線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)在生命參數(shù)檢測(cè)中的應(yīng)用可行性研究

陳培昕，李怡勇，米永巍

廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，湖北 武漢 430070

線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)在生命參數(shù)檢測(cè)中的應(yīng)用可行性研究

陳培昕，李怡勇，米永巍

廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，湖北 武漢 430070

應(yīng)用線性調(diào)頻連續(xù)波（LFMCW）雷達(dá)對(duì)人體目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，從而獲取人體生命參數(shù)信息，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行指導(dǎo)。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，展望了線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)在生命參數(shù)檢測(cè)方面的應(yīng)用前景。

雷達(dá)；線性調(diào)頻連續(xù)波；雷達(dá)生命檢測(cè)系統(tǒng)；生命參數(shù)檢測(cè)

LFMCW（線性調(diào)頻連續(xù)波）雷達(dá)生命檢測(cè)系統(tǒng)[1-2]通過(guò)對(duì)人體目標(biāo)的雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行分析，可以測(cè)得距離信息，從而檢測(cè)人體胸壁微小運(yùn)動(dòng)；還可以獲取心率、呼吸等參數(shù)。這種檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)不接觸被測(cè)對(duì)象而進(jìn)行測(cè)量，避免了測(cè)試手段對(duì)被測(cè)對(duì)象不同程度的影響[3-4]。

1 LFMCW雷達(dá)檢測(cè)原理

圖1 LFMCW雷達(dá)生命檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

LFMCW雷達(dá)生命檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。電磁波照射人體后，其反射波中必然加載人體的生理信息。人體微動(dòng)與回波幅度、相位等之間具有相關(guān)性，而人體生理運(yùn)動(dòng)（如心跳、呼吸）會(huì)引起人體表面微動(dòng)。發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)混頻后得到一反映了目標(biāo)距離和人體生命特征的調(diào)相信號(hào)。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波、檢波等處理，就可以得到人體的生命信息。

理想線性調(diào)頻信號(hào)的頻率為[5]：發(fā)射信號(hào)可描述為：

其中θ0為初相。回波信號(hào)是發(fā)射信號(hào)的延遲，并由于人體微動(dòng)而引起信號(hào)的相位變化，設(shè)此變化為θ(t)，即

人體正常生理變化如呼吸、心跳都將會(huì)引起人體胸壁的顫動(dòng)，這反映在回波信號(hào)中就是瞬時(shí)相位隨時(shí)間的變化。對(duì)低頻窄帶準(zhǔn)周期微弱信號(hào)θ(t)分析，可以得到一些具有臨床價(jià)值的生理參數(shù)。

人體目標(biāo)的調(diào)相回波信號(hào)形式為：

表1 單目標(biāo)時(shí)的測(cè)距結(jié)果

2 計(jì)算機(jī)仿真分析

仿真分析中，LFMCW雷達(dá)的工作波長(zhǎng)為8mm，發(fā)射信號(hào)調(diào)頻帶寬為200MHz，調(diào)頻周期為0.02ms，最大作用距離為3km，理論距離分辨力為0.75m，c為光速。設(shè)定人體的微動(dòng)頻率為60Hz, 微動(dòng)變化為

2.1 目標(biāo)測(cè)距

設(shè)定距離范圍為5.00～12.00m，目標(biāo)間最小距離間隔為5cm，距離分辨力為0.15m，目標(biāo)為單目標(biāo)時(shí)的測(cè)距結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 頻域測(cè)距的良好抗噪性能

在回波信號(hào)中加入隨機(jī)高斯白噪聲后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由圖2可以發(fā)現(xiàn)噪聲在時(shí)域內(nèi)對(duì)信號(hào)的影響比較明顯，但在頻域中其影響只是在原信號(hào)的頻譜上疊加了一個(gè)分布分散的基底，這對(duì)于進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別及目標(biāo)測(cè)距是沒(méi)有影響的，因此，在信噪比一定的情況下，頻域測(cè)距比時(shí)域測(cè)距有更強(qiáng)的抗噪性能。

2.2 生命信號(hào)的檢測(cè)

人體目標(biāo)的回波信號(hào)是一調(diào)相信號(hào)，人體微動(dòng)變化以調(diào)相波的形式調(diào)制到雷達(dá)信號(hào)上，根據(jù)調(diào)制解調(diào)理論，在獲得人體目標(biāo)回波后進(jìn)行檢波，可以得到人體生命信息。圖3所示為檢測(cè)到的生命參數(shù)信號(hào)。

圖3 生命信號(hào)的檢測(cè)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用現(xiàn)有的雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行不同目標(biāo)實(shí)驗(yàn)。所采用的調(diào)頻電壓如圖4所示：T=0.02ms，產(chǎn)生一個(gè)起始頻率為35GHz，調(diào)頻帶寬為207MHz，調(diào)頻周期為0.02ms的線性調(diào)頻雷達(dá)信號(hào)。以木質(zhì)音箱模擬人體目標(biāo)，用雷達(dá)對(duì)其進(jìn)行照射，記錄該目標(biāo)在不同距離處(分別是2m、4m、8m)得到的中頻信號(hào)，如圖5所示。

圖4 調(diào)頻電壓信號(hào)

回波信號(hào)混頻得到的波形、對(duì)不同距離處的信號(hào)進(jìn)行FFT分析（FFT點(diǎn)數(shù)相同），結(jié)果如圖5所示。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出結(jié)論：目標(biāo)的距離與回波信號(hào)的頻率之間存在著某種對(duì)應(yīng)關(guān)系，這證明采用調(diào)頻連續(xù)波可以得到目標(biāo)的距離參數(shù)。

為驗(yàn)證信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，以木質(zhì)音箱模擬人體目標(biāo)，以揚(yáng)聲器的震動(dòng)模擬人體胸壁的運(yùn)動(dòng)，以0.2Hz、2Hz的正弦波為振蕩源信號(hào)，分別在距離雷達(dá)2m和4m處進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持雷達(dá)發(fā)射功率不變，正弦信號(hào)幅值不變。檢測(cè)得到的信號(hào)波形如圖6、7所示。

檢測(cè)得到的波形基本反映了目標(biāo)的微動(dòng)規(guī)律，但距離越遠(yuǎn)噪聲影響越大，會(huì)使信號(hào)失真甚至淹沒(méi)被檢測(cè)信號(hào)，對(duì)檢測(cè)非常不利。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在一定的信噪比條件下，可以有效地檢測(cè)到有關(guān)人體生理活動(dòng)的信息，證明該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性，檢測(cè)結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖5 不同距離(2m、4m、8m)目標(biāo)的測(cè)距結(jié)果

圖6 2m處得到的信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

圖7 4m處得到的信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

仍采用前面的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以健康男性青年為測(cè)試對(duì)象，以期實(shí)現(xiàn)其生命信號(hào)的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中得到的微動(dòng)信號(hào)與引起胸壁運(yùn)動(dòng)的心跳、呼吸運(yùn)動(dòng)具有一定的相關(guān)性。對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行FFT分析，結(jié)果如圖8所示；分別記錄了人體自由呼吸和屏住呼吸時(shí)得到的不同結(jié)果，如圖9、10所示（目標(biāo)距離為3m）：

圖8 人體目標(biāo)測(cè)距分析

圖9 自由呼吸時(shí)的人體微動(dòng)信號(hào)

圖10 屏住呼吸時(shí)的人體微動(dòng)信號(hào)

對(duì)比兩種情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：自由呼吸時(shí)，第一路信號(hào)與人體的呼吸波形大致相同，第二路信號(hào)反映了人體心跳和呼吸等引起的胸壁運(yùn)動(dòng)。屏住呼吸時(shí)由于呼吸動(dòng)作的停止，第一路信號(hào)近似是一條平坦曲線，而第二路信號(hào)與人體的心動(dòng)變化曲線大致相同。這也體現(xiàn)了該技術(shù)的臨床應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面證明了線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)用于人體生命參數(shù)檢測(cè)的可行性和可實(shí)現(xiàn)性，分析了該技術(shù)的臨床應(yīng)用價(jià)值。本文所提出的人體檢測(cè)技術(shù)，為設(shè)計(jì)LFMCW雷達(dá)的人體檢測(cè)系統(tǒng)提供了依據(jù)，對(duì)深入研究LFMCW雷達(dá)在人體檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

該技術(shù)對(duì)被測(cè)量對(duì)象無(wú)任何約束，無(wú)需接觸性電極、傳感器、電纜等的連接，而且可以隔一定的距離、一定的介質(zhì)（如衣服、紗布等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此不僅在臨床醫(yī)學(xué)上有重要的應(yīng)用價(jià)值，在急救醫(yī)學(xué)、災(zāi)難醫(yī)學(xué)、家庭醫(yī)學(xué)領(lǐng)域同樣具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 王健琪.呼吸、心率的雷達(dá)式非接觸檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2001,25(3):132-135.

[2] 陳宇杰,王健琪,路國(guó)華.雷達(dá)式生命探測(cè)儀中強(qiáng)雜波對(duì)消技術(shù)的方針研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2005,(11):19-21.

[3] Hsueh-Jyh,Gen-Tay Huang. Image of Objects Buried in a Finite-Sized Dielectric Background[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1994, 32(6): 1133-1138.

[4] M Miyakawa. Tomographic measurement of temperature change in phantoms of the human body by chirp radar-type microwave computed tomograph[J]. Med-Biol-Eng-Comput,1993, 31(8): 31-36.

[5] 丁鷺飛,耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1997.

[6] 陳祝明,丁義元,向敬成.提高線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距精度的最大值估值算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),1999,21(6): 23-25.

[7] 陳祝明,丁義元,向敬成.線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的噪聲性能分析[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),1999,28(1):17-20.

[8] 熊昕,等.動(dòng)態(tài)心電信號(hào)干擾的識(shí)別研究[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備, 2010,25(3):34-36.

[9] 路國(guó)華,王健琪.生物雷達(dá)技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].國(guó)外醫(yī)學(xué)(生物醫(yī)學(xué)工程分冊(cè)),2004,(6):87-90.

Application of LFMCW Radar to Life-Parameters Detection

CHEN Pei-xin, LI Yi-yong, MI Yong-wei
Medical Engineering Department, Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Region,Wuhan 430070,China

We acquire life-parameters by the application of LFMCW radar on human under the guidance of computer simulation technology. We analyze the application prospect by the results of the experiment.

Radar; linear frequency modulated continuous wave; radar life detection system; lifeparameters test

R319

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.05.018

1674-1633(2011)05-0069-03

2010-11-10

2011-02-23

本文作者：陳培昕，主管技師，主要從事醫(yī)療儀器的維修和開(kāi)發(fā)。

作者郵箱：fmmucpx@sohu.com