非接觸式生命探測技術研究現狀與發展

景裕，曹育森，朱明明，雷濤，夏娟娟，李釗，張林媛，王健琪，路國華

空軍軍醫大學 軍事生物醫學工程系，陜西 西安 710032

引言

我軍十分重視戰后和災后傷員的搜索救援任務，不僅建立了緊急救援體系，也成立了一支專業化的國家地震災害緊急救援隊來應對重大突發事件，如地震、泥石流等自然災害以及恐怖活動。為確保我軍的救援能力，相應的生命探測技術和設備的研究也需要進一步深入。災后72 h是救援工作的黃金期，因此快速、準確地對傷員進行探測和定位可大大提高救援工作的效率以及傷員的存活率。生命探測技術在戰時及非戰時有著廣泛的應用。

生命探測技術從使用方式的角度來看，可分為接觸式和非接觸式生命探測技術。其中接觸式生命探測技術利用電極、傳感器以及探頭直接接觸生命體，探測生命體的生理信號。其探測精度高，但由于受到電極和線纜的約束，應用范圍有一定的局限。非接觸式生命探測技術擺脫了電極和傳感器對探測對象的約束[1]，間隔一定距離，穿透障礙物探測生命體的生理信號。具有非接觸、探測距離遠、應用范圍廣及障礙物穿透能力強等優點，相較于接觸式生命探測技術更適用于被掩埋傷員的搜救工作。

非接觸式生命探測技術按原理可分為：基于光學信號的生命探測技術、基于聲學信號的生命探測技術、基于氣味信號的生命探測技術以及基于生物雷達的生命探測技術[2]。雷達生命探測技術近年來被大量研究并得到了快速發展，其應用較為廣泛，產品也較為普及。本文將詳細介紹各種非接觸式生命探測技術的原理、特點和應用，并闡述其研究現狀和發展趨勢。

1 基于聲學信號的非接觸式生命探測技術

基于聲學信號的非接觸式生命探測技術采用微電子處理器和振動傳感器，能夠識別幸存者通過呼喊、敲擊或拍打發出的微小振動，并通過全方位傳感器所檢測到的回聲強弱對幸存者進行定位，能夠有效識別人類聽覺系統不能識別的聲音。音頻生命探測技術最早源于法國，其產品現已發展至第四代，已有多個國家使用音頻生命探測儀進行災后或戰后的傷員搜救[3]。如LEADER（法國）和DELSAR（美國）音頻生命探測儀。

音頻生命探測儀操作簡便、定位精確、靈敏度高，適用于多種救援現場，但容易受到周圍環境噪聲的影響，要求救援現場較為安靜，且待救者必須發出聲音。音頻生命探測技術可以與視頻生命探測技術結合使用來提高其探測能力，在借鑒吸收國外探測技術的基礎上，我國自主研發出了DVL-360音視頻生命探測儀，能夠在施救者和待救者之間建立視覺和聽覺的聯系。

由于聲音信號容易受到周圍環境中其他聲音和噪聲的干擾，聲音信號的識別和分類是聲音探測技術的主要研究方向。隨著深度學習的逐步興起，作為深度學習的一種模式分析方法，神經網絡在目標識別和分類中的應用得到了快速發展。近年來，很多國內外學者致力于用神經網絡的方法解決聲音探測技術中聲音識別和分類的問題[4-8]。其中Romanov等[8]實現了一種基于VGGish模型的聲音信號檢測和分類系統，可以識別十三種聲音信號，如咳嗽、嬰兒啼哭、犬吠和槍聲等，該系統假陽性率極低，可用于自動持續檢測。神經網絡在聲音信號處理領域的應用顯示出良好的結果，在聲音信號的識別和分類方面也越來越受歡迎。

2 基于光學信號的非接觸式生命探測技術

根據波長可將光學信號分為可見光、紅外線和紫外線等，在電磁波譜中，紅外線和可見光可用于生命探測。

可見光生命探測技術也可以稱為視頻生命探測技術，即將視頻探頭伸入救災現場的縫隙中，采集視頻信號，進行可視性探測。探頭可攜帶有米數標記的電纜，從而簡化傷員定位的問題，但必須要求現場有縫隙和孔洞，且探頭容易受到泥水的污染，導致圖像不清晰。視頻生命探測技術可以獲得可見光圖像信息，通常將其與音頻生命探測技術結合使用，從而獲取更多有用信息，如蛇眼音視頻生命探測儀。

基于紅外線的生命探測技術可分為主動式探測和被動式探測。其中主動式紅外生命探測技術利用紅外探照燈人為產生紅外輻射照射探測目標，通過處理相應的反射信號，最后將電信號轉換為人眼可以識別的光信號[9]，從而探知生命體的存在，如紅外夜視儀，可在夜間進行觀察和搜索。主動式紅外生命探測技術能準確分辨人和動物并探測距離，但其對成像技術依賴性較高，氣候變化（如多霧和風沙）和地面的震動會引起系統的誤報，且紅外探照燈頻繁發射紅外光束會被敵方的紅外探測裝置探測到。

被動式紅外生命探測技術本身不發射任何紅外輻射，而是被動接收來自探測目標（溫度高于0）的紅外輻射，隨后將其轉變為熱圖像，如熱成像儀。被動式紅外生命探測技術具有隱蔽性好、成本較低的優點，但不能穿透墻體等障礙物。

隨著國內外學者研究的深入，紅外探測技術在傷員搜救、環境檢測以及疾病診斷等方面的應用也越來越廣泛。已有研究[9]利用基于傅里葉變換的紅外光譜實現氣體和污染物的高靈敏度檢測。近年來，隨著各種圖像融合理論和算法的出現和不斷發展，許多國內外學者將其成功應用于多個領域，引起了研究者的廣泛關注，并成為許多研究者的工作重點[10-13]，圖像融合技術可以將可見光圖像中攜帶的細節紋理信息和紅外圖像中攜帶的熱輻射信息結合起來。Sun等[13]將可見光成像技術和紅外成像技術結合起來，保留可見光圖像中的紋理和細節，突出紅外圖像中感興趣的目標，遠程探測多個生命體征并初步篩查疑似傳染病的患者，其篩查能力高于傳統的發熱篩查方法。

3 基于氣味信號的非接觸式生命探測技術

生物具有極其敏銳的嗅覺，可以辨別各種氣味信號，仿照生物的嗅覺系統，人們提出了“仿生電子鼻”的概念[14]，電子鼻可以檢測氣味，并對氣味進行分類，主要包括傳感器陣列和相應的識別算法兩個部分，通過氣體傳感器陣列吸附氣體化合物，再將獲得的氣味信號進行識別分析后實現氣味信號的辨別。氣體檢測技術已經被廣泛應用于環境監測、防爆、食品質量檢測和疾病診斷等領域[15-17]。目前，已有研究人員將氣體檢測技術應用于傷員的搜索救援工作中，人體呼吸產生的氣體中含有多種揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs），當發生地震等自然災害時，由于廢墟之下的空間狹小且空氣不流通，幸存者呼吸所產生的VOCs會在該空間內富集，濃度較高，通過檢測VOCs就能獲得幸存者的位置信息，從而達到生命探測的目的。基于氣味信號的生命探測技術具有靈敏度高、抗環境干擾能力強以及辨別能力強等特點。

4 基于生物雷達的非接觸式生命探測技術

雷達利用無線電的方法對目標進行探測，探測目標反射設備發射的電磁波，由接收器接收回波，并用相應的算法對回波進行處理和分析[18]，從而獲得探測目標的位置信息。生物雷達將雷達用于人體的生命體征探測[19]，將雷達和生物醫學測量相結合[20]，擺脫了電極和傳感器對生命體的約束，在非接觸的情況下實現呼吸信號和心率信號的檢測。生物雷達根據原理可分為連續波生物雷達和超寬帶（Ultra Wideband，UWB）生物雷達[19]。

連續波生物雷達不斷向探測目標發射連續的微波信號，該信號會被探測目標反射，根據多普勒原理，生命體的任何微小移動（如呼吸時胸部區域的移動）都會改變回波的相位[18]，然后使用相同的發送波對回波進行解調，提取生命體信號的參數。

UWB生物雷達發射帶寬大于0.25的脈沖微波束，接收由生命體活動而調制的回波脈沖[21]，選擇合適的信號處理方法提取生命信號的參數（如呼吸和心率信號）。UWB生物雷達的障礙物穿透能力以及目標識別的能力優于連續波生物雷達。

雷達生命探測技術具有穿透能力強、定位精確、抗干擾性能強等特點，且不容易受到搜索救援現場的噪聲和氣候變化的影響。也能根據不同的搜索救援現場，選擇不同波段的電磁波。廣泛應用于災后搜索救援、穿墻監視以及醫療診斷和檢測。

在國內，空軍軍醫大學生物醫學工程系較早開始非接觸式生命信息檢測的研究，研制出了我國首臺雷達生命探測儀[19]和基于超寬譜微波信號的多通道搜救雷達[22]，能穿透障礙物檢測到生命體的呼吸信號，并在汶川地震的搜索救援工作中發揮了一定的作用，在探知生命體是否存在的基礎上，也可用于對生命體進行體征的持續監測[23-25]，由于人類和動物的生命體征相似，在搜救工作中可能會出現誤判，因此目標識別也是雷達生命探測技術的研究熱點。Yu 等[26]提出一種新的方法識別人與動物的呼吸信號。為了提高檢測精度，Liang等[27]提出了一種利用脈沖UWB雷達進行生命體征檢測的新算法。

5 非接觸式生命探測技術發展展望

聲波在穿越障礙物時能量會大大衰減，為了解決探測聲音信號質量的問題，聲音信號的去噪和增強方法的研究需要進一步深入。隨著深度學習的逐步興起，研究者們可以使用深度學習的模式分析方法（如神經網絡）提取聲音信號的特征并進行識別和分類，在搜索救援工作中達到區分人和動物的目的。除此之外，聲音信號識別技術可以與圖像識別技術結合，增強對探測目標的識別性能。隨著深度學習在聲音信號檢測和分類方面的成功應用，深度學習將會在這一領域有進一步的突破。

基于光學信號的生命探測技術的研究，可進一步將成像信息擴展至更多波段進行工作，其他成像技術的研究可以為這一方向的實現和發展提供解決方案。在這一研究方向，高光譜成像技術的出現是一個重要的突破，不僅可以在可見光和紫外波段成像，也可以在近紅外和中紅外波段同時成像[28]，可以為目標識別和區分提供充足的光譜信息。但隨著波段數的增加，同時也需要進一步克服數據量呈指數增加和冗余信息相對增多的問題。除此之外，紅外成像技術也可以與其他成像技術融合，從而能提取出更多的有用信息。

基于生物雷達的生命探測技術不僅可以獲取探測目標的生理信號（如呼吸信號和心率信號），也可將所獲得的生命信號綜合分析，實現傷員探測和定位的同時，也實現傷員傷情的感知，從而選取恰當的救援措施，提高搜救效率。在傷員眾多的情況下，使用多輸入多輸出的生命探測系統解決多個對象同時檢測的問題，盲源分離算法可從檢測到的混合信號中分析出原始信號，允許同時探測多個目標。將其與其他生命探測技術和機器學習相結合，可實現探測技術的精準化和智能化。

異常氣味 （如香水和酒精）會引起傳感器的強烈響應[29]，而影響設備探測生命體的目的，這是基于氣味信號的生命探測技術亟待解決的問題。除此之外，氣體混合物的檢測也是一個需要解決的問題。

戰后和災后搜救現場環境錯綜復雜，單一的傳感器很難滿足生命探測的需求，可以利用信息融合技術將各種傳感器所獲取的不同類型的信息進行綜合處理與分析，從而準確探測傷員的位置，并對傷員的傷情進行初步的感知，提高非接觸式生命探測技術的探測能力和可靠性。無人化設備的普及為無人化傷員搜尋的實現提供解決方案，將多種傳感器集成到完全自主的無人機或機器人上，可在具有潛在危害和風險的救援現場取代人工。

6 結語

綜上所述，非接觸式生命探測技術的研究將會向如何提高其探測能力、智能化和無人化的方向發展，與其他技術的融合，可進一步實現傷員的傷情感知，非接觸式生命探測技術的發展將有利于提高我軍的傷員搜救能力和傷員的存活率。