Heart Rate Measurement using a 60 GHz Pulsed Coherent Radar Sensor

Abstract

Heart rate is today measured in various ways, but they all include contact with
the skin. Measuring heart rate contactless would be a more efficient method
in healthcare and would also benefit people suffering from skin problems. It
has been proven that it is possible to use radar to measure heart rate. The aim
of this thesis is to investigate how to extract the heart rate with a 60 GHz
pulsed coherent radar sensor.

The heart rate was measured by aiming the radar sensor at the chest. This
study included use of different radar configurations, distances to the participants
and tilting angles of the radar sensor. An electrocardiogram was used
as a reference signal during the collection of these measurements. During the
preprocessing phase, two different approaches of removing the movement
caused by respiration were tested: A bandpass filter and principal component
analysis. Furthermore, two different methods for heart rate estimation were
tested: One method based on detecting minima of the signal and the other
method consisted of a recurrent neural network. During the evaluation, the
heart rate provided by the sensor signal was compared to the heart rate of the
ECG signal.

The conclusion of this work was that the best measurement setup was
achieved when measuring with a tilted sensor with a beam aimed at the participant’s
chest. The sensor was placed in front of the patient at a distance of
0.4 meters. To remove the respiration, applying an adaptive bandpass filter to
the unwrapped phase turned out to be the best solution. The minima detector
got the most accurate result when comparing to the reference signal. The
majority of heart rates estimated based on these steps had a small difference
when compared to the reference signal.

Popular Abstract (Swedish)

Radarsensor som pulsmätare

I dagens samhälle används EKG, pulsoximeter samt klockor för att mäta puls på en människa. Vad de alla har gemensamt är att de kräver kontakt med huden, vilket inte alltid är optimalt. Tidigare forskning har visat att det finns potential att använda radarteknik till att mäta puls på avstånd. Detta examensarbete handlar därför om att mäta pulsen på avstånd med hjälp av en 60 GHz radarsensor.

Att mäta puls på en människa utan att ha kontakt med huden är fördelaktigt för personer med hudproblem så som brännskador eller allergi. Det är även en möjlighet att effektivisera sjukvården, eftersom att patienten kan behålla sina kläder på under själva mätningen samt att inga mätinstrument behöver rengöras.

I tidigare forskning har olika typer av radarsensorer visat sig vara användbara för att mäta puls. I detta arbete har Acconeer ABs pulsade koherenta 60 GHz radarsensor använts för att utföra mätningar på ett tiotal personer av olika åldrar. Radarsensorn har varit belägen på mindre än en meters avstånd från den sittande mätpersonen och har riktats mot den övre delen av bröstet. Referensmätningar med hjälp av ett elektrokardiogram (EKG) utfördes samtidigt för att kunna avgöra noggrannheten av radarsensorn. Mätningen gjordes med hjälp av tre elektroder som fästes på huden på överkroppen.

Radarsensorn användes med syftet att mäta millimeterrörelser på huden som uppstår av hjärtslag. Denna typ av radar tar sig igenom textil och därför var kläder inte något problem. Däremot fanns det andra material som kunde störa mätningarna. Ett material som fullständigt reflekterar radarpulser av denna frekvens är metall. För att kunna mäta puls med en radarsensor krävdes det även att mätpersonen var helt stilla. En bestående utmaning vid denna typ av pulsmätning var dock att få bort andningsrörelsen från den uppmätta signalen. För att behandla detta problem användes ett bandpass filter i projektet. Slutligen kunde pulsen beräknas för varje mätning.

Det visade sig att flera radarmätningar överensstämde med dess tillhörande referensmätning vid jämförelse av puls. Dock fanns det även exempel då korrekt resultat ej uppnåtts. Det finns flera möjliga felkällor som kan ha påverkat resultatet. Reflekterande föremål så som smycken och elektrodsladdar var vid en del mätningar placerade på mätpersonen vilket kan ha orsakat mer brus. En annan teori är att olika kroppsbyggnader kan påverka hur stor rörelse på huden hjärtslagen genererar. Detta gör att svårigheten att mäta puls varierar mellan olika personer.

Om prestandan av att mäta puls med en radarsensor hade varit lika hög som att mäta med befintliga tekniker hade radar bidragit med nya möjligheter för sjukvården. Radarsensorn har under detta examensarbete visat sig ha stor potential inom detta användningsområde. Vidare utforskning av tekniken hade därför inneburit möjlig tillämpning inom bland annat sjukvården.

• author: Al Nasser, Melina and Gromert, Linn
• supervisor: Martin Stridh
• organization: Department of Biomedical Engineering
• alternative title: Mätning av hjärtrytm med en 60 GHz pulsad koherent radarsensor
• course: BMEM01 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Signal processing, EKG, Heart rate, Radar sensor, Neural network, Acconeer
• language: English
• additional info: 2022-16
• id: 9094792
• date added to LUP: 2022-07-01 10:57:22
• date last changed: 2022-07-01 10:57:22