基于毫米波的呼吸、心率非接触检测实验.doc

1、基于毫米波的呼吸、心率非接触检测实验作者：王健琪 董秀珍 王海滨 杨国胜 杨波 荆西京 邱力军 【关键词】 微波 关键词: 微波;呼吸;心率;非接触检测 摘 要:目的 研究人体呼吸、心率的非接触检测方法和技术. 方法 采用低功率毫米波（=8mm）为探测信号，运用多普勒雷达原理和生理信号检测技术进行实验研究. 结果 探测信号功率 P1mW，探测距离s5m，检测对象着各类衣服、在不同姿势、不同的天线照射角度下，较高质量的检测出人体呼吸和心动信号. 结论 该技术方法检测灵敏度高，功率小，对人体无害，是一种可行的呼吸、心率非接触检测方法. Keywords:microwaves;respiration

2、;heart rate;non-contact detection Abstract:AIM To study the technology and method of non-contact detection of breathing and heartbeat of human body.METHODS In experimental study，low-intensity millimeter wave with8mm wavelength was used，based on Doppler ra-da principle and technology of biomedical si

3、gnal processing.RESULTS On the conditions of the illuminate power P1mW and the distance s5m，the breathing and heartbeat could be measured in different positions，from different wave beam angles and with different clothing on the subject with-out contact.CONCLUSION This technology and method is high s

4、ensitive，harmless to the health and with low-intensity.It is a practicable technology and method of non-contact de-tection for breathing and heartbeat of the human body. 0 引言 临床上的呼吸、心率检测有多种方法，如速度式呼吸测量法、容积式呼吸测量法、触诊式心率测量法、心电、心音、光电式脉搏心率测量法等.但这些检测方法主要依靠附着于人体的接触式传感器、电极等来获取信息，需要直接或间接地接触人体，由于其对检测对象的束缚和条件限制

5、，因而制约了其应用范围.本实验研究的目的是探索一种在一定距离范围内、隔一定介质（如衣服、纱布等） ，不接触人体，即非接触式检测心率、呼吸的技术理论和方法.相关研究表明，电磁波照射人体，其反射波中必然加载有人体的生理信息，人体微动与回波幅度、相位等之间具有相关性1，2 ，而人体内部的生理运动会导致人体表面微动，本研究试图检测出呼吸、心跳所引起的人体表面微动，从而进一步提取呼吸、心率信号. 1 实验原理 为了描述平面电磁波照射人体时其反射波的特性，将人体简化模型为复合介电常数的球形体1，3 ，其散射电磁场方程表达式为:EBS =X-E02K0 rn=1 jn （2n+1）-dn H（2）n （k0

6、 r）+jen H（2）n （k 0 r） （1）其中 dn = r Jn （ka）Jn （k0 a）-J n （k0 a）Jn （ka）H（2） n （k0 a）Jn （ka）- r Jn （ka）H（2） n （k0 a）en = Jn （k0 a）Jn （ka）- r J n （k0 a）Jn （ka） r H（2） n （k0 a）Jn （ka） -H（2） n （k0 a）Jn （ka）Jn （）= .2Jn+1/2 （）H（2）n （）= .2H（2）n+1/2 （） r 是球体复合介电常数，a 是球体半径，E0 是入射平面波的幅度. 表示沿球体 轴的单位向量，k 和 k0 表示球

7、体内外波数，r 表示球体三维坐标向量.理论分析和模拟计算表明，散射电磁波的相位和幅度的平方与球体半径成较好的线性关系，且电磁波长与微动检测灵敏度成反比: S1/ （2）这里 S为微动检测灵敏度， 为波长. 基于这些理论分析基础，我们通过检测所发特定探测信号的回波参数，根据回波参数与人体生理信号间的相关性，进一步提出所需的呼吸、心率. 2 实验系统 探测信号采用波长为 8mm，功率为 0.52mW 的毫米波，波形形式为连续波（CW）信号.实验系统（Fig1） ，探测器由毫米波多普勒雷达前端组成，它包括窄波束宽度天线、毫米波震荡器、相关解调器等;预处理包括低噪声放大、滤波等;PC 机用来完成信号处

8、理功能，它包括数据采集、显示、频谱分析、自适应滤波等;生理示波器用来监视检测到的呼吸、心动信号. 图 1 图 5 略 3 实验结果 实验对象为男性青年、分别着各季节、各质地服装、距离小于 5m，采取站、坐、躺姿势，在天线的不同照射角度、不同的发射功率情况下，进行检测实验.数据采集系统通过两路通道，分别采集硬件滤波分离后的呼吸、心动信号，对信号进行数字预处理后，显示其时域波形，同时分别采集 512，1024 个数据进行 FFT分析.FFT 分析分两种情况:直接进行FFT分析和经自适应滤波后，再进行 FFT分析.坐姿情况下，检测到的呼吸信号及其 FFT分析（Fig2） ，叠加呼吸的心跳信号及其 F

9、FT分析（Fig3） ，屏住呼吸后的心跳信号及其 FFT分析（Fig4） ，引入随机动目标干扰后的心跳信号及其 FFT分析（Fig5）. 实验结果表明:运用该系统，可较高质量的检测出被测目标的呼吸和心动信号;FFT 算法可较清楚地估计出心动、呼吸的谱峰位置，计算后心率、呼吸率的指标与实测相吻合;实验对象分别所着各季节、各质地服装对检测结果无影响;实验对象在各种姿势下，从多角度进行探测实验，照射角度对检测信号幅度有一定影响，但不影响检测效果;随着距离的增大，谱峰分辨率下降，杂波干扰增强，FFT 方法效果变差;目标运动时，对检测效果影响很大;随着探测信号功率的增加，检测信号质量可得到改善，探测信号

10、功率小于 1mW，就可满足我们的检测要求. 4 讨论 呼吸、心率的非接触检测在临床上有重要的实际意义，特别适用于一些特殊应用场合，如对大面积创伤、烧伤、恶性传染病患者等不宜采用与皮肤接触的传感器或电极的患者进行监护，在家庭监护中摆脱电极、电缆等的束缚等，在军事医学上有特殊意义. 本实验表明基于 8mm波的呼吸、心率非接触检测方法，是一种可行的方法，其检测灵敏度高，功率小，对人体无害，可以实现长期连续监护，进一步的工作是抑制运动干扰，提高呼吸率、心率的检测精度. 参考文献: 1Chuang HR， Devendra M，Wang H，Chuang HR，Postow E.An X-band mi

11、crowave life-detection systems J.IEEE Trans Biomed Eng，1986;33（7）:747-750. 2Miyakawa M.Tomographic measurement of temperature change in phantoms of the human body by chirp radar-type microwave computed tomograph J.Med Biol Eng Comput，1993;31（8）:31-36. 3Holzrichter JF，Burnett GC，Ng LC，Lea WA.Speech articula-tor measurements using low power EM-wave J.J Acoust Soc Am，1998;103（1）:622-625.