mmWave 레이더로 심박수와 호흡수 비접촉 모니터링

체온, 혈압, 호흡수, 심박수 같은 생체 신호는 임상의에게 환자 건강 상태와 회복 또는 악화 궤적에 대한 즉각적인 통찰을 제공합니다. 이 지표는 연령, 성별, 체중, 체력, 현재 신체적 또는 정신적 활동에 따라 달라집니다. 예를 들어 운동 중에는 체온, 호흡수, 심박수가 자연스럽게 상승합니다.

밀리미터파(mmWave) 레이더는 물체에서 반사되는 단파장 무선파를 전송하여 밀리미터 수준의 정밀도로 거리, 속도, 각도를 추론할 수 있게 합니다. 이 능력은 지속적인 생체 신호 모니터링을 위한 이상적인 비접촉 플랫폼이 되어 접착 센서의 필요성을 없애고 감염 위험을 줄입니다. 이는 팬데믹 기간에 특히 중요합니다.

이 기사에서는 mmWave 레이더가 호흡수(BR)와 심박수(HR)를 감지하는 방법, 관련 과제, 새로운 의료 애플리케이션을 탐구합니다.

BR과 HR이 드러내는 것

BR과 HR의 일반적인 건강 범위는 아래 표 1에 요약되어 있습니다(표 1). 개별 값은 연령, 성별, 체력, 활동 수준에 따라 다르므로 HR과 BR의 종합적 평가는 임상의가 스트레스와 전반적인 안녕을 측정하는 데 도움이 됩니다.

Table 1: 건강한 사람의 생체 신호

연령별 안정시 심박수는 표 2에 자세히 나와 있습니다(출처: Wikipedia).

Table 2: 연령별 안정시 심박수

Figure 1은 HR이 체력, 스트레스, 의학적 상태에 따라 어떻게 변동하는지 보여줍니다(출처: AAAI 2018).

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Figure 1: 체력, 스트레스, 의학적 상태에 따른 HR 변동

비정상적인 BR과 HR은 폐쇄성 수면 무호흡증(OSA), 영아 돌연사 증후군(SIDS), 호흡곤란, 만성 폐쇄성 폐질환 같은 생명을 위협하는 상태를 알릴 수 있습니다. Figure 2는 이러한 장애 전반의 특징적인 호흡 패턴을 보여줍니다(출처: ClinicalGate).

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Figure 2: 상태별 호흡 패턴

높은 안정시 HR은 심혈관 위험 증가와 상관관계가 있으며, 낮은 안정시 HR은 향후 페이스메이커 필요성을 예측할 수 있습니다. BR과 HR의 지속적인 비접촉 모니터링은 취약 환자에게 생명을 구할 수 있습니다.

접촉식 vs 비접촉식 모니터링

ECG 전극과 맥박 산도계 같은 전통적인 생체 신호 장치는 직접 피부 접촉이 필요합니다. 장기 모니터링에서는 불편하고 교차 오염 위험을 증가시킵니다. 특히 mmWave 레이더 같은 비접촉 센서는 거리에서 미세한 흉부 움직임을 측정하여 더 안전한 대안을 제공합니다.

mmWave 레이더 기초

mmWave 레이더는 30~300GHz에서 동작하며, 파장은 10~1mm에 해당합니다. 산업용 할당은 60~64GHz, 자동차 시스템은 76~81GHz를 사용합니다. 짧은 파장은 콤팩트한 안테나와 거리 감지에서 서브밀리미터 정밀도를 가능하게 합니다.

우리는 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더에 초점을 맞춥니다. FMCW는 시간 주파수가 증가하는 선형 칩을 전송하고 반사된 신호를 포착합니다. 송신 및 수신 주파수의 차이는 거리를 산출하고, 위상 변화는 움직임을 드러냅니다.

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Figure 3: 시간 영역의 칩

일반적인 FMCW 레이더 블록 다이어그램은 Figure 4에 나와 있습니다(출처: TI.com).

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Figure 4: FMCW 레이더 블록 다이어그램

믹서는 송신 및 수신 신호를 결합하여 합과 차 성분을 포함하는 중간 주파수(IF)를 생성합니다. 로우패스 필터가 차 성분을 분리하고, 이는 푸리에 변환되어 물체 범위에 해당하는 피크를 드러냅니다.

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Figure 5: TX/RX 칩 및 IF 톤의 주파수 영역 표현

속도는 연속 칩 간의 위상 차이에서 도플러 효과를 활용해 도출됩니다. 짧은 mmWave 파장(약 3.5mm)은 위상 감도를 증폭하여 서브밀리미터 움직임 감지를 가능하게 합니다.

mmWave로 심박수와 호흡수 감지

60 또는 77GHz에서 동작하는 mmWave 레이더는 밀리미터의 일부분에 불과한 흉부 움직임을 감지할 수 있습니다. Figure 6은 신호 흐름을 보여줍니다: 칩이 흉부를 향해 전송되고, 반사된 신호는 레인지 FFT 처리를 거쳐 흉부 빈을 분리하고, 그 빈의 위상을 시간에 따라 추적합니다.

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Figure 6: HR 및 BR 감지 설정

속도 시계열에서 도플러 FFT는 심박수(약 0.8~2Hz)와 호흡(약 0.1~0.5Hz)에 해당하는 주파수 성분을 분리합니다. 각 1분 윈도우에서 피크를 세어 HR과 BR 값을 얻습니다. Figure 7은 이 알고리즘을 보여줍니다.

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Figure 7: HR 및 BR 감지 알고리즘

과제와 미래 방향

신호 반사는 피부 유형, 조직 구성, 체수분 함량의 개인차로 인해 달라집니다. 이러한 가변성에 대한 지속적인 연구는 보정 모델을 개선하고 측정 정확도를 높이는 것을 목표로 합니다.

결론

mmWave 레이더가 전통적으로 국방, 자동차, 산업 부문에 사용되어 왔지만, 진화하는 정밀도, 빠른 신호 처리, 초소형 폼 팩터가 이제 환자 활동 모니터링, 생체 신호 감시, 스트레스 또는 졸음 감지 같은 변혁적 의료 애플리케이션을 열어줍니다. 이러한 능력은 임상 환경뿐만 아니라 지능형 운전자 모니터링 시스템에도 약속을 가집니다.

참고문헌

1. Texas Instruments. "68xx Vital Signs."
2. "Remote Monitoring of Human Vital Signs Using mm‑Wave FMCW Radar."
3. DeepHeart: Semi‑Supervised Sequence Learning for Cardiovascular Risk Prediction.