模擬災(zāi)害搜救條件下禁水禁食比格犬主要生命體征變化規(guī)律研究

馬洋洋 梁福來(lái) 李釗 王健琪 張楊

0 引言

隨著超寬譜（UWB）搜救雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，UWB 搜救雷達(dá)已在災(zāi)后搜救、反恐營(yíng)救、臨床監(jiān)護(hù)、人體動(dòng)作識(shí)別等領(lǐng)域展開(kāi)了廣泛研究，其中生命體目標(biāo)探測(cè)定位和動(dòng)作識(shí)別研究近年來(lái)取得了很大進(jìn)展[1-7]，然而，基于搜救雷達(dá)技術(shù)的生命體狀態(tài)識(shí)別研究卻很少。受困人員生命狀態(tài)是指地震等災(zāi)難發(fā)生后壓埋受困人員的生理和心理狀態(tài)，根據(jù)其呼吸、心跳、血壓（平均動(dòng)脈壓）等生理信號(hào)特征可以分為代償期、適應(yīng)期、耗竭期和瀕死期。在災(zāi)后搜救任務(wù)中，生命狀態(tài)識(shí)別是一項(xiàng)非常重要和有用的技術(shù)，可為科學(xué)準(zhǔn)確救援提供參考和指導(dǎo)。

在“時(shí)間就是生命”的災(zāi)后救援行動(dòng)中，非接觸生命狀態(tài)識(shí)別技術(shù)可以幫助搜索人員穿透廢墟探測(cè)到受困傷員，同時(shí)還可以了解目標(biāo)生命狀態(tài)和傷情嚴(yán)重程度，有助于救援人員根據(jù)不同傷員傷情緊急程度確定救援先后順序并根據(jù)傷情決定急救器械和急救藥品的調(diào)配等，達(dá)到以最優(yōu)方案分配救援資源[8-10]的目的。在大多數(shù)災(zāi)后受困條件下，人們被困在沒(méi)有水和食物供應(yīng)的狹窄空間內(nèi)等待救援，隨著時(shí)間的推移，其生命體征將變的與正常情況不同；另外倒塌建筑物碎塊的砸傷、擠壓等也可能導(dǎo)致受困人員受傷并造成骨折、失血等，這些因素也會(huì)導(dǎo)致生命狀態(tài)發(fā)生改變，所以研究受困人員生命狀態(tài)識(shí)別技術(shù)非常有必要。由于所有受困人員都會(huì)伴隨著食物和水的缺失，禁水禁食是受困人員的最主要生存條件，因此本文在禁水禁食條件下進(jìn)行了生命狀態(tài)變化規(guī)律的研究。

生命狀態(tài)識(shí)別技術(shù)使搜救人員能夠探測(cè)并識(shí)別出受困人員在缺水缺食條件下不同時(shí)期的生命狀態(tài)[11]。連續(xù)監(jiān)測(cè)缺氧條件下Wistar 大鼠在水、食物剝奪后生命體征的變化，結(jié)果表明在模擬深埋條件下，大鼠的耐受壽命為7 ～13 天，雄性存活時(shí)間短于雌性[12]。研究了模擬深埋缺氧條件下的比格犬禁水禁食的血?dú)鈪?shù)變化情況，結(jié)果表明犬動(dòng)脈血氧分壓降低，血清離子濃度和血藥濃度紊亂，此過(guò)程具有快速、連續(xù)、漸進(jìn)的特點(diǎn)[13]。根據(jù)Wistar 大鼠和比格犬生命體征的變化，將深埋條件下的生命狀態(tài)分為四個(gè)時(shí)期，即代償期、適應(yīng)期、耗竭期和瀕死期。以上結(jié)果均基于接觸式測(cè)量技術(shù)，然而在地震、礦難等災(zāi)后救援現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)于掩埋于廢墟中無(wú)法接近的受困人員，往往需要穿透廢墟進(jìn)行非接觸式測(cè)量，因此亟需研究非接觸受困人員生命狀態(tài)識(shí)別技術(shù)。

本文旨在研究比格犬在禁水禁食條件下，呼吸、心跳等主要生命信號(hào)的變化規(guī)律，為應(yīng)急災(zāi)害救援中受困人員生命體狀態(tài)識(shí)別技術(shù)研究提供基礎(chǔ)和依據(jù)。被廢墟掩埋人員探測(cè)大多需要搜救雷達(dá)等非接觸生命探測(cè)設(shè)備，同時(shí)考慮到接觸式綁帶呼吸檢測(cè)和心電檢測(cè)技術(shù)的精確性，本文采用了接觸式和非接觸式兩類(lèi)測(cè)量方法，持續(xù)監(jiān)測(cè)了禁水禁食條件下犬的呼吸、心跳、體溫、體重4 種基本生理信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)的變化規(guī)律及特征進(jìn)行了分析；并對(duì)非接觸和接觸式測(cè)量的兩種呼吸信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)搜救雷達(dá)采集的呼吸信號(hào)與綁帶呼吸傳感器技術(shù)測(cè)量的呼吸信號(hào)在信號(hào)時(shí)域特征、頻率特征、變化規(guī)律等方面具有一致性，證明搜救雷達(dá)可以應(yīng)用于壓埋人員的非接觸探測(cè)和生命狀態(tài)識(shí)別。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及方法

實(shí)驗(yàn)采用約12 月齡的健康比格犬2只（一公一母），由空軍軍醫(yī)大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供，公犬初始體重9.028kg，母犬初始體重9.835kg。

在實(shí)驗(yàn)室模擬禁水禁食條件下采集比格犬呼吸、心跳、肛溫和體重等4 種信號(hào)，信號(hào)采集每間隔12 小時(shí)進(jìn)行一次，每天早9 點(diǎn)和晚9 點(diǎn)各測(cè)量一次，直至比格犬死亡。其中呼吸、心跳信號(hào)采用接觸式和非接觸式兩種采集方式，采用7.29 GHz、500 MHz 兩種中心頻率的超寬譜搜救雷達(dá)非接觸測(cè)量呼吸、心跳信號(hào)，其中7.29 GHz 雷達(dá)自由空間采集，500 MHz 雷達(dá)穿墻采集；采用RM6240E綁帶系統(tǒng)接觸式測(cè)量呼吸信號(hào)；采用IXB3G 生物電信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行5 導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)的采集；同時(shí)測(cè)量比格犬的肛溫和體重。信號(hào)種類(lèi)及采集方式見(jiàn)表1。

1.2 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)動(dòng)物福利的要求，同時(shí)為了去除信號(hào)測(cè)量時(shí)犬肢體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾，我們采用ABS 小動(dòng)物氣體麻醉機(jī)將犬麻醉后進(jìn)行接觸式呼吸、心電信號(hào)測(cè)量，如圖1 左圖所示。非接觸式呼吸、心跳信號(hào)自由空間測(cè)量場(chǎng)景如圖1 中圖所示，比格犬臥于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上， X4M20 型超寬譜雷達(dá)放置在與犬腹部高度相同，水平距離約0.6 米處，正對(duì)比格犬胸腹部，兩者之間沒(méi)有遮擋物，即處于自由空間測(cè)量狀態(tài)。呼吸信號(hào)非接觸穿墻測(cè)量場(chǎng)景如圖1 右圖所示，磚墻厚度為28 cm。其中X4M200 超寬譜雷達(dá)中心頻率為7.29 GHz，帶寬為2.5 GHz，因?yàn)槠渚哂休^高的中心頻率和探測(cè)靈敏度，所以可在自由空間探測(cè)到呼吸、心跳等微弱信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在單一禁水禁食條件下，母犬生存天數(shù)為31.5 天，公犬生存天數(shù)為29 天。

表1 采集的信號(hào)種類(lèi)及采集方式

2.1 四種信號(hào)的變化規(guī)律

2.1.1 呼吸頻率變化規(guī)律

兩犬呼吸頻率隨時(shí)間變化規(guī)律如圖2所示：母犬的呼吸率在0.10 Hz（6 次/分）～0.60 Hz（36 次/分）區(qū)間變動(dòng)，總體呈現(xiàn)前高后低的變化趨勢(shì)。由于禁水禁食后的機(jī)體代償作用，其前9 天的呼吸率較高，多次出現(xiàn)0.55 Hz（33 次/分）以上的高頻呼吸。第9 天以后開(kāi)始逐漸下降直至死亡時(shí)的接近0.17 Hz（10 次/分）左右。公犬除了第23天出現(xiàn)0.63H（z38次/分）的較高呼吸頻率外，其他時(shí)間段呼吸率均在0.17 Hz（10 次/分）～0.42 Hz（25 次/分）的較窄區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，無(wú)明顯上升或下降趨勢(shì)直至死亡。

圖1 比格犬生命體征信號(hào)采集場(chǎng)景

2.1.2 心率變化規(guī)律

犬心跳頻率隨時(shí)間變化規(guī)律如圖3所示：母犬心率在1.08 Hz（65 次/分）～2.70 Hz（162 次/分）區(qū)間變動(dòng)，前17 天心率較低，多在1.75 Hz 以?xún)?nèi)，17～23.5 天逐漸上升至最大值2.70 Hz，隨后逐漸下降至死亡。公犬心率在1.42 Hz（85 次/ 分）～3.60 Hz（216 次/ 分）區(qū)間變動(dòng)，前21 天心率逐漸上升至最大值3.60 Hz，隨后逐漸下降至死亡。

2.1.3 體溫的變化規(guī)律

總體來(lái)說(shuō)公犬平均肛溫略高于母犬。公犬26.5 天以前溫度比較穩(wěn)定，在36.6℃～39.3 ℃之間波動(dòng)，平均體溫37.9 ℃，26.5 天以后體溫開(kāi)始下降，第28 天下降到36 ℃以下，后急劇下降，1 天后死亡。母犬前29 天體溫比較穩(wěn)定，在37.2 ℃～39.3 ℃之間波動(dòng)，平均體溫37.8 ℃，29天以后體溫開(kāi)始下降，至30.5 天下降至36 ℃以下，后急劇下降，1 天后死亡。

2.1.4 體重的變化規(guī)律

在整個(gè)禁水禁食實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，兩犬體重均近似呈線性下降趨勢(shì)，直至死亡。其中母犬初始體重9.835 kg，死亡時(shí)體重5.047 kg， 31.5 天共下降4.788 kg，平均每天下降0.152 kg。公犬的初始體重9.028 kg，死亡時(shí)的體重4.588 kg，29 天共下降4.440 kg，平均每天下降0.153 kg。

圖2 禁水禁食條件下呼吸頻率變化趨勢(shì)

圖3 禁水禁食條件下心率變化趨勢(shì)

2.2 呼吸信號(hào)中后期時(shí)域特點(diǎn)及變異情況

比格犬正常狀態(tài)以及禁水禁食初期其呼吸信號(hào)為近似正弦波，中后期波形發(fā)生變異，主要變異情況如下：

2.2.1 中后期呼吸波形中出現(xiàn)突起，后期呼吸幅值變小

母犬從第23.5 天開(kāi)始底部波形出現(xiàn)突起，如圖4 所示。從第26 天起，呼吸幅度明顯減小，直到死亡。公犬也有類(lèi)似的突起和后期幅值變小的情況出現(xiàn)。

2.2.2 中后期呼吸波形中出現(xiàn)凹陷

母犬從第18 天起，公犬從第19 天起，呼吸波形頂部或中部出現(xiàn)凹陷，如圖5所示。兩犬的凹陷波形在之后的測(cè)量中較頻繁出現(xiàn)。

2.2.3 后期呼吸信號(hào)中耦合心跳信號(hào)

禁水禁食后期（28 天后）隨著體重減小，兩犬每次呼吸波形中都會(huì)耦合入心跳信號(hào)，表現(xiàn)為連續(xù)高頻小幅突起，頻率與心率一致。分析認(rèn)為是因?yàn)殚L(zhǎng)期禁水禁食導(dǎo)致體重下降較大，肌肉脂肪流失較多，因此采用綁帶在胸部采集呼吸信號(hào)時(shí)，心臟跳動(dòng)通過(guò)骨和皮膚較容易傳導(dǎo)到體表被呼吸傳感器檢測(cè)到，從而導(dǎo)致檢測(cè)的呼吸信號(hào)中耦合了心跳信號(hào)，母犬第29.5 天耦合了心跳的呼吸信號(hào),如圖6 所示。

圖4 禁水禁食中后期，比格犬呼吸波形中出現(xiàn)突起

圖5 禁水禁食中后期呼吸波形中出現(xiàn)凹陷

圖6 耦合了心跳的呼吸信號(hào)

圖7 公犬第22 天RM6240E 綁帶呼吸波形與X4M20 雷達(dá)呼吸波形對(duì)比

2.3 X4M20 雷 達(dá) 呼 吸 信 號(hào) 與RM6240E 綁帶呼吸信號(hào)的對(duì)比

本文在測(cè)量呼吸信號(hào)時(shí)均采用接觸式綁帶測(cè)量和非接觸式雷達(dá)測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，分析兩類(lèi)呼吸信號(hào)發(fā)現(xiàn)它們?cè)跁r(shí)域波形、頻率、變異特點(diǎn)等均一致或類(lèi)似，尤其是高中心頻率的X4M20 雷達(dá)采集的呼吸信號(hào)與呼吸綁帶測(cè)量的呼吸信號(hào)一致性較高。例如第11.5 天RM6240E 綁帶和X4M20 雷達(dá)采集的母犬呼吸波形底部均出現(xiàn)平臺(tái)，兩者測(cè)量的呼吸頻率一致。二者測(cè)量的公犬第22 天呼吸波的波峰位置均有凹陷出現(xiàn)，波谷有平臺(tái)出現(xiàn)，且呼吸率基本一致，如圖7 所示。因此，本文通過(guò)接觸式測(cè)量方法得到的生命體征變化規(guī)律可以應(yīng)用于搜救雷達(dá)的生命體狀態(tài)識(shí)別技術(shù)研究。

3 討論和建議

本文研究了模擬受困禁水禁食條件下比格犬呼吸、心跳、體溫和體重等重要生命信號(hào)的變化規(guī)律，著重分析了禁水禁食中后期呼吸波形中發(fā)生的變異，驗(yàn)證了搜救雷達(dá)技術(shù)在非接觸生命狀態(tài)辨識(shí)研究中的可行性和有效性，為后續(xù)生命狀態(tài)非接觸辨識(shí)技術(shù)的研究提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)分析如下：（1）在禁水禁食中后期，兩只比格犬呼吸信號(hào)時(shí)域波形都會(huì)發(fā)生明顯變異，包括底部和頂部的凸起和凹陷、幅值降低等，這些變異可以作為生命狀態(tài)辨識(shí)的特征，這也提示我們?cè)诮窈蟮乃丫刃袆?dòng)中可以采用搜救雷達(dá)非接觸監(jiān)測(cè)受困人員呼吸信號(hào)，通過(guò)信號(hào)波形變異識(shí)別其生命狀態(tài)，以此來(lái)指導(dǎo)救援。（2）兩犬的體重均呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，體溫信號(hào)則保持穩(wěn)定，直至進(jìn)入瀕死期（約死亡前2.5 天始），隨后急劇下降，從正常體溫（約38 攝氏度）降至32攝氏度然后死亡。

值得一提的是，基于搜救雷達(dá)的生命信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有非接觸、遠(yuǎn)距離、無(wú)需連接任何傳感器和電極的優(yōu)勢(shì)，而且目前主流的超寬譜搜救雷達(dá)具有較強(qiáng)的穿透能力和較高的探測(cè)靈敏度，這些優(yōu)勢(shì)使得超寬譜搜救雷達(dá)技術(shù)用于災(zāi)害救援中的受困人員生命狀態(tài)識(shí)別成為可能。目前的搜救雷達(dá)技術(shù)是以呼吸為主要生命信號(hào)進(jìn)行采集和分析的，在穿透較薄障礙物時(shí)還可以測(cè)量到心跳信號(hào)，但是目前應(yīng)用于災(zāi)害救援的搜救雷達(dá)主要還是通過(guò)呼吸、心跳等生命信號(hào)的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)受困目標(biāo)有無(wú)探測(cè)和定位，而針對(duì)生命狀態(tài)識(shí)別技術(shù)的研究和應(yīng)用還未見(jiàn)報(bào)道。受困人體的生命狀態(tài)甚至傷情狀況信息對(duì)優(yōu)化救援策略、指導(dǎo)科學(xué)救援至關(guān)重要，因此建議在將來(lái)的人員搜救行動(dòng)中采用超寬譜搜救雷達(dá)監(jiān)測(cè)并分析受困人員呼吸信號(hào)、心跳信號(hào)的變化趨勢(shì)及變異情況，得到目標(biāo)生命體的生命狀態(tài)和傷情嚴(yán)重程度，以指導(dǎo)科學(xué)救援。

4 總結(jié)

本文采用多種信號(hào)采集方式，包括非接觸搜救雷達(dá)測(cè)量方式和接觸測(cè)量方式同時(shí)對(duì)呼吸、心跳信號(hào)進(jìn)行采集，研究發(fā)現(xiàn)綁帶和電極等接觸方法測(cè)量的信號(hào)和搜救雷達(dá)測(cè)量的信號(hào)在不同生命分期內(nèi)具有一致的變化規(guī)律和信號(hào)時(shí)域變異特征，驗(yàn)證了通過(guò)接觸式測(cè)量信號(hào)研究得出的受困人員信號(hào)變化規(guī)律和特點(diǎn)可以用于非接觸搜救雷達(dá)測(cè)量信號(hào)的生命狀態(tài)辨識(shí)中，即通過(guò)對(duì)救援現(xiàn)場(chǎng)搜救雷達(dá)信號(hào)的分析和特征提取進(jìn)行生命狀態(tài)辨識(shí)和傷情研判是可行的，可以科學(xué)指導(dǎo)災(zāi)害救援的優(yōu)先順序，制定最佳營(yíng)救策略。