CN105105739B - 短距离无线心率及心率变异性检测方法 - Google Patents

Abstract

一种短距离无线心率及心率变异性检测方法，它采用超宽带脉冲信号的无线电波直射到人体胸部，胸部的表面和内部器官腔壁对无线电波进行反射，回波由接收天线接收后，依次经过低噪放、无线接收机进入一个具有512个不同时延器控制的扫描式采样器，在一个时间点，扫描采样器得到某一回波发射距离的中心位置周围的512个距离点的回波幅度数据，通过可调时延器调节接收数据对应的回波发射距离的中心位置，连续不断地采集回波的反射数据，得到随时间变化的回波幅度信号序列，经模数转换后，通过短时相关和可调小波滤波相结合的数字信号处理方法进行处理，复原心脏的周期性波动信号，得出心率和心率变异性。它适用范围广，准确性高，适合长时间监控。

Description

短距离无线心率及心率变异性检测方法

技术领域

本发明涉及一种心率及心率变异性检测方法，具体涉及一种短距离无线心率及心率变异性检测方法。

背景技术

心率是人体的重要生理指标，心率失常是心脏病的最常见症状之一，心率的监控结果成为心脏病诊断和治疗的重要依据。在现有技术中，通常采用多导联的心电图机来测试心率。在测试的过程中，需要把导联电极贴到被测试人身上，然后通过测试电压变化来测量脉搏波。但在一些特殊场景下，比如对于全身烧伤的病人，常常较难找到合适的电极接触点，从而影响到心率检测的准确性。另外由于在整个测试过程中需要将多导联电极贴到皮肤表面，会在一定程度上影响到人体正常运动，使得对某些患者无法长时间监控。

心率变异性是指逐次心跳周期差异的变化情况，它含有神经体液因素对心血管系统调节的信息，也是人体重要的生理指标，它能够反映出自主神经系统的活性，能定量评估心脏交感神经与迷走神经张力及其平衡性，从而判断心血管疾病的病情，是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个有价值的指标。

随着无线通信技术、数字射频技术和高频天线技术的发展，无线弱信号的发射和接收已经非常灵敏。通常这种弱信号通过无线发射，后由接收端接收，再复原信号的技术，用于短距离的近场通信中。现有技术中还没有一种短距离无线心率及心率变异性检测方法，现有技术亟需这样一种短距离无线心率及心率变异性检测方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的不足，提供一种短距离无线心率及心率变异性检测方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种短距离无线心率及心率变异性检测方法，包括以下内容：采用位于超高频射频信号的超宽带脉冲信号的无线电波直射到人体胸部，人体胸部的表面和内部器官腔壁对无线电波进行反射，人体胸部的表面和内部器官腔壁的不同位置与发射天线的相对距离不同，回波到达接收天线的时延就不同，回波信号由接收天线接收后，依次经过低噪放、无线接收机进入一个具有512个不同时延器控制的扫描式采样器，在一个时间点，扫描采样器得到某一回波发射距离的中心位置周围的512个距离点的回波幅度数据，通过可调时延器调节接收数据对应的回波发射距离的中心位置，连续不断地采集回波数据，得到随时间变化的回波幅度信号序列，经模数转换后，通过短时相关和可调小波滤波相结合的数字信号处理方法进行处理，根据采集到的数字帧序列，复原心脏的周期性波动信号，得出心率和心率变异性。

所述数字信号处理方法依次包括时间窗平均去散杂、多正弦曲线拟合法去呼吸信号和体动信号、短时间窗相关法增强信号、可调小波滤波法分解心率分量、心率波形的复原及计算并得到心率和心率变异性结果。

本发明的有益效果是：本发明是非接触式心率及心率变异性检测方法，适用于多种场景下心率及心率变异性的检测，比如全身烧伤的病人，其便于操作，测试准确性高，同时适用于心率及心率变异性的长时间监控。

附图说明

图1是短距离无线心率及心率变异性检测系统的结构框图；

图2是数字信号处理复原心率和心率变异性过程的框图。

具体实施方式

1.1短距离无线心率及心率变异性检测系统

如图1所示，短距离无线心率及心率变异性检测系统首先由窄脉冲产生器产生发射窄脉冲，通过无线发射器和专用天线发射出去，被测人在发射天线的正前方，正向面对发射天线和接收天线，当射频无线信号碰到人体胸部时会反射回来。人体表面和内部器官腔壁，如心脏腔壁，与发射天线的相对距离不同，回波到达接收天线的时延就不同。接收天线与发射天线平行放置。系统利用专用接收天线接收回波，回波信号经过增益为25db的低噪放，然后经过无线接收机，进入一个具有128个或256个或512个不同时延器控制的扫描式采样器，在一个时间点，扫描采样器得到128个或256个或512个数据，经模数转换后，作为该时间点的一帧数据，输出到数字信号处理模块。调节系统框图中的可调时延器A，可以调节接收数据对应的回波发射距离的中心位置。在某个时间点的128个或256个或512个数据中，因为每个时间点的时延不同，所以对应于回波的距离就不同。这样每帧数据就记录了当前时刻下，在可调延时器A对应的时延对应的距离为中心距离的，周围128个或256个或512个距离点的回波幅度。在一定采样率下，通过连续不断地采集回波数据，就可以得到随时间变化的对应于128个或256个或512个距离点的回波幅度信号序列。

数字信号处理模块，可以根据采集到的数字帧序列，复原心脏的周期性波动，进而复原出心率和心率变异性。数字信号处理模块的一列方法，在后续章节中说明。

系统的技术指标说明：

a、无线信号的中心频率为4Ghz-10.5Ghz，带宽0.2Ghz-0.6Ghz，带内电平小于等于-3db，带外电平小于等于-10db。这个频段信号对于人体具有适当的反射特性和穿透性。

b、系统可检测距离0.5m-3.5m，发射功率很小，避免对人体有害。

c、脉冲功率额定值为8mw-10mw。平均发射功率0.05mw-0.2mw

d、扫描采样器，模数转换器等用高速FPGA，高速比较器和高速多通路数模转换芯片实现。

e、发射窄脉冲采用一阶高斯脉冲或二阶高斯脉冲，根据中心频率和距离可设置。为达到5mm-15mm的分辨率，脉冲宽度0.5ns-1.5ns。

f、每帧采样数据为128，或256或512个，可设置，对应范围为0.5m、1m和2m。系统采样率为10帧每秒到150帧每秒可设置。

g、无线发射，无线接收，可调延时器A和扫描采样器中的多延时器都采用相同的时钟源，以保证数据的同步性和准确性。

h、天线方向夹角75度。

1.2用数字信号处理复原心脏搏动波形的方法

射频信号在遇到一个静止的人体时，随时间变化，不同的人体部位对无线信号的发射产生不同的回波，因为不同区域与发射和接收天线的相对距离不同，所以在不同时延上产生不同的回波。回波距离与时延的相对关系可以用以下公式来代表：

ΔL＝2cτ (1)

其中，τ为从脉冲发出到收到脉冲的时延，c为光速。

所以调节采样时延τ就可以采集到不同距离上的回波。系统框图中，可调时延器A用来调节系统所要采样的回波回应的中心点位置，这个中心点不需要很准确，只要这个中心点落在人体范围之内即可。扫描采集器中的512个短时间间隔时延器，用于采集在中心距离点前后的512个不同距离的回波信号幅度。可以用以下公式表示：

ΔL_N＝2c(τ_offset+(N-1)τ_step) (2)

N＝128、256或512，τ_offset为可调时延器A对应的时延，τ_step为扫描采集器中两个相邻时延器的时延间隔。

随着时间的变化，系统就可以采集到回波的幅度序列X(N，t1)、X(N，t2)、X(N，t3)、…X(N，tM)、…其中N为128、256或512，t1、t2、t3、…tM、…为采集时间。

数字信号处理模块复原心率波形的处理过程如图2所示。

因为无线在空间传播过程中会引入其他射频干扰和杂散信号，用时间窗积分去平均法，简称时间窗平均法，来去除接收信号中的杂散信号和干扰信号。

处理公式为：

其中T和M分别对应于在采样时间上的时间窗长度，和检测到方差最大区域的距离窗长度。

一个静止的人体对无线窄脉冲信号的回波幅度，随时间变化，主要是人体呼吸波动和心脏搏动引起，在采样到的回波信号数据序列中，除了心率波动信号以外，还包括人体的呼吸波动，呼吸波信号包括上身轻微体动信号，呈现出周期性的慢变化，我们从采集到的回波信号中个，采用多参数二阶正余弦曲线的方法，先复原出呼吸和身体微动信号，然后再用原始信号相减来去除，处理公式为：

Z(N，t)＝Y(N，t)-Y′(N，t) (4)

其中，Y′(N，t)＝a₀+a₁*sin(wt)+a₂*cos(wt)+a₃*sin(2wt)+a₄*cos(2wt)

从a₀到a₄为根据Y(N，t)估计的拟合参数。

因为在心脏搏动所在距离动态区域内，心脏在距离维度上有明显的周期性变化。我们采用短时相关的方法来增强心脏搏动的回波信号，处理公式为：

T为短时相关的时间窗，通常选用一个心跳周期长度的3到5倍，τ为信号Z(N，t)的时移参量。

接下来，因为回波信号中含有多种信号，比如心脏搏动的波形及其谐波，还有呼吸波的多次谐波，所以我们用小波滤波的方法来滤去其他分量。采用小波滤波方法是因为它是一种能够在时域同时进行多分辨率滤波和分解的方法，与传统的频率滤波或时域滤波相比，能够保留更多的分量，具有更强的分辨率。我们采用的小波基为可调参数的Morlet函数。

其中β因子用于平衡调整时间分辨率和频率分辨率，w为角频率，s为小波尺度。我们调整β使得频率分辨率达到0.1hz，时间分辨率以精确地提取心脏搏动波的分量，并通过小波滤波滤去其他的分量，如呼吸波的多次谐波分量。对于U(N，t)经过小波变换后的Wf(s，b)，衰减呼吸波的从呼吸波的2次到4次谐波范围内分量80％，得到其中，b为小波的平移量。

然后通过小波重构，复原采样信号。从复原出的信号，按照滑动时间窗，做短时FFT，找出频域分量最高的分量，然后做IFFT变换，就恢复出了心脏搏动波。

1.3心率及心率变异性HRV的计算和显示

根据心脏脉搏波的峰值点间隔以及时间间隔，可以得到动态变化的心率。把心脏脉搏波的转换为IBI时间序列(单位：次/min,BPM)并显示。

心脏脉搏波的相邻峰值点间隔与心电图RR波间隔一致。我们就根据RR波间隔产生的数字序列，按照心率变异性HRV的计算公式，计算HRV的各项时域指标和频域指标。时域指标主要包括均值，总体标准差，均值标准差等统计变量，频域指标主要包括总能量TP，甚低频能量VLF,低频能量LF,高频能量HF。这些指标反映了神经体液因素对心血管系统调节的信息。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (1)

1.一种短距离无线心率及心率变异性检测方法，其特征在于，包括以下内容：采用位于超高频射频信号的超宽带脉冲信号的无线电波直射到人体胸部，人体胸部的表面和内部器官腔壁对无线电波进行反射，人体胸部的表面和内部器官腔壁的不同位置与发射天线的相对距离不同，反射面会随着呼吸运动发生距离变化，回波到达接收天线的时延就不同，回波信号由接收天线接收后，使用可调时延器来调节系统所要采样的回波回应的中心点位置，这个中心点不需要很准确，只要这个中心点落在人体范围之内即可，回波信号依次经过低噪放、无线接收机进入一个具有128个或256个或512个不同时延器控制的扫描式采样器，在一个时间点，扫描采样器得到某一回波发射距离的中心位置周围的128个或256个或512个距离点的回波幅度数据，通过可调时延器调节接收数据对应的回波发射距离的中心位置，连续不断地采集回波数据，得到随时间变化的回波幅度信号序列；经模数转换后，采集到数字帧序列，随着时间的变化，系统可以采集到回波的幅度序列X(N,t1)、X(N,t2)、X(N,t3)、…X(N,tM)、…其中N为128、256或512，t1、t2、t3、…tM、…为采集时间；由于空间传播过程中会引入其他射频干扰和杂散信号，用时间窗积分平均法，来去除接收信号中的杂散信号和干扰信号，处理公式为：

其中T和M分别对应于在采样时间上的时间窗长度，和检测到方差最大区域的距离窗长度，α，m为检测时间；然后，从去除杂散信号和干扰信号后的回波信号中，采用多参数二阶正余弦曲线的方法，先复原出呼吸和身体微动信号，然后用去除杂散信号和干扰信号后的回波信号减去微动信号,处理公式为：

Z(N，t)＝Y(N，t)-Y′(N，t) (4)

其中，Y(N,t)为原始信号，Z(N,t)为处理后的信号，(5)

Y'(N，t)＝a₀+a₁*sin(wt)+a₂*cos(wt)+a₃*sin(2wt)+a₄*cos(2wt)

从a₀到a₄为根据Y(N，t)估计的拟合参数；接着，对上一步减去微动信号后的信号Z(N,t)采用短时相关的方法来增强心脏搏动的回波信号，处理公式为：

其中，T为短时相关的时间窗，通常选用一个心跳周期长度的3到5倍,τ为信号Z(N,t)的时移参量，而后采用小波滤波的方法来滤去其他分量，小波基为可调参数的Morlet函数，

其中β因子用于平衡调整时间分辨率和频率分辨率,w₀为小波的中心角频率，w为角频率，s为小波尺度；调整β使得频率分辨率达到0.1hz时间分辨率以精确地提取心脏搏动波的分量，并通过小波滤波滤去其他的分量，如呼吸波的多次谐波分量；对于由公式(6)得到的短时相关方法增强心脏搏动的回波信号U(N,t)经小波变换后的Wf(s,b),衰减呼吸波2次到4次谐波范围内分量80％，得到其中，b为小波的平移量；

然后通过小波重构方法，恢复信号并对复原出的信号按照滑动时间窗做短时快速傅里叶变换，找出频域分量最高的分量，接着做快速傅里叶反变换，恢复出心脏搏动波；

最后，根据心脏搏动波的峰值点间隔以及时间间隔，得到动态变化的心率，转换为IBI时间序列并显示，所述IBI时间序列的单位为：次/min,BPM；根据RR波间隔产生的数字序列，按照心率变异性的定义，计算心率变异性的各项时域指标和频域指标；时域指标主要包括均值，总体标准差，均值标准差等统计变量，频域指标主要包括总能量TP，甚低频能量VLF,低频能量LF,高频能量HF。