基于微波非接触式呼吸检测及分析系统设计和研究

发布时间：2020-04-22 08:52

【摘要】：呼吸是一种至关重要的生理参数,人体生命维持离不开呼吸运动,对呼吸情况进行检测能及时有效获得人体健康信息,预防疾病的发生。本课题采用微波非接触式方法检测人体呼吸信号,较于传统方式有诸多优势,例如穿透衣服被褥等障碍物,避免电子传感器件与人体直接接触,且能远距离无创检测呼吸。本课题研制出微波呼吸检测前端系统以检测人体呼吸;提出经验模态分解与凝聚层次聚类算法完成对人体长时间呼吸过程中的异常呼吸状况的识别:提出两种呼吸暂停识别方法,搭建基于三路微波雷达通道的睡眠呼吸暂停监测系统。论文的主要研究内容包括:(1)验证了微波非接触式检测呼吸的可靠性。本课题研制出基于微波雷达检测人体呼吸的前端系统,包括放大模块、供电驱动、报警模块、近红外检测模块。本课题利用传统商用鼻气流设备YH-600B与微波检测前端同时对人体进行呼吸信号采集,对比分析验证了微波检测呼吸信号的可靠性。(2)人体呼吸过程中除正常呼吸外,还有各种异常呼吸状态。每种呼吸异常状态长时间频繁出现都有不同的病理诱因,需要通过识别判断人体长时间呼吸过程中的呼吸状况以达到对疾病提早诊断。鉴于此,本文提出用经验模态分解算法识别呼吸频率异常并提取异常状态时间,并比较分析EMD、EEMD、CEEMD识别结果;提出凝聚层次聚类算法对呼吸幅度异常进行识别并提取异常状态时间。在此实现两种算法识别基础上,完成对库斯莫尔呼吸、浅快呼吸、深慢呼吸、浅慢呼吸识别并进行异常时间提取。(3)为了识别判断睡眠呼吸暂停并解决睡姿体位变化对判断呼吸暂停的影响,本文提出短时过零率法、短时积分法、K-means聚类三种算法完成对体动信号识别,基于睡眠人体两侧微波通道采集呼吸信号幅度相异性基础上实现对体位信号的识别。在以上研究基础上,本课题提出了两种呼吸暂停识别算法:加窗能量谱法与WA-EMD加能量谱法,并做比较分析。本课题搭建了基于三路微波通道的睡眠呼吸暂停监测系统,通过对10组正常人群睡眠测试,验证了该系统可以识别判断睡眠呼吸暂停。本课题的研究工作实现了基于微波非接触式检测人体呼吸,识别了人体长时间呼吸过程中的各种异常呼吸状态,预防长时间呼吸异常对人体造成的伤害。本课题研究还实现对睡眠呼吸暂停的判断识别并同时解决睡姿变化对呼吸暂停判断的影响,可对睡眠呼吸暂停进行有效诊断以减少带给人们危害。
【图文】：

接触式,方法,口腔,压力变化

１）压力法逡逑人体进行呼吸运动时，由于呼吸气流的存在与流动，会使口腔之产生相关规律变化，且变化明显。通常检测口鼻处的温度变化数据，因口腔鼻部直接与外界环境相接触，易受外界温湿度影据分析处理困难，且应用环境较为局限，故常用的方法利用高设法感受人体呼吸时口鼻处的压力变化，从而从检测信息中提运动时，呼吸气流通过时，压力变化较微弱，故要求高灵敏度常将压力传感器放置于口腔上方或鼻腔内部，呼吸气流流过时实时感受呼吸压力变化，经过运算放大器处理，增益压力变化的变化量转化为与呼吸运动规律周期一致的电压信号，此时根化得出人体呼吸信息。压力传感器长时间与人体直接接触，造不适，待测者的监测体验不佳，故因检测体验不良限制其广泛吸比较微弱，，很难通过压力法检测到呼吸信号，容易受到运动）呼吸声音检测法逡逑

双稳态,振荡电路

逦测逡逑—雷达检测呼吸逡逑图１－３非接触式呼吸检测方法逡逑（１）润流法逡逑当２００５年加拿大Ａｌｅｘ邋Ｒｉｃｈｅｒ团队研制出一种基于电磁感应原理的非接触式逡逑检测人体呼吸的设备，可实现被测者睡眠呼吸状态检测。该设备将物理电磁线逡逑圈放置于测量者的床垫下面，避免与人体生物电的干扰，利用物理电磁线圈，逡逑电阻和反相器组成稳态振荡器。逡逑Ｒ２邋Ｓ逦Ｒ３邋＿逡逑Ｒ１逡逑＇逦逦ｗｖ逦＾１逦１逦逡逑图１－４双稳态型振荡电路图逡逑由法拉第电磁感应定理可知，流经电磁线圈的电流是具有特定频率变化的逡逑５逡逑
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318;TP212

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