Nel tradizionale esame ECG, i segni vitali vengono misurati utilizzando elettrodi attaccati al corpo del paziente e collegati al monitor tramite cavi. Tuttavia, per alcuni gruppi di pazienti, come quelli con gravi ustioni o ferite, allergie cutanee, malattie contagiose come il COVID-19 o determinati disturbi mentali, può risultare difficile applicare gli elettrodi e i cavi. In questi casi, l’uso di un ECG tradizionale per misurare i segni vitali diventa complicato. La buona notizia, però, è che nel futuro queste misurazioni potrebbero essere eseguite senza contatto grazie a un sistema di sensori radar ad alta frequenza. Questa tecnologia di misurazione non invasiva consente ai professionisti sanitari di monitorare i segni vitali di un paziente in modo continuo e senza contatto, da una distanza, permettendo loro di intervenire rapidamente in caso di anomalie o discrepanze.
Questa nuova metodologia di misurazione dei segni vitali rende il lavoro del personale infermieristico più facile, poiché non è necessario applicare elettrodi o cavi sul corpo del paziente. Inoltre, i pazienti beneficiano di un maggiore comfort, in quanto non devono indossare dispositivi elettronici aggiuntivi. I ricercatori del Fraunhofer IZM di Cottbus e Berlino, in stretta collaborazione con l’Università Tecnica di Brandenburg (BTU), il Ferdinand-Braun-Institut, il Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), l’Istituto Leibniz per l’alta microelettronica (IHP) e Thiem-Research GmbH, stanno sviluppando questo innovativo sistema radar ad alta frequenza. Il progetto è finanziato dal Ministero Federale tedesco dell’Istruzione e della Ricerca (BMBF) nell’ambito dell’Innovation Campus Electronics and Microsensors Cottbus (iCampus).
Misurazione dei segni vitali tramite un materasso
Il nuovo sistema radar è in grado di misurare i segni vitali, come la frequenza cardiaca e respiratoria, attraverso i vestiti, le coperte e persino un materasso, trasmettendo queste informazioni ai dispositivi di monitoraggio. “Il sistema radar utilizza i chip radar e le antenne per generare onde elettromagnetiche che vengono riflesse dal corpo. Le onde riflesse vengono modulate dal movimento ritmico della parete toracica dovuto all’attività respiratoria e cardiaca. Questo può essere misurato e analizzato dal sistema radar per estrarre i segni vitali”, spiega il Prof. Ivan Ndip, capo del dipartimento RF & Smart Sensor Systems del Fraunhofer IZM, descrivendo il funzionamento del sistema radar ad alta frequenza. In base a questi segnali, è possibile identificare aspetti medici del sistema respiratorio e cardiovascolare del paziente, come fattori di stress o aritmie cardiache, consentendo la rilevazione precoce di molte malattie e condizioni associate a anomalie di questi sistemi.
Il sistema radar medico è in grado di rilevare anche i più piccoli movimenti sulla superficie del corpo, causati dalla respirazione e dal battito cardiaco del paziente. Le applicazioni prospettiche del sistema radar sono molteplici, dalla sorveglianza di neonati, vittime di ustioni e persone con disturbi del sonno, ai pazienti in case di cura, fino ai passeggeri di veicoli, in particolare i bambini.
Test clinici e sviluppo del sistema radar
Per eseguire prove cliniche, il sistema radar è stato integrato in un involucro di plastica e installato sotto un letto d’ospedale. Durante lo sviluppo del sistema, i ricercatori del Fraunhofer IZM hanno preso in considerazione gli effetti dell’involucro di plastica e dell’ambiente reale in cui il sistema sarà utilizzato, per evitare malfunzionamenti durante l’operazione. In particolare, è stata studiata l’influenza dell’involucro di plastica e del letto ospedaliero sulle prestazioni delle antenne, durante la fase di progettazione. Grazie a un adattamento del design della scheda front-end ad alta frequenza e delle antenne, il raggio d’azione del sistema radar può essere esteso, consentendo la possibilità di posizionarlo in modo flessibile nella stanza, anche su pareti e soffitti. “L’obiettivo è permettere misurazioni a distanza maggiore dal paziente e monitorare contemporaneamente più pazienti in futuro”, afferma Uwe Maaß, collega del team di Ndip.
Affrontare le sfide della misurazione senza contatto
La misurazione affidabile senza contatto dei segni vitali tramite radar è una grande sfida, poiché il segnale riflesso dai micro-movimenti della parete toracica è molto debole. Inoltre, i segnali riflessi da persone o oggetti nelle vicinanze del paziente, il rumore di sistema e i movimenti di altre parti del corpo del paziente complicano ulteriormente la misurazione affidabile dei segni vitali. Per affrontare queste sfide, i ricercatori hanno sviluppato e ottimizzato antenne radar a 61 GHz e una scheda front-end radar per integrare i chip radar, le antenne e altri componenti del sistema, garantendo un alto rapporto segnale-rumore (SNR) e algoritmi di elaborazione del segnale potenti.
A partire dal settembre 2023, il prototipo del sistema radar medico è stato testato clinicamente da Thiem-Research GmbH, una sussidiaria della Medical University of Lusatia, durante indagini su come il sistema misuri in modo affidabile i segni vitali e come questi si correlano con l’ECG di riferimento. “Le prime misurazioni dei soggetti testati in posizione supina, laterale e prona sono andate a buon fine”, afferma Ndip. Nella seconda fase del progetto BMBF, gli esperti sono riusciti a estendere il design a un sistema radar medico multicanale, che ha il potenziale di misurare simultaneamente i segni vitali di più individui, senza alcun contatto.
Questo sistema radar rappresenta un passo importante verso un futuro in cui la tecnologia medica rende la vita dei pazienti più comoda e sicura, senza compromettere l’affidabilità delle diagnosi e del monitoraggio dei segni vitali.
