[發明專利]基于生物雷達檢測的呼吸和心跳實時分離方法

有效

• 申請號: 201210552351.4
• 申請日: 2012-12-18
• 公開（公告）號: CN103110422A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 路國華;王健琪;楊芳;張華;李盛;王華;馬騰;于霄;呂昊
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍第四軍醫大學
• 主分類號: A61B5/08
• 分類號: A61B5/08;A61B5/024
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 朱海臨

1.一種基于生物雷達檢測的呼吸和心跳實時分離方法，其特征在于，包括下述步驟：

（1）對生物雷達檢測到的呼吸信號和體動信號分別進行預處理，呼吸和體動信號的頻率范圍限定在5Hz以內，信號的幅度限定在-1V至+1V，預處理包括數字濾波及歸一化處理；

（2）預處理后的呼吸信號經過呼吸諧波檢測模塊，從中提取出呼吸信號的二次以上的高次諧波，包括呼吸信號基波估計和呼吸信號諧波合成，其中，呼吸信號基波估計采用自相關算法求解基波頻率；呼吸信號諧波合成采用高斯-牛頓算法；

（3）將呼吸諧波檢測模塊的輸出送入自適應諧波抵消模塊并作為其參考輸入信號；預處理后的體動信號送入自適應諧波抵消模塊并作為其原始輸入信號，通過自適應算法不斷調整和更新自適應濾波器的參數，當體動信號中的呼吸成分與參考輸入的呼吸信號的諧波成分的差值的平方最小時，此時自適應濾波器的輸出就是心跳信號。

2.如權利要求1所述的基于生物雷達檢測的呼吸和心跳實時分離方法，其特征在于，步驟（1）所述歸一化處理按以下公式進行：y=(x-Min)/(Max-Min)，其中x為數字濾波后的呼吸信號，y為歸一化后信號，Max和Min分別表示濾波后呼吸和體動信號的最大值和最小值。

3.如權利要求1所述的基于生物雷達檢測的呼吸和心跳實時分離方法，其特征在于，步驟（2）所述呼吸諧波檢測的具體流程如下：

第一步：求解呼吸信號的基波頻率

選取合適的窗函數對呼吸信號進行分段處理，對每個數據段內求自相關函數，然后對自相關函數進行功率譜估計，功率譜能量的最大值所對應的頻率點為呼吸信號的基波頻率f₀，然后從前至后，依次對呼吸信號進行加窗、自相關、求功率譜等處理，對f₀進行不斷的更新；

第二步：構建呼吸信號高次諧波數學模型

將呼吸運動引起的胸廓運動的模型定義為：

S(a,n,ω0)=a2l+1+Σl=1La2l-1cos(lω0m+a2l)]]>

式中：a表示呼吸信號，n表示采樣時刻，ω₀為呼吸信號的基波角頻率，f₀表示呼吸信號的基波頻率，f_s表示采樣頻率，lω₀為l次諧波的頻率，a_i為[a₁,a₂,.......a_2l+1]^T的向量，a_2l代表l次諧波的相位，a_2l-1代表l次諧波的幅值，a_2l+1代表l次諧波的直流分量；

第三步：利用高斯-牛頓算法求解第二步數學模型中a_i的值，不斷將更新過的f₀值進行迭代運算，當滿足高斯-牛頓的最優解時，得到合成的呼吸信號的高次諧波函數。

4.如權利要求1所述的基于生物雷達檢測的呼吸和心跳實時分離方法，其特征在于，步驟（3）所述的自適應算法采用LMS算法，步長μ=0.00002,濾波器的階數取20.具體計算步驟如下：

定義時間n=0的濾波系數矢量為起始值W(0)，然后進行迭代：

a、由當前時刻n的濾波器濾波系數矢量的估計值，輸入呼吸信號諧波矢量x(n)和體動信號d(n)，計算誤差信號：

e(n)=d(n)-xH(n)w^(n)]]>

b、再通過遞歸法計算濾波器系數矢量的更新估值：

w^(n+1)=w^(n)+μe(n)x(n)]]>

c、將時間指數n增加1，再開始步驟a，重復上述計算，一直到達穩態算法停止。