一种基于雷达信号的婴儿呼吸问题检测系统的制作方法

本发明涉及生物医学信号处理，特别是涉及一种基于雷达信号的呼吸问题检测系统。

背景技术：

1、在全世界新生儿中，早产儿(低于37周的胎龄)占比约5％至18％。根据研究，由于呼吸系统发育不成熟，超过一半的早产儿和几乎所有体重小于1公斤的新生儿都存在呼吸暂停。一般认为，婴儿呼吸暂停指的是超过15或20秒以上的呼吸停顿，可能同时导致低氧饱和度(spo2)，导致缺氧和心率(hr)降低。如果未能及时发现和干预婴儿反复发生的呼吸暂停，则可能导致视网膜病变、神经发育障碍等长期不良反应，并增加死亡风险。因此，对婴幼儿心肺活动进行密切智能监测具有重要意义。然而，现有的监测方法和个性化预警仍然存在局限性。

2、在临床婴儿心肺监测中，spo2、rr和hr的信息通常分别通过光容积描记图(ppg/pleth)、阻抗肺描记图(ip)和心电图(ecg)提供。然而，这些传统的传感器都需要皮肤接触，不适合长期监测，原因如下：1)婴儿可能会感到不适甚至皮肤损伤；2)传感器的佩戴不便于医疗操作；3)传感器可能会因出汗和运动而脱落，导致误报。此外，呼吸暂停监测技术在临床上不常被用作缺氧的预防方法，通常只有监测到spo2持续下降才会得到更多的关注。因此，这些问题引发了对婴儿呼吸暂停的非接触式监测方法的兴趣。一种广泛使用的方法是使用深度或红外摄像机来测量婴儿的胸部和腹部运动，这种依赖于视觉技术的方法可以提取精确数据。然而，基于视觉的方法会面临数据处理量大、功率大和泄露私人信息等相关的问题。另一种目前可用的非接触式呼吸暂停监测方法依赖于激光的使用，然而长时间暴露在激光下也会伤害婴儿的皮肤。

3、因此，利用雷达进行婴儿心肺监测已成为一种有潜力的技术。自20世纪70年代以来，基于雷达的监测技术已被尝试用于生物医学应用。随着半导体技术的突破，以及在硬件架构和信号处理方面的理论研究，毫米波雷达已经能够在保持对光不敏感和穿透障碍物能力的同时，实现尺寸的小型化和对微幅运动相位信息的精确恢复。这些特点证明了基于雷达的传感技术在非接触式生命体征监测中的短程适用性。而相关研究大多针对成人心肺监测。虽然之前的一些研究已经探索了使用雷达技术进行婴儿健康监测，但它们主要集中在短期呼吸暂停监测上。

4、另一方面，婴儿的个性化呼吸暂停监测也存在不足，因为婴儿通常使用相同的呼吸暂停标准治疗，而不考虑其胎龄、体重和健康状况。宽泛的标准可能导致一些有不良症状的婴儿被忽视。例如，周期性呼吸通常被定义为重复的呼吸循环和短暂的呼吸暂停，通常持续时间小于10秒，中度氧饱和度和心动过缓不需要临床干预。然而，研究表明，过度周期性呼吸也可能是婴儿猝死综合征(sids)的原因之一。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于雷达信号的婴儿呼吸问题检测系统，能够实现周期性呼吸判定。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于雷达信号的婴儿呼吸问题检测系统，包括：

3、获取模块，用于获取雷达i/q信号，所述雷达i/q信号由近距雷达监测探测对象在睡眠时的胸腔运动得到；

4、有效性检测模块，用于对所述雷达i/q信号的有效性进行检测，得到有效雷达i/q信号片段；

5、提取模块，用于提取所述有效雷达i/q信号片段的包络信号，并根据包络信号的幅值得到目标包络信号；

6、周期性呼吸检测模块，用于根据目标包络信号的包络斜率进行周期性呼吸检测。

7、所述有效性检测模块包括：

8、体动检测单元，用于根据雷达i/q信号的过零率进行体动检测，并在发生体动的位置处进行标记，得到体动时间；

9、位置检测单元，用于根据雷达i/q信号的呼吸频段的能量比值进行位置检测，并将位置检测有效的雷达i/q信号片段作为有效雷达i/q信号片段。

10、所述体动检测单元包括：

11、第一分割子单元，用于将雷达i/q信号分割为若干信号段；

12、过零率计算子单元，用于计算每个信号段的过零率；

13、过零率判断子单元，用于判断过零率是否超过过零率阈值；

14、标记子单元，用于在过零率超过过零率阈值时，表示对应的信号段出现体动，并对该信号段进行标记，得到体动时间。

15、所述位置检测单元包括：

16、第二分割子单元，用于将雷达i/q信号按照预设时间分割为不重叠的若干片段；

17、能量比值计算子单元，用于计算每个片段中信号的呼吸频段与预设频段的能量比值；其中，预设频段为0.5-5hz；

18、能量比值判断子单元，用于判断能量比值是否超过能量比阈值；

19、合并子单元，用于将能量比值超过能量比阈值对应的片段进行合并，得到有效雷达i/q信号片段。

20、所述提取模块包括：

21、第一提取计算单元，用于提取雷达i/q信号中i信号的包络信号，并计算i信号的包络信号的幅值差值；

22、第二提取计算单元，用于提取雷达i/q信号中q信号的包络信号，并计算q信号的包络信号的幅值差值；

23、目标包络信号确定单元，用于对i信号的包络信号的幅值差值和q信号的包络信号的幅值差值进行比较，将两者中较大值对应的包络信号作为目标包络信号。

24、所述周期性呼吸检测模块包括：

25、第一滑动窗设置单元，用于在所述目标包络信号上设置第一滑动窗，所述第一滑动窗不重合地向前滑动；

26、自相关计算单元，用于对第一滑动窗内的信号进行自相关运算，得到自相关波形；

27、第一统计判断单元，用于统计自相关波形中超过最高峰0.5倍的峰值的数量，并判断自相关波形中超过最高峰0.5倍的峰值的数量是否超过第一峰值数量阈值；

28、平均间隔计算单元，用于在自相关波形中超过最高峰0.5倍的峰值的数量超过第一峰值数量阈值时，计算自相关波形中峰值之间的平均间隔；

29、间隔判断单元，用于判断自相关波形中峰值之间的平均间隔是否超过峰值间隔阈值；

30、功率谱峰值获取单元，用于在自相关波形中峰值之间的平均间隔超过峰值间隔阈值时，对自相关波形进行傅里叶变换，得到功率谱；

31、峰值判断单元，用于判断功率谱在0.002hz至0.5hz范围内的最高峰是否在0.025hz至0.2hz范围内；

32、第二统计判断单元，用于在功率谱在0.002hz至0.5hz范围内的最高峰在0.025hz至0.2hz范围内时，统计功率谱中超过最高峰0.4倍的峰值的数量，并判断功率谱中超过最高峰0.4倍的峰值的数量是否小于第二峰值数量阈值；

33、包络斜率计算单元，用于在功率谱中超过最高峰0.4倍的峰值的数量小于第二峰值数量阈值时，计算目标包络信号的上半部或下半部，并对目标包络信号的上半部或下半部进行线性拟合，得到包络斜率；

34、包络斜率判断单元，用于判断包络斜率是否小于斜率阈值；

35、周期性呼吸判定单元，用于在包络斜率小于斜率阈值时，认定第一滑动窗内的信号为周期性信号。

36、所述的基于雷达信号的婴儿呼吸问题检测系统还包括：呼吸暂停检测模块，用于根据目标包络信号和体动时间进行呼吸暂停检测。

37、所述呼吸暂停检测模块包括：

38、第二滑动窗设置单元，用于在所述目标包络信号上设置第二滑动窗，所述第二滑动窗以一个数据点的步长向前滑动；

39、阈值计算单元，用于计算每个数据点的阈值；

40、比较单元，用于将第二滑动窗内最后一个数据点的幅值与最后一个数据点的阈值进行比较；

41、时长统计单元，用于统计第二滑动窗内最后一个数据点的幅值小于最后一个数据点的阈值的数量，并得到相应的时长；

42、初步判定单元，用于在时长大于预设的呼吸暂停检测时长，且当前数据点距离上一次体动时间大于预设的体动忽略时长时，判定为一次呼吸暂停事件；

43、合并判定单元，用于判断相邻的两次呼吸暂停事件的时间间隔是否小于合并时长，若小于合并时长，则将相邻的两次呼吸暂停事件合并为一个呼吸暂停事件，若大于或等于合并时长，则将相邻的两次呼吸暂停事件作为两个呼吸暂停事件；

44、最终判定单元，用于判断每个呼吸暂停事件的持续时长是否超过预警时长，若超过，则将该呼吸暂停事件作为最终的呼吸暂停事件。

45、所述阈值计算单元通过计算每个数据点的阈值，其中，th[n]表示目标包络信号中第n个数据点的阈值，b为权重因子，n为第二滑动窗口内的数据点数量，env[k]表示目标包络信号中第k个数据点的幅值。

46、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现采用上述基于雷达信号的婴儿呼吸问题检测系统的检测方法的步骤。

47、有益效果

48、由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

49、本发明中的体动检测是在时域通过计算过零率实现，不存在位置与姿势带来幅度变化造成对体动检测的干扰，且对随机不稳定的身体运动都有较好的检测效果，从而降低体动干扰引起的呼吸暂停的误判。

50、本发明通过计算呼吸频段与低频段内的能量比值来检测目标呼吸信噪比，从而判定探测目标是否处于恰当的探测位置，如此可以通过系统提醒等方式使探测目标始终处于恰当的探测位置，以确保算法最佳效果，同时也可以确保婴儿位于床的安全范围内。

51、本发明基于胸腔位移信号的包络波形实现周期性呼吸判定，为观测探测目标的周期性呼吸发生频率和次数提供依据，进而避免周期性呼吸导致的婴儿反复缺氧等不良后果。本发明还基于胸腔位移信号包络波形实现的呼吸暂停判定，结合特有的算法可以自适应生成阈值，从而可以适应婴儿呼吸不平稳的特征，具有较好的灵敏度。

52、本发明基于呼吸包络信号而非呼吸信号进行检测，可以降低信号采样点数，使计算资源消耗降低，运算速度加快。本发明即时可用，无需用户前期的大量数据训练，能连续探测，能够对整晚睡眠的长段信号进行离线分析，并处理连续出现的呼吸暂停事件。本发明可以在不同个体、不同睡姿和不同呼吸状态情况下使用，具有很强的适用性。