도플러 레이더를 이용한 비접촉 방식의 실시간 심박 및 호흡 검출

Abstract

[한글]

본 연구에서는 비접촉 방식으로 심박과 호흡을 측정하기 위해 2.4GHz 대역에서 동작하는 도플러 레이더 센서와 베이스밴드 모듈로 구성된 도플러 레이더 시스템을 설계하고 그 성능을 평가하였다. 도플러 레이더 시스템은 일반적으로 연속 정현파(CW : continuous wave) 신호를 목표물에 송신한 후 반사된 신호를 수신하게 된다. 따라서 인체 정보 중 호흡 및 심박 신호는 인체 흉부 표면의 물리적인 변화를 동반하므로 인체의 변위에 따라 반사되는 위상변화를 이용하여 심폐 활동을 측정한다. 도플러 레이더 센서의 출력은 베이스밴드 모듈의 전처리 필터부, 증폭부, 오프셋(offset) 조정부를 통과하여 호흡과 심박 신호로 분리된다. 분리된 생체신호는 기존의 생체신호와 상관성을 확인하기 위해 기준신호로 호흡과 심전도를 동시에 측정하여 측정 거리, 측정 방향에 따른 결과를 비교 및 분석하였다. 호흡은 별다른 신호처리 없이 흉부 정면, 좌측, 우측, 후면에서 측정 시 Sensitivity는 각각 98.20±1.62%, 96.49±3.77%, 98.00±1.53%, 98.65±1.57%, Positive Predictivity는 94.66±8.26%, 95.85±4.95%, 89.52±10.21%, 78.79±13.75%의 검출률을 보였다. 심박 검출 알고리즘은 I / Q 결합(combine)과 디지털 필터에 의해 검출하였다. 심박은 흉부 정면, 좌측, 우측, 후면에서 측정 시 Sensitivity는 각각 98.63±1.06%, 96.48±2.47%, 95.59±4.21%, 96.75±4.59%의 검출률을 보였으며, Positive Pretictivity는 각각 95.45±5.25%, 95.91±4.81%, 94.74±7.10%, 91.53±10.02%의 검출률을 보였다. 심박 및 호흡 검출률에 영향을 미치는 또 다른 요소는 안테나와 피검자 사이의 거리 에 따른 영점 발생구간이다. 흉부에서 측정한 I / Q

채널 호흡신호의 Positive Predictivity는 각각 97.11±2.75%, 92.21±10.92%의 검출률을 보이며, 이는 I 채널보다 Q 채널에서 영점 발생구간이 상대적으로 많이 발생했음을 알 수 있었다. 심박의 경우 이런 영점 발생을 피하기 위해 I / Q 채널이 결합된 위상(phase)과 크기(magnitude) 신호에서 각각 95.17±5.33%, 94.99±5.34%의 Positive Predictivity를 보였다. 설계된 도플러 레이더 시스템에서 분리된 호흡 및 심박 신호는 측정 대상의 움직임이 없는 상태에서는 높은 검출률을 보였으나, 측정 대상이나 주변에 움직임이 있다면 측정 시 매우 큰 잡음으로 작용된다는 단점을 가지고 있다. 도플러 레이더 시스템에서 심박과 호흡 신호를 검출한 결과 영점(null point) 발생구간과 측정 방향에 따라 영향을 받는 것을 알 수 있었다.

[영문]