> FocusUnimore > numero 35 – aprile 2023
Radar for vital signs monitoring: innovation and potential in the “medicine of the future”
Monitoring vital signs, such as heart rate and respiratory rate, is an established practice for assessing the health status of patients. It is usually carried out by means of sensors worn by patients, but in complex situations, infectious diseases or severe burns, this solution is not always applicable. For this reason, various technologies are being studied that allow monitoring without any contact with the human body; among these, an important role is played by radar systems. In 2020, the University of Modena and Reggio Emilia financed a FAR (RADAR MONITOR) project to conduct a feasibility pilot study on the non-contact monitoring, by means of radar systems, of the vital signs of adult volunteers. The research activity was carried out jointly by research groups led by Prof. Giorgio Matteo Vitetta (“Enzo Ferrari” Department of Engineering) and Prof. Giuseppe Boriani (Department of Medicine and Surgery). This activity led to the publication of an article in the prestigious international journal “Proceedings of the IEEE” entitled “Radar-Based Monitoring of Vital Signs: A Tutorial Overview”. In this article, UNIMORE researchers describe in detail radar systems for monitoring vital signs, providing an overview of their historical evolution and the physiological foundations underlying their operation. It also provides a critical analysis of the different radar technologies available on the market for the medical sector and the signal processing methods used in this field, and explains various technical considerations and guidelines for the correct use of radar devices to maximise their effectiveness.
Il monitoraggio dei segni vitali, come la frequenza cardiaca e la frequenza respiratoria, rappresenta una pratica consolidata per la valutazione dello stato di salute dei pazienti. Infatti, i cambiamenti nei segni vitali possono essere sintomo di complicazioni mediche; per questo motivo, una loro identificazione precoce può aumentare sensibilmente le probabilità di sopravvivenza.
Al giorno d’oggi, il monitoraggio dei segni vitali viene effettuato usualmente mediante sensori indossati dai pazienti; tuttavia, in situazioni complesse, come quelle causate da malattie infettive o gravi ustioni, questa soluzione non è sempre utilizzabile. Per questa ragione, da vari anni, sono oggetto di studio varie tecnologie che consentono di effettuare il suddetto monitoraggio senza alcun contatto con il corpo umano; fra queste, un ruolo importante è giocato dai sistemi radar.
Nel 2020 l’Università di Modena e Reggio Emilia ha finanziato un progetto FAR (denominato RADAR MONITOR), che ha consentito di condurre uno studio pilota di fattibilità sul monitoraggio senza contatto, mediante sistemi radar, dei segni vitali di volontari adulti. L’attività di ricerca è stata svolta in collaborazione dai gruppi di ricerca guidati dal Prof. Giorgio Matteo Vitetta (Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari”) e dal Prof. Giuseppe Boriani (Facoltà di Medicina e Chirurgia).
La collaborazione instaurata tra questi gruppi dell’Università di Modena e Reggio Emilia ha portato alla pubblicazione di un articolo sulla prestigiosa rivista internazionale “Proceedings of the IEEE” dal titolo “Radar-Based Monitoring of Vital Signs: A Tutorial Overview“. In questo articolo, i ricercatori di UNIMORE descrivono in dettaglio i sistemi radar per il monitoraggio dei segni vitali, fornendo una panoramica sull’evoluzione storica e sui fondamenti fisiologici alla base del loro funzionamento.
Inoltre, viene offerta un’analisi critica delle diverse tecnologie radar disponibili sul mercato per il settore medico e dei metodi di elaborazione del segnale utilizzati in questo ambito, e vengono illustrate varie considerazioni tecniche e linee guida per l’utilizzo corretto dei dispositivi radar, al fine di massimizzarne l’efficacia.
“Abbiamo studiato i presupposti per l’impiego clinico dei radar, in una fase preclinica di valutazione – spiega il Prof. Giuseppe Boriani, Ordinario di Cardiologia –. I test sinora condotti solo su volontari, come riportato nella nostra pubblicazione, sono assolutamente promettenti per considerare ulteriori sviluppi di questa metodica di monitoraggio a distanza che ha grandi potenzialità in campo di cardiologia clinica, riabilitazione e anche medicina delle catastrofi. La possibilità di monitoraggio a distanza permette infatti il rilievo di parametri vitali a distanza, anche in contesti emergenziali, e la pandemia COVID-19 ha sicuramente suggerito la necessità di sviluppare innovativi sistemi di monitoraggio a distanza, inclusi sistemi basati sulla tecnologia radar. Siamo pronti a proseguire le ricerche, in grande sinergia con il gruppo del Prof. Vitetta, per attuare nel prossimo futuro una validazione clinica di questa tecnologia, in accordo alle normative in atto.”
“Il monitoraggio radar dei segni vitali – commenta il Prof. Giorgio Matteo Vitetta, Ordinario di Telecomunicazioni – si basa sul seguente principio: la parete toracica del corpo umano riflette le onde elettromagnetiche generate da un radar posto di fronte ad essa e le sue vibrazioni quasi periodiche, risultanti dalla respirazione e dal battito cardiaco, modulano tali onde. Ciò permette di estrarre dalle onde elettromagnetiche riflesse la frequenza cardiaca e respiratoria, monitorando così i segni vitali senza alcun contatto ed in modo continuo. Per questi motivi, i radar rappresentano un’opzione favorevole per il monitoraggio ospedaliero. Anche se l’utilità dei sistemi radar nel monitoraggio dei segni vitali è ormai universalmente riconosciuta ed è disponibile un’ampia letteratura su tali sistemi, in questo campo di ricerca sono ancora aperte diverse sfide: la proficua attività di ricerca svolta in collaborazione con il Prof. Boriani ha permesso di affrontare alcune di esse.”
