Разработка бесконтактных устройств для мониторинга частоты сердечных сокращений с использованием радиолокационной технологии

Разработка бесконтактных устройств для мониторинга частоты сердечных сокращений с использованием радиолокационной технологии

Достижения в области технологий здравоохранения открыли эпоху, когда жизненно важные показатели могут быть измерены без необходимости проводов, электродов или даже физического контакта. Среди наиболее перспективных инноваций - использование радиолокационной технологии для бесконтактного мониторинга сердечного ритма. Эти устройства используют способность радиоволн обнаруживать незначительные механические движения на поверхности тела, вызванные сердечной деятельностью. Анализируя изменения фазы и частоты отраженных сигналов, радиолокационные системы могут извлекать данные о частоте сердечных сокращений с замечательной точностью. Этот подход предлагает гигиеническое, удобное и непрерывное решение для мониторинга сердечного ритма, подходящее для больниц, спящих лабораторий, учреждений по уходу за пожилыми людьми и даже домашних условий. В отличие от традиционных электрокардиограмм (ЭКГ) пластыри или ремни грудной клетки, радиолокационные мониторы не раздражают кожу, не представляют риска аллергической реакции и могут функционировать через одежду и постельные принадлежности. По мере старения населения и роста спроса на удаленное здравоохранение, радиолокационный мониторинг сердечного ритма готов стать стандартным инструментом как в клинических, так и в потребительских условиях здоровья.

Путь от лабораторного любопытства к жизнеспособному медицинскому устройству был обусловлен достижениями в миниатюризации радиолокационного оборудования, алгоритмах обработки сигналов и машинном обучении. Сегодня несколько коммерческих продуктов получили нормативное разрешение на медицинское использование, и продолжающиеся исследования продолжают совершенствовать их точность и расширять их приложения. В этой статье исследуются основные принципы, практические преимущества, проблемы и будущие направления мониторинга сердечного ритма на основе радара, предоставляя всеобъемлющий обзор для клиницистов, инженеров и информированных потребителей.

Понимание радиолокационного мониторинга частоты сердечных сокращений

Радиолокационная технология в здравоохранении работает по простому, но мощному принципу: передаваемые электромагнитные волны отражаются движущимися объектами, а характеристики отраженной волны кодируют информацию об этом движении. В контексте мониторинга сердечного ритма движущимся объектом является грудная стенка, которая с каждым ударом сердца смещается примерно на 0,5–1,5 миллиметра. Это крошечное механическое движение является целью, которую радиолокационные системы обнаруживают, изолируют и преобразуют в сигнал частоты сердечных сокращений.

Большинство современных радиолокационных мониторов сердечного ритма работают в микроволновом диапазоне частот, обычно между 2,4 ГГц и 10 ГГц, или на сверхширокополосных частотах (UWB). Эти частоты проникают в одежду и легкие постельные принадлежности, будучи безопасными для непрерывного воздействия человека на используемых уровнях низкой мощности (значительно ниже пределов FCC). Выбор полосы частот влияет на глубину проникновения, пространственное разрешение и чувствительность к артефактам движения. Например, более высокие частоты обеспечивают лучшее разрешение, но более ослаблены препятствиями, тогда как более низкие частоты проникают глубже, но могут захватывать более посторонние движения.

Доплер Радар против FMCW против UWB

Для мониторинга жизненно важных знаков используются три основные радиолокационные архитектуры: доплеровский радар непрерывного диапазона (CW), радиолокатор непрерывного диапазона с частотной модуляцией (FMCW) и импульсный радиолокатор сверхширокополосного диапазона (UWB).

Независимо от типа радара, необработанный сигнал должен быть обработан для извлечения чистой формы волны сердечного ритма. Небольшая амплитуда смещения грудной клетки (0,5 & #8211; 1,5 мм) означает, что изменение фазы отраженного сигнала происходит на порядок нескольких градусов, требуя чувствительных аналоговых передних концов и аналого-цифровых преобразователей высокого разрешения. Сигнал сердцебиения обычно накладывается на гораздо больший респираторный сигнал (смещение грудной клетки 4 & #8211; 12 мм). Сложные методы фильтрации, включая адаптивные фильтры выемки и денозирование вейвлета, используются для разделения двух сигналов до обнаружения пика или анализа частотной области, дает частоту сердечных сокращений.

Преимущества радарных устройств

Радиолокационные мониторы сердечного ритма предлагают убедительные преимущества по сравнению с контактными альтернативами, такими как ЭКГ-патчи, ремни грудной клетки, оксиметры и часы фотоплетизмографии (PPG). Эти преимущества делают их особенно ценными в сценариях, где комфорт пациента, гигиена и долгосрочный износ являются приоритетами.

  • Неинвазивные и бесконтактные: Никакие электроды, гели или ремни не касаются кожи. Это устраняет раздражение, аллергические реакции и необходимость ежедневной чистки или замены клеевых пластырей.
  • Непрерывный мониторинг: Радар может работать 24/7, не беспокоя субъекта. Он идеально подходит для мониторинга сна, неонатальной интенсивной терапии (где хрупкая кожа не переносит клеи) и долгосрочного наблюдения за пациентами с хроническими состояниями, такими как фибрилляция предсердий или сердечная недостаточность.
  • Гигиенический: Поскольку нет физического контакта, риск перекрестного заражения или внутрибольничных инфекций снижается. Это имеет решающее значение в ожоговых отделениях, изоляционных отделениях и во время вспышек инфекционных заболеваний, таких как грипп или COVID-19.
  • Веерная установка: Один радиолокационный модуль может быть встроен в стену, потолок, раму кровати или стул. Он не требует, чтобы объект носил или держал что-либо, что делает его ненавязчивым и подходящим для пациентов с деменцией или когнитивными нарушениями, которые могут удалить носимые датчики.
  • Конфиденциальность-Сохранение: В отличие от камер на основе бесконтактных методов (например, удаленный PPG с использованием видеокамеры), радар не захватывает никакой визуальной информации. Система только записывает сигналы движения, устраняя проблемы конфиденциальности, которые могут возникнуть в больничных палатах или домах.

Эти преимущества привели к внедрению в специализированных условиях. Например, радиолокационные мониторы в настоящее время используются в некоторых больницах для отслеживания частоты сердечных сокращений и дыхания у пациентов под МРТ (где провода и кабели могут представлять опасность для безопасности РФ). Они также встроены в интеллектуальные матрасы для анализа на стадии сна и в автомобильных каютах для обнаружения сонливости водителя или медицинских чрезвычайных ситуаций.

Приложения и клинические исследования

Универсальность радиолокационного мониторинга сердечного ритма привела к широкому спектру применений, охватывающих острую помощь, лечение хронических заболеваний, оздоровление и безопасность. Ниже мы рассмотрим несколько ключевых случаев использования, поддерживаемых недавними исследованиями и разработкой продукта.

Госпитальные и клинические установки

В больницах для раннего выявления ухудшения состояния необходим непрерывный мониторинг жизненно важных признаков. Однако традиционные проводные мониторы ограничивают подвижность пациента и могут вызывать разрушение кожи при длительном использовании электродов. Радарные системы, установленные над кроватью, могут отслеживать частоту сердечных сокращений, частоту дыхания и даже движения тела, указывающие на судороги или возбуждение. Исследование, опубликованное в IEEE Transactions on Biomedical Engineering , показало, что доплеровский радар с частотой 2,45 ГГц достиг медианной погрешности сердечного ритма менее 2 ударов в минуту по сравнению с эталонной ЭКГ у пациентов с лежачим дыханием. Другое клиническое испытание в крупном академическом медицинском центре подтвердило радиолокационную систему UWB против стандартных телеметрических мониторов в кардиометрическом блоке, показывая > 90% согласие в измерениях сердечного ритма даже тогда, когда пациенты сидели или читали.

Радар особенно выгоден в отделениях интенсивной терапии новорожденных (НИУК). У недоношенных детей чувствительная кожа, которая может быть повреждена клеевыми электродами, а небольшой размер их сундуков делает носимые датчики сложными. Несколько пилотов НИУК, использующих маломощный радар CW 5,8 ГГц, сообщили о точном обнаружении сердечного ритма с нулевой травмой кожи и меньшим количеством ложных тревог по сравнению с коммерческими мониторами дыхания. Эти системы также могут обнаруживать случаи апноэ, когда ребенок перестает дышать, что вызывает немедленное внимание персонала.

Мониторинг сна и обнаружение апноэ сна

Исследования сна традиционно требуют, чтобы пациент провел ночь в специализированной лаборатории, связанной с электроэнцефалографией (ЭЭГ), ЭКГ, пульсоксиметрией и респираторными поясами. Эта среда неестественная и может нарушить архитектуру сна. Домашние мониторы сна на основе радаров предлагают решение путем ненавязчивого измерения частоты сердечных сокращений, дыхания и движения в течение ночи с устройства, расположенного рядом с кроватью или под матрасом. Расширенная обработка сигналов может оценивать стадии сна (легкие, глубокие, REM) путем анализа вариабельности сердечного ритма (ВСР) и регулярности дыхания. Некоторые системы были проверены на полисомнографию для частоты сердечных сокращений и индекса апноэ-гипопноэ, получая клиренс FDA II класса для скрининговых целей. Для пациентов с обструктивным апноэ сна радар может отмечать периоды дыхательных усилий без воздушного потока, что побуждает к дальнейшей диагностической оценке.

Гериатрическая помощь и обнаружение падения

Пожилые люди, живущие в одиночестве, сталкиваются с рисками падений и внезапных медицинских событий. Радарные системы, установленные в доме или в приюте для оказания помощи, могут контролировать частоту сердечных сокращений и обнаруживать падения, анализируя доплеровскую сигнатуру внезапного быстрого нисходящего движения. Когда падение обнаруживается и сопровождается аномальным сердечным ритмом (например, брадикардия или тахикардия), система может автоматически предупреждать лиц, осуществляющих уход за больными или аварийные службы. В отличие от носимых подвесок для падения, радар не требует, чтобы человек помнил, чтобы носить или активировать его. Пилотные развертывания в старших общинах показали высокую чувствительность и специфичность для обнаружения падения, обеспечивая непрерывный мониторинг сердечного ритма, который помогает идентифицировать ранние признаки инфекции или обезвоживания (что часто проявляется как повышенный сердечный ритм в состоянии покоя).

Фитнес и оздоровление

Хотя большинство фитнес-трекеров используют PPG (оптические) датчики, которые требуют контакта с кожей, радар скоро войдет в пространство для оздоровления потребителей. Автомобильные производители, например, встраивают радар в водительские сиденья для мониторинга частоты сердечных сокращений водителя и 8217; и обнаружения сонливости (микросонные события) до аварии. В умных домах радиолокационный модуль в потолке гостиной может отслеживать частоту сердечных сокращений человека, наблюдающего телевизор, и интегрироваться с приборной панелью здоровья или системой экстренного реагирования. Несколько компаний объявили о планах по радарным интеллектуальным весам и зеркалам в ванной комнате, которые могут захватывать частоту сердечных сокращений без прикосновения пользователя к любым электродам.

Реагирование на стихийные бедствия и военная медицина

Способность радара и радара 8217 обнаруживать жизненно важные признаки человека через завалы или стены имеет применение в поиске и спасении. Портативные радиолокационные системы могут обнаруживать выживших под разрушенными зданиями, чувствуя их сердцебиение и дыхание, даже когда человек находится без сознания. Военная сортировка также приносит пользу: врач может оценивать частоту сердечных сокращений жертв с расстояния, не подвергая себя вражескому огню или вторичным опасностям.

Проблемы и инновации

Несмотря на свои многочисленные сильные стороны, радиолокационный мониторинг сердечного ритма не лишен ограничений. К основным проблемам относятся восприимчивость к артефактам движения, помехи от других движущихся объектов, ограниченный диапазон в определенных условиях и трудности с разделением нескольких людей в комнате. Однако текущие инновации в аппаратном и программном обеспечении быстро преодолевают эти барьеры.

Артефакты движения

Движения тела, такие как поворот в постели, жесты рук или даже глубокие вздохи, производят смещения грудной клетки, которые на порядки больше, чем сигнал сердцебиения. Во время таких движений оценка частоты сердечных сокращений становится ненадежной или полностью потерянной. Традиционная обработка сигналов использует адаптивные фильтры для отклонения периодов движения, но это уменьшает рабочий цикл доступных данных. Последние подходы машинного обучения, особенно сверточные нейронные сети (CNN) и повторяющиеся нейронные сети (RNN), могут обнаруживать интервалы движения в необработанных радиолокационных данных и либо исключать их, либо реконструировать сигнал сердцебиения из остатка. Некоторые системы теперь используют многовходовую архитектуру, которая использует как радар, так и дополнительный недорогой инерциальный датчик (например, небольшой акселерометр на раме кровати) для отмены движения тела. По мере улучшения алгоритмов время, в течение которого можно извлечь чистый сердечный ритм, увеличивается, двигаясь к действительно непрерывному мониторингу.

Разделение нескольких предметов

В клинических условиях, когда два пациента делят комнату или в умном доме с несколькими жителями, радиолокационная система должна относить каждое сердцебиение к правильному человеку. РЛС FMCW и UWB могут пространственно отделять субъектов по их диапазону от датчика, при условии, что они находятся на расстоянии не менее 30–50 см друг от друга. Однако, если два человека находятся близко друг к другу (например, пара в одной постели), разделение становится сложным. Расширенные лучеобразующие массивы и методы многократного ввода многократного выхода (MIMO) создают виртуальные массивы, которые могут оценивать угол прихода отраженных сигналов, позволяя разделение по углу, а также диапазон. Некоторые исследовательские прототипы продемонстрировали надежное отслеживание двух человек в постели с ошибками сердечного ритма под 3 BPM с использованием радара MIMO 4×4 на 77 ГГц.

Сигнальное вмешательство и экологический беспорядок

Радары, работающие в ISM (промышленном, научном и медицинском) диапазонах, разделяют частоты с Wi-Fi, Bluetooth и другими беспроводными устройствами. Помехи могут вызывать ложные подсчеты или отсев сигнала. Щит, скачок частоты и методы спред-спектра смягчают эти эффекты в коммерческих продуктах. Кроме того, стационарный беспорядок (мебель, стены) может создавать большие отражения, которые десенсибилизируют приемник. Современные радарные чипы включают цифровые петли отмены, которые вычитают статический фон, оставляя только динамическое движение (сердцебиение и дыхание).

Нормативно-правовые аспекты и вопросы конфиденциальности

Радиолокационные мониторы медицинского класса должны проходить строгие стандарты безопасности для радиочастотного воздействия (например, IEEE C95.1, FCC Part 15) и получать нормативное разрешение от таких агентств, как FDA США или Европейская MDR. Большинство устройств используют плотность мощности значительно ниже 1 мВт / см2, что на порядки ниже уровней, которые, как известно, вызывают тепловые эффекты. Конфиденциальность - еще одна проблема: поскольку радар может обнаруживать присутствие через стены, существует потенциал для скрытого мониторинга. Производители реагируют, проектируя устройства, которые работают только в определенном диапазоне (например, в той же комнате) и путем обработки данных локально на устройстве, а не передачи необработанных сигналов в облако. Некоторые продукты также включают индикаторный свет, который активируется, когда радиолокационный сигнал передает.

Будущие перспективы и интеграция

Траектория радиолокационного мониторинга сердечного ритма направлена на миниатюризацию, снижение энергопотребления и бесшовную интеграцию в повседневную среду. Несколько тенденций определят ближайшие пять-десять лет.

Интеграция с экосистемами «умного дома»

Крупные технологические компании изучают радар как способ датчика для интеллектуальных динамиков, термостатов и переключателей света. Радарный чип Google’ Soli (сейчас в телефоне Pixel 4 и некоторых устройствах Nest) может обнаруживать жесты и присутствие. Будущие итерации могут добавить жизненно важное зондирование знаков, позволяя умному дому автоматически регулировать освещение и температуру на основе стадии сна или вызывать помощь, если не будет обнаружено сердцебиение. Amazon подала патенты на радиолокационный мониторинг здоровья в своих устройствах Echo. Поскольку эти функции становятся стандартными, данные о непрерывном сердечном ритме будут доступны потребителям без какого-либо дополнительного оборудования, что приведет к переходу от эпизодического к непрерывному отслеживанию оздоровления.

Машинное обучение для диагностического зрения

Современные радиолокационные мониторы сердечного ритма выводят простое значение BPM. Разрабатываются более совершенные алгоритмы для извлечения показателей здоровья сверх скорости: вариабельность сердечного ритма (ВСР) является маркером функции вегетативной нервной системы и предсказывает сердечно-сосудистый риск. Радар также может фиксировать морфологию формы смещения грудной клетки, которая коррелирует с временем выброса сердца и сократимостью. При достаточном количестве обучающих данных модели глубокого обучения могут быть способны обнаруживать аритмии, такие как фибрилляция предсердий или преждевременные сокращения желудочков, только от радиолокационных сигналов. Исследователи из Университета Ватерлоо продемонстрировали радарную систему 77 ГГц, которая обнаруживала фибрилляцию предсердий с 90%-ной чувствительностью и специфичностью в небольшой когорте. Ведутся более крупные исследования валидации.

Носимые и бортовые радары

Пока фокус был на стационарном радаре, гибкие низкопрофильные радиолокационные пластыри, которые носят на теле, также находятся в разработке. Эти устройства используют радиолокатор ближнего поля для мониторинга частоты сердечных сокращений через одежду без прямого контакта с кожей. Поскольку радиолокационная антенна находится всего в нескольких сантиметрах от груди, артефакты движения уменьшены, а сила сигнала выше. Ранние прототипы были продемонстрированы в форм-факторе браслета, фиксируя частоту сердечных сокращений и кровяное давление с помощью скорости импульсной волны. Такие носимые устройства устраняют ограничения комфорта оптических и электрических датчиков, обеспечивая сопоставимую или лучшую точность.

Комбинированный радар и ИИ для бесконтактной оценки артериального давления

Захватывающий рубеж - бесконтактный мониторинг артериального давления с использованием радара. Оценка артериального давления обычно требует двух измерений: время прохождения импульса (PTT) или время прибытия импульса (PAT) и параметр калибровки. Радар может измерять задержку времени между электрической деполяризацией сердца & #8217 (ECG R-волна) и приходом импульсной волны на периферийном участке (например, запястье или висок). Некоторые системы используют два радиолокационных модуля - один, направленный на грудь и один на запястье - для оценки PTT. В сочетании с одноразовой калибровкой манжеты, непрерывные оценки артериального давления были достигнуты в лабораторных исследованиях со средними абсолютными ошибками ниже 5 мм рт.ст. для систолического давления. Если валидировать в более крупных испытаниях, это может революционизировать управление гипертонией, позволяя пациентам контролировать свое кровяное давление ненавязчиво в течение дня и ночи.

Заключение

Неконтактный мониторинг сердечного ритма с использованием радиолокационной технологии превратился из концепции исследования в коммерчески жизнеспособный и клинически ценный инструмент. Его способность отслеживать сердечную деятельность без проводов, пластырей или даже осведомленности открывает новые возможности в больничной помощи, домашнем здоровье, медицине сна и мониторинге безопасности. В то время как проблемы, связанные с артефактами движения, разделением нескольких предметов и конфиденциальностью, остаются активными областями исследований, темпы инноваций являются быстрыми. По мере того, как радиолокационные чипы становятся меньше, дешевле и более энергоэффективными, а алгоритмы машинного обучения становятся все более сложными, радиолокационный мониторинг, вероятно, станет повсеместной модальностью восприятия - встроенной в наши дома, транспортные средства и общественные пространства. Конечное обещание - это будущее, где здоровье сердца может быть непрерывно, неинвазивно и пассивно наблюдаемо, что приводит к более раннему обнаружению аномалий, меньшему количеству аварийных посещений и более персонализированному подходу к сердечно-сосудистому здоровью.

Для дальнейшего чтения о технических принципах и клинической валидации радиолокационного мониторинга жизненно важных знаков см. публикацию IEEE на Доплеровском радаре для здравоохранения: IEEE Транзакции по биомедицинской инженерии . Информация о нормативных разрешениях может быть найдена на веб-сайте FDA Medical Devices . Клиника Майо также предоставляет обзор неинвазивных технологий мониторинга в Клинике Майо — Мониторинг жизненно важных знаков . Последние достижения в радиолокаторе UWB для скрининга апноэ сна описаны в исследовании из Nature Scientific Reports (поиск «апноэ сна UWB радара»). Наконец, проект Google Soli документирован на ATAP Google Soli.