Test e validazione di un radar a onda continua modulata in frequenza (FMCW) per il monitoraggio non invasivo dell'attività cardiaca e respiratoria in soggetti umani e in cavalli

Negli ultimi anni il monitoraggio non invasivo dei parametri vitali ha suscitato un crescente interesse in ambito di ricerca sia biomedica che veterinaria. In particolare, i sensori contactless permettono di acquisire i parametri fisiologici senza generare stress in persone o animali, e risultano particolarmente utili in contesti in cui l’impiego di sensori a contatto è difficoltoso o non praticabile. In questo lavoro di tesi è stata valutata la capacità del radar Mercurius V1.1, un radar a onda continua modulata in frequenza (FMCW), di rilevare parametri vitali quali la frequenza cardiaca e respiratoria in esseri umani e cavalli. A tal fine, sono stati sviluppati due protocolli sperimentali differenti, uno per il campione umano e uno per quello equino. Sono state effettuate acquisizioni sperimentali su 13 partecipanti umani in otto diverse sessioni, nelle quali variavano le condizioni respiratorie e il posizionamento del sensore. Tali acquisizioni sono state ripetute in due configurazioni, ovvero sia con che senza l’utilizzo di focalizzatori del fascio d’onda del radar. Inoltre, sono stati eseguiti esperimenti su 10 cavalli, monitorando la loro attività cardiaca sia in condizioni di riposo che dopo uno sforzo fisico. Sono stati testati tre protocolli sperimentali differenti, con l’obiettivo di definire un protocollo replicabile e tollerabile da parte dell’animale, che consentisse il corretto utilizzo del radar. Per entrambi gli esperimenti, è stato possibile studiare l’accuratezza dei parametri vitali calcolati a partire dal segnale radar utilizzando come sistemi di riferimento sensori considerati gold standard: ECG e fascia piezoresistiva per gli umani, fascia sensorizzata con elettrodi tessili per i cavalli. I risultati ottenuti mostrano che il radar utilizzato in questa tesi consente una stima accurata della frequenza cardiaca e respiratoria negli esseri umani in condizioni di riposo, raggiungendo un Mean Absolute Error (MAE) di 0.8 bpm per la frequenza cardiaca e di 0.4 bpm per la frequenza respiratoria. Tuttavia, le prestazioni peggiorano in condizioni di respirazione forzata, evidenziando la sensibilità dell’algoritmo di analisi del segnale radar agli artefatti da movimento. Nei cavalli, il radar ha permesso di stimare la frequenza cardiaca in condizioni di riposo con MAE di 5.37 bpm e Median Absolute Error di 3.35 bpm. Nelle sessioni post-sforzo, invece, l’accuratezza delle misure si riduce, a causa dei maggiori movimenti degli animali e della sovrapposizione spettrale tra la componente respiratoria e quella cardiaca. Questo lavoro dimostra la fattibilità e alcuni limiti dell’utilizzo di sistemi radar FMCW per il monitoraggio non invasivo dei parametri vitali, sia nell’uomo che nel cavallo. Inoltre, per entrambi i campioni ha consentito di realizzare un ampio dataset sperimentale e un protocollo validato, che potranno essere utilizzati in studi futuri orientati allo sviluppo di algoritmi per il miglioramento della stima dei parametri vitali.