陳培昕，李怡勇，米永巍

廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，湖北 武漢 430070

線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)在生命參數(shù)檢測中的應(yīng)用可行性研究

陳培昕，李怡勇，米永巍

廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，湖北 武漢 430070

應(yīng)用線性調(diào)頻連續(xù)波（LFMCW）雷達(dá)對人體目標(biāo)進(jìn)行檢測，從而獲取人體生命參數(shù)信息，并通過計算機仿真技術(shù)對實驗方案進(jìn)行指導(dǎo)。通過對仿真結(jié)果的分析，展望了線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)在生命參數(shù)檢測方面的應(yīng)用前景。

雷達(dá)；線性調(diào)頻連續(xù)波；雷達(dá)生命檢測系統(tǒng)；生命參數(shù)檢測

LFMCW（線性調(diào)頻連續(xù)波）雷達(dá)生命檢測系統(tǒng)[1-2]通過對人體目標(biāo)的雷達(dá)回波信號進(jìn)行分析，可以測得距離信息，從而檢測人體胸壁微小運動；還可以獲取心率、呼吸等參數(shù)。這種檢測技術(shù)可實現(xiàn)不接觸被測對象而進(jìn)行測量，避免了測試手段對被測對象不同程度的影響[3-4]。

1 LFMCW雷達(dá)檢測原理

圖1 LFMCW雷達(dá)生命檢測系統(tǒng)原理框圖

LFMCW雷達(dá)生命檢測系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。電磁波照射人體后，其反射波中必然加載人體的生理信息。人體微動與回波幅度、相位等之間具有相關(guān)性，而人體生理運動（如心跳、呼吸）會引起人體表面微動。發(fā)射信號與接收信號混頻后得到一反映了目標(biāo)距離和人體生命特征的調(diào)相信號。對該信號進(jìn)行濾波、檢波等處理，就可以得到人體的生命信息。

理想線性調(diào)頻信號的頻率為[5]：發(fā)射信號可描述為：

其中θ0為初相?；夭ㄐ盘柺前l(fā)射信號的延遲，并由于人體微動而引起信號的相位變化，設(shè)此變化為θ(t)，即

人體正常生理變化如呼吸、心跳都將會引起人體胸壁的顫動，這反映在回波信號中就是瞬時相位隨時間的變化。對低頻窄帶準(zhǔn)周期微弱信號θ(t)分析，可以得到一些具有臨床價值的生理參數(shù)。

人體目標(biāo)的調(diào)相回波信號形式為：

表1 單目標(biāo)時的測距結(jié)果

2 計算機仿真分析

仿真分析中，LFMCW雷達(dá)的工作波長為8mm，發(fā)射信號調(diào)頻帶寬為200MHz，調(diào)頻周期為0.02ms，最大作用距離為3km，理論距離分辨力為0.75m，c為光速。設(shè)定人體的微動頻率為60Hz, 微動變化為

2.1 目標(biāo)測距

設(shè)定距離范圍為5.00～12.00m，目標(biāo)間最小距離間隔為5cm，距離分辨力為0.15m，目標(biāo)為單目標(biāo)時的測距結(jié)果見表1。

圖2 頻域測距的良好抗噪性能

在回波信號中加入隨機高斯白噪聲后進(jìn)行實驗，由圖2可以發(fā)現(xiàn)噪聲在時域內(nèi)對信號的影響比較明顯，但在頻域中其影響只是在原信號的頻譜上疊加了一個分布分散的基底，這對于進(jìn)行目標(biāo)識別及目標(biāo)測距是沒有影響的，因此，在信噪比一定的情況下，頻域測距比時域測距有更強的抗噪性能。

2.2 生命信號的檢測

人體目標(biāo)的回波信號是一調(diào)相信號，人體微動變化以調(diào)相波的形式調(diào)制到雷達(dá)信號上，根據(jù)調(diào)制解調(diào)理論，在獲得人體目標(biāo)回波后進(jìn)行檢波，可以得到人體生命信息。圖3所示為檢測到的生命參數(shù)信號。

圖3 生命信號的檢測

3 實驗結(jié)果

利用現(xiàn)有的雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行不同目標(biāo)實驗。所采用的調(diào)頻電壓如圖4所示：T=0.02ms，產(chǎn)生一個起始頻率為35GHz，調(diào)頻帶寬為207MHz，調(diào)頻周期為0.02ms的線性調(diào)頻雷達(dá)信號。以木質(zhì)音箱模擬人體目標(biāo)，用雷達(dá)對其進(jìn)行照射，記錄該目標(biāo)在不同距離處(分別是2m、4m、8m)得到的中頻信號，如圖5所示。

圖4 調(diào)頻電壓信號

回波信號混頻得到的波形、對不同距離處的信號進(jìn)行FFT分析（FFT點數(shù)相同），結(jié)果如圖5所示。分析實驗結(jié)果，可以得出結(jié)論：目標(biāo)的距離與回波信號的頻率之間存在著某種對應(yīng)關(guān)系，這證明采用調(diào)頻連續(xù)波可以得到目標(biāo)的距離參數(shù)。

為驗證信號檢測技術(shù)，以木質(zhì)音箱模擬人體目標(biāo)，以揚聲器的震動模擬人體胸壁的運動，以0.2Hz、2Hz的正弦波為振蕩源信號，分別在距離雷達(dá)2m和4m處進(jìn)行實驗。實驗過程中保持雷達(dá)發(fā)射功率不變，正弦信號幅值不變。檢測得到的信號波形如圖6、7所示。

檢測得到的波形基本反映了目標(biāo)的微動規(guī)律，但距離越遠(yuǎn)噪聲影響越大，會使信號失真甚至淹沒被檢測信號，對檢測非常不利。該實驗結(jié)果表明在一定的信噪比條件下，可以有效地檢測到有關(guān)人體生理活動的信息，證明該技術(shù)可實現(xiàn)性，檢測結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖5 不同距離(2m、4m、8m)目標(biāo)的測距結(jié)果

圖6 2m處得到的信號檢測結(jié)果

圖7 4m處得到的信號檢測結(jié)果

仍采用前面的實驗系統(tǒng)，以健康男性青年為測試對象，以期實現(xiàn)其生命信號的檢測。實驗中得到的微動信號與引起胸壁運動的心跳、呼吸運動具有一定的相關(guān)性。對回波信號進(jìn)行FFT分析，結(jié)果如圖8所示；分別記錄了人體自由呼吸和屏住呼吸時得到的不同結(jié)果，如圖9、10所示（目標(biāo)距離為3m）：

圖8 人體目標(biāo)測距分析

圖9 自由呼吸時的人體微動信號

圖10 屏住呼吸時的人體微動信號

對比兩種情況下的實驗結(jié)果：自由呼吸時，第一路信號與人體的呼吸波形大致相同，第二路信號反映了人體心跳和呼吸等引起的胸壁運動。屏住呼吸時由于呼吸動作的停止，第一路信號近似是一條平坦曲線，而第二路信號與人體的心動變化曲線大致相同。這也體現(xiàn)了該技術(shù)的臨床應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

本文從理論和實驗兩方面證明了線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)用于人體生命參數(shù)檢測的可行性和可實現(xiàn)性，分析了該技術(shù)的臨床應(yīng)用價值。本文所提出的人體檢測技術(shù)，為設(shè)計LFMCW雷達(dá)的人體檢測系統(tǒng)提供了依據(jù)，對深入研究LFMCW雷達(dá)在人體檢測領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

該技術(shù)對被測量對象無任何約束，無需接觸性電極、傳感器、電纜等的連接，而且可以隔一定的距離、一定的介質(zhì)（如衣服、紗布等）進(jìn)行監(jiān)測，因此不僅在臨床醫(yī)學(xué)上有重要的應(yīng)用價值，在急救醫(yī)學(xué)、災(zāi)難醫(yī)學(xué)、家庭醫(yī)學(xué)領(lǐng)域同樣具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 王健琪.呼吸、心率的雷達(dá)式非接觸檢測系統(tǒng)設(shè)計與研究[J].中國醫(yī)療器械雜志,2001,25(3):132-135.

[2] 陳宇杰,王健琪,路國華.雷達(dá)式生命探測儀中強雜波對消技術(shù)的方針研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2005,(11):19-21.

[3] Hsueh-Jyh,Gen-Tay Huang. Image of Objects Buried in a Finite-Sized Dielectric Background[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1994, 32(6): 1133-1138.

[4] M Miyakawa. Tomographic measurement of temperature change in phantoms of the human body by chirp radar-type microwave computed tomograph[J]. Med-Biol-Eng-Comput,1993, 31(8): 31-36.

[5] 丁鷺飛,耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1997.

[6] 陳祝明,丁義元,向敬成.提高線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測距精度的最大值估值算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),1999,21(6): 23-25.

[7] 陳祝明,丁義元,向敬成.線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的噪聲性能分析[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,1999,28(1):17-20.

[8] 熊昕,等.動態(tài)心電信號干擾的識別研究[J].中國醫(yī)療設(shè)備, 2010,25(3):34-36.

[9] 路國華,王健琪.生物雷達(dá)技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].國外醫(yī)學(xué)(生物醫(yī)學(xué)工程分冊),2004,(6):87-90.

Application of LFMCW Radar to Life-Parameters Detection

CHEN Pei-xin, LI Yi-yong, MI Yong-wei
Medical Engineering Department, Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Region,Wuhan 430070,China

We acquire life-parameters by the application of LFMCW radar on human under the guidance of computer simulation technology. We analyze the application prospect by the results of the experiment.

Radar; linear frequency modulated continuous wave; radar life detection system; lifeparameters test

R319

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.05.018

1674-1633(2011)05-0069-03

2010-11-10

2011-02-23

本文作者：陳培昕，主管技師，主要從事醫(yī)療儀器的維修和開發(fā)。

作者郵箱：fmmucpx@sohu.com