[논문]원거리에서 측정 가능한 호흡 및 심박 수 측정을 위한 도플러 레이더 시스템

이지훈; 김기범; 박성욱

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.4.418

원거리에서 측정 가능한 호흡 및 심박 수 측정을 위한 도플러 레이더 시스템
Doppler Radar System for Long Range Detection of Respiration and Heart Rate 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.4, 2014년, pp.418 - 425

이지훈 (한국과학기술원 전기 및 전자공학과) , 김기범 (한국과학기술원 전기 및 전자공학과) , 박성욱 (한국과학기술원 전기 및 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 원거리에서 사람의 호흡 및 심박수를 측정할 수 있는 Ku-Band 대역의 도플러 레이더 시스템을 설계하였다. 레이더로 측정을 하는 동시에 ECG(Electrocardiogram)를 이용하여 호흡 및 심박수 측정을 하였다. 수신된 I/Q(Inphase & Quadrature-phase) 신호를 이용한 arctangent demodulation을 적용하였을 때 RMSE(Root Mean Square Error)값을 약 50 % 정도 개선시킬 수 있었다. CW(Continuous Wave) 도플러 레이더는 송수신단이 연속적으로 항상 열려 있기 때문에 송신안테나에서 수신 안테나로 누설되는 전력이 발생하게 된다. 출력 파워가 높아질수록 누설되는 전력은 시스템의 SNR(Signal-to-Noise Ratio)에 영향을 주게 된다. 따라서 본 연구에서는 원거리에서 감지가 가능하도록 누설 전력의 반대위상을 갖는 신호를 더해줌으로써 누설 전력으로 인한 수신단의 감도 저하를 최소화 시키는 기법을 적용하였다. 위의 leakage cancellation 기법을 적용하여 최대 35 m 거리 대상의 호흡 및 심박 수를 측정하였으며, 이와 비교하여 ECG 값에서 추출한 심박 수 값과 일치함을 볼 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a Ku-Band Doppler Radar System to measure respiration and heart rate. It was measured by using simultaneous radar and ECG(Electrocardiogram). Arctangent demodulation without dc offset compensation can be applied to transmitted I/Q(In-phase & Quadrature-phase) signal in order to improve the RMSE(Root Mean Square Error) about 50 %. The power leaked to receiving antenna from the transmitting antenna is always generated because of continuously opening the transceiver of CW(Continuous Wave) Doppler radar. As the output power increase, leakage power has an effect on the SNR(Signal-to-Noise Ratio) of the system. Therefore, in this paper, leakage cancellation technique that adds the signal having the opposite phase of the leakage power to the leakage power was implemented in order to minimize the decline of receiver sensitivity. By applying the leakage cancellation techniques described above, it is possible to measure the heart rate and respiration of the human at a distance of up to 35 m. the heart rate of the measured data at a distance of 35 m accords with the heart rate extracted from the ECG data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이는 지금까지 발표된 여러 연구에서 실험을 통해 증명이 되었다. 본 논문에서는 기존의 연구와 차별성을 두기 위해 두 가지 목표를 가지고 연구를 진행하 였다.
즉, 주파수축 측정은 시간축으로 측정된 결과를 FFT를 이용하여 변환한다. 본 논문에서는 레이더로 측정된 신호와 심전도 계측기로 측정된 신호의 HRV 해석을 통해 정확도를 비교하였다.
4 GHz의 주파수와 —47 dBm(20 nW)의 송신 출력을 이용하여 1 m 거리에서 성공한 것이다 ^[2] . 이 논문에서는 피실험자가 호흡을 멈춘 상태에서 측정한 것으로 실제 측정 환경과는 부합한다고 볼 수 있다. 호흡으로 인한 가슴의 움직임은 보통 1 mm 정도인 반면, 심박에 의한 움직임은 0.

제안 방법

수신 안테나와 저잡음 증폭기를 거친 신호와 송신 신호가 커플링되는 신호의 크기를 가변감쇄기를 이용하여 동일하게 만들어 주고, 위상변화기를 이용하여 180° 위상 신호로 만들어 두 신호를 전력결합기를 이용하면 누설 전력을 상쇄시킬 수 있다. 누설 전력을 상쇄함으로써 향상되는 송수신 안테나 간의 격리도를 측정하기 위해 함수발생기와 우퍼 스피커를 이용하여 실험을 하였다. 함수발생기의 출력을 5 Hz의 정현파로 설정을 하고, 스피커에 입력을 시키면 스피커의 진동판은 초당 5번의 주기를 가지고 흔들리게 된다.
지금까지 발표된 심박수 측정 레이더는 대부분 근거리 에서만 감지가 가능한 한계점을 가지고 있다. 본 논문에 서는 앞에서 기술했듯이 감지거리를 늘리기 위해 송신 출력을 높이고, 누설 전력으로 인한 수신단의 감도 저하를 leakage cancellation 기법을 적용하여 최소화시켰다. 설계된 레이더 시스템을 이용하여 23 dBm(200 mw)의 송신 출력으로 35 m 거리에 있는 사람의 호흡과 심박수를 정확히 측정하였다.
본 논문에서는 —46 dBm(25 nW)의 송신 출력으로 2 m 거리에 있는 사람의 호흡과 심박수를 PSD를 이용하여 정확히 측정하였다.
이러한 수신단의 감도 저하를 송수신단 간의 격리도에 따라 변화되는 SNR의 값을 MATLAB을 이용하여 해석한 논문도 발표되었다 ^[5] . 본 논문에서는 근거리 측정을 위해 저전력의 송신 출력을 사용할 경우 그림 1에서와같은 구조를 사용하고, 원거리 측정을 위해 고출력의 송신 신호를 사용할 경우에는 그림 2와 같은 구조를 사용하여 측정하였다. 그림 2의 구조에 누설 전력을 상쇄시키기 위해 커플러, 가변감쇄기, 위상변화기, 그리고 전력결합기가 추가되었다.
본 연구에서는 2 m 거리에 떨어져 있는 사람의 호흡 및 심박수를 —46 dBm(25 nW)의 송신 출력으로 정확히 측정하였고, 그 결과는 그림 6에 나타내내었다.
본 논문에 서는 앞에서 기술했듯이 감지거리를 늘리기 위해 송신 출력을 높이고, 누설 전력으로 인한 수신단의 감도 저하를 leakage cancellation 기법을 적용하여 최소화시켰다. 설계된 레이더 시스템을 이용하여 23 dBm(200 mw)의 송신 출력으로 35 m 거리에 있는 사람의 호흡과 심박수를 정확히 측정하였다. 그림 7은 실제 35 m 거리에 있는 사람의 호흡 및 심박 측정을 위한 실험 세팅이다.
원거리에서 측정 가능한 호흡 및 심박수 비 침습 측정을 위한 고감도 도플러 레이더 시스템을 설계하고, 그 정확도를 심전도 계측기로 측정된 신호와 비교하여 검증하였다. 기존의 심박수 레이더는 원거리에 있는 사람은 감지하기가 어렵고, 일반적인 송신 출력은 0 dBm 이상을 사용하였다.
이를 레이더로 측정하기 위해 안테나와 스피커의 거리는 3 m의 거리를 두고, 송신 출력은 —10 dBm으로 설정을 하였다.

대상 데이터

그림 4. 5 m 거리에서 측정된 심장 박동 신호. (a) I-채널의 심박 신호, (b) Q-채널의 심박 신호, (c) arctangent demodulation 신호, (d) ECG 신호
본 논문에서 소개되는 레이더 시스템은 헤테로다인 방식으로 동작주파수는 14 GHz이다. 2.
3 GHz 발진기를 제외한 모든 발진기는 위상잡음 특성이 좋은 PLL을 이용하 였고, 모든 발진기는 동기화가 되어 있다. 송신 및 수신 안테나는 동일한 혼 안테나를 사용하였고, 안테나의 이득은 14 GHz에서 16 dBi이다. 송신 안테나로 방사되고 목표 물에 반사되어 수신된 신호는 저잡음 증폭기를 거쳐 2.

이론/모형

감도 높은 수신단을 이용하여 원거리의 사람을 감지하기 위해 송신 출력을 높이면 송신안테나에서 수신 안테나로의 누설 전력으로 인해 수신단이 포화되는 현상을 가져온다. 이를 해결하기 위해 누설 전력과 반대 위상을 가지는 신호와 상쇄시키는 leakage cancellation 방법을 적용하였다. 그 결과, 최대 35 m 거리에 있는 사람의 호흡과 심박수를 정확히 측정할 수 있었다.

성능/효과

본 논문에서 소개되는 레이더 시스템은 헤테로다인 방식으로 동작주파수는 14 GHz이다. 2.3 GHz 발진기를 제외한 모든 발진기는 위상잡음 특성이 좋은 PLL을 이용하 였고, 모든 발진기는 동기화가 되어 있다. 송신 및 수신 안테나는 동일한 혼 안테나를 사용하였고, 안테나의 이득은 14 GHz에서 16 dBi이다.
Q-채널의 심박 간의 평균 주기와 심전도 계측기로 측정된 ECG의 평균 주기의 RMSE(Root Mean Square Error) 는 40.87 ms, arctangent demodulation한 신호와 ECG 신호의 RMSE는 21.16 ms로 19.71 ms 감소한 것을 알 수 있다. SDNN 및 RMSSD의 값 역시 arctangent demodulation 했을경우 ECG의 값에 더욱 근접한 것을 볼 수 있다.
이를 해결하기 위해 누설 전력과 반대 위상을 가지는 신호와 상쇄시키는 leakage cancellation 방법을 적용하였다. 그 결과, 최대 35 m 거리에 있는 사람의 호흡과 심박수를 정확히 측정할 수 있었다. 또한, arctangent demodulation을 적용하여 기존의 단일 채널의 레이더보다 정확한 심박수를 측정할 수 있다는 것을 HRV 해석을 통해 증명하였다.
그 결과, 최대 35 m 거리에 있는 사람의 호흡과 심박수를 정확히 측정할 수 있었다. 또한, arctangent demodulation을 적용하여 기존의 단일 채널의 레이더보다 정확한 심박수를 측정할 수 있다는 것을 HRV 해석을 통해 증명하였다.
기존의 심박수 레이더는 원거리에 있는 사람은 감지하기가 어렵고, 일반적인 송신 출력은 0 dBm 이상을 사용하였다. 본 논문에서는 감도 높은 수신단을 구성하여 2 m 거리에 있는 사람의 호흡 및 심박수를 25 nW의 송신 출력으로 감지할 수 있었다. 감도 높은 수신단을 이용하여 원거리의 사람을 감지하기 위해 송신 출력을 높이면 송신안테나에서 수신 안테나로의 누설 전력으로 인해 수신단이 포화되는 현상을 가져온다.
따라서 PSD(Power Spectral Density)를 이용하여 가장 큰 진폭 값을 가지는 주파수를 역으로 계산하여 심박 수를 계산하는 방식으로 시스템의 정확도를 보여준다. 본논문에서는 25 m 거리에서 시간축에서도 정확히 호흡 및 심박수를 측정할 수 있고, PSD를 이용하면 35 m 이상의 거리에서까지 측정이 가능하다.
누설 전력으로 인해 포화되었던 수신단의 이득이 증가된 것이다. 즉, 누설 전력 상쇄기법을 적용함으로써 약 27.4 dB의 격리도 향상 효과를 볼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ku-Band 대역의 도플러 레이더 시스템의 특징은?	본 논문에서는 원거리에서 사람의 호흡 및 심박수를 측정할 수 있는 Ku-Band 대역의 도플러 레이더 시스템을 설계하였다. 레이더로 측정을 하는 동시에 ECG(Electrocardiogram)를 이용하여 호흡 및 심박수 측정을 하였다.
	Ku-Band 대역의 도플러 레이더 시스템은 무엇을 이용하여 호흡 및 심박수 측정을 하는가?	본 논문에서는 원거리에서 사람의 호흡 및 심박수를 측정할 수 있는 Ku-Band 대역의 도플러 레이더 시스템을 설계하였다. 레이더로 측정을 하는 동시에 ECG(Electrocardiogram)를 이용하여 호흡 및 심박수 측정을 하였다. 수신된 I/Q(Inphase & Quadrature-phase) 신호를 이용한 arctangent demodulation을 적용하였을 때 RMSE(Root Mean Square Error)값을 약 50 % 정도 개선시킬 수 있었다.
	바이오 레이더 시스템의 원리는?	바이오 레이더 시스템은 송신된 신호가 인체에 반사되고, 이를 수신단에서 증폭된 신호와 송신 신호의 커플링 신호가 혼합기에 입력이 되어 기저대역 혹은 중간주파수로 출력된다. 이 신호를 필터를 이용하여 호흡과 심박 신호를 구분함으로써 매우 정확히 호흡 및 심박수를 측정할 수 있다.

참고문헌 (6)

M. Baboli, A. Singh, N. Hafner, and V. Lubecke, "Parametric study of antenna for long range Doppler radar heart rate detection", International Conference of the IEEE EMBS, USA, 2012.
Shuhei Yamada, Mingqui Chen, and Victor Lubecke, "Sub-uW signal power Doppler radar heart rate detection", APMC, 2006.
M. Singh, G. Ramachandran, "Reconstruction of sequential cardiac in-plane displacement patterns on the chest wall by laser speckle interferometry", IEEE Trans. Bioded. Eng., vol. 38, pp. 483-489, 1999.
D. H. Kim, "Heart rate variability", Current Practice in Cardiology, vol. 5, no. 10, 2011.
B. J. Jang, S. H. Wi, J. G. Yook, M. Q. Lee, and K. J. Lee, "Wireless bio-radar sensor for heartbeat and respriation detection", Progress In Electromagnetics Research C, vol. 5, 2008.
Manh-Tuan Dao, Dong-Hun Shin, Yun-Taek Im, and Seong-Ook Park, "A two sweeping VCO source for heterodyne FMCW radar," IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement., vol. 62, no. 1, Jan. 2013.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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