Auf Wiedersehen-Manschette: KI-Radar überwacht die Herzgesundheit im ganzen Raum

Forscher am College of Engineering der Carnegie Mellon University haben eine gebaut kontaktloser Herz-Kreislauf-Monitor das eine KI-gestützte Millimeterwellen-Radarplattform nutzt, um gleichzeitig den Blutfluss an mehreren Stellen des menschlichen Körpers zu verfolgen.

Wenn sich das Herz zusammenzieht, erzeugt es Pulswellen, die sich über das Arteriensystem ausbreiten. Das mmWave-Radar des CMU-Teams misst Phasenschwankungen in reflektierten Signalen über die Zeit, um kleine Oberflächenverschiebungen zu erkennen.

Der Prototyp, genannt PolyPulsenutzt die gleiche Art von Radartechnologie wie autonome Fahrzeuge und Unterhaltungselektronik, um die Pulslaufzeit abzuschätzen und aus einer Entfernung von wenigen Metern auf den diastolischen Blutdruck zu schließen. Die Hardware misst etwa 16,5 cm x 14 cm – klein genug, um in ein zukünftiges Smart-Home-Gerät zu passen. Die Arbeit folgt auf die Verleihung des Qualcomm Innovation Fellowship 2025 an das CMU-Team.

So funktioniert der Prototyp

Das System sendet Millimeterwellen-„Zwitschern“ in Richtung einer sitzenden Person und erfasst die Reflexionen mit einem Strahlformungs-Array. Neuronale Netze isolieren die Mikrobewegungen, die die Herzaktivität gleichzeitig an vier physiologischen Orientierungspunkten erzeugt: der Herzspitze, der Halsschlagader im Hals, der Arteria radialis am Handgelenk und der Mastoidregion in der Nähe des Kopfes. Aus diesen Überlegungen rekonstruiert das Modell, wie lange eine Druckwelle braucht, um zwischen den Standorten zu wandern, ein Wert, den Ärzte als Pulslaufzeit bezeichnen und der als Proxy für die arterielle Steifheit verwendet wird.

PolyPulse erfasst Herzsignale an vier Stellen am Oberkörper: am Warzenfortsatz, an der Halsschlagader, an der Herzspitze und an der Arteria radialis.

Steifere Arterien breiten Druckwellen schneller aus, ein Muster, das mit Bluthochdruck, Schlaganfallrisiko, koronarer Herzkrankheit und neurodegenerativen Erkrankungen, einschließlich Alzheimer, verbunden ist. Durch die Umwandlung der Radarreflexionen in Laufzeiten an mehreren Standorten kann PolyPulse den diastolischen Blutdruck auch ohne Manschette oder Hautkontakt schätzen.

Multi-Site-Ãœberwachung

Frühere kontaktlose Herz-Kreislauf-Monitore, egal ob Radar oder Kamera, haben im Allgemeinen einen einzelnen Weg gemessen, typischerweise die Brustwand oder das Handgelenk. Der Beitrag von PolyPulse ist die gleichzeitige, über den Oberkörper verteilte Karte, die es nach Ansicht des Teams ermöglicht, Veränderungen im Gefäßverhalten zu erkennen, die einem Einzelpunktsensor entgehen könnten.

Radar hat auch praktische Vorteile gegenüber kamerabasierten Monitoren, die auf sichtbares Licht und eine klare Sichtlinie zur Haut angewiesen sind. Millimeterwellensignale funktionieren im Dunkeln und durchdringen Kleidung und viele gängige Materialien in Innenräumen, wodurch der Ansatz für die passive, kontinuierliche Überwachung in einem Zuhause praktikabler ist als nur während eines Klinikbesuchs.

Das Team testete den Prototyp an sitzenden Teilnehmern und validierte seine Blutflusswellenformen und Laufzeitschätzungen anhand herkömmlicher Referenzmessungen. Die vollständige Validierungsmethodik, das Antennendesign und die Pipeline für maschinelles Lernen werden im berichtet Open-Access-Artikel.

Was kommt als nächstes?

PolyPulse ist ein Proof of Concept und kein klinisches Produkt, und die Forscher äußerten sich offen über die Lücke zwischen Laborradar und einem regulierten medizinischen Gerät. Das System muss noch an größeren, vielfältigeren Populationen validiert werden, und zwar in allen Körpergrößen, Körperhaltungen und Kleidungsstücken, denen es außerhalb des Labors begegnen würde. Es sind behördliche Genehmigungen, Kalibrierungsstandards und Langzeitzuverlässigkeitsdaten erforderlich, bevor Ärzte Radar-abgeleitete kardiovaskuläre Messwerte für die Diagnose verwenden können.

Die Hardware ist jedoch bereits ziemlich nah am Consumer-Maßstab. Mit einer Größe von 16,5 cm x 14 cm ist der Prototyp mit einem kleinen Bluetooth-Lautsprecher vergleichbar, und das Radar-Frontend basiert auf Standardkomponenten, die auch in der Automobil- und Verbrauchersensorikbranche verwendet werden, was bedeutet, dass zukünftige Versionen möglicherweise in einen Smart-Display- oder Smart-Speaker-Formfaktor integriert werden könnten.

Die Forscher hoffen, dass diese Technologie die Herz-Kreislauf-Erkennung zu einem Umgebungsprozess machen wird, der in die Umgebung integriert ist, anstatt an den Körper gebunden zu sein. Für Menschen mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen könnte dieses Gerät eine kontinuierliche, lebensrettende Überwachung bieten, während sie einfach zu Hause sitzen, lesen oder fernsehen.

Alle verwendeten Bilder mit freundlicher Genehmigung von Naturkommunikation.