[發明專利]一種基于毫米波雷達的生命信號監測方法

在審

• 申請號: 202110451549.2
• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113116342A
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 曹其新;杜福川;趙悅;王海力
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11;A61B5/113;A61B5/0205;A61B5/05;A61B5/00;G06F17/11;G06F17/14
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產權代理有限公司 31227
• 代理人: 俞磊

1.一種基于毫米波雷達的生命信號監測方法，其特征在于，包括

數據獲取模塊，其包括毫米波雷達，所述毫米波雷達發射調頻信號，人體胸腔反射回波信號，通過毫米波雷達集成的混合器和采樣器最終將數據傳輸到數據處理模塊；

數據處理模塊，通過背景噪聲濾除、相位提取、呼吸心跳分離、呼吸心跳重建、距離頻率分離和降低計算量方法，對數據獲取模塊發送的數據中的中頻信號進行處理，獲得心率、呼吸和人體胸腔位移距離；

后續應用模塊，通過多進程實時采集數據和處理數據，并將數據上傳至云服務器，利用GUI將心率、呼吸和人體胸腔位移距離可視化，方便監護人員隨時查看。

2.根據權利要求1所述的基于毫米波雷達的生命信號監測方法，其特征在于，所述數據獲取模塊采用長短窗的模式，長窗具有100個frame的數據用于呼吸心跳監測，短窗具有20個frame數據用于距離判斷；根據先進先出的原則，數據流入和流出的數量相等，使得長短窗得到更新。

3.根據權利要求1所述的基于毫米波雷達的生命信號監測方法，其特征在于，所述人體胸腔位移距離采用兩個三角函數的疊加，數學公式建模：

x(t)＝d₀+A_Rsin(2πf_Rt)+A_Hsin(2πf_Ht)

其中，d₀為人體胸部相對于傳感器的平均距離，d_R和d_H分別是呼吸和心跳造成的胸部相對于傳感器的變化的距離，d_R和d_H被簡化為正弦位移函數，A_R和A_H分別為呼吸和心跳造成的胸部相對于傳感器的距離幅值，f_R和f_H分別為呼吸頻率和心率；

人體胸腔位移距離通過反射強度+方差變化綜合判斷；射頻信號TX和回波信號RX混頻處理得到的中頻信號IF成為一個chirp，將chirp排列成矩陣，每一行代表每個chirp通過ADC得到的離散采樣點；橫軸Fast Time表示FMCW頻率上升的單次過程中獲得中頻信號的時間軸，縱軸Slow Time為各FMCW頻率上升過程獲得中頻信號起始時間的時間軸；

將每一列range對應的傅里葉變換后的絕對值縱向求和，挑選出其中的波峰對應的距離，這些距離代表有物體反射；單一的反射強度判斷只能篩選出具有反射能力的物體距離，其包括人體、靜態家具反射物，下一步工作在于從各種反射物中篩選出人體；由于心跳呼吸引起的胸腔微動可以反映在相位的變化上，而變化可以通過計算方差判斷；第一次FFT后獲得的的相位云圖，對每一列range縱向進行方差計算，可以獲得方差的極值點；綜合考慮反射強度和方差判斷，匹配排名均在前列的極值點，獲得胸腔的距離；

為了消除雜波波峰對結果判斷的影響，需要引入指數加權滑動平均EWMA；指數加權滑動平均是對我們待處理的信號分別進行不同的加權，按照不同權重獲得移動平均值，并以最后的移動平均值為基礎，獲得預測值，其數學公式如下：

4.根據權利要求1所述的基于毫米波雷達的生命信號監測方法，其特征在于，所述呼吸的幅度較大會產生諧波干擾，在心跳區間會同時存在呼吸的諧波波峰，諧波干擾會嚴重影響本就微弱的心跳信號的測量，需要將呼吸心跳進行分離，呼吸心跳分離算法如下：

采用差分增強(DE)+數字濾波+自相關分析+FFT的流程來完成上述工作；差分增強主要采用一階差分或者二階差分，一階差分如下式：

二階差分如下式所示：

根據獲得的數據選用相應的差分方法；

差分后，進行濾波，截至頻率可以設置為0.8-5Hz，濾除呼吸區間；由于自相關分析可以保留主頻信號，抑制雜波頻率；在濾波后采用自相關分析增強心跳主頻，對于獲得的自相關系數，可以再次進行FFT以獲得更詳細的頻率信息。