Tesi: Studio di fattibilità di un ricevitore radar UWB per il monitoraggio dell'attività respiratoria

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PERUGIA

Facoltà di Ingegneria

Corso di laurea in Ingegneria informatica ed elettronica

Studio di fattibilità di un ricevitore radar

monitoraggio dell’attività

UWB per il respiratoria

ing. Luca Roselli

Relatore: FRANCESCO AQUINO

Laureando:

2013-2014

Anno accademico:

1

2

Indice

Introduzione ................................................................................................................. 5

Capitolo 1 ..................................................................................................................... 7

Sistemi Ultra Wideband .............................................................................................. 7

1.1 Cosa è un sistema Ultra Wideband........................................................................................ 7

1.2 Cenni storici sui sistemi UWB .............................................................................................. 9

Capitolo 2 ................................................................................................................... 12

Radar UWB ................................................................................................................ 12

2.1 Campi di applicazioni dei radar UWB ................................................................................ 13

2.2 Principio di funzionamento ................................................................................................. 16

2.2 Grandezze significative ....................................................................................................... 18

2.2.2 Distanza dal target ........................................................................................................ 18

2.2.3 Massima distanza non ambigua ................................................................................... 18

2.2.4 Equazione del Radar UWB .......................................................................................... 19

2.2.5 Minima distanza rilevabile ........................................................................................... 20

2.2.6 Risoluzione................................................................................................................... 20

Forma dell’impulso radar

2.3 .................................................................................................... 21

2.3.1 Impulso Gaussiano ....................................................................................................... 21

Modulazione dell’impulso UWB

2.3.2 ................................................................................. 22

2.3.3 Impulsi conformi alle maschere FCC .......................................................................... 23

2.4 Tecniche di progettazione dei sistemi Radar UWB ............................................................ 24

2.4.1 Oscilloscopi a campionamento .................................................................................... 25

2.4.2 Tecniche di correlazione .............................................................................................. 25

2.4.3 Tecnica del Range-Gating ............................................................................................ 26

Capitolo 3 ................................................................................................................... 29

Monitoraggio dell’attività respiratoria ................................................................... 29

Cenni sull’attività respiratoria umana

3.1 ................................................................................. 29

3.2 Metodi di monitoraggio della respirazione ......................................................................... 30

3.2.1 Pletismografia ad induttanza ........................................................................................ 31

3

3.2.2 Pletismografia ad impedenza ....................................................................................... 31

3.2.3 Pneumografia ............................................................................................................... 32

Capitolo 4 ................................................................................................................... 33

Radar UWB per il monitoraggio della respirazione .............................................. 33

4.1 Architettura del radar........................................................................................................... 34

4.2 Trasmettitore UWB ............................................................................................................. 36

4.3 Ricevitore UWB .................................................................................................................. 38

Capitolo 5 ................................................................................................................... 42

Studio di fattibilità del Ricevitore UWB ................................................................. 42

5.1 Modello di funzionamento del Radar .................................................................................. 43

5.2 Modellazione della respirazione .......................................................................................... 47

5.3 Progetto del Ricevitore UWB.............................................................................................. 49

5.4 Simulazioni e validazione del modello ............................................................................... 51

5.5 Unità di Lettura ................................................................................................................... 64

Conclusioni ................................................................................................................. 68

Bibliografia ................................................................................................................. 71

Ringraziamenti .......................................................................................................... 73

4

Introduzione

Difficilmente ci si sofferma a pensare sull’importanza di eventi, azioni, cambiamenti che,

caratterizzando un determinato contesto arrivano, di fatto, a definire quello che può essere

chiamato processo. Basta effettuare una ricerca su google per rendersi conto della quantità

di disambiguità che scaturiscono da questo apparentemente semplice concetto. Si parla di

processo in economia, in medicina, in fisica, in ingegneria, in informatica e in praticamente

tutti i campi caratterizzati da una dinamica nel tempo. Ciò che risulta di fondamentale

importanza per la comprensione dei motivi che mi hanno spinto alla scrittura di questa tesi è

l’idea che è proprio tramite il monitoraggio di un processo che siamo in grado di estrarre da

quest’ultimo determinate informazioni e, in alcuni casi, prevederne i possibili sviluppi.

Questo concetto assume particolare importanza nel campo medico, nel quale, oltre ad

interessi scientifici che possono spingere al monitoraggio di un processo, subentrano la

salute e la vita delle persone. È ormai assodato infatti che il controllo è la miglior forma di

prevenzione in quanto permette di segnalare precocemente eventi patologici ed ottenere

informazioni che permettono di migliorare la scelta assistenziale e terapeutica.

Purtroppo ciò che viene spontaneo pensare quando si parla di “monitoraggio di funzioni

vitali” è l’obbligo di restare attaccati ad una macchina che nella maggior parte dei casi è

Inoltre la presenza di cavi, tubi, mascherine, corpetti o quant’altro

ingombrante ed invasiva.

non facilita il contatto con altre persone ne tantomeno il lavoro del personale medico

addetto al controllo ed alla supervisione di queste apparecchiature.

In questo lavoro di tesi mi sono, quindi, voluto concentrare in particolar modo sul

monitoraggio remoto di un parametro vitale ritenuto di fondamentale importanza,

specialmente nello studio e nella prevenzione di patologie serie quali arresti cardiaci ed

l’attività

apnee notturne: respiratoria.

A tale scopo assume una grande importanza la tecnologia Ultra Wideband che, specialmente

applicata al campo radar, permette di rilevare con ottima precisione piccoli movimenti su

brevi distanze, utilizzando potenze in trasmissione molto basse e quindi non dannose per la

L’idea di base che ho portato avanti nella scrittura di questa tesi è

salute umana. quella di

5

riuscire a verificare la fattibilità di progetto e di implementazione di un ricevitore radar

UWB che abbia il compito di rilevare i movimenti della parete toracica che si verificano

durante il processo respiratorio.

Nel capitolo 1 verrà quindi descritta la moderna tecnologia UWB, molto diffusa in

particolare negli ultimi anni grazie alla sua capacità di essere utilizzata in moltissimi ambiti;

dai sistemi radar fino alle telecomunicazioni.

Nel capitolo 2 verranno introdotti i radar UWB a partire dal concetto di “democratizzazione

del radar” dispositivo utilizzato in passato specialmente in ambito militare che si sta

diffondendo in moltissimi altri settori; sorveglianza locale, geologia, monitoraggio stradale.

Verranno inoltre descritti i vari parametri di questi radar e spiegate le diverse tecniche di

progettazione impiegate per questi sistemi.

Tenendo sempre a mente che non si tratta di una tesi di medicina, nel capitolo 3, verranno

dati dei cenni riguardo il meccanismo della respirazione al fine di stabilire i parametri che

occorre misurare per l’individuazione della frequenza e dell’intensità respiratoria. Verranno

inoltre descritti i principali metodi di monitoraggio respiratorio ad oggi in circolazione.

stato dell’arte

Si parlerà nel capitolo 4 dello dei radar UWB progettati per monitorare

l’attività respiratoria e si farà riferimento alla specifica architettura di un radar UWB range-

sull’argomento

gating rimandandosi a brevetti e tesi disponibili in letteratura.

Infine nel capitolo 5 si è voluto implementare e studiare un nuovo schema di ricevitore radar

monitoraggio dell’attività

UWB per il respiratoria. Verrà descritto il funzionamento del

circuito e studiata la sua risposta agli impulsi UWB in ingresso dall’antenna e dagli strobe,

verranno simulate possibili situazioni e si descriveranno i casi limite nel monitoraggio dello

spostamento toracico di un paziente. Si cercherà inoltre di fornire uno schema circuitale

dell’unità di lettura della tensione in uscita al ricevitore posta a valle del ricevitore. Questo

risulta necessario per avere un idea della fattibilità del circuito visti i parametri quali

capacità, impedenze e tempistiche impiegate nel ricevitore.

6

Capitolo 1

Sistemi Ultra Wideband

1.1 Cosa è un sistema Ultra Wideband

Sotto il nome di Ultra Wide-Band (UWB) vengono raccolte tutta una serie di modalità di

trasmissione di tipo prettamente impulsivo che im