薛慧君，王鹏飞，焦 腾，安 强，梁福来，张 杨，王健琪，吕 昊

（空军军医大学军事生物医学工程学系医学电子学教研室，西安710032）

0 引言

院前急救是指急、危、重症伤病员进入医院前的医疗救护，其时效对于降低伤病员的伤残率和死亡率具有非常重要的意义[1-3]。然而在这一过程中，受人员、时间和条件限制，往往单凭伤病员的症状和体征无法及时发现和正确诊断张力性气胸、颅内出血等某些隐匿伤情，从而延误诊治并造成伤病员伤亡[2-3]。以张力性气胸这种可导致严重呼吸和循环功能障碍的肺科急症为例，美军统计表明其造成高达4%的战场伤亡[4]。在临床上，常规的气胸诊断方法为X射线、CT和超声成像：其中，X射线使用最多，但不少研究报道了这种方法的低敏感度，如Alrajhi等[5]指出X射线胸片诊断气胸的敏感度仅为50.2%（95%的置信区间为43.5~57.0）；与X射线相比，CT是气胸诊断的“金标准”，但是费效比较低且设备体积、质量较大，并且与X射线一样存在电离辐射；与X射线和CT相比，超声成像提供了一种可有效兼顾准确性和成本、体积、安全的手段，但其有效性高度依赖于超声医生的专业熟练程度，并且使用时需要直接接触人体皮肤并涂抹耦合剂。此外，还有脑卒中、外伤等引起的颅内出血，其临床诊断通常也需要借助CT等大型医疗设备，受体积、质量、成本等综合限制，这些设备同样难以用于院前急救。因此，亟须研发一种可用于院前急救的低成本、便携式设备，对可能致命的隐匿性伤情进行快速检测和筛查。

生物雷达是一种主要以人体为探测对象的新概念雷达技术，它以低功率电磁波为探测媒介，可穿透废墟、墙壁、衣物、人体组织等非金属介质，感知人体的呼吸、心跳、体动、图像等信息，已广泛应用于军事、公共安全、应急救援等领域[6-8]。与X射线、CT相比，生物雷达不存在电离辐射问题，且具有非接触、低成本和可便携的特点，是一种非常具有潜力的隐匿性伤情检测手段，近年来已有大量文献报道了基于该技术的乳腺肿瘤、颅内出血和气胸检测方法研究[9-19]。从信号处理的角度来看，这些方法可大致分为2类：一类是模型驱动方法，即基于电磁场散射逆问题求解对人体内部组织进行成像检测；另一类是数据驱动方法，即通过定量的生物雷达回波数据样本来发现异常伤情信息。其中，第一类方法占多数且主要用于乳腺肿瘤的成像检测[9-11]，但现阶段面临着在微波频段如何兼顾组织穿透能力和成像分辨力的难题，并且成像需要复杂的天线阵列和算法，有可能导致形成的设备难以满足院前急救的便携化需求[9-10]。与之相比，第二类方法的文献数量较少且主要关注颅内出血和气胸检测。如瑞典查默斯理工大学设计了一种具有可穿戴天线阵列的生物雷达系统，并使用了机器学习方法来检测颅内出血和气胸[12-14]，但该系统同样基于天线阵列且在使用时需要进行精确的同步、校正[13-14]。美国肺声公司研发了一种可用于气胸快速、实时检测的便携式设备[15-16]，使用了带宽500 MHz~6 GHz的冲激脉冲体制超宽带雷达，通过测量人体胸部8个位置（左右各4个）的回波来实现气胸的检测和定位（左侧、右侧、双侧气胸）。根据已开展的临床实验，该系统检测敏感度最高可达100%，但最近一次实验中报道的伪阳性率高达65%[16]，同时该系统需要精确定位和测量人体胸部的多个位置，并且天线需直接接触实验对象裸露的胸部，给实际使用也带来了较大不便。此外，希腊帕特雷大学、中国东华大学、第四军医大学等也开展了颅内出血、气胸等伤情的生物雷达检测实验，均偏重基础性的探索研究[17-19]。针对上述问题，本文提出了一种基于生物雷达的隐匿性伤情检测方法。

1 生物雷达系统

本文采用的生物雷达系统为冲激脉冲超宽带体制，由雷达主机和收发天线2个部分组成，其原理框图和实物图如图1所示。雷达主机中的脉冲发生器产生一定重复频率的冲激脉冲，送到发射机整形后通过收发天线辐射出去；同时脉冲发生器产生的脉冲被送到时序逻辑单元，并在控制单元的控制下产生延迟时间可控制的距离门，用于触发接收机对回波信号进行采样，进而根据电磁波传播速度计算出目标相对于雷达的径向距离；采样后的回波信号经模拟数字转换器（analog digital converter，ADC）高速采集后送至人机交互单元进行显示和存储，人机交互单元设置系统探测起始距离为-11 ns（不具备意义），时窗为7 ns，对应自由空间最远探测距离为105 cm，采样点数为1 024，扫描速度为64 Hz，增益为33 dB，其中起始距离和时窗共同控制距离门的延迟时间，实现对设定距离范围内的扫描探测。

图1 生物雷达系统

收发天线包括1个发射天线和1个接收天线，均采用蝶形偶极子天线，并且在两天线间进行了共地处理和屏蔽来消除发射接收传输线上的相互干扰，同时对两天线末端进行了电阻加载使其具备良好的介质耦合能力，从而保证电磁波进入体内的辐射效率；天线带宽0.75~2.25 GHz，中心频率1.5 GHz；收发天线与雷达主机间采用柔性电缆进行连接。

2 检测原理与算法设计

2.1 人体左右对称性检测

国内外研究表明[12-14]，考虑到院前急救设备的低成本和便携化需求，生物雷达应采用数据驱动方法来实现隐匿性伤情检测。这种方法虽然避免了复杂的模型和算法问题，但面临着大量数据样本获取的问题。对此，美国肺声公司的研究[15-16]给了本文很好的启示，即正常或健康人体头、胸、四肢等部位组织或器官的浅表解剖结构是左右对称的，而颅内出血、气胸、骨折等伤情的出现会改变这种对称性，因而通过比较测量得到人体左右对称位置的生物雷达回波，给出有/无差异的度量来实现伤情的检测。与此同时，乳腺肿瘤成像检测方面的研究表明[9-11]，人体内部结构差异可引起超宽带生物雷达回波幅度、相位等参数的变化，保证了该设想的可行性。

2.2 基于线性判别分析（linear discriminant analysis，LDA）的检测算法

根据2.1节的分析，设计一种基于数据驱动算法来量化人体左右对称位置测量的生物雷达回波差异是实现上述设想的关键所在，本文采用LDA来解决这一问题。LDA是一种经典的有监督的机器学习方法，按照投影后“类间方差最大且类内方差最小”的原则将样本在低维度上进行投影，从而实现降维和分类。本文采用LDA的原因主要包括：（1）LDA是有监督的机器学习方法，而人体左右对称位置测量的生物雷达回波自带类别标签属性；（2）LDA输出的最大类间方差可以用来度量生物雷达回波的有/无差异；（3）LDA实现简单并在模式识别领域（如人脸识别）有着广泛的应用[20-21]。

本文设计的基于LDA的检测算法流程如图2所示。

图2 基于LDA的检测算法流程

超宽带生物雷达回波数据ri[m，n]包含距离和时间二维信息，其中，i=1，2，表示左、右两侧数据样本的类别标签；m（1≤m≤M，M=1 024，即采样点数）表示探测距离；n（1≤n≤N，N除以扫描速度可换算成时间单位s）表示探测时间。归一化后数据变为

然后对归一化后的数据进行时窗截断，即去掉人体体表反射形成的直达波，由于这部分回波不包含伤情信息，截断后可有效避免其对后续检测产生干扰，截断后数据记为r¯i′[m，n]。接下来对归一化后的数据在距离维度进行离散余弦变换（discrete cosine transform，DCT），将空间域信号转换到频域上进行去相关可得

式中，M'＜＜M。最后的LDA等效于一个二分类问题，按照投影后“类间方差最大且类内方差最小”的原则，找到1组投影系数w使处理后的2组超宽带生物雷达回波数据R1'[m，n]和R2'[m，n]的广义瑞利熵最大化。最大化广义瑞利熵J（w）定义为

式中，Sw为2组数据的类内散度矩阵；Sb为2组数据的类间散度矩阵[20]。使用w对2组数据进行投影变换可得

以上算法均在PC机上通过MATLAB软件处理实现，PC机的基本配置情况为Intel Core i7-6700处理器，3.4 GHz主频，32 GiB内存。

3 气胸体模实验

为验证上述方法的有效性，本文设计了人体气胸体模并开展了实验研究。

3.1 气胸体模的构建

人体电磁体模的构建是一个复杂的开放性问题，目前仍有大量学者对此进行研究[22]。由于本文重点不在于此，因而采用了最简单的液态模型方法。具体方法如图3所示，在一底部直径22 cm、高度33 cm的高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE）桶内倒进1∶5的水∶乙醇混合溶液来模拟人体胸部，同时在一底部直径14 cm、高度23 cm的HDPE桶内倒满1∶20的水∶乙醇混合溶液来模拟人体肺部，并将后者居中放入前者来模拟正常人体，或者在后者表面单侧/双侧粘上气球后放入前者来模拟单侧/双侧气胸（气球不完全充气，直径2~3 cm，粘于桶壁正中且距桶底15 cm处）[14]。

图3 气胸体模制作示意

3.2 实验数据的测量

基于上述气胸体模，本文使用生物雷达系统进行实验数据测量。如图4所示，对于有/无、单侧/双侧、直接接触/穿透衣物等每种场景，先后在体模左侧和右侧对称的位置各采集1组数据，即测量ri[m，n]。

图4 典型的实验数据测量照片

有2个关键地方需要特别说明：一是根据生物雷达系统参数的设置，在人机交互单元可以清晰地看到由于体模表面直接反射形成直达波，这不仅是生物雷达探测范围的实际距离起点，而且能以这部分回波幅度为参照通过微调天线角度和位置来保证左、右两侧测量位置时位置的对称性，避免通过裸露人体胸部来选择测量位置[15-16]，从而真正发挥出生物雷达在伤情检测中的非接触和穿透性特点；二是为了保证每组数据样本量一致以便于验证LDA检测结果，在数据处理时进行了严格的时间截断。

3.3 实验结果及分析

3.3.1 归一化与DCT结果

图5为直接接触时无气胸、左侧气胸和双侧气胸的回波数据经过归一化处理后的结果，为便于观察，显示的是每组数据平均结果，其中图5（a）中还标示出了直达波部分。从图5可以看出，通过微调天线角度和位置可以实现直达波幅度（即正、负2个峰值）的对齐来保证左、右侧测量数据的一致性，进而避免因测量时左、右侧不对称带来的误差。需要说明的是，未来实际形成设备后可以将直达波对齐这一过程编写算法嵌入到超宽带生物雷达系统中，通过输出提示来指导操作人员进行天线的定位，要比本文实验中单纯观察回波波形更加方便和精确。从图5还可以看出，3种场景相比较，无气胸场景下左、右两侧回波数据差别较小，左侧气胸场景下因气球的引入改变了左、右两侧结构的对称性因而呈现出较大的差别，而双侧气胸场景下因两侧气球对结构的改变不一致同样呈现出较大的差别，在此基础上进行DCT提取特征并进行LDA能有效地量化这种差别。

图5 归一化结果

图6为直接接触时无气胸、左侧气胸和双侧气胸的回波数据经过DCT处理后的结果（为便于观察，显示的是每组中的一个样本数据）。从图6可以看出，经过DCT处理后的超宽带生物雷达回波具有很好的能量聚集性，因此在后续LDA处理中可使用前面能量较大的部分作为特征，本文选取了前50个点，即公式（3）中的M'=50。另外，DCT处理明显具有去相关效果，从而保证后续LDA对特征独立性的要求。

图6 DCT结果

3.3.2 直接接触检测结果

图7为直接接触时无气胸、左侧气胸和双侧气胸的回波数据经过LDA处理后的结果，即公式（5）中的Ri′′。从图7可以看出，2组数据间的差别在无气胸场景下要明显小于左侧气胸和双侧气胸场景。无气胸、左侧气胸、双侧气胸计算得到的最大类间方差分别为0.628 8、5.724 5和5.835 6，后续可根据该值设定阈值实现有/无气胸的检测。

3.3.3 穿透衣物检测结果

图8为穿透衣物时无气胸、左侧气胸和双侧气胸的回波数据经过LDA处理后的结果。与图7结果一致，图8中2组数据间的差别在无气胸场景下要明显小于左侧气胸和双侧气胸场景。无气胸、左侧气胸、双侧气胸场景下计算得到的最大类间方差分别为2.234 2、4.255 0和6.768 2，同样可以设定阈值判断有/无气胸，从而真正实现了穿透衣物条件下伤情信息的非接触检测。

图7 直接接触检测结果（LDA投影后数据的样本）

图8 穿透衣物检测结果（LDA投影后数据的样本）

4 结语

本文提出的基于超宽带生物雷达的隐匿性伤情检测方法原理上利用了伤情出现破坏了人体浅表组织结构的左右对称性，系统上使用了单发单收天线来测量人体左、右两侧对称位置的回波差异，测量上采用了直达波定位保证使用时左右测量位置的对称性，算法上设计了基于LDA的机器学习方法来量化回波差异。模拟气胸检测实验表明，该方法初步实现了有/无伤情的检测，与现有技术相比具有体积小、测量方便、可穿透衣物的潜在优势，可为下一步设计一种低成本、便携式的非接触伤情检测装备提供可行的思路，从而解决院前急救中颅内出血、气胸等隐匿性伤情的快速检测问题。以本研究为基础，下一步的研究主要包括以下方面：（1）优化伤情检测中超宽带生物雷达回波的信号处理算法，特别是设计可靠的阈值判定算法实现有无伤情的自动识别[23]；（2）研究模拟气胸的定量化检测，以及颅内出血、骨折等其他伤情的检测；（3）开展生物雷达系统的优化设计，特别是适合人体伤情检测的收发天线设计以及系统的小型化嵌入式设计。