دمج الرادار المتعدد مع MVMD: تمكين المراقبة الفسيولوجية المستقرة بدون تلامس

مقدمة: مزايا رادار الموجات المليمترية للمراقبة بدون تلامس

مع النمو السريع للمنازل الذكية، والرعاية الصحية، وتطبيقات السلامة داخل المركبات، يتزايد الطلب على المراقبة الفسيولوجية بدون تلامس . تُوفر أجهزة الاستشعار التقليدية القائمة على التلامس، مثل أقطاب تخطيط القلب الكهربائي، وأحزمة الصدر، وتخطيط كهربية القلب الضوئي (PPG)، قياسات دقيقة، ولكنها قد تُسبب إزعاجًا عند الاستخدام لفترات طويلة، وتحد من استخدامها في غرف النوم، والمستشفيات، والأماكن العامة.

يقدم رادار الموجات المليمترية (mmWave) حلاً مبتكرًا. فمن خلال بث موجات كهرومغناطيسية في نطاق 60-77 جيجاهرتز، يستطيع رادار الموجات المليمترية رصد حركات الصدر الدقيقة الناتجة عن التنفس ونبضات القلب، مما يتيح مراقبةً على مدار الساعة وبدون تلامس مع الحفاظ على الخصوصية . وعلى عكس الكاميرات، لا يلتقط الرادار صورًا واضحة، مما يحمي خصوصية المستخدم. وبالمقارنة مع مستشعرات التلامس، لا يتطلب الرادار أجهزة قابلة للارتداء، مما يوفر تجربة استخدام أكثر طبيعية.

مع ذلك، في بيئات العالم الحقيقي، قد يتأثر رادار واحد بوضعية الجسم أو اتجاهه أو أي عائق. اقترح سومي وساكاموتو (2025) نهجًا لدمج رادارات متعددة مع تقنية تحليل الوضع المتغير متعدد المتغيرات (MVMD) ، مما يعزز دقة واستقرار مراقبة التنفس بدون تلامس بشكل كبير، ويوفر حلاً موثوقًا للاستخدام العملي.

دمج الرادار المتعدد: المبادئ والمزايا

رادار واحد يلتقط حركة الصدر من زاوية رؤية واحدة فقط. عندما يلتفت الشخص أو يغير وضعيته، قد تنخفض سعة الإشارة ويزداد التشويش، مما يُشوّه شكل موجة التنفس.

لمعالجة هذه المشكلة، نشر فريق البحث ثلاثة رادارات موجات ملليمترية ، تلتقط في آنٍ واحد إشارات إزاحة الصدر من زوايا مختلفة. عولجت الإشارات باستخدام تقنية MVMD ، مما حقق دمجًا فعالًا للمعلومات وقمعًا للضوضاء.

مبدأ MVMD

MVMD هو امتداد متعدد المتغيرات لتحليل الوضع المتغير، يعالج قنوات إشارة متعددة ذات صلة مع الحفاظ على اتساق الطور. تشمل مزاياه ما يلي:

1. التحلل المفصلي : يتم استخراج أنماط التنفس المشتركة عبر القنوات بشكل فعال.

2. إزالة الضوضاء : تتم إزالة الضوضاء البيئية وتأثيرات الحركة، مما يحسن جودة الإشارة.

3. دمج الأوضاع : يقوم تحليل المكونات الأساسية (PCA) بدمج الأوضاع لتوليد أشكال موجية مستقرة للتنفس.

سير العمل:

1. يقوم كل رادار باستقبال إشارات إزاحة الصدر xi(t)x_i(t) x i ​( t ) .

2. يقوم MVMD بتحليل الإشارات إلى وظائف الوضع الجوهري (IMFs).

3. يتم تطبيق محاذاة الطور عبر الأوضاع.

4. يقوم PCA بدمج الأوضاع المتوافقة لإنتاج إشارة تنفس مستقرة وموثوقة.

من خلال دمج وجهات نظر الرادار المتعددة، يعمل النظام بشكل فعال على التخفيف من تأثيرات الوضع والتوجيه.

التصميم التجريبي والنتائج

الإعداد التجريبي

تم التحقق من صحة النظام في بيئة معملية خاضعة للرقابة:

• تكوين الرادار : ثلاثة رادارات FMCW بتردد 60 جيجاهرتز متباعدة بزاوية 120 درجة حول الهدف.

• المواضيع : تم اختبار ستة بالغين أصحاء في ثلاثة اتجاهات (الأمامي، الجانبي، الخلفي).

• مسافات القياس : 1.5 متر و 3.0 متر.

• سيناريو متعدد الأشخاص : تتم مراقبة 10 أشخاص في وقت واحد لتقييم فصل الإشارة.

تم قياس فترات التنفس المرجعية باستخدام أجهزة استشعار تعتمد على التلامس.

نتائج

حقق نظام الرادار المتعدد + MVMD أداءً عاليًا في الاختبارات التي أجريت على موضوع واحد:

وفي السيناريوهات التي تضم عدة أشخاص، ظل الأداء قوياً:

• تحسن فاصل التنفس RMSE بنسبة 23.5%

• تحسن معدل التنفس MAE بنسبة 22.3٪

• زادت الدقة بنسبة 6.2 نقطة مئوية

توضح هذه النتائج أن دمج الرادار المتعدد مع MVMD يمكنه استخراج معلومات التنفس بشكل موثوق عبر أوضاع مختلفة وفي إعدادات متعددة الأشخاص، مما يعزز المتانة والموثوقية بشكل كبير.

المزايا الأساسية لرادار الموجات المليمترية

1. بدون تلامس ومريح

لا يتطلب الأمر ملامسة الجلد بشكل مباشر، مما يوفر تجربة مستخدم طبيعية ومريحة في المنزل وفي سيناريوهات الرعاية الصحية.

2. الحفاظ على الخصوصية

يقوم الرادار فقط بالتقاط بيانات الحركة، وليس الصور التي يمكن التعرف عليها، مما يضمن الخصوصية في غرف النوم والمستشفيات والأماكن العامة.

3. يخترق الملابس والفراش

تتمتع الموجات المليمترية بالقدرة على اختراق الملابس الرقيقة والبطانيات، مما يضمن جمع البيانات بشكل موثوق في البيئات اليومية.

4. مراقبة عالية الدقة وفي الوقت الفعلي

يوفر رادار mmWave إشارات إزاحة عالية الدقة، مما يتيح تتبع التنفس المستمر لتحليل النوم وإدارة الصحة واكتشاف الشذوذ.

5. إمكانية التطبيق في سيناريوهات متعددة

مناسب للمنازل الذكية، والرعاية الصحية، ومراقبة المركبات، والتفاعل بين الإنسان والآلة. يضمن دمج الرادارات المتعددة مراقبة مستقرة في البيئات المعقدة.

6. المتانة من خلال اندماج الرادار المتعدد

يضمن الجمع بين الإشارات من زوايا متعددة باستخدام MVMD إخراج شكل موجة التنفس بشكل موثوق، حتى عندما يغير الموضوع وضعيته أو يواجه بعيدًا عن الرادار.

قيمة تطبيق Linpowave

تدعم وحدات الرادار 60 جيجاهرتز من Linpowave (على سبيل المثال، R60A ، R60ABD1 ) المزامنة بين الأجهزة المتعددة والمعالجة المتسقة في الطور، وهي مناسبة تمامًا لتطبيقات اندماج الرادار المتعدد MVMD.

تتضمن التطبيقات النموذجية ما يلي:

• المنازل الذكية : مراقبة النوم وإدارة الصحة.

• الرعاية الصحية ورعاية المسنين : مراقبة التنفس بدون تلامس للمرضى وكبار السن.

• مراقبة داخل السيارة : اكتشاف حالة السائق والركاب لتعزيز السلامة.

• التفاعل بين الإنسان والآلة : الروبوتات الذكية تستشعر حالات المستخدم لتوفير استجابات تكيفية.

لمزيد من المعلومات:

• وثائق SDK الرادار →

• حالة مراقبة الصحة بدون تلامس →

الأسئلة الشائعة

س1: هل يمكن لرادار mmWave اكتشاف معدل ضربات القلب؟
ج١: إشارات التنفس أوسع نطاقًا، بينما إشارات معدل ضربات القلب أدق. بفضل دمج الرادار المتعدد وأخذ العينات عالية الدقة، قد تُمكّن التطبيقات المستقبلية من مراقبة معدل ضربات القلب.

س2: هل إعداد الرادار المتعدد معقد؟
ج٢: ثلاثة رادارات متباعدة بزاوية ١٢٠ درجة تُغطي المواقع الرئيسية. تدعم وحدات Linpowave مزامنة الأجهزة المتعددة، مما يُبسط عملية الإعداد ومعالجة البيانات.

س3: هل تؤثر الملابس أو البطانيات على إشارات الرادار؟
ج٣: تستطيع الموجات المليمترية اختراق الملابس الرقيقة والبطانيات. قد تُضعف البطانيات السميكة جدًا الإشارات قليلًا، لكن تأثيرها على مراقبة التنفس ضئيل.

س4: هل يمكنه مراقبة عدة أشخاص في نفس الوقت؟
ج4: نعم، أظهرت التجارب أن دمج الرادارات المتعددة يمكنه التمييز بين إشارات التنفس من عدة أفراد، وهو مناسب للمنازل أو الأجنحة أو بيئات الرعاية العامة.

س5: هل مراقبة الرادار آمنة؟
ج5: طاقة الموجة الملليمترية 60 جيجاهرتز أقل من الهواتف المحمولة أو شبكة Wi-Fi، وتصنف على أنها إشعاع غير مؤين، وهي آمنة للاستخدام على المدى الطويل.

س6: هل النشر مكلف؟
ج6: مع انخفاض تكاليف الوحدات، أصبحت أنظمة الرادار المتعددة فعالة من حيث التكلفة ومرنة، ومناسبة للتطبيقات التجارية والمنزلية.

الخاتمة والتوقعات

يوفر دمج الرادار المتعدد مع MVMD حلاً عالي الدقة والاستقرار وسهل الاستخدام للمراقبة الفسيولوجية بدون تلامس.

من خلال دمج اكتساب البيانات متعددة المنظور ومعالجة الإشارات الذكية، يتكيف النظام مع المواقف المختلفة، وسيناريوهات الأشخاص المتعددين، والبيئات اليومية، مما يوفر مراقبة تنفس مستمرة وخالية من التداخل مع الحفاظ على الخصوصية.

مع استمرار تقدم تقنية رادار mmWave، سيلعب هذا النهج دورًا متزايد الأهمية في المنازل الذكية والرعاية الصحية ومراقبة المركبات، مما يتيح استشعارًا بيئيًا أكثر ذكاءً وهدوءًا وتركيزًا على الإنسان .