Usando radar mmWave para monitoramento de sinais vitais

Os sinais vitais são um conjunto de parâmetros médicos que indicam o estado de saúde e as funções corporais de uma pessoa. Eles fornecem pistas sobre possíveis doenças e tendências de recuperação ou deterioração. Existem quatro sinais vitais primários:temperatura corporal (BT), pressão arterial (PA), frequência respiratória (BR) e frequência cardíaca (FC). Os sinais vitais variam de pessoa para pessoa com base na idade, sexo, peso e nível de condicionamento físico. Esses sinais também podem variar de acordo com o envolvimento físico ou mental de uma pessoa em uma determinada situação. Por exemplo, alguém envolvido em uma atividade física pode apresentar alta temperatura corporal, frequência respiratória e cardíaca.

Os radares de ondas milimétricas (mmWave) transmitem ondas eletromagnéticas e quaisquer objetos no caminho refletem os sinais de volta. Ao capturar e processar os sinais refletidos, um sistema de radar pode determinar o alcance, a velocidade e o ângulo dos objetos. O potencial do radar mmWave para fornecer precisão de nível milimétrico na detecção de alcance de objetos o torna uma tecnologia ideal para detectar biossinais humanos. Além disso, a tecnologia mmWave traz a vantagem de vigilância contínua e sem contato de um paciente, tornando-a mais conveniente para a pessoa e o usuário.

Neste artigo, discutimos como o radar mmWave pode ser usado para monitorar sinais vitais como BR e HR.

O que os sinais vitais BR e HR indicam?

Normalmente, os sinais vitais de uma pessoa saudável são os dados na tabela abaixo (1):

Tabela 1:Sinais vitais de uma pessoa saudável

Esses valores, conforme mencionado anteriormente, podem variar de acordo com a idade, sexo, nível de condicionamento e atividade física ou mental no momento da medição. Uma análise combinada desses parâmetros (HR e BR) ajuda um profissional de saúde a avaliar os níveis de saúde e estresse de uma pessoa sob observação. A freqüência cardíaca em repouso de pessoas em várias faixas etárias é mostrada na tabela abaixo.

Tabela 2:Frequência cardíaca em repouso para a idade (fonte:https://en.wikipedia.org/wiki/Heart_rate#Resting_heart_rate)

A Figura 1 abaixo mostra a variação do RH com base no envolvimento físico ou mental da pessoa no momento da medição.

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Figura 1:Variação da frequência cardíaca com base na condição física, estresse e estados médicos do indivíduo (Fonte:https://www.aaai.org/ocs/index.php/AAAI/AAAI18/paper/view/ 16967/15916)

HR e BR permitem o diagnóstico rápido de certas condições médicas fatais; por exemplo, síndrome da apnéia obstrutiva do sono (SAOS) e síndrome da morte súbita infantil (SMSL). Na SAOS, os pacientes pausam a respiração por um longo período durante o sono e, no caso de SMSL, a respiração do bebê é bloqueada por deitar de bruços ou devido a obstruções materiais. Dispnéia e doença pulmonar obstrutiva crônica são outras condições relacionadas à respiração. Veja a figura abaixo para entender o padrão de respiração em várias condições.

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Figura 2:Padrão de respiração (Fonte:https://clinicalgate.com/chest-inspection-palpation-and-percussion/)

Estudos indicam que indivíduos com alta freqüência cardíaca em repouso apresentam maior risco de problemas cardíacos. E indivíduos com baixa freqüência cardíaca em repouso podem precisar de um implante de marca-passo permanente no futuro.

O monitoramento da frequência respiratória e cardíaca de pacientes com as condições acima mencionadas pode potencialmente salvar vidas.

Medição de sinais vitais baseada em contato e sem contato

A maioria dos dispositivos de medição existentes são instrumentos baseados em contato. Eles precisam ser fixados ao corpo do paciente para medir e monitorar. Isso nem sempre é conveniente para pacientes que precisam ser monitorados continuamente por um longo período de tempo. Por exemplo, considere a atual situação de pandemia COVID-19, onde dispositivos de monitoramento vital sem contato podem se tornar mais relevantes, pois ajudam a minimizar a propagação do vírus por meio de pontos de contato e contatos. Isso garante maior segurança para os profissionais de saúde. Portanto, instrumentos remotos e sem contato são a necessidade do momento.

radar mmWave

Como o nome sugere, são tecnologias de radar que fazem uso de ondas de RF com comprimentos de onda de 10 mm a 1 mm com frequência de 30 a 300 Gz. O espectro alocado para radares em aplicações industriais é de 60 a 64 GHz e para aplicações automotivas é de 76 a 81 GHz. Como o comprimento de onda dos sinais nessas frequências é menor, as antenas do radar são menores. O pequeno tamanho desses radares, combinado com o avanço nas tecnologias de antena, como Antenna on Package (AoP) e Antenna on PCB (AoPCB), possibilitou seu amplo uso em navegação automotiva, automação predial, saúde e aplicação industrial.

Neste artigo, enfocamos os radares de onda contínua modulada em frequência (FMCW). Os radares FMCW transmitem continuamente um sinal de frequência modulada para medir o alcance, bem como o ângulo e a velocidade de um objeto alvo. Um radar FMCW difere dos sistemas tradicionais de radar pulsado, que transmitem pulsos curtos periodicamente. No caso dos radares FMCW, a frequência dos sinais aumenta linearmente com o tempo. Esse tipo de sinal é denominado chirp (Figura 3).

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Figura 3:Chirp no domínio do tempo. (Fonte:Autor)

Um sistema de radar FMCW transmite um sinal chirp e captura os sinais refletidos por objetos em seu caminho. A Figura 4 representa um diagrama de blocos simplificado dos principais componentes de um radar FMCW.

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Figura 4:Diagrama de blocos de radar FMCW (Fonte:TI.com)

Um “mixer” combina os sinais RX e TX para produzir um sinal de frequência intermediária (IF). A saída do mixer tem ambos os sinais que são soma e diferença nas frequências dos chilros Rx e Tx. Um filtro passa-baixo é usado para permitir que apenas o sinal com diferença nas frequências passe.

A Figura 5 mostra os chirps transmitidos e recebidos no domínio da frequência. Se houver vários objetos em intervalos diferentes, haverá vários chirps refletidos, cada um com um atraso com base no tempo necessário para viajar de volta ao radar. Para cada chiado refletido, haverá um tom IF correspondente.

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Figura 5:Representação do domínio de frequência de TX e Rx Chirps e os tons de frequência IF (Fonte:TI.com)

Ao analisar o espectro de frequência do sinal IF, cada pico no espectro corresponde a um ou mais objetos detectados e a frequência corresponde ao intervalo do objeto.

Se o objeto se aproxima ou se afasta do radar, devido ao efeito doppler, a frequência e a fase do chirp refletido mudam. Como o comprimento de onda é da ordem de 3,5 mm, uma pequena mudança resulta em uma grande mudança de fase. É fácil detectar uma grande mudança na fase em comparação com uma pequena mudança na frequência. Assim, em radares FMCW, as informações de fase são usadas para detectar a velocidade do objeto. Para determinar a velocidade dos objetos, vários chirps são usados. A diferença de fase entre chirps refletidos sucessivos é registrada e a velocidade é calculada com ela.

Como o radar mmWave detecta sinais vitais?

Uma vantagem dos comprimentos de onda curtos é a alta precisão. Um radar mmWave operando a 60 ou 77 GHz (com um comprimento de onda correspondente na faixa de 4 mm) terá a capacidade de detectar movimentos tão curtos quanto uma fração de milímetro.

A Figura 6 mostra um radar mmWave transmitindo sinais sonoros em direção à região do tórax do paciente. O sinal refletido é modulado em fase devido ao movimento do tórax. A modulação tem todos os componentes do movimento, incluindo os movimentos devidos ao batimento cardíaco e à respiração. O radar transmite vários sinais sonoros em um intervalo predefinido. Em cada chirp, o intervalo FFT é feito e o bin intervalo correspondente à localização do tórax da pessoa é selecionado. A fase do sinal neste bin intervalo selecionado é anotada para cada chirp. A partir deles, a mudança de fase é calculada, o que dá a velocidade. A velocidade obtida ainda inclui componentes de todos os movimentos. Uma análise espectral desta velocidade obtida ajuda a resolver vários componentes. Isso é conseguido fazendo Doppler FFT.

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Figura 6:Configuração de detecção de HR e BR. (Fonte:Autor)

A Figura 7 mostra o algoritmo de detecção de HR e BR. A frequência de batimentos cardíacos de um adulto está entre 0,8 e 2 Hz, enquanto a frequência da respiração está na faixa de 0,1 a 0,5 Hz. A partir do Doppler FFT, os componentes de velocidade nas frequências de batimento cardíaco e frequência respiratória são selecionados e representados graficamente em função do tempo. O número de picos em um minuto para cada uma dessas frequências fornece a frequência cardíaca e a frequência respiratória da pessoa.

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Figura 7:Algoritmo de detecção de HR e BR. (Fonte:Autor)

Desafios no monitoramento de sinais vitais com base no radar mmWave

O monitoramento de sinais vitais usando a tecnologia mmWave ainda está em desenvolvimento. Um dos principais desafios é a variação dos sinais refletidos entre as pessoas. O reflexo depende do tipo de pele, tecido e sua composição. O nível de conteúdo de água no corpo e várias composições químicas são diferentes. Espera-se que os estudos em andamento sobre a variação dos sinais refletidos produzam resultados e alcancem medições mais precisas pelos radares.

Conclusão

O foco principal do radar mmWave tem sido centrado em aplicações de defesa, automotivas e industriais. No entanto, os avanços recentes nas tecnologias mmWave também estão encontrando importância no setor de saúde. Espera-se que a maior precisão, recursos de processamento de sinal de alta velocidade, detecção de alcance aprimorada e a integração de radar em um chipset ultracompacto habilitem muito as aplicações de saúde, como monitoramento da atividade do paciente, monitoramento de sinais vitais, etc. Além disso, o radar mmWave pode potencialmente ser usado para medir a sonolência, os níveis de estresse e as emoções humanas de uma pessoa - o que tem grande importância do ponto de vista da saúde e no desenvolvimento de sistemas de monitoramento de motorista em aplicações automotivas.

Referências

1. Texas Instruments 68xx sinais vitais
2. Monitoramento remoto de sinais vitais humanos usando o radar FMCW mm-Wave
3. DeepHeart:aprendizagem sequencial semissupervisionada para predição de risco cardiovascular