劉炳文，何　密

非接觸式醫(yī)療監(jiān)測雷達(dá)研究進(jìn)展

劉炳文，何密

介紹了非接觸式醫(yī)療監(jiān)測雷達(dá)相比于傳統(tǒng)的呼吸和心電監(jiān)護(hù)儀的優(yōu)勢，從3種不同雷達(dá)體制的角度總結(jié)回顧了近10 a來醫(yī)用生命監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，概括比較了呼吸和心跳信號的提取、分離、雜波抑制等算法，并指出了各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，最后對非接觸式生命監(jiān)測雷達(dá)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討和展望。

非接觸；生命信號監(jiān)測；醫(yī)療雷達(dá)

0　引言

雷達(dá)是一種利用電磁波探測目標(biāo)信息的電子設(shè)備，通過發(fā)射電磁波照射目標(biāo)并進(jìn)行回波接收以獲得目標(biāo)距離、方位和運(yùn)動速度、幅度等信息。人體的呼吸和心臟跳動將導(dǎo)致胸廓有規(guī)律的前后起伏，這些生理特征信息會調(diào)制在反射的電磁波中。非接觸式醫(yī)療監(jiān)測雷達(dá)通過發(fā)射電磁波，對接收回波進(jìn)行下變頻、濾波和解調(diào)等處理，從回波中提取和分離出有用的生理信息（主要包括呼吸和心跳信號），從而監(jiān)測人體生理體征參數(shù)變化。

J C Lin于1975年首次提出使用雷達(dá)進(jìn)行非接觸式呼吸頻率測量的概念[1]，Y F Chen等[2]在1986年研制出了第一臺雷達(dá)生命探測原理樣機(jī)，此后，雷達(dá)用于災(zāi)害救援中人體生命信號探測的研究層出不窮[3-4]。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，雷達(dá)應(yīng)用于生命監(jiān)測的研究越來越多[5]，1990年，美國學(xué)者獲得了一項雷達(dá)用于非接觸監(jiān)測人體生理參數(shù)測量的專利[6]。到了21世紀(jì)，關(guān)于生命監(jiān)測雷達(dá)的研究和應(yīng)用更加深入和廣泛[5，7-10]。日本Kansai大學(xué)使用雙頻微波雷達(dá)對養(yǎng)老院老人進(jìn)行非接觸式生命信號監(jiān)測[11]。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)利用正交多普勒雷達(dá)精確測量了健康成人的心肺運(yùn)動[9]。目前，在遠(yuǎn)程監(jiān)控患者常規(guī)生命體征中使用較多的方式就是生命雷達(dá)[12]。2013年，挪威國防研究院研究了生命雷達(dá)的物理原理，發(fā)現(xiàn)其測量原理主要是基于人體表面的反射[13]。非接觸式生命監(jiān)測雷達(dá)可在無任何電極和傳感器接觸的情形下，在較遠(yuǎn)距離長時間監(jiān)測呼吸和心跳信號，相比于傳統(tǒng)的呼吸和心電記錄儀，非接觸的方式使得被測人員感到更加輕松和舒適。非接觸式生命監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于重度燒傷患者、傳染病患者、睡眠質(zhì)量監(jiān)測、嬰幼兒和老人的臨床動態(tài)監(jiān)護(hù)，同時也可應(yīng)用于心理學(xué)領(lǐng)域的研究。近年來，關(guān)于生命監(jiān)測雷達(dá)的相關(guān)研究和系統(tǒng)不斷推陳出新，雖然有商用的非接觸式呼吸監(jiān)測儀問世[14]，但目前仍沒有一款可靠的能同時測量呼吸和心跳信號的雷達(dá)系統(tǒng)正式應(yīng)用于臨床。以下將從不同雷達(dá)體制的角度總結(jié)近10 a來關(guān)于醫(yī)用生命監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)的研究進(jìn)展情況；總結(jié)其呼吸和心跳信號的提取、分離和分析算法；最后展望非接觸式生命監(jiān)測雷達(dá)的發(fā)展趨勢。

1　不同體制的生命監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)

目前較常用的生命監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)主要有3種體制，即連續(xù)波（continuous wave，CW）多普勒體制、超寬帶（ultra-wideband，UWB）體制和線性調(diào)頻連續(xù)波（frequency modulated continuous wave，F(xiàn)MCW）體制。下面將對上述3種體制的生命監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)分別進(jìn)行分析和總結(jié)。

1.1CW多普勒雷達(dá)系統(tǒng)

CW多普勒雷達(dá)不僅可以測量目標(biāo)的速度，還能通過相位檢測獲知目標(biāo)的微動信息。CW雷達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)在于功耗低且結(jié)構(gòu)簡單小巧，缺點(diǎn)是不利于區(qū)分雜波和多目標(biāo)。表1給出了近10 a來國內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的幾款典型CW多普勒生命監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)。根據(jù)線性解調(diào)中對小角度近似的要求[15]，表1按照雷達(dá)中心頻率fc的范圍將雷達(dá)系統(tǒng)分為中低頻段（1 GHz≤fc≤7 GHz）和高頻段（fc≥10 GHz）2大類。

表1　典型CW多普勒雷達(dá)系統(tǒng)

從表1可以看出，近年來的相關(guān)研究中，中低頻段的雷達(dá)系統(tǒng)大多選擇了2.4 GHz的中心頻率。由于雷達(dá)波長變化遠(yuǎn)小于人體正常呼吸時胸腔的起伏幅度，因此中低頻段的雷達(dá)在反正切解調(diào)時可采用線性近似來簡化算法。與中低頻段的雷達(dá)系統(tǒng)相比，高頻段的雷達(dá)更易獲得較高的信噪比，在反正切解調(diào)時通常要采用非線性解調(diào)[15]。需要指出的是，非線性解調(diào)需要預(yù)先補(bǔ)償幅度、相位不平衡和直流偏移，但是能夠提高對低振幅運(yùn)動的分辨率[25]。

另外，從表1中還可以看出，大多數(shù)CW多普勒雷達(dá)系統(tǒng)都采用正交雙通道。正交雙通道處理的優(yōu)勢是可以消除兩正交通道的幅相不平衡并避免直流補(bǔ)償校準(zhǔn)，同時還可以消除零點(diǎn)檢測問題[10]。近3 a來，涌現(xiàn)出較多關(guān)于CW體制的生命監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)指標(biāo)分析的研究，內(nèi)容擴(kuò)展到心率變異性、呼吸性竇性心律、主動脈壓力等臨床指標(biāo)的分析[16，27-28]。

大量研究表明，在CW多普勒雷達(dá)體制中，體位對測量結(jié)果有一定影響。雷達(dá)照射人體時，從后背照射人體的雷達(dá)散射截面（radar cross-section，RCS）最大，前面次之，側(cè)面最小，呼吸深度在平躺時比傾斜時要深[20]?？傮w而言，仰臥姿態(tài)下多普勒雷達(dá)測量的心跳、呼吸信號和心率變異性與參考信號具有更好的相關(guān)性；對于常規(guī)的呼吸性竇性心律不齊，多普勒雷達(dá)的測量值與胸帶式呼吸壓敏電阻具有較好的相關(guān)性[7，16]。

1.2UWB雷達(dá)系統(tǒng)

UWB體制的生命監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)可提取比目標(biāo)尺寸小得多的目標(biāo)特征，因此，人體胸部細(xì)微的呼吸運(yùn)動和心跳導(dǎo)致的胸壁微小振動可通過UWB雷達(dá)來檢測。UWB雷達(dá)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是可使用簡單固態(tài)發(fā)射機(jī)，具有良好的距離分辨率以及抗雜波與多徑干擾的能力，可以進(jìn)行多目標(biāo)監(jiān)測；其缺點(diǎn)是頻譜的利用效率不高，與其他系統(tǒng)的兼容性以及現(xiàn)實中的可行性都有待研究[29]。多普勒雷達(dá)和UWB雷達(dá)都可以用于人體運(yùn)動的檢測。在多個人體目標(biāo)檢測研究中，理論上可以利用多天線CW雷達(dá)多輸入多輸出的角分辨技術(shù)來實現(xiàn)，但目前還未被實驗驗證，而基于UWB雷達(dá)技術(shù)的多目標(biāo)探測已經(jīng)實現(xiàn)。2013年，第四軍醫(yī)大學(xué)利用基于多天線的UWB雷達(dá)可以檢測到多達(dá)3個目標(biāo)，這主要是利用了UWB雷達(dá)可以接收到來自于不同人體心跳和呼吸頻譜特征的優(yōu)勢。

此外，美國佐治亞理工學(xué)院在2013年采用了Sensiotec公司提供的中心頻率為4.2 GHz、發(fā)射脈沖為13 ns的脈沖無線電超寬帶（impulse radio UWB，IR-UWB）雷達(dá)來估計心率和呼吸頻率[30]。2014年，德國伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)通過超寬帶偽噪聲雷達(dá)進(jìn)行遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測，最大不模糊距離約17 m[31]。

1.3FMCW雷達(dá)系統(tǒng)

FMCW生命體征監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)于1990年由Sharpe首次實現(xiàn)[6]。在非接觸式生命體征檢測方面，F(xiàn)MCW雷達(dá)同時具有UWB雷達(dá)對距離的分辨力和CW雷達(dá)對速度的分辨力[24]，從而可區(qū)分多個目標(biāo)并提取目標(biāo)微動信息，但FMCW雷達(dá)的制造工藝和信號處理較CW和UWB雷達(dá)要復(fù)雜一些，這導(dǎo)致了FMCW雷達(dá)目前較少被使用。法國國家航空航天研究所使用了0.5～8GHz掃頻的UWB-FMCW雷達(dá)檢測建筑內(nèi)運(yùn)動的人體目標(biāo)，最大掃頻率達(dá)到200 μs/GHz。通過分析不同材料對電磁波的衰減性能，發(fā)現(xiàn)穿墻探測雷達(dá)較優(yōu)的工作頻段是S和L波段[32]。美國Lawrence Berkeley國家實驗室研制了一臺FMCW體制的生命監(jiān)測雷達(dá)原理樣機(jī)，該系統(tǒng)的調(diào)頻帶寬為10～11 GHz，尺寸為15 cm×10 cm×5 cm，測量的范圍為0.5～10 m，距離分辨率可達(dá)0.5 mm；實驗表明該系統(tǒng)比較適用于醫(yī)院病房之類的雜波和噪聲干擾較多的非理想環(huán)境[33]。2013年，日本東京電氣通信大學(xué)利用FMCW雷達(dá)提取人體的心臟速率信號，提出了用于抑制周期性雜波的信號處理方法，該FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的中心頻率為24.15 GHz，采樣頻率為10kHz，掃描帶寬為72MHz，掃頻時間為25.6ms[34]。

2　生命監(jiān)測雷達(dá)信號處理算法

生命特征信號屬于低速運(yùn)動的目標(biāo)信號，產(chǎn)生的多普勒頻移小，回波信號微弱且極易淹沒在強(qiáng)雜波背景下，是頻率極低、準(zhǔn)周期、低信噪比、多諧波組合的信號，必須通過有效的信號處理手段才能更加準(zhǔn)確有效地檢測和提取出來。表2給出了近10 a來國內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)提出的典型監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)生命信號處理算法，并根據(jù)算法各自實現(xiàn)的主要功能，大致分為呼吸和心跳信號分離算法、噪聲雜波抑制算法以及實現(xiàn)特殊功能的算法3大類。

表2　典型監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)算法

健康成人平均呼吸頻率為0.15～0.5 Hz，心率為0.9～1.6 Hz，而由呼吸和心跳引起的胸廓的平均運(yùn)動幅度分別為1～2 cm和0.3～0.7 mm，因此采集的呼吸信號能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于心跳信號，呼吸信號的高次諧波引起的體表微動會與心跳引起的微動混疊，對應(yīng)信號的頻譜重疊會給心跳信號與呼吸信號的分離帶來困難。近年來出現(xiàn)了多種心跳信號與呼吸信號分離算法，例如最小均方誤差代價函數(shù)的方法，首先估計各個諧波的復(fù)系數(shù)，從包含心跳和呼吸諧波信號的混合信號中減去諧波信號，從而得到心跳信號，該方法適合靜止?fàn)顟B(tài)下人體的呼吸和心跳信號分離[35]；又如，基于非線性Levenberg-Marquardt（LM）算法參數(shù)優(yōu)化方法，這種方法適用于信噪比較低的情形[38]；基于擴(kuò)展卡爾曼濾波和主成分分析的算法可用于正交多普勒雷達(dá)來監(jiān)測心肺活動，算法需對I、Q 2個通道的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行心率和呼吸頻率的提取和判斷，計算復(fù)雜度較高[39]；華南理工大學(xué)馮久超等提出一種從時域上提取心跳信號的新方法，首先是應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition，EMD）[37]將雷達(dá)接收信號分解成有限個固有模態(tài)函數(shù)（intrinsic mode function，IMF），再利用反映生命信號結(jié)構(gòu)特征的IMF分量從時域上分別重構(gòu)呼吸與心跳信號，以避免呼吸信號諧波對心跳信號的干擾，從而更加精確地提取心跳信號[36]，但是基于EMD算法的抗噪聲能力不如基于快速傅里葉變換（fast Fourier transformation，F(xiàn)FT）的方法，因此，在對信號進(jìn)行EMD之前，必須對信號進(jìn)行預(yù)處理，以消除高頻噪聲對EMD算法產(chǎn)生的不利影響；2014年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，可以用總體平均EMD算法進(jìn)一步準(zhǔn)確分離心跳信號，這種總體平均EMD算法更加適合處理間斷的非平穩(wěn)信號[9]；利用基于遞推最小二乘（recursive last square，RLS）算法的自適應(yīng)噪聲抵消器能夠分離出心跳信號，其心率與從心電信號獲得的心率具有很強(qiáng)的相關(guān)性[40]。2013年，第四軍醫(yī)大學(xué)提出基于改進(jìn)的自適應(yīng)線性增強(qiáng)器（developed adaptive line enhancer，DALE）的生命信號監(jiān)測方法，算法在預(yù)處理方面做了改進(jìn)，提高了信噪比[41]。

在環(huán)境雜波和系統(tǒng)噪聲的抑制算法研究方面，西安電子科技大學(xué)提出基于諧波模型的高階累積方法，可實現(xiàn)人體生命狀態(tài)的自動識別[42]；2011年，意大利Trento大學(xué)應(yīng)用獨(dú)立成分分析（independent component analysis，ICA）算法區(qū)分噪聲和雜波，從而提取呼吸和心跳信號，但是無法指出ICA分解后的2個信號哪個包含生命信號，哪個包含雜波信號[43]；Mari Zakrzewski為估計直流偏移兩正交分量的中心，提出LM中心估計算法，以消除直流偏移，實現(xiàn)雜波和噪聲的抑制[15]；而在多目標(biāo)檢測中抑制雜波可采用類似傳統(tǒng)的clean算法，通過計算從雜波中減去接收信號的卷積來計算信道脈沖響應(yīng)來實現(xiàn)[44]；針對類似呼吸信號的雜波則可使用雙頻脈沖UWB雷達(dá)并采用自適應(yīng)濾波方法濾除雜波[45]。

另外，在生命信號處理中也提出了一些實現(xiàn)了特殊功能的算法，如基于能量譜的非接觸呼吸暫停檢測，主要是根據(jù)正常的呼吸信號與發(fā)生呼吸暫停時信號的強(qiáng)度特點(diǎn)，對構(gòu)造的呼吸暫停信號進(jìn)行處理并根據(jù)閾值進(jìn)行判斷，然后對雷達(dá)采集到的信號進(jìn)行處理并判斷是否發(fā)生了呼吸暫停[46]；又如，應(yīng)用小波熵方法來區(qū)分一定距離的人類和動物目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)人的能量分布和熵的紊亂程度遠(yuǎn)低于狗，可以把人類的身體微動作比動物更有序作為識別的依據(jù)[47]。

3　總結(jié)和展望

近年來，生命雷達(dá)用于反恐、軍事醫(yī)學(xué)和災(zāi)害醫(yī)學(xué)的應(yīng)用研究越來越多，醫(yī)療監(jiān)護(hù)雷達(dá)的研究也不斷取得新的進(jìn)展，但目前的監(jiān)護(hù)雷達(dá)系統(tǒng)在穩(wěn)定度、精度、尺寸等方面還有待改進(jìn)。雖然能夠?qū)崿F(xiàn)人體在靜止?fàn)顟B(tài)下生命信號的監(jiān)測，但是運(yùn)動狀態(tài)下生命信號的監(jiān)測還未能得到有效解決?？偟膩碇v，今后醫(yī)療監(jiān)護(hù)雷達(dá)的研究工作將朝著高處理速度、高精度、高穩(wěn)定度、多監(jiān)測指標(biāo)、低功耗、輕質(zhì)量、小外形尺寸、手持式、便攜式的方向邁進(jìn)。

在便攜式、小型化方面，主要從雷達(dá)硬件更新和前端優(yōu)化方面發(fā)展。貼片天線、高性能處理器和集成電路雷達(dá)系統(tǒng)為小型化提供了解決思路。在系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化方面，越來越多的雷達(dá)系統(tǒng)前端從傳統(tǒng)的外差式轉(zhuǎn)為自/互注入鎖定式；其次，未來醫(yī)療監(jiān)護(hù)雷達(dá)將采用多種雷達(dá)體制以彌補(bǔ)單一體制的不足。

在信號處理算法優(yōu)化方面，反正切解調(diào)、自適應(yīng)直流校準(zhǔn)、噪聲雜波消除等信號處理方法仍是今后研究的重點(diǎn)；盲源分離信號處理技術(shù)將會越來越多地用于區(qū)分病房環(huán)境雜波和多目標(biāo)以及身體不自覺的移動導(dǎo)致的干擾中；人體在運(yùn)動狀態(tài)下生命信號的監(jiān)測算法也亟待解決；針對醫(yī)療監(jiān)護(hù)雷達(dá)，更多有臨床應(yīng)用價值的評價指標(biāo)有待提出。

另外，大多數(shù)參考文獻(xiàn)中算法在衡量呼吸和心跳信號測量結(jié)果時并沒有給出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的采用測量信號相對于參考呼吸和心跳信號的準(zhǔn)確率來衡量[19]，有的采用測量信號的信噪比來衡量[9]，今后需要給出比較合理和科學(xué)的統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn)，才更有利于醫(yī)用監(jiān)測雷達(dá)研究工作的進(jìn)一步發(fā)展。

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（收稿：2014-10-22修回：2015-01-23）

Researchprogress of radar for non-contact medical monitoring

LIU Bing-wen,HE Mi
(School of Biomedical Engineering,the Third Military Medical University,Chongqing 400038,China)

The advantages of non-contact medical monitoring radar were introduced compared with the traditional medical monitoring devices.The state of art of three kinds of typical medical monitoring radar schemes over the past decade was reviewed.Researches on breathing and heartbeat signal extraction,isolation and clutter suppression algorithms were summarized.The advantages and disadvantages of these algorithms were also pointed out.The prospects of noncontact medical monitoring radar were explored finally.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：107-111]

non-contact;vital signs monitoring;medical radar

[中國圖書資料分類號]R318.6；TN954A

1003-8868（2015）05-0107-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.107

國家自然科學(xué)基金青年基金項目（41301397）

劉炳文（1991—），男，研究方向為生物醫(yī)學(xué)信號處理。

400038重慶，第三軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（劉炳文，何密）

何密，E-mail:hmcherry@126.com