KR101337402B1 - 듀얼밴드의 도플러 효과를 이용한 생체 신호 검출 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다른 두 개의 주파수(dual band)의 도플러 효과를 이용하여 체내의 생체 정보를 얻는 원격 생체 신호 검출 시스템에 관한 것으로, 디지털 신호 처리에 의해 조절 및 생성된 두 주파수 f1과 f2를 가지는 신호를 생체에 동시에 입사시키고 반사되어 돌아오는 신호를 분리하여 증폭 및 필터링하는 검출 수단과 상기 검출 수단을 거친 신호를 받아 각 주파수의 스펙트럼을 분석하고 생체신호 분석을 한 결과를 바탕으로 적응적으로 주파수를 조절하기 위해 검출 수단으로 Feedback 제어 신호를 보내는 신호 분석 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

듀얼밴드의 도플러 효과를 이용한 생체 신호 검출 시스템{DETECTING SYSTEM OF BIOLOGICAL SIGNALS USING DUAL-BAND DOPPLER EFFECT}

본 발명은 도플러 효과를 이용한 생체신호 검출 시스템에 관한 것으로서, 특히 서로 다른 두 개의 주파수(dual band)를 사용하여 체내의 생체 정보를 얻는 원격 생체 신호 검출 시스템에 관한 것이다.

움직이는 물체에 음파, 전파, 광파와 같은 파(wave)를 입사시켰을 때 움직이는 물체에서 반사되는 파의 주파수와 위상은 물체의 움직임에 따라 변하게 되며, 이는 도플러 효과(doppler effect)로 알려져 있다.

일정한 속도 v로 움직이는 물체에 주파수가 f 인 전파를 입사시킨 경우, 물체에서 반사된 파는 주파수는 f + (v/c)f로 변한다. 여기서 속도 v의 방향은 물체가 실험자와 점점 가까워지는 방향이다. 따라서 도플러 효과를 이용하면 물체의 움직임 여부를 알 수 있으며, 호흡 혹은 심박에 의한 미세한 피부의 움직임이나, 혈류와 같은 체내장기의 움직임 역시 도플러 효과를 이용하여 측정할 수 있다.

그러나, 원격 생체 신호 측정에 사용하는 ISM(Industrial Scientific Medical) 밴드 주파수는 다른 기기와의 간섭이 많아 측정용 주파수로 사용하기에는 부적합한 현상이 발생한다.

특히, CW (Continuous Wave) 방식의 도플러 현상에는 주파수 간의 간섭 작용에 취약하여 측정하고자 하는 대상의 생체신호 이외의 간섭 신호도 같이 수신하게 되며, 고정된 주파수를 사용한다면 같은 원격 생체 신호 측정기기 두 개가 작동 거리 내에 존재할 때 서로 다른 대상 및 혼합 신호를 수신하게 되어 효과적인 생체신호 분석이 어려워진다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 도플러 효과를 이용한 측정 장비가 서로 인접하여 다수 배치되어 있어, 주위의 ISM 밴드 주파수에 의한 노이즈가 발생하거나 복수의 캐리어(Carrier) 주파수 f2와 f1 의 간섭 충돌 등의 이유로 사용 불가능 할 경우 주파수를 조절할 수 있는 듀얼밴드의 도플러 효과를 이용한 생체 신호 검출 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은, 생체 신호 검출 수단에서 듀얼 밴드 주파수 f1과 f2를 사용하여 생체 신호를 획득하고, 신호 분석 수단에서는 주파수 f2 와 f1 의 스펙트럼을 분석하여 신호 레벨이 적으면 지정된 주파수 조절 신호를 생체 신호 검출 수단에 보내고, 주파수 조절 신호를 받은 생체 신호 검출 수단은 간접 채널 변경 방식으로 PLL 주파수를 조절하도록 구성함으로써, 지정된 주파수로 f2와 f1을 피드백(feedback) 조절하여 주파수의 간섭을 없애고 정확도를 향상한다.

본 발명에 의한 무자각, 비 접촉 생체신호 감지 장치는, 주파수 채널 변경을 조절하여 원격 생체 측정 시스템의 정확도를 개선하고 듀얼 밴드를 이용하여 신체가 움직이는 경우에도 움직임에 대한 정보를 원격에서 얻을 수 있기 때문에, 사람의 몸에 센서를 부착할 수 없는 화상환자의 심장 박동 수 측정, 원격음성획득, 보안 시스템, 및 재난 시 생존자의 존재확인 등에 매우 유용하다

도 1은 본 발명에 따른 듀얼 밴드 주파수를 이용한 생체 신호 검출 수단의 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 듀얼밴드의 도플러 효과를 이용한 생체 신호 검출 시스템의 구성도이다.
도 3은 생체 신호 분석 수단의 세부 기능도이다.
도 4는 경보 제어 수단의 세부 구성도이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 듀얼밴드의 도플러 효과를 이용한 생체 신호 검출 시스템은, 무선으로 피검자의 생체 신호를 검출하는 검출 수단(100); 상기 무선 검출수단으로부터 검출된 생체신호에서 호흡 신호 및 심박 신호를 분석해 내는 생체 신호 분석 수단(110); 생체 신호의 레벨이 분석 가능하지 않다고 판단 될 경우 검출 수단의 주파수를 변경하도록 하는 주파수 조절 수단(130); 생체 신호의 분석이 가능하여 분석된 생체 신호가 이상 징후를 보였을 때 경보를 하는 경보 제어 수단(140);를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 무선 생체 신호 검출 수단(100)은, 생체 신호 분석 수단의 주파수 조절 수단(130)에서 온 값에 의해 결정된 PLL(100)로 정해진 주파수 f2와 f1의 전파가 발진되고 이 두 개의 주파수를 결합한 마이크로웨이브 전파가 발생 되며 수신된 마이크로웨이브 파형을 검출한다. f1과 f2 주파수는 전력 결합기에서 결합되고 증폭기(7)에서 증폭되어 듀플렉서(9)를 거쳐 안테나로 생체에 투사되고 생체에서 반사된 주파수는 듀플렉서(9)에서 수신되고, 증폭기(8)에서 증폭된 후 전력분배기(11)에서 분배되고, 믹서에서 f2-f1과 f2+f1 주파수로 변환되고 대역필터(14, 15)를 통과하여 생체 신호 분석 수단에 입력된다. f1과 f2의 주파수가 도플러 변환된 신호 f1d와 f2d는 안테나(10)를 통해 수신되어 전력 분배기(11)를 통해 두 개의 신호 경로로 분리된다. 전력 분배기(11)에서 분리된 f1d와 f2d의 주파수를 가지는 신호에, 주파수 f1을 가지는 신호와 주파수 f2를 가지는 신호를 믹서(12, 13)에서 혼합하여 중대역 주파수대 신호인 d1와 d2를 얻는다. d1와 d2 신호를 저 대역통과필터(13, 15)을 거쳐서 필터링하고 이는 다시 생체 신호 분석 수단(110)를 통해 처리한다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 생체 신호 분석 수단(11)은, 측정된 마이크로웨이브의 변위를 기본으로 하여 측정된 신호가 사람의 호흡 및 심박 신호와 유사한 지 또는 유효한 신호인지를 판단하는 알고리즘(111)과 호흡 신호와 심박 신호를 구별하는 알고리즘(112)으로 구성되고 유효한 데이터인 심박 수와 호흡 수를 검출하는 판정 부분(113)으로 구성 된다. 수면 형태의 호흡인 불안정 주기 호흡(Periodic Breathing)이 나타나기 시작하면 건강 이상의 시작으로 판단할 수 있으며, 이러한 호흡과는 별도로, 심박 수가 안정된 상태인 횟수가 적어지는 것 또한 졸음 상태에 들어섰다는 것을 알려주는 신호가 될 수 있다. 또한 다른 주파수의 간섭으로 인한 생체신호와 전혀 다른 신호로 판정되면 정해진 주파수 천이 테이블에 의한 PLL(1) 값을 2410+4*(k-1)(MHz)(for k=1,2,...,16)과 같이 결정한다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 생체 신호 분석 수단(110)을 이용 한정된 장소에 복수의 시스템을 장착했을 경우, 동일한 주파수 f2와 f1을 사용하면 마이크로웨이브의 무선 특징상 신호들은 서로 다른 대상 및 혼합 신호를 수신하여 간섭된 형태의 신호 파형을 나타낼 수 있다. 이러한 경우 상기 주파수 조절 수단(130)에서 시스템 별 초기 주파수를 설정함으로써 주파수 혼선을 방지 한다.

상기 경보 제어 수단(140) 은 이러한 졸음이나 수면 상태에 들어서는 상태를 판단하는 자료 처리 부분(141)과 피검자의 생체 데이터를 기록하는 기록부(142)와 설정된 신호와 차이를 보이면 피검자에게 경고음을 송출하게 되는 경보 발생부(144) 로 구성 된다.

따라서, 마이크로파의 CW(Continuous Wave) 신호를 전송하여 그 신호가 인체에서 반사되어지고, 수신기가 그 반사 되어진 신호를 복조함으로써 심장박동이나 호흡의 파형을 검출할 수 있다. 반사되어 수신기에 들어오는 신호는 심장박동과 호흡에 의해 생기는 위상변위와 발진기에 의해 생기는 위상잡음을 가진 신호이다. 인체공학적으로 심장이 폐보다 안쪽에 위치되어 있기 때문에 송신기에서 신호를 인체에 보낼 때, 먼저 폐에 부딪쳐 반사되는 신호와 심장까지 들어가서 반사되는 신호가 나누어져서 수신기에 들어오기 때문에 수신 되어진 신호를 두 개의 신호로 나누어 수신모델을 정의한다. 이 같은 수신모델을 가지고 심장박동이나 호흡의 도플러 주파수 천이를 찾는 방법이 적용된다.

이상과 같이 본 발명을 실시 예들을 참고하여 설명하였으나, 이는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 권리 범위는 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다.

100 : 검출 수단 110 : 생체 신호 분석 수단
130 : 주파수 조절 수단 140 : 경보 제어 수단

Claims (4)

1. 무선으로 피검자의 생체 신호를 검출하는 검출 수단(100); 상기 무선 검출수단으로부터 검출된 생체신호에서 호흡 신호 및 심박 신호를 분석해 내는 생체 신호 분석 수단(110); 생체 신호의 레벨이 분석 가능하지 않다고 판단 될 경우 검출 수단의 주파수를 변경하도록 하는 주파수 조절 수단(130); 생체 신호의 분석이 가능하여 분석된 생체 신호가 이상 징후를 보였을 때 경보를 하는 경보 제어 수단(140);를 구비하고,
   상기 생체 신호 분석 수단(110)은, 한정된 장소에 주파수 f2와 주파수 f1을 사용하는 복수의 도플러 효과 이용 시스템이 작동하여, 마이크로웨이브의 무선 특징상 신호들이 서로 다른 대상 및 혼합 신호를 수신하여 간섭된 형태의 신호 파형을 나타낼 경우, 상기 주파수 조절 수단(130)에서 시스템 별 초기 주파수를 설정함으로써 주파수 혼선을 방지하는 것을 특징으로 하는 듀얼밴드의 도플러 효과를 이용한 생체 신호 검출 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 생체 신호 분석 수단(110)의 주파수 조절 수단(130)에서 온 값에 의해 결정된 PLL(100)로 정해진 주파수 f2와 f1의 전파가 발진되고 이 두 개의 주파수를 결합한 마이크로웨이브 전파가 발생 되며 수신된 마이크로웨이브 파형을 검출하고, f1과 f2 주파수를 전력 결합기에서 결합하고 증폭기(7)에서 증폭하여 듀플렉서(9)를 거쳐 안테나로 생체에 투사하고 생체에서 반사된 주파수는 듀플렉서(9)에서 수신하고, 증폭기(8)에서 증폭한 후 전력분배기(11)에서 분배하고, 믹서에서 f2-f1과 f2+f1 주파수로 변환하고 대역필터(14, 15)를 통과시켜 생체 신호 분석 수단에 입력하고, f1과 f2의 주파수가 도플러 변환된 신호 f1d와 f2d는 안테나(10)를 통해 수신하여 전력 분배기(11)를 통해 두 개의 신호 경로로 분리하고, 전력 분배기(11)에서 분리된 f1d와 f2d의 주파수를 가지는 신호에, 주파수 f1을 가지는 신호와 주파수 f2를 가지는 신호를 믹서(12, 13)에서 혼합하여 중대역 주파수대 신호인 d1와 d2를 얻고, 상기 d1와 d2 신호를 저 대역통과필터(13, 15)을 거쳐서 필터링하고 이를 다시 상기 생체 신호 분석 수단(110)에서 처리하는 것을 특징으로 하는 듀얼밴드의 도플러 효과를 이용한 생체 신호 검출 시스템.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 생체 신호 분석 수단(110)은, 측정된 마이크로웨이브의 변위를 기본으로 하여 측정된 신호가 사람의 호흡 및 심박 신호와 유사한 지 또는 유효한 신호인지를 판단하는 알고리즘(111)과 호흡 신호와 심박 신호를 구별하는 알고리즘(112)과 유효한 데이터인 심박 수와 호흡 수를 검출하는 판정 부분 알고리즘(113)을 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼밴드의 도플러 효과를 이용한 생체 신호 검출 시스템.
   
4. 삭제

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