Non-Contact Vital Signs Monitoring Using Millimeter-Wave Radar Technologies
Authors:   , Antolinos García Elías 
Published: February 2025

The advances in monolithic microwave integrated circuits have enabled the miniaturization and integration of radar systems into a wide range of devices. Consequently, these systems are currently utilized in diverse environments, including automotive, security, industrial, structural health monitoring, and even in biomedical and healthcare contexts. Indeed, the non-contact monitoring of human vital signs with radar has become an active research area in recent years. This has been further emphasized following the emergence of the COVID-19 pandemic and the increasing interest in home monitoring and telemedicine.

Traditionally, radars have been employed to measure the displacement of the chest wall due to breathing and heart movements. However, radar monitoring allows for the extraction of heartbeat and respiration, as well as the measurement of other biomarkers that can provide significant information in the detection of certain cardiovascular diseases. This Ph.D. thesis focuses on the feasibility of using radar technology for non-contact monitoring of vital signs. The initial section of the thesis examines radar technology with the objective of identifying the optimal configuration for this application. This includes a comprehensive comparison between the two main radar configurations used in the literature: continuous-wave and linear-frequency-modulated continuous-wave configurations.

The second part of this thesis examines the different vital signs and biomarkers that can be obtained using radar technology. It analyses different algorithms to determine the optimal signal processing for extracting some biomarkers from heart activity. Furthermore, a radar configuration to evaluate the carotid-femoral pulse wave velocity is presented, which is the gold standard for evaluating arterial stiffness.

Finally, the last part of this thesis addresses the challenges that must be overcome in order for radar technology to become a viable solution for vital sign monitoring in daily life scenarios. These challenges include multi-target monitoring scenarios, radar focusing and vital signs extraction during target movement. Furthermore, a real-time vital sign monitoring application has been developed, that allows the simultaneous monitoring of multiple targets in real-world scenarios. This application represents a preliminary prototype that can also be used for sleep-monitoring scenarios, as it is capable of detecting apnea periods. This represents a preliminary step towards obstructive sleep apnea monitoring.

RESUMEN

Los avances en circuitos monolíticos integrados de microondas han permitido la miniaturización e integración de los sistemas radar en una multitud de dispositivos. Esto ha posibilitado su uso en diversos campos, entre los que se incluyen la automoción, la seguridad, la industria, la monitorización de estructuras e incluso en entornos biomédicos y de salud. De hecho, la monitorización sin contacto de señales vitales con tecnología radar se ha convertido en un activo campo de investigación en los últimos años. Esto se ha visto impulsado por la emergencia sanitaria que supuso la pandemia del COVID-19 y el creciente interés en la monitorización domiciliaria y la telemedicina.

Tradicionalmente, los radares se han empleado para medir el desplazamiento del pecho provocado por los movimientos de la respiración y del corazón. Sin embargo, la monitorización radar permite extraer la señal de respiración y latido, y, además, medir otros biomarcadores que proporcionan información importante para la detección de ciertas enfermedades cardiovasculares. Esta Tesis Doctoral se centra en la viabilidad de utilizar la tecnología radar como herramienta para la monitorización sin contacto de señales vitales. La primera parte de esta tesis analiza la tecnología radar con el objetivo de identificar la configuración óptima para esta aplicación. Esto incluye una comparación en profundidad entre las dos configuraciones de radar más utilizadas en la literatura: los radares de onda continua y los radares de onda continua y frecuencia modulada.

La segunda parte de esta tesis analiza las distintas señales vitales y biomarcadores que pueden medirse con tecnología radar. En ella se analizan los distintos algoritmos para determinar el sistema de procesamiento óptimo para extraer algunos biomarcadores de la actividad cardíaca. Además, se presenta una configuración radar para monitorizar la velocidad de la onda del pulso desde la arteria carótida a la femoral, que es el estándar de referencia para evaluar la rigidez arterial.

Por último, esta tesis aborda los distintos desafíos que deben superarse con el objetivo de que la tecnología radar sea una solución viable para la monitorización de señales vitales en escenarios reales. Entre estos desafíos, se destacan la monitorización simultánea de distintas personas en el mismo escenario, el apuntamiento del sistema radar y la extracción de señales vitales cuando el blanco está en movimiento. Además, se ha desarrollado una aplicación para la monitorización en tiempo real de señales vitales de varias personas simultáneamente en escenarios reales. Esta aplicación es un prototipo preliminar que puede usarse para la monitorización del sueño, ya que es capaz de detectar episodios de apnea, y supone un primer paso hacia la monitorización de la apnea obstructiva del sueño.