CN103082995B - 一种基于超宽谱生物雷达的张力性气胸检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超宽谱生物雷达的张力性气胸检测系统，包括脉冲源、控制模块、接收机、超宽带探测天线、数据预处理模块和数据分析模块；脉冲源：采用AvTech公司的AVM-2-C型脉冲源；控制模块：控制模块采用ARM9 2410处理器作为主控单元，产生用于控制脉冲源的外部触发信号，控制脉冲源生成所需的超宽带窄脉冲，超宽带窄脉冲脉宽为0.2ns，幅度为4V；控制模块向接收机发送数据采集信号；首次提出利用超宽谱生物雷达来检测气胸这一科学问题，并以该科学问题为核心，将雷达技术与医学诊断技术相结合，提出建立精确的人体胸部组织的超宽谱电磁模型以及气胸雷达信号检测与特征提取技术方法。

Description

一种基于超宽谱生物雷达的张力性气胸检测系统

技术领域

本发明涉及的是一种基于超宽谱生物雷达的张力性气胸检测系统。

背景技术

气胸特别是张力性气胸(Tension pneumothorax，TPT)多发生在各种灾难现场，是一种危及生命的急症，病情严重，发展迅速，需要紧急处理，如果处理不当或不及时通常导致或加重伤员呼吸、循环等重要脏器生理功能紊乱，直接导致伤员死亡，因此气胸是胸部创伤早期的主要死亡原因之一。在灾难事故中，张力性气胸的发生率高且逐步上升：国外有文献报道，院外诊断为张力性气胸且需穿刺减压的病人比率从0.7％上升到30％，如在伦敦院前急救中，经过医生治疗的外伤病人中有5.4％被确诊是张力性气胸。近年来，全球性自然灾害(地震、洪涝、风暴、公共卫生事件等)和人为灾难(军事行动、恐怖活动、事故灾难等)频发，资料显示，张力性气胸是灾害现场的首要致死因素之一。在战争中，其死亡率占胸部伤死亡率的5％以上，其中70％是由于救护不及时引起的死亡，在越战阵亡的美军，死后用X线检查发现10％死于张力性气胸。

在突发自然灾害和现代战争的伤员救治中，现场早期救治最为关键，80％的遇难人员死亡于伤后1小时内，如果能在伤后尽可能短的时间(1小时)内对伤员进行有效的初级救治，维持其基本生命状态并及时后送，可以显著的降低死亡率和致残率，因此也被称为“黄金1小时”。因而无论平时或战时，张力性气胸在现代创伤中均占有十分重要的地位，是一潜在杀手，危及患者生命，但TPT的诊断非常困难，如果缺少诊断需要的相关胸部体征以及经验丰富的医师指出的体征，即使对于经验丰富的医生来说，在临床上仍容易误诊或漏诊气胸，甚至导致严重的后果。因此，对于TPT的早期、现场诊断就显得尤其重要，早期如何有效诊断和及时处理是关键。

目前临床上用来诊断气胸的传统方法是X胸片、CT、超声等三种。胸片是气胸最常用的诊断手段，但很多研究表明其敏感性和准确度不高，有报道54.8％的胸部外伤患者气胸不能被胸片所诊断。CT检查是气胸诊断的金标准，但也存在一定的缺陷，如存在放射性会对人体造成电磁辐射的危害、需要搬运危重患者以及相对费用较高等原因难以成为常规的检测手段。超声检查可以更加方便、快捷、可靠地诊断气胸，但超声诊断气胸也存在一定的局限性，超声检查结果受检查者的水平影响较大，对于超声影像的判断直接影响结果的准确性。更为重要的是胸片、CT、超声三种传统的检测方式均不适用于灾害救援现场的张力性气胸诊断，迫切需要一种新的检测气胸技术来解决当前医学界面临的这个难题。

超宽带(Ultra Wide Band，UWB)这项原来专属军方的技术随着2002年2月美国联邦通信委员会(FCC)正式批准民用而备受世人关注，在通信和雷达领域取得了飞速的发展，引领着一场技术革命。而微功率冲激雷达(MIR-MicropowerImpulse Radar)是一种功率极其微小的超宽带雷达，其设计原理是美国LLNL(Lavrence LivermoreNationalLahoratery)的科学家Thomas MCEwan在测量Nova激光器引发的小型核聚变反应的输出功率时发明的，其特点是：发射和接收无载波短脉冲，具有很强的穿透性、对目标信息的携载能力和伪白噪声特性，可从回波信号中获取目标距离、速度和精细结构信息。超宽带微功率脉冲雷达是以UWB技术为基础的微波近场检测雷达，具有电磁信号辐射能量低、目标信息携载量大等优点，能提供毫米级、高分辨率的目标定位精度，相对于常规雷达，具有很多潜在优势，该技术一出现，很快就被应用到医学和健康领域，形成一个新的分支。超宽谱微功率生物雷达，该技术检测费用低、对人体无伤害、具有高分辨率和生物组织的高对比度，是国际科技界公认的一个非常重要的前沿技术领域，将成为未来医学成像和病人检测的新技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于超宽谱生物雷达的张力性气胸检测系统。

本发明的技术方案如下：

一种基于超宽谱生物雷达的张力性气胸检测系统，包括脉冲源、控制模块、接收机、超宽带探测天线、数据预处理模块和数据分析模块；

脉冲源：采用AvTech公司的AVM-2-C型脉冲源；

控制模块：控制模块采用ARM9 2410处理器作为主控单元，产生用于控制脉冲源的外部触发信号，控制脉冲源生成所需的超宽带窄脉冲，超宽带窄脉冲脉宽为0.2ns，幅度为4V；控制模块向接收机发送数据采集信号；

超宽带探测天线：由两个并排设置的TEM喇叭天线组合而成，分别负责超宽带信号的发射与目标散射信号的接收，组合探头中的每个TEM喇叭天线均能通过镜像原理设计为半TEM喇叭天线结构，其中，镜像面板与同轴接头的外导体相接，具有指数渐变结构的一个TEM喇叭臂板与同轴接头的内导体相接，喇叭臂板末端通过电阻加载，构成低频补偿回路；

数据预处理模块：从接收机获取目标信号，运行数据处理程序对目标信号预处理，进行去除直达波、去直流等处理，并将预处理后的信号送到数据分析模块；

数据分析模块对经过预处理后的数据进行计算和分析：①连续采样8192点数据并保存，将采样道数N+1，并设置采样点数M＝0；②重复①操作，直到采样道数N＝900；③针对每道采样数据的对应取平均，得出一个一维的8192点数据；④去掉前192个数据，剩余的8000点数据，以每连续40个数据为一组求和取平均，获得一组一维200点数据；⑤对200点数据进行归一化处理，并求能量；⑥求能量的极大值点，并求第5极大值点与总能量的比值；⑦该比值的大小和肺中空气量成正比关系；⑧根据肺中的空气量给出是否为张力性气胸。

首次提出利用超宽谱生物雷达来检测气胸这一科学问题，并以该科学问题为核心，将雷达技术与医学诊断技术相结合，提出建立精确的人体胸部组织的超宽谱电磁模型以及气胸雷达信号检测与特征提取技术方法。

(1)首次提出气胸检测诊断的雷达式技术与方法，可解决现场气胸检测这一难题；

(2)提出并建立适合气胸检测的人体胸部组织超宽谱雷达脉冲电磁模型；

(3)提出建立利用电磁脉冲人体分层界面检测与特征提取技术来检测气胸。

附图说明

图1为本发明系统的原理框图；

图2为超宽谱冲激信号近场目标探测系统框图；

图3为数据分析模块工作流程图；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

本发明根据肺组织在正常情况与气胸病理状态下超宽谱电磁特性的差异，利用微功率超宽谱手持式生物雷达快速检测诊断气胸。可实现灾难现场气胸早期快速检测，解决灾难现场或战场气胸检测的难题，具有很高的实用价值和应用前景。

参考图1和图2，本发明的探测系统包括脉冲源、控制模块、接收机、超宽带探测天线、数据预处理模块和数据分析模块。

脉冲源：采用AvTech公司的AVM-2-C型脉冲源。其输出脉冲可由ECL电平外部触发，脉宽在0.2-2ns、幅度在0-15V范围内可调。

控制模块：控制模块采用ARM9 2410处理器作为主控单元，结合辅助控制电路，产生用于控制脉冲源的外部触发信号，控制脉冲源生成所需的超宽带窄脉冲，超宽带窄脉冲脉宽为0.2ns，幅度为4V，以保证超宽带探测需要。同时，控制模块可向接收机(存储示波器)发送数据采集信号。

超宽带探测天线：对于超宽带微波近场探测，要求探头尺寸小、结构紧凑、具有超宽带频率特性。本系统中考虑到所使用脉冲宽度在0.2ns左右，在TEM喇叭天线结构基础上，将发射与接收天线进行组合，设计了一款结构紧凑，工作频段为1-20Ghz的新型组合超宽带探头，该组合超宽带探头由两个并排设置的TEM喇叭天线组合而成，分别负责超宽带信号的发射与目标散射信号的接收。为了使其结构更加紧凑，组合探头中的每个TEM喇叭天线均可通过镜像原理设计为半TEM喇叭天线结构。其中，镜像面板与同轴接头的外导体相接，具有指数渐变结构的一个TEM喇叭臂板与同轴接头的内导体相接，喇叭臂板末端通过电阻加载，构成低频补偿回路。

与采用单天线收/发共用探头相比，采用收/发天线对作为探头可降低对天线末端反射等的苛刻要求。发射天线接收从脉冲源生成的超宽带窄脉冲信号，并转换成电磁超宽带脉冲信号发射到人体，当超宽带脉冲信号经过发射天线穿过组织时，信号幅度以因子e^az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两介质的界面时，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。透射和反射的信号由下式给出E_i＝τ·E_i(透射)和E_i＝Γ·E_i(反射)，其中E_i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由下式给出

$\mathrm{\τ}=\frac{2\·\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}}$ 和 $T=\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}},$

ε_r1和ε_r2是两种介质的相对介电常数。

当超宽带脉冲信号进入人体时，要经过皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和肺等不同组织，当在气胸状态下，肺组织的相对介电常数约为20，而在正常情况下，为约为46，根据两种情况下相对介电常数的差异，从肺组织表面返回的超宽带信号的大小会存在差异，而超宽带接收天线接收把高频超宽带雷达信号传送给接收机，接收机用Agilent公司54855A存储示波器，具有20Gsa/s取样频率及2MB存储深度。存储示波器由控制模块进行控制，将采集数据存入数据文件，发送至数据预处理模块和数据分析模块，用于数据分析处理。

数据预处理模块：从接收机(54855A)获取目标信号，运行数据处理程序对目标信号预处理，进行去除直达波、去直流等处理，并将预处理后的信号送到数据分析模块。

数据分析模块对经过预处理后的数据进行计算和分析。流程如图3所示；初始化设置，设置采样道数N＝0，采样点数M＝0，①触发AVM-2-C型脉冲源。输出脉冲脉宽在0.2ns、幅度在4V范围内可调的超宽带脉冲。同时可向接收机(存储示波器)发送数据采集信号。连续采样8192点数据并保存，将采样道数N+1，并设置采样点数M＝0；②重复①操作，直到采样道数N＝900；③针对每道采样数据的对应取平均，得出一个一维的8192点数据；④去掉前192个数据，剩余的8000点数据，以每连续40个数据为一组求和取平均，获得一组一维200点数据；⑤对200点数据进行归一化处理，并求能量；⑥求能量的极大值点，并求第5极大值点与总能量的比值；⑦该比值的大小和肺中空气量成正比关系；⑧根据肺中的空气量给出是否为张力性气胸。

连续分时采集900组数据，每组数据采样8192点，每组同采样点数的数据取平均，形成一组一维时间变量的8192点的数据；对信号进行数字带通滤波处理；对该结果进行功率积分，计算信号的平均功率；在对各点的数据做瞬时功率积分；求各瞬时功率的各最大值点；根据信号的最大值间的幅值大小比较，可判断是否存在气胸以及粗略的估计肺中空气的多少。

雷达发射的UWB电磁脉冲经过六种不同电磁特性组织的散射和反射，骨-肺界面的反射信号到达雷达接收探头时，有效信号被淹没在强噪声信号中，提取出该有用信号是超宽带生物雷达诊断气胸的技术难题。针对这一难题，我们①建立超宽带生物雷达检测平台，采用Agilent公司54855A高精度高速存储示波器对目标信号进行全时域采集；②采用变换域积累技术提高信噪比，采用非平稳生物医学信号处理技术，特别是联合相空间分析、Hilbert-Huang Transform算法，提高特征参数的提取能力；③采用小波变换技术，对不同尺度下小波分解系数的阈值量化处理突出原信号中的特征细节变化，以有效识别。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于超宽谱生物雷达的张力性气胸检测系统，其特征在于，包括脉冲源、控制模块、接收机、超宽带探测天线、数据预处理模块和数据分析模块；

脉冲源：采用AvTech公司的AVM-2-C型脉冲源；

控制模块：控制模块采用ARM92410处理器作为主控单元，产生用于控制脉冲源的外部触发信号，控制脉冲源生成所需的超宽带窄脉冲，超宽带窄脉冲脉宽为0.2ns，幅度为4V；控制模块向接收机发送数据采集信号；

超宽带探测天线：由两个并排设置的TEM喇叭天线组合而成作为组合探头，分别负责超宽带信号的发射与目标散射信号的接收，所述的负责目标散射信号接收的TEM喇叭天线用于将所接收到的目标散射信号传送给接收机，组合探头中的每个TEM喇叭天线均能通过镜像原理设计为半TEM喇叭天线结构，其中，镜像面板与同轴接头的外导体相接，具有指数渐变结构的一个TEM喇叭臂板与同轴接头的内导体相接，喇叭臂板末端通过电阻加载，构成低频补偿回路；

数据预处理模块：从接收机获取目标信号，运行数据处理程序对目标信号预处理，进行去除直达波、去直流等处理，并将预处理后的信号送到数据分析模块；

数据分析模块对经过预处理后的数据进行计算和分析：①连续采样8192点数据并保存，将采样道数N+1，并设置采样点数M＝0；②重复①操作，直到采样道数N＝900；③针对每道采样数据的对应取平均，得出一个一维的8192点数据；④去掉前192个数据，剩余的8000点数据，以每连续40个数据为一组求和取平均，获得一组一维200点数据；⑤对200点数据进行归一化处理，并求能量；⑥求能量的极大值点，并求第5极大值点与总能量的比值；⑦该比值的大小和肺中空气量成正比关系；⑧根据肺中的空气量给出是否为张力性气胸。