In this paper, the 2.4GHz doppler radar system consisting of the doppler radar module and a baseband module were designed to detect heartbeat and respiration signal without direct skin contact. A bio-radar system emits continuous RF signal of 2.4GHz toward human chest, and then detects the reflected...
In this paper, the 2.4GHz doppler radar system consisting of the doppler radar module and a baseband module were designed to detect heartbeat and respiration signal without direct skin contact. A bio-radar system emits continuous RF signal of 2.4GHz toward human chest, and then detects the reflected signal so as to investigate cardiopulmonary activities. The heartbeat and respiration signals acquired from quadrature signal of the doppler radar system are applied to the pre-processing circuit, amplification circuit, and the offset circuit of the baseband module. ECG(electrocardiogram) and reference respiration signals are measured simultaneously to evaluate the doppler radar system. As a result, the respiration signal of doppler radar signal is detected to 1m without complex digital signal processing. The sensitivity and calculated from I/Q respiration signal were $98.29{\pm}1.79%$, $97.11{\pm}2.75%$, respectively, and positive predictivity were $98.11{\pm}1.45%$, $92.21{\pm}10.92%$, respectively. The sensitivity and positive predictivity calculated from phase and magnitude of the doppler radar were $95.17{\pm}5.33%$, $94.99{\pm}5.43%$, respectively. In this paper, we confirmed that noncontact real-time heartbeat and respiration detection using the doppler radar system has the possibility and limitation.
In this paper, the 2.4GHz doppler radar system consisting of the doppler radar module and a baseband module were designed to detect heartbeat and respiration signal without direct skin contact. A bio-radar system emits continuous RF signal of 2.4GHz toward human chest, and then detects the reflected signal so as to investigate cardiopulmonary activities. The heartbeat and respiration signals acquired from quadrature signal of the doppler radar system are applied to the pre-processing circuit, amplification circuit, and the offset circuit of the baseband module. ECG(electrocardiogram) and reference respiration signals are measured simultaneously to evaluate the doppler radar system. As a result, the respiration signal of doppler radar signal is detected to 1m without complex digital signal processing. The sensitivity and calculated from I/Q respiration signal were $98.29{\pm}1.79%$, $97.11{\pm}2.75%$, respectively, and positive predictivity were $98.11{\pm}1.45%$, $92.21{\pm}10.92%$, respectively. The sensitivity and positive predictivity calculated from phase and magnitude of the doppler radar were $95.17{\pm}5.33%$, $94.99{\pm}5.43%$, respectively. In this paper, we confirmed that noncontact real-time heartbeat and respiration detection using the doppler radar system has the possibility and limitation.
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문제 정의
본 논문에서는 2.4GHz 도플러 레이더 시스템을 이용해 비접촉식으로 호흡 및 심박을 추출하는 방법을 제안하였고, 도플러 레이더 센서의 출력을 효율적으로 심박 및 호흡 정보로 분리하고 신호의 SNR을 높이기 위하여 베이스밴드 모듈을 설계하여 그 성능을 평가하였다. 레이더 신호의 심박 및 호흡 검출 알고리즘으로는 I / Q 결합과 대역 통과 필터를 이용하여 검출한 결과를 기존의 접촉식 측정 방법으로 심전도와 호흡을 동시에 측정하여 측정 거리 및 방향에 따른 결과를 비교하였다.
그러나 최근 반도체, RF, 통신기술의 발달로 저렴하면서도 측정 거리의 범위가 증가된 휴대 가능한 시스템이 활발히 연구 중에 있다. 본 논문에서는 도플러 레이더 시스템을 이용하여 비접촉식으로 심박 및 호흡을 검출할 수 있는 방법을 제안하였다. 제안된 방법을 검증하기 위해 심박과 호흡 신호를 측정하고 기존의 생체 신호와 비교하여 가능성과 한계점을 실험을 통해 제시하였다.
제안 방법
이때 레이더와 피검자의 거리는 20cm를 유지하였다. 데이터는 5분 동안 측정하였으며, 처음과 마지막 30초는 무시하고 총 4분의 데이터를 분석하여 그 성능을 평가하였다. 성능 평가 방법은 심박수 및 호흡수를 각각 10초, 30초 동안 세어서 Sensitivity, Positive Predictivity를 계산하여 비교하였다⑸.
인터페이스 부분이다. 레이더 신호에서 심박을 추출하기 위한 대역폭은 1~30Hz, 호흡은 0.05~0.5Hz로 설정하였고, 데이터 유효성 검증을 위한 기준 신호로서 심전도와 호흡 신호를 동시에 측정하였다. 즉, 기준 신호인 심전도와 호흡 신호의 2채널, I/Q 출력 원신호 2채널, I/Q에서 각각 심박 및 호흡 정보를 추출한 4채널, 총 8채널의 생체신호를 12bit 해상도를 갖고 A/D 컨버터를 내장한 dsPIC30F6014 (Microchip, USA)를 사용하여 입력, 처리한 후 480Hz의 샘플링으로 블루투스(baud rate : 115200bps)를 통해 PC로 전송한다.
4GHz 도플러 레이더 시스템을 이용해 비접촉식으로 호흡 및 심박을 추출하는 방법을 제안하였고, 도플러 레이더 센서의 출력을 효율적으로 심박 및 호흡 정보로 분리하고 신호의 SNR을 높이기 위하여 베이스밴드 모듈을 설계하여 그 성능을 평가하였다. 레이더 신호의 심박 및 호흡 검출 알고리즘으로는 I / Q 결합과 대역 통과 필터를 이용하여 검출한 결과를 기존의 접촉식 측정 방법으로 심전도와 호흡을 동시에 측정하여 측정 거리 및 방향에 따른 결과를 비교하였다. 심박과 호흡의 검출 성능은 안테나와 측정 대상의 거리에 따라 발생하는 영점구간과 측정 방향에 따라 영향을 받는데 영점구간에서는 신호의 SNR이 감소하고 거짓 검출률이 증가하였다.
데이터는 5분 동안 측정하였으며, 처음과 마지막 30초는 무시하고 총 4분의 데이터를 분석하여 그 성능을 평가하였다. 성능 평가 방법은 심박수 및 호흡수를 각각 10초, 30초 동안 세어서 Sensitivity, Positive Predictivity를 계산하여 비교하였다⑸.
전송된 신호는 PC에서 LabVIEW(National Instrument, USA)를 이용하여 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하였다. 베이스밴드 모듈은 각 모듈들을 인터페이스 시키고 신호를 획득하는 메인보드와 심전도 모듈, 호흡 모듈, 베이스밴드 아날로그 모듈, 디스플레이 모듈로 구성되어 있다.
본 논문에서는 도플러 레이더 시스템을 이용하여 비접촉식으로 심박 및 호흡을 검출할 수 있는 방법을 제안하였다. 제안된 방법을 검증하기 위해 심박과 호흡 신호를 측정하고 기존의 생체 신호와 비교하여 가능성과 한계점을 실험을 통해 제시하였다.
5Hz로 설정하였고, 데이터 유효성 검증을 위한 기준 신호로서 심전도와 호흡 신호를 동시에 측정하였다. 즉, 기준 신호인 심전도와 호흡 신호의 2채널, I/Q 출력 원신호 2채널, I/Q에서 각각 심박 및 호흡 정보를 추출한 4채널, 총 8채널의 생체신호를 12bit 해상도를 갖고 A/D 컨버터를 내장한 dsPIC30F6014 (Microchip, USA)를 사용하여 입력, 처리한 후 480Hz의 샘플링으로 블루투스(baud rate : 115200bps)를 통해 PC로 전송한다.
대상 데이터
먼저 측정 거리에 따른 레이더의 성능 평가를 위해 피검자는 누운 상태에서 움직임이 없도록 주의를 주고 흉부 정면으로부터 10~50cm 거리에서 도플러 레이더 시스템을 위치시킨 후 10cm 거리마다 데이터를 획득하였다. 그리고 측정 방향에 따른 레이더의 성능평가를 위해 피검자가 의자에 앉고 움직임이 없는 상태에서 레이더를 심장의 높이에 맞추고 좌측, 우측, 후면 방향에서 데이터를 획득하였다. 이때 레이더와 피검자의 거리는 20cm를 유지하였다.
데이터를 획득하였다. 먼저 측정 거리에 따른 레이더의 성능 평가를 위해 피검자는 누운 상태에서 움직임이 없도록 주의를 주고 흉부 정면으로부터 10~50cm 거리에서 도플러 레이더 시스템을 위치시킨 후 10cm 거리마다 데이터를 획득하였다. 그리고 측정 방향에 따른 레이더의 성능평가를 위해 피검자가 의자에 앉고 움직임이 없는 상태에서 레이더를 심장의 높이에 맞추고 좌측, 우측, 후면 방향에서 데이터를 획득하였다.
피검자는 건강한 20대 남성 4명, 여자 1명, 총 5명을 대상으로 데이터를 획득하였다. 먼저 측정 거리에 따른 레이더의 성능 평가를 위해 피검자는 누운 상태에서 움직임이 없도록 주의를 주고 흉부 정면으로부터 10~50cm 거리에서 도플러 레이더 시스템을 위치시킨 후 10cm 거리마다 데이터를 획득하였다.
성능/효과
2.4GHz의 대역 통과 필터는 RX 안테나로부터 불요 신호 (spurious signal)로 인한 수신 간섭을 제거한다. Quadrature 믹서는 quadrature 출력을 만들고, 믹서 출력으로부터 다운-컨버젼된 신호는 베이스밴드 모듈의 입력으로 들어간다.
레이더 신호의 심박 및 호흡 검출 알고리즘으로는 I / Q 결합과 대역 통과 필터를 이용하여 검출한 결과를 기존의 접촉식 측정 방법으로 심전도와 호흡을 동시에 측정하여 측정 거리 및 방향에 따른 결과를 비교하였다. 심박과 호흡의 검출 성능은 안테나와 측정 대상의 거리에 따라 발생하는 영점구간과 측정 방향에 따라 영향을 받는데 영점구간에서는 신호의 SNR이 감소하고 거짓 검출률이 증가하였다. 심박의 경우 이런 영점 발생을 피하기위해 I / Q 출력이 결합된 위상과 크기 산호에서 높은 검출률을 보였으며, 측정 방향에 따른 검출률은 흉부 정면이 가장 높은 것을 알 수 있었다.
심박과 호흡의 검출 성능은 안테나와 측정 대상의 거리에 따라 발생하는 영점구간과 측정 방향에 따라 영향을 받는데 영점구간에서는 신호의 SNR이 감소하고 거짓 검출률이 증가하였다. 심박의 경우 이런 영점 발생을 피하기위해 I / Q 출력이 결합된 위상과 크기 산호에서 높은 검출률을 보였으며, 측정 방향에 따른 검출률은 흉부 정면이 가장 높은 것을 알 수 있었다. 도플러 레이더 시스템의 원리는 무선 신호를 송신하여 심박 및 호흡의 변이량을 측정하는 것으로 측정 중 심 폐활동에 의한 흉부 변위량보다 큰 움직임 때이 있을 때 심박과 호흡을 분리할 수 없다.
그림 3은 레이더 신호에서 검출한 심박 신호의 피크점을 검출하고, 심전도 신호와 비교한 그림이다. 측정 거리에 따른 심박수검출 결과는 I/Q 결합을 통해 Sensitivity, Positive Predictivity가 각각 95.17+5.33%, 94.99±5.34%로 ■ 높은 검 출률을 보였다. 표 1은 측정 방향에 따른 심박수 검출 결과를 보여준다.
호흡은 별다른 신호처리 없이 아날로그 대역 통과 필터를 통해 획득하였으며, 거리에 따른 I/Q 호흡 신호의 Sensitivity, Positive Predictivity 가 각각 98.29±1.79%, 97.11±2.75%, 98.11±1.45%, 92.21±10.92%의 검출률을 보였다. 이는 I 출력에 비해 Q 출력에서 영점 구간이 상대적으로 많이 발생했음을 알 수 있다.
후속연구
도플러 레이더 시스템의 원리는 무선 신호를 송신하여 심박 및 호흡의 변이량을 측정하는 것으로 측정 중 심 폐활동에 의한 흉부 변위량보다 큰 움직임 때이 있을 때 심박과 호흡을 분리할 수 없다. 여러 종류의 주 변동잡음(motion artifact)은 도플러 레이더 측정 시 매우 큰 잡음으로 작용하게 되며, 이러한 동잡음을 제거하기 위해 하드웨어 및 고급신호처리 알고리즘에 대한 추가적인 연구가 진행되어야 한다.
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