線性調頻連續波雷達在生命參數檢測中的應用可行性研究

陳培昕，李怡勇，米永巍

廣州軍區武漢總醫院 醫學工程科，湖北 武漢 430070

線性調頻連續波雷達在生命參數檢測中的應用可行性研究

陳培昕，李怡勇，米永巍

廣州軍區武漢總醫院 醫學工程科，湖北 武漢 430070

應用線性調頻連續波（LFMCW）雷達對人體目標進行檢測，從而獲取人體生命參數信息，并通過計算機仿真技術對實驗方案進行指導。通過對仿真結果的分析，展望了線性調頻連續波雷達在生命參數檢測方面的應用前景。

雷達；線性調頻連續波；雷達生命檢測系統；生命參數檢測

LFMCW（線性調頻連續波）雷達生命檢測系統[1-2]通過對人體目標的雷達回波信號進行分析，可以測得距離信息，從而檢測人體胸壁微小運動；還可以獲取心率、呼吸等參數。這種檢測技術可實現不接觸被測對象而進行測量，避免了測試手段對被測對象不同程度的影響[3-4]。

1 LFMCW雷達檢測原理

圖1 LFMCW雷達生命檢測系統原理框圖

LFMCW雷達生命檢測系統原理框圖如圖1所示。電磁波照射人體后，其反射波中必然加載人體的生理信息。人體微動與回波幅度、相位等之間具有相關性，而人體生理運動（如心跳、呼吸）會引起人體表面微動。發射信號與接收信號混頻后得到一反映了目標距離和人體生命特征的調相信號。對該信號進行濾波、檢波等處理，就可以得到人體的生命信息。

理想線性調頻信號的頻率為[5]：發射信號可描述為：

其中θ0為初相。回波信號是發射信號的延遲，并由于人體微動而引起信號的相位變化，設此變化為θ(t)，即

人體正常生理變化如呼吸、心跳都將會引起人體胸壁的顫動，這反映在回波信號中就是瞬時相位隨時間的變化。對低頻窄帶準周期微弱信號θ(t)分析，可以得到一些具有臨床價值的生理參數。

人體目標的調相回波信號形式為：

表1 單目標時的測距結果

2 計算機仿真分析

仿真分析中，LFMCW雷達的工作波長為8mm，發射信號調頻帶寬為200MHz，調頻周期為0.02ms，最大作用距離為3km，理論距離分辨力為0.75m，c為光速。設定人體的微動頻率為60Hz, 微動變化為

2.1 目標測距

設定距離范圍為5.00～12.00m，目標間最小距離間隔為5cm，距離分辨力為0.15m，目標為單目標時的測距結果見表1。

圖2 頻域測距的良好抗噪性能

在回波信號中加入隨機高斯白噪聲后進行實驗，由圖2可以發現噪聲在時域內對信號的影響比較明顯，但在頻域中其影響只是在原信號的頻譜上疊加了一個分布分散的基底，這對于進行目標識別及目標測距是沒有影響的，因此，在信噪比一定的情況下，頻域測距比時域測距有更強的抗噪性能。

2.2 生命信號的檢測

人體目標的回波信號是一調相信號，人體微動變化以調相波的形式調制到雷達信號上，根據調制解調理論，在獲得人體目標回波后進行檢波，可以得到人體生命信息。圖3所示為檢測到的生命參數信號。

圖3 生命信號的檢測

3 實驗結果

利用現有的雷達設備進行不同目標實驗。所采用的調頻電壓如圖4所示：T=0.02ms，產生一個起始頻率為35GHz，調頻帶寬為207MHz，調頻周期為0.02ms的線性調頻雷達信號。以木質音箱模擬人體目標，用雷達對其進行照射，記錄該目標在不同距離處(分別是2m、4m、8m)得到的中頻信號，如圖5所示。

圖4 調頻電壓信號

回波信號混頻得到的波形、對不同距離處的信號進行FFT分析（FFT點數相同），結果如圖5所示。分析實驗結果，可以得出結論：目標的距離與回波信號的頻率之間存在著某種對應關系，這證明采用調頻連續波可以得到目標的距離參數。

為驗證信號檢測技術，以木質音箱模擬人體目標，以揚聲器的震動模擬人體胸壁的運動，以0.2Hz、2Hz的正弦波為振蕩源信號，分別在距離雷達2m和4m處進行實驗。實驗過程中保持雷達發射功率不變，正弦信號幅值不變。檢測得到的信號波形如圖6、7所示。

檢測得到的波形基本反映了目標的微動規律，但距離越遠噪聲影響越大，會使信號失真甚至淹沒被檢測信號，對檢測非常不利。該實驗結果表明在一定的信噪比條件下，可以有效地檢測到有關人體生理活動的信息，證明該技術可實現性，檢測結果是準確的。

圖5 不同距離(2m、4m、8m)目標的測距結果

圖6 2m處得到的信號檢測結果

圖7 4m處得到的信號檢測結果

仍采用前面的實驗系統，以健康男性青年為測試對象，以期實現其生命信號的檢測。實驗中得到的微動信號與引起胸壁運動的心跳、呼吸運動具有一定的相關性。對回波信號進行FFT分析，結果如圖8所示；分別記錄了人體自由呼吸和屏住呼吸時得到的不同結果，如圖9、10所示（目標距離為3m）：

圖8 人體目標測距分析

圖9 自由呼吸時的人體微動信號

圖10 屏住呼吸時的人體微動信號

對比兩種情況下的實驗結果：自由呼吸時，第一路信號與人體的呼吸波形大致相同，第二路信號反映了人體心跳和呼吸等引起的胸壁運動。屏住呼吸時由于呼吸動作的停止，第一路信號近似是一條平坦曲線，而第二路信號與人體的心動變化曲線大致相同。這也體現了該技術的臨床應用價值。

4 結論

本文從理論和實驗兩方面證明了線性調頻連續波雷達用于人體生命參數檢測的可行性和可實現性，分析了該技術的臨床應用價值。本文所提出的人體檢測技術，為設計LFMCW雷達的人體檢測系統提供了依據，對深入研究LFMCW雷達在人體檢測領域的應用具有一定的指導意義。

該技術對被測量對象無任何約束，無需接觸性電極、傳感器、電纜等的連接，而且可以隔一定的距離、一定的介質（如衣服、紗布等）進行監測，因此不僅在臨床醫學上有重要的應用價值，在急救醫學、災難醫學、家庭醫學領域同樣具有廣泛的應用前景。

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[2] 陳宇杰,王健琪,路國華.雷達式生命探測儀中強雜波對消技術的方針研究[J].醫療衛生裝備,2005,(11):19-21.

[3] Hsueh-Jyh,Gen-Tay Huang. Image of Objects Buried in a Finite-Sized Dielectric Background[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1994, 32(6): 1133-1138.

[4] M Miyakawa. Tomographic measurement of temperature change in phantoms of the human body by chirp radar-type microwave computed tomograph[J]. Med-Biol-Eng-Comput,1993, 31(8): 31-36.

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[8] 熊昕,等.動態心電信號干擾的識別研究[J].中國醫療設備, 2010,25(3):34-36.

[9] 路國華,王健琪.生物雷達技術的研究現狀[J].國外醫學(生物醫學工程分冊),2004,(6):87-90.

Application of LFMCW Radar to Life-Parameters Detection

CHEN Pei-xin, LI Yi-yong, MI Yong-wei
Medical Engineering Department, Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Region,Wuhan 430070,China

We acquire life-parameters by the application of LFMCW radar on human under the guidance of computer simulation technology. We analyze the application prospect by the results of the experiment.

Radar; linear frequency modulated continuous wave; radar life detection system; lifeparameters test

R319

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.05.018

1674-1633(2011)05-0069-03

2010-11-10

2011-02-23

本文作者：陳培昕，主管技師，主要從事醫療儀器的維修和開發。

作者郵箱：fmmucpx@sohu.com