本申請(qǐng)要求2014年4月28日提交的名稱為“MULTI-PERSON MOTION TRACKING VIA BODY RADIO REFLECTIONS(通過(guò)身體無(wú)線電反射的多人運(yùn)動(dòng)追蹤)”的第61/985,066號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)以及2015年2月17日提交的名稱為“VITAL SIGNS MONITORING VIA RADIO REFLECTIONS(通過(guò)無(wú)線電反射的生命體征監(jiān)測(cè))”的第62/117,087號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。

本申請(qǐng)涉及于2013年10月9日提交的名稱為“MOTION TRACKING VIA BODY RADIO REFLECTIONS(通過(guò)身體無(wú)線電反射的運(yùn)動(dòng)追蹤)”的第61/888,662號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)、2014年2月24日提交的名稱為“MULTI-PERSON MOTION TRACKING VIA BODY RADIO REFLECTIONS(通過(guò)身體無(wú)線電反射的多人運(yùn)動(dòng)追蹤)”的第61/943,957號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)以及2014年10月9日提交的名稱為“MOTION TRACKING VIA BODY RADIO REFLECTIONS(通過(guò)身體無(wú)線電反射的運(yùn)動(dòng)追蹤)”的第14/510,263號(hào)美國(guó)發(fā)明申請(qǐng)，但未要求上述申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。

這些申請(qǐng)通過(guò)引用合并于此。

關(guān)于聯(lián)邦贊助研究的聲明

本發(fā)明得到了由National Science Foundation(國(guó)家科學(xué)基金會(huì))授予的第CNS-1117194號(hào)政府支持。政府對(duì)本發(fā)明具有一定的權(quán)利。

背景技術(shù)：

本發(fā)明涉及監(jiān)測(cè)生命體征，并且更具體地涉及通過(guò)無(wú)線電反射監(jiān)測(cè)呼吸和/或心率。

監(jiān)測(cè)受試者的生命體征(例如，人的心率和呼吸速率)而不需要與受試者身體接觸的監(jiān)測(cè)設(shè)備是研究的熱點(diǎn)。用于非接觸生命體征監(jiān)測(cè)的當(dāng)代方法可以分為兩個(gè)方面：基于視覺(jué)的技術(shù)和無(wú)線技術(shù)。

對(duì)于基于視覺(jué)的技術(shù)，圖像處理的進(jìn)步已經(jīng)允許研究人員放大視頻饋送中的視覺(jué)模式(例如，由于血流引起的顏色變化)，以檢測(cè)呼吸和心率。這種基于視頻的技術(shù)存在缺陷，因?yàn)樗鼈冃枰茉囌呙鎸?duì)攝像頭，并且當(dāng)受試者轉(zhuǎn)過(guò)身不面對(duì)攝像頭或者在攝像頭的視野之外時(shí)不能正常工作。

對(duì)于無(wú)線技術(shù)，無(wú)線傳輸系統(tǒng)和信號(hào)處理的進(jìn)步已經(jīng)使得研究人員能夠通過(guò)分析從受試者反射的無(wú)線信號(hào)的特征來(lái)監(jiān)測(cè)生命體征。無(wú)線生命體征監(jiān)測(cè)技術(shù)的一些示例利用多普勒雷達(dá)、WiFi或超寬帶雷達(dá)。使用無(wú)線信號(hào)監(jiān)測(cè)生命體征的一個(gè)挑戰(zhàn)在于環(huán)境中的任何運(yùn)動(dòng)影響信號(hào)。由于呼吸和心跳是微小運(yùn)動(dòng)，因此，它們可以容易地被來(lái)自環(huán)境中的任何其它運(yùn)動(dòng)源干擾掩蔽。此外，多個(gè)用戶的存在(即使這些用戶靜止)阻礙系統(tǒng)正確地操作，因?yàn)闊o(wú)線信號(hào)受到其生命體征的組合的影響，使得系統(tǒng)難以區(qū)分每個(gè)個(gè)體的生命體征。常規(guī)方法通過(guò)確保在環(huán)境中只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)源(即被監(jiān)測(cè)個(gè)體的生命體征)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。因此，過(guò)去方法的實(shí)驗(yàn)設(shè)置通常需要單個(gè)人靜止躺在設(shè)備附近。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文所描述的方法包括用于分辨環(huán)境中的不同運(yùn)動(dòng)源的機(jī)制。為此，這些方法基于可以識(shí)別設(shè)備與不同移動(dòng)對(duì)象之間的距離的現(xiàn)有技術(shù)的無(wú)線定位技術(shù)。這些方法必須使用這些方法來(lái)基于距離對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，而不是估計(jì)實(shí)際位置。通過(guò)這樣做，這些方法可以區(qū)分從不同身體和身體部位反射的信號(hào)。然后，這些方法獨(dú)立地分析不同信號(hào)的運(yùn)動(dòng)，以估計(jì)一個(gè)或多個(gè)個(gè)體的呼吸和心率。

在一些實(shí)施例中，使用在通過(guò)引用合并于此的申請(qǐng)中描述的方法來(lái)消除來(lái)自靜態(tài)對(duì)象(例如，墻壁和家具)的反射，并且基于它們相對(duì)于設(shè)備的位置(即，基于從發(fā)射天線到接收天線的反射路徑的距離)將來(lái)自移動(dòng)對(duì)象的反射分類(lèi)到倉(cāng)中(例如，表示TOF范圍的FFT樣本)。不同于或附加于跟蹤從不同距離反射的功率，以跟蹤與呼吸和心跳相關(guān)聯(lián)的細(xì)微運(yùn)動(dòng)，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用既捕獲反射功率又捕獲信號(hào)相位的無(wú)線信號(hào)模型。

在一些實(shí)施例中，使用例如使用基于相位的處理確定的周期信號(hào)的諧波結(jié)構(gòu)來(lái)確定生命信號(hào)，例如心率和/或呼吸速率。

在一方面，一般來(lái)說(shuō)，一種用于利用來(lái)自受試者的信號(hào)反射來(lái)監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)受試者的一個(gè)或多個(gè)周期運(yùn)動(dòng)的方法，所述方法包括：從發(fā)射天線發(fā)射包括發(fā)射信號(hào)模式的重復(fù)的發(fā)射信號(hào)；在一個(gè)或多個(gè)接收天線處，接收包括所述發(fā)射信號(hào)的多個(gè)反射的組合的接收信號(hào)，所述發(fā)射信號(hào)的多個(gè)反射中的至少一些反射與一個(gè)或多個(gè)受試者相關(guān)聯(lián)；處理接收到的信號(hào)以形成來(lái)自一個(gè)或多個(gè)受試者的發(fā)射信號(hào)的反射的時(shí)間連續(xù)模式；處理所述反射的時(shí)間連續(xù)模式以形成一個(gè)或多個(gè)相位信號(hào)，包括對(duì)于所述多個(gè)反射的子集的每個(gè)反射，形成表示所述發(fā)射信號(hào)在接收到的信號(hào)中的反射的相位角隨時(shí)間的變化的相位信號(hào)；以及處理所述一個(gè)或多個(gè)相位信號(hào)的子集的每個(gè)相位信號(hào)，以確定所述一個(gè)或多個(gè)周期運(yùn)動(dòng)中的每個(gè)周期運(yùn)動(dòng)的基頻的估計(jì)。

各方面可以包括以下特征中的一個(gè)或多個(gè)。

處理接收到的信號(hào)以形成來(lái)自一個(gè)或多個(gè)受試者的發(fā)射信號(hào)的反射的時(shí)間連續(xù)模式可以包括形成多個(gè)反射的子集，所述形成多個(gè)反射的子集包括根據(jù)反射距離去除多個(gè)反射中的至少一些無(wú)關(guān)的反射。

形成多個(gè)反射的子集可以包括，對(duì)于發(fā)射信號(hào)的多個(gè)反射中的每個(gè)反射，確定反射是否為靜態(tài)多徑反射，如果反射是靜態(tài)多徑反射，則從多個(gè)反射的子集排除該反射，并且如果反射不是靜態(tài)多徑反射，則將該反射包括在多個(gè)反射的子集中。確定反射是否是靜態(tài)多徑反射可以包括使用時(shí)間差分方法。

所述方法可以包括：確定一個(gè)或多個(gè)相位信號(hào)的子集，包括處理一個(gè)或多個(gè)相位信號(hào)中的每一個(gè)以確定相位信號(hào)的周期性的測(cè)量，并且如果相位信號(hào)的周期性的測(cè)量超過(guò)預(yù)定閾值，則將該相位信號(hào)包括在一個(gè)或多個(gè)相位信號(hào)的子集中。確定一個(gè)或多個(gè)周期運(yùn)動(dòng)中的每個(gè)周期運(yùn)動(dòng)的基頻的估計(jì)可以包括，對(duì)于一個(gè)或多個(gè)周期運(yùn)動(dòng)中的每個(gè)周期運(yùn)動(dòng)，確定周期運(yùn)動(dòng)的基頻的初步估計(jì)，以及基于初步估計(jì)和相位信號(hào)的回歸來(lái)確定周期運(yùn)動(dòng)的基頻的估計(jì)。

一個(gè)或多個(gè)周期運(yùn)動(dòng)可以包括與受試者的一個(gè)或多個(gè)生命體征相關(guān)聯(lián)的周期運(yùn)動(dòng)。一個(gè)或多個(gè)周期運(yùn)動(dòng)可以包括與受試者的心跳相關(guān)聯(lián)的周期運(yùn)動(dòng)。一個(gè)或多個(gè)周期運(yùn)動(dòng)可以包括與受試者呼吸相關(guān)聯(lián)的周期運(yùn)動(dòng)。一個(gè)或多個(gè)周期運(yùn)動(dòng)可以包括與受試者的干擾運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的周期運(yùn)動(dòng)。一個(gè)或多個(gè)周期運(yùn)動(dòng)可以包括與受試者呼吸相關(guān)聯(lián)的周期運(yùn)動(dòng)，并且還包括與受試者的心跳相關(guān)聯(lián)的周期運(yùn)動(dòng)。

處理一個(gè)或多個(gè)相位信號(hào)的子集中的每個(gè)相位信號(hào)以確定一個(gè)或多個(gè)周期運(yùn)動(dòng)中的每個(gè)周期運(yùn)動(dòng)的基頻的估計(jì)可以包括：識(shí)別在相位信號(hào)的頻域表示中的多個(gè)譜峰，所述多個(gè)譜峰中的至少一些位于所述基頻的估計(jì)的諧振頻率處，以及從所識(shí)別的一個(gè)或多個(gè)譜峰中確定所述基頻的估計(jì)。從所識(shí)別的一個(gè)或多個(gè)譜峰中確定所述基頻的估計(jì)可以包括處理所述一個(gè)或多個(gè)譜峰以確定周期運(yùn)動(dòng)的多個(gè)候選基頻。

處理所述一個(gè)或多個(gè)譜峰以確定周期運(yùn)動(dòng)的多個(gè)候選基頻可以包括，對(duì)于每個(gè)譜峰，確定與所述譜峰相關(guān)聯(lián)的頻率的一個(gè)或多個(gè)因子，所述一個(gè)或多個(gè)因子在周期運(yùn)動(dòng)的基頻的預(yù)期頻率范圍內(nèi)，并且將所確定的一個(gè)或多個(gè)因子包括在周期運(yùn)動(dòng)的多個(gè)候選基頻中。所述方法可以包括：處理多個(gè)候選基頻以確定周期運(yùn)動(dòng)的基頻的初步估計(jì)。

所述方法可以包括：基于基頻的初步估計(jì)和相位信號(hào)的回歸確定基頻的估計(jì)。所述方法可以包括：對(duì)相位信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾以形成相位信號(hào)的過(guò)濾版本，將保持在基頻的初步估計(jì)處的頻率分量和與基頻的初步估計(jì)相鄰的頻率分量包括在相位信號(hào)的過(guò)濾版本中，并且從相位信號(hào)的過(guò)濾版本中基本上排除所有其它頻率；以及基于相位信號(hào)的過(guò)濾版本的回歸來(lái)確定周期運(yùn)動(dòng)的基頻的估計(jì)。

基于相位信號(hào)的過(guò)濾版本的回歸確定周期運(yùn)動(dòng)的基頻的估計(jì)可以包括：確定相位信號(hào)的過(guò)濾版本的相位角的斜率。處理多個(gè)候選基頻以確定基頻的初步估計(jì)可以包括：將投票算法應(yīng)用到多個(gè)候選基頻。一個(gè)或多個(gè)相位信號(hào)的子集中的每個(gè)相位信號(hào)可以包括：由于受試者的心跳引起的與周期運(yùn)動(dòng)相關(guān)的第一多個(gè)譜峰以及由于受試者呼吸引起的與周期運(yùn)動(dòng)相關(guān)的第二多個(gè)譜峰。

識(shí)別在相位信號(hào)的頻域表示中的多個(gè)譜峰可以包括應(yīng)用歸一化算法以將譜峰與頻域表示的本底噪聲區(qū)分開(kāi)。處理一個(gè)或多個(gè)相位信號(hào)的子集的相位信號(hào)以確定一個(gè)或多個(gè)周期運(yùn)動(dòng)中的每個(gè)周期運(yùn)動(dòng)的基頻的估計(jì)可以包括迭代地處理相位信號(hào)。至少一些受試者可以是人。一個(gè)或多個(gè)相位信號(hào)的子集可以包括多個(gè)相位信號(hào)。

對(duì)于一個(gè)或多個(gè)相位信號(hào)的子集中的每個(gè)相位信號(hào)，確定周期運(yùn)動(dòng)的基頻的估計(jì)可以包括：確定周期運(yùn)動(dòng)的基頻的初步估計(jì)；以及基于周期運(yùn)動(dòng)的基頻的初步估計(jì)和相位信號(hào)的回歸來(lái)確定周期運(yùn)動(dòng)的基頻的估計(jì)。確定周期運(yùn)動(dòng)的基頻的初步估計(jì)可以包括識(shí)別在相位信號(hào)的譜表示中與最大峰值相關(guān)聯(lián)的頻率；以及確定周期運(yùn)動(dòng)的基頻的估計(jì)可以包括對(duì)相位信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾以形成相位信號(hào)的過(guò)濾版本，包括：將在初步估計(jì)處的頻率分量和與初步估計(jì)相鄰的頻率分量保持在相位信號(hào)的過(guò)濾版本中，并且從相位信號(hào)的過(guò)濾版本中基本上排除所有其它頻率?？梢曰谙辔恍盘?hào)的過(guò)濾版本的回歸來(lái)確定周期運(yùn)動(dòng)的基頻的估計(jì)?；谙辔恍盘?hào)的過(guò)濾版本的回歸來(lái)確定所述周期運(yùn)動(dòng)的基頻的估計(jì)可以包括確定相位信號(hào)的過(guò)濾版本的相位角的斜率。

無(wú)關(guān)的反射中的一個(gè)或多個(gè)可以對(duì)應(yīng)于環(huán)境中的一個(gè)或多個(gè)對(duì)象。一個(gè)或多個(gè)對(duì)象可以是移動(dòng)的。一個(gè)或多個(gè)對(duì)象可以周期性地移動(dòng)。一個(gè)或多個(gè)對(duì)象可以包括風(fēng)扇。一個(gè)或多個(gè)對(duì)象可以是靜態(tài)的。一個(gè)或多個(gè)對(duì)象可以是振動(dòng)的。一個(gè)或多個(gè)對(duì)象的振動(dòng)可以是周期性的。根據(jù)反射距離去除多個(gè)反射中的無(wú)關(guān)的反射可以使得能夠同時(shí)提取多個(gè)受試者的周期運(yùn)動(dòng)。根據(jù)反射距離去除多個(gè)反射中的無(wú)關(guān)的反射可以使得能夠消除來(lái)自人的一個(gè)或多個(gè)不同身體部位的反射。

一個(gè)或多個(gè)不同身體部位可以包括肢體。根據(jù)反射距離去除反射中的無(wú)關(guān)的反射可以使得能夠消除來(lái)自人體上的一個(gè)或多個(gè)不同的對(duì)象的反射。一個(gè)或多個(gè)不同的對(duì)象可以包括可穿戴對(duì)象，包括手表，蜂窩電話和首飾。在被處理之后，將來(lái)自各個(gè)人體部位的接收信號(hào)組合以獲得具有增加的精度的一個(gè)或多個(gè)周期運(yùn)動(dòng)的基頻的估計(jì)。

在另一方面，一般而言，一種用于利用來(lái)自受試者的信號(hào)反射監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)受試者的一個(gè)或多個(gè)周期運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括被編程為執(zhí)行上述一些或全部步驟的處理器。

各方面可以包括以下特征中的一個(gè)或多個(gè)。

所述系統(tǒng)可以包括用于發(fā)射發(fā)射信號(hào)的發(fā)射器和用于接收接收信號(hào)的接收器。

在另一方面，一般來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)在非臨時(shí)性機(jī)器可讀介質(zhì)上的軟件包括：用于使處理器執(zhí)行上述一些或全部步驟的指令。

各方面可以包括以下優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)。

各方面允許諸如呼吸和心率之類(lèi)的生命體征的連續(xù)監(jiān)測(cè)而不需要受試者與監(jiān)測(cè)設(shè)備身體接觸。由于不需要佩戴設(shè)備，因此，老年受試者不太可能感覺(jué)到受阻或者由監(jiān)測(cè)設(shè)備導(dǎo)致的羞愧。此外，一些受試者(例如，具有癡呆癥的受試者)不需要記住穿戴上設(shè)備。兒童無(wú)法移除和放錯(cuò)設(shè)備。嬰兒或具有敏感皮膚的那些人不會(huì)由于設(shè)備引起皮膚刺激。

由于生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的非侵入性質(zhì)，受試者可以被連續(xù)地監(jiān)測(cè)(甚至在家時(shí))，從而允許醫(yī)療保健專(zhuān)業(yè)人員研究受試者的生命體征如何與他們的壓力水平相關(guān)聯(lián)并且隨時(shí)間和年齡演變。

各方面比諸如腕帶之類(lèi)的某些常規(guī)和舒適技術(shù)更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)諸如心率之類(lèi)的生命體征。

各方面可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)受試者的生命體征。

各方面可以在存在無(wú)關(guān)的運(yùn)動(dòng)的情況下監(jiān)測(cè)受試者的生命體征。

各方面不需要受試者靜止躺在面向設(shè)備的床上。

各方面即使在用戶距離設(shè)備8米或者在不同的房間內(nèi)時(shí)也可以以99％的中值精確度跟蹤受試者的呼吸和心率。

各方面在受試者距離設(shè)備1m時(shí)具有99.3％的呼吸的中值精確度和98.5％的心率的中值精確度。各方面在受試者距離裝置8m時(shí)具有98.7％的呼吸的中值精確度和98.3％的心率的中值精確度。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)從下面的描述和權(quán)利要求中是顯而易見(jiàn)的。

附圖說(shuō)明

圖1是生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施例的示意性方框圖。

圖2A是發(fā)射和接收頻率隨時(shí)間的曲線圖；以及圖2B是在對(duì)應(yīng)于圖2A的頻率上接收到的能量的曲線圖。

圖3是相位信號(hào)提取模塊的實(shí)施例的示意性方框圖。

圖4是圖3的相位信號(hào)提取模塊的示意性操作。

圖5是相位信號(hào)分析模塊的實(shí)施例的示意性方框圖。

圖6是呼吸速率估計(jì)模塊的實(shí)施例的示意性方框圖。

圖7是心率估計(jì)模塊的實(shí)施例的示意性方框圖。

圖8是包括與受試者的呼吸相關(guān)的分量和與受試者的心跳相關(guān)的分量的示意性相位信號(hào)的譜表示。

圖9示出候選基頻集群模塊的示意性操作。

圖10是半徑相對(duì)(vs.)候選基頻的曲線圖。

具體實(shí)施方式

1 系統(tǒng)概述

參見(jiàn)圖1，生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)受試者102a、102b的生命體征(例如，呼吸速率和心率)，而不需要一個(gè)或多個(gè)受試者與生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100之間的任何身體接觸。生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100包括發(fā)射天線104、接收天線106和信號(hào)處理子系統(tǒng)108。應(yīng)注意，在一些示例中，系統(tǒng)100包括多個(gè)接收天線和/或多個(gè)發(fā)射天線，而不是具有單個(gè)接收天線和單個(gè)發(fā)射天線。然而，為了簡(jiǎn)化生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的描述，以下描述僅涉及單個(gè)接收天線/單個(gè)發(fā)射天線實(shí)施例。

一般來(lái)說(shuō)，生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100從發(fā)射天線104向系統(tǒng)100周?chē)沫h(huán)境中發(fā)射低功率無(wú)線信號(hào)。所發(fā)射的信號(hào)反射離開(kāi)一個(gè)或多個(gè)受試者102a、102b(在諸如環(huán)境中的墻壁和家具之類(lèi)的其他對(duì)象之中)，然后由接收天線106接收。接收到的反射信號(hào)由信號(hào)處理子系統(tǒng)108處理，以確定一個(gè)或多個(gè)受試者102a、102b的呼吸速率和心率分析結(jié)果110。

系統(tǒng)100利用無(wú)線信號(hào)的特征受環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)(包括由于吸氣和呼氣引起的胸部運(yùn)動(dòng)以及由于心跳引起的皮膚振動(dòng))影響的事實(shí)。特別地，隨著受試者呼吸以及隨著他們的心跳，系統(tǒng)100的天線與受試者102a、102b(例如，受試者的胸部)之間的距離變化。在一些示例中，系統(tǒng)100使用針對(duì)發(fā)射天線104和接收天線106導(dǎo)出的飛行時(shí)間(TOF)(也稱為“往返時(shí)間(round-trip time)”)信息來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的天線與受試者102a、102b之間的距離。

例如，在圖1中，發(fā)射天線104與接收天線106之間的兩個(gè)路徑112a和112b被示為分別從兩個(gè)代表性的受試者102a和102b反射。假設(shè)恒定的信號(hào)傳播速度c(即，光速)，則從在坐標(biāo)(x_t,y_t,z_t)處的發(fā)射天線經(jīng)過(guò)在坐標(biāo)(x_o,y_o,z_o)處的受試者反射并且在坐標(biāo)(x_r,y_r,z_r)處的接收天線接收的TOF可以表示為

在這種情況下，利用單對(duì)天線，與路徑112a、112b中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的TOF將各個(gè)受試者的位置限制為位于由該路徑的發(fā)射和接收天線的三維坐標(biāo)以及從TOF確定的路徑距離定義的橢圓體上。為了說(shuō)明，使用橢圓線114a、114b描繪路徑112a、112b中的每一個(gè)的橢圓體的一部分。

如下面更詳細(xì)描述的，可以單獨(dú)地分離和分析與位于不同橢圓體上的兩個(gè)不同受試者(即，距離天線不同距離的兩個(gè)受試者)相關(guān)聯(lián)的任何運(yùn)動(dòng)。

如上面提到的，對(duì)于受試者102a、102b中的每一個(gè)，橢圓體與一對(duì)發(fā)射和接收天線的距離根據(jù)由于吸氣和呼氣引起的受試者的胸部運(yùn)動(dòng)以及由于心跳引起的受試者的皮膚振動(dòng)而變化。天線104、106與受試者之間的變化距離在反射信號(hào)中表現(xiàn)為隨時(shí)間從發(fā)射和反射信號(hào)導(dǎo)出的信號(hào)中的相位變化。通常，生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100從發(fā)射和反射信號(hào)中提取表示該相位變化的信號(hào)，并處理相位變化信號(hào)以確定一個(gè)或多個(gè)受試者的生命體征。

2 信號(hào)處理子系統(tǒng)

信號(hào)處理子系統(tǒng)108包括信號(hào)發(fā)生器116、控制器118、頻移模塊120、相位信號(hào)提取模塊122和相位信號(hào)分析模塊124。

控制器118控制信號(hào)發(fā)生器116以產(chǎn)生從發(fā)射天線104發(fā)射的信號(hào)模式的重復(fù)。在圖1的實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)生器116是超寬帶調(diào)頻載波(FMCW)發(fā)生器116。應(yīng)當(dāng)理解，在其他實(shí)施例中，可以使用與下面描述的那些不同的其它信號(hào)模式和帶寬，同時(shí)遵循所描述的實(shí)施例的其他方面。

從發(fā)射天線104發(fā)射的信號(hào)模式的重復(fù)反射離開(kāi)受試者102a、102b和環(huán)境中的其他對(duì)象，并且在接收天線106處被接收。由接收天線106接收的反射信號(hào)連同由FMCW發(fā)生器116生成的發(fā)射信號(hào)一起被提供給頻移模塊120。頻移模塊120根據(jù)所發(fā)射的信號(hào)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行頻移(例如，“下變頻”或“下混”)(例如，通過(guò)乘以信號(hào))，并將經(jīng)頻移的接收信號(hào)變換到頻域表示(例如，經(jīng)由快速傅里葉變換(FFT))，以得到經(jīng)頻移的接收信號(hào)在離散頻率ω集合處的頻域表示S(ω)_i。

經(jīng)頻移的信號(hào)的頻域表示S(ω)_i被提供給相位信號(hào)提取模塊122，該相位信號(hào)提取模塊122處理S(ω)_i以提取N個(gè)相位信號(hào)φ₁(t),φ₂(t),...,φ_N(t)。參見(jiàn)例如圖4所示的，N＝2，輸出φ_A(t),φ_B(t)。在一些示例中，一個(gè)或多個(gè)相位信號(hào)φ₁(t),φ₂(t),...,φ_N(t)中的每一個(gè)對(duì)應(yīng)于相位提取模塊122已經(jīng)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)(例如，受試者中的一個(gè)的胸部的運(yùn)動(dòng))的環(huán)境中的橢圓體之一。

一個(gè)或多個(gè)相位信號(hào)φ₁(t),φ₂(t),...,φ_N(t)被提供給相位信號(hào)分析模塊124，該相位信號(hào)分析模塊124處理一個(gè)或多個(gè)相位信號(hào)φ₁(t),φ₂(t),...,φ_N(t)中的每一個(gè)，以確定呼吸速率和心率分析結(jié)果110。

2.1 頻率移位

參見(jiàn)圖2A，由頻移模塊120接收的發(fā)射信號(hào)包括一系列持續(xù)時(shí)間T的重復(fù)時(shí)間間隔212。對(duì)于時(shí)間間隔中的每一個(gè)，發(fā)射頻率在如實(shí)線210所示的頻率范圍上掃描。在一些實(shí)施例中，頻率范圍是5.46-7.25GHz(即，大約1.8GHz的頻率范圍)，并且掃描持續(xù)時(shí)間和重復(fù)率為2.5毫秒。頻移模塊120從接收天線106接收的接收信號(hào)是由信號(hào)的TOF 222(即，當(dāng)從單個(gè)對(duì)象反射時(shí))延遲并且具有如虛線220所示的頻率的發(fā)射信號(hào)的版本。應(yīng)注意，TOF 222對(duì)應(yīng)于發(fā)射和接收頻率中的差224，其是TOF和發(fā)射天線的掃頻載波的頻率變化率的乘積。

參見(jiàn)圖2B，如果接收到的反射信號(hào)(圖2A中的虛線220)根據(jù)發(fā)射信號(hào)(圖2A中的實(shí)線210)頻移，則結(jié)果將具有集中在對(duì)應(yīng)于TOF的頻率差224處的能量。(應(yīng)注意，我們忽略間隔212的邊緣，其在附圖中被放大)。圖1的頻移模塊120(也稱為“下變頻器”或“混頻器”)實(shí)現(xiàn)頻移，例如，包括調(diào)制器，其調(diào)制接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)，并且保持表示TOF持續(xù)時(shí)間的低頻范圍，該TOF持續(xù)時(shí)間與環(huán)境的物理尺寸一致。

頻移器的輸出經(jīng)受頻譜分析(例如，傅里葉變換)以分離每個(gè)與不同的TOF相關(guān)聯(lián)的頻率分量。在該實(shí)施例中，對(duì)頻移器的輸出進(jìn)行采樣，并且針對(duì)每個(gè)間隔212計(jì)算實(shí)現(xiàn)為快速傅里葉變換(FFT)的離散時(shí)間傅里葉變換。FFT的每個(gè)復(fù)數(shù)值提供具有頻率分辨率Δf＝1/T_掃描的頻率采樣，其中T_掃描是掃描持續(xù)時(shí)間(例如，2.5毫秒)。

繼續(xù)參見(jiàn)圖2B，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，能量在頻率上的分布(并且等效地在TOF上的分布)通常不像圖中所示的那樣集中。相反，存在由來(lái)自環(huán)境中的反射對(duì)象的反射的疊加產(chǎn)生的能量的分布。

2.2 相位信號(hào)提取

參見(jiàn)圖3，每個(gè)時(shí)間間隔的FFT輸出S(ω)_i被提供給相位信號(hào)提取模塊122。該相位信號(hào)提取模塊122處理每個(gè)FFT輸出S(ω)_i以提取N個(gè)相位信號(hào)φ₁(t),φ₂(t),...,φ_N(t)，每個(gè)相位信號(hào)對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)100的環(huán)境中的由于受試者102a、102b的呼吸和心跳引起的運(yùn)動(dòng)。

一般來(lái)說(shuō)，由相位信號(hào)提取模塊122接收的每個(gè)FFT輸出S(ω)_i包括一個(gè)或多個(gè)集中能量區(qū)域。每個(gè)單獨(dú)的集中能量區(qū)域有時(shí)被稱為“反射”，因?yàn)槠鋵?duì)應(yīng)于在接收天線106處接收到的信號(hào)中的反射。一些反射是直接的，路徑在反射對(duì)象與發(fā)射和接收天線之間是直接的。其他反射表現(xiàn)出多徑效應(yīng)，其中從發(fā)射天線到接收天線經(jīng)由特定反射對(duì)象存在多個(gè)路徑。一些多徑效應(yīng)是由于所發(fā)射的信號(hào)被墻壁、家具和環(huán)境中的其它靜態(tài)對(duì)象反射。這些類(lèi)型的多徑效應(yīng)被稱為靜態(tài)多徑效應(yīng)。

相位信號(hào)提取模塊122包括靜態(tài)多徑去除模塊334、緩沖器333、相位信號(hào)確定模塊336和周期相位信號(hào)識(shí)別模塊338。

2.2.1 靜態(tài)多徑去除

在一些示例中，首先將FFT輸出S(ω)_i與FFT輸出的一個(gè)或多個(gè)前次接收到的值335(例如，在j個(gè)時(shí)間間隔或掃描前接收到的S(ω)的值：S(ω)_i-j)一起提供給靜態(tài)多徑去除模塊334。該靜態(tài)多徑去除模塊334處理S(ω)_i以及S(ω)_i的一個(gè)或多個(gè)前次接收到的值335，以使用時(shí)間差分方法去除靜態(tài)多徑效應(yīng)。靜態(tài)多徑去除模塊334使用的時(shí)間差分方法將移動(dòng)對(duì)象的反射與環(huán)境中的靜態(tài)對(duì)象(如家具和墻壁)的反射區(qū)分開(kāi)。特別地，來(lái)自墻壁和家具的反射比來(lái)自人的反射強(qiáng)得多，特別是如果人在墻后面。除非這些反射被去除，否則它們將掩蔽來(lái)自人的信號(hào)并且防止感測(cè)她的運(yùn)動(dòng)。此行為被稱為“閃光效應(yīng)(Flash Effect)”。

為了去除來(lái)自靜態(tài)對(duì)象(墻壁、家具)的反射，靜態(tài)多徑去除模塊334利用以下事實(shí)：由于這些反射體是靜態(tài)的，所以它們到天線陣列的距離不隨時(shí)間改變，因此它們的感應(yīng)頻移隨時(shí)間保持恒定。對(duì)于每個(gè)掃描窗口S(ω)_i，靜態(tài)多徑去除模塊334通過(guò)從一個(gè)或多個(gè)前次掃描(例如，S(ω)_i-j)的輸出中減去給定掃描中的S(ω)_i的(復(fù)數(shù))輸出來(lái)消除來(lái)自這些靜態(tài)反射器的功率。這個(gè)過(guò)程被稱為背景減除，因?yàn)樗吮尘爸械乃徐o態(tài)反射體。在一些實(shí)施例中，j＝1并且從當(dāng)前FFT輸出S(ω)_i中減去來(lái)自緊接在前的掃描S(ω)_i-1的FFT輸出。在其他示例中，選擇j，使得使用小的時(shí)間延遲(即，2.5毫秒前)選擇前次FFT輸出，而在其他實(shí)施例中，可以使用更大的時(shí)間延遲(例如，12.5毫秒，或者甚至超過(guò)一秒，諸如2.5秒)。

由靜態(tài)多徑去除模塊334執(zhí)行的背景減除處理的結(jié)果是無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出S′(ω)_i，其基本上僅包括對(duì)應(yīng)于環(huán)境中的移動(dòng)對(duì)象的反射。

2.2.2 相位信號(hào)提取

然后，將無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出S′(ω)_i提供給存儲(chǔ)多個(gè)(即，M個(gè))前次無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出S′(ω)_i,S′(ω)_i-1,S′(ω)_i-2,...,S′(ω)_i-M的緩沖器333。在一些示例中，選擇M的值，使得緩沖器333表示由接收天線106接收的信號(hào)的預(yù)定量的時(shí)間(例如，30秒)。在一些示例中，緩沖器333是先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器，其在接收到新結(jié)果S′(ω)_i時(shí)，將新結(jié)果S′(ω)_i推送到緩沖器333的頭部并從緩沖器333的末端趕出最舊的結(jié)果S′(ω)_i-M。

在緩沖器333中的M個(gè)無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出S′(ω)_i,S′(ω)_i-1,S′(ω)_i-2,...,S′(ω)_i-M被提供給相位信號(hào)確定模塊336，其識(shí)別存在于(基本上所有)M個(gè)無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出中的K個(gè)反射。參見(jiàn)例如圖4中示出的K＝3，反射A、B和C。然后，相位信號(hào)確定模塊336針對(duì)所識(shí)別的反射中的每一個(gè)提取“相位信號(hào)φ_k′(t)”。

一般來(lái)說(shuō)，K個(gè)所識(shí)別的反射中的每一個(gè)位于所有M個(gè)無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出S′(ω)_i,S′(ω)_i-1,S′(ω)_i-2,...,S′(ω)_i-M中的相同F(xiàn)FT倉(cāng)(bin)中。在一些示例中，對(duì)于K個(gè)所識(shí)別的反射中的第k個(gè)反射，相位信號(hào)確定模塊336迭代M個(gè)無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出，并且對(duì)于每個(gè)無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出，確定在與第k個(gè)反射相關(guān)聯(lián)的FFT倉(cāng)處的相位角?？傊玫降牡趉個(gè)反射的M個(gè)相位角表示反射的相位的時(shí)間進(jìn)展或相位信號(hào)φ_k′(t)。

用于第k個(gè)反射的相位信號(hào)與從發(fā)射天線104行進(jìn)到移動(dòng)對(duì)象、從該移動(dòng)對(duì)象反射信號(hào)、并返回到接收天線106的距離之間的關(guān)聯(lián)如下：

φ_k′(t)＝2πd_k(t)/λ，

其中λ是發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)(例如，4.5cm)，而d(t)是從設(shè)備到反射體并返回到設(shè)備的行進(jìn)距離。也就是說(shuō)，由于吸氣、呼氣和心跳所導(dǎo)致的信號(hào)行進(jìn)的距離的變化可以通過(guò)測(cè)量所得到的反射信號(hào)的相位變化來(lái)識(shí)別。

2.2.3 非周期反射去除

在一些示例中，在靜態(tài)多徑去除之后保留的每個(gè)反射不一定都對(duì)應(yīng)于受試者的呼吸和心率。例如，某些反射可以對(duì)應(yīng)于肢體運(yùn)動(dòng)，諸如受試者打字、移動(dòng)他們的腳或行走。周期信號(hào)識(shí)別模塊338區(qū)分對(duì)應(yīng)于受試者的呼吸和心率的反射與對(duì)應(yīng)于其他類(lèi)型運(yùn)動(dòng)的反射。為此，周期信號(hào)識(shí)別模塊338利用這樣的事實(shí)：對(duì)應(yīng)于生命體征的反射的相位信號(hào)是周期性的，而對(duì)應(yīng)于其他類(lèi)型運(yùn)動(dòng)的反射的相位信號(hào)通常是非周期性的。

為此，周期信號(hào)識(shí)別模塊338接收由相位信號(hào)確定模塊336輸出的K個(gè)相位信號(hào)φ₁′(t),φ₂′(t),...,φ′_K(t)，并處理K個(gè)相位信號(hào)以去除K個(gè)相位信號(hào)中的任何非周期性的相位信號(hào)。周期信號(hào)識(shí)別模塊338的輸出包括N個(gè)周期相位信號(hào)φ₁(t),φ₂(t),...,φ_N(t)。

在一些示例中，為了識(shí)別N個(gè)周期相位信號(hào)，周期信號(hào)識(shí)別模塊338處理K個(gè)相位信號(hào)中的每一個(gè)以確定相位信號(hào)的周期性的測(cè)量。如果給定相位信號(hào)的測(cè)量的周期性高于預(yù)定閾值，則周期信號(hào)識(shí)別模塊338將該給定相位信號(hào)包括在N個(gè)周期相位信號(hào)的集合中，否則，該給定相位信號(hào)不被包括在N個(gè)周期相位信號(hào)的集合中。

在一些示例中，為了測(cè)量給定相位信號(hào)的周期性，周期信號(hào)識(shí)別模塊338計(jì)算相位信號(hào)的傅里葉變換(例如，F(xiàn)FT)，然后評(píng)估該信號(hào)的FFT的銳度。為了評(píng)估相位信號(hào)的FFT的銳度，周期信號(hào)識(shí)別模塊338首先識(shí)別相位信號(hào)的FFT的峰值。如果與所識(shí)別的峰值相關(guān)聯(lián)的功率足夠大于(即，高于預(yù)定閾值)在剩余非峰值頻率處的平均功率，則給定相位信號(hào)被識(shí)別為周期信號(hào)。否則，給定相位信號(hào)被識(shí)別為非周期信號(hào)。被識(shí)別為周期性的任何相位信號(hào)的譜表示被包括在由周期信號(hào)識(shí)別模塊338輸出的N個(gè)周期相位信號(hào)中。

在一些示例中，如上所述的測(cè)量相位信號(hào)的周期性還確保在生命體征分析中排除受試者執(zhí)行大的肢體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間間隔。然而，受試者正在執(zhí)行小移動(dòng)(諸如在膝上型計(jì)算機(jī)上打字或使用蜂窩電話)的時(shí)間間隔仍然可以被分析用于生命體征分析。特別地，盡管這樣的小移動(dòng)可以是非周期性的，但它們不會(huì)遮蔽呼吸或心率，因?yàn)樗鼈兊墓β什粫?huì)淹沒(méi)由于受試者的生命體征導(dǎo)致的重復(fù)運(yùn)動(dòng)。

然后，從相位信號(hào)提取模塊122輸出N個(gè)周期相位信號(hào)φ₁(t),φ₂(t),...,φ_N(t)。參見(jiàn)例如圖4所示，N＝2，輸出φ_A(t),φ_B(t)。

2.2.4 示例

參見(jiàn)圖4，示出了針對(duì)示意性FFT輸出S(ω)_i 488的相位信號(hào)提取模塊122的操作的示例，其包括多個(gè)集中能量的區(qū)域490(即，反射)。一般來(lái)說(shuō)，集中能量的區(qū)域332中的每一個(gè)對(duì)應(yīng)于在接收天線106處接收的信號(hào)中的反射。在示意性FFT輸出S(ω)_i 488中，集中能量的三個(gè)區(qū)域(標(biāo)記為A、B和C)對(duì)應(yīng)于由于環(huán)境中存在的移動(dòng)對(duì)象引起的反射。在該示例中，反射A和B是由于受試者102a、102b在環(huán)境中的周期生命體征運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的，而反射C是由于環(huán)境中的非周期運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的。

示意性FFT輸出S(ω)_i首先與示意性FFT輸出S(ω)_i的一個(gè)或多個(gè)前次值(例如，S(ω)_i-j)一起被提供給靜態(tài)多徑去除模塊334。靜態(tài)多徑去除模塊333使用上述背景減除技術(shù)來(lái)從示意性FFT輸出S(ω)_i中去除由于靜態(tài)多徑效應(yīng)引起的任何反射，以獲得無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出S′(ω)_i 492。在該示例中，無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出S′(ω)_i 492僅包括標(biāo)記為A、B和C的反射，其對(duì)應(yīng)于環(huán)境中的移動(dòng)對(duì)象。

無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出S′(ω)_i 492被提供給緩沖器333，該緩沖器333存儲(chǔ)無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出S′(ω)_i 492以及靜態(tài)多徑去除模塊334的M-1個(gè)前次輸出。經(jīng)緩沖(緩存)的無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出S′(ω)_i,S′(ω)_i-1,S′(ω)_i-2,...,S′(ω)_i-M 494被提供給相位信號(hào)確定模塊336，該相位信號(hào)確定模塊336為經(jīng)緩沖的無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出S′(ω)_i,S′(ω)_i-1,S′(ω)_i-2,...,S′(ω)_i-M 494中的反射中的每一個(gè)提取相位信號(hào)。由于在經(jīng)緩沖的無(wú)靜態(tài)多徑的FFT輸出494中存在三個(gè)反射(即，A、B和C)，因此相位信號(hào)確定模塊336的輸出包括三個(gè)相位信號(hào)φ′_A(t),φ′_B(t),φ′_C(t)。對(duì)于圖4的示例的φ′_A(t)的曲線圖496示出由于呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的相位信號(hào)的基本上正弦變化。由于受試者的心跳運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的相位信號(hào)的小擾動(dòng)通過(guò)呼吸運(yùn)動(dòng)的基本上正弦變化來(lái)調(diào)制。

三個(gè)相位信號(hào)φ′_A(t),φ′_B(t),φ′_C(t)被提供給非周期信號(hào)去除模塊338，該非周期信號(hào)去除模塊338分析相位信號(hào)中的每一個(gè)以確定其是否是周期性的，然后僅輸出周期相位信號(hào)。如上面提到的，由于C是非周期信號(hào)，因此非周期信號(hào)去除模塊338的輸出僅包括φ_A(t),φ_B(t)。

2.3 相位信號(hào)分析

如圖4所示，由于受試者的呼吸和心跳而變化的相位信號(hào)分別包括在對(duì)應(yīng)于受試者的吸氣運(yùn)動(dòng)和呼氣運(yùn)動(dòng)的相位中的大峰和谷。相位信號(hào)還包括在大峰和谷上調(diào)制的更小的擾動(dòng)，這種更小的擾動(dòng)是由于受試者的心跳導(dǎo)致的。

參見(jiàn)圖5，N個(gè)周期相位信號(hào)φ₁(t),φ₂(t),...,φ_N(t)被提供給相位信號(hào)分析模塊124(在圖1中示出)，其處理N個(gè)周期相位信號(hào)以確定N個(gè)周期相位信號(hào)中的每一個(gè)的估計(jì)呼吸速率464和估計(jì)心率466。

在一些示例中，相位信號(hào)分析模塊124包括快速傅里葉變換(FFT)模塊460、呼吸速率估計(jì)模塊462和心率估計(jì)模塊463。N個(gè)周期相位信號(hào)φ₁(t),φ₂(t),...,φ_N(t)首先被提供給FFT模塊460，其有效地計(jì)算N個(gè)周期相位信號(hào)中的每一個(gè)的離散時(shí)間傅里葉變換，產(chǎn)生N個(gè)FFT輸出Φ₁(ω),Φ₂(ω),...,Φ_N(ω)。在一些示例中，在FFT模塊460計(jì)算相位信號(hào)的FFT之前，將諸如漢寧窗函數(shù)之類(lèi)的窗函數(shù)應(yīng)用到相位信號(hào)。這種窗函數(shù)的應(yīng)用減少了強(qiáng)頻率不期望地泄漏到相位信號(hào)的FFT輸出中的相鄰倉(cāng)中。

N個(gè)FFT輸出Φ₁(ω),Φ₂(ω),...,Φ_N(ω)被提供給呼吸速率估計(jì)模塊462和心率估計(jì)模塊463。

2.3.1 呼吸速率估計(jì)

參見(jiàn)圖6，呼吸速率估計(jì)模塊462接收N個(gè)FFT輸出Φ₁(ω),Φ₂(ω),...,Φ_N(ω)，并處理N個(gè)FFT輸出以確定N個(gè)估計(jì)呼吸速率464。

在一些示例中，呼吸速率估計(jì)模塊462包括峰值檢測(cè)模塊668、頻域?yàn)V波模塊670、快速傅里葉逆變換(FFT)模塊672、相位斜率估計(jì)模塊674和呼吸速率估計(jì)計(jì)算模塊676。

為了處理給定的FFT輸出Φ_m(ω)，首先將FFT輸出提供給峰值檢測(cè)模塊668，該峰值檢測(cè)模塊668識(shí)別FFT輸出Φ_m(ω)中具有峰值能量值的FFT倉(cāng)。所識(shí)別的FFT倉(cāng)與頻率相關(guān)聯(lián)，該頻率為受試者的呼吸速率的初始的、粗略估計(jì)。然而，簡(jiǎn)單地選擇與FFT輸出的峰值相關(guān)聯(lián)的頻率不提供呼吸速率的準(zhǔn)確估計(jì)，因?yàn)镕FT輸出的頻率分辨率為(1/窗口大小)。如果窗口大小為例如30秒，則受試者的呼吸速率的初始估計(jì)的分辨率為≈0.033Hz(即，2次/分鐘)。當(dāng)然，更好的分辨率是可期望的。

由于在FFT輸出Φ_m(ω)中存在單個(gè)主頻(即，在與通過(guò)峰值檢測(cè)模塊668識(shí)別的峰值相關(guān)聯(lián)的頻率處)，因此，可以通過(guò)對(duì)與FFT輸出Φ_m(ω)相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)的相位執(zhí)行回歸(例如，線性回歸)來(lái)獲得更精細(xì)的分辨率。為此，將所識(shí)別的峰值FFT倉(cāng)和FFT輸出Φ_m(ω)提供給頻域?yàn)V波模塊670，該頻域?yàn)V波模塊670過(guò)濾掉除了所識(shí)別的峰值FFT倉(cāng)和與所識(shí)別的峰值FFT倉(cāng)相鄰的兩個(gè)FFT倉(cāng)之外的FFT輸出Φ_m(ω)中的所有倉(cāng)。頻域?yàn)V波模塊670的輸出是經(jīng)過(guò)濾的FFT輸出Φ′_m(ω)。在一些示例中，通過(guò)頻域?yàn)V波模塊670執(zhí)行的過(guò)濾消除了由外部和非周期運(yùn)動(dòng)引起的噪聲。

將經(jīng)過(guò)濾的FFT輸出Φ′_m(ω)提供給逆FFT模塊672，該逆FFT模塊672執(zhí)行逆FFT以獲得經(jīng)過(guò)濾的FFT輸出Φ′_m(ω)的復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)φ′_m(t)。然后，將復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)φ′_m(t)提供給相位斜率估計(jì)模塊674，該相位斜率估計(jì)模塊674將復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)φ′_m(t)的相位計(jì)算為：

斜率(∠φ′_m(t))。

將復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)的斜率(即，斜率(∠φ′_m(t)))提供給呼吸速率估計(jì)計(jì)算模塊676，該呼吸速率估計(jì)計(jì)算模塊676根據(jù)每分鐘呼吸(次數(shù))確定細(xì)粒度估計(jì)呼吸速率464為：

其中因子60將頻率從Hz(即，1/秒)變換為次/分鐘。

2.3.2 心率估計(jì)

參見(jiàn)圖7，心率估計(jì)模塊463接收N個(gè)FFT輸出Φ₁(ω),Φ₂(ω),...,Φ_N(ω)，并處理N個(gè)FFT輸出，以確定N個(gè)估計(jì)心率464。

為了理解心率估計(jì)模塊463的操作，有助于理解的是，典型的呼吸速率在8-20次/分鐘的范圍內(nèi)，并且典型的心率在40-200次/分鐘的范圍內(nèi)。因此，計(jì)算對(duì)于給定的FFT輸出Φ_m(ω)中的一個(gè)的心率估計(jì)的方法是僅將具有40-200次/分鐘的通帶的帶通濾波器應(yīng)用到信號(hào)(或信號(hào)的譜表示)。然而，這樣做的挑戰(zhàn)在于與FFT輸出Φ_m(ω)相關(guān)聯(lián)的相位信號(hào)的呼吸分量通常比相位信號(hào)的心率分量強(qiáng)得多。此外，呼吸分量不是簡(jiǎn)單的正弦波。由于呼吸分量不是簡(jiǎn)單的正弦波，因此其包括在基頻f_呼吸處的基波分量以及在諧振頻率2×f_呼吸、3×f_呼吸、4×f_呼吸等處的多個(gè)諧波。

一些諧波落入心率的40-200次/分鐘頻帶，并且通常具有比與相位信號(hào)中的心率相關(guān)的頻率分量高得多的功率。為此，相位信號(hào)的呼吸分量的諧波可能與相位信號(hào)中的心率相關(guān)的頻率分量混淆。

為了避免該混淆，心率估計(jì)模塊463利用以下觀察結(jié)果：在基頻f_心率處的心率分量也具有諧波(即，在2×f_心率、3×f_心率、4×f_心率等處)，并且心率分量的較強(qiáng)低階諧波被并置在具有呼吸速率分量的較弱高階諧波的頻率范圍內(nèi)(因?yàn)榉浅：罄m(xù)諧波的功率低于先前諧波的功率)。在心率(例如，40-200次/分鐘)的預(yù)期頻帶之上的頻率處存在的具有顯著功率的任何諧波被假定為心率分量的諧波并且如下面詳細(xì)描述的可用于確定心率分量的基頻。

例如，對(duì)于15次/分鐘的呼吸速率，相位信號(hào)中的呼吸分量的第四階諧波(其仍然具有顯著功率)處于60次/分鐘并且可能與心率的基頻分量(例如，對(duì)于75次/分鐘的心率)混淆。然而，相位信號(hào)中的心率分量的第一階諧波(即，在150次/分鐘)接近呼吸分量的第九階諧波，該第九階諧波為非常低的功率(因?yàn)槠錇楦唠A諧波)。因此，心率諧波(即，在150次/分鐘)可用于確定心率。

然而，出現(xiàn)了另一個(gè)問(wèn)題：150次/分鐘次/分鐘本身是可能的人的心率。為此，心率估計(jì)模塊463確定心率是否為75次/分鐘(即，150次/分鐘是心率分量的第一階諧波)，心率是否為150次/分鐘(即，150次/分鐘是心率分量的基頻)，或者心率是否為50次/分鐘(即，150次/分鐘為心率分量的第三階諧波)。

為此，心率估計(jì)模塊463還考慮心率分量的更高階(例如，第三階、第四階、第五階)諧波。例如，心率估計(jì)模塊463識(shí)別包括心率分量的高階諧波的相位信號(hào)的頻帶中的峰值，并使用所識(shí)別的峰值來(lái)確定心率。

為此，心率估計(jì)模塊463包括峰值增強(qiáng)模塊778、峰值閾值模塊780、候選基頻識(shí)別模塊782、候選基頻集群模塊784和心率估計(jì)選擇模塊786。

為了處理給定的FFT輸出Φ_m(ω)，首先將FFT輸出提供給峰值增強(qiáng)模塊778，該峰值增強(qiáng)模塊778與存在于圍繞峰值的FFT倉(cāng)中的任何噪聲相比增強(qiáng)了存在于FFT輸出Φ_m(ω)的功率譜中的任何峰值。在一些示例中，峰值增強(qiáng)模塊778用代表該倉(cāng)相對(duì)于其相鄰FFT倉(cāng)的信噪比(SNR)的值來(lái)替換FFT輸出Φ_m(ω)的每個(gè)FFT倉(cāng)中的功率。例如，F(xiàn)FT輸出Φ_m(ω)中的每個(gè)FFT倉(cāng)的值被替換如下：

其中鄰近的FFT_倉(cāng)是在感興趣的倉(cāng)FFT_倉(cāng)的每側(cè)上的倉(cāng)(例如，10、20、50個(gè)倉(cāng))的范圍。

峰值增強(qiáng)模塊778的輸出為峰值增強(qiáng)FFT輸出Φ′_m(ω)。峰值增強(qiáng)FFT輸出Φ′_m(ω)被提供給峰值閾值模塊780，該峰值閾值模塊780處理峰值增強(qiáng)FFT輸出以識(shí)別峰值增強(qiáng)FFT輸出中的、位于高于心率分量的預(yù)期基頻范圍(例如，高于200次/分鐘)的頻率范圍內(nèi)并且超過(guò)預(yù)定SNR閾值的峰值P₁,P₂,...,P_Y。參見(jiàn)例如圖8中的P₁,P₂,...,P₅。通過(guò)峰值閾值模塊780識(shí)別的任何峰值與頻率(其為心率分量基頻的候選)相關(guān)聯(lián)。

將所識(shí)別的峰值P₁,P₂,...,P_Y提供給候選基頻識(shí)別模塊782，對(duì)于所識(shí)別的峰值中的每一個(gè)，如果與峰值相關(guān)聯(lián)的頻率落在對(duì)于心率分量的40到200次/分鐘頻率范圍的整數(shù)倍內(nèi)，則候選基頻識(shí)別模塊782將與峰值相關(guān)聯(lián)的頻率除以整數(shù)倍，并添加除法的結(jié)果作為心率分量基頻的候選。例如，對(duì)于與220次/分鐘的頻率相關(guān)聯(lián)的示例性峰值，頻率落在[2*40到2*200]、[3*40到3*200]和[4*40到4*200]的頻率范圍內(nèi)。因此，110次/分鐘(即，220次/分鐘/2)、73.3次/分鐘(即，220次/分鐘/3)和55次/分鐘(即，220次/分鐘/4)被添加作為心率分量基頻的候選。候選基頻識(shí)別模塊782的輸出是心率分量的X個(gè)候選基頻C₁,C₂,...,C_X的集合，該集合包括所識(shí)別的峰值集合通過(guò)候選基頻識(shí)別模塊782確定的所有候選。

將X個(gè)候選基頻C₁,C₂,...,C_X的集合給供給候選基頻選擇模塊784，該候選基頻選擇模塊784通過(guò)頻率對(duì)候選基頻的集合進(jìn)行排序。然后，沿排序后的候選基頻的集合滑動(dòng)窗口(例如，具有寬度為0.8*X的矩形窗口)。對(duì)于窗口的每個(gè)位置，當(dāng)其沿排序后的候選基頻的集合滑動(dòng)時(shí)，集群中的多個(gè)候選基頻(有時(shí)被稱為排序后的候選基頻的集合的頻率半徑)被計(jì)算為：

半徑＝f_max-f_min，

其中f_max是集群中具有最高頻率的候選基頻，而f_min是集群中具有最低頻率的候選基頻。在一些示例中，半徑是表示集群中的候選基頻的集中程度的指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，具有小半徑的集群中的候選基頻的集合被認(rèn)為是比具有大半徑的集群中的候選基頻的集合更好。

在一些示例中，每個(gè)集群及其相關(guān)聯(lián)的半徑L₁R₁,L₂R₂,...,L_ZR_Z被傳遞到心率估計(jì)選擇模塊786，該心率估計(jì)選擇模塊786處理集群及其相關(guān)聯(lián)的半徑以確定第m個(gè)相位信號(hào)的估計(jì)心率。心率估計(jì)選擇模塊786選擇具有最小半徑的集群并選擇集群中的中頻作為估計(jì)心率464。在一些示例中，如果兩個(gè)或多個(gè)集群具有相同的最小半徑，則心率估計(jì)選擇模塊786選擇這兩個(gè)或更多個(gè)集群中的具有最高平均頻率的集群，因?yàn)榫哂休^低平均頻率的集群與心率基頻的子諧波相關(guān)聯(lián)。

在一些示例中，心率估計(jì)選擇模塊786將所選擇的集群的置信比計(jì)算為所選擇集群的半徑與次佳集群(即，具有最接近所選擇集群的半徑的半徑的集群)的半徑之間的比。心率估計(jì)選擇786存儲(chǔ)估計(jì)心率及其置信比，以供以后使用。然后，心率估計(jì)模塊463降低由峰值閾值化模塊780使用的信噪比閾值并重新處理峰值增強(qiáng)FFT輸出Φ′_m(ω)，以確定另一個(gè)估計(jì)心率和置信比。重復(fù)該過(guò)程，直到達(dá)到預(yù)定最小信噪比或者直到達(dá)到預(yù)定的置信比。

一旦達(dá)到預(yù)定最小信噪比或預(yù)定置信比，具有最高置信比的估計(jì)心率被選擇作為FFT輸出Φ_m(ω)的估計(jì)心率。在一些示例中，從心率估計(jì)模塊463輸出估計(jì)心率464。

在其他示例中，所選擇的估計(jì)心率被視為心率的基頻的粗略估計(jì)，并且進(jìn)一步處理被用于從粗略估計(jì)確定細(xì)粒度估計(jì)。

具體地，如上面對(duì)于呼吸速率的情況，可以通過(guò)對(duì)與FFT輸出Φ_m(ω)相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)的相位執(zhí)行回歸(例如，線性回歸)來(lái)獲得心率的基頻的更精細(xì)分辨率估計(jì)。為此，將與所識(shí)別的粗略基頻估計(jì)和FFT輸出Φ_m(ω)相關(guān)聯(lián)的FFT倉(cāng)提供給頻域?yàn)V波模塊(未示出)，該頻域?yàn)V波模塊過(guò)濾掉除了所識(shí)別的FFT倉(cāng)和與所識(shí)別的FFT倉(cāng)相鄰的兩個(gè)FFT倉(cāng)之外的FFT輸出Φ_m(ω)中的所有倉(cāng)。頻域?yàn)V波模塊的輸出是經(jīng)過(guò)濾的FFT輸出Φ′_m(ω)。在一些示例中，通過(guò)頻域?yàn)V波模塊執(zhí)行的過(guò)濾消除了由外部和非周期運(yùn)動(dòng)引起的噪聲。

將經(jīng)過(guò)濾的FFT輸出Φ′_m(ω)提供給逆FFT模塊(未示出)，該逆FFT模塊執(zhí)行逆FFT以獲得經(jīng)過(guò)濾的FFT輸出Φ′_m(ω)的復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)φ′_m(t)。然后，將復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)提供給相位斜率估計(jì)模塊(未示出)，該相位斜率估計(jì)模塊將復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)φ′_m(t)的斜率計(jì)算為：

斜率(∠φ′_m(t))。

復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)的斜率(即，斜率(∠φ′_m(t)))根據(jù)每分鐘心跳次數(shù)確定細(xì)粒度估計(jì)心率為：

其中因子60將頻率從Hz(即，1/秒)變換為次/分鐘。

2.3.2.1 心率估計(jì)的示例

參見(jiàn)圖8，用于示例性FFT輸出Φ_m(ω)的峰值增強(qiáng)FFT輸出的曲線圖包括在20次/分鐘的基本呼吸速率頻率處和在20次/分鐘的整數(shù)倍處(即，40次/分鐘、60次/分鐘、80次/分鐘等)的多個(gè)諧波呼吸速率的峰值。曲線圖還包括在85次/分鐘的基本心率頻率處和在85次/分鐘的整數(shù)倍(即，170次/分鐘、225次/分鐘、340次/分鐘等)處的多個(gè)諧振頻率的峰值。

峰值增強(qiáng)FFT輸出Φ′_m(ω)被提供給圖7的峰值閾值模塊780，該峰值閾值模塊780將閾值898應(yīng)用到峰值增強(qiáng)FFT輸出以識(shí)別峰值增強(qiáng)FFT輸出中的、位于高于心率分量的預(yù)期基頻范圍(即，高于200次/分鐘)的頻率范圍內(nèi)并且超過(guò)預(yù)定SNR閾值898的峰值。在該示例中，存在五個(gè)峰值P₁,P₂,...,P₅，這五個(gè)峰值位于高于心率分量的預(yù)期基頻范圍的頻率范圍內(nèi)并且超過(guò)預(yù)定SNR閾值898。P₁位于255次/分鐘的頻率處。P₂位于340次/分鐘的頻率處。P₃位于425次/分鐘的頻率處。P₄位于510次/分鐘的頻率處。P₅位于595次/分鐘的頻率處。

將五個(gè)所識(shí)別的峰值P₁,P₂,...,P₅提供給候選基頻識(shí)別模塊784，對(duì)于所識(shí)別的峰值中的每一個(gè)，如果與峰值相關(guān)聯(lián)的頻率落在對(duì)于心率分量的40到200次/分鐘頻率范圍的整數(shù)倍內(nèi)，則候選基頻識(shí)別模塊784將與峰值相關(guān)聯(lián)的頻率除以整數(shù)倍，并添加除法的結(jié)果作為心率分量基頻的候選。在該示例中，對(duì)于位于255次/分鐘處的P₁，候選頻率127.5、85、63.75、51、42.5被添加作為心率分量基頻的候選。對(duì)于位于340次/分鐘的頻率處的P₂，候選頻率170、113.3、85、68、56.7、48.6、42.5被添加作為心率分量基頻的候選。對(duì)于位于425次/分鐘的頻率處的P₃，候選頻率141.7、106.25、85、70.8、60.7、53.1、47.2、42.5被添加作為心率分量基頻的候選。對(duì)于位于510次/分鐘的頻率處的P₄，候選頻率170、127.5、102、85、72.9、63.8、56.7、51、46.3、42.5被添加作為心率分量基頻的候選。對(duì)于位于595次/分鐘的頻率處的P₅，候選頻率198.3、148.8、119、99.2、85、74.4、66.1、59.5、54.1、49.6、45.8、42.5被添加作為心率分量基頻的候選。

參見(jiàn)圖9，將所確定的心率分量基頻的候選C₁,C₂,...,C_X的集合提供給候選基頻集群模塊784，該候選基頻集群模塊784通過(guò)頻率對(duì)候選基頻的集合進(jìn)行排序。然后，沿排序后的候選基頻的集合滑動(dòng)窗口(即，具有4個(gè)候選的寬度的矩形窗口)。對(duì)于窗口的每個(gè)位置，窗口中的頻率(即集群)的半徑被計(jì)算為：

半徑＝f_max-f_min，

其中f_max是集群中具有最高頻率的候選基頻，而f_min是集群中具有最低頻率的候選基頻。例如，當(dāng)窗口999位于第一位置951時(shí)，集群的半徑等于零。當(dāng)窗口999位于第二位置953時(shí)，集群的半徑等于0。當(dāng)窗口999位于第三位置955時(shí)，集群的半徑等于3.3。當(dāng)窗口999位于第四位置957時(shí)，集群的半徑等于3.8。

參見(jiàn)圖10，隨著窗口999沿排序后的候選基頻的集合滑動(dòng)，半徑的曲線圖1061包括半徑處于最小的兩個(gè)頻率：42.5次/分鐘和85次/分鐘。

通過(guò)候選基頻集群模塊784確定的集群和相關(guān)聯(lián)的半徑被提供給心率估計(jì)選擇模塊786，該心率估計(jì)選擇模塊786選擇具有最小半徑的集群作為包括心率的基頻的集群。在這種情況下，由于兩個(gè)或更多個(gè)集群具有相同的最小半徑(即，0)，所以心率估計(jì)選擇模塊786選擇這兩個(gè)或更多個(gè)集群中的具有最高平均頻率的集群，因?yàn)榫哂凶畹推骄l率的集群與心率基頻的次諧波相關(guān)聯(lián)。所選擇的集群的中值頻率(即，85次/分鐘)被選擇作為心率基頻，并且被輸出作為Φ_m(ω)的估計(jì)心率464。

如上所述，在一些示例中，心率估計(jì)選擇模塊786將所選擇的集群的置信比計(jì)算為所選擇的集群的半徑與次佳集群的半徑之間的比。心率估計(jì)選擇模塊786存儲(chǔ)估計(jì)心率及其置信比，以供以后使用。然后，心率估計(jì)模塊463降低峰值閾值化模塊780使用的信噪比閾值并重新處理峰值增強(qiáng)FFT輸出，以確定另一個(gè)估計(jì)心率和置信比。重復(fù)該過(guò)程，直到達(dá)到預(yù)定最小信噪比或者直到達(dá)到預(yù)定置信比。

3.替代方案

在一些示例中，心率估計(jì)模塊使用基于濾波器的方法來(lái)確定心率的估計(jì)，而不分析相位信號(hào)的心跳分量的諧波。例如，心率估計(jì)模塊使用具有在頻率范圍(例如，40到200次/分鐘，假定相位信號(hào)的心跳分量存在于該頻率范圍內(nèi))中的通帶的帶通濾波器來(lái)對(duì)相位信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾。計(jì)算經(jīng)過(guò)濾的相位信號(hào)的FFT，并且識(shí)別FFT輸出中的峰值。應(yīng)注意，在一些示例中，F(xiàn)FT輸出的絕對(duì)最大值不被選擇作為所識(shí)別的峰值，因?yàn)樗怯捎趤?lái)自相位信號(hào)的呼吸分量的泄漏引起的。然后，計(jì)算對(duì)應(yīng)于所識(shí)別的峰值的FFT倉(cāng)中的信號(hào)和與對(duì)應(yīng)于所識(shí)別的峰值的FFT倉(cāng)相鄰的兩個(gè)FFT倉(cāng)的逆FFT。然后，使用相位回歸來(lái)確定心率估計(jì)(如針對(duì)呼吸速率估計(jì)所做的那樣)。

雖然以上描述描述了如何使用單個(gè)天線對(duì)，但應(yīng)注意，多個(gè)天線對(duì)可用于改善系統(tǒng)的性能。例如，在多個(gè)接收天線處接收到的信號(hào)可以以各種方式組合以確定反射體的確切位置，并且可以組合以獲得用于反射體的更干凈、更少噪聲的相位信號(hào)。在一些實(shí)施方案中，從每對(duì)天線獲得單獨(dú)的相位信號(hào)，并且針對(duì)每對(duì)天線識(shí)別譜峰，其中若干對(duì)的峰值被組合以估計(jì)基頻，例如，所有對(duì)一起投票。在其他實(shí)施方式中，分開(kāi)處理不同的天線對(duì)以確定單獨(dú)的基頻估計(jì)，這些單獨(dú)的基頻估計(jì)被組合。

4.實(shí)施方式

實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)的系統(tǒng)可以以軟件、固件、數(shù)字電子電路或計(jì)算機(jī)硬件或它們的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可以包括有形地體現(xiàn)在由可編程處理器執(zhí)行的機(jī)器可讀存儲(chǔ)設(shè)備中的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，并且方法步驟可以由可編程處理器執(zhí)行，該可編程處理器執(zhí)行指令程序以通過(guò)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行操作并產(chǎn)生輸出來(lái)執(zhí)行功能。該系統(tǒng)可以在可編程系統(tǒng)上可執(zhí)行的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)程序中實(shí)現(xiàn)，該可編程系統(tǒng)包括：至少一個(gè)可編程處理器，該可編程處理器被耦合以從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)和指令，以及向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)和指令；至少一個(gè)輸入設(shè)備；以及至少一個(gè)輸出裝置。每個(gè)計(jì)算機(jī)程序可以以高級(jí)過(guò)程或面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，或者如果需要以匯編或機(jī)器語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)；并且在任何情況下，語(yǔ)言可以是編譯或解釋語(yǔ)言。適當(dāng)?shù)奶幚砥靼ɡ缤ㄓ煤蛯?zhuān)用微處理器。通常，處理器將從只讀存儲(chǔ)器和/或隨機(jī)存取存儲(chǔ)器接收指令和數(shù)據(jù)。通常，計(jì)算機(jī)將包括用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)記錄的一個(gè)或多個(gè)大容量存儲(chǔ)設(shè)備；這樣的設(shè)備包括磁盤(pán)，例如內(nèi)置硬盤(pán)和可移除盤(pán)；磁光盤(pán)；和光盤(pán)。適合于有形地體現(xiàn)計(jì)算機(jī)程序指令和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備包括所有形式的非易失性存儲(chǔ)器，包括例如半導(dǎo)體存儲(chǔ)器設(shè)備，諸如EPROM，EEPROM和閃存設(shè)備；磁盤(pán)，例如內(nèi)置硬盤(pán)和可移除盤(pán)；磁光盤(pán)；和CD-ROM盤(pán)。任何前述內(nèi)容可以由ASIC(專(zhuān)用集成電路)補(bǔ)充或包括在ASIC中。

應(yīng)當(dāng)理解，前述描述旨在說(shuō)明而不是限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求的范圍限定。其他實(shí)施例在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。