非接觸生理信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

王健琪，薛慧君，呂昊，李盛

第四軍醫(yī)大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710032

0 前言

生理信號(hào)是由復(fù)雜生命體發(fā)出的信號(hào)，其本身特征、檢測(cè)方式以及處理技術(shù)，都不同于一般的信號(hào)。生理信號(hào)是用來(lái)判別人體病情的輕重和危險(xiǎn)程度的物理信號(hào)，生理信號(hào)檢測(cè)是對(duì)生物體中包含生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)、變量和成份等信息的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和量化的技術(shù)，是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究中的一個(gè)先導(dǎo)技術(shù)。由于研究者的立場(chǎng)、研究目的以及采用的檢測(cè)方法不同，使生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的分類呈現(xiàn)多樣化。其中一種重要的分類方式將生理信號(hào)檢測(cè)技術(shù)分為接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)。

接觸式檢測(cè)是指利用電極或傳感器直接或間接的接觸生物體來(lái)檢測(cè)生理信號(hào)，檢測(cè)過(guò)程中對(duì)生物體有一定的約束，是目前最常用的檢測(cè)技術(shù)。非接觸式檢測(cè)是指不接觸生物體，隔一定的距離，穿透一定的介質(zhì)，在對(duì)生物體無(wú)約束的情況下，借助于外來(lái)能量（探測(cè)媒介）探測(cè)或感應(yīng)生理信號(hào)，這是一個(gè)全新概念，是近年來(lái)生物醫(yī)學(xué)工程界充分關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題。

由于非接觸式檢測(cè)方法無(wú)需使用傳感器或者電極與人體接觸，能夠給檢測(cè)目標(biāo)提供一個(gè)寬松舒適的檢測(cè)環(huán)境，具有特殊的應(yīng)用前景，主要表現(xiàn)在：① 在醫(yī)學(xué)上作為全新的生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)方法，有利于促進(jìn)科技進(jìn)步；② 在災(zāi)害應(yīng)急救援上，可用于搜尋被廢墟、塌方等埋壓的幸存者；③在國(guó)家公共安全上，可用于對(duì)恐怖分子隔墻監(jiān)測(cè)。

目前國(guó)際上“生理信號(hào)非接觸檢測(cè)”按原理可分為：光學(xué)檢測(cè)、超聲檢測(cè)、電磁檢測(cè)等。與基于超聲、光學(xué)的檢測(cè)技術(shù)相比，基于電磁波的檢測(cè)技術(shù)因其具有非接觸、穿透性、能精確定位等特點(diǎn)，成為目前最具活力和潛力的生命特征檢測(cè)技術(shù)。本文在介紹其他技術(shù)的同時(shí)，將重點(diǎn)闡述生物雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

1 光學(xué)檢測(cè)技術(shù)

1.1 光波檢測(cè)技術(shù)

光波檢測(cè)技術(shù)多采用光流法檢測(cè)人體生理信號(hào)?；诠饬鞣ǖ娜梭w信息檢測(cè)是給檢測(cè)區(qū)域每個(gè)像素點(diǎn)賦予一個(gè)速度矢量，以形成圖像運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，根據(jù)各個(gè)像素點(diǎn)速度矢量隨時(shí)間變化的光流特征對(duì)圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。如Kazuki Nakajima等人使用帶有光學(xué)濾波器的電荷耦合攝像機(jī)（Charge Coupled Device, CCD）捕捉人體胸部位移特征來(lái)分析人體的呼吸頻率[1]；Tan KS等人將高速臺(tái)式電腦和攝像機(jī)連接，記錄兒童睡眠時(shí)由呼吸運(yùn)動(dòng)引起的胸腹部運(yùn)動(dòng)[2]。光流法無(wú)需預(yù)知場(chǎng)景的任何信息，在攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)的前提下也能檢測(cè)人體生理信息。但大多數(shù)光流法計(jì)算復(fù)雜且抗噪能力較差，需要相應(yīng)的硬件支持，不適合復(fù)雜環(huán)境條件下的人體生理信息檢測(cè)。

1.2 紅外檢測(cè)技術(shù)

紅外檢測(cè)技術(shù)利用紅外線作為探測(cè)媒介，其典型成功代表是反射式的非接觸體溫測(cè)量。這種檢測(cè)方法的基本原理是利用紅外傳感器感知人體熱能變化。如人體鼻腔呼出的氣體和主要?jiǎng)用}的時(shí)變熱量都能被紅外傳感器所檢測(cè)。使用紅外檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)人體生理信號(hào)，首先要選擇感興趣區(qū)域（Region Of Interest, ROI），然后通過(guò)紅外傳感器感應(yīng)人體動(dòng)態(tài)熱能進(jìn)行終端成像來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的。如Pavlidis等人使用中紅外傳感器對(duì)ROI（如人臉部和頸部）進(jìn)行側(cè)面成像，檢測(cè)人體心跳和呼吸信號(hào)[3-4]；S.Yu.Chekmenev等人使用遠(yuǎn)紅外傳感器對(duì)ROI進(jìn)行正面和側(cè)面成像檢測(cè)人體呼吸和心跳信號(hào)[5]。雖然主動(dòng)脈附近皮膚溫度的變化能從一定程度上反映脈搏的波動(dòng)，但紅外成像技術(shù)易受環(huán)境溫度影響，不具有穿透性。

2 超聲檢測(cè)技術(shù)

基于多普勒原理的遠(yuǎn)距離超聲系統(tǒng)也可實(shí)時(shí)檢測(cè)人體生命信號(hào)。超聲系統(tǒng)可發(fā)射聲波束到達(dá)檢測(cè)對(duì)象，帶有體動(dòng)信息的反射聲波束被傳感器接收，通過(guò)信號(hào)處理可得出人體生命信息。如Se Dong Min等人先后使用40 kHz和240kHz遠(yuǎn)距離超聲系統(tǒng)檢測(cè)1 m處人體睡眠狀態(tài)的呼吸信號(hào)，通過(guò)對(duì)呼吸信號(hào)的檢測(cè)判別是否患有睡眠呼吸暫停綜合癥[6-7]。結(jié)果表明：超聲雖然能夠在一定程度上鑒定病癥的特征，但被測(cè)者身上的衣服會(huì)對(duì)聲波造成散射和吸收，并且衣服材質(zhì)不同，檢測(cè)結(jié)果也會(huì)存在差異，同時(shí)超聲在空氣傳播中衰減較大。

3 生物雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)

生物雷達(dá)技術(shù)是指利用電磁波探測(cè)生命體信息的技術(shù)。它通過(guò)發(fā)射電磁波對(duì)生命體進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得生命體目標(biāo)的生物信息，包括生理參數(shù)、波形、圖像以及目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、方位等。它融合雷達(dá)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)于一體，可穿透非金屬介質(zhì)（衣服、被褥、磚墻、廢墟等），不需要任何電極或傳感器接觸生命體，可在較遠(yuǎn)的距離內(nèi)非接觸性的探測(cè)到生命體的生理信息（呼吸、心跳、血流、腸蠕動(dòng)等）。

生物雷達(dá)從工作原理上可分為：連續(xù)波（Continuous Wave, CW）生物雷達(dá)和超寬譜（Ultra-wide Band, UWB）生物雷達(dá)兩種。

3.1 CW生物雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)

雷達(dá)發(fā)射單一頻率的連續(xù)電磁波束照射人體，根據(jù)多普勒原理，人體反射的回波信號(hào)被人體生命活動(dòng)（如呼吸運(yùn)動(dòng)等）引起的體表微動(dòng)所調(diào)制，使得這些回波信號(hào)的某些參數(shù)（如頻率、相位）發(fā)生改變，選擇適合的信號(hào)預(yù)處理電路和信號(hào)處理技術(shù)，就能從這些變化中提取出相關(guān)人體的生理信號(hào)（如呼吸、心跳等）。

20世紀(jì)70年代，CW生物雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)首次被提出。該方法利用連續(xù)波雷達(dá)檢測(cè)人體呼吸引起的胸壁運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體呼吸的非接觸測(cè)量[8]。由于具有非接觸的特點(diǎn)，這種方法首先被應(yīng)用于新生兒呼吸的非接觸監(jiān)護(hù)，以解決呼吸暫停引起的新生兒死亡問(wèn)題[9-10]?；谙嗤脑恚藗冞€探索了CW雷達(dá)對(duì)人體心跳的測(cè)量及其在心動(dòng)描跡上的應(yīng)用[11]。以上研究開(kāi)啟了雷達(dá)式生理信號(hào)檢測(cè)的先河，展示了使用雷達(dá)檢測(cè)人體呼吸和心跳的可行性。然而，這些方法的探測(cè)距離比較有限（1 m 以內(nèi)），實(shí)用性有待進(jìn)一步提高。

為了增加雷達(dá)對(duì)人體目標(biāo)的探測(cè)距離，密歇根州立大學(xué)KM Chen領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制了一種X波段（10 GHz）CW體制的生命探測(cè)系統(tǒng)[12]。通過(guò)檢測(cè)人體體表微動(dòng)引起的雷達(dá)回波的相位變化，該系統(tǒng)在自由空間的探測(cè)距離可以達(dá)到30 m，并且還可以獲取0.15 m厚的墻壁后坐立人員的呼吸和心跳。此后，雷達(dá)式生命探測(cè)技術(shù)的潛在應(yīng)用不再局限于醫(yī)學(xué)上的診斷和監(jiān)護(hù)，還擴(kuò)展到傷員探測(cè)和應(yīng)急救援。隨著探測(cè)距離的增加，雷達(dá)回波中非目標(biāo)反射形成的雜波極大地影響了系統(tǒng)的探測(cè)性能。為降低雜波對(duì)探測(cè)的影響，該小組隨后研制了一種基于可編程衰減器和移相器的雜波自動(dòng)消除技術(shù)[13]。希臘的E Aggelopoulos等人研制了一種X波段的生命探測(cè)系統(tǒng)，專門(mén)用于地震等災(zāi)害發(fā)生后的應(yīng)急救援[14]。美國(guó)佐治亞技術(shù)研究院的EF Greneker等人研制的24.1 GHz的雷達(dá)式生命探測(cè)系統(tǒng)，除了用于1996年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)上運(yùn)動(dòng)員心跳的非接觸檢測(cè)，還可用于安保和反恐[15-16]。意大利的M Pieraccini等人研究了CW生命探測(cè)系統(tǒng)在雪崩發(fā)生后應(yīng)急救援中的應(yīng)用，他們研制的2.42 GHz的CW雷達(dá)系統(tǒng)能穿透1.2 m厚的雪層檢測(cè)到人體的呼吸[17]。中國(guó)第四軍醫(yī)大學(xué)的生物雷達(dá)小組研制了毫米波段的的CW雷達(dá)式生命探測(cè)系統(tǒng)，利用零中頻、頻域積累和雜波對(duì)消技術(shù)，在自由空間能檢測(cè)到30 m外人員的呼吸和心跳[18]。

對(duì)CW生物雷達(dá)而言，探測(cè)頻率的選擇十分重要，研究證實(shí)不同的個(gè)體都存在一個(gè)最優(yōu)的探測(cè)頻率，從分米到米波段頻率的電磁波都可用來(lái)進(jìn)行非接觸生命體征探測(cè)。一般而言，波長(zhǎng)越短，對(duì)微小位移的探測(cè)靈敏度越高。

3.2 UWB生物雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)

超寬譜生物雷達(dá)發(fā)射出窄電磁脈沖輻照人體目標(biāo)，典型脈沖間期是200～300 ms，脈沖的重復(fù)頻率在1～10 MHz范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)射脈沖到達(dá)胸壁時(shí)，一部分能量被反射并被接收器接收，由于人體生理運(yùn)動(dòng)（呼吸、心跳、腸蠕動(dòng)等）的存在，使得被人體反射后的回波脈沖序列的重復(fù)周期發(fā)生變化，而回波脈沖信號(hào)的重復(fù)周期與人體生命的運(yùn)動(dòng)速度和頻率有關(guān)。如果對(duì)該脈沖序列（攜帶有與被測(cè)人體生命運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信息）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，就可以得到與被測(cè)人體生命體征相關(guān)的參數(shù)（呼吸、心跳等）。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL）的TE McEwan等人發(fā)明了微功率脈沖雷達(dá)（Micro-power Impulse Radar,MIR）-UWB雷達(dá)[19]。繼LLNL的研究之后，意大利的EM Staderini詳細(xì)探討了UWB雷達(dá)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，如呼吸和心跳的監(jiān)護(hù)，心肺功能檢測(cè)，胎兒監(jiān)護(hù)，心臟、胸腔、腦組織的成像，發(fā)聲機(jī)制研究以及測(cè)謊等[20-21]。俄羅斯的IJ Immoreev等人研究了UWB雷達(dá)對(duì)人體呼吸和心跳的檢測(cè)，并研制了用于臨床監(jiān)護(hù)的原型樣機(jī)[22-23]。美國(guó)的NV Rivera等人利用多重信號(hào)分類（Multiple Signal Classification, MUSIC）技術(shù)，探索了單通道UWB雷達(dá)對(duì)多個(gè)人體目標(biāo)心跳、呼吸的檢測(cè)和分離[24]。澳大利亞的WC Khor等人用不同介電常數(shù)的材料模擬脂肪和腫瘤組織，研究了UWB雷達(dá)用于乳癌診斷的可行性[25]。美國(guó)的DW Winters等人使用基于多通道技術(shù)的UWB雷達(dá)估計(jì)人體胸表的位置，以提高UWB雷達(dá)胸部成像的性能[26]。在此基礎(chǔ)上，他們開(kāi)展了基于UWB雷達(dá)的人體胸部的三維非接觸成像研究[27]。

除醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用研究外， UWB生物雷達(dá)的強(qiáng)穿透能力和良好的定位能力使其成為生命探測(cè)的首選設(shè)備。美國(guó)Time Domain公司的S Nag、A Mark等人重點(diǎn)研究了UWB雷達(dá)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息的檢測(cè)以及人體目標(biāo)的定位和跟蹤[28]。美國(guó)的DG Falconer等人研制了一種安裝在機(jī)器人上的UWB穿墻探測(cè)雷達(dá)，并利用時(shí)域和頻域的方法，分析了不同活動(dòng)狀態(tài)的人體目標(biāo)回波的譜特征[29]。斯洛伐克的M Aftanas采用了合成孔徑技術(shù)，研究了基于UWB雷達(dá)的穿墻成像[30]。以人體呼吸信號(hào)為指標(biāo)，針對(duì)壓埋在廢墟中幸存人員的探測(cè)，俄羅斯的IJ Immoreev等人研制的用于應(yīng)急救援的UWB雷達(dá)，中心頻率為1 GHz，可穿透0.45 m厚的磚墻探測(cè)到墻后站立人員的呼吸[31]。中國(guó)第四軍醫(yī)大學(xué)生物雷達(dá)研究小組采用單收發(fā)蝶形天線和500MHz超低中心頻率的UWB體制雷達(dá)結(jié)合空頻域積累算法，成功穿透2 m厚實(shí)體磚混結(jié)構(gòu)體, 檢測(cè)出了自然躺姿狀態(tài)下人的呼吸信號(hào)[32]，同時(shí)還于2012年成功研制雙源UWB雷達(dá)式生命探測(cè)儀，提高了儀器探測(cè)能力，并初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體及其周圍環(huán)境的兼容探測(cè)[33-35]。

UWB生物雷達(dá)之所以引起相關(guān)研究者的高度重視，是因?yàn)槠溆酗@著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如通過(guò)控制脈沖延時(shí)，UWB生物雷達(dá)的探測(cè)范圍能隨之改變，這使得UWB雷達(dá)能夠消除由其他物體(雜物)或多徑反射回波所引起的干擾，同時(shí)也能方便的獲取目標(biāo)距離信息，這是UWB生物雷達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)。另外，UWB生物雷達(dá)發(fā)射的脈沖有多種頻率，因此它能夠突破窄頻段吸波材料的吸波效應(yīng)，具有較強(qiáng)的穿透衣物、土壤和墻壁等非金屬介質(zhì)的能力。

4 展望

綜上所述，生理信號(hào)是反映人類身體狀況的重要指標(biāo)，非接觸生理信號(hào)檢測(cè)是一個(gè)不斷創(chuàng)新和發(fā)展的領(lǐng)域。非接觸生物雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)相比光學(xué)、超聲等生理信號(hào)檢測(cè)技術(shù)具有穿透能力強(qiáng)、檢測(cè)距離遠(yuǎn)、受環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)，所以可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、救援及公共安全等方面。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括臨床監(jiān)護(hù)：如傳染病人、燒傷病人的非接觸監(jiān)護(hù)，胎兒監(jiān)護(hù)，心血管及呼吸系統(tǒng)疾病監(jiān)測(cè)等；臨床診斷：如乳房腫瘤、腦部血腫等探測(cè)診斷等；家庭醫(yī)療：如家庭老人心率、呼吸的非接觸監(jiān)護(hù)；運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)：如運(yùn)動(dòng)健身狀況下的運(yùn)動(dòng)量、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、生命特征監(jiān)測(cè)；空間醫(yī)學(xué)：如航天員在空間艙室中生理特征的無(wú)約束、非接觸監(jiān)測(cè)，避免穿戴過(guò)多的傳感器；軍事醫(yī)學(xué)：如傷員搜尋，戰(zhàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域的傷員存亡探測(cè)判定，大面積損傷和核生化條件下傷員非接觸生理監(jiān)測(cè)等；應(yīng)急醫(yī)學(xué)：如地震、塌方等災(zāi)害發(fā)生后幸存者的生命探測(cè)搜尋等；社會(huì)安全：如反恐斗爭(zhēng)中的隔墻監(jiān)控罪犯、解救人質(zhì)，邊防海關(guān)安檢等。

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