拜 軍，黃德生，張 驍，張鵬飛

基于生物雷達(dá)技術(shù)的非接觸心率檢測(cè)研究

拜 軍，黃德生，張 驍，張鵬飛

目的：利用生物雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)心率的檢測(cè)。方法：通過(guò)提取雷達(dá)I-Q輸出端的數(shù)據(jù)，采用基于LM（levenbergmarquardt）算法的參數(shù)估計(jì)來(lái)獲取心率。結(jié)果：對(duì)靜止呼吸以及伴有體動(dòng)正常呼吸這2種情況下采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。I-Q雙通道雷達(dá)系統(tǒng)無(wú)需相位展開(kāi)操作，對(duì)于信噪比非常小的生物信號(hào)較為有利。結(jié)論：生物雷達(dá)可以在非接觸的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)心率的檢測(cè)，對(duì)于臨床診斷具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

心率；LM；生物雷達(dá)；非接觸；心動(dòng)

0 引言

心率（heart rate）是用來(lái)描述心動(dòng)周期的醫(yī)學(xué)指標(biāo)，是指心臟每分鐘所跳動(dòng)的次數(shù)，表征心臟跳動(dòng)的快慢。正常人的心率一般為60～100次/min。低于該范圍稱為心率過(guò)緩，最常見(jiàn)的是竇性心動(dòng)過(guò)緩，分為生理和病理2種，前者是正?，F(xiàn)象，常見(jiàn)于運(yùn)動(dòng)、體力活動(dòng)多以及正常睡眠狀態(tài)的正常人；后者需要治療，嚴(yán)重者需要安裝起搏器。高于該范圍則為心率過(guò)速，同樣分為生理及病理2種情況，后者由感染、發(fā)熱、貧血、低氧血癥等引起。有報(bào)道顯示[1-2]，人體心率區(qū)間的中低頻段（0.015～0.15 Hz）與交感神經(jīng)流出量有關(guān)，而高頻段（0.15～0.4 Hz）與副交感神經(jīng)流出量密切聯(lián)系，二者的比值表征了流出量的平衡狀況。所以，心率的獲取對(duì)于臨床具有重要的意義。過(guò)去幾年，有關(guān)心率的檢測(cè)手段及相關(guān)分析得到了廣泛研究。傳統(tǒng)的采集方式有接觸式電子和機(jī)械傳感器，例如心電圖（electrocardiogram，ECG）等，需要在人體接觸式地放置電極，且要求患者安靜地平臥?，F(xiàn)在，科研人員將目光轉(zhuǎn)向心率的非接觸檢測(cè)技術(shù)上，例如超聲波以及電磁傳感器，這種非接觸檢測(cè)技術(shù)尤其適用于例如重度燒傷等特殊情況下的心率監(jiān)護(hù)。本文介紹了一種非接觸式毫米波生物雷達(dá)利用I-Q正交技術(shù)，采用基于非線性LM（levenberg-marquardt）算法從中提取心率。

1 生物雷達(dá)的描述

生物雷達(dá)[3]（bioradar）技術(shù)是運(yùn)用雷達(dá)原理檢測(cè)生命信號(hào)，通過(guò)相關(guān)信號(hào)的處理方法，提取生命體征信息的前沿技術(shù)手段。其融合雷達(dá)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)于一體，可不需要任何電極或傳感器實(shí)現(xiàn)間隔一定距離、穿透非金屬介質(zhì)（磚墻、廢墟等）、探測(cè)生命信號(hào)（呼吸、心率、血流、腸蠕動(dòng)等）。I-Q正交雷達(dá)框圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)框圖

式中，AI（t）、AQ（t）分別為I、Q通道的幅值為噪聲成分（包含背景噪聲和電子噪聲）。對(duì)于正交混頻器來(lái)說(shuō)，AI（t）＝AQ（t），故有：

我們可以把θ（t）表示成心動(dòng)函數(shù)H（t）以及含有呼吸和體動(dòng)的聯(lián)合噪聲信號(hào)ξ（t），

式中，ai是每個(gè)心跳時(shí)間τi的中心點(diǎn)的幅值，N是心跳次數(shù)。對(duì)聯(lián)合噪聲信號(hào)進(jìn)行泰勒展開(kāi)：

式中，ck為泰勒系數(shù)，M為展開(kāi)階數(shù)。

將公式（4）（5）代入（1）（2）中，得出：

2 非線性LM（levenberg-marquardt）算法

簡(jiǎn)單地說(shuō)，LM算法[4-5]就是通過(guò)不斷更新設(shè)定參數(shù)反復(fù)修正剩余誤差，主要目的就是找到最佳參數(shù)，例如以及公式如下：

式中，j表示迭代次數(shù)；λ表示控制參數(shù)，其在每次迭代運(yùn)算中不斷矯正；J為（SI，SQ）一階導(dǎo)數(shù)組成的矩陣為I-Q通道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及修正數(shù)據(jù)之間的向量差。LM算法的流程如圖2所示。

帶狀皰疹為皮膚科急性感染性疾病，其發(fā)作后表面呈現(xiàn)神經(jīng)發(fā)炎皮膚癥，實(shí)際該疾病是由于病毒入侵，形成病毒血癥，引起水痘等癥狀，加上該疾病具有潛伏性特點(diǎn)，所以對(duì)患者神經(jīng)的侵襲才是后遺癥神經(jīng)痛的關(guān)鍵，讓患者的顱內(nèi)感覺(jué)神經(jīng)受到影響，一旦患者過(guò)于勞累、出現(xiàn)重癥疾病、身體免疫能力下降等現(xiàn)象時(shí)，該病毒被激活，從而損傷患者神經(jīng)，引起神經(jīng)痛[1-2]。因此，帶狀皰疹后遺癥神經(jīng)痛是目前治療的關(guān)鍵所在，為了改善患者的生活質(zhì)量、緩解神經(jīng)痛癥狀，本研究以收治的病例作為分析對(duì)象，給予患者復(fù)方倍他米松注射液（得寶松）與套管針聯(lián)合治療，取得顯著的成效，現(xiàn)將報(bào)道進(jìn)行如下匯報(bào)。

圖2 LM算法流程圖

（3）計(jì)算χ2誤差值，并檢驗(yàn)該值是否最小。

（5）重復(fù)步驟（2）～（4），直到χ2值小于閾值。

該方法完全適用于任意連續(xù)時(shí)間段的心動(dòng)信號(hào)，但對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只需截取一小段僅包含一個(gè)心動(dòng)周期的信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)參照值。對(duì)單一心動(dòng)周期實(shí)時(shí)分析心率的過(guò)程為：（1）從數(shù)據(jù)中選取一小段噪聲較小、信號(hào)較理想的心動(dòng)信號(hào)作為參考信號(hào)H（t）；（2）得到該截取信號(hào)的時(shí)間（3）運(yùn)行非線性LM判別算法，流程如圖2所示，計(jì)算出每次迭代的剩余誤差；（4）設(shè)置i=i+1，并且重復(fù)步驟（2）～（4）獲得所有的數(shù)值，最后得到的最小值。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

被測(cè)目標(biāo)在2 m遠(yuǎn)的距離處，分2種測(cè)試狀態(tài)：（1）只伴有呼吸影響的心動(dòng)信號(hào)采集；（2）呼吸及體動(dòng)影響下的心動(dòng)信號(hào)采集。對(duì)于每種數(shù)據(jù)，都分別與對(duì)應(yīng)的離散傅里葉變換（discrete fourier transform，DFT）進(jìn)行對(duì)比，其中采樣頻率是1 kHz。

3.1 靜止坐立正常呼吸狀態(tài)

圖3所示的波形是被測(cè)目標(biāo)靜坐且自由呼吸狀態(tài)下采集到的信號(hào)。與此相關(guān)的展開(kāi)后的相位圖如圖4所示，圖中已經(jīng)將LM最優(yōu)化法的最小剩余誤差點(diǎn)標(biāo)出，如圖中的箭頭所示。

圖3 I-Q兩通道信號(hào)

剩余誤差χ2以及心動(dòng)幅度ai見(jiàn)表1。

圖5所示為圖4片段6號(hào)位置的LM算法的擬合結(jié)果，HR由每個(gè)心動(dòng)周期的中心點(diǎn)時(shí)刻計(jì)算而來(lái)，計(jì)算后的結(jié)果如圖6所示。平均心率值HR= 1.45 Hz，平均誤差=0.746 6，標(biāo)準(zhǔn)差σ＝0.224 1，其表征了正常心臟的跳動(dòng)活動(dòng)值，

較低的心率表明了穩(wěn)定的心臟活動(dòng)。同時(shí)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了功率譜分析，如圖7所示，獲得的峰值是HR= 1.5Hz，其值與LM算法所得基本相近。

圖4 展開(kāi)的相位信號(hào)（無(wú)體動(dòng)）

表1 靜止坐立時(shí)剩余誤差χ2以及心動(dòng)幅度ai

圖5 剩余誤差及心動(dòng)幅度（無(wú)體動(dòng)）

圖6 心率（無(wú)體動(dòng)）

3.2 伴有體動(dòng)的正常呼吸狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象未做靜止要求，其在坐立時(shí)伴有身體小幅度晃動(dòng)，并正常呼吸，其波形如圖8所示。

圖7 功率譜（無(wú)體動(dòng)）

采集時(shí)間大約6 s，參考心動(dòng)波段H（t）與前面一樣，優(yōu)化后的結(jié)果如圖9所示。計(jì)算心率均值為HR=1.386 2 Hz（如圖10所示），平均誤差標(biāo)準(zhǔn)差剩余誤差χ2以及心動(dòng)幅度ai見(jiàn)表2。

圖8 展開(kāi)的相位信號(hào)（含體動(dòng)）

圖9 剩余誤差及心動(dòng)幅度（含體動(dòng)）

圖10 心率（含體動(dòng)）

相對(duì)應(yīng)的，離散傅里葉變化后得到的功率譜顯示的結(jié)果中（如圖11所示），無(wú)法獲取頻譜峰值?？?/p>

表2 伴有體動(dòng)下剩余誤差χ2以及心動(dòng)幅度ai

見(jiàn)在這種情況下，簡(jiǎn)單的功率譜分析無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

圖11 功率譜（含體動(dòng)）

4 討論

本文討論了有關(guān)參數(shù)優(yōu)化法在非接觸生物檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)毫米波生物雷達(dá)I-Q通道上的數(shù)據(jù)進(jìn)行LM算法矯正，獲得比較理想的信號(hào)，可以去除呼吸造成的信號(hào)影響，甚至在體動(dòng)情況下也有較好的表現(xiàn)，同時(shí)獲得心率以及心跳幅度。經(jīng)過(guò)對(duì)比DFT分析獲得的心率，LM算法更加抗噪，尤其是在呼吸及體動(dòng)的影響下，DFT功率譜無(wú)法獲得心率，而LM優(yōu)化算法則表現(xiàn)優(yōu)異?？梢?jiàn)，相比傳統(tǒng)的離散傅里葉頻率變換法，LM算法具有的特點(diǎn)是：（1）無(wú)需相位展開(kāi)，直接從I及Q通道來(lái)獲得信號(hào)，這對(duì)于信噪比較低的信號(hào)來(lái)說(shuō)非常有利。（2）可以同時(shí)獲得心動(dòng)周期以及中心搏動(dòng)幅值，故對(duì)臨床監(jiān)護(hù)以及診斷有非常重要的意義，尤其是在心血管疾病、呼吸檢測(cè)、燒傷患者體征獲取、嬰幼兒監(jiān)護(hù)等。例如在睡眠呼吸暫停監(jiān)護(hù)時(shí)，傳統(tǒng)的方法可能無(wú)法判別患者正常的翻身動(dòng)作，從而誤判呼吸狀態(tài)，導(dǎo)致監(jiān)護(hù)失敗。其次，該方法也可以應(yīng)用于多傳感器隨機(jī)運(yùn)動(dòng)抵消的研究當(dāng)中，即通過(guò)安裝在上下或者前后的傳感器同步采集信號(hào)并作LM處理，以此來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)論

本文討論了基于LM算法的參數(shù)最優(yōu)化法來(lái)提取心率，其輸入信號(hào)來(lái)自生物雷達(dá)的I-Q輸出端，其中被測(cè)對(duì)象伴有呼吸以及體動(dòng)的干擾，證明了該方法對(duì)于一般噪聲具有較強(qiáng)的抑制。對(duì)靜止呼吸以及伴有體動(dòng)正常呼吸這2種情況下采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此方法基于I-Q雙通道雷達(dá)系統(tǒng)，無(wú)需相位展開(kāi)操作，故對(duì)于信噪比非常小的生物信號(hào)較為有利。此外，該方法不但可以提供心率，還可以估算出心跳幅度，這對(duì)于臨床診斷非常有用。

[1]Postolache G，Carvalho L S，Postolache O，et al.HRV and BPV neural network model with wavelet based algorithm calibration[J].Measurement，2009，42：805-814.

[2]McSharry P E，Clifford G D，Tarassenko L，et al.A dynamical model for generating synthetic electrocardiogram signals[J].IEEE Transactions On Biomedical Engineering，2003，50：3-7.

[3]張楊，焦騰，荊西京，等．生物雷達(dá)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與新進(jìn)展[J].信息化研究，2010，36（10）：6-10，13．

[4]Levenberg K.A method for the solution of certain problems in least squares[J].Quart，1944，2：164-168.

[5]Marquardt D.An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters[J].SIAM J，1963，11：431-441.

（收稿：2013-06-23 修回：2013-11-18）

Contact-free Measurement of Heart Rate via Bioradar

BAI Jun1,HUANG De-sheng1,ZHANG Xiao2，ZHANG Peng-fei2
(1.The 22nd Hospital of the PLA,Golmud 816000,Qinghai Province,China;2.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

Objective To realize heart rate detection by bioradar.Methods A parameter optimizationmethod was used to detectheart rate based on the nonlinear Levenberg-Marquardt(LM)algorithm with a remotemillimeterwave(mmW)I-Q sensor.ResultsThe data acquired atstatic respiration and respirationwith bodymovementwere analyzed to obtain the results.I-Q two-channelradar system could be used to detect thebiosignalswith little SNR,without theneed ofphase.Conclusion Bioradar realizes con-tact-free heart rate detection,and thus is worth applying for clinical diagnosis.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（3）：10-13]

heart rate;LM;bioradar;contact-free;heartbeat

R318

A

1003-8868（2014）03-0010-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.03.010

陜西省攻關(guān)項(xiàng)目（2011K12-05-09）；軍隊(duì)“十二五”重點(diǎn)項(xiàng)目（BWS11Z011）

拜 軍（1982—），男，碩士，工程師，主要從事生物雷達(dá)技術(shù)在非接觸臨床監(jiān)護(hù)領(lǐng)域方面的研究工作，E-mail：junbai_plato@msn.com。

816000青海格爾木，解放軍22醫(yī)院（拜 軍，黃德生）；710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子學(xué)教研室（張 驍，張鵬飛）