[發明專利]一種人體體表生理微動的精密模擬裝置

在審

• 申請號: 202110759761.5
• 申請日: 2021-07-06
• 公開（公告）號: CN113327490A
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 邵傳龍
• 申請（專利權）人: 廣州中科博約醫療科技有限公司
• 主分類號: G09B23/00
• 分類號: G09B23/00;G09B23/06;G09B23/18
• 代理公司: 北京天奇智新知識產權代理有限公司 11340
• 代理人: 王大剛

本發明公開了一種人體體表生理微動的精密模擬裝置，包括控制器、驅動器、運動執行機構、模擬運動負載與光柵尺；控制器用于連接上位機；控制器通過驅動器連接運動執行機構；運動執行機構連接模擬運動負載與光柵尺；光柵尺與控制器相連。本發明采用閉環反饋控制的方式，運動執行機構帶動負載對設定目標運動曲線的實現精密跟蹤，達到人體體表微動模擬的目的；相比現有產品，負載微動性能有明顯提升，提高了目標運動跟蹤精確；運動執行機構采用直線電機動子固定，定子帶動負載臺一起運動的方式進行模擬運動，避免連接在動子線圈上的電線引入額外的干擾運動影響模擬效果。

技術領域

本發明涉及人體體表微動模擬裝置，尤其涉及一種人體體表生理微動的精密模擬裝置。

背景技術

近年來，生物雷達作為一種新的非接觸式新型傳感器得到了廣泛的關注和研究。生物雷達通過發射天線向周圍壞境發射指定頻率的電磁波，并通過接收天線接收被環境中的障礙物反射回來的電磁波，然后對接收信號進行分析處理以實現檢測目的。

人體體表微動是指由呼吸或心跳生理活動所引起體表(主要是胸腹腔部位)的微弱起伏或振動。通常，呼吸活動引起的起伏運動頻率約0.1Hz～0.7Hz、運動振幅約2mm～12mm，心跳運動產生的振動運動頻率約0.7Hz～3Hz、運動振幅約0.1mm～1mm。通過分析雷達接收到的人體體表反射信號，就能從中分離并提取出與生理微動相對應的呼吸或心跳運動信號，進而獲得呼吸率與心率，從而實現對生理信號的探測。

人體體表微動模擬裝置的主要目的是實現對人體體表由呼吸或心跳所引起的微弱運動的可控精確模擬，以達到對生物雷達檢測性能進行定量評估的目的。微動有兩個重要參數：一是微動行程，即運動的幅度；二是運動頻率，即來回的快慢程度。結合通常情形下人體呼吸與心跳的運動幅度和運動頻率，要完整覆蓋一般場景，需要微動模擬裝置能夠實現對運動頻率在0.1Hz～3Hz、運動行程在0.1mm～12mm區間內的所有運動方式的精確模擬。

目前有兩種典型人體體表微動模擬方案：

方案一原理：如附圖1所示，通過音頻播放器播放與目標運動曲線對應的音頻信號，然后經由功率放大器對音頻電流進行放大，接著使用放大后電流驅動喇叭產生振動，并帶動負載進行微動。

方案二原理，如附圖2所示，將目標運動曲線轉換成運動脈沖序列，然后由控制上位機根據脈沖序列的分布依次按時發送脈沖指令給驅動器，驅動器根據指令控制伺服電機旋轉指定的角度，然后驅動精密線性模組轉換成直線位移，進而帶動負載實現指定行程的微動。

前述兩種技術方案在一定程度上都實現了對負載的微動控制，但是存在明顯的缺陷與不足。

通過音頻信號驅動喇叭實現的負載振動存在幾點缺陷：

a.即使使用特殊的超低音喇叭，也難以實現呼吸和心跳對應頻段的低頻振動；

b.對頻率的分辨率非常粗糙，基本無法區分差異在0.01Hz(～1bpm)級別的不同信號；

c.無法實現指定行程的振動，一個原因是喇叭的音頻非線性特性，另一個原因在于從播放器的輸出音頻電流和放大器的放大倍數都難以精確控制；

d.喇叭驅動負載的能力非常有限，另外，即使連接再輕的負載，也可能改變喇叭的振動特性。

通過精密線性模組實現的負載微動較喇叭實現的負載振動有明顯的改進，但也存在著幾點不足：

a.將目標運動曲線轉換成運動脈沖序列的過程中存在一定的轉換失真，連續的運動曲線離散化為一個個等強度的脈沖后，驅動電機的運動是步進式的轉動，只能實現位置上的跟蹤，丟失了運動速度等信息；

b.開環式的驅動，無法獲取運動執行部件的真實運動位置，即使控制脈沖命令與運動目標曲線精確對應，也無法保證真實的運符合預期；