バイタルサインの監視にミリ波レーダーを使用する

バイタルサインは、人の健康状態と身体機能を示す一連の医療パラメータです。それらは、起こりうる病気や回復または悪化の傾向への手がかりを与えます。 4つの主要なバイタルサインがあります：体温（BT）、血圧（BP）、呼吸数（BR）および心拍数（HR）。バイタルサインは、年齢、性別、体重、フィットネスレベルに基づいて人によって異なります。これらの兆候は、特定の状況における人の身体的または精神的な関与に基づいて変化する場合もあります。たとえば、身体活動に従事している人は、高い体温、呼吸数、心拍数を示す可能性があります。

ミリ波（mmWave）レーダーは電磁波を送信し、経路内のオブジェクトは信号を反射して戻します。レーダーシステムは、反射信号をキャプチャして処理することにより、物体の範囲、速度、角度を特定できます。 mmWaveレーダーは、物体範囲の検出でミリメートルレベルの精度を提供する可能性があるため、人間の生体信号を検知するための理想的なテクノロジーです。さらに、ミリ波テクノロジーは、患者の非接触で継続的な監視という利点をもたらし、人とユーザーにとってより便利になります。

この記事では、ミリ波レーダーを使用して、BRやHRなどのバイタルサインを監視する方法について説明します。

BRおよびHRバイタルサインは何を示していますか？

通常、健康な人のバイタルサインは次の表のとおりです（1）：

表1：健康な人のバイタル

これらの値は、前述のように、年齢、性別、フィットネスレベル、および測定時の身体的または精神的活動によって異なる場合があります。これらのパラメーター（HRとBR）を組み合わせた分析は、医療専門家が観察中の人の健康とストレスのレベルを評価するのに役立ちます。さまざまな年齢層の人々の安静時心拍数を下の表に示します。

表2：年齢別の安静時心拍数（出典：https：//en.wikipedia.org/wiki/Heart_rate#Resting_heart_rate）

下の図1は、測定時の人の身体的または精神的な関与に基づくHRの変化を示しています。

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図1：個人の健康状態、ストレス、病状に基づく心拍数の変化（出典：https：//www.aaai.org/ocs/index.php/AAAI/AAAI18/paper/view/ 16967/15916）

HRとBRは、致命的な特定の病状の迅速な診断を可能にします。たとえば、閉塞性睡眠時無呼吸症候群（OSAS）や乳幼児突然死症候群（SIDS）などです。 OSASでは、患者は睡眠中に長時間呼吸を停止し、SIDSの場合、乳幼児の呼吸は顔に横になるか、物質的な障害物のために遮断されます。呼吸困難と慢性閉塞性肺疾患は、他の呼吸関連の状態です。さまざまな条件での呼吸パターンを理解するには、下の図を参照してください。

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図2：呼吸パターン（出典：https：//clinicalgate.com/chest-inspection-palpation-and-percussion/）

研究によると、安静時の心拍数が高い人は、心臓に関連する問題のリスクが高いことが示されています。また、安静時の心拍数が低い人は、将来、ペースメーカーを恒久的に植え込む必要があるかもしれません。

上記の状態の患者の呼吸数と心拍数を監視すると、命を救う可能性があります。

バイタルサインの接触および非接触ベースの測定

既存の測定装置のほとんどは、接触ベースの機器です。測定および監視するには、患者の体に取り付ける必要があります。これは、長期間にわたって継続的に監視する必要がある患者にとって必ずしも便利ではありません。たとえば、進行中のCOVID-19のパンデミック状況を考えてみてください。この状況では、非接触型の重要な監視デバイスが、タッチポイントや接触を介したウイルスの拡散を最小限に抑えるのに役立つため、より適切になる可能性があります。これにより、医療専門家の安全性が向上します。したがって、リモートの非接触ベースの機器は時間の必要性です。

ミリ波レーダー

名前が示すように、これらは30から300Gzの周波数で10mmから1mmの波長のRF波を利用するレーダー技術です。産業用アプリケーションのレーダーに割り当てられるスペクトルは60〜64Ghzであり、自動車用アプリケーションに割り当てられるスペクトルは76〜81GHzです。これらの周波数の信号の波長が短いため、レーダーアンテナのサイズは小さくなります。これらのレーダーの小型化と、Antenna on Package（AoP）やAntenna on PCB（AoPCB）などのアンテナ技術の進歩により、カーナビゲーション、ビルディングオートメーション、ヘルスケア、産業用途での幅広い使用が可能になりました。

この記事では、周波数変調連続波（FMCW）レーダーに焦点を当てます。 FMCWレーダーは、周波数変調信号を継続的に送信して、ターゲットオブジェクトの範囲と角度および速度を測定します。 FMCWレーダーは、短いパルスを定期的に送信する従来のパルスレーダーシステムとは異なります。 FMCWレーダーの場合、信号の周波数は時間とともに直線的に増加します。このタイプの信号はチャープと呼ばれます（図3）。

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図3：時間領域でのチャープ。 （出典：著者）

FMCWレーダーシステムはチャープ信号を送信し、その経路内の物体によって反射された信号をキャプチャします。図4は、FMCWレーダーの主要コンポーネントの簡略化されたブロック図を表しています。

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図4：FMCWレーダーのブロック図（出典：TI.com）

「ミキサー」は、RX信号とTX信号を組み合わせて、中間周波数（IF）信号を生成します。ミキサー出力には、RxチャープとTxチャープの周波数の合計と差の両方の信号があります。ローパスフィルターは、周波数の異なる信号のみを通過させるために使用されます。

図5は、周波数領域で送信および受信されたチャープを示しています。異なる範囲に複数のオブジェクトがある場合、複数の反射チャープがあり、それぞれがレーダーに戻るのにかかる時間に基づいて遅延が発生します。反射したチャープごとに、対応するIFトーンがあります。

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図5：TXおよびRxチャープの周波数領域表現とIF周波数トーン（出典：TI.com）

IF信号の周波数スペクトルを分析すると、スペクトルの各ピークは1つ以上の検出されたオブジェクトに対応し、周波数はオブジェクトの範囲に対応します。

ドップラー効果により、物体がレーダーに近づいたり遠ざかったりすると、反射したチャープの周波数と位相が変化します。波長は3.5mm程度なので、小さな変化で大きな位相変化が起こります。周波数の小さな変化に比べて、位相の大きな変化を簡単に検出できます。したがって、FMCWレーダーでは、位相情報を使用して物体の速度を検出します。オブジェクトの速度を決定するために、複数のチャープが使用されます。連続する反射チャープ間の位相差が記録され、それを使用して速度が計算されます。

ミリ波レーダーはバイタルサインをどのように検出しますか？

短波長の利点は、高精度です。 60または77GHz（対応する波長が4 mmの範囲）で動作するミリ波レーダーには、1ミリメートルの何分の1かの短い動きを検出する機能があります。

図6は、患者の胸部に向かってチャープを送信するミリ波レーダーを示しています。反射信号は胸部の動きにより位相変調されます。変調には、心拍や呼吸による動きを含む、動きのすべての要素が含まれます。レーダーは、事前定義された間隔で複数のチャープを送信します。各チャープでは、範囲FFTが実行され、人の胸の位置に対応する範囲ビンが選択されます。この選択された範囲ビンの信号の位相は、すべてのチャープについて記録されます。これらから、位相の変化が計算され、速度が得られます。得られた速度には、すべての動きの成分が含まれています。この得られた速度のスペクトル分析は、さまざまな成分を解決するのに役立ちます。これは、ドップラーFFTを実行することによって実現されます。

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図6：HRおよびBR検出のセットアップ。 （出典：著者）

図7は、HRおよびBR検出アルゴリズムを示しています。成人の心拍数は0.8〜2Hzで、呼吸数は0.1〜0.5Hzです。ドップラーFFTから、心拍数と呼吸数の周波数での速度成分が選択され、時間に対してプロットされます。これらの各周波数の1分間のピーク数は、人の心拍数と呼吸数を提供します。

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図7：HRおよびBR検出アルゴリズム。 （出典：著者）

ミリ波レーダーベースのバイタルサインモニタリングの課題

ミリ波技術を使用したバイタルサインの監視はまだ開発中です。主要な課題の1つは、反射信号が人によって異なることです。反射は、皮膚の種類、組織、およびその組成によって異なります。体内の水分レベルやさまざまな化学組成が異なります。反射信号の変動に関する現在進行中の研究は、結果をもたらし、レーダーによるより正確な測定を達成することが期待されています。

結論

ミリ波レーダーの主な焦点は、防衛、自動車、および産業用アプリケーションに集中しています。ただし、ミリ波技術の最近の進歩は、ヘルスケア業界でも重要性を見出しています。より高い精度、高速信号処理機能、拡張された範囲検出、および超小型チップセットへのレーダーの統合により、患者の活動の監視、バイタルサインの監視などのヘルスケアアプリケーションが大幅に可能になることが期待されます。さらに、mmWaveレーダーは人の眠気、ストレスレベル、人間の感情を測定するために使用される可能性があります。これは、ヘルスケアの観点から、および自動車アプリケーションでのドライバー監視システムの開発において非常に重要です。

参考資料

1. Texas Instruments68xxバイタルサイン
2. ミリ波FMCWレーダーを使用した人間のバイタルサインのリモートモニタリング
3. DeepHeart：心血管リスク予測のための半教師ありシーケンス学習