Radcare

Wyniki badań

Społecznym celem Projektu było pogłębienie współpracy pomiędzy badaczami z wiodących norweskich i polskich ośrodków naukowych, nastawionej na wykorzystanie norweskiej specjalistycznej wiedzy z zakresu świadczenia usług opieki zdrowotnej oraz polskiego potencjału w zakresie technologii informacyjnych; współpraca ta miała przyczynić się do poszukiwania przełomowych rozwiązań nieznanych dotąd problemów, związanych ze starzeniem się zachodnich społeczeństw. Nawiązana współpraca, z uwagi na komplementarność specjalistycznej wiedzy obydwu zespołów, pozwoliła na zwiększenie przewagi konkurencyjnej w zakresie innowacyjnych rozwiązań dedykowanych opiece zdrowotnej. Celem drugoplanowym było podniesienie poziomu świadomości społeczeństwa polskiego, w kwestii problemów związanych ze starzeniem się. Wyniki badań, przeprowadzonych w ramach Projektu, zostały opublikowane w 30 artykułach i  rozdziałach książek, 22 referatach konferencyjnych .

 

Oryginalne wyniki badań dotyczą: sprzętu komputerowego, oprogramowania służącego przetwarzaniu danych radarowych oraz aplikacji przeznaczonej dla personelu medycznego.

 

Do pierwszej grupy wyników można zaliczyć konstrukcję ośmiu modułów radarowych, z których każdy składał się z:

  • impulsowego czujnika radarowego NVA 62000 (wyprodukowanego przez norweską firmę Novelda) będącego w pełni zintegrowanym urządzeniem nadawczo-odbiorczym małej mocy;
  • zestawu miniaturowych anten;
  • wewnętrznego komputera wyposażonego w podstawowe oprogramowanie napisane w języku assemblera;
  • przyrządów umożliwiających przewodową i bezprzewodową komunikację z internetem, komputerami zewnętrznymi i innymi modułami radarowymi.

Specjalnie zaprojektowane anteny, o których mowa powyżej, działają w paśmie częstotliwości 6,0–8,5 GHz, i zostały przetestowane za pomocą układu pomiarowego umożliwiającego akwizycję i analizę danych zarówno w dziedzinie czasu, jak i w dziedzinie częstotliwości.

 

Prowadzone w ramach Projektu prace nad oprogramowaniem zaowocowały obszernym zbiorem programów komputerowych, napisanych w środowiskach MATLAB, LabWindows CVI oraz w języku assemblera; w programach tych zaimplementowano następujące algorytmy:

  • algorytmy wstępnego przetwarzania danych radarowych, umożliwiające określanie dwóch parametrów charakteryzujących monitorowany obiekt: jego odległość od modułu radarowego oraz magnitudę sygnału odbitego od tego obiektu;
  • algorytmy umożliwiające określenie położenia osoby monitorowanej oraz prędkości jej chodu;
  • algorytmy służące do wykrywania upadków;
  • algorytmy wykrywające oddech osoby monitorowanej.

Ponieważ opracowano wiele alternatywnych wersji algorytmów, konieczne było przeprowadzenie obszernych studiów porównawczych, wykorzystujących zarówno dane syntetyczne, jak i rzeczywiste – studiów mających na celu selekcję algorytmów przeznaczonych do implementacji w opracowywanym systemie monitoringu. Skuteczność niektórych algorytmów przetwarzania danych radarowych, takich jak algorytmy wykrywania upadków, została porównana ze skutecznością analogicznych algorytmów stosowanych w przypadku przetwarzania danych zbieranych za pomocą alternatywnych technik monitoringu (opartych na czujnikach głębi czy czujnikach akcelerometrycznych).

 

Możliwości skonstruowanych modułów radarowych, jak i wyselekcjonowanych algorytmów obróbki danych pomiarowych, zostały przebadane przy użyciu aplikacji komputerowej umożliwiającej personelowi medycznemu długotrwałe gromadzenie i analizę danych. Eksperymenty zostały przeprowadzone w specjalistycznych laboratoriach uczelni w Bergen.

 

Wnioski z badań

 

Wyniki prac badawczych przeprowadzonych w ramach Projektu umożliwiają wyposażenie systemów monitoringu osób starszych i niepełnosprawnych w następujące funkcje:

  • długoterminowe gromadzenie danych dotyczących położenia osoby monitorowanej;
  • długoterminowe gromadzenie danych o częstości oddechu osoby monitorowanej;
  • przetwarzanie danych obydwu typów, mające na celu ekstrakcję informacji charakteryzujących stan zdrowia osoby monitorowanej;
  • przetwarzanie danych obydwu typów, mające na celu wykrywanie groźnych zdarzeń, takich jak upadki;
  • prezentacja (wizualna lub dźwiękowa) wyników przetwarzania danych pomiarowych personelowi medycznemu odpowiedzialnemu za monitorowaną osobę.

Wyniki przeprowadzonych badań pozwalają stwierdzić, że impulsowe czujniki radarowe mogą być podstawą spersonalizowanych systemów monitoringu osób starszych i niepełnosprawnych w ich mieszkaniach: czujniki te nie naruszają prywatności monitorowanych osób, nie są dla nich uciążliwe, a także nie wymagają ingerencji w umeblowanie pomieszczeń; ponadto umożliwiają monitoring aktywności przez niemetalowe ściany.

 

Plan dalszych badań obejmuje:

  • rozszerzenie zbioru parametrów charakteryzujących stan zdrowia osoby monitorowanej m.in. o wartości przyspieszenia podczas zaczynania chodu, zmiany kierunku poruszania się i podczas zatrzymywania się; te wielkości, opisujące dynamikę ruchu osoby monitorowanej, niosą cenne informacje dotyczące jej stanu zdrowia i sprawności;
  • integrację technik opartych na impulsowych czujnikach radarowych z innymi technikami umożliwiającymi nieuciążliwy monitoring osób, np. z technikami opartymi na czujnikach głębi, w celu zwiększenia niezawodności zapewnianej opieki.

 

Społeczno-gospodarcze następstwa Projektu

 

Od wielu lat, w krajach zachodniej cywilizacji, obserwuje się wzrost średniej długości życia; jednakże średnia długość życia w dobrym zdrowiu nieznacznie zmalała od ostatniej dekady ubiegłego wieku. W związku z tym gwałtownie wzrasta odsetek osób starszych i niepełnosprawnych, wymagających ciągłej opieki medycznej. Jednocześnie mamy do czynienia z rosnącym problemem pozyskiwania wykwalifikowanej kadry w sektorze opieki zdrowotnej, charakteryzującym się wysoką konkurencyjnością: na przykład – w Polsce niedobór dobrze wyszkolonego personelu medycznego i pielęgniarskiego spowodowany jest niżem demograficznym oraz niską atrakcyjnością tego zawodu. Projekt wychodzi naprzeciw rosnącemu zapotrzebowaniu na rozwiązania techniczne, które mogłyby wspomóc lub zastąpić personel medyczny, w szczególności – na nieinwazyjne i nieuciążliwe systemy monitoringu osób starszych i niepełnosprawnych w ich mieszkaniach. Wyniki badań podstawowych, przeprowadzonych w ramach Projektu, umożliwią znaczne skrócenie czasu potrzebnego do opracowania i wdrożenia systemu monitoringu, umożliwiającego:

  • długotrwałą obserwację zmian stanu zdrowia osoby monitorowanej;
  • wykrywanie niebezpiecznych zdarzeń, takich jak upadki;
  • zapobieganie tym zdarzeniom dzięki ciągłej analizie cech chodu oraz statystyk długości pobytów osoby monitorowanej w poszczególnych miejscach mieszkania w ciągu doby.

Project results

The Project was intended to establish closer cooperation between leading Norwegian and Polish researchers, aimed at combining Norwegian expertise in the domain of organised healthcare with the Polish potential in the field of respective technologies as to be able to contribute to breakthroughs in solving emerging healthcare-related problems of aging Western societies. Such cooperation, based on the complementarity of expertise, turned out to be very productive in increasing competitive advantage for developing new healthcare solutions. The secondary goal of the Project was to increase awareness of the Polish society, concerning social challenges related to aging problems. The detailed results of the Project have been presented in 30 journal papers and chapters of a book, 22 conference papers.

 

The outcomes of the Project may be roughly categorized as follows: hardware, software and applications.

 

If the first category is concerned, 8 monitoring modules (4 pairs) have been developed – each composed of:

  • an impulse-radar sensor NVA series 6200 (manufactured by the Norwegian company Novelda AS) being fully integrated nanoscale radar transceivers, designed for low-power applications;

  • a set of miniature antennas;

  • a single-board computer (with some basic software in the assembler language);

  • electronic means for wireless and wire-based communication with internet, external computers and other modules.

The antennas, mentioned above, have been designed for the bandwidth of 6.0–8.5 GHz. They have been tested using a measurement set-up developed for this purpose – the set-up allowing for acquisition and analysis of data – both in the time domain and in the frequency domain – in various environments.

 

The research related to software resulted in an ample library of computer programs, viz. MATLAB programs, LabWindows CVI programs, and programs written in the assembler language. Those programs are implementations of the following algorithms developed within the Project:

  • the algorithms for preprocessing of radar data, i.e. for estimation of two parameters characterising the monitored object: the distance to the object and its relative magnitude;

  • the algorithms for estimation of the two-dimensional position trajectory of a monitored person and his/her walking velocity;

  • the algorithms for fall detection;

  • the algorithms for estimation of the breath rhythm.

As a rule, the algorithms have been developed in alternative or optional versions. Therefore, extensive comparative studies of the procedures for data processing, being combinations of those versions – aimed at selection of a set of algorithms to be implemented in the monitoring system – have been completed using both semi-synthetic and real-world radar data. The effectiveness of some algorithms of radar data processing (e.g. the algorithms for fall detection) has been compared with the effectiveness of processing measurement data acquired by means of alternative techniques (IR depth sensors, accelerometers).

 

The final validation of the hardware and software results of the Project has been performed using an application enabling the healthcare personnel to store and analyse the data from the monitoring system when applied for long-term monitoring of an elderly or disabled person in a multi-room flat whose dimensions do not exceed 7 meters. The corresponding experiments have been performed in the specialised healthcare laboratories of BUC.

 






Research conclusions

 

The hardware-software solutions, developed within the Project, enable the potential designers and manufacturers of specific (profiled and/or personalized) systems for monitoring of elderly and disabled persons to provide the following functionalities:

  • long-term accumulation of data representative of day-and-night movements of a monitored person;

  • long-term accumulation of the breath rhythm of a monitored person;

  • processing of both categories of data, aimed at extraction of information characterising the evolution of the health state of a monitored person;

  • processing of both categories of data, aimed at the detection of dangerous events, such as person's fall;

  • delivering the results of data processing (in the electronic, visual or acoustic form) to the healthcare personnel responsible for a monitored person.

Taking into account the obtained outcomes of the Project, one may indicate impulse-radar systems as promising means of reliable personalised monitoring of elderly and disabled persons in their home environment. They are less intrusive, less cumbersome, and less invasive with respect to the home environment than existing solutions. Another attractive feature of those systems is the possibility of the through-the-wall monitoring of human activity.

 

The following issues could be addressed in the future research works, viz.:

  • extension of the set of healthcare-related quantities, e.g. with the estimates of the person’s acceleration obtained in three types of situations, viz. starting to walk, stopping, and changing the direction; those data can provide valuable information about the monitored person’s movement dynamics, which is related to his/her health and fitness;

  • integration of the impulse-radar-based monitoring technique with other non-invasive techniques, e.g. depth sensors, could be considered as the method for increasing the monitoring reliability.

 


Socio-economic impact of the Project

 

The life expectancy has been growing in Europe for many years, while the healthy life expectancy has been slightly diminishing since the last decade of the XXth century. Consequently, the share of elderly and functionally impaired persons, who need healthcare services, is growing rapidly. This social phenomenon concurs with the challenge of recruiting and retaining of professionals in the healthcare sector in a highly competitive labour market; for example, the shortage of healthcare personnel in Poland is implied by two factors: demographic decline and low attractiveness of this profession. The Project is meeting the urgent demand for various technical solutions which could support and/or replace that personnel, in particular – the demand for sensor systems which could be applied for non-invasive and non-intrusive monitoring of the movements of elderly and disabled persons in their living environment. The outcomes of basic research, accomplished within the Project, may contribute to a significant reduction of time necessary for applied research aimed at the development and prototyping of the monitoring systems whose functionalities include:

  • the long-term observation of the changes in the health condition of a monitored person;

  • the detection of dangerous events, such as falls of that person;

  • the prevention of such events, based on the analysis of gait, itinerary and timing of activities of that person.