一種基于生物雷達(dá)的隱匿性傷情檢測(cè)方法研究

薛慧君，王鵬飛，焦 騰，安 強(qiáng)，梁福來(lái)，張 楊，王健琪，呂 昊

（空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系醫(yī)學(xué)電子學(xué)教研室，西安710032）

0 引言

院前急救是指急、危、重癥傷病員進(jìn)入醫(yī)院前的醫(yī)療救護(hù)，其時(shí)效對(duì)于降低傷病員的傷殘率和死亡率具有非常重要的意義[1-3]。然而在這一過(guò)程中，受人員、時(shí)間和條件限制，往往單憑傷病員的癥狀和體征無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和正確診斷張力性氣胸、顱內(nèi)出血等某些隱匿傷情，從而延誤診治并造成傷病員傷亡[2-3]。以張力性氣胸這種可導(dǎo)致嚴(yán)重呼吸和循環(huán)功能障礙的肺科急癥為例，美軍統(tǒng)計(jì)表明其造成高達(dá)4%的戰(zhàn)場(chǎng)傷亡[4]。在臨床上，常規(guī)的氣胸診斷方法為X射線、CT和超聲成像：其中，X射線使用最多，但不少研究報(bào)道了這種方法的低敏感度，如Alrajhi等[5]指出X射線胸片診斷氣胸的敏感度僅為50.2%（95%的置信區(qū)間為43.5~57.0）；與X射線相比，CT是氣胸診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但是費(fèi)效比較低且設(shè)備體積、質(zhì)量較大，并且與X射線一樣存在電離輻射；與X射線和CT相比，超聲成像提供了一種可有效兼顧準(zhǔn)確性和成本、體積、安全的手段，但其有效性高度依賴于超聲醫(yī)生的專業(yè)熟練程度，并且使用時(shí)需要直接接觸人體皮膚并涂抹耦合劑。此外，還有腦卒中、外傷等引起的顱內(nèi)出血，其臨床診斷通常也需要借助CT等大型醫(yī)療設(shè)備，受體積、質(zhì)量、成本等綜合限制，這些設(shè)備同樣難以用于院前急救。因此，亟須研發(fā)一種可用于院前急救的低成本、便攜式設(shè)備，對(duì)可能致命的隱匿性傷情進(jìn)行快速檢測(cè)和篩查。

生物雷達(dá)是一種主要以人體為探測(cè)對(duì)象的新概念雷達(dá)技術(shù)，它以低功率電磁波為探測(cè)媒介，可穿透廢墟、墻壁、衣物、人體組織等非金屬介質(zhì)，感知人體的呼吸、心跳、體動(dòng)、圖像等信息，已廣泛應(yīng)用于軍事、公共安全、應(yīng)急救援等領(lǐng)域[6-8]。與X射線、CT相比，生物雷達(dá)不存在電離輻射問(wèn)題，且具有非接觸、低成本和可便攜的特點(diǎn)，是一種非常具有潛力的隱匿性傷情檢測(cè)手段，近年來(lái)已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了基于該技術(shù)的乳腺腫瘤、顱內(nèi)出血和氣胸檢測(cè)方法研究[9-19]。從信號(hào)處理的角度來(lái)看，這些方法可大致分為2類：一類是模型驅(qū)動(dòng)方法，即基于電磁場(chǎng)散射逆問(wèn)題求解對(duì)人體內(nèi)部組織進(jìn)行成像檢測(cè)；另一類是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，即通過(guò)定量的生物雷達(dá)回波數(shù)據(jù)樣本來(lái)發(fā)現(xiàn)異常傷情信息。其中，第一類方法占多數(shù)且主要用于乳腺腫瘤的成像檢測(cè)[9-11]，但現(xiàn)階段面臨著在微波頻段如何兼顧組織穿透能力和成像分辨力的難題，并且成像需要復(fù)雜的天線陣列和算法，有可能導(dǎo)致形成的設(shè)備難以滿足院前急救的便攜化需求[9-10]。與之相比，第二類方法的文獻(xiàn)數(shù)量較少且主要關(guān)注顱內(nèi)出血和氣胸檢測(cè)。如瑞典查默斯理工大學(xué)設(shè)計(jì)了一種具有可穿戴天線陣列的生物雷達(dá)系統(tǒng)，并使用了機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)檢測(cè)顱內(nèi)出血和氣胸[12-14]，但該系統(tǒng)同樣基于天線陣列且在使用時(shí)需要進(jìn)行精確的同步、校正[13-14]。美國(guó)肺聲公司研發(fā)了一種可用于氣胸快速、實(shí)時(shí)檢測(cè)的便攜式設(shè)備[15-16]，使用了帶寬500 MHz~6 GHz的沖激脈沖體制超寬帶雷達(dá)，通過(guò)測(cè)量人體胸部8個(gè)位置（左右各4個(gè)）的回波來(lái)實(shí)現(xiàn)氣胸的檢測(cè)和定位（左側(cè)、右側(cè)、雙側(cè)氣胸）。根據(jù)已開展的臨床實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)檢測(cè)敏感度最高可達(dá)100%，但最近一次實(shí)驗(yàn)中報(bào)道的偽陽(yáng)性率高達(dá)65%[16]，同時(shí)該系統(tǒng)需要精確定位和測(cè)量人體胸部的多個(gè)位置，并且天線需直接接觸實(shí)驗(yàn)對(duì)象裸露的胸部，給實(shí)際使用也帶來(lái)了較大不便。此外，希臘帕特雷大學(xué)、中國(guó)東華大學(xué)、第四軍醫(yī)大學(xué)等也開展了顱內(nèi)出血、氣胸等傷情的生物雷達(dá)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，均偏重基礎(chǔ)性的探索研究[17-19]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于生物雷達(dá)的隱匿性傷情檢測(cè)方法。

1 生物雷達(dá)系統(tǒng)

本文采用的生物雷達(dá)系統(tǒng)為沖激脈沖超寬帶體制，由雷達(dá)主機(jī)和收發(fā)天線2個(gè)部分組成，其原理框圖和實(shí)物圖如圖1所示。雷達(dá)主機(jī)中的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一定重復(fù)頻率的沖激脈沖，送到發(fā)射機(jī)整形后通過(guò)收發(fā)天線輻射出去；同時(shí)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖被送到時(shí)序邏輯單元，并在控制單元的控制下產(chǎn)生延遲時(shí)間可控制的距離門，用于觸發(fā)接收機(jī)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采樣，進(jìn)而根據(jù)電磁波傳播速度計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向距離；采樣后的回波信號(hào)經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog digital converter，ADC）高速采集后送至人機(jī)交互單元進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，人機(jī)交互單元設(shè)置系統(tǒng)探測(cè)起始距離為-11 ns（不具備意義），時(shí)窗為7 ns，對(duì)應(yīng)自由空間最遠(yuǎn)探測(cè)距離為105 cm，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024，掃描速度為64 Hz，增益為33 dB，其中起始距離和時(shí)窗共同控制距離門的延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定距離范圍內(nèi)的掃描探測(cè)。

圖1 生物雷達(dá)系統(tǒng)

收發(fā)天線包括1個(gè)發(fā)射天線和1個(gè)接收天線，均采用蝶形偶極子天線，并且在兩天線間進(jìn)行了共地處理和屏蔽來(lái)消除發(fā)射接收傳輸線上的相互干擾，同時(shí)對(duì)兩天線末端進(jìn)行了電阻加載使其具備良好的介質(zhì)耦合能力，從而保證電磁波進(jìn)入體內(nèi)的輻射效率；天線帶寬0.75~2.25 GHz，中心頻率1.5 GHz；收發(fā)天線與雷達(dá)主機(jī)間采用柔性電纜進(jìn)行連接。

2 檢測(cè)原理與算法設(shè)計(jì)

2.1 人體左右對(duì)稱性檢測(cè)

國(guó)內(nèi)外研究表明[12-14]，考慮到院前急救設(shè)備的低成本和便攜化需求，生物雷達(dá)應(yīng)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)隱匿性傷情檢測(cè)。這種方法雖然避免了復(fù)雜的模型和算法問(wèn)題，但面臨著大量數(shù)據(jù)樣本獲取的問(wèn)題。對(duì)此，美國(guó)肺聲公司的研究[15-16]給了本文很好的啟示，即正?；蚪】等梭w頭、胸、四肢等部位組織或器官的淺表解剖結(jié)構(gòu)是左右對(duì)稱的，而顱內(nèi)出血、氣胸、骨折等傷情的出現(xiàn)會(huì)改變這種對(duì)稱性，因而通過(guò)比較測(cè)量得到人體左右對(duì)稱位置的生物雷達(dá)回波，給出有/無(wú)差異的度量來(lái)實(shí)現(xiàn)傷情的檢測(cè)。與此同時(shí)，乳腺腫瘤成像檢測(cè)方面的研究表明[9-11]，人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異可引起超寬帶生物雷達(dá)回波幅度、相位等參數(shù)的變化，保證了該設(shè)想的可行性。

2.2 基于線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）的檢測(cè)算法

根據(jù)2.1節(jié)的分析，設(shè)計(jì)一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法來(lái)量化人體左右對(duì)稱位置測(cè)量的生物雷達(dá)回波差異是實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想的關(guān)鍵所在，本文采用LDA來(lái)解決這一問(wèn)題。LDA是一種經(jīng)典的有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，按照投影后“類間方差最大且類內(nèi)方差最小”的原則將樣本在低維度上進(jìn)行投影，從而實(shí)現(xiàn)降維和分類。本文采用LDA的原因主要包括：（1）LDA是有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，而人體左右對(duì)稱位置測(cè)量的生物雷達(dá)回波自帶類別標(biāo)簽屬性；（2）LDA輸出的最大類間方差可以用來(lái)度量生物雷達(dá)回波的有/無(wú)差異；（3）LDA實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單并在模式識(shí)別領(lǐng)域（如人臉識(shí)別）有著廣泛的應(yīng)用[20-21]。

本文設(shè)計(jì)的基于LDA的檢測(cè)算法流程如圖2所示。

圖2 基于LDA的檢測(cè)算法流程

超寬帶生物雷達(dá)回波數(shù)據(jù)ri[m，n]包含距離和時(shí)間二維信息，其中，i=1，2，表示左、右兩側(cè)數(shù)據(jù)樣本的類別標(biāo)簽；m（1≤m≤M，M=1 024，即采樣點(diǎn)數(shù)）表示探測(cè)距離；n（1≤n≤N，N除以掃描速度可換算成時(shí)間單位s）表示探測(cè)時(shí)間。歸一化后數(shù)據(jù)變?yōu)?/p>

然后對(duì)歸一化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)窗截?cái)啵慈サ羧梭w體表反射形成的直達(dá)波，由于這部分回波不包含傷情信息，截?cái)嗪罂捎行П苊馄鋵?duì)后續(xù)檢測(cè)產(chǎn)生干擾，截?cái)嗪髷?shù)據(jù)記為rˉi′[m，n]。接下來(lái)對(duì)歸一化后的數(shù)據(jù)在距離維度進(jìn)行離散余弦變換（discrete cosine transform，DCT），將空間域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域上進(jìn)行去相關(guān)可得

式中，M'＜＜M。最后的LDA等效于一個(gè)二分類問(wèn)題，按照投影后“類間方差最大且類內(nèi)方差最小”的原則，找到1組投影系數(shù)w使處理后的2組超寬帶生物雷達(dá)回波數(shù)據(jù)R1'[m，n]和R2'[m，n]的廣義瑞利熵最大化。最大化廣義瑞利熵J（w）定義為

式中，Sw為2組數(shù)據(jù)的類內(nèi)散度矩陣；Sb為2組數(shù)據(jù)的類間散度矩陣[20]。使用w對(duì)2組數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換可得

以上算法均在PC機(jī)上通過(guò)MATLAB軟件處理實(shí)現(xiàn)，PC機(jī)的基本配置情況為Intel Core i7-6700處理器，3.4 GHz主頻，32 GiB內(nèi)存。

3 氣胸體模實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述方法的有效性，本文設(shè)計(jì)了人體氣胸體模并開展了實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 氣胸體模的構(gòu)建

人體電磁體模的構(gòu)建是一個(gè)復(fù)雜的開放性問(wèn)題，目前仍有大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究[22]。由于本文重點(diǎn)不在于此，因而采用了最簡(jiǎn)單的液態(tài)模型方法。具體方法如圖3所示，在一底部直徑22 cm、高度33 cm的高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE）桶內(nèi)倒進(jìn)1∶5的水∶乙醇混合溶液來(lái)模擬人體胸部，同時(shí)在一底部直徑14 cm、高度23 cm的HDPE桶內(nèi)倒?jié)M1∶20的水∶乙醇混合溶液來(lái)模擬人體肺部，并將后者居中放入前者來(lái)模擬正常人體，或者在后者表面單側(cè)/雙側(cè)粘上氣球后放入前者來(lái)模擬單側(cè)/雙側(cè)氣胸（氣球不完全充氣，直徑2~3 cm，粘于桶壁正中且距桶底15 cm處）[14]。

圖3 氣胸體模制作示意

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量

基于上述氣胸體模，本文使用生物雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量。如圖4所示，對(duì)于有/無(wú)、單側(cè)/雙側(cè)、直接接觸/穿透衣物等每種場(chǎng)景，先后在體模左側(cè)和右側(cè)對(duì)稱的位置各采集1組數(shù)據(jù)，即測(cè)量ri[m，n]。

圖4 典型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量照片

有2個(gè)關(guān)鍵地方需要特別說(shuō)明：一是根據(jù)生物雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，在人機(jī)交互單元可以清晰地看到由于體模表面直接反射形成直達(dá)波，這不僅是生物雷達(dá)探測(cè)范圍的實(shí)際距離起點(diǎn)，而且能以這部分回波幅度為參照通過(guò)微調(diào)天線角度和位置來(lái)保證左、右兩側(cè)測(cè)量位置時(shí)位置的對(duì)稱性，避免通過(guò)裸露人體胸部來(lái)選擇測(cè)量位置[15-16]，從而真正發(fā)揮出生物雷達(dá)在傷情檢測(cè)中的非接觸和穿透性特點(diǎn)；二是為了保證每組數(shù)據(jù)樣本量一致以便于驗(yàn)證LDA檢測(cè)結(jié)果，在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行了嚴(yán)格的時(shí)間截?cái)唷?/p>

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 歸一化與DCT結(jié)果

圖5為直接接觸時(shí)無(wú)氣胸、左側(cè)氣胸和雙側(cè)氣胸的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)歸一化處理后的結(jié)果，為便于觀察，顯示的是每組數(shù)據(jù)平均結(jié)果，其中圖5（a）中還標(biāo)示出了直達(dá)波部分。從圖5可以看出，通過(guò)微調(diào)天線角度和位置可以實(shí)現(xiàn)直達(dá)波幅度（即正、負(fù)2個(gè)峰值）的對(duì)齊來(lái)保證左、右側(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性，進(jìn)而避免因測(cè)量時(shí)左、右側(cè)不對(duì)稱帶來(lái)的誤差。需要說(shuō)明的是，未來(lái)實(shí)際形成設(shè)備后可以將直達(dá)波對(duì)齊這一過(guò)程編寫算法嵌入到超寬帶生物雷達(dá)系統(tǒng)中，通過(guò)輸出提示來(lái)指導(dǎo)操作人員進(jìn)行天線的定位，要比本文實(shí)驗(yàn)中單純觀察回波波形更加方便和精確。從圖5還可以看出，3種場(chǎng)景相比較，無(wú)氣胸場(chǎng)景下左、右兩側(cè)回波數(shù)據(jù)差別較小，左側(cè)氣胸場(chǎng)景下因氣球的引入改變了左、右兩側(cè)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性因而呈現(xiàn)出較大的差別，而雙側(cè)氣胸場(chǎng)景下因兩側(cè)氣球?qū)Y(jié)構(gòu)的改變不一致同樣呈現(xiàn)出較大的差別，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行DCT提取特征并進(jìn)行LDA能有效地量化這種差別。

圖5 歸一化結(jié)果

圖6為直接接觸時(shí)無(wú)氣胸、左側(cè)氣胸和雙側(cè)氣胸的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DCT處理后的結(jié)果（為便于觀察，顯示的是每組中的一個(gè)樣本數(shù)據(jù)）。從圖6可以看出，經(jīng)過(guò)DCT處理后的超寬帶生物雷達(dá)回波具有很好的能量聚集性，因此在后續(xù)LDA處理中可使用前面能量較大的部分作為特征，本文選取了前50個(gè)點(diǎn)，即公式（3）中的M'=50。另外，DCT處理明顯具有去相關(guān)效果，從而保證后續(xù)LDA對(duì)特征獨(dú)立性的要求。

圖6 DCT結(jié)果

3.3.2 直接接觸檢測(cè)結(jié)果

圖7為直接接觸時(shí)無(wú)氣胸、左側(cè)氣胸和雙側(cè)氣胸的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)LDA處理后的結(jié)果，即公式（5）中的Ri′′。從圖7可以看出，2組數(shù)據(jù)間的差別在無(wú)氣胸場(chǎng)景下要明顯小于左側(cè)氣胸和雙側(cè)氣胸場(chǎng)景。無(wú)氣胸、左側(cè)氣胸、雙側(cè)氣胸計(jì)算得到的最大類間方差分別為0.628 8、5.724 5和5.835 6，后續(xù)可根據(jù)該值設(shè)定閾值實(shí)現(xiàn)有/無(wú)氣胸的檢測(cè)。

3.3.3 穿透衣物檢測(cè)結(jié)果

圖8為穿透衣物時(shí)無(wú)氣胸、左側(cè)氣胸和雙側(cè)氣胸的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)LDA處理后的結(jié)果。與圖7結(jié)果一致，圖8中2組數(shù)據(jù)間的差別在無(wú)氣胸場(chǎng)景下要明顯小于左側(cè)氣胸和雙側(cè)氣胸場(chǎng)景。無(wú)氣胸、左側(cè)氣胸、雙側(cè)氣胸場(chǎng)景下計(jì)算得到的最大類間方差分別為2.234 2、4.255 0和6.768 2，同樣可以設(shè)定閾值判斷有/無(wú)氣胸，從而真正實(shí)現(xiàn)了穿透衣物條件下傷情信息的非接觸檢測(cè)。

圖7 直接接觸檢測(cè)結(jié)果（LDA投影后數(shù)據(jù)的樣本）

圖8 穿透衣物檢測(cè)結(jié)果（LDA投影后數(shù)據(jù)的樣本）

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于超寬帶生物雷達(dá)的隱匿性傷情檢測(cè)方法原理上利用了傷情出現(xiàn)破壞了人體淺表組織結(jié)構(gòu)的左右對(duì)稱性，系統(tǒng)上使用了單發(fā)單收天線來(lái)測(cè)量人體左、右兩側(cè)對(duì)稱位置的回波差異，測(cè)量上采用了直達(dá)波定位保證使用時(shí)左右測(cè)量位置的對(duì)稱性，算法上設(shè)計(jì)了基于LDA的機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)量化回波差異。模擬氣胸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，該方法初步實(shí)現(xiàn)了有/無(wú)傷情的檢測(cè)，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有體積小、測(cè)量方便、可穿透衣物的潛在優(yōu)勢(shì)，可為下一步設(shè)計(jì)一種低成本、便攜式的非接觸傷情檢測(cè)裝備提供可行的思路，從而解決院前急救中顱內(nèi)出血、氣胸等隱匿性傷情的快速檢測(cè)問(wèn)題。以本研究為基礎(chǔ)，下一步的研究主要包括以下方面：（1）優(yōu)化傷情檢測(cè)中超寬帶生物雷達(dá)回波的信號(hào)處理算法，特別是設(shè)計(jì)可靠的閾值判定算法實(shí)現(xiàn)有無(wú)傷情的自動(dòng)識(shí)別[23]；（2）研究模擬氣胸的定量化檢測(cè)，以及顱內(nèi)出血、骨折等其他傷情的檢測(cè)；（3）開展生物雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是適合人體傷情檢測(cè)的收發(fā)天線設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的小型化嵌入式設(shè)計(jì)。