KR102403717B1 - A method for detecting vital signs based on a radar senor and a system for monitoring and improving state of sleeping - Google Patents

A method for detecting vital signs based on a radar senor and a system for monitoring and improving state of sleeping Download PDF

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Abstract

According to the present specification, disclosed are a method for detecting a biosignal based on a radar sensor, and a system for monitoring and improving a sleep using the same. According to an embodiment of the present invention, the system comprises: a first device (100) including a radar sensor (130); and a second device (200) wirelessly communicating with the first device (100). The radar sensor (130) performs radar transmission/reception with respect to a subject to obtain a heartbeat signal and a breathing signal separated from each other from a received radar, and the second device (200) receives data on the heartbeat signal and the breathing signal from the first device (100) to monitor a sleep. Therefore, the precision on bio-signal detection can be further improved.

Description

레이다 센서 기반 생체신호 검출 방법 및 이를 이용한 수면 모니터링 및 개선 시스템{A method for detecting vital signs based on a radar senor and a system for monitoring and improving state of sleeping}Radar sensor-based biosignal detection method and sleep monitoring and improvement system using same {A method for detecting vital signs based on a radar sensor and a system for monitoring and improving state of sleeping}

본 발명은 생체신호 검출 방법 및 이를 이용한 수면 모니터링 및 개선 시스템에 관한 것으로서, 일상적인 수면 공간에서 편리하게 사용 가능하도록 레이다 센서에 기반하는 생체신호 검출 방법 및 이를 이용한 수면 모니터링 및 개선 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a biosignal detection method and a sleep monitoring and improvement system using the same, and to a biosignal detection method based on a radar sensor so that it can be conveniently used in a daily sleeping space, and a sleep monitoring and improving system using the same.

수면은 건강을 위해 매우 중요한 요소이나, 현대인의 약 20% 정도가 수면장애를 겪고 있는 것으로 알려져 있다.Sleep is a very important factor for health, but it is known that about 20% of modern people suffer from sleep disorders.

수면장애의 대표적인 예로 불면증과 수면무호흡증이 있다.Examples of sleep disorders include insomnia and sleep apnea.

불면증은 잠들기 힘들거나, 잠은 들지만 자주 깨고, 새벽에 너무 일찍 잠에서 깨어 수면부족 상태가 되어, 이로 인해 낮 동안 피로감, 졸음, 의욕상실 등의 결과를 초래하는 대표적인 수면장애이다.Insomnia is a typical sleep disorder that results in fatigue, drowsiness, loss of motivation, etc.

수면무호흡증은 수수면 중 잠시 숨이 멎는 증상이 반복되는 질환으로서, 하룻밤에 40회 이상 수면무호흡증이 나타나는 경우에는 깊은 잠을 자지 못하고, 체내 산소 공급이 어렵게 되어, 낮 동안 피로감, 자도 잔 것 같지 않은 느낌, 아침 두통, 무기력감, 중력과 기억력 저하, 우울감 등을 유발한다.Sleep apnea is a disease in which short-lived symptoms recur during sleep. If sleep apnea occurs more than 40 times a night, it is difficult to sleep deeply, and oxygen supply to the body becomes difficult. It causes moodiness, morning headache, lethargy, gravity and memory loss, and depression.

수면장애 진단을 위해 수면다원검사가 보편적으로 이용되고 있다.Polysomnography is commonly used to diagnose sleep disorders.

수면다원검사 방법에 따르면, 병원에서 자면서 수면의 전 과정을 조사하게 되는데, 수면 중 뇌파, 안구운동, 근육의 움직임, 호흡, 심전도 증을 종합적으로 측정하고 동시에 수면 상태를 녹화하는 방식으로 수행되며, 검사를 통해 얻어진 기록을 분석하여 수면과 관련된 질환을 진단하고 치료방침을 정하게 된다.According to the polysomnography method, the entire process of sleep is investigated while sleeping in a hospital. It is performed in a way that comprehensively measures EEG, eye movement, muscle movement, respiration, and electrocardiogram during sleep and records the sleep state at the same time. By analyzing the records obtained through the examination, sleep-related diseases are diagnosed and treatment policies are established.

이와 같은 수면다원검사는 환자가 많은 생체신호 센서를 몸에 부착한 상태로 수면을 취해야 하기 때문에, 평상시와 같은 수면을 취하는데 있어서 불편함이 있고, 병원 내 수면검사실에서만 검사가 이루어지는 관계로 단기적인 검사만 가능하므로 진단의 정확성이 떨어지게 된다.This polysomnography test requires patients to sleep with many biosignal sensors attached to their body, so it is inconvenient to get the same sleep as usual. only possible, so the accuracy of the diagnosis is reduced.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 도출된 발명으로서, 수면 진단(모니터링) 과정의 불편함이 해소되고 진단의 정확성이 향상되며 단순히 수면 진단 만을 수행하는 것에 그치지 않고 수면장애 개선 수단을 함께 제공할 수 있는 방안을 제공하고자 한다.The present invention is an invention derived to solve the problems of the prior art. The inconvenience of the sleep diagnosis (monitoring) process is eliminated, the accuracy of diagnosis is improved, and it does not stop at just performing sleep diagnosis but also provides a means for improving sleep disorders. We would like to provide a way to provide them together.

이에 본 발명은 레이다 센서(130)를 포함하는 제1 기기(100); 및 상기 제1 기기(100)와 무선통신하는 제2 기기(200);를 포함하며, 상기 레이다 센서(130)는 피검체에 대한 레이다 송수신을 수행하여 수신 레이다로부터 상호 분리된 심박 신호 및 호흡 신호를 획득하며, 상기 제2 기기(200)는 상기 제1 기기(100)로부터 상기 심박 신호 및 상기 호흡 신호에 대한 데이터를 전송받아 수면 모니터링을 수행하는 레이다 센서 기반 수면 모니터링 및 개선 시스템을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a first device 100 including a radar sensor 130; and a second device 200 that wirelessly communicates with the first device 100, wherein the radar sensor 130 performs radar transmission/reception with respect to the subject, and a heartbeat signal and a respiration signal that are mutually separated from the reception radar , and the second device 200 receives data on the heartbeat signal and the respiration signal from the first device 100 to perform sleep monitoring and provides a radar sensor-based sleep monitoring and improvement system.

일 실시예에 따르면, 상기 시스템은 상기 제1 기기(100)가 수면 개선을 위한 액체를 분사하는 분사 장치(140)를 더 포함하며, 상기 분사 장치(140)의 분사 동작이 상기 심박 신호 및 상기 호흡 신호에 기초하여 제어되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the system further includes a jetting device 140 that the first device 100 jets a liquid for improving sleep, and the jetting operation of the jetting device 140 is performed according to the heartbeat signal and the It may be controlled based on the breathing signal.

일 실시예에 따르면, 상기 시스템은 상기 레이다 센서(130)가 단채널의 수신 채널을 구비하며, 상기 레이다 센서(130)가 웨이브릿 변환(wavelet transform) 알고리즘을 적용하여 수신 레이다로부터 심박 신호 및 호흡 신호를 획득하는 것일 수 있다.According to an embodiment, in the system, the radar sensor 130 has a short-channel receiving channel, and the radar sensor 130 applies a wavelet transform algorithm to receive a heartbeat signal and respiration from the receiving radar. It may be to acquire a signal.

일 실시예에 따르면, 상기 시스템은 상기 레이다 센서(130)가 다채널의 수신 채널을 구비하며, 상기 레이다 센서(130)가 독립성분분석(ICA: Independent Component Analysis) 알고리즘을 적용하여 수신 레이다로부터 심박 신호 및 호흡 신호를 획득하는 것일 수 있다.According to an embodiment, in the system, the radar sensor 130 has a multi-channel reception channel, and the radar sensor 130 applies an Independent Component Analysis (ICA) algorithm to receive heart rate from the reception radar. It may be to acquire a signal and a breathing signal.

일 실시예에 따르면, 상기 시스템은 상기 레이다 센서(130)가 생체신호 검출의 정밀도를 높이기 위해 상기 심박 신호의 위상 및 상기 호흡 신호의 위상을 검출하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the system may be such that the radar sensor 130 detects the phase of the heartbeat signal and the phase of the respiration signal in order to increase the precision of detecting the biosignal.

본 발명의 효과 내지 이점을 정리하면 다음과 같다.The effects or advantages of the present invention are summarized as follows.

1. 본 발명에 의하면 레이다 센서를 이용하여 피검체(사람)에 대한 생체신호(심박 신호, 호흡 신호)를 획득할 수 있다. 통상의 수면다원검사는 환자가 많은 생체신호 센서를 몸에 부착한 상태로 수면을 취해야 하기 때문에, 평상시와 같은 수면을 취하는데 있어서 불편함이 있고, 병원 내 수면검사실에서만 검사가 이루어지는 관계로 단기적인 검사만 가능하므로 진단의 정확성이 떨어지는 문제점이 있으나 본 발명의 경우 센서 부착 방식이 아니며 사람이 평소 이용하는 침실에서 사용 가능하므로 종래 기술의 상술한 문제점이 없다.1. According to the present invention, bio-signals (heartbeat signal, respiration signal) for a subject (person) can be obtained by using a radar sensor. Because the normal polysomnography test requires patients to sleep with many biosignal sensors attached to their body, it is inconvenient to get the same sleep as usual. There is a problem in that the accuracy of diagnosis is lowered because only

2. 본 발명에 의하면 검출한 생체신호(심박 신호, 호흡 신호)에 기초하여 수면상태 내지 수면장애에 적합한 액체를 미스트(mist) 형태로 분사하는 기능을 제공함으로써 수면 개선 내지 수면장애 치유 효과를 얻을 수 있다.2. According to the present invention, sleep improvement or sleep disorder healing effect can be obtained by providing a function of spraying a liquid suitable for sleep state or sleep disorder in the form of mist based on the detected biosignal (heartbeat signal, respiration signal) can

3. 본 발명에 의하면 레이다 수신 채널이 단채널인 경우 웨이브릿 변환(wavelet transform) 알고리즘을 적용하여 수신 레이다 신호로부터 심박 신호 및 호흡 신호를 높은 정밀도로 획득할 수 있으며, 레이다 수신 채널이 다채널인 경우 독립성분분석(ICA: Independent Component Analysis) 알고리즘을 적용하여 수신 레이다 신호로부터 심박 신호 및 호흡 신호를 높은 정밀도로 획득할 수 있다.3. According to the present invention, when the radar reception channel is a single channel, a wavelet transform algorithm can be applied to obtain a heartbeat signal and a respiration signal from the received radar signal with high precision. In this case, it is possible to obtain a heartbeat signal and a respiration signal from the received radar signal with high precision by applying an Independent Component Analysis (ICA) algorithm.

4. 본 발명에 의하면 레이다 센서에서 심박 신호의 위상 및 호흡 신호의 위상을 검출하여 신호 분리 과정에 활용할 수 있으며 이를 통해 생체신호 검출의 정밀도를 보다 높일 수 있다.4. According to the present invention, the phase of the heartbeat signal and the phase of the respiration signal can be detected by the radar sensor to be used in the signal separation process, and thereby, the precision of detecting the biosignal can be further improved.

5. 본 발명에 의하면 수면 모니터링 데이터를 확인할 수 있는 제2 기기(예; 스마트폰)가 제공되며, 이를 통해 이용자는 자신의 수면패턴, 수면장애 등의 관련 정보를 편리하게 확인할 수 있다.5. According to the present invention, a second device (eg, a smartphone) that can check sleep monitoring data is provided, and through this, the user can conveniently check related information such as his or her sleep pattern and sleep disorder.

도 1은 레이다 센서에 의해 전송되는 Chirp 신호(FMCW 신호)의 예를 보이는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 도플러 레이다를 이용한 생체신호 검출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 검출 방법을 보이는 도면이다.
도 4는 도 3의 방법에 따른 심박 신호 및 호흡 신호의 분리에 대한 개념 설명을 위한 도면이다.
도 5는 레이다 수신 채널이 단채널로 구비된 경우 유용하게 적용 가능한 웨이브릿 변환(wavelet transform) 알고리즘을 보이는 도면이다.
도 6은 레이다 수신 채널을 2채널로 적용한 경우를 보이는 개념도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 수면 모니터링 및 개선 시스템을 보이는 도면이다.
1 is a diagram showing an example of a Chirp signal (FMCW signal) transmitted by a radar sensor.
2 is a view for explaining the principle of detecting a biosignal using a Doppler radar according to the present invention.
3 is a view showing a biosignal detection method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for conceptual explanation of separation of a heartbeat signal and a respiration signal according to the method of FIG. 3 .
5 is a diagram showing a wavelet transform algorithm usefully applicable when a radar reception channel is provided as a short channel.
6 is a conceptual diagram illustrating a case where a radar reception channel is applied to two channels.
7 and 8 are diagrams showing a sleep monitoring and improvement system according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

1. 본 발명이 적용되는 수면장애의 예1. Examples of sleep disorders to which the present invention is applied

본 발명은 여러 가지 종류의 수면장애를 진단하고 개선하는 데에 활용될 수 있는데, 대표적으로 불면증과 수면무호흡증에 활용될 수 있다. 불면증 및 수면무호흡증에 관하여 설명하면 다음과 같다.The present invention can be used for diagnosing and improving various types of sleep disorders, representatively, it can be used for insomnia and sleep apnea. The following is a description of insomnia and sleep apnea.

1-1. 불면증1-1. insomnia

ㆍ 불면증의 주요 원인으로 심장 기능의 이상을 의심한다.ㆍ Suspicion of abnormal heart function as the main cause of insomnia.

ㆍ 우리 몸에는 감정을 조절하는 교감신경과 신체활동을 촉진하는 부교감신경이 있는데, 이는 심장박동과 밀접한 연관이 있다. 교감신경과 부교감 신경은 서로 반대 역할을 하며 심장 박동을 촉진하거나 억제한다.ㆍ In our body, there are sympathetic nerves that control emotions and parasympathetic nerves that promote physical activity, which are closely related to heartbeat. The sympathetic and parasympathetic nerves play opposite roles and either promote or inhibit the heartbeat.

ㆍ 수면은 파동곡선처럼 비렘(Non-REM : non-rapid eye movement)과 렘(REM : rapid eye movement)이 한 주기로 약 90분간 움직이며, 하룻밤 사이에 대체로 4~5번 주기를 반복한다. ㆍLike a wave curve, non-REM (non-rapid eye movement) and REM (rapid eye movement) move for about 90 minutes in one cycle, and usually repeats 4 to 5 cycles overnight.

ㆍ 전체 수면 중 75~80%를 차지하는 비렘수면은 다시 1단계, 2단계, 3단계 수면으로 구분된다.ㆍ Non-REM sleep, which accounts for 75-80% of total sleep, is again divided into stage 1, stage 2, and stage 3 sleep.

ㆍ 3단계는 서파수면으로 가장 깊은 잠을 잔다. Stage 3 is slow wave sleep, the deepest sleep.

ㆍ 비렘수면 시간에는 호흡이 느려지고 심장박동 수와 혈압이 떨어지며 정신적 활동이 감소하는 게 특징이다.ㆍ During non-REM sleep, breathing slows down, heart rate and blood pressure drop, and mental activity decreases.

ㆍ 렘수면은 잘 때 뇌가 휴식을 취하면서 하루 동안 받은 정보를 정리하는 단계로 렘수면 시간 동안 근육이 이완되고 호흡과 심장박동이 불규칙하게 변하며 정신활동이 활발하다.ㆍ REM sleep is a stage in which the brain takes a rest and organizes the information received during the day. During REM sleep, muscles relax, breathing and heartbeat change irregularly, and mental activity is active.

1-2. 수면무호흡증1-2. sleep apnea

ㆍ 수면무호흡증은 수면 중 잠시 숨이 멎는 증상이 반복되는 질환이다.ㆍSleep apnea is a condition in which breathing stops briefly during sleep.

ㆍ 수면무호흡증의 정확한 진단 기준은 자는 중 10초 이상 숨을 적게 쉬거나, 숨을 쉬지 않는 횟수가 시간당 5회 이상일 때이다.ㆍAccurate diagnostic criteria for sleep apnea is when you breathe less for 10 seconds or more or stop breathing more than 5 times per hour during sleep.

ㆍ 무호흡중에는 심장박동이 느려졌다가 무호흡이 끝나는 순간 교감신경계가 흥분하면서 심장박동이 매우 빨라지는데, 이러한 자율신경계의 균형이 깨지는 현상이 반복되면 혈압과 혈당량이 오르고, 부정맥이 발생하기 쉽다.ㆍ During apnea, the heart rate slows down, but the moment the apnea ends, the sympathetic nervous system is excited and the heart beats very fast .

ㆍ 목젖진동과 심박의 저하가 동반되는 경우, 폐쇄성 수면무호흡을 진단할 수 있고, 목젖진동 없이 심박의 저하만 있는 경우 중추성 수면무호흡으로 진단된다.ㆍ Obstructive sleep apnea can be diagnosed when uveal oscillation is accompanied by a decrease in heart rate, and central sleep apnea is diagnosed when there is only a decrease in heart rate without uveal oscillation.

2. 본 발명에 따른 생체신호 검출 이론2. Biosignal detection theory according to the present invention

본 발명에 따른 생체신호(심박 신호, 호흡 신호) 검출 방법은 이하 설명하는 이론에 기초한다.The biosignal (heartbeat signal, respiration signal) detection method according to the present invention is based on the theory described below.

ㆍ 본 발명에 따르면 mmWave 센서를 이용하여 호흡과 심장 박동에 의한 몸의 변위를 측정하여 보여준다. 호흡과 심장 박동에 의한 변위의 파라미터는 일반적으로 다음 표와 같다. ㆍ According to the present invention, the displacement of the body due to respiration and heartbeat is measured and displayed using the mmWave sensor. The parameters of displacement due to respiration and heartbeat are generally shown in the table below.

신체 정면(가슴)Front of body (chest) 신체 후면(등)back of body (back) Vital Signs Vital Signs Frequency Frequency Amplitude Amplitude Amplitude Amplitude 호흡률(성인) Respiratory Rate (Adult) 0.1 - 0.5 Hz0.1 - 0.5 Hz ~ 1 - 12mm ~ 1 - 12mm ~ 0.1 - 0.5mm ~ 0.1 - 0.5mm 심장박동(성인) heart rate (adult) 0.8 - 2.0 Hz 0.8 - 2.0 Hz ~ 0.1 - 0.5mm ~ 0.1 - 0.5mm ~ 0.01 - 0.2mm ~ 0.01 - 0.2mm

ㆍ 이러한 미세한 진동/변위를 측정하기 위해서 타겟 범위(target range bin)에서 시간에 따른 FMCW 신호의 위상변화를 측정한다.ㆍ To measure these minute vibrations/displacements, the phase change of the FMCW signal with time is measured in the target range bin.

Figure 112021105631036-pat00001
Figure 112021105631036-pat00001

(

Figure 112021105631036-pat00002
는 목표물이 거리
Figure 112021105631036-pat00003
만큼 이동할 때의 위상 변화임. 더 작은 파장의 λ 가 더 좋은 변위 감도를 제공함)(
Figure 112021105631036-pat00002
is the distance to the target
Figure 112021105631036-pat00003
It is the phase change when moving by A smaller wavelength λ gives better displacement sensitivity)

ㆍ 본 발명에 따르면 주기적으로 주파수가 선형-증가하는 Chirp 신호(FMCW 신호)가 레이다에 의해 피검체를 향해 전송된다(도 1의 참조).- According to the present invention, a Chirp signal (FMCW signal) whose frequency is linearly-increasing periodically is transmitted toward the subject by the radar (refer to FIG. 1).

ㆍ 전송된 FMCW 신호는 다음 수식으로부터 얻는다.ㆍ The transmitted FMCW signal is obtained from the following equation.

Figure 112021105631036-pat00004
Figure 112021105631036-pat00004

ㆍ 수신기의 신호는 전송된 신호의 지연된 버전이며 다음 수식으로 표현된다.ㆍ The signal of the receiver is a delayed version of the transmitted signal and is expressed by the following equation.

Figure 112021105631036-pat00005
Figure 112021105631036-pat00005

ㆍ 믹싱 및 필터링 후 범위 R에 있는 물체로부터 수신된 신호는 다음 수식을 통해 얻는다. ㆍ After mixing and filtering, the signal received from the object in the range R is obtained through the following equation.

Figure 112021105631036-pat00006
Figure 112021105631036-pat00006

ㆍ 단일 물체의 경우 비트 신호 b(t)는 사인파이며, 주파수

Figure 112021105631036-pat00007
Figure 112021105631036-pat00008
를 가지 있다.ㆍ For a single object, the bit signal b(t) is a sine wave,
Figure 112021105631036-pat00007
Wow
Figure 112021105631036-pat00008
have a

Figure 112021105631036-pat00009
Figure 112021105631036-pat00009

ㆍ 미세한 진동을 측정하기 위해 물체의 range bin에서 시간에 따른 FMCW 신호의 위상 변위를 측정한다.ㆍ Measure the phase displacement of the FMCW signal with time in the range bin of the object to measure the minute vibration.

ㆍ 물체가 거리

Figure 112021105631036-pat00010
만큼 이동하면 연속적인 측정에서의 위상 변화는 다음과 같이 나타난다. 예를 들어,
Figure 112021105631036-pat00011
= 1mm 만큼의 작은 변위일 때, λ = 4mm에서 해당 위상 변화는
Figure 112021105631036-pat00012
이다.・The distance to the object
Figure 112021105631036-pat00010
Moving by , the phase change in successive measurements appears as follows. for example,
Figure 112021105631036-pat00011
For a displacement as small as 1 mm, the corresponding phase change at λ = 4 mm is
Figure 112021105631036-pat00012
to be.

Figure 112021105631036-pat00013
Figure 112021105631036-pat00013

ㆍ 위상은 비트 신호 b(t)를 FFT하고, 대상의 range bin에서 위상을 계산하여 측정할 수 있다.ㆍ The phase can be measured by FFTing the bit signal b(t) and calculating the phase from the target range bin.

ㆍ FFT를 하고, 물체가

Figure 112022022705228-pat00014
이라는 range bin에 있다고 가정하면, 시간 인덱스
Figure 112022022705228-pat00015
에서
Figure 112022022705228-pat00016
의 위상을 측정해 진동신호
Figure 112022022705228-pat00017
를 추출할 수 있다(
Figure 112022022705228-pat00019
은 처프 인덱스,
Figure 112022022705228-pat00020
는연속 측정 사이의 시간). ㆍ FFT is performed and the object is
Figure 112022022705228-pat00014
Assuming it is in a range bin called
Figure 112022022705228-pat00015
at
Figure 112022022705228-pat00016
Vibration signal by measuring the phase of
Figure 112022022705228-pat00017
can be extracted (
Figure 112022022705228-pat00019
is the chirp index,
Figure 112022022705228-pat00020
is the time between successive measurements).

Figure 112021105631036-pat00021
Figure 112021105631036-pat00021

(진동

Figure 112021105631036-pat00022
가 작아서 물체가 측정 시간 동안 동일한 range bin에서 벗어나지 않는다고 가정함)(vibration
Figure 112021105631036-pat00022
is small so that the object does not deviate from the same range bin during the measurement time)

3. 본 발명에 따른 생체신호 검출 방법3. Biosignal detection method according to the present invention

3-1. 생체신호 검출 방법의 알고리즘 설계3-1. Algorithm design of biosignal detection method

생체신호 검출은 CW(Continuous waveform) 레이다를 기반으로 수행해 왔었으나, 최근에는 다양한 클러터 신호의 간섭으로 생체신호 검출에 어려움이 많다.Bio-signal detection has been performed based on continuous waveform (CW) radar, but recently, there are many difficulties in detecting bio-signals due to interference of various clutter signals.

따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 FMCW(Frequency modulation continuous waveform) 레이다를 사용한 생체신호 검출 기법을 제안한다.Accordingly, the present invention proposes a biosignal detection technique using a frequency modulation continuous waveform (FMCW) radar in order to solve this problem.

제안된 생체신호 기법은 아래 수식과 같다. 먼저 수신 안테나로부터 수신된 레이다 신호는 De-chirping 과정을 통해 생체신호 검출에 사용된다.The proposed biosignal technique is as follows. First, the radar signal received from the receiving antenna is used to detect the biosignal through the de-chirping process.

Figure 112021105631036-pat00023
Figure 112021105631036-pat00023

Ah : 심장 신호 진폭 h(t) : 시간에 따른 심장의 변화A h : amplitude of cardiac signal h(t) : change of heart with time

Ar : 호흡 신호 진폭 r(t) : 시간에 따른 폐의 변위A r : Respiratory signal amplitude r(t) : Lung displacement with time

h0 : 심장 초기 위치 λ : 파장h 0 : initial position of the heart λ : wavelength

r0 : 폐 초기 위치 r 0 : Lung initial position

호흡 및 심박 수는 시간에 따른 폐와 심장의 주기적인 움직임에 의하여 결정되기 때문에 위상 검출이 수행되어야 한다.Since respiration and heart rate are determined by the periodic movements of the lungs and heart over time, phase detection must be performed.

서로 다른 반복주기를 갖는 심장 및 호흡 신호에 대해서 웨이브릿 변환(wavelet transform, WT)을 통하여 서로 다른 주파수를 갖는 두 신호를 위상 신호로부터 분리한다.With respect to cardiac and respiratory signals having different repetition periods, two signals having different frequencies are separated from phase signals through wavelet transform (WT).

또한, 호흡에 비해 신호의 세기가 작은 심박 수를 정확하게 측정하기 위하여 잡음의 고유벡터를 통해 스펙트럼 추정을 수행하는 MUSIC(multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여 비교적 정확한 호흡 및 심박 수를 측정한다.In addition, in order to accurately measure heart rate, which has a smaller signal strength than respiration, a multiple signal classification (MUSIC) algorithm that performs spectrum estimation through an eigenvector of noise is applied to measure respiration and heart rate relatively accurately.

3-2. 도플러 레이다를 이용한 생체신호 검출 원리3-2. Bio-signal detection principle using Doppler radar

도 2는 본 발명에 따른 도플러 레이다를 이용한 생체신호 검출 원리를 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram for explaining the principle of detecting a biosignal using a Doppler radar according to the present invention.

도 2에서 h(t)는 심장 신호, r(t)는 호흡 신호, v(t)는 사람 움직임 신호이다.In FIG. 2, h(t) is a cardiac signal, r(t) is a respiratory signal, and v(t) is a human motion signal.

아래 기재된 수식 T(t)는 레이다 센서에 의한 송신 신호(Tranmitted signal)이고, R(t)는 레이다 센서에 의한 수신 신호(Received signal)이며, B(t)는 R(t)를 기저대역(Baseband)으로 낮춰 얻어지는 기저대역 신호(Baseband signal)이다. 이러한 과정으로 레이다 센서를 통해 피검체(사람)에 대한 기저대역 신호를 얻게 된다.Equation T(t) described below is the transmitted signal by the radar sensor, R(t) is the received signal by the radar sensor, and B(t) is R(t) to the baseband ( It is a baseband signal obtained by lowering to the baseband. Through this process, a baseband signal for the subject (human) is obtained through the radar sensor.

Figure 112021105631036-pat00024
Figure 112021105631036-pat00024

Figure 112021105631036-pat00025
Figure 112021105631036-pat00025

Figure 112021105631036-pat00026
Figure 112021105631036-pat00026

3-3. 생체신호 검출 방법3-3. Biosignal detection method

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 검출 방법을 보이는 도면이다. 이를 참조하여 생체신호 검출 방법의 세부 단계들을 순차적으로 설명한다.3 is a view showing a biosignal detection method according to an embodiment of the present invention. With reference to this, detailed steps of the biosignal detection method will be sequentially described.

도 3에서 B(t)는 레이다 센서에 의한 수신 신호(Received signal)를 기저대역으로 낮춰 얻어지는 기저대역 신호(Baseband signal)이다.In FIG. 3, B(t) is a baseband signal obtained by lowering a received signal by a radar sensor to a baseband.

본 발명의 생체신호 검출 방법에 따르면, 먼저 B(t) 신호에 대해 신호 최적점을 선택하는 단계(S11)가 수행된다. 일반적으로 성인을 기준으로 호흡 신호의 주파수 범위는 0.1 ~ 0.5 Hz이고 심박 신호의 주파수 범위는 0.8 ~ 2.0 Hz이다. 이와 같이 호흡 신호 및 심박 신호의 주파수 범위는 상이하며, 상기 각각의 주파수 범위에서 각 신호에 대한 최적점이 선택될 수 있다.According to the biosignal detection method of the present invention, first, the step (S11) of selecting a signal optimal point for the B(t) signal is performed. In general, for adults, the frequency range of the respiratory signal is 0.1 to 0.5 Hz, and the frequency range of the heartbeat signal is 0.8 to 2.0 Hz. As such, the frequency ranges of the respiration signal and the heartbeat signal are different, and an optimal point for each signal may be selected in each of the frequency ranges.

다음으로, 잡음 성분 제거 및 신호 분리를 수행하는 단계(S12)가 수행된다. S12 단계에서 제거되는 잡음 성분에는 DC-offset 및 클러터(Clutter)가 포함된다. 도 4를 참조하면, S12 단계에서 수행되는 신호 분리는 B(t) 신호를 심박 신호 Bh(t) 및 호흡에 신호 Br(t)로 분리하는 것을 의미한다. 심박 신호에 비해 호흡 신호가 상대적으로 크기 때문에 심장 신호 및 호흡 신호를 포함한 B(t) 신호의 경우 호흡 신호에 심박 신호가 묻혀진 상태로 나타난다. 따라서 호흡 신호로부터 심장 신호를 분리해내는 것이 매우 중요하다.Next, a step S12 of performing noise component removal and signal separation is performed. Noise components removed in step S12 include DC-offset and clutter. Referring to FIG. 4 , the signal separation performed in step S12 means separating the B(t) signal into a heartbeat signal B h (t) and a respiration signal B r (t). Since the respiration signal is relatively large compared to the heart rate signal, the heart rate signal is embedded in the respiration signal in the case of the B(t) signal including the heart signal and respiration signal. Therefore, it is very important to separate the cardiac signal from the respiratory signal.

이러한 두 신호의 분리는 도 5에 나타내어진 웨이브릿 변환(wavelet transform) 알고리즘을 통해 수행될 수 있으며, 이를 통해 상호 분리된 심박 신호 Bh(t) 및 호흡 신호 Br(t)를 얻을 수 있다.Separation of these two signals may be performed through a wavelet transform algorithm shown in FIG. 5, and through this, a mutually separated heartbeat signal B h (t) and respiration signal B r (t) may be obtained. .

본 발명에 따르면 신호 검출의 정밀도를 높이기 위해 레이다 수신 채널을 다채널로 적용할 수 있다. 도 6은 레이다 수신 채널을 2채널로 적용한 경우를 보이는 개념도이다. 이를 참조하여 2채널의 경우 신호 분리 알고리즘을 설명하면 다음과 같다.According to the present invention, in order to increase the precision of signal detection, the radar reception channel can be applied to multiple channels. 6 is a conceptual diagram illustrating a case where a radar reception channel is applied to two channels. With reference to this, the signal separation algorithm in the case of two channels will be described as follows.

2채널의 경우 채널 1을 통해 얻어지는 신호 B1(t) 및 채널 2를 통해 얻어지는 신호 B2(t)는 다음과 같이 표현될 수 있다.In the case of two channels, the signal B 1 (t) obtained through the channel 1 and the signal B 2 (t) obtained through the channel 2 may be expressed as follows.

Figure 112021105631036-pat00027
Figure 112021105631036-pat00027

Figure 112021105631036-pat00028
Figure 112021105631036-pat00028

그리고, 2채널 신호들의 선형 관계식은 다음과 같이 정리될 수 있다.And, the linear relational expression of the two-channel signals can be organized as follows.

Figure 112021105631036-pat00029
Figure 112021105631036-pat00029

아래의 선형 관계식에서

Figure 112021105631036-pat00030
는 심장에 대한 레이다 신호,
Figure 112021105631036-pat00031
는 폐에 대한 레이더 신호를 나타낸 것이다. 독립성분분석(ICA: Independent Component Analysis) 원리에 따라 그 선형 관계식에서 분리된 신호가 non-Gaussian이 되도록 W 형렬을 추정함으로써 분리 신호
Figure 112021105631036-pat00032
Figure 112021105631036-pat00033
를 얻을 수 있다.In the following linear relation
Figure 112021105631036-pat00030
is the radar signal to the heart,
Figure 112021105631036-pat00031
shows the radar signal for the lungs. Separated signal by estimating W-form so that the separated signal from the linear relation becomes non-Gaussian according to the principle of Independent Component Analysis (ICA)
Figure 112021105631036-pat00032
and
Figure 112021105631036-pat00033
can get

Figure 112021105631036-pat00034
Figure 112021105631036-pat00034

다음으로, 신호 검출의 정밀도를 높이기 위하여 위상 검출 단계(S13), MUSIC 알고리즘 수행 단계(S14) 및 바디 모션 프로세싱 단계(S15)를 순차적으로 수행한다.Next, in order to increase the precision of signal detection, the phase detection step (S13), the MUSIC algorithm execution step (S14), and the body motion processing step (S15) are sequentially performed.

위상 검출 단계(S13)에서는 아래의 수식으로 표현되는 심박 신호의 위상 θh(t) 및 호흡 신호의 위상 θr(t)를 검출한다. 이러한 위상 검출을 통해 심박 신호 Bh(t) 및 호흡 신호 Br(t)를 보다 정밀하게 얻어낼 수 있다.In the phase detection step S13, the phase θ h (t) of the heartbeat signal and the phase θ r (t) of the respiration signal, which are expressed by the following equations, are detected. Through this phase detection, the heartbeat signal B h (t) and the respiration signal B r (t) can be more precisely obtained.

Figure 112021105631036-pat00035
Figure 112021105631036-pat00035

Figure 112021105631036-pat00036
Figure 112021105631036-pat00036

바디 모션 프로세싱 단계(S15)는 피검체(사람)의 움직임에 따른 노이즈 성분을 제거하는 단계이다. 검사 도중 수면 중의 사람은 움직임을 나타내게 되며, 따라서 상기 분리 신호에는 그 움직임에 따른 노이즈 성분이 포함되는 것이 일반적이다. 따라서 S15 단계를 통해 그 노이즈 성분을 제거함으로써 신호 분리의 정밀도를 높일 수 있다.The body motion processing step S15 is a step of removing noise components according to the movement of the subject (human). During the examination, a sleeping person shows movement, and therefore, the separated signal generally includes a noise component according to the movement. Therefore, by removing the noise component through step S15, it is possible to increase the precision of signal separation.

상술한 단계들을 수행하여 최종적으로 상호 분리된 심박 신호 및 호흡 신호를 얻을 수 있다(S16). 이러한 생체 신호들은 별도의 컴퓨팅 기기(예: 스마트폰)로 전송되어 피검체의 수면 상태에 대한 모니터링 및 분석 기능, 그에 대한 화면 표시 기능, 알람 기능 등을 수행하기 위한 기초 데이터로 활용될 수 있다(S17).By performing the above-described steps, it is possible to finally obtain a heartbeat signal and a respiration signal separated from each other (S16). These bio-signals are transmitted to a separate computing device (eg, a smartphone) and can be used as basic data for monitoring and analyzing the sleep state of the subject, a screen display function thereof, and an alarm function ( S17).

4. 본 발명에 따른 수면 개선 시스템4. Sleep improvement system according to the present invention

본 발명은 레이다 센서에 기반하는 전술한 생체신호 검출 방법을 활용한 수면 모니터링 및 개선 시스템을 제시한다.The present invention provides a sleep monitoring and improvement system using the above-described biosignal detection method based on a radar sensor.

도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 수면 모니터링 및 개선 시스템을 보이는 도면이다.7 and 8 are diagrams showing a sleep monitoring and improvement system according to an embodiment of the present invention.

이를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수면 모니터링 및 개선 시스템은 제1 기기(100) 및 제2 기기(200)를 포함한다.Referring to this, the sleep monitoring and improvement system according to an embodiment of the present invention includes the first device 100 and the second device 200 .

제1 기기(100)는 수면 중의 피검체(사람) 주변에 배치된다. 도 7에 예시된 바와 같이, 제1 기기(100)는 예를 들어 침대 주변의 테이블 위에 놓여져 사용될 수 있다.The first device 100 is disposed around a subject (person) during sleep. As illustrated in FIG. 7 , the first device 100 may be used while being placed on a table around a bed, for example.

제1 기기(100)는 블루투스 모듈(110), 제어부(120), 레이다 센서(130) 및 분사 장치(140)를 포함하여 구성될 수 있다.The first device 100 may be configured to include a Bluetooth module 110 , a controller 120 , a radar sensor 130 , and an injection device 140 .

블루투스 모듈(110)는 제2 기기(200)와의 무선 통신을 위한 구성이다.The Bluetooth module 110 is configured for wireless communication with the second device 200 .

제어부(120)는 제1 기기(100)의 동작을 제어하는 구성으로서, 레이다 센서(130)에 의한 생체신호 검출 동작, 분사 장치(140)의 분사 동작 및 블루투스 모듈(110)의 데이터 송수신 동작은 제어부(120)의 제어 하에 수행된다.The control unit 120 is a configuration for controlling the operation of the first device 100 , and the biosignal detection operation by the radar sensor 130 , the injection operation of the injection device 140 , and the data transmission/reception operation of the Bluetooth module 110 are performed. It is performed under the control of the controller 120 .

레이다 센서(130)는 피검체에 대한 레이다 송수신을 수행하고 수신 레이다에 기초하여 생체신호를 검출한다. 레이다 센서(130)로는 mmWave 센서가 사용되며, 주기적으로 주파수가 선형-증가하는 Chirp 신호(FMCW 신호)가 피검체를 향해 전송된다.The radar sensor 130 performs radar transmission/reception with respect to the subject and detects a biosignal based on the received radar. A mmWave sensor is used as the radar sensor 130, and a Chirp signal (FMCW signal) whose frequency is linearly increased periodically is transmitted toward the subject.

레이다 센서(130)는 앞서 상술한 생체신호 검출 방법을 통해 2가지 생체신호 즉 심박 신호 및 호흡 신호를 검출한다. 앞서 설명한 바와 같이, 수신 레이다 신호는 심박 신호가 상대적으로 큰 세기의 호흡 신호에 묻혀진 상태이므로 본 발명에서 호흡 신호로부터 심장 신호를 분리해내는 것이 매우 중요하다. 레이다 센서(130)의 수신 채널은 단채널 또는 다채널로 구비될 수 있는데, 전술한 바와 같이 단채널의 경우 웨이브릿 변환(wavelet transform) 알고리즘이 적합하게 적용될 수 있으며 다채널의 경우 독립성분분석(ICA: Independent Component Analysis) 원리에 따른 W 형렬 추정 알고리즘이 적합하게 적용될 수 있다.The radar sensor 130 detects two biosignals, that is, a heartbeat signal and a respiration signal, through the biosignal detection method described above. As described above, since the received radar signal is a state in which the heartbeat signal is buried in the respiration signal having a relatively high intensity, it is very important to separate the heart signal from the respiration signal in the present invention. The reception channel of the radar sensor 130 may be provided as a single channel or multiple channels. As described above, in the case of a short channel, a wavelet transform algorithm may be suitably applied, and in the case of a multi-channel, independent component analysis ( The W-type estimation algorithm according to the ICA: Independent Component Analysis) principle may be suitably applied.

도 7을 참조하면, 레이다 센서(130)는 검지 영역(점선 표시 영역)에 레이다를 출력하며 그 출력 범위는 인체에 무해한 범위 내에서 선택된다. 본 발명에서는 생체신호로서 심박 신호 및 호흡 신호를 검출하므로 레이다 검지 영역은 인체의 가슴 부위를 타겟으로 설정됨이 바람직하다.Referring to FIG. 7 , the radar sensor 130 outputs a radar to the detection area (a dotted line display area), and the output range is selected within a range harmless to the human body. In the present invention, since a heartbeat signal and a respiration signal are detected as biosignals, it is preferable that the radar detection area be set to the chest area of the human body as a target.

분사 장치(140)는 수면 개선에 유익한 액체를 미스트(mist) 형태로 분사하기 위한 장치이다. 분사 장치(140)에 의해 분사되는 액체의 예로 아로마 향수가 사용될 수 있다. 분사 장치(140)는 여러 가지 종류의 액체를 분사하도록 구성될 수 있으며, 이 경우 생체신호에 기초하여 분석된 수면장애의 유형에 매칭되는 액체가 분사되는 방식으로 적용될 수 있다.The jetting device 140 is a device for jetting a liquid beneficial to sleep improvement in the form of a mist. Aroma perfume may be used as an example of the liquid sprayed by the spraying device 140 . The jetting device 140 may be configured to jet various types of liquid, and in this case, a liquid matching the type of sleep disorder analyzed based on the biosignal may be jetted.

본 발명에 의해 진단 가능한 수면장애의 대표적인 유형으로는 불면증 및 수면무호흡증을 들 수 있다. 전술한 바와 같이, 불면증 상태 및 수면무호흡증 상태에서는 심박 신호 및 호흡 신호가 정상 상태와 구분되는 특이적 특성을 보이게 되므로, 레이다 센서(130)를 통해 검출되는 심박 신호 및 호흡 신호를 분석하여 피검체(이용자)가 불면증 상태에 있는지 여부 및 수면무호흡증 상태에 있는지 여부를 판단할 수 있다. 그 판단은 제어부(120)에서 수행되며, 이를 위해 레이다 센서(130)에 의해 검출된 심박 신호 및 호흡 신호가 제어부(120)에 제공된다. 제어부(120)는 심박 신호 및 호흡 신호에 기초하여 수면장애의 유형 및 지속시간 등을 판단하고 미리 설정된 조건에 따라 분사 장치(140)를 제어하여 수면 상태 개선을 위한 액체를 분사하도록 한다.Representative types of sleep disorders that can be diagnosed by the present invention include insomnia and sleep apnea. As described above, in the insomnia state and the sleep apnea state, the heartbeat signal and the respiration signal show specific characteristics to be distinguished from the normal state, so by analyzing the heartbeat signal and respiration signal detected through the radar sensor 130, user) can determine whether the patient is in a state of insomnia and whether he is in a state of sleep apnea. The determination is performed by the controller 120 , and for this purpose, the heartbeat signal and the respiration signal detected by the radar sensor 130 are provided to the controller 120 . The control unit 120 determines the type and duration of the sleep disorder based on the heartbeat signal and the respiration signal, and controls the injection device 140 according to a preset condition to spray the liquid for improving the sleep state.

제2 기기(200)는 수면 모니터링 및 제1 기기(100) 사용법 설정 등을 위한 모바일 기기이다. 제2 기기(200)로는 스마트폰이 적합하게 사용될 수 있다. 이 경우 제2 기기(200)에는 본 발명에 따른 서비스 이용을 위한 전용 어플리케이션(앱)이 설치되어 실행된다.The second device 200 is a mobile device for sleep monitoring and setting how to use the first device 100 . A smartphone may be suitably used as the second device 200 . In this case, a dedicated application (app) for using the service according to the present invention is installed and executed in the second device 200 .

제2 기기(200)는 제1 기기(100)와 무선 통신에 의한 데이터 송수신을 한다. 제1 기기(100)를 통해 수집되는 생체신호(예: 심박 신호, 호흡 신호)는 제2 기기(200)에 전송되어 저장되어 활용된다. 그 저장 데이터를 바탕으로 제2 기기(200)는 수면장애의 종류 및 지속시간 등을 포함한 이용자(피검체)의 수면 상태를 모니터링할 수 있다. 제1 기기(100)의 전용 앱은 모니터링 결과 표시 화면을 제공하며, 이용자는 그 화면을 통해 자신의 수면 정보를 확인할 수 있다.The second device 200 transmits/receives data to and from the first device 100 through wireless communication. The bio-signals (eg, a heartbeat signal, a respiration signal) collected through the first device 100 are transmitted to the second device 200 to be stored and utilized. Based on the stored data, the second device 200 may monitor the sleep state of the user (subject) including the type and duration of the sleep disorder. The dedicated app of the first device 100 provides a monitoring result display screen, and the user can check his/her sleep information through the screen.

이용자는 제2 기기(200)를 이용하여 제1 기기(100)의 사용법을 설정할 수 있다. 예를 들어, 이용자는 제2 기기(200)를 통해 모니터링 대상 수면장애의 유형, 액체 분사 적용 여부 및 방식, 분사 지속 시간, 모니터링 시간대 등의 세부적인 사용 조건들을 희망하는 바에 따라 설정할 수 있다.The user may set the usage of the first device 100 by using the second device 200 . For example, the user can set detailed usage conditions such as the type of sleep disorder to be monitored, whether and how liquid spray is applied and how, spray duration, and monitoring time period, as desired through the second device 200 .

제2 기기(200)는 경보 기능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 수면 상태 모니터링 결과 수면무호흡증이 일정시간 이상 지속되는 경우 경보음을 송출하는 방식으로 경보 기능을 수행할 수 있다.The second device 200 may provide an alarm function. For example, as a result of monitoring the sleep state, when sleep apnea continues for a certain period of time or more, the alarm function may be performed by transmitting an alarm sound.

100 : 제1 기기
110 : 블루투스 모듈
120 : 제어부
130 : 레이다 센서
140 : 분사 장치
200 : 제2 기기
100: first device
110: bluetooth module
120: control unit
130: radar sensor
140: injection device
200: second device

Claims (5)

레이다 센서(130) 및 수면 개선을 위한 액체를 미스트 형태로 분사하는 분사 장치(140)를 포함하는 제1 기기(100); 및
상기 제1 기기(100)와 무선통신하는 제2 기기(200);를 포함하며,
상기 레이다 센서(130)는 피검체에 대한 레이다 송수신을 수행하여 수신 레이다로부터 상호 분리된 심박 신호 및 호흡 신호를 획득하며, 상기 분사 장치(140)의 분사 동작은 상기 심박 신호 및 상기 호흡 신호에 기초하여 제어되며, 상기 제2 기기(200)는 상기 제1 기기(100)로부터 상기 심박 신호 및 상기 호흡 신호에 대한 데이터를 전송받아 수면 모니터링을 수행하며,
상기 레이다 센서(130)에 의해 수행되는 생체신호 검출 방법은,
(S11) 레이다 수신 신호에 대해 신호 최적점을 선택하는 단계;
(S12) 상기 레이다 수신 신호로부터 잡음 성분을 제거한 후 심박 신호 및 호흡 신호로 분리하는 단계로서, 상기 레이다 센서(130)가 단채널의 수신 채널을 구비한 경우 웨이브릿 변환(wavelet transform) 알고리즘을 적용하며, 상기 레이다 센서(130)가 다채널의 수신 채널을 구비한 경우 독립성분분석(ICA: Independent Component Analysis) 알고리즘을 적용하는 단계;
(S13) 상기 심박 신호의 위상 및 상기 호흡 신호의 위상을 검출하는 단계;
(S14) MUSIC 알고리즘에 의한 스펙트럼 추정을 수행하는 단계; 및
(S15) 상기 피검체의 움직임에 따른 노이즈 성분을 제거하는 단계;를 포함하는
레이다 센서 기반 수면 모니터링 및 개선 시스템.
a first device 100 including a radar sensor 130 and a spraying device 140 for spraying a liquid for improving sleep in a mist form; and
Including; a second device 200 that wirelessly communicates with the first device 100;
The radar sensor 130 obtains a heartbeat signal and a respiration signal separated from each other by performing radar transmission/reception to the subject, and the injection operation of the injection device 140 is based on the heartbeat signal and the respiration signal to be controlled, and the second device 200 receives data about the heartbeat signal and the respiration signal from the first device 100 to perform sleep monitoring,
The biosignal detection method performed by the radar sensor 130 includes:
(S11) selecting a signal optimal point for the radar reception signal;
(S12) is a step of removing a noise component from the radar reception signal and then separating it into a heartbeat signal and a respiration signal. When the radar sensor 130 has a short-channel reception channel, a wavelet transform algorithm is applied and applying an Independent Component Analysis (ICA) algorithm when the radar sensor 130 has a multi-channel reception channel;
(S13) detecting the phase of the heartbeat signal and the phase of the respiration signal;
(S14) performing spectrum estimation by the MUSIC algorithm; and
(S15) removing a noise component according to the movement of the subject; including
A radar sensor based sleep monitoring and improvement system.
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