Performance assessment of a radio-frequency system for non-invasive physiological parameters measurement

Abstract

Aplicações de Rádio-frequência (RF) são extremamente comuns nos dias de hoje. Como consequência, a extensão do seu uso à medicina é uma área em desenvolvimento constante. Vários métodos foram já propostos para a medição dos mais variados parâmetros clínicos, entre os quais os destaque vai para o ritmo cardíaco, respiratório, e uma nova modalidade tomográfica através da atenuação de ondas de RF. No entanto, estes sistemas baseiam-se maioritariamente no efeito de Doppler, a partir da radiação reflectida no tórax humano. Além disso, existe ainda pouca divulgação acerca deste tipo de sistemas de monitorização. Neste trabalho um sistema de RF foi implementado utilizando duas topologias distintas de colocação de antenas RF, axial e não axial, com o objectivo de tentar quantificar o ritmo cardíaco e respiratório, assim como tentar perceber que alterações seriam necessárias para a implementação de um sistema tomográfico. Paralelamente, simulações foram realizadas em software utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF), de modo a poder prever qual o o efeito dos tecidos biológicos na propagação da radiação e melhor dimensionar o hardware. O aparelho desenvolvido demonstrou ser capaz de medir o ritmo respiratório de forma precisa, contínua e totalmente não invasiva, com um erro entre 0.41 to 1.06 respirações por minuto, e a presença do sinal cardíaco foi observada nos resultados obtidos. A quantificação dos sinais biológicos foi efectuada através da análise espectral do valor da potência das ondas RF recebidas, e os resultados foram validados através da detecção da frequência de oscilação de um pêndulo. Foi concluído que este tipo de montagem é uma alternativa válida aos métodos actuais de deteção de parâmetros fisiológicos, no entanto melhorias ao nível da instrumentação seriam necessárias para a construção de um sistema de tomografia por RF.

Radio-frequency (RF) applications are extremely common in current days. Because of that, the extension of its uses to the medical area is constantly in development. Several methods were already proposed with the aim of measuring a number of health parameters, with a special emphasis in respiratory and cardiac rate, as well as an emerging tomographic modality making use of the attenuation of RF waves. However, all of these methods are based on the Doppler’s effect and the reflection of the waves in the human chest. Furthermore, there is still very little disclosure about this type of monitoring devices. In this work a RF system was implemented using two distinct topologies of antenna placement, axial and non-axial, with the objective of quantification of heart and breath rate, as well as inferring what changes would be necessary for the potential implementation of a tomography system. At the same time, software simulations were conducted using the Finite Element Method (FEM) to predict the effect of biological tissues in RF propagation and to better choose hardware characteristics. The developed device proved to be able to precisely, continuously and totally non-invasively measure breath rate with errors from 0.41 to 1.06 breaths per minute, and the cardiac component of the measured signal was observed in the results. The quantification of breath rate was performed trough a spectral analysis of the power of the received wave in both antenna configurations, and results were validated with the detection of the frequency of a pendulum’s motion. It was concluded that this type of setup is a valid and promising alternative to current methods of physiological parameters measurement, however instrumentation should be improved in the development of a tomography system.