張小朋,安 強,焦 騰,張 楊,于 霄,呂 昊
基于精密線性模組的人體表面微動模擬方法研究
張小朋,安 強,焦 騰,張 楊,于 霄,呂 昊
目的:設(shè)計一種可模擬呼吸、心跳引起的人體表面微動的新方法,為生物雷達技術(shù)研究提供探測目標(biāo)和標(biāo)定信號。方法:采用精密線性模組將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)楦呔鹊木€性位移,并采用交流伺服電動機精確控制模組旋轉(zhuǎn),最終輸出具有定量化位移參數(shù)的超低頻微動。結(jié)果:按照該方法建立了一套新的人體表面微動模擬系統(tǒng)。與課題組原有模擬系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)輸出微動的穩(wěn)定性高,且具備定量控制位移參數(shù)的功能。結(jié)論:該方法為有效模擬呼吸、心跳引起的人體表面微動奠定了技術(shù)基礎(chǔ),可推動生物雷達技術(shù)的研究向更深和更高層次發(fā)展。
生物雷達;精密線性模組;人體表面微動;模擬
生物雷達是近年來國際上研究廣泛的一種新概念雷達[1-2]。它以雷達發(fā)射的電磁波為探測媒介,檢測人體生理活動(呼吸、心跳等)所引起的身體表面微動,從而實現(xiàn)對生命信號的探測[2-3]。與傳統(tǒng)探測方法相比,這種技術(shù)具有非接觸、遠(yuǎn)距離和能穿透非金屬障礙的優(yōu)點,因而在醫(yī)學(xué)、軍事、國家安全等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。
在生物雷達技術(shù)研究中,通常采用志愿者作為探測目標(biāo),極易受人員限制而無法開展實驗,且目標(biāo)個體差異(年齡、性別、姿勢等)導(dǎo)致難以客觀評價實驗結(jié)果。因此,迫切需要模擬呼吸、心跳引起的人體表面微動,為生物雷達的實驗研究提供探測目標(biāo),特別是為其定量調(diào)試和檢測提供穩(wěn)定的標(biāo)定信號[5]。針對這一問題,目前國內(nèi)外僅有少數(shù)文獻進行了報道[5-9]。例如,有研究人員采用信號發(fā)生器驅(qū)動特制的低頻揚聲器,利用揚聲器紙盆的振動產(chǎn)生所需的微動[5-6];還有研究人員采用呼吸機帶動氣囊膨脹和收縮來模擬人體呼吸引起的體表微動[7]。由于揚聲器振動和氣囊脹縮的非線性,上述2種方法所產(chǎn)生微動的穩(wěn)定性難以保證,更重要的是無法實現(xiàn)微動位移參數(shù)的精確控制,嚴(yán)重制約生物雷達技術(shù)的研究向更深和更高層次發(fā)展。近年來,有研究文獻報道電動機驅(qū)動線性位移器件可實現(xiàn)人體表面微動模擬時位移參數(shù)的定量控制[8-9]。但人體呼吸的頻率可低至零點幾赫茲,所引起的體表微動幅度僅為毫米級[10]。要模擬這種超低頻微動,常規(guī)線性器件的精度難以滿足要求。
本文以精密線性模組為核心器件,設(shè)計了一種模擬人體表面微動的新方法。實驗表明,按照該方法建立的模擬系統(tǒng)可產(chǎn)生具有穩(wěn)定位移和精確頻率參數(shù)的超低頻微動,從而為有效模擬呼吸、心跳引起的人體表面微動奠定了技術(shù)基礎(chǔ),對推動生物雷達技術(shù)的研究向更深和更高層次發(fā)展具有重要意義。
1.1 精密線性模組
線性模組是自動化工業(yè)領(lǐng)域常用的一種單軸直線傳動裝置,主要通過模組化設(shè)計將滾珠螺桿和線性滑軌整合在一起,從而使螺桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。其工作原理如圖1所示,模組旋轉(zhuǎn)360°,將在螺桿軸向上產(chǎn)生定量的直線位移。該位移的大小由螺紋線上相鄰兩齒對應(yīng)點的軸向距離決定,即滾珠螺桿的導(dǎo)程。這意味著通過精確控制模組的旋轉(zhuǎn)度數(shù),就能輸出定量化的位移,進而模擬呼吸、心跳引起的人體表面微動。
圖1 線性模組的基本工作原理圖
正常情況下,人體呼吸引起的胸壁運動幅度為4~12 mm,人體心跳引起的胸壁運動幅度約為1 mm[10]。要產(chǎn)生以上量級的位移,關(guān)鍵在于選擇具有高精度導(dǎo)程的線性模組。本文采用近年來廣泛用于工業(yè)機器人的KK精密線性模組。該模組導(dǎo)程為1 mm,最大行程60 mm,并且具備0.02 mm的重復(fù)運動精度。此外,該模組具有精度高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點,滿足模擬人體表面微動的要求。
1.2 交流伺服電動機
精密線性模組是產(chǎn)生線性位移的核心器件,其運動必須通過電動機的旋轉(zhuǎn)來帶動。用于帶動線性模組的電動機一般分為步進和伺服2類。相對于步進電動機,伺服電動機帶有旋轉(zhuǎn)編碼器,可進行位置反饋,因而控制精度更高,并且運行平穩(wěn)、響應(yīng)速度快。特別是交流伺服電動機低頻特性好,在低速時不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象,是模擬超低頻人體表面微動的首選。
本文采用全數(shù)字式交流伺服電動機,功率為50 W,自帶增量式旋轉(zhuǎn)編碼器,可將電動機的反饋電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖,用脈沖個數(shù)表示旋轉(zhuǎn)量。該編碼器的解析度為10 000線,即電動機旋轉(zhuǎn)360°產(chǎn)生10 000個反饋脈沖,這意味著給電動機輸入一個脈沖可使其旋轉(zhuǎn)0.036°。因此,可通過控制輸入脈沖精確控制伺服電動機的旋轉(zhuǎn)度數(shù)。在電動機的帶動下,精密線性模組將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為線性運動,最終輸出具有定量化位移參數(shù)的微動。
1.3 系統(tǒng)設(shè)計方案
根據(jù)上述思想,人體表面微動模擬系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖2所示。交流伺服電動機在驅(qū)動器的控制指令下,驅(qū)動精密線性模組產(chǎn)生直線位移,并帶動模組上安裝的反射體模擬人體表面的微動。與此同時,電動機編碼器將位移量反饋給驅(qū)動器形成閉環(huán),驅(qū)動器具備自動誤差補償功能,從而實現(xiàn)對電動機旋轉(zhuǎn)的精確控制。上位控制器用于調(diào)控整個系統(tǒng)的運行,主要完成人體表面微動的參數(shù)設(shè)置、電動機初始化、模式選擇等工作。整個系統(tǒng)采用交、直流雙電源供電,220 V交流市電為電動機和上位控制器供電,并通過AC/DC轉(zhuǎn)換成24 V直流電為驅(qū)動器供電。
圖2 人體表面微動模擬系統(tǒng)框圖
伺服電動機有3種旋轉(zhuǎn)模式:位置、速度和轉(zhuǎn)矩。本文選擇位置控制模式,由上位控制器發(fā)送脈沖指令給驅(qū)動器,驅(qū)動器根據(jù)該指令控制電動機旋轉(zhuǎn)。如圖3所示,脈沖指令采用PULSE/DIR雙線方式。其中DIR線用高低電平控制電動機的正反轉(zhuǎn),使精密線性模組產(chǎn)生周期性的往復(fù)運動,DIR線半周期時間控制輸出微動的頻率參數(shù);PULSE線上的脈沖個數(shù)控制電動機的旋轉(zhuǎn)度數(shù),帶動精密線性模組輸出定量化的位移,從而實現(xiàn)位移參數(shù)的精確控制。以模擬頻率0.1 Hz、位移1 mm的人體呼吸運動為例:0.1 Hz對應(yīng)的運動周期為10 s,這時DIR線應(yīng)輸出的高低電平各為5 s;1 mm位移量剛好對應(yīng)模組導(dǎo)程,即模組需旋轉(zhuǎn)完整一周(±180°)。如1.2所述,一個脈沖可使電動機旋轉(zhuǎn)0.036°,則PULSE線上的每半個周期需要輸出180/0.036=5 000個脈沖。
圖3 伺服電動機脈沖指令方式
為驗證上述設(shè)計方案的可行性,本研究完成了人體表面微動模擬系統(tǒng)的搭建,該系統(tǒng)實物照片如圖4所示。為避免額外的軟硬件設(shè)計任務(wù),系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu):上位控制器基于個人計算機(personal computer,PC)進行軟件控制,驅(qū)動器選擇與電動機匹配的通用伺服驅(qū)動器,AC/DC使用直流穩(wěn)壓電源,反射體為一面積為16 cm×9 cm的金屬平板。其中上位控制軟件選用通用的伺服電動機調(diào)控軟件,能控制系統(tǒng)輸出位移和頻率參數(shù)可調(diào)的往復(fù)運動,從而有效地模擬呼吸引起的人體表面微動。
圖4 新建的人體表面微動模擬系統(tǒng)圖
2.1 實驗方法
為評價該系統(tǒng)性能,本研究使用生物雷達對其進行了探測實驗。實驗采用400 MHz中心頻率的超寬譜(ultra-wide band,UWB)生物雷達,時窗設(shè)置為0~20 ns,此時雷達有效探測范圍為0~3 m。模擬系統(tǒng)放置于生物雷達視線方向,反射體距離雷達天線1 m。采樣點數(shù)、掃描頻率等參數(shù)分別設(shè)置為2 048點、64 Hz,滿足人體呼吸等生命信號探測時奈奎斯特采樣定律的要求[11]。生物雷達回波數(shù)據(jù)經(jīng)過信噪比改善、背景去除等預(yù)處理后進行譜分析。譜分析采用常規(guī)的快速傅氏變換(fast Fourier transformation,F(xiàn)FT)方法計算功率,在回波數(shù)據(jù)的時間維度上進行,得到回波數(shù)據(jù)的距離-頻率分布。然后根據(jù)實驗中目標(biāo)距離的先驗知識,提取目標(biāo)功率譜中峰值頻率點的數(shù)值作為后續(xù)性能評價的主要參考指標(biāo)。
實驗中,模擬系統(tǒng)輸出微動的位移參數(shù)分別設(shè)定為1、4、6、10、12 mm,同時每種位移又對應(yīng)0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 Hz 5種頻率。對上述每種位移-頻率參數(shù)組合的模擬系統(tǒng),使用UWB生物雷達進行探測并重復(fù)采集數(shù)據(jù)(20次)。對每個數(shù)據(jù)進行處理,提取所需的性能評價指標(biāo),然后分組進行分析:計算每組的均值、標(biāo)準(zhǔn)差,并求出變異系數(shù)(coefficient of variance,CV)。變異系數(shù)是概率分布離散程度的歸一化量度,可衡量模擬系統(tǒng)輸出微動的穩(wěn)定性,其定義如下:
式中,SD和MN分別代表標(biāo)準(zhǔn)差和均值。
與此同時,本研究還使用課題組原有的人體表面微動模擬系統(tǒng)進行了對比探測實驗。該系統(tǒng)用信號發(fā)生器驅(qū)動低頻揚聲器帶動金屬反射面振動,不具備輸出定量位移的功能。因此,實驗中以該系統(tǒng)為目標(biāo)進行探測時,通過恒定信號發(fā)生器輸出電壓來保持固定輸出位移,在此基礎(chǔ)上采集了0.1~0.5 Hz 5種不同頻率參數(shù)的數(shù)據(jù)。
2.2 實驗結(jié)果
圖5為新建人體表面微動模擬系統(tǒng)設(shè)定位移4mm、頻率0.1 Hz時,UWB生物雷達回波數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。從圖5(a)中可以看出,目標(biāo)對應(yīng)的距離(約1 m)出現(xiàn)明顯的峰值。圖5(b)為目標(biāo)距離點上的功率譜,功率峰值約為5×106(由于采用數(shù)字化處理,圖5(b)中縱坐標(biāo)無單位,表1和表2相同)。實驗中以此為指標(biāo)來衡量系統(tǒng)輸出微動的位移大小,并分組計算MN、SD和CV來評價其穩(wěn)定程度。
圖5 生物雷達回波數(shù)據(jù)處理結(jié)果
表1列出了2種人體表面微動模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。組別中以“New”開頭的數(shù)據(jù)對應(yīng)本研究新建的模擬系統(tǒng),每組數(shù)據(jù)對應(yīng)的位移和頻率參數(shù)由后面的數(shù)字標(biāo)志。以“New_4_01”為例,4代表實驗中系統(tǒng)位移設(shè)定為4 mm,01代表頻率設(shè)定為0.1 Hz,其他照此類推。而課題組原有的模擬系統(tǒng)以“Old”開頭,由于實驗中輸出位移固定,其后的數(shù)字僅標(biāo)志不同頻率。
從表1中可以看出,“Old_01”的CV為15.31%,是所有組中最大的。同時新建模擬系統(tǒng)在位移6 mm、頻率0.1 Hz時對應(yīng)的CV達到了11.13%(見“New_ 6_01”組),與前者相比并沒表現(xiàn)出顯著差異。然而進一步觀察表中結(jié)果可發(fā)現(xiàn),原模擬系統(tǒng)的5組MN最大值可達1.17e+008,而最小值僅為6.40e+006,二者表現(xiàn)出了數(shù)量級上的差別,表明該系統(tǒng)頻率變化時,難以輸出具有穩(wěn)定位移量的微動。因此,將2種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果僅以位移為依據(jù)重新分組,計算出各組的MN、SD和CV,見表2。從表2中可以看出,原系統(tǒng)的CV高達52.11%,而新系統(tǒng)的CV最大值僅為14.34%,且各組間比較均衡,表明該系統(tǒng)在輸出位移的穩(wěn)定性上要明顯好于課題組原有的人體表面微動模擬系統(tǒng)。
表1 2種人體表面微動模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果(按照位移、頻率分組)
本研究提出了一種模擬呼吸、心跳引起的人體表面微動的新方法,該方法采用精密線性模組將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€位移,并且通過交流伺服電動機控制模組旋轉(zhuǎn)來輸出具有定量位移參數(shù)的微動。實驗表明,按照該方法建立的模擬系統(tǒng)能輸出穩(wěn)定的超低頻微動,且能精確控制輸出微動的位移大小,從而為生物雷達技術(shù)的深入研究提供定量化的標(biāo)定信號。例如,該系統(tǒng)輸出位移為1 mm時,超出了所用UWB生物雷達的探測性能極限,與課題組前期研究所得到的理論分析結(jié)果基本相符[11],故這部分?jǐn)?shù)據(jù)分析結(jié)果未在表1和表2中列出。針對這一問題,可通過進一步細(xì)化該模擬系統(tǒng)的輸出位移,實現(xiàn)對UWB生物雷達探測性能的定量評價,并研究決定其性能的關(guān)鍵因素,從而為UWB生物雷達的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。
在本文基礎(chǔ)上,下一步工作將主要集中在2個方面:(1)通過實驗修正模擬系統(tǒng)反射體的材料和面積,使其接近人體反射系數(shù);(2)開發(fā)專用的上位控制軟件,實現(xiàn)系統(tǒng)輸出微動波形、相位等參數(shù)的實時控制,從而更精確地模擬呼吸、心跳引起的人體表面微動。
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(收稿:2014-09-18 修回:2014-12-28)
Novel method to simulate micro-motion of human body surface via precision linear module
ZHANG Xiao-peng1,AN Qiang2,JIAO Teng2,ZHANG Yang2,YU Xiao2,LYU Hao2
(1.No.1 Cadet Brigade,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China; 2.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)
ObjectiveTo design a new method to simulate the micro-motion of human body surface due to respiration and heartbeat,and to provide detection object and calibration signal for the bio-radar technology.MethodsPrecision linear module was used to transform rotational movement to linear displacement,with AC servo motor to precisely control the module's rotation.Ultimately,ultralow-frequency micro-motion was produced with its displacement being quantitatively controlled.ResultsA system simulating the micro-motion of human body surface was newly built.Compared with the old system,the new one produced micro-motion with better constancy,and realized quantitative control of the motion's displacement.ConclusionThe method lays technological foundation for simulating the micro-motion of human body surface due to respiration and heartbeat and may promote the development of bio-radar technology towards intensive and comprehensive levels.[Chinese Medical Equipment Journal,2015,36(9):6-9]
bio-radar;precision linear module;surface micro-motion of human body;simulation
表2 2種人體表面微動模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果(僅按位移分組)
R318;TN95
A
1003-8868(2015)09-0006-04
10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.09.006
國家自然科學(xué)基金青年項目(61201382);軍隊后勤科研課題項目(CWS12J019)
張小朋(1992—),男,研究方向為生物雷達非接觸生命探測技術(shù),E-mail:3062011007@student.fmmu.edu.cn。
710032西安,第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)員一旅(張小朋),生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院(安 強,焦 騰,張 楊,于 霄,呂 昊)
呂 昊,E-mail:fmmulvhao@fmmu.edu.cn