張　楊，呂　昊，于　霄，焦　騰，薛慧君，王健琪

人體氣胸模型的超寬譜雷達探測研究

張楊，呂昊，于霄，焦騰，薛慧君，王健琪

目的：驗證采用超寬譜（ultra wideband，UWB）沖擊雷達技術(shù)檢測氣胸的可行性。方法：根據(jù)正常成年人的解剖結(jié)構(gòu)，采用在容器中盛裝液體并在液體中插入各種厚度空氣腔的方式建立不同嚴重程度的人體氣胸模型，采用UWB沖擊雷達檢測系統(tǒng)對模型進行檢測，得到模擬正常胸部組織和氣胸組織的UWB檢測波形圖和偽彩圖。結(jié)果：從檢測波形圖和偽彩圖可以看出，隨著空氣腔厚度的增加，信號能量越來越小，模擬正常組織和氣胸組織的信號區(qū)別明顯。結(jié)論：采用UWB沖擊雷達可以檢測區(qū)別模擬的正常胸部組織和氣胸組織，并可對氣胸嚴重程度進行簡單的區(qū)分判斷，該研究對后續(xù)便攜式氣胸快速診斷UWB雷達研發(fā)有重要意義。

超寬譜；雷達；氣胸模型；檢測

0　引言

氣胸是呼吸科急診常見的疾病，幾乎所有的肺部疾病以及外力都可能導致氣胸。有些特殊類型的氣胸，如張力性氣胸，若不能早期發(fā)現(xiàn)，則往往會貽誤最佳治療時機，其病死率極高。因此盡早發(fā)現(xiàn)氣胸，及時采取正確的治療方法才能最大限度地治愈氣胸。

目前，臨床上用來診斷氣胸的傳統(tǒng)方法是X線胸片、CT和超聲[1-4]。X線胸片是氣胸常用的診斷手段，患者必須要接受X線照射，且其分辨能力不高[5]。超聲檢查方便、快捷，但需要結(jié)合醫(yī)生對超聲影像的主觀判斷，主觀性較強[6]。CT是氣胸診斷的金標準，但CT機體積大、不便攜，需要搬運患者才能完成檢測[7]。因此以上3種方式均不適用于戰(zhàn)場、災害現(xiàn)場等突發(fā)情況下的傷員快速、準確氣胸檢測，迫切需要一種新的便攜式氣胸快速檢測技術(shù)。有研究小組采用超寬譜（ultra wideband，UWB）雷達技術(shù)對張力性氣胸進行了檢測研究，取得了一定的效果，顯示出便攜式UWB技術(shù)在這一領(lǐng)域的潛力[8-10]。

本文基于這一原理，根據(jù)正常成年人的解剖結(jié)構(gòu)和組織介電常數(shù)，建立了人體胸部空氣腔模型，采用UWB沖擊雷達對不同厚度的空氣腔進行了檢測實驗，對實驗結(jié)果進行了分析，驗證了采用UWB沖擊雷達技術(shù)進行氣胸快速檢測的可行性。

1　檢測原理

當UWB雷達信號穿過組織時，信號幅度以因子eαz指數(shù)衰減，其中α是組織的衰減常數(shù)，z代表距離。當信號到達介電性質(zhì)不同的2種組織界面時，一部分信號透過界面繼續(xù)向前傳播，另一部分信號被反射回去。透射信號和反射信號分別由式（1）和（2）給出：

式中，Ei是入射波，τ是透射系數(shù)，Γ是反射系數(shù)。透射系數(shù)和反射系數(shù)分別由式（3）和（4）給出：

式中，εr1和εr2是2種組織的相對介電常數(shù)，這樣通過反射回來的UWB信號，雷達就能確定組織分界處的情況是否發(fā)生了變化。根據(jù)這一原理，我們建立了模擬氣胸發(fā)生時的胸部組織分界模型。

2　實驗方法

2.1模型建立

首先建立人體胸部簡易模型，模型為長方體敞口容器，通過在容器中盛裝介電常數(shù)與胸部主要組織介電常數(shù)相近的溶液來模擬正常胸部組織，另制作厚度不一的密閉長方體空氣腔薄片若干，通過將空氣腔薄片插入液體中來模擬不同厚度的氣胸。再采用UWB沖擊雷達對人體胸部空氣腔模型進行探測實驗，以驗證雷達對模擬的正常組織和不同厚度空氣腔的檢測能力。

建立的人體胸部簡易模型如圖1所示，根據(jù)正常成年人的解剖結(jié)構(gòu)，胸部模型的寬度為兩肱骨頭之間的距離，高度為鎖骨到肋下緣間沿腋窩線的垂直高度，厚度為前后胸壁之間的距離。通過對正常成年男性以上解剖數(shù)據(jù)的測量，確定模型的寬度、高度和厚度分別為：34、37和22 cm，如圖1（a）所示。圖1（b）為空氣腔薄片，寬度和高度與胸部模型的尺寸一致，這樣空氣腔薄片可以緊貼胸部模型的前表面插入液體中來模擬氣胸的發(fā)生。空氣腔薄片一共制作6片，根據(jù)1993年英國胸腔學會指南中對氣胸氣量的劃定及判定標準，適當擴展并考慮極限情況，設(shè)計薄片中的空氣厚度分別為0.5、1、1.5、2、2.5和3 cm共6種。

圖1　人體胸部模型

2.2UWB檢測系統(tǒng)及檢測方法

本文采用的檢測系統(tǒng)為單基地時域UWB沖擊雷達，其原理框圖如圖2所示。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一定脈沖重復頻率（pulse repetition frequency，PRF）的時域脈沖，被送到發(fā)射機整形后通過發(fā)射天線輻射出去；與此同時，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖被送到延時單元產(chǎn)生距離門；在距離門的觸發(fā)下，接收機開始工作，對接收到的回波進行采樣；采樣后的信號經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog digital converter，ADC）進行高速轉(zhuǎn)換，并通過Wi-Fi發(fā)送至計算機進行顯示、存儲和后處理。

圖2UWB雷達原理框圖

發(fā)射和接收天線為蝶形極化天線。時域高斯脈沖的平均發(fā)射功率為5 mW，PRF為250 kHz，脈沖時長為5ns。發(fā)射脈沖的中心頻率400MHz，帶寬200MHz。

人體胸部主要組織有皮膚、皮下組織、血液、心臟、肺等，它們在320 MHz電磁波照射下的介電常數(shù)見表1。

表1　人體胸部主要組織的介電常數(shù)（320 MHz）

因為胸部組織主要由水、血液及各種體液組成，其平均介電常數(shù)為50～80，而本文主要研究UWB雷達對空氣-非空氣介質(zhì)分界面的檢測能力，具體胸部組織介電常數(shù)值的大小并不是我們關(guān)注的重點，因此本文采用單一均勻介質(zhì)水來近似模擬人體胸部組織，水隨著溫度的升高其相對介電常數(shù)為55～87。

將水注入人體胸部空氣腔模型，近似模擬正常人體胸部組織，將各種厚度的空氣腔薄片插入模型的前表面內(nèi)側(cè)來模擬不同程度的氣胸。采用前面所述的UWB檢測系統(tǒng)對人體胸部氣胸模型進行探測。UWB雷達正對模型并緊貼模型前表面外側(cè)進行探測，探測時窗設(shè)置為20 ns，每次探測時長為10 s。由于模型厚度為22 cm（對應時窗約為2 ns），所以采樣回來的數(shù)據(jù)只需要截取到4 ns（約為60 cm）即可以反映人體胸部模型的內(nèi)部變化情況以及對模型后面一段距離波形的影響情況。

3　實驗結(jié)果

UWB雷達對不同厚度空氣腔模型的檢測結(jié)果波形圖如圖3所示，圖3（a）～（f）分別表示空氣腔厚度依次從0.5 cm增加到3.0 cm的情況?？梢钥吹綇膱D3（a）～（f），隨著空氣腔厚度的增加，波形幅值越來越小，第一個波峰的位置越來越后移，這是由于空氣厚度增加造成的第一個空氣-液體分界面后移所致；另外從圖3（a）～（f）每幅圖在約1.5 ns處均有一個相位改變，即幅值由負變正，而1.5 ns對應的距離為22.5 cm，與模型厚度吻合，因此該相位改變可能是由于電磁波經(jīng)過胸部模型后表面的液體-空氣分界面所致。

為了對比，我們還探測了純液體（如圖3（g）所示）的情況。純液體波形圖相位變化很大，甚至在1.5 ns處出現(xiàn)了相位由正變負的過程，這與圖3（a）～（f）恰好相反。這說明空氣腔體的存在對模型探測波形的影響很大，即氣胸與正常胸部組織的波形差異大，這也說明采用UWB雷達技術(shù)檢測識別正常胸部組織和氣胸組織的可行性。

UWB雷達對不同厚度空氣腔模型的檢測偽彩圖如圖4所示，圖4（a）～（f）分別表示空氣腔厚度依次從0.5 cm增加到3.0 cm的情況，圖4（g）為純液體?？梢钥闯鰪膱D4（a）～（f），隨著空氣腔厚度的增加，信號總能量越來越小，暖色條紋越來越少，偽彩圖總體上由暖色漸變?yōu)槔渖粡膱D4（g）可以看出，信號能量很大，與模擬氣胸的偽彩圖區(qū)別明顯，這與檢測波形圖一致。

圖3　UWB雷達對不同厚度空氣腔及純液體的檢測波形圖

圖4　UWB雷達對不同厚度空氣腔及純液體的檢測偽彩圖

4　結(jié)論

本文采用UWB沖擊雷達對人體胸部空氣腔模型進行了檢測實驗。根據(jù)實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模型中空氣腔體的存在對探測波形的影響很大，即氣胸與正常胸部組織的波形差異大，該結(jié)果證明了采用UWB沖擊雷達對氣胸和正常胸部組織檢測識別的可行性。在模擬不同厚度氣胸的探測實驗中，發(fā)現(xiàn)隨著空氣腔厚度的增加，雷達回波幅值變??；且第一個波峰的位置越來越后移，分析可知這是由于空氣厚度增加造成的第一個空氣-液體分界面后移所致；而UWB沖擊雷達回波可以檢測出這種分界面位置的變化，因此可利用該特性研制氣胸檢測UWB沖擊雷達。在后續(xù)工作中，我們還計劃進行氣胸實驗動物和氣胸

（????）（????）患者的UWB沖擊雷達檢測實驗，進一步驗證UWB沖擊雷達技術(shù)應用于生命體氣胸檢測的可行性。

[1]Ball C G，kirkpatric A W，Lanpland K B，et al.Factors related to the failure radiographic recognition of occult posttraumatic pneumothoraces[J].Am J Surg，2005，189（5）：541-546.

[2]Rankine J J，Thomas A N，F(xiàn)luechter D.Diagnosis of pneumothorax in critically ill adults[J].Postgrad Med J，2000，76（897）：399-404.

[3]丁武，楊儉新，張茂.超聲診斷氣胸的研究進展[J].中華急診醫(yī)學雜志，2010，19（7）：778-780.

[4] 時平，魯樹坤，霍宏，等.超聲在氣胸診斷中的價值[J].中華超聲影像學雜志，2009，18（1）：87-88.

[5]時平，胡海云，張雁，等.超聲與X線胸片在氣胸診斷中的比較[J].中國實用醫(yī)藥，2009，4（15）：49-50.

[6]Dulehavsky S A，Hamilton D R，Diebel L N，et al.Thoracic uhrasound diagnosis of pneumothorax[J].J Trauma，1999，47（5）：970-971.

[7]Neff M A，Monk J S J，Peters K，et a1.Detection of occult pneumothoraces on abdominal computed tomographic scans in trauma patients[J]. J Trauma，2000，49（2）：281-285.

[8]Phillip D L，Tracey W，Alan G.Micropower impulse radar：a novel technology for rapid，real-time detection of pneumothorax[J].Emergency Medicine International，2011，3：1-5.

[9]Albers C E，Haefeli P C，Zimmermann H，et al.Can handheld micropower impulse radar technology be used to detect pneumothorax? initial experience in a European trauma centre[J].Injury，2013，44：650-654.

[10]Lindner T，Conze M，Albers C E，et al.Does radar technology support the diagnosis of pneumothorax?pneumo scan—a diagnostic point-of-care tool[J].Emergency Medicine International，2013，12：1-5.

（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

[中國圖書資料分類號]R318；R44A

1003-8868（2015）10-0011-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.10.011

后勤科研課題（CWS12J019）；國家重大科研儀器設(shè)備研制專項（61327805）

張楊（1978—），男，博士，副教授，主要從事非接觸生物醫(yī)學信號檢測方面的研究工作，E-mail：yangzhang@fmmu.edu.cn。

710032西安，第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院（張楊，呂昊，于霄，焦騰，薛慧君，王健琪）

王健琪，E-mail：wangjq@fmmu.edu.cn