Lo scopo del presente progetto è il dimensionamento e la realizzazione di un sensore radar a modulazione di frequenza (FMCW) operante nella banda ISM a 5.8 GHz per il monitoraggio remoto della posizione e dei parametri vitali in ambiente indoor. Il suddetto sistema potrà essere utilizzato per eseguire il monitoraggio continuativo dell'attività respiratoria e/o cardiaca, senza richiedere l'utilizzo di elettrodi o fasce. In ambito ospedaliero, questa tipologia di sensore può risultare particolarmente utile nel caso di pazienti vittime di ustioni o contaminazioni chimiche o di neonati per i quali l'applicazione di sensori a diretto contatto con la cute può essere sconsigliata o non possibile. Per quanto riguarda l'ambito domestico, invece, questa tipologia di radar può essere impiegata per monitorare soggetti anziani o con limitate capacità di movimento e può essere collegato ad un sistema di allarme per segnalare eventuali cadute o malori dei soggetti stessi. Il sensore radar che si vuole progettare sarà completamente realizzato utilizzando circuiti integrati monolitici e antenne planari e/o dielettriche. In particolar modo, per le antenne verranno analizzate diverse soluzioni tra cui array di elementi radianti o singoli radiatori in grado di realizzare lo steering del fascio, allo scopo di poter realizzare immagini radar dell'ambiente in cui si trova il paziente e rendere quanto più accurata la sua localizzazione e la successiva stima dei parametri vitali. Nella scelta dei componenti del sistema e nel progetto delle antenne verrà prestata particolare attenzione al consumo, alle dimensioni e al costo del dispositivo. Il sistema realizzato sarà quindi caratterizzato metrologicamente in termini di sensibilità, ed incertezza di misura confrontando le sue risposte con quelle di altri sensori di riferimento quali ECG, pletismografi ad impedenza e radar ottici.
Il presente progetto risponde alla crescente richiesta di dispositivi per il monitoraggio non invasivo dei parametri vitali, particolarmente utile nel caso di lunghe degenze in strutture ospedaliere o per l'assistenza domestica di persone anziane e/o con limitate capacità di movimento. In particolare, con questo progetto si vuole sviluppare un sistema radar per individuare contestualmente la posizione del soggetto e la sua attività cardio-respiratoria. Questo dispositivo, rispetto a sensori ottici e a ultrasuoni presenta notevoli vantaggi. Sistemi ottici quali telecamere risultano ottimi per la realizzazione di immagini bidimensionali dell'ambiente e per l'individuazione di malori o cadute del paziente, ma si rivelano carenti per quanto concerne la stima di distanze. I sensori a ultrasuoni permettono invece la misura della distanza, sebbene per valori di range ridotti e non consentono la stima dei parametri vitali. Sulla base di queste considerazioni i radar rappresentano ad oggi la migliore soluzione per il monitoraggio non invasivo dei parametri vitali e dello stato di salute. I Radar precedentemente proposti in letteratura per questo tipo di applicazioni sono tipicamente a banda larga (UWB), in onda continua (CW) o basati su tecnologie miste che utilizzano diverse tipologie di segnale (segnale doppler per il monitoraggio dei parametri vitali e segnale FMCW per la stima della posizione). In particolare i radar UWB presentano tipicamente strutture complesse e i radar doppler, sebbene molto sensibili a piccoli movimenti quali quelli del torace nel corso della respirazione, non consentono però di individuare la posizione del soggetto. I radar misti permettono di sopperire alle problematiche del radar doppler, ma richiedono una architettura hardware e software più complessa, dovendo processare due tipologie differenti di segnale. Rispetto a quanto precedentemente proposto in letteratura, il sensore radar che si vuole realizzare in questo progetto sarà basato unicamente sulla tecnologia FMCW e consentirà di ottenere le informazioni sulla posizione e sui parametri vitali non più a partire da due segnali differenti, ma sfruttando l'informazione contenuta nell'ampiezza e nella fase dello stesso segnale. Questa soluzione presenta l'ulteriore vantaggio di poter ridurre la complessità del sistema dal punto di vista hardware, essendo in questo caso necessaria l'analisi di un solo tipo di forma d'onda. Il sistema che si vuole progettare lavorerà nella banda ISM a 5.8 GHz, contrariamente ai radar attualmente presenti sul mercato, operanti principalmente nelle bande ISM a 24 e 77 GHz. A queste frequenze le lunghezze d'onda sono dell'ordine di 12.5 mm e 3.9 mm, rispettivamente. Poiché il legame fase spostamento è lineare per spostamenti inferiori a mezza lunghezza d'onda, queste bande difficilmente si prestano a valutare l'attività respiratoria poiché essa comporta spostamenti della cassa toracica dell'ordine del centimetro. Al contrario, alla frequenza di 5.8 GHz, la lunghezza d'onda è di 5.17 cm e quindi ben più grande delle tipiche variazioni che si vogliono misurare. Un altro obiettivo di questo progetto è quello di valutare la posizione dell'individuo all'interno dell'ambiente, non solo in termini di distanza dall'antenna, ma anche di angolo. In questo modo sarà quindi possibile realizzare un'immagine radar della stanza e distinguere e monitorare contemporaneamente più soggetti. In tal proposito, per quanto riguarda gli elementi radianti, verranno investigate diverse soluzioni al fine di ottenere una risoluzione angolare, tra cui l'utilizzo di array di antenne per la realizzazione di un sistema MIMO e di singoli elementi radianti agili di frequenza. A tale scopo sarà possibile sfruttare anche la collaborazione attualmente attiva su quest'ultima tematica, con il centro di ricerca e sviluppo Imec (Eindhoven) presso il quale il proponente del presente progetto sta svolgendo uno stage della durata complessiva di 5 mesi. Come ulteriore avanzamento rispetto quanto attualmente presente in letteratura, si vogliono utilizzare le firme indotte dalla Radar Cross section (RCS) del soggetto e dalla frequenza respiratoria presenti nei segnali registrati alla fine di distinguere diversi individui. Infine, l'algoritmo di ricostruzione sarà anche in grado di eliminare l'effetto delle riflessioni multiple tra ostacoli operando una analisi sulla coerenza dei segnali ricevuti.