石 丁，喬嘉豪，李瑞瑤，焦 騰，安 強，廖福元，閆克丁，張 楊*

（1.空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，西安 710032；2.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

重大災(zāi)害發(fā)生后，大量人員因被掩埋于廢墟之下而無法脫逃。根據(jù)匯總的災(zāi)后傷病譜發(fā)現(xiàn)[1-2]，因重物倒塌致人體擠壓受傷是災(zāi)害發(fā)生后的早、中期最主要的致傷或致死原因。時間就是生命，搜救人員若是能夠提前掌握受擠壓傷員的生命狀態(tài)和傷情信息，就能更加合理地安排救援優(yōu)先級順序，并提前準(zhǔn)備好相關(guān)藥物與醫(yī)療設(shè)備，從而實現(xiàn)科學(xué)且精準(zhǔn)的救援，最大程度減少人員傷亡。

隨著生物雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，因其具備非接觸、遠(yuǎn)距離與穿透性等特點使得提前掌握受困傷員的生命狀態(tài)和傷情信息成為了可能[3-6]。目前已有部分課題組開展了受困狀態(tài)下目標(biāo)的生命狀態(tài)識別領(lǐng)域的研究工作，王德文及其團(tuán)隊曾使用動物模擬受擠壓傷員，研究在深埋條件下生命體不同傷情下的特征，取得了一定的成果[7-8]，但在研究中并沒有使用生物雷達(dá)采集的信號進(jìn)行生命狀態(tài)識別，在實際救援中接觸式檢測設(shè)備僅能對廢墟表層的傷員進(jìn)行傷情診斷，難以滿足穿透廢墟對傷員進(jìn)行快速探測和傷情研判的需求。日本防衛(wèi)醫(yī)科大學(xué)也曾基于連續(xù)波生物雷達(dá)對兔子正常和失血休克2 種狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分研究，并取得了較好的效果[9]，但未對災(zāi)后其他致傷原因進(jìn)行深入研究。此外，Ma 等[10]提出一種基于脈沖超寬帶生物雷達(dá)的受困目標(biāo)生命狀態(tài)辨識方法，該研究以與人類生命體征相仿的比格犬作為探測目標(biāo)并設(shè)計了模擬禁水禁食條件下的受困實驗，初步完成生命狀態(tài)辨識工作并將其生命所處不同階段進(jìn)行特征劃分。但該研究也并未針對實際災(zāi)害發(fā)生后因重物倒塌等原因致擠壓受傷這種情況作進(jìn)一步研究。

結(jié)合以上研究，本文將使用生物雷達(dá)與接觸式的多導(dǎo)生理信號檢測設(shè)備對2 只處于擠壓密閉實驗平臺中的3 月齡實驗豬（一雄一雌）進(jìn)行觀測。通過對比2 類設(shè)備采集到的信號，驗證生物雷達(dá)采集到的心跳和呼吸信號與接觸式檢測設(shè)備測得的實際信號是否具有較好的一致性。之后擬通過對生物雷達(dá)采集的生命信號進(jìn)行深入分析和特征提取，實現(xiàn)針對受擠壓生命體的生命狀態(tài)識別和傷情研判。本研究將有助于在自然災(zāi)害與人為事故發(fā)生后提高對擠壓傷員的詳細(xì)信息獲取能力，在確定傷員位置的同時掌握傷員的生命狀態(tài)以及傷情，以提前制訂科學(xué)精準(zhǔn)的救援計劃，對救援物資的科學(xué)調(diào)配以及災(zāi)后傷員救援優(yōu)先級的確定具有指導(dǎo)意義。

1 擠壓密閉實驗平臺與生物雷達(dá)

1.1 擠壓密閉實驗平臺構(gòu)建

擠壓密閉實驗平臺由1 個密閉暗箱和4 個電動機驅(qū)動線性擠壓模組以及可編程運動控制器構(gòu)成。該密閉暗箱由六面質(zhì)地均勻的實心木板組裝而成，其兩側(cè)的活動門板可以打開或上鎖關(guān)閉。以電動機驅(qū)動線性擠壓模組與可編程運動控制器為核心構(gòu)建了一套運動擠壓系統(tǒng)，該線性擠壓模組產(chǎn)生精細(xì)位移，推動擠壓板產(chǎn)生不同壓力。此外，通過壓力檢測模塊（MD30-60 薄膜壓力傳感器）檢測施加在生命體上的壓力信息。通過各模塊間的結(jié)合實現(xiàn)對步進(jìn)電動機的精確控制，進(jìn)而實現(xiàn)精確施加壓力的目的。

暗箱具有良好的密封性，不僅可以模擬災(zāi)后傷員受擠壓場景，還可同時模擬災(zāi)后傷員被掩埋時漆黑密閉的場景。因此在實驗中可將實驗動物放置進(jìn)暗箱的密閉擠壓室內(nèi)進(jìn)行模擬擠壓、密閉復(fù)合條件下的實驗數(shù)據(jù)采集。擠壓密閉實驗平臺示意圖如圖1 所示。

圖1 擠壓密閉實驗平臺示意圖

1.2 生物雷達(dá)

生物雷達(dá)在用途上可以分為戰(zhàn)場傷員搜尋雷達(dá)、災(zāi)后搜救雷達(dá)、用于臨床監(jiān)護(hù)的生命監(jiān)護(hù)雷達(dá)以及警用反恐雷達(dá)等。從生物雷達(dá)體制上一般可分為脈沖超寬帶雷達(dá)[11-12]和連續(xù)波雷達(dá)（包括點頻連續(xù)波雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)）[6，13]。與連續(xù)波生物雷達(dá)相比，脈沖超寬帶生物雷達(dá)具有以下優(yōu)勢：（1）發(fā)射的脈沖具有很寬的頻譜，因此更加有利于穿透障礙物進(jìn)行探測；（2）脈沖發(fā)射的持續(xù)時間很短，通常為皮秒級，具有很高的空間分辨力；（3）超短脈沖還使脈沖超寬帶生物雷達(dá)具有低能耗的特性。因此本文選取脈沖超寬帶的生物雷達(dá)作為后續(xù)的實驗設(shè)備。

脈沖超寬帶生物雷達(dá)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。首先，由連續(xù)振蕩器產(chǎn)生固定頻率的余弦信號，這些余弦信號被脈沖調(diào)制器所產(chǎn)生的周期性脈沖調(diào)制后形成發(fā)射脈沖，再經(jīng)功率放大器后激勵雷達(dá)天線向空間發(fā)射雷達(dá)波。雷達(dá)波照射到生命體，并與生命體因呼吸和心跳運動而產(chǎn)生的體表微動相作用，所產(chǎn)生的反射雷達(dá)波被接收天線接收。此時，由連續(xù)振蕩器產(chǎn)生的余弦信號經(jīng)延遲電路與距離門電路產(chǎn)生特定時刻的觸發(fā)脈沖實現(xiàn)對接收機中取樣積分器的控制，使之高效地完成對接收信號的取樣積分工作，之后信號被送入放大濾波電路中進(jìn)行處理，最終經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后送入計算機[14]。

圖2 脈沖超寬帶生物雷達(dá)結(jié)構(gòu)框圖

生物雷達(dá)的原始回波信號在計算機中是以數(shù)組矩陣D（m，n）[其中，m=1，2，…，M，代表沿著快時間方向的采樣點（距離軸）；n=1，2，…，N，代表沿著慢時間方向的采樣點（時間軸）]的形式存儲，其二維雷達(dá)原始回波圖像如圖3 所示。

圖3 二維雷達(dá)原始回波圖像

2 生物雷達(dá)信號預(yù)處理

為最終獲得較為準(zhǔn)確的被測目標(biāo)生理體征參數(shù)，針對采集到的雷達(dá)原始回波信號，需通過距離累積、距離歸一化、去除直流偏移、自適應(yīng)濾波4 個步驟進(jìn)行信號預(yù)處理工作。信號預(yù)處理流程圖如圖4 所示。

圖4 信號預(yù)處理流程圖

（1）距離累積：通過使用滑動窗沿快時間軸對數(shù)據(jù)取平均來達(dá)到縮減數(shù)據(jù)量的目的。該步驟旨在保證回波信號中細(xì)節(jié)特征信息不損失的前提下降低計算復(fù)雜度。

（2）距離歸一化：沿慢時間軸對每一時刻雷達(dá)回波信號執(zhí)行歸一化處理。該步驟使距離雷達(dá)較遠(yuǎn)處的慢時間信號衰減得到部分補償，以提高遠(yuǎn)處人體目標(biāo)回波信號的信噪比。

（3）去除直流偏移：在基于生物雷達(dá)的生命體征探測中，加載有目標(biāo)生命體征信息的雷達(dá)回波易受到探測場景中其他靜止物體的反射波影響，從而在回波數(shù)據(jù)中形成直流偏移干擾。該步驟通過減去每一時刻回波信號的均值即可濾除回波數(shù)據(jù)中存在的靜態(tài)雜波與直流偏移。

（4）自適應(yīng)濾波：采用基于最小均方誤差（least mean square，LMS）的自適應(yīng)濾波來抑制外界靜態(tài)雜波干擾。該方法是利用前一時刻已獲得的濾波參數(shù)結(jié)果，自動調(diào)節(jié)當(dāng)前時刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號和噪聲隨時間變化的統(tǒng)計特性，從而實現(xiàn)最優(yōu)濾波[15]。

根據(jù)正常人體呼吸（12～30 次/min）、心率（60～100 次/min）2 個指標(biāo)，設(shè)計低通濾波器對生命信號進(jìn)行濾波，提取出雷達(dá)回波中的呼吸信號；設(shè)計帶通濾波器以獲取心跳信號。通過以上步驟，完成對原始信號處理工作，最終分離出生物的呼吸信號和心跳信號[16]以進(jìn)行后續(xù)研究。

3 實驗數(shù)據(jù)采集與實驗結(jié)果

3.1 實驗數(shù)據(jù)采集

本文選取一雄一雌3 月齡豬為實驗對象，用于模擬處在擠壓密閉場景下的受困傷員，雄性豬體質(zhì)量20 kg，雌性豬體質(zhì)量17 kg。使用生物雷達(dá)對實驗豬的心跳、呼吸信號進(jìn)行采集的同時用接觸式檢測設(shè)備測量心電信號和呼吸信號作為參考。其中非接觸式心跳、呼吸信號采用7.29 GHz 中心頻率的脈沖超寬帶生物雷達(dá)X4M200 測量；接觸式呼吸信號采用RM6240E 多通道生命信號采集系統(tǒng)測量，心電信號采用IX-B3G 生物電信號采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。

自由空間場景下，將IX-B3G 生物電信號采集系統(tǒng)的五導(dǎo)聯(lián)心電采集電極片分別置于實驗豬的心尖部位、左右前肢腋下和左右后肢腋下。將RM6240E多通道生命信號采集系統(tǒng)的傳感器置于實驗豬腹部呼吸明顯部位。將X4M200 雷達(dá)置于與實驗豬腹部平齊的高度，且距離實驗豬水平方向上的直線距離60 cm 處，對實驗豬的生命體征參數(shù)進(jìn)行采集。在擠壓密閉場景下的接觸式心電電極和呼吸綁帶的安置方法同上。實驗開始時將實驗動物置于擠壓密閉平臺的密閉擠壓室內(nèi)，擠壓板與步進(jìn)電動機組成的擠壓模組能精確地控制螺桿旋轉(zhuǎn)從而完成前進(jìn)或者后退的功能，與暗箱的后側(cè)門板相互作用構(gòu)成模擬擠壓場景。將X4M200 雷達(dá)置于距離實驗豬頂部60 cm的擠壓平臺的頂板內(nèi)側(cè)。為便于觀察實驗豬的狀態(tài)，在密閉暗室頂部內(nèi)側(cè)安裝紅外攝像頭，同步觀測實驗豬的狀態(tài)，保證實驗豬在靜息的狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每次的采集時長為60 s，該時長內(nèi)的數(shù)據(jù)中包含有足夠分析生命體征變化的呼吸與心跳信息。采集場景示意圖如圖5 所示。

在自由空間和擠壓密閉2 種場景下的數(shù)據(jù)采集完成后，將有明顯目標(biāo)晃動的數(shù)據(jù)剔除，最終得到的采集數(shù)據(jù)組數(shù)見表1。自由空間場景下非接觸式呼吸、非接觸式心跳信號以及用于對比生物雷達(dá)檢測準(zhǔn)確度的接觸式呼吸、接觸式心電信號各采集10組；擠壓密閉場景下同樣將上述4 種信號分別在20、40、60、80、100 kPa 5 個壓力值下各采集5 組。

3.2 實驗結(jié)果

3.2.1 呼吸信號分析

使用生物雷達(dá)對生命體的呼吸信號進(jìn)行檢測是非接觸式設(shè)備評價生命狀態(tài)的常用指標(biāo)之一[17]，圖6為在2 種不同場景下生物雷達(dá)采集的一組典型呼吸信號時頻圖，通過與RM6240E 多通道生命信號采集系統(tǒng)測得的呼吸信號對比，非接觸式設(shè)備檢測同樣可以準(zhǔn)確反映生命體受擠壓狀態(tài)的呼吸特征變化情況。圖6（a）和（b）為一組典型的自由空間場景下的呼吸波形圖和呼吸頻譜圖，由圖可知，在自由空間場景下實驗豬的呼吸穩(wěn)定且規(guī)律，主頻率集中在0.17 Hz?？膳袛啻藭r實驗豬的呼吸情況良好，生命狀態(tài)穩(wěn)定。圖6（c）和（d）是受100 kPa 擠壓密閉場景下的呼吸波形和呼吸頻譜圖，由圖可知在100 kPa 壓力下的呼吸主頻率約為0.31 Hz，呼吸速度顯著變快并出現(xiàn)呼吸幅值不穩(wěn)定情況。此外，由于受到100 kPa 外力的擠壓，其呼吸信號會伴有明顯的波峰凹陷特征。經(jīng)過分析呼吸波形的波峰凹陷現(xiàn)象可能意味著在呼吸過程中出現(xiàn)間斷的二次吸氣現(xiàn)象。該現(xiàn)象主要是由于擠壓力對實驗豬胸腔壓迫的影響，一個呼吸周期內(nèi)的潮氣量難以滿足機體的氧氣需求，被迫進(jìn)行二次吸氣以補充氧氣所致。

3.2.2 心跳信號時域心率變異性（heart rate variability，HRV）分析

除對呼吸信號進(jìn)行分析外，對心跳信號進(jìn)行HRV分析是評價生命體自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控以及生命體征狀態(tài)的另一項重要指標(biāo)[18]。在時域分析中HRV 常見指標(biāo)如下：

（1）RR 間期平均值（MeanRR）：通過計算每2 個相鄰R 波尖峰的時間間期（RR 間期）計算整段數(shù)據(jù)RR 間期的平均值。公式如下：

（3）相鄰NN 間期差值的均方根（RMSSD）：代表著HRV 中快速的變化部分，反映了交感神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控。RMSSD 計算公式如下：

圖7 展示了在自由空間、60 kPa 擠壓密閉和100 kPa 擠壓密閉3 種場景下對靜息狀態(tài)的實驗豬進(jìn)行接觸式與非接觸式數(shù)據(jù)采集的對比結(jié)果，可以看到非接觸式心跳信號和接觸式心電信號表現(xiàn)出較好的同步性。

圖7 不同場景下生物雷達(dá)與IX-B3G 生物電信號采集系統(tǒng)采集的信號比較

通過給出的HRV 常見指標(biāo)公式分別計算出各場景下的RR 間期均值、RR 間期標(biāo)準(zhǔn)差、相鄰NN間期差值均方根，計算結(jié)果見表2。

依據(jù)表2 數(shù)據(jù)繪制的折線統(tǒng)計圖如圖8 所示。根據(jù)圖8 對HRV 的常見時域指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步分析。由RR 間期均值的變化情況可獲知在自由空間場景下的平均值為711 ms。擠壓密閉場景下，隨壓力值的逐步增大，RR 間期均值明顯下降，說明在施加壓力之后，實驗豬的心跳頻率變快。當(dāng)壓力值加至100 kPa后，此時實驗豬的RR 間期均值再次減小，心率進(jìn)一步加快達(dá)到自觀測以來的最大值。其次，在擠壓密閉場景下實驗豬的RR 間期標(biāo)準(zhǔn)差相較于自由空間場景要大，這表明在擠壓密閉場景下心跳變化的離散程度會隨壓力的增大呈現(xiàn)出總體增加的趨勢，即隨著外界壓力的增加，心臟出現(xiàn)心跳不規(guī)律的病理性變化。最后，在自由空間與擠壓密閉場景下分別計算心跳信號的NN 間期差值均方根。在擠壓密閉場景下實驗豬的兩相鄰的NN 間期差值相較自由空間場景要大，尤其是在施加20 kPa 壓力時，此時由于實驗豬剛感受到擠壓力，會出現(xiàn)驚嚇與恐懼，使其NN間期差值均方根值會出現(xiàn)一個劇烈的抬升，隨后在適應(yīng)環(huán)境后隨著壓力的增加其NN 間期差值在短暫下降后再次出現(xiàn)緩慢增加。

表2 不同壓力下HRV 相關(guān)指標(biāo)變化情況單位：ms

圖8 不同壓力下主要HRV 指標(biāo)折線統(tǒng)計圖

3.2.3 心跳信號頻域HRV 分析

對HRV 的時域信號進(jìn)行三次樣條插值再進(jìn)行快速傅里葉變換，然后進(jìn)行HRV 頻域分析。根據(jù)生命體交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)的活動狀態(tài)將HRV 頻域劃分為高頻段HF（0.15 Hz＜HF≤0.4 Hz）和低頻段LF（0.04 Hz＜LF≤0.15 Hz）2 個頻段。高頻段時副交感神經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)作用，低頻段時交感神經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)作用。為得到準(zhǔn)確的特征信息，進(jìn)行高頻段、低頻段以及高低頻段比值LF/HF 3 個方面的比較與分析。圖9為自由空間場景和100 kPa 擠壓密閉場景的HRV頻譜圖，通過觀察對比可見在0.05 Hz 之前二者頻譜幅值及變化趨勢相似。另外，與自由空間場景相比，100 kPa 擠壓密閉條件下的頻譜圖在0.09 Hz 及其附近位置的幅值均有一定提升，這說明施加壓力后，低頻段頻譜幅值有較明顯的增加。

圖9 不同場景下HRV 信號頻譜圖

表3 是計算出來的HRV 頻域特征值，其中總頻段TP 為0～0.4 Hz。在壓力不斷上升的情況下，HRV的低頻段功率總體呈增加趨勢，意味著因受到擠壓和密閉環(huán)境的影響，實驗豬處在緊張的狀態(tài)，此時交感神經(jīng)興奮，心臟的心搏增強進(jìn)而導(dǎo)致心率上升。在表3 中，隨著壓力的增加高頻段功率總體也呈現(xiàn)出增加趨勢，代表著副交感神經(jīng)的作用也在增加，此時副交感神經(jīng)在調(diào)控心率使之下降。LF/HF 為低頻與高頻比值，反映了交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)之間相互作用的情況，當(dāng)壓力值在0～20 kPa 變化時，實驗豬的LF/HF 趨近于1，處于相對平衡且心臟活動較為穩(wěn)定的狀態(tài)。伴隨著壓力值的增大，二者比值也同樣表現(xiàn)出總體增加的趨勢，這意味著此時在實驗豬的自主神經(jīng)中交感神經(jīng)逐步占據(jù)主導(dǎo)，而交感神經(jīng)又對心臟運動的調(diào)控起主要作用，這也從生理學(xué)的角度解釋了導(dǎo)致實驗豬心跳頻率上升的原因。

表3 不同壓力狀態(tài)下的HRV 頻域指標(biāo)

本文采用平均誤差率[19]作為對非接觸式生物雷達(dá)與接觸式設(shè)備所采集的信號的評價指標(biāo)。統(tǒng)計比較的結(jié)果見表4，通過比較分析可知，生物雷達(dá)的檢測值與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果之間僅存在少量偏差，因此通過生物雷達(dá)獲得生命信號不失為一種值得信賴的檢測方法。綜合對非接觸式采集的呼吸信號與心跳信號的HRV 分析結(jié)果，說明使用生物雷達(dá)在擠壓密閉場景下對受擠壓的生命體進(jìn)行生命狀態(tài)識別以及初步傷情研判是可行的。

表4 非接觸式設(shè)備檢測誤差率統(tǒng)計比較

4 結(jié)語

本文以自行設(shè)計的模擬擠壓密閉場景實驗平臺為基礎(chǔ)進(jìn)行實驗，采用一雄一雌3 月齡的2 只實驗豬作為被探測對象模擬受擠壓傷員，分別采集了自由空間和擠壓密閉場景下非接觸式呼吸、心跳信號以及接觸式的呼吸、心電信號，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

通過對生命體非接觸式檢測的呼吸信號進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在100 kPa 壓力下，實驗豬的呼吸頻率顯著加快，整個呼吸運動中表現(xiàn)出呼吸幅度不穩(wěn)定且出現(xiàn)間斷的二次吸氣現(xiàn)象，經(jīng)推斷出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因是由于擠壓力對實驗豬胸腔壓迫的影響，使其機體的攝氧量不足從而需進(jìn)行二次吸氣以滿足身體需要所導(dǎo)致。此外，對非接觸式采集的心跳信號進(jìn)行HRV 分析，時域上的3 個HRV 指標(biāo)會隨著壓力增大出現(xiàn)較為明顯變化。受擠壓場景下隨著擠壓力的增加，實驗豬會出現(xiàn)心跳信號的RR 間期平均值下降，且其RR 間期標(biāo)準(zhǔn)差、RR 間期差值均方根都出現(xiàn)較為明顯的上升趨勢，這些指標(biāo)代表實驗豬的心跳變快，心跳運動的離散性增加，更能進(jìn)一步推斷出此時生命體的交感神經(jīng)在占據(jù)主導(dǎo)作用。同時對HRV 頻域進(jìn)行分析，分別從低頻段、高頻段和低頻高頻比值3 個方面入手，發(fā)現(xiàn)交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)均發(fā)揮了作用，且隨著擠壓壓力的增大交感神經(jīng)最終占據(jù)主導(dǎo)地位，這也從另一方面解釋了導(dǎo)致實驗豬心跳頻率上升的生理原因。

本文通過對從非接觸式雷達(dá)生命信號中提取出的呼吸與心跳信號進(jìn)行相應(yīng)的特征分析，依據(jù)這些特征，初步實現(xiàn)了對生命體的受壓生命狀態(tài)識別以及簡單的傷情研判。下一步將通過基于小波包的時頻分析、HRV 非線性分析等技術(shù)方法對生物雷達(dá)心跳信號進(jìn)行進(jìn)一步分析，以期實現(xiàn)非接觸擠壓傷的自動探測和識別，為快速精細(xì)化救援提供技術(shù)支持。