人體氣胸模型的超寬譜雷達(dá)探測(cè)研究

張　楊，呂　昊，于　霄，焦　騰，薛慧君，王健琪

人體氣胸模型的超寬譜雷達(dá)探測(cè)研究

張楊，呂昊，于霄，焦騰，薛慧君，王健琪

目的：驗(yàn)證采用超寬譜（ultra wideband，UWB）沖擊雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)氣胸的可行性。方法：根據(jù)正常成年人的解剖結(jié)構(gòu)，采用在容器中盛裝液體并在液體中插入各種厚度空氣腔的方式建立不同嚴(yán)重程度的人體氣胸模型，采用UWB沖擊雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)模型進(jìn)行檢測(cè)，得到模擬正常胸部組織和氣胸組織的UWB檢測(cè)波形圖和偽彩圖。結(jié)果：從檢測(cè)波形圖和偽彩圖可以看出，隨著空氣腔厚度的增加，信號(hào)能量越來越小，模擬正常組織和氣胸組織的信號(hào)區(qū)別明顯。結(jié)論：采用UWB沖擊雷達(dá)可以檢測(cè)區(qū)別模擬的正常胸部組織和氣胸組織，并可對(duì)氣胸嚴(yán)重程度進(jìn)行簡單的區(qū)分判斷，該研究對(duì)后續(xù)便攜式氣胸快速診斷UWB雷達(dá)研發(fā)有重要意義。

超寬譜；雷達(dá)；氣胸模型；檢測(cè)

0　引言

氣胸是呼吸科急診常見的疾病，幾乎所有的肺部疾病以及外力都可能導(dǎo)致氣胸。有些特殊類型的氣胸，如張力性氣胸，若不能早期發(fā)現(xiàn)，則往往會(huì)貽誤最佳治療時(shí)機(jī)，其病死率極高。因此盡早發(fā)現(xiàn)氣胸，及時(shí)采取正確的治療方法才能最大限度地治愈氣胸。

目前，臨床上用來診斷氣胸的傳統(tǒng)方法是X線胸片、CT和超聲[1-4]。X線胸片是氣胸常用的診斷手段，患者必須要接受X線照射，且其分辨能力不高[5]。超聲檢查方便、快捷，但需要結(jié)合醫(yī)生對(duì)超聲影像的主觀判斷，主觀性較強(qiáng)[6]。CT是氣胸診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，但CT機(jī)體積大、不便攜，需要搬運(yùn)患者才能完成檢測(cè)[7]。因此以上3種方式均不適用于戰(zhàn)場(chǎng)、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)等突發(fā)情況下的傷員快速、準(zhǔn)確氣胸檢測(cè)，迫切需要一種新的便攜式氣胸快速檢測(cè)技術(shù)。有研究小組采用超寬譜（ultra wideband，UWB）雷達(dá)技術(shù)對(duì)張力性氣胸進(jìn)行了檢測(cè)研究，取得了一定的效果，顯示出便攜式UWB技術(shù)在這一領(lǐng)域的潛力[8-10]。

本文基于這一原理，根據(jù)正常成年人的解剖結(jié)構(gòu)和組織介電常數(shù)，建立了人體胸部空氣腔模型，采用UWB沖擊雷達(dá)對(duì)不同厚度的空氣腔進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了采用UWB沖擊雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行氣胸快速檢測(cè)的可行性。

1　檢測(cè)原理

當(dāng)UWB雷達(dá)信號(hào)穿過組織時(shí)，信號(hào)幅度以因子eαz指數(shù)衰減，其中α是組織的衰減常數(shù)，z代表距離。當(dāng)信號(hào)到達(dá)介電性質(zhì)不同的2種組織界面時(shí)，一部分信號(hào)透過界面繼續(xù)向前傳播，另一部分信號(hào)被反射回去。透射信號(hào)和反射信號(hào)分別由式（1）和（2）給出：

式中，Ei是入射波，τ是透射系數(shù)，Γ是反射系數(shù)。透射系數(shù)和反射系數(shù)分別由式（3）和（4）給出：

式中，εr1和εr2是2種組織的相對(duì)介電常數(shù)，這樣通過反射回來的UWB信號(hào)，雷達(dá)就能確定組織分界處的情況是否發(fā)生了變化。根據(jù)這一原理，我們建立了模擬氣胸發(fā)生時(shí)的胸部組織分界模型。

2　實(shí)驗(yàn)方法

2.1模型建立

首先建立人體胸部簡易模型，模型為長方體敞口容器，通過在容器中盛裝介電常數(shù)與胸部主要組織介電常數(shù)相近的溶液來模擬正常胸部組織，另制作厚度不一的密閉長方體空氣腔薄片若干，通過將空氣腔薄片插入液體中來模擬不同厚度的氣胸。再采用UWB沖擊雷達(dá)對(duì)人體胸部空氣腔模型進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證雷達(dá)對(duì)模擬的正常組織和不同厚度空氣腔的檢測(cè)能力。

建立的人體胸部簡易模型如圖1所示，根據(jù)正常成年人的解剖結(jié)構(gòu)，胸部模型的寬度為兩肱骨頭之間的距離，高度為鎖骨到肋下緣間沿腋窩線的垂直高度，厚度為前后胸壁之間的距離。通過對(duì)正常成年男性以上解剖數(shù)據(jù)的測(cè)量，確定模型的寬度、高度和厚度分別為：34、37和22 cm，如圖1（a）所示。圖1（b）為空氣腔薄片，寬度和高度與胸部模型的尺寸一致，這樣空氣腔薄片可以緊貼胸部模型的前表面插入液體中來模擬氣胸的發(fā)生?？諝馇槐∑还仓谱?片，根據(jù)1993年英國胸腔學(xué)會(huì)指南中對(duì)氣胸氣量的劃定及判定標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)擴(kuò)展并考慮極限情況，設(shè)計(jì)薄片中的空氣厚度分別為0.5、1、1.5、2、2.5和3 cm共6種。

圖1　人體胸部模型

2.2UWB檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法

本文采用的檢測(cè)系統(tǒng)為單基地時(shí)域UWB沖擊雷達(dá)，其原理框圖如圖2所示。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一定脈沖重復(fù)頻率（pulse repetition frequency，PRF）的時(shí)域脈沖，被送到發(fā)射機(jī)整形后通過發(fā)射天線輻射出去；與此同時(shí)，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖被送到延時(shí)單元產(chǎn)生距離門；在距離門的觸發(fā)下，接收機(jī)開始工作，對(duì)接收到的回波進(jìn)行采樣；采樣后的信號(hào)經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog digital converter，ADC）進(jìn)行高速轉(zhuǎn)換，并通過Wi-Fi發(fā)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和后處理。

圖2UWB雷達(dá)原理框圖

發(fā)射和接收天線為蝶形極化天線。時(shí)域高斯脈沖的平均發(fā)射功率為5 mW，PRF為250 kHz，脈沖時(shí)長為5ns。發(fā)射脈沖的中心頻率400MHz，帶寬200MHz。

人體胸部主要組織有皮膚、皮下組織、血液、心臟、肺等，它們?cè)?20 MHz電磁波照射下的介電常數(shù)見表1。

表1　人體胸部主要組織的介電常數(shù)（320 MHz）

因?yàn)樾夭拷M織主要由水、血液及各種體液組成，其平均介電常數(shù)為50～80，而本文主要研究UWB雷達(dá)對(duì)空氣-非空氣介質(zhì)分界面的檢測(cè)能力，具體胸部組織介電常數(shù)值的大小并不是我們關(guān)注的重點(diǎn)，因此本文采用單一均勻介質(zhì)水來近似模擬人體胸部組織，水隨著溫度的升高其相對(duì)介電常數(shù)為55～87。

將水注入人體胸部空氣腔模型，近似模擬正常人體胸部組織，將各種厚度的空氣腔薄片插入模型的前表面內(nèi)側(cè)來模擬不同程度的氣胸。采用前面所述的UWB檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)人體胸部氣胸模型進(jìn)行探測(cè)。UWB雷達(dá)正對(duì)模型并緊貼模型前表面外側(cè)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)時(shí)窗設(shè)置為20 ns，每次探測(cè)時(shí)長為10 s。由于模型厚度為22 cm（對(duì)應(yīng)時(shí)窗約為2 ns），所以采樣回來的數(shù)據(jù)只需要截取到4 ns（約為60 cm）即可以反映人體胸部模型的內(nèi)部變化情況以及對(duì)模型后面一段距離波形的影響情況。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

UWB雷達(dá)對(duì)不同厚度空氣腔模型的檢測(cè)結(jié)果波形圖如圖3所示，圖3（a）～（f）分別表示空氣腔厚度依次從0.5 cm增加到3.0 cm的情況。可以看到從圖3（a）～（f），隨著空氣腔厚度的增加，波形幅值越來越小，第一個(gè)波峰的位置越來越后移，這是由于空氣厚度增加造成的第一個(gè)空氣-液體分界面后移所致；另外從圖3（a）～（f）每幅圖在約1.5 ns處均有一個(gè)相位改變，即幅值由負(fù)變正，而1.5 ns對(duì)應(yīng)的距離為22.5 cm，與模型厚度吻合，因此該相位改變可能是由于電磁波經(jīng)過胸部模型后表面的液體-空氣分界面所致。

為了對(duì)比，我們還探測(cè)了純液體（如圖3（g）所示）的情況。純液體波形圖相位變化很大，甚至在1.5 ns處出現(xiàn)了相位由正變負(fù)的過程，這與圖3（a）～（f）恰好相反。這說明空氣腔體的存在對(duì)模型探測(cè)波形的影響很大，即氣胸與正常胸部組織的波形差異大，這也說明采用UWB雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)識(shí)別正常胸部組織和氣胸組織的可行性。

UWB雷達(dá)對(duì)不同厚度空氣腔模型的檢測(cè)偽彩圖如圖4所示，圖4（a）～（f）分別表示空氣腔厚度依次從0.5 cm增加到3.0 cm的情況，圖4（g）為純液體。可以看出從圖4（a）～（f），隨著空氣腔厚度的增加，信號(hào)總能量越來越小，暖色條紋越來越少，偽彩圖總體上由暖色漸變?yōu)槔渖?；從圖4（g）可以看出，信號(hào)能量很大，與模擬氣胸的偽彩圖區(qū)別明顯，這與檢測(cè)波形圖一致。

圖3　UWB雷達(dá)對(duì)不同厚度空氣腔及純液體的檢測(cè)波形圖

圖4　UWB雷達(dá)對(duì)不同厚度空氣腔及純液體的檢測(cè)偽彩圖

4　結(jié)論

本文采用UWB沖擊雷達(dá)對(duì)人體胸部空氣腔模型進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模型中空氣腔體的存在對(duì)探測(cè)波形的影響很大，即氣胸與正常胸部組織的波形差異大，該結(jié)果證明了采用UWB沖擊雷達(dá)對(duì)氣胸和正常胸部組織檢測(cè)識(shí)別的可行性。在模擬不同厚度氣胸的探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)隨著空氣腔厚度的增加，雷達(dá)回波幅值變小；且第一個(gè)波峰的位置越來越后移，分析可知這是由于空氣厚度增加造成的第一個(gè)空氣-液體分界面后移所致；而UWB沖擊雷達(dá)回波可以檢測(cè)出這種分界面位置的變化，因此可利用該特性研制氣胸檢測(cè)UWB沖擊雷達(dá)。在后續(xù)工作中，我們還計(jì)劃進(jìn)行氣胸實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和氣胸

（????）（????）患者的UWB沖擊雷達(dá)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證UWB沖擊雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于生命體氣胸檢測(cè)的可行性。

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（收稿：2015-02-03修回：2015-05-17）

Research of human pneumothorax model detection using ultra wideband radar

ZHANG Yang,LYU Hao,YU Xiao,JIAO Teng,XUE Hui-jun,WANG Jian-qi
（School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China）

Objective To prove the feasibility of ultra wideband impulse radar for detecting human pneumothorax.Methods Simulated human pneumothorax models were built according to normal human structure with some liquid and airfilled cavities with different thickness in a container,which were measured with ultra wideband impulse radar system,and then the obtained waveform and pseudo color results were analyzed.Results It's proved that the signal energy decreased as the airfilled cavity thickness increased and there was significant difference between the signals of simulated normal and pneumothorax tissues.Conclusion It's found ultra wideband impulse radar can be used to distinguish between normal breast tissues and pneumothorax ones and to define the severity of pneumothorax preliminarily,and the finding is of great significance for the development of portable ultra wideband radar for pneumothorax rapid diagnosis.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（10）：11-13，70]

ultra wideband;radar;pneumothorax model;detection

[中國圖書資料分類號(hào)]R318；R44A

1003-8868（2015）10-0011-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.10.011

后勤科研課題（CWS12J019）；國家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)（61327805）

張楊（1978—），男，博士，副教授，主要從事非接觸生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)方面的研究工作，E-mail：yangzhang@fmmu.edu.cn。

710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（張楊，呂昊，于霄，焦騰，薛慧君，王健琪）

王健琪，E-mail：wangjq@fmmu.edu.cn