Исследователи создали устройство, использующее фотонный радар для удаленного и точного мониторинга дыхания, позволяющего даже различать нескольких пациентов. Они говорят, что их устройство однажды может быть использовано в больницах, учреждениях по уходу за престарелыми и дома для обеспечения бесконтактного мониторинга людей с респираторными заболеваниями.
Наблюдение за жизненно важными показателями пациента жизненно важно для отслеживания его здоровья и телесные функции. Многие современные методы, используемые в больницах, требуют проводного контакта с пациентом — подумайте о тех липких электродах, размещенных на груди, которые регистрируют частоту сердечных сокращений и дыхания — что может быть проблематичным, например, если пациент обжегся и у него мало доступа к коже.<р>Бесконтактной альтернативой являются системы мониторинга на основе камер, но они чувствительны к условиям освещения и цвету кожи и создают проблемы с конфиденциальностью при использовании в медицинских учреждениях. Теперь исследователи из Сиднейского университета разработали систему точного мониторинга дыхания, которая не требует контакта с пациентом.
«У систем на основе камер есть две проблемы, — сказал Бен Эгглтон, автор исследования. «Одним из них является высокая чувствительность к изменениям условий освещения и цвета кожи. Другой — конфиденциальность пациентов: изображения пациентов с высоким разрешением записываются и хранятся в инфраструктуре облачных вычислений».
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи обратились к фотонике. Фотонные радары, или микроволновые фотонные радары, используют фотоны — световую энергию высокой частоты — вместо электронов и электричества для генерации радиоволн. Фотонный приемопередатчик создает микроволновый сигнал с помощью импульсного лазера, который возвращает сигнал на фотонный приемник после попадания в цель.
Обычные радиочастотные (РЧ) радары, основанные на электронике, имеют узкую полосу пропускания и уменьшенное разрешение по дальности. В результате они не могут различать цели, расположенные близко друг к другу.
«Фотонный радар использует систему фотоники на основе света, а не традиционную электронику, для генерации, сбора и обработки сигналов радара», — сказал Ziqian Zhang, ведущий автор исследования. «Этот подход позволяет генерировать очень широкополосные радиочастотные (РЧ) сигналы, предлагая высокоточное и одновременное множественное отслеживание объектов».
Исследователи дополнили свою фотонную систему обнаружением и определением дальности света (LiDAR). , который использует импульсные световые волны для измерения расстояния. Хотя LiDAR сам по себе обеспечивает хороший диапазон и разрешение, его способность проникать сквозь такие объекты, как одежда, ограничена. Включение радара и LiDAR дает устройству преимущества обоих, а также встроенную систему резервного копирования.
«Настоящим нововведением в нашем подходе является взаимодополняемость: наша продемонстрированная система способна одновременно обеспечивать обнаружение с помощью радара и лидара», — сказал Ян Лю, соавтор. «Это имеет встроенную избыточность; если в одной из систем возникает сбой, другая продолжает работать».
Исследователи сначала протестировали свое устройство, используя два симулятора человеческого дыхания. Они обнаружили, что радар может точно определять частоту дыхания двух целей на расстоянии около 3,9 дюйма (10 см) друг от друга в режиме реального времени. Он обнаружил нерегулярные формы дыхания на уровне миллиметра, в том числе более длинные вдохи и более короткие выдохи, а также паузы в дыхании.
Затем они протестировали свое устройство на живом существе, используя тростниковую жабу в качестве человека-посредника. . Жаба была помещена примерно в 39 дюймов (1 м) от радара, при этом луч был сфокусирован на ее щечной области, которая двигается во время дыхания. По сравнению с человеческой грудью, щечная область жабы меньше даже дюйма или пары сантиметров в квадрате.
Видеозапись дыхания жабы была сопоставлена с данными в реальном времени, извлеченными из устройства. Он точно измерил частоту дыхания животного, в том числе прерывистое дыхание, характерное для амфибий.
Двигаясь вперед, исследователи видят ряд возможностей для улучшения своего устройства.
«Мы могли бы продолжить изучение использования встроенных компонентов для уменьшения занимаемой площади устройства или проверить его производительность на людях, возможно, с выявленными заболеваниями легких или сердца», — сказал Чжан. «Еще одна перспектива — углубиться в передовые алгоритмы, чтобы повысить производительность системы для движущихся объектов в реальных сценариях приложений, таких как в учреждениях по уходу за престарелыми».
Они говорят, что способность их устройства измерять дыхание от расстояние повышает комфорт пациента и снижает риск перекрестного заражения. Кроме того, это позволит контролировать несколько пациентов с одной централизованной станции. В конечном итоге они видят для него ряд применений, в том числе в здравоохранении, тюрьмах, уходе за престарелыми и на дому, а также в ветеринарии и животноводстве.
Исследование было опубликовано в журнале Nature. Photonics и приведенный ниже короткий видеоролик, созданный Сиднейским университетом, показывает, как устройство отслеживает дыхание тростниковой жабы.
Тростниковые жабы
