專利名稱：患者的非接觸呼吸監(jiān)測的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及患者的呼吸監(jiān)測領域，具體涉及用于吸氣/呼氣的可靠的逐次呼吸 檢測的方法和裝置，用以基于多普勒-雷達(Doppler-Radar)原理的非接觸遠程呼吸監(jiān) 測。
背景技術(shù)：
在臨床環(huán)境中，觀測呼吸活動(呼吸頻率)是相當重要的。脈搏和呼吸是評定 患者健康狀態(tài)的最重要的基本生命體征之一。在重癥監(jiān)護室(ICU)環(huán)境中，經(jīng)由ECG電 極分別從心電圖和在呼吸活動期間測得的胸阻抗改變中例行測量脈搏和呼吸。多普勒雷達傳感器已經(jīng)被認為是用于呼吸和心臟活動的非接觸測量的有前景的 技術(shù)。大量的研究活動已經(jīng)聚焦于頻率在60GHz以上的雷達系統(tǒng)。目前，商業(yè)可獲得 主要在< 25GHz的頻率范圍內(nèi)用于家庭中的活動檢測的低功率低成本多普勒雷達傳感 器。這些傳感器可能是用于遠程生命體征監(jiān)測的感興趣的低成本解決方案，但它們需要 在開發(fā)智能信號分析中付出更多努力，因為現(xiàn)有技術(shù)中的信號處理方法難以應用于這些 傳感器。主要原因是與呼吸和心臟搏動引起的胸的運動幅度相比，該波長較大(近似為 10 …120mm)一般而言，在多普勒雷達傳感器中，發(fā)送器/接收器單元向目標持續(xù)發(fā)射電磁 波。電磁波在目標處被反射并行進返回至發(fā)送器/接收器。采用兩個混頻器/接收器以 便評估接收到的信號。第一混頻器下變頻直接在天線處接收到的信號；第二混頻器下變 頻被相移90度之后的天線信號。雷達傳感器的優(yōu)點在于不需要直接的皮膚接觸。在測得的信號中對運動的速度 和方向以及方向的改變進行編碼，但具體對于工作頻率< 25GHz，現(xiàn)有技術(shù)的檢測方案 卻難以應用。因此，這些信號的正確和可靠的解析是富有挑戰(zhàn)性的。然而目前，在臨床 環(huán)境中對呼吸活動的可靠和舒適的檢測是尚未滿足的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供基于可靠和易于操作的多普勒-雷達原理的用于患者的非 接觸遠程呼吸監(jiān)測的方法和裝置。該目的通過用于患者的呼吸檢測的方法實現(xiàn)，所述方法包括以下步驟向患者發(fā)射電磁信號；使用雙通道多普勒雷達傳感器接收從患者反射的反射電磁信號；轉(zhuǎn)換該反射電磁信號，產(chǎn)生第一信號；相移該反射電磁信號并轉(zhuǎn)換經(jīng)相移的反射電磁信號，產(chǎn)生第二信號；對于共同的第一時間點，確定由第一信號和第二信號的時間導數(shù)限定的第一向 量；對于共同的第二時間點，確定由第一信號和第二信號的時間導數(shù)限定的第二向量；以及計算經(jīng)正規(guī)化的第一向量和經(jīng)正規(guī)化的第二向量的標量積，作為從患者的呼氣 到吸氣或反之亦然的改變的指示值。因此，本發(fā)明的重要思想是提供允許檢測從患者的呼氣到吸氣或反之亦然的改 變的標準。該標準基于經(jīng)正規(guī)化的第一向量和經(jīng)正規(guī)化的第二向量的標量積，所述第一 向量和第二向量分別對于共同的第一或第二時間點由第一信號和第二信號的時間導數(shù)確 定。這樣，提供了允許檢測由優(yōu)選工作在低于30GHz頻率的多普勒雷達傳感器分析的胸 運動的方向改變的指示值，以便提供呼氣和吸氣運動的逐次呼吸信息。本發(fā)明提供了若干優(yōu)點可以執(zhí)行使用雙通道雷達對呼吸期間胸運動的方向改 變的可靠測量，從而允許對吸氣/呼氣的逐次呼吸檢測。此外，可以完成對吸氣運動和 呼氣運動的獨立的評估。這樣，可以顯著減少遠程呼吸監(jiān)測的故障警報率。此外，實現(xiàn) 了基于多普勒雷達原理的用于遠程呼吸監(jiān)測的呼吸率檢測的精度的提高。
此外，由于提出了低處理功率(processing power)方法，能夠以低成本采用簡單 的方式實現(xiàn)該方法。由于提供了用于特征化運動方向的明確限定的標準，無需解析未明 確限定的多普勒信號形態(tài)結(jié)構(gòu)，并且無需硬件限定的參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，為了分別確定用于創(chuàng)建第一向量和第二向量的第一 時間點和第二時間點，確定由在第一和第二信號中同時履行的特定標準限定的特征時間 點。優(yōu)選地，這一特定標準分別是第一信號或第二信號的時間導數(shù)的檢測到的零交叉。 此外，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，通過分別獲取在第一測得的零交叉和第二測得的零交 叉之間的階段中的兩個信號的時間導數(shù)來創(chuàng)建第一向量。通過分別獲取在第二零交叉和 測得的零交叉之間的階段中的兩個信號的時間導數(shù)來創(chuàng)建第二向量。在這兩種情況下， 將第一信號的時間導數(shù)作為第一向量坐標，而將第二信號的時間導數(shù)作為第二向量坐 標。一般而言，可以采取不同的方式使用該指示值以便檢測從患者的呼氣到吸氣或 反之亦然的改變。然而，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，將該指示值與預定的閾值進行比 較。優(yōu)選使用為0的閾值。這樣，由于基于對于兩個不同時間點根據(jù)測得的信號的時間導數(shù)限定的兩個向 量的標量積計算了根據(jù)本發(fā)明的標準，能夠可靠地檢測從吸氣到呼氣或反之亦然的改 變。如果經(jīng)正規(guī)化的向量的標量積小于一，運動的方向已經(jīng)改變并表示呼氣/吸氣的不 同胸運動。在理想情況下，向量彼此相逆，這意味著向量之間的角度是180°，并且因此 標量積為-1。在實際應用中，將發(fā)生的是呼吸運動不會完全對稱。在這些情況下，向量 將不會精確地彼此相逆，而是表現(xiàn)為<180°的角度。因此，優(yōu)選最小值90°等同于閾 值0。此外，如果指示值低于閾值，優(yōu)選指示從患者的呼氣到吸氣或反之亦然的改變。此外，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，優(yōu)選在預定的時間階段中，連續(xù)確定第一向 量、第二向量以及經(jīng)正規(guī)化的第一向量和經(jīng)正規(guī)化的第二向量的標量積，以作為對于從 患者的呼氣到吸氣或反之亦然的改變的指示值。這樣，可以對于胸運動的方向改變而基 本連續(xù)地掃描測得的信號。此外，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，分別通過巧-巧^^^！^一^和V2 = —F2 XCiQr2(T2)-F2)計算對于兩個不同時間點T1和T2的渦量f， 其中巧是第一向量，F(xiàn)2是第二向量，而Jiir1和眾2分別根據(jù)在時間T1和T2時的第一 信號和第二信號的時間導數(shù)創(chuàng)建。渦量取決于目標(即胸)的速度符號以及傳感器與目 標的距離。優(yōu)選使用這一附加特征以便改善檢測的可靠性，正如下文更詳細的進一步闡 述。由于使用了雙通道多普勒雷達傳感器，優(yōu)選在轉(zhuǎn)換反射電磁信號之前將其相移 90°。此外，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，基于檢測到的運動改變指示患者的呼吸率。上述目的還通過用于患者的非接觸呼吸監(jiān)測的裝置來實現(xiàn)，該裝置包括雙通道多普勒雷達傳感器，其用于接收從患者反射的反射電磁信號，其中該雙通道多普勒雷達傳感器適于轉(zhuǎn)換反射電磁信號，產(chǎn)生第一信號，并且適于 相移反射電磁信號并轉(zhuǎn)換經(jīng)相移的反射電磁信號，產(chǎn)生第二信號；其中提供了計算單元，其適于對于共同的第一時間點確定由第一信號和第二信號的 時間導數(shù)限定的第一向量，對于共同的第二時間點確定由第一信號和第二信號的時間導 數(shù)限定的第二向量，并計算經(jīng)正規(guī)化的第一向量和經(jīng)正規(guī)化的第二向量的標量積，以作 為從患者的呼氣到吸氣或反之亦然的改變的指示值。一般而言，如上所述，根據(jù)本發(fā)明的裝置的優(yōu)選實施例與根據(jù)本發(fā)明的方法的 優(yōu)選實施例相關(guān)。具體而言，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，計算單元適于將指示值與預定的閾值進 行比較，并且適于如果指示值低于閾值則指示從患者的呼氣到吸氣或反之亦然的改變。 此外，優(yōu)選提供用于基于從患者的呼氣到吸氣或反之亦然的指示的改變來顯示呼吸率的
顯不器。應當強調(diào)的是，盡管在本說明書中未詳細描述測得的和/或計算的數(shù)據(jù)的平均 化，但是這種平均化可以在處理數(shù)據(jù)的任何階段執(zhí)行，并應當將其理解為完全由本發(fā)明
完全涵蓋。本發(fā)明的優(yōu)選應用如下臨床和家庭環(huán)境中的抽檢非接觸呼吸努力監(jiān)測；臨床 和家庭環(huán)境中的連續(xù)非接觸呼吸率監(jiān)測；應力弛豫；以及計算機斷層攝影(CT)中的呼 吸門控。


從下文描述的實施例中，本發(fā)明的這些和其它方面將變得明顯，并且將參考其 進行描述。在附圖中圖1示出了在潮氣呼吸期間測得的兩個多普勒雷達傳感器的原始信號以及作為 參考的利用呼吸帶測得的在呼吸期間的呼吸努力；圖2描繪了所論述的用于檢測運動期間方向改變的流程圖；圖3示出了預期的多普勒雷達信號、兩個傳感器通道的時間導數(shù)和經(jīng)計算的向 量的第一模擬；圖4示出了預期的多普勒雷達信號、兩個傳感器通道的時間導數(shù)和經(jīng)計算的向 量的第二模擬；
圖5描繪了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的標準的零交叉的檢測；以及圖6示出了對于段1禾Π 2來自圖2的信號的導數(shù)的χ-y繪圖。
具體實施例方式來自雙通道多普勒雷達傳感器的兩個傳感器信號可以由以下等式建模Xlit) = a'^~5^ycos{ "(t))⑴= -^y cos( *+ 2φ.> ⑵余弦因子表示反射電磁波的局部幅度。信號幅度a和b不同，因為獨立的通道具 有不同的靈敏度。由指數(shù)因子Y對改變的傳感器/目標的距離Dk(t)的影響進行建模。 相位差由所使用的特定的多普勒傳感器確定。及時變化的相位 k(t)與多普勒效應 相關(guān)其作為來自N個反射器的信號與t = 0時的傳感器/反射器的距離Ξ k的和，所 述反射器以與多普勒頻移相關(guān)的速度分量vk(t)運動。下文中，分析單個運動中的反射 器，這意在簡化函數(shù)D (t)和θ (t)。那么傳感器/反射器的距離D (t)和相位θ (t)由以 下等式線性相關(guān)D(t) = ^-Θ( )-Ξ⑷對于以恒定速度ν運動的單個反射器，等式(3)是周知的多普勒_雷達等式。圖1在上部和中部的曲線圖中示出了利用雙通道多普勒傳感器在潮氣呼吸期間 測得的原始信號。該傳感器檢測胸腔的運動。作為參考，使用基于誘導性呼吸描記法的 傳感器(呼吸帶傳感器)，這是用于測量呼吸努力和呼吸率的廣為接受的方法。在下部曲 線圖中示出了參考信號。正如在上部和中部的曲線圖中可見的，雷達信號的形態(tài)結(jié)構(gòu)非常復雜，并且與 下部曲線圖中的參考信號不直接相關(guān)。呼吸努力傳感器的周期性以及呼吸循環(huán)期間的運 動方向不能夠從多普勒傳感器中容易地導出。在頻域中，該信息不能由現(xiàn)有技術(shù)方案來 提取。根據(jù)下文描述的本發(fā)明的優(yōu)選實施例，可以從雙通道多普勒雷達傳感器中提取 關(guān)于運動方向的信息，尤其對于與電磁波的波長λ相比較小的運動。提供了明確限定的 標準，其允許在連續(xù)檢測的運動階段期間評估方向改變。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的標準的流程圖，以便改善測量呼吸率的 精確度，其假定由零交叉檢測方案分析涵蓋若干呼吸循環(huán)的預定時間窗。根據(jù)該流程圖 用于方向改變的方法如下步驟1:對于預定的時間窗，例如1分鐘，檢測時間導數(shù)的零交叉的時間點Τ,。步驟2 計算連續(xù)檢測的零交叉的時間差DTk = Tw-T^步驟3 檢查連續(xù)檢測的零交叉的方向改變的標準。
步驟4:消除不滿足標準的DTk。步驟5 根據(jù)TDk計算對于間隔RRk的呼吸率。步驟6 基于生理約束消除異常值(outlier) RRk。步驟7 計算對于時間窗的平均并顯示結(jié)果。下文中，描述了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例用于檢測對于三個檢測到的零交叉之 間的兩個時間段的運動方向改變的標準。三個檢測到的零交叉將測得的原始信號X1和X2 分割為兩個段ι和2。對于這兩個段1和2，基于根據(jù)測得的信號X1和X2的時間導數(shù)限 定的兩個向量的標量積來計算該標準。如果經(jīng)正規(guī)化的向量的標量積為負，運動方向已 經(jīng)改變，并且表示呼氣/吸氣的不同胸運動
權(quán)利要求
1.一種用于患者的呼吸檢測的方法，包括以下步驟 向所述患者發(fā)射電磁信號；接收從所述患者反射的反射電磁信號； 轉(zhuǎn)換所述反射電磁信號，產(chǎn)生第一信號；相移所述反射電磁信號并轉(zhuǎn)換所述經(jīng)相移的反射電磁信號，產(chǎn)生第二信號； 對于共同的第一時間點，確定由所述第一信號和所述第二信號的時間導數(shù)限定的第 一向量；對于共同的第二時間點，確定由所述第一信號和所述第二信號的時間導數(shù)限定的第 二向量；以及計算經(jīng)正規(guī)化的第一向量和經(jīng)正規(guī)化的第二向量的標量積，作為從所述患者的呼氣 到吸氣或反之亦然的改變的指示值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，為了確定分別用于創(chuàng)建所述第一向量和所述第二 向量的所述第一時間點和所述第二時間點，確定在所述第一信號和所述第二信號中同時 履行的特定標準限定的特征時間點。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述特定標準分別是所述第一信號或所述第二信 號的所述時間導數(shù)的檢測到的零交叉。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其中，將所述指示值與預定的閾值進行比較。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述預定的閾值為0。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其中，如果所述指示值低于所述閾值則指示從所述 患者的呼氣到吸氣或反之亦然的改變。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，其中，優(yōu)選在預定的時間階段中，連續(xù)地 確定所述第一向量、所述第二向量以及所述經(jīng)正規(guī)化的第一向量和所述經(jīng)正規(guī)化的第二 向量的所述標量積，作為從所述患者的呼氣到吸氣或反之亦然的改變的指示值。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，其中，分別通過等式F1=-^x(M1 (T1)-F1 )和巧=-F2 χ(M2(T2)一F2)計算對于兩個不同時間點T1和T2的渦量P，其中，巧是所述第一向量，F(xiàn)2是所述第二向量，而J^1和眾2是分別從在時間T1和T2 時的所述第一信號和所述第二信號的所述時間導數(shù)中創(chuàng)建。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，其中，指示所述呼吸率。
10.—種用于患者的非接觸呼吸監(jiān)測的裝置，包括雙通道多普勒雷達傳感器，其用于接收從所述患者反射的反射電磁信號，其中 所述雙通道多普勒雷達傳感器適于轉(zhuǎn)換所述反射電磁信號，產(chǎn)生第一信號，并且適 于相移所述反射電磁信號并轉(zhuǎn)換所述經(jīng)相移的反射電磁信號，產(chǎn)生第二信號；其中提供了計算單元，其適于對于共同的第一時間點確定由所述第一信號和所述第二信 號的所述時間導數(shù)限定的第一向量；對于共同的第二時間點確定由所述第一信號和所述 第二信號的所述時間導數(shù)限定的所述第二向量；并計算經(jīng)正規(guī)化的第一向量和經(jīng)正規(guī)化 的第二向量的標量積，作為從所述患者的呼氣到吸氣或反之亦然的改變的指示值。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述計算單元適于將所述指示值與預定的閾值進行比較，并且如果所述指示值低于所述閾值則指示從所述患者的呼氣到吸氣或反之亦 然的改變。
12.如權(quán)利要求10或11所述的裝置，其中，提供用于基于從所述患者的呼氣到吸氣 或反之亦然的指示的改變顯示呼吸率的顯示器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測患者呼吸的方法，包括以下步驟向患者發(fā)射電磁信號；接收從所述患者反射的反射電磁信號；轉(zhuǎn)換反射電磁信號，產(chǎn)生第一信號；相移反射電磁信號并轉(zhuǎn)換經(jīng)相移的反射電磁信號，產(chǎn)生第二信號；對于共同的第一時間點，確定由第一信號和第二信號的時間導數(shù)限定的第一向量；對于共同的第二時間點，確定由第一信號和第二信號的時間導數(shù)限定的第二向量；以及計算正規(guī)化的第一向量和正規(guī)化的第二向量的標量積，作為對于患者從呼氣到吸氣或反之亦然的改變的指示值。如果指示值低于閾值，優(yōu)選低于值0，那么指示患者從呼氣到吸氣或反之亦然的改變。這樣，提供了基于多普勒雷達原理可靠而且易于操作的患者的非接觸遠程呼吸監(jiān)測的可能性。
文檔編號G06F17/00GK102014745SQ200980116403
公開日2011年4月13日 申請日期2009年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者G·G·G·莫倫, J·米爾史蒂夫, R·平特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司