搜救生物雷達生命體征監(jiān)測的PDA實現(xiàn)

安 強，呂 昊，李 釗，焦 騰，荊西京，王健琪

搜救生物雷達生命體征監(jiān)測的PDA實現(xiàn)

安 強，呂 昊，李 釗，焦 騰，荊西京，王健琪

目的：將無線局域網(wǎng)（wireless local area networks，WLAN）技術應用于搜救生物雷達中，實現(xiàn)對被壓埋人員生命體征的手持式實時監(jiān)測。方法：使用C#語言，基于Pocket PC平臺，應用套接字（Socket）網(wǎng)絡編程方法、多線程編程技術和圖形設備接口（graphics device interface plus，GDI+）技術實現(xiàn)生物雷達探測呼吸波形在個人數(shù)字助手（personal digitalassistant，PDA）上的實時動態(tài)顯示。結果：該系統(tǒng)實現(xiàn)了基于PDA的壓埋人員微弱生命體征的實時監(jiān)測，可為救援人員提供動態(tài)、翔實的生命特征，以便科學施救。結論：該系統(tǒng)可以克服以往探測過程中只能給出有無目標而不能對目標生理狀態(tài)進行監(jiān)測的缺點，為搜救人員制訂救援方案提供參考。

生物雷達；實時監(jiān)測；網(wǎng)絡編程

0 引言

地震、塌方等災害發(fā)生后，對幸存人員的搜尋是首要任務。目前，生物雷達技術是生命探測搜尋的主要技術之一，它利用探測人體呼吸等引起的胸壁節(jié)律性振動來判斷廢墟下有無人以及人在哪里[1]。但是，由于現(xiàn)場壓埋情況復雜，當發(fā)現(xiàn)并定位人體目標后，科學地實施救援就顯得十分重要。救援一個幸存人員往往要花費很長時間，而且還可能發(fā)生二次傷害，因此，掌握救援過程中被壓埋幸存人員的生命體征具有重要意義。

實時監(jiān)測被壓埋人員的呼吸特征是掌握其生命體征的有效方法[2]。以往用于探測的搜救生物雷達只能在終端個人數(shù)字助手（personal digital assistant，PDA）上給出廢墟下有無幸存人員以及壓埋深度等信息[3]，沒有生命體征的實時監(jiān)測功能。本文在此基礎上提出基于PDA的生命體征實時監(jiān)測方法。首先，通過雷達前端數(shù)據(jù)處理單元對采集的回波數(shù)據(jù)進行信號處理分析[4]，再將計算出的呼吸幅值和頻率通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到終端PDA上，最后PDA調用標準呼吸波形，并根據(jù)接收到的呼吸參數(shù)實時繪制出被壓埋幸存人員的動態(tài)呼吸波形，為搜救人員制訂救援方案提供參考。

1 生命體征分析

1.1 被壓埋人員生命體征分析

通常，我們通過搜救生物雷達得到的與被壓埋人員生命體征相關的生理參數(shù)只有呼吸和心跳。在壓埋等復雜環(huán)境下，雷達探測到的呼吸和心跳信號都會減弱。其中，心跳信號減弱更為明顯。一方面，電磁波信號在傳播過程中，穿透廢墟造成衰減，電磁波能量迅速減小，使得接收到的包含人體生理信息的回波信號變得更加微弱。另一方面，相比起呼吸信號，心跳信號自身更加微弱，一般比呼吸信號幅值小一個數(shù)值量級，且易受呼吸諧波、環(huán)境噪聲的干擾，使得心跳信號獲取難度增大[5]。因此，為了在實際的地震救援行動中準確地指導救援行動，我們選取能量相對較強且容易獲取的呼吸信號作為被壓埋人員生命體征實時監(jiān)測的一個參考依據(jù)。

呼吸作為維持人體正常新陳代謝和功能活動所必需的生理過程，由于個體之間的差異，不同的人呼吸信號的幅值和頻率表現(xiàn)出差異性，即使是同一個人，由于環(huán)境因素的影響，呼吸的頻率和幅值也會發(fā)生變化。但是呼吸信號是一個準周期信號，當人體情緒平穩(wěn)時，呼吸的頻率基本維持在一個穩(wěn)定的范圍內。

1.2 人體呼吸建模

頻率和幅值作為呼吸最重要的2個參數(shù)，在壓埋環(huán)境中，它們的變化情況直接反映了人體的生理狀態(tài)。通常情況下，正常人體的呼吸次數(shù)為18～23次/min，呼吸急促時能達到60次/min，呼吸造成的胸腔起伏為厘米級。由于實際中得到的呼吸信號較為復雜，在生命探測領域，為了簡化分析，但同時又不至于使呼吸波形發(fā)生失真，我們將人體的呼吸運動用2個正弦振蕩函數(shù)來表示：

本文中，我們使用PowerLab數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，利用呼吸綁帶采集得到的實際呼吸波形來進行呼吸仿真，構建標準呼吸波形數(shù)據(jù)庫，實驗對象為一位26歲健康成年男性。實測呼吸波形如圖1所示。

圖1 呼吸綁帶實測呼吸波形

由圖1可以看出，通過呼吸綁帶得到的人體呼吸波形呈現(xiàn)出周期性的規(guī)律變化，且在一個周期中有2個極大值和1個極小值。我們根據(jù)此實測波形，在單個周期波形上選取能反映波形變化的特征點，利用matlab自帶的曲線擬合工具箱CFtool，根據(jù)呼吸正弦模型進行曲線擬合[6]，最后得到單周期人體標準呼吸波形（如圖2所示）。

圖2 單周期人體標準呼吸波形

從圖2得到的單周期標準呼吸波形中，我們提取反映波形變化的特征點存入數(shù)組構建標準呼吸波形數(shù)據(jù)庫，供PDA繪制實時呼吸波形圖調用。

2 PDA呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 開發(fā)平臺

本系統(tǒng)采用的PDA是Trimble公司的Juno SB，它搭載微軟針對移動終端的WindowsMobile操作系統(tǒng)，內置無線局域網(wǎng)（wireless local area networks，WLAN）技術，相比于課題組前期終端PDA所用的藍牙技術，傳輸速度和傳輸距離都有了很大提高，而且在信號較弱或有干擾的情況下可以自動調整帶寬，能有效保障網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＜又漭p巧便攜、工作溫度廣和續(xù)航能力強等特性，可很好地滿足地震搜救任務的要求。

軟件開發(fā)平臺采用Visual Studio 2008，用C#語言進行PocketPC應用程序開發(fā)。C#語言是一種簡潔、類型安全的面向對象的語言，開發(fā)人員可利用它構建在.NETCompact Framework上運行安全可靠的應用程序，而且C#語言提供了很強的網(wǎng)絡編程功能，通過對套接字（Socket）的托管來實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。

2.2 WLAN網(wǎng)絡通信

本文中網(wǎng)絡通信的目的是將雷達前端數(shù)字信號處理器（digital signalprocessing，DSP）計算出的呼吸幅值和頻率通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到PDA上，用來控制終端PDA呼吸波形的繪制，我們使用面向連接的、可靠的傳輸控制協(xié)議（transmission control protocol，TCP）來實現(xiàn)呼吸幅值和頻率的傳輸[7]。

在網(wǎng)絡的七層協(xié)議中，我們編寫的網(wǎng)絡應用程序位于應用層，而TCP屬于傳輸層的協(xié)議，在應用層使用傳輸層的服務，是通過Socket來實現(xiàn)的，可以形象地理解為傳輸層為應用層開了一個小口。應用程序通過這個小口向遠程發(fā)送數(shù)據(jù)，或者接收遠程發(fā)來的數(shù)據(jù)。

2.2.1 Socket基礎

Socket套接字主要用于網(wǎng)絡通信編程，應用程序通過套接字向網(wǎng)絡發(fā)出請求或者應答網(wǎng)絡請求。跟Socket相關的最重要的2個參數(shù)是：連接至遠程的本地的端口信息（本機IP地址和端口號），連接到遠程的端口信息（遠程IP地址和端口號）。由于不同的端口對應于不同的服務進程，所以，可以將Socket看作不同主機間的進程進行雙向通信的端點，進程之間的通信就是通過它來完成的[8]。

套接字的工作過程可以簡單地理解為：服務器端先初始化Socket，然后與端口綁定（bind），對端口進行監(jiān)聽（listen），調用accept阻塞，等待客戶端鏈接。在這時如果有個客戶端初始化了一個Socket，然后鏈接服務器（connect），若鏈接成功，客戶端與服務器端的鏈接就建立了?？蛻舳税l(fā)送數(shù)據(jù)請求，服務器端接收并處理請求，然后把回應數(shù)據(jù)發(fā)給客戶端，客戶端讀取數(shù)據(jù)，最后關閉鏈接，一次交互結束。而服務器端的套接字繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)，繼續(xù)等待接收客戶端套接字的下一次鏈接請求。

2.2.2 C#網(wǎng)絡通信的實現(xiàn)

C#的主要網(wǎng)絡功能由System.Net和System.Net. Sockets2個命名空間來提供。Socket是由命名空間System.Net.Sockets中的Socket類實現(xiàn)的，該類對套接字的編程進行了封裝，使我們能夠更加方便地使用[9]。本文中所涉及的網(wǎng)絡通信的流程如圖3所示。

圖3 Socket網(wǎng)絡通信流程圖

首先，雷達前端創(chuàng)建Socket對象的實例，創(chuàng)建完成后綁定到雷達前端無線AP的網(wǎng)絡終結點。然后，開啟指定端口的偵聽。在PDA客戶端程序中同樣實例化一個Socket對象，并嘗試鏈接。當鏈接成功后，雷達前端使用Socket的Send方法發(fā)送DSP計算出來的呼吸幅值和頻率到PDA，客戶端程序接收這2個值并保存到2個數(shù)組中供以后畫圖時控制呼吸的幅值和頻率。為了更加直觀地理解這一過程，我們編寫了一個服務器端軟件來仿真實現(xiàn)雷達前端發(fā)送呼吸參數(shù)的功能，如圖4所示。我們可以實時改變呼吸的幅值和頻率值來模擬真實的被壓埋人員呼吸參數(shù)變化的特性。

圖4 呼吸參數(shù)發(fā)送的仿真界面

2.3 基于圖形設備接口（graphics device interface plus，GDI+）的呼吸監(jiān)測實現(xiàn)

由前面的分析，我們得到了單周期的標準呼吸波形數(shù)據(jù)和通過DSP計算得到的呼吸幅值和頻率。在此基礎上，接下來我們實現(xiàn)基于GDI+的呼吸波形的動態(tài)實時繪制[10]。

2.3.1 GDI+簡介

GDI+提供了各種豐富的圖形圖像處理功能。在C#.Net中，使用GDI+處理二維（2D）的圖形和圖像。圖形及圖像處理用到的主要命名空間是System. Drawing，它提供了對GDI+基本圖形功能的訪問，主要有Graphics類、Bitmap類、Font類、Image類、Pen類和Color類等。

2.3.2 呼吸波形的繪制

在終端PDA上實現(xiàn)呼吸波形的繪制，思路大致是：首先，繪制背景坐標網(wǎng)格圖，加載入圖片框中。然后，將其作為Graphics.From Image()函數(shù)的傳入?yún)?shù)創(chuàng)建繪圖對象；接著，調用存放單周期標準呼吸波形數(shù)據(jù)的數(shù)組中的點來繪圖。為了實現(xiàn)呼吸波形的動態(tài)繪制效果，我們定義一個定時器（timer）。第一次進入定時器服務程序時，我們從呼吸波形數(shù)組中取前2個點，用Graphics類的drawline()函數(shù)將其連接起來，等待下一次定時器觸發(fā)。第二次進入定時器服務程序時，我們先重新將背景坐標網(wǎng)格圖加載入圖片框，然后取呼吸波形數(shù)組的前3個點繪圖，如此依次類推。由于定時時間為100ms，圖片的刷新時間小于人眼的反應時間，造成的效果就是呼吸波形動態(tài)地繪制出來，最終繪制出來的呼吸波形如圖5所示。

圖5 動態(tài)呼吸波形

實現(xiàn)了呼吸波形的動態(tài)繪制后，接著我們來實現(xiàn)對呼吸波形幅值和頻率的控制。從雷達前端接收到的呼吸參數(shù)有2個，即幅值和頻率。對幅值的控制比較簡單，在從標準呼吸波形數(shù)據(jù)數(shù)組中取出波形點后，給每個點乘以幅值參數(shù)再繪圖即可實現(xiàn)對幅值的控制。而對頻率的控制我們是通過控制兩相鄰波形點對應橫軸像素點的間隔來實現(xiàn)的。頻率高時對應像素點間隔小，頻率降低，像素點間隔變大。圖6即為幅值和頻率改變時畫出的呼吸波形。

圖6 幅值和頻率變化時的呼吸波形

3 實驗結果

實驗中，我們通過站立在單磚墻后面的人體不同的呼吸深度來模擬被壓埋人員生理狀態(tài)的變化。實驗采用課題組前期研制的400MHz超寬帶生物雷達進行實驗，雷達緊貼12 cm厚單磚墻，目標人體位于磚墻后4.5m處平靜呼吸。在系統(tǒng)測試中，PDA可實時接收雷達前端發(fā)來的數(shù)據(jù)，我們使用某一時刻DSP計算得到的呼吸幅值和頻率繪制出呼吸波形如圖7所示。

此時呼吸幅值為0.7 V，每分鐘呼吸次數(shù)為14次。實驗條件不變，當人體目標加深呼吸時，PDA監(jiān)測得到的呼吸波形如圖8所示。此時呼吸幅值為0.9 V，每分鐘呼吸次數(shù)為11次。

圖7 平靜呼吸時PDA監(jiān)測得到的呼吸波形

圖8 深呼吸時PDA監(jiān)測得到的呼吸波形

由實驗結果可以得出，人體生理狀況的變化可以通過PDA端波形的變化實時直觀地反映出來。

4 結論

本文首先對地震被壓埋人員的生命體征進行了分析，并給出了基于matlab軟件仿真的人體呼吸信號模型。在此基礎上，應用Socket網(wǎng)絡編程技術將雷達前端DSP計算得到的呼吸參數(shù)發(fā)送給終端PDA，然后利用GDI+繪圖技術在PDA上實現(xiàn)對被壓埋人員呼吸波形的實時監(jiān)測。

在實際的救援行動中，通過本文給出的系統(tǒng)對被壓埋人員的生命體征進行監(jiān)測，可以得到反映他們生理狀態(tài)的實時資料，克服以往探測過程中只能給出有無目標而不能對目標生理狀態(tài)進行監(jiān)測的缺點。利用得到的實時生理信息，就可為救援人員制訂救援方案提供指導意見，從而科學施救、節(jié)約時間、挽救生命。

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（收稿：2013-12-24 修回：2014-01-26）

《醫(yī)療衛(wèi)生裝備》雜志“質控與安全”欄目征稿

為了更加安全地使用醫(yī)療設備，保障醫(yī)院醫(yī)療診斷治療的安全，本刊“質控與安全”欄目面向全國讀作者征稿。該欄目主要是介紹醫(yī)療設備計量和質量控制工作的現(xiàn)狀，探討醫(yī)療設備使用中的安全問題，研究醫(yī)療設備質量控制的檢測方法。論文格式參照本刊稿約，請保證文章版權的獨立性，嚴禁抄襲，文責自負，請勿一稿多投。歡迎向該欄目投稿，優(yōu)秀稿件的出版周期將大大縮短。

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Implementation of vital signsmonitoring via life-rescue bio-radar based on PDA

AN Qiang,LYU Hao,LIZhao,JIAO Teng,JING Xi-jing,WANG Jian-qi
（School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Midical University,Xi'an 710032,China）

Objective To apply wireless local area network (WLAN)technology to life-rescuing radar to realize real-time monitoring of vital signs of trapped survivors.Methods C#language,Pocket PC platform,Socket network programming method,multithreading programming technique and graphics device interface plus(GDI+)were combined to implement the real-time dynamic display of respiratory waveform detected by bio-radar on a PDA.Results The real-timemonitoring of vital signs of buried personnel based on PDA was realized,which provided dynamic,detailed and reliable physiological information for the rescue staffs to make the rescue plan and perform effective rescue.Conclusion The system can provide real-time physiological information of trapped survivors for rescue,and thus can effectively guide disaster relief.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（7）：1-4]

bio-radar;real-timemonitoring;network-based programming

R318；P412.25

A

1003-8868（2014）07-0001-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.07.001

國家自然科學基金青年項目（61201382）

安 強（1990—），男，碩士研究生，研究方向為生物雷達實時監(jiān)測，E-mail：teselor@gmail.com。

710032西安，第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院（安 強，呂昊，李 釗，焦 騰，荊西京，王健琪）

王健琪，E-mail：wangjq@fmmu.edu.cn