Lo sviluppo di dispositivi di monitoraggio della frequenza cardiaca non contaminati utilizzando la tecnologia radar

Indipendentemente dal tipo di radar, il segnale grezzo deve essere elaborato per estrarre una forma d'onda di frequenza cardiaca pulita. La piccola ampiezza di spostamento del torace (0.5–1.5 mm) significa che il cambiamento di fase nel segnale riflesso è sull'ordine di pochi gradi, che richiedono le estremità annali analogiche sensibili e le tecniche di ad alta risoluzione analogico-digitale.

Vantaggi dei dispositivi basati su radar

I monitor a frequenza cardiaca a base radar offrono vantaggi convincenti rispetto agli orologi a base di contatto come patch ECG, cinghie toraciche, ossimetri e fotopletismiografia (PPG) che li rendono particolarmente preziosi negli scenari in cui il comfort del paziente, l'igiene e l'usura a lungo termine sono priorità.

• Non invasiva e senza contatto:[] Non elettrodi, gel o cinghie toccano la pelle, eliminando irritazioni, reazioni allergiche e la necessità di pulizia quotidiana o sostituzione di cerotti adesivi.
• Monitoraggio continuo:[ Radar può operare 24 ore su 24, 7 giorni su 7 senza disturbare il soggetto. È ideale per il monitoraggio del sonno, la cura intensiva neonatale (dove la pelle fragile non può tollerare gli adesivi), e l'osservazione a lungo termine di pazienti con condizioni croniche come fibrillazione atriale o insufficienza cardiaca.
• Igienico:[ Poiché non c'è alcun contatto fisico, il rischio di contaminazione incrociata o infezioni ospedaliere è ridotto.
• Versatile Installazione:[] Un singolo modulo radar può essere incorporato in una parete, soffitto, struttura a letto, o sedia. Non richiede il soggetto di indossare o tenere nulla, rendendolo unobtrusivo e adatto a pazienti con demenza o alterazioni cognitive che possono rimuovere i sensori indossabili.
• Preservazione privata:[] A differenza dei metodi non di contatto basati sulla fotocamera (ad esempio, PPG remoto utilizzando una videocamera), il radar non cattura alcuna informazione visiva. Il sistema registra solo firme di movimento, indirizzando le preoccupazioni sulla privacy che possono sorgere nelle stanze o nelle case ospedaliere.

Questi vantaggi hanno spinto l'adozione in ambienti specializzati, ad esempio, i monitor basati sui radar sono ora utilizzati in alcuni ospedali per monitorare la frequenza cardiaca e la respirazione nei pazienti sotto la risonanza magnetica (dove i cavi e i cavi possono porre rischi di sicurezza RF).

Applicazioni e studi clinici

La versatilità del monitoraggio della frequenza cardiaca radar ha portato a una vasta gamma di applicazioni che spaziano dalla cura acuta, dalla gestione cronica delle malattie, dal benessere e dalla sicurezza.

Impostazioni ospedaliere e cliniche

In ospedali, il monitoraggio continuo dei segni vitali è essenziale per il rilevamento precoce del deterioramento. Tuttavia, i monitor cablati tradizionali limitano la mobilità dei pazienti e possono causare la rottura della pelle con un uso prolungato dell'elettrodo. I sistemi radar montati sopra il letto possono monitorare la frequenza cardiaca, la frequenza respiratoria e anche i movimenti del corpo indicativi di convulsioni o agitazione.

Radar è particolarmente vantaggioso nelle unità di cura intensiva neonatale (NICUs). I neonati pre-term hanno pelle sensibile che può essere danneggiata da elettrodi adesivi, e le piccole dimensioni dei loro cofani rendono i sensori indossabili impegnativi. Diversi piloti NICU che utilizzano radar a bassa potenza 5.8 GHz CW hanno segnalato un rilevamento accurato della frequenza cardiaca con zero lesioni della pelle e meno falsi allarmi rispetto ai monitor di respirazione commerciale.

Monitoraggio del sonno e rilevamento di Apnea del sonno

Studi sul sonno tradizionalmente richiedono al paziente di trascorrere una notte in un laboratorio specializzato connesso all'elettroencefalografia (EEG), ECG, ossimetria del polso e cinture respiratorie. Questo ambiente è innaturale e può interrompere l'architettura del sonno.

Cura geriatrica e rilevamento delle cadute

I sistemi radar installati in una casa o un impianto di vita assistito possono monitorare la frequenza cardiaca e rilevare le cadute analizzando la firma Doppler di un movimento improvviso e rapido verso il basso.Quando una caduta viene rilevata e accompagnata da un frequenza cardiaca anormale (ad esempio, la bradicardia o la tachicardia), il sistema può automaticamente avvisare i caregiver o i servizi di emergenza.

Fitness e benessere

Anche se la maggior parte dei tracker di fitness utilizzano i sensori PPG (ottica) che richiedono il contatto con la pelle, il radar entrerà presto nello spazio benessere del consumatore. I produttori automobilistici, per esempio, stanno incorporando il radar nei sedili del conducente per monitorare il driver’ la frequenza cardiaca e rilevare la sonnolenza (microsleep eventi) prima che si verifichi un incidente.

Risposta del disastro e medicina militare

Radar’s capacità di rilevare segni vitali umani attraverso le macerie o pareti ha applicazioni in ricerca e soccorso. I sistemi radar portatili possono individuare i sopravvissuti sotto edifici crollati, sensibilizzando il battito cardiaco e la respirazione, anche quando la persona è inconscia.

Sfide e innovazioni

Nonostante i suoi numerosi punti di forza, il monitoraggio della frequenza cardiaca basata sui radar non è senza limitazioni. Le sfide principali includono la suscettibilità al movimento di artefatti, le interferenze da altri oggetti in movimento, la gamma limitata in determinate condizioni, e le difficoltà a separare più persone in una stanza. Tuttavia, le innovazioni in corso in hardware e software stanno rapidamente superando queste barriere.

Artificiali di movimento

Movimenti corporei come la svolta nel letto, i gesti del braccio, o anche i sospiri profondi producono spostamenti toracici che sono ordini di grandezza più grandi del segnale cardiaco. Durante tali movimenti, la stima della frequenza cardiaca diventa inaffidabile o completamente persa.

Separazione di soggetti multipli

In ambienti clinici dove due pazienti condividono una stanza o in una casa intelligente con più residenti, il sistema radar deve attribuire ogni battito cardiaco alla persona corretta. I radar FMCW e UWB possono separare spaziosticamente i soggetti dalla loro gamma dal sensore, a condizione che siano almeno 30–50 cm di distanza. Tuttavia, se due persone sono vicine insieme (ad esempio, una coppia nello stesso letto), la separazione diventa stimolante.

Interferenza dei segnali e cluster ambientale

I radar che operano nelle bande ISM (industriali, scientifiche e mediche) condividono le frequenze con Wi-Fi, Bluetooth e altri dispositivi wireless. L'interferenza può causare falsi conti o disfacimento del segnale. Scudo, battitura di frequenza e tecniche di spettro di diffusione mitigare questi effetti nei prodotti commerciali. Inoltre, clutter stazionario (mobili, pareti) può creare grandi riflessioni che desensizzano il ricevitore.

Considerazioni normative e sulla privacy

I monitor radar di livello medico devono superare standard di sicurezza rigorosi per l'esposizione alla radiofrequenza (ad esempio, IEEE C95.1, FCC Parte 15) e ottenere la clearance normativa da agenzie come la FDA degli Stati Uniti o la MDR europea. La maggior parte dei dispositivi utilizzano le densità di potenza ben inferiori a 1 mW/cm2, che è ordini di magnitudine inferiore a livelli noti per causare effetti termici.

Prospettive e integrazione future

La traiettoria del monitoraggio della frequenza cardiaca radar è verso la miniaturizzazione, il consumo energetico più basso e l'integrazione senza soluzione di continuità negli ambienti quotidiani.

Integrazione con Smart Home Ecosystems

Google’s Soli radar chip (ora nel telefono Pixel 4 e alcuni dispositivi Nest) può rilevare gesti e presenza. Le future iterations potrebbero aggiungere segnale vitale, consentendo una smart home per regolare automaticamente l'illuminazione e la temperatura in base alla fase di sonno, o chiamare per aiutare se non viene rilevato alcun battito cardiaco. Amazon ha archiviato i brevetti per la salute.

Imparare la macchina per l'insonnia diagnostica

Gli algoritmi più avanzati sono in fase di sviluppo per estrarre gli indicatori di salute oltre il tasso: la variabilità della frequenza cardiaca (HRV) è un marcatore della funzione di sistema nervoso autonomo ed è predittiva del rischio cardiovascolare. Radar può anche catturare la morfologia della forma d'onda di spostamento del petto, che si correla con tempi di espulsione cardiaca e contratility.

Radar indossabile e on-Body

Mentre il focus è stato sul radar stazionario, le patch radar flessibili e a basso profilo indossate sul corpo sono anche in sviluppo. Questi dispositivi utilizzano radar vicino campo per monitorare la frequenza cardiaca attraverso l'abbigliamento senza contatto diretto della pelle. Poiché l'antenna radar è solo a pochi centimetri dal petto, i manufatti di movimento sono ridotti, e la resistenza del segnale è più alta.

Radar e AI combinati per la stima della pressione sanguigna senza contatto

Una frontiera eccitante è il monitoraggio della pressione sanguigna non contaminata utilizzando il radar. La stima della pressione sanguigna richiede tipicamente due misure: il tempo di transito del polso (PTT) o l'orario di arrivo del polso (PAT) e un parametro di calibrazione. Radar può misurare il ritardo di tempo tra il cuore e il cuore’ la depolarizzazione elettrica (ECG R-wave) e l'arrivo dell'ondata del polso in un luogo periferico (ad esempio, il controllo del polso appuntito)

Conclusioni

Il monitoraggio della frequenza cardiaca non contaminata con la tecnologia radar è maturato da un concetto di ricerca in uno strumento commercialmente fattibile e clinicamente prezioso. La sua capacità di monitorare l'attività cardiaca senza fili, patch o anche la consapevolezza apre nuove possibilità nella cura dell'ospedale, la salute domestica, la medicina del sonno e il monitoraggio della sicurezza.

Per ulteriori informazioni sui principi tecnici e sulla validazione clinica del monitoraggio dei segnali vitali del radar, consultare la pubblicazione IEEE sul radar Doppler per la salute: IEEE Transazioni su ingegneria biomedica].