本文關(guān)鍵詞：基于連續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體呼吸運(yùn)動(dòng)的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：太赫茲波是頻率在0.1~10 THz的電磁波,其頻段在電磁波譜上的位置處于微波與紅外線之間。從理論物理學(xué)角度看,是從電子學(xué)到光學(xué)的過(guò)渡區(qū)域,因此具有很多特性,如光子能量低、對(duì)生物組織無(wú)損傷、可穿透大多數(shù)非極性和非金屬材料、對(duì)生物大分子具有特征譜等。這些特性使太赫茲科學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具良好的前景,目前,已經(jīng)在生物效應(yīng)、光譜分析、醫(yī)學(xué)成像等方面取得了一定的研究成果。但太赫茲波在人體生理信號(hào)檢測(cè)方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道,太赫茲波能否用于非接觸檢測(cè)人體生理信號(hào)及相關(guān)生理參數(shù)還有待探索和研究。人體各種生理活動(dòng)所引起的體表微動(dòng),包含著豐富的生理信息,檢測(cè)到這些微動(dòng)并進(jìn)行分析,有助于臨床疾病診斷、健康監(jiān)測(cè)等。現(xiàn)有研究表明,人體體表微動(dòng)不僅包含人體生理信號(hào)的頻率信息,還能夠獲取定量的人體生理參數(shù),因此,人體體表微動(dòng)的定量檢測(cè)具有實(shí)際的臨床意義。目前,人體體表微動(dòng)檢測(cè)的主要方法是接觸式檢測(cè),這種方法對(duì)結(jié)果的客觀性有干擾。相較而言,非接觸檢測(cè)具有良好優(yōu)勢(shì),主要采用光學(xué)技術(shù)和生物雷達(dá)技術(shù),但前者難以穿透衣物、被褥等,應(yīng)用不便,而后者難以檢測(cè)到人體體表微動(dòng)的定量信息。針對(duì)上述問(wèn)題,本課題擬對(duì)連續(xù)太赫茲波非接觸檢測(cè)生理參數(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)研究,以人體呼吸運(yùn)動(dòng)為切入點(diǎn),探索太赫茲波能否、如何檢測(cè)人體體表微動(dòng)的定量信息,建立基于連續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體體表微動(dòng)位移及呼吸運(yùn)動(dòng)的理論方法。完成的主要工作包括:(1)研究了連續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體體表微動(dòng)的基本原理,建立了數(shù)學(xué)模型,提出了一套完整的基于連續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體體表微動(dòng)位移信息、進(jìn)而獲取人體呼吸信號(hào)的理論方法。(2)從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束在橫向范圍的強(qiáng)度分布情況。利用二維逐點(diǎn)掃描成像技術(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn),并從理論上解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,為連續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體體表微動(dòng)的位移信息及其數(shù)學(xué)模型的建立提供了理論依據(jù)。(3)設(shè)計(jì)和搭建了雙側(cè)、單側(cè)部署兩種形式的太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng),從硬件上實(shí)現(xiàn)了人體體表微動(dòng)位移信息、人體呼吸信號(hào)的非接觸檢測(cè),并總結(jié)和提出了系統(tǒng)搭建和調(diào)校的基本方法和具體步驟。在軟件方面,利用USB數(shù)據(jù)采集接口開(kāi)發(fā)了基于Lab VIEW平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了連續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體體表微動(dòng)及呼吸信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、顯示與記錄。(4)針對(duì)太赫茲波束的校準(zhǔn)難題,根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束在橫向范圍內(nèi)強(qiáng)度分布情況的研究結(jié)論,提出了一種遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束的校準(zhǔn)方法,確保了數(shù)學(xué)模型的有效性,提高了太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。(5)設(shè)計(jì)了一種適用于太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)的高精度人體體表微動(dòng)仿真模型。并利用該模型開(kāi)展了仿真實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真模型工作數(shù)據(jù)的同步比較及處理分析。驗(yàn)證了連續(xù)太赫茲波檢測(cè)微動(dòng)目標(biāo)位移信息的可行性以及數(shù)學(xué)模型的有效性,對(duì)太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和頻率響應(yīng)進(jìn)行了較為全面的性能評(píng)價(jià)。(6)開(kāi)展了人體目標(biāo)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。采用呼吸綁帶傳感器及Power Lab數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為參照工具,進(jìn)行了同步對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)兩種方法檢測(cè)結(jié)果在時(shí)域上的一致性分析以及在頻域上的準(zhǔn)確性分析,驗(yàn)證了連續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體目標(biāo)體表微動(dòng)位移及呼吸信號(hào)的可行性及有效性。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在理論上推導(dǎo)了人體體表微動(dòng)位移與胸廓周長(zhǎng)變化的關(guān)系。此外,對(duì)人體目標(biāo)不同測(cè)試體位、不同呼吸狀態(tài)下太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適用性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)上述工作的開(kāi)展,本研究取得了以下主要結(jié)果和結(jié)論:(1)提出了利用連續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體體表微動(dòng)及呼吸運(yùn)動(dòng)的方法,建立了獲取人體體表微動(dòng)位移的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了完整的太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)搭建調(diào)校地基本方法和具體步驟進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)與歸納。(2)通過(guò)成像實(shí)驗(yàn)與理論推導(dǎo),證明了遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束在橫向范圍內(nèi)的強(qiáng)度分布是基本均一的,可以近似為分布均勻的平面波。(3)提出了一種遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束校準(zhǔn)的新方法,該方法能夠確保太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)學(xué)模型的有效性,提高了太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。(4)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種適用于本研究的人體體表微動(dòng)仿真模型。該模型利用自制水模與線性導(dǎo)軌,仿真原理與太赫茲波檢測(cè)人體體表微動(dòng)的方法一致,且具有高精度、參數(shù)可控等特點(diǎn)。(5)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,利用連續(xù)太赫茲波能夠準(zhǔn)確檢測(cè)微動(dòng)目標(biāo)的位移信息和頻率信息。在人體體表微動(dòng)的典型位移范圍和人體呼吸運(yùn)動(dòng)的典型頻率范圍內(nèi),系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。(6)人體目標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,利用連續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體體表微動(dòng)及呼吸運(yùn)動(dòng)的方法對(duì)于實(shí)際人體目標(biāo)而言是可行和有效的。對(duì)于不同頻率和幅度的呼吸運(yùn)動(dòng),本方法均能準(zhǔn)確檢測(cè)人體體表微動(dòng)的位移信息,并獲得包含準(zhǔn)確頻率信息的人體呼吸信號(hào)。此外,背靠位及仰臥位均能有效降低和抑制體動(dòng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,是太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)先測(cè)試體位。(7)呼吸過(guò)程中人體胸部體表的微動(dòng)位移變化(Δx)與胸廓周長(zhǎng)變化(ΔL)近似線性相關(guān)。理論推導(dǎo)其線性關(guān)系為:?L??2??4??x。本研究的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有:(1)首次成功利用連續(xù)太赫茲波檢測(cè)到了人體體表微動(dòng)的位移信息,提出了基于連續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體體表微動(dòng)位移和呼吸運(yùn)動(dòng)的理論方法,建立了數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)搭建了完整的太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng),并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和人體目標(biāo)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性與有效性,評(píng)估了太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)的性能。對(duì)太赫茲波在非接觸生理參數(shù)檢測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了探索性的基礎(chǔ)研究。(2)研究了遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束在橫向范圍內(nèi)的強(qiáng)度分布情況。從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面證明了遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束在橫向范圍內(nèi)強(qiáng)度分布基本均一、能夠近似為強(qiáng)度分布均勻的平面波,為本課題中建立連續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體體表微動(dòng)位移的數(shù)學(xué)模型奠定了理論基礎(chǔ),也為遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。(3)提出了一種遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束的校準(zhǔn)方法。該方法根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束在橫向范圍內(nèi)強(qiáng)度分布近似均一這一研究結(jié)論,將原本作為強(qiáng)度中心的主光軸校準(zhǔn)問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀沃行牡墓馐?zhǔn)問(wèn)題,利用對(duì)稱性原理,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束的校準(zhǔn),確保了數(shù)學(xué)模型在硬件平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn),提高了太赫茲波檢測(cè)人體體表微動(dòng)位移的準(zhǔn)確性�；谶B續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體體表微動(dòng)位移及呼吸運(yùn)動(dòng)的方法對(duì)人體組織無(wú)損傷,屬于非接觸式檢測(cè)方法,并且能夠獲取體表微動(dòng)的位移信息,還可以穿透衣物、被褥、敷料等,兼顧了穿透性與定量檢測(cè),克服了現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)和方法的一些不足,具有一定的優(yōu)勢(shì)。此外,本方法無(wú)需復(fù)雜算法處理及時(shí)間累積就能夠獲得人體體表微動(dòng)的位移信息及呼吸信號(hào),具有高度實(shí)時(shí)性。論文從理論和實(shí)驗(yàn)角度對(duì)連續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體表微動(dòng)位移信息及呼吸運(yùn)動(dòng)的理論方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究和論述,對(duì)太赫茲技術(shù)在非接觸生理參數(shù)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的理論價(jià)值。與此同時(shí),本文提出的方法作為一種新的檢測(cè)技術(shù)手段,在臨床非接觸檢測(cè)人體生理參數(shù)、精確放療中實(shí)時(shí)追蹤腫瘤運(yùn)動(dòng)以及醫(yī)學(xué)影像中去除呼吸運(yùn)動(dòng)偽影方面都具有一定的應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】：太赫茲波 呼吸運(yùn)動(dòng) 生理參數(shù)檢測(cè) 非接觸 微動(dòng) 位移
【學(xué)位授予單位】：第四軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R443.6;O441.4
【目錄】：

• 縮略語(yǔ)表6-8
• 中文摘要8-12
• 英文摘要12-18
• 前言18-20
• 文獻(xiàn)回顧20-33
• 1 太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究20-23
• 2 人體呼吸運(yùn)動(dòng)及體表微動(dòng)的數(shù)學(xué)模型研究23-26
• 3 人體呼吸運(yùn)動(dòng)及體表微動(dòng)檢測(cè)方法的研究26-31
• 4 文獻(xiàn)總結(jié)31-33
• 第一部分 基本原理與數(shù)學(xué)模型33-54
• 1 太赫茲波的主要特性33-34
• 2 太赫茲波的相關(guān)理論34-38
• 2.1 太赫茲波在物質(zhì)中的傳播34-35
• 2.2 太赫茲波的反射和透射35-37
• 2.3 太赫茲波在自由空間中的準(zhǔn)光傳播37-38
• 3 太赫茲系統(tǒng)的主要裝置38-43
• 3.1 太赫茲波源38-39
• 3.2 太赫茲波探測(cè)器39-41
• 3.3 光學(xué)斬波器41
• 3.4 鎖相放大器41
• 3.5 聚乙烯透鏡41-42
• 3.6 線柵偏振器42-43
• 4 太赫茲波檢測(cè)人體體表微動(dòng)的基本原理43-45
• 5 遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束在橫向范圍的強(qiáng)度分布研究45-49
• 5.1 遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束在橫向范圍強(qiáng)度分布的實(shí)驗(yàn)研究46-47
• 5.2 遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束在橫向范圍強(qiáng)度分布的理論研究47-49
• 6 太赫茲波檢測(cè)人體呼吸運(yùn)動(dòng)及體表微動(dòng)位移的數(shù)學(xué)模型研究49-51
• 7 數(shù)學(xué)模型分析51-53
• 8 本章小結(jié)53-54
• 第二部分：太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建54-68
• 1 太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)54-57
• 1.1 雙側(cè)部署的設(shè)計(jì)方案54-55
• 1.2 單側(cè)部署的設(shè)計(jì)方案55-57
• 2 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的控制57-59
• 2.1 參考功率P_(ref)的控制57-58
• 2.2 波束橫截面半徑r的控制58-59
• 3 基于Lab VIEW的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集軟件開(kāi)發(fā)59-60
• 4 太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)的搭建與調(diào)校60-64
• 4.1 系統(tǒng)搭建與調(diào)校的基本思路60-61
• 4.2 系統(tǒng)搭建與調(diào)校的具體步驟61-64
• 5 遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲波束的校準(zhǔn)研究64-66
• 6 本章小結(jié)66-68
• 第三部分：太赫茲波檢測(cè)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)研究68-81
• 1 人體體表微動(dòng)仿真模型的設(shè)計(jì)68-70
• 1.1 水模設(shè)計(jì)與制作68-69
• 1.2 線性導(dǎo)軌69-70
• 2 系統(tǒng)準(zhǔn)確性評(píng)估實(shí)驗(yàn)70-76
• 2.1 實(shí)驗(yàn)方法70-73
• 2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果73-74
• 2.3 討論74-76
• 3 系統(tǒng)頻率響應(yīng)評(píng)估實(shí)驗(yàn)76-79
• 3.1 實(shí)驗(yàn)方法76-77
• 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果77-79
• 3.3 討論79
• 4 本章小結(jié)79-81
• 第四部分：太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)的人體目標(biāo)實(shí)驗(yàn)研究81-95
• 1 太赫茲波檢測(cè)人體目標(biāo)呼吸運(yùn)動(dòng)的同步對(duì)比實(shí)驗(yàn)81-87
• 1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)81-84
• 1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果84-85
• 1.3 討論85-87
• 2 不同測(cè)試體位下的人體目標(biāo)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)87-91
• 2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)87-89
• 2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果89-90
• 2.3 討論90-91
• 3 不同呼吸狀態(tài)下的人體目標(biāo)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)91-94
• 3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)91-92
• 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果92-93
• 3.3 討論93-94
• 4 本章小結(jié)94-95
• 小結(jié)95-97
• 參考文獻(xiàn)97-106
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷和研究成果106-107
• 致謝107-108

  本文關(guān)鍵詞：基于連續(xù)太赫茲波檢測(cè)人體呼吸運(yùn)動(dòng)的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：305090