Zdalna ocena funkcji życiowych z użyciem czujników radarowych

Społeczeństwa wielu krajów szybko się starzeją, stąd monitorowanie stanu zdrowia odgrywa coraz ważniejszą rolę. Co do zasady, lepiej jest wykrywać problemy zdrowotne jak najwcześniej, co pozwala ograniczyć potrzebę leczenia i hospitalizacji. Ludzie chcą żyć samodzielnym i niezależnym życiem w znanym sobie otoczeniu aż do starości.

Z kolei osoby młode są dzisiaj zainteresowane korzystaniem ze spersonalizowanych usług medycznych. Dzięki możliwości monitorowania stanu zdrowia i oceny sprawności fizycznej w dowolnym momencie staje się możliwe wykrywanie chorób i mierzenie poziomu stresu. Dzięki temu można szybko zareagować, gdyby działo się coś złego.

Wiele chorób można wcześnie wykryć na podstawie nieprawidłowości w danych kardiopulmonologicznych i w tym obszarze dużo się dzieje. Dzięki postępowi technologicznemu pojawiają się nowe możliwości, np. związane z funkcjonalnością smartwatch. Dzięki nim połączenie elektroniki użytkowej z cyfrowym monitorowaniem zdrowia stało się coraz bardziej popularne.

Najważniejsze parametry życiowe, które warto monitorować, obejmują bicie serca i częstość oddechów. Informacje te można wykorzystać do wykrywania na wczesnym etapie chorób, takich jak choroby układu krążenia lub przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP). Podobnie poprzez monitorowanie snu można wykryć bezdech senny.

 

Rys. 1. Inwestycje w branżę ochrony zdrowia w ostatnich latach gwałtownie wzrosłyis

Większość takich aplikacji wymaga zapewnienia bezpośredniego kontaktu z pacjentem, na przykład za pomocą elektrod lub przynajmniej poprzez kontakt skóry z czujnikiem. Dotyczy to zarówno precyzyjnych systemów stosowanych w szpitalach, jak i konsumenckiej elektroniki noszonej. Rozwiązania te wymagają kabli, które ograniczają swobodę ruchu, albo regularnego ładowania, co jest niewygodne. Kable i elektrody nie nadają się dla osób z alergiami lub chorobami skóry, dla niemowląt i osób starszych. Stąd rynek cyfrowej opieki zdrowotnej potrzebuje produktu, który umożliwia bezkontaktowy i ciągły monitoring zdrowia użytkownika.

Czujnik radarowy umożliwia ciągłe i bezkontaktowe monitorowanie tętna i częstości oddechów. Umożliwia również długoterminowe rejestrowanie danych życiowych bez konieczności ciągłej interakcji użytkownika. Dzięki temu lekarz ma do dyspozycji więcej danych, a pacjent ma zapewnioną wygodę i higienę.

W tym rozwiązaniu wykorzystuje się nadajnik o małej mocy wysyłający sygnał w kierunku obiektu i odbiornik mikrofalowy, który odbiera odbity sygnał (rys. 2). Ruch obiektu powoduje przesunięcie częstotliwości Dopplera, które można zmierzyć, porównując sygnał nadawany i odbierany. Praca w zakresie mikrofal na 60 GHz umożliwia wykrywanie drobnych ruchów klatki piersiowej spowodowanych oddychaniem i biciem serca z dużą czułością. Dzięki zaawansowanym algorytmom tętno i częstość oddechów można dokładnie wyodrębnić z sygnału. Może to również spełnić wymagania dotyczące certyfikacji medycznej.

 

Rys. 2. Zasada działania czujnika radarowego XENSIV

W omawianym kontekście detekcji funkcji życiowych czujnik radarowy ma wiele zalet: jest dyskretny (mały), niezawodny, zapewnia anonimowość i jest energooszczędny.

Dyskrecja

W przypadku wykrywania funkcji życiowych technologia radarowa ma tę zaletę, że prawie nie wpływa na życie pacjenta. Jedynym wymogiem jest to, że użytkownik musi pozostać w określonej odległości od urządzenia, zwykle w granicach 1,5 m. Najlepiej, aby klatka piersiowa użytkownika była skierowana w stronę czujnika, ale też nie jest to wymóg obowiązkowy. Ponieważ radar może działać będąc zasłonięty przez materiały nieprzewodzące, ludzie mogą nosić dowolny rodzaj odzieży lub np. przykryć się kocem. Daje to inżynierom aplikacji z czujnikiem radarowym niemal swobodny wybór materiału i kształtu obudowy, aby spełnić wymagania projektowe konsumentów.

Niezawodność

Działanie czujnika radarowego jest prawie niezależne od warunków otoczenia. Bez względu na to, czy w pomieszczeniu jest ciemno lub bardzo jasno, czy jest duża wilgotność, czujnik działa jednakowo dobrze. Dzięki zaawansowanemu przetwarzaniu sygnału czujnik może również rozróżniać cele ludzkie i nieludzkie, dzięki czemu małe zwierzęta domowe mogą zostać zignorowane.

Anonimowość

Radar analizuje tylko echo emitowanego sygnału i dlatego nie jest zależny od żadnych czynników zewnętrznych. W rezultacie radar nie zbiera żadnych danych osobowych, takich jak obrazy, dźwięki lub filmy. Dzięki temu urządzenia do monitorowania zdrowia oparte na radarze mogą być stale używane w domu i w przestrzeniach prywatnych, bez obaw użytkowników o naruszanie ich prywatności.

Energooszczędność

Niski średni pobór mocy, wynoszący zaledwie kilka miliwatów, umożliwia korzystanie z radaru 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. Typowa moc nadawania wynosi około 10 dBm (10 mW) lub nawet mniej. Jest to bardzo mało w porównaniu na przykład ze smartfonem 5G, który typowo może mieć moc promieniowania około 20 dBm (100 mW), a zatem promieniowanie z czujnika radarowego nie ma negatywnego wpływu na ludzi.

Niewielkie wymiary

Radar BGT60UTR11AIP firmy Infineon ma kompaktowy rozmiar 4,05 × 4,05 mm (rys. 3) i jest najmniejszym 60-gigahercowym czujnikiem tego typu ze zintegrowanymi antenami na rynku. Dzięki temu można łatwo zintegrować go z aplikacją. Zastosowania obejmują inteligentne koncentratory, laptopy, tablety, inteligentne telewizory i wiele innych inteligentnych urządzeń domowych.

 

Rys. 3. BGT60UTR11AIP firmy Infineon ma wymiary 4×4 mm i jest najmniejszym 60-gigahercowym czujnikiem radarowym na rynku

Monitorowanie zdrowia w inteligentnym domu

Postęp w technikach uczenia maszynowego umożliwia maksymalne wykorzystanie funkcjonalności technologii czujników. W rezultacie technologia radarowa coraz częściej wkracza do inteligentnego domu w celu monitorowania zdrowia mieszkańców.

Ciągłe rejestrowanie parametrów życiowych oznacza, że można je łatwo udostępnić lekarzowi użytkownika do diagnostyki. Dzięki sztucznej inteligencji automatyczna analiza zarejestrowanych danych i trendów w czasie umożliwia wczesne wykrywanie chorób manifestujących się m.in. bezdechem sennym, który można zidentyfikować. W przypadku zatrzymania oddechu można automatycznie powiadomić pogotowie ratunkowe.

Takie korzyści pozwalają w szczególności osobom starszym i chorym prowadzić samodzielne życie, rodzicom doglądać niemowlęta. To właśnie tutaj czujniki radarowe mogą okazać się naprawdę przydatne, niezależnie od tego, czy chodzi o monitorowanie objawów zespołu nagłej śmierci łóżeczkowej, czy monitorowanie wcześniaków lub ciężko chorych niemowląt.

 

Rys. 4. Potencjalne obszary aplikacyjne czujników radarowych

Za pomocą radaru mogą być monitorowane nie tylko osoby śpiące. Dzięki małym rozmiarom czujniki radarowe można zintegrować bezpośrednio z niemal wszystkimi rodzajami inteligentnych urządzeń domowych, w tym telewizorami, laptopami lub oświetleniem. Dzięki temu czujnik może monitorować bicie serca i częstość oddechów osób śpiących, oglądających telewizję, pracujących lub czytających przy oświetleniu lampą. Technologia radarowa może również wykryć atak serca i zainicjować połączenie alarmowe. Po zintegrowaniu z samochodem czujnik może nakazać systemom wspomagania kierowcy bezpieczne zatrzymanie samochodu. Ponadto czujniki radarowe mogą być używane do wykrywania oznak zmęczenia i przypominania ludziom o zrobieniu przerwy w pracy lub podczas podróży.

Czujniki radarowe mogą być również używane do wykrywania upadków, a trwają obiecujące badania nad wykorzystaniem radaru do pomiaru ciśnienia krwi (rys. 4). Ponieważ technologia radarowa umożliwia jednoczesne wykrywanie mikroruchów, prędkości i kierunku, produkty wyposażone w radar mogą wykorzystywać te informacje do obsługi bardziej zaawansowanych aplikacji wykraczających poza wykrywanie funkcji życiowych. Ten detektor może być również używany do niezawodnego wykrywania obecności człowieka, na przykład do przełączania telewizora lub laptopa w tryb oszczędzania energii, gdy nikt przed nim nie siedzi. Sterowanie gestami, a także śledzenie położenia wielu osób w pomieszczeniu można również z jego pomocą zrealizować.

Oferta i wsparcie

Do czujników z rodziny XENSIV 60 GHz, takich jak BGT60UTR11AIP lub BGT60TR13C, Infineon zapewnia wsparcie projektowe w postaci oprogramowania, a także pomoc w projektowaniu urządzeń i ich testowaniu. Pozwala to oszczędzić dużo czasu i zapewnić wysoką jakość produktów.

Wiele firm skorzystało już z tej pomocy. Na przykład szwajcarski Sleepiz oferuje certyfikowane medycznie urządzenie do monitorowania snu. Ponadto Nest Hub 2 firmy Google wykorzystuje czujnik radarowy Infineon do wykrywania funkcji życiowych podczas snu.

Analiza snu i wykrywanie bezdechu sennego Produkty firmy Sleepiz są przeznaczone do wczesnego wykrywania chorób, takich jak bezdech senny, aby zapobiegać wywołanym przez niego dalszym skutkom zdrowotnym, takim jak problemy z sercem lub cukrzyca. Jako partner stowarzyszony Infineon i jako część swojej oferty produktów, Sleepiz sprzedaje również algorytm do precyzyjnego wykrywania tętna i częstości oddechów za pomocą czujnika radarowego XENSIV 60 GHz firmy Infineon innym klientom, aby ułatwić i przyspieszyć rozwój rynku w zakresie czujników funkcji życiowych (rys. 5).   Rys. 5. Zaburzenia snu, takie jak bezdech, można wykryć poprzez analizę parametrów życiowych, takich jak częstość oddechów i bicie serca, za pomocą urządzeń wyposażonych w czujniki radarowe XENSIV 60 GHz firmy Infineon

Podsumowanie

Radar mikrofalowy umożliwia tworzenie nowoczesnych produktów konsumenckich, które przenoszą inteligentne urządzenia na zupełnie nowy poziom funkcjonalności. Jest jedyną technologią bezkontaktową, która może stale i anonimowo monitorować bicie serca i częstość oddechów człowieka.

Czujniki radarowe wprowadzają wykrywanie funkcji życiowych na rynek elektroniki użytkowej i opieki zdrowotnej. Od nadzoru wcześniaków po wczesne wykrywanie chorób, aż po monitorowanie stanu zdrowia i stanu medycznego osób starszych, radar umożliwia wykrywanie funkcji życiowych o niskim poborze mocy i dokładne w dowolnym momencie życia.

Infineon
www.infineon.com