非接触呼吸与心跳监护装置的研制

【作　者】胡　冶，李川涛，祁富贵，王帅杰，张　华，王健琪，路国华

1 第四军医大学学员旅三营十连，西安市，710032

2 第四军医大学生物医学工程学院电子学教研室，西安市，710032

非接触呼吸与心跳监护装置的研制

【作者】胡冶1，李川涛2，祁富贵2，王帅杰2，张华2，王健琪2，路国华2

1 第四军医大学学员旅三营十连，西安市，710032

2 第四军医大学生物医学工程学院电子学教研室，西安市，710032

目前，临床上所使用的生理参数监护装置均采用电极或传感器直接接触人体，增加了被测者生理和心理负荷。为了实现非接触呼吸和心跳检测，首先利用微型化生物雷达实现了对人体体动信号的非接触检测，然后对体动信号进行信号调理，从中提取出呼吸信号与心动信号，最后将呼吸和心跳监测波形进行无线传输。实验结果表明，该非接触呼吸与心跳波形监护装置体积小、功耗低，可以实现临床生理参数的实时监测。

生理参数；非接触；生物雷达

0　引言

生理参数(如心率、呼吸率等)监护装置对于现代化医院是必不可少的，它能够长期监护病人的生理状况，并根据实际情况客观实时反应病人的生理状况，为病人的诊疗提供客观依据。在关键时刻，如生理指标异常时还能够通知护理人员及时采取挽救措施，因此生理监护装置常应用于危重、手术等病人的生理监护，在现代医院中越来越普及[1]。

目前，临床应用中使用的生理参数监护装置均采用接触式，如监测呼吸时，常采用呼吸阻抗法，将一圈电极围绕人体一周，通过监测呼吸时胸腔阻抗的变化间接反映呼吸状况[2]；监测心率时，常采用电极直接接到人体肢端来采集心电信号。这些传统的方式已经得到了广泛的应用，采集到的生理信号质量较高，噪声较小，但是存在明显缺点：由于限制了被测者人身自由，常常会产生生理与心理负荷；因安装多种电极或传感器导致操作复杂，需要专业操作人员完成[3]。接触式生理参数监测方法特别是对于人体大面积烧伤、传染病患者等特殊病人无法进行有效监护。

相比于接触式监测，非接触监测能够很好地克服接触式的缺点，可以实现对人体无生理、心理负荷，无需安装任何电极或传感器条件下的人体生理参数非接触监护，该技术已经成为目前生理参数检测技术的研究热点。非接触生理参数监测技术常用的方法有红外和生物雷达两种，基于红外的非接触监测技术，可以通过人体生理活动引起温度变化来检测生理信号，但是其不能直接穿透衣服进行检测[4]，并且红外装置的成本较高、体积大、操作难度大；生物雷达非接触监测技术能够直接穿透衣物，通过检测呼吸、心跳等生理活动引起的体表微动信号，实现对呼吸、心跳非接触监测[5-8]。

本研究的目的是通过研制一种全新的非接触人体呼吸和心率监测装置，采用微型生物雷达非接触检测人体的体动信号，然后经过信号调理、特征提取等提取出人体的呼吸和心跳波形，最终将处理结果无线发送到上位机，在上位机市显示呼吸、心跳波形。

1　系统设计

1.1生物雷达工作原理

假设生物雷达发射的微波波长为λ，当其照射人体时被胸腔微动反射而产生回波信号，回波信号与生物雷达发射信号产生相位差θ，其大小随着胸腔位移的变化而变化，与生物雷达的波长成反比，胸腔微动引起雷达回波信号相位变化模型如图1所示。呼吸和心跳引起的人体胸腔微动位移量范围为4～15 mm[9]，为了保证雷达能够检测到体表信号，雷达的工作频率范围为2～75 GHz。在本研究中我们选用工作频率为24 GHz(波长为12.5 mm)的生物雷达，通过后续的放大、滤波等处理，就可以实现体动信号的非接触检测。

图1　胸腔微动引起雷达回波信号相位变化模型Fig.1　The phase change model of the radar echo signal caused by chest movement

1.2系统设计

前期的实验结果表明：当人体平静呼吸时，距离人体3 m以内的生物雷达的输出信号幅度范围为1～10 mV，而且噪声大。为了从生物雷达的输出信号中有效地提取出人体的呼吸和心跳信号，在设计硬件电路时要求电路增益高、能够放大0.05～2.0 Hz的低频信号。为此，我们在设计放大电路时采用多级、低频放大电路。

整个装置由四个部分组成：信号调理模块，控制与处理模块，电源模块及上位机。首先，生物雷达监测到的体表信号幅度小、频率低、噪声大，因此要使用信号调理模块将其多级滤波放大，转换为微处理器可处理的信号。其次，预处理后的体表信号包含呼吸信号与心动信号，因此需接入微处理器进行数字滤波等操作将其分离开来以提取呼吸率与心率。第三，为完善非接触监护，需要通过无线模块实现微处理器与上位机之间的通信，最终可在上位机上查看存储的被监护者的呼吸波形、呼吸率、心动波形、心率。最后，整个装置要求便携，因此硬件电路需要独立的供电系统，因此选用3.7 V手机电池作为供电电源，通过升压、反压等操作便可作为±5 V双电源给硬件电路供电。

总体设计框图如图2所示。

图2　系统总设计框图Fig.2　The diagram of the systematic design

1.3硬件电路实现

1.3.1信号调理模块

相对于常见的生理监护仪器，生物雷达能实现非接触监护，但其输出信号幅度低、噪声大，有用信号几乎被噪声完全淹没，所以不能直接使用，因此需要信号调理模块对雷达信号进行预处理。体表信号幅度小，因此需要经过多级放大；并且带宽窄，因此为缩短过渡带，设计的高、低通滤波器均为40 dB；体表信号包含呼吸信号与心动信号，这两种信号的频率都较低，所以滤波器的滤波范围为0.05～10 Hz。

试验中用于设计有源滤波器的通用运放为双电源供电的四通道运放（OP41117）以节省电路板面积来达到便携的目的，如图3所示。该种运放飘逸较小，低频特性好，信号输出结果较好。

1.3.2控制与处理模块

控制与处理模块的作用是对预处理的体表信号进行后续处理，从体表信号中分离呼吸信号与心动信号，以获取呼吸率与心率。为达到实验目的，选用信号处理能力较强的STM32F407，该微处理器首先对预处理信号通过A/D采样，将模拟信号转变为数字信号并存储。然后一方面对其进行数字低通滤波，上限为0.6 Hz，这样就可以得到完整的呼吸波形，再根据波形进行峰值检测就可以计算出呼吸率；另一方面，由于心动信号被呼吸信号淹没，普通高低通数字滤波无法还原心动信号，所以要采用算法更为复杂的自适应滤波得到心动信号，心率的算法与呼吸率算法类似。

图3　信号调理模块Fig.3　Signal conditioning module

呼吸率算法流程如图4所示。

图4　软件流程图Fig.4　The software flow chart

1.3.3上位机与无线装置

上位机的作用是接收数字电路上传的处理结果，并将结果显示出来，作用类似于监护仪的显示屏。

无线装置为Zigbee模块，作用是传递数据，通过配置可以保持上位机与数字电路之间的无线通信。设置无线通信的优势在于便于信息的集中管理。目前使用的生理监护装置只能放在病人周围，灵活空间小，并且比较分散。使用无线通信可以将多个病人的生理信息集中管理，如果发生异常，则上位机首先发现，这样就能快速灵活反应。未来随着无线通讯技术的发展，甚至可以在一个上位机上显示多人生理信息。

1.3.4电源模块

由于该装置强调便携性，所以必须使用单个可充电电池供电，因此实验选用3.7 V手机电池作为供电源。手机电池的电压随着使用时间的延长会变小，并且信号调理模块所使用的通用运放为双电源供电，因此需将手机电池改造成为稳定的双电源供电模块。选用tps60110芯片可将2.7 V到5.4 V的输入电压转换为5 V的稳定电压，并产生最大值为300 mA的负载电流。再用ICL7660将所得到的+5 V电压转换为-5 V电压，这样就形成了一个双电源供电系统，如图5所示。

图5　电源模块Fig.5　The power supply module

2　实验结果

我们将自行研制的非接触便携式呼吸与心率监护装置放置于实验桌上(高度为1.2 m)，受试者为1名男性，年龄21岁，无心肺疾病，坐在高度为0.5 m的椅子上自由呼吸。人体距离实验桌2 m,上位机距离信监护装置4 m。实验场景如图6所示，实验结果如图7和图8所示。

自由呼吸时的体动信号如图7(a)所示，从图中基本能看出呼吸波形的脉络，杂波相对较少，可以经过简单的平滑滤波后就可以的到较好的呼吸信号；屏住呼吸时的体动信号如图7(b)所示，这时呼吸信号基本没有，但仍然能看到周期性的波动，信号较为微弱，远远低于呼吸信号。

图6　实验场景Fig.6　The experimental scene

图7　非接触检测人体体动信号波形Fig.7　The non-contact detection waveform of body motion signal

经过数字信号处理后的呼吸和心跳信号波形如图8所示。图8（a）为数字滤波后的呼吸信号波形，杂波较少、无振荡、无漂移，滤波效果与接触式不分高低，再通过峰值检测就可以得到呼吸率；线性自适应滤波后[10-11]的心动信号如图8（b）所示，心动波形经过自适应滤波，平滑滤波放大后噪声依然较大，但基本可以观察到心跳，通过峰值检测同样可以监测到心率。

图8　经过处理后从人体体动中提取的呼吸与心跳信号Fig.8　The respiration and heartbeat signal extracted from body motion signal

3　结论

本文研制的非接触便携式呼吸与心跳波形监护装置基本达到了实验要求，可以实现对人体体动信号的非接触监测，经过模拟电路部分的40 dB高通、低通滤波和多级放大后便可转换为易于处理的信号，再将信号接入数字电路部分进行后续处理得到呼吸与心跳波形，最终将处理结果发送到上位机进行波形显示，整个装置成本低且便携化。

生物雷达直接监测得到的信号幅度小、噪声大，因此我们首先采用模拟电路部分对信号进行处理，以减少数字电路部分的负担；在数字电路与上位机通信中使用了无线装置，以应对传染病等特殊情况下的非接触生理监护，无线装置的耗电量随着距离的增加而加大，由于装置使用手机电池供电，为增加电池的使用周期，应尽量缩短距离以节省电量。其次，无线装置传送的数据量不宜较大，否则会发生数据丢失。

在实验中，从体动信号提取心率信号操作较为复杂，因为呼吸所引起的体表运动要远远大于心跳所引起的，因此体动信号中心跳信号所占有的成分较少，几乎被呼吸信号淹没，并且两者都为低频信号，呼吸信号的高次谐波与心动信号存在重叠，因此从体表信号中提取心动信号是难点之一。在本研究中，我们采用线性自适应滤波可以达到实验效果。

目前临床上应用的生理监护装置都采用接触式，其中部分原因就是其信号输出效果好、信噪比高，但随着信号处理能力的不断增强，非接触方式采集到的信号经信号处理后也能达到较好的效果，接触式的局限性最终会体现出来，而非接触的优势也最终能得以重视，因此，非接触生理监护在未来的临床应用中必然存在广泛的应用前景。

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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

国家自然科学基金课题（61271102）

胡冶，E-mail: 2245330883@qq.com

路国华，E-mail: lugh1976@fmmu.edu.cn