[논문]도플러 레이더를 이용한 수면 중의 심박 및 호흡 측정: 예비연구

임용규

doi:10.9718/jber.2017.38.5.264

도플러 레이더를 이용한 수면 중의 심박 및 호흡 측정: 예비연구
A Study on Measurement of Heartrate and Respiration during Sleep using Doppler Radar: Preliminary Study 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.38 no.5, 2017년, pp.264 - 270

임용규 (상지대학교 한방의료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A Doppler radar sensor was applied to detect respirations and heartbeats of persons who were lying on a bed. This study is preliminary study aiming at non-contact and non-intrusive respiration and heart rate monitoring during sleep in daily life. For the experiments, 10GHz Doppler radar with patch-type antenna was used and installed on the upper right and the distance between the body and the antenna was 1 m. The results show that each signal of respiration and heartbeat is observed in each frequency band however the frequency band and the waveform vary according to the subjects and the posture. The results show that the heartbeats can be detected with the peak detection in some frequency band. This study shows the feasibility of applying the Doppler radar to detection of heartbeat and respiration during sleep and further studies about heartbeat detection algorithm are required.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

도플러 레이더를 이용하여 심박 검출 가능성을 확인하기 위한 실험을 진행하였다. 두 사람의 피검자 A와 B가 침대에 이불을 덮고 누워있는 동안 측정된 5분간의 신호에서심박을 검출하였다.
본 연구는 일상 생활에서 수면의 질 평가 등의 건강 증진의 목적으로 수면 중에 호흡 및 심박을 측정하는 용도로써, 도플러 레이더를 사용 가능성을 조사하였다.
본 연구를 통해, 침대에서 수면 중의 호흡 및 심박을 검출하는 목적으로 도플러 레이더의 사용 가능성을 확인하였다. 도플러 레이더는 침대에서의 호흡 및 심박 검출을 위한다른 방법들에 비해, 원격 측정이 가능하므로 본질적으로 무구속 무자각 측정이 가능하다.
본 연구에서는 또 다른 레이더 형태인 도플러 레이더를 이용하여 침대에 누워 수면 중인 사람의 호흡과 심박을 측정하고자 하였다. 도플러 레이더는 원리상 반사면의 움직임에 의한 주파수 편이를 측정하는 것이므로, 위치 정보는 얻을 수 없지만 미세한 반사면의 위치 변화를 측정할 수 있다[19].

제안 방법

피검자 2에서 심박을 검출하는 방법은 피검자 A와는 조금 다르게 구성하였다. 1단계로 3Hz~12Hz 주파수 대역의 레이더 신호를 추출하고, 추출된 신호를 2단계에서는 절대값을 취하며, 3단계에서는 그 절대값 파형을 1Hz 저역통과필터를 통과시켜서 부드러운 envelop을 얻고 그 envelop에서 peak를 검출하였다. 그림 8에 이 방법으로 검출된 피검자 B의 심박의 일부를 보여준다.
실험은 일반 침대에 누워 있는 피검자를 대상으로 진행하였다. 도플러 레이더는 피검자의 가슴 오른쪽 위 45도 방향에, 가슴으로부터 약 1m 떨어진 위치에 카메라 삼각대를 이용하여 설치하였고, 레이더는 피검자의 가슴을 향하도록 배치되었다. 피검자는 비교를 위한 심전도 측정용 전극을 가슴에 부착하고, 호흡을 검출하기 위한 벨트형 호흡 모니터 장비를 가슴에 두른 상태에서, 솜이불을 덮고 침대에 누웠다.
본 연구에서 구성한 레이더 측정 시스템은 그림 1과 같다. 도플러 레이더에 출력되는 baseband신호를 2차 고역통과 필터(f_c = 0.05Hz)를 통과시키고, 2차 저역통과필터(f_c = 35Hz)를 거치고, 증폭하여 DAQ 장치로 디지탈화하였다. 필터의 이득을 포함한 전체 이득은 500이다.
도플러 레이더를 이용하여 심박 검출 가능성을 확인하기 위한 실험을 진행하였다. 두 사람의 피검자 A와 B가 침대에 이불을 덮고 누워있는 동안 측정된 5분간의 신호에서심박을 검출하였다. 심박 검출을 위해 간단한 심박 검출 방법을 구성하였는데, 피검자 A(그림 3)과 피검자 B(그림 4)의 파형이 다르기에, 피검자 별로 알고리즘을 다르게 구성하였다.
두 사람의 피검자 A와 B가 침대에 이불을 덮고 누워있는 동안 측정된 5분간의 신호에서심박을 검출하였다. 심박 검출을 위해 간단한 심박 검출 방법을 구성하였는데, 피검자 A(그림 3)과 피검자 B(그림 4)의 파형이 다르기에, 피검자 별로 알고리즘을 다르게 구성하였다.
5분간의 측정 데이터에서 심박 검출의 오차는 표 1에서 분석하였다. 예비 연구로서의 본 연구의 한계로, 심박 검출 알고리즘은 심박 검출 가능성의 확인 목적으로 최대한 간단하게 구성하였으며, 에러 보정 등의 후처리 과정은 생략하였다. 적절한 에러 보정을 추가한다면 에러를 더욱 줄일 수 있을 것으로 예상한다.
도플러 레이더는 피검자의 가슴 오른쪽 위 45도 방향에, 가슴으로부터 약 1m 떨어진 위치에 카메라 삼각대를 이용하여 설치하였고, 레이더는 피검자의 가슴을 향하도록 배치되었다. 피검자는 비교를 위한 심전도 측정용 전극을 가슴에 부착하고, 호흡을 검출하기 위한 벨트형 호흡 모니터 장비를 가슴에 두른 상태에서, 솜이불을 덮고 침대에 누웠다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 도플러 레이더는 Microwave사의 MDU1750을 사용하였다(그림 2). 주파수는 10.
생체신호 측정 연구에는 크게 두 가지의 레이더가 사용되었다. 첫 번째는 펄스형의 레이더로 반사체와의 거리를 측정할 수 있는 특성이 있다.
실험은 일반 침대에 누워 있는 피검자를 대상으로 진행하였다. 도플러 레이더는 피검자의 가슴 오른쪽 위 45도 방향에, 가슴으로부터 약 1m 떨어진 위치에 카메라 삼각대를 이용하여 설치하였고, 레이더는 피검자의 가슴을 향하도록 배치되었다.

성능/효과

도플러 레이더에서 측정된 신호는 정형화된 파형이 관찰되지 않기에 심박 주기상의 특정 시점을 도플러 레이더 신호로 알아내는 것은 매우 어려울 것으로 예상된다. 대신 각심박간 시간(beat-to-beat interval)은 계산할 수 있는데, 그림 9의 결과를 보면, 본 연구에서 시행한 간단한 심박 검출방법으로 검출된 심박은, 심박변이도 유도에 사용하기에는 오차가 커서 부적합할 것으로 생각된다.
본 연구에서 조사한 바로는, 측정된 레이더 신호에서0.05Hz~0.25Hz 구간의 성분만을 추출하면 대부분의 경우에 호흡을 검출할 수 있었다. 도플러 레이더는 변위를 감지하는 원리이기에 호흡에 의한 비교적 큰 변위는 쉽게 감지할 수 있는 것으로 분석된다.

후속연구

본 연구를 기반으로 향후에 수면 중의 장시간 무구속 측정 실험을 진행할 계획이며, 호흡 및 심박 검출 알고리즘의 연구를 진행할 계획이다.
벽이나 천장 등에 레이더 센서를 붙이면 되므로 설치도 다른 방법에 비해 비교적 쉽다. 이러한 장점이 있지만, 이 도플러 센서를 사용하기 위해서는 도플러 레이더 특유의 심박 파형 특성에 맞춘 심박 검출알고리즘의 연구가 필요함을 확인하였다.
예비 연구로서의 본 연구의 한계로, 심박 검출 알고리즘은 심박 검출 가능성의 확인 목적으로 최대한 간단하게 구성하였으며, 에러 보정 등의 후처리 과정은 생략하였다. 적절한 에러 보정을 추가한다면 에러를 더욱 줄일 수 있을 것으로 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도플러 레이더의 원리는 무엇인가	본 연구에서는 또 다른 레이더 형태인 도플러 레이더를 이용하여 침대에 누워 수면 중인 사람의 호흡과 심박을 측정하고자 하였다. 도플러 레이더는 원리상 반사면의 움직임에 의한 주파수 편이를 측정하는 것이므로, 위치 정보는 얻을 수 없지만 미세한 반사면의 위치 변화를 측정할 수 있다[19]. 이 도플러 레이더를 이용하여 매몰자의 탐색 및 생존여부를 알아내고자 하는 연구[20,21]와 벽 건너편의 사람의 존재 여부를 판단하는데 사용하는 연구[22] 등이 진행되었으며, 영유아 돌연사를 감지에 적용한 연구[23]도 수행되었다.
	펄스형의 레이더는 어떤 용도로 사용될 때 적합한가	이 펄스형의 레이더로 인체 내부의 장기를 영상화하는 연구[13]와 레이더의 안테나를 인체 피부에 근접시켜 심박과 호흡등의 인체 내부의 움직임을 측정하는 연구[14,15]가 진행되고 있으며, 다수의 안테나로 배열을 이루어 인체의 특정 부위의 단면 영상을 얻고자 하는 연구[16-18]도 진행되고 있다. 이러한 펄스형의 레이더는 반사면의 위치(거리) 정보를 기반으로 영상화하는 용도로는 적합하지만, 위치(거리) 측정의 정밀도 한계로, 본 연구에서 목표로 하는 심박 및 호흡의 미세한 변화를 감지하여 비접촉 무구속으로 측정하는 용도로는 부적합하다. 펄스형으로 심장의 움직임을 감지하는 연구[14,15]도 있지만, 이 경우는 안테나를 가슴에 접촉하여 측정함으로써 비접촉 무구속적측정이 아니다.
	생체신호 측정 연구에 사용된 레이더에는 어떤 것들이 있는가	생체신호 측정 연구에는 크게 두 가지의 레이더가 사용되었다. 첫 번째는 펄스형의 레이더로 반사체와의 거리를 측정할 수 있는 특성이 있다. 이 펄스형의 레이더로 인체 내부의 장기를 영상화하는 연구[13]와 레이더의 안테나를 인체 피부에 근접시켜 심박과 호흡등의 인체 내부의 움직임을 측정하는 연구[14,15]가 진행되고 있으며, 다수의 안테나로 배열을 이루어 인체의 특정 부위의 단면 영상을 얻고자 하는 연구[16-18]도 진행되고 있다. 이러한 펄스형의 레이더는 반사면의 위치(거리) 정보를 기반으로 영상화하는 용도로는 적합하지만, 위치(거리) 측정의 정밀도 한계로, 본 연구에서 목표로 하는 심박 및 호흡의 미세한 변화를 감지하여 비접촉 무구속으로 측정하는 용도로는 부적합하다. 펄스형으로 심장의 움직임을 감지하는 연구[14,15]도 있지만, 이 경우는 안테나를 가슴에 접촉하여 측정함으로써 비접촉 무구속적측정이 아니다. 본 연구에서는 또 다른 레이더 형태인 도플러 레이더를 이용하여 침대에 누워 수면 중인 사람의 호흡과 심박을 측정하고자 하였다. 도플러 레이더는 원리상 반사면의 움직임에 의한 주파수 편이를 측정하는 것이므로, 위치 정보는 얻을 수 없지만 미세한 반사면의 위치 변화를 측정할 수 있다[19]. 이 도플러 레이더를 이용하여 매몰자의 탐색 및 생존여부를 알아내고자 하는 연구[20,21]와 벽 건너편의 사람의 존재 여부를 판단하는데 사용하는 연구[22] 등이 진행되었으며, 영유아 돌연사를 감지에 적용한 연구[23]도 수행되었다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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