Использование радара mmWave для мониторинга жизненно важных функций

Жизненно важные функции - это набор медицинских параметров, которые указывают на состояние здоровья и функции организма человека. Они дают ключ к разгадке возможных заболеваний и тенденций к выздоровлению или ухудшению состояния. Существует четыре основных показателя жизненно важных функций:температура тела (BT), артериальное давление (BP), частота дыхания (BR) и частота сердечных сокращений (HR). Показатели жизнедеятельности варьируются от человека к человеку в зависимости от возраста, пола, веса и уровня физической подготовки. Эти признаки также могут различаться в зависимости от физических или умственных способностей человека в данной ситуации. Например, у человека, занимающегося физической активностью, может быть высокая температура тела, частота дыхания и пульса.

Радиолокаторы миллиметрового диапазона (миллиметрового диапазона) излучают электромагнитные волны, и любые объекты на пути их отражения отражают сигналы. Улавливая и обрабатывая отраженные сигналы, радарная система может определять дальность, скорость и угол движения объектов. Способность радара миллиметрового диапазона обеспечивать точность определения дальности до миллиметра делает его идеальной технологией для обнаружения человеческих биосигналов. Кроме того, технология mmWave дает возможность бесконтактного непрерывного наблюдения за пациентом, что делает его более удобным для человека и пользователя.

В этой статье мы обсудим, как можно использовать радар миллиметрового диапазона для контроля основных показателей жизнедеятельности, таких как ЧСС и ЧСС.

Что обозначают показатели жизненно важных функций BR и HR?

Обычно жизненно важные показатели здорового человека указаны в таблице ниже (1):

Таблица 1. Основные показатели здорового человека

Эти значения, как упоминалось ранее, могут варьироваться в зависимости от возраста, пола, уровня физической подготовки и физической или умственной активности на момент измерения. Комбинированный анализ этих параметров (HR и BR) помогает медицинскому работнику оценить состояние здоровья и уровень стресса человека, находящегося под наблюдением. В таблице ниже показана частота пульса в состоянии покоя у людей различных возрастных групп.

Таблица 2:Возрастная частота пульса в состоянии покоя (источник:https://en.wikipedia.org/wiki/Heart_rate#Resting_heart_rate)

На рисунке 1 ниже показано изменение ЧСС в зависимости от физического или умственного участия человека во время измерения.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 1. Изменение частоты пульса в зависимости от физической формы, стресса и состояния здоровья человека (Источник:https://www.aaai.org/ocs/index.php/AAAI/AAAI18/paper/view/ 16967/15916)

HR и BR позволяют быстро диагностировать некоторые смертельные заболевания; например, синдром обструктивного апноэ во сне (СОАС) и синдром внезапной детской смерти (СВДС). При СОАС пациенты приостанавливают дыхание на длительное время во время сна, а в случае СВДС дыхание младенца блокируется либо в положении лежа на лице, либо из-за материальных препятствий. Другими состояниями, связанными с дыханием, являются одышка и хроническая обструктивная болезнь легких. См. Рисунок ниже, чтобы понять характер дыхания в различных условиях.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рисунок 2:Схема дыхания (Источник:https://clinicalgate.com/chest-inspection-palpation-and-percussion/)

Исследования показывают, что люди с высокой частотой пульса в состоянии покоя подвергаются более высокому риску сердечных заболеваний. А людям с низкой частотой пульса в состоянии покоя в будущем может потребоваться имплантация постоянного кардиостимулятора.

Мониторинг частоты дыхания и пульса у пациентов с вышеуказанными состояниями потенциально может спасти жизни.

Контактное и бесконтактное измерение показателей жизнедеятельности

Большинство существующих измерительных устройств являются контактными. Их необходимо прикрепить к телу пациента для измерения и контроля. Это не всегда удобно для пациентов, нуждающихся в постоянном наблюдении в течение длительного периода времени. Например, рассмотрим продолжающуюся ситуацию пандемии COVID-19, когда бесконтактные устройства для мониторинга жизненно важных функций могут стать более актуальными, поскольку они помогают минимизировать распространение вируса через точки соприкосновения и контакты. Это обеспечивает лучшую безопасность для медицинских работников. Следовательно, удаленные, бесконтактные инструменты - это необходимость часа.

Радар mmWave

Как следует из названия, это радарные технологии, которые используют радиочастотные волны с длинами волн от 10 мм до 1 мм с частотой от 30 до 300 ГГц. Спектр, выделенный для радаров в промышленных приложениях, составляет от 60 до 64 ГГц, а для автомобильных приложений - от 76 до 81 ГГц. Поскольку длина волны сигналов на этих частотах короче, антенны радара меньше по размеру. Небольшой размер этих радаров в сочетании с развитием антенных технологий, таких как антенна на корпусе (AoP) и антенна на печатной плате (AoPCB), позволили широко использовать их в автомобильной навигации, автоматизации зданий, здравоохранении и промышленных приложениях.

В этой статье мы сосредоточимся на радиолокаторах непрерывного действия с частотной модуляцией (FMCW). Радары FMCW непрерывно передают частотно-модулированный сигнал для измерения дальности, а также угла и скорости целевого объекта. Радар FMCW отличается от традиционных импульсных радиолокационных систем, которые периодически передают короткие импульсы. В случае радаров FMCW частота сигналов линейно увеличивается со временем. Этот тип сигнала называется щебетанием (рисунок 3).

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рисунок 3:щебетание во временной области. (Источник:автор)

Радиолокационная система FMCW передает ЛЧМ-сигнал и улавливает сигналы, отраженные объектами на своем пути. На рисунке 4 представлена ​​упрощенная блок-схема основных компонентов радара FMCW.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рисунок 4:Блок-схема радара FMCW (Источник:TI.com)

«Смеситель» объединяет сигналы RX и TX для создания сигнала промежуточной частоты (IF). На выходе микшера есть оба сигнала, которые являются суммой и разностью частот щебетаний Rx и Tx. Фильтр нижних частот используется, чтобы пропустить только сигнал с разницей в частотах.

На рисунке 5 показаны передаваемые и полученные ЛЧМ-сигналы в частотной области. Если есть несколько объектов на разных дистанциях, будет несколько отраженных щебетаний, каждый с задержкой, зависящей от времени, необходимого для возвращения к радару. Для каждого отраженного щебета будет соответствующий сигнал ПЧ.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 5. Представление в частотной области ЛЧМ-сигналов TX и Rx и частотных тонов ПЧ (Источник:TI.com)

При анализе частотного спектра ПЧ-сигнала каждый пик в спектре соответствует одному или нескольким обнаруженным объектам, а частота соответствует дальности действия объекта.

Если объект движется к радару или от него, из-за эффекта Доплера частота и фаза отраженного чирпа изменяются. Поскольку длина волны порядка 3,5 мм, небольшое изменение приводит к большому изменению фазы. Легко обнаружить большое изменение фазы по сравнению с небольшим изменением частоты. Таким образом, в радарах FMCW информация о фазе используется для определения скорости объекта. Для определения скорости объектов используются множественные чириканья. Разница в фазе между последовательными отраженными чириканьями записывается, и на ее основе рассчитывается скорость.

Как радар mmWave определяет жизненно важные функции?

Преимущество коротких волн - высокая точность. Радиолокатор миллиметрового диапазона, работающий на частоте 60 или 77 ГГц (с соответствующей длиной волны в диапазоне 4 мм), будет иметь возможность обнаруживать движения, длина которых составляет доли миллиметра.

На рисунке 6 показан радар миллиметрового диапазона, передающий чирикающие звуки в область груди пациента. Отраженный сигнал модулируется по фазе из-за движения грудной клетки. Модуляция включает все компоненты движения, включая движения, связанные с сердцебиением и дыханием. Радар передает несколько звуковых сигналов с заданным интервалом. В каждом чириканье выполняется БПФ по диапазону и выбирается интервал диапазона, соответствующий положению груди человека. Фаза сигнала в этом выбранном интервале диапазона отмечается для каждого чирпа. По ним вычисляется изменение фазы, которое дает скорость. Полученная скорость по-прежнему включает в себя компоненты всех движений. Спектральный анализ полученной скорости помогает разрешить различные составляющие. Это достигается с помощью доплеровского БПФ.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рисунок 6:Настройка обнаружения ЧСС и ЧСС. (Источник:автор)

На рисунке 7 показан алгоритм обнаружения HR и BR. Частота сердцебиения взрослого составляет от 0,8 до 2 Гц, а частота дыхания - от 0,1 до 0,5 Гц. С помощью доплеровского БПФ выбираются компоненты скорости на частотах сердцебиения и дыхания и наносятся на график в зависимости от времени. Количество пиков в минуту для каждой из этих частот показывает частоту сердечных сокращений и частоту дыхания человека.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рисунок 7:Алгоритм обнаружения ЧСС и БР. (Источник:автор)

Проблемы мониторинга показателей жизнедеятельности на основе радара мм-волны

Мониторинг показателей жизнедеятельности с помощью технологии mmWave все еще находится в стадии разработки. Одна из основных проблем - это изменение отраженных сигналов от людей. Отражение зависит от типа кожи, ткани и ее состава. Уровень содержания воды в организме и различный химический состав различаются. Ожидается, что продолжающиеся исследования изменения отраженных сигналов принесут результаты и позволят добиться более точных измерений с помощью радаров.

Заключение

Основное внимание в радарах миллиметрового диапазона уделяется оборонным, автомобильным и промышленным применениям. Однако последние достижения в области технологий mmWave также находят значение в отрасли здравоохранения. Ожидается, что более высокая точность, возможности высокоскоростной обработки сигналов, расширенное обнаружение дальности и интеграция радара в сверхкомпактный набор микросхем значительно расширят возможности медицинских приложений, таких как мониторинг активности пациента, мониторинг жизненно важных функций и т. Д. Кроме того, радар миллиметрового диапазона может потенциально может использоваться для измерения сонливости, уровня стресса и человеческих эмоций человека, что имеет большое значение с точки зрения здравоохранения и при разработке систем мониторинга водителей в автомобильной промышленности.

Ссылки

1. Texas Instruments 68xx Vital Signs
2. Удаленный мониторинг показателей жизнедеятельности человека с помощью FMCW-радара миллиметрового диапазона
3. DeepHeart:полу-контролируемое последовательное обучение для прогнозирования сердечно-сосудистых рисков.