Development and validation of a bioradar for automotive mobility systems

Abstract

Neste estudo, múltiplos bioradares são estudados e testados num ambiente automóvel, com o objetivo de criar um sistema de deteção de sinais vitais que seja capaz de monitorizar o Ritmo Respiratório e Ritmo Cardíaco de passageiros em sistemas de mobilidade, tal como Veículos Autónomos Partilhados. A pesquisa anterior neste tópico foca-se principalmente no seu uso em ambientes controlados, com apenas alguns estudos em ambientes automóveis, e apenas em monitorização do condutor. Monitorização de passageiros num ambiente automóvel é mais desafiante do que noutros ambientes devido a haver mais fontes de interferência, tais como o espaço fechado e movimento do veículo, e também é mais desafiante que monitorização do condutor, pois nesse caso o bioradar pode ser posto no volante ou abaixo dele, reduzindo a distância ao sujeito e restringindo o espaço detetado para incluir apenas o condutor. Três bioradares foram testados, o primeiro sendo um bioradar pré-feito com capacidade de medir ritmo respiratório e cardíaco, e os dois últimos sendo baseados em módulos de radar disponíveis comercialmente, um radar de Impulse-Response Ultra-Wide Band e o outro um radar de Frequency Modulated Continuous Wave, para os quais múltiplas variações de software de deteção de sinais vitais foram desenvolvidas. Testes foram feitos numa carrinha, onde o primeiro bioradar foi usado para gravar medições de sinais vitais e os dois últimos foram usados para gravar dados brutos, enquanto um dispositivo foi usado para gravar os sinais vitais verdadeiros. Depois, o software desenvolvido foi usado para medir sinais vitais baseado nos dados brutos gravados pelos dois últimos radars, e a performance de cada bioradar e variação do software foi avaliada através de comparação com os sinais vitais verdadeiros. Quando o veículo está parado, o radar de Impulse-Response Ultra-Wide Band, usando o método de loopback filter, teve a melhor performance de medição de ritmo respiratório (6.28 % de média do Erro Médio Relativo), e o radar de Frequency Modulated Continuous Wave, com definições para aumentar o framerate, e usando dados diferenciais e correção de fase, teve a melhor performance de medição de ritmo cardíaco (3.19 % de média de Erro Médio Relativo). Quando o veículo está em movimento, os resultados são mais inconsistentes e difíceis de avaliar. No geral, os resultados sugerem que monitorização de sinais vitais em ambiente automóvel usando bioradares é possível, mas necessita de mais pesquisa.

In this study, multiple bioradars are studied and tested in an automotive environment, with the objective of making a vital sign detection system that can be used to monitor the Respiratory Rate and Heart Rate of passengers in mobility systems, such as Shared Autonomous Vehicles. Previous research on this topic is mainly focused on their use in controlled environments, with only a few studies that focus on automotive environments, and only on driver monitoring. Passenger monitoring in an automotive environment is more challenging than in other environments due there being more sources of interference, such as the closed environment and motion of the vehicle, and is also more challenging than driver monitoring, because in that case the bioradar can be placed on or below the steering wheel, reducing the distance to the subject and restricting the detected space to only include the driver. Three bioradars were tested, the first being a pre-built bioradar with Respiratory Rate and Heart Rate measuring capabilities, and last two being based on commercially available radar modules, one an Impulse-Response Ultra-Wide Band radar and the other a Frequency Modulated Continuous Wave radar, for which multiple variations of vital sign detection software were developed. Tests were made in a van, where the first bioradar was used to record vital sign measurements and the last two were used to record raw data while a contact-based device was used to record ground truth measurements. Afterwards, the developed software was used to measure vital signs based on the recorded raw data of the last two radars, and the vital sign measurement performance of each bioradar and software variation was evaluated by comparing the measurements to the ground truth. When the vehicle is stationary, the Impulse-Response Ultra-Wide Band radar, when using the loopback filter method, had the best Respiratory Rate measurement performance (6.28 % average Mean Relative Error), and the Frequency Modulated Continuous Wave radar, with settings that provided a higher framerate, and using differential data and phase correction, provided the best Heart Rate measurement performance (3.19 % average Mean Relative Error). When the vehicle is in motion, results are more inconsistent and hard to evaluate. In general, the results suggest that vital sign monitoring using a bioradar is possible in an automotive environment, but requires more research.