非接触战场伤情探测技术现状与应用展望

张 杨，吕 昊，梁福来，焦 腾，于 霄，李 钊，王健琪

（空军军医大学军事生物医学工程学系，西安 710032）

0 引言

战争或重大灾害事故发生后的第一要务是迅速发现伤员并对其伤情进行检测和评估，这是减少伤亡率的关键。战场伤员中很大一部分是因为受伤后未被及时发现而导致死亡的，因此快速找到伤员并进行伤检分类和正确救治可大大降低伤员死亡率。

战场搜救水平的高低反映出一个国家搜救系统的完善合理程度、搜救装备的性能优劣、搜救人员的素质高低以及各要素互相协调的综合能力[1]。战场搜救的意义主要体现在以下3个方面：（1）战场搜救体现以人为本的思想。人是战争中最重要的因素，是作战系统中的关键环节，任何时候保护作战人员的生命安全都应该是最优先考虑的。只有尽量缩短救援时间，才有可能最大程度上将失事伤员从危险境地中救出来，时间拖得越久，造成的损失就越大。（2）战场搜救是联合作战的重要保障力量。人员的成功救援是一种无形的、从战术层面上升到战略层面的力量倍增器，是提高部队士气、凝聚力和战斗力的关键要素。（3）战场搜救有助于提升国家软实力。动用卫勤力量参与海外救援和公共卫生事务，包括海外撤侨、国外医疗援助等，可以进一步扩大“软实力”。由此可见战场搜救的重要性不言而喻，而战场伤情探测是战场搜救的首要任务和关键一环。

战场伤情探测技术包括伤员搜寻和伤情检测评估2个方面，指战争或重大灾害发生后，第一时间搜索、发现伤员，对伤情进行快速检测评估和分类，以确保其被快速找到并得到正确救治的技术。从接触与否上划分，战场伤情探测技术包括接触式伤情探测技术和非接触式伤情探测技术。接触式伤情探测技术因为需要电极、传感器、探头、导线等接触连接和配置，连接过程烦琐、检测较慢，不适用于复杂多变战场一线环境的快速救治需求。而非接触式伤情探测技术指伤员无需佩戴任何传感器和电极，探测设备间隔一定距离主动发射或被动接收包含伤员位置、伤情等信息的信号，并进行快速检测评估和检伤分类，为后续正确处理、后送提供科学依据的技术。非接触式伤情探测技术具有对探测对象无约束、远距离、检测方便快速等优点[2-3]。非接触探测技术第一次用于战场是在1945年夏美军登陆进攻冲绳岛的战役中，美军利用刚刚装备的红外夜视仪在相隔很远距离的情况下，在黑夜中清楚地了解到日军的人员位置及活动情况等信息，从而为肃清冲绳岛上的日军发挥了重要作用[4]。

由于非接触战场伤情探测技术所具有的优点，该技术可以应用于以下场景：（1）战场火力集中区、雷区、核生化等救援人员不适合进入的危险区域；（2）爆炸等造成建筑、工事倒塌后形成的废墟压埋等救援人员难以接近的区域；（3）城市作战、反恐处突以及因烧伤、传染病等不适合接电极的其他特殊应用场景。

非接触战场伤情探测技术从信号来源上可以划分为基于声学信号、基于光学信号、基于气味信号和基于微波信号等4类伤情探测技术。其中以基于微波信号的检测技术研究最为广泛，其回波中包含的信息也最丰富。下面将分别介绍这4类非接触战场伤情探测技术，并分不同频段重点介绍基于微波信号的非接触伤情探测技术，即生物雷达技术的应用。

1 非接触战场伤情探测技术分类

1.1 基于声学信号的非接触战场伤情探测技术

基于声学信号的非接触战场伤情探测技术可以大致分为2种，一种是音频生命探测搜寻技术，一种是通过声音进行伤情诊断评估的技术。

音频生命探测搜寻技术的典型装备是音频生命探测仪，如图1所示[5]。其学名叫声波/振动探生仪[6]，原理是采用声音、振动传感器在压埋废墟表面进行全方位的振动信息收集，探听伤员微弱的呼救和挣扎信号，以达到非接触无约束探测伤员的目的。它通过多个传感器的分布式探测，根据每个传感器回声强弱对压埋伤员进行大致定位。正常人类的听觉对声波的敏感范围是有限的，而音频生命探测仪，也就是人们俗称的“顺风耳”，则能清晰地听到从1Hz到3000Hz的任何声音，可以做到即使在大街上掉根针，它贴着地面也能听得到。音频生命探测仪的优点是具有穿透废墟的能力，灵敏度较高；缺点是压埋人员必须发出声音，其探测过程易受干扰，探测时需要非常安静的现场环境。

图1 音频生命探测仪[5]

通过声音进行伤情诊断评估的技术目前正处于研究阶段。很多心理或生理上的伤病都会让人的发音变得模糊、声音拉长、说话鼻音加重等，有的可能还会导致声音出现短暂的颤动，然而普通人类的听觉并不能发现这种颤动。这些声纹变化信息为伤病的检测评估提供了可能。有研究人员开始分析伤员大声朗读的剪辑音频，力图开发出一种能提取声音特征的技术，通过对这些特征的提取捕捉，再经过机器学习等算法进行模式识别和匹配，最终给出诊断结果[7]。

1.2 基于光学信号的非接触战场伤情探测技术

光学信号包括可见光、红外线、紫外线等。可见光波长范围为400～750 nm，如果波长从大到小排列的话依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，红光波长最长，紫光波长最短。可见光是目前唯一人类可以用肉眼看得见的电磁波。比可见红光波长长的是红外光，红外线波长范围为750 nm～1 000 μm；比可见紫光波长短的是紫外光，波长范围是10～400 nm。光学信号区域的电磁波既具有光学特性，又具有电子特性，因此其应用十分广泛。

在基于光学信号的非接触伤员搜寻技术方面，主要以可见光和红外线为信号载体来解决因光线无法到达或者能见度不足的问题，如夜间的伤员无约束寻找等，相关设备可分为主动式和被动式。主动式设备自身发出光波等，接收反射波后通过信号处理形成图像从而发现和探测伤员，如红外夜视仪、蛇眼生命探测仪（如图2所示）等[8-10]。被动式设备本身不发射信号，而是利用微弱自然光或者目标本身的红外热辐射成像，如微光夜视仪、热成像仪（如图3所示）[11]等。这些光学伤员搜寻技术的作用距离可从数米至数千米，但是无穿透能力。

图2 蛇眼生命探测仪[8]

图3 热成像仪[11]

在基于光学信号的非接触伤情检测技术方面，有非接触式血氧饱和度仪和红外线体温计等[12-13]。非接触式血氧饱和度仪发射红色可见光和红外光，穿过人体外周部位组织到达与之相对的另一侧的光传感器。该设备利用人体组织含氧血红蛋白对这2种波长的吸收率与不含氧血红蛋白的差别这一性质，可以计算出2种血红蛋白的比例，从而得到伤员的血氧饱和度和脉搏。红外体温计则可以实现非接触对人体温度的测量，最常见的是额温枪，只需将探头在3～5 cm处对准额头，按下测量按钮，几秒钟就可得到体温数据，非常适合急重病伤员、老人、婴幼儿等使用。

1.3 基于气味信号的非接触战场伤情探测技术

在目前战争或灾害发生后的伤员搜索方面，搜救犬仍然是现场搜救行之有效的方法之一。犬对气味的辨别能力比人高出百万倍，除此以外，其听力是人的18倍，且具有在光线微弱条件下视物的能力，是国际上普遍认可的、搜救效果最好的“设备”之一。用搜救犬进行伤员探测的优点是准确性高、灵敏度高，缺点是易受其他气味干扰，且搜救犬本身容易疲劳，连续工作时间较短。

受搜救犬的启发，人们研制出了气味传感器，基于气味传感器开发出来的气体探测设备俗称“电子鼻”[14]。“电子鼻”主要由选择性电化学传感器阵列和相应的识别方法等组成，如图4所示[15]，目前应用最广泛的是金属氧化物型传感器。“电子鼻”的应用场合包括环境监测、产品质量检测（如食品、烟草、发酵产品、香精香料等）、煤气泄漏检测、爆炸物检测等[16-17]。目前有研究人员正试图将“电子鼻”应用于伤员伤情检测[18]，其原理是气味传感器检测到伤员身体发出的特征性气味后，进行气味分类和气味强度检测，再编码传给智能手机等进行后续处理分析，从而查看检测目标是否患上了疾病，可以起到疾病检测、疾病预告和疾病跟踪的作用。“电子鼻”的设计符合中医“望闻问切”中“闻”的思想。

图4 气味传感器（“电子鼻”）[15]

1.4 基于微波信号的非接触战场伤情探测技术

微波指频率在300 MHz～300 GHz之间的电磁波，是电磁波谱中一个有限频带的简称，微波大致可以分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波。基于微波信号的非接触伤情探测代表技术是生物雷达[2]，它可以像雷达一样不接触人体，隔一定距离穿透非金属障碍物（沙土、砖、废墟、混凝土等），探测到静止人体的微弱生命信号，可用于被困在土壤、岩石结构或混凝土建筑物中有自主意识的伤员搜寻和检测，探测距离可达几十米[19]。

雷达式非接触检测技术最早用于研究伤员搜寻，随着技术的发展和实战需求，逐渐转为伤员搜寻加伤情检测。生物雷达主要是通过对目标人员呼吸、心跳等生理信号的非接触检测来实现的。其探测原理如图5所示，生物雷达发射的波长为λ的微波信号经过一定的传播介质到达人体并被人体反射，这时微波发射信号的相位θ（t）被人体呼吸等引起的体表微动x（t）所调制，这样加载了人体呼吸等信号的反射信号被生物雷达接收，解调后就可以提取出人体呼吸、心跳等生理信号。生物雷达技术可以用于穿透废墟对埋压人员的探测定位和伤情检测、非接触临床监护（适用于大面积烧、烫伤和传染患者）、特殊着装（如防弹衣）伤员的生命特征探测、婴儿非接触监护、胎心胎动监测等。

图5 雷达式非接触生命信号探测原理

由于雷达式非接触检测技术具有远距离探测、穿透能力强、无约束、探测灵敏度高等优势，目前已成为非接触伤情探测技术领域的一项主要技术，也是各国研究的重点。

2 生物雷达在非接触战场伤情探测中的应用

生物雷达按照频段高低大致可以分为低频生物雷达、中频生物雷达、高频生物雷达，各生物雷达因频率不同，特性有所差异，因此各自又有不同的应用。

2.1 低频生物雷达

低频生物雷达的频率在几百MHz到几GHz之间，由于频率低所以穿透能力强。低频生物雷达主要用于战争或地震等灾害发生后穿透废墟对压埋伤员进行搜寻、探测和定位，或者用于战场等危险区域探测和发现存活伤员等。有研究人员利用该频段雷达波的强穿透能力以及人体胸部不同组织的回波特性差异研制了超宽谱气胸探测雷达[20]，该雷达体积小、质量轻，可在战场环境下对伤员是否有气胸进行快速非接触检测识别，为伤员正确处理、后送提供指导。低频生物雷达的应用还包括非接触血流、血压检测技术（0.5～5 GHz），该技术主要利用雷达波穿透皮肤等组织到达主动脉血管，对动脉血管的回波进行测量和时频分析，得到血管直径的动态信息，再通过相关计算得到血流、血压等相关信息[21]。

空军军医大学（原第四军医大学）研究人员利用较低频段的超宽谱微波信号研制了多通道搜救雷达达[22-23]，如图6所示。该雷达采用多自由度折叠臂天线阵列技术，可以适应在崎岖的废墟表面从多个角度穿透废墟进行探测，实现多个人体目标的探测定位，在一定程度上解决了目标之间的遮蔽效应问题。

图6 多通道搜救雷达

2.2 中频生物雷达

中频生物雷达指频率在几GHz至十几GHz的生物雷达，主要用于穿墙探测人体呼吸、手势、步态，以及进行躯干成像、运动轨迹跟踪、巷战中的穿墙监测等[24-26]。

田纳西大学的Quaiyum等[27]利用该频段的连续波雷达检测人体微动信号，通过这些微动信号对人体的运动模式进行识别分类，实现了对人体的头、躯干、四肢等17个部位的运动状态识别。这些人体运动状态信息可为伤员伤情检测和判断提供一定的决策依据，例如可以根据人体四肢等的运动情况是否正常来判断人员是否有四肢受伤等伤情。

2.3 高频生物雷达

高频生物雷达指十几GHz至太赫兹频段范围内的雷达式生命探测装备，由于其频率较高，所以这一类生物雷达具有高分辨力，但其穿透力较弱，仅能穿透衣物、木质门和薄砖墙等。

高频生物雷达可用于战场、野外等特殊环境下的人体生命状况监测，例如战斗机失事飞行员弹射落地以后，采用毫米波微型非接触生命参数检测雷达（如图7所示）可以对失事飞行员进行生命体征监测，将飞行员的生命状况、伤情等信息采集传送回搜救指挥中心用于指导救援[2]。

图7 毫米波微型非接触生命参数检测雷达

3 非接触战场伤情探测技术发展展望

除光学、声学、气味、微波信号外，非接触战场伤情探测技术还有更广阔的外延，例如基于磁场、超声、激光、Wi-Fi等信号的伤情探测技术。但是基于这些信号的非接触战场伤情探测技术都处于起步阶段或者还没有相关研究，因此非接触战场伤情探测技术研究领域大有可为，其预期的应用前景十分广泛。

除外延广泛外，多信息融合、多种技术结合也将使非接触战场伤情探测技术的研究发展和应用前景变得十分令人期待。未来非接触战场伤情探测技术的发展方向主要有多信息融合的伤情评估技术和多技术结合的伤情探测评估技术2个方面。

3.1 多信息融合的伤情评估技术

目前，非接触战场伤情探测技术可以采集到多种人体生理或者生命信号。如利用微波技术可以探测到人体呼吸、心跳、体动、步态、手势、心率变异性、呼吸率变异性、血流、血压等信号，利用声学技术可以探测到人体声纹信号，利用光学技术可以探测到光学图像、血氧饱和度、体温信号，利用“电子鼻”技术可以探测到气味信号。如何将多种信号进行综合分析，并最终给出伤员的伤情状况评估是将来需要研究的一个重要方面。

3.2 多技术结合的伤情探测评估技术

随着其他领域各种新技术的发展，非接触战场伤情探测技术将和其他各类新技术相结合，从而具有更广阔的应用前景。

例如非接触伤情探测可以和无人搭载（无人机、机器人等）平台结合，使得非接触伤情探测设备终端可以进入废墟掩埋造成的狭小空间以及火、爆、雷等危险区域和空中进行探测，从而大大扩展其探测范围、增加应用场景、减少搜救人员的危险。非接触战场伤情探测技术还可以与人工智能技术相结合，再加上先进的成像和信号处理算法将进一步推动该技术朝着更加智能、更加精确和性能更加完善的方向发展。结合大数据和云技术，非接触伤情检测数据可以与基于海量云的医学数据进行对比和匹配分析，并结合机器学习技术，对数据进行精确分析和分类，可提高伤情诊断的可靠性。

另外，非接触伤情探测设备终端网络化系统将成为未来的一个重要发展方向。通过北斗卫星通信技术、5G无线通信技术等网络连接[28]，将使该技术能与伤员伤情探测手持终端、各层级远程医疗指挥节点，救护车、船，各种接触式伤情检测设备等连接，形成基于物联网的伤情检测和救援网络（IoMT）。

在生物雷达应用领域，将进一步利用生物雷达技术进行探测、定位和成像技术的研究，使其提供多种类、多层次的信息，包括多目标、时空、生理、行为信息等，从而建立多信息生物雷达。此外，机器学习和人工智能技术将更深入地与生物雷达技术相结合，促进智能生物雷达的诞生，为非接触伤情检测提供更详细和更全面的信息。

4 结语

随着以上技术的发展和各技术的融合，将大大提高非接触战场伤情探测技术的准确性、可靠性、智能化、网络化和系统性。在未来，非接触战场伤情探测技术将与战场搜救其他环节相关技术一起形成集战场伤情探测、评估分类、快速救治、精准指挥、救援物资和力量合理调配等功能于一体的完善的伤员搜、救、治体系，大大提高我军战场伤员搜救水平，有效减少伤员伤亡率。