非接触测量心跳

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1 引言

心率是临床检测生命参数的重要指标，现行的方法主要采用接触式检测技术，生物医学信号的接触式检测是指利用电极或传感器直接或间接地接触人体，达到检测医学信息的目的,它可分为对人体固有信息的检测（如血压、心率测量等)和借助外能量的信息检测(如X射线、B超检测等)，检测过程中对人体有一定的约束。

非接触式检测是指借助于外来能量（探测媒介)，不接触人体,而且隔一定的距离，隔一定的介质，通过检测人体生理活动所引起的各种微动，进而获取各类生理信息。

非接触式生命检测技术，按照采用的媒质可以分为：红外检测技术、激光检测技术、微波检测技术和声波检测技术.

微波检测技术也即雷达式非接触生命检测技术，是以电磁波为媒质，采用雷达检测人体生理活动所引起的身体颤动，从而获得重要的生命参数的一种非接触式生命参数探测方法.电磁波照射人体时，会反射包含人体一些生理特征的信息，利用人体微动与回波幅度和相位之间的关系，可以从人体表面微动引起的回波信号变化中提取出重要的人体生命参数.

本文介绍采用微波作为探测媒介，以心跳作为研究信号,对雷达回波信号中的人体生命参数进行检测。检测原理为：雷达发射的电磁波穿透介质照射到人体时，产生反射信号，该信号是反映人体生理特征的调制信号，雷达天线接收到回波信号后，经混频后就可以得到输出信号。再通过实验测试和基带数字信号处理,得到人体心跳等生命特征信号。

由于心跳所引起的人体微动及其微弱，因此,研究的系统必须具有很高的微动检测灵敏度，同时还必须有强

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的抗“动目标”干扰能力，而这两者是一对矛盾,必须很好解决。

2 心跳测量仪器的设计

非接触心跳检测系统硬件组成单元框图。

工作原理：

设振荡器产生的信号为：

s(t）=Acosω0t

式中ω0为发射角频率,为振幅。

该信号经定向偶合器，一路通过环行器由天线发射出去，另一路去混频器。当发射信号碰到人体等目标，将产生散射,天线接受到散射信号，并通过环行器送入混频器。从人体散射的回波信号频率已被人体表面的微动所频移，设目标散射的回波信号为:

sr（t）=KAcos(ω0t+ωdt+φ）

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式中K为系数,ωd为多普勒角频移。根据多普勒效应，ωd=2Vω0/C，其中V为目标的相对径向运动速度，C为光速，φ为相对于发射信号的初相.

s（t)、sr(t）二路信号经混频解调后产生低频信号:

sd(t)=Bcosφz+Ccos(ωdt+φ)

式中第一项为固定目标的杂波成分（直流分量），第二项为与呼吸、心跳直接相关的多普勒频移成分，是检测所需的有用信息，该信号经放大、预处理，通过滤波器在频域上将呼吸、心跳信号分开，然后经A/D转换，送到PC机进行处理、显示。

由于心跳活动所引起的人体微动非常弱,所以探测信号频率越高，检测微动的灵敏度越高，但过高的频率，其穿透介质能力下降，且增加硬件难度。在考虑灵敏度和医学安全性方面的因素下，选用电磁波为探测媒介，选毫米波频段、低功率（毫瓦级)线性连续波（CW）为探测信号.

信息的提取是通过人体散射信号的频率、相位微小变化来获取的，这就要求毫米波振荡器具有很高的稳定性和低噪声。

环行器主要完成收发隔离的作用，它一方面将振荡器送来的发射信号送到天线上，另一方面将天线接受到的目标散射信号送至混频器。为了实现高质量的相关混频，防止和减少发射源的噪声进入接收混频器，必须有良好的收发隔离，一般要求环行器的隔离度达20dB以上。

天线是发送、接受信号的重要器件，除要求有较高的增益外，还要求其波束宽度窄，低副瓣，以减少非需目标的散射,降低杂波，利于后续处理。

混频器是实现相关检测的重要器件，其混频质量的高低，直接影响到是否能检测到呼吸、心跳，在CW检

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测中，进行的是“零拍”混频，其工作带宽较容易满足，但低频噪声大，为此本系统选用平衡混频方式，其变频损耗较低。

预处理的目的是提高混频后的低频信号的信噪比，以利于A/D转换和后处理，它包括低噪声放大、窄带滤波等。

仪器的主处理模块

主处理模块主要是将各个模块进行协调和进行数据交互。主处理模块首先完成初始化工作,初始化后进入循环处理，在循环过程中主要处理获得采集的模拟数据和数字量数据，并将得到的数据发送到上位机。整个程序基于中断服务程序.

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主程序流程图

实时采集数据

采集到数据后，首先删除明显的异常数据，由计算机软件通过设置阈值来自动完成。针对心跳的节律性，可近似认为其为准周期信号，对其进行相关处理,其自相关函数也具有周期性，而噪声和短时随机干扰在一定程度上被抑制。

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波形显示采用的是实时滚动显示方式，为观察者提供了一个近似模拟显示的效果，使人机界面更生动直观。

在非接触检测中,不可避免地会混入噪声和各种干扰信号，这在很大程度上影响了人体心跳等微弱生命信号的检测,这里采用一种基于自适应滤波和相关检测相结合的方法,根据心跳信号具有窄带准周期的特点，直接从原始输入信号出发进行自适应滤波,从而达到降低噪声目的。

一些研究表明：

(1）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；

(2)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;

（3)自适应滤波能有效的抑制噪声；

(4)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;

（5）探测信号功率小于1mW,就可满足检测要求，因此对人体无害。

3 小结

运用雷达式非接触检测心跳，实现了一定距离、一定厚度媒质、无接触地检测到人体的心动信号，这样可以在待测对象无任何反应的条件下测得心跳参数。

非接触检测的优点是：

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①不需要任何电极或传感器接触人体,实现无创性检测人体生命体征；

②可以在一定距离范围内对人体的生理信号(呼吸和心动)动态检测；

③人可以穿着衣服以不同的姿势接受检测;

④可以穿过单层砖墙检测到人体的呼吸和心动信号。

而这样的检测方法也有一定的缺点：

①方法不太成熟，还需要进一步的探索和研究;

②对人体进行测量时，要求人体不能动，否则呼吸和心动信号安全被动信号淹没；③整套检测系统需要进一步的改善，逐步实现小型化和便携化.

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参考文献

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