[发明专利]用于监控对象呼吸活动的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及例如在临床应用中、在用于监控车辆中驾驶员或乘客的生理状况的系统中、在用于控制对象放松的生物反馈系统中等监控对象呼吸活动领域。

背景技术

对于各种应用而言，用于测量对象呼吸活动的监控系统是已知的。例如，在临床重症监护的情况下，使用这些应用来监控病人的呼吸活动。另一应用是生物反馈系统，其基于引导呼吸练习（guided breathing exercise）来帮助对象入睡。此外，用于监控呼吸活动的方法和设备的另一种应用是车辆驾驶员睡意的早期检测。在所有这些应用中，传感器用于获取代表感兴趣对象呼吸活动的传感器信号，并由系统进一步处理并解释所述信号。

监控呼吸力气（respiration effort）的测量原理是胸部电感体积描记术（thorax inductive plethysmography），其中，一根带子被置于对象胸部外围，并监控由于呼吸而导致的胸部横截面面积的变化。尽管这种所谓的呼吸带（respiband）通常用在医学应用中，但是它在诸如上述生物反馈系统或驾驶员监控系统之类的消费品应用中是不可接受的，这是因为带子的附着不方便、麻烦并且对普通用户而言是不可接受。基于这个原因，不接触的方法是优选的。存在基于传感器的监控系统，其包括无接触传感器阵列，比如基于多普勒-雷达（Doppler-Radar）原理的雷达传感器阵列。这些传感器中的每一个都能够检测物体与传感器的距离在某一时间段期间的变化。由于多普勒-雷达传感器的工作原理，其可以用于检测呼吸相关的胸部运动。它们可以被容易地合并到家具部件或诸如车座或方向盘之类的汽车配件中。例如，对于上述驾驶员睡意早期检测的应用而言，可以将多普勒-雷达传感器阵列合并到驾驶员座位的靠背中。通过这种阵列，不接触而可靠地监控呼吸活动是可能的。

在电感体积扫描术的公知方法的使用中，如上所述，可以基于丰富的经验来执行信号处理，然而，借助多普勒-雷达传感器不接触地监控呼吸活动的方法由于缺乏这些经验而更加困难。在这样的情况下，一个重要问题在于，为呼吸带测量开发的算法不能被容易地转用到多普勒-雷达传感器测量中，而仍然必须被发展来提供相同可靠性的处理结果。一般而言，希望将关于诸如电感或电阻测量之类的公知测量技术的经验应用于多普勒-雷达测量领域中。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种借助于多普勒-雷达传感器来监控对象呼吸活动的方法，其中，可以使用在电感体积描记术领域中已经测试过的基本信号处理技术，以简化相应无接触监控系统的开发并以更高可靠性来提供处理结果。

本发明的另一目的在于提供一种监控对象呼吸活动的相应装置，所述装置按照上述原理进行工作。

这些目的通过根据权利要求1所述的用于监控对象呼吸活动的方法和根据权利要求9所述的装置来实现。

根据本发明的方法，获取至少一个多普勒-雷达传感器的代表对象呼吸活动的传感器信号D(t) 。根据公知的多普勒原理，如果胸壁由于对象呼吸而移动，则电磁波将在胸壁处被反射并且经历多普勒频移。因此，所接收的信号包括胸部运动的信息。

将传感器信号D(t)变换为所谓的变换信号S(t)，S(t)是根据等式（1）的级数：

                                                                             (1)

即，变换信号S(t) 表示数项之和，每个数项表示原始传感器信号D(t)的幂乘以常系数a_k。对于适当选择的数目m，可以确定a_k的一个集合，k = 0至 m。然后，可以进一步处理得到的变换信号S(t)。

通过上述等式（1），原始传感器信号D(t) 被变换为变换信号S(t) ，变换信号S(t)表示在相同条件下针对相同对象测出的相应电感体积描记术信号的估计。然而，变换信号S(t)提供的优势在于，可以利用公知的信号处理方法对其进行处置，尤其是用与最初在不使用多普勒-雷达传感器的情况下利用呼吸带测量电感体积描记术信号相同的算法。

多普勒-雷达信号D(t) 与估计体积描记术信号S(t) 之间的根据等式（1）的数学关系基于以下推导。

人的胸部可以用人造躯干模型（artificial torso model）加以描述，其中，胸部（假设是圆柱形的）的半径由于对着所有方向的均匀呼吸而改变。然后，围绕胸部外围伸展的关联呼吸带的信号S(t) 可以用等式（2）表示：