一種基于生物雷達(dá)的隱匿性傷情檢測方法研究

薛慧君，王鵬飛，焦 騰，安 強，梁福來，張 楊，王健琪，呂 昊

（空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系醫(yī)學(xué)電子學(xué)教研室，西安710032）

0 引言

院前急救是指急、危、重癥傷病員進(jìn)入醫(yī)院前的醫(yī)療救護(hù)，其時效對于降低傷病員的傷殘率和死亡率具有非常重要的意義[1-3]。然而在這一過程中，受人員、時間和條件限制，往往單憑傷病員的癥狀和體征無法及時發(fā)現(xiàn)和正確診斷張力性氣胸、顱內(nèi)出血等某些隱匿傷情，從而延誤診治并造成傷病員傷亡[2-3]。以張力性氣胸這種可導(dǎo)致嚴(yán)重呼吸和循環(huán)功能障礙的肺科急癥為例，美軍統(tǒng)計表明其造成高達(dá)4%的戰(zhàn)場傷亡[4]。在臨床上，常規(guī)的氣胸診斷方法為X射線、CT和超聲成像：其中，X射線使用最多，但不少研究報道了這種方法的低敏感度，如Alrajhi等[5]指出X射線胸片診斷氣胸的敏感度僅為50.2%（95%的置信區(qū)間為43.5~57.0）；與X射線相比，CT是氣胸診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但是費效比較低且設(shè)備體積、質(zhì)量較大，并且與X射線一樣存在電離輻射；與X射線和CT相比，超聲成像提供了一種可有效兼顧準(zhǔn)確性和成本、體積、安全的手段，但其有效性高度依賴于超聲醫(yī)生的專業(yè)熟練程度，并且使用時需要直接接觸人體皮膚并涂抹耦合劑。此外，還有腦卒中、外傷等引起的顱內(nèi)出血，其臨床診斷通常也需要借助CT等大型醫(yī)療設(shè)備，受體積、質(zhì)量、成本等綜合限制，這些設(shè)備同樣難以用于院前急救。因此，亟須研發(fā)一種可用于院前急救的低成本、便攜式設(shè)備，對可能致命的隱匿性傷情進(jìn)行快速檢測和篩查。

生物雷達(dá)是一種主要以人體為探測對象的新概念雷達(dá)技術(shù)，它以低功率電磁波為探測媒介，可穿透廢墟、墻壁、衣物、人體組織等非金屬介質(zhì)，感知人體的呼吸、心跳、體動、圖像等信息，已廣泛應(yīng)用于軍事、公共安全、應(yīng)急救援等領(lǐng)域[6-8]。與X射線、CT相比，生物雷達(dá)不存在電離輻射問題，且具有非接觸、低成本和可便攜的特點，是一種非常具有潛力的隱匿性傷情檢測手段，近年來已有大量文獻(xiàn)報道了基于該技術(shù)的乳腺腫瘤、顱內(nèi)出血和氣胸檢測方法研究[9-19]。從信號處理的角度來看，這些方法可大致分為2類：一類是模型驅(qū)動方法，即基于電磁場散射逆問題求解對人體內(nèi)部組織進(jìn)行成像檢測；另一類是數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，即通過定量的生物雷達(dá)回波數(shù)據(jù)樣本來發(fā)現(xiàn)異常傷情信息。其中，第一類方法占多數(shù)且主要用于乳腺腫瘤的成像檢測[9-11]，但現(xiàn)階段面臨著在微波頻段如何兼顧組織穿透能力和成像分辨力的難題，并且成像需要復(fù)雜的天線陣列和算法，有可能導(dǎo)致形成的設(shè)備難以滿足院前急救的便攜化需求[9-10]。與之相比，第二類方法的文獻(xiàn)數(shù)量較少且主要關(guān)注顱內(nèi)出血和氣胸檢測。如瑞典查默斯理工大學(xué)設(shè)計了一種具有可穿戴天線陣列的生物雷達(dá)系統(tǒng)，并使用了機器學(xué)習(xí)方法來檢測顱內(nèi)出血和氣胸[12-14]，但該系統(tǒng)同樣基于天線陣列且在使用時需要進(jìn)行精確的同步、校正[13-14]。美國肺聲公司研發(fā)了一種可用于氣胸快速、實時檢測的便攜式設(shè)備[15-16]，使用了帶寬500 MHz~6 GHz的沖激脈沖體制超寬帶雷達(dá)，通過測量人體胸部8個位置（左右各4個）的回波來實現(xiàn)氣胸的檢測和定位（左側(cè)、右側(cè)、雙側(cè)氣胸）。根據(jù)已開展的臨床實驗，該系統(tǒng)檢測敏感度最高可達(dá)100%，但最近一次實驗中報道的偽陽性率高達(dá)65%[16]，同時該系統(tǒng)需要精確定位和測量人體胸部的多個位置，并且天線需直接接觸實驗對象裸露的胸部，給實際使用也帶來了較大不便。此外，希臘帕特雷大學(xué)、中國東華大學(xué)、第四軍醫(yī)大學(xué)等也開展了顱內(nèi)出血、氣胸等傷情的生物雷達(dá)檢測實驗，均偏重基礎(chǔ)性的探索研究[17-19]。針對上述問題，本文提出了一種基于生物雷達(dá)的隱匿性傷情檢測方法。

1 生物雷達(dá)系統(tǒng)

本文采用的生物雷達(dá)系統(tǒng)為沖激脈沖超寬帶體制，由雷達(dá)主機和收發(fā)天線2個部分組成，其原理框圖和實物圖如圖1所示。雷達(dá)主機中的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一定重復(fù)頻率的沖激脈沖，送到發(fā)射機整形后通過收發(fā)天線輻射出去；同時脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖被送到時序邏輯單元，并在控制單元的控制下產(chǎn)生延遲時間可控制的距離門，用于觸發(fā)接收機對回波信號進(jìn)行采樣，進(jìn)而根據(jù)電磁波傳播速度計算出目標(biāo)相對于雷達(dá)的徑向距離；采樣后的回波信號經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog digital converter，ADC）高速采集后送至人機交互單元進(jìn)行顯示和存儲，人機交互單元設(shè)置系統(tǒng)探測起始距離為-11 ns（不具備意義），時窗為7 ns，對應(yīng)自由空間最遠(yuǎn)探測距離為105 cm，采樣點數(shù)為1 024，掃描速度為64 Hz，增益為33 dB，其中起始距離和時窗共同控制距離門的延遲時間，實現(xiàn)對設(shè)定距離范圍內(nèi)的掃描探測。

圖1 生物雷達(dá)系統(tǒng)

收發(fā)天線包括1個發(fā)射天線和1個接收天線，均采用蝶形偶極子天線，并且在兩天線間進(jìn)行了共地處理和屏蔽來消除發(fā)射接收傳輸線上的相互干擾，同時對兩天線末端進(jìn)行了電阻加載使其具備良好的介質(zhì)耦合能力，從而保證電磁波進(jìn)入體內(nèi)的輻射效率；天線帶寬0.75~2.25 GHz，中心頻率1.5 GHz；收發(fā)天線與雷達(dá)主機間采用柔性電纜進(jìn)行連接。

2 檢測原理與算法設(shè)計

2.1 人體左右對稱性檢測

國內(nèi)外研究表明[12-14]，考慮到院前急救設(shè)備的低成本和便攜化需求，生物雷達(dá)應(yīng)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法來實現(xiàn)隱匿性傷情檢測。這種方法雖然避免了復(fù)雜的模型和算法問題，但面臨著大量數(shù)據(jù)樣本獲取的問題。對此，美國肺聲公司的研究[15-16]給了本文很好的啟示，即正常或健康人體頭、胸、四肢等部位組織或器官的淺表解剖結(jié)構(gòu)是左右對稱的，而顱內(nèi)出血、氣胸、骨折等傷情的出現(xiàn)會改變這種對稱性，因而通過比較測量得到人體左右對稱位置的生物雷達(dá)回波，給出有/無差異的度量來實現(xiàn)傷情的檢測。與此同時，乳腺腫瘤成像檢測方面的研究表明[9-11]，人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異可引起超寬帶生物雷達(dá)回波幅度、相位等參數(shù)的變化，保證了該設(shè)想的可行性。

2.2 基于線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）的檢測算法

根據(jù)2.1節(jié)的分析，設(shè)計一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動算法來量化人體左右對稱位置測量的生物雷達(dá)回波差異是實現(xiàn)上述設(shè)想的關(guān)鍵所在，本文采用LDA來解決這一問題。LDA是一種經(jīng)典的有監(jiān)督的機器學(xué)習(xí)方法，按照投影后“類間方差最大且類內(nèi)方差最小”的原則將樣本在低維度上進(jìn)行投影，從而實現(xiàn)降維和分類。本文采用LDA的原因主要包括：（1）LDA是有監(jiān)督的機器學(xué)習(xí)方法，而人體左右對稱位置測量的生物雷達(dá)回波自帶類別標(biāo)簽屬性；（2）LDA輸出的最大類間方差可以用來度量生物雷達(dá)回波的有/無差異；（3）LDA實現(xiàn)簡單并在模式識別領(lǐng)域（如人臉識別）有著廣泛的應(yīng)用[20-21]。

本文設(shè)計的基于LDA的檢測算法流程如圖2所示。

圖2 基于LDA的檢測算法流程

超寬帶生物雷達(dá)回波數(shù)據(jù)ri[m，n]包含距離和時間二維信息，其中，i=1，2，表示左、右兩側(cè)數(shù)據(jù)樣本的類別標(biāo)簽；m（1≤m≤M，M=1 024，即采樣點數(shù)）表示探測距離；n（1≤n≤N，N除以掃描速度可換算成時間單位s）表示探測時間。歸一化后數(shù)據(jù)變?yōu)?/p>

然后對歸一化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行時窗截斷，即去掉人體體表反射形成的直達(dá)波，由于這部分回波不包含傷情信息，截斷后可有效避免其對后續(xù)檢測產(chǎn)生干擾，截斷后數(shù)據(jù)記為rˉi′[m，n]。接下來對歸一化后的數(shù)據(jù)在距離維度進(jìn)行離散余弦變換（discrete cosine transform，DCT），將空間域信號轉(zhuǎn)換到頻域上進(jìn)行去相關(guān)可得

式中，M'＜＜M。最后的LDA等效于一個二分類問題，按照投影后“類間方差最大且類內(nèi)方差最小”的原則，找到1組投影系數(shù)w使處理后的2組超寬帶生物雷達(dá)回波數(shù)據(jù)R1'[m，n]和R2'[m，n]的廣義瑞利熵最大化。最大化廣義瑞利熵J（w）定義為

式中，Sw為2組數(shù)據(jù)的類內(nèi)散度矩陣；Sb為2組數(shù)據(jù)的類間散度矩陣[20]。使用w對2組數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換可得

以上算法均在PC機上通過MATLAB軟件處理實現(xiàn)，PC機的基本配置情況為Intel Core i7-6700處理器，3.4 GHz主頻，32 GiB內(nèi)存。

3 氣胸體模實驗

為驗證上述方法的有效性，本文設(shè)計了人體氣胸體模并開展了實驗研究。

3.1 氣胸體模的構(gòu)建

人體電磁體模的構(gòu)建是一個復(fù)雜的開放性問題，目前仍有大量學(xué)者對此進(jìn)行研究[22]。由于本文重點不在于此，因而采用了最簡單的液態(tài)模型方法。具體方法如圖3所示，在一底部直徑22 cm、高度33 cm的高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE）桶內(nèi)倒進(jìn)1∶5的水∶乙醇混合溶液來模擬人體胸部，同時在一底部直徑14 cm、高度23 cm的HDPE桶內(nèi)倒?jié)M1∶20的水∶乙醇混合溶液來模擬人體肺部，并將后者居中放入前者來模擬正常人體，或者在后者表面單側(cè)/雙側(cè)粘上氣球后放入前者來模擬單側(cè)/雙側(cè)氣胸（氣球不完全充氣，直徑2~3 cm，粘于桶壁正中且距桶底15 cm處）[14]。

圖3 氣胸體模制作示意

3.2 實驗數(shù)據(jù)的測量

基于上述氣胸體模，本文使用生物雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)測量。如圖4所示，對于有/無、單側(cè)/雙側(cè)、直接接觸/穿透衣物等每種場景，先后在體模左側(cè)和右側(cè)對稱的位置各采集1組數(shù)據(jù)，即測量ri[m，n]。

圖4 典型的實驗數(shù)據(jù)測量照片

有2個關(guān)鍵地方需要特別說明：一是根據(jù)生物雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，在人機交互單元可以清晰地看到由于體模表面直接反射形成直達(dá)波，這不僅是生物雷達(dá)探測范圍的實際距離起點，而且能以這部分回波幅度為參照通過微調(diào)天線角度和位置來保證左、右兩側(cè)測量位置時位置的對稱性，避免通過裸露人體胸部來選擇測量位置[15-16]，從而真正發(fā)揮出生物雷達(dá)在傷情檢測中的非接觸和穿透性特點；二是為了保證每組數(shù)據(jù)樣本量一致以便于驗證LDA檢測結(jié)果，在數(shù)據(jù)處理時進(jìn)行了嚴(yán)格的時間截斷。

3.3 實驗結(jié)果及分析

3.3.1 歸一化與DCT結(jié)果

圖5為直接接觸時無氣胸、左側(cè)氣胸和雙側(cè)氣胸的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理后的結(jié)果，為便于觀察，顯示的是每組數(shù)據(jù)平均結(jié)果，其中圖5（a）中還標(biāo)示出了直達(dá)波部分。從圖5可以看出，通過微調(diào)天線角度和位置可以實現(xiàn)直達(dá)波幅度（即正、負(fù)2個峰值）的對齊來保證左、右側(cè)測量數(shù)據(jù)的一致性，進(jìn)而避免因測量時左、右側(cè)不對稱帶來的誤差。需要說明的是，未來實際形成設(shè)備后可以將直達(dá)波對齊這一過程編寫算法嵌入到超寬帶生物雷達(dá)系統(tǒng)中，通過輸出提示來指導(dǎo)操作人員進(jìn)行天線的定位，要比本文實驗中單純觀察回波波形更加方便和精確。從圖5還可以看出，3種場景相比較，無氣胸場景下左、右兩側(cè)回波數(shù)據(jù)差別較小，左側(cè)氣胸場景下因氣球的引入改變了左、右兩側(cè)結(jié)構(gòu)的對稱性因而呈現(xiàn)出較大的差別，而雙側(cè)氣胸場景下因兩側(cè)氣球?qū)Y(jié)構(gòu)的改變不一致同樣呈現(xiàn)出較大的差別，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行DCT提取特征并進(jìn)行LDA能有效地量化這種差別。

圖5 歸一化結(jié)果

圖6為直接接觸時無氣胸、左側(cè)氣胸和雙側(cè)氣胸的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過DCT處理后的結(jié)果（為便于觀察，顯示的是每組中的一個樣本數(shù)據(jù)）。從圖6可以看出，經(jīng)過DCT處理后的超寬帶生物雷達(dá)回波具有很好的能量聚集性，因此在后續(xù)LDA處理中可使用前面能量較大的部分作為特征，本文選取了前50個點，即公式（3）中的M'=50。另外，DCT處理明顯具有去相關(guān)效果，從而保證后續(xù)LDA對特征獨立性的要求。

圖6 DCT結(jié)果

3.3.2 直接接觸檢測結(jié)果

圖7為直接接觸時無氣胸、左側(cè)氣胸和雙側(cè)氣胸的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過LDA處理后的結(jié)果，即公式（5）中的Ri′′。從圖7可以看出，2組數(shù)據(jù)間的差別在無氣胸場景下要明顯小于左側(cè)氣胸和雙側(cè)氣胸場景。無氣胸、左側(cè)氣胸、雙側(cè)氣胸計算得到的最大類間方差分別為0.628 8、5.724 5和5.835 6，后續(xù)可根據(jù)該值設(shè)定閾值實現(xiàn)有/無氣胸的檢測。

3.3.3 穿透衣物檢測結(jié)果

圖8為穿透衣物時無氣胸、左側(cè)氣胸和雙側(cè)氣胸的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過LDA處理后的結(jié)果。與圖7結(jié)果一致，圖8中2組數(shù)據(jù)間的差別在無氣胸場景下要明顯小于左側(cè)氣胸和雙側(cè)氣胸場景。無氣胸、左側(cè)氣胸、雙側(cè)氣胸場景下計算得到的最大類間方差分別為2.234 2、4.255 0和6.768 2，同樣可以設(shè)定閾值判斷有/無氣胸，從而真正實現(xiàn)了穿透衣物條件下傷情信息的非接觸檢測。

圖7 直接接觸檢測結(jié)果（LDA投影后數(shù)據(jù)的樣本）

圖8 穿透衣物檢測結(jié)果（LDA投影后數(shù)據(jù)的樣本）

4 結(jié)語

本文提出的基于超寬帶生物雷達(dá)的隱匿性傷情檢測方法原理上利用了傷情出現(xiàn)破壞了人體淺表組織結(jié)構(gòu)的左右對稱性，系統(tǒng)上使用了單發(fā)單收天線來測量人體左、右兩側(cè)對稱位置的回波差異，測量上采用了直達(dá)波定位保證使用時左右測量位置的對稱性，算法上設(shè)計了基于LDA的機器學(xué)習(xí)方法來量化回波差異。模擬氣胸檢測實驗表明，該方法初步實現(xiàn)了有/無傷情的檢測，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有體積小、測量方便、可穿透衣物的潛在優(yōu)勢，可為下一步設(shè)計一種低成本、便攜式的非接觸傷情檢測裝備提供可行的思路，從而解決院前急救中顱內(nèi)出血、氣胸等隱匿性傷情的快速檢測問題。以本研究為基礎(chǔ)，下一步的研究主要包括以下方面：（1）優(yōu)化傷情檢測中超寬帶生物雷達(dá)回波的信號處理算法，特別是設(shè)計可靠的閾值判定算法實現(xiàn)有無傷情的自動識別[23]；（2）研究模擬氣胸的定量化檢測，以及顱內(nèi)出血、骨折等其他傷情的檢測；（3）開展生物雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，特別是適合人體傷情檢測的收發(fā)天線設(shè)計以及系統(tǒng)的小型化嵌入式設(shè)計。