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Detección de anomalías cardiorrespiratorias a través de radares UWB
1. Capítulo 1: Introducción al proyecto
El proyecto tiene como objetivo la generación de un producto que mediante el uso de la tecnología de radares UWB (Ultra Wide Band) detectar y leer las señales respiratorias y cardíacas de una persona. Una vez obtenida esta información en tiendo real, realizar una detección de forma continua de anomalías utilizando la señal respiratoria, como por ejemplo: prevención de ataques de asma o apnea del sueño.
Para explicar este proyecto, vamos a seccionar la explicación de este en tres partes: el radar, el procesamiento de los datos y el algoritmo de detección/clasificación de anomalías.
==El proyecto consiste en la generación de una antena que pueda emitir ondas electromagnéticas para detectar la respiración de una persona y del ritmo cardiaco. Una vez obtenida la señal electromagnética de la antena hay que procesar la señal para obtener los datos de ritmo cardiaco y ritmo respiratorio. Finalmente hay que hacer una clasificación de las señales para identificar anomalías en el paciente.== (Esta sección resaltada elijo dejarla como parte anecdótica y no perder la fuente del desarrollo actual)
1.1. El radar
Para llevar a cabo este proyecto, una de las tecnologías que se elige usar es la tecnología de radar UWB. Básicamente el proyecto esta formado al rededor de la esta tecnología ya que existen ejemplos trabajos específicos que lograron objetivos similares. Además la tecnología esta bastante desarrollada y ya existen antenas comerciales que permiten utilizar un radar UWB.
Que es un radar UWB? Los radares UWB (Ultra Wide Band) son radares que se caracterizan por tener anchos de banda muy grandes (por eso Ultra Wide Band) para la frecuencia central que utilizan. En general, estos radares trabajan con anchos de banda mayores que los 500 MHz o ancho de banda fraccional mayor a 0.2 . El ancho de banda fraccional se define como:
B_{frac} = \frac{2(f_H - f_L)}{f_H + f_L}
Estos radares nos permiten generar impulsos con mucha definición, que es una gran ventaja en varios aspectos. Por ejemplo, estos impulsos tienen un gran poder de penetración de objetos.
1.2. El procesamiento de la señal
Nosotros buscamos extraer información de los datos "crudos" que nos proporciona el radar. Lo que queremos extraer es el ritmo cardiaco y el ritmo respiratorio de la persona, u señales similares que nos den la información necesaria para poder buscar anomalías. Para poder obtener esta información tenemos que hacer un procesamiento de la señal que sale del radar. Cuales son los desafíos o complicaciones que vamos a tener en esta sección? Yo pude identificar 4 problemas principales que hay sobre los cuales hay que tomar decisiones de alcance para poder definir bien el proyecto. Estos problemas son:
- Lidiar con el ruido que tiene la señal
- Lidiar con el clutter que recibe el radar
- Lidiar con los movimientos molestos o involuntarios que tiene la persona y molestan nuestro análisis
- Definir el método de análisis de señal para obtener nuestras señales biológicas.
1.2.1. El Clutter de la señal
Que es el clutter de la señal? El clutter es un fenómeno que se produce en las señales de radar. El clutter es el revote de la señal electromagnética enviada por el radar en los alrededores que no son nuestro blanco. Como nuestra identificación de elementos se basa en el rebote de la señal electromagnética, si hay elementos al rededor de nuestro blanco, estos van a generar señales de rebote que van a ensuciar nuestra señal. Es por esto que hay que poder lidiar con el clutter de la señal de entrada a la antena.
1.2.2. Movimientos de la persona
Para entender porque los movimientos involuntarios o molestos de la persona objetivo nos dificultan el análisis y hay que lidiar con ellos, hay que entender que lo que se esta midiendo con la señal de radar es la distancia entre el radar y la persona objetivo. Como se utiliza esta variación de distancia para determinar la frecuencia cardiaca y la respiratoria, cualquier variación de distancia que no pertenezca a estas dos fuentes nos va a dificultar y estorbar la estimación. Entendiendo esto, podemos pensar en tres clases de movimientos diferentes que puede hacer una persona (tener en cuenta que esta es una clasificación personal no extraída de la bibliografía):
- Espasmos: Movimientos muy pequeños de la persona que afectan una pequeña cantidad de muestras. Estos movimientos pueden ser causados por espasmos musculares o algún otro tipo de movimiento muy pequeño.
- Movimientos corporales: estos movimientos son movimientos mucho mas grandes que invalidan grandes secciones de datos. Estos movimientos pueden ser: movimientos de las extremidades que mantienen el torso quieto, variaciones de distancia entre la persona y el radar o pequeñas rotaciones del torso que vuelve a su estado inicial.
- Rotaciones (dramáticas) del torso: Este es un movimiento radical que modifica la modelación que se tenia hecha hasta el momento del movimiento, lo que lleva a un problema de discontinuidad de las mediciones y la necesidad de una remodelación. Algo que se tiene que tener en cuenta es que esta re-modelación del problema puede tener que ser tanto dentro del programa como en la estructura física que se estableció para las mediciones.
1.2.3. Método de procesamiento
Para poder tanto la frecuencia cardiaca como la respiratoria se va a tener que hacer un análisis espectral de la señal que se recibe. Para poder definir el tipo de análisis que se va a hacer se va a tener que hacer una investigación de los distintos métodos y seleccionar aquel que sea mas oportuno para nuestro caso de aplicación.
1.3. Detección de anomalías
Esta tercera sección del proyecto tomaría la forma de una algoritmo de clasificación o de detección sobre la señal procesada (Inteligencia artificial aplicado al caso). Esto quiere decir que se tiene que utilizar una base de datos de mediciones realizadas para entrenar un algoritmo y poder realizar la clasificación o detección. Un punto importante de esta sección es la selección del modelo de clasificación/detección que se conviene utilizar.
2. Capítulo 2: Clasificación del proyecto
Cuales son las características del proyecto? Como se quiere generar un producto para que pueda ser utilizado para los padres que tienen chichos con problemas respiratorios como principal consumidor esto nos lleva a pensar que hay dos formas principales para la venta del producto. La primera es generar un producto que sea masivo y que este pensado al rededor de que cada familia sea capaz de utilizarlo independientemente sin la asistencia externa, mientras que la segunda opción es generar un producto que pueda ser fácilmente modificado dependiendo de las necesidades de cada cliente y además ofrecer asistencia para la utilización del producto.
3. Capítulo 3: FODA
3.1. Fortalezas
- Ya estoy en contacto con investigadores que trabajaron sobre el tema.
- Tengo una buena comprensión de los temas fundamentales para comenzar a hacer la investigación necesaria para el desarrollo.
3.2. Oportunidades
- Hay bastante investigación hecha sobre el tema.
- Ya hay una compañía que produce de forma comercial la antena que se puede utilizar para el proyecto por lo que el desarrollo e investigación que hay que hacer es son sobre el software y a lo sumo sobre el hardware sobre el que se corre.
- Es un proyecto escalable en el sentido de que una vez finalizado el proyecto, este se puede utilizar para formular otros expandiendo el alcance de la utilización de la tecnología
- La tecnología de UWB ya esta categorizada como segura por la (Insertar cual organización es) por lo que no habría tantos problemas para el aval del uso de la tecnología.
3.3. Debilidades
- Si quiero desarrollar una inteligencia artificial para hacer una detección de anomalías no se si existen bases de datos para entrenarlas y en el caso de que no existan hay que crearlas lo cual trae mucho trabajo.
- Al tener que resolver tantas cuestiones dentro del proyecto, este tiene una gran complejidad y quizás es mucho para hacer solo, lo que se va a reflejar en una gran carga de trabajo o en una mayor duración del proyecto.
- No conozco el mercado en el cual se adentraría el producto final, lo que dificulta la definición de las especificaciones técnicas del prototipo.
3.4. Amenazas
- Hay mucha investigación publica hecha sobre el tema por lo que alguien mas podría estar desarrollando el proyecto.
- La compañía que produce las antenas es una empresa extranjera por lo que estaría atado a importar el producto a menos que desarrolle mi propio radar, idea que es poco factible a corto plazo.
- Haciendo un análisis de oportunidades en conjunto a la situación económica del país no creo que sea una buena inversión de tiempo y dinero el proyecto del prototipo para después buscar generar una empresa.
4. Capítulo 4: Alcances del proyecto
Este proyecto se propone como objetivo la creación de un prototipo de una detector de anomalías cardiorrespiratorias utilizando radares UWB. Este prototipo se busca que sea algo similar a una prueba de concepto para lo que puede ser luego un producto comercial, por lo que en el diseño de este prototipo lo que se busca es más de llegar al objetivo de que funcione mas que en los elementos de conveniencia del consumidor. Esto quiere decir que quedan fuera del alcance de este proyecto objetivos que tienen en cuenta la facilidad de uso y posicionamiento del/los radares, planificación de ayuda al consumidor o interacción con los consumidores del producto. Estos temas quedaran para una iteración posterior de este producto.
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