“我們使用LabVIEW與PXI打造出生物雷達(dá)系統(tǒng)，有助于在遠(yuǎn)端輕松監(jiān)控個(gè)人的呼吸狀況。”

- Sharmi Banerjee, Texas Tech University

挑戰(zhàn)：

針對(duì)人體生命跡象，構(gòu)建非接觸式遠(yuǎn)端偵測(cè)系統(tǒng)原型，具備一定的靈活性以證實(shí)新的信號(hào)處理方式與結(jié)構(gòu)概念。

解決方案：

運(yùn)用NI LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件與NI PXI硬件，打造出連續(xù)多普勒雷達(dá)系統(tǒng)，此系統(tǒng)可套用多普勒效應(yīng)以測(cè)量人類生理信號(hào)。這款收發(fā)器系統(tǒng)配備了2個(gè)平板天線與NI PXIe-8133控制器，可測(cè)量生命跡象，并且還在LabVIEW中添加了實(shí)時(shí)信號(hào)處理功能。

人體生命跡象的非接觸式遠(yuǎn)端偵測(cè)系統(tǒng)引起了科學(xué)界與業(yè)界的高度關(guān)注，因?yàn)榇讼到y(tǒng)還能夠搜尋地震生還者、追蹤腫瘤、管理智能型電子醫(yī)療、監(jiān)控熟睡中的嬰兒或成人以便及早發(fā)現(xiàn)異常的呼吸狀況[1][2]。雖然在2000年之前，非接觸式生命跡象偵測(cè)系統(tǒng)的概念就已經(jīng)出現(xiàn)了，但本世紀(jì)以來(lái)人類陸續(xù)開(kāi)發(fā)出高級(jí)硬件與信號(hào)處理演算法，相關(guān)的技術(shù)研究也就變得越來(lái)越深入。

需要PXI架構(gòu)的非接觸式生命跡象偵測(cè)器

早在我們的研究之前，多普勒雷達(dá)技術(shù)就已用來(lái)感測(cè)生理活動(dòng)。不過(guò)這些技術(shù)大多采用儀器架構(gòu)，需要不少高級(jí)RF/微波元件，例如頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)分析儀等[3]，所以生物雷達(dá)系統(tǒng)的造價(jià)非常高。此外，一旦開(kāi)始測(cè)量，就必須使用不同的技術(shù)來(lái)執(zhí)行后續(xù)的信號(hào)處理。然而，我們選用了NI PXI硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)，無(wú)需零散的微波元件，也可以通過(guò)LabVIEW實(shí)時(shí)處理信號(hào)，同時(shí)采集數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)需求與設(shè)置

PXI構(gòu)架的雷達(dá)系統(tǒng)需要下列儀器：
· NI PXIe-5663矢量信號(hào)分析儀(VSA)包含了NI PXIe-5652 RF信號(hào)生成器、NI PXIe-5601 RF下變頻器、NI PXIe-562216 位IF數(shù)字化儀
· NI PXIe-5673矢量信號(hào)發(fā)生器(VSG)包含了NI PXIe-5450 400 MS/s I/Q信號(hào)發(fā)生器、NI PXIe-5611 I/Q矢量調(diào)制器和NI PXI-5652
· NI PXI-5691前置放大器
· 2個(gè)平板天線，可以其他類型的天線取代

整個(gè)PXI儀器安裝在PXIe-1075機(jī)箱內(nèi)，并且由PXIe-8133所控制。此外也可選用其他類型的機(jī)箱與控制器。

圖1為整個(gè)系統(tǒng)的連接設(shè)定。NI PXIe-5673 VSG會(huì)生成5.8 GHz的單音信號(hào)，傳輸天線(Tx)則會(huì)把此信號(hào)傳輸至待測(cè)物。  一旦接觸到人體此信號(hào)就會(huì)反彈，并且通過(guò)呼吸與心跳等生理運(yùn)動(dòng)而受到調(diào)制。接收天線(Rx)會(huì)捕捉已反射的信號(hào)，而PXI-5691前置放大器則會(huì)初步放大此信號(hào)。接著所收到的信號(hào)會(huì)提供給NI PXIe-5663 VSA，在此NI PXIe-5601會(huì)初步將此信號(hào)下變頻，同時(shí)NI PXIe-5652會(huì)提供5.8 GHz的局部振蕩器(LO)信號(hào)。然后NI PXIe-5622會(huì)把IF信號(hào)數(shù)字化，最后該信號(hào)會(huì)分為I與Q通道輸出。

選擇平板天線的原因是可以通過(guò)和VSG產(chǎn)生的相同頻率來(lái)傳輸/接收信號(hào)。我們這次演示將輸出功率設(shè)為5 dBm，這也是VSG的輸出功率準(zhǔn)位最大值。

請(qǐng)注意，在理想的情況下，單個(gè)LO可用于傳輸器與接收器，以便充分發(fā)揮范圍相關(guān)效應(yīng)[4]的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步避免振蕩器的相位噪音。然而，如果VSA與VSG使用兩個(gè)不同的LO，就可以更輕松的控制硬件。為了同步VSG與VSA，我們把PXI 10 MHz背板始終源當(dāng)作參考時(shí)鐘源。然而，該方法也有不利之處，那就是無(wú)法確保傳輸器與接收器之間的密切同步性。

只要接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻，并且由NI PXIe-5622加以數(shù)字化，LabVIEW編程就能用來(lái)讀取數(shù)字化的I/Q通道數(shù)據(jù)，并且顯示時(shí)域數(shù)據(jù)。快速傅里葉變換也可用來(lái)查看頻域內(nèi)復(fù)雜的整合數(shù)據(jù)頻譜。只要設(shè)置正確，就可以在時(shí)域內(nèi)查看到周期性的生理信號(hào)，也可在呼吸與心跳頻率的頻譜內(nèi)看到對(duì)應(yīng)的峰值。

圖1. 整個(gè)系統(tǒng)的程序框圖

圖2. 頻域與時(shí)域內(nèi)的呼吸測(cè)量

結(jié)果

如圖2所示，這是一名女性(坐在距離雷達(dá)1米遠(yuǎn))的監(jiān)控測(cè)量結(jié)果。  上方的子圖為接收器輸出的復(fù)雜信號(hào)頻譜，通過(guò)RFSA Acquire Continuous I/Q VI獲得。呼吸頻率出現(xiàn)一個(gè)明確的高峰，代表受測(cè)人員的呼吸速度為每分鐘22次。第二個(gè)子圖則是I與Q通道雷達(dá)輸出的時(shí)域信號(hào)。最后一個(gè)子圖代表了I與Q通道在星座圖內(nèi)的軌跡分布。我們使用LabVIEW與PXI打造出生物雷達(dá)系統(tǒng)，有助于在遠(yuǎn)端輕松監(jiān)控個(gè)人的呼吸狀況。

未來(lái)計(jì)劃

除了本研究演示的呼吸速度偵測(cè)之外，準(zhǔn)確測(cè)量心跳速度與生理運(yùn)動(dòng)形態(tài)對(duì)于許多醫(yī)療與診斷應(yīng)用而也非常重要。如要準(zhǔn)確還原心跳速度與原本的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，就必須執(zhí)行自動(dòng)的校準(zhǔn)[3]，LabVIEW也可納入更多的高級(jí)信號(hào)處理方法。我們的智能型生物雷達(dá)系統(tǒng)搭載了強(qiáng)大的PXI與LabVIEW工具，為信號(hào)處理專家、雷達(dá)工程師、生醫(yī)工程專業(yè)人員提供了無(wú)限的發(fā)揮空間。

作者：
Sharmi Banerjee - Texas Tech University
Changzhan Gu - Texas Tech University
Changzhi Li - Texas Tech University