基于超寬帶雷達(dá)的生命體征監(jiān)測系統(tǒng)

劉良斌

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410208）

1 引言

本文設(shè)計了一種基于超寬帶雷達(dá)的檢測系統(tǒng)，開發(fā)了上位機(jī)軟件和APP。監(jiān)護(hù)人員可以通過手機(jī)APP實時對檢測者的基本狀況進(jìn)行監(jiān)控；醫(yī)院、養(yǎng)老中心和社區(qū)可以通過上位機(jī)軟件對管理人員的基本情況進(jìn)行監(jiān)測。緊急情況下，監(jiān)測儀將特殊情況上報云端的同時，可以通過手機(jī)短信、語音電話的方式，及時提醒監(jiān)護(hù)人員，提高監(jiān)護(hù)的可靠性。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)采用UWB雷達(dá)采集實時的數(shù)據(jù)，在采集端，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，主要實現(xiàn)濾波、呼吸數(shù)據(jù)的分離、脈沖數(shù)據(jù)的分離、跌倒信息的識別等功能。然后，將采集到的心率、脈沖等信息，通過2.4G的WIFI，傳輸?shù)皆贫舜髷?shù)據(jù)平臺上。若發(fā)生WIFI中斷等特殊情況，可以通過4G網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端大數(shù)據(jù)平臺。云端大數(shù)據(jù)平臺將實時的監(jiān)控數(shù)據(jù)反饋至用戶的手機(jī)APP中。同時，云端將數(shù)據(jù)按日反饋至醫(yī)院的健康服務(wù)中心，由健康服務(wù)中心為客戶提供健康報告。設(shè)備框圖如圖1。

圖1 設(shè)備關(guān)系圖

圖2 數(shù)據(jù)采集示意圖

3 數(shù)據(jù)采集

生命體征數(shù)據(jù)采集時，通過外部的27MHz的晶振，讓UWB雷達(dá)內(nèi)部產(chǎn)生以7.29GHz為中心的超寬帶雷達(dá)波，控制器通過控制發(fā)送天線與接收天線的通斷，實現(xiàn)載波信號的發(fā)送與接收。當(dāng)發(fā)送天線接通時，天線發(fā)送一脈沖超寬帶信號，記該時間為發(fā)送時間，當(dāng)該信號碰到人體后，會反射一個回波信號，接收天線在接收到該信號的時間記為接收時間。根據(jù)接收時間與發(fā)送時間的時間差，結(jié)合聲波的傳輸速度即可得到人體與發(fā)射器之間的距離。通過對多次數(shù)據(jù)的對比，即可測量人體的胸廓起伏狀況，也就得到了人體的呼吸和心率等信息。

數(shù)據(jù)采集端包括發(fā)射天線和接收天線，雷達(dá)芯片將采集到的數(shù)據(jù)通過ARM處理器進(jìn)行處理，并經(jīng)過WIFI模塊，將數(shù)據(jù)上傳至云端數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。產(chǎn)品外殼由塑料制作，雷達(dá)天線為圓圈區(qū)域，雷達(dá)脈沖可以直接穿透產(chǎn)品外殼，WIFI天線和4G天線均內(nèi)置。監(jiān)測儀設(shè)計了可以上下、左右、旋轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)，可以安裝在房頂、燈具等位置，后期產(chǎn)品可以配備蓄電池儲能模塊，以方便在停電等特殊情況下持續(xù)使用。監(jiān)測儀示意圖如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4 產(chǎn)品示意圖

4 心率、呼吸信號分離

正常人體在呼吸過程中，胸腔的起伏大約為0cm～3cm，人體的心率造成的胸腔起伏的幅度約為1.5mm～3.5mm。呼吸的頻率約為0.2Hz左右，心率的頻率約為1.2Hz左右。將采集到的人體距離信號進(jìn)行分離可以得到呼吸和心率數(shù)據(jù)。分離方式如圖5所示。

圖5 呼吸、心率信號的分解

假設(shè)人體呼吸造成的胸腔起伏幅度為Ar，頻率為fr；人體心率造成的胸腔起伏的幅度為Ah，頻率為fh。則在t時刻，人體的胸腔起伏可以通過公式1表示：

假設(shè)雷達(dá)距離人體的距離為d0，在理想情況下，雷達(dá)到達(dá)人體胸腔的實時距離可以表示如公式2所示：

用帶鎮(zhèn)壓裝置的小麥播種機(jī)械播種，隨種隨壓。如果播種時鎮(zhèn)壓效果達(dá)不到要求，應(yīng)在小麥播種后用鎮(zhèn)壓器鎮(zhèn)壓。沒有澆水造墑的地塊，播種后及時鎮(zhèn)壓才能保證小麥出苗整齊，苗期根系正常生長，提高抗旱能力。

某時刻的慢時間和快時間分別用t和τ表示，其中，慢時間代表其他障礙物等干擾的響應(yīng)信號，快時間代表人體心率、呼吸等的響應(yīng)信號。該時刻對應(yīng)的脈沖響應(yīng)時間可以通過公式3表示：

在現(xiàn)實測試過程中，雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)存在雜波的干擾，雜波在任意一段時間內(nèi)基本處于不變的狀態(tài)。可以通過相近的兩個時間點(diǎn)的信號相減，以消除雜波的影響。若當(dāng)前共有i個干擾源，雷達(dá)發(fā)送脈沖信號的時間為T(τ)則某一時刻所有干擾源的脈沖響應(yīng)如公式4所示。

雷達(dá)發(fā)送的脈沖得到的所有響應(yīng)包括所有干擾源的響應(yīng)信號和由于心率、呼吸起伏得到的響應(yīng)信號。可以通過公式5表示。

t=nTs，n=0,1,2,…,N-1，對慢時間進(jìn)行離散化，Ts表示人體呼吸、心率等反饋的有效脈沖信號，若脈沖的采樣時間間隔為δt，可以把信號離散化為式6，其中n=1,2,…,N，共有N次采樣。

干擾信號為外界的障礙物造成的回波信號，認(rèn)為是基本靜止的，可以將上式的信號進(jìn)行分解，得到兩類信號。Rv(n,m)為人體的反饋信號，Rc(n,m)為干擾信號，式6可以表示為式7。

干擾信號的特點(diǎn)是基本固定不變?？梢哉J(rèn)為Rc(n,m)為固定不變的，可以用公式8表示。R(n,m)經(jīng)過濾除干擾信號后，可以通過脈沖信號的幅值和頻率，分離得到人體的呼吸、心率數(shù)據(jù)。

5 異常情況的本地處理

異常情況的本地處理指的是人體生命體征的本地采集，并通過數(shù)據(jù)采集模塊中的4G通信模塊，對跌倒、生命體征異常等情況及時通知緊急聯(lián)系人，為了保證聯(lián)系的及時性、減少漏報的情況，該類情況不通過云端數(shù)據(jù)處理。

（1）體征結(jié)果異常預(yù)警

一般而言，呼吸與心跳的比例是1:4。成年人的正常心跳范圍是60～100次/分鐘。兒童的正常心跳區(qū)間需要按照年齡分類，新生兒的心跳約為每分鐘120～140次；3歲左右的兒童心率為100～130次/分鐘；4至7歲的兒童年齡在80～100次/分鐘；8至14歲的孩子，每分鐘平均有70～90次/分鐘。14歲以上的孩子與成人的心率相同。對于成年人可以對他們的心率和呼吸情況進(jìn)行分析，具體范圍如表1所示。

表1 成人心率、呼吸預(yù)警范圍

表2 數(shù)據(jù)下發(fā)頻率

（2）突發(fā)異常情況識別

被監(jiān)測人員一般為老人或是兒童，在監(jiān)測過程中可能發(fā)生異常情況。常見的異常情況有：突然跌落、暈倒等。這類情況的特點(diǎn)一般為所處位置發(fā)生突然變化?？梢詫⑦@些異常情況的緊急程度分為三種級別：輕微預(yù)警、中度預(yù)警、緊急預(yù)警。系統(tǒng)工作流程圖如圖6所示。

圖6 異常情況的本地處理流程

輕微預(yù)警：該情況為跌倒后無大礙，特點(diǎn)是人體位置的突然變化后又正常了，采用手機(jī)APP彈窗提醒監(jiān)護(hù)人員。

中度預(yù)警：該情況是跌倒后沒動了，特點(diǎn)是人體位置發(fā)生突然變化后處于靜止情況，系統(tǒng)采用短信提醒監(jiān)護(hù)人員。

緊急預(yù)警：該情況是跌倒后不僅沒動，而且心率和呼吸發(fā)生了異常。系統(tǒng)采用接通監(jiān)護(hù)人員的電話，進(jìn)行實時對講。

6 云端數(shù)據(jù)處理

人體生命體征的實時數(shù)據(jù)通過云端進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)經(jīng)過云端大數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行分發(fā)。手機(jī)APP、社區(qū)服務(wù)中心、養(yǎng)老服務(wù)中心收到的數(shù)據(jù)為實時數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生了異常情況，可以實時提醒客戶和養(yǎng)老服務(wù)中心的工作人員到實地檢查。

云端控制中心除具有社區(qū)服務(wù)站的基本功能外，主要負(fù)責(zé)各個社區(qū)、患者及醫(yī)生的信息檔案存儲及管理醫(yī)生工作站，由專門的醫(yī)生通過云端控制中心的映射關(guān)系，與指定的社區(qū)服務(wù)站進(jìn)行連接，對病情嚴(yán)重的患者進(jìn)行實時監(jiān)控，生理數(shù)據(jù)回放分析，采取相應(yīng)的醫(yī)療措施及恢復(fù)指導(dǎo)。醫(yī)院的健康中心收取用戶的數(shù)據(jù)的頻率為每天，收集后對用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過與大數(shù)據(jù)庫、用戶長期以來建立的個人檔案比對，按周或按月生成健康報告反饋給被監(jiān)測人員、監(jiān)護(hù)人員。

被監(jiān)控人員出現(xiàn)了心率異常、跌倒后沒站起來、呼吸異常等情況時，本地端通過初步判斷，并將數(shù)據(jù)上傳至云端，云端根據(jù)大數(shù)據(jù)處理情況，會通過短信和電話的形式提醒監(jiān)護(hù)人員。被監(jiān)控人員沒有發(fā)生異常情況，本地監(jiān)測端實時將當(dāng)前被監(jiān)測者的數(shù)據(jù)上傳，云端按照每天下發(fā)一次的形式，將被監(jiān)控人員的數(shù)據(jù)下發(fā)至醫(yī)院健康中心。健康中心根據(jù)客戶所購買的服務(wù)，通過健康報告的形式，以按月、按周的頻率反饋被監(jiān)測者的當(dāng)前健康狀況。如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)提供的信息反饋

7 實驗

測試環(huán)境采用單人平躺在床上，檢測設(shè)備位于被監(jiān)測者的正上方。對被監(jiān)測者的心率和呼吸頻率進(jìn)行了測試。測試時長為1分鐘。第一次測試，被監(jiān)測者在正常呼吸過程中，在第25秒，憋氣，在第45秒恢復(fù)呼吸；第二次測試，被監(jiān)測者在正常呼吸過程中，在第25秒，突然加速呼吸，在第45秒恢復(fù)正常呼吸。對比兩種情況下被測人員的心率和呼吸情況。

為了減少檢測設(shè)備的誤差，呼吸和心率的采集是對近20秒時間內(nèi)的心率和呼吸數(shù)據(jù)取平均值得到的，實驗結(jié)果會比實際情況有一定的滯后。心率測試結(jié)果如圖8所示，通過實驗數(shù)據(jù)可知：在憋氣的時候，心率會略有下降；在快速呼吸的時候，心率會略有提升。心率數(shù)據(jù)正常，監(jiān)測儀認(rèn)為被監(jiān)測者存在異常。呼吸測試結(jié)果如圖9所示，在憋氣的時候，測得的呼吸速率會明顯下降，監(jiān)測儀在第40s～51s的時間段內(nèi)提示呼吸速率低；快速呼吸的時候，呼吸速率會明顯上升，監(jiān)測儀在第33s～58s的時間段內(nèi)提示呼吸速率過高。

圖8 憋氣和快速呼吸的心率對比

圖9 憋氣和快速呼吸情況下呼吸頻率的對比

8 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)接觸式生命體征監(jiān)測設(shè)備佩戴不方便、舒適度不高等問題，開發(fā)了無接觸UWB雷達(dá)系統(tǒng)，監(jiān)測儀可以實現(xiàn)對人體心率、呼吸、跌倒等情況的實時采集，并將數(shù)據(jù)上傳到云端。采集到的心率、呼吸信息，通過云端處理后下發(fā)至手機(jī)APP、社區(qū)服務(wù)中心、養(yǎng)老服務(wù)中心等，實現(xiàn)實時顯示。為了提高響應(yīng)速度、避免漏報，對于跌倒、呼吸異常等緊急情況，在上報云端服務(wù)器的同時，監(jiān)測儀通過通信模塊，直接聯(lián)系監(jiān)護(hù)人。同時，對于特殊情況，后期可以通過各服務(wù)中心對緊急情況的分級，采用聯(lián)系緊急聯(lián)系人、派社區(qū)醫(yī)生、聯(lián)系120的方式處理。該方案能很好地監(jiān)測獨(dú)居老人、醫(yī)院、養(yǎng)老院的被監(jiān)護(hù)人員的生命體征，具有很好的實用價值。