景裕，曹育森，朱明明，雷濤，夏娟娟，李釗，張林媛，王健琪，路國(guó)華

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

引言

我軍十分重視戰(zhàn)后和災(zāi)后傷員的搜索救援任務(wù)，不僅建立了緊急救援體系，也成立了一支專業(yè)化的國(guó)家地震災(zāi)害緊急救援隊(duì)來應(yīng)對(duì)重大突發(fā)事件，如地震、泥石流等自然災(zāi)害以及恐怖活動(dòng)。為確保我軍的救援能力，相應(yīng)的生命探測(cè)技術(shù)和設(shè)備的研究也需要進(jìn)一步深入。災(zāi)后72 h是救援工作的黃金期，因此快速、準(zhǔn)確地對(duì)傷員進(jìn)行探測(cè)和定位可大大提高救援工作的效率以及傷員的存活率。生命探測(cè)技術(shù)在戰(zhàn)時(shí)及非戰(zhàn)時(shí)有著廣泛的應(yīng)用。

生命探測(cè)技術(shù)從使用方式的角度來看，可分為接觸式和非接觸式生命探測(cè)技術(shù)。其中接觸式生命探測(cè)技術(shù)利用電極、傳感器以及探頭直接接觸生命體，探測(cè)生命體的生理信號(hào)。其探測(cè)精度高，但由于受到電極和線纜的約束，應(yīng)用范圍有一定的局限。非接觸式生命探測(cè)技術(shù)擺脫了電極和傳感器對(duì)探測(cè)對(duì)象的約束[1]，間隔一定距離，穿透障礙物探測(cè)生命體的生理信號(hào)。具有非接觸、探測(cè)距離遠(yuǎn)、應(yīng)用范圍廣及障礙物穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，相較于接觸式生命探測(cè)技術(shù)更適用于被掩埋傷員的搜救工作。

非接觸式生命探測(cè)技術(shù)按原理可分為：基于光學(xué)信號(hào)的生命探測(cè)技術(shù)、基于聲學(xué)信號(hào)的生命探測(cè)技術(shù)、基于氣味信號(hào)的生命探測(cè)技術(shù)以及基于生物雷達(dá)的生命探測(cè)技術(shù)[2]。雷達(dá)生命探測(cè)技術(shù)近年來被大量研究并得到了快速發(fā)展，其應(yīng)用較為廣泛，產(chǎn)品也較為普及。本文將詳細(xì)介紹各種非接觸式生命探測(cè)技術(shù)的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用，并闡述其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

1 基于聲學(xué)信號(hào)的非接觸式生命探測(cè)技術(shù)

基于聲學(xué)信號(hào)的非接觸式生命探測(cè)技術(shù)采用微電子處理器和振動(dòng)傳感器，能夠識(shí)別幸存者通過呼喊、敲擊或拍打發(fā)出的微小振動(dòng)，并通過全方位傳感器所檢測(cè)到的回聲強(qiáng)弱對(duì)幸存者進(jìn)行定位，能夠有效識(shí)別人類聽覺系統(tǒng)不能識(shí)別的聲音。音頻生命探測(cè)技術(shù)最早源于法國(guó)，其產(chǎn)品現(xiàn)已發(fā)展至第四代，已有多個(gè)國(guó)家使用音頻生命探測(cè)儀進(jìn)行災(zāi)后或戰(zhàn)后的傷員搜救[3]。如LEADER（法國(guó)）和DELSAR（美國(guó)）音頻生命探測(cè)儀。

音頻生命探測(cè)儀操作簡(jiǎn)便、定位精確、靈敏度高，適用于多種救援現(xiàn)場(chǎng)，但容易受到周圍環(huán)境噪聲的影響，要求救援現(xiàn)場(chǎng)較為安靜，且待救者必須發(fā)出聲音。音頻生命探測(cè)技術(shù)可以與視頻生命探測(cè)技術(shù)結(jié)合使用來提高其探測(cè)能力，在借鑒吸收國(guó)外探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國(guó)自主研發(fā)出了DVL-360音視頻生命探測(cè)儀，能夠在施救者和待救者之間建立視覺和聽覺的聯(lián)系。

由于聲音信號(hào)容易受到周圍環(huán)境中其他聲音和噪聲的干擾，聲音信號(hào)的識(shí)別和分類是聲音探測(cè)技術(shù)的主要研究方向。隨著深度學(xué)習(xí)的逐步興起，作為深度學(xué)習(xí)的一種模式分析方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在目標(biāo)識(shí)別和分類中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展。近年來，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法解決聲音探測(cè)技術(shù)中聲音識(shí)別和分類的問題[4-8]。其中Romanov等[8]實(shí)現(xiàn)了一種基于VGGish模型的聲音信號(hào)檢測(cè)和分類系統(tǒng)，可以識(shí)別十三種聲音信號(hào)，如咳嗽、嬰兒啼哭、犬吠和槍聲等，該系統(tǒng)假陽(yáng)性率極低，可用于自動(dòng)持續(xù)檢測(cè)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在聲音信號(hào)處理領(lǐng)域的應(yīng)用顯示出良好的結(jié)果，在聲音信號(hào)的識(shí)別和分類方面也越來越受歡迎。

2 基于光學(xué)信號(hào)的非接觸式生命探測(cè)技術(shù)

根據(jù)波長(zhǎng)可將光學(xué)信號(hào)分為可見光、紅外線和紫外線等，在電磁波譜中，紅外線和可見光可用于生命探測(cè)。

可見光生命探測(cè)技術(shù)也可以稱為視頻生命探測(cè)技術(shù)，即將視頻探頭伸入救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的縫隙中，采集視頻信號(hào)，進(jìn)行可視性探測(cè)。探頭可攜帶有米數(shù)標(biāo)記的電纜，從而簡(jiǎn)化傷員定位的問題，但必須要求現(xiàn)場(chǎng)有縫隙和孔洞，且探頭容易受到泥水的污染，導(dǎo)致圖像不清晰。視頻生命探測(cè)技術(shù)可以獲得可見光圖像信息，通常將其與音頻生命探測(cè)技術(shù)結(jié)合使用，從而獲取更多有用信息，如蛇眼音視頻生命探測(cè)儀。

基于紅外線的生命探測(cè)技術(shù)可分為主動(dòng)式探測(cè)和被動(dòng)式探測(cè)。其中主動(dòng)式紅外生命探測(cè)技術(shù)利用紅外探照燈人為產(chǎn)生紅外輻射照射探測(cè)目標(biāo)，通過處理相應(yīng)的反射信號(hào)，最后將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為人眼可以識(shí)別的光信號(hào)[9]，從而探知生命體的存在，如紅外夜視儀，可在夜間進(jìn)行觀察和搜索。主動(dòng)式紅外生命探測(cè)技術(shù)能準(zhǔn)確分辨人和動(dòng)物并探測(cè)距離，但其對(duì)成像技術(shù)依賴性較高，氣候變化（如多霧和風(fēng)沙）和地面的震動(dòng)會(huì)引起系統(tǒng)的誤報(bào)，且紅外探照燈頻繁發(fā)射紅外光束會(huì)被敵方的紅外探測(cè)裝置探測(cè)到。

被動(dòng)式紅外生命探測(cè)技術(shù)本身不發(fā)射任何紅外輻射，而是被動(dòng)接收來自探測(cè)目標(biāo)（溫度高于0）的紅外輻射，隨后將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊釄D像，如熱成像儀。被動(dòng)式紅外生命探測(cè)技術(shù)具有隱蔽性好、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但不能穿透墻體等障礙物。

隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的深入，紅外探測(cè)技術(shù)在傷員搜救、環(huán)境檢測(cè)以及疾病診斷等方面的應(yīng)用也越來越廣泛。已有研究[9]利用基于傅里葉變換的紅外光譜實(shí)現(xiàn)氣體和污染物的高靈敏度檢測(cè)。近年來，隨著各種圖像融合理論和算法的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者將其成功應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，引起了研究者的廣泛關(guān)注，并成為許多研究者的工作重點(diǎn)[10-13]，圖像融合技術(shù)可以將可見光圖像中攜帶的細(xì)節(jié)紋理信息和紅外圖像中攜帶的熱輻射信息結(jié)合起來。Sun等[13]將可見光成像技術(shù)和紅外成像技術(shù)結(jié)合起來，保留可見光圖像中的紋理和細(xì)節(jié)，突出紅外圖像中感興趣的目標(biāo)，遠(yuǎn)程探測(cè)多個(gè)生命體征并初步篩查疑似傳染病的患者，其篩查能力高于傳統(tǒng)的發(fā)熱篩查方法。

3 基于氣味信號(hào)的非接觸式生命探測(cè)技術(shù)

生物具有極其敏銳的嗅覺，可以辨別各種氣味信號(hào)，仿照生物的嗅覺系統(tǒng)，人們提出了“仿生電子鼻”的概念[14]，電子鼻可以檢測(cè)氣味，并對(duì)氣味進(jìn)行分類，主要包括傳感器陣列和相應(yīng)的識(shí)別算法兩個(gè)部分，通過氣體傳感器陣列吸附氣體化合物，再將獲得的氣味信號(hào)進(jìn)行識(shí)別分析后實(shí)現(xiàn)氣味信號(hào)的辨別。氣體檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、防爆、食品質(zhì)量檢測(cè)和疾病診斷等領(lǐng)域[15-17]。目前，已有研究人員將氣體檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于傷員的搜索救援工作中，人體呼吸產(chǎn)生的氣體中含有多種揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs），當(dāng)發(fā)生地震等自然災(zāi)害時(shí)，由于廢墟之下的空間狹小且空氣不流通，幸存者呼吸所產(chǎn)生的VOCs會(huì)在該空間內(nèi)富集，濃度較高，通過檢測(cè)VOCs就能獲得幸存者的位置信息，從而達(dá)到生命探測(cè)的目的?；跉馕缎盘?hào)的生命探測(cè)技術(shù)具有靈敏度高、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)以及辨別能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

4 基于生物雷達(dá)的非接觸式生命探測(cè)技術(shù)

雷達(dá)利用無線電的方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)目標(biāo)反射設(shè)備發(fā)射的電磁波，由接收器接收回波，并用相應(yīng)的算法對(duì)回波進(jìn)行處理和分析[18]，從而獲得探測(cè)目標(biāo)的位置信息。生物雷達(dá)將雷達(dá)用于人體的生命體征探測(cè)[19]，將雷達(dá)和生物醫(yī)學(xué)測(cè)量相結(jié)合[20]，擺脫了電極和傳感器對(duì)生命體的約束，在非接觸的情況下實(shí)現(xiàn)呼吸信號(hào)和心率信號(hào)的檢測(cè)。生物雷達(dá)根據(jù)原理可分為連續(xù)波生物雷達(dá)和超寬帶（Ultra Wideband，UWB）生物雷達(dá)[19]。

連續(xù)波生物雷達(dá)不斷向探測(cè)目標(biāo)發(fā)射連續(xù)的微波信號(hào)，該信號(hào)會(huì)被探測(cè)目標(biāo)反射，根據(jù)多普勒原理，生命體的任何微小移動(dòng)（如呼吸時(shí)胸部區(qū)域的移動(dòng)）都會(huì)改變回波的相位[18]，然后使用相同的發(fā)送波對(duì)回波進(jìn)行解調(diào)，提取生命體信號(hào)的參數(shù)。

UWB生物雷達(dá)發(fā)射帶寬大于0.25的脈沖微波束，接收由生命體活動(dòng)而調(diào)制的回波脈沖[21]，選擇合適的信號(hào)處理方法提取生命信號(hào)的參數(shù)（如呼吸和心率信號(hào)）。UWB生物雷達(dá)的障礙物穿透能力以及目標(biāo)識(shí)別的能力優(yōu)于連續(xù)波生物雷達(dá)。

雷達(dá)生命探測(cè)技術(shù)具有穿透能力強(qiáng)、定位精確、抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)，且不容易受到搜索救援現(xiàn)場(chǎng)的噪聲和氣候變化的影響。也能根據(jù)不同的搜索救援現(xiàn)場(chǎng)，選擇不同波段的電磁波。廣泛應(yīng)用于災(zāi)后搜索救援、穿墻監(jiān)視以及醫(yī)療診斷和檢測(cè)。

在國(guó)內(nèi)，空軍軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系較早開始非接觸式生命信息檢測(cè)的研究，研制出了我國(guó)首臺(tái)雷達(dá)生命探測(cè)儀[19]和基于超寬譜微波信號(hào)的多通道搜救雷達(dá)[22]，能穿透障礙物檢測(cè)到生命體的呼吸信號(hào)，并在汶川地震的搜索救援工作中發(fā)揮了一定的作用，在探知生命體是否存在的基礎(chǔ)上，也可用于對(duì)生命體進(jìn)行體征的持續(xù)監(jiān)測(cè)[23-25]，由于人類和動(dòng)物的生命體征相似，在搜救工作中可能會(huì)出現(xiàn)誤判，因此目標(biāo)識(shí)別也是雷達(dá)生命探測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。Yu 等[26]提出一種新的方法識(shí)別人與動(dòng)物的呼吸信號(hào)。為了提高檢測(cè)精度，Liang等[27]提出了一種利用脈沖UWB雷達(dá)進(jìn)行生命體征檢測(cè)的新算法。

5 非接觸式生命探測(cè)技術(shù)發(fā)展展望

聲波在穿越障礙物時(shí)能量會(huì)大大衰減，為了解決探測(cè)聲音信號(hào)質(zhì)量的問題，聲音信號(hào)的去噪和增強(qiáng)方法的研究需要進(jìn)一步深入。隨著深度學(xué)習(xí)的逐步興起，研究者們可以使用深度學(xué)習(xí)的模式分析方法（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）提取聲音信號(hào)的特征并進(jìn)行識(shí)別和分類，在搜索救援工作中達(dá)到區(qū)分人和動(dòng)物的目的。除此之外，聲音信號(hào)識(shí)別技術(shù)可以與圖像識(shí)別技術(shù)結(jié)合，增強(qiáng)對(duì)探測(cè)目標(biāo)的識(shí)別性能。隨著深度學(xué)習(xí)在聲音信號(hào)檢測(cè)和分類方面的成功應(yīng)用，深度學(xué)習(xí)將會(huì)在這一領(lǐng)域有進(jìn)一步的突破。

基于光學(xué)信號(hào)的生命探測(cè)技術(shù)的研究，可進(jìn)一步將成像信息擴(kuò)展至更多波段進(jìn)行工作，其他成像技術(shù)的研究可以為這一方向的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展提供解決方案。在這一研究方向，高光譜成像技術(shù)的出現(xiàn)是一個(gè)重要的突破，不僅可以在可見光和紫外波段成像，也可以在近紅外和中紅外波段同時(shí)成像[28]，可以為目標(biāo)識(shí)別和區(qū)分提供充足的光譜信息。但隨著波段數(shù)的增加，同時(shí)也需要進(jìn)一步克服數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增加和冗余信息相對(duì)增多的問題。除此之外，紅外成像技術(shù)也可以與其他成像技術(shù)融合，從而能提取出更多的有用信息。

基于生物雷達(dá)的生命探測(cè)技術(shù)不僅可以獲取探測(cè)目標(biāo)的生理信號(hào)（如呼吸信號(hào)和心率信號(hào)），也可將所獲得的生命信號(hào)綜合分析，實(shí)現(xiàn)傷員探測(cè)和定位的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)傷員傷情的感知，從而選取恰當(dāng)?shù)木仍胧?，提高搜救效率。在傷員眾多的情況下，使用多輸入多輸出的生命探測(cè)系統(tǒng)解決多個(gè)對(duì)象同時(shí)檢測(cè)的問題，盲源分離算法可從檢測(cè)到的混合信號(hào)中分析出原始信號(hào)，允許同時(shí)探測(cè)多個(gè)目標(biāo)。將其與其他生命探測(cè)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)探測(cè)技術(shù)的精準(zhǔn)化和智能化。

異常氣味 （如香水和酒精）會(huì)引起傳感器的強(qiáng)烈響應(yīng)[29]，而影響設(shè)備探測(cè)生命體的目的，這是基于氣味信號(hào)的生命探測(cè)技術(shù)亟待解決的問題。除此之外，氣體混合物的檢測(cè)也是一個(gè)需要解決的問題。

戰(zhàn)后和災(zāi)后搜救現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，單一的傳感器很難滿足生命探測(cè)的需求，可以利用信息融合技術(shù)將各種傳感器所獲取的不同類型的信息進(jìn)行綜合處理與分析，從而準(zhǔn)確探測(cè)傷員的位置，并對(duì)傷員的傷情進(jìn)行初步的感知，提高非接觸式生命探測(cè)技術(shù)的探測(cè)能力和可靠性。無人化設(shè)備的普及為無人化傷員搜尋的實(shí)現(xiàn)提供解決方案，將多種傳感器集成到完全自主的無人機(jī)或機(jī)器人上，可在具有潛在危害和風(fēng)險(xiǎn)的救援現(xiàn)場(chǎng)取代人工。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，非接觸式生命探測(cè)技術(shù)的研究將會(huì)向如何提高其探測(cè)能力、智能化和無人化的方向發(fā)展，與其他技術(shù)的融合，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)傷員的傷情感知，非接觸式生命探測(cè)技術(shù)的發(fā)展將有利于提高我軍的傷員搜救能力和傷員的存活率。