mmWave-radar gebruiken voor het bewaken van vitale functies

Vitale functies zijn een reeks medische parameters die de status van de gezondheid en lichaamsfuncties van een persoon aangeven. Ze geven aanwijzingen voor mogelijke ziekten en trends van herstel of achteruitgang. Er zijn vier primaire vitale functies:lichaamstemperatuur (BT), bloeddruk (BP), ademfrequentie (BR) en hartslag (HR). Vitale functies variëren van persoon tot persoon op basis van leeftijd, geslacht, gewicht en fitnessniveau. Deze tekens kunnen ook variëren op basis van de fysieke of mentale betrokkenheid van een persoon in een bepaalde situatie. Iemand die zich bezighoudt met lichamelijke activiteit kan bijvoorbeeld een hoge lichaamstemperatuur, ademhalingsfrequentie en hartslag vertonen.

Millimetergolf (mmWave) radars zenden elektromagnetische golven uit en alle objecten in het pad reflecteren de signalen terug. Door de gereflecteerde signalen op te vangen en te verwerken, kan een radarsysteem het bereik, de snelheid en de hoek van de objecten bepalen. Het potentieel van mmWave-radar om precisie op millimeterniveau te bieden bij detectie van objectbereik, maakt het een ideale technologie voor het detecteren van menselijke biosignalen. Bovendien biedt mmWave-technologie een voordeel van contactloze, continue bewaking van een patiënt, waardoor het gemakkelijker wordt voor de persoon en de gebruiker.

In dit artikel bespreken we hoe mmWave-radar kan worden gebruikt om vitale functies zoals BR en HR te bewaken.

Wat geven BR en HR Vital Signs aan?

Doorgaans zijn de vitale functies van een gezond persoon zoals weergegeven in de onderstaande tabel (1):

Tabel 1:Vitale eigenschappen van een gezond persoon

Deze waarden, zoals eerder vermeld, kunnen variëren afhankelijk van leeftijd, geslacht, fitnessniveau en fysieke of mentale activiteit op het moment van meting. Een gecombineerde analyse van deze parameters (HR en BR) helpt een beroepsbeoefenaar in de gezondheidszorg om de gezondheids- en stressniveaus van een persoon onder observatie te beoordelen. De hartslag in rust van mensen in verschillende leeftijdsgroepen wordt weergegeven in de onderstaande tabel.

Tabel 2:Leeftijdsgewijze rusthartslag (Bron:https://en.wikipedia.org/wiki/Heart_rate#Resting_heart_rate)

Afbeelding 1 hieronder toont variatie in HR op basis van de fysieke of mentale betrokkenheid van de persoon op het moment van meting.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 1:Variatie van de hartslag op basis van individuele fitheid, stress en medische toestand (Bron:https://www.aaai.org/ocs/index.php/AAAI/AAAI18/paper/view/ 16967/15916)

HR en BR maken een snelle diagnose mogelijk van bepaalde medische aandoeningen die fataal zijn; bijvoorbeeld obstructief slaapapneusyndroom (OSAS) en wiegendood (SIDS). Bij OSAS onderbreken patiënten de ademhaling gedurende lange tijd tijdens de slaap en in het geval van wiegendood wordt de adem van het kind geblokkeerd door op het gezicht te gaan liggen of door materiële obstructies. Dyspnoe en chronische obstructieve longziekte zijn andere ademgerelateerde aandoeningen. Zie onderstaande afbeelding om het adempatroon in verschillende omstandigheden te begrijpen.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 2:Adempatroon (Bron:https://clinicalgate.com/chest-inspection-palpation-and-percussion/)

Studies tonen aan dat personen met een hoge hartslag in rust een hoger risico lopen op hartgerelateerde problemen. En personen met een lage hartslag in rust kunnen in de toekomst een permanente pacemakerimplantatie nodig hebben.

Het monitoren van de ademhalingsfrequentie en hartslag van patiënten met bovengenoemde aandoeningen kan mogelijk levens redden.

Contact en contactloze meting van vitale functies

De meeste bestaande meetinstrumenten zijn op contact gebaseerde instrumenten. Ze moeten aan het lichaam van de patiënt worden bevestigd om te meten en te controleren. Dit is niet altijd handig voor patiënten die gedurende een langere periode continu moeten worden gecontroleerd. Denk bijvoorbeeld aan de aanhoudende COVID-19-pandemiesituatie, waarbij contactloze vitale bewakingsapparatuur relevanter kan worden omdat ze de verspreiding van virussen via contactpunten en contacten helpen minimaliseren. Dit zorgt voor een betere veiligheid voor zorgprofessionals. Vandaar dat externe, contactloze instrumenten de behoefte van het uur zijn.

mmWave-radar

Zoals de naam al doet vermoeden, zijn dit radartechnologieën die gebruik maken van RF-golven met golflengten van 10 mm tot 1 mm met een frequentie van 30 tot 300 Gz. Het toegewezen spectrum voor radars in industriële toepassingen is 60 tot 64 GHz en voor autotoepassingen 76 tot 81 GHz. Omdat de golflengte van signalen bij deze frequenties korter is, zijn de radarantennes kleiner. Het kleine formaat van deze radars in combinatie met de vooruitgang in antennetechnologieën zoals Antenna on Package (AoP) en Antenna on PCB (AoPCB) maakte het wijdverbreide gebruik ervan in autonavigatie, gebouwautomatisering, gezondheidszorg en industriële toepassingen mogelijk.

In dit artikel richten we ons op frequentiegemoduleerde continue golf (FMCW) radars. FMCW-radars zenden continu een frequentiegemoduleerd signaal uit om zowel het bereik als de hoek en snelheid van een doelobject te meten. Een FMCW-radar verschilt van traditionele gepulseerde radarsystemen, die periodiek korte pulsen uitzenden. In het geval van FMCW-radars neemt de frequentie van signalen lineair toe met de tijd. Dit type signaal wordt een chirp genoemd (Figuur 3).

klik voor grotere afbeelding

Figuur 3:Tjilpen in het tijdsdomein. (Bron:Auteur)

Een FMCW-radarsysteem zendt een chirp-signaal uit en vangt de signalen op die worden weerkaatst door objecten op zijn pad. Afbeelding 4 geeft een vereenvoudigd blokschema weer van de belangrijkste componenten van een FMCW-radar.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 4:FMCW Radar Blokdiagram (Bron:TI.com)

Een "mixer" combineert de RX- en TX-signalen om een ​​middenfrequent (IF) signaal te produceren. De mixeruitgang heeft zowel signalen die som en verschil zijn in de frequenties van de Rx- en Tx-chirps. Er wordt een laagdoorlaatfilter gebruikt om alleen het signaal met verschil in frequenties door te laten.

Figuur 5 toont de verzonden en ontvangen chirps in het frequentiedomein. Als er meerdere objecten op verschillende afstanden zijn, zullen er meerdere gereflecteerde chirps zijn, elk met een vertraging op basis van de tijd die nodig is om terug te reizen naar de radar. Voor elke gereflecteerde chirp is er een bijbehorende IF-toon.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 5:Weergave van het frequentiedomein van TX- en Rx-chirps en de IF-frequentietonen (Bron:TI.com)

Bij analyse van het frequentiespectrum van het IF-signaal, komt elke piek in het spectrum overeen met een of meer gedetecteerde objecten en komt de frequentie overeen met het bereik van het object.

Als het object naar of van de radar af beweegt, als gevolg van het dopplereffect, veranderen de frequentie en fase van de gereflecteerde chirp. Aangezien de golflengte in de orde van grootte van 3,5 mm is, resulteert een kleine verandering in een grote faseverandering. Het is gemakkelijk om een ​​grote verandering in fase te detecteren in vergelijking met een kleine verandering in frequentie. In FMCW-radars wordt dus fase-informatie gebruikt om de snelheid van het object te detecteren. Om de snelheid van objecten te bepalen, worden meerdere chirps gebruikt. Het faseverschil tussen opeenvolgende gereflecteerde chirps wordt geregistreerd en de snelheid wordt ermee berekend.

Hoe de mmWave-radar vitale functies detecteert?

Een voordeel van korte golflengten is de hoge nauwkeurigheid. Een mmWave-radar die werkt op 60 of 77GHz (met een overeenkomstige golflengte in het bereik van 4 mm), zal bewegingen kunnen detecteren die zo kort zijn als een fractie van een millimeter.

Afbeelding 6 toont een mmWave-radar die chirps uitzendt naar de borststreek van de patiënt. Het gereflecteerde signaal is fasegemoduleerd door de beweging van de borstkas. De modulatie heeft alle bewegingscomponenten, inclusief de bewegingen als gevolg van hartslag en ademhaling. De radar zendt meerdere chirps uit met een vooraf gedefinieerd interval. Bij elke chirp wordt bereik-FFT gedaan en wordt de bereikbak die overeenkomt met de locatie van de borst van de persoon geselecteerd. De fase van het signaal in deze geselecteerde bereikbak wordt genoteerd voor elke chirp. Hieruit wordt de faseverandering berekend, wat de snelheid geeft. De verkregen snelheid omvat nog steeds componenten van alle bewegingen. Een spectrale analyse van deze verkregen snelheid helpt om verschillende componenten op te lossen. Dit wordt bereikt door doppler FFT te doen.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 6:Opstelling van HR- en BR-detectie. (Bron:Auteur)

Afbeelding 7 toont het HR- en BR-detectiealgoritme. De hartslagfrequentie van een volwassene ligt tussen 0,8 en 2 Hz, terwijl de ademhalingsfrequentie tussen 0,1 en 0,5 Hz ligt. Uit de doppler-FFT worden de snelheidscomponenten bij frequenties van hartslag en ademfrequentie geselecteerd en uitgezet tegen de tijd. Het aantal pieken in één minuut voor elk van deze frequenties geeft de hartslag en ademhaling van de persoon weer.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 7:HR- en BR-detectiealgoritme. (Bron:Auteur)

Uitdagingen in op mmWave Radar gebaseerde bewaking van vitale functies

Het monitoren van vitale functies met behulp van mmWave-technologie is nog in ontwikkeling. Een van de grootste uitdagingen is de variatie van gereflecteerde signalen tussen mensen. De reflectie is afhankelijk van het huidtype, het weefsel en de samenstelling ervan. Het watergehalte in het lichaam en verschillende chemische samenstellingen verschillen. De lopende onderzoeken naar de variatie van gereflecteerde signalen zullen naar verwachting resultaten opleveren en nauwkeurigere metingen door de radars opleveren.

Conclusie

De belangrijkste focus van mmWave-radar was gericht op defensie-, automobiel- en industriële toepassingen. De recente ontwikkelingen in de mmWave-technologieën vinden echter ook betekenis in de gezondheidszorg. De hogere nauwkeurigheid, high-speed signaalverwerkingsmogelijkheden, verbeterde bereikdetectie en de integratie van radar in een ultracompacte chipset zullen naar verwachting toepassingen in de gezondheidszorg, zoals bewaking van patiëntactiviteit, bewaking van vitale functies, enz. kan mogelijk worden gebruikt om slaperigheid, stressniveaus en menselijke emoties van een persoon te meten - wat van groot belang is vanuit het perspectief van de gezondheidszorg en bij het ontwikkelen van bewakingssystemen voor bestuurders in automobieltoepassingen.

Referenties

1. Texas Instruments 68xx Vitale functies
2. Bewaking op afstand van menselijke vitale functies met behulp van mm-Wave FMCW-radar
3. DeepHeart:semi-gesuperviseerd sequentieleren voor cardiovasculaire risicovoorspelling