Nouveau radar harmonique à diversité de fréquence pour la détection des signes vitaux

RÉSUMÉ Les technologies de télédétection sont essentielles pour répondre aux besoins des applications émergentes qui nécessitent le développement des dispositifs sans fil et des architectures innovantes. Durant les dix dernières années, les communications sans fil ont été en constante augmentation. Un grand nombre de services multimédias sont maintenant disponibles pour les utilisateurs. Il est clair que cette tendance ne fera que s'accentuer à l'avenir afin d’obtenir des services à haute vitesse de communication sans fil à tout moment et en tout lieu (5G, par exemple). De nouvelles bandes de fréquences millimétriques ont été allouées en Amérique du Nord et en Europe pour les communications personnelles sans fil. Les technologies radars sont utilisées dans un grand nombre d'applications civiles comme l’avertissement de collision pour automobile ou la navigation routière. L'émergence de nouvelles applications dans les technologies de détection est cruciale pour répondre aux besoins de la société moderne et nécessite le développement de nouveaux dispositifs innovants. En outre, les systèmes de détections émergents doivent avoir de hautes performances en termes de sensibilité et de fiabilité. Ces paramètres deviennent de plus en plus importants pour les applications biomédicales. En outre, le coût de ces systèmes est un paramètre essentiel qui doit être réduit au minimum ; autrement ces dispositifs sans fil ne seront pas en mesure de remplacer les systèmes conventionnels. Récemment, le développement de radar pour la surveillance des fonctions vitales d’un patient tel que la respiration et/ou les battements de cœur a attiré beaucoup d'attention. L’activité cardiologique ou l'état respiratoire de plusieurs patients peuvent être surveillés simultanément si ces radars sont placés sur le plafond d'une salle de soins hospitaliers. Avec ces systèmes, il est également possible d'envoyer une alarme d'urgence rapide dans le cas des syndromes d'apnée du sommeil ou de la mort subite chez les nouveau-nés. Une autre application est la surveillance des fonctions vitales du fœtus dans l'utérus d'une mère pendant une grossesse anormale. Dans un contexte différent, ces systèmes bio-adars peuvent également être conçus pour la surveillance de la sécurité des zones ou la recherche et le sauvetage des survivants après un tremblement de terre ou des catastrophes. Dans ce cas, de tels systèmes radiofréquences (RF) doivent être capables de faire deux fonctions : la mesure du signal vital et la détection de la position des éventuelles personnes.----------ABSTRACT Remote sensing and detection technologies are essential to meet the needs of emerging applications that require the development of wireless devices and innovative architectures. During the last decade, wireless communications have been steadily expanding. A large number of multimedia services are now available to users. It is clear that this trend will only accelerate in the future to obtain high-speed wireless communication services anytime and anywhere (5G, for example). New millimeter frequency bands have been allocated in North America and Europe for wireless personal communications. Radar technologies are used in many civil applications such as automotive collision warning or road navigation. The emergence of new applications in detection technologies is crucial to meet the needs of modern society and requires the development of new devices and innovative architectures. In addition, emerging detections systems must have high performance in terms of sensitivity and reliability. These settings become increasingly important for biomedical applications. In addition, the cost of these systems is a key parameter to be minimized; otherwise these wireless devices will not be able to replace conventional systems.Recently, the radar development for monitoring a patient's vital signs such as respiration and / or heart beat has attracted much attention. The cardiac activity or respiratory status of several patients can be monitored simultaneously if these devices are placed on the ceiling of a room of hospital care. With these systems, it is also possible to send a quick emergency alarm in the case of sleep apnea syndromes or sudden death in newborns. Another application is the monitoring of vital functions of the fetus in the womb of a mother during an abnormal pregnancy. In a different context, such Bio-radar systems can also be designed to monitor area security or search and rescue of survivors after disasters such as earthquake. In this case, such RF systems must be capable of providing two functions, namely vital signal measurement and physical positioning of survivor.Generally, techniques for radar monitoring of vital signals are based on the operation of a single carrier frequency in the microwave band. When the frequency increases, the wavelength and the size of the system decrease, and therefore a better detection sensitivity is obtained

Système médical intégré de radar pour la surveillance de précision des battements cardiaques et du statut respiratoire

Résumé: La technologie radar, longtemps réservée au domaine militaire, est maintenant disponible dans le domaine civil pour l’avertissement de collision automobile, ainsi que dans le secteur biomédical pour la mise au point de systèmes de « monitoring » permettant de suivre de manière non invasive les fonctions vitales du patient telles que la respiration ou le rythme cardiaque. Placés au plafond d'une chambre d'hôpital, les systèmes RF biomédicaux peuvent suivre les rythmes cardiaques ou respiratoires de plusieurs patients en même temps. Il est également possible avec ces systèmes de donner l'alarme rapidement dans le cas d'apnée du sommeil ou du syndrome de mort subite chez les nouveaux nés. Une autre application est la surveillance des fonctions vitales du fœtus dans le ventre d’une mère lors de grossesses critiques. Dans un contexte quelque peu différent, ces systèmes RF biomédicaux sont actuellement étudiés pour une surveillance des zones de haute sécurité ou pour la recherche de survivants lors de séismes ou autre catastrophe. Pour cette dernière application, le système RF doit être capable d’assurer deux fonctions: la détection des signaux vitaux et la localisation d’une cible. L’objectif de ce projet de recherche est de concevoir des systèmes radars Doppler permettant de détecter les battements cardiaques et la respiration d’un patient sans contact direct avec la peau. Une analyse de ces systèmes tenant compte des ondes électromagnétiques des tissus humains est proposée. De plus, plusieurs prototypes sont fabriqués et testés. La conception et les résultats de simulations et de mesures sont présentés dans ce mémoire. Trois systèmes opérants à des fréquences différentes ont été réalisés : 5.8 GHz, 24 GHz et 35 GHz. Le choix de la fréquence est justifié par la tendance de miniaturisation du système et l’appartenance à la bande ISM (Industriel, Scientifique, et Médical). Outre les fréquences d’opérations, ces systèmes diffèrent également dans leur architecture et les technologies utilisées. Leurs performances obtenues expérimentalement sont comparées et discutées. De plus, des méthodes de traitement du signal sont appliquées pour séparer le signal du battement de cœur et celui de la respiration.----------ABSTRACT: Radar technology, long limited to military applications, is now available to the civilian sectors such as automotive collision warning in traffic controls and safe navigations, and in the biomedical sector for the development of systems of non-invasive monitoring of patient's vital signs such as breathing and/or heartbeats. Positioned over the ceiling of a hospital care room, such RF systems can monitor the cardiological activities or respiratory status of several patients simultaneously. With these systems it is also possible to give a fast emergency alarm in the case of a sleep apnea syndrome or sudden death in neonates. Another application is the monitoring of vital functions of the foetus inside the womb of a mother during abnormal pregnancy. In a somewhat different context, these RF biomedical systems are currently designed for surveillance of high security areas or for searching and rescuing of survivors after earthquakes or other disasters. For this last application, the RF system must be able to do two functions: the vital signal detection and the local positioning. The objective of this research project is to design a Doppler radar system to detect the heartbeat and respiration status of a patient without direct skin (invasive) contact. An analysis of the proposed system taking into account the electromagnetic wave propagation in human tissue is proposed. In addition, several prototypes are fabricated and tested. The design, simulation results and measurements are presented in this thesis. Three systems operating at different frequencies were built up: 5.8 GHz, 24 GHz, and 35 GHz. The choice of frequency is justified by the trend of miniaturization and to fulfill the ISM band (Industrial, Scientific and Medical) specifications. Besides the frequency of operation, these systems also differ in their architectures and technologies. Their experimental performances are compared and discussed. In addition, different signal processing methods are used to separate the heartbeat signal from its respiration counterpart, and the experimental results are compared while some important conclusions are reached

Machine Learning Based Object Classification and Identification Scheme Using an Embedded Millimeter-Wave Radar Sensor

ABSTRACT: A target’s movements and radar cross sections are the key parameters to consider when designing a radar sensor for a given application. This paper shows the feasibility and effectiveness of using 24 GHz radar built-in low-noise microwave amplifiers for detecting an object. For this purpose a supervised machine learning model (SVM) is trained using the recorded data to classify the targets based on their cross sections into four categories. The trained classifiers were used to classify the objects with varying distances from the receiver. The SVM classification is also compared with three methods based on binary classification: a one-against-all classification, a one-against-one classification, and a directed acyclic graph SVM. The level of accuracy is approximately 96.6%, and an F1-score of 96.5% is achieved using the one-against-one SVM method with an RFB kernel. The proposed contactless radar in combination with an SVM algorithm can be used to detect and categorize a target in real time without a signal processing toolbox

Risk of falling in a timed Up and Go test using an UWB radar and an instrumented insole

Previously, studies reported that falls analysis is possible in the elderly, when using wearable sensors. However, these devices cannot be worn daily, as they need to be removed and recharged from time-to-time due to their energy consumption, data transfer, attachment to the body, etc. This study proposes to introduce a radar sensor, an unobtrusive technology, for risk of falling analysis and combine its performance with an instrumented insole. We evaluated our methods on datasets acquired during a Timed Up and Go (TUG) test where a stride length (SL) was computed by the insole using three approaches. Only the SL from the third approach was not statistically significant (p = 0.2083 > 0.05) compared to the one provided by the radar, revealing the importance of a sensor location on human body. While reducing the number of force sensors (FSR), the risk scores using an insole containing three FSRs and y-axis of acceleration were not significantly different (p > 0.05) compared to the combination of a single radar and two FSRs. We concluded that contactless TUG testing is feasible, and by supplementing the instrumented insole to the radar, more precise information could be available for the professionals to make accurate decision