Radartechnik in der Medizin Den Herzschlag berührungslos und präzise messen

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Radarsysteme auf Basis der lizenzfreien ISM-Bänder basieren häufig auf dem CW- oder FMCW-Prinzip. Mit dem Continuous-Wave-Ansatz lassen sich hohe Genauigkeiten erzielen, die in der Medizin notwendig sind. So lässt sich beispielsweise ein Radarsystem unter dem Bett des Patienten installieren.

Seit Beginn des 20. Jahrhunderts hat sich die Radartechnik von einem ersten Demonstrator zu einer nicht mehr wegzudenkenden Technologie in der Sensorik entwickelt. Damals stellte Christian Hülsmeyer in Köln sein so genanntes Telemobiloskop vor, mit dem Schiffe auf dem Rhein aus der Ferne erkannt werden konnten. Die Entwicklung der Radartechnik nahm jedoch erst Fahrt auf, als das Militär sie für sich entdeckte. Der unschätzbare Vorteil bestand darin, dass man zum Aufspüren feindlicher Fahrzeuge oder Flugzeuge keine Sichtverbindung mehr benötigte und diese sich nicht mehr unbemerkt im Schutz der Dunkelheit oder der Wolken annähern konnten.

Was in den ersten Jahrzehnten vor allem dem Militär und der zivilen Luft- und Seefahrt vorbehalten war, wurde mit der Entwicklung integrierter Schaltkreise (ICs) und der damit verbundenen Kostenreduktion auch für Consumer-Anwendungen interessant. Insbesondere durch Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und andere Radaranwendungen in der Automobilindustrie erfuhren integrierte Radarsysteme einen deutlichen Aufschwung. Es folgten Sensorlösungen in Industrie und Medizin, für die von den Behörden lizenzfreie Frequenzbänder (ISM-Bänder) zugewiesen wurden.

Nachgehakt: Dr.-Ing. Benedict Scheiner, Sykno

Herr Scheiner, was bringt die Kombination aus Radar und KI-Algorithmen?

Grundsätzlich liefern Radarsysteme zunächst Rohdaten in Form von komplexen Signalen. Daraus lassen sich bei CW-Systemen relative Abstandsänderungen und eine Dopplerfrequenz berechnen, aus der die Radialgeschwindigkeit eines Zieles bestimmt werden kann. Beim FMCW-Ansatz kann zusätzlich die absolute Entfernung ausgewertet werden und es ist eine Zieltrennung mehrerer Ziele möglich, sofern sich diese in einem bestimmten Mindestabstand zueinander befinden.

KI-Algorithmen können nun an verschiedenen Stellen der Signalverarbeitung ansetzen. Beispielsweise ist es möglich, dass sie die Rohdaten verwenden oder erst nach einer fortgeschrittenen Signalverarbeitung beginnen. Dies hängt jedoch von der Anwendung und der verfügbaren Rechenkapazität ab. Der Einsatz von KI in Verbindung mit Radar führt in den meisten Anwendungen zu einer deutlichen Verbesserung. KI ist dann eine Art erweiterte Mustererkennung, die eingesetzt werden kann, um bestimmte, für den Anwender wichtige Parameter schneller und robuster zu erkennen als mit herkömmlichen Algorithmen. Im Automobilbereich wird dies bereits seit Jahren genutzt, um beispielsweise Verkehrsteilnehmer oder Situationen zu klassifizieren. Bei CW-Systemen zur Lebenszeichenerkennung wird durch KI eine erhöhte Robustheit gegenüber Körperbewegungen sowie Abstands- und Positionsänderungen erreicht.

Was bringt eine Erweiterung auf ein MIMO-System und welche Anwendungen wären denkbar?

MIMO ist die Abkürzung für Multiple Input Multiple Output. Das bedeutet, dass ein solches System mehrere Sender (Tx) und Empfänger (Rx) besitzt und in der Regel das FMCW-Radarprinzip verwendet. Je nach Anordnung der Antennen legen die Signale von den Sendern zu den verschiedenen Empfängern unterschiedlich lange Wege zurück, die dann berechnet werden können. Daraus ergibt sich neben der radialen Entfernung auch der Winkel zu den Zielen. Damit ist eine 3D-Bildgebung möglich. Die genaue Winkelauflösung in horizontaler und vertikaler Raumrichtung hängt jedoch von der Anzahl und Anordnung der Sende- und Empfangsantennen ab, die je nach Anwendung optimiert werden muss.

MIRA60 ist das erste Produkt aus einer Produktreihe – was ist das Besondere und wie ist sie entstanden?

Die Vision von Sykno ist es, allen Unternehmen den Zugang zu kostengünstiger, leistungsfähiger und anwendungsoptimierter Radartechnologie zu ermöglichen. Wir sind überzeugt, dass viele Anwendungen, sei es in der Medizin oder in anderen Branchen, dadurch deutlich verbessert werden können. Allerdings erfordert diese Technologie spezielles Know-how, das entweder bei spezialisierten Firmen gebündelt und damit nicht verfügbar ist, oder das insbesondere für KMUs nicht im Budget liegt.

Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass insbesondere die Hardware von MIMO-Systemen, die von Chip-Herstellern als Evaluierungssysteme kostengünstig angeboten werden, sehr starr auf wenige Anwendungen beschränkt ist. Dies liegt vor allem an der Antennenanordnung, da diese die Winkelauflösung und Reichweite maßgeblich beeinflusst. Häufig nutzen Unternehmen die kostengünstigen Lösungen und kommen zu dem Schluss, dass die Radartechnik für die jeweilige Anwendung keinen Mehrwert bringt. Das liegt dann aber oft nicht an der Technologie selbst, sondern an der verwendeten Hardware.

Das Besondere an MIRA60 ist, dass wir zusammen mit unserem Partner Golden Devices ein Evaluationssystem eines MIMO-Chipsatzes mit zwei Sendern und vier Empfängern entwickelt und das Prinzip zum Patent angemeldet haben, das frei konfigurierbare Antennentypen und -anordnungen erlaubt. Golden Devices ist Experte für 3D-gedruckte Antennen und Hochfrequenzkomponenten. So können unterschiedliche Antennen-Arrays auf das System aufgebracht und das System für eine definierte Anwendung optimiert werden. Letztlich muss also keine komplett neue, kundenspezifische Hardware entwickelt werden, was den Aufwand und damit die Kosten deutlich reduziert.

Welche Anwendungen adressieren Sie damit und wohin könnte eine Entwicklung gehen?

Die Anwendungen sind vielfältig, vor allem aber sind die Kosten gering, so dass Unternehmen leistungsfähige und auf ihre Anwendung zugeschnittene Systeme nutzen können. In vielen Bereichen der Medizintechnik, aber auch der Industrie können Unternehmen, die bisher wenig Berührungspunkte mit der Radartechnologie hatten, aber vielleicht über hervorragende Programmierer und Algorithmiker verfügen, diese Systeme optimal für ihre Anwendung nutzen.

Denkbar sind beispielsweise Unternehmen aus den Bereichen Patienten- oder Heimmonitoring und Telemedizin, aber auch aus Industrie, Robotik oder Automotive, die diese optimierte Technologie nun mit geringem Aufwand evaluieren können. In Zukunft werden weitere Chipsätze in der MIRA-Produktfamilie folgen, so dass Unternehmen auch die für ihre Anwendung bestmöglichen Chips evaluieren können, die dann beispielsweise mehr Empfänger und Sender besitzen oder eine höhere Sendeleistung aufweisen.

Radarsysteme auf Basis der lizenzfreien ISM-Bänder

Die heute für ISM-Anwendungen eingesetzten Radarsysteme basieren im Allgemeinen auf einem von zwei Hauptprinzipien, dem CW- (Continuous-Wave-) oder dem FMCW- (Frequency-Modulated-Continuous-Wave-)Radarprinzip. CW-Systeme verwenden ein unmoduliertes Sendesignal, während FMCW-Systeme ein frequenzmoduliertes Signal mit einer definierten Bandbreite verwenden. Beide Verfahren haben je nach Anwendung Vor- und Nachteile. Mit dem FMCW-Ansatz können Abstände absolut aufgelöst und Ziele getrennt werden, während mit dem CW-Ansatz relative Abstandsänderungen im Submikrometerbereich erfasst werden können. Die Signalfrequenzen liegen für die meisten ISM-Radaranwendungen in den weitgehend frei nutzbaren Frequenzbändern um 24, 60 und 120 GHz.

Das Blockschaltbild eines Radarsystems ist in Bild 1 dargestellt. Radarsysteme senden hochfrequente elektromagnetische Wellen über Antennen aus und empfangen die von Zielen reflektierten Signale. CW-Radarsysteme verwenden ein unmoduliertes Signal. Das ist ein Signal mit einer definierten und konstanten Frequenz. Das empfangene Signal wird im Empfänger heruntergemischt und als komplexes Signal mit einem Inphase- (I-) und einem Quadratur- (Q-)Anteil ausgegeben.

Messpräzision besser als 1 µm für den Einsatz in der Medizin

Die Zwischenfrequenz enthält dabei die Dopplerfrequenz, weshalb das Radarprinzip auch als Dopplerradar bezeichnet wird. Die analogen Basisbandsignale werden anschließend digitalisiert und können digital weiterverarbeitet werden. Der auflösbare Eindeutigkeitsbereich des Prinzips ist somit abhängig von der Wellenlänge des Signals und beträgt λ/2, was beispielsweise bei 24 GHz einer Distanz von 6,25 mm entspricht. Das System kann stark optimiert werden, so dass eine sehr hohe Messpräzision besser als 1 µm erreicht werden kann, was in der Medizintechnik zur berührungslosen radarbasierten Vitalzeichenerkennung genutzt wird.

Diese Anwendung umfasst das in Bild 2 dargestellte CW-Radarsystem ViRa24 von Sykno, das für die zuverlässige berührungslose Erfassung von Puls, Atmung und sogar Herztönen entwickelt wurde und allen Unternehmen die Möglichkeit bietet, die Radartechnologie für diese Anwendung zu evaluieren.

EKG-Elektroden oder andere Sensoren trainieren KI-Algorithmen

Die Herztöne beschreiben kleinste Schwingungen der Hautoberfläche des Oberkörpers von etwa 20 µm, die sonst nur mit dem Stethoskop erfasst werden. Dazu wird das System bis zu einem Meter vom Probanden entfernt und auf den vorderen oder hinteren Brustkorbbereich gerichtet. Über Referenzeingänge können EKG-Elektroden oder andere analoge Sensoren angeschlossen werden, um zeitsynchrone Referenzdaten zu erhalten. Das ermöglicht unter anderem das Training von KI-Algorithmen, mit denen sich die Robustheit der Herzschlagzeitdetektion verbessern lässt. Dadurch wird das Gesamtsystem präziser und gleichzeitig robuster gegenüber Bewegungen des Patienten oder größeren Entfernungen.

Hierzu wurden bereits Radardaten mit zeitsynchronisierten EKG-Daten aus vorangegangenen klinischen Studien dieser Technologie veröffentlicht, die als erste Trainingsdaten verwendet werden können. Denkbar ist eine Positionierung des Systems beispielsweise unter oder über einem Bett im klinischen oder häuslichen Umfeld. Die hohe Datenqualität der verwendeten Technologie konnte bereits in mehreren klinischen Studien nachgewiesen werden und ist in Bild 3 dargestellt.

Radarsystem ist unter dem Patientenbett angebracht

In diesen Studien wurde das System zu diesem Zweck unter dem Patientenbett angebracht. Die Signalqualität ist bezüglich der Detektion der Herzschlagzeitpunkte vergleichbar mit der eines EKG, wenn der Patient im Bett lag. Die Herztöne werden berührungslos erfasst. Das ermöglicht eine genaue Einteilung der Herzschläge in die Phasen der Herzaktion, was für das medizinische Personal einen sehr hohen Erkenntnisgewinn bedeutet und knappe medizinische Ressourcen spart. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht darin, dass das System beispielsweise zur kabellosen Bestimmung des Herzschlagzeitpunkts eingesetzt werden kann, um bildgebende Verfahren des Herzens ressourcenschonend und hochpräzise zu gestalten.

Das FMCW-Radar verwendet ein frequenzmoduliertes Signal. Es handelt sich um ein Signal, dessen Frequenz sich innerhalb einer definierten Bandbreite ändert, was als Chirp bezeichnet wird. Im einfachsten Fall wird die Frequenz über die Zeit linear erhöht und am Ende wieder auf die Ausgangsfrequenz zurückgesetzt. Der gesendete und der am Ziel reflektierte Chirp werden heruntergemsicht, was einer Subtraktion der Frequenzen entspricht. Aufgrund der Signallaufzeit verschiebt sich der empfangene Chirp gegenüber dem gesendeten Chirp, so dass ein Signal mit einer Zwischenfrequenz entsteht, die proportional zur Entfernung des Ziels ist. Werden mehrere Chirps zusammen ausgewertet, kann zusätzlich die radiale Geschwindigkeit des Ziels bestimmt werden. Das Verfahren erlaubt die Trennung mehrerer Ziele, sofern sich diese in unterschiedlicher Entfernung zum System befinden. Das Auflösungsvermögen wird durch die verwendete Signalbandbreite bestimmt.

Das Antennenarray einfach rekonfigurieren und flexibel anpassen

Eine Erweiterung dieses Konzepts sind MIMO-Systeme (Multiple Input Multiple Output), die mehrere Sende- und Empfangsantennen besitzen und durch geschickte räumliche Anordnung dieser Antennen und Verrechnung der Empfangssignale eine Winkelauflösung ermöglichen. MIMO-Transceiver-ICs sind seit einigen Jahren auch als vollintegrierte Lösungen verfügbar und können für viele Anwendungen sowohl im medizinischen als auch im industriellen Umfeld eingesetzt werden. Dabei bestimmt vor allem die Antennenanordnung die Winkelauflösung in horizontaler (Azimut) und vertikaler (Elevation) Raumrichtung.

Kommerziell erhältliche MIMO-Auswertesysteme lassen sich nur bedingt an die gewünschte Anwendung anpassen, da das Antennenarray und damit die Position der Sende- und Empfangselemente fest vorgegeben sind. Um diesem Problem zu begegnen, hat Sykno zusammen mit dem Start-up Golden Devices, das sich auf 3D-gedruckte Hochfrequenzstrukturen spezialisiert hat, ein System entwickelt und das Verfahren zum Patent angemeldet, bei dem das Antennenarray einfach rekonfiguriert und damit flexibel angepasst werden kann.

So können je nach Anwendung andere Antennentypen, aber auch andere Anordnungen verwendet werden, was zu erheblichen Kosten- und Zeiteinsparungen im Entwicklungsprozess führt. Es handelt sich um die MIRA-Produktreihe von Sykno, die mit dem MIRA60 beginnt. Das System kann direkt über USB angesteuert werden und wird mit einer Evaluierungs-GUI und austauschbaren Antennen geliefert.

Vielfältige Einsätze eines FMCW-Radarsystems

Die Anwendungen von FMCW- und insbesondere MIMO-Systemen sind vielfältig. Im medizinischen Umfeld können sie beispielsweise zur Sturzerkennung in Seniorenheimen oder in der eigenen Wohnung eingesetzt werden. Auch berührungslose Sensorlösungen oder das Zählen von Personen sind mögliche Einsatzgebiete. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass bei der Radartechnik im Vergleich zu kamerabasierten Ansätzen die Privatsphäre stets gewahrt bleibt.

Die durch einen wachsenden Markt sinkenden Kosten für hochwertige Radar-ICs bringen die Vorteile von Radarsystemen in viele neue Anwendungen in der Medizin. Die hohe Integrationsdichte moderner Radar-Chipsätze führt zu niedrigen Kosten und minimaler Baugröße. Die Systeme können hinter Abdeckungen untergebracht werden und sind auch in rauen Umgebungen unempfindlich gegenüber Schmutz, Staub und Wasserdampf. Das berührungslose Messverfahren prädestiniert sie auch für den Einsatz in rauer Industrieumgebung.

Auf die Anwendung optimierte Radarsysteme für Medizin und Industrie

Häufig sind generische Radarmodule jedoch nicht für jede Anwendung einsetzbar, sondern entfalten ihre volle Leistungsfähigkeit erst durch eine Optimierung für diese definierte Anwendung. Insbesondere bei speziellen Anforderungen an Leistungsaufnahme oder Formfaktor sind Anpassungen und Optimierungen notwendig.

Sykno unterstützt seit mehreren Jahren Unternehmen aus Medizin, Automotive, Verteidigung und Industrie bei der Entwicklung anwendungsoptimierter Radarsysteme und deren Einzelkomponenten sowie weiterer auf Hochfrequenztechnik basierender Sensorsysteme, beispielsweise für die zerstörungsfreie Materialprüfung oder Klassifikation. Diese Anwendungsvielfalt ist vor allem auf die kontinuierliche Preisreduktion und Leistungssteigerung der Radarchipsätze in den letzten Jahren zurückzuführen, die sich auch in Zukunft fortsetzen wird.

* Dr.-Ing. Benedict Scheiner und Dr.-Ing. Fabian Michler sind beide Geschäftsführer der Sykno GmbH, die sich auf Hochfrequenztechnik (HF-Technik) für alle Unternehmen spezialisiert hat. Sykno wurde als Spin-off des Lehrstuhls für Technische Elektronik der FAU Erlangen-Nürnberg von Fabian Michler und Benedict Scheiner gegründet.

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