Design, Implementation, and Testing of a System for Contactless Detection of Newborn Respiratory Rate Using FMCW Radar Sensor

Abstract

Monitorace dechové frekvence je běžnou součástí péče o novorozence, a to jak v nemocničním, tak v domácím prostředí a hraje klíčovou roli ve včasném odhalení život ohrožujících stavů. V rámci této diplomové práce byl navržen, realizován a verifikován systém pro bezdotykovou monitoraci dechové frekvence novorozenců využívající FMCW radarový senzor Infineon BGT60TR13C XENSIVTM, pracující na frekvenci 60 GHz. Byl vytvořen algoritmus zpracovávající přijatý radarový signál, který vyhodnocuje dechovou frekvenci v reálném čase. Dále algoritmus určuje pozici novorozence v inkubátoru nebo postýlce. Následně byl pro účely testování a verifikace systému vytvořen fantom simulující dechové pohyby novorozence. Tento fantom byl navržen ve třech různých velikostech, které odpovídají různým velikostem novorozenců. Verifikační měření bylo provedeno pro dvě různé konfigurace radarového senzoru. Při první konfiguraci byl radarový senzor umístěn horizontálně nad středem postýlky. Při druhé konfiguraci byl radarový senzor umístěn do čela postýlky a pootočen o 45°. Odhadnuté hodnoty dechové frekvence byly porovnány s referenčními, přičemž absolutní chyba detekce dechové frekvence byla průměrně 0,73 bpm a relativní chyba se pohybovala v rozmezí 1,5 2,2 %. Úspěšnost určení správné pozice se pohybovala v rozmezí 79,5 92,8 %, přičemž byla ovlivněna vzdáleností fantomu od radarového senzoru a intenzitou signálu. Navržený systém byl následně testován na referenčním fyziologické neonatologickém simulátoru SimNewB. Výsledky měření tedy naznačují, že FMCW radarový senzor by mohl být vhodný pro monitoraci dechové frekvence novorozenců, a to zejména v domácím prostředí jako alternativa k současně využívaným monitorům dechu.Respiratory rate monitoring is an integral part of newborn care, both in the hospital and at home, and plays a key role in the early detection of life-threatening conditions. In this thesis, a system for non-contact monitoring of neonatal respiratory rate was designed, implemented and verified using an Infineon BGT60TR13C XENSIVTM FMCW radar sensor operating at 60 GHz. An algorithm has been developed to process the received radar signal to evaluate the respiratory rate in real time. The algorithm also determines the position of the newborn in the incubator or in the cot. Subsequently, a phantom simulating the breathing movements of the newborn was created for the purpose of testing and verification of the system. This phantom was designed in three different sizes, corresponding to different sizes of newborns. Verification measurements were performed for two different radar sensor configurations. In the first configuration, the radar sensor was placed horizontally above the center of the cot. In the second configuration, the radar sensor was placed in the head of the cot and rotated 45°. The estimated respiratory rate values were compared with reference values, with an absolute error in respiratory rate detection averaging 0.73 bpm and a relative error ranging from 1.5 to 2.2%. The success rate of determining the correct position ranged from 79.5 to 92.8% and was affected by the distance of the phantom from the radar sensor and the signal strength. The proposed system was then tested on the reference physiological neonatology simulator SimNewB. Thus, the measurement results suggest that the FMCW radar sensor could be suitable for monitoring the respiratory rate of newborns, especially in the home environment as an alternative to the currently used breathing monitors