Ученые создали устройство, которое использует фотонный радар для удаленного и точного мониторинга дыхания. Оно позволяет одновременно отслеживать нескольких пациентов. Такой сканер может очень пригодиться для бесконтактного наблюдения за людьми с заболеваниями дыхательной системы.
Бесконтактный контроль
Контроль основных показателей жизнедеятельности пациента - одна из ключевых задач в больницах. Но большинство текущих инструментов контроля нельзя назвать удобными. Например, липкие электроды, которые используются для мониторинга сердцебиения и дыхания, нужно устанавливать на кожу на груди. Это может быть проблемой, если пациент сильно обгорел и доступной кожи практически не осталось.
Бесконтактная альтернатива - системы мониторинга, основанные на камерах. К сожалению, такие системы несовершенны - они могут ошибаться в зависимости от освещения и оттенка кожи пациента. Кроме того, сама ситуация, в которой камеры постоянно ведут наблюдение за пациентом, поднимает вопросы о приватности и конфиденциальности.
Чтобы найти выход из ситуации, ученые в Сиднейском университете разработали систему, которая эффективно мониторит дыхание, но при этом не требует контакта с телом пациента и не нарушает его личного пространства.
Как это работает?
Чтобы создать бесконтактный сканер дыхания, ученые обратились к фотонике. Фотонные радары используют световые лучи, или фотоны, вместо радиоволн, чтобы обнаруживать и измерять различные объекты и окружающую среду. Радар отправляет короткие импульсы света в направлении интересующей области. Эти световые импульсы отражаются от объектов и возвращаются к детектору в радаре. Затем радар анализирует возвращенный сигнал, чтобы определить расстояние до объектов, их форму, скорость и другие характеристики.
У обычных радиочастотных радаров, которые полагаются на радиоволны, узкая пропускная способность и низкое разрешение. Из-за этого они не могут различать цели, находящиеся близко друг к другу. Фотонный радар позволяет считывать информацию в большем разрешении. Соответственно, он может одновременно отслеживать несколько объектов.
Кроме того, исследователи дополнили фотонную систему лазерным радаром LiDAR, который позволяет измерять расстояние до объекта. LiDAR обеспечивает еще большее разрешение, но плохо проникает сквозь твердые объекты, например, сквозь одежду. Объединение фотонного радара и LiDAR предоставляет системе преимущества обеих технологий.
Испытания на жабах
Сначала исследователи проверили работу системы на двух аппаратах, симулирующих человеческое дыхание. Радар точно распознал темп дыхания двух отдельных целей, находящихся на расстоянии примерно 10 см друг от друга. Также он смог выявить признаки неровного дыхания на уровне миллиметра, включая более длительные вдохи и более короткие выдохи, а также паузы в дыхании.
Затем систему проверили на живом существе - жабе-ага. Жабу посадили на расстоянии около 1 м от радара. Луч радара был сосредоточенным на её шее, которая двигается во время дыхания. По сравнению с человеческой грудью, которая поднимается на несколько сантиметров, дыхание жабы гораздо менее заметно. Тем не менее, радар справился с задачей. Он точно измерил темп дыхания животного, и даже распознал неустойчивое дыхание, характерное для амфибий.
Исследователи видят еще много возможностей для улучшения устройства. По их словам, радар можно настроить таким образом, чтобы он распознавал определенные заболевания легких или болезни сердца. Впрочем, система может быть полезна не только в больницах. Например, ее можно применять для ухода за пожилыми людьми на дому, использовать в тюремном секторе и даже в ветеринарии.
Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics
