一種用于生物雷達參考的生命信號同步測量系統研制

宋慧浩，張自啟，殷 悅，祁富貴，王鵬飛，王健琪，呂 昊*

（1.空軍軍醫大學軍事生物醫學工程學系，西安 710032；2.聯勤保障部隊第983醫院，天津 300142）

0 引言

生物雷達是一種以生命體（人體或動物）為探測對象的新型雷達技術，它以特殊雷達發射的電磁波為探測媒介，能穿透衣物、樹叢、墻壁、廢墟等非金屬遮擋物，非接觸獲取人體目標信息，在軍事、公共安全、生物醫學等領域有著廣泛的應用前景，如在城市巷戰中穿墻探測建筑物內隱藏的敵人、地震等自然災害發生后搜尋壓埋在建筑廢墟下的幸存者、臨床上燒傷等特殊患者生理信息的非接觸監測等[1-9]。

作為一種新型的非接觸生命探測技術，對生物雷達技術開展研究常常需要評估探測結果的可靠性與準確性。國內外文獻表明，生物雷達實驗結果的評價可分為2類：一類是根據人體呼吸、心跳頻率范圍的先驗信息進行判斷，通常是觀察處理后回波的功率譜峰值頻率是否與先驗信息一致[1，4，7]；另一類是在生物雷達探測的同時對人體呼吸、心跳等生命信號進行同步測量，并將該測量結果用于參考[10-17]。顯然第一類評價方法主觀性較強，僅能用于生物雷達探測結果的定性評價，如驗證系統可行性、判斷有無目標等。隨著生物雷達技術的發展，同步測量方法成為開展相關研究的一種必要手段，如基于生物雷達的多人體目標識別[10]、心率變異性分析[11]等都需要參考信號來定量分析生物雷達檢測結果的可靠性與準確性。因此，研究一種人體呼吸、心跳等生命信號的參考測量方法或系統，可以為生物雷達實驗探測結果提供定量的標準和參考，對于生物雷達技術的研究具有重要意義。

為此，Lv等[12]在生物雷達探測實驗中采用人工計數的方法，即在探測過程中由被測對象默數自己呼吸的次數，然后將計算出來的呼吸率作為生物雷達探測結果的參考，這種方法簡便易行但精度有限；胡治等[13]和Lu等[14]采用了多導生理記錄儀來同步測量人體的呼吸和心電信號（electrocardiograph，ECG），并利用該儀器提供的數據分析軟件提取所需的呼吸和心電參數與生物雷達探測結果進行對比分析；Patwari等[15]則采用了臨床上呼吸監測的金標準——呼氣末二氧化碳監測儀來同步測量呼吸率；此外，Suzuk等[11]采用了心電傳感器（ECG電極）結合AD采集模塊開發同步測量系統，為生物雷達檢測到的心跳信號提供參考；而Li等[16]和Baboli等[17]采用了指尖佩戴式的光電傳感器來同步測量人體脈搏波并將以此計算出來的脈率作為心率的參考，其中Baboli等[17]還采用胸帶式呼吸傳感器同步測量了實驗對象的呼吸。

綜上所述，目前用于生物雷達探測的參考測量系統均采用接觸式方法檢測人體呼吸、心電、脈搏等信號，采用ECG電極、光電傳感器等小型接觸式傳感器開發的系統在成本、體積、質量等方面更具優勢。然而接觸式傳感器在與生物雷達系統同時測量時存在時間同步的問題——在計算機上控制2種系統開始/停止保存數據時總有先后順序，從而導致兩者測量得到的人體生命信號數據存在時間誤差。

因此，本文提出了一種用于生物雷達參考的生命信號同步測量系統，該系統采用小型化接觸式傳感器分別測量人體呼吸和脈搏（用于心跳的參考），傳感器前端和控制顯示后端采用無線藍牙連接，且后端軟件基于Windows消息機制實現與生物雷達系統軟件的時間同步，具有低成本、可便攜、通用化的特點，不僅可為實驗室內外、多目標探測等多種場景的生物雷達探測實驗提供定量標準和參考，還可為生物醫學研究中生命信號的定量檢測提供一種簡便易行的通用方法和手段。

1 系統整體架構

該同步測量系統由傳感器前端和控制顯示后端2個部分組成，其整體架構如圖1所示。其中傳感器前端包括多個接觸式傳感器組，每組由1個定制的壓電式呼吸傳感器和1個光敏式脈搏傳感器組成，可用于多人體目標探測?？刂骑@示后端由計算機和藍牙路由器組成，后者采用藍牙4.0標準與前端無線連接，在該標準中：（1）工作頻率范圍為2.402～2.480 GHz；（2）無線通信距離最遠可達100 m；（3）信道容量為1 Mbit/s。根據傳感器參數（呼吸傳感器采樣頻率50 Hz、脈搏傳感器采樣頻率200 Hz，采樣數據精度均為8 bit）可知，1組傳感器傳輸帶寬需要2 Kbit/s（200 Hz×8 bit+50 Hz×8 bit），因而 1 Mbit/s的信道容量最多可連接512組傳感器，但受限于藍牙微網的3 bit地址長度（其中000編碼已被藍牙自身占用），實際最多可同時接收7路數據，即最多連接3組呼吸、脈搏傳感器用于3個人體目標測量。此外，后端計算機上運行同步測量軟件，同時連接生物雷達并運行該系統。

圖1 系統整體架構圖

2 傳感器原理與參數

該系統前端呼吸傳感器[如圖2（a）所示]采用聚偏氟乙烯高分子膜壓電材料檢測呼吸時人體體表產生的收縮和舒張壓力變化，產生mV級的微應變電信號，經過內置信號調理電路后輸出呼吸波形數據，使用時配合彈性綁帶束縛在人體胸/腹部進行測量。脈搏傳感器[如圖2（b）所示]利用紅外線對射式指夾，通過主動發射和接收870 μm波長的紅外線檢測心臟活動引起的手指末梢血管容積變化，然后通過放大、信號調理等輸出脈搏波信號。這2種傳感器均向相關企業定制（型號 HKG-11L、HKG-07L），除基本的傳感測量功能外，已內置AD采集器、串口藍牙適配器、供電等模塊，具備體積小、質量輕、方便使用的特點，其主要技術原理和參數見表1。

圖2 前端傳感器實物圖

表1 傳感器技術原理和參數

3 系統軟件設計

在同步測量系統設計中，核心問題是該系統與生物雷達系統開始/停止保存數據的時間同步。為此，本文采用Windows平臺下的軟件設計，以Windows消息傳遞機制為基礎，通過實時監視生物雷達系統軟件的工作狀態，實現2種系統數據采集的同步。同步測量系統軟件的基本流程如圖3所示：（1）利用藍牙適配器的USB轉串口功能，采用串口通信技術建立藍牙數據通信鏈路。（2）根據不同傳感器數據包的幀頭提取多路呼吸和脈搏數據，進行相應的預處理后顯示各路數據波形和參數。（3）利用Hook（鉤子）技術建立第三方軟件監視器，即利用鉤子捕獲生物雷達系統軟件的事件消息——當監測生物雷達開始/停止保存數據的事件時，立即觸發同步測量系統開始/停止保存數據，從而實現兩者測量數據的時間同步。上述流程中，生物雷達系統軟件被當作第三方軟件，只需了解其開始/停止保存數據的相關控制信息（如所需點擊按鈕的名稱），就能監測到生物雷達開始/停止保存數據的事件。因此，該同步測量系統軟件即使針對不同的生物雷達系統軟件進行使用，也不需要重新設計代碼，從而保證了通用性。

3.1 藍牙數據通信——串口通信技術

藍牙路由器在收發藍牙無線數據的同時還起到了USB轉串口的作用，因此采用串口通信技術讀寫該適配器對應的虛擬COM口（串行通信端口）即可建立系統的數據通信鏈路。目前在Windows平臺下實現串口通信通常包括使用第三方控件、Windows API函數和其他串口通信程序3種方法。本文使用第三方SPCOMM控件提供的與串口通信相關的屬性、事件和操作來實現系統前端傳感器與后端顯示控制的無線通信。為此，本文在同步測量軟件中使用了6個SPCOMM控件，每個控件對應1個傳感器，共計3組呼吸和脈搏傳感器組；然后，對串口進行初始化，設置SPCOMM控件的控制對象（虛擬COM口號）和屬性；采用事件驅動方式來實現數據傳輸，即當該虛擬COM口接收到數據時觸發控件的OnRecieveData事件，在該事件中讀取緩存中的數據包后對其進行解析和顯示。表2列出了軟件中SPCOMM控件的主要屬性設置情況。

圖3 同步測量系統軟件的流程圖

表2 SPCOMM控件的主要屬性設置

3.2 數據解析和顯示——多線程技術

通過無線藍牙數據鏈路讀取傳感器前端發回的數據包后，本文采用多線程技術實現數據的解析和顯示，即在串口通信線程之外建立新的線程對數據進行讀取、預處理和顯示，以確保數據通信的優先級和實時性。由于這2個線程都是對同一數據進行讀寫，本文在多線程編程中采用了臨界區（CriticalSection）來緩存數據，從而有效避免多個線程同時訪問同一數據時破壞數據完整性的問題。此外，本設計在讀取前端傳感器數據時利用了定制傳感器規定的數據包格式，可以自動從數據包頭中識別傳感器類型，便于后續波形數據的預處理。

呼吸和脈搏傳感器波形數據的預處理流程如下：首先，采用滑動減平均的方法校正波形中可能存在的基線漂移[12]；然后，采用低通濾波處理以提高信噪比，其中對呼吸數據采用0.5 Hz截止頻率的低通濾波器，對脈搏數據采用2 Hz截止頻率的低通濾波器；最后，采用短時傅里葉變換來估計呼吸率/脈率[16]。

3.3 第三方監視器——Windows鉤子技術

鉤子是Windows系統中非常重要的消息機制和接口，可以用來監視系統或進程中的各種事件消息，截獲發往目標窗口的消息并進行處理。因此，本文通過同步測量系統軟件安裝自定義的鉤子，監視系統中特定事件的發生（如生物雷達系統軟件開始/停止保存數據按鈕的鼠標點擊事件）來實現同步測量系統和生物雷達數據采集的時間同步。在實現這一設計過程中，本文主要考慮了以下4個方面：

（1）不同生物雷達系統軟件開始/停止保存數據按鈕定義有所差別。例如有“開始”“開始采集”或“開始保存”，同步測量系統軟件在安裝鉤子前需指定第三方軟件開始/停止保存數據按鈕的相關信息。

（2）生物雷達系統軟件存在不是通過點擊按鈕來開始/停止保存數據的可能。因此同步測量系統軟件在安裝鼠標鉤子的同時還安裝了文件監視鉤子，即生物雷達系統軟件開始保存數據時必然觸發某一路徑下文件的操作事件，此時同步測量系統軟件可通過該事件實現同步數據采集。此外，通過文件監視鉤子還可以自動獲取生物雷達數據的文件名，以此來為同步測量系統保存的數據文件命名，便于實驗后2種數據的對照分析。

（3）生物雷達與同步測量系統軟件實際運行時分屬不同進程。由于各進程地址空間彼此相隔，導致前者無法直接調用后者進程地址空間的鉤子函數，因而采用全局鉤子，即將鉤子函數建立在dll（dynamic link library）文件中，從而實現多個進程共享。

（4）全局鉤子dll必須與同步測量系統軟件和生物雷達系統軟件共享事件類型、開始/停止的相關信息、文件路徑和文件名等參數信息。為了保證dll中的這些信息對其他進程的可見性，本文采用內存文件映射技術，即在dll中定義特殊的內存段來保存這些參數變量，從而實現了有效的參數傳遞。

3.4 系統軟件界面

同步測量系統軟件界面如圖4所示。該界面可分為5個部分：（1）標題和退出按鈕部分；（2）控制部分，主要用于配置藍牙通信、選擇是/否同步、選擇存儲路徑、指定第三方軟件開始/停止保存等相關信息；（3）藍牙路由器狀態顯示部分，通過調用外部藍牙控制程序實現，用于觀察當前連接的傳感器前端的各個傳感器及其通信情況；（4）波形顯示部分，最多可顯示6個傳感器，即3組呼吸和脈搏傳感器組的波形數據；（5）狀態欄部分，用于顯示程序運行過程中的提示和錯誤信息。

圖4 同步測量系統軟件的界面

4 實驗與結果

4.1 與超寬帶（ultra-wideband，UWB）生物雷達的同步探測實驗

本文使用課題組前期研制的UWB生物雷達系統配合本文的同步測量系統開展了實驗。在實驗中一位22歲健康成年男性志愿者作為探測目標位于約30 cm厚單磚墻后2 m處保持坐姿并平靜呼吸，雷達天線在磚墻另一側緊貼墻壁（天線離地面高度約1.2 m）正對目標探測，目標胸部佩戴本文研制系統同步測量呼吸，時長約1 min。UWB生物雷達和同步測量數據均采用MATLAB軟件進行處理和分析。其中，UWB生物雷達只選用通道2的數據，并對其在時間上采用基線校正、低通濾波后選取所有距離點上的能量最大值作為探測波形。同步測量數據經過采樣率分數倍變換后（由50 Hz變為64 Hz）與生物雷達回波數據采樣率保持一致并采用3.2章節中的預處理算法進行處理。實驗結果如圖5所示，該UWB生物雷達測得的時域波形與同步測量系統基本一致，且頻域波形顯示兩者對應的呼吸率完全相同，從而驗證了生物雷達探測結果的正確性。

4.2 與點頻連續波（continuous wave，CW）生物雷達的同步探測實驗

本文將上述同步測量系統與實驗室正在研制的CW生物雷達系統一起開展了同步測量實驗。如圖6所示，CW生物雷達系統采用點頻CW體制，發射信號頻率24.15 GHz，在硬件設計上采用直接下變頻解調和收發共用微帶天線，具有結構簡單、小型化的特點，擬研制用于家庭和臨床中患者呼吸等生理信息的非接觸監測。在實驗中一位22歲健康成年男性志愿者作為探測目標位于生物雷達前方約1 m處保持坐姿并平靜呼吸，雷達天線正對目標胸部，目標同時佩戴本文研制系統同步測量呼吸和脈搏，時長少于2 min。為便于結果分析和顯示，生物雷達和同步測量數據存入計算機并用MATLAB軟件進行分析，采用與上述相同的預處理算法進行處理。

實驗結果如圖7所示，CM生物雷達系統與同步測量系統測得的呼吸波形基本一致，但兩者測得的心跳/脈搏波形存在顯著差別——生物雷達系統測得心跳波形的節律性明顯不如作為參考的脈搏波形。這表明采用直接下變頻解調導致人體回波信號中存在較強的呼吸-心跳互調[16]，因此該生物雷達系統的人體心跳檢測性能還需進一步提高。圖8顯示了少于2 min時長的人體呼吸率和心率（脈率）變化情況，以所研制同步測量系統為參考，該生物雷達系統呼吸檢測準確率較高，但心跳檢測準確率存在較大誤差，這與圖7所示結論一致。

圖5 UWB生物雷達與同步測量系統的呼吸波形測量結果

圖6 CW生物雷達原理框圖

圖7 CW生物雷達與同步測量系統測量結果

圖8 少于2 min時長的CW生物雷達與同步測量系統估計結果

5 結論

生物雷達是一種以人體為主要探測對象的新型雷達技術，對其開展研究常常需要同時測量人體呼吸、心跳等生命信號作為參考，以評估生物雷達探測結果的可靠性與準確性。本文介紹了一種用于生物雷達參考的生命信號同步測量系統，該系統通過小型化接觸式的壓電傳感器和光敏傳感器分別測量人體呼吸和脈搏（用于心跳的參考），具有低成本和可便攜的特點；采用藍牙無線方式連接傳感器前端和控制顯示后端，能滿足自由空間、穿透等多種場景的實驗需求；其控制顯示后端通過基于Windows鉤子技術的軟件設計實現與生物雷達系統開始/停止保存數據的同步，且不需要反復修改軟件代碼來配合不同生物雷達系統開展實驗。結果表明，該系統有效解決了現階段生物雷達參考測量系統的時間同步問題，不僅可為生物雷達探測實驗提供定量標準和參考，還可為生物醫學研究中生命信號的定量檢測提供一種簡便易行的通用方法和手段。下一階段將使用該同步測量系統開展更多的生物雷達探測實驗，并根據實驗結果優化系統設計和軟件界面。