Menggunakan radar mmWave untuk pemantauan tanda-tanda vital
Tanda-tanda vital adalah seperangkat parameter medis yang menunjukkan status kesehatan dan fungsi tubuh seseorang. Mereka memberikan petunjuk tentang kemungkinan penyakit dan tren pemulihan atau kemunduran. Ada empat tanda vital utama:suhu tubuh (BT), tekanan darah (BP), laju napas (BR), dan detak jantung (HR). Tanda-tanda vital bervariasi dari orang ke orang berdasarkan usia, jenis kelamin, berat badan dan tingkat kebugaran. Tanda-tanda ini juga dapat bervariasi berdasarkan keterlibatan fisik atau mental seseorang dalam situasi tertentu. Misalnya, seseorang yang melakukan aktivitas fisik dapat menunjukkan suhu tubuh, laju napas, dan detak jantung yang tinggi.
Gelombang milimeter (mmWave) radar mengirimkan gelombang elektromagnetik dan objek apa pun di jalur memantulkan sinyal kembali. Dengan menangkap dan memproses sinyal yang dipantulkan, sistem radar dapat menentukan jangkauan, kecepatan, dan sudut objek. Potensi radar mmWave untuk memberikan presisi tingkat milimeter dalam deteksi jangkauan objek menjadikannya teknologi yang ideal untuk merasakan sinyal biologis manusia. Selain itu, teknologi mmWave memberikan keuntungan berupa pengawasan terus menerus tanpa kontak terhadap pasien, membuatnya lebih nyaman bagi orang tersebut dan pengguna.
Dalam artikel ini kita membahas bagaimana radar mmWave dapat digunakan untuk memantau tanda-tanda vital seperti BR dan HR.
Apa yang ditunjukkan oleh Tanda Vital BR dan HR?
Biasanya, tanda vital orang yang sehat adalah seperti yang diberikan pada tabel di bawah ini (1):
Tabel 1:Vital Orang Sehat
Nilai-nilai ini, seperti yang disebutkan sebelumnya, dapat bervariasi menurut usia, jenis kelamin, tingkat kebugaran, dan aktivitas fisik atau mental pada saat pengukuran. Analisis gabungan dari parameter ini (HR dan BR) membantu profesional perawatan kesehatan untuk menilai tingkat kesehatan dan stres seseorang yang diamati. Denyut jantung istirahat orang-orang pada berbagai kelompok umur ditunjukkan pada tabel di bawah ini.
Tabel 2:Detak Jantung Istirahat Berdasarkan Usia (Sumber:https://en.wikipedia.org/wiki/Heart_rate#Resting_heart_rate)
Gambar 1 di bawah menunjukkan variasi HR berdasarkan keterlibatan fisik atau mental orang tersebut pada saat pengukuran.
klik untuk gambar lebih besar Gambar 1:Variasi Detak Jantung berdasarkan kebugaran, stres, dan kondisi medis individu (Sumber:https://www.aaai.org/ocs/index.php/AAAI/AAAI18/paper/view/ 16967/15916)
HR dan BR memungkinkan diagnosis cepat kondisi medis tertentu yang fatal; misalnya, sindrom apnea tidur obstruktif (OSAS) dan sindrom kematian bayi mendadak (SIDS). Pada OSAS, pasien berhenti bernapas untuk waktu yang lama selama tidur dan dalam kasus SIDS, napas bayi tersumbat baik dengan berbaring tengkurap atau karena penghalang material. Dispnea dan penyakit paru obstruktif kronik adalah kondisi terkait napas lainnya. Lihat gambar di bawah untuk memahami pola napas dalam berbagai kondisi.
klik untuk gambar lebih besar Gambar 2:Pola Nafas (Sumber:https://clinicalgate.com/chest-inspection-palpation-and-percussion/)
Studi menunjukkan bahwa individu dengan detak jantung istirahat yang tinggi berisiko lebih tinggi mengalami masalah terkait jantung. Dan individu dengan detak jantung istirahat yang rendah mungkin memerlukan implantasi alat pacu jantung permanen di masa mendatang.
Memantau laju napas dan detak jantung pasien dengan kondisi di atas berpotensi menyelamatkan nyawa.
Pengukuran tanda vital berbasis kontak dan tanpa kontak
Sebagian besar perangkat pengukuran yang ada adalah instrumen berbasis kontak. Mereka harus ditempelkan ke tubuh pasien untuk diukur dan dipantau. Ini tidak selalu nyaman bagi pasien yang perlu dipantau terus menerus selama jangka waktu yang lama. Misalnya, pertimbangkan situasi pandemi COVID-19 yang sedang berlangsung, di mana perangkat pemantauan vital tanpa kontak mungkin menjadi lebih relevan karena membantu meminimalkan penyebaran virus melalui titik kontak dan kontak. Ini memastikan keamanan yang lebih baik bagi para profesional kesehatan. Oleh karena itu, instrumen berbasis jarak jauh dan nirsentuh adalah kebutuhan saat ini.
radar mmWave
Seperti namanya, ini adalah teknologi radar yang memanfaatkan gelombang RF dengan panjang gelombang dari 10mm hingga 1mm dengan frekuensi 30 hingga 300Gz. Spektrum yang dialokasikan untuk radar dalam aplikasi industri adalah 60 hingga 64Ghz dan untuk aplikasi otomotif adalah 76 hingga 81GHz. Karena panjang gelombang sinyal pada frekuensi ini lebih pendek, antena radar berukuran lebih kecil. Ukuran kecil dari radar ini dikombinasikan dengan kemajuan teknologi antena seperti Antenna on Package (AoP) dan Antenna on PCB (AoPCB) memungkinkan penggunaannya secara luas dalam navigasi mobil, otomatisasi gedung, perawatan kesehatan &aplikasi industri.
Pada artikel ini kami fokus pada radar gelombang kontinu termodulasi frekuensi (FMCW). Radar FMCW terus menerus mengirimkan sinyal termodulasi frekuensi untuk mengukur jangkauan serta sudut dan kecepatan objek target. Radar FMCW berbeda dari sistem radar berdenyut tradisional, yang mengirimkan pulsa pendek secara berkala. Dalam kasus radar FMCW, frekuensi sinyal meningkat secara linier dengan waktu. Jenis sinyal ini disebut kicauan (Gambar 3).
klik untuk gambar lebih besar Gambar 3:Kicauan dalam domain waktu. (Sumber:Penulis)
Sistem radar FMCW mengirimkan sinyal kicauan dan menangkap sinyal yang dipantulkan oleh objek di jalurnya. Gambar 4 mewakili diagram blok yang disederhanakan dari komponen utama radar FMCW.
klik untuk gambar lebih besar Gambar 4:Diagram Blok Radar FMCW (Sumber:TI.com)
“Mixer” menggabungkan sinyal RX dan TX untuk menghasilkan sinyal frekuensi menengah (IF). Keluaran mixer memiliki kedua sinyal yang merupakan penjumlahan dan perbedaan frekuensi kicauan Rx dan Tx. Filter lolos rendah digunakan agar hanya sinyal dengan perbedaan frekuensi yang dapat melewatinya.
Gambar 5 menunjukkan kicauan yang dikirim dan diterima dalam domain frekuensi. Jika ada beberapa objek pada rentang yang berbeda, akan ada beberapa kicauan yang dipantulkan, masing-masing dengan penundaan berdasarkan waktu yang dibutuhkan untuk melakukan perjalanan kembali ke radar. Untuk setiap kicauan yang dipantulkan akan ada nada IF yang sesuai.
klik untuk gambar lebih besar Gambar 5:Representasi domain frekuensi Kicauan TX dan Rx serta nada frekuensi IF (Sumber:TI.com)
Saat menganalisis spektrum frekuensi sinyal IF, setiap puncak dalam spektrum sesuai dengan satu atau lebih objek yang terdeteksi dan frekuensi sesuai dengan jangkauan objek.
Jika objek bergerak menuju atau menjauh dari radar, karena efek doppler, frekuensi dan fase kicauan yang dipantulkan berubah. Karena panjang gelombang berada di urutan 3,5 mm, perubahan kecil menghasilkan perubahan fasa yang besar. Sangat mudah untuk mendeteksi perubahan fase yang besar dibandingkan dengan perubahan frekuensi yang kecil. Jadi, dalam radar FMCW, informasi fase digunakan untuk mendeteksi kecepatan objek. Untuk menentukan kecepatan benda, digunakan beberapa kicauan. Perbedaan fase antara kicauan yang dipantulkan berturut-turut dicatat dan kecepatannya dihitung dengannya.
Keuntungan dari panjang gelombang pendek adalah akurasi yang tinggi. Radar mmWave yang beroperasi pada 60 atau 77GHz (dengan panjang gelombang yang sesuai dalam kisaran 4 mm), akan memiliki kemampuan untuk mendeteksi gerakan yang sesingkat sepersekian milimeter.
Gambar 6 menunjukkan radar mmWave mentransmisikan kicauan ke arah daerah dada pasien. Sinyal yang dipantulkan dimodulasi fase karena pergerakan dada. Modulasi memiliki semua komponen gerakan termasuk gerakan karena detak jantung dan pernapasan. Radar mentransmisikan beberapa kicauan pada interval yang telah ditentukan. Di setiap kicauan, rentang FFT dilakukan dan bin rentang yang sesuai dengan lokasi dada orang tersebut dipilih. Fase sinyal dalam bin rentang yang dipilih ini dicatat untuk setiap kicauan. Dari ini, perubahan fase dihitung, yang memberikan kecepatan. Kecepatan yang diperoleh masih termasuk komponen dari semua gerakan. Analisis spektral dari kecepatan yang diperoleh ini membantu menyelesaikan berbagai komponen. Ini dicapai dengan melakukan FFT doppler.
klik untuk gambar lebih besar Gambar 6:Pengaturan deteksi HR dan BR. (Sumber:Penulis)
Gambar 7 menunjukkan algoritma pendeteksian HR dan BR. Frekuensi detak jantung orang dewasa antara 0,8 dan 2Hz, sedangkan frekuensi napas berada pada kisaran 0,1 hingga 0,5Hz. Dari FFT doppler, komponen kecepatan pada frekuensi detak jantung dan laju napas dipilih dan diplot terhadap waktu. Jumlah puncak dalam satu menit untuk masing-masing frekuensi ini memberikan detak jantung dan laju napas orang tersebut.
klik untuk gambar lebih besar Gambar 7:Algoritma pendeteksian HR dan BR. (Sumber:Penulis)
Tantangan dalam pemantauan tanda vital berbasis mmWave Radar
Pemantauan tanda-tanda vital menggunakan teknologi mmWave masih dalam pengembangan. Salah satu tantangan utama adalah variasi sinyal yang dipantulkan di antara orang-orang. Refleksi tergantung pada jenis kulit, jaringan, dan komposisinya. Kadar air dalam tubuh dan berbagai komposisi kimia berbeda. Studi yang sedang berlangsung tentang variasi sinyal yang dipantulkan diharapkan memberikan hasil dan mencapai pengukuran yang lebih akurat oleh radar.
Kesimpulan
Fokus utama radar mmWave telah dipusatkan di sekitar aplikasi pertahanan, otomotif dan industri. Namun, kemajuan terbaru dalam teknologi mmWave juga menemukan arti penting dalam industri perawatan kesehatan. Akurasi yang lebih tinggi, kemampuan pemrosesan sinyal berkecepatan tinggi, deteksi jangkauan yang ditingkatkan, dan integrasi radar ke dalam chipset ultra-kompak diharapkan sangat memungkinkan aplikasi perawatan kesehatan seperti pemantauan aktivitas pasien, pemantauan tanda-tanda vital, dll. Selain itu, radar mmWave dapat berpotensi digunakan untuk mengukur kantuk, tingkat stres, dan emosi manusia – yang memiliki signifikansi tinggi dari perspektif perawatan kesehatan dan dalam mengembangkan sistem pemantauan pengemudi dalam aplikasi otomotif.
Referensi
Texas Instruments 68xx Tanda Vital
Pemantauan Jarak Jauh Tanda-tanda Vital Manusia Menggunakan Radar FMCW Gelombang mm
DeepHeart:Pembelajaran Urutan Semi-Terawat untuk Prediksi Risiko Kardiovaskular
