搜救生物雷达生命体征监测的PDA实现

安 强，吕 昊，李 钊，焦 腾，荆西京，王健琪

搜救生物雷达生命体征监测的PDA实现

安 强，吕 昊，李 钊，焦 腾，荆西京，王健琪

目的：将无线局域网（wireless local area networks，WLAN）技术应用于搜救生物雷达中，实现对被压埋人员生命体征的手持式实时监测。方法：使用C#语言，基于Pocket PC平台，应用套接字（Socket）网络编程方法、多线程编程技术和图形设备接口（graphics device interface plus，GDI+）技术实现生物雷达探测呼吸波形在个人数字助手（personal digitalassistant，PDA）上的实时动态显示。结果：该系统实现了基于PDA的压埋人员微弱生命体征的实时监测，可为救援人员提供动态、翔实的生命特征，以便科学施救。结论：该系统可以克服以往探测过程中只能给出有无目标而不能对目标生理状态进行监测的缺点，为搜救人员制订救援方案提供参考。

生物雷达；实时监测；网络编程

0 引言

地震、塌方等灾害发生后，对幸存人员的搜寻是首要任务。目前，生物雷达技术是生命探测搜寻的主要技术之一，它利用探测人体呼吸等引起的胸壁节律性振动来判断废墟下有无人以及人在哪里[1]。但是，由于现场压埋情况复杂，当发现并定位人体目标后，科学地实施救援就显得十分重要。救援一个幸存人员往往要花费很长时间，而且还可能发生二次伤害，因此，掌握救援过程中被压埋幸存人员的生命体征具有重要意义。

实时监测被压埋人员的呼吸特征是掌握其生命体征的有效方法[2]。以往用于探测的搜救生物雷达只能在终端个人数字助手（personal digital assistant，PDA）上给出废墟下有无幸存人员以及压埋深度等信息[3]，没有生命体征的实时监测功能。本文在此基础上提出基于PDA的生命体征实时监测方法。首先，通过雷达前端数据处理单元对采集的回波数据进行信号处理分析[4]，再将计算出的呼吸幅值和频率通过无线网络发送到终端PDA上，最后PDA调用标准呼吸波形，并根据接收到的呼吸参数实时绘制出被压埋幸存人员的动态呼吸波形，为搜救人员制订救援方案提供参考。

1 生命体征分析

1.1 被压埋人员生命体征分析

通常，我们通过搜救生物雷达得到的与被压埋人员生命体征相关的生理参数只有呼吸和心跳。在压埋等复杂环境下，雷达探测到的呼吸和心跳信号都会减弱。其中，心跳信号减弱更为明显。一方面，电磁波信号在传播过程中，穿透废墟造成衰减，电磁波能量迅速减小，使得接收到的包含人体生理信息的回波信号变得更加微弱。另一方面，相比起呼吸信号，心跳信号自身更加微弱，一般比呼吸信号幅值小一个数值量级，且易受呼吸谐波、环境噪声的干扰，使得心跳信号获取难度增大[5]。因此，为了在实际的地震救援行动中准确地指导救援行动，我们选取能量相对较强且容易获取的呼吸信号作为被压埋人员生命体征实时监测的一个参考依据。

呼吸作为维持人体正常新陈代谢和功能活动所必需的生理过程，由于个体之间的差异，不同的人呼吸信号的幅值和频率表现出差异性，即使是同一个人，由于环境因素的影响，呼吸的频率和幅值也会发生变化。但是呼吸信号是一个准周期信号，当人体情绪平稳时，呼吸的频率基本维持在一个稳定的范围内。

1.2 人体呼吸建模

频率和幅值作为呼吸最重要的2个参数，在压埋环境中，它们的变化情况直接反映了人体的生理状态。通常情况下，正常人体的呼吸次数为18～23次/min，呼吸急促时能达到60次/min，呼吸造成的胸腔起伏为厘米级。由于实际中得到的呼吸信号较为复杂，在生命探测领域，为了简化分析，但同时又不至于使呼吸波形发生失真，我们将人体的呼吸运动用2个正弦振荡函数来表示：

本文中，我们使用PowerLab数据采集分析系统，利用呼吸绑带采集得到的实际呼吸波形来进行呼吸仿真，构建标准呼吸波形数据库，实验对象为一位26岁健康成年男性。实测呼吸波形如图1所示。

图1 呼吸绑带实测呼吸波形

由图1可以看出，通过呼吸绑带得到的人体呼吸波形呈现出周期性的规律变化，且在一个周期中有2个极大值和1个极小值。我们根据此实测波形，在单个周期波形上选取能反映波形变化的特征点，利用matlab自带的曲线拟合工具箱CFtool，根据呼吸正弦模型进行曲线拟合[6]，最后得到单周期人体标准呼吸波形（如图2所示）。

图2 单周期人体标准呼吸波形

从图2得到的单周期标准呼吸波形中，我们提取反映波形变化的特征点存入数组构建标准呼吸波形数据库，供PDA绘制实时呼吸波形图调用。

2 PDA呼吸监测系统的实现

2.1 开发平台

本系统采用的PDA是Trimble公司的Juno SB，它搭载微软针对移动终端的WindowsMobile操作系统，内置无线局域网（wireless local area networks，WLAN）技术，相比于课题组前期终端PDA所用的蓝牙技术，传输速度和传输距离都有了很大提高，而且在信号较弱或有干扰的情况下可以自动调整带宽，能有效保障网络的稳定性和数据传输的可靠性。加之其轻巧便携、工作温度广和续航能力强等特性，可很好地满足地震搜救任务的要求。

软件开发平台采用Visual Studio 2008，用C#语言进行PocketPC应用程序开发。C#语言是一种简洁、类型安全的面向对象的语言，开发人员可利用它构建在.NETCompact Framework上运行安全可靠的应用程序，而且C#语言提供了很强的网络编程功能，通过对套接字（Socket）的托管来实现网络通信。

2.2 WLAN网络通信

本文中网络通信的目的是将雷达前端数字信号处理器（digital signalprocessing，DSP）计算出的呼吸幅值和频率通过无线网络发送到PDA上，用来控制终端PDA呼吸波形的绘制，我们使用面向连接的、可靠的传输控制协议（transmission control protocol，TCP）来实现呼吸幅值和频率的传输[7]。

在网络的七层协议中，我们编写的网络应用程序位于应用层，而TCP属于传输层的协议，在应用层使用传输层的服务，是通过Socket来实现的，可以形象地理解为传输层为应用层开了一个小口。应用程序通过这个小口向远程发送数据，或者接收远程发来的数据。

2.2.1 Socket基础

Socket套接字主要用于网络通信编程，应用程序通过套接字向网络发出请求或者应答网络请求。跟Socket相关的最重要的2个参数是：连接至远程的本地的端口信息（本机IP地址和端口号），连接到远程的端口信息（远程IP地址和端口号）。由于不同的端口对应于不同的服务进程，所以，可以将Socket看作不同主机间的进程进行双向通信的端点，进程之间的通信就是通过它来完成的[8]。

套接字的工作过程可以简单地理解为：服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定（bind），对端口进行监听（listen），调用accept阻塞，等待客户端链接。在这时如果有个客户端初始化了一个Socket，然后链接服务器（connect），若链接成功，客户端与服务器端的链接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收并处理请求，然后把回应数据发给客户端，客户端读取数据，最后关闭链接，一次交互结束。而服务器端的套接字继续处于监听状态，继续等待接收客户端套接字的下一次链接请求。

2.2.2 C#网络通信的实现

C#的主要网络功能由System.Net和System.Net. Sockets2个命名空间来提供。Socket是由命名空间System.Net.Sockets中的Socket类实现的，该类对套接字的编程进行了封装，使我们能够更加方便地使用[9]。本文中所涉及的网络通信的流程如图3所示。

图3 Socket网络通信流程图

首先，雷达前端创建Socket对象的实例，创建完成后绑定到雷达前端无线AP的网络终结点。然后，开启指定端口的侦听。在PDA客户端程序中同样实例化一个Socket对象，并尝试链接。当链接成功后，雷达前端使用Socket的Send方法发送DSP计算出来的呼吸幅值和频率到PDA，客户端程序接收这2个值并保存到2个数组中供以后画图时控制呼吸的幅值和频率。为了更加直观地理解这一过程，我们编写了一个服务器端软件来仿真实现雷达前端发送呼吸参数的功能，如图4所示。我们可以实时改变呼吸的幅值和频率值来模拟真实的被压埋人员呼吸参数变化的特性。

图4 呼吸参数发送的仿真界面

2.3 基于图形设备接口（graphics device interface plus，GDI+）的呼吸监测实现

由前面的分析，我们得到了单周期的标准呼吸波形数据和通过DSP计算得到的呼吸幅值和频率。在此基础上，接下来我们实现基于GDI+的呼吸波形的动态实时绘制[10]。

2.3.1 GDI+简介

GDI+提供了各种丰富的图形图像处理功能。在C#.Net中，使用GDI+处理二维（2D）的图形和图像。图形及图像处理用到的主要命名空间是System. Drawing，它提供了对GDI+基本图形功能的访问，主要有Graphics类、Bitmap类、Font类、Image类、Pen类和Color类等。

2.3.2 呼吸波形的绘制

在终端PDA上实现呼吸波形的绘制，思路大致是：首先，绘制背景坐标网格图，加载入图片框中。然后，将其作为Graphics.From Image()函数的传入参数创建绘图对象；接着，调用存放单周期标准呼吸波形数据的数组中的点来绘图。为了实现呼吸波形的动态绘制效果，我们定义一个定时器（timer）。第一次进入定时器服务程序时，我们从呼吸波形数组中取前2个点，用Graphics类的drawline()函数将其连接起来，等待下一次定时器触发。第二次进入定时器服务程序时，我们先重新将背景坐标网格图加载入图片框，然后取呼吸波形数组的前3个点绘图，如此依次类推。由于定时时间为100ms，图片的刷新时间小于人眼的反应时间，造成的效果就是呼吸波形动态地绘制出来，最终绘制出来的呼吸波形如图5所示。

图5 动态呼吸波形

实现了呼吸波形的动态绘制后，接着我们来实现对呼吸波形幅值和频率的控制。从雷达前端接收到的呼吸参数有2个，即幅值和频率。对幅值的控制比较简单，在从标准呼吸波形数据数组中取出波形点后，给每个点乘以幅值参数再绘图即可实现对幅值的控制。而对频率的控制我们是通过控制两相邻波形点对应横轴像素点的间隔来实现的。频率高时对应像素点间隔小，频率降低，像素点间隔变大。图6即为幅值和频率改变时画出的呼吸波形。

图6 幅值和频率变化时的呼吸波形

3 实验结果

实验中，我们通过站立在单砖墙后面的人体不同的呼吸深度来模拟被压埋人员生理状态的变化。实验采用课题组前期研制的400MHz超宽带生物雷达进行实验，雷达紧贴12 cm厚单砖墙，目标人体位于砖墙后4.5m处平静呼吸。在系统测试中，PDA可实时接收雷达前端发来的数据，我们使用某一时刻DSP计算得到的呼吸幅值和频率绘制出呼吸波形如图7所示。

此时呼吸幅值为0.7 V，每分钟呼吸次数为14次。实验条件不变，当人体目标加深呼吸时，PDA监测得到的呼吸波形如图8所示。此时呼吸幅值为0.9 V，每分钟呼吸次数为11次。

图7 平静呼吸时PDA监测得到的呼吸波形

图8 深呼吸时PDA监测得到的呼吸波形

由实验结果可以得出，人体生理状况的变化可以通过PDA端波形的变化实时直观地反映出来。

4 结论

本文首先对地震被压埋人员的生命体征进行了分析，并给出了基于matlab软件仿真的人体呼吸信号模型。在此基础上，应用Socket网络编程技术将雷达前端DSP计算得到的呼吸参数发送给终端PDA，然后利用GDI+绘图技术在PDA上实现对被压埋人员呼吸波形的实时监测。

在实际的救援行动中，通过本文给出的系统对被压埋人员的生命体征进行监测，可以得到反映他们生理状态的实时资料，克服以往探测过程中只能给出有无目标而不能对目标生理状态进行监测的缺点。利用得到的实时生理信息，就可为救援人员制订救援方案提供指导意见，从而科学施救、节约时间、挽救生命。

[1]张杨.生物雷达技术的研究现状与新进展[J].信息化研究，2010，36（10）：6-10.

[2]刘永星.基于超宽谱生物雷达微弱生命信号的非接触监测系统[J].医疗卫生装备，20011，32（5）：19-20.

[3]于丹洋.PDA在雷达生命探测仪中的应用研究[J].医疗卫生装备，2007，28（9）：87-88.

[4]李岩峰.基于TMS320C6713的生物雷达信息处理与控制系统的研制[J].医疗卫生装备，2008，29（10）：27-29.

[5]潘水阳.冲激超宽带雷达生命信号提取的新方法[J].微波学报，2010，26（6）：36-41.

[6]董红玉.基于MATLAB软件心跳呼吸模型的仿真设计[J].电子元器件应用，2011，13（4）：45-46.

[7]李萍.基于TCP/IP协议的PDA和主机之间的无线通信[J].通信技术，2009，42（1）：161-162，168.

[8]梅晓冬.Visual C#网络编程技术与实践[M].北京：清华大学出版社，2008：9-25.

[9]赵晓静.用C#实现套接字通信[J].通信技术，2008，41（12）：168-169.

[10]内格尔.C#高级编程[M].北京：清华大学出版社，2008：987-1 035.

（收稿：2013-12-24 修回：2014-01-26）

《医疗卫生装备》杂志“质控与安全”栏目征稿

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Implementation of vital signsmonitoring via life-rescue bio-radar based on PDA

AN Qiang,LYU Hao,LIZhao,JIAO Teng,JING Xi-jing,WANG Jian-qi
（School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Midical University,Xi'an 710032,China）

Objective To apply wireless local area network (WLAN)technology to life-rescuing radar to realize real-time monitoring of vital signs of trapped survivors.Methods C#language,Pocket PC platform,Socket network programming method,multithreading programming technique and graphics device interface plus(GDI+)were combined to implement the real-time dynamic display of respiratory waveform detected by bio-radar on a PDA.Results The real-timemonitoring of vital signs of buried personnel based on PDA was realized,which provided dynamic,detailed and reliable physiological information for the rescue staffs to make the rescue plan and perform effective rescue.Conclusion The system can provide real-time physiological information of trapped survivors for rescue,and thus can effectively guide disaster relief.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（7）：1-4]

bio-radar;real-timemonitoring;network-based programming

R318；P412.25

A

1003-8868（2014）07-0001-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.07.001

国家自然科学基金青年项目（61201382）

安 强（1990—），男，硕士研究生，研究方向为生物雷达实时监测，E-mail：teselor@gmail.com。

710032西安，第四军医大学生物医学工程学院（安 强，吕昊，李 钊，焦 腾，荆西京，王健琪）

王健琪，E-mail：wangjq@fmmu.edu.cn