用于对身体的生理参数进行非接触感测的传感器、系统和方法

本公开涉及用于对身体的生理参数进行非接触感测的传感器、系统和方法。

背景技术：

1、用于身体的生命体征的临床感测模态通常需要将电极和传感器附接在身体上，大多直接与皮肤相接，这对移动性施加了约束，并且在许多情况下对用户造成显著的不便或不适。因此，对开发不需要皮肤接触的非接触生命体征感测系统的兴趣日益增加。

2、多普勒雷达技术已经在非接触生命体征监测中受到相当大的关注。多普勒雷达依赖于对来自移动物体的反射射频(rf)波与朝向该物体的原始发射波相比的相移的检测。在该背景下，使用雷达对生命体征的检测依赖于以下事实：在每个心肺周期内，由于心脏和肺的变形而产生的身体表面的物理移动调制反射信号的相位，然后测量该反射信号的相位。自从j.c.lin在1975年的开创性工作展示了用于呼吸测量的x波段多普勒雷达系统，研究成果已经产生了更小且更轻的雷达系统，其能够实现功率高效且高度准确的生命体征感测。然而，尽管有这些进步，这样的系统依赖于辐射rf波，这限制了实践中的适用性，因为在存在背景噪声的情况下检测生命体征具有挑战，背景噪声例如由来自身体的不同部分和/或周边中的其他物体的反射生成。这对于环境健康监测应用更是如此，其中跨大身体区域的rf反射以及附近的不同身体部分或其他物体的运动可能导致难以与目标信号区分开的背景干扰。

3、因此，期望提供一种用于对身体的生理参数(例如，生命体征)进行非接触感测的系统和方法，其解决了上述问题和/或提供有用的替代方案。

4、此外，结合附图和本公开的背景技术，根据随后的详细描述和所附权利要求，其他期望的特征和特性将变得显而易见。

技术实现思路

1、本技术的各方面涉及用于对身体的生理参数进行非接触感测的传感器、系统和方法。

2、根据第一方面，提供了一种用于对身体的生理参数进行非接触感测的传感器，该传感器包括：波导，该波导包括超材料且被配置为接收发射信号，以及沿着波导以人工表面等离子体模式传播发射信号以产生倏逝电磁场，以及提供接收信号，其中波导被放置在远离身体的预定距离处，用于使用倏逝电磁场对身体的生理运动产生的扰动进行非接触感测，该扰动产生在发射信号与接收信号之间的相移，用于确定身体的生理参数。

3、因此，所描述的实施例提供了用于对身体的生理参数进行非接触感测的传感器。通过具有波导，用于对身体的生理运动产生的扰动进行非接触感测的传感器可以用于确定身体的生理参数，该波导被配置为沿着波导以人工表面等离子体模式传播发射信号，以产生倏逝电磁场，并且被放置在远离身体预定距离处。由于电磁波的空间限制，使用倏逝电磁场进行感测增强了感测灵敏度。此外，倏逝电磁场是非辐射的，从而最小化背景噪声或杂波，否则背景噪声或杂波可能由于随机身体运动和/或来自周边中的多个物体的反射而被波导拾取。使用本传感器对生理参数进行非接触感测(例如，透过衣服)还使得能够感测/监测生理参数/生命体征，这对于多种临床和日常生活场合是方便且舒适的，而不需要将传感器物理耦合到身体的皮肤。用于对身体的生理参数进行局部测量的倏逝场的使用还允许同时对身体的不同部分进行多路复用感测以获得多个生理信号，如将在下面描述的示例性实施例中说明的。

4、波导可以包括在波导的感测侧上的适于检测由身体的生理运动产生的扰动的感测层、在感测侧的相对侧上的接地层，以及夹在感测层与接地层之间的非导电层，其中，接地层被配置为将倏逝电磁场限制到波导的感测侧。

5、该感测层可以包括梳状矩形条带，该梳状矩形条带具有细长基部以及沿着该细长基部延伸且从该细长基部延伸的多个齿，其中，该多个齿中的相邻齿被间隙分开。

6、从细长基部测量的齿的高度能够适于改变人工表面等离子体模式的波长限制的程度。

7、根据第二方面，提供了一种用于对身体的生理参数进行非接触感测的系统，该系统包括一个或多个上述传感器和被配置为提供发射信号并接收接收信号的软件定义的无线电(sdr)系统。

8、sdr系统可以包含数模转换器(dac)，并且sdr系统可以被配置为：生成数字复基带信号；使用dac转换数字复基带信号以形成模拟基带信号；用载波信号调制模拟基带信号以提供发射信号；解调接收信号以获得与数字复基带信号相关联的同相和正交(iq)分量；以及将所获得的iq分量数字化。

9、sdr系统可以被配置为执行数字复基带信号与经数字化的iq分量的复共轭相乘，以确定与发射信号与接收信号之间的相移相关联的相移信号。

10、sdr系统可以被配置为用低通滤波器对相移信号进行滤波，并且对经滤波的相移信号进行下采样以形成抽取的相移信号。低通滤波器的截止频率可以大于5赫兹(hz)且小于200hz。

11、sdr系统可以适于对所抽取的相移信号进行反正切解调和解缠绕(unwrap)，以获得与发射信号和接收信号之间的相移相关联的时变相位信号。

12、生理运动可以与多于一个生理参数相关联，该系统可以包括处理器和数据储存器，该数据储存器储存计算机程序指令，该计算机程序指令可操作以使处理器：用带通滤波器处理时变相位信号，以将时变相位信号分离成单独分量，该单独分量与多于一个生理参数中的每个生理参数相关联。

13、其中，一个或多个传感器可以包含第一传感器和第二传感器，第一传感器提供在身体的背部，且适于检测与身体相关联的呼吸信号和心脏信号，第二传感器提供在身体的腕部，适于检测与身体相关联的桡动脉脉搏信号，该系统可以包括处理器和数据储存器，该数据储存器储存计算机程序指令，该计算机程序指令可操作以使处理器：用带通滤波器处理与第一传感器相关联的第一时变相位信号，以将第一时变相位信号分离为时变呼吸相位信号和时变心脏相位信号；以及用带通滤波器处理与第二传感器相关联的第二时变相位信号，以获得时变桡动脉脉搏相位信号。

14、数据储存器可以储存计算机程序指令，该计算机程序指令可操作以使处理器：对时变呼吸相位信号的每个信号段的前15秒执行快速傅里叶变换以估计呼吸时段；通过在等于呼吸时段的两倍的时间窗口上取时变呼吸相位信号的均值来计算移动平均曲线，以生成移动平均曲线的每个数据点；计算移动平均曲线与时变呼吸相位信号之间的截距；使用所计算的截距来识别时变呼吸相位信号上的峰，其中，峰中的每个峰被识别为具有正斜率的截距与具有负斜率的随后截距之间的最大值；和将呼吸周期计算为两个相邻峰之间的存续时间。

15、数据储存器可以储存计算机程序指令，该计算机程序指令可操作以使处理器：计算时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的每一个的一阶时间导数波形；将时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的每一个的一阶时间导数波形的所有负值设置为零，以形成时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的每一个的合成波形；使与时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的每一个相关联的合成波形平方，以形成与时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的每一个相关联的平方信号；使用具有预定时间窗口的移动平均滤波器对平方信号进行滤波，以产生与时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的每一个相关联的积分信号；检测与时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的每一个相关联的积分信号中的峰；检测时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的峰；使用积分信号中的检测到的峰来验证时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的检测到的峰；计算时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的跳动位置，跳动位置中的每一个是相对于时变心脏相位信号和桡动脉脉搏相位信号的每个经验证的峰最近的在前正零截距；以及计算与时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的每一个相关联的逐跳间隔，逐跳间隔是连续跳动位置之间的时间间隔，其中，与时变心脏相位信号相关联的逐跳间隔与心率有关，并且与时变桡动脉脉搏相位信号相关联的逐跳间隔与桡动脉脉搏率有关。

16、数据储存器可以储存计算机程序指令，该计算机程序指令可操作以使处理器：接收时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号；处理时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号，以形成经处理的时变心脏相位信号和经处理的时变桡动脉脉搏相位信号；使用经训练的机器学习模型，基于经处理的时变心脏相位信号和经处理的时变桡动脉脉搏相位信号，来生成经对准的时变心脏相位信号和经对准的时变桡动脉脉搏相位信号，其中经对准的时变心脏相位信号的峰对应于心电图(ecg)r波峰，并且经对准的时变桡动脉脉搏相位信号的峰对应于光电体积描记(ppg)最大一阶导数(mfd)点；将脉搏传递时间(ppt)计算为经对准的时变心脏相位信号的峰中的一个峰与经对准的时变桡动脉脉搏相位信号的峰中对应的一个峰之间的时间延迟；并且将所计算的ppt转换为收缩压值和舒张压值。将所计算的ptt转换为收缩压值和舒张压值可以包含使用线性ppt-血压关系。

17、数据储存器可以储存计算机程序指令，该计算机程序指令可操作以使处理器：在经对准的时变心脏相位信号的峰中的一个峰的0.15至0.4秒(s)的随后时间窗口内，搜索经对准的时变桡动脉脉搏相位信号的局部最大值，该局部最大值是峰中用于计算ppt的对应的一个峰。

18、数据储存器可以储存计算机程序指令，该计算机程序指令可操作以使处理器：接收训练数据，该训练数据包括训练时变心脏相位信号和训练时变桡动脉脉搏相位信号；处理该训练数据以形成训练经处理的时变心脏相位信号和训练经处理的时变桡动脉脉搏相位信号；以及训练机器学习模型以形成经训练的机器学习模型，其中数据储存器储存计算机程序指令，该计算机程序指令可操作以使处理器训练机器学习模型的计算机程序指令，该数据储存器可以储存计算机程序指令，该计算机程序指令可操作以使处理器：使用机器学习模型，基于训练经处理的时变心脏相位信号和训练经处理的时变桡动脉脉搏相位信号，来生成训练时变心脏相位信号输出和训练时变桡动脉脉搏相位信号输出；并且使用回归层最小化训练时变心脏相位信号输出和训练时变桡动脉脉搏相位信号输出中的每一个与对应的目标时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号之间的均方误差(mse)，以用于形成经训练的机器学习模型。

19、经训练的机器学习模型可以包括长短期记忆(lstm)网络，长短期记忆(lstm)网络之后是全连接(fc)层，该全连接(fc)层用于时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的每一个。

20、数据储存器储存计算机程序指令，该计算机程序指令可操作以使处理器处理时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号，数据储存器可以储存计算机程序指令，该计算机程序指令可操作以使处理器：将时变心脏相位信号左移预定时间量，以形成经处理的时变心脏相位信号；以及相对于时间对时变桡动脉脉搏相位信号进行微分，以生成时变桡动脉脉搏相位信号的时间导数，以形成经处理的时变桡动脉脉搏相位信号。

21、数据储存器可以储存计算机程序指令，该计算机程序指令可操作以使处理器：识别用于血压感测的时期，所识别的时期各自是具有预定时间段的时间窗口，在该预定时间段期间存在时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号两者；计算针对所识别的时期的心率均值和脉搏率均值；在所识别的时期中选择一个或多个候选时期，其中，一个或多个候选时期中的每个候选时期的心率均值与脉搏率均值之间的绝对差小于每分钟两次跳动；将一个或多个候选时期中的每个候选时期中的时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的每个的信号质量度量(qe)计算为：

22、

23、其中，n是在一个或多个候选时期中的每个候选时期中的时变心脏信号或时变桡动脉脉搏相位信号的检测到的跳动的数目，te是对应的一个或多个候选时期中的每个候选时期的长度，以分钟为单位，并且i是来自检测到的跳动的每个连续对的逐跳间隔，以秒为单位；以及从一个或多个候选时期中选择一个或多个检测时期用于持续血压检测，其中一个或多个检测时期中的时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的每一个的信号质量度量(qe)大于0.5。

24、根据第三方面，提供了一种用于使用一个或多个传感器对身体的生理参数进行非接触感测的方法，其中一个或多个传感器中的每一个包括波导，波导包括超材料且被配置为沿着波导以人工表面等离子体模式传播发射信号以产生倏逝电磁场，以及提供接收信号，倏逝电磁场用于对身体的生理运动产生的扰动进行非接触感测，该方法包括：(i)将波导放置在远离身体的预定距离处，用于对扰动进行非接触感测；(ii)将发射信号提供给波导；(iii)从波导接收接收信号；以及(iv)处理接收信号和发射信号，以确定由扰动引起的发射信号与接收信号之间的相移，用于确定身体的生理参数。

25、波导可以由柔性材料制成。这允许在例如用于感测或监测身体的生理参数的衣物中容易地实现波导。

26、波导可以包括在波导的感测侧上的适于检测由身体的生理运动产生的扰动的感测层、在感测侧的相对侧上的接地层，以及夹在感测层与接地层之间的非导电层，其中，接地层可以被配置为将倏逝电磁场限制到波导的感测侧。这减少了由波导拾取的测量噪声并提高了波导的灵敏度。

27、该感测层可以包括梳状矩形条带，该梳状矩形条带具有细长基部以及沿着该细长基部延伸且从该细长基部延伸的多个齿，其中，该多个齿中的相邻齿被间隙分开。

28、该方法可以包括提供具有400mhz至200ghz的频率范围的发射信号。在实施例中，发射信号的载波信号可以具有400mhz至200ghz的频率范围。

29、该方法可以包括：生成数字复基带信号；使用数模转换器(dac)转换数字复基带信号以形成模拟基带信号；用载波信号调制模拟基带信号以提供发射信号；解调接收信号以获得与数字复基带信号相关联的同相和正交(iq)分量；以及将所获得的iq分量数字化。

30、该方法可以包括：执行数字复基带信号与经数字化的iq分量的复共轭相乘；以及确定与发射信号与接收信号之间的相移相关联的相移信号。

31、该方法可以包括：用低通滤波器对相移信号进行滤波；以及对经滤波的相移信号进行下采样以形成抽取的相移信号。

32、该方法可以包括对所抽取的相移信号进行反正切解调和解缠绕，以获得与发射信号和接收信号之间的相移相关联的时变相位信号。

33、其中，一个或多个传感器可以包括第一传感器和第二传感器，第一传感器提供在身体的背部，适于检测与身体相关联的呼吸信号和心脏信号，第二传感器提供在身体的腕部，适于检测与身体相关联的桡动脉脉搏信号，该方法可以包括：用带通滤波器处理与第一传感器相关联的第一时变相位信号，以将第一时变相位信号分离为时变呼吸相位信号和时变相位心脏相位信号，以及用带通滤波器处理与第二传感器相关联的第二时变相位信号，以获得时变桡动脉脉搏相位信号。

34、该方法可以包括：接收时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号；处理时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号，以形成经处理的时变心脏相位信号和经处理的时变桡动脉脉搏相位信号；使用经训练的机器学习模型，基于经处理的时变心脏相位信号和经处理的时变桡动脉脉搏相位信号，来生成经对准的时变心脏相位信号和经对准的时变桡动脉脉搏相位信号，其中，经对准的时变心脏相位信号的峰对应于心电图(ecg)r波峰，并且经对准的时变桡动脉脉搏相位信号的峰对应于光电体积描记(ppg)最大一阶导数(mfd)点；将脉搏传递时间(ppt)计算为经对准的时变心脏相位信号的峰中的一个峰与经对准的时变桡动脉脉搏相位信号的峰中对应的一个峰之间的时间延迟；以及将所计算的ppt转换为收缩压值和舒张压值。将所计算的ptt转换为收缩压值和舒张压值可以包括使用线性ppt-血压关系。

35、该方法可以包括在经对准的时变心脏相位信号的峰中的一个峰的0.15s至0.4s的随后时间窗口内，搜索经对准的时变桡动脉脉搏相位信号的局部最大值，该局部最大值是峰中用于计算ppt的对应的一个峰。

36、该方法可以包括：识别用于血压感测的时期，所识别的时期各自是具有预定时间段的时间窗口，在该预定时间段期间存在时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏信号两者；计算针对所识别的时期的心率均值和脉搏率均值；在所识别的时期中选择一个或多个候选时期，其中，一个或多个候选时期中的每个候选时期的心率均值与脉搏率均值之间的绝对差小于每分钟两次跳动；将一个或多个候选时期中的每个候选时期中的时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的每个的信号质量度量(qe)计算为：

37、

38、其中，n是在一个或多个候选时期中的每个候选时期中的时变心脏相位信号或时变桡动脉脉搏相位信号的检测到的跳动的数目，te是对应的一个或多个候选时期中的每个候选时期的长度，以分钟为单位，并且i是来自检测到的跳动的每个连续对的逐跳间隔，以秒为单位；以及从一个或多个候选时期中选择一个或多个检测时期用于持续血压检测，其中一个或多个候选时期中的时变心脏相位信号和时变桡动脉脉搏相位信号中的每一个的信号质量度量(qe)大于0.5。

39、因此，实施例提供了用于对身体的生理参数进行非接触感测的传感器、系统和方法。通过使用包括波导的传感器，并且将该波导放置在远离身体的预定距离处，传感器提供对身体的生理运动产生的扰动进行的非接触感测，以用于确定身体的生理参数，该波导被配置为沿着波导以人工表面等离子体模式传播发射信号，以产生倏逝电磁场。由于倏逝电磁场中的电磁能量的空间限制，使用倏逝电磁场进行感测增强了感测灵敏度。此外，倏逝电磁场是非辐射的，从而最小化背景噪声或杂波，否则背景噪声或杂波可能因随机身体运动和/或来自周边中的多个物体的反射而被波导拾取。使用本系统和方法对生理参数进行非接触感测(例如，透过衣服)还使得能够感测/监测生理参数/生命体征，这对于多种临床和日常生活场合是方便且舒适的。通过倏逝电磁场进行非辐射局部感测的使用允许同时对身体的不同部分进行多路复用感测以获得多个生理信号，例如呼吸率、心率和桡动脉脉搏率。在实施例中，可以使用分别从身体的背部和腕部获得的心率和桡动脉脉搏率来实现无袖带式的血压监测，以获得环境生命体征监测。