專利名稱：非接觸式心肺活動監視裝置及其信號的獲取方法
技術領域：
本發明涉及一種非接觸式心肺活動監視裝置及心肺活動信號的獲取方法，尤其涉及一種使用高頻弦波脈沖序列測量心跳及呼吸信號的非接觸式心肺活動監視裝置及心肺活動信號的獲取方法。
背景技術：
早產兒常發生呼吸障礙疾病，例如呼吸暫停或間歇性呼吸等。呼吸障礙疾病可引發兩種癥狀其一主要發生于早產兒的呼吸暫停，又稱未熟性呼吸暫停癥(apnea of prematurity, A0P);另一則為嬰兒粹死癥(sudden infant death syndrome, SIDS)或明顯的致命性事件(apparent life threatening event, ALTE)。未熟性呼吸暫停癥如不予以治療的話，有這種病癥的早產兒屬于嬰兒猝死癥的高危險群，在家中發生意外的可能性較高。呼吸停止后可能會發生心跳遲緩，甚至血壓下降等血流動力學上的連鎖反應，而這些血流動力學上的變化則可能會引起重要器官，尤其是腦組織暫時性的缺血或缺氧，甚至造成永久性傷害。臨床上對早產兒的照顧經常遭遇到嬰兒在其它各方面均已經恢復而達到可出院回家的狀態，僅有此類偶發性的呼吸暫停癥使得他們必須留在醫院里接受持續觀察。
目前臨床使用的嬰兒監視器都以傳統的床邊病人生理監視器為基礎，使用上必須以三片電極緊貼在嬰兒胸部皮膚上，獲取因呼吸而產生的胸腔阻抗的變化信號以及心跳信號，然后將這兩種信號以濾波器分離轉換計算為呼吸頻率及心跳頻率。此種監測技術的最大缺點為電極長期接觸皮膚易于造成敏感紅腫潰爛等后遺癥。此外，臨床用監視器的價格相當昂貴，因而不適于居家護理用途。
為了解決上述問題，美國專利US 4，738，264揭示一種可放置于床上且與病人分離的振動測量裝置，其工作原理為將呼吸與心跳造成人體體表的微弱振動經過床鋪傳送至測量裝置，再轉換為代表嬰兒呼吸與心跳的綜合能量指標。此一技術的缺點為無法準確的分辨及測量嬰兒的呼吸頻率與心跳頻率，因此無法滿足臨床對于AOP的檢測警示閥值的需求(即呼吸率低于20次/分鐘或呼吸中止期間超過15秒，及心跳率低于80次/分鐘)。
另外，美國專利US 5，964，720揭示一種分散式振動測量系統，其使用壓電晶體為振動感測元件，并以條狀導電薄膜作為感測元件的基座。這些條狀導電膜可埋入床墊、椅背或椅墊內以便檢測病人呼吸與心跳所造成的人體體表微弱振動。此一技術的主要缺點在于感測元件所獲取的信號為心臟與胸腔振動經過人體與床鋪或座椅傳送，易受到環境振動噪音的干擾。發明內容
本發明提供一種使用高頻弦波脈沖序列測量心跳及呼吸信號的非接觸式心肺活動監視裝置及心肺活動信號的獲取方法，其可避免常規技術使用電極長期接觸皮膚而易于造成敏感紅腫潰爛等后遺癥。
本發明的非接觸式心肺活動監視裝置包含一輸出一探測高頻弦波脈沖序列及一參考高頻弦波脈沖序列的脈沖序列產生器、一發射所述探測高頻弦波脈沖序列至一心肺部的發射天線、一接收經所述心肺部散射的探測高頻弦波脈沖序列的接收天線、一平衡混波器以及一根據所述心肺部散射的探測脈沖序列產生心肺活動信號的信號處理模塊。所述平衡混波器包含一接收所述參考高頻弦波脈沖序列的第一輸入端以及一電氣連接于所述接收天線的第二輸入端。
本發明的心肺活動信號的獲取方法可在所述心肺活動異常時發出一警示信號，其首先發射一探測高頻弦波脈沖序列至一心肺活動處(其散射所述探測高頻弦波脈沖序列而廣生一反射聞頻弦波脈沖序列)，再測量所述反射聞頻弦波脈沖序列與一參考聞頻弦波脈沖序列之間的相位差。因所述相位差信號與心肺活動成正比例線性關系而可轉換成一代表所述心肺活動的模擬信號，再經由所述信號處理模塊的模擬數字轉換器產生數字信號據以判斷所述心肺活動的狀態并在異常狀態時發出一警示信號。
本發明的心肺活動信號的獲取方法還可測量所述心肺活動的頻率，其首先發射一探測脈波至一心肺活動處(其散射所述探測脈波而產生一反射脈波)，再測量所述反射脈波與一參考脈波之間的相位差信號。之后，將所述相位差信號轉換成一代表所述心肺活動的數字信號，并根據所述數字信號計算所述心肺活動的頻率。


圖I例示本發明的非接觸式心肺活動監視裝置的功能方框圖2例示本發明的非接觸式心肺活動監視裝置的系統架構圖3例示本發明的平衡混波器的輸出信號；
圖4例示本發明的信號處理模塊的功能方框圖5例示本發明第一實施例的心肺活動信號的獲取方法；
圖6例示本發明第二實施例的心肺活動信號的獲取方法；以及
圖7例示本發明測量一待測者的呼吸頻率(心跳頻率)的方法。
具體實施方式
圖I例示本發明非接觸式心肺活動監視裝置10的功能方框圖。所述接觸式心肺活動監視裝置10包含一輸出一探測高頻弦波脈沖序列及一參考高頻弦波脈沖序列的脈沖序列產生器12、一發射所述探測高頻弦波脈沖序列至一心肺部的發射天線42、一接收經所述心肺部散射的探測高頻弦波脈沖序列的接收天線44、一包含一第一輸入端46A(用以接收所述參考高頻弦波脈沖序列)以及一第二輸入端46B (電氣連接于所述接收天線44)的平衡混波器46以及一根據所述心肺部散射的探測脈沖序列產生心肺活動信號的信號處理模塊50。所述心肺部散射所述高頻弦波脈沖序列而產生一反射脈波，其包含所述高頻弦波脈沖序列及一代表所述待測者的呼吸或心跳的低頻模擬信號。
圖2例示本發明非接觸式心肺活動監視裝置10的系統架構圖。所述脈沖序列產生器12包含一產生所述高頻弦波脈沖序列的脈波產生器20、一從所述高頻弦波脈沖序列產生所述探測高頻弦波脈沖序列及所述參考高頻弦波脈沖序列的分割器30。所述脈波產生器20包含一產生一高頻連續弦波信號的弦波信號產生器26、一產生一開關信號的開關信號產生器22以及一根據所述開關信號導通使得所述高頻連續弦波信號通過而產生所述高頻弦波脈沖序列的開關元件24，其具有一信號輸入端24A及一信號輸出端24B。所述開關信號產生器22包含一產生一時脈信號的時脈產生器22A以及一調節所述時脈信號的時距而產生所述開關信號的波形壓縮器22B。
所述非接觸式心肺活動監視裝置10可另外包含一電氣耦合于所述脈波產生器20 的輸出端的第一放大器32A、一電氣稱合所述第一放大器32A與所述分割器30的第一高頻濾波器34A、一電氣耦合于所述接收天線44的第二高頻濾波器34B以及一電氣耦合所述第二高頻濾器34B與所述平衡混波器46的第二放大器32B。優選地，所述第一放大器34A的放大倍率可增強所述微波脈波使得傳送至所述平衡混波器46的信號強度可達+7dBm。
圖3例示本發明的信號處理模塊50的功能方框圖。所述信號處理模塊50包含一電氣耦合于所述平衡混波器46的輸出端的低頻濾波器34C、一電氣耦合于所述低頻濾波器 34C的第三放大器32C、一內置模擬/數字轉換器54的微處理器52、一電氣稱合所述第三放大器32C與所述模擬/數字轉換器54的帶通濾波器56、一警示信號產生器58、一用以存儲數據的存儲器60以及一無線傳輸模塊62。
所述低頻濾波器34C從所述平衡混波器46輸出產生代表待測者的呼吸或心跳的模擬信號，所述微處理器52內置的模擬/數字轉換器54再將模擬信號予以數字化。數字化的信號可運用所述微處理器52的固件將呼吸與心跳信號分離，并以信號處理算法予以分別處理及計算呼吸率或心跳率并由所述警示信號產生器58在異常時發出警示信號，而處理過的數據也可經由所述無線傳輸模塊62傳送至數據終端機進行統計分析、打印與存儲等工作。
圖4例示本發明的平衡混波器46的輸出信號。經過所述第一高頻濾波器34A濾波后的高頻弦波脈沖序列再經由所述分割器30分為兩等份；其一為探測高頻弦波脈沖序列經由所述發射天線42向一待測者的心肺部(例如胸部)輻射，其二為參考高頻弦波脈沖序列則饋入所述平衡混波器46的參考輸入端46A。發射的探測高頻弦波脈沖序列經待測者的胸腔與心臟散射而為所述接收天線44獲取后即由所述平衡混波器46與參考高頻弦波脈沖序列混波。所述平衡混波器46的輸出為一低頻序列脈沖，每一個脈沖的極性與振幅大小則隨著待測者的胸腔與心臟的振動而變動。所述低頻濾波器34C將低頻脈沖序列的封包 (即圖4的虛線部分)予以獲取而得到待測者的呼吸與心跳信號，而所述第三放大器34C再將其信號幅度予以增強。
圖5例示本發明第一實施例的心肺活動的獲取方法，其可在所述心肺活動異常時發出一警示信號。首先利用所述非接觸式心肺活動監視裝置10發射所述探測高頻弦波脈沖序列至一心肺活動處(其散射所述探測脈波而產生一反射高頻弦波脈沖序列)，再測量所述反射高頻弦波脈沖序列與所述參考高頻弦波脈沖序列之間的相位差信號。之后，利用所述微處理器52內置的模擬/數字轉換器54再將所述相位差信號轉換成一代表所述心肺活動的數字信號，所述信號處理模塊50的微處理器52再根據所述數字信號判斷所述心肺活動的狀態并于異常狀態時發出一警示信號。
所述信號處理模塊50的微處理器52首先利用移動平均法(moving average)處理數字信號，再以軟件實現的帶通濾波器將呼吸信號濾出。之后，比較測量的數字信號的強度是否大于預設的信號強度閾值以判斷是否檢測到呼吸的波峰，并在一預定時間(例如20 秒)內沒有數字信號大于所述信號強度閾值時產生所述警示信號，且將所有呼吸參數值歸零以重新啟動計算流程。此外，本發明還可選擇性地在移動平均法處理數據之后，獲取部分數字信號(例如設定采樣率為1/5)或舍棄系統啟動時的不穩定信號。再者，所述信號強度閾值也可根據使用者的經驗值或測量的數字信號的強度予以設定。
圖6例示本發明第二實施例的心肺活動信號的獲取方法，其可在心跳異常時發出警示信號。所述非接觸式心肺活動監視裝置10獲取的數字信號可為一心跳信號，而所述警示信號為一心跳停止信號。所述信號處理模塊50的微處理器52首先利用軟件實現的帶通濾波器將心跳信號濾出，并根據使用者的經驗值或測量的數字信號的強度設定一信號強度閾值，再比較測量的數字信號的強度是否大于所述信號強度閾值判斷是否檢測到心跳信號。如果在一預定時間(例如40秒)內沒有數字信號大于所述信號強度閾值，則發出所述警不信號。
圖7例示本發明測量一待測者的呼吸頻率(心跳頻率)的方法。首先，利用所述非接觸式心肺活動監視裝置10發射所述探測脈波至待測者的心肺活動處(其散射所述探測脈波而產生一反射脈波)，再測量所述反射脈波與所述參考脈波之間的相位差信號。之后，利用所述微處理器52內置的模擬/數字轉換器54再將所述相位差信號轉換成一代表所述心肺活動的數字信號，而所述信號處理模塊50的微處理器52再根據所述數字信號計算所述待測者的心跳頻率。
所述信號處理模塊50的微處理器52首先利用移動平均法處理原始的數字信號， 再以軟件實現的帶通濾波器將呼吸信號濾出。之后，比較測量的數字信號的強度是否大于預設的信號強度閾值判斷是否檢測到心跳信號的波峰。如果檢測到心跳信號的波峰，則計算此次心跳信號的波峰與上次心跳信號的波峰的時間差并存入存儲器。之后，平均復數個信號波峰的時間差以計算平均周期，并根據平均周期計算心跳頻率。此外，本發明還可選擇性地在移動平均法處理數據之后，獲取部分數字信號(例如設定采樣率為1/5)或舍棄系統啟動時的不穩定信號。再者，所述信號強度閾值還可根據測量的數字信號的強度予以設定。
此外，在完成呼吸頻率(心跳頻率)的計算后，還可據以判斷所述待測者的呼吸頻率(心跳頻率)是否在一預定范圍內。如果計算的呼吸頻率(心跳頻率)高于所述預定范圍，則發出一呼吸頻率(心跳頻率)過高的警示信號；反之，如果計算的呼吸頻率(心跳頻率)低于所述預定范圍，則發出一呼吸頻率(心跳頻率)過低的警示信號
本發明的技術內容及技術特點已揭示如上，然而所屬領域的技術人員仍可基于本發明的教示及揭示而作種種不背離本發明精神的替換及修改。因此，本發明的保護范圍應不限于實施例所揭示的內容，而應包括各種不背離本發明的替換及修改，并為所附的權利要求書所涵蓋。
權利要求
1.ー種非接觸式心肺活動監視裝置，其特征在于包含 ー脈沖序列產生器，其輸出ー探測脈沖序列及ー參考脈沖序列，所述探測脈沖序列和參考脈沖序列的頻率介于2. 7^10. OGHz ； ー發射天線，其發射所述探測脈沖序列至一心肺部； 一接收天線，其接收經所述心肺部散射的探測脈沖序列； 一混波器，包含 ー接收所述參考脈沖序列的第一輸入端；以及 一電氣連接于所述接收天線的第二輸入端；以及 一信號處理模塊，其根據所述心肺部散射的探測脈沖序列產生心肺活動信號。
2.如權利要求I所述的非接觸式心肺活動監視裝置，其特征在于所述脈沖序列產生器包含 一脈波產生器，其輸出一高頻弦波脈沖序列；以及 一分割器，耦合于所述脈波產生器，其輸出為一探測高頻弦波脈沖序列及ー參考高頻弦波脈沖序列。
3.如權利要求2所述的非接觸式心肺活動監視裝置，其特征在于所述脈波產生器包含 一弦波信號產生器，用以產生一連續弦波信號； ー開關信號產生器，用以產生ー開關信號；以及 一開關元件，具有一輸入端及ー輸出端，其根據所述開關信號導通使得所述連續弦波信號通過而產生所述高頻弦波脈沖序列。
4.如權利要求3所述的非接觸式心肺活動監視裝置，其特征在于所述開關信號產生器包含 一時脈產生器，用以產生ー時脈信號；以及 一波形壓縮器，用以調節所述時脈信號的時距而產生所述開關信號。
5.如權利要求2所述的非接觸式心肺活動監視裝置，其特征在于另外包含 一放大器，電氣I禹合于所述脈波產生器的輸出端；以及 一高頻濾波器，電氣耦合所述放大器與所述分割器。
6.如權利要求I所述的非接觸式心肺活動監視裝置，其特征在于另外包含 一高頻濾波器，電氣耦合于所述接收天線的輸出端；以及 一放大器，電氣耦合所述高頻濾波器與所述混波器。
7.如權利要求I所述的非接觸式心肺活動監視裝置，其特征在于另外包含 一低頻濾波器，電氣耦合于所述混波器的輸出端；以及 一放大器，電氣稱合所述低頻濾波器于的輸出端。
8.如權利要求I所述的非接觸式心肺活動監視裝置，其特征在于所述信號處理模塊包含 一微處理器，具有ー模擬/數字轉換器，用以將所述心肺活動信號轉換成一數字信號；以及 一帶通濾波器，電氣耦合所述混波器與所述模擬/數字轉換器。
9.如權利要求8所述的非接觸式心肺活動監視裝置，其特征在于所述信號處理模塊另外包含ー警示信號產生器，電氣耦合于所述微處理器。
10.如權利要求I所述的非接觸式心肺活動監視裝置，其特征在于所述混波器為一平衡混波器。
11.ー種心肺活動信號的獲取方法，所述方法不用于診斷疾病，所述方法的特征在于包含: 發射一高頻弦波脈沖序列至一心肺活動處，其散射所述高頻弦波脈沖序列而產生一反射脈波； 測量所述反射脈波與一參考脈波之間的相位差信號； 將所述相位差信號轉換成一代表所述心肺活動的數字信號；以及 根據所述數字信號判斷所述心肺活動的狀態， 其中，所述反射脈波包含所述高頻弦波脈沖序列及一代表待測者的呼吸或心跳的低頻模擬信號，且所述相位差信號為ー低頻脈沖序列。
12.如權利要求11所述的心肺活動信號的獲取方法，其特征在于根據所述數字信號判斷 所述心肺活動狀態的步驟包含 設定一信號強度閾值； 比較所述數字信號的強度是否大于所述信號強度閾值；以及 如果在ー預定時間內沒有數字信號大于所述信號強度閾值，則發出所述警示信號。
13.如權利要求11所述的心肺活動信號的獲取方法，其特征在于所述數字信號為ー呼吸信號。
14.如權利要求13所述的心肺活動信號的獲取方法，其特征在于根據所述數字信號判斷所述心肺活動狀態的步驟包含 設定一信號強度閾值； 比較所述數字信號的強度是否大于所述信號強度閾值；以及 如果在ー預定時間內沒有數字信號大于所述信號強度閾值，則發出所述警示信號。
15.如權利要求14所述的心肺活動信號的獲取方法，其特征在于所述數字信號為一心跳信號。
16.如權利要求11所述的心肺活動信號的獲取方法，其特征在于設定一信號強度閾值的步驟是根據測量的數字信號的強度。
17.—種心肺活動信號的獲取方法，所述方法不用于診斷疾病，所述方法的特征在于包含 發射一高頻弦波脈沖序列至一心肺活動處，其散射所述高頻弦波脈沖序列而產生一反射脈波； 測量所述反射脈波與一參考脈波之間的相位差信號； 將所述相位差信號轉換成一代表所述心肺活動的數字信號；以及 根據所述數字信號計算所述心肺活動的頻率， 其中，所述反射脈波包含所述高頻弦波脈沖序列及一代表待測者的呼吸或心跳的低頻模擬信號，且所述相位差信號為ー低頻脈沖序列。
18.如權利要求17所述的心肺活動信號的獲取方法，其特征在于根據所述數字信號計算所述心肺活動的頻率的步驟包含 設定一信號強度閾值； 比較所述數字信號的強度是否大于所述信號強度閾值，并據以判斷是否測量到所述心肺活動的信號波峰；以及 計算復數個信號波峰的時間差，并予以平均以產生所述心肺活動的頻率。
19.如權利要求17所述的心肺活動信號的獲取方法，其特征在于所述數字信號為ー呼吸信號。
20.如權利要求17所述的心肺活動信號的獲取方法，其特征在于另外包含 檢查所述心肺活動的頻率是否在ー預定范圍內；以及 如果所述心肺活動的頻率超出所述預定范圍，則發出ー警示信號。
21.如權利要求20所述的心肺活動信號的獲取方法，其特征在于所述數字信號為一心跳信號，而所述警示信號為一心跳過高信號。
22.如權利要求20所述的心肺活動信號的獲取方法，其特征在于所述數字信號為一心跳信號，而所述警示信號為一心跳過低信號。
23.如權利要求17所述的心肺活動信號的獲取方法，其特征在于設定一信號強度閾值的步驟是根據測量的數字信號的強度。
全文摘要
本發明提供一種非接觸式心肺活動監視裝置，其包含一用以產生一高頻弦波脈沖序列的脈沖產生器、一用以從所述高頻振波脈沖序列產生一探測高頻弦波脈沖序列及一參考高頻弦波脈沖序列的分割器、一發射所述探測高頻弦波脈沖序列至一待測者的心肺部的發射天線、一接收經所述心肺部散射的探測高頻弦波脈沖序列的接收天線、一耦合于所述接收天線且產生一心肺活動信號的平衡混波器以及一耦接于所述平衡混波器的信號處理模塊。所述平衡混波器包含一接收所述參考高頻弦波脈沖序列的第一輸入端以及一電氣連接于所述接收天線的第二輸入端。
文檔編號A61B5/08GK102973254SQ20121042197
公開日2013年3月20日 申請日期2006年12月22日 優先權日2006年12月22日
發明者陶德和, 胡仕人, 郭蘇珍, 彭家洪 申請人:財團法人工業技術研究院