Verwenden von mmWave-Radar zur Überwachung von Vitalparametern

Vitalzeichen sind eine Reihe von medizinischen Parametern, die den Gesundheitszustand und die Körperfunktionen einer Person anzeigen. Sie geben Hinweise auf mögliche Krankheiten und Genesungs- oder Verschlechterungstendenzen. Es gibt vier primäre Vitalparameter:Körpertemperatur (BT), Blutdruck (BP), Atemfrequenz (BR) und Herzfrequenz (HR). Die Vitalzeichen variieren von Person zu Person je nach Alter, Geschlecht, Gewicht und Fitnesslevel. Diese Anzeichen können auch je nach körperlichem oder geistigem Engagement einer Person in einer bestimmten Situation variieren. Zum Beispiel kann jemand, der sich körperlich betätigt, eine hohe Körpertemperatur, Atemfrequenz und Herzfrequenz aufweisen.

Millimeterwellenradare (mmWave) senden elektromagnetische Wellen und alle Objekte auf dem Weg reflektieren die Signale zurück. Durch das Erfassen und Verarbeiten der reflektierten Signale kann ein Radarsystem Entfernung, Geschwindigkeit und Winkel der Objekte bestimmen. Das Potenzial des mmWave-Radars, eine Genauigkeit im Millimeterbereich bei der Objektbereichserkennung zu bieten, macht es zu einer idealen Technologie zur Erfassung menschlicher Biosignale. Darüber hinaus bietet die mmWave-Technologie den Vorteil der kontaktlosen, kontinuierlichen Überwachung eines Patienten, was dies für die Person und den Benutzer bequemer macht.

In diesem Artikel diskutieren wir, wie das mmWave-Radar zur Überwachung von Vitalparametern wie BR und HR verwendet werden kann.

Was zeigen BR- und HR-Vitalzeichen an?

Normalerweise sind die Vitalwerte einer gesunden Person wie in der folgenden Tabelle angegeben (1):

Tabelle 1:Vitalwerte eines gesunden Menschen

Diese Werte können, wie bereits erwähnt, je nach Alter, Geschlecht, Fitnesslevel und körperlicher oder geistiger Aktivität zum Zeitpunkt der Messung variieren. Eine kombinierte Analyse dieser Parameter (HR und BR) hilft einem Angehörigen der Gesundheitsberufe, den Gesundheitszustand und das Stressniveau einer beobachteten Person einzuschätzen. Die Ruheherzfrequenz von Personen verschiedener Altersgruppen ist in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Tabelle 2:Ruhepuls nach Alter (Quelle:https://en.wikipedia.org/wiki/Heart_rate#Resting_heart_rate)

Abbildung 1 unten zeigt die Variation der HF basierend auf dem körperlichen oder geistigen Engagement der Person zum Zeitpunkt der Messung.

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Abbildung 1:Variation der Herzfrequenz basierend auf Fitness, Stress und medizinischem Zustand des Einzelnen (Quelle:https://www.aaai.org/ocs/index.php/AAAI/AAAI18/paper/view/ 16967/15916)

HR und BR ermöglichen eine schnelle Diagnose bestimmter tödlicher Erkrankungen; zum Beispiel das obstruktive Schlafapnoe-Syndrom (OSAS) und das plötzliche Kindstod (SIDS). Bei OSAS unterbrechen Patienten während des Schlafens die Atmung für längere Zeit, und im Falle von SIDS wird die Atmung des Säuglings entweder durch Liegen auf dem Gesicht oder durch materielle Hindernisse blockiert. Dyspnoe und chronisch-obstruktive Lungenerkrankung sind weitere Atemwegserkrankungen. Siehe Abbildung unten, um das Atemmuster unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen.

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Abbildung 2:Atemmuster (Quelle:https://clinicalgate.com/chest-inspection-palpation-and-percussion/)

Studien zeigen, dass Personen mit einer hohen Ruheherzfrequenz ein höheres Risiko für Herzprobleme haben. Und Personen mit einer niedrigen Ruheherzfrequenz können in Zukunft möglicherweise eine dauerhafte Schrittmacherimplantation benötigen.

Die Überwachung von Atemfrequenz und Herzfrequenz von Patienten mit den oben genannten Erkrankungen könnte möglicherweise Leben retten.

Kontakt- und kontaktlose Messung der Vitalparameter

Die meisten der existierenden Messgeräte sind kontaktbasierte Instrumente. Sie müssen zum Messen und Überwachen am Körper des Patienten befestigt werden. Dies ist für Patienten, die über einen längeren Zeitraum kontinuierlich überwacht werden müssen, nicht immer bequem. Betrachten Sie beispielsweise die anhaltende COVID-19-Pandemie-Situation, in der kontaktlose lebenswichtige Überwachungsgeräte an Bedeutung gewinnen könnten, da sie dazu beitragen, die Verbreitung von Viren durch Berührungspunkte und Kontakte zu minimieren. Dies gewährleistet eine bessere Sicherheit für medizinisches Fachpersonal. Daher sind ferngesteuerte, kontaktlose Instrumente das Gebot der Stunde.

mmWave-Radar

Wie der Name schon sagt, handelt es sich um Radartechnologien, die HF-Wellen mit Wellenlängen von 10 mm bis 1 mm mit einer Frequenz von 30 bis 300 Gz verwenden. Das zugewiesene Spektrum für Radare in industriellen Anwendungen beträgt 60 bis 64 GHz und für Automobilanwendungen beträgt 76 bis 81 GHz. Da die Wellenlänge der Signale bei diesen Frequenzen kürzer ist, sind die Radarantennen kleiner. Die geringe Größe dieser Radare in Kombination mit dem Fortschritt bei Antennentechnologien wie Antenna on Package (AoP) und Antenna on PCB (AoPCB) ermöglichte ihren weit verbreiteten Einsatz in der Autonavigation, Gebäudeautomation, im Gesundheitswesen und in der Industrie.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf frequenzmodulierte Dauerstrichradare (FMCW). FMCW-Radare senden kontinuierlich ein frequenzmoduliertes Signal, um die Entfernung sowie den Winkel und die Geschwindigkeit eines Zielobjekts zu messen. Ein FMCW-Radar unterscheidet sich von herkömmlichen gepulsten Radarsystemen, die periodisch kurze Pulse aussenden. Bei FMCW-Radaren nimmt die Frequenz der Signale linear mit der Zeit zu. Diese Art von Signal wird als Chirp bezeichnet (Abbildung 3).

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Abbildung 3:Chirp im Zeitbereich. (Quelle:Autor)

Ein FMCW-Radarsystem sendet ein Chirp-Signal und erfasst die von Objekten in seinem Weg reflektierten Signale. Abbildung 4 stellt ein vereinfachtes Blockdiagramm der Hauptkomponenten eines FMCW-Radars dar.

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Abbildung 4:FMCW-Radar-Blockdiagramm (Quelle:TI.com)

Ein „Mischer“ kombiniert die RX- und TX-Signale, um ein Zwischenfrequenzsignal (IF) zu erzeugen. Der Mischerausgang hat beide Signale, die Summe und Differenz der Frequenzen der Rx- und Tx-Chirps sind. Ein Tiefpassfilter wird verwendet, um nur das Signal mit unterschiedlichen Frequenzen durchzulassen.

Abbildung 5 zeigt die gesendeten und empfangenen Chirps im Frequenzbereich. Wenn sich mehrere Objekte in unterschiedlichen Entfernungen befinden, gibt es mehrere reflektierte Chirps, jedes mit einer Verzögerung basierend auf der Zeit, die benötigt wird, um zum Radar zurückzukehren. Für jedes reflektierte Zirpen gibt es einen entsprechenden ZF-Ton.

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Abbildung 5:Darstellung der TX- und Rx-Chirps im Frequenzbereich und der ZF-Frequenztöne (Quelle:TI.com)

Bei der Analyse des Frequenzspektrums des ZF-Signals entspricht jeder Peak im Spektrum einem oder mehreren erkannten Objekten und die Frequenz entspricht der Reichweite des Objekts.

Bewegt sich das Objekt aufgrund des Dopplereffekts auf das Radar zu oder davon weg, ändern sich Frequenz und Phase des reflektierten Chirps. Da die Wellenlänge in der Größenordnung von 3,5 mm liegt, führt eine kleine Änderung zu einer großen Phasenänderung. Es ist leicht, eine große Phasenänderung im Vergleich zu einer kleinen Frequenzänderung zu erkennen. Somit werden bei FMCW-Radaren Phaseninformationen verwendet, um die Geschwindigkeit des Objekts zu detektieren. Um die Objektgeschwindigkeit zu bestimmen, werden mehrere Chirps verwendet. Die Phasendifferenz zwischen aufeinanderfolgenden reflektierten Chirps wird aufgezeichnet und daraus die Geschwindigkeit berechnet.

Wie erkennt das mmWave-Radar Vitalfunktionen?

Ein Vorteil von kurzen Wellenlängen ist die hohe Genauigkeit. Ein mmWave-Radar mit 60 oder 77 GHz (mit einer entsprechenden Wellenlänge im Bereich von 4 mm) kann Bewegungen erkennen, die nur Bruchteile eines Millimeters betragen.

Abbildung 6 zeigt ein mmWave-Radar, das Chirps in Richtung des Brustbereichs des Patienten aussendet. Das reflektierte Signal wird aufgrund der Bewegung des Brustkorbs phasenmoduliert. Die Modulation umfasst alle Bewegungskomponenten einschließlich der Bewegungen aufgrund von Herzschlag und Atmung. Das Radar sendet mehrere Chirps in einem vordefinierten Intervall. Bei jedem Chirp wird eine Entfernungs-FFT durchgeführt und der Entfernungsbehälter entsprechend der Position der Brust der Person ausgewählt. Die Phase des Signals in diesem ausgewählten Bereichs-Bin wird für jeden Chirp notiert. Daraus wird die Phasenänderung berechnet, die die Geschwindigkeit angibt. Die erhaltene Geschwindigkeit enthält immer noch Komponenten aller Bewegungen. Eine Spektralanalyse dieser erhaltenen Geschwindigkeit hilft, verschiedene Komponenten aufzulösen. Dies wird durch Doppler-FFT erreicht.

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Abbildung 6:Einrichtung der HR- und BR-Erkennung. (Quelle:Autor)

Abbildung 7 zeigt den HR- und BR-Erkennungsalgorithmus. Die Herzfrequenz eines Erwachsenen liegt zwischen 0,8 und 2 Hz, während die Atemfrequenz im Bereich von 0,1 bis 0,5 Hz liegt. Aus der Doppler-FFT werden die Geschwindigkeitskomponenten bei den Frequenzen des Herzschlags und der Atemfrequenz ausgewählt und gegen die Zeit aufgetragen. Die Anzahl der Spitzen in einer Minute für jede dieser Frequenzen liefert die Herzfrequenz und die Atemfrequenz der Person.

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Abbildung 7:HR- und BR-Erkennungsalgorithmus. (Quelle:Autor)

Herausforderungen bei der auf mmWave-Radar basierenden Überwachung von Vitalparametern

Die Überwachung der Vitalparameter mit der mmWave-Technologie befindet sich noch in der Entwicklung. Eine der größten Herausforderungen ist die Variation der reflektierten Signale zwischen den Menschen. Die Reflexion hängt vom Hauttyp, Gewebe und seiner Zusammensetzung ab. Der Wassergehalt im Körper und verschiedene chemische Zusammensetzungen unterscheiden sich. Die laufenden Studien zur Variation reflektierter Signale sollen Ergebnisse liefern und genauere Messungen durch die Radare ermöglichen.

Schlussfolgerung

Der Schwerpunkt des mmWave-Radars liegt auf Verteidigungs-, Automobil- und Industrieanwendungen. Die jüngsten Fortschritte bei den mmWave-Technologien finden jedoch auch in der Gesundheitsbranche Bedeutung. Die höhere Genauigkeit, die Hochgeschwindigkeits-Signalverarbeitungsfunktionen, die verbesserte Reichweitenerkennung und die Integration des Radars in einen ultrakompakten Chipsatz sollen Gesundheitsanwendungen wie die Überwachung der Patientenaktivität, die Überwachung von Vitalparametern usw. erheblich ermöglichen. Darüber hinaus könnte mmWave-Radar potenziell verwendet werden, um Schläfrigkeit, Stress und menschliche Emotionen einer Person zu messen – was aus Sicht des Gesundheitswesens und bei der Entwicklung von Fahrerüberwachungssystemen in Automobilanwendungen eine hohe Bedeutung hat.

Referenzen

1. Texas Instruments 68xx Vitalfunktionen
2. Fernüberwachung menschlicher Vitalfunktionen mit mm-Wave-FMCW-Radar
3. DeepHeart:Teilüberwachtes Sequenzlernen zur Vorhersage des kardiovaskulären Risikos