一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的系统及方法与流程

本发明涉及盆底肌运动非接触检测，具体为一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的系统与方法。

背景技术：

1、毫米波雷达通过发射天线发射电磁波信号，触碰到探测空间内的物体后反射回波信号被雷达的接收天线接收到，经过数据处理后可以表征物体的位置变化情况。

2、在使用毫米波雷达做盆底肌运动检测时，人呼吸运动会使得腹部压力增大，带动盆底肌相对运动从而引入噪声。目前的常规方法是用滤波器对干扰信号进行滤除，但用滤波器滤除干扰信号，容易影响目标信号的真实成分，对于盆底肌较弱的用户，常用滤波器方案无法区分较弱的盆底肌收缩信号和呼吸信号，缺少一种准确，灵敏的提取并显示盆底肌运动信号的方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的系统与方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的系统，该系统包括电磁波收发模块、级联模块、信号处理模块和实时显示模块；

3、所述电磁波收发模块用于发射和接收电磁波信号，探测皮肤和胸腔的运动，将电磁波信号传输至级联模块；所述级联模块用于将电磁波收发模块传输的电磁波信号级联并转换为数字信号后传输至信号处理模块；所述信号处理模块用于将级联模块传输的电磁波级联信号进行处理，去除信号中的呼吸信号成分，并将信号传输给实时显示模块；所述实时显示模块用于实时显示去除呼吸信号的盆底肌运动相位变化波形；

4、电磁波收发模块的输出端电性连接级联模块的输入端；级联模块的输出端电性连接信号处理模块的输入端；信号处理模块的输出端电性连接实时显示模块的输入端。

5、所述电磁波收发模块包括第一电磁波收发模块和第二电磁波收发模块；

6、所述第一电磁波收发模块用于向人体盆底处发射电磁波信号，电磁波信号接触到盆底处后反射回来，第一电磁波收发模块接收反射回的电磁波信号；第二所述电磁波收发模块用于向人体胸腔处发射电磁波信号，电磁波信号接触到胸腔处后反射回来，第二电磁波收发模块接收反射回的电磁波信号。

7、所述级联模块包括信号识别单元、信号对齐单元和模数转换单元；

8、所述信号识别单元用于接收电磁波收发模块传输的两路电磁波信号，判断信号的成分和时延；所述信号对齐单元用于将两路电磁波信号对齐；所述模数转换单元用于将连续的模拟信号转换为离散的数字信号；

9、信号识别单元的输出端电性连接信号对齐单元的输入端，信号对齐单元的输出段电性连接模数转换单元的输入端。

10、所述信号处理模块包括圆心估计单元、动态圆心轨迹规划单元、呼吸信号滤除单元和相位解缠单元；

11、所述圆心估计单元用于利用圆心估计模型将电磁波级联信号拟合成圆；

12、所述动态圆心轨迹规划单元用于在用户进行盆底肌收缩和放松运动时，规划盆底肌运动和呼吸运动的复合运动信号的圆心；所述呼吸信号滤除单元用于滤除盆底肌运动信号中的呼吸信号成分；所述相位解缠单元用于对盆底肌运动相位变化进行相位解缠；

13、圆心估计单元的输出端电性连接动态圆心轨迹规划单元的输入端，动态圆心轨迹规划单元电性连接呼吸信号滤除单元的输入端，呼吸信号滤除单元的输出端电性连接相位解缠单元的输入端。

14、所述实时显示模块用于接收信号处理模块滤除呼吸信号并处理后的盆底肌运动相位变化量，实时显示滤除呼吸信号的盆底肌运动相位变化波形。

15、一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的方法，该方法包括以下步骤：

16、s1、保持盆底肌静止，对盆底处和胸腔处发射电磁波信号，并接收由电磁波接触到盆底处和胸腔处皮肤产生的模拟盆底肌回波信号x1(t)和模拟胸腔回波信号x2(t)；

17、s2、将接收到的模拟盆底肌回波信号x1(t)和模拟胸腔回波信号x2(t)对齐，并转换为数字盆底肌回波信号x1(n)和数字胸腔回波信号x2(n)；

18、s3、利用圆心估计模型将数字盆底肌回波信号x1(n)和数字胸腔回波信号x2(n)拟合成圆，盆底肌做收缩和放松运动，结合步骤s1、s2，获得盆底肌呼吸信号x′1(n)和胸腔呼吸信号x′2(n)，使用胸腔呼吸信号x′2(n)拟合出的圆心和半径对盆底肌呼吸信号x′1(n)进行圆心运动轨迹规划，获得去除静态分量和呼吸分量的新圆心的运动轨迹；

19、s4、将盆底肌呼吸信号x′1(n)进行呼吸圆心去除，计算去除呼吸信号后的盆底肌运动相位变化量，将去除呼吸信号后的盆底肌运动相位变化量进行相位解缠后实时显示。

20、在用户盆底肌保持静止时，电磁波收发模块所探测并采集的信号包括静态分量和呼吸分量。

21、在步骤s1中，用户保持盆底肌静止，分别向盆底肌和胸腔处发射电磁波信号，电磁波接触盆底处和胸腔处的皮肤会产生模拟盆底肌回波信号x1(t)和模拟胸腔回波信号x2(t)，接收x1(t)和x2(t)。

22、连续的模拟信号不利于后续处理，需要将其通过采样、量化和编码转换为数字信号，圆心估计采用的是数字信号的格式。

23、所述步骤s2包括如下具体步骤：

24、s201、判断接收到的x1(t)和x2(t)的成分和时延；

25、s202、根据判断出的时延将两路信号x1(t)和x2(t)进行对齐；

26、s203、将对齐后的两路信号x1(t)和x2(t)由模拟形式转换为数字形式，得到数据格式为i+iq的数字信号x1(n)和x2(n)，其中i为实部，q为虚部。

27、所述步骤s3包括如下具体步骤：

28、s301、将x1(n)和x2(n)分别进行圆心估计，圆心估计的算法为：(a，b，r)＝f(x)，其中，x表示输入进圆心估计算法的样本集，x包含实部i和虚部q，a，b分别表示拟合出的圆的圆心所在的横坐标与纵坐标，r为拟合出的圆的半径，f(·)表示所使用的圆心估计模型；

29、样本集可表示为(ii，qi)，其中i∈(12，...，n)，设每一个点到圆心的距离为di，其中，样本集中各个样本点(ii，qi)到圆边缘的距离的平方与半径平方的差为：

30、

31、记圆心估算矩阵方程为w(a，b，c)，对a，b，c求偏导并令为0，根据公式：

32、

33、求解出a，b，c的值，a和b为圆心的横坐标与纵坐标，c为圆的半径；

34、由圆心估计模型f(·)将数字盆底肌回波信号x1(n)和数字胸腔回波信号x2(n)计算的圆心和半径分别记为cir1(a1，b1，r1)和cir2(a2，b2，r2)，记录数字盆底肌回波信号x1(n)的始末顶峰相位所在的位置，记为和记录数字胸腔回波信号x2(n)的始末顶峰相位所在的位置，记为和

35、需要通过不完全圆的轮廓点，找到圆心和半径，一般采用最小二乘法进行拟合，由圆心估计模型所计算出来的圆要和原输入数据高度拟合，即样本集中所含样本离圆边长度最小作为拟合准则，设定w(a，b，c)＝∑δi2，易知w(a，b，c)的每一项都大于或等于0，所以函数存在大于或等于0的最小值，对a，b，c分别求偏导并令为0，即可求出极值点，此时的参数a，b，c的值可以使误差和最小。

36、s302、用户进行盆底肌收缩和放松运动，结合步骤s1、s2和s301，采集到盆底肌呼吸信号x′1(n)和胸腔呼吸信号x′2(n)，将胸腔呼吸信号x′2(n)拟合成cir′2(a′2，b′2，r′2)，利用cir′2(a′2，b′2，r′2)对盆底肌呼吸信号x′1(n)进行圆心规划，根据和(a1，b1)三点和以下公式：

37、

38、计算出(atemp，btemp)，将(a1，b1)、(atemp，btemp)代入公式：

39、(i-ia)2+(q-qa)2＝r22

40、得方程组：

41、

42、解出未知数ia，qa的值，将ia、qa的值代入公式：

43、(i-ia)2+(q-qa)2＝r22

44、获得去除静态分量和呼吸分量的新圆心的运动轨迹方程，记为：

45、

46、和表示新的圆心轨迹的横纵坐标，t表示新圆心的运动轨迹方程。

47、利用x′2(n)拟合出的圆的边的轨迹和(a1，b1)，可以求解出圆心运动轨迹上的另一个点(atemp，btemp)，再利用(a1，b1)和(atemp，btemp)两点求解出圆心的运动轨迹，新圆心的运动轨迹方程可以去除静态分量和呼吸分量。

48、所述步骤s4包括如下具体步骤：

49、s401、将盆底肌呼吸信号x′1(n)进行呼吸圆心去除，记去除呼吸信号后的盆底肌运动相位变化量为则根据如下公式：

50、

51、求出的值，和表示为在第i个时刻取得的新的圆心轨迹的横纵坐标和

52、s402、根据相位的变化情况对进行相位解缠，相位解缠公式如下：

53、

54、相位的变化是以2π为周期的，所以只要相位变化超过了2π，相位就会重新开始和循环，相位解缠是对去平和滤波后的相位进行解缠处理，使之与线性变化的信息对应。

55、s403、将处理后的滤除呼吸信号的盆底肌运动相位变化实时显示。

56、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明采用非接触式的方法实现了可以精确测量盆底肌微小运动的功能，呼吸滤除效果好，运算代价小，能够在保证盆底肌运动波形稳定和不失真的前提下，实时准确的显示盆底肌快收快放和收缩保持的细节。

技术特征：

1.一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的系统，其特征在于：该系统包括电磁波收发模块、级联模块、信号处理模块和实时显示模块；

2.根据权利要求1所述的一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的系统，其特征在于：所述电磁波收发模块包括第一电磁波收发模块和第二电磁波收发模块；

3.根据权利要求1所述的一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的系统，其特征在于：所述级联模块包括信号识别单元、信号对齐单元和模数转换单元；

4.根据权利要求1所述的一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的系统，其特征在于：所述信号处理模块包括圆心估计单元、动态圆心轨迹规划单元、呼吸信号滤除单元和相位解缠单元；

5.根据权利要求1所述的一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的系统，其特征在于：所述实时显示模块用于接收信号处理模块滤除呼吸信号并处理后的盆底肌运动相位变化量，实时显示滤除呼吸信号的盆底肌运动相位变化波形。

6.一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的方法，其特征在于：

8.根据权利要求6所述的一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的方法，其特征在于：

9.根据权利要求6所述的一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的方法，其特征在于：

10.根据权利要求6所述的一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的系统与方法，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种去除盆底肌运动电磁波信号中呼吸成分的系统与方法，属于盆底肌运动非接触检测领域。本系统包括电磁波收发模块、级联模块、信号处理模块和实时显示模块，方法包括以下步骤：利用电磁波收发模块分别对保持盆底肌静止时的盆底处和胸腔处发射电磁波，接收产生的回波信号；级联模块接收两路回波信号，将模拟信号对齐后转换为数字信号；信号处理模块处理级联模块传输的级联数字信号，去除呼吸信号成分后，将信号传输给实时显示模块进行实时显示；本发明在不接触盆底肌的前提下，利用毫米波雷达探测并采集盆底肌运动的信号，在高保真保留盆底肌运动信号的前提下，有效滤除呼吸信号，使得盆底肌运动波形能够被直观地实时显示。

技术研发人员：吕志伟,马掌印,毕正扬,李苗
受保护的技术使用者：南京麦澜德医疗科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5