專利名稱：一種基于超寬譜生物雷達(dá)的張力性氣胸檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種基于超寬譜生物雷達(dá)的張力性氣胸檢測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
氣胸特別是張力性氣胸(Tension pneumothorax, TPT)多發(fā)生在各種災(zāi)難現(xiàn)場,是一種危及生命的急癥，病情嚴(yán)重，發(fā)展迅速，需要緊急處理，如果處理不當(dāng)或不及時通常導(dǎo)致或加重傷員呼吸、循環(huán)等重要臟器生理功能紊亂，直接導(dǎo)致傷員死亡，因此氣胸是胸部創(chuàng)傷早期的主要死亡原因之一。在災(zāi)難事故中，張力性氣胸的發(fā)生率高且逐步上升:國外有文獻(xiàn)報道，院外診斷為張力性氣胸且需穿刺減壓的病人比率從0.7%上升到30%，如在倫敦院前急救中，經(jīng)過醫(yī)生治療的外傷病人中有5.4%被確診是張力性氣胸。近年來，全球性自然災(zāi)害(地震、洪澇、風(fēng)暴、公共衛(wèi)生事件等)和人為災(zāi)難(軍事行動、恐怖活動、事故災(zāi)難等)頻發(fā)，資料顯示，張力性氣胸是災(zāi)害現(xiàn)場的首要致死因素之一。在戰(zhàn)爭中，其死亡率占胸部傷死亡率的5%以上，其中70%是由于救護(hù)不及時引起的死亡，在越戰(zhàn)陣亡的美軍，死后用X線檢查發(fā)現(xiàn)10%死于張力性氣胸。在突發(fā)自然災(zāi)害和現(xiàn)代戰(zhàn)爭的傷員救治中，現(xiàn)場早期救治最為關(guān)鍵，80%的遇難人員死亡于傷后I小時內(nèi)，如果能在傷后盡可能短的時間(I小時)內(nèi)對傷員進(jìn)行有效的初級救治，維持其基本生命狀態(tài)并及時后送，可以顯著的降低死亡率和致殘率，因此也被稱為“黃金I小時”。因而無論平時或戰(zhàn)時，張力性氣胸在現(xiàn)代創(chuàng)傷中均占有十分重要的地位，是一潛在殺手，危及患者生命，但TPT的診斷非常困難，如果缺少診斷需要的相關(guān)胸部體征以及經(jīng)驗豐富的醫(yī)師指出的體征，即使對于經(jīng)驗豐富的醫(yī)生來說，在臨床上仍容易誤診或漏診氣胸，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，對于TPT的早期、現(xiàn)場診斷就顯得尤其重要，早期如何有效診斷和及時處理是關(guān)鍵。目前臨床上用來診斷氣胸的傳統(tǒng)方法是X胸片、CT、超聲等三種。胸片是氣胸最常用的診斷手段，但很多研究表 明其敏感性和準(zhǔn)確度不高，有報道54.8%的胸部外傷患者氣胸不能被胸片所診斷。CT檢查是氣胸診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，但也存在一定的缺陷，如存在放射性會對人體造成電磁輻射的危害、需要搬運(yùn)危重患者以及相對費(fèi)用較高等原因難以成為常規(guī)的檢測手段。超聲檢查可以更加方便、快捷、可靠地診斷氣胸，但超聲診斷氣胸也存在一定的局限性，超聲檢查結(jié)果受檢查者的水平影響較大，對于超聲影像的判斷直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。更為重要的是胸片、CT、超聲三種傳統(tǒng)的檢測方式均不適用于災(zāi)害救援現(xiàn)場的張力性氣胸診斷，迫切需要一種新的檢測氣胸技術(shù)來解決當(dāng)前醫(yī)學(xué)界面臨的這個難題。超寬帶(Ultra Wide Band,UffB)這項原來專屬軍方的技術(shù)隨著2002年2月美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)正式批準(zhǔn)民用而備受世人關(guān)注，在通信和雷達(dá)領(lǐng)域取得了飛速的發(fā)展，引領(lǐng)著一場技術(shù)革命。而微功率沖激雷達(dá)(MIR-Micropowerlmpulse Radar)是一種功率極其微小的超寬帶雷達(dá)，其設(shè)計原理是美國LLNL(Lavrence LivermoreNationalLahoratery)的科學(xué)家Thomas MCEwan在測量Nova激光器引發(fā)的小型核聚變反應(yīng)的輸出功率時發(fā)明的，其特點(diǎn)是:發(fā)射和接收無載波短脈沖，具有很強(qiáng)的穿透性、對目標(biāo)信息的攜載能力和偽白噪聲特性，可從回波信號中獲取目標(biāo)距離、速度和精細(xì)結(jié)構(gòu)信息。超寬帶微功率脈沖雷達(dá)是以UffB技術(shù)為基礎(chǔ)的微波近場檢測雷達(dá)，具有電磁信號輻射能量低、目標(biāo)信息攜載量大等優(yōu)點(diǎn)，能提供毫米級、高分辨率的目標(biāo)定位精度，相對于常規(guī)雷達(dá)，具有很多潛在優(yōu)勢，該技術(shù)一出現(xiàn)，很快就被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)和健康領(lǐng)域，形成一個新的分支。超寬譜微功率生物雷達(dá)，該技術(shù)檢測費(fèi)用低、對人體無傷害、具有高分辨率和生物組織的高對比度，是國際科技界公認(rèn)的一個非常重要的前沿技術(shù)領(lǐng)域，將成為未來醫(yī)學(xué)成像和病人檢測的新技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種基于超寬譜生物雷達(dá)的張力性氣胸檢測系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種基于超寬譜生物雷達(dá)的張力性氣胸檢測系統(tǒng)，包括脈沖源、控制模塊、接收機(jī)、超寬帶探測天線、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和數(shù)據(jù)分析模塊；脈沖源:采用AvTech公司的AVM_2_C型脈沖源；控制模塊:控制模塊采用ARM9 2410處理器作為主控單元，產(chǎn)生用于控制脈沖源的外部觸發(fā)信號，控制脈沖源生成所需的超寬帶窄脈沖，超寬帶窄脈沖脈寬為0.2ns，幅度為4V ;控制模塊向接收機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集信號；超寬帶探測天線:由兩個并排設(shè)置的TEM喇叭天線組合而成，分別負(fù)責(zé)超寬帶信號的發(fā)射與目標(biāo)散射信號的接收，組合探頭中的每個TEM喇叭天線均能通過鏡像原理設(shè)計為半 Μ喇叭天線結(jié)構(gòu)，其中，鏡像面板與同軸接頭的外導(dǎo)體相接，具有指數(shù)漸變結(jié)構(gòu)的一個TEM喇叭臂板與同軸接頭的內(nèi)導(dǎo)體相接，喇叭臂板末端通過電阻加載，構(gòu)成低頻補(bǔ)償回路；

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊:從接收機(jī)獲取目標(biāo)信號，運(yùn)行數(shù)據(jù)處理程序?qū)δ繕?biāo)信號預(yù)處理，進(jìn)行去除直達(dá)波、去直流等處理，并將預(yù)處理后的信號送到數(shù)據(jù)分析模塊；數(shù)據(jù)分析模塊對經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析:①連續(xù)采樣8192點(diǎn)數(shù)據(jù)并保存，將采樣道數(shù)N+1，并設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)M = O ;②重復(fù)①操作，直到采樣道數(shù)N = 900針對每道采樣數(shù)據(jù)的對應(yīng)取平均，得出一個一維的8192點(diǎn)數(shù)據(jù)去掉前192個數(shù)據(jù)，剩余的8000點(diǎn)數(shù)據(jù)，以每連續(xù)40個數(shù)據(jù)為一組求和取平均，獲得一組一維200點(diǎn)數(shù)據(jù)；⑤對200點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并求能量；⑥求能量的極大值點(diǎn)，并求第5極大值點(diǎn)與總能量的比值；⑦該比值的大小和肺中空氣量成正比關(guān)系；⑧根據(jù)肺中的空氣量給出是否為張力性氣胸。首次提出利用超寬譜生物雷達(dá)來檢測氣胸這一科學(xué)問題，并以該科學(xué)問題為核心，將雷達(dá)技術(shù)與醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)相結(jié)合，提出建立精確的人體胸部組織的超寬譜電磁模型以及氣胸雷達(dá)信號檢測與特征提取技術(shù)方法。(I)首次提出氣胸檢測診斷的雷達(dá)式技術(shù)與方法，可解決現(xiàn)場氣胸檢測這一難題；(2)提出并建立適合氣胸檢測的人體胸部組織超寬譜雷達(dá)脈沖電磁模型；(3)提出建立利用電磁脈沖人體分層界面檢測與特征提取技術(shù)來檢測氣胸。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的原理框圖；圖2為超寬譜沖激信號近場目標(biāo)探測系統(tǒng)框圖；圖3為數(shù)據(jù)分析模塊工作流程具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明根據(jù)肺組織在正常情況與氣胸病理狀態(tài)下超寬譜電磁特性的差異，利用微功率超寬譜手持式生物雷達(dá)快速檢測診斷氣胸?？蓪?shí)現(xiàn)災(zāi)難現(xiàn)場氣胸早期快速檢測，解決災(zāi)難現(xiàn)場或戰(zhàn)場氣胸檢測的難題，具有很高的實(shí)用價值和應(yīng)用前景。參考圖1和圖2，本發(fā)明的探測系統(tǒng)包括脈沖源、控制模塊、接收機(jī)、超寬帶探測天線、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。脈沖源:采用AvTech公司的AVM_2_C型脈沖源。其輸出脈沖可由ECL電平外部觸發(fā)，脈寬在0.2-2ns、幅度在0-15V范圍內(nèi)可調(diào)?？刂颇K:控制模塊采用ARM9 2410處理器作為主控單元，結(jié)合輔助控制電路，產(chǎn)生用于控制脈沖源的外部觸發(fā)信號，控制脈沖源生成所需的超寬帶窄脈沖，超寬帶窄脈沖脈寬為0.2ns，幅度為4V，以保證超寬帶探測需要。同時，控制模塊可向接收機(jī)(存儲示波器)發(fā)送數(shù)據(jù)采集信號。超寬帶探測天線:對于超寬帶微波近場探測，要求探頭尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、具有超寬帶頻率特性。本系統(tǒng)中考慮到所使用脈沖寬度在0.2ns左右，在TEM喇叭天線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將發(fā)射與接收天線進(jìn)行組合，設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)緊湊，工作頻段為l_20Ghz的新型組合超寬帶探頭，該組合超寬帶探頭由兩個并排設(shè)置的TEM喇叭天線組合而成，分別負(fù)責(zé)超寬帶信號的發(fā)射與目標(biāo)散射信號的接收。為了使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，組合探頭中的每個TEM喇叭天線均可通過鏡像原理設(shè)計為半TEM喇叭天線結(jié)構(gòu)。其中，鏡像面板與同軸接頭的外導(dǎo)體相接，具有指數(shù)漸變結(jié)構(gòu)的一個TEM喇叭臂板與同軸接頭的內(nèi)導(dǎo)體相接，喇叭臂板末端通過電阻加載，構(gòu)成低頻補(bǔ)償回路。與采用單天線收/發(fā)共用探頭相比，采用收/發(fā)天線對作為探頭可降低對天線末端反射等的苛刻要求。發(fā)射天線接收從脈沖源生成的超寬帶窄脈沖信號，并轉(zhuǎn)換成電磁超寬帶脈沖信號發(fā)射到人體，當(dāng)超寬帶脈沖信號經(jīng)過發(fā)射天線穿過組織時，信號幅度以因子eaz指數(shù)衰減，其中α是組織的衰減常數(shù)，ζ代表距離。當(dāng)信號到達(dá)介電性質(zhì)不同的兩介質(zhì)的界面時，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。透射和反射的信號由下式給出Ei= τ *Ei(透射)和& =Γ -Ei (反射)，其中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)由下式給出
權(quán)利要求
1.一種基于超寬譜生物雷達(dá)的張力性氣胸檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括脈沖源、控制模塊、接收機(jī)、超寬帶探測天線、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和數(shù)據(jù)分析模塊； 脈沖源:采用AvTech公司的AVM-2-C型脈沖源； 控制模塊:控制模塊采用ARM9 2410處理器作為主控單元，產(chǎn)生用于控制脈沖源的外部觸發(fā)信號，控制脈沖源生成所需的超寬帶窄脈沖，超寬帶窄脈沖脈寬為0.2ns，幅度為4V ;控制模塊向接收機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集信號； 超寬帶探測天線:由兩個并排設(shè)置的TEM喇叭天線組合而成，分別負(fù)責(zé)超寬帶信號的發(fā)射與目標(biāo)散射信號的接收，組合探頭中的每個TEM喇叭天線均能通過鏡像原理設(shè)計為半 Μ喇叭天線結(jié)構(gòu)，其中，鏡像面板與同軸接頭的外導(dǎo)體相接，具有指數(shù)漸變結(jié)構(gòu)的一個TEM喇叭臂板與同軸接頭的內(nèi)導(dǎo)體相接，喇叭臂板末端通過電阻加載，構(gòu)成低頻補(bǔ)償回路；數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊:從接收機(jī)獲取目標(biāo)信號，運(yùn)行數(shù)據(jù)處理程序?qū)δ繕?biāo)信號預(yù)處理，進(jìn)行去除直達(dá)波、去直流等處理，并將預(yù)處理后的信號送到數(shù)據(jù)分析模塊； 數(shù)據(jù)分析模塊對經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析:①連續(xù)采樣8192點(diǎn)數(shù)據(jù)并保存，將采樣道數(shù)N+1，并設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)M = O ;②重復(fù)①操作，直到采樣道數(shù)N = 900 ;③針對每道采樣數(shù)據(jù)的對應(yīng)取平均，得出一個一維的8192點(diǎn)數(shù)據(jù)去掉前192個數(shù)據(jù)，剩余的8000點(diǎn)數(shù)據(jù)，以每連續(xù)40個數(shù)據(jù)為一組求和取平均，獲得一組一維200點(diǎn)數(shù)據(jù)；⑤對200點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并求能量；⑥求能量的極大值點(diǎn)，并求第5極大值點(diǎn)與總能量的比值；⑦該比值的大小 和肺中空氣量成正比關(guān)系；⑧根據(jù)肺中的空氣量給出是否為張力性氣胸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于超寬譜生物雷達(dá)的張力性氣胸檢測系統(tǒng)，包括脈沖源、控制模塊、接收機(jī)、超寬帶探測天線、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和數(shù)據(jù)分析模塊；脈沖源采用AvTech公司的AVM-2-C型脈沖源；控制模塊控制模塊采用ARM9 2410處理器作為主控單元，產(chǎn)生用于控制脈沖源的外部觸發(fā)信號，控制脈沖源生成所需的超寬帶窄脈沖，超寬帶窄脈沖脈寬為0.2ns，幅度為4V；控制模塊向接收機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集信號；首次提出利用超寬譜生物雷達(dá)來檢測氣胸這一科學(xué)問題，并以該科學(xué)問題為核心，將雷達(dá)技術(shù)與醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)相結(jié)合，提出建立精確的人體胸部組織的超寬譜電磁模型以及氣胸雷達(dá)信號檢測與特征提取技術(shù)方法。
文檔編號A61B5/00GK103082995SQ20121049627
公開日2013年5月8日 申請日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者焦騰, 張楊, 王 華, 于霄, 湯池, 薛惠君, 呂昊, 王健琪 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)