본 논문에서는 공진기와 인체와의 거리에 따른 근접 전자기장 변화에 의한 공진기 임피던스의 변화를 토대로 사람의 호흡 및 심박신호를 검출할 수 있는 센서를 제안한다. 제안된 생체신호 측정센서는 패치형 공진기가 결합된 발진기, 발진주파수의 2채배 주파수만 통과시키기 위한 다이플렉서, 증폭기, SAW 필터 및 RF 검출기로 구성되어 있다. 호흡과 심박신호와 같은 인체의 주기적인 움직임은 근접 전자기장 영역 안에서 공진기의 임피던스 변화를 야기하며, 발진기의 주파수를 변화시킨다. 감도를 향상시키기 위해 발진주파수의 2채배 주파수 천이를 SAW 필터의 저지대역에 위치시킴으로써, 제안된 센서의 검출 거리를 2배로 확장시킬 수 있다. 제안된 센서의 측정결과, 최대 40 mm까지 호흡 및 심박신호가 안정적으로 측정되는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 공진기와 인체와의 거리에 따른 근접 전자기장 변화에 의한 공진기 임피던스의 변화를 토대로 사람의 호흡 및 심박신호를 검출할 수 있는 센서를 제안한다. 제안된 생체신호 측정센서는 패치형 공진기가 결합된 발진기, 발진주파수의 2채배 주파수만 통과시키기 위한 다이플렉서, 증폭기, SAW 필터 및 RF 검출기로 구성되어 있다. 호흡과 심박신호와 같은 인체의 주기적인 움직임은 근접 전자기장 영역 안에서 공진기의 임피던스 변화를 야기하며, 발진기의 주파수를 변화시킨다. 감도를 향상시키기 위해 발진주파수의 2채배 주파수 천이를 SAW 필터의 저지대역에 위치시킴으로써, 제안된 센서의 검출 거리를 2배로 확장시킬 수 있다. 제안된 센서의 측정결과, 최대 40 mm까지 호흡 및 심박신호가 안정적으로 측정되는 것을 확인하였다.
In this paper, a vital sign sensor based on impedance variation of resonator is proposed to detect the respiration and heartbeat signals within near-field range as a function of the separation distance between resonator and subject. The sensor consists of an oscillator with a built-in planar type pa...
In this paper, a vital sign sensor based on impedance variation of resonator is proposed to detect the respiration and heartbeat signals within near-field range as a function of the separation distance between resonator and subject. The sensor consists of an oscillator with a built-in planar type patch resonator, a diplexer for only pass the second harmonic frequency, amplifier, SAW filter, and RF detector. The cardiac activity of a subject such as respiration and heartbeat causes the variation of the oscillation frequency corresponding impedance variation of the resonator within near-field range. The combination of the second harmonic oscillation frequency deviation and the superior skirt frequency of the SAW filter enables the proposed sensor to extend twice detection range. The experimental results reveal that the proposed sensor placed 40 mm away from a subject can reliably detect respiration and heartbeat signals.
In this paper, a vital sign sensor based on impedance variation of resonator is proposed to detect the respiration and heartbeat signals within near-field range as a function of the separation distance between resonator and subject. The sensor consists of an oscillator with a built-in planar type patch resonator, a diplexer for only pass the second harmonic frequency, amplifier, SAW filter, and RF detector. The cardiac activity of a subject such as respiration and heartbeat causes the variation of the oscillation frequency corresponding impedance variation of the resonator within near-field range. The combination of the second harmonic oscillation frequency deviation and the superior skirt frequency of the SAW filter enables the proposed sensor to extend twice detection range. The experimental results reveal that the proposed sensor placed 40 mm away from a subject can reliably detect respiration and heartbeat signals.
본 논문에서는 감도 향상을 위해 발진기의 2차 고조파주파수 변이 및 유사 검출시스템(SAW 필터 및 RF 검출기)의 조합을 통해 기존 논문[10] 대비 2배의 검출거리를 갖는 비접촉식 생체신호 측정센서를 제안하였다.
제안 방법
본 논문에서는 공진기와 인체와의 이격 거리에 따른 근접 전자기장 변화에 의한 공진기 입력 임피던스의 변화를 토대로 발진주파수의 천이(draft)를 SAW 필터 및 RF 검출기를 사용하여 원하는 생체 신호를 추출하였다. 감도 향상을 위한 방법으로 기본 발진 신호의 2차 고조파 주파수 이용하였으며, 이를 SAW 필터에 입력시켜 필터의 감쇄기울기가 우수한 영역에서 생체움직임을 검출하도록 하였다. 그 결과, 기존 연구[10] 대비 유사 검출시스템(SAW 필터 및 RF검출기)의 구조에서 검출거리가 2배 확장됨을 확인하였다.
본 논문에서는 공진기와 인체와의 이격 거리에 따른 근접 전자기장 변화에 의한 공진기 입력 임피던스의 변화를 토대로 발진주파수의 천이(draft)를 SAW 필터 및 RF 검출기를 사용하여 원하는 생체 신호를 추출하였다. 감도 향상을 위한 방법으로 기본 발진 신호의 2차 고조파 주파수 이용하였으며, 이를 SAW 필터에 입력시켜 필터의 감쇄기울기가 우수한 영역에서 생체움직임을 검출하도록 하였다.
대상 데이터
측정은 신체 부착형과 40 mm의 이격 거리를 두고 측정하였다. 신호처리 부분은 데이터 획득 장비 (DAQ, NI9234)로부터 출력된 디지털 신호를 FFT 처리에 의해 주파수축으로 변환하여 호흡 및 심박 수를 확인하였다. 그림 12(a)는 호흡과 심박신호를 포함하고 있는 시간 축 순시데이터이며, 이를 FFT 처리한 결과를 그림 12(b)에 나타내었다.
제안된 센서의 성능을 검증하기 위해 그림 11과 같이 압력식 맥박센서를 동시에 측정하여 상호비교를 통해 측정결과의 신뢰도를 확보하였다. 측정은 신체 부착형과 40 mm의 이격 거리를 두고 측정하였다. 신호처리 부분은 데이터 획득 장비 (DAQ, NI9234)로부터 출력된 디지털 신호를 FFT 처리에 의해 주파수축으로 변환하여 호흡 및 심박 수를 확인하였다.
데이터처리
그림 10의 센서는 공진기 및 능동소자 회로부분을 각각 독립적으로 제작한 후 적층하였다. 제안된 센서의 성능을 검증하기 위해 그림 11과 같이 압력식 맥박센서를 동시에 측정하여 상호비교를 통해 측정결과의 신뢰도를 확보하였다. 측정은 신체 부착형과 40 mm의 이격 거리를 두고 측정하였다.
성능/효과
감도 향상을 위한 방법으로 기본 발진 신호의 2차 고조파 주파수 이용하였으며, 이를 SAW 필터에 입력시켜 필터의 감쇄기울기가 우수한 영역에서 생체움직임을 검출하도록 하였다. 그 결과, 기존 연구[10] 대비 유사 검출시스템(SAW 필터 및 RF검출기)의 구조에서 검출거리가 2배 확장됨을 확인하였다. 제안된 센서의 확장된 검출거리로 인해 스마트 의자/침대, 운전자 상태 모니터링 및 헬스케어 관련 다양한 적용이 가능할 것으로 판단된다.
호흡신호를 배제하기 위해 의복 부착형 구조를 고려하여 측정한 결과를 그림 13에 나타내었다. 측정된 심박 신호는 분당 58～59회의 횟수를 나타내며, 기준 센서와 측정결과가 일치하는 것을 알 수 있으며, 이격 거리에 따라 신호 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
그 결과, 기존 연구[10] 대비 유사 검출시스템(SAW 필터 및 RF검출기)의 구조에서 검출거리가 2배 확장됨을 확인하였다. 제안된 센서의 확장된 검출거리로 인해 스마트 의자/침대, 운전자 상태 모니터링 및 헬스케어 관련 다양한 적용이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
발진주파수의 변화량은 어떻게 나타낼 수 있는가?
231 GHz에서 36을 나타내었다. 발진주파수의 변화량은 안정도 계수(SF)로 나타낼 수 있으며, 부하 Q에 비례하므로 낮은 Q를 갖도록 설계하여 주파수 변화량을 크게 하였다[15].
평면형 공진기는 어떻게 동작하는가?
평면형 공진기는 발진기의 직렬 궤환 소자로서 동작할뿐만 아니라, 근접 전자기장 내의 안테나로써 동작한다. 근접 전자기장내의 인체 영향이 고려된 평면형 공진기의 단순화된 RLC 회로 모델을 그림 2에 나타내었다.
신체의 움직임에 따른 주파수 천이는 SAW 필터를 거치면서 진폭의 변화가 생기는 이유는?
4 GHz)만을 증폭기로 전달되도록 구성하였다. 이는 공진기를 저주파대역으로 구현함으로써 소자의 오차 및 온도 등의 영향에 둔감하면서 발진주파수를 SAW 필터의 최대 감쇄율 (dB/MHz)을 보이는 주파수 영역에 위치시키기가 용이하다. 더불어 2차 고조파 신호에 의한 주파수 편이(Δf )를 2배로 증가시켜 감도 개선을 가능하게 한다. 증폭기를 통해 증폭된 2차 고조파 신호는 SAW 필터에 입력되고, 필터의 차단 영역에서 기울기가 가파른 영역의 중심에 위치하게 된다. 따라서 신체의 움직임에 따른 주파수 천이는 SAW 필터를 거치면서 진폭의 변화가 생긴다[12].
참고문헌 (18)
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