활력 징후 모니터링을 위해 mmWave 레이더 사용

활력 징후는 사람의 건강 및 신체 기능 상태를 나타내는 의료 매개변수의 집합입니다. 그들은 가능한 질병과 회복 또는 악화 경향에 대한 단서를 제공합니다. 4가지 주요 활력 징후는 체온(BT), 혈압(BP), 호흡수(BR) 및 심박수(HR)입니다. 활력 징후는 연령, 성별, 체중 및 체력 수준에 따라 사람마다 다릅니다. 이러한 징후는 주어진 상황에서 사람의 신체적 또는 정신적 참여에 따라 달라질 수도 있습니다. 예를 들어, 신체 활동을 하는 사람은 높은 체온, 호흡수 및 심박수를 보일 수 있습니다.

밀리미터파(mmWave) 레이더는 전자기파를 전송하고 경로에 있는 모든 물체는 신호를 반사합니다. 반사된 신호를 포착하고 처리함으로써 레이더 시스템은 물체의 범위, 속도 및 각도를 결정할 수 있습니다. mmWave 레이더는 물체 범위 감지에서 밀리미터 수준의 정밀도를 제공하므로 인간의 생체 신호를 감지하는 데 이상적인 기술입니다. 또한 mmWave 기술은 비접촉식으로 환자를 지속적으로 감시할 수 있다는 장점이 있어 사람과 사용자 모두에게 더 편리합니다.

이 기사에서는 mmWave 레이더를 사용하여 BR 및 HR과 같은 생체 신호를 모니터링하는 방법에 대해 설명합니다.

BR 및 HR 활력 징후는 무엇을 나타냅니까?

일반적으로 건강한 사람의 활력은 아래 표(1)와 같습니다.

표 1:건강한 사람의 필수 요소

이 값은 앞서 언급한 바와 같이 연령, 성별, 체력 수준 및 측정 당시의 신체적 또는 정신적 활동에 따라 다를 수 있습니다. 이러한 매개변수(HR 및 BR)의 결합된 분석은 의료 전문가가 관찰 중인 사람의 건강 및 스트레스 수준을 평가하는 데 도움이 됩니다. 다양한 연령대의 사람들의 안정시 심박수는 아래 표와 같습니다.

표 2:연령별 안정시 심박수(출처:https://en.wikipedia.org/wiki/Heart_rate#Resting_heart_rate)

아래 그림 1은 측정 당시 사람의 신체적 또는 정신적 참여에 따른 HR의 변화를 보여줍니다.

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그림 1:개인의 체력, 스트레스 및 건강 상태에 따른 심박수 변화(출처:https://www.aaai.org/ocs/index.php/AAAI/AAAI18/paper/view/ 16967/15916)

HR 및 BR을 통해 치명적인 특정 의학적 상태를 신속하게 진단할 수 있습니다. 예를 들어 폐쇄성 수면 무호흡 증후군(OSAS) 및 영아 돌연사 증후군(SIDS)이 있습니다. OSAS의 경우 환자는 수면 중 장기간 호흡을 멈추고 SIDS의 경우 얼굴에 누워 있거나 물질적 장애로 인해 영아의 호흡이 차단됩니다. 호흡곤란과 만성 폐쇄성 폐질환은 다른 호흡 관련 질환입니다. 다양한 조건에서의 호흡 패턴을 이해하려면 아래 그림을 참조하십시오.

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그림 2:호흡 패턴(출처:https://clinicalgate.com/chest-inspection-palpation-and-percussion/)

연구에 따르면 안정 시 심박수가 높은 사람은 심장 관련 문제의 위험이 더 높습니다. 그리고 안정시 심박수가 낮은 개인은 향후 영구적인 심박조율기 이식이 필요할 수 있습니다.

위의 조건을 가진 환자의 호흡수와 심박수를 모니터링하면 잠재적으로 생명을 구할 수 있습니다.

접촉 및 비접촉 기반 생체 신호 측정

기존 측정 장비의 대부분은 접촉 기반 장비입니다. 측정하고 모니터링하려면 환자의 몸에 부착해야 합니다. 장기간에 걸쳐 지속적으로 모니터링해야 하는 환자에게 항상 편리한 것은 아닙니다. 예를 들어, 접촉점과 접촉을 통해 바이러스의 확산을 최소화하는 데 도움이 되는 비접촉 필수 모니터링 장치가 더 관련성이 있을 수 있는 진행중인 COVID-19 전염병 상황을 고려하십시오. 이는 의료 전문가에게 더 나은 안전을 보장합니다. 따라서 원격, 비접촉식 기반 장비가 필요합니다.

mmWave 레이더

이름에서 알 수 있듯이 이들은 30~300Gz 주파수와 10mm~1mm 파장의 RF 파동을 사용하는 레이더 기술입니다. 산업용 애플리케이션의 레이더에 할당된 스펙트럼은 60~64GHz이고 자동차 애플리케이션의 경우 76~81GHz입니다. 이러한 주파수에서 신호의 파장이 더 짧기 때문에 레이더 안테나의 크기는 더 작습니다. 이 레이더의 작은 크기는 AoP(Antenna on Package) 및 AoPCB(Antenna on PCB)와 같은 안테나 기술의 발전과 결합되어 자동차 내비게이션, 빌딩 자동화, 의료 및 산업 응용 분야에서 널리 사용될 수 있었습니다.

이 기사에서는 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더에 중점을 둡니다. FMCW 레이더는 주파수 변조 신호를 지속적으로 전송하여 대상 물체의 범위와 각도 및 속도를 측정합니다. FMCW 레이더는 짧은 펄스를 주기적으로 전송하는 기존 펄스 레이더 시스템과 다릅니다. FMCW 레이더의 경우 신호의 주파수는 시간에 따라 선형적으로 증가합니다. 이러한 유형의 신호를 처프(chirp)라고 합니다(그림 3).

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그림 3:시간 영역의 처프. (출처:저자)

FMCW 레이더 시스템은 처프 신호를 전송하고 경로에 있는 물체에 의해 반사된 신호를 캡처합니다. 그림 4는 FMCW 레이더의 주요 구성 요소에 대한 단순화된 블록 다이어그램을 나타냅니다.

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그림 4:FMCW 레이더 블록 다이어그램(출처:TI.com)

"믹서"는 RX 및 TX 신호를 결합하여 중간 주파수(IF) 신호를 생성합니다. 믹서 출력에는 Rx 및 Tx 처프 주파수의 합과 차이인 신호가 모두 있습니다. 저역 통과 필터는 주파수 차이가 있는 신호만 통과시키는 데 사용됩니다.

그림 5는 주파수 영역에서 송수신된 처프를 보여줍니다. 다른 범위에 여러 개체가 있는 경우 레이더로 다시 이동하는 데 걸리는 시간을 기준으로 지연이 있는 여러 개의 반사 짹짹이 발생합니다. 반사된 각 처프에 대해 해당하는 IF 톤이 ​​있습니다.

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그림 5:TX 및 Rx 처프 및 IF 주파수 톤의 주파수 도메인 표현(출처:TI.com)

IF 신호의 주파수 스펙트럼을 분석할 때 스펙트럼의 각 피크는 하나 이상의 감지된 물체에 해당하고 주파수는 물체의 범위에 해당합니다.

물체가 레이더 쪽으로 또는 멀어지면 도플러 효과로 인해 반사된 처프의 주파수와 위상이 변경됩니다. 파장이 3.5mm 정도이기 때문에 작은 변화에도 큰 위상 변화가 발생합니다. 주파수의 작은 변화에 비해 위상의 큰 변화를 감지하기 쉽습니다. 따라서 FMCW 레이더에서 위상 정보는 물체의 속도를 감지하는 데 사용됩니다. 물체의 속도를 결정하기 위해 여러 개의 처프가 사용됩니다. 연속적으로 반사되는 짹짹 소리 사이의 위상 차이가 기록되고 속도가 계산됩니다.

mmWave 레이더가 생체 신호를 감지하는 방법은 무엇입니까?

단파장의 장점은 높은 정확도입니다. 60 또는 77GHz(해당 파장 범위 4mm)에서 작동하는 mmWave 레이더는 밀리미터의 일부에 불과한 움직임도 감지할 수 있습니다.

그림 6은 환자의 가슴 부위를 향해 짹짹거리는 소리를 전송하는 mmWave 레이더를 보여줍니다. 반사된 신호는 가슴의 움직임으로 인해 위상 변조됩니다. 변조에는 심장 박동과 호흡으로 인한 움직임을 포함한 모든 움직임 요소가 있습니다. 레이더는 미리 정의된 간격으로 여러 개의 처프를 전송합니다. 각 처프에서 range FFT가 수행되고 사람의 가슴 위치에 해당하는 range bin이 선택됩니다. 이 선택된 범위 빈의 신호 위상은 모든 처프에 대해 기록됩니다. 이들로부터 위상 변화가 계산되어 속도가 제공됩니다. 획득한 속도에는 여전히 모든 움직임의 구성 요소가 포함됩니다. 이 얻은 속도의 스펙트럼 분석은 다양한 구성 요소를 해결하는 데 도움이 됩니다. 이것은 도플러 FFT를 수행하여 달성됩니다.

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그림 6:HR 및 BR 감지 설정. (출처:저자)

그림 7은 HR 및 BR 검출 알고리즘을 보여줍니다. 성인의 심장 박동 주파수는 0.8~2Hz이고 호흡 주파수는 0.1~0.5Hz입니다. 도플러 FFT에서 심장 박동 및 호흡수 주파수의 속도 구성 요소가 선택되고 시간에 따라 표시됩니다. 이러한 각 주파수에 대한 1분 동안의 최고점 수는 사람의 심박수와 호흡수를 제공합니다.

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그림 7:HR 및 BR 감지 알고리즘. (출처:저자)

mmWave 레이더 기반 생체 신호 모니터링의 과제

mmWave 기술을 사용한 생체 신호 모니터링은 아직 개발 중입니다. 주요 과제 중 하나는 사람들 사이에 반사된 신호의 변화입니다. 반사는 피부 유형, 조직 및 구성에 따라 다릅니다. 체내 수분 함량과 다양한 화학 성분이 다릅니다. 반사 신호의 변화에 ​​대한 지속적인 연구는 결과를 산출하고 레이더에 의해 보다 정확한 측정을 달성할 것으로 기대됩니다.

결론

mmWave 레이더의 주요 초점은 방위, 자동차 및 산업 응용 분야에 집중되었습니다. 그러나 최근 mmWave 기술의 발전은 의료 산업에서도 의미를 찾고 있습니다. 더 높은 정확도, 고속 신호 처리 기능, 향상된 범위 감지 및 레이더를 초소형 칩셋에 통합하면 환자 활동 모니터링, 바이탈 사인 모니터링 등과 같은 의료 애플리케이션이 크게 활성화될 것으로 예상됩니다. 또한 mmWave 레이더는 졸음, 스트레스 수준 및 사람의 감정을 측정하는 데 잠재적으로 사용될 수 있습니다. 이는 의료 관점에서 그리고 자동차 애플리케이션에서 운전자 모니터링 시스템을 개발하는 데 매우 중요합니다.

참조

<올>

Texas Instruments 68xx 활력징후

mm-Wave FMCW 레이더를 사용한 인체 생체 신호의 원격 모니터링

DeepHeart:심혈관 위험 예측을 위한 준지도 시퀀스 학습