Fotonický radar na diaľku monitoruje dýchanie bez obáv o súkromie

Monitorovanie životných funkcií pacienta je nevyhnutné na sledovanie jeho zdravia a telesných funkcií. Mnohé súčasné metódy používané v nemocniciach si vyžadujú drôtový kontakt s pacientom. Napríklad lepiace elektródy umiestnené na hrudníku, ktoré zaznamenávajú srdcovú a dychovú frekvenciu. To môže byť problematické, ak je pacient napríklad popálený a má málo prístupnú zdravú pokožku.

Bezkontaktnou alternatívou sú monitorovacie systémy založené na kamerách, ktoré sú však citlivé na svetelné podmienky a farbu pokožky a v prípade použitia v zdravotníckych zariadeniach vyvolávajú problémy so súkromím. Výskumníci z univerzity v Sydney teraz vyvinuli systém na presné monitorovanie dýchania, ktorý si nevyžaduje kontakt s pacientom.

„Systémy založené na kamerách majú dva problémy,“ povedal Ben Eggleton, zodpovedajúci autor štúdie. „Jedným z nich je vysoká citlivosť na zmeny svetelných podmienok a farby pokožky. Druhý je s ochranou súkromia pacienta, keďže snímky pacientov s vysokým rozlíšením sa zaznamenávajú a ukladajú v infraštruktúre cloudu“.

Na prekonanie týchto problémov sa výskumníci obrátili na fotoniku. Fotonické radary alebo mikrovlnné fotonické radary využívajú na generovanie rádiových vĺn fotóny – svetelnú energiu s vysokou frekvenciou - namiesto elektrónov a elektriny. Fotonický vysielač vytvára mikrovlnný signál prostredníctvom pulzného lasera, ktorý po zasiahnutí cieľa vracia signál do prijímača na báze fotoniky.

Bežné rádiofrekvenčné radary, ktoré sa spoliehajú na elektroniku, majú úzku šírku pásma a znížené rozlíšenie dosahu. V dôsledku toho nedokážu rozlíšiť ciele umiestnené blízko seba.

„Fotonický radar využíva na generovanie, zber a spracovanie radarových signálov systém založený na svetle a fotonike - namiesto tradičnej elektroniky,“ povedal Ziqian Zhang, hlavný autor štúdie. „Tento prístup umožňuje veľmi širokopásmové generovanie rádiofrekvenčných signálov, čo ponúka veľmi presné a simultánne viacnásobné sledovanie objektov“.

Výskumníci doplnili svoj fotonický systém systémom detekcie a merania vzdialenosti pomocou svetla (LiDAR), ktorý na meranie vzdialenosti využíva pulzné svetelné vlny. Hoci samotný LiDAR poskytuje dobrý dosah a rozlíšenie, jeho schopnosť preniknúť cez objekty, ako je napríklad oblečenie, je obmedzená. Spojenie fotonického radaru a LiDARu poskytuje zariadeniu výhody oboch technológií, ako aj zabudovaný záložný systém.

„Skutočnou inováciou v našom prístupe je komplementarita: náš demonštrovaný systém dokáže súčasne detegovať radar a LiDAR,“ povedal Yang Liu, spoluautor. „To má v sebe zabudovanú redundanciu; ak sa jeden zo systémov stretne s poruchou, druhý naďalej funguje“.

Výskumníci najprv otestovali svoje zariadenie pomocou dvoch simulátorov ľudského dýchania. Zistili, že fotonický radar dokáže v reálnom čase presne zistiť frekvenciu dýchania dvoch cieľov vzdialených od seba približne 10 centimetrov. Na milimetrovej úrovni zistil nepravidelné vzorce dýchania, vrátane dlhších vdychov a kratších výdychov, ako aj prestávky v dýchaní.

Potom otestovali svoje zariadenie na živom tvorovi, pričom ako zástupcu človeka použili ropuchu trstinovú. Ropucha bola umiestnená približne jeden meter od radaru, pričom lúč bol zameraný na jej bukálnu oblasť, ktorá sa počas dýchania pohybuje. V porovnaní s ľudským hrudníkom má bukálna oblasť ropuchy len pár centimetrov štvorcových.

Videozáznam dýchania ropuchy sa porovnal s údajmi získanými zo zariadenia v reálnom čase. Presne sa merala rýchlosť dýchania zvieraťa, vrátane prerušovaného dýchania, ktoré je pre obojživelníky bežné.

Výskumníci pritom vidia niekoľko možností, ako svoje zariadenie vylepšiť.

„Mohli by sme pokračovať v skúmaní použitia komponentov na čipe s cieľom zmenšiť plochu zariadenia alebo testovať jeho výkon na ľuďoch, prípadne na osobách s identifikovanými pľúcnymi alebo srdcovými ochoreniami,“ povedal Zhang. „Ďalšou perspektívou je skúmanie pokročilých algoritmov na zvýšenie výkonnosti systému pri premiestňovaní subjektov v reálnych aplikačných scenároch, napríklad v zariadeniach starostlivosti o starých ľudí“.

Tím tvrdí, že schopnosť ich zariadenia merať dýchanie na diaľku zvyšuje pohodlie pacientov a znižuje riziko krížovej kontaminácie. Ďalej by umožnilo monitorovanie viacerých pacientov z jednej centralizovanej stanice. V konečnom dôsledku vedci vidia preň celý rad aplikácií, vrátane zdravotníctva, väzenského sektora, starostlivosti o starých ľudí a domácej starostlivosti, ako aj veterinárnych a chovateľských aplikácií.

Štúdia bola nedávno uverejnená v magazíne Nature Photonics. Vo videu, ktoré si môžete pozrieť TU, je vidieť, ako zariadenie monitorovalo dýchanie ropuchy trstinovej.