非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用展望

張 楊，呂 昊，梁福來，焦 騰，于 霄，李 釗，王健琪

（空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，西安 710032）

0 引言

戰(zhàn)爭或重大災(zāi)害事故發(fā)生后的第一要?jiǎng)?wù)是迅速發(fā)現(xiàn)傷員并對其傷情進(jìn)行檢測和評估，這是減少傷亡率的關(guān)鍵。戰(zhàn)場傷員中很大一部分是因?yàn)槭軅笪幢患皶r(shí)發(fā)現(xiàn)而導(dǎo)致死亡的，因此快速找到傷員并進(jìn)行傷檢分類和正確救治可大大降低傷員死亡率。

戰(zhàn)場搜救水平的高低反映出一個(gè)國家搜救系統(tǒng)的完善合理程度、搜救裝備的性能優(yōu)劣、搜救人員的素質(zhì)高低以及各要素互相協(xié)調(diào)的綜合能力[1]。戰(zhàn)場搜救的意義主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）戰(zhàn)場搜救體現(xiàn)以人為本的思想。人是戰(zhàn)爭中最重要的因素，是作戰(zhàn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，任何時(shí)候保護(hù)作戰(zhàn)人員的生命安全都應(yīng)該是最優(yōu)先考慮的。只有盡量縮短救援時(shí)間，才有可能最大程度上將失事傷員從危險(xiǎn)境地中救出來，時(shí)間拖得越久，造成的損失就越大。（2）戰(zhàn)場搜救是聯(lián)合作戰(zhàn)的重要保障力量。人員的成功救援是一種無形的、從戰(zhàn)術(shù)層面上升到戰(zhàn)略層面的力量倍增器，是提高部隊(duì)士氣、凝聚力和戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵要素。（3）戰(zhàn)場搜救有助于提升國家軟實(shí)力。動(dòng)用衛(wèi)勤力量參與海外救援和公共衛(wèi)生事務(wù)，包括海外撤僑、國外醫(yī)療援助等，可以進(jìn)一步擴(kuò)大“軟實(shí)力”。由此可見戰(zhàn)場搜救的重要性不言而喻，而戰(zhàn)場傷情探測是戰(zhàn)場搜救的首要任務(wù)和關(guān)鍵一環(huán)。

戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)包括傷員搜尋和傷情檢測評估2個(gè)方面，指戰(zhàn)爭或重大災(zāi)害發(fā)生后，第一時(shí)間搜索、發(fā)現(xiàn)傷員，對傷情進(jìn)行快速檢測評估和分類，以確保其被快速找到并得到正確救治的技術(shù)。從接觸與否上劃分，戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)包括接觸式傷情探測技術(shù)和非接觸式傷情探測技術(shù)。接觸式傷情探測技術(shù)因?yàn)樾枰姌O、傳感器、探頭、導(dǎo)線等接觸連接和配置，連接過程煩瑣、檢測較慢，不適用于復(fù)雜多變戰(zhàn)場一線環(huán)境的快速救治需求。而非接觸式傷情探測技術(shù)指傷員無需佩戴任何傳感器和電極，探測設(shè)備間隔一定距離主動(dòng)發(fā)射或被動(dòng)接收包含傷員位置、傷情等信息的信號(hào)，并進(jìn)行快速檢測評估和檢傷分類，為后續(xù)正確處理、后送提供科學(xué)依據(jù)的技術(shù)。非接觸式傷情探測技術(shù)具有對探測對象無約束、遠(yuǎn)距離、檢測方便快速等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。非接觸探測技術(shù)第一次用于戰(zhàn)場是在1945年夏美軍登陸進(jìn)攻沖繩島的戰(zhàn)役中，美軍利用剛剛裝備的紅外夜視儀在相隔很遠(yuǎn)距離的情況下，在黑夜中清楚地了解到日軍的人員位置及活動(dòng)情況等信息，從而為肅清沖繩島上的日軍發(fā)揮了重要作用[4]。

由于非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)可以應(yīng)用于以下場景：（1）戰(zhàn)場火力集中區(qū)、雷區(qū)、核生化等救援人員不適合進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域；（2）爆炸等造成建筑、工事倒塌后形成的廢墟壓埋等救援人員難以接近的區(qū)域；（3）城市作戰(zhàn)、反恐處突以及因燒傷、傳染病等不適合接電極的其他特殊應(yīng)用場景。

非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)從信號(hào)來源上可以劃分為基于聲學(xué)信號(hào)、基于光學(xué)信號(hào)、基于氣味信號(hào)和基于微波信號(hào)等4類傷情探測技術(shù)。其中以基于微波信號(hào)的檢測技術(shù)研究最為廣泛，其回波中包含的信息也最豐富。下面將分別介紹這4類非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)，并分不同頻段重點(diǎn)介紹基于微波信號(hào)的非接觸傷情探測技術(shù)，即生物雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用。

1 非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)分類

1.1 基于聲學(xué)信號(hào)的非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)

基于聲學(xué)信號(hào)的非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)可以大致分為2種，一種是音頻生命探測搜尋技術(shù)，一種是通過聲音進(jìn)行傷情診斷評估的技術(shù)。

音頻生命探測搜尋技術(shù)的典型裝備是音頻生命探測儀，如圖1所示[5]。其學(xué)名叫聲波/振動(dòng)探生儀[6]，原理是采用聲音、振動(dòng)傳感器在壓埋廢墟表面進(jìn)行全方位的振動(dòng)信息收集，探聽傷員微弱的呼救和掙扎信號(hào)，以達(dá)到非接觸無約束探測傷員的目的。它通過多個(gè)傳感器的分布式探測，根據(jù)每個(gè)傳感器回聲強(qiáng)弱對壓埋傷員進(jìn)行大致定位。正常人類的聽覺對聲波的敏感范圍是有限的，而音頻生命探測儀，也就是人們俗稱的“順風(fēng)耳”，則能清晰地聽到從1Hz到3000Hz的任何聲音，可以做到即使在大街上掉根針，它貼著地面也能聽得到。音頻生命探測儀的優(yōu)點(diǎn)是具有穿透廢墟的能力，靈敏度較高；缺點(diǎn)是壓埋人員必須發(fā)出聲音，其探測過程易受干擾，探測時(shí)需要非常安靜的現(xiàn)場環(huán)境。

圖1 音頻生命探測儀[5]

通過聲音進(jìn)行傷情診斷評估的技術(shù)目前正處于研究階段。很多心理或生理上的傷病都會(huì)讓人的發(fā)音變得模糊、聲音拉長、說話鼻音加重等，有的可能還會(huì)導(dǎo)致聲音出現(xiàn)短暫的顫動(dòng)，然而普通人類的聽覺并不能發(fā)現(xiàn)這種顫動(dòng)。這些聲紋變化信息為傷病的檢測評估提供了可能。有研究人員開始分析傷員大聲朗讀的剪輯音頻，力圖開發(fā)出一種能提取聲音特征的技術(shù)，通過對這些特征的提取捕捉，再經(jīng)過機(jī)器學(xué)習(xí)等算法進(jìn)行模式識(shí)別和匹配，最終給出診斷結(jié)果[7]。

1.2 基于光學(xué)信號(hào)的非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)

光學(xué)信號(hào)包括可見光、紅外線、紫外線等。可見光波長范圍為400～750 nm，如果波長從大到小排列的話依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，紅光波長最長，紫光波長最短。可見光是目前唯一人類可以用肉眼看得見的電磁波。比可見紅光波長長的是紅外光，紅外線波長范圍為750 nm～1 000 μm；比可見紫光波長短的是紫外光，波長范圍是10～400 nm。光學(xué)信號(hào)區(qū)域的電磁波既具有光學(xué)特性，又具有電子特性，因此其應(yīng)用十分廣泛。

在基于光學(xué)信號(hào)的非接觸傷員搜尋技術(shù)方面，主要以可見光和紅外線為信號(hào)載體來解決因光線無法到達(dá)或者能見度不足的問題，如夜間的傷員無約束尋找等，相關(guān)設(shè)備可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式設(shè)備自身發(fā)出光波等，接收反射波后通過信號(hào)處理形成圖像從而發(fā)現(xiàn)和探測傷員，如紅外夜視儀、蛇眼生命探測儀（如圖2所示）等[8-10]。被動(dòng)式設(shè)備本身不發(fā)射信號(hào)，而是利用微弱自然光或者目標(biāo)本身的紅外熱輻射成像，如微光夜視儀、熱成像儀（如圖3所示）[11]等。這些光學(xué)傷員搜尋技術(shù)的作用距離可從數(shù)米至數(shù)千米，但是無穿透能力。

圖2 蛇眼生命探測儀[8]

圖3 熱成像儀[11]

在基于光學(xué)信號(hào)的非接觸傷情檢測技術(shù)方面，有非接觸式血氧飽和度儀和紅外線體溫計(jì)等[12-13]。非接觸式血氧飽和度儀發(fā)射紅色可見光和紅外光，穿過人體外周部位組織到達(dá)與之相對的另一側(cè)的光傳感器。該設(shè)備利用人體組織含氧血紅蛋白對這2種波長的吸收率與不含氧血紅蛋白的差別這一性質(zhì)，可以計(jì)算出2種血紅蛋白的比例，從而得到傷員的血氧飽和度和脈搏。紅外體溫計(jì)則可以實(shí)現(xiàn)非接觸對人體溫度的測量，最常見的是額溫槍，只需將探頭在3～5 cm處對準(zhǔn)額頭，按下測量按鈕，幾秒鐘就可得到體溫?cái)?shù)據(jù)，非常適合急重病傷員、老人、嬰幼兒等使用。

1.3 基于氣味信號(hào)的非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)

在目前戰(zhàn)爭或?yàn)?zāi)害發(fā)生后的傷員搜索方面，搜救犬仍然是現(xiàn)場搜救行之有效的方法之一。犬對氣味的辨別能力比人高出百萬倍，除此以外，其聽力是人的18倍，且具有在光線微弱條件下視物的能力，是國際上普遍認(rèn)可的、搜救效果最好的“設(shè)備”之一。用搜救犬進(jìn)行傷員探測的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性高、靈敏度高，缺點(diǎn)是易受其他氣味干擾，且搜救犬本身容易疲勞，連續(xù)工作時(shí)間較短。

受搜救犬的啟發(fā)，人們研制出了氣味傳感器，基于氣味傳感器開發(fā)出來的氣體探測設(shè)備俗稱“電子鼻”[14]?！半娮颖恰敝饕蛇x擇性電化學(xué)傳感器陣列和相應(yīng)的識(shí)別方法等組成，如圖4所示[15]，目前應(yīng)用最廣泛的是金屬氧化物型傳感器?！半娮颖恰钡膽?yīng)用場合包括環(huán)境監(jiān)測、產(chǎn)品質(zhì)量檢測（如食品、煙草、發(fā)酵產(chǎn)品、香精香料等）、煤氣泄漏檢測、爆炸物檢測等[16-17]。目前有研究人員正試圖將“電子鼻”應(yīng)用于傷員傷情檢測[18]，其原理是氣味傳感器檢測到傷員身體發(fā)出的特征性氣味后，進(jìn)行氣味分類和氣味強(qiáng)度檢測，再編碼傳給智能手機(jī)等進(jìn)行后續(xù)處理分析，從而查看檢測目標(biāo)是否患上了疾病，可以起到疾病檢測、疾病預(yù)告和疾病跟蹤的作用?！半娮颖恰钡脑O(shè)計(jì)符合中醫(yī)“望聞問切”中“聞”的思想。

圖4 氣味傳感器（“電子鼻”）[15]

1.4 基于微波信號(hào)的非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)

微波指頻率在300 MHz～300 GHz之間的電磁波，是電磁波譜中一個(gè)有限頻帶的簡稱，微波大致可以分為分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波?；谖⒉ㄐ盘?hào)的非接觸傷情探測代表技術(shù)是生物雷達(dá)[2]，它可以像雷達(dá)一樣不接觸人體，隔一定距離穿透非金屬障礙物（沙土、磚、廢墟、混凝土等），探測到靜止人體的微弱生命信號(hào)，可用于被困在土壤、巖石結(jié)構(gòu)或混凝土建筑物中有自主意識(shí)的傷員搜尋和檢測，探測距離可達(dá)幾十米[19]。

雷達(dá)式非接觸檢測技術(shù)最早用于研究傷員搜尋，隨著技術(shù)的發(fā)展和實(shí)戰(zhàn)需求，逐漸轉(zhuǎn)為傷員搜尋加傷情檢測。生物雷達(dá)主要是通過對目標(biāo)人員呼吸、心跳等生理信號(hào)的非接觸檢測來實(shí)現(xiàn)的。其探測原理如圖5所示，生物雷達(dá)發(fā)射的波長為λ的微波信號(hào)經(jīng)過一定的傳播介質(zhì)到達(dá)人體并被人體反射，這時(shí)微波發(fā)射信號(hào)的相位θ（t）被人體呼吸等引起的體表微動(dòng)x（t）所調(diào)制，這樣加載了人體呼吸等信號(hào)的反射信號(hào)被生物雷達(dá)接收，解調(diào)后就可以提取出人體呼吸、心跳等生理信號(hào)。生物雷達(dá)技術(shù)可以用于穿透廢墟對埋壓人員的探測定位和傷情檢測、非接觸臨床監(jiān)護(hù)（適用于大面積燒、燙傷和傳染患者）、特殊著裝（如防彈衣）傷員的生命特征探測、嬰兒非接觸監(jiān)護(hù)、胎心胎動(dòng)監(jiān)測等。

圖5 雷達(dá)式非接觸生命信號(hào)探測原理

由于雷達(dá)式非接觸檢測技術(shù)具有遠(yuǎn)距離探測、穿透能力強(qiáng)、無約束、探測靈敏度高等優(yōu)勢，目前已成為非接觸傷情探測技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)主要技術(shù)，也是各國研究的重點(diǎn)。

2 生物雷達(dá)在非接觸戰(zhàn)場傷情探測中的應(yīng)用

生物雷達(dá)按照頻段高低大致可以分為低頻生物雷達(dá)、中頻生物雷達(dá)、高頻生物雷達(dá)，各生物雷達(dá)因頻率不同，特性有所差異，因此各自又有不同的應(yīng)用。

2.1 低頻生物雷達(dá)

低頻生物雷達(dá)的頻率在幾百M(fèi)Hz到幾GHz之間，由于頻率低所以穿透能力強(qiáng)。低頻生物雷達(dá)主要用于戰(zhàn)爭或地震等災(zāi)害發(fā)生后穿透廢墟對壓埋傷員進(jìn)行搜尋、探測和定位，或者用于戰(zhàn)場等危險(xiǎn)區(qū)域探測和發(fā)現(xiàn)存活傷員等。有研究人員利用該頻段雷達(dá)波的強(qiáng)穿透能力以及人體胸部不同組織的回波特性差異研制了超寬譜氣胸探測雷達(dá)[20]，該雷達(dá)體積小、質(zhì)量輕，可在戰(zhàn)場環(huán)境下對傷員是否有氣胸進(jìn)行快速非接觸檢測識(shí)別，為傷員正確處理、后送提供指導(dǎo)。低頻生物雷達(dá)的應(yīng)用還包括非接觸血流、血壓檢測技術(shù)（0.5～5 GHz），該技術(shù)主要利用雷達(dá)波穿透皮膚等組織到達(dá)主動(dòng)脈血管，對動(dòng)脈血管的回波進(jìn)行測量和時(shí)頻分析，得到血管直徑的動(dòng)態(tài)信息，再通過相關(guān)計(jì)算得到血流、血壓等相關(guān)信息[21]。

空軍軍醫(yī)大學(xué)（原第四軍醫(yī)大學(xué)）研究人員利用較低頻段的超寬譜微波信號(hào)研制了多通道搜救雷達(dá)達(dá)[22-23]，如圖6所示。該雷達(dá)采用多自由度折疊臂天線陣列技術(shù)，可以適應(yīng)在崎嶇的廢墟表面從多個(gè)角度穿透廢墟進(jìn)行探測，實(shí)現(xiàn)多個(gè)人體目標(biāo)的探測定位，在一定程度上解決了目標(biāo)之間的遮蔽效應(yīng)問題。

圖6 多通道搜救雷達(dá)

2.2 中頻生物雷達(dá)

中頻生物雷達(dá)指頻率在幾GHz至十幾GHz的生物雷達(dá)，主要用于穿墻探測人體呼吸、手勢、步態(tài)，以及進(jìn)行軀干成像、運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤、巷戰(zhàn)中的穿墻監(jiān)測等[24-26]。

田納西大學(xué)的Quaiyum等[27]利用該頻段的連續(xù)波雷達(dá)檢測人體微動(dòng)信號(hào)，通過這些微動(dòng)信號(hào)對人體的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行識(shí)別分類，實(shí)現(xiàn)了對人體的頭、軀干、四肢等17個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別。這些人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息可為傷員傷情檢測和判斷提供一定的決策依據(jù)，例如可以根據(jù)人體四肢等的運(yùn)動(dòng)情況是否正常來判斷人員是否有四肢受傷等傷情。

2.3 高頻生物雷達(dá)

高頻生物雷達(dá)指十幾GHz至太赫茲頻段范圍內(nèi)的雷達(dá)式生命探測裝備，由于其頻率較高，所以這一類生物雷達(dá)具有高分辨力，但其穿透力較弱，僅能穿透衣物、木質(zhì)門和薄磚墻等。

高頻生物雷達(dá)可用于戰(zhàn)場、野外等特殊環(huán)境下的人體生命狀況監(jiān)測，例如戰(zhàn)斗機(jī)失事飛行員彈射落地以后，采用毫米波微型非接觸生命參數(shù)檢測雷達(dá)（如圖7所示）可以對失事飛行員進(jìn)行生命體征監(jiān)測，將飛行員的生命狀況、傷情等信息采集傳送回搜救指揮中心用于指導(dǎo)救援[2]。

圖7 毫米波微型非接觸生命參數(shù)檢測雷達(dá)

3 非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)發(fā)展展望

除光學(xué)、聲學(xué)、氣味、微波信號(hào)外，非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)還有更廣闊的外延，例如基于磁場、超聲、激光、Wi-Fi等信號(hào)的傷情探測技術(shù)。但是基于這些信號(hào)的非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)都處于起步階段或者還沒有相關(guān)研究，因此非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)研究領(lǐng)域大有可為，其預(yù)期的應(yīng)用前景十分廣泛。

除外延廣泛外，多信息融合、多種技術(shù)結(jié)合也將使非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)的研究發(fā)展和應(yīng)用前景變得十分令人期待。未來非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)的發(fā)展方向主要有多信息融合的傷情評估技術(shù)和多技術(shù)結(jié)合的傷情探測評估技術(shù)2個(gè)方面。

3.1 多信息融合的傷情評估技術(shù)

目前，非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)可以采集到多種人體生理或者生命信號(hào)。如利用微波技術(shù)可以探測到人體呼吸、心跳、體動(dòng)、步態(tài)、手勢、心率變異性、呼吸率變異性、血流、血壓等信號(hào)，利用聲學(xué)技術(shù)可以探測到人體聲紋信號(hào)，利用光學(xué)技術(shù)可以探測到光學(xué)圖像、血氧飽和度、體溫信號(hào)，利用“電子鼻”技術(shù)可以探測到氣味信號(hào)。如何將多種信號(hào)進(jìn)行綜合分析，并最終給出傷員的傷情狀況評估是將來需要研究的一個(gè)重要方面。

3.2 多技術(shù)結(jié)合的傷情探測評估技術(shù)

隨著其他領(lǐng)域各種新技術(shù)的發(fā)展，非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)將和其他各類新技術(shù)相結(jié)合，從而具有更廣闊的應(yīng)用前景。

例如非接觸傷情探測可以和無人搭載（無人機(jī)、機(jī)器人等）平臺(tái)結(jié)合，使得非接觸傷情探測設(shè)備終端可以進(jìn)入廢墟掩埋造成的狹小空間以及火、爆、雷等危險(xiǎn)區(qū)域和空中進(jìn)行探測，從而大大擴(kuò)展其探測范圍、增加應(yīng)用場景、減少搜救人員的危險(xiǎn)。非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)還可以與人工智能技術(shù)相結(jié)合，再加上先進(jìn)的成像和信號(hào)處理算法將進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)朝著更加智能、更加精確和性能更加完善的方向發(fā)展。結(jié)合大數(shù)據(jù)和云技術(shù)，非接觸傷情檢測數(shù)據(jù)可以與基于海量云的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和匹配分析，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析和分類，可提高傷情診斷的可靠性。

另外，非接觸傷情探測設(shè)備終端網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)將成為未來的一個(gè)重要發(fā)展方向。通過北斗衛(wèi)星通信技術(shù)、5G無線通信技術(shù)等網(wǎng)絡(luò)連接[28]，將使該技術(shù)能與傷員傷情探測手持終端、各層級遠(yuǎn)程醫(yī)療指揮節(jié)點(diǎn)，救護(hù)車、船，各種接觸式傷情檢測設(shè)備等連接，形成基于物聯(lián)網(wǎng)的傷情檢測和救援網(wǎng)絡(luò)（IoMT）。

在生物雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域，將進(jìn)一步利用生物雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行探測、定位和成像技術(shù)的研究，使其提供多種類、多層次的信息，包括多目標(biāo)、時(shí)空、生理、行為信息等，從而建立多信息生物雷達(dá)。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)將更深入地與生物雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)智能生物雷達(dá)的誕生，為非接觸傷情檢測提供更詳細(xì)和更全面的信息。

4 結(jié)語

隨著以上技術(shù)的發(fā)展和各技術(shù)的融合，將大大提高非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)的準(zhǔn)確性、可靠性、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和系統(tǒng)性。在未來，非接觸戰(zhàn)場傷情探測技術(shù)將與戰(zhàn)場搜救其他環(huán)節(jié)相關(guān)技術(shù)一起形成集戰(zhàn)場傷情探測、評估分類、快速救治、精準(zhǔn)指揮、救援物資和力量合理調(diào)配等功能于一體的完善的傷員搜、救、治體系，大大提高我軍戰(zhàn)場傷員搜救水平，有效減少傷員傷亡率。