張 楊，于 霄，呂 昊，李 釗，路國(guó)華，李 盛，王健琪，焦 騰

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

張 楊，于 霄，呂 昊，李 釗，路國(guó)華，李 盛，王健琪，焦 騰

目的:為解決戰(zhàn)爭(zhēng)和災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)傷員氣胸快速檢測(cè)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(cè)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(hào)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(duì)氣胸模擬模型檢測(cè)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(cè)，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)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(cè)

0 引言

戰(zhàn)爭(zhēng)和災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)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(huì)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(zhēng)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(duì)于TPT的早期現(xiàn)場(chǎng)診斷和及時(shí)處理就顯得尤其重要。

目前，臨床上用來(lái)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(cè)[10]。超聲檢查方便、快捷，但診斷醫(yī)師對(duì)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(cè)方式均不適用于戰(zhàn)爭(zhēng)和災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)的氣胸診斷，迫切需要一種新的便攜式氣胸檢測(cè)技術(shù)來(lái)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(hào)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(zhēng)、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的傷員氣胸快速檢測(cè)需求出發(fā)，融合微功率雷達(dá)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)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(cè)系統(tǒng)，包括脈沖源、控制模塊、接收機(jī)、超寬譜探測(cè)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(duì)戰(zhàn)場(chǎng)及災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)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(hào)近場(chǎng)目標(biāo)探測(cè)原理如圖1所示。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生窄脈沖信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)介電常數(shù)的差異，從肺組織表面返回的接收信號(hào)的大小會(huì)存在差異。這種接收信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)經(jīng)過(guò)延時(shí)電路產(chǎn)生距離門(mén)，通過(guò)距離門(mén)控制技術(shù)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行選擇，隨后信號(hào)通過(guò)積分電路進(jìn)行脈沖積累，這樣微弱信號(hào)被檢測(cè)出來(lái)，我們將檢測(cè)出來(lái)的微弱信號(hào)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(cè)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(guò)發(fā)射天線輻射出去?；夭ㄐ盘?hào)通過(guò)接收天線進(jìn)入接收機(jī)，控制模塊通過(guò)信號(hào)采集觸發(fā)控制接收機(jī)的信號(hào)采集，隨后信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊進(jìn)行放大、濾波等信號(hào)預(yù)處理，最后進(jìn)入數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行信號(hào)分析。

圖1 超寬譜沖擊信號(hào)近場(chǎng)目標(biāo)探測(cè)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(hào)，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(cè)需要。同時(shí)，控制模塊可向接收機(jī)（存儲(chǔ)示波器）發(fā)送數(shù)據(jù)采集信號(hào)。

（3）超寬譜探測(cè)天線：對(duì)于超寬譜微波近場(chǎng)探測(cè)，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(hào)的發(fā)射與目標(biāo)散射信號(hào)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(guò)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(guò)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(hào)傳給接收機(jī)，接收機(jī)采用Agilent公司54855A存儲(chǔ)示波器，具有20 GSa/s取樣頻率及2 MB存儲(chǔ)深度。存儲(chǔ)示波器由控制模塊進(jìn)行控制，將采集到的信號(hào)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(hào)，運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理程序?qū)δ繕?biāo)信號(hào)預(yù)處理，去除直達(dá)波及直流信號(hào)，并將預(yù)處理后的信號(hào)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(hào)處理與分析

發(fā)射天線將來(lái)自脈沖源的窄脈沖信號(hào)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(guò)各種組織。當(dāng)信號(hào)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(hào)透過(guò)界面繼續(xù)向前傳播，另一部分信號(hào)被反射回去。透射和反射信號(hào)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(duì)介電常數(shù)。

當(dāng)有氣胸產(chǎn)生時(shí)，胸部會(huì)有一塊介電常數(shù)異常區(qū)域，這種電參數(shù)的異常會(huì)在雷達(dá)回波中有所反應(yīng)。這樣，通過(guò)處理和分析反射回來(lái)的超寬帶雷達(dá)信號(hào)，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(duì)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(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字帶通濾波處理；進(jìn)行功率積分，計(jì)算信號(hào)的平均功率；再對(duì)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(hào)的各極大值與總能量的相對(duì)關(guān)系，來(lái)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(hào)，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(duì)每道采樣數(shù)據(jù)的對(duì)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(duì)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(cè)模型。通過(guò)改變胸腔氣體體積和厚度來(lái)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(cè)系統(tǒng)對(duì)模擬人進(jìn)行檢測(cè)，共采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)56組，信號(hào)處理和分析后給出探測(cè)結(jié)果，56組數(shù)據(jù)的氣胸檢測(cè)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(hào)處理后的200點(diǎn)能量圖，其中圖4為對(duì)模擬正常人模型的探測(cè)結(jié)果，圖5為對(duì)模擬氣胸模型的探測(cè)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(hào)處理后的能量圖

圖5 模擬氣胸患者信號(hào)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(lái)檢測(cè)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(hào)檢測(cè)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(cè)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(wèn)題需要解決。雷達(dá)發(fā)射的超寬譜電磁脈沖經(jīng)過(guò)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(hào)到達(dá)雷達(dá)接收探頭時(shí)，有效信號(hào)被淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲信號(hào)中，如何提取出該有用信號(hào)是超寬譜雷達(dá)診斷氣胸技術(shù)中的一個(gè)難題。針對(duì)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(hào)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(duì)不同尺度下小波分解系數(shù)的閾值量化處理，突出原信號(hào)中的特征細(xì)節(jié)變化，以進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)節(jié)識(shí)別能力。

[1]Barton E D.Tension pneumothorax[J].Curr Opin Pulm Med，1999，4：269-274．

[2]Coats T J，Wilson A W，Xeropotamous N．Pre-hospital management of patients with severe thoracic injury[J]．Injury，1995，26（9）：581-585.

[3]劉理禮，周世偉．戰(zhàn)傷傷員救治時(shí)效研究進(jìn)展[J]．國(guó)防衛(wèi)生論壇，2003，12（4）：196-198.

[4]王晶．越戰(zhàn)中美軍傷員死亡原因的醫(yī)學(xué)調(diào)查[J]．海軍醫(yī)學(xué)，1996，14（2）：187.

[5]Ball C G，Kirkpatric A W，Lanpland K B，et al.Factors related to the failure radiographic recognition of occult posttraumatic pneumothoraces[J].Am J Surg，2005，189（5）：541-546.

[6]Rankine J J，Thomas A N，F(xiàn)luechter D．Diagnosis of pneumothorax in critically ill adults[J]．Postgrad Med J，2000，76（897）：399-404.

[7]丁武，楊儉新，張茂.超聲診斷氣胸的研究進(jìn)展[J].中華急診醫(yī)學(xué)雜志，2010，19（7）：778-780.

[8]時(shí)平，魯樹(shù)坤，霍宏，等.超聲在氣胸診斷中的價(jià)值[J].中華超聲影像學(xué)雜志，2009，18（1）：87-88.

[9]時(shí)平，胡海云，張雁，等.超聲與X線胸片在氣胸診斷中的比較[J].中華實(shí)用醫(yī)藥，2009，4（15）：49-50.

[10]Neff M A，Monk J S J，Peters K，et al.Detection of occult pneumothoraceson abdominal computed tomographic scans in trauma patients[J]. J Trauma，2000，49（2）：281-285.

[11]Dulehavsky S A，Hamilton D R，Diebel L N，et al.Thoracic uhrasounddiagnosisofpneumothorax[J].JTrauma，1999，47（5）：970-971.

[12]Phillip D L，Tracey W，Alan G.Micropower impulse radar：a Novel technology for rapid，real-time detection of pneumothorax[J].Emergency Medicine International，2011（3）：1-5.

[13]Albers C E，Haefeli P C，Zimmermann H，et al.Can handheld micropower impulse radar technology be used to detect pneumothorax? Initial experience in a European trauma centre[J].Injury，2013，44：650-654.

（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(guó)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(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，于 霄，呂 昊，李 釗，路國(guó)華，李 盛，王健琪，焦 騰）

焦 騰，E-mail:jiaoteng@fmmu.edu.cn