雷達(dá)式氣胸檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 楊，于 霄，呂 昊，李 釗，路國華，李 盛，王健琪，焦 騰

雷達(dá)式氣胸檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 楊，于 霄，呂 昊，李 釗，路國華，李 盛，王健琪，焦 騰

目的:為解決戰(zhàn)爭和災(zāi)害現(xiàn)場傷員氣胸快速檢測和診斷的難題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種雷達(dá)式氣胸快速檢測系統(tǒng)。方法:采用微功率超寬譜雷達(dá)和生物醫(yī)學(xué)信號處理技術(shù)，根據(jù)肺組織在正常情況與氣胸病理狀態(tài)下的超寬譜電磁特性差異，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。結(jié)果:該系統(tǒng)對氣胸模擬模型檢測的正確率達(dá)到64.3%。結(jié)論:該方法及系統(tǒng)在功能上實(shí)現(xiàn)了氣胸的早期快速檢測，對戰(zhàn)場便攜式氣胸快速診斷設(shè)備研發(fā)具有重要意義。

超寬譜；雷達(dá)；氣胸檢測

0 引言

戰(zhàn)爭和災(zāi)難現(xiàn)場的氣胸特別是張力性氣胸（tension pneumothorax，TPT）[1]是一種危及生命的急癥，如果處理不及時(shí)通常會加重傷員呼吸、循環(huán)等系統(tǒng)重要臟器生理功能紊亂，導(dǎo)致傷員死亡[2]。氣胸也是胸部戰(zhàn)創(chuàng)傷早期的主要死亡原因之一，在戰(zhàn)爭中，其死亡率占胸部傷死亡率的5%以上，其中70%是由于救護(hù)不及時(shí)而引起的死亡[3-4]。因此，對于TPT的早期現(xiàn)場診斷和及時(shí)處理就顯得尤其重要。

目前，臨床上用來診斷氣胸的傳統(tǒng)方法是X線胸片、CT、超聲等[5-8]。胸片是氣胸最常用的診斷手段，但其敏感性和準(zhǔn)確度不夠高[9]。CT檢查是氣胸診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，但CT機(jī)體積大、不便攜，需要搬運(yùn)危重患者才能完成檢測[10]。超聲檢查方便、快捷，但診斷醫(yī)師對于超聲影像的主觀判斷影響結(jié)果的準(zhǔn)確性[11]。因此，3種傳統(tǒng)的檢測方式均不適用于戰(zhàn)爭和災(zāi)害救援現(xiàn)場的氣胸診斷，迫切需要一種新的便攜式氣胸檢測技術(shù)來解決當(dāng)前戰(zhàn)創(chuàng)傷醫(yī)學(xué)界面臨的難題。

微功率超寬譜（ultra wide band，UWB）技術(shù)以其非接觸、可穿透及可從回波信號中獲取目標(biāo)距離、速度和精細(xì)結(jié)構(gòu)信息等特點(diǎn)而非常適用于解決這一難題[12-13]。本文從戰(zhàn)爭、災(zāi)害現(xiàn)場的傷員氣胸快速檢測需求出發(fā)，融合微功率雷達(dá)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)信號處理技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種張力性氣胸快速檢測系統(tǒng)，包括脈沖源、控制模塊、接收機(jī)、超寬譜探測天線、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和數(shù)據(jù)分析模塊等。本研究對戰(zhàn)場及災(zāi)害現(xiàn)場便攜式氣胸快速診斷設(shè)備研發(fā)具有重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超寬譜沖擊信號近場目標(biāo)探測原理如圖1所示。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生窄脈沖信號，該信號通過發(fā)射天線輻射出去，發(fā)射脈沖到達(dá)人體表面，并依次經(jīng)過皮膚、脂肪、肌肉、骨骼和肺等不同組織。在氣胸狀態(tài)下，肺組織的相對介電常數(shù)約為20；而在正常情況下，該常數(shù)約為46。根據(jù)2種情況下相對介電常數(shù)的差異，從肺組織表面返回的接收信號的大小會存在差異。這種接收信號經(jīng)過接收天線被送到接收機(jī)，由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的另一路信號經(jīng)過延時(shí)電路產(chǎn)生距離門，通過距離門控制技術(shù)對接收信號進(jìn)行選擇，隨后信號通過積分電路進(jìn)行脈沖積累，這樣微弱信號被檢測出來，我們將檢測出來的微弱信號經(jīng)高速采集卡采樣后送入數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行分析處理并給出最后診斷結(jié)果。

2 子模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，由超寬譜探測天線、脈沖源、控制模塊、接收機(jī)、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊等組成?？刂颇K控制脈沖源產(chǎn)生窄脈沖，通過發(fā)射天線輻射出去?；夭ㄐ盘柾ㄟ^接收天線進(jìn)入接收機(jī)，控制模塊通過信號采集觸發(fā)控制接收機(jī)的信號采集，隨后信號進(jìn)入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊進(jìn)行放大、濾波等信號預(yù)處理，最后進(jìn)入數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行信號分析。

圖1 超寬譜沖擊信號近場目標(biāo)探測原理圖

圖2 系統(tǒng)原理框圖

（1）脈沖源：采用AvTech公司的AVM-2-C型脈沖源，其輸出脈沖可由ECL電平外部觸發(fā)，脈寬在0.2～2 ns、幅度在0～15 V范圍內(nèi)可調(diào)。

（2）控制模塊：控制模塊采用ARM9 2410處理器作為主控單元，結(jié)合輔助控制電路，產(chǎn)生用于控制脈沖源的外部觸發(fā)信號，控制脈沖源生成所需的超寬譜窄脈沖。超寬譜窄脈沖脈寬為0.2ns，幅度為4V，以保證超寬譜探測需要。同時(shí)，控制模塊可向接收機(jī)（存儲示波器）發(fā)送數(shù)據(jù)采集信號。

（3）超寬譜探測天線：對于超寬譜微波近場探測，要求探頭尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、具有超寬譜頻率特性?？紤]到本系統(tǒng)所使用脈沖寬度在0.2 ns左右，在喇叭天線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將發(fā)射與接收天線進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)緊湊、工作頻段為1～20 GHz的新型組合超寬譜探頭。該探頭由2個(gè)并排設(shè)置的喇叭天線組合而成，分別負(fù)責(zé)超寬譜信號的發(fā)射與目標(biāo)散射信號的接收。為了使結(jié)構(gòu)更加緊湊，組合探頭中的每個(gè)喇叭天線均可通過鏡像原理設(shè)計(jì)為半喇叭天線結(jié)構(gòu)。其中，鏡像面板與同軸接頭的外導(dǎo)體相接，具有指數(shù)漸變結(jié)構(gòu)的一個(gè)喇叭臂板與同軸接頭的內(nèi)導(dǎo)體相接，喇叭臂板末端通過電阻加載，構(gòu)成低頻補(bǔ)償回路。

（4）接收機(jī)：接收天線將接收到的高頻信號傳給接收機(jī)，接收機(jī)采用Agilent公司54855A存儲示波器，具有20 GSa/s取樣頻率及2 MB存儲深度。存儲示波器由控制模塊進(jìn)行控制，將采集到的信號存入數(shù)據(jù)文件，并發(fā)送至數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，用于數(shù)據(jù)分析處理。

（5）數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊：從接收機(jī)獲取目標(biāo)信號，運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理程序?qū)δ繕?biāo)信號預(yù)處理，去除直達(dá)波及直流信號，并將預(yù)處理后的信號送到數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算和分析。

3 信號處理與分析

發(fā)射天線將來自脈沖源的窄脈沖信號轉(zhuǎn)換成電磁超寬譜脈沖發(fā)射出去，到達(dá)人體胸部并經(jīng)過各種組織。當(dāng)信號到達(dá)電參數(shù)不同的2種介質(zhì)分界面時(shí)，一部分信號透過界面繼續(xù)向前傳播，另一部分信號被反射回去。透射和反射信號的能量分別由下式給出：

其中，Ei是入射波的能量，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)的計(jì)算分別如下式所示：

其中，εr1和εr2是2種介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

當(dāng)有氣胸產(chǎn)生時(shí)，胸部會有一塊介電常數(shù)異常區(qū)域，這種電參數(shù)的異常會在雷達(dá)回波中有所反應(yīng)。這樣，通過處理和分析反射回來的超寬帶雷達(dá)信號，系統(tǒng)就能判斷組織分界處的情況是否發(fā)生變化。這種處理和分析思路為：連續(xù)分時(shí)采集900組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)采樣8 192點(diǎn)，每組對應(yīng)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)取平均，形成一組一維時(shí)間變量的8 192點(diǎn)數(shù)據(jù)；對信號進(jìn)行數(shù)字帶通濾波處理；進(jìn)行功率積分，計(jì)算信號的平均功率；再對各點(diǎn)數(shù)據(jù)作瞬時(shí)功率積分，求各瞬時(shí)功率的各極大值點(diǎn)；根據(jù)信號的各極大值與總能量的相對關(guān)系，來判斷是否存在氣胸以及粗略的估計(jì)肺中空氣量的多少。

數(shù)據(jù)分析模塊的具體工作流程如圖3所示。初始化設(shè)置，設(shè)置采樣道數(shù)N=0，采樣點(diǎn)數(shù)M=0。（1）觸發(fā)脈沖源，發(fā)射超寬譜脈沖，同時(shí)向接收機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集信號，連續(xù)采樣8 192點(diǎn)數(shù)據(jù)并保存，每采樣一點(diǎn)，采樣點(diǎn)數(shù)M+1，直到完成所有8 192點(diǎn)的采樣；將采樣道數(shù)N+1，并設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)M=0；（2）重復(fù)（1）操作，直到采樣道數(shù)N=900；（3）針對每道采樣數(shù)據(jù)的對應(yīng)點(diǎn)取平均，得出一組一維的8 192點(diǎn)數(shù)據(jù)；（4）為避免直達(dá)波干擾，去掉前192個(gè)數(shù)據(jù)，剩余的8 000點(diǎn)數(shù)據(jù)以每連續(xù)40個(gè)數(shù)據(jù)為一組求和取平均，獲得一組一維200點(diǎn)數(shù)據(jù)；（5）對200點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并求能量；（6）求能量的極值點(diǎn)，并求第5極大值點(diǎn)與總能量的比值；（7）該比值的大小和肺中空氣量成正比關(guān)系；（8）根據(jù)肺中的空氣量給出是否為張力性氣胸的結(jié)果。

圖3 數(shù)據(jù)分析模塊工作流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用電磁參數(shù)和人體組織相近的溶液模擬各種胸部組織，建立了氣胸模擬人探測模型。通過改變胸腔氣體體積和厚度來模擬不同程度的氣胸患者和正常人體。采用雷達(dá)式氣胸快速檢測系統(tǒng)對模擬人進(jìn)行檢測，共采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)56組，信號處理和分析后給出探測結(jié)果，56組數(shù)據(jù)的氣胸檢測正確率為64.3%。

圖4、5為利用本文所述系統(tǒng)采集的2組信號處理后的200點(diǎn)能量圖，其中圖4為對模擬正常人模型的探測結(jié)果，圖5為對模擬氣胸模型的探測結(jié)果。根據(jù)圖上第5極大值點(diǎn)與總能量的比值即可判斷是否存在氣胸。

圖4 模擬正常人信號處理后的能量圖

圖5 模擬氣胸患者信號處理后的能量圖

5 結(jié)論

本文提出了利用超寬譜微功率雷達(dá)技術(shù)來檢測氣胸這一難題，將雷達(dá)技術(shù)與醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)相結(jié)合，建立了氣胸雷達(dá)信號檢測與特征提取技術(shù)方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于超寬譜雷達(dá)的便攜式張力性氣胸檢測系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明了該方法和系統(tǒng)的有效性。

同時(shí)，該系統(tǒng)還存在一些問題需要解決。雷達(dá)發(fā)射的超寬譜電磁脈沖經(jīng)過6種不同電磁特性的人體組織散射和反射后，骨-肺界面的反射信號到達(dá)雷達(dá)接收探頭時(shí)，有效信號被淹沒在強(qiáng)噪聲信號中，如何提取出該有用信號是超寬譜雷達(dá)診斷氣胸技術(shù)中的一個(gè)難題。針對這一難題，我們下一步計(jì)劃采用變換域積累技術(shù)提高信噪比，采用非平穩(wěn)生物醫(yī)學(xué)信號處理技術(shù)，特別是聯(lián)合相空間分析、Hilbert-Huang Transform算法，提高特征參數(shù)的提取能力；采用小波變換技術(shù)，對不同尺度下小波分解系數(shù)的閾值量化處理，突出原信號中的特征細(xì)節(jié)變化，以進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)節(jié)識別能力。

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（收稿：2014-10-09 修回：2015-01-20）

Design and implementation of radar system for pneumothorax detection

ZHANG Yang,YU Xiao,LYU Hao,LI Zhao,LU Guo-hua,LI Sheng,WANG Jian-qi,JIAO Teng
(School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

ObjectiveTo design a radar system for pnumothorax detection for military and disaster rescue.MethodsThe system involved in micro-power ultra-wide band radar technology and biomedical signal processing,as well as the principle that lung tissue had different ultra-wide band electromagnetic features in normal condition and in pneumothorax condition.ResultsThe trials on pneumothorax model proved that the system had the accuracy as 64.3%.ConclusionThe system realizes rapid and early detection of pneumothorax,and lays a foundation for the development of portable pneumothorax diagnostic device for battlefield medical support.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（6）：18-20]

ultra-wideband;radar;pneumothorax detection

R318.6；TH776；TP274

A

1003-8868（2015）06-0018-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.018

軍隊(duì)后勤科研課題（CWS12J019）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61201382，61327805）

張 楊（1978—），男，博士，主要從事非接觸生物醫(yī)學(xué)信號檢測方面的研究工作，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，于 霄，呂 昊，李 釗，路國華，李 盛，王健琪，焦 騰）

焦 騰，E-mail:jiaoteng@fmmu.edu.cn