Uso del radar mmWave para el monitoreo de signos vitales

Los signos vitales son un conjunto de parámetros médicos que indican el estado de salud y las funciones corporales de una persona. Dan pistas sobre posibles enfermedades y tendencias de recuperación o deterioro. Hay cuatro signos vitales principales:temperatura corporal (BT), presión arterial (PA), frecuencia respiratoria (BR) y frecuencia cardíaca (FC). Los signos vitales varían de una persona a otra según la edad, el sexo, el peso y el estado físico. Estos signos también pueden variar según los compromisos físicos o mentales de una persona en una situación determinada. Por ejemplo, alguien que realiza una actividad física puede mostrar una temperatura corporal, una frecuencia respiratoria y una frecuencia cardíacas elevadas.

Los radares de ondas milimétricas (mmWave) transmiten ondas electromagnéticas y cualquier objeto en el camino refleja las señales. Al capturar y procesar las señales reflejadas, un sistema de radar puede determinar el alcance, la velocidad y el ángulo de los objetos. El potencial del radar mmWave para proporcionar precisión de nivel milimétrico en la detección del rango de objetos lo convierte en una tecnología ideal para detectar señales biológicas humanas. Además, la tecnología mmWave ofrece la ventaja de la vigilancia continua y sin contacto de un paciente, lo que la hace más conveniente para la persona y el usuario.

En este artículo discutimos cómo se puede utilizar el radar mmWave para monitorear signos vitales como BR y HR.

¿Qué indican los signos vitales de BR y FC?

Por lo general, los signos vitales de una persona sana son los que se indican en la siguiente tabla (1):

Tabla 1:Vitales de una persona sana

Estos valores, como se mencionó anteriormente, pueden variar según la edad, el sexo, el nivel de condición física y la actividad física o mental en el momento de la medición. Un análisis combinado de estos parámetros (HR y BR) ayuda a un profesional de la salud a evaluar los niveles de salud y estrés de una persona bajo observación. La frecuencia cardíaca en reposo de personas de diferentes grupos de edad se muestra en la siguiente tabla.

Tabla 2:Frecuencia cardíaca en reposo según la edad (Fuente:https://en.wikipedia.org/wiki/Heart_rate#Resting_heart_rate)

La Figura 1 a continuación muestra la variación en la FC basada en el compromiso físico o mental de la persona en el momento de la medición.

haz clic para ampliar la imagen

Figura 1:Variación de la frecuencia cardíaca según el estado físico, el estrés y el estado médico del individuo (Fuente:https://www.aaai.org/ocs/index.php/AAAI/AAAI18/paper/view/ 16967/15916)

HR y BR permiten un diagnóstico rápido de ciertas condiciones médicas que son fatales; por ejemplo, síndrome de apnea obstructiva del sueño (SAOS) y síndrome de muerte súbita del lactante (SMSL). En el SAOS, los pacientes hacen una pausa en la respiración durante un período prolongado durante el sueño y, en el caso de SMSL, la respiración del bebé se bloquea al recostarse sobre la cara o debido a obstrucciones materiales. La disnea y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica son otras afecciones relacionadas con la respiración. Consulte la figura siguiente para comprender el patrón de respiración en diversas condiciones.

haz clic para ampliar la imagen

Figura 2:Patrón de respiración (Fuente:https://clinicalgate.com/chest-inspection-palpation-and-percussion/)

Los estudios indican que las personas con una frecuencia cardíaca en reposo alta tienen un mayor riesgo de problemas relacionados con el corazón. Y las personas con frecuencia cardíaca en reposo baja pueden necesitar un implante de marcapasos permanente en el futuro.

Monitorear la frecuencia respiratoria y la frecuencia cardíaca de pacientes con las afecciones anteriores podría potencialmente salvar vidas.

Medición de signos vitales basada en contacto y sin contacto

La mayoría de los dispositivos de medición existentes son instrumentos basados ​​en contactos. Deben estar adheridos al cuerpo del paciente para medir y monitorear. Esto no siempre es conveniente para los pacientes que necesitan un seguimiento continuo durante un período de tiempo prolongado. Por ejemplo, considere la situación actual de la pandemia de COVID-19, donde los dispositivos de monitoreo vital sin contacto pueden volverse más relevantes ya que ayudan a minimizar la propagación del virus a través de puntos de contacto y contactos. Esto garantiza una mayor seguridad para los profesionales sanitarios. Por lo tanto, los instrumentos remotos y sin contacto son la necesidad del momento.

Radar mmWave

Como su nombre indica, estas son tecnologías de radar que utilizan ondas de RF con longitudes de onda de 10 mm a 1 mm con una frecuencia de 30 a 300 Gz. El espectro asignado para radares en aplicaciones industriales es de 60 a 64Ghz y para aplicaciones automotrices es de 76 a 81GHz. Dado que la longitud de onda de las señales en estas frecuencias es más corta, las antenas de radar son de menor tamaño. El pequeño tamaño de estos radares combinado con el avance en tecnologías de antenas como Antenna on Package (AoP) y Antenna on PCB (AoPCB) permitió su uso generalizado en navegación de automóviles, automatización de edificios, atención médica y aplicaciones industriales.

En este artículo nos centramos en los radares de onda continua modulada en frecuencia (FMCW). Los radares FMCW transmiten continuamente una señal de frecuencia modulada para medir el rango, así como el ángulo y la velocidad de un objeto objetivo. Un radar FMCW se diferencia de los sistemas tradicionales de radar de impulsos, que transmiten pulsos cortos periódicamente. En el caso de los radares FMCW, la frecuencia de las señales aumenta linealmente con el tiempo. Este tipo de señal se llama chirrido (Figura 3).

haz clic para ampliar la imagen

Figura 3:Chirp en el dominio del tiempo. (Fuente:Autor)

Un sistema de radar FMCW transmite una señal de chirrido y captura las señales reflejadas por los objetos en su camino. La Figura 4 representa un diagrama de bloques simplificado de los componentes principales de un radar FMCW.

haz clic para ampliar la imagen

Figura 4:Diagrama de bloques de radar FMCW (Fuente:TI.com)

Un "mezclador" combina las señales RX y TX para producir una señal de frecuencia intermedia (IF). La salida del mezclador tiene señales que son suma y diferencia en las frecuencias de los chirridos Rx y Tx. Se utiliza un filtro de paso bajo para permitir que pase solo la señal con diferencia de frecuencias.

La figura 5 muestra los chirridos transmitidos y recibidos en el dominio de la frecuencia. Si hay varios objetos en diferentes rangos, habrá múltiples chirridos reflejados, cada uno con un retraso basado en el tiempo necesario para viajar de regreso al radar. Para cada chirrido reflejado habrá un tono IF correspondiente.

haz clic para ampliar la imagen

Figura 5:Representación en el dominio de frecuencia de los Chirps TX y Rx y los tonos de frecuencia IF (Fuente:TI.com)

Al analizar el espectro de frecuencia de la señal de FI, cada pico del espectro corresponde a uno o más objetos detectados y la frecuencia corresponde al rango del objeto.

Si el objeto se acerca o se aleja del radar, debido al efecto Doppler, la frecuencia y fase del chirrido reflejado cambia. Dado que la longitud de onda es del orden de 3,5 mm, un pequeño cambio da como resultado un gran cambio de fase. Es fácil detectar un gran cambio de fase en comparación con un pequeño cambio de frecuencia. Por tanto, en los radares FMCW, la información de fase se utiliza para detectar la velocidad del objeto. Para determinar la velocidad de los objetos, se utilizan varios chirridos. La diferencia de fase entre los sucesivos chirridos reflejados se registra y la velocidad se calcula con ella.

¿Cómo detecta el radar mmWave los signos vitales?

Una ventaja de las longitudes de onda cortas es la alta precisión. Un radar mmWave que funcione a 60 o 77 GHz (con una longitud de onda correspondiente en el rango de 4 mm) tendrá la capacidad de detectar movimientos que son tan cortos como una fracción de milímetro.

La Figura 6 muestra un radar mmWave que transmite chirridos hacia la región del pecho del paciente. La señal reflejada se modula en fase debido al movimiento del pecho. La modulación tiene todos los componentes del movimiento, incluidos los movimientos debidos a los latidos del corazón y la respiración. El radar transmite varios chirridos en un intervalo predefinido. En cada chirrido, se realiza la FFT de rango y se selecciona el contenedor de rango correspondiente a la ubicación del pecho de la persona. La fase de la señal en este intervalo de rango seleccionado se anota para cada chirrido. A partir de estos, se calcula el cambio de fase, lo que da la velocidad. La velocidad obtenida todavía incluye componentes de todos los movimientos. Un análisis espectral de esta velocidad obtenida ayuda a resolver varios componentes. Esto se logra haciendo Doppler FFT.

haz clic para ampliar la imagen

Figura 6:Configuración de detección de HR y BR. (Fuente:Autor)

La Figura 7 muestra el algoritmo de detección de HR y BR. La frecuencia de los latidos del corazón de un adulto está entre 0,8 y 2 Hz, mientras que la frecuencia respiratoria está en el rango de 0,1 a 0,5 Hz. A partir de la FFT de Doppler, los componentes de la velocidad en las frecuencias de los latidos del corazón y la frecuencia respiratoria se seleccionan y se grafican en función del tiempo. El número de picos en un minuto para cada una de estas frecuencias proporciona la frecuencia cardíaca y la frecuencia respiratoria de la persona.

haz clic para ampliar la imagen

Figura 7:Algoritmo de detección de HR y BR. (Fuente:Autor)

Desafíos en el monitoreo de signos vitales basado en radar mmWave

La monitorización de los signos vitales mediante la tecnología mmWave todavía está en desarrollo. Uno de los principales desafíos es la variación de las señales reflejadas entre las personas. El reflejo depende del tipo de piel, el tejido y su composición. El nivel de contenido de agua en el cuerpo y varias composiciones químicas difieren. Se espera que los estudios en curso sobre la variación de las señales reflejadas arrojen resultados y logren mediciones más precisas por parte de los radares.

Conclusión

El enfoque principal del radar mmWave se ha centrado en las aplicaciones industriales, automotrices y de defensa. Sin embargo, los avances recientes en las tecnologías mmWave también están cobrando importancia en la industria de la salud. Se espera que la mayor precisión, las capacidades de procesamiento de señales de alta velocidad, la detección de rango mejorada y la integración del radar en un chipset ultracompacto permitan en gran medida aplicaciones de atención médica como monitoreo de la actividad del paciente, monitoreo de signos vitales, etc. Además, el radar mmWave podría potencialmente se puede usar para medir la somnolencia, los niveles de estrés y las emociones humanas de una persona, lo que tiene una gran importancia desde la perspectiva de la atención médica y en el desarrollo de sistemas de monitoreo del conductor en aplicaciones automotrices.

Referencias

1. Signos vitales 68xx de Texas Instruments
2. Monitoreo remoto de los signos vitales humanos usando un radar FMCW de onda mm
3. DeepHeart:aprendizaje secuencial semi-supervisado para la predicción del riesgo cardiovascular