非接觸呼吸與心跳監護裝置的研制

【作　者】胡　冶，李川濤，祁富貴，王帥杰，張　華，王健琪，路國華

1 第四軍醫大學學員旅三營十連，西安市，710032

2 第四軍醫大學生物醫學工程學院電子學教研室，西安市，710032

非接觸呼吸與心跳監護裝置的研制

【作者】胡冶1，李川濤2，祁富貴2，王帥杰2，張華2，王健琪2，路國華2

1 第四軍醫大學學員旅三營十連，西安市，710032

2 第四軍醫大學生物醫學工程學院電子學教研室，西安市，710032

目前，臨床上所使用的生理參數監護裝置均采用電極或傳感器直接接觸人體，增加了被測者生理和心理負荷。為了實現非接觸呼吸和心跳檢測，首先利用微型化生物雷達實現了對人體體動信號的非接觸檢測，然后對體動信號進行信號調理，從中提取出呼吸信號與心動信號，最后將呼吸和心跳監測波形進行無線傳輸。實驗結果表明，該非接觸呼吸與心跳波形監護裝置體積小、功耗低，可以實現臨床生理參數的實時監測。

生理參數；非接觸；生物雷達

0　引言

生理參數(如心率、呼吸率等)監護裝置對于現代化醫院是必不可少的，它能夠長期監護病人的生理狀況，并根據實際情況客觀實時反應病人的生理狀況，為病人的診療提供客觀依據。在關鍵時刻，如生理指標異常時還能夠通知護理人員及時采取挽救措施，因此生理監護裝置常應用于危重、手術等病人的生理監護，在現代醫院中越來越普及[1]。

目前，臨床應用中使用的生理參數監護裝置均采用接觸式，如監測呼吸時，常采用呼吸阻抗法，將一圈電極圍繞人體一周，通過監測呼吸時胸腔阻抗的變化間接反映呼吸狀況[2]；監測心率時，常采用電極直接接到人體肢端來采集心電信號。這些傳統的方式已經得到了廣泛的應用，采集到的生理信號質量較高，噪聲較小，但是存在明顯缺點：由于限制了被測者人身自由，常常會產生生理與心理負荷；因安裝多種電極或傳感器導致操作復雜，需要專業操作人員完成[3]。接觸式生理參數監測方法特別是對于人體大面積燒傷、傳染病患者等特殊病人無法進行有效監護。

相比于接觸式監測，非接觸監測能夠很好地克服接觸式的缺點，可以實現對人體無生理、心理負荷，無需安裝任何電極或傳感器條件下的人體生理參數非接觸監護，該技術已經成為目前生理參數檢測技術的研究熱點。非接觸生理參數監測技術常用的方法有紅外和生物雷達兩種，基于紅外的非接觸監測技術，可以通過人體生理活動引起溫度變化來檢測生理信號，但是其不能直接穿透衣服進行檢測[4]，并且紅外裝置的成本較高、體積大、操作難度大；生物雷達非接觸監測技術能夠直接穿透衣物，通過檢測呼吸、心跳等生理活動引起的體表微動信號，實現對呼吸、心跳非接觸監測[5-8]。

本研究的目的是通過研制一種全新的非接觸人體呼吸和心率監測裝置，采用微型生物雷達非接觸檢測人體的體動信號，然后經過信號調理、特征提取等提取出人體的呼吸和心跳波形，最終將處理結果無線發送到上位機，在上位機市顯示呼吸、心跳波形。

1　系統設計

1.1生物雷達工作原理

假設生物雷達發射的微波波長為λ，當其照射人體時被胸腔微動反射而產生回波信號，回波信號與生物雷達發射信號產生相位差θ，其大小隨著胸腔位移的變化而變化，與生物雷達的波長成反比，胸腔微動引起雷達回波信號相位變化模型如圖1所示。呼吸和心跳引起的人體胸腔微動位移量范圍為4～15 mm[9]，為了保證雷達能夠檢測到體表信號，雷達的工作頻率范圍為2～75 GHz。在本研究中我們選用工作頻率為24 GHz(波長為12.5 mm)的生物雷達，通過后續的放大、濾波等處理，就可以實現體動信號的非接觸檢測。

圖1　胸腔微動引起雷達回波信號相位變化模型Fig.1　The phase change model of the radar echo signal caused by chest movement

1.2系統設計

前期的實驗結果表明：當人體平靜呼吸時，距離人體3 m以內的生物雷達的輸出信號幅度范圍為1～10 mV，而且噪聲大。為了從生物雷達的輸出信號中有效地提取出人體的呼吸和心跳信號，在設計硬件電路時要求電路增益高、能夠放大0.05～2.0 Hz的低頻信號。為此，我們在設計放大電路時采用多級、低頻放大電路。

整個裝置由四個部分組成：信號調理模塊，控制與處理模塊，電源模塊及上位機。首先，生物雷達監測到的體表信號幅度小、頻率低、噪聲大，因此要使用信號調理模塊將其多級濾波放大，轉換為微處理器可處理的信號。其次，預處理后的體表信號包含呼吸信號與心動信號，因此需接入微處理器進行數字濾波等操作將其分離開來以提取呼吸率與心率。第三，為完善非接觸監護，需要通過無線模塊實現微處理器與上位機之間的通信，最終可在上位機上查看存儲的被監護者的呼吸波形、呼吸率、心動波形、心率。最后，整個裝置要求便攜，因此硬件電路需要獨立的供電系統，因此選用3.7 V手機電池作為供電電源，通過升壓、反壓等操作便可作為±5 V雙電源給硬件電路供電。

總體設計框圖如圖2所示。

圖2　系統總設計框圖Fig.2　The diagram of the systematic design

1.3硬件電路實現

1.3.1信號調理模塊

相對于常見的生理監護儀器，生物雷達能實現非接觸監護，但其輸出信號幅度低、噪聲大，有用信號幾乎被噪聲完全淹沒，所以不能直接使用，因此需要信號調理模塊對雷達信號進行預處理。體表信號幅度小，因此需要經過多級放大；并且帶寬窄，因此為縮短過渡帶，設計的高、低通濾波器均為40 dB；體表信號包含呼吸信號與心動信號，這兩種信號的頻率都較低，所以濾波器的濾波范圍為0.05～10 Hz。

試驗中用于設計有源濾波器的通用運放為雙電源供電的四通道運放（OP41117）以節省電路板面積來達到便攜的目的，如圖3所示。該種運放飄逸較小，低頻特性好，信號輸出結果較好。

1.3.2控制與處理模塊

控制與處理模塊的作用是對預處理的體表信號進行后續處理，從體表信號中分離呼吸信號與心動信號，以獲取呼吸率與心率。為達到實驗目的，選用信號處理能力較強的STM32F407，該微處理器首先對預處理信號通過A/D采樣，將模擬信號轉變為數字信號并存儲。然后一方面對其進行數字低通濾波，上限為0.6 Hz，這樣就可以得到完整的呼吸波形，再根據波形進行峰值檢測就可以計算出呼吸率；另一方面，由于心動信號被呼吸信號淹沒，普通高低通數字濾波無法還原心動信號，所以要采用算法更為復雜的自適應濾波得到心動信號，心率的算法與呼吸率算法類似。

圖3　信號調理模塊Fig.3　Signal conditioning module

呼吸率算法流程如圖4所示。

圖4　軟件流程圖Fig.4　The software flow chart

1.3.3上位機與無線裝置

上位機的作用是接收數字電路上傳的處理結果，并將結果顯示出來，作用類似于監護儀的顯示屏。

無線裝置為Zigbee模塊，作用是傳遞數據，通過配置可以保持上位機與數字電路之間的無線通信。設置無線通信的優勢在于便于信息的集中管理。目前使用的生理監護裝置只能放在病人周圍，靈活空間小，并且比較分散。使用無線通信可以將多個病人的生理信息集中管理，如果發生異常，則上位機首先發現，這樣就能快速靈活反應。未來隨著無線通訊技術的發展，甚至可以在一個上位機上顯示多人生理信息。

1.3.4電源模塊

由于該裝置強調便攜性，所以必須使用單個可充電電池供電，因此實驗選用3.7 V手機電池作為供電源。手機電池的電壓隨著使用時間的延長會變小，并且信號調理模塊所使用的通用運放為雙電源供電，因此需將手機電池改造成為穩定的雙電源供電模塊。選用tps60110芯片可將2.7 V到5.4 V的輸入電壓轉換為5 V的穩定電壓，并產生最大值為300 mA的負載電流。再用ICL7660將所得到的+5 V電壓轉換為-5 V電壓，這樣就形成了一個雙電源供電系統，如圖5所示。

圖5　電源模塊Fig.5　The power supply module

2　實驗結果

我們將自行研制的非接觸便攜式呼吸與心率監護裝置放置于實驗桌上(高度為1.2 m)，受試者為1名男性，年齡21歲，無心肺疾病，坐在高度為0.5 m的椅子上自由呼吸。人體距離實驗桌2 m,上位機距離信監護裝置4 m。實驗場景如圖6所示，實驗結果如圖7和圖8所示。

自由呼吸時的體動信號如圖7(a)所示，從圖中基本能看出呼吸波形的脈絡，雜波相對較少，可以經過簡單的平滑濾波后就可以的到較好的呼吸信號；屏住呼吸時的體動信號如圖7(b)所示，這時呼吸信號基本沒有，但仍然能看到周期性的波動，信號較為微弱，遠遠低于呼吸信號。

圖6　實驗場景Fig.6　The experimental scene

圖7　非接觸檢測人體體動信號波形Fig.7　The non-contact detection waveform of body motion signal

經過數字信號處理后的呼吸和心跳信號波形如圖8所示。圖8（a）為數字濾波后的呼吸信號波形，雜波較少、無振蕩、無漂移，濾波效果與接觸式不分高低，再通過峰值檢測就可以得到呼吸率；線性自適應濾波后[10-11]的心動信號如圖8（b）所示，心動波形經過自適應濾波，平滑濾波放大后噪聲依然較大，但基本可以觀察到心跳，通過峰值檢測同樣可以監測到心率。

圖8　經過處理后從人體體動中提取的呼吸與心跳信號Fig.8　The respiration and heartbeat signal extracted from body motion signal

3　結論

本文研制的非接觸便攜式呼吸與心跳波形監護裝置基本達到了實驗要求，可以實現對人體體動信號的非接觸監測，經過模擬電路部分的40 dB高通、低通濾波和多級放大后便可轉換為易于處理的信號，再將信號接入數字電路部分進行后續處理得到呼吸與心跳波形，最終將處理結果發送到上位機進行波形顯示，整個裝置成本低且便攜化。

生物雷達直接監測得到的信號幅度小、噪聲大，因此我們首先采用模擬電路部分對信號進行處理，以減少數字電路部分的負擔；在數字電路與上位機通信中使用了無線裝置，以應對傳染病等特殊情況下的非接觸生理監護，無線裝置的耗電量隨著距離的增加而加大，由于裝置使用手機電池供電，為增加電池的使用周期，應盡量縮短距離以節省電量。其次，無線裝置傳送的數據量不宜較大，否則會發生數據丟失。

在實驗中，從體動信號提取心率信號操作較為復雜，因為呼吸所引起的體表運動要遠遠大于心跳所引起的，因此體動信號中心跳信號所占有的成分較少，幾乎被呼吸信號淹沒，并且兩者都為低頻信號，呼吸信號的高次諧波與心動信號存在重疊，因此從體表信號中提取心動信號是難點之一。在本研究中，我們采用線性自適應濾波可以達到實驗效果。

目前臨床上應用的生理監護裝置都采用接觸式，其中部分原因就是其信號輸出效果好、信噪比高，但隨著信號處理能力的不斷增強，非接觸方式采集到的信號經信號處理后也能達到較好的效果，接觸式的局限性最終會體現出來，而非接觸的優勢也最終能得以重視，因此，非接觸生理監護在未來的臨床應用中必然存在廣泛的應用前景。

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Development of Non-Contact Monitoring Device for Breathing and Heartbeat

【 Writers 】HU Ye1, LI Chuantao2, QI Fugui2, WANG Shuaijie2, ZHANG Hua2, WANG Jianqi2, LU Guohua2
1 Company 10, Battalion 3, Cadet Brigade, the Fourth Military Medical University, Xi'an, 710032
2 Department of Electronics,School of Biomedical Engineering, the Fourth Military Medical University, Xi' an, 710032

Physiological monitoring devices in modern clinical area are basically used electrodes or sensors directly touching the surface of human subject body, which will increase physiological and psychological load of the subjects. In order to realize non-contact monitoring of respiration and heartbeat, firstly, the micro bioradar was used to detect human body motion signal. Then, the respiration signal and heartbeat signal was extracted from the body-motion signal by using signal and conditioning circuits, digital filter and signal processing. Finally, the results of heart rate and breathing rate was wirelessly transmitted. The experimental results showed that the device for non-contact monitoring of respiration and heartbeat waveforms has advantages of small volume, low power consumption, which can realize the monitoring of physiological parameters in real time.

physiological parameters, non-contact, bioradar

R319

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.04.003

1671-7104(2015)04-0244-05

2015-03-30

國家自然科學基金課題（61271102）

胡冶，E-mail: 2245330883@qq.com

路國華，E-mail: lugh1976@fmmu.edu.cn