模拟灾害搜救条件下禁水禁食比格犬主要生命体征变化规律研究

马洋洋 梁福来 李钊 王健琪 张杨

0 引言

随着超宽谱（UWB）搜救雷达技术的发展，UWB 搜救雷达已在灾后搜救、反恐营救、临床监护、人体动作识别等领域展开了广泛研究，其中生命体目标探测定位和动作识别研究近年来取得了很大进展[1-7]，然而，基于搜救雷达技术的生命体状态识别研究却很少。受困人员生命状态是指地震等灾难发生后压埋受困人员的生理和心理状态，根据其呼吸、心跳、血压（平均动脉压）等生理信号特征可以分为代偿期、适应期、耗竭期和濒死期。在灾后搜救任务中，生命状态识别是一项非常重要和有用的技术，可为科学准确救援提供参考和指导。

在“时间就是生命”的灾后救援行动中，非接触生命状态识别技术可以帮助搜索人员穿透废墟探测到受困伤员，同时还可以了解目标生命状态和伤情严重程度，有助于救援人员根据不同伤员伤情紧急程度确定救援先后顺序并根据伤情决定急救器械和急救药品的调配等，达到以最优方案分配救援资源[8-10]的目的。在大多数灾后受困条件下，人们被困在没有水和食物供应的狭窄空间内等待救援，随着时间的推移，其生命体征将变的与正常情况不同；另外倒塌建筑物碎块的砸伤、挤压等也可能导致受困人员受伤并造成骨折、失血等，这些因素也会导致生命状态发生改变，所以研究受困人员生命状态识别技术非常有必要。由于所有受困人员都会伴随着食物和水的缺失，禁水禁食是受困人员的最主要生存条件，因此本文在禁水禁食条件下进行了生命状态变化规律的研究。

生命状态识别技术使搜救人员能够探测并识别出受困人员在缺水缺食条件下不同时期的生命状态[11]。连续监测缺氧条件下Wistar 大鼠在水、食物剥夺后生命体征的变化，结果表明在模拟深埋条件下，大鼠的耐受寿命为7 ～13 天，雄性存活时间短于雌性[12]。研究了模拟深埋缺氧条件下的比格犬禁水禁食的血气参数变化情况，结果表明犬动脉血氧分压降低，血清离子浓度和血药浓度紊乱，此过程具有快速、连续、渐进的特点[13]。根据Wistar 大鼠和比格犬生命体征的变化，将深埋条件下的生命状态分为四个时期，即代偿期、适应期、耗竭期和濒死期。以上结果均基于接触式测量技术，然而在地震、矿难等灾后救援现场，对于掩埋于废墟中无法接近的受困人员，往往需要穿透废墟进行非接触式测量，因此亟需研究非接触受困人员生命状态识别技术。

本文旨在研究比格犬在禁水禁食条件下，呼吸、心跳等主要生命信号的变化规律，为应急灾害救援中受困人员生命体状态识别技术研究提供基础和依据。被废墟掩埋人员探测大多需要搜救雷达等非接触生命探测设备，同时考虑到接触式绑带呼吸检测和心电检测技术的精确性，本文采用了接触式和非接触式两类测量方法，持续监测了禁水禁食条件下犬的呼吸、心跳、体温、体重4 种基本生理信号，对这些信号的变化规律及特征进行了分析；并对非接触和接触式测量的两种呼吸信号进行了对比，发现搜救雷达采集的呼吸信号与绑带呼吸传感器技术测量的呼吸信号在信号时域特征、频率特征、变化规律等方面具有一致性，证明搜救雷达可以应用于压埋人员的非接触探测和生命状态识别。

1 材料和方法

1.1 实验动物及方法

实验采用约12 月龄的健康比格犬2只（一公一母），由空军军医大学动物实验中心提供，公犬初始体重9.028kg，母犬初始体重9.835kg。

在实验室模拟禁水禁食条件下采集比格犬呼吸、心跳、肛温和体重等4 种信号，信号采集每间隔12 小时进行一次，每天早9 点和晚9 点各测量一次，直至比格犬死亡。其中呼吸、心跳信号采用接触式和非接触式两种采集方式，采用7.29 GHz、500 MHz 两种中心频率的超宽谱搜救雷达非接触测量呼吸、心跳信号，其中7.29 GHz 雷达自由空间采集，500 MHz 雷达穿墙采集；采用RM6240E绑带系统接触式测量呼吸信号；采用IXB3G 生物电信号采集系统进行5 导联心电信号的采集；同时测量比格犬的肛温和体重。信号种类及采集方式见表1。

1.2 数据采集

根据动物福利的要求，同时为了去除信号测量时犬肢体运动产生的干扰，我们采用ABS 小动物气体麻醉机将犬麻醉后进行接触式呼吸、心电信号测量，如图1 左图所示。非接触式呼吸、心跳信号自由空间测量场景如图1 中图所示，比格犬卧于实验台上， X4M20 型超宽谱雷达放置在与犬腹部高度相同，水平距离约0.6 米处，正对比格犬胸腹部，两者之间没有遮挡物，即处于自由空间测量状态。呼吸信号非接触穿墙测量场景如图1 右图所示，砖墙厚度为28 cm。其中X4M200 超宽谱雷达中心频率为7.29 GHz，带宽为2.5 GHz，因为其具有较高的中心频率和探测灵敏度，所以可在自由空间探测到呼吸、心跳等微弱信号。

2 实验结果

在单一禁水禁食条件下，母犬生存天数为31.5 天，公犬生存天数为29 天。

表1 采集的信号种类及采集方式

2.1 四种信号的变化规律

2.1.1 呼吸频率变化规律

两犬呼吸频率随时间变化规律如图2所示：母犬的呼吸率在0.10 Hz（6 次/分）～0.60 Hz（36 次/分）区间变动，总体呈现前高后低的变化趋势。由于禁水禁食后的机体代偿作用，其前9 天的呼吸率较高，多次出现0.55 Hz（33 次/分）以上的高频呼吸。第9 天以后开始逐渐下降直至死亡时的接近0.17 Hz（10 次/分）左右。公犬除了第23天出现0.63H（z38次/分）的较高呼吸频率外，其他时间段呼吸率均在0.17 Hz（10 次/分）～0.42 Hz（25 次/分）的较窄区间内波动，无明显上升或下降趋势直至死亡。

图1 比格犬生命体征信号采集场景

2.1.2 心率变化规律

犬心跳频率随时间变化规律如图3所示：母犬心率在1.08 Hz（65 次/分）～2.70 Hz（162 次/分）区间变动，前17 天心率较低，多在1.75 Hz 以内，17～23.5 天逐渐上升至最大值2.70 Hz，随后逐渐下降至死亡。公犬心率在1.42 Hz（85 次/ 分）～3.60 Hz（216 次/ 分）区间变动，前21 天心率逐渐上升至最大值3.60 Hz，随后逐渐下降至死亡。

2.1.3 体温的变化规律

总体来说公犬平均肛温略高于母犬。公犬26.5 天以前温度比较稳定，在36.6℃～39.3 ℃之间波动，平均体温37.9 ℃，26.5 天以后体温开始下降，第28 天下降到36 ℃以下，后急剧下降，1 天后死亡。母犬前29 天体温比较稳定，在37.2 ℃～39.3 ℃之间波动，平均体温37.8 ℃，29天以后体温开始下降，至30.5 天下降至36 ℃以下，后急剧下降，1 天后死亡。

2.1.4 体重的变化规律

在整个禁水禁食实验过程中，两犬体重均近似呈线性下降趋势，直至死亡。其中母犬初始体重9.835 kg，死亡时体重5.047 kg， 31.5 天共下降4.788 kg，平均每天下降0.152 kg。公犬的初始体重9.028 kg，死亡时的体重4.588 kg，29 天共下降4.440 kg，平均每天下降0.153 kg。

图2 禁水禁食条件下呼吸频率变化趋势

图3 禁水禁食条件下心率变化趋势

2.2 呼吸信号中后期时域特点及变异情况

比格犬正常状态以及禁水禁食初期其呼吸信号为近似正弦波，中后期波形发生变异，主要变异情况如下：

2.2.1 中后期呼吸波形中出现突起，后期呼吸幅值变小

母犬从第23.5 天开始底部波形出现突起，如图4 所示。从第26 天起，呼吸幅度明显减小，直到死亡。公犬也有类似的突起和后期幅值变小的情况出现。

2.2.2 中后期呼吸波形中出现凹陷

母犬从第18 天起，公犬从第19 天起，呼吸波形顶部或中部出现凹陷，如图5所示。两犬的凹陷波形在之后的测量中较频繁出现。

2.2.3 后期呼吸信号中耦合心跳信号

禁水禁食后期（28 天后）随着体重减小，两犬每次呼吸波形中都会耦合入心跳信号，表现为连续高频小幅突起，频率与心率一致。分析认为是因为长期禁水禁食导致体重下降较大，肌肉脂肪流失较多，因此采用绑带在胸部采集呼吸信号时，心脏跳动通过骨和皮肤较容易传导到体表被呼吸传感器检测到，从而导致检测的呼吸信号中耦合了心跳信号，母犬第29.5 天耦合了心跳的呼吸信号,如图6 所示。

图4 禁水禁食中后期，比格犬呼吸波形中出现突起

图5 禁水禁食中后期呼吸波形中出现凹陷

图6 耦合了心跳的呼吸信号

图7 公犬第22 天RM6240E 绑带呼吸波形与X4M20 雷达呼吸波形对比

2.3 X4M20 雷 达 呼 吸 信 号 与RM6240E 绑带呼吸信号的对比

本文在测量呼吸信号时均采用接触式绑带测量和非接触式雷达测量同时进行，分析两类呼吸信号发现它们在时域波形、频率、变异特点等均一致或类似，尤其是高中心频率的X4M20 雷达采集的呼吸信号与呼吸绑带测量的呼吸信号一致性较高。例如第11.5 天RM6240E 绑带和X4M20 雷达采集的母犬呼吸波形底部均出现平台，两者测量的呼吸频率一致。二者测量的公犬第22 天呼吸波的波峰位置均有凹陷出现，波谷有平台出现，且呼吸率基本一致，如图7 所示。因此，本文通过接触式测量方法得到的生命体征变化规律可以应用于搜救雷达的生命体状态识别技术研究。

3 讨论和建议

本文研究了模拟受困禁水禁食条件下比格犬呼吸、心跳、体温和体重等重要生命信号的变化规律，着重分析了禁水禁食中后期呼吸波形中发生的变异，验证了搜救雷达技术在非接触生命状态辨识研究中的可行性和有效性，为后续生命状态非接触辨识技术的研究提供了理论基础和技术支持。主要实验结果总结分析如下：（1）在禁水禁食中后期，两只比格犬呼吸信号时域波形都会发生明显变异，包括底部和顶部的凸起和凹陷、幅值降低等，这些变异可以作为生命状态辨识的特征，这也提示我们在今后的搜救行动中可以采用搜救雷达非接触监测受困人员呼吸信号，通过信号波形变异识别其生命状态，以此来指导救援。（2）两犬的体重均呈现线性下降趋势，体温信号则保持稳定，直至进入濒死期（约死亡前2.5 天始），随后急剧下降，从正常体温（约38 摄氏度）降至32摄氏度然后死亡。

值得一提的是，基于搜救雷达的生命信号监测技术具有非接触、远距离、无需连接任何传感器和电极的优势，而且目前主流的超宽谱搜救雷达具有较强的穿透能力和较高的探测灵敏度，这些优势使得超宽谱搜救雷达技术用于灾害救援中的受困人员生命状态识别成为可能。目前的搜救雷达技术是以呼吸为主要生命信号进行采集和分析的，在穿透较薄障碍物时还可以测量到心跳信号，但是目前应用于灾害救援的搜救雷达主要还是通过呼吸、心跳等生命信号的检测来实现受困目标有无探测和定位，而针对生命状态识别技术的研究和应用还未见报道。受困人体的生命状态甚至伤情状况信息对优化救援策略、指导科学救援至关重要，因此建议在将来的人员搜救行动中采用超宽谱搜救雷达监测并分析受困人员呼吸信号、心跳信号的变化趋势及变异情况，得到目标生命体的生命状态和伤情严重程度，以指导科学救援。

4 总结

本文采用多种信号采集方式，包括非接触搜救雷达测量方式和接触测量方式同时对呼吸、心跳信号进行采集，研究发现绑带和电极等接触方法测量的信号和搜救雷达测量的信号在不同生命分期内具有一致的变化规律和信号时域变异特征，验证了通过接触式测量信号研究得出的受困人员信号变化规律和特点可以用于非接触搜救雷达测量信号的生命状态辨识中，即通过对救援现场搜救雷达信号的分析和特征提取进行生命状态辨识和伤情研判是可行的，可以科学指导灾害救援的优先顺序，制定最佳营救策略。