人体气胸模型的超宽谱雷达探测研究

张　杨，吕　昊，于　霄，焦　腾，薛慧君，王健琪

人体气胸模型的超宽谱雷达探测研究

张杨，吕昊，于霄，焦腾，薛慧君，王健琪

目的：验证采用超宽谱（ultra wideband，UWB）冲击雷达技术检测气胸的可行性。方法：根据正常成年人的解剖结构，采用在容器中盛装液体并在液体中插入各种厚度空气腔的方式建立不同严重程度的人体气胸模型，采用UWB冲击雷达检测系统对模型进行检测，得到模拟正常胸部组织和气胸组织的UWB检测波形图和伪彩图。结果：从检测波形图和伪彩图可以看出，随着空气腔厚度的增加，信号能量越来越小，模拟正常组织和气胸组织的信号区别明显。结论：采用UWB冲击雷达可以检测区别模拟的正常胸部组织和气胸组织，并可对气胸严重程度进行简单的区分判断，该研究对后续便携式气胸快速诊断UWB雷达研发有重要意义。

超宽谱；雷达；气胸模型；检测

0　引言

气胸是呼吸科急诊常见的疾病，几乎所有的肺部疾病以及外力都可能导致气胸。有些特殊类型的气胸，如张力性气胸，若不能早期发现，则往往会贻误最佳治疗时机，其病死率极高。因此尽早发现气胸，及时采取正确的治疗方法才能最大限度地治愈气胸。

目前，临床上用来诊断气胸的传统方法是X线胸片、CT和超声[1-4]。X线胸片是气胸常用的诊断手段，患者必须要接受X线照射，且其分辨能力不高[5]。超声检查方便、快捷，但需要结合医生对超声影像的主观判断，主观性较强[6]。CT是气胸诊断的金标准，但CT机体积大、不便携，需要搬运患者才能完成检测[7]。因此以上3种方式均不适用于战场、灾害现场等突发情况下的伤员快速、准确气胸检测，迫切需要一种新的便携式气胸快速检测技术。有研究小组采用超宽谱（ultra wideband，UWB）雷达技术对张力性气胸进行了检测研究，取得了一定的效果，显示出便携式UWB技术在这一领域的潜力[8-10]。

本文基于这一原理，根据正常成年人的解剖结构和组织介电常数，建立了人体胸部空气腔模型，采用UWB冲击雷达对不同厚度的空气腔进行了检测实验，对实验结果进行了分析，验证了采用UWB冲击雷达技术进行气胸快速检测的可行性。

1　检测原理

当UWB雷达信号穿过组织时，信号幅度以因子eαz指数衰减，其中α是组织的衰减常数，z代表距离。当信号到达介电性质不同的2种组织界面时，一部分信号透过界面继续向前传播，另一部分信号被反射回去。透射信号和反射信号分别由式（1）和（2）给出：

式中，Ei是入射波，τ是透射系数，Γ是反射系数。透射系数和反射系数分别由式（3）和（4）给出：

式中，εr1和εr2是2种组织的相对介电常数，这样通过反射回来的UWB信号，雷达就能确定组织分界处的情况是否发生了变化。根据这一原理，我们建立了模拟气胸发生时的胸部组织分界模型。

2　实验方法

2.1模型建立

首先建立人体胸部简易模型，模型为长方体敞口容器，通过在容器中盛装介电常数与胸部主要组织介电常数相近的溶液来模拟正常胸部组织，另制作厚度不一的密闭长方体空气腔薄片若干，通过将空气腔薄片插入液体中来模拟不同厚度的气胸。再采用UWB冲击雷达对人体胸部空气腔模型进行探测实验，以验证雷达对模拟的正常组织和不同厚度空气腔的检测能力。

建立的人体胸部简易模型如图1所示，根据正常成年人的解剖结构，胸部模型的宽度为两肱骨头之间的距离，高度为锁骨到肋下缘间沿腋窝线的垂直高度，厚度为前后胸壁之间的距离。通过对正常成年男性以上解剖数据的测量，确定模型的宽度、高度和厚度分别为：34、37和22 cm，如图1（a）所示。图1（b）为空气腔薄片，宽度和高度与胸部模型的尺寸一致，这样空气腔薄片可以紧贴胸部模型的前表面插入液体中来模拟气胸的发生。空气腔薄片一共制作6片，根据1993年英国胸腔学会指南中对气胸气量的划定及判定标准，适当扩展并考虑极限情况，设计薄片中的空气厚度分别为0.5、1、1.5、2、2.5和3 cm共6种。

图1　人体胸部模型

2.2UWB检测系统及检测方法

本文采用的检测系统为单基地时域UWB冲击雷达，其原理框图如图2所示。脉冲发生器产生一定脉冲重复频率（pulse repetition frequency，PRF）的时域脉冲，被送到发射机整形后通过发射天线辐射出去；与此同时，脉冲发生器产生的脉冲被送到延时单元产生距离门；在距离门的触发下，接收机开始工作，对接收到的回波进行采样；采样后的信号经过模拟数字转换器（analog digital converter，ADC）进行高速转换，并通过Wi-Fi发送至计算机进行显示、存储和后处理。

图2UWB雷达原理框图

发射和接收天线为蝶形极化天线。时域高斯脉冲的平均发射功率为5 mW，PRF为250 kHz，脉冲时长为5ns。发射脉冲的中心频率400MHz，带宽200MHz。

人体胸部主要组织有皮肤、皮下组织、血液、心脏、肺等，它们在320 MHz电磁波照射下的介电常数见表1。

表1　人体胸部主要组织的介电常数（320 MHz）

因为胸部组织主要由水、血液及各种体液组成，其平均介电常数为50～80，而本文主要研究UWB雷达对空气-非空气介质分界面的检测能力，具体胸部组织介电常数值的大小并不是我们关注的重点，因此本文采用单一均匀介质水来近似模拟人体胸部组织，水随着温度的升高其相对介电常数为55～87。

将水注入人体胸部空气腔模型，近似模拟正常人体胸部组织，将各种厚度的空气腔薄片插入模型的前表面内侧来模拟不同程度的气胸。采用前面所述的UWB检测系统对人体胸部气胸模型进行探测。UWB雷达正对模型并紧贴模型前表面外侧进行探测，探测时窗设置为20 ns，每次探测时长为10 s。由于模型厚度为22 cm（对应时窗约为2 ns），所以采样回来的数据只需要截取到4 ns（约为60 cm）即可以反映人体胸部模型的内部变化情况以及对模型后面一段距离波形的影响情况。

3　实验结果

UWB雷达对不同厚度空气腔模型的检测结果波形图如图3所示，图3（a）～（f）分别表示空气腔厚度依次从0.5 cm增加到3.0 cm的情况。可以看到从图3（a）～（f），随着空气腔厚度的增加，波形幅值越来越小，第一个波峰的位置越来越后移，这是由于空气厚度增加造成的第一个空气-液体分界面后移所致；另外从图3（a）～（f）每幅图在约1.5 ns处均有一个相位改变，即幅值由负变正，而1.5 ns对应的距离为22.5 cm，与模型厚度吻合，因此该相位改变可能是由于电磁波经过胸部模型后表面的液体-空气分界面所致。

为了对比，我们还探测了纯液体（如图3（g）所示）的情况。纯液体波形图相位变化很大，甚至在1.5 ns处出现了相位由正变负的过程，这与图3（a）～（f）恰好相反。这说明空气腔体的存在对模型探测波形的影响很大，即气胸与正常胸部组织的波形差异大，这也说明采用UWB雷达技术检测识别正常胸部组织和气胸组织的可行性。

UWB雷达对不同厚度空气腔模型的检测伪彩图如图4所示，图4（a）～（f）分别表示空气腔厚度依次从0.5 cm增加到3.0 cm的情况，图4（g）为纯液体。可以看出从图4（a）～（f），随着空气腔厚度的增加，信号总能量越来越小，暖色条纹越来越少，伪彩图总体上由暖色渐变为冷色；从图4（g）可以看出，信号能量很大，与模拟气胸的伪彩图区别明显，这与检测波形图一致。

图3　UWB雷达对不同厚度空气腔及纯液体的检测波形图

图4　UWB雷达对不同厚度空气腔及纯液体的检测伪彩图

4　结论

本文采用UWB冲击雷达对人体胸部空气腔模型进行了检测实验。根据实验结果发现，模型中空气腔体的存在对探测波形的影响很大，即气胸与正常胸部组织的波形差异大，该结果证明了采用UWB冲击雷达对气胸和正常胸部组织检测识别的可行性。在模拟不同厚度气胸的探测实验中，发现随着空气腔厚度的增加，雷达回波幅值变小；且第一个波峰的位置越来越后移，分析可知这是由于空气厚度增加造成的第一个空气-液体分界面后移所致；而UWB冲击雷达回波可以检测出这种分界面位置的变化，因此可利用该特性研制气胸检测UWB冲击雷达。在后续工作中，我们还计划进行气胸实验动物和气胸

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）患者的UWB冲击雷达检测实验，进一步验证UWB冲击雷达技术应用于生命体气胸检测的可行性。

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（收稿：2015-02-03修回：2015-05-17）

Research of human pneumothorax model detection using ultra wideband radar

ZHANG Yang,LYU Hao,YU Xiao,JIAO Teng,XUE Hui-jun,WANG Jian-qi
（School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China）

Objective To prove the feasibility of ultra wideband impulse radar for detecting human pneumothorax.Methods Simulated human pneumothorax models were built according to normal human structure with some liquid and airfilled cavities with different thickness in a container,which were measured with ultra wideband impulse radar system,and then the obtained waveform and pseudo color results were analyzed.Results It's proved that the signal energy decreased as the airfilled cavity thickness increased and there was significant difference between the signals of simulated normal and pneumothorax tissues.Conclusion It's found ultra wideband impulse radar can be used to distinguish between normal breast tissues and pneumothorax ones and to define the severity of pneumothorax preliminarily,and the finding is of great significance for the development of portable ultra wideband radar for pneumothorax rapid diagnosis.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（10）：11-13，70]

ultra wideband;radar;pneumothorax model;detection

[中国图书资料分类号]R318；R44A

1003-8868（2015）10-0011-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.10.011

后勤科研课题（CWS12J019）；国家重大科研仪器设备研制专项（61327805）

张杨（1978—），男，博士，副教授，主要从事非接触生物医学信号检测方面的研究工作，E-mail：yangzhang@fmmu.edu.cn。

710032西安，第四军医大学生物医学工程学院（张杨，吕昊，于霄，焦腾，薛慧君，王健琪）

王健琪，E-mail：wangjq@fmmu.edu.cn