基于连续太赫兹波检测人体呼吸运动的研究

发布时间：2017-04-14 03:16

  本文关键词：基于连续太赫兹波检测人体呼吸运动的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：太赫兹波是频率在0.1~10 THz的电磁波,其频段在电磁波谱上的位置处于微波与红外线之间。从理论物理学角度看,是从电子学到光学的过渡区域,因此具有很多特性,如光子能量低、对生物组织无损伤、可穿透大多数非极性和非金属材料、对生物大分子具有特征谱等。这些特性使太赫兹科学技术在生物医学领域的应用具良好的前景,目前,已经在生物效应、光谱分析、医学成像等方面取得了一定的研究成果。但太赫兹波在人体生理信号检测方面的研究尚未见报道,太赫兹波能否用于非接触检测人体生理信号及相关生理参数还有待探索和研究。人体各种生理活动所引起的体表微动,包含着丰富的生理信息,检测到这些微动并进行分析,有助于临床疾病诊断、健康监测等。现有研究表明,人体体表微动不仅包含人体生理信号的频率信息,还能够获取定量的人体生理参数,因此,人体体表微动的定量检测具有实际的临床意义。目前,人体体表微动检测的主要方法是接触式检测,这种方法对结果的客观性有干扰。相较而言,非接触检测具有良好优势,主要采用光学技术和生物雷达技术,但前者难以穿透衣物、被褥等,应用不便,而后者难以检测到人体体表微动的定量信息。针对上述问题,本课题拟对连续太赫兹波非接触检测生理参数进行基础研究,以人体呼吸运动为切入点,探索太赫兹波能否、如何检测人体体表微动的定量信息,建立基于连续太赫兹波检测人体体表微动位移及呼吸运动的理论方法。完成的主要工作包括:(1)研究了连续太赫兹波检测人体体表微动的基本原理,建立了数学模型,提出了一套完整的基于连续太赫兹波检测人体体表微动位移信息、进而获取人体呼吸信号的理论方法。(2)从理论和实验两方面研究了远场太赫兹波束在横向范围的强度分布情况。利用二维逐点扫描成像技术开展实验,并从理论上解释了实验结果,为连续太赫兹波检测人体体表微动的位移信息及其数学模型的建立提供了理论依据。(3)设计和搭建了双侧、单侧部署两种形式的太赫兹检测系统,从硬件上实现了人体体表微动位移信息、人体呼吸信号的非接触检测,并总结和提出了系统搭建和调校的基本方法和具体步骤。在软件方面,利用USB数据采集接口开发了基于Lab VIEW平台的实时数据采集系统,实现了连续太赫兹波检测人体体表微动及呼吸信号的实时采集、显示与记录。(4)针对太赫兹波束的校准难题,根据远场太赫兹波束在横向范围内强度分布情况的研究结论,提出了一种远场太赫兹波束的校准方法,确保了数学模型的有效性,提高了太赫兹检测系统的准确性与可靠性。(5)设计了一种适用于太赫兹检测系统的高精度人体体表微动仿真模型。并利用该模型开展了仿真实验,通过对太赫兹检测系统实测数据与仿真模型工作数据的同步比较及处理分析。验证了连续太赫兹波检测微动目标位移信息的可行性以及数学模型的有效性,对太赫兹检测系统的准确性和频率响应进行了较为全面的性能评价。(6)开展了人体目标的检测实验。采用呼吸绑带传感器及Power Lab数据采集系统作为参照工具,进行了同步对比实验。通过对两种方法检测结果在时域上的一致性分析以及在频域上的准确性分析,验证了连续太赫兹波检测人体目标体表微动位移及呼吸信号的可行性及有效性。并根据实验结果,在理论上推导了人体体表微动位移与胸廓周长变化的关系。此外,对人体目标不同测试体位、不同呼吸状态下太赫兹检测系统的稳定性和适用性进行了实验研究。通过上述工作的开展,本研究取得了以下主要结果和结论:(1)提出了利用连续太赫兹波检测人体体表微动及呼吸运动的方法,建立了获取人体体表微动位移的数学模型,并通过硬件设计和软件开发实现了完整的太赫兹检测系统,对系统搭建调校地基本方法和具体步骤进行了详细的总结与归纳。(2)通过成像实验与理论推导,证明了远场太赫兹波束在横向范围内的强度分布是基本均一的,可以近似为分布均匀的平面波。(3)提出了一种远场太赫兹波束校准的新方法,该方法能够确保太赫兹检测系统对数学模型的有效性,提高了太赫兹检测系统的准确性。(4)设计开发了一种适用于本研究的人体体表微动仿真模型。该模型利用自制水模与线性导轨,仿真原理与太赫兹波检测人体体表微动的方法一致,且具有高精度、参数可控等特点。(5)仿真实验结果证明,利用连续太赫兹波能够准确检测微动目标的位移信息和频率信息。在人体体表微动的典型位移范围和人体呼吸运动的典型频率范围内,系统检测结果准确可靠。(6)人体目标实验结果证明,利用连续太赫兹波检测人体体表微动及呼吸运动的方法对于实际人体目标而言是可行和有效的。对于不同频率和幅度的呼吸运动,本方法均能准确检测人体体表微动的位移信息,并获得包含准确频率信息的人体呼吸信号。此外,背靠位及仰卧位均能有效降低和抑制体动对检测结果的影响,是太赫兹检测系统的优先测试体位。(7)呼吸过程中人体胸部体表的微动位移变化(Δx)与胸廓周长变化(ΔL)近似线性相关。理论推导其线性关系为:?L??2??4??x。本研究的主要创新点有:(1)首次成功利用连续太赫兹波检测到了人体体表微动的位移信息,提出了基于连续太赫兹波检测人体体表微动位移和呼吸运动的理论方法,建立了数学模型,设计搭建了完整的太赫兹检测系统,并通过仿真实验和人体目标实验验证了方法的可行性与有效性,评估了太赫兹检测系统的性能。对太赫兹波在非接触生理参数检测方面的应用进行了探索性的基础研究。(2)研究了远场太赫兹波束在横向范围内的强度分布情况。从实验和理论两方面证明了远场太赫兹波束在横向范围内强度分布基本均一、能够近似为强度分布均匀的平面波,为本课题中建立连续太赫兹波检测人体体表微动位移的数学模型奠定了理论基础,也为远场太赫兹波束的应用提供了理论依据。(3)提出了一种远场太赫兹波束的校准方法。该方法根据远场太赫兹波束在横向范围内强度分布近似均一这一研究结论,将原本作为强度中心的主光轴校准问题转变为几何中心的光束校准问题,利用对称性原理,实现了远场太赫兹波束的校准,确保了数学模型在硬件平台上的实现,提高了太赫兹波检测人体体表微动位移的准确性。基于连续太赫兹波检测人体体表微动位移及呼吸运动的方法对人体组织无损伤,属于非接触式检测方法,并且能够获取体表微动的位移信息,还可以穿透衣物、被褥、敷料等,兼顾了穿透性与定量检测,克服了现有检测技术和方法的一些不足,具有一定的优势。此外,本方法无需复杂算法处理及时间累积就能够获得人体体表微动的位移信息及呼吸信号,具有高度实时性。论文从理论和实验角度对连续太赫兹波检测人体表微动位移信息及呼吸运动的理论方法进行了系统研究和论述,对太赫兹技术在非接触生理参数检测领域的应用具有重要的理论价值。与此同时,本文提出的方法作为一种新的检测技术手段,在临床非接触检测人体生理参数、精确放疗中实时追踪肿瘤运动以及医学影像中去除呼吸运动伪影方面都具有一定的应用前景。
【关键词】：太赫兹波 呼吸运动 生理参数检测 非接触 微动 位移
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R443.6;O441.4
【目录】：

• 缩略语表6-8
• 中文摘要8-12
• 英文摘要12-18
• 前言18-20
• 文献回顾20-33
• 1 太赫兹技术在生物医学领域的应用研究20-23
• 2 人体呼吸运动及体表微动的数学模型研究23-26
• 3 人体呼吸运动及体表微动检测方法的研究26-31
• 4 文献总结31-33
• 第一部分 基本原理与数学模型33-54
• 1 太赫兹波的主要特性33-34
• 2 太赫兹波的相关理论34-38
• 2.1 太赫兹波在物质中的传播34-35
• 2.2 太赫兹波的反射和透射35-37
• 2.3 太赫兹波在自由空间中的准光传播37-38
• 3 太赫兹系统的主要装置38-43
• 3.1 太赫兹波源38-39
• 3.2 太赫兹波探测器39-41
• 3.3 光学斩波器41
• 3.4 锁相放大器41
• 3.5 聚乙烯透镜41-42
• 3.6 线栅偏振器42-43
• 4 太赫兹波检测人体体表微动的基本原理43-45
• 5 远场太赫兹波束在横向范围的强度分布研究45-49
• 5.1 远场太赫兹波束在横向范围强度分布的实验研究46-47
• 5.2 远场太赫兹波束在横向范围强度分布的理论研究47-49
• 6 太赫兹波检测人体呼吸运动及体表微动位移的数学模型研究49-51
• 7 数学模型分析51-53
• 8 本章小结53-54
• 第二部分：太赫兹检测系统的设计与搭建54-68
• 1 太赫兹检测系统的设计54-57
• 1.1 双侧部署的设计方案54-55
• 1.2 单侧部署的设计方案55-57
• 2 系统关键参数的控制57-59
• 2.1 参考功率P_(ref)的控制57-58
• 2.2 波束横截面半径r的控制58-59
• 3 基于Lab VIEW的实时数据采集软件开发59-60
• 4 太赫兹检测系统的搭建与调校60-64
• 4.1 系统搭建与调校的基本思路60-61
• 4.2 系统搭建与调校的具体步骤61-64
• 5 远场太赫兹波束的校准研究64-66
• 6 本章小结66-68
• 第三部分：太赫兹波检测系统的仿真实验研究68-81
• 1 人体体表微动仿真模型的设计68-70
• 1.1 水模设计与制作68-69
• 1.2 线性导轨69-70
• 2 系统准确性评估实验70-76
• 2.1 实验方法70-73
• 2.2 实验结果73-74
• 2.3 讨论74-76
• 3 系统频率响应评估实验76-79
• 3.1 实验方法76-77
• 3.2 实验结果77-79
• 3.3 讨论79
• 4 本章小结79-81
• 第四部分：太赫兹检测系统的人体目标实验研究81-95
• 1 太赫兹波检测人体目标呼吸运动的同步对比实验81-87
• 1.1 实验设计81-84
• 1.2 实验结果84-85
• 1.3 讨论85-87
• 2 不同测试体位下的人体目标检测实验87-91
• 2.1 实验设计87-89
• 2.2 实验结果89-90
• 2.3 讨论90-91
• 3 不同呼吸状态下的人体目标检测实验91-94
• 3.1 实验设计91-92
• 3.2 实验结果92-93
• 3.3 讨论93-94
• 4 本章小结94-95
• 小结95-97
• 参考文献97-106
• 个人简历和研究成果106-107
• 致谢107-108

  本文关键词：基于连续太赫兹波检测人体呼吸运动的研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：305090