CN103340619A - 一种电磁波生理运动成像*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁波生理运动成像***。包括射频前端模块，直流偏移补偿模块，相位信息提取模块和生理运动分离模块；射频前端模块的第1输出端和第2输出端分别跟直流偏移补偿模块的第1输入端和第2输入端相接，直流偏移补偿模块的第1输出端和第2输出端分别跟相位信息提取模块的第1输入端和第2输入端相接，相位提取模块的输出端和生理运动信息分离模块的输入端相接；生理运动分离模块的第1输出端和第2输出端分别和电磁波生理运动成像***的第1输出端和第2输出端相接。相比于传统的技术，本发明具有低成本，低辐射危害的优点，抗干扰性强的优点。

Description

一种电磁波生理运动成像***

技术领域

本发明涉及运动成像***，尤其是涉及一种电磁波生理运动成像***。

背景技术

医学成像也称医学影像学，是指外科医生用以诊断从身体外部无法看到的身体部位的过程。在临床医学领域，该技术对疾病诊断和治疗都具有重要的作用和意义。传统的医学成像技术主要包括利用X射线的计算机断层扫描技术，以及核磁共振技术。其共同的缺点包括：（1）仪器成本过高，如标准的核磁共振设备费用在高达百万元的数量级上；（2）辐射对人体健康有损伤，有致癌危险。

近几年来，国内外科研工作者在研究使用电磁波进行非接触式心率测量方面，取得了很大的进展。然而，诸如正交基带信号中直流偏移问题，反正切运算的值域限制问题，呼吸运动对心跳测量的影响等问题，限制了使用电磁波进行非接触式生理运动成像的进一步发展。

发明内容

本发明目的在于提出一种电磁波生理运动成像***。相比于传统的计算机断层扫描以及核磁共振技术，所述的***具有低成本，低辐射危害的优点。与现行的电磁波非接触测量方案相比，所述的***还具有抗干扰性强的优点。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括射频前端模块，直流偏移补偿模块，相位信息提取模块和生理运动分离模块；射频前端模块的第1输出端1和第2输出端2分别跟直流偏移补偿模块的第1输入端1和第2输入端2相接，直流偏移补偿模块的第1输出端3和第2输出端4分别跟相位信息提取模块的第1输入端1和第2输入端2相接，相位提取模块的输出端3和生理运动信息分离模块的输入端1相接；生理运动分离模块的第1输出端2和第2输出端3分别和电磁波生理运动成像***的第1输出端1和第2输出端2相接。

所述的直流偏移补偿模块，包括最小二乘法运算器，第一减法器和第二减法器；直流偏移模块的第1输入端1，分别跟最小二乘法运算器的第1输入端1和第一减法器的被减数输入端1相接，直流偏移模块的第2输入端2，分别跟最小二乘法运算器的第2输入端2和第二减法器的被减数输入端1相接，最小二乘法运算器的第1输出端3和第一减法器的减数输入端2相接，最小二乘法运算器的第2输出端4和第二减法器的减数输入端2相接，第一减法器的输出端3和直流偏移补偿模块的第1输出端3相接，第二减法器的输出端3和直流偏移补偿模块的第2输出端4相接。

所述的生理运动分离模块，包括多项式拟合运算器和第三减法器；生理运动分离模块的输入端1，分别和多项式拟合运算器的输入端1，以及第三减法器的被减数输入端1相接，多项式拟合运算器的输出端2分别跟第三减法器的减数输入端2和生理运动分离模块的第1输出端2相接，第三减法器的输出端3和生理运动分离模块的第2输出端3相接。

本发明具有的有益效果是：

（1）相比于传统的计算机断层扫描以及核磁共振技术，所述的***具有低成本，低辐射危害的优点；

（2）与现行的电磁波非接触测量方案相比，所述的***还具有抗干扰性强的优点，并能自动分离心跳运动和呼吸运动。

附图说明

图1是本发明一种电磁波生理运动成像***的结构框图。

图2是射频前端模块的结构框图。

图3是直流偏移补偿模块的结构框图。

图4是相位信息提取模块的结构框图。

图5是生理运动分离模块的结构框图。

图6是理想情况和有直流偏移时，信号I和信号Q的示意图。

图7是一种电磁波生理运动成像***测量到的信号B。

图8演示实验结果。

具体实施方式

以下结合附图具体阐述本发明的工作原理和实施方式。

如图1所示，本发明所述的一种电磁波生理运动成像***，包括射频前端模块，直流偏移补偿模块，相位信息提取模块和生理运动分离模块；射频前端模块的第1输出端1和第2输出端2分别跟直流偏移补偿模块的第1输入端1和第2输入端2相接，直流偏移补偿模块的第1输出端3和第2输出端4分别跟相位信息提取模块的第1输入端1和第2输入端2相接，相位提取模块的输出端3和生理运动信息分离模块的输入端1相接；生理运动分离模块的第1输出端2和第2输出端3分别和电磁波生理运动成像***的第1输出端1和第2输出端2相接。

在工作过程中，射频前端模块对着待测人体的胸腔发射连续电磁波信号，接收其反射信号，并将反射信号正交下变频，生成信号Q和信号I；直流偏移补偿模块使用最小二乘法计算信号Q和信号I中的直流偏移，并对其进行补偿，生成信号Q_c和信号I_c；相位信息提取模块使用反正切算法或者差分与叉乘算法获取信号Q_c和信号I_c中包含的相位信息B；生理运动分离模块使用基于多项式拟合的算法从信号B中分离出心跳运动信号h和呼吸运动信号r。

如图2所示，所述的射频前端模块包括Agilent公司生产的信号源E8267C，频谱仪E4407B和矢量信号分析仪89600s。

如图3所示，所述的直流偏移补偿模块，包括最小二乘法运算器，第一减法器和第二减法器；直流偏移模块的第1输入端1，分别跟最小二乘法运算器的第1输入端1和第一减法器的被减数输入端1相接，直流偏移模块的第2输入端2，分别跟最小二乘法运算器的第2输入端2和第二减法器的被减数输入端1相接，最小二乘法运算器的第1输出端3和第一减法器的减数输入端2相接，最小二乘法运算器的第2输出端4和第二减法器的减数输入端2相接，第一减法器的输出端3和直流偏移补偿模块的第1输出端3相接，第二减法器的输出端3和直流偏移补偿模块的第2输出端4相接。

如图4所示，所述的相位信息提取模块使用差分与叉乘算法实现，其具体实现方法请参考已公开的专利申请“一种利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方法和***”（申请号：201210251616.7）。

如图5所示，所述的生理运动分离模块，包括多项式拟合运算器和第三减法器；生理运动分离模块的输入端1，分别和多项式拟合运算器的输入端1，以及第三减法器的被减数输入端1相接，多项式拟合运算器的输出端2分别跟第三减法器的减数输入端2和生理运动分离模块的第1输出端2相接，第三减法器的输出端3和生理运动分离模块的第2输出端3相接。

其具体工作过程和工作原理如下：

（1）射频前端模块对着待测人体的胸腔发射载波频率为f_c的电磁波信号。不失一般性，假设该信号满足下式，

T＝cos(2πf_ct)。

打到待测人体胸腔表面的连续电磁波，被胸腔所反射。同时心跳运动（用h表示）和呼吸运动（用r表示）对反射电磁波信号起到相位调制的作用。射频前端模块接收到反射电磁波信号，并将其正交下变频，生成信号Q和信号I，分别满足：

$Q=V_Q+\sin [\mathrm{\θ}+\frac{4\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}+\frac{4\mathrm{\πr}}{\mathrm{\λ}}],$

$I=V_I+\cos [\mathrm{\θ}+\frac{4\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}+\frac{4\mathrm{\πr}}{\mathrm{\λ}}].$

其中，θ为一固定相移，与射频前端模块距离待测人体胸腔的距离有关；λ为载波波长；V_Q和V_I分别为信号Q和信号I的直流偏移。

（2）在理想情况下，信号Q和信号I中不包含直流偏移，此时信号Q和信号I的结果构成圆心在原点的单位圆上的一段弧。而当测量空间内存在静止反射体时，信号Q和信号I中包含直流偏移。此时其构成的圆弧的圆心位置偏移到坐标（V_I，V_Q）。为了消除直流偏移信号对最终成像结果的影响，需要使用最小二乘法获取坐标（V_I，V_Q），之后在信号Q和信号I中对其进行补偿，获得以下两个信号

$Q_c=Q-V_Q=\sin [\mathrm{\θ}+\frac{4\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}+\frac{4\mathrm{\πr}}{\mathrm{\λ}}],$

$I_c=I-V_I=\cos [\mathrm{\θ}+\frac{4\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}+\frac{4\mathrm{\πr}}{\mathrm{\λ}}].$

（3）相位信息提取模块使用反正切算法对信号Q_c和信号I_c进行处理，得到其相位信息：

$B=\arctan \frac{Q_c}{I_c}=\mathrm{\θ}+\frac{4\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}+\frac{4\mathrm{\πr}}{\mathrm{\λ}}.$

由于反三角函数具有(-π/2,π/2)的值域限制，该模块的测量结果中可能会包含一些不连续点。为提高***稳定性，建议使用差分与叉乘算法，其计算方法为：

$B=\∫\frac{I_c{\stackrel{\·}{Q}}_c-{\stackrel{\·}{I}}_c{Q}_c}{{I_c}^2+{Q_c}^2}\mathrm{dt}.$

其中，和

分别表示对信号Q_c和信号I_c求时间导数操作。。

（4）信号B主要由固定相移信号θ，心跳运动信号h和呼吸运动信号r组成。为将信号h和信号r分离开，生理运动分离模块使用多项式拟合算法去逼近信号B，得到与信号B的大体趋势相同的呼吸运动信号r。之后在信号B中减去信号r，得到心跳运动信号h。

以下具体阐述各个部分的实施方式：

如图2所示，射频前端模块使用Agilent公司生产的射频仪表（包括信号源E8267C，频谱仪E4407B和矢量信号分析仪89600s）实现。

直流偏移补偿模块使用Math Works公司推出的科学计算软件Matlab编程实现，其结构框图如图3所示。其中，最小二乘法运算器使用lsqcurvefit函数实现。

相位信息提取模块使用差分与叉乘模块实现，其结构框图如图4所示。具体实现方法请参考已公开的专利申请“一种利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方法和***”（申请号：201210251616.7）。

生理运动分离模块使用Math Works公司推出的科学计算软件Matlab编程实现，其结构框图如图5所示。其中，多项式拟合运算器使用polyfit和polyval函数实现。

下面通过一个演示实例，具体说明本发明的实施效果：

图6为理想情况下射频前端模块输出的信号Q和信号I，以及含有和直流偏移问题的实测信号。通过使用最小二乘法提取信号Q和信号I中包含直流偏移，得到坐标（V_I，V_Q）。之后在信号Q和信号I中分别减去V_Q和V_I，求得的信号Q_c和信号I_c。

如图7所示为使用所述***获取的信号B。该信号主要由固定相移信号θ，心跳运动信号h和呼吸运动信号r组成。当使用6阶多项式拟合算法去逼近信号B时，得到与信号B的大体趋势相同的呼吸运动信号r。之后在信号B中减去信号r，得到心跳运动信号h。

图8（a）为医学教科书上心脏容积在一个周期内的变化曲线，图8（b）为医学教科书上动脉血压在一个周期内的变化曲线。图8（c）为使用所述的一种电磁波生理运动成像***测量到的心脏运动曲线，图8（d）为使用接触式传感器测量到的动脉血压信号。其中，图8（c）和（d）的测量是同步进行的。通过对比发现，使用本发明所述的一种电磁波生理运动成像***，所测量到的心跳运动，符合医学教科书上的理论运动趋势，证明了所述***的有效性。

Claims (3)

1.一种电磁波生理运动成像***，其特征在于：包括射频前端模块，直流偏移补偿模块，相位信息提取模块和生理运动分离模块；射频前端模块的第1输出端1和第2输出端2分别跟直流偏移补偿模块的第1输入端1和第2输入端2相接，直流偏移补偿模块的第1输出端3和第2输出端4分别跟相位信息提取模块的第1输入端1和第2输入端2相接，相位提取模块的输出端3和生理运动信息分离模块的输入端1相接；生理运动分离模块的第1输出端2和第2输出端3分别和电磁波生理运动成像***的第1输出端1和第2输出端2相接。

2.根据权利要求1所述的一种电磁波生理运动成像***，其特征在于：所述的直流偏移补偿模块，包括最小二乘法运算器，第一减法器和第二减法器；直流偏移模块的第1输入端1，分别跟最小二乘法运算器的第1输入端1和第一减法器的被减数输入端1相接，直流偏移模块的第2输入端2，分别跟最小二乘法运算器的第2输入端2和第二减法器的被减数输入端1相接，最小二乘法运算器的第1输出端3和第一减法器的减数输入端2相接，最小二乘法运算器的第2输出端4和第二减法器的减数输入端2相接，第一减法器的输出端3和直流偏移补偿模块的第1输出端3相接，第二减法器的输出端3和直流偏移补偿模块的第2输出端4相接。

3.根据权利要求1所述的一种电磁波生理运动成像***，其特征在于：所述的生理运动分离模块，包括多项式拟合运算器和第三减法器；生理运动分离模块的输入端1，分别和多项式拟合运算器的输入端1，以及第三减法器的被减数输入端1相接，多项式拟合运算器的输出端2分别跟第三减法器的减数输入端2和生理运动分离模块的第1输出端2相接，第三减法器的输出端3和生理运动分离模块的第2输出端3相接。

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