非接觸生理信號檢測技術

王健琪，薛慧君，呂昊，李盛

第四軍醫大學 生物醫學工程學院，陜西 西安 710032

0 前言

生理信號是由復雜生命體發出的信號，其本身特征、檢測方式以及處理技術，都不同于一般的信號。生理信號是用來判別人體病情的輕重和危險程度的物理信號，生理信號檢測是對生物體中包含生命現象、狀態、性質、變量和成份等信息的信號進行檢測和量化的技術，是生物醫學工程學科研究中的一個先導技術。由于研究者的立場、研究目的以及采用的檢測方法不同，使生物醫學信號檢測技術的分類呈現多樣化。其中一種重要的分類方式將生理信號檢測技術分為接觸式檢測和非接觸式檢測。

接觸式檢測是指利用電極或傳感器直接或間接的接觸生物體來檢測生理信號，檢測過程中對生物體有一定的約束，是目前最常用的檢測技術。非接觸式檢測是指不接觸生物體，隔一定的距離，穿透一定的介質，在對生物體無約束的情況下，借助于外來能量（探測媒介）探測或感應生理信號，這是一個全新概念，是近年來生物醫學工程界充分關注的重要科學問題。

由于非接觸式檢測方法無需使用傳感器或者電極與人體接觸，能夠給檢測目標提供一個寬松舒適的檢測環境，具有特殊的應用前景，主要表現在：① 在醫學上作為全新的生物醫學檢測方法，有利于促進科技進步；② 在災害應急救援上，可用于搜尋被廢墟、塌方等埋壓的幸存者；③在國家公共安全上，可用于對恐怖分子隔墻監測。

目前國際上“生理信號非接觸檢測”按原理可分為：光學檢測、超聲檢測、電磁檢測等。與基于超聲、光學的檢測技術相比，基于電磁波的檢測技術因其具有非接觸、穿透性、能精確定位等特點，成為目前最具活力和潛力的生命特征檢測技術。本文在介紹其他技術的同時，將重點闡述生物雷達檢測技術的研究現狀及發展趨勢。

1 光學檢測技術

1.1 光波檢測技術

光波檢測技術多采用光流法檢測人體生理信號?；诠饬鞣ǖ娜梭w信息檢測是給檢測區域每個像素點賦予一個速度矢量，以形成圖像運動場，根據各個像素點速度矢量隨時間變化的光流特征對圖像進行動態分析。如Kazuki Nakajima等人使用帶有光學濾波器的電荷耦合攝像機（Charge Coupled Device, CCD）捕捉人體胸部位移特征來分析人體的呼吸頻率[1]；Tan KS等人將高速臺式電腦和攝像機連接，記錄兒童睡眠時由呼吸運動引起的胸腹部運動[2]。光流法無需預知場景的任何信息，在攝像機運動的前提下也能檢測人體生理信息。但大多數光流法計算復雜且抗噪能力較差，需要相應的硬件支持，不適合復雜環境條件下的人體生理信息檢測。

1.2 紅外檢測技術

紅外檢測技術利用紅外線作為探測媒介，其典型成功代表是反射式的非接觸體溫測量。這種檢測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動脈的時變熱量都能被紅外傳感器所檢測。使用紅外檢測技術檢測人體生理信號，首先要選擇感興趣區域（Region Of Interest, ROI），然后通過紅外傳感器感應人體動態熱能進行終端成像來實現檢測目的。如Pavlidis等人使用中紅外傳感器對ROI（如人臉部和頸部）進行側面成像，檢測人體心跳和呼吸信號[3-4]；S.Yu.Chekmenev等人使用遠紅外傳感器對ROI進行正面和側面成像檢測人體呼吸和心跳信號[5]。雖然主動脈附近皮膚溫度的變化能從一定程度上反映脈搏的波動，但紅外成像技術易受環境溫度影響，不具有穿透性。

2 超聲檢測技術

基于多普勒原理的遠距離超聲系統也可實時檢測人體生命信號。超聲系統可發射聲波束到達檢測對象，帶有體動信息的反射聲波束被傳感器接收，通過信號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遠距離超聲系統檢測1 m處人體睡眠狀態的呼吸信號，通過對呼吸信號的檢測判別是否患有睡眠呼吸暫停綜合癥[6-7]。結果表明：超聲雖然能夠在一定程度上鑒定病癥的特征，但被測者身上的衣服會對聲波造成散射和吸收，并且衣服材質不同，檢測結果也會存在差異，同時超聲在空氣傳播中衰減較大。

3 生物雷達檢測技術

生物雷達技術是指利用電磁波探測生命體信息的技術。它通過發射電磁波對生命體進行照射并接收其回波，由此獲得生命體目標的生物信息，包括生理參數、波形、圖像以及目標至電磁波發射點的距離、方位等。它融合雷達技術、生物醫學工程技術于一體，可穿透非金屬介質（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，可在較遠的距離內非接觸性的探測到生命體的生理信息（呼吸、心跳、血流、腸蠕動等）。

生物雷達從工作原理上可分為：連續波（Continuous Wave, CW）生物雷達和超寬譜（Ultra-wide Band, UWB）生物雷達兩種。

3.1 CW生物雷達檢測技術

雷達發射單一頻率的連續電磁波束照射人體，根據多普勒原理，人體反射的回波信號被人體生命活動（如呼吸運動等）引起的體表微動所調制，使得這些回波信號的某些參數（如頻率、相位）發生改變，選擇適合的信號預處理電路和信號處理技術，就能從這些變化中提取出相關人體的生理信號（如呼吸、心跳等）。

20世紀70年代，CW生物雷達檢測技術首次被提出。該方法利用連續波雷達檢測人體呼吸引起的胸壁運動，從而實現了對人體呼吸的非接觸測量[8]。由于具有非接觸的特點，這種方法首先被應用于新生兒呼吸的非接觸監護，以解決呼吸暫停引起的新生兒死亡問題[9-10]?；谙嗤脑?，人們還探索了CW雷達對人體心跳的測量及其在心動描跡上的應用[11]。以上研究開啟了雷達式生理信號檢測的先河，展示了使用雷達檢測人體呼吸和心跳的可行性。然而，這些方法的探測距離比較有限（1 m 以內），實用性有待進一步提高。

為了增加雷達對人體目標的探測距離，密歇根州立大學KM Chen領導的研究小組研制了一種X波段（10 GHz）CW體制的生命探測系統[12]。通過檢測人體體表微動引起的雷達回波的相位變化，該系統在自由空間的探測距離可以達到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，雷達式生命探測技術的潛在應用不再局限于醫學上的診斷和監護，還擴展到傷員探測和應急救援。隨著探測距離的增加，雷達回波中非目標反射形成的雜波極大地影響了系統的探測性能。為降低雜波對探測的影響，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消除技術[13]。希臘的E Aggelopoulos等人研制了一種X波段的生命探測系統，專門用于地震等災害發生后的應急救援[14]。美國佐治亞技術研究院的EF Greneker等人研制的24.1 GHz的雷達式生命探測系統，除了用于1996年亞特蘭大奧運會上運動員心跳的非接觸檢測，還可用于安保和反恐[15-16]。意大利的M Pieraccini等人研究了CW生命探測系統在雪崩發生后應急救援中的應用，他們研制的2.42 GHz的CW雷達系統能穿透1.2 m厚的雪層檢測到人體的呼吸[17]。中國第四軍醫大學的生物雷達小組研制了毫米波段的的CW雷達式生命探測系統，利用零中頻、頻域積累和雜波對消技術，在自由空間能檢測到30 m外人員的呼吸和心跳[18]。

對CW生物雷達而言，探測頻率的選擇十分重要，研究證實不同的個體都存在一個最優的探測頻率，從分米到米波段頻率的電磁波都可用來進行非接觸生命體征探測。一般而言，波長越短，對微小位移的探測靈敏度越高。

3.2 UWB生物雷達檢測技術

超寬譜生物雷達發射出窄電磁脈沖輻照人體目標，典型脈沖間期是200～300 ms，脈沖的重復頻率在1～10 MHz范圍內。當發射脈沖到達胸壁時，一部分能量被反射并被接收器接收，由于人體生理運動（呼吸、心跳、腸蠕動等）的存在，使得被人體反射后的回波脈沖序列的重復周期發生變化，而回波脈沖信號的重復周期與人體生命的運動速度和頻率有關。如果對該脈沖序列（攜帶有與被測人體生命運動相關的信息）進行數據處理和分析，就可以得到與被測人體生命體征相關的參數（呼吸、心跳等）。

20世紀90年代，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL）的TE McEwan等人發明了微功率脈沖雷達（Micro-power Impulse Radar,MIR）-UWB雷達[19]。繼LLNL的研究之后，意大利的EM Staderini詳細探討了UWB雷達在生物醫學領域的應用，如呼吸和心跳的監護，心肺功能檢測，胎兒監護，心臟、胸腔、腦組織的成像，發聲機制研究以及測謊等[20-21]。俄羅斯的IJ Immoreev等人研究了UWB雷達對人體呼吸和心跳的檢測，并研制了用于臨床監護的原型樣機[22-23]。美國的NV Rivera等人利用多重信號分類（Multiple Signal Classification, MUSIC）技術，探索了單通道UWB雷達對多個人體目標心跳、呼吸的檢測和分離[24]。澳大利亞的WC Khor等人用不同介電常數的材料模擬脂肪和腫瘤組織，研究了UWB雷達用于乳癌診斷的可行性[25]。美國的DW Winters等人使用基于多通道技術的UWB雷達估計人體胸表的位置，以提高UWB雷達胸部成像的性能[26]。在此基礎上，他們開展了基于UWB雷達的人體胸部的三維非接觸成像研究[27]。

除醫學方面的應用研究外， UWB生物雷達的強穿透能力和良好的定位能力使其成為生命探測的首選設備。美國Time Domain公司的S Nag、A Mark等人重點研究了UWB雷達對人體運動信息的檢測以及人體目標的定位和跟蹤[28]。美國的DG Falconer等人研制了一種安裝在機器人上的UWB穿墻探測雷達，并利用時域和頻域的方法，分析了不同活動狀態的人體目標回波的譜特征[29]。斯洛伐克的M Aftanas采用了合成孔徑技術，研究了基于UWB雷達的穿墻成像[30]。以人體呼吸信號為指標，針對壓埋在廢墟中幸存人員的探測，俄羅斯的IJ Immoreev等人研制的用于應急救援的UWB雷達，中心頻率為1 GHz，可穿透0.45 m厚的磚墻探測到墻后站立人員的呼吸[31]。中國第四軍醫大學生物雷達研究小組采用單收發蝶形天線和500MHz超低中心頻率的UWB體制雷達結合空頻域積累算法，成功穿透2 m厚實體磚混結構體, 檢測出了自然躺姿狀態下人的呼吸信號[32]，同時還于2012年成功研制雙源UWB雷達式生命探測儀，提高了儀器探測能力，并初步實現了對人體及其周圍環境的兼容探測[33-35]。

UWB生物雷達之所以引起相關研究者的高度重視，是因為其有顯著的技術優勢，如通過控制脈沖延時，UWB生物雷達的探測范圍能隨之改變，這使得UWB雷達能夠消除由其他物體(雜物)或多徑反射回波所引起的干擾，同時也能方便的獲取目標距離信息，這是UWB生物雷達的主要優點。另外，UWB生物雷達發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，具有較強的穿透衣物、土壤和墻壁等非金屬介質的能力。

4 展望

綜上所述，生理信號是反映人類身體狀況的重要指標，非接觸生理信號檢測是一個不斷創新和發展的領域。非接觸生物雷達檢測技術相比光學、超聲等生理信號檢測技術具有穿透能力強、檢測距離遠、受環境影響較小等優點，所以可廣泛應用于醫學、救援及公共安全等方面。主要應用領域包括臨床監護：如傳染病人、燒傷病人的非接觸監護，胎兒監護，心血管及呼吸系統疾病監測等；臨床診斷：如乳房腫瘤、腦部血腫等探測診斷等；家庭醫療：如家庭老人心率、呼吸的非接觸監護；運動醫學：如運動健身狀況下的運動量、運動狀態、生命特征監測；空間醫學：如航天員在空間艙室中生理特征的無約束、非接觸監測，避免穿戴過多的傳感器；軍事醫學：如傷員搜尋，戰場危險區域的傷員存亡探測判定，大面積損傷和核生化條件下傷員非接觸生理監測等；應急醫學：如地震、塌方等災害發生后幸存者的生命探測搜尋等；社會安全：如反恐斗爭中的隔墻監控罪犯、解救人質，邊防海關安檢等。

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