mmWave Radar voor contactloze monitoring van hartslag en ademhaling

Vitale functies – lichaamstemperatuur, bloeddruk, ademhalingsfrequentie en hartslag – bieden clinici directe inzicht in de gezondheidsstatus van een patiënt en het verloop van herstel of achteruitgang. Deze metrics variëren met leeftijd, geslacht, gewicht, fitness en huidige fysieke of mentale activiteit. Tijdens oefening stijgen lichaamstemperatuur, ademhalingsfrequentie en hartslag natuurlijk.

Millimeter-golf (mmWave) radars zenden korte-golfradio-zender uit die afkaatsen van objecten, wat het systeem in staat stelt om bereik, snelheid en hoek met millimeter-precisie af te leiden. Deze capaciteit maakt mmWave een ideaal, contact-vrij platform voor continue vitale-functie monitoring, wat de noodzaak voor plak-sensoren elimineert en infectierisico vermindert – met name belangrijk tijdens pandemieën.

In dit artikel verkennen we hoe mmWave radar ademhalingsfrequentie (BR) en hartslag (HR) kan detecteren, de uitdagingen betrokken, en de opkomende gezondheidszorgtoepassingen.

Wat onthullen BR en HR?

Typische gezonde ranges voor BR en HR worden hieronder samengevat (Tabel 1). Individuele waarden verschillen per leeftijd, geslacht, fitness en activiteitsniveau, dus een gecombineerde assessering van HR en BR helpt clinici stress en algemeen welzijn te beoordelen.

Tabel 1: Vitale waarden van een gezond persoon

Leeftijdsspecifieke rustende hartslagen worden gedetailleerd in Tabel 2 (bron: Wikipedia).

Tabel 2: Leeftijdsgewijze Rustende Hartslag

Figuur 1 illustreert hoe HR fluctueert met fitness, stress en medische condities (bron: AAAI 2018).

klik voor grotere afbeelding

Figuur 1: HR Variatie door Fitness, Stress en Medische Staat

Afwijkende BR en HR kunnen levensbedreigende condities signaleren zoals obstructieve slaapapneu (OSA), sudden infant death syndrome (SIDS), dyspneu en chronisch obstructieve longziekte. Figuur 2 toont karakteristieke adempatronen over deze stoornissen (bron: ClinicalGate).

klik voor grotere afbeelding

Figuur 2: Adempatroon Over Condities

Hoge rustende hartslag correleert met verhoogd cardiovasculair risico, terwijl lage rustende hartslag toekomstige pacemaker-behoefte kan voorspellen. Continue, contactloze monitoring van BR en HR kan dus levensreddend zijn voor kwetsbare patiënten.

Contact vs. Contact-vrije Monitoring

Traditionele vitale-functie apparaten – zoals ECG-elektroden en pulsoximeters – vereisen direct huidcontact. Voor langetermijnmonitoring is dit ongemakkelijk en verhoogt het kruisbesmettingsrisico. Contact-vrije sensoren, met name mmWave radar, bieden een veiliger alternatief door minieme borstbewegingen op afstand te meten.

mmWave Radar Fundamentals

mmWave radars opereren op 30–300 GHz, overeenkomend met golflengtes van 10–1 mm. Industriële toewijzingen beslaan 60–64 GHz, terwijl automotive-systemen 76–81 GHz gebruiken. De korte golflengte maakt compacte antennes en sub-millimeter precisie in bereikdetectie mogelijk.

We focussen op frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radars. FMCW transmitteert een lineaire chirp – frequentie stijgt over tijd – en vangt het gereflecteerde signaal op. Het verschil tussen gezonden en ontvangen frequenties levert afstand; faseverschuivingen onthullen beweging.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 3: Chirp in Tijddomein

Een typisch FMCW radar blokdiagram wordt getoond in Figuur 4 (bron: TI.com).

klik voor grotere afbeelding

Figuur 4: FMCW Radar Blokdiagram

De mixer combineert gezonden en ontvangen signalen, producerend een intermediate frequency (IF) die som- en verschilcomponenten bevat. Een low-pass filter isoleert de verschilcomponent, wat dan Fourier-getransformeerd wordt om pieken te onthullen die corresponderen met objectbereiken.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 5: Frequentiedomein Representatie van TX/RX Chirps en IF Tonen

Snelheid wordt afgeleid uit faseverschillen tussen opeenvolgende chirps, het Doppler-effect benutmend. De korte mmWave-golflengte (≈ 3,5 mm) versterkt fasegevoeligheid, wat detectie van sub-millimeter bewegingen mogelijk maakt.

Detecteren van Hartslag en Ademhaling met mmWave

mmWave radars opererend op 60 of 77 GHz kunnen borstbewegingen zo klein als een fractie van een millimeter voelen. Figuur 6 toont de signaalstroom: chirps worden gezonden naar de borst, het gereflecteerde signaal wordt range-FFT-verwerkt om de borst-bin te isoleren, en de fase van die bin wordt over tijd getrackt.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 6: HR en BR Detectie Setup

Uit de snelheidstijdreeks isoleert een Doppler FFT frequentiecomponenten die corresponderen met hartslagen (≈ 0,8–2 Hz) en ademhaling (≈ 0,1–0,5 Hz). Het tellen van pieken in elk één-minuut venster levert HR en BR waarden. Figuur 7 illustreert dit algoritme.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 7: HR en BR Detectie Algoritme

Uitdagingen en Toekomstige Richtingen

Signaalreflectie varieert over individuen door verschillen in huidtype, weefselsamenstelling en lichaamswatergehalte. Lopend onderzoek naar deze variabiliteit richt zich op het verfijnen van calibratiemodellen en het verbeteren van meetnauwkeurigheid.

Conclusie

Terwijl mmWave radar traditioneel dienstdeed in defensie, automotive en industriële sectoren, ontgrendelen de evolutie van precisie, snelle signaalverwerking en ultra-compacte vormfactor nu transformatieve gezondheidszorgtoepassingen – patiëntactiviteitsmonitoring, vitale-functie surveillance, en zelfs stress- of slapeloosheidsdetectie. Deze capaciteiten bieden belofte niet alleen voor klinische instellingen maar ook voor intelligente bestuurder-monitoring systemen.

Referenties

1. Texas Instruments. "68xx Vital Signs."
2. "Remote Monitoring of Human Vital Signs Using mm-Wave FMCW Radar."
3. DeepHeart: Semi-Supervised Sequence Learning for Cardiovascular Risk Prediction.