Un radar puede medir a qué ritmo respira una persona y a qué ritmo late su corazón sin tocarla y sin cámara. Esta publicación presenta un radar comercial de 79 GHz, una cadena de procesado que convierte sus ecos en frecuencia respiratoria y cardíaca, y un conjunto de medidas que muestra dónde funciona el método y dónde debe abstenerse.
01Cómo ve un radar una respiración
El radar emite chirps, señales cortas cuya frecuencia aumenta de forma continua, y escucha los ecos. El retardo de cada eco indica a qué distancia está la superficie que lo refleja, de modo que la persona puede separarse de las paredes y los muebles que la rodean.
La distancia por sí sola es demasiado gruesa para ver una respiración: el radar solo distingue superficies separadas unos 4 cm. El detalle fino está en la fase del eco, la posición de la onda que vuelve dentro de su ciclo. A 79 GHz una longitud de onda mide 3,8 mm y, como la señal va hasta el tórax y vuelve, un movimiento del tórax de 1 mm desplaza el eco aproximadamente medio ciclo. La respiración mueve el tórax unos pocos milímetros; el latido añade encima un movimiento mucho menor.
02El experimento
El radar, una placa de evaluación IWR1443BOOST de Texas Instruments, se montó sobre un trípode a la altura del tórax, entre 0,55 y 1 m delante de un voluntario sentado. Las medidas se hicieron en una cámara anecoica, una sala recubierta de absorbentes que suprimen las reflexiones, y en una oficina convencional. Cada registro duró 60 o 120 segundos mientras la persona respiraba con normalidad.
Para comparar se tomaron dos referencias independientes, que el algoritmo no utiliza. Para la frecuencia cardíaca, un pulsioxímetro de dedo cuya pantalla se grabó en vídeo y se leyó cada 5 segundos. Para la frecuencia respiratoria, un conteo manual de las respiraciones durante todo el registro.
Cámara anecoica
Referencia cardíaca03Del eco a las constantes vitales
El procesado tiene cuatro pasos. Cada uno se muestra aquí sobre un mismo registro de 120 s de un voluntario sentado a 1 m aproximadamente, llamado M8.
Encontrar a la persona. El radar ordena primero sus ecos por distancia. Promediado a lo largo del registro, el eco más fuerte llega desde 1,10 m: el tórax. A partir de aquí solo se sigue esa región.
Recuperar el movimiento. La fase del eco del tórax se convierte en milímetros de movimiento hacia el radar o alejándose de él. El radar tiene cuatro antenas receptoras y cada una ofrece su propia vista del mismo movimiento. Los movimientos bruscos del cuerpo provocan saltos de fase mucho mayores que cualquier respiración; esos instantes se marcan como no válidos y se dejan como huecos, sin rellenarlos.
Contar las respiraciones. La frecuencia respiratoria se estima en ventanas de 30 s que avanzan 2 s cada vez. En lugar de contar picos, la cadena compara la señal con copias de sí misma desplazadas en el tiempo: cuando el desplazamiento equivale a una respiración, la copia coincide con la original. En esta ventana la mejor coincidencia se da a 3,88 s, es decir, 15,5 respiraciones por minuto.
Encontrar el latido. Esta es la parte difícil. El latido mueve el tórax mucho menos que la respiración, y la respiración no es una onda perfecta: deja huellas en múltiplos enteros de su propia frecuencia, llamados armónicos, que pueden caer justo donde estaría un latido. En esta ventana el cuarto armónico respiratorio cae en 61,9 por minuto, junto al latido, en 63,3.
Por eso, para cada pico candidato la cadena se plantea una pregunta precisa: ¿añadir un latido a esa frecuencia explica la señal mejor que la respiración y sus armónicos por sí solos? La comparación utiliza el criterio de información bayesiano, que premia un mejor ajuste pero penaliza cada parámetro adicional. Un candidato que no mejora la explicación se descarta.
Ponerse de acuerdo o no decir nada. Una ventana solo da un valor cuando al menos dos de los cuatro receptores coinciden con una diferencia de 2 por minuto como máximo y la ventana contiene al menos 15 s de señal limpia. Si no, no informa de nada. El resultado de un registro es la mediana de sus ventanas aceptadas.
04Qué muestran las medidas
Ocho registros con el voluntario sentado disponían de ambas referencias, a distancias de entre 0,55 y 1 m.
Error medio en respiraciones por minuto. Los 8 registros dieron una estimación.
Error medio en latidos por minuto, en los 7 registros que dieron una estimación.
Ventana a ventana, M8 se mantiene cerca de ambas referencias. Se aceptaron las 46 ventanas respiratorias y 41 de las 46 cardíacas, con 14,2 respiraciones por minuto frente a una referencia de 14,5, y 64,3 latidos por minuto frente a 64,5.
De pie es más difícil. En un registro de 120 s de pie, la frecuencia respiratoria siguió coincidiendo con su referencia, 9,6 frente a 9,5 respiraciones por minuto, pero solo se aceptaron 4 de las 46 ventanas y ninguna cardíaca. Un valor final cercano no basta por sí solo: importa tanto como cuánto registro lo respalda.
En un registro el radar apuntó al cuello en lugar de al tórax. La frecuencia cardíaca resultó de 53,3 latidos por minuto frente a una referencia de 55,3.
05Cuando se detiene la respiración
En dos pruebas cortas el voluntario contuvo la respiración a mitad de registro, o volvió a respirar tras contenerla. El cambio es inmediato en el movimiento torácico recuperado.
Fueron pruebas exploratorias, no un detector de apneas, pero muestran que la señal con la que trabaja la cadena responde al instante a una pausa en la respiración.
06Hacia la estimación de la presión arterial sin contacto
Cada latido envía una onda de presión a lo largo de las arterias. El tiempo que tarda en ir del tórax al cuello, el tiempo de tránsito del pulso, se acorta cuando sube la presión arterial, y por eso se estudia como vía para medir la presión sin manguito. Medirlo sin contacto exige ver el mismo latido en dos lugares a la vez, con un reloj lo bastante preciso para cronometrar la diferencia.
Como primer paso, el montaje se amplió a dos radares que observan a la misma persona a la vez, uno apuntando al cuello y otro al tórax. Los radares funcionan de forma independiente, y el mismo ordenador receptor marca el tiempo de todos los datos de ambos, lo que sitúa los dos registros en un reloj común.
Cuando el voluntario se mueve, ambos radares registran el movimiento en el mismo instante de ese reloj, una comprobación de que los dos registros están alineados.
Esta es la base experimental, todavía no una medida de la presión arterial. Los próximos pasos son una sincronización más precisa entre los dos sensores, después el propio tiempo de tránsito del pulso y, solo entonces, su relación con la presión arterial.
07Alcance y próximos pasos
Los resultados proceden de un conjunto reducido de registros, en su mayoría de una persona sentada en reposo, procesados a posteriori. Caracterizan el método; no son una validación clínica y el sistema no es un dispositivo médico. Las referencias también tienen límites: el pulsioxímetro mide el pulso en el dedo y no el movimiento del tórax, y el conteo manual da un único promedio por registro.
Los próximos pasos son más voluntarios, referencias sincronizadas con el radar, una etapa cardíaca más robusta y el funcionamiento en tiempo real.