專利名稱：用于檢測(cè)心跳和/或呼吸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實(shí)施例涉及例如無線感測(cè)的電子感測(cè)領(lǐng)域。通過實(shí)例，本發(fā)明實(shí)施例涉及用于檢測(cè)心跳和/或呼吸的方法，以及相應(yīng)的設(shè)備。
背景技術(shù)：
電子感測(cè)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域很長(zhǎng)時(shí)間，執(zhí)行例如監(jiān)視心率和監(jiān)視呼吸率的功能。 電子感測(cè)還用于例如電子測(cè)謊器系統(tǒng)、恐怖分子掃描、通過監(jiān)視對(duì)象脈搏率的運(yùn)動(dòng)員健康監(jiān)視。在大部分的上述實(shí)例中，典型地經(jīng)由“有線”裝置執(zhí)行電子感測(cè)。在這種情況下， 電線或電纜從附于對(duì)象身體的傳感器連接至處理系統(tǒng)，所述處理系統(tǒng)將處理和解釋來自傳感器的電信號(hào)，以顯示關(guān)于所監(jiān)視的特征(例如心率、呼吸率和脈搏率)的讀數(shù)。然而，對(duì)于一些應(yīng)用，“有線”裝置難以實(shí)現(xiàn)或不便于實(shí)際使用。近來，經(jīng)由無線裝置的電子感測(cè)已考慮用于估算例如心率和/或呼吸率。在這種情況下，在使用無線裝置估算心率和/或呼吸率時(shí)遇到的一個(gè)難題是，由于胸部的心跳和呼吸運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的反射無線電波信號(hào)通常很弱。盡管可以通過增加發(fā)射信號(hào)的功率來增加反射信號(hào)的振幅，但是這對(duì)于對(duì)象的健康造成負(fù)面影響。因此，增加發(fā)射信號(hào)的功率不是一個(gè)實(shí)用的方案。典型地，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的電子感測(cè)利用具有很低功率的無線電波信號(hào)。為了增加在相同時(shí)間間隔內(nèi)檢測(cè)反射無線電信號(hào)的可能，可使用高頻無線電信號(hào)。這是因?yàn)榉瓷湫盘?hào)的頻率與發(fā)射信號(hào)的頻率相關(guān)，其中可通過增加發(fā)射信號(hào)的頻率來增加反射信號(hào)的多普勒頻率。然而，當(dāng)在人體內(nèi)傳播時(shí)高頻信號(hào)經(jīng)歷強(qiáng)衰減。因此，在這些應(yīng)用中，這種關(guān)于反射無線電波信號(hào)的檢測(cè)和隨后的分析的傳統(tǒng)方法的性能并不佳。此外，難以得到心率和/或呼吸率的精確估算，特別當(dāng)傳感器和對(duì)象之間存在移動(dòng)擾動(dòng)時(shí)。這些擾動(dòng)在接收信號(hào)中引入了額外的隨機(jī)干擾。在一些情形下，這些擾動(dòng)甚至將導(dǎo)致對(duì)心率和/或呼吸率的錯(cuò)誤檢測(cè)。此外，還難以提取人群中特定目標(biāo)的心率和/或呼吸率。反射信號(hào)包括來自人群中幾乎所有對(duì)象的心跳/呼吸信號(hào)。重要的是提取特定對(duì)象的反射信號(hào)。對(duì)于傳統(tǒng)方法， 這特別困難。可使用本發(fā)明的實(shí)施例來解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面，提供一種用于檢測(cè)心跳和/或呼吸的方法。提供的方法包括接收波信號(hào)；以及使用心跳和/或呼吸模型分析接收的波信號(hào)，從而提供指示所述接收的波信號(hào)是否表示心跳和/或呼吸的結(jié)果信號(hào)。本發(fā)明的另一方面，提供一種用于檢測(cè)心跳和/或呼吸的設(shè)備。所述設(shè)備包括接收器單元，被配置為接收波信號(hào)；以及分析單元，被配置為使用心跳和/或呼吸模型分析接收的波信號(hào)，從而提供指示所述接收的波信號(hào)是否表示心跳和/或呼吸的結(jié)果信號(hào)。


在附圖中，類似標(biāo)號(hào)通常表示各個(gè)視圖中的相同部分。附圖不必按相同比例，相反，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的原理。在以下說明中，參照附圖描述本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，其中圖IA示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于檢測(cè)心跳和/或呼吸的一種方法的流程圖。圖IB示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在上面可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)心跳和/或呼吸的方法的系統(tǒng)。圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的無線心率和呼吸率監(jiān)視(WHRM)設(shè)備的框圖。圖3示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM)的框圖。圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM)的第三配置的框圖。圖5示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的射頻(RF)模塊(RM)的框圖。圖6示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器波束形成器(TB)模塊的框圖。圖7示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的接收器波束形成器(RB)模塊的框圖。圖8示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的心跳和/或呼吸檢測(cè)和估算模塊(HRDEM)的預(yù)處理塊的框圖。圖9示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施估算心率和圖。圖10示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施估算心率和圖。圖11示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施估算心率和圖。圖12示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施類貝葉斯濾波器的率估算模塊的框圖。圖13示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例建立的系統(tǒng)。圖14示出由從計(jì)算機(jī)運(yùn)行的信號(hào)處理軟件采用的各個(gè)功能塊的框圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，提供了用于檢測(cè)心跳和/或呼吸的方法。圖IA示出一種用于檢測(cè)心跳和/或呼吸的方法的流程圖150。所述方法包括在152，接收波信號(hào)；以及在154， 使用心跳和/或呼吸模型分析接收的波信號(hào)，從而提供指示所述接收的波信號(hào)是否表示心跳和/或呼吸的結(jié)果信號(hào)。所述方法還可包括(未示出)，在152中接收波信號(hào)之前，發(fā)射所述波信號(hào)。所述方法還可包括提供呼吸率和/或心率的估算。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，提供一種用于檢測(cè)心跳和/或呼吸的設(shè)備。提供的設(shè)備包括 接收器單元，被配置為接收波信號(hào)；以及分析單元，被配置為使用心跳和/或呼吸模型分析接收的波信號(hào)，從而提供指示所述接收的波信號(hào)是否表示心跳和/或呼吸的結(jié)果信號(hào)。所述設(shè)備可包括發(fā)射器單元，被配置為發(fā)射用于所述接收器單元的波信號(hào)。所述設(shè)備還可提
/或呼吸率的第一方法的框 /或呼吸率的第二方法的框 /或呼吸率的第三方法的框供呼吸率和/或心率的估算。本發(fā)明實(shí)施例根據(jù)從屬權(quán)利要求示出。圖示地，可如下執(zhí)行經(jīng)由無線裝置的心率和/或呼吸率的檢測(cè)。首先，可向?qū)ο蟀l(fā)射波信號(hào)。接下來，可接收從對(duì)象反射的波信號(hào)。最后，可對(duì)于接收的波信號(hào)應(yīng)用一些信號(hào)處理技術(shù)，以獲得對(duì)例如心率和/或呼吸率的估算。由此，在一個(gè)實(shí)施例中，提供的方法還可包括提供呼吸率和/或心率的估算。在一個(gè)實(shí)施例中，使用心跳和/或呼吸模型分析接收的波信號(hào)包括對(duì)于與所述接收的波信號(hào)相關(guān)的信號(hào)執(zhí)行頻譜變換；并且使用頻率值小于預(yù)定頻率閾值的變換的信號(hào)的分量來提供所述結(jié)果信號(hào)。在另一實(shí)施例中，所述預(yù)定頻率閾值在大約0. 5Hz至大約:3Hz 的范圍內(nèi)。在另一實(shí)施例中，所述預(yù)定頻率閾值在大約0.2Hz至大約IHz的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述頻率變換是傅立葉變換。在一個(gè)實(shí)施例中，使用心跳和/或呼吸模型分析接收的波信號(hào)包括對(duì)于與所述接收的波信號(hào)相關(guān)的信號(hào)執(zhí)行回歸分析(例如自回歸分析)，從而生成回歸參數(shù)；以及使用所述回歸參數(shù)對(duì)于與所述接收的波信號(hào)相關(guān)的信號(hào)執(zhí)行頻譜變換；其中使用頻率值在預(yù)定頻率范圍內(nèi)的變換的信號(hào)的分量來提供所述結(jié)果信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述心跳和/或呼吸模型包括類貝葉斯濾波器(Bayesian filter)的心跳和/或呼吸模型。在另一實(shí)施例中，所述類貝葉斯濾波器的心跳和/或呼吸模型包括基于卡爾曼濾波器(Kalman filter)(例如擴(kuò)展的卡爾曼濾波器)的估算方法。在一個(gè)實(shí)施例中，所述類貝葉斯濾波器的心跳和/或呼吸模型包括基于無跡卡爾曼濾波器(imscented Kalman filter)的估算方法。在另一實(shí)施例中，所述類貝葉斯濾波器的心跳和/或呼吸模型包括基于粒子濾波器(Particle filter)的估算方法。在一個(gè)實(shí)施例中，使用心跳和/或呼吸模型分析接收的波信號(hào)包括對(duì)于與接收的波信號(hào)相關(guān)的信號(hào)執(zhí)行變換；確定包括變換的信號(hào)的觀測(cè)信號(hào)；以及對(duì)于所述觀測(cè)信號(hào)執(zhí)行統(tǒng)計(jì)分析；其中基于所述統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果提供所述結(jié)果信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述接收的波信號(hào)是電磁波信號(hào)。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述接收的波信號(hào)是連續(xù)波電磁波信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述電磁波信號(hào)具有從發(fā)射器設(shè)備發(fā)射的無線電波信號(hào)的范圍內(nèi)的頻率。在這個(gè)實(shí)施例中，所述發(fā)射器設(shè)備可以是但不限于，例如波信號(hào)發(fā)射器設(shè)備。在一個(gè)實(shí)施例中，提供的方法還包括對(duì)于接收的波信號(hào)進(jìn)行波束形成。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供的方法還包括發(fā)射要被反射的波信號(hào)，其中所述接收的波信號(hào)包括反射的波信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述接收的波信號(hào)是通過反射調(diào)制的發(fā)射的波信號(hào)。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述接收的波信號(hào)是由生物反射的、和通過反射調(diào)制的發(fā)射的波信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，基于生物的心壁和胸部的運(yùn)動(dòng)調(diào)制所述發(fā)射的波信號(hào)。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述接收的波信號(hào)是通過反射調(diào)制的發(fā)射的波信號(hào)相位。在一個(gè)實(shí)施例中，提供的方法還包括對(duì)于所述發(fā)射的波信號(hào)進(jìn)行波束形成。在一個(gè)實(shí)施例中，分析所述接收的波信號(hào)包括解調(diào)所述接收的波信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，提供的設(shè)備還包括至少一個(gè)天線；以及第一波束形成單元，被配置為對(duì)所述接收的波信號(hào)進(jìn)行波束形成。
在一個(gè)實(shí)施例中，提供的設(shè)備還包括發(fā)射器單元，被配置為發(fā)射要被反射的波信號(hào)，其中所述接收的波信號(hào)包括反射的波信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，提供的設(shè)備還包括第二波束形成單元，被配置為對(duì)發(fā)射的波信號(hào)進(jìn)行波束形成。在用于檢測(cè)心跳和/或呼吸的方法的環(huán)境中描述的實(shí)施例可類似地用于各個(gè)設(shè)備，反之亦然。圖IB示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在上面可實(shí)現(xiàn)用于檢測(cè)心跳和/或呼吸的方法的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括對(duì)象1以及無線心率和呼吸率監(jiān)視(WHRM)設(shè)備5。在這個(gè)圖示中， 可在例如無線心率和呼吸率監(jiān)視(WHRM)設(shè)備5上實(shí)現(xiàn)用于檢測(cè)心跳和/或呼吸的方法。無線心率和呼吸率監(jiān)視(WHRM)設(shè)備5的操作可如下描述。無線心率和呼吸率監(jiān)視(WHRM)設(shè)備5首先向?qū)ο?發(fā)射波信號(hào)。在這種情況下， 波信號(hào)可以是但不限于例如電磁波信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，波信號(hào)是連續(xù)波電磁波信號(hào)。然后，無線心率和呼吸率監(jiān)視(WHRM)設(shè)備5接收另一波信號(hào)3，這個(gè)接收的波信號(hào) 3可包括例如從對(duì)象1反射的發(fā)射的波信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，接收的波信號(hào)3是由對(duì)象1反射的和通過所述反射調(diào)制的發(fā)射的波信號(hào)。在另一個(gè)實(shí)施例中，基于對(duì)象1的心壁和胸部的運(yùn)動(dòng)調(diào)制發(fā)射的波信號(hào)。在這種環(huán)境下，接收的波信號(hào)3可包括例如關(guān)于心率和/或呼吸率的信息。然后，無線心率和呼吸率監(jiān)視(WHRM)設(shè)備5應(yīng)用信號(hào)處理技術(shù)處理接收的波信號(hào) 3，以獲得對(duì)于對(duì)象1的心率和/或呼吸率的估算。稍后將更詳細(xì)描述應(yīng)用的信號(hào)處理技術(shù)。在結(jié)果信號(hào)7中提供關(guān)于心率和/或呼吸率的數(shù)據(jù)，結(jié)果信號(hào)7還指示接收的波信號(hào)3是否代表心跳和/或呼吸。圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的無線心率和呼吸率監(jiān)視(WHRM)設(shè)備5的框圖 200。如圖2所示，無線心率和呼吸率監(jiān)視(WHRM)設(shè)備5包括信號(hào)發(fā)射/接收模塊 (STRM) 11、心跳和/或呼吸檢測(cè)和估算模塊(HRDEM) 14和系統(tǒng)控制模塊(SCM) 15。信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11執(zhí)行向?qū)ο?發(fā)射波信號(hào)的功能。信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11還執(zhí)行接收可從對(duì)象1反射的(反射)波信號(hào)的功能。信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11還向心跳和/或呼吸檢測(cè)和估算模塊(HRDEM) 14 提供第一信號(hào)13。第一信號(hào)13可以是但不限于數(shù)字信號(hào)，其包括例如關(guān)于對(duì)象1的心率和 /或呼吸率的信息。心跳和/或呼吸檢測(cè)和估算模塊(HRDEM) 14基于接收的第一信號(hào)13執(zhí)行檢測(cè)和估算對(duì)象1的心率和/或呼吸率的功能。HRDEM 14提供從檢測(cè)和估算對(duì)象1的心率和/或呼吸率得到的結(jié)果，作為結(jié)果信號(hào)7中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)控制模塊(SCM) 15向信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11提供第一控制信號(hào)17，以及向心跳和/或呼吸檢測(cè)和估算模塊(HRDEM) 14提供第二控制信號(hào)19。第一控制信號(hào)17 和第二控制信號(hào)19用于分別控制信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11和心跳和/或呼吸檢測(cè)和估算模塊(HRDEM) 14的操作。圖3示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11的框圖300。
如圖3所示，信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11包括天線21、射頻(RF)模塊(RM)23、 接收器波束形成器(RB)模塊四和發(fā)射器波束形成器(TB)模塊31。在一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11可包括多個(gè)天線21和多個(gè)射頻 (RF)模塊(RM) 23。在這個(gè)實(shí)施例中，天線標(biāo)記為21，額外天線標(biāo)記為21’。同樣，射頻(RF) 模塊(RM)標(biāo)記為23，額外射頻(RF)模塊(RM)標(biāo)記為23，。在一個(gè)實(shí)施例中，天線21可等同于額外天線21’。在另一個(gè)實(shí)施例中，射頻(RF) 模塊(RM) 23可等同于額外射頻(RF)模塊(RM) 23，。在這個(gè)圖示中，可看出在這個(gè)實(shí)施例中，波信號(hào)3是射頻(RF)范圍內(nèi)的電磁波信號(hào)。天線21可用于(在發(fā)射路徑上)發(fā)射RF波信號(hào)和(在接收路徑上)接收RF波信號(hào)3。射頻(RF)模塊(RM) 23可用于處理要在發(fā)射路徑上發(fā)射的RF波信號(hào)。由此，可從發(fā)射器波束形成器(TB)模塊31接收第二信號(hào)27。然后，可向天線21提供基于第二信號(hào) 27處理的信號(hào)以傳輸。射頻(RF)模塊(RM) 23還可用于處理在接收路徑上接收的RF波信號(hào)。由此，由射頻(RF)模塊(RM) 23向接收器波束形成器(RB)模塊四提供處理的波信號(hào)25來進(jìn)一步處理。接收器波束形成器(RB)模塊四可用于形成到期望方向(例如對(duì)象1的方向)的波束，從而可增強(qiáng)接收的RF波信號(hào)3。接收器波束形成器(RB)模塊四從射頻(RF)模塊 (RM) 23接收處理的波信號(hào)25，并提供第一信號(hào)13作為其輸出信號(hào)。將處理的波形信號(hào)25指示為Xi (η)，i = 1，. . . L，其中L是傳感器的數(shù)目，作為輸出信號(hào)的第一信號(hào)13表示為
L Jy(n) = Σ Σ wVx1 (η -))
i=l ；=1權(quán)重Wij根據(jù)STRM 11的空間和時(shí)間響應(yīng)來設(shè)計(jì)。發(fā)射器波束形成器(TB)模塊31可用于生成向天線21饋送的相應(yīng)信號(hào)，以形成到期望方向(例如對(duì)象1的方向)的傳輸波束。此外，在信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11可包括多個(gè)天線21和多個(gè)射頻(RF)模塊 (RM) 23的實(shí)施例中，可能存在多個(gè)第二信號(hào)27和多個(gè)處理的波信號(hào)25。在這個(gè)實(shí)施例中， 第二信號(hào)標(biāo)記為27，額外的第二信號(hào)標(biāo)記為27’。類似地，處理的波信號(hào)標(biāo)記為25，額外的處理的波信號(hào)標(biāo)記為25’。在一個(gè)實(shí)施例中，第二信號(hào)27可等同于額外的第二信號(hào)27 ’。在另一個(gè)實(shí)施例中， 處理的波信號(hào)25可等同于額外的處理的波信號(hào)25’。此外，應(yīng)注意，信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11可以不同的配置來安排。在第一種配置中，信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11可被安排為多個(gè)發(fā)射器、多個(gè)接收器的系統(tǒng)。換句話說，如圖3所示，信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11可包括多個(gè)天線21和多個(gè)射頻(RF)模塊(RM) W。在這個(gè)配置中，通過使用接收器波束形成器(RB)模塊四和發(fā)射器波束形成器 (TB)模塊31，可使得發(fā)射的RF波信號(hào)集中和指向?qū)ο?，并且接收的RF波信號(hào)可由多個(gè)天線21以高方向性和高天線增益來接收(即具有增強(qiáng)的信噪比(SNR))?？煽闯?，通過控制接收器波束形成器(RB)模塊四和發(fā)射器波束形成器(TB)模塊 31，由此，這個(gè)配置具有對(duì)于信號(hào)發(fā)射和信號(hào)接收靈活的優(yōu)點(diǎn)。然而，這個(gè)配置具有以下缺陷其具有高實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和高實(shí)現(xiàn)成本。在第二配置中，信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11可安排為單個(gè)發(fā)射器、多個(gè)接收器的系統(tǒng)。如圖3所示，在這個(gè)配置中，信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11可包括多個(gè)天線21和多個(gè)射頻(RF)模塊(RM) 23。然而，在這個(gè)配置中，僅一個(gè)射頻(RF)模塊(RM) 23具有接收路徑和發(fā)射路徑，而其他射頻(RF)模塊(RM) 23可僅具有接收路徑(即，沒有發(fā)射路徑)。第二配置具有以下優(yōu)點(diǎn)多個(gè)天線21可用于增強(qiáng)接收的RF波信號(hào)3，S卩，接收的RF波信號(hào)可由多個(gè)天線21以高方向性和高天線增益來接收(即具有增強(qiáng)的信噪比 (SNR))。此外，這個(gè)配置可用于集中來自例如可能處于人群中的對(duì)象1的接收的RF波信號(hào) 3。此外，這個(gè)配置的實(shí)現(xiàn)成本低于第一配置的實(shí)現(xiàn)成本。圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11的第三配置的框圖400。在第三配置中，信號(hào)發(fā)射/接收模塊(STRM) 11可安排為單個(gè)天線的系統(tǒng)，如圖4 所示，其包括一個(gè)天線21和一個(gè)射頻(RF)模塊(RM) 23。在這個(gè)配置中，例如接收器波束形成器(RB)模塊四可以是從處理的波信號(hào)25到第一信號(hào)13的定向連接。換句話說，第一信號(hào)13可以是處理的波信號(hào)25。此外，在這個(gè)配置中，例如發(fā)射器波束形成器(TB)模塊31可以是單個(gè)輸出端的系統(tǒng)。由此，可能不實(shí)現(xiàn)發(fā)射器波束形成器(TB)模塊31的內(nèi)部線性濾波器(將稍后相對(duì)于圖6更詳細(xì)討論)。第三配置具有低實(shí)現(xiàn)成本的優(yōu)點(diǎn)。然而，第三配置不具有增強(qiáng)接收的波信號(hào)3的能力。圖5示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的射頻(RF)模塊(RM) 23的框圖500。如圖5所示，射頻(RF)模塊(RM) 23包括雙工器33、功率放大器35、調(diào)制器37、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A) 39、振蕩器41、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)43、解調(diào)器45和低噪聲放大器47。雙工器33可用于控制天線21的操作模式。如先前所述，天線21可用于(在發(fā)射路徑上)發(fā)射RF波信號(hào)和(在接收路徑上)接收RF波信號(hào)3。在這個(gè)情境下，對(duì)于發(fā)射操作模式，雙工器33可用于切換天線21，從而天線21連接至發(fā)射路徑上的相應(yīng)組件，即放大器35。另一方面，對(duì)于接收操作模式，雙工器33可用于切換天線21，從而天線21連接至接收路徑上的相應(yīng)組件，即低噪聲放大器47。沿著發(fā)射路徑的組件可包括功率放大器35、調(diào)制器37和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A) 39。以下可描述沿著發(fā)射路徑的信號(hào)流。由射頻(RF)模塊(RM) 23從發(fā)射器波束形成器(TB)模塊31接收的第二信號(hào)27 是數(shù)字信號(hào)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)39將第二信號(hào)27轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)61。接下來，調(diào)制器37將模擬信號(hào)61調(diào)制成高頻載波信號(hào)63，以獲得生成的調(diào)制信號(hào) 59。隨后，功率放大器35放大生成的調(diào)制信號(hào)59的振幅。隨后，將放大的信號(hào)51經(jīng)由雙工器33饋送至天線21。補(bǔ)充說明，從圖5可看出，高頻載波信號(hào)63是由振蕩器41提供至調(diào)制器37以及(在接收路徑上的)解調(diào)器，即高頻載波信號(hào)63可在發(fā)射和接收路徑上使用。此外，應(yīng)注意，由于高頻載波信號(hào)的穿透深度根據(jù)高頻載波信號(hào)的頻率而改變，所以高頻載波信號(hào)63的頻率f。可根據(jù)指定應(yīng)用來選擇。在一個(gè)實(shí)施例中，高頻載波信號(hào)63 的頻率f?？梢栽诶绱蠹sIOOMHz至4GHz的范圍內(nèi)?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到接收路徑，沿著接收路徑的組件可包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)43、解調(diào)器45 和低噪聲放大器47。以下可描述沿著接收路徑的信號(hào)流。經(jīng)由雙工器33將來自天線21的接收信號(hào)53提供至低噪聲放大器47。低噪聲放大器47放大接收信號(hào)53的振幅。隨后，向解調(diào)器45提供放大的接收信號(hào)55。解調(diào)器45使用參考高頻信號(hào)63處理放大的接收信號(hào)55，以便獲得解調(diào)的基帶信號(hào)57。應(yīng)注意，一般地，解調(diào)的基帶信號(hào)57的頻率分量通常相比于高頻載波信號(hào)的頻率f。是明顯更低的頻率。接下來，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D) 43可用于采樣并將解調(diào)的基帶信號(hào)57轉(zhuǎn)換成處理的波信號(hào)25。在這個(gè)情境下，處理的波信號(hào)25可以是例如數(shù)字基帶信號(hào)。處理的波信號(hào)25可用于進(jìn)一步的數(shù)字處理。此外，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)43執(zhí)行的對(duì)解調(diào)的基帶信號(hào)57進(jìn)行的采樣處理可以是但不限于，例如，單信道采樣處理、或I-Q信道采樣處理。圖6示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器波束形成器(TB)模塊31的框圖600。發(fā)射器波束形成器(TB)模塊31包括信號(hào)生成器77和至少一個(gè)線性濾波器81。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射器波束形成器(TB)模塊31可包括多個(gè)線性濾波器81。在這個(gè)實(shí)施例中，線性濾波器標(biāo)記為81，額外的線性濾波器標(biāo)記為81’。在另一實(shí)施例中，線性濾波器81可等同于額外的線性濾波器81’。信號(hào)生成器77可用于生成發(fā)射波信號(hào)83。至少一個(gè)線性濾波器81可接收和過濾發(fā)射波信號(hào)83，并且可提供第二信號(hào)27。此外，在發(fā)射器波束形成器(TB)模塊31可包括多個(gè)線性濾波器81的實(shí)施例中， 可存在多個(gè)第二信號(hào)27。在這個(gè)實(shí)施例中，第二信號(hào)標(biāo)記為27，額外的第二信號(hào)標(biāo)記為 27 ’。在一個(gè)實(shí)施例中，第二信號(hào)可等同于額外的第二信號(hào)27 ’。作為圖示性實(shí)例，在存在N個(gè)線性濾波器81的情況下，發(fā)射器波束形成器(TB)模塊31可生成N個(gè)第二信號(hào)27，以饋送天線21，來形成例如向期望方向的傳輸波束。應(yīng)注意，可使用第一控制信號(hào)17控制至少一個(gè)線性濾波器81的響應(yīng)。例如，可使用傳統(tǒng)方法來設(shè)計(jì)至少一個(gè)線性濾波器81的響應(yīng)。作為示例性實(shí)例，可將至少一個(gè)線性濾波器81設(shè)計(jì)為具有不同延遲時(shí)間的時(shí)移濾波器。這樣的線性濾波器的響應(yīng)可表示為h{k) =- 1 ； ^Lak = ，...，κ⑴其中D是時(shí)間延遲，Ts是采樣間隔。此外，K可選擇為大于D的值。應(yīng)注意，要使用的各個(gè)值可通過試驗(yàn)來確定，以實(shí)現(xiàn)期望的性能。此外，如果使用均勻線性陣列(ULA)，則可通過以下等式確定對(duì)于第i信道的延遲時(shí)間Di Γ ^ (2)Ds
C其中d是陣列的元素間距離，c是無線電波信號(hào)的速度。然后，可確定每個(gè)信道的延遲。接下來，可計(jì)算每個(gè)FIR濾波器h(k)的沖擊響應(yīng)， 以操縱波束朝向特定方向θ。圖7示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的接收器波束形成器(RB)模塊29的框圖700。接收器波束形成器(RB)模塊29包括至少一個(gè)線性濾波器67和加法器單元69。在一個(gè)實(shí)施例中，接收器波束形成器(RB)模塊29可包括多個(gè)線性濾波器67。在這個(gè)實(shí)施例中，線性濾波器標(biāo)記為67，額外的線性濾波器標(biāo)記為67，。在另一實(shí)施例中，線性濾波器67可等同于額外的線性濾波器67’。至少一個(gè)線性濾波器67中的每個(gè)從相應(yīng)的射頻(RF)模塊(RM) 23接收處理的波信號(hào)25。至少一個(gè)線性濾波器67中的每個(gè)可過濾處理的波信號(hào)25，并且可輸出過濾的波信號(hào)65。接收器波束形成器(RB)模塊29的輸出信號(hào)(即第一信號(hào)13)y (η)是處理的波信號(hào)25的抽頭延遲(tap-delayed)信號(hào)采樣Xi (η)的加權(quán)和，即，
！― ； y(n) - Σ Σ w^ —Λ
/^i /宗]此外，在接收器波束形成器(RB)模塊29可包括多個(gè)線性濾波器67的實(shí)施例中， 可存在多個(gè)處理的波信號(hào)25和多個(gè)過濾的波信號(hào)65。在這個(gè)實(shí)施例中，處理的波信號(hào)標(biāo)記為25，額外的處理的波信號(hào)標(biāo)記為25’。同樣，過濾的波信號(hào)標(biāo)記為65，額外的過濾的波信號(hào)標(biāo)記為65，。在一個(gè)實(shí)施例中，處理的波信號(hào)25可等同于額外的處理的波信號(hào)25’。在另一實(shí)施例中，過濾的波信號(hào)65可等同于額外的過濾的波信號(hào)65’。加法器單元69可以對(duì)來自各個(gè)至少一個(gè)線性濾波器67的所有過濾的波信號(hào)65 求和，以形成第一信號(hào)13。作為圖示性實(shí)例，在存在N個(gè)線性濾波器67的實(shí)施例中(相應(yīng)地，N個(gè)處理的波信號(hào)25和N個(gè)過濾的波信號(hào)65)，加法器單元69可對(duì)N個(gè)過濾的波信號(hào)65求和，以形成第一信號(hào)13。應(yīng)注意，可使用第一控制信號(hào)17來控制至少一個(gè)線性濾波器67?？稍O(shè)計(jì)至少一個(gè)線性濾波器67的響應(yīng)，以最大化例如第一信號(hào)13的信噪比(SNR)。第一控制信號(hào)17也可用于例如控制陣列波束圖朝向特定方向。此外，至少一個(gè)線性濾波器67的濾波器響應(yīng)可以是固定的或自適應(yīng)地調(diào)整。此外，向心跳和/或呼吸檢測(cè)和估算模塊(HRDEM) 14提供的第一信號(hào)13可包括心率和/或呼吸率的多普勒頻率信息。接下來，討論心跳和/或呼吸檢測(cè)和估算模塊(HRDEM) 14的三個(gè)不同方案。在每個(gè)方案中，可使用不同的心率和/或呼吸率估算方法。第一方法基于快速傅立葉變換(FFT)技術(shù)。這個(gè)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)其方案非常簡(jiǎn)單和低成本。然而，這個(gè)方法僅具有低頻率分析分辨率，不適用于設(shè)備和對(duì)象(例如人) 之間的擾動(dòng)。
第二方法基于用于高分辨率分析的自回歸(AR)模型。這個(gè)方法具有更高頻率分辨率。然而，這個(gè)方法提供的頻率分辨率仍舊不適用于設(shè)備和人之間的擾動(dòng)。第三方法基于信號(hào)模型和觀測(cè)信號(hào)的狀態(tài)空間表示。在一個(gè)實(shí)施例中，可使用類似卡爾曼濾波器的處理系統(tǒng)，以提取具有高分辨率的心率/呼吸率。這個(gè)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)其提供的高頻率分辨率能夠處理設(shè)備和人之間的擾動(dòng)。然而，這個(gè)方法還具有以下優(yōu)點(diǎn)相比于上述其它方法，其具有更高的計(jì)算負(fù)載。圖8示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的心跳和/或呼吸檢測(cè)和估算模塊(HRDEM) 14的預(yù)處理塊91的框圖800。預(yù)處理塊91可對(duì)第一信號(hào)13應(yīng)用信號(hào)處理技術(shù)，以獲得預(yù)處理的信號(hào)13’。在這個(gè)情況下，預(yù)處理的信號(hào)13’可以是更加適合于隨后處理的形式。預(yù)處理塊91包括低通有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器模塊93和下采樣模塊95。低通有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器模塊93可用于去除第一信號(hào)13中的高頻分量， 以形成過濾的第一信號(hào)97。下采樣模塊95可用于降低過濾的第一信號(hào)97的采樣率。例如，過濾的第一信號(hào) 97的采樣率可減少到原來的1/2或4/5。圖9示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的估算心率和/或呼吸率的第一方法的實(shí)施的框圖 900。如先前所述，估算心率和/或呼吸率的第一方法可基于快速傅立葉變換(FFT)技術(shù)。估算心率和/或呼吸率的第一方法的實(shí)施包括串并轉(zhuǎn)換器模塊100、零添加模塊 102、快速傅立葉變換(FFT)模塊104和率提取模塊106。串并轉(zhuǎn)換器模塊100可將接收的預(yù)處理信號(hào)13’轉(zhuǎn)換成例如具有長(zhǎng)度N的信號(hào)塊 108。零添加模塊102可隨后對(duì)于塊信號(hào)108添加N’個(gè)零(在塊信號(hào)的末尾)，以形成新的塊信號(hào)110。補(bǔ)充說明，新的塊信號(hào)110的長(zhǎng)度為N+N’。接下來，快速傅立葉變換(FFT)模塊104可對(duì)于新的塊信號(hào)110應(yīng)用傅立葉變換操作，并且向率提取模塊106提供輸出信號(hào)112。傅立葉變換可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為X(k)=藝其中x(n)是零添加的信號(hào)矢量。索引k是頻率索引，S卩，第k個(gè)頻率段(bin)等同于頻率kfs/(N+N')，其中fs是采樣率。補(bǔ)充說明，在實(shí)踐中，可以按例如已知為快速傅立葉變換(FFT)的更有效形式實(shí)現(xiàn)傅立葉變換的計(jì)算。率提取模塊106可根據(jù)第一信號(hào)13’的采樣率以及心跳和呼吸信號(hào)的傳統(tǒng)頻帶選擇低頻帶的輸出信號(hào)112的波峰。率提取模塊106提供輸出作為結(jié)果信號(hào)7。圖10示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的估算心率和/或呼吸率的第二方法的實(shí)施的框圖1000。如先前所述，估算心率和/或呼吸率的第二方法可基于用于高分辨率分析的自回歸(AR)模型。
估算心率和/或呼吸率的第二方法的實(shí)施包括延遲模塊120、減法模塊122、最佳 權(quán)重計(jì)算模塊124、率提取模塊1 和有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器模塊128。假定，接收的預(yù)處理的信號(hào)13’是通過自回歸(AR)模型生成的信號(hào)。由此，預(yù)處 理的信號(hào)13’ x(n)可表示為
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)心跳和/或呼吸的方法，所述方法包括 接收波信號(hào)；以及使用心跳和/或呼吸模型分析接收的波信號(hào)，從而提供指示所述接收的波信號(hào)是否表示心跳和/或呼吸的結(jié)果信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括 提供呼吸率和/或心率的估算。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中使用心跳和/或呼吸模型分析接收的波信號(hào)包括對(duì)于與所述接收的波信號(hào)相關(guān)的信號(hào)執(zhí)行頻譜變換；其中使用變換的信號(hào)的分量來提供所述結(jié)果信號(hào)，所述變換的信號(hào)的分量的頻率值小于預(yù)定頻率閾值。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述預(yù)定頻率閾值在大約0. 5Hz至大約3Hz的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述預(yù)定頻率閾值在大約0. 2Hz至大約IHz的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求3至5所述的方法， 其中所述頻率變換是傅立葉變換。
7.如權(quán)利要求1至6所述的方法，其中使用心跳和/或呼吸模型分析接收的波信號(hào)包括對(duì)于與接收的波信號(hào)相關(guān)的信號(hào)執(zhí)行回歸分析，從而生成回歸參數(shù)；以及使用所述回歸參數(shù)對(duì)于所述與接收的波信號(hào)相關(guān)的信號(hào)執(zhí)行頻譜變換； 其中使用變換的信號(hào)的分量來提供所述結(jié)果信號(hào)，所述變換的信號(hào)的分量的頻率值在預(yù)定頻率范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1至7所述的方法，其中所述心跳和/或呼吸模型包括類貝葉斯濾波器的心跳和/或呼吸模型。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述類貝葉斯濾波器的心跳和/或呼吸模型包括基于擴(kuò)展的卡爾曼濾波器的估算方法。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述類貝葉斯濾波器的心跳和/或呼吸模型包括基于無跡卡爾曼濾波器的估算方法。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述類貝葉斯濾波器的心跳和/或呼吸模型包括基于粒子濾波器的估算方法。
12.如權(quán)利要求8至11所述的方法，其中使用心跳和/或呼吸模型分析接收的波信號(hào)包括 對(duì)于與接收的波信號(hào)相關(guān)的信號(hào)執(zhí)行變換； 確定包括變換的信號(hào)的觀測(cè)信號(hào)；以及對(duì)于所述觀測(cè)信號(hào)執(zhí)行統(tǒng)計(jì)分析； 其中基于所述統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果提供所述結(jié)果信號(hào)。
13.如權(quán)利要求1至12所述的方法， 其中所述接收的波信號(hào)是電磁波信號(hào)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述接收的波信號(hào)是連續(xù)波電磁波信號(hào)。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述電磁波信號(hào)具有從傳感器設(shè)備發(fā)射的無線電波信號(hào)的范圍內(nèi)的頻率。
16.如權(quán)利要求13至15所述的方法，還包括 對(duì)于所述接收的波信號(hào)進(jìn)行波束形成。
17.如權(quán)利要求1至12所述的方法，還包括發(fā)射要被反射的波信號(hào)，其中所述接收的波信號(hào)包括反射的波信號(hào)。
18.如權(quán)利要求13至16所述的方法，還包括發(fā)射要被反射的波信號(hào)，其中所述接收的波信號(hào)包括反射的波信號(hào)。
19.如權(quán)利要求13至16和18所述的方法，其中所述接收的波信號(hào)是通過反射調(diào)制的發(fā)射的波信號(hào)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述接收的波信號(hào)是由生物反射的、和通過反射調(diào)制的發(fā)射的波信號(hào)。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中基于生物的心壁和胸部的運(yùn)動(dòng)調(diào)制所述發(fā)射的波信號(hào)。
22.如權(quán)利要求13至16和18至21所述的方法，其中所述接收的波信號(hào)是通過反射調(diào)制的發(fā)射的波信號(hào)相位。
23.如權(quán)利要求21或22所述的方法，還包括 對(duì)于所述發(fā)射的波信號(hào)進(jìn)行波束形成。
24.如權(quán)利要求13至16和18至23所述的方法，其中分析所述接收的波信號(hào)包括解調(diào)所述接收的波信號(hào)。
25.一種用于檢測(cè)心跳和/或呼吸的設(shè)備，所述設(shè)備包括 接收器單元，被配置為接收波信號(hào)；以及分析單元，被配置為使用心跳和/或呼吸模型分析接收的波信號(hào)，從而提供指示接收的波信號(hào)是否表示心跳和/或呼吸的結(jié)果信號(hào)。
26.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其中所述心跳和/或呼吸模型包括類貝葉斯濾波器的心跳和/或呼吸模型。
27.如權(quán)利要求沈所述的設(shè)備，其中所述類貝葉斯濾波器的心跳和/或呼吸模型包括基于擴(kuò)展的卡爾曼濾波器的估算單元。
28.如權(quán)利要求沈所述的設(shè)備，其中所述類貝葉斯濾波器的心跳和/或呼吸模型包括基于無跡卡爾曼濾波器的估算單元。
29.如權(quán)利要求沈所述的設(shè)備，其中所述類貝葉斯濾波器的心跳和/或呼吸模型包括基于粒子濾波器的估算單元。
30.如權(quán)利要求25至四所述的設(shè)備，其中所述接收的波信號(hào)是電磁波信號(hào)。
31.如權(quán)利要求30所述的設(shè)備，還包括 至少一個(gè)天線；以及第一波束形成單元，被配置為對(duì)所述接收的波信號(hào)進(jìn)行波束形成。
32.如權(quán)利要求31所述的設(shè)備，還包括發(fā)射器單元，被配置為發(fā)射要被反射的波信號(hào)，其中所述接收的波信號(hào)包括反射的波信號(hào)。
33.如權(quán)利要求32所述的設(shè)備，還包括第二波束形成單元，被配置為對(duì)發(fā)射的波信號(hào)進(jìn)行波束形成。
全文摘要
提供一種檢測(cè)心跳和/或呼吸的方法。提供的方法包括接收波信號(hào)；以及使用心跳和/或呼吸模型分析接收的波信號(hào)，從而提供指示接收的波信號(hào)是否表示心跳和/或呼吸的結(jié)果信號(hào)。
文檔編號(hào)A61B5/0245GK102215746SQ200880131961
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2008年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月15日
發(fā)明者F·楊, W·賽爾, Z·于 申請(qǐng)人:新加坡南洋理工大學(xué)