KR101866517B1 - Apparatus and Method for diagnosing sleep apnea using UWB radar - Google Patents

Apparatus and Method for diagnosing sleep apnea using UWB radar Download PDF

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Abstract

본 발명은 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 주변 무선 기기에 의한 임펄스 노이즈와 호흡 신호에 내재하고 있는 피크(peak)성 노이즈를 제거하여 정확한 무호흡 판정이 가능하도록 한 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 일정 주기로 초광대역 펄스 신호를 생성하여 전송하고, 인체에서 반사된 초광대역 펄스 신호를 수신하여 원시 데이터를 생성하여 출력하는 초광대역 레이더 모듈; 상기 원시 데이터에서 인체 위치를 파악하며, 파악된 인체 위치의 원시 데이터를 시간에 따라 누적하여 출력하는 인체 감지부; 및 상기 인체 감지부에서 누적하여 출력되는 원시 데이터에서 인체 가슴 위치의신호를 원신호로 취득하여 거리를 기준으로 최대값을 원신호로 선택하고, 선택된 원신호에서 임펄스 노이즈를 제거한 후에 호흡 신호를 산출하여 피크값을 검출하고, 무호흡 구간을 감지하는 무호흡 측정 모듈을 포함하는 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치 및 방법을 제공한다.
The present invention relates to an apparatus and method for detecting apnea using an ultra-wideband radar, and more particularly, to an apparatus and method for detecting an apnea by removing impulse noise and a peak noise inherent in a respiration signal, And an apparatus and method for apnea detection using radar.
According to another aspect of the present invention, there is provided an ultrawideband radar module for generating and transmitting ultrawideband pulse signals at regular intervals, receiving ultra-wideband pulse signals reflected from a human body to generate and output raw data, A human body sensing unit for grasping a human body position in the raw data, accumulating raw data of the detected human body position according to time, and outputting the accumulated raw data; And a controller for acquiring a signal of a human body chest position from the raw data accumulated in the human body sensing unit as a raw signal, selecting a maximum value as a source signal based on the distance, removing the impulse noise from the selected original signal, An apnea detection module for detecting a peak value and detecting an apnea interval, and an apnea detection device and method using the ultra wideband radar.

Figure R1020160176279
Figure R1020160176279

Description

초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치 및 방법{Apparatus and Method for diagnosing sleep apnea using UWB radar}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an apparatus and method for detecting apnea using UWB radar,

본 발명은 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 주변 무선 기기에 의한 임펄스 노이즈와 호흡 신호에 내재하고 있는 피크(peak)성 노이즈를 제거하여 정확한 무호흡 판정이 가능하도록 한 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.The present invention relates to an apparatus and method for detecting apnea using an ultra-wideband radar, and more particularly, to a method and apparatus for detecting an apnea by eliminating impulse noise and a peak noise inherent in a respiration signal, And an apparatus and method for apnea detection using radar.

무호흡은 외부 호흡이 멈추는 것을 말한다. 무호흡 동안은 공기를 들이마시기 위한 근육의 움직임이 없고 폐의 크기도 변하지 않는다. Apnea refers to stopping external breathing. During apnea, there is no muscle movement to breathe air and the size of the lungs does not change.

이런 무호흡의 원인은 다음과 같다.The cause of this apnea is as follows.

1. 사람이 의도적으로 숨을 참는 경우1. When a person intentionally holds breath

2. 약에 의한 유도2. Induction by drug

3. 기도가 막힘3. Blocked airway

4. 신경학적인 병에 의한 결과4. Results from neurological disease

특히 수면 동안에 무호흡이 발생하는 경우 사람이 사망할 수 있는 심각한 질병이 된다.In particular, if apnea occurs during sleep, it becomes a serious disease that can lead to death.

수면 무호흡(Sleep Apnea)은 수면 중에 얕은 호흡이나 호흡의 멈춤이 발생하는 수면 질환이다. 호흡 멈춤을 apnea, 얕은 호흡은 hypopnea라고 한다.Sleep Apnea is a sleeping disorder that causes shallow breathing or breathing stops during sleep. Apnea stops breathing and hypopnea is called shallow breathing.

이런 수면 무호흡에는 4가지 종류가 있다.There are four kinds of sleep apnea.

1. OSA (Obstructive Sleep Apnea)1. Obstructive Sleep Apnea (OSA)

2. OH (Obstructive Hypopnea)2. OH (Obstructive Hypopnea)

3. CSA (Central Sleep Apnea)3. CSA (Central Sleep Apnea)

4. 복합 무호흡4. Multiple apnea

이중에서 폐쇄성수면무호흡증(obstructive sleep apnea)은 수면무호흡증의 가장 흔한 형태로서 편도비대, 아데노이드비대, 연구개의 확장, 혀의 크기 및 위치이상 등 다양한 원인이 있다.Among these, obstructive sleep apnea is the most common form of sleep apnea, which has various causes such as tonsillar hypertrophy, adenoid hypertrophy, enlargement of the study group, and size and location of the tongue.

이러한 폐쇄성수면무호흡증은 심각한 코골이를 동반하게 된다. 이는 수면 중에 연구개와 혀의 위치가 후하방으로 처짐이 발생하고 이를 재위치할 혀와 하악에 부착된 근육의 긴장도가 떨어짐으로써 발생한다고 할 수 있다.These obstructive sleep apnea are accompanied by severe snoring. This can be explained by the fact that during the sleeping, the position of the study dog and tongue is sagging downward, and the tension of the muscles attached to the tongue and mandible is decreased.

상기 폐쇄성수면무호흡증은 전체의 84 %를 차지한다. CSA는 중추 신경계에서 호흡 신호를 발생하지 않아서 나오고 15%를 차지한다.Obstructive sleep apnea accounts for 84% of the total. CSA occurs in the central nervous system without respiratory signals and accounts for 15%.

수면무호흡증을 예방하기 위한 종래의 수면무호흡증 관리장치는 등록특허 제 10-1456461호와 같이 제공되고 있다.A conventional sleep apnea management device for preventing sleep apnea is provided as Patent No. 10-1456461.

그러나, 종래기술은 사용자가 수면시 항상 목에 착용한 상태에서 수면을 취해야만 하므로 사용이 번거로울 뿐만 아니라 사용자의 신체가 구속된 상태로 수면을 취하게 되므로 오히려 불편한 상태로 수면을 취하게 되어 숙면을 저해하게 되는 문제점이 발생하고 있었다.However, in the related art, since the user must take a sleeping state while wearing his / her neck at all times when sleeping, it is not only troublesome to use but also takes a sleeping state while the user's body is restrained. There is a problem that it is inhibited.

이를 개선하기 위하여 무호흡 감지 장치들이 다수 개발되었다.Many apneic sensing devices have been developed to improve this.

이와 같은 개선된 무호흡 감지 장치로는 등록특허 10-1669453호가 있다.Such an improved apnea sensing device is disclosed in Korean Patent No. 10-1669453.

상기 개선된 종래 기술은 수면무호흡증 관리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수면시 사용자의 혈중 산소포화도를 감지하는 센서부재; 센서부재에서 감지된 산소포화도로 수면무호흡상태를 판단하고 수면무호흡상태시 사용자 목부위를 상승시켜 기도가 확보되도록 하는 제 1 동작 및 진동을 공급하여 사용자 수면위치를 보정하는 제 2 동작을 수행하는 베게부재; 센서부재와 베게부재의 작동상태정보를 공급받아 저장하여 사용자에게 제공하는 수면앱을 구비한 스마트폰;으로 구성되어 있다.The improved prior art relates to a sleep apnea management apparatus, and more particularly, to a sleep apnea management apparatus that includes a sensor member for sensing a blood oxygen saturation of a user when sleeping. A first operation for determining a sleep apnea state by the oxygen saturation detected by the sensor member and a first operation for securing airway by raising a user's neck portion in a sleep apnea state and a second operation for supplying a vibration to correct a user's sleeping position, absence; And a smartphone having a sleeping app that receives and stores information on the operating state of the sensor member and the pillow member and provides the stored information to the user.

하지만, 이러한 개선된 종래 기술은 사용자의 혈중 산호 포화도를 근거로 하는 간접적인 방법으로 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.However, such an improved conventional technique has a problem in that the accuracy is lowered by an indirect method based on the user's blood coral saturation.

이를 개선한 다른 종래 기술로 공개번호 10-2014-0003867호의 수면 무호흡과 수면 단계를 모니터링 하기 위한 수면 모니터링 시스템 및 방법이 있다.Another prior art that improves this is the sleep monitoring system and method for monitoring the sleep apnea and sleep stages of Laid-open No. 10-2014-0003867.

상기 개선된 다른 종래 기술은 바이오 레이더를 이용하여 사용자의 호흡 데이터를 생성하여 사용자의 수면 무호흡을 모니터링 하고, 움직임 감지 센서에서 생성된 움직임 데이터로부터 사용자의 수면 단계를 모니터링 하여, 무자각 및 무구속에 의해 사용자의 수면 무호흡과 함께 수면 단계를 모니터링 할 수 있게 되어, 사용자의 불편함이나 거부감으로 인한 수면 방해 없이 사용자의 수면 상태를 모니터링 할 수 있게 된다.The above-described other prior art technique monitors the sleep apnea of a user by generating respiration data of a user using a bio-radar, monitors a user's sleep phase from motion data generated by a motion sensor, It is possible to monitor the sleeping phase together with the sleep apnea of the user so that the sleeping state of the user can be monitored without interfering with the sleep due to the inconvenience or discomfort of the user.

하지만, 이와 같은 종래 기술은 움직임 감지 센서를 더 구비하여 생산 비용이 많이 들어 제품 가격을 상승시키고, 움직임 감지 센서의 정확도가 낮아 정확도가 높지 않다는 문제점이 있다.However, such a conventional technology has a problem that it is expensive to manufacture due to a motion detection sensor, raises the price of the product, and the precision of the motion detection sensor is low.

국내 공개번호10-2006-0087852호Korean Publication No. 10-2006-0087852 국내 등록특허 10-1456461호Korean Patent No. 10-1456461 국내 등록특허 10-1669453호Korean Patent No. 10-1669453 공개번호 10-2014-0003867Publication No. 10-2014-0003867

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 주변 무선 기기에 의한 임펄스 노이즈와 호흡 신호에 내재하고 있는 피크(peak)성 노이즈를 제거하여 정확한 무호흡 판정이 가능하도록 한 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치 및 방법를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, the present invention has been made to solve the above problem, and it is an object of the present invention to provide an apnea detection device using an ultra wideband radar which can detect an impulse noise and a peak noise inherent in a respiration signal, And a method.

본 발명의 일 측면은 일정 주기로 초광대역 펄스 신호를 생성하여 전송하고, 인체에서 반사된 초광대역 펄스 신호를 수신하여 원시 데이터를 생성하여 출력하는 초광대역 레이더 모듈; 상기 원시 데이터에서 인체 위치를 파악하며, 파악된 인체 위치의 원시 데이터를 시간에 따라 누적하여 출력하는 인체 감지부; 및 상기 인체 감지부에서 누적하여 출력되는 원시 데이터에서 인체 가슴 위치의신호를 원신호로 취득하여 거리를 기준으로 최대값을 원신호로 선택하고, 선택된 원신호에서 임펄스 노이즈를 제거한 후에 호흡 신호를 산출하여 피크값을 검출하고, 무호흡 구간을 감지하는 무호흡 측정 모듈을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an ultrawideband radar module for generating and transmitting ultrawideband pulse signals at regular intervals, receiving ultra-wideband pulse signals reflected from a human body to generate raw data, and outputting the generated raw data; A human body sensing unit for grasping a human body position in the raw data, accumulating raw data of the detected human body position according to time, and outputting the accumulated raw data; And a controller for acquiring a signal of a human body chest position from the raw data accumulated in the human body sensing unit as a raw signal, selecting a maximum value as a source signal based on the distance, removing the impulse noise from the selected original signal, And an apnea measurement module for detecting a peak value and detecting an apnea interval.

또한, 본 발명의 일 측면은 상기 원시 데이터를 전처리하여 상기 인체 감지부로 출력하는 전처리부를 더 포함한다.In addition, one aspect of the present invention further includes a preprocessor for preprocessing the raw data and outputting the preprocessed data to the human body sensor.

또한, 본 발명의 일 측면의 상기 인체 감지부는 원시 데이터에서 거리와 신호 크기를 이용하여 인체를 감지하고 감지된 인체 위치를 파악하며, 해당 인체 근처의 원시 데이터를 시간 진행에 따라 누적하여 출력하는 것을 특징으로 한다.In addition, the human body detecting unit of the present invention detects the human body using the distance and the signal size in the raw data, grasps the detected human body position, and accumulates and outputs the raw data in the vicinity of the human body .

또한, 본 발명의 일 측면의 상기 무호흡 측정 모듈은 상기 인체 감지부에서 누적하여 출력되는 원시 데이터에서 인체 가슴 위치의신호를 원신호로 취득하여 출력하는 원신호 취득부; 상기 원신호 취득부에서 취득한 원신호에서 임펄스 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부; 상기 노이즈 제거부에서 임펄스 노이즈가 제거된 원신호에서 호흡 신호를 취득하는 호흡 신호 산출부; 상기 호흡 신호 산출부에서 산출한 호흡 신호에서 일정 구간의 피크 신호에 대하여 고피크(high peak)인지 저피크(low peak)인지를 구분해 내어 호흡수를 산출하는 피크 검출부; 및 상기 피크 검출부에서 검출한 피크 신호를 이용하여 진폭을 산출하여 무호흡 구간을 감지하는 무호흡 검출부를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apnea measurement module including: a raw signal acquisition unit for acquiring a signal of a human breast position from original data accumulated in the human body sensing unit as a raw signal and outputting the raw signal; A noise removing unit for removing impulse noise from the original signal acquired by the original signal acquiring unit; A respiration signal calculation unit for acquiring a respiration signal from the original signal from which the impulse noise is removed in the noise elimination; A peak detector for dividing a peak signal of a predetermined section in the respiration signal calculated by the respiration signal calculator into a high peak or a low peak to calculate a breathing number; And an apnea detection unit for calculating an amplitude using the peak signal detected by the peak detection unit and detecting an apnea interval.

또한, 본 발명의 일 측면의 상기 노이즈 제거부는 상기 원신호 취득부에서 취득한 원신호에 미디언 필터를 적용하여 임펄스 노이즈를 제거하며, 필터 윈도우에서 평균값보다 큰 샘플에 대하여 임펄스 노이즈 제거 로직을 적용한다.The noise eliminating unit of the present invention applies the median filter to the original signal acquired by the original signal acquiring unit to remove the impulse noise and applies the impulse noise removing logic to samples larger than the average value in the filter window .

또한, 본 발명의 일 측면의 상기 노이즈 제거부는 필터 윈도우의 샘플의 시작값을 x0이라하고, 필터 윈도우의 샘플의 최종값을 xn이라 할 때, 임펄스 노이즈에 해당하는 샘플 xi의 치환값 xi'은 xi'=x0+(xn-x0)*(i/윈도우 크기)로 산출하며, 여기에서 i는 샘플의 순위를 나타낸다.The noise canceling unit of the present invention may be configured such that when a start value of a sample of a filter window is x0 and a final value of a sample of a filter window is xn, a replacement value xi 'of a sample xi corresponding to impulse noise is xi '= x0 + (xn-x0) * (i / window size), where i represents the rank of the sample.

또한, 본 발명의 일 측면의 상기 피크 검출부는 상기 호흡 신호 산출부를 통과한 호흡 신호의 입력 파형에서 일정 구간의 기울기 변화를 보고 고피크(high peak)인지 저피크(low peak)인지를 구분해 내어 호흡수를 산출한다.In addition, the peak detecting unit of the present invention may distinguish whether a high peak or a low peak is caused by a slope change of a predetermined section in an input waveform of a respiration signal passed through the respiration signal calculating unit Calculate the number of breaths.

또한, 본 발명의 일 측면의 상기 무호흡 검출부는 고피크값을 갖는 파형의 진폭을 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제1 일정값을 넘으면 유효한 고피크값으로 판단한 후에, 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제2 일정값 이하이면 무호흡 구간에 진입한 것으로 판단한다.Further, the apnea detection unit of the present invention compares the amplitude of the waveform having the high peak value with the average of the previous amplitude, and if it exceeds the first predetermined value of the average of the previous amplitude, it is determined as a valid high peak value, If it is below the second predetermined value of the average of the previous amplitudes as compared with the average, it is judged that it has entered the apnea period.

또한, 본 발명의 일 측면의 상기 무호흡 검출부는 상기 무호흡 구간이 진행되다가 무호흡 구간이 진행하기 전의 고피크값의 평균의 제2 일정값 이상이 되면 무호흡 구간을 벗어난 것으로 판단한다.In another aspect of the present invention, the apnea detection unit determines that the apnea interval is out of order when the apnea interval is greater than or equal to a second predetermined value of the average of the peak values before the apnea interval progresses.

또한, 본 발명의 일 측면의 상기 무호흡 검출부는 고피크값을 갖는 파형의 진폭을 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제1 일정값을 넘지 않으면 유효하지 않은 고피크값으로 판단한다.In addition, the apnea detector of the present invention compares the amplitude of a waveform having a high peak value with an average of previous amplitudes, and judges that the peak value is not valid unless the first predetermined value of the average of the previous amplitudes is exceeded.

한편, 본 발명의 다른 측면은 (A) 초광대역 레이더 모듈이 일정 주기로 초광대역 펄스 신호를 생성하여 전송하고, 인체에서 반사된 초광대역 펄스 신호를 수신하여 원시 데이터를 생성하여 출력하는 단계; (B) 인체 감지부가 상기 원시 데이터에서 인체 위치를 파악하며, 파악된 인체 위치의 원시 데이터를 시간에 따라 누적하여 출력하는 단계; (C) 무호흡 측정 모듈이 상기 인체 감지부에서 누적하여 출력되는 원시 데이터에서 인체 가슴 위치의 신호를 원신호로 취득하여 거리를 기준으로 최대값을 원신호로 선택하는 단계; 및 (D) 상기 무호흡 측정 모듈이 선택된 원신호에서 임펄스 노이즈를 제거한 후에 호흡 신호를 산출하여 피크값을 검출하고, 무호흡 구간을 감지하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling an ultrawideband radar module, the method comprising: (A) generating and transmitting an ultrawideband pulse signal at a constant period, receiving ultrasound pulse signals reflected from the human body to generate and output raw data; (B) the human body detecting unit grasps the human body position in the raw data, and accumulates and outputs the raw data of the detected human body position with time; (C) acquiring a human chest position signal as a raw signal from raw data accumulated in the human body sensing unit by the apnea measurement module, and selecting a maximum value as a raw signal based on the distance; And (D) the apnea measurement module detects an apnea interval by calculating a respiration signal after removing the impulse noise from the original signal selected by the apnea measurement module, and detecting a peak value.

또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (D) 단계는 (D-1) 상기 무호흡 측정 모듈이 원신호에서 임펄스 노이즈를 제거하는 단계; (D-2) 상기 무호흡 측정 모듈이 임펄스 노이즈가 제거된 원신호에서 호흡 신호를 취득하는 단계; (D-3) 상기 무호흡 측정 모듈이 호흡 신호에서 일정 구간의 피크 신호에 대하여 고피크(high peak)인지 저피크(low peak)인지를 구분해 내어 호흡수를 산출하는 단계; 및 (D-4) 상기 무호흡 측정 모듈이 피크 신호를 이용하여 진폭을 산출하여 무호흡 구간을 감지하는 단계를 포함한다.In another aspect of the present invention, the step (D) includes the steps of: (D-1) removing the impulse noise from the original signal by the apnea measurement module; (D-2) the apnea measurement module acquiring a respiration signal from the original signal from which the impulse noise is removed; (D-3) dividing whether the apnea measurement module is a high peak or a low peak with respect to a peak signal of a predetermined interval in the respiration signal to calculate a breathing number; And (D-4) the apnea measurement module calculates an amplitude using a peak signal to detect an apnea interval.

또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (D-2) 단계에서 상기 무호흡 측정 모듈은 원신호에 미디언 필터를 적용하여 임펄스 노이즈를 제거하며, 필터 윈도우에서 평균값보다 큰 샘플에 대하여 임펄스 노이즈 제거 로직을 적용한다.In another aspect of the present invention, in the step (D-2), the apnea measurement module removes impulse noise by applying a median filter to the original signal, and performs impulse noise removal logic on a sample larger than an average value in the filter window To be applied.

또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (D-2) 단계에서 상기 무호흡 측정 모듈은 필터 윈도우의 샘플의 시작값을 x0이라하고, 필터 윈도우의 샘플의 최종값을 xn이라 할 때, 임펄스 노이즈에 해당하는 샘플 xi의 치환값 xi'은 xi'=x0+(xn-x0)*(i/윈도우 크기)로 산출하며, 여기에서 i는 샘플의 순위를 나타낸다.In another aspect of the present invention, in the step (D-2), the apnea measurement module calculates the apex of the impulse noise when the start value of the sample of the filter window is x0 and the final value of the sample of the filter window is xn Xi '= x0 + (xn-x0) * (i / window size), where i represents the rank of the sample.

또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (D-3) 단계에서 상기 무호흡 측정 모듈은 호흡 신호의 입력 파형에서 일정 구간의 기울기 변화를 보고 고피크(high peak)인지 저피크(low peak)인지를 구분해 내어 호흡수를 산출한다.In another aspect of the present invention, in the step (D-3), the apnea measurement module measures a slope change of a predetermined section in an input waveform of the respiration signal and discriminates whether the peak is a high peak or a low peak Calculate the number of breaths.

또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (D-4) 단계는 상기 무호흡 측정 모듈이 고피크값을 갖는 파형의 진폭을 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제1 일정값을 넘으면 유효한 고피크값으로 판단한 후에, 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제2 일정값 이하이면 무호흡 구간에 진입한 것으로 판단한다.Further, in the step (D-4) of the other aspect of the present invention, when the apnea measurement module compares the amplitude of the waveform having the high peak value with the average of the previous amplitude, If it is determined that the peak value is equal to or less than the second predetermined value of the average of the previous amplitudes, it is determined that the user has entered the apnea period.

또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (D-4) 단계 이후에 (D-5) 상기 무호흡 측정 모듈이 상기 무호흡 구간이 진행되다가 무호흡 구간이 진행하기 전의 고피크값의 평균의 제2 일정값 이상이 되면 무호흡 구간을 벗어난 것으로 판단하는 단계를 더 포함한다.In another aspect of the present invention, in the step (D-4) after (D-5), the apnea measurement module measures the second predetermined value or more of the average of the high peak values before the apnea interval progresses It is determined that it is out of the apnea interval.

또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (D-4) 단계에서 상기 무호흡 측정 모듈이 고피크값을 갖는 파형의 진폭을 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제1 일정값을 넘지 않으면 유효하지 않은 고피크값으로 판단한다.In another aspect of the present invention, in the step (D-4), the apnea measurement module compares the amplitude of a waveform having a high peak value with an average of previous amplitudes, and if the first predetermined value of the average of the previous amplitudes is not exceeded It is determined as a high peak value.

상기와 같은 본 발명은 와이파이 기기와 같은 주변 무선 기기에 의해 발생되는 임펄스 노이즈를 제거할 수 있어 정확한 무호흡 판정이 가능하다.The present invention can eliminate the impulse noise generated by peripheral wireless devices such as a Wi-Fi device, thereby enabling accurate determination of apnea.

또한, 본 발명은 호흡 신호에 내재하고 있는 피크성 노이즈를 제거하여 정확한 무호흡 판정이 가능하다.In addition, the present invention eliminates the peak noise inherent in the respiration signal and enables accurate apnea determination.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1 의 초광대역 레이더 모듈이 생성하는 초광대역 펄스 신호의 일예시도이다.
도 3은 도 1의 초광대역 레이더 모듈에서 출력하는 원시 데이터의 일예시도이다.
도 4는 도 3에서 신호 전처리를 통하여 노이즈가 제거된 신호를 나타내는 예시도이다.
도 5는 도 1의 인체 감지부가 인체 근처의 원시 데이터를 시간 진행에 따라 누적하여 저장하는 상태를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5의 저장되는 신호의 부분 확대도이다.
도 7은 도 1의 원신호 취득부가 취득한 원신호를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 1의 노이즈 제거부에서 임펄스 노이즈를 제거하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 9는 도 7의 원신호에서 임펄스 노이즈가 제거된 신호를 보여주는 도면이다.
도 10은 도 1의 호흡 신호 산출부가 산출한 호흡 신호의 일예시도이다.
도 11은 도 1의 피크 산출부가 피크를 산출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 12는 도 1의 무호흡 산출부가 무호흡 구간을 산출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 방법의 흐름도이다.
도 14는 초광대역 레이더를 이용한 물체의 신호 측정시에 물체의 움직임에 따른 신호의 변화를 보여주는 도면이다.
도 15는 움직임이 전혀 없는 공간에 대해 신호를 나타내고 있다.
도 16은 도 15의 신호의 시간에 따른 변화를 나타내는 도면이다.
1 is a block diagram of an apnea sensor using an ultra-wideband radar according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an ultrawideband pulse signal generated by the UWB radar module of FIG. 1. Referring to FIG.
3 is a diagram illustrating an example of raw data output from the UWB radar module of FIG.
FIG. 4 is an exemplary diagram illustrating a noise-canceled signal through the signal preprocessing in FIG.
FIG. 5 is a view showing a state in which the human body detection unit of FIG. 1 accumulates and stores raw data near a human body according to time progression.
6 is a partial magnified view of the stored signal of FIG.
7 is a diagram showing the original signal acquired by the original signal acquisition unit of FIG.
FIG. 8 is a diagram illustrating a process of removing impulse noise in the noise elimination of FIG. 1; FIG.
FIG. 9 is a diagram showing a signal in which impulse noise is removed from the original signal of FIG. 7; FIG.
10 is an exemplary view of a respiration signal calculated by the respiration signal calculation unit of FIG.
11 is an exemplary diagram for explaining a process of calculating a peak by the peak calculating section of FIG.
FIG. 12 is an exemplary diagram for explaining a process of calculating an apnea interval of the apnea calculation unit of FIG. 1;
13 is a flowchart of an apnea detection method using an UWB radar according to a preferred embodiment of the present invention.
14 is a graph showing a change in a signal according to the movement of an object when measuring an object signal using an UWB radar.
Fig. 15 shows a signal for a space having no motion.
FIG. 16 is a diagram showing a change with time of the signal of FIG. 15; FIG.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings.

먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.First, the terminology used in the present application is used only to describe a specific embodiment, and is not intended to limit the present invention, and the singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. Also, in this application, the terms "comprise", "having", and the like are intended to specify that there are stated features, integers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치의 구성도이다.1 is a block diagram of an apnea sensor using an ultra-wideband radar according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치는 초광대역 레이더 모듈(100), 전처리부(200), 인체 감지부(300) 및 무호흡 측정 모듈(400)을 포함한다.Referring to FIG. 1, an apparatus for detecting apnea using an UWB radar according to an embodiment of the present invention includes an UWB radar module 100, a preprocessor 200, a human body sensor 300, and an apnea measurement module 400. .

여기에서, 무호흡 측정 모듈(400)은 원신호 취득부(410), 노이즈 제거부(420), 호흡 신호 산출부(430), 피크 검출부(440) 및 무호흡 검출부(450)를 포함한다. The apnea measurement module 400 includes an original signal acquisition unit 410, a noise removal unit 420, a respiration signal calculation unit 430, a peak detection unit 440, and an apnea detection unit 450.

이와 같은 구성에서 상기 초광대역 레이더 모듈(100)은 펄스 생성기, 송신 안테나, 수신 안테나, 시간 지연기, 샘플러, 전증폭기 및 마이크로컨트롤러를 포함하고 있다.In this configuration, the UWB radar module 100 includes a pulse generator, a transmitting antenna, a receiving antenna, a time delay, a sampler, a preamplifier, and a microcontroller.

이와 같은 초광대역 레이더 모듈(100)은 마이크로컨트롤러에서 신호를 받아 펄스 생성기에서 초광대역 펄스 신호를 생성해 송신 안테나를 통해 전송한다.The UWB radar module 100 receives a signal from the microcontroller, generates a UWB pulse signal from the pulse generator, and transmits the UWB pulse signal through a transmission antenna.

본 발명에서 초광대역 레이더 모듈(100)이 생성하는 초광대역 펄스 신호의 일예가 도 2에 도시되어 있으며, 90 내지 150Hz로 초광대역 펄스 신호를 생성하여 전송한다.An example of the UWB pulse signal generated by the UWB radar module 100 is shown in FIG. 2. The UWB pulse signal is generated at 90 to 150 Hz.

그리고, 초광대역 레이더 모듈(100)은 수신 안테나를 통하여 인체에서 반사된 신호를 수신하고, 전증폭기에서 수신된 신호를 증폭하고, 지연기에서 지연된 시간후에 수신된 신호에 대하여 샘플러에서 샘플링을 수행하여 원시 데이터를 생성하여 출력한다.The UWB radar module 100 receives the signal reflected from the human body through the receiving antenna, amplifies the signal received from the preamplifier, and samples the received signal after the delay time in the delay unit by the sampler And generates and outputs raw data.

이때, 초광대역 레이더 모듈(100)에서 출력되는 원시 데이터가 도 3에 도시되어 있는데, X축은 시간을 나타내고(단위는 ps), Y축은 신호의 크기(단위는 전압의 단위인 V)를 나타낸다. 3, the raw data output from the UWB radar module 100 is shown in FIG. 3, where the X axis represents time (unit: ps) and the Y axis represents the size of the signal (unit is V, the unit of voltage).

여기에서, 초광대역 레이더 모듈(100)이 초광대역 펄스 신호가 50cm를 진행한 후에 수신신호를 샘플링 처리하도록 시간 지연을 설정하고 있기 때문에 시간상 시작점(도 3에서 0)은 거리상 50cm로 볼 수 있으며, 샘플 횟수가 거리로 1m 당 256회 수행되도록 하고 있어 512 샘플 횟수는 2m의 거리를 나타내는 것으로 볼 수 있다.Here, since the time delay is set so that the UWB radar module 100 processes the received signal after the UWB pulse signal travels 50 cm, the time starting point (0 in FIG. 3) can be seen as 50 cm in the distance, The number of samples is 256 times per 1m, so the number of 512 samples is 2m.

다음으로, 전처리부(200)는 초광대역 레이더 모듈(100)에서 출력되는 원시 데이터를 전처리하여 노이즈를 제거한다.Next, the preprocessor 200 preprocesses the raw data output from the UWB radar module 100 to remove noise.

상기 초광대역 레이더 모듈(100)에서 출력되는 신호에는 전원 노이즈, 열 노이즈 등을 많이 포함하고 있어 전처리부(200)는 5~10GHz 대역을 갖는 대역통과필터를 사용하여 노이즈를 제거하며, 이때 생성된 신호가 도 4에 도시되어 있다.Since the signal output from the UWB radar module 100 includes power source noise and thermal noise, the preprocessor 200 removes noise using a band pass filter having a band of 5 to 10 GHz, The signal is shown in FIG.

그리고, 인체 감지부(300)는 전처리가 수행된 원시 데이터에 대하여 노이즈가 제거된 상태에서 거리와 신호 크기에 근거하여 인체를 감지하고 감지된 인체의 위치를 파악한다.Then, the human body sensing unit 300 senses the human body based on the distance and the signal size in a state where the noise is removed from the raw data subjected to the preprocessing, and grasps the position of the human body.

즉, 위에서 설명한 바와 같이 256 샘플 횟수가 1m 정도를 나타내고 512 샘플 횟수가 2m 정도를 나타내는 바, 인체 감지부(300)는 200 샘플 횟수와 400 샘플 횟수 사이에 일정 크기 이상의 신호가 검출되면 해당 거리에 인체가 존재하는 것으로 판단하며 가장 큰 신호가 검출되는 위치에 인체가 위치하는 것으로 판단한다.That is, as described above, when the number of 256 samples is 1m and the number of 512 samples is 2m, the human body detector 300 detects a signal having a certain size or more between 200 samples and 400 samples, It is judged that the human body exists and it is judged that the human body is positioned at the position where the largest signal is detected.

이와 같이 인체 감지부(300)는 인체가 감지되고, 그 위치가 파악되면 인체 근처의 원시 데이터를 시간 진행에 따라 누적하여 저장한다. 이때, 저장되는 신호가 도 5에 도시되어 있으며, 도 6은 부분 확대도이다.When the human body is sensed and the position of the human body is recognized, the human body sensing unit 300 accumulates and stores the raw data in the vicinity of the human body as time progresses. At this time, a signal to be stored is shown in Fig. 5, and Fig. 6 is a partially enlarged view.

다음으로, 무호흡 측정 모듈(400)은 인체 위치에서 누적된 원시 데이터(원신호)를 이용하여 거리를 기준으로 최대값을 원신호로 선택하고, 선택된 원신호에서 임펄스 노이즈를 제거한 후에 호흡 신호를 산출하고 피크값을 검출하여 무호흡 구간을 감지한다.Next, the apnea measurement module 400 selects the maximum value as the original signal based on the distance using the accumulated raw data (original signal) at the human body position, and calculates the respiration signal after removing the impulse noise from the selected original signal And the peak value is detected to detect the apnea interval.

이와 같은 무호흡 측정 모듈(400)에서 원신호 취득부(410)는 인체 근처의 누적된 원시 데이터에서 거리를 기준으로(샘플 횟수를 기준으로라는 표현과 동일하다) 가장 큰 크기의 신호를 원신호로 취득한다. In the apnea measurement module 400, the original signal acquiring unit 410 acquires a signal having the largest size as a source signal, based on the distance from the accumulated raw data near the human body (the expression is based on the number of samples) .

이처럼 원신호 취득부(410)에서 취득한 원신호는 호흡 신호 그리고 노이즈가 합쳐진 신호로 N 시간 동안 축적된 원신호의 위치 별 파형은 도 7과 같다.The original signal acquired by the original signal acquisition unit 410 is a respiration signal and a noise combined signal. The waveform of the original signal accumulated for N hours is shown in FIG.

도 7의 파형을 보면 호흡으로 보이는 파형 이외에 노이즈들이 섞여 있는 것을 볼 수 있다. 이 노이즈들은 주변 환경(wifi, 보드 전원 노이즈 등)의 영향으로 발생한다.In the waveform of FIG. 7, it can be seen that the noise is mixed in addition to the waveform that appears as respiration. These noises are caused by the surrounding environment (wifi, board power noise, etc.).

도 7의 파형에서 호흡 위치와 호흡 수를 산출하기 위해선 주변 환경에 의해 발생된 이와 같은 임펄스 노이즈를 줄여 줄 필요가 있다. 7, it is necessary to reduce such impulse noise caused by the surrounding environment in order to calculate the respiration position and the breathing number.

임펄스 노이즈를 제거하지 않고 주파수 분석을 통해 호흡 위치 및 호흡 수를 찾을 경우 정상적인 결과를 얻기 힘들다. It is difficult to obtain normal results when the respiration position and respiration rate are searched through frequency analysis without removing the impulse noise.

상기 노이즈 제거부(420)는 이와 같은 임펄스 노이즈를 미디언 필터(Median Filter)를 사용하여 제거한다. The noise removing unit 420 removes the impulse noise using a median filter.

이때, 노이즈 제거부(420)는 임펄스 노이즈를 도 8의 (a)와 같은 조건을 통해 판별해 낼 수 있다. At this time, the noise removing unit 420 can determine the impulse noise through the same conditions as in FIG. 8 (a).

상기 노이즈 제거부(420)는 정상 신호를 임펄스 노이즈로 오인하는 위험을 줄이기 위해, 필터 윈도우 내의 표준편차 값이 표준편차 문턱값(threshold)을 넘을 경우에만 임펄스 노이즈 제거 로직을 적용한다.The noise remover 420 applies impulse noise removal logic only when the standard deviation value in the filter window exceeds a standard deviation threshold to reduce the risk of misinterpreting the normal signal as impulse noise.

즉, 도 8의 (a)에서 필터 윈도우의 크기가 n+1인 경우에 필터 윈도우에서 평균값이 점선으로 표시되어 있다.That is, in FIG. 8 (a), when the size of the filter window is n + 1, the average value in the filter window is indicated by a dotted line.

상기 노이즈 제거부(420)는 필터 윈도우에서 평균값보다 큰 xi와 x(i+1)에 대해서만 임펄스 노이즈 제거 로직을 적용한다.The noise remover 420 applies the impulse noise removal logic only to xi and x (i + 1) which are larger than the average value in the filter window.

이때, 노이즈 제거부(420)는 예로 들어 필터 윈도우의 샘플의 시작값을 x0이라하고, 필터 윈도우의 샘플의 최종값을 xn이라 할 때, 임펄스 노이즈에 해당하는 샘플 xi의 치환값 xi'은 xi'=x0+(xn-x0)*(i/윈도우 크기)로 구할 수 있다. 여기에서, i는 임펄스 노이즈에 해당하는 샘플의 순위를 나타낸다.In this case, for example, when the start value of the sample of the filter window is x0 and the final value of the sample of the filter window is xn, the noise removal section 420 substitutes the replacement value xi 'of the sample xi corresponding to the impulse noise by xi '= x0 + (xn-x0) * (i / window size). Here, i represents the rank of the sample corresponding to the impulse noise.

이처럼 노이즈 제거부(420)는 임펄스 노이즈에 해당하는 샘플의 주변의 정상 신호 샘플의 평균값과 필터 윈도우의 샘플 시작값 x0과 필터 윈도우의 샘플 최종값 xn의 경향성을 사용하여 새로운 값으로 치환하여 제거할 수 있다.As described above, the noise removing unit 420 may replace the average value of the normal signal samples around the sample corresponding to the impulse noise, the sample start value x0 of the filter window, and the sample final value xn of the filter window, .

이와 같이 노이즈 제거부(420)에 의해 임펄스 노이즈가 제거된 파형은 도 9와 같다. The waveform in which the impulse noise is removed by the noise remover 420 is shown in FIG.

다음으로, 호흡 신호 산출부(430)는 0.1 내지 1.5Hz의 대역을 갖는 대역 통과 필터 또는 이동 평균 윈도우(MAW : Moving Averaging Window)를 이용하여 도 10에 도시된 호흡 신호를 취득한다.Next, the breathing signal calculator 430 obtains the respiration signal shown in FIG. 10 using a band-pass filter having a band of 0.1 to 1.5 Hz or a moving average window (MAW).

이처럼 호흡 신호 산출부(430)는 임펄스 노이즈가 제거된 파형에서 호흡수를 측정하기 위해 대역 통과 필터 등을 사용하여 사람의 호흡수에 해당하는 주파수 범위 이외의 신호는 제거한다. In this way, the respiration signal calculator 430 uses a band-pass filter or the like to measure the respiratory rate in the waveform from which the impulse noise has been removed, thereby removing signals other than the respiration rate corresponding to the respiration rate of the human.

한편, 피크 검출부(440)는 도 11에 도시되어 있는 바와 같이 호흡 신호 산출부(430)를 통과한 호흡 신호의 입력 파형에서 일정 구간의 기울기 변화를 보고 고 피크(high peak)인지 저피크(low peak)인지를 구분해 내어 호흡수를 산출한다. 11, the peak detector 440 detects a change in the slope of a predetermined section of the input waveform of the breathing signal passing through the breathing signal calculator 430 and outputs a high peak or a low peak peak) to determine the number of breaths.

피크 검출부(440)는 피크 검출 윈도우 내 파형의 기울기가 +에서 -로 변하는 위치이면 피크를 파형의 고피크(high peak)로 판단하고, 파형의 기울기가 -에서 +로 변하는 위치이면 저피크(low peak)로 판단한다. The peak detector 440 determines that the peak is a high peak of the waveform if the slope of the waveform in the peak detection window changes from + to -, and if the slope of the waveform changes from - to + peak).

호흡수는 각 고피크의 개수와 시간 Δt를 사용하여 구할 수 있다. 예를 들어 도 11에서 Δt1가 5000ms 인 경우에, 1분당 호흡수는 (60*1000) / (5000/2) = 24 BPM(beat per minute) 이다. The number of breaths can be obtained using the number of high peaks and time Δt. For example, in Fig. 11, when? T1 is 5000 ms, the respiratory rate per minute is (60 * 1000) / (5000/2) = 24 BPM (beat per minute).

한편, 실시간 파형 분석을 통해 호흡수를 구할 경우 다음과 같은 고려가 필요하다. On the other hand, when the respiratory rate is obtained through real-time waveform analysis, the following consideration is necessary.

1. 노이즈의 영향 최소화1. Minimize the influence of noise

2. 무 호흡 상태에서 호흡 수 2. Breathing in no-breathing state

3. 움직임이 있는 경우3. When there is movement

노이즈의 영향을 최소화하기 위해 고피크와 저피크 간의 진폭 문턱값(amplitude threshold)을 두어 실제 호흡인지 아닌지를 구분해야하고, 기울기 계산을 위한 윈도우 크기를 조절하여 작은 노이즈의 영향을 줄여야 한다.In order to minimize the influence of noise, it is necessary to distinguish whether there is an actual breath or not by setting an amplitude threshold between a high peak and a low peak, and to reduce the influence of small noise by adjusting the window size for tilt calculation.

이를 위해 피크 검출부(440)는 초광대역 레이더 신호를 10fps(Frame per second) 비율로 취득할 경우, 윈도우 크기는 9를 사용한다. 이값이 작으면 노이즈의 영향을 많이 받게 되고, 이값이 크면 빠른 호흡에 대한 호흡 수 측정을 할 수 없게 된다. For this, the peak detector 440 uses a window size of 9 when the UWB radar signal is acquired at a frame rate of 10 fps. If this value is small, it is affected by noise. If this value is large, it is impossible to measure respiration rate for fast breathing.

한편, 무호흡 검출부(450)는 도 12에 도시된 바와 같이 고피크값을 갖는 파형의 진폭을 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제1 일정값(일예로 10% 내지 40%의 범위중에서 어느 값, 바람직하게 30%)을 넘으면 유효한 고피크값으로 판단한 후에, 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제2 일정값 이하이면(일예로 40% 이상에서 60%이하의 범위중에서 어느 값, 바람직하게 50%)에 해당하면 무호흡 구간에 진입한 것으로 판단한다.On the other hand, the apnea detector 450 compares the amplitude of the waveform having the high peak value with the average of the previous amplitude, as shown in FIG. 12, to calculate a first constant value of the average of the previous amplitudes (for example, , It is judged as a valid high peak value. If it is judged to be a valid peak value, it is compared with the average of the previous amplitudes, and if it is less than the second predetermined value of the average of the previous amplitudes (for example, A predetermined value, preferably 50%), it is determined that the user has entered the apnea period.

그리고, 무호흡 검출부(450)는 이러한 무호흡 구간이 진행되다가 무호흡 구간이 진행하기 전의 고피크값의 평균의 제2 일정값 이상이되면 무호흡 구간을 벗어난 것으로 판단한다.Then, the apnea detector 450 determines that the apnea interval is out of range when the apnea interval is longer than the second predetermined value of the average of the peak values before the apnea interval progresses.

상기 제1 일정값은 초광대역 레이더 장비에서 사람이 없는 빈공간에서의 노이즈 측정 후 정해야 한다. 도 12에서 제1 일정값을 넘지 않은 고피크값은 실체 호흡의 피크가 아닌 노이즈에 의한 피크임을 구분할 수 있다.The first constant value should be determined after the noise measurement in the empty space in the UWB radar equipment. In FIG. 12, a high peak value that does not exceed the first predetermined value can be identified as a peak due to noise, not a peak of actual respiration.

상기 무호흡 검출부(450)는 무호흡 구간에도 제1 일정값을 통해 호흡에 의한 피크 여부를 확인할 수 있다.The apnea detector 450 can determine whether the apnea is caused by respiration through the first constant value even during the apnea period.

또한, 무호흡 검출부(450)는 움직임이나 심한 노이즈 등의 경우에 대한 대비책은 다음과 같다.In addition, the apnea detection unit 450 measures to cope with the motion or severe noise.

1. 파형의 피크 위치를 기억해 두고, 중복된 고피크-고피크, 저피크-저피크가 발생할 경우 호흡 파형이 아닌 것으로 판단한다.1. The peak position of the waveform is memorized and it is judged that it is not a respiratory waveform when overlapping high peak-high peak, low peak-low peak occurs.

2. 고피크 간격을 사용한 호흡수와 저피크 간격을 사용한 호흡수를 계산하여 오차가 10%이상일 경우 호흡 파형이 아닌 것으로 판단한다.2. Calculate the number of breaths using the high-peak interval and the low-peak interval. If the error is more than 10%, it is judged that it is not the breathing waveform.

3. 실시간 파형 분석을 통해 계산된 호흡수가 정상 호흡 범위 내에 들지 않을 경우 호흡 파형이 아닌 것으로 판단한다.3. If the number of breaths calculated through real-time waveform analysis does not fall within the normal breathing range, it is judged that it is not a breathing waveform.

도 13은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 방법의 흐름도이다.13 is a flowchart of an apnea detection method using an UWB radar according to a preferred embodiment of the present invention.

도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 방법은 먼저 초광대역 레이더 모듈의 마이크로컨트롤러에서 신호를 받아 펄스 생성기에서 초광대역 펄스 신호를 생성해 송신 안테나를 통해 전송하여, 인체에서 반사되어 되돌아오는 초광대역 레이더 신호를 수신 안테나로 수신한다(S100).Referring to FIG. 13, a method for detecting apnea using an UWB radar according to an exemplary embodiment of the present invention includes receiving a signal from a microcontroller of an UWB radar module, generating a UWB pulse signal from a pulse generator, And receives the ultra-wideband radar signal reflected by the human body and returned to the receiving antenna (S100).

상기 초광대역 레이더 모듈이 생성하는 초광대역 펄스 신호는 90 내지 150Hz로 전송한다.The ultra-wideband pulse signal generated by the ultra-wideband radar module is transmitted at 90 to 150 Hz.

그리고, 초광대역 레이더 모듈은 수신 안테나를 통하여 인체에서 반사된 신호를 수신하고, 전증폭기에서 수신된 신호를 증폭하고, 지연기에서 지연된 시간후에 수신된 신호에 대하여 샘플러에서 샘플링을 수행하여 원시 데이터를 생성하여 출력한다.The UWB radar module receives the signal reflected from the human body through the receiving antenna, amplifies the signal received by the preamplifier, samples the received signal after the delay time in the delayer, and samples the raw data And outputs it.

다음으로, 전처리부는 초광대역 레이더 모듈에서 출력되는 원시 데이터를 전처리하여 노이즈를 제거한다(S110).Next, the preprocessor preprocesses the raw data output from the UWB radar module to remove noise (S110).

상기 초광대역 레이더 모듈에서 출력되는 신호에는 전원 노이즈, 열 노이즈 등을 많이 포함하고 있어 전처리부는 5~10GHz 대역을 갖는 대역통과필터를 사용하여 노이즈를 제거한다.The signal output from the UWB radar module includes power source noise, thermal noise, and the like, and the preprocessor removes noise using a band pass filter having a band of 5 to 10 GHz.

그리고, 인체 감지부는 전처리가 수행된 원시 데이터에 대하여 노이즈가 제거된 상태에서 거리와 신호 크기에 근거하여 인체를 감지하고 감지된 인체의 위치를 파악한다(S120).Then, the human body sensing unit senses the human body based on the distance and the signal size in a state where the noise is removed from the raw data subjected to the preprocessing, and determines the position of the human body (S120).

이와 같이 인체 감지부는 인체가 감지되고, 그 위치가 파악되면 인체 근처의 원시 데이터를 시간 진행에 따라 누적하여 저장한다.When the human body is sensed and the position of the human body is detected, the human body sensing unit accumulates raw data near the human body in accordance with the progress of time.

다음으로, 무호흡 측정 모듈의 원신호 취득부는 인체 근처의 누적된 원시 데이터에서 거리를 기준으로(샘플 횟수를 기준으로라는 표현과 동일하다) 가장 큰 크기의 신호를 원신호로 취득한다(S130). 이처럼 원신호 취득부에서 취득한 원신호는 호흡 신호, 심박 신호 그리고 노이즈가 합쳐진 신호이다.Next, the original signal acquiring unit of the apnea measurement module acquires the signal of the largest magnitude as the original signal (S130), based on the distance from the accumulated raw data near the human body (which is equivalent to the expression of the number of samples). As described above, the original signal acquired by the original signal acquisition unit is a signal in which a respiration signal, a heartbeat signal, and noise are combined.

이처럼 원신호 취득부에서 취득한 원신호는 호흡 신호 그리고 노이즈가 합쳐진 신호로 이 노이즈들은 주변 환경(wifi, 보드 전원 노이즈 등)의 영향으로 발생한다.As described above, the original signal acquired by the original signal acquisition unit is a signal obtained by combining a breathing signal and noise, and these noises are generated by the influence of the surrounding environment (wifi, board power noise, etc.).

호흡 위치와 호흡 수를 산출하기 위해선 주변 환경에 의해 발생된 이와 같은 임펄스 노이즈를 줄여 줄 필요가 있다. To calculate the respiration location and respiratory rate, it is necessary to reduce such impulse noise caused by the surrounding environment.

임펄스 노이즈를 제거하지 않고 주파수 분석을 통해 호흡 위치 및 호흡 수를 찾을 경우 정상적인 결과를 얻기 힘들다. It is difficult to obtain normal results when the respiration position and respiration rate are searched through frequency analysis without removing the impulse noise.

상기 노이즈 제거부는 이와 같은 임펄스 노이즈를 미디언 필터(Median Filter)를 사용하여 제거한다(S140). The noise removing unit removes the impulse noise using a median filter (S140).

이때, 노이즈 제거부는 정상 신호를 임펄스 노이즈로 오인하는 위험을 줄이기 위해, 필터 윈도우 내의 표준편차 값이 표준편차 문턱값(threshold)을 넘을 경우에만 임펄스 노이즈 제거 로직을 적용한다.At this time, the noise removing unit applies the impulse noise removal logic only when the standard deviation value in the filter window exceeds the standard deviation threshold (threshold) in order to reduce the risk of mistaking the normal signal as impulse noise.

상기 노이즈 제거부는 필터 윈도우에서 평균값보다 큰 일예로 xi와 x(i+1)에 대해서만 임펄스 노이즈 제거 로직을 적용한다.The noise removal unit applies impulse noise removal logic only for xi and x (i + 1), which is larger than the average value in the filter window.

이때, 노이즈 제거부는 예로 들어 필터 윈도우의 샘플의 시작값을 x0이라하고, 필터 윈도우의 샘플의 최종값을 xn이라 할 때, 임펄스 노이즈에 해당하는 샘플 xi의 치환값 xi'은 xi'=x0+(xn-x0)*(i/윈도우 크기)로 구할 수 있다. 여기에서, i는 임펄스 노이즈에 해당하는 샘플의 순위를 나타낸다.In this case, for example, when the start value of the sample of the filter window is x0 and the final value of the sample of the filter window is xn, the noise elimination unit substitutes xi 'of the sample xi corresponding to the impulse noise by xi' = x0 + xn-x0) * (i / window size). Here, i represents the rank of the sample corresponding to the impulse noise.

이처럼 노이즈 제거부는 임펄스 노이즈에 해당하는 샘플의 주변의 정상 신호 샘플의 평균값과 필터 윈도우의 샘플 시작값 x0과 필터 윈도우의 샘플 최종값 xn의 경향성을 사용하여 새로운 값으로 치환하여 제거할 수 있다.In this way, the noise removing unit can remove the noise value by replacing the mean value of the normal signal samples around the sample corresponding to the impulse noise with the new value using the sample start value x0 of the filter window and the sample final value xn of the filter window.

다음으로, 호흡 신호 산출부는 0.1 내지 1.5Hz의 대역을 갖는 대역 통과 필터 또는 이동 평균 윈도우(MAW : Moving Averaging Window)를 이용하여 호흡 신호를 취득한다(S150).Next, the breathing signal calculator obtains a breathing signal using a band-pass filter or a moving average window (MAW) having a band of 0.1 to 1.5 Hz (S150).

이처럼 호흡 신호 산출부는 임펄스 노이즈가 제거된 파형에서 호흡수를 측정하기 위해 대역 통과 필터 등을 사용하여 사람의 호흡수에 해당하는 주파수 범위 이외의 신호는 제거한다. In this way, the respiration signal calculator uses a band-pass filter or the like to measure the respiration rate in the waveform from which the impulse noise has been removed, thereby removing signals other than the frequency range corresponding to the human respiration rate.

한편, 피크 검출부는 호흡 신호 산출부를 통과한 호흡 신호의 입력 파형에서 일정 구간의 기울기 변화를 보고 고 피크(high peak)인지 저피크(low peak)인지를 구분해 내어 호흡수를 산출한다(S160). Meanwhile, the peak detector calculates the number of respirations by distinguishing the high peak or the low peak according to the slope change of the predetermined section in the input waveform of the respiration signal passing through the respiration signal calculator (S160) .

피크 검출부는 피크 검출 윈도우 내 파형의 기울기가 +에서 -로 변하는 위치이면 피크를 파형의 고피크(high peak)로 판단하고, 파형의 기울기가 -에서 +로 변하는 위치이면 저피크(low peak)로 판단한다. The peak detection section determines that the peak is a high peak of the waveform if the gradient of the waveform in the peak detection window changes from + to -, and if the gradient of the waveform changes from - to + .

호흡수는 각 고피크의 개수와 시간 Δt를 사용하여 구할 수 있다. 예를 들어 도 11에서 Δt1가 5000ms 인 경우에, 1분당 호흡수는 (60*1000) / (5000/2) = 24 BPM(beat per minute) 이다. The number of breaths can be obtained using the number of high peaks and time Δt. For example, in Fig. 11, when? T1 is 5000 ms, the respiratory rate per minute is (60 * 1000) / (5000/2) = 24 BPM (beat per minute).

한편, 실시간 파형 분석을 통해 호흡수를 구할 경우 다음과 같은 고려가 필요하다. On the other hand, when the respiratory rate is obtained through real-time waveform analysis, the following consideration is necessary.

1. 노이즈의 영향 최소화1. Minimize the influence of noise

2. 무 호흡 상태에서 호흡 수 2. Breathing in no-breathing state

3. 움직임이 있는 경우3. When there is movement

노이즈의 영향을 최소화하기 위해 고피크와 저피크 간의 진폭 문턱값(amplitude threshold)을 두어 실제 호흡인지 아닌지를 구분해야하고, 기울기 계산을 위한 윈도우 크기를 조절하여 작은 노이즈의 영향을 줄여야 한다.In order to minimize the influence of noise, it is necessary to distinguish whether there is an actual breath or not by setting an amplitude threshold between a high peak and a low peak, and to reduce the influence of small noise by adjusting the window size for tilt calculation.

이를 위해 피크 검출부는 초광대역 레이더 신호를 10fps(Frame per second) 비율로 취득할 경우, 윈도우 크기는 9를 사용한다. 이값이 작으면 노이즈의 영향을 많이 받게 되고, 이값이 크면 빠른 호흡에 대한 호흡 수 측정을 할 수 없게 된다. For this purpose, the peak detector uses a window size of 9 when acquiring an ultra wideband radar signal at a frame rate of 10 fps. If this value is small, it is affected by noise. If this value is large, it is impossible to measure respiration rate for fast breathing.

한편, 무호흡 검출부는 고피크값을 갖는 파형의 진폭을 이전 진폭의 평균과 비교하여(S170) 이전 진폭의 평균의 제1 일정값(일예로 10% 내지 40%의 범위중에서 어느 값, 바람직하게 30%)을 넘으면 유효한 고피크값으로 판단한 후에(S180), 이전 진폭의 평균과 비교하여(S190) 이전 진폭의 평균의 제2 일정값 이하이면(일예로 40% 이상에서 60%이하의 범위중에서 어느 값, 바람직하게 50%)에 해당하면 무호흡 구간에 진입한 것으로 판단한다(S200).On the other hand, the apnea detection unit compares the amplitude of the waveform having the high peak value with the average of the previous amplitude (S170), and determines the first predetermined value of the amplitude of the previous amplitude (for example, any value in the range of 10% to 40% %), It is determined that the peak value is a valid peak value (S180). If it is determined that the peak value is greater than the second predetermined value of the average of the previous amplitudes (for example, from 40% Value, preferably 50%), it is determined that the user has entered the apnea interval (S200).

이와 달리 무호흡 검출부는 고피크값을 갖는 파형의 진폭을 이전 진폭의 평균과 비교하여(S170) 이전 진폭의 평균의 제1 일정값(일예로 10% 내지 40%의 범위중에서 어느 값, 바람직하게 30%)을 넘지 않으면 유효하지 않은 고피크값으로 판단하여 이를 고피크값의 목록등에서 제거한다(S182).In contrast, the apnea detection unit compares the amplitude of the waveform having the high peak value with the average of the previous amplitude (S170), and determines the first predetermined value of the amplitude of the previous amplitude (for example, any value in the range of 10% to 40% %), It is judged as an invalid high peak value and removed from the list of high peak values or the like (S182).

한편, 무호흡 검출부는 고피크값을 갖는 파형의 진폭을 이전 진폭의 평균과 비교하여(S170) 이전 진폭의 평균의 제1 일정값(일예로 10% 내지 40%의 범위중에서 어느 값, 바람직하게 30%)을 넘으면 유효한 고피크값으로 판단한 후에(S180), 이전 진폭의 평균과 비교하여(S190) 이전 진폭의 평균의 제2 일정값 이상이면(일예로 40% 이상에서 60%이하의 범위중에서 어느 값, 바람직하게 50%)에 해당하면 여전히 호흡 구간에 있는 것으로 판단한다(S202).On the other hand, the apnea detection unit compares the amplitude of the waveform having the high peak value with the average of the previous amplitude (S170), and determines the first predetermined value of the amplitude of the previous amplitude (for example, any value in the range of 10% to 40% (S180). If it is greater than or equal to the second predetermined value of the average of the previous amplitudes (for example, within a range from 40% to 60% inclusive) Value, preferably 50%), it is determined that it is still in the breath interval (S202).

다음으로, 무호흡 검출부는 S180의 판단을 반복하며 이러한 무호흡 구간이 진행되다가 무호흡 구간이 진행하기 전의 고피크값의 평균의 제2 일정값 이상이 되면 무호흡 구간을 벗어난 것으로 판단하고 호흡 구간에 진입한 것으로 판단한다(S202).Next, the apnea detection unit repeats the determination of S180. If it is determined that the apnea interval exceeds the second predetermined value of the average of the high peak values before the apnea interval progresses, the apnea detection unit determines that the apnea interval has passed and enters the breathing interval (S202).

상기 제1 일정값은 초광대역 레이더 장비에서 사람이 없는 빈공간에서의 노이즈 측정 후 정해야 한다. The first constant value should be determined after the noise measurement in the empty space in the UWB radar equipment.

상기 무호흡 검출부는 무호흡 구간에도 제1 일정값을 통해 호흡에 의한 피크 여부를 확인할 수 있다.The apnea detection unit may determine whether a peak due to breathing is present through the first constant value even in the apnea period.

또한, 무호흡 검출부는 움직임이나 심한 노이즈 등의 경우에 대한 대비책은 다음과 같다.In addition, the apnea detection unit measures the following measures in case of motion or severe noise.

1. 파형의 피크 위치를 기억해 두고, 중복된 고피크-고피크, 저피크-저피크가 발생할 경우 호흡 파형이 아닌 것으로 판단한다.1. The peak position of the waveform is memorized and it is judged that it is not a respiratory waveform when overlapping high peak-high peak, low peak-low peak occurs.

2. 고피크 간격을 사용한 호흡수와 저피크 간격을 사용한 호흡수를 계산하여 오차가 10%이상일 경우 호흡 파형이 아닌 것으로 판단한다.2. Calculate the number of breaths using the high-peak interval and the low-peak interval. If the error is more than 10%, it is judged that it is not the breathing waveform.

3. 실시간 파형 분석을 통해 계산된 호흡수가 정상 호흡 범위 내에 들지 않을 경우 호흡 파형이 아닌 것으로 판단한다.3. If the number of breaths calculated through real-time waveform analysis does not fall within the normal breathing range, it is judged that it is not a breathing waveform.

한편, 레이더를 이용한 종래 기술은 호흡수 분석의 주파수 분석에서 최대값과 두번째 최대값의 차이가 일정값 이하이면 무호흡으로 감지한다.On the other hand, according to the conventional technology using radar, if the difference between the maximum value and the second maximum value is below a predetermined value in the frequency analysis of breath analysis, it is detected as apnea.

이와 같은 종래 기술은 시계 분석을 하지 않기 때문에 정확도가 떨어지고 다른 여러 가지 어려운 점이 있다..Such a conventional technique does not perform a clock analysis and thus has a low accuracy and various other difficulties.

그 일예로 주파수 분석은 주로 일정 시간(5초 또는 10초)의 데이터를 모아서 정확한 무호흡 시점을 확인할 수 없다.For example, the frequency analysis can not collect the data of a certain time (5 seconds or 10 seconds) to confirm the apnea time.

도 12에 도시된 바와 같이 림과 같은 호흡 신호에 대해선 정확한 무호흡 시점은 아주 작은 신호 크기가 나온 시점이다. As shown in FIG. 12, for the respiration signal such as the rim, the accurate apnea time point is a time point when a very small signal size comes out.

하지만 종래 주파수 분석으로는 신호가 작아지기 전까지 계속해서 호흡 신호를 감지하게 되어 정확한 무호흡 시점을 알 수 없었다.However, in the conventional frequency analysis, the respiratory signal was continuously detected until the signal became smaller, and the accurate apnea time point could not be known.

그러나, 본 발명에 따르면 시간 분석을 사용하여 신호가 작아지기 시작하는 지점을 정확하게 검출하여 무호흡 시점을 알 수 있도록 한다.However, according to the present invention, by using time analysis, a point at which the signal starts to be made smaller can be accurately detected so that the apnea time can be known.

또한, 종래 기술에 따르면, 측정자의 움직이지 않은 상태에서 생체 신호를 취득하더라도 1cm 이하로 작게 움직일 수 있으며, 이런 경우 도 14에 도시된 것처럼 신호가 전체적으로 움직이게 된다. In addition, according to the related art, even if a living body signal is acquired in a state where the measurer is not moving, it can be moved to a small size of 1 cm or less. In this case, the signal moves as a whole as shown in FIG.

한편, 종래 기술에 따르면, 초광대역 레이더에서 전혀 움직임이 없는 공간에 대해서도 열노이즈나 다른 장비에서의 노이즈에 의해 작은 신호의 변화가 나타난다. 이런 노이즈는 실제 생체 신호를 취득할 때 움직임이 없는 경우 움직임을 감지하거나 움직임의 크기를 변화시키는 문제를 발생한다. 또한 레이더 설치 환경에 따라 노이즈가 커질 수 있다. 도 15는 움직임이 전혀 없는 공간에 대해 신호를 나타내고 있다. 이 신호의 시간에 따른 변화는 도 16에 도시되어 있다.On the other hand, according to the related art, a small signal changes due to thermal noise or noise from other equipment even in a space free from motion in an ultra-wideband radar. Such noise causes a problem of detecting a motion or changing the size of a motion when there is no motion when acquiring an actual biological signal. Also, the noise may increase depending on the radar installation environment. Fig. 15 shows a signal for a space having no motion. The change with time of this signal is shown in Fig.

또한 와이 파이와 같은 비슷한 주파수 대역을 사용하는 전파가 존재하는 경우(도 7 참조)에 큰 노이즈가 발생한다.Also, when there is a radio wave using a similar frequency band such as Wi-Fi (see Fig. 7), a large noise is generated.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 임펄스 노이즈를 제거하는 미디어 필터를 사용하여 해결하고, 진폭 문턱값을 이용하여 유효하지 않는 피크 신호를 제거하여 정확한 무호흡 구간의 검출이 가능하도록 한다.The present invention solves such a problem of the related art by using a media filter that removes impulse noise and removes an ineffective peak signal by using an amplitude threshold value so that an accurate apnea interval can be detected.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments of the present invention are not intended to limit the scope of the present invention but to limit the scope of the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

100 : 초광대역 레이더 모듈 200 : 전처리부
300 : 인체 감지부 400 : 무호흡 측정 모듈
410 : 원신호 취득부 420 : 노이즈 제거부
430 : 호흡 신호 산출부 440 : 피크 검출부
450 : 무호흡 검출부
100: ultra-wideband radar module 200: preprocessing section
300: Human body sensing part 400: Apnea measurement module
410: original signal acquisition unit 420: noise rejection unit
430: respiration signal calculation unit 440: peak detection unit
450: Apnea detection unit

Claims (18)

일정 주기로 초광대역 펄스 신호를 생성하여 전송하고, 인체에서 반사된 초광대역 펄스 신호를 수신하여 원시 데이터를 생성하여 출력하는 초광대역 레이더 모듈;
상기 원시 데이터에서 인체 위치를 파악하며, 파악된 인체 위치의 원시 데이터를 시간에 따라 누적하여 출력하는 인체 감지부; 및
상기 인체 감지부에서 누적하여 출력되는 원시 데이터에서 인체 가슴 위치의신호를 원신호로 취득하여 거리를 기준으로 최대값을 원신호로 선택하고, 선택된 원신호에서 임펄스 노이즈를 제거한 후에 호흡 신호를 산출하여 피크값을 검출하고, 무호흡 구간을 감지하는 무호흡 측정 모듈을 포함하며,
상기 무호흡 측정 모듈은
상기 인체 감지부에서 누적하여 출력되는 원시 데이터에서 인체 가슴 위치의신호를 원신호로 취득하여 출력하는 원신호 취득부;
상기 원신호 취득부에서 취득한 원신호에서 임펄스 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부;
상기 노이즈 제거부에서 임펄스 노이즈가 제거된 원신호에서 호흡 신호를 취득하는 호흡 신호 산출부;
상기 호흡 신호 산출부에서 산출한 호흡 신호에서 일정 구간의 피크 신호에 대하여 고피크(high peak)인지 저피크(low peak)인지를 구분해 내어 호흡수를 산출하는 피크 검출부; 및
상기 피크 검출부에서 검출한 피크 신호를 이용하여 진폭을 산출하여 무호흡 구간을 감지하는 무호흡 검출부를 포함하며,
상기 피크 검출부는 상기 호흡 신호 산출부를 통과한 호흡 신호의 입력 파형에서 일정 구간의 기울기 변화를 보고 고피크(high peak)인지 저피크(low peak)인지를 구분해 내어 호흡수를 산출하며,
상기 무호흡 검출부는 고피크값을 갖는 파형의 진폭을 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제1 일정값을 넘으면 유효한 고피크값으로 판단한 후에, 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제2 일정값 이하이면 무호흡 구간에 진입한 것으로 판단하는 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치.
An ultrawide broadband radar module for generating and transmitting an ultrawideband pulse signal at a predetermined cycle, receiving ultra-wideband pulse signals reflected from a human body to generate raw data, and outputting the raw data;
A human body sensing unit for grasping a human body position in the raw data, accumulating raw data of the detected human body position according to time, and outputting the accumulated raw data; And
A human body chest position signal is obtained from the raw data accumulated in the human body sensing unit as a raw signal, a maximum value is selected as a raw signal based on the distance, an impulse noise is removed from the selected original signal, An apnea measurement module for detecting a peak value and detecting an apnea interval,
The apnea measurement module
An original signal acquisition unit for acquiring a signal of a human body chest position as a raw signal from the raw data accumulated in the human body sensing unit and outputting the raw signal;
A noise removing unit for removing impulse noise from the original signal acquired by the original signal acquiring unit;
A respiration signal calculation unit for acquiring a respiration signal from the original signal from which the impulse noise is removed in the noise elimination;
A peak detector for dividing a peak signal of a predetermined section in the respiration signal calculated by the respiration signal calculator into a high peak or a low peak to calculate a breathing number; And
And an apnea detection unit for detecting an apnea interval by calculating an amplitude using the peak signal detected by the peak detector,
The peak detector calculates a respiratory rate by distinguishing a high peak or a low peak according to a slope change of a predetermined section in an input waveform of a respiration signal passing through the respiration signal calculator,
The apnea detection unit compares the amplitude of the waveform having the high peak value with the average of the previous amplitudes to determine a valid peak value when the amplitude exceeds a first predetermined value of the average of the previous amplitudes, If the second predetermined value is less than the second predetermined value, it is determined that the robot enters the apnea interval.
청구항 1항에 있어서,
상기 원시 데이터를 전처리하여 상기 인체 감지부로 출력하는 전처리부를 더 포함하는 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치.
The method according to claim 1,
And a preprocessor for preprocessing the raw data and outputting the preprocessed data to the human body sensing unit.
청구항 1항에 있어서,
상기 인체 감지부는 원시 데이터에서 거리와 신호 크기를 이용하여 인체를 감지하고 감지된 인체 위치를 파악하며, 해당 인체 근처의 원시 데이터를 시간 진행에 따라 누적하여 출력하는 것을 특징으로 하는 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the human body detection unit detects the human body using the distance and the signal size from the raw data and grasps the detected human body position and accumulates the raw data near the human body according to the time progression and outputs the accumulated data. Apnea detection device.
삭제delete 청구항 1항에 있어서,
상기 노이즈 제거부는
상기 원신호 취득부에서 취득한 원신호에 미디언 필터를 적용하여 임펄스 노이즈를 제거하며, 필터 윈도우에서 평균값보다 큰 샘플에 대하여 임펄스 노이즈 제거 로직을 적용하는 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치.
The method according to claim 1,
The noise removing unit
Wherein the impulse noise eliminating unit applies a median filter to the original signal acquired by the original signal acquiring unit and applies impulse noise elimination logic to samples larger than an average value in the filter window.
청구항 5항에 있어서,
상기 노이즈 제거부는 필터 윈도우의 샘플의 시작값을 x0이라하고, 필터 윈도우의 샘플의 최종값을 xn이라 할 때, 임펄스 노이즈에 해당하는 샘플 xi의 치환값 xi'은 xi'=x0+(xn-x0)*(i/윈도우 크기)로 산출하며, 여기에서 i는 샘플의 순위를 나타내는 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치.
The method of claim 5,
The noise canceller calculates xi '= x0 + (xn-x0) (xi') as a substitute value of the sample xi corresponding to the impulse noise when the starting value of the sample of the filter window is x0 and the final value of the sample of the filter window is xn. ) * (i / window size), where i is the ultra-wideband radar indicating the position of the sample.
삭제delete 삭제delete 청구항 1항에 있어서,
상기 무호흡 검출부는
상기 무호흡 구간이 진행되다가 무호흡 구간이 진행하기 전의 고피크값의 평균의 제2 일정값 이상이 되면 무호흡 구간을 벗어난 것으로 판단하는 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치.
The method according to claim 1,
The apnea detection unit
Wherein the apnea detection unit determines that the apnea interval is out of range when the apnea interval progresses to a second predetermined value or more of an average of high peak values before the apnea interval progresses.
청구항 1항에 있어서,
상기 무호흡 검출부는 고피크값을 갖는 파형의 진폭을 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제1 일정값을 넘지 않으면 유효하지 않은 고피크값으로 판단하는 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the apnea detection unit compares an amplitude of a waveform having a high peak value with an average of previous amplitudes to determine an ineffective peak value if the amplitude does not exceed a first predetermined value of the average of the previous amplitudes.
(A) 초광대역 레이더 모듈이 일정 주기로 초광대역 펄스 신호를 생성하여 전송하고, 인체에서 반사된 초광대역 펄스 신호를 수신하여 원시 데이터를 생성하여 출력하는 단계;
(B) 인체 감지부가 상기 원시 데이터에서 인체 위치를 파악하며, 파악된 인체 위치의 원시 데이터를 시간에 따라 누적하여 출력하는 단계;
(C) 무호흡 측정 모듈이 상기 인체 감지부에서 누적하여 출력되는 원시 데이터에서 인체 가슴 위치의 신호를 원신호로 취득하여 거리를 기준으로 최대값을 원신호로 선택하는 단계; 및
(D) 상기 무호흡 측정 모듈이 선택된 원신호에서 임펄스 노이즈를 제거한 후에 호흡 신호를 산출하여 피크값을 검출하고, 무호흡 구간을 감지하는 단계를 포함하며,
상기 (D) 단계는
(D-1) 상기 무호흡 측정 모듈이 원신호에서 임펄스 노이즈를 제거하는 단계;
(D-2) 상기 무호흡 측정 모듈이 임펄스 노이즈가 제거된 원신호에서 호흡 신호를 취득하는 단계;
(D-3) 상기 무호흡 측정 모듈이 호흡 신호에서 일정 구간의 피크 신호에 대하여 고피크(high peak)인지 저피크(low peak)인지를 구분해 내어 호흡수를 산출하는 단계; 및
(D-4) 상기 무호흡 측정 모듈이 피크 신호를 이용하여 진폭을 산출하여 무호흡 구간을 감지하는 단계를 포함하며,
상기 (D-3) 단계에서 상기 무호흡 측정 모듈은 호흡 신호의 입력 파형에서 일정 구간의 기울기 변화를 보고 고피크(high peak)인지 저피크(low peak)인지를 구분해 내어 호흡수를 산출하며,
상기 (D-4) 단계는 상기 무호흡 측정 모듈이 고피크값을 갖는 파형의 진폭을 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제1 일정값을 넘으면 유효한 고피크값으로 판단한 후에, 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제2 일정값 이하이면 무호흡 구간에 진입한 것으로 판단하는 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 방법.
(A) generating and transmitting an ultrawideband pulse signal at an interval of a predetermined period, receiving ultrasound pulse signals reflected from a human body to generate and output raw data, and
(B) the human body detecting unit grasps a human body position in the raw data, and accumulates and outputs raw data of the detected human body position according to time;
(C) acquiring a human chest position signal as a raw signal from raw data accumulated in the human body sensing unit by the apnea measurement module, and selecting a maximum value as a raw signal based on the distance; And
(D) calculating a breathing signal after the impulse noise is removed from the original signal selected by the apnea measurement module, detecting a peak value, and detecting an apnea interval,
The step (D)
(D-1) removing the impulse noise from the original signal by the apnea measurement module;
(D-2) the apnea measurement module acquiring a respiration signal from the original signal from which the impulse noise is removed;
(D-3) dividing whether the apnea measurement module is a high peak or a low peak with respect to a peak signal of a predetermined interval in the respiration signal to calculate a breathing number; And
(D-4) The apnea measurement module calculates an amplitude using a peak signal to detect an apnea interval,
In step (D-3), the apnea measurement module calculates a respiratory rate by distinguishing a high peak or a low peak according to a slope change of a predetermined interval in an input waveform of a respiration signal,
In the step (D-4), the apnea measurement module compares the amplitude of the waveform having the high peak value with the average of the previous amplitude, and if it exceeds the first predetermined value of the average of the previous amplitude, Of the average of the previous amplitudes is less than a second predetermined value, it is determined that the robot enters the apnea period.
삭제delete 청구항 11항에 있어서,
상기 (D-2) 단계에서 상기 무호흡 측정 모듈은 원신호에 미디언 필터를 적용하여 임펄스 노이즈를 제거하며, 필터 윈도우에서 평균값보다 큰 샘플에 대하여 임펄스 노이즈 제거 로직을 적용하는 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 방법.
12. The method of claim 11,
In the step (D-2), the apnea measurement module applies a median filter to the original signal to remove impulse noise, and applies an impulse noise removal logic to samples larger than an average value in a filter window. Detection method.
청구항 13항에 있어서,
상기 (D-2) 단계에서 상기 무호흡 측정 모듈은 필터 윈도우의 샘플의 시작값을 x0이라하고, 필터 윈도우의 샘플의 최종값을 xn이라 할 때, 임펄스 노이즈에 해당하는 샘플 xi의 치환값 xi'은 xi'=x0+(xn-x0)*(i/윈도우 크기)로 산출하며, 여기에서 i는 샘플의 순위를 나타내는 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 방법.
The method of claim 13,
In step (D-2), the apnea measurement module calculates a replacement value xi 'of the sample xi corresponding to the impulse noise when the starting value of the sample of the filter window is x0 and the final value of the sample of the filter window is xn, Is calculated as xi '= x0 + (xn-x0) * (i / window size), where i is the rank of the sample.
삭제delete 삭제delete 청구항 11항에 있어서,
상기 (D-4) 단계 이후에
(D-5) 상기 무호흡 측정 모듈이 상기 무호흡 구간이 진행되다가 무호흡 구간이 진행하기 전의 고피크값의 평균의 제2 일정값 이상이 되면 무호흡 구간을 벗어난 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 방법.
12. The method of claim 11,
After the step (D-4)
(D-5) determining that the apnea interval has exceeded a second predetermined value of the average of the high peak values before the apnea interval progresses, .
청구항 11항에 있어서,
상기 (D-4) 단계에서 상기 무호흡 측정 모듈이 고피크값을 갖는 파형의 진폭을 이전 진폭의 평균과 비교하여 이전 진폭의 평균의 제1 일정값을 넘지 않으면 유효하지 않은 고피크값으로 판단하는 초광대역 레이더를 이용한 무호흡 감지 방법.
12. The method of claim 11,
In step (D-4), the apnea measurement module compares the amplitude of the waveform having the high peak value with the average of the previous amplitude, and determines that it is not an effective high peak value unless the first predetermined value of the average of the previous amplitude is exceeded A method for detecting apnea using ultra wideband radar.
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102266555B1 (en) * 2019-05-30 2021-06-17 한양대학교 산학협력단 Non-invasive/non-contact type sleep apnea detection and diagnosis apparatus and method using IR-UWB radar
KR102384211B1 (en) * 2019-12-30 2022-04-07 연세대학교 원주산학협력단 System and method for monitoring of patient using sensor
KR102531055B1 (en) * 2021-05-24 2023-05-10 주식회사 플렉스시스템 Living space monitoring system based on bio-signal measurement
CN114176535B (en) * 2021-12-14 2024-06-14 北京中科蓝电科技有限公司 Ultra-wideband-based non-contact sign monitoring device and method
CN116098602B (en) * 2023-01-16 2024-03-12 中国科学院软件研究所 Non-contact sleep respiration monitoring method and device based on IR-UWB radar

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120245479A1 (en) * 2011-03-23 2012-09-27 Meena Ganesh Physiology Monitoring and Alerting System and Process
JP2015533567A (en) * 2012-10-05 2015-11-26 トランスロボティックス,インク. System and method for high resolution distance sensing and application thereof
US20160022204A1 (en) * 2013-03-13 2016-01-28 Kirill Mostov An apparatus for remote contactless monitoring of sleep apnea

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100662103B1 (en) 2005-01-31 2006-12-27 한양대학교 산학협력단 Method and apparatus for diagnosing sleep apnea and treating according to sleep apnea type
KR101279384B1 (en) * 2011-11-25 2013-07-04 (주)코어테크놀로지 Breath Measurement System based on X-Band Doppler Radar.
KR20140003867A (en) 2012-06-29 2014-01-10 전자부품연구원 System and method for monitoring sleep apnea and stage of sleep
KR101456461B1 (en) 2012-11-26 2014-10-31 경희대학교 산학협력단 supplemental sleeping appliance for snoring and sleep apnea
KR101669453B1 (en) 2015-06-08 2016-10-27 유익수 Sleep apnea management device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120245479A1 (en) * 2011-03-23 2012-09-27 Meena Ganesh Physiology Monitoring and Alerting System and Process
JP2015533567A (en) * 2012-10-05 2015-11-26 トランスロボティックス,インク. System and method for high resolution distance sensing and application thereof
US20160022204A1 (en) * 2013-03-13 2016-01-28 Kirill Mostov An apparatus for remote contactless monitoring of sleep apnea

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
일본 공표특허공보 특표2015-533567호(2015.11.26.) 1부. *

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