基于精密线性模组的人体表面微动模拟方法研究

2015-12-27张小朋

医疗卫生装备 2015年9期

张小朋，安强，焦腾，张杨，于霄，吕昊

张小朋，安强，焦腾，张杨，于霄，吕昊

目的：设计一种可模拟呼吸、心跳引起的人体表面微动的新方法，为生物雷达技术研究提供探测目标和标定信号。方法：采用精密线性模组将旋转运动转变为高精度的线性位移，并采用交流伺服电动机精确控制模组旋转，最终输出具有定量化位移参数的超低频微动。结果：按照该方法建立了一套新的人体表面微动模拟系统。与课题组原有模拟系统相比，该系统输出微动的稳定性高，且具备定量控制位移参数的功能。结论：该方法为有效模拟呼吸、心跳引起的人体表面微动奠定了技术基础，可推动生物雷达技术的研究向更深和更高层次发展。

生物雷达；精密线性模组；人体表面微动；模拟

0 引言

生物雷达是近年来国际上研究广泛的一种新概念雷达[1-2]。它以雷达发射的电磁波为探测媒介，检测人体生理活动（呼吸、心跳等）所引起的身体表面微动，从而实现对生命信号的探测[2-3]。与传统探测方法相比，这种技术具有非接触、远距离和能穿透非金属障碍的优点，因而在医学、军事、国家安全等领域具有广泛的应用前景[1-4]。

在生物雷达技术研究中，通常采用志愿者作为探测目标，极易受人员限制而无法开展实验，且目标个体差异（年龄、性别、姿势等）导致难以客观评价实验结果。因此，迫切需要模拟呼吸、心跳引起的人体表面微动，为生物雷达的实验研究提供探测目标，特别是为其定量调试和检测提供稳定的标定信号[5]。针对这一问题，目前国内外仅有少数文献进行了报道[5-9]。例如，有研究人员采用信号发生器驱动特制的低频扬声器，利用扬声器纸盆的振动产生所需的微动[5-6]；还有研究人员采用呼吸机带动气囊膨胀和收缩来模拟人体呼吸引起的体表微动[7]。由于扬声器振动和气囊胀缩的非线性，上述2种方法所产生微动的稳定性难以保证，更重要的是无法实现微动位移参数的精确控制，严重制约生物雷达技术的研究向更深和更高层次发展。近年来，有研究文献报道电动机驱动线性位移器件可实现人体表面微动模拟时位移参数的定量控制[8-9]。但人体呼吸的频率可低至零点几赫兹，所引起的体表微动幅度仅为毫米级[10]。要模拟这种超低频微动，常规线性器件的精度难以满足要求。

本文以精密线性模组为核心器件，设计了一种模拟人体表面微动的新方法。实验表明，按照该方法建立的模拟系统可产生具有稳定位移和精确频率参数的超低频微动，从而为有效模拟呼吸、心跳引起的人体表面微动奠定了技术基础，对推动生物雷达技术的研究向更深和更高层次发展具有重要意义。

1 设计方案

1.1 精密线性模组

线性模组是自动化工业领域常用的一种单轴直线传动装置，主要通过模组化设计将滚珠螺杆和线性滑轨整合在一起，从而使螺杆的旋转运动转化为直线运动。其工作原理如图1所示，模组旋转360°，将在螺杆轴向上产生定量的直线位移。该位移的大小由螺纹线上相邻两齿对应点的轴向距离决定，即滚珠螺杆的导程。这意味着通过精确控制模组的旋转度数，就能输出定量化的位移，进而模拟呼吸、心跳引起的人体表面微动。

图1 线性模组的基本工作原理图

正常情况下，人体呼吸引起的胸壁运动幅度为4～12 mm，人体心跳引起的胸壁运动幅度约为1 mm[10]。要产生以上量级的位移，关键在于选择具有高精度导程的线性模组。本文采用近年来广泛用于工业机器人的KK精密线性模组。该模组导程为1 mm，最大行程60 mm，并且具备0.02 mm的重复运动精度。此外，该模组具有精度高、体积小、质量轻等优点，满足模拟人体表面微动的要求。

1.2 交流伺服电动机

精密线性模组是产生线性位移的核心器件，其运动必须通过电动机的旋转来带动。用于带动线性模组的电动机一般分为步进和伺服2类。相对于步进电动机，伺服电动机带有旋转编码器，可进行位置反馈，因而控制精度更高，并且运行平稳、响应速度快。特别是交流伺服电动机低频特性好，在低速时不会出现振动现象，是模拟超低频人体表面微动的首选。

本文采用全数字式交流伺服电动机，功率为50 W，自带增量式旋转编码器，可将电动机的反馈电信号转变成计数脉冲，用脉冲个数表示旋转量。该编码器的解析度为10 000线，即电动机旋转360°产生10 000个反馈脉冲，这意味着给电动机输入一个脉冲可使其旋转0.036°。因此，可通过控制输入脉冲精确控制伺服电动机的旋转度数。在电动机的带动下，精密线性模组将旋转运动转化为线性运动，最终输出具有定量化位移参数的微动。

1.3 系统设计方案

根据上述思想，人体表面微动模拟系统的设计方案如图2所示。交流伺服电动机在驱动器的控制指令下，驱动精密线性模组产生直线位移，并带动模组上安装的反射体模拟人体表面的微动。与此同时，电动机编码器将位移量反馈给驱动器形成闭环，驱动器具备自动误差补偿功能，从而实现对电动机旋转的精确控制。上位控制器用于调控整个系统的运行，主要完成人体表面微动的参数设置、电动机初始化、模式选择等工作。整个系统采用交、直流双电源供电，220 V交流市电为电动机和上位控制器供电，并通过AC/DC转换成24 V直流电为驱动器供电。

图2 人体表面微动模拟系统框图

伺服电动机有3种旋转模式：位置、速度和转矩。本文选择位置控制模式，由上位控制器发送脉冲指令给驱动器，驱动器根据该指令控制电动机旋转。如图3所示，脉冲指令采用PULSE/DIR双线方式。其中DIR线用高低电平控制电动机的正反转，使精密线性模组产生周期性的往复运动，DIR线半周期时间控制输出微动的频率参数；PULSE线上的脉冲个数控制电动机的旋转度数，带动精密线性模组输出定量化的位移，从而实现位移参数的精确控制。以模拟频率0.1 Hz、位移1 mm的人体呼吸运动为例：0.1 Hz对应的运动周期为10 s，这时DIR线应输出的高低电平各为5 s；1 mm位移量刚好对应模组导程，即模组需旋转完整一周（±180°）。如1.2所述，一个脉冲可使电动机旋转0.036°，则PULSE线上的每半个周期需要输出180/0.036=5 000个脉冲。

图3 伺服电动机脉冲指令方式

2 实验与结果

为验证上述设计方案的可行性，本研究完成了人体表面微动模拟系统的搭建，该系统实物照片如图4所示。为避免额外的软硬件设计任务，系统采用模块化结构：上位控制器基于个人计算机（personal computer，PC）进行软件控制，驱动器选择与电动机匹配的通用伺服驱动器，AC/DC使用直流稳压电源，反射体为一面积为16 cm×9 cm的金属平板。其中上位控制软件选用通用的伺服电动机调控软件，能控制系统输出位移和频率参数可调的往复运动，从而有效地模拟呼吸引起的人体表面微动。

图4 新建的人体表面微动模拟系统图

2.1 实验方法

为评价该系统性能，本研究使用生物雷达对其进行了探测实验。实验采用400 MHz中心频率的超宽谱（ultra-wide band，UWB）生物雷达，时窗设置为0～20 ns，此时雷达有效探测范围为0～3 m。模拟系统放置于生物雷达视线方向，反射体距离雷达天线1 m。采样点数、扫描频率等参数分别设置为2 048点、64 Hz，满足人体呼吸等生命信号探测时奈奎斯特采样定律的要求[11]。生物雷达回波数据经过信噪比改善、背景去除等预处理后进行谱分析。谱分析采用常规的快速傅氏变换（fast Fourier transformation，FFT）方法计算功率，在回波数据的时间维度上进行，得到回波数据的距离-频率分布。然后根据实验中目标距离的先验知识，提取目标功率谱中峰值频率点的数值作为后续性能评价的主要参考指标。

实验中，模拟系统输出微动的位移参数分别设定为1、4、6、10、12 mm，同时每种位移又对应0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 Hz 5种频率。对上述每种位移-频率参数组合的模拟系统，使用UWB生物雷达进行探测并重复采集数据（20次）。对每个数据进行处理，提取所需的性能评价指标，然后分组进行分析：计算每组的均值、标准差，并求出变异系数（coefficient of variance，CV）。变异系数是概率分布离散程度的归一化量度，可衡量模拟系统输出微动的稳定性，其定义如下：

式中，SD和MN分别代表标准差和均值。

与此同时，本研究还使用课题组原有的人体表面微动模拟系统进行了对比探测实验。该系统用信号发生器驱动低频扬声器带动金属反射面振动，不具备输出定量位移的功能。因此，实验中以该系统为目标进行探测时，通过恒定信号发生器输出电压来保持固定输出位移，在此基础上采集了0.1～0.5 Hz 5种不同频率参数的数据。

2.2 实验结果

图5为新建人体表面微动模拟系统设定位移4mm、频率0.1 Hz时，UWB生物雷达回波数据的处理结果。从图5（a）中可以看出，目标对应的距离（约1 m）出现明显的峰值。图5（b）为目标距离点上的功率谱，功率峰值约为5×106（由于采用数字化处理，图5（b）中纵坐标无单位，表1和表2相同）。实验中以此为指标来衡量系统输出微动的位移大小，并分组计算MN、SD和CV来评价其稳定程度。

图5 生物雷达回波数据处理结果

表1列出了2种人体表面微动模拟系统的数据分析结果。组别中以“New”开头的数据对应本研究新建的模拟系统，每组数据对应的位移和频率参数由后面的数字标志。以“New_4_01”为例，4代表实验中系统位移设定为4 mm，01代表频率设定为0.1 Hz，其他照此类推。而课题组原有的模拟系统以“Old”开头，由于实验中输出位移固定，其后的数字仅标志不同频率。

从表1中可以看出，“Old_01”的CV为15.31%，是所有组中最大的。同时新建模拟系统在位移6 mm、频率0.1 Hz时对应的CV达到了11.13%（见“New_ 6_01”组），与前者相比并没表现出显著差异。然而进一步观察表中结果可发现，原模拟系统的5组MN最大值可达1.17e+008，而最小值仅为6.40e+006，二者表现出了数量级上的差别，表明该系统频率变化时，难以输出具有稳定位移量的微动。因此，将2种系统的数据分析结果仅以位移为依据重新分组，计算出各组的MN、SD和CV，见表2。从表2中可以看出，原系统的CV高达52.11%，而新系统的CV最大值仅为14.34%，且各组间比较均衡，表明该系统在输出位移的稳定性上要明显好于课题组原有的人体表面微动模拟系统。

表1 2种人体表面微动模拟系统的数据分析结果（按照位移、频率分组）

3 结论

本研究提出了一种模拟呼吸、心跳引起的人体表面微动的新方法，该方法采用精密线性模组将旋转运动转变为直线位移，并且通过交流伺服电动机控制模组旋转来输出具有定量位移参数的微动。实验表明，按照该方法建立的模拟系统能输出稳定的超低频微动，且能精确控制输出微动的位移大小，从而为生物雷达技术的深入研究提供定量化的标定信号。例如，该系统输出位移为1 mm时，超出了所用UWB生物雷达的探测性能极限，与课题组前期研究所得到的理论分析结果基本相符[11]，故这部分数据分析结果未在表1和表2中列出。针对这一问题，可通过进一步细化该模拟系统的输出位移，实现对UWB生物雷达探测性能的定量评价，并研究决定其性能的关键因素，从而为UWB生物雷达的设计提供理论指导。

在本文基础上，下一步工作将主要集中在2个方面：（1）通过实验修正模拟系统反射体的材料和面积，使其接近人体反射系数；（2）开发专用的上位控制软件，实现系统输出微动波形、相位等参数的实时控制，从而更精确地模拟呼吸、心跳引起的人体表面微动。

[1]CHEN K M，ZHANG J P，Norman A，et al.Microwave life-detection systems for searching human subjects under earthquake rubble or behind barrier[J].IEEE Trans Biomed Eng，2000，47（1）：105-114.

[2]Jang B J，Wi S H，Yook J G，et al.Wireless bio-radar sensor for heartbeat and respiration detection[J].Progress in Electromagnetics Research，2008，5：149-168.

[3]Dei D，Grazzini G，Luzi G，et al.Non-contact detection of breathing using a microwave sensor[J].Sensors，2009，9（4）：2 574-2 585.

[4]Staderini E M.UWB radars in medicine[J].IEEE Aerosp Electron Syst May，2002，17（1）：13-18.

[5]吕昊，王健琪，荆西京，等.模拟人体系统中生命信号发生器的研究[J].医疗卫生装备，2006，27（9）：11-12.

[6]Takeuchi T，Saito H，Aoki Y，et al.SICE Annual Conference，Tokyo，August 20-22，2008[C].Tokyo：IEEE，2008.

[7]李钊，王健琪，荆西京，等.用于生命探测的人体呼吸运动模拟系统研制[J].医疗卫生装备，2010，31（3）：40-41.

[8]Sharafi A M，Baboli M，Eshghi M.4th International Conference on Bioinformation and Biomedical Engineering（iCBBE），Chengdu，June 18-20，2010[C].Chengdu：IEEE，2010.

[9]Salmi J，Molisch A F.Propagation parameter estimation，modeling and measurements for ultrawideband MIMO radar[J].IEEE Trans Airborne Electron，2011，59（11）：4 257-4 267.

[10]Droitcour A.Non-contact measurement of heart and respiration rates with a single-chip microwave Doppler radar[D].CA：Stanford University，2006.

[11]LV H，LI W Z，LI Z，et al.Characterization and identification of IRUWB respiratory-motion response of trapped victims[J].IEEE Trans Geosci Remoto Sens，2014，52（11）：7 195-7 204.

（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