ммВолновой радар для бесконтактного мониторинга сердечного ритма и дыхания

Витальные признаки — температура тела, артериальное давление, частота дыхания и сердечный ритм — дают клиницистам мгновенный инсайт в статус здоровья пациента и траекторию восстановления или ухудшения. Эти метрики варьируются с возрастом, полом, весом, фитнесом и текущей физической или ментальной активностью. Например, во время упражнений температура тела, частота дыхания и сердечный ритм естественно поднимаются.

Миллиметроволновые (ммВолна) радары передают коротковолновые радиоволны, отражающиеся от объектов, позволяя системе выводить дальность, скорость и угол с миллиметровой точностью. Эта способность делает ммВолну идеальной бесконтактной платформой для непрерывного мониторинга витальных признаков, устраняя необходимость в липких сенсорах и снижая риск инфекций — особенно важно во время пандемий.

В этой статье мы исследуем, как ммВолновой радар может детектировать частоту дыхания (BR) и сердечный ритм (HR), вызовы и الناشющие приложения в здравоохранении.

Что раскрывают BR и HR?

Типичные здоровые диапазоны для BR и HR суммированы ниже (Таблица 1). Индивидуальные значения отличаются по возрасту, полу, фитнесу и уровню активности, поэтому комбинированная оценка HR и BR помогает клиницистам оценить стресс и общее благополучие.

Возрастно-специфичные покойные сердечные ритмы детализированы в Таблице 2 (источник: Wikipedia).

Рисунок 1 иллюстрирует, как HR флуктуирует с фитнесом, стрессом и медицинскими условиями (источник: AAAI 2018).

Аномальные BR и HR могут сигнализировать о жизни-угрожающих состояниях таких как обструктивное апноэ сна (OSA), синдром внезапной детской смерти (SIDS), диспноя и хроническая обструктивная болезнь легких. Рисунок 2 показывает характерные дыхательные паттерны по этим расстройствам (источник: ClinicalGate).

Высокий покойный HR коррелирует с повышенным сердечно-сосудистым риском, в то время как низкий покойный HR может предсказывать будущую потребность в кардиостимуляторе. Непрерывный бесконтактный мониторинг BR и HR может быть спасательным для уязвимых пациентов.

Контактный vs Бесконтактный мониторинг

Традиционные устройства витальных признаков — такие как ЭКГ-электроды и пульсоксиметры — требуют прямого контакта с кожей. Для долгосрочного мониторинга это неудобно и увеличивает риск перекрестной контаминации. Бесконтактные сенсоры, особенно ммВолновой радар, предоставляют более безопасную альтернативу, измеряя минимальные грудные движения на расстоянии.

Основы ммВолнового радара

ммВолновые радары работают на 30–300 ГГц, соответствующих длинам волн 10–1 мм. Промышленные аллокации охватывают 60–64 ГГц, в то время как автомобильные системы используют 76–81 ГГц. Короткая длина волны позволяет компактные антенны и суб-миллиметровую точность в детекции дальности.

Мы фокусируемся на частота-модулированных непрерывных волнах (FMCW) радарах. FMCW передает линейный чирп — частоту, растущую во времени — и захватывает отраженный сигнал. Разница между переданной и принятой частотами дает расстояние; фазовые сдвиги раскрывают движение.

Типичная блок-схема FMCW радара показана на Рисунке 4 (источник: TI.com).

Микшер комбинирует переданные и принятые сигналы, производя промежуточную частоту (IF), содержащую сумму и разницу компонентов. Низкочастотный фильтр изолирует разностный компонент, который затем Фурье-трансформируется для раскрытия пиков, соответствующих дальностям объектов.

Скорость выводится из фазовых различий между последовательными чирпами, используя эффект Доплера. Короткая ммВолновая длина волны (≈ 3,5 мм) усиливает фазовую чувствительность, позволяя детектировать суб-миллиметровые движения.

Детекция сердечного ритма и дыхания с ммВолной

ммВолновые радары на 60 или 77 ГГц могут чувствовать грудные движения малой доли миллиметра. Рисунок 6 изображает сигнальный поток: чирпы передаются к груди, отраженный сигнал range-FFT-обрабатывается для изоляции грудного бина, и фаза этого бина отслеживается во времени.

Из временного ряда скорости, Доплер FFT изолирует частотные компоненты, соответствующие сердцебиениям (≈ 0,8–2 Гц) и дыханию (≈ 0,1–0,5 Гц). Подсчет пиков в каждом минутном окне дает значения HR и BR. Рисунок 7 иллюстрирует этот алгоритм.

Вызовы и будущие направления

Отражение сигнала варьируется у индивидов из-за различий в типе кожи, тканевом составе и водном телесном содержании. Продолжающиеся исследования этих вариабельностей направлены на уточнение моделей калибровки и повышение точности измерений.

Заключение

В то время как ммВолновой радар традиционно служил обороне, авто и промышленным секторам, его эволюционирующая точность, быстрая обработка сигналов и ультракомпактный форм-фактор теперь разблокируют трансформационные приложения в здравоохранении — мониторинг активности пациентов, наблюдение за витальными признаками и даже детекция стресса или сонливости. Эти возможности держат обещание не только для клинических настроек но и для интеллектуальных систем мониторинга водителя.

Ссылки

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.