Radcare

Zastosowanie czujników radarowych do wspomagania opieki nad osobami starszymi i niepełnosprawnymi

Starzenie się społeczeństw zachodnich i zwiększająca się liczba osób wymagających ciągłej opieki medycznej powodują wzrost zapotrzebowania na nowe techniki wspomagające opiekę nad osobami starszymi. Zwiększanie się średniej długości życia jest bez wątpienia pozytywnym następstwem poprawiających się warunków życia; jednakże jego społeczne następstwa obejmują także nowe problemy dotyczące opieki nad osobami starszymi, w szczególności – nad osobami z demencją. Głównym celem Projektu, zrealizowanego w latach 2013–2016, było zbadanie możliwości budowy systemów monitoringu opartych na impulsowych czujnikach radarowych, a zwłaszcza systemów umożliwiających profilaktyczną opiekę zdrowotną. Przeprowadzone badania dowiodły, że techniki monitoringu oparte na czujnikach radarowych mają przewagę nad stosowanymi obecnie technikami opartymi na czujnikach akcelerometrycznych noszonych przez osoby monitorowane, kamerach wizyjnych  instalowanych w mieszkaniach osób starszych, i różnych czujnikach (np. ruchu) instalowanych w pomieszczeniach i meblach: techniki oparte na impulsowych czujnikach radarowych nie naruszają prywatności pacjenta, nie wymuszają ciągłego i uciążliwego noszenia przez niego przyrządów pomiarowych, ani nie wymagają ingerencji w umeblowanie pomieszczeń. Wyniki przeprowadzonych badań mogą zostać wykorzystane przez instytucje zajmujące się opracowywaniem i wdrażaniem nowych technik wspomagania opieki nad osobami starszymi i niepełnosprawnymi, umożliwiających monitorowanie ich funkcji życiowych. Projekt został zrealizowany przez zespoły badawcze z Politechniki Warszawskiej oraz Wyższej Szkoły w Bergen (Bergen University College) będącej od 1 stycznia 2017 roku częścią Zachodnionorweskiego Uniwersytetu Nauk Stosowanych (Western Norway University of Applied Sciences). Zespół z Polski odpowiedzialny był za techniczne aspekty Projektu, zaś zespół z Norwegii – za aspekty związane z opieką zdrowotną. Dzięki komplementarności specjalistycznej wiedzy oraz doświadczeń obydwu zespołów możliwe było rozszerzenie zaplanowanych prac o eksperymenty z zakresu badań stosowanych, mające na celu dogłębne przetestowanie możliwości opracowanego systemu monitoringu w warunkach laboratoryjnych. Bliska współpraca umożliwiła transfer wiedzy specjalistycznej w zakresie opieki zdrowotnej i technik informacyjnych pomiędzy zespołami  badawczymi z Polski i Norwegii.

 

Cele naukowe Projektu

 

W ramach Projektu sprawdzono następujące hipotezy badawcze:

  • system monitoringu oparty na impulsowych czujnikach radarowych może służyć do wykrywania i identyfikowania zachowań osób monitorowanych bez konieczności stosowania kamer wizyjnych – a zatem niezależnie od warunków oświetlenia;
  • ponadto system ten może być wykorzystywany do nieinwazyjnego monitorowania różnych parametrów charakteryzujących stan zdrowia osób bez konieczności noszenia przez nie przyrządów pomiarowych;
  • system można zrealizować przy użyciu niewielkich czujników radarowych o bardzo małej mocy, całkowicie bezpiecznych dla zdrowia osób monitorowanych.

Szczegółowe cele Projektu zostały sformułowane następująco:

  • opracowanie laboratoryjnego systemu pomiarowego, opartego na jednym czujniku radarowym, umożliwiającego wykrywanie w umeblowanym pokoju, w odległości kilku metrów od czujnika, następujących zachowań lub czynności: położenie się do łóżka i wstanie z łóżka, upadek na podłogę, nadpobudliwość ruchowa, zbyt długie przebywanie w określonym miejscu;
  • opracowanie miniaturowych anten przeznaczonych do czujników radarowych wykorzystywanych w monitoringu osób;
  • opracowanie algorytmów przetwarzania danych pomiarowych umożliwiających ciągłe monitorowanie położenia osoby i wykrywanie, w odległości jednego metrów od czujnika, funkcji życiowych, takich jak bicie serca czy oddychanie;
  • w razie konieczności: rozszerzenie opracowanego systemu o kolejne czujniki radarowe i określenie ich optymalnego rozmieszczenia w monitorowanym pomieszczeniu;
  • określenie skuteczności opracowanego systemu monitoringu i porównanie jego możliwości z alternatywnymi technikami monitoringu;
  • sformułowanie zaleceń dotyczących praktycznego wykorzystania czujników radarowych  do monitoringu osób starszych i określenie kierunków dalszych badań.

 

Koncepcja i plan badań

 

Działania badawcze związane z realizacją Projektu zostały podzielone na trzy grupy: WP1, WP2 i WP3. Działania prowadzone w ramach dwóch pierwszych – WP1 zorientowanej na rozwój części sprzętowych czujników i WP2 zorientowanej na rozwój oprogramowania – prowadzone były równolegle w ciągu pierwszych 12 miesięcy; czynności należące do trzeciej grupy, tj. WP3, zorientowane na weryfikację i integrację rezultatów uzyskanych w ramach grup WP1 i WP2 oraz ich ewentualną korektę w świetle specjalistycznej wiedzy o opiece medycznej, były realizowane w ciągu kolejnych 18 miesięcy. Taka organizacja pracy umożliwiła – z jednej strony – stworzenie sprzyjających warunków pracy dla niezależnych od siebie podzespołów odpowiedzialnych za rozwój sprzętu i oprogramowania; z drugiej zaś – precyzyjne określenie zakresów obowiązków szefów WP1, WP2 i WP3.

 

Zespół z Norwegii odpowiedzialny był za określenie wymagań funkcjonalnych opracowywanego systemu monitoringu, sformułowanie założeń związanych z opieką medyczną, stanowiących odniesienie dla działań realizowanych w ramach WP1 i WP2, a także za przedstawienie zaleceń dotyczących testowania sytemu w ramach WP3. W szczególności zespół z Norwegii odpowiedzialny był za:

  • przygotowanie wstępnych wymagań funkcjonalnych stawianych systemowi, z uwzględnieniem aktualnych potrzeb i trendów zarysowujących się w obszarze sektora opieki zdrowotnej,
  • ciągłe monitorowanie postępów w dziedzinie opieki zdrowotnej i weryfikacja założeń projektowych;
  • nadzór nad testami opracowywanego systemu, przeprowadzanymi w specjalistycznych laboratoriach norweskiej uczelni.

 

Badania, przeprowadzone przez zespół z Polski, początkowo, tj. przed opracowaniem modułów radarowych w ramach WP1, obejmowały eksperymenty z wykorzystaniem komercyjnie dostępnego czujnika radarowego przystosowanego do wykorzystania w warunkach domowych. Dane pomiarowe, uzyskane podczas eksperymentów polegających na monitorowaniu osoby w warunkach domowych, przetwarzane były wstępnie za pomocą powszechnie stosowanych algorytmów obróbki danych radarowych, następnie zaś – za pomocą wysoce specjalistycznych algorytmów opracowanych w ramach Projektu. Podczas eksperymentów, polegających na monitorowaniu ruchu osoby poruszającej się według różnorodnych realistycznych scenariuszy, zgromadzono obszerny zbiór danych pomiarowych, który wykorzystany został do testowania algorytmów przetwarzania danych radarowych, a następnie – do testowania całości opracowanego oprogramowania, obejmującego również algorytmy decyzyjne, służące do automatycznego generowania raportów dotyczących stanu zdrowia osoby monitorowanej i alarmowania personelu medycznego.

 

Care support for elderly and disabled people by radar sensor technology


The need for research and development works on new technologies, dedicated to care services for elderly people, is implied by the rapid ageing of the Western societies, and by increased demand for complex care services due to the rising number of frail and sick elderly persons among them. Although growing life expectancy is a positive follow-up of rising standards of living, its demographic consequences generate challenges related to care of elderly, in particular those with dementia. The primary objective of the Project, completed in the period 2013–2016, was to examine new possibilities for development of monitoring systems based on impulse-radar sensors, especially systems dedicated to preventive care and diagnosis of different health conditions. The performed study confirmed important advantages of that technology as a realistic alternative to already employed systems based on accelerometric sensors worn by monitored persons, visual cameras installed in their home environment, or various sensors installed in the walls and furniture. The radar-based solutions may be less intrusive than vision-based solutions, less cumbersome than the wearable solutions, and less invasive with respect to the home environment than the environmental solutions. The research results obtained, although of basic rather than applied nature, may be useful for industrial and healthcare institution involved in providing technical support for elderly and disabled persons, including diagnostics of their bodily functions. The Project was completed in the multidisciplinary cooperation between a research team from Warsaw University of Technology (WUT) and a research team from Bergen University College (BUC) being now a part of
Western Norway University of Applied Sciences. In this cooperation, the WUT team was mainly responsible for technological aspects of the Project, while the BUC team – for its healthcare aspects. This complementarity of expertise and experience of both teams, enabled them to go beyond the initially planned scope of the Project, and make numerous studies of applied nature, aimed at verification of the tested technology in the laboratory conditions. The positive by-effect of the Project is a kind of the mutual know-how transfer between two countries: from Norway to Poland if healthcare is concerned, and from Poland to Norway if monitoring techniques are concerned.

 


Project objectives

 

The general objective of the Project was to test the following hypotheses:

  • a system based on impulse-radar sensors can be used for detecting and identifying some features of human behaviour without the necessity to use visual means, thus regardless of the intensity of light;

  • this system can be used, moreover, for measuring some parameters of the bodily functions of a monitored person in a contactless and non-invasive way (also if this person is clothed or screened);

  • this system may be implemented using compact, miniature, safe, ultralow-power radar sensors.

The specific objectives of the Project were as follows:

  • to develop a laboratory measuring system with a single radar sensor, capable of detecting (at a distance of up to a few meters) in a room (equipped with a bed and typical furniture) that a person is: entering or leaving the bed, falling on the floor, revealing an non-typical behaviour, e.g. hyperactivity, stopping too long in a non-typical place, e.g. in the bathroom;

  • to develop miniature antennas adjusted to the needs of monitoring;

  • to develop algorithms for measurement data processing enabling the system to record various kinds of the trajectories of a moving person and to detect (at a distance of up to one meter) such bodily functions as heartbeat or breathing;

  • in case of necessity, to equip the system with more radar sensors, and to develop a methodology for their optimal deployment in the room;

  • to evaluate the proposed radar-based solution, in particular to compare its features with alternative technologies of monitoring;

  • to formulate recommendations for further research and requirements concerning radar sensors to be applied in practical implementations.




Description of the Project Plan

 

The Project-related activities were structured into three work packages: WP1, WP2 and WP3. The research activities included into two first of them – WP1 focused on hardware and WP2 focused on software – were carried out in parallel during the first 12 months; the third, i.e. WP3, was aimed at integration and verification of the outcomes of WP1 and WP2, as well as their enhancement with the relevant healthcare know-how, within 18 months. Such organisational arrangement was expected to provide – on one hand – favourable conditions for relatively independent work of the software sub-team and hardware sub-team (both at WUT) during a considerable period of time, and clear definition of the WP leaders responsibility – on the other. In general, the role of the BUC team was to provide functional specifications for the system under development and healthcare-specific assumptions for the WP1 and WP2 activities, as well as requirements for testing the system within the WP3 activities. More specifically, the BUC team was involved in the following actions:

  • the initial definition of the functional specification of the system, based on their expert understanding of current needs, opportunities and challenges within the healthcare sector,

  • the continuous tracking of the progress in this sector and appropriate adaptation of the assumptions the Project was based upon;

  • the methodological supervision of tests carried out in the BUC laboratories specialised in the area of patients monitoring, and participation in those tests.

The research tasks, performed by the WUT team, started with numerous experiments on radar signals from off-the-shelf commercial starter kits, without waiting for the first results of research activities of WP1. A small microwave radar was adapted to home environment and microwave signals reflected and scattered from human body in such environment were processed using, at the very beginning, general-purpose algorithms and next by means of original sophisticated procedures, developed within the Project, strictly fit to the purpose of persons' monitoring. Abundant sets of measurement data were acquired according to very diversified and realistic scenarios of human behaviour. They were used for exhaustive testing of the algorithms for estimation of radar signal parameters, and next – for testing of the whole software including also algorithms for automated generation of decisions to be included in the report of monitoring or for alarming the healthcare personnel supervising the monitoring system.