Hayati sinyallerin temassız tespiti için bir biyoradar sisteminin geliştirilmesi
Development of a bio-radar system for non-contact detection of vital signs
Yazar: İBRAHİM ŞEFLEK
Danışman: PROF. DR. ERCAN YALDIZ
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Nesnelerin temassız uzaktan algılanması insanlığın yaklaşık yüzyıldan beri üzerinde çalıştığı konular arasında yer almaktadır. Son yirmi yılda artık nesnenin algılanmasının ötesinde, belirlenen nesnenin özelliklerinin de çıkarılması amaçlanmaktadır. Radarın özellikleri sayesinde bugün araç hız ölçümlerinden yer altında bulunan nesnelerin sınıflandırılmasına hatta engel arkasındaki canlıyı tanıma ve meteorolojik olayların takibi gibi pek çok konuda uygulamalar yapılabilmektedir. Ayrıca radar kendisine tıp alanında da yer bulmaktadır. Özellikle geleneksel olarak hastaya temasla elde edilen bilgilerin radar vasıtasıyla temassız bir şekilde alınabilmesi onu son derece cazip yapmaktadır. Çünkü bu durum hastanın rahat bir şekilde hareket etmesini sağlamakta ve fazladan yaralanmasını önlemektedir. Ayrıca uzmanların işini de kolaylaştırmaktadır. Dolayısıyla radarın hayati sinyallerin tespiti, uyku takibi, zihinsel yorgunluğun tespiti gibi durumlarda kullanılabileceğini göstermektedir. Bu amaçlar için kullanılan radarlar biyoradar olarak adlandırılmaktadır.
Bu tez çalışmasında, iki farklı radar tipine göre biyoradar sistemi geliştirilmektedir. İlk olarak biyoradarlar için simülasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Ardından Sürekli Dalga (SD, Continuous Wave) biyoradar yapısı oluşturularak çalışma prensibi açıklanmıştır. Oluşturulan biyoradar yapısı ile deneysel çalışmalar sonucu iki farklı algoritma ile hayati sinyaller elde edilmiştir. SD radarın menzil yetersizliğinden ötürü Frekans Modüleli Sürekli Dalga (FMSD, Frequency Modulated Continuous Wave)  biyoradar yapısı oluşturularak menzil dezavantajı ortadan kaldırılmıştır. Deneysel çalışmalar neticesinde hem insan deneğin yeri tespit edilmiş hem de hayati sinyaller çıkarılmıştır. Çoklu insan denek ölçümleri de gerçekleştirilerek oluşturulan FMSD biyoradarın performansı sunulmuştur. Çalışmalarda mesafenin hayati sinyallerin tespitindeki doğruluğa etkisi gözlemlenmiştir. Her iki biyoradar yapısı içinde solunum hızı yaklaşık bir atım hata oranı ile belirlenerek yüksek doğruluk elde edilmiştir. Ancak kalp atış hızının tespitinde elde edilen sonuçlar kalp atışına bağlı göğüs duvar hareketinin son derece küçük olmasından dolayı referans değerlere göre yeterince tutarlı değildir. Elde edilen sonuçlara göre gelecekte biyoradarların tıp alanında vücuda temasla ölçümleri yapan cihazların yerini alabileceği öngörülmektedir.

Abstract:
Non-contact remote sensing of objects is among the topics that humanity has been working on for nearly a century. In the last two decades, beyond the sensing of the object, it is aimed to extract the properties of the determined object. Thanks to the features of the radar, many applications can be made today such as vehicle speed measurements, classification of underground objects, even identification of living things behind obstacles and tracking meteorological events. In addition, radar also finds itself a place in the medical field. Especially traditionally, the fact that information obtained by contact with the patient can be received via radar in a contactless manner makes it extremely reasonable. Because this situation allows the patient to move comfortably and prevents extra injury. It also makes the job of experts easier. Therefore, it shows that the radar can be used in situations such as the vital signs detection, sleep tracking and mental stress detection. Radars used for these purposes are called bio-radar.
In this thesis study, a bio-radar system is developed according to two different radar types. First, simulation studies have been carried out for bio-radars. Then, Continuous Wave (CW) bio-radar structure was constituted and its working principle has been explained. As a result of experimental studies with the constituted bio-radar structure, vital signs have been obtained with two different algorithms. Due to the lack of range of the CW radar, the frequency modulated continuous wave (FMCW) bio-radar structure has been also generated to eliminate the range disadvantage. In consequence of experimental studies, both the range of the human subject has been determined and vital signs is obtained. The performance of the FMCW bio-radar generated by performing multiple human subject measurements has been presented. In studies, the effect of range on the accuracy of detecting vital signs has been observed. High accuracy has been achieved by determining the respiration rate with almost one beat error rate within both bio-radar structures. However, the results obtained in determining the heart rate are not sufficiently consistent compared to the reference values due to the extremely small chest wall motion due to heart rate. According to the obtained results, it is foreseen that in the future, bio-radars will replace the devices that make measurements performed by body contact in the field of medicine.