Utilisation du radar mmWave pour la surveillance des signes vitaux

Les signes vitaux sont un ensemble de paramètres médicaux qui indiquent l'état de santé et les fonctions corporelles d'une personne. Ils donnent des indices sur les maladies possibles et les tendances de rétablissement ou de détérioration. Il existe quatre principaux signes vitaux :la température corporelle (BT), la pression artérielle (PA), la fréquence respiratoire (BR) et la fréquence cardiaque (FC). Les signes vitaux varient d'une personne à l'autre en fonction de l'âge, du sexe, du poids et de la condition physique. Ces signes peuvent également varier en fonction des engagements physiques ou mentaux d'une personne dans une situation donnée. Par exemple, une personne engagée dans une activité physique peut afficher une température corporelle, une fréquence respiratoire et une fréquence cardiaque élevées.

Les radars à ondes millimétriques (mmWave) transmettent des ondes électromagnétiques et tous les objets sur le chemin renvoient les signaux. En capturant et en traitant les signaux réfléchis, un système radar peut déterminer la portée, la vitesse et l'angle des objets. Le potentiel du radar mmWave à fournir une précision millimétrique dans la détection de la distance d'objet en fait une technologie idéale pour détecter les bio-signaux humains. De plus, la technologie mmWave offre l'avantage d'une surveillance continue et sans contact d'un patient, ce qui la rend plus pratique pour la personne et l'utilisateur.

Dans cet article, nous expliquons comment le radar mmWave peut être utilisé pour surveiller les signes vitaux tels que BR et HR.

Qu'indiquent les signes vitaux BR et RH ?

En règle générale, les signes vitaux d'une personne en bonne santé sont indiqués dans le tableau ci-dessous (1) :

Tableau 1 :Éléments vitaux d'une personne en bonne santé

Ces valeurs, comme mentionné précédemment, peuvent varier selon l'âge, le sexe, le niveau de forme physique et l'activité physique ou mentale au moment de la mesure. Une analyse combinée de ces paramètres (HR et BR) aide un professionnel de la santé à évaluer les niveaux de santé et de stress d'une personne sous observation. La fréquence cardiaque au repos des personnes de différents groupes d'âge est indiquée dans le tableau ci-dessous.

Tableau 2 :Fréquence cardiaque au repos en fonction de l'âge (Source :https://en.wikipedia.org/wiki/Heart_rate#Resting_heart_rate)

La figure 1 ci-dessous montre la variation des RH en fonction de l'engagement physique ou mental de la personne au moment de la mesure.

cliquez pour agrandir l'image

Figure 1 :Variation de la fréquence cardiaque en fonction de la condition physique, du stress et de l'état de santé de l'individu (Source :https://www.aaai.org/ocs/index.php/AAAI/AAAI18/paper/view/ 16967/15916)

HR et BR permettent un diagnostic rapide de certaines conditions médicales qui sont mortelles; par exemple, le syndrome d'apnée obstructive du sommeil (SAOS) et le syndrome de mort subite du nourrisson (SMSN). Dans le SAOS, les patients interrompent la respiration pendant une longue durée pendant le sommeil et en cas de SMSN, la respiration du nourrisson est bloquée soit en s'allongeant sur le visage, soit en raison d'obstructions matérielles. La dyspnée et la maladie pulmonaire obstructive chronique sont d'autres affections liées à la respiration. Voir la figure ci-dessous pour comprendre le schéma respiratoire dans diverses conditions.

cliquez pour agrandir l'image

Figure 2 :Modèle de respiration (Source :https://clinicalgate.com/chest-inspection-palpation-and-percussion/)

Des études indiquent que les personnes ayant une fréquence cardiaque au repos élevée sont plus à risque de problèmes cardiaques. Et les personnes ayant une faible fréquence cardiaque au repos peuvent avoir besoin d'une implantation permanente d'un stimulateur cardiaque à l'avenir.

La surveillance de la fréquence respiratoire et de la fréquence cardiaque des patients présentant les conditions ci-dessus pourrait potentiellement sauver des vies.

Mesure des signes vitaux avec et sans contact

La plupart des appareils de mesure existants sont des instruments à contact. Ils doivent être attachés au corps du patient pour mesurer et surveiller. Ce n'est pas toujours pratique pour les patients qui doivent être surveillés en continu sur une longue période de temps. Par exemple, considérons la situation actuelle de pandémie de COVID-19, où les dispositifs de surveillance vitaux sans contact peuvent devenir plus pertinents car ils aident à minimiser la propagation du virus via les points de contact et les contacts. Cela garantit une meilleure sécurité pour les professionnels de santé. Par conséquent, les instruments à distance et sans contact sont le besoin de l'heure.

Radar mmWave

Comme son nom l'indique, ce sont des technologies radar qui utilisent des ondes RF avec des longueurs d'onde de 10 mm à 1 mm avec une fréquence de 30 à 300 Gz. Le spectre alloué aux radars dans les applications industrielles est de 60 à 64 GHz et pour les applications automobiles est de 76 à 81 GHz. Comme la longueur d'onde des signaux à ces fréquences est plus courte, les antennes radar sont plus petites. La petite taille de ces radars, combinée aux progrès des technologies d'antenne telles que l'antenne sur boîtier (AoP) et l'antenne sur circuit imprimé (AoPCB), a permis son utilisation généralisée dans la navigation automobile, l'automatisation des bâtiments, les soins de santé et les applications industrielles.

Dans cet article, nous nous concentrons sur les radars à ondes continues à modulation de fréquence (FMCW). Les radars FMCW transmettent en continu un signal modulé en fréquence pour mesurer la portée ainsi que l'angle et la vitesse d'un objet cible. Un radar FMCW diffère des systèmes radar à impulsions traditionnels, qui transmettent périodiquement de courtes impulsions. Dans le cas des radars FMCW, la fréquence des signaux augmente linéairement avec le temps. Ce type de signal est appelé un chirp (Figure 3).

cliquez pour agrandir l'image

Figure 3 :Chirp dans le domaine temporel. (Source :auteur)

Un système radar FMCW transmet un signal chirp et capture les signaux réfléchis par les objets sur son chemin. La figure 4 représente un schéma fonctionnel simplifié des principaux composants d'un radar FMCW.

cliquez pour agrandir l'image

Figure 4 : diagramme fonctionnel du radar FMCW (Source :TI.com)

Un « mélangeur » combine les signaux RX et TX pour produire un signal de fréquence intermédiaire (IF). La sortie du mélangeur a à la fois des signaux qui sont la somme et la différence des fréquences des chirps Rx et Tx. Un filtre passe-bas est utilisé pour ne laisser passer que le signal présentant des différences de fréquences.

La figure 5 montre les chirps émis et reçus dans le domaine fréquentiel. S'il y a plusieurs objets à des distances différentes, il y aura plusieurs signaux sonores réfléchis, chacun avec un délai basé sur le temps nécessaire pour revenir au radar. Pour chaque chirp réfléchi, il y aura une tonalité IF correspondante.

cliquez pour agrandir l'image

Figure 5 : représentation du domaine fréquentiel des chirps TX et Rx et des tonalités de fréquence IF (Source :TI.com)

Lors de l'analyse du spectre de fréquence du signal FI, chaque pic du spectre correspond à un ou plusieurs objets détectés et la fréquence correspond à la portée de l'objet.

Si l'objet se rapproche ou s'éloigne du radar, en raison de l'effet Doppler, la fréquence et la phase du chirp réfléchi changent. Comme la longueur d'onde est de l'ordre de 3,5 mm, un petit changement entraîne un grand changement de phase. Il est facile de détecter un grand changement de phase par rapport à un petit changement de fréquence. Ainsi, dans les radars FMCW, les informations de phase sont utilisées pour détecter la vitesse de l'objet. Pour déterminer la vitesse des objets, plusieurs chirps sont utilisés. La différence de phase entre les chirps réfléchis successifs est enregistrée et la vitesse est calculée avec.

Comment le radar mmWave détecte les signes vitaux ?

Un avantage des longueurs d'onde courtes est la grande précision. Un radar mmWave fonctionnant à 60 ou 77 GHz (avec une longueur d'onde correspondante de l'ordre de 4 mm), aura la capacité de détecter des mouvements aussi courts qu'une fraction de millimètre.

La figure 6 montre un radar mmWave émettant des signaux sonores vers la région thoracique du patient. Le signal réfléchi est modulé en phase en raison du mouvement de la poitrine. La modulation comprend toutes les composantes du mouvement, y compris les mouvements dus au rythme cardiaque et à la respiration. Le radar émet plusieurs bips à un intervalle prédéfini. Dans chaque chirp, la portée FFT est effectuée et le bac de portée correspondant à l'emplacement de la poitrine de la personne est sélectionné. La phase du signal dans ce bac de plage sélectionné est notée pour chaque chirp. A partir de ceux-ci, le changement de phase est calculé, ce qui donne la vitesse. La vitesse obtenue comprend toujours des composantes de tous les mouvements. Une analyse spectrale de cette vitesse obtenue permet de résoudre différentes composantes. Ceci est réalisé en effectuant une FFT doppler.

cliquez pour agrandir l'image

Figure 6 :Configuration de détection HR et BR. (Source :auteur)

La figure 7 montre l'algorithme de détection HR et BR. La fréquence cardiaque d'un adulte est comprise entre 0,8 et 2 Hz, tandis que la fréquence respiratoire est comprise entre 0,1 et 0,5 Hz. A partir de la FFT doppler, les composantes de vitesse aux fréquences de battement cardiaque et de fréquence respiratoire sont sélectionnées et tracées en fonction du temps. Le nombre de pics en une minute pour chacune de ces fréquences fournit la fréquence cardiaque et la fréquence respiratoire de la personne.

cliquez pour agrandir l'image

Figure 7 :Algorithme de détection HR et BR. (Source :auteur)

Défis de la surveillance des signes vitaux basée sur le radar mmWave

La surveillance des signes vitaux à l'aide de la technologie mmWave est toujours en cours de développement. L'un des principaux défis est la variation des signaux réfléchis entre les personnes. Le reflet dépend du type de peau, du tissu et de sa composition. Le niveau de teneur en eau dans le corps et diverses compositions chimiques diffèrent. Les études en cours sur la variation des signaux réfléchis devraient donner des résultats et obtenir des mesures plus précises par les radars.

Conclusion

Le radar mmWave s'est concentré sur les applications de défense, automobiles et industrielles. Cependant, les récents progrès des technologies mmWave prennent également de l'importance dans le secteur de la santé. La plus grande précision, les capacités de traitement du signal à grande vitesse, la détection de portée améliorée et l'intégration du radar dans un chipset ultra-compact devraient permettre considérablement les applications de soins de santé telles que la surveillance de l'activité des patients, la surveillance des signes vitaux, etc. De plus, le radar mmWave pourrait potentiellement être utilisé pour mesurer la somnolence, les niveaux de stress et les émotions humaines d'une personne - ce qui a une grande importance du point de vue des soins de santé et dans le développement de systèmes de surveillance du conducteur dans les applications automobiles.

Références

1. Texas Instruments 68xx Signes vitaux
2. Surveillance à distance des signes vitaux humains à l'aide du radar FMCW à ondes mm
3. DeepHeart :apprentissage de séquence semi-supervisé pour la prédiction des risques cardiovasculaires