威商用設(shè)備對(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證了微波檢測(cè)信號(hào)即為人體真實(shí)呼吸信號(hào)，通過在不同體位及不同人群測(cè)試情形下，驗(yàn)證了微波系統(tǒng)檢測(cè)呼吸的魯棒性較高。基于微波的非接觸式呼吸檢測(cè)方法，可以克服體位對(duì)測(cè)量的影響，這是壓力感應(yīng)法與傳統(tǒng)電極片接觸式方法所做不到的，該檢測(cè)設(shè)備推動(dòng)了呼吸檢測(cè)技術(shù)的向前發(fā)展。