KR20230077607A - Apparatus and method for determining a distance for measuring heartbeat based on temporal phase coherency - Google Patents

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KR20230077607A
KR20230077607A KR1020220051946A KR20220051946A KR20230077607A KR 20230077607 A KR20230077607 A KR 20230077607A KR 1020220051946 A KR1020220051946 A KR 1020220051946A KR 20220051946 A KR20220051946 A KR 20220051946A KR 20230077607 A KR20230077607 A KR 20230077607A
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signal
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신현출
최호익
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숭실대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to an apparatus and a method for determining a heartbeat measurement distance based on temporal phase coherency. According to the present invention, the method for determining a heartbeat measurement distance is performed by an apparatus for determining an optimal distance for heartbeat measurement between a target and radar and comprises: a step of receiving a signal transmitted through the radar and then reflected from the target; a step of extracting a phase signal in accordance with time and distance from a signal resulting from fast-Fourier-transforming an intermediate frequency signal generated by using a reception signal and a transmission signal of the radar; a step of dividing the phase signal into amplitude signals for the phase signal to normalize the intensity of the phase signal; a step of detecting a period from a normalized phase signal acquired through the normalization; a step of determining coherency for each distance between the normalized phase signal and a normalized phase signal shifted by the detected period; and a step of determining the optimal distance for heartbeat measurement based on the coherency for each distance. According to the present invention, a temporal coherency index for quantifying a phase signal extracted from a radar signal and a phase signal time-moved by one period can be used to select the distance with the highest index value as an optimal distance to measure accurate heartbeat signals in comparison to conventional methods.

Description

시간적 위상 코히어런시에 기반한 심박 측정 거리 결정 장치 및 방법{Apparatus and method for determining a distance for measuring heartbeat based on temporal phase coherency}Apparatus and method for determining a distance for measuring heartbeat based on temporal phase coherency

본 발명은 시간적 위상 코히어런시에 기반한 심박 측정 거리 결정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 레이더를 이용하여 심박 신호를 측정하기 위하여 레이더와 목표 대상 사이의 최적 거리를 결정할 수 있는 심박 측정 거리 결정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for determining a heart rate measurement distance based on temporal phase coherency, and more particularly, to a radar and a target for measuring a heart rate signal using a frequency modulated continuous wave (FMCW) radar. An apparatus and method for determining a heart rate measurement distance capable of determining an optimal distance between objects.

FMCW 레이더는 표적의 거리(range) 및 변위(displacement) 정보를 모두 얻을 수 있다. 거리 및 변위에 대한 정보는 복조된 레이더 신호의 스펙트럼 구성 요소에 있으며, 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT)과 같은 스펙트럼 분석을 통해 추출될 수 있다. The FMCW radar can obtain both range and displacement information of the target. Information on distance and displacement is in the spectral components of the demodulated radar signal and can be extracted through spectral analysis such as Discrete Fourier Transform (DFT).

FMCW 레이더는 밀리미터(mm) 파를 활용하기 때문에, 전력 소모가 적고 포장의 크기를 작게 할 수 있는 장점이 있다. 이러한 특성으로 인해 FMCW 레이더는 거리 및 변위에 대한 분석 요구가 존재하는 다양한 분야에 널리 적용되어 왔으며, 그러한 분야로서 자동차 제어 시스템, 제스처 인식, 구조 모니터링 및 수위 측정 등이 있다.Since FMCW radar utilizes millimeter (mm) waves, it has the advantage of being able to reduce the size of the package with low power consumption. Due to these characteristics, FMCW radar has been widely applied to various fields where there is a need for analysis of distance and displacement, such as automotive control systems, gesture recognition, structure monitoring, and water level measurement.

생체 의학 분야에서는 호흡 및 심장 박동과 같은 비접촉 활력 징후(non-contact vital sign)의 모니터링에 FMCW 레이더가 적용되고 있다. 비접촉 활력 징후 모니터링은 사용자에게 불편함을 주지 않고도 지속적으로 작동할 수 있어 노인 가정 의료 관리, 영아 돌연사 증후군 예방, 운전자 모니터링 시스템, 생존자 수색 등에 유용하다.In biomedical applications, FMCW radar is being applied to monitoring non-contact vital signs such as respiration and heart rate. Non-contact vital sign monitoring can operate continuously without causing inconvenience to the user, making it useful for home health care for the elderly, prevention of sudden infant death syndrome, driver monitoring systems, and search for survivors.

FMCW 레이더 신호에서 생체 신호를 추출하는 일반적인 프로세스는 주로 스펙트럼의 분해 및 거리 빈(range bin)의 선택으로 구성된다. DFT를 통한 스펙트럼 분해 후 각 거리 빈 또는 주파수 빈에서 크기와 위상이 얻어진다. 거리 프로파일이라고 불리는 각 거리 빈의 크기와 위상은 변위 정보를 포함한다. 거리 프로파일에서 활력 징후를 추출하려면 활력 정보가 존재하는 특정 거리 빈이 선택될 필요가 있다. 예를 들어, 호흡은 복부 또는 가슴 근처 범위에서 측정되고 심장 박동은 목과 같이 피부가 얇은 범위에서 측정된다. The general process of extracting biosignals from FMCW radar signals mainly consists of decomposition of the spectrum and selection of range bins. Magnitude and phase are obtained at each distance bin or frequency bin after spectral decomposition via DFT. The magnitude and phase of each distance bin, called the distance profile, contains displacement information. In order to extract vital signs from distance profiles, specific distance bins in which vital information exists need to be selected. For example, breathing is measured in a range near the abdomen or chest, and heart rate is measured in a thin-skin range such as the neck.

기존의 방법에서는 크기 또는 위상을 기초로 범위 빈이 선택된다. 최대 위상 변화를 가진 거리 빈을 선택하는 기존의 방법은 위상 노이즈에 취약하다. 또한 거리 빈을 잘못 선택하면 활력 징후 모니터링이 부정확해질 수 있다. 따라서 거리 빈의 선택은 활력 징후를 정확하게 감지하는 데 매우 중요하다.In existing methods, range bins are selected based on magnitude or phase. Existing methods for selecting distance bins with maximum phase shift are vulnerable to phase noise. Incorrect choice of distance bins can also lead to inaccurate vital sign monitoring. Therefore, the selection of distance bins is very important for accurate detection of vital signs.

본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허 제10-1895324호(2018.09.05. 공고)에 개시되어 있다.The background technology of the present invention is disclosed in Republic of Korea Patent Registration No. 10-1895324 (Announcement on September 5, 2018).

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 레이더를 이용하여 심박을 측정하기 위하여 레이더와 타겟 사이의 최적 거리를 결정할 수 있는 시간적 위상 코히어런시에 기반한 심박 측정 거리 결정 장치 및 방법을 제시하는 것에 있다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for determining a heart rate measurement distance based on temporal phase coherency capable of determining an optimal distance between a radar and a target in order to measure a heart rate using a radar.

본 발명은, 레이더와 타겟 사이의 심박 측정을 위한 최적 거리를 결정하는 장치에 의해 수행되는 심박 측정 거리 결정 방법에 있어서, 상기 레이더를 통해 송출된 후 타겟으로부터 반사된 신호를 수신하는 단계와, 상기 레이더의 송신 신호와 수신 신호를 이용하여 생성한 중간 주파수 신호를 고속 푸리에 변환한 신호로부터 시간과 거리에 따른 위상 신호를 추출하는 단계와, 상기 위상 신호를 상기 위상 신호에 대한 진폭 신호로 나누어 상기 위상 신호의 크기를 정규화하는 단계와, 상기 정규화를 통해 획득한 정규화 위상 신호로부터 주기를 탐지하는 단계와, 상기 정규화 위상 신호와 상기 탐지된 주기만큼 쉬프트된 정규화 위상 신호 사이의 거리 별 코히어런시를 결정하는 단계, 및 상기 거리 별 코히어런시를 바탕으로 상기 심박 측정을 위한 최적 거리를 결정하는 단계를 포함하는 심박 측정 거리 결정 방법을 제공한다.The present invention provides a heart rate measurement distance determination method performed by an apparatus for determining an optimal distance for heart rate measurement between a radar and a target, comprising the steps of receiving a signal transmitted through the radar and then reflected from the target; Extracting a phase signal according to time and distance from a fast Fourier transform signal of an intermediate frequency signal generated using a radar transmission signal and a reception signal, and dividing the phase signal by an amplitude signal for the phase signal to obtain the phase signal Normalizing the magnitude of the signal, detecting a period from the normalized phase signal obtained through the normalization, and calculating coherency by distance between the normalized phase signal and the normalized phase signal shifted by the detected period. A method for determining a heartbeat measurement distance is provided, including determining an optimal distance for measuring the heartbeat based on the coherency for each distance.

또한, 상기 위상 신호의 주기를 탐지하는 단계는, 부호 변화점 탐지 기법을 이용하여 상기 정규화 위상 신호로부터 평균 주기를 탐지할 수 있다.In the detecting of the period of the phase signal, an average period of the normalized phase signal may be detected using a sign change point detection technique.

또한, 상기 위상 신호의 주기를 탐지하는 단계는, 아래의 수학식을 통해 상기 정규화 위상 신호의 평균 주기를 산출할 수 있다.Also, in the step of detecting the period of the phase signal, the average period of the normalized phase signal may be calculated through the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서,

Figure pat00002
는 상기 평균 주기, t는 시간, r은 거리,
Figure pat00003
는 과거 설정 길이의 탐지 구간 동안 정규화 위상 신호에서 탐지된 부호 변화 지점의 개수,
Figure pat00004
는 k번째와 k+1번째 부호 변화 지점 사이의 시간 간격을 나타낸다. here,
Figure pat00002
is the average period, t is time, r is distance,
Figure pat00003
Is the number of sign change points detected in the normalized phase signal during the detection period of the past set length,
Figure pat00004
represents the time interval between the k-th and k+1-th sign change points.

또한, 상기 코히어런시를 결정하는 단계는, 시간 윈도우 내에서 상기 정규화 위상 신호와 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호의 곱의 합, 상기 정규화 위상 신호의 표준편차, 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호의 표준편차를 이용하여, 상기 정규화 위상 신호와 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호 사이의 거리 별 코히어런시를 결정할 수 있다.In addition, the determining of the coherency may include a sum of products of the normalized phase signal and the shifted normalized phase signal, a standard deviation of the normalized phase signal, and a standard deviation of the shifted normalized phase signal within a time window. Coherency for each distance between the normalized phase signal and the shifted normalized phase signal can be determined using .

또한, 상기 코히어런시를 결정하는 단계는, 상기 정규화 위상 신호와 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호 사이의 거리 별 코히어런시를 아래의 수학식을 통해 결정할 수 있다.In the determining of the coherency, the coherency for each distance between the normalized phase signal and the shifted normalized phase signal may be determined through the following equation.

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서,

Figure pat00006
는
Figure pat00007
시점에서 거리
Figure pat00008
에 따른 코히어런시,
Figure pat00009
는 상기 정규화 위상 신호,
Figure pat00010
는 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호,
Figure pat00011
는 상기 정규화 위상 신호의 주기,
Figure pat00012
는 상기 주기를 탐지하는데 사용된 탐지 구간의 길이,
Figure pat00013
는
Figure pat00014
부터
Figure pat00015
시점까지의
Figure pat00016
의 표준편차,
Figure pat00017
는
Figure pat00018
부터
Figure pat00019
시점까지의
Figure pat00020
의 표준편차를 나타낸다.here,
Figure pat00006
Is
Figure pat00007
distance from point of view
Figure pat00008
Coherency according to
Figure pat00009
is the normalized phase signal,
Figure pat00010
Is the shifted normalized phase signal,
Figure pat00011
is the period of the normalized phase signal,
Figure pat00012
Is the length of the detection interval used to detect the period,
Figure pat00013
Is
Figure pat00014
from
Figure pat00015
up to the point
Figure pat00016
standard deviation of ,
Figure pat00017
Is
Figure pat00018
from
Figure pat00019
up to the point
Figure pat00020
represents the standard deviation of

또한, 상기 최적 거리를 결정하는 단계는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 거리 별 코히어런시 중 가장 높은 코히어런시를 도출한 거리

Figure pat00021
를 상기 최적 거리로 결정할 수 있다.In addition, the step of determining the optimal distance is the distance obtained by deriving the highest coherency among the coherencies for each distance using the following equation.
Figure pat00021
can be determined as the optimal distance.

Figure pat00022
Figure pat00022

여기서,

Figure pat00023
는
Figure pat00024
시점에서 거리
Figure pat00025
에 따른 코히어런시를 나타낸다. here,
Figure pat00023
Is
Figure pat00024
distance from point of view
Figure pat00025
Represents the coherency according to .

그리고, 본 발명은 레이더와 타겟 사이의 심박 측정을 위한 최적 거리를 결정하는 장치에 있어서, 상기 레이더를 통해 송출된 후 타겟으로부터 반사된 신호를 수신하는 신호 획득부와, 상기 레이더의 송신 신호와 수신 신호를 이용하여 생성한 중간 주파수 신호를 고속 푸리에 변환한 신호로부터 시간과 거리에 따른 위상 신호를 추출하는 신호 처리부와, 상기 위상 신호를 상기 위상 신호에 대한 진폭 신호로 나누어 상기 위상 신호의 크기를 정규화하는 정규화부와, 상기 정규화를 통해 획득한 정규화 위상 신호로부터 주기를 탐지하는 주기 탐지부와, 상기 정규화 위상 신호와 상기 탐지된 주기만큼 쉬프트된 정규화 위상 신호 사이의 거리 별 코히어런시를 결정하는 , 및 상기 거리 별 코히어런시를 바탕으로 상기 심박 측정을 위한 최적 거리를 결정하는 거리 결정부를 포함하는 심박 측정 거리 결정 장치를 제공한다.In addition, the present invention is an apparatus for determining an optimal distance between a radar and a target for heart rate measurement, comprising: a signal acquisition unit that receives a signal transmitted through the radar and reflected from the target; and a transmission signal and reception of the radar A signal processing unit extracting a phase signal according to time and distance from a signal obtained by fast Fourier transforming an intermediate frequency signal generated using a signal, and normalizing the magnitude of the phase signal by dividing the phase signal by an amplitude signal for the phase signal A normalizer for detecting a period from the normalized phase signal obtained through the normalization, a period detector for detecting a period, and determining coherency for each distance between the normalized phase signal and the normalized phase signal shifted by the detected period and a distance determining unit for determining an optimal distance for measuring the heartbeat based on the coherency for each distance.

본 발명에 따르면, 레이더 신호로부터 추출된 위상 신호와 이를 위상 신호의 주기 만큼 시간 이동시킨 위상 신호 간의 코히어런시를 정량화하는 시간적 코히어런시 지수를 활용하여, 가장 높은 지수 값을 가지는 거리를 심박 측정을 위한 최적 거리로 선택함으로써, 종래의 방법들에 비하여 더욱 정확하게 심박 신호가 측정될 수 있다.According to the present invention, by using a temporal coherency index that quantifies the coherency between a phase signal extracted from a radar signal and a phase signal obtained by time-shifting the phase signal by the period of the phase signal, the distance having the highest index value is determined. By selecting an optimal distance for heart rate measurement, a heart rate signal can be measured more accurately compared to conventional methods.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 심박 거리 결정 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 FMCW 레이더와 타겟의 배치를 보여주는 도면이다.
도 3는 도 1의 장치를 이용한 심박 거리 결정 방법을 설명한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 위상 신호의 정규화 과정을 설명한 도면이다
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 FMCW 레이더를 이용한 심박 측정 환경을 보여주는 도면이다.
도 6은 FMCW 레이더를 통해 획득한 위상 신호와 ECG 전극을 통해 측정된 기준 신호 간의 상관 관계를 보여주는 도면이다.
도 7은 서로 다른 두 거리에서의 TPC 지수의 계산 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 결정된 최적 거리를 이용하여 심박 신호를 추출한 결과를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 결정된 최적 거리를 이용하여 레이더로부터 심박 신호를 관측한 결과를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 정확도를 종래 방법과 비교하여 보여주는 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of a heartbeat distance determining device according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the arrangement of an FMCW radar and a target according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram explaining a method for determining a heartbeat distance using the device of FIG. 1 .
4 is a diagram illustrating a normalization process of a phase signal in an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a heart rate measurement environment using an FMCW radar according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing a correlation between a phase signal obtained through an FMCW radar and a reference signal measured through an ECG electrode.
7 is a diagram showing calculation results of the TPC index at two different distances.
8 is a diagram showing a result of extracting a heartbeat signal using an optimal distance determined according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram showing a result of observing a heartbeat signal from a radar using an optimal distance determined according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing accuracy according to an embodiment of the present invention in comparison with a conventional method.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Then, with reference to the accompanying drawings, an embodiment of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice it. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "electrically connected" with another element interposed therebetween. . In addition, when a certain component is said to "include", this means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 심박 거리 결정 장치의 구성을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of a heartbeat distance determining device according to an embodiment of the present invention.

도 1에 보여지는 바와 같이, 심박 거리 결정 장치(100)는 신호 획득부(110), 신호 처리부(120), 정규화부(130), 주기 탐지부(140), 코히어런시 결정부(150) 및 거리 결정부(160)를 포함하며, FMCW 레이더(10)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 각 부(110~160)의 동작과 각 부 간의 데이터 흐름은 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다.As shown in FIG. 1 , the heartbeat distance determining device 100 includes a signal acquisition unit 110, a signal processing unit 120, a normalization unit 130, a period detection unit 140, and a coherency determination unit 150. ) and a distance determining unit 160, and may further include an FMCW radar 10. Here, the operation of each unit 110 to 160 and the flow of data between each unit may be controlled by a controller (not shown).

레이더는 송신 및 수신 신호의 변조 방식에 따라 여러 종류로 나뉘는데, 본 발명의 실시예에서는 주파수 측면에서의 성분 변조를 사용하는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave, 주파수 변조 연속파) 레이더를 사용하는 것을 예시한다. FMCW 레이더(10)는 선형적으로 증가하는 주파수를 사용하는 처프(Chirp) 신호를 전송한다.Radar is divided into several types according to the modulation scheme of the transmission and reception signals. In the embodiment of the present invention, the use of a frequency modulated continuous wave (FMCW) radar using component modulation in terms of frequency is exemplified. The FMCW radar 10 transmits a chirp signal using a linearly increasing frequency.

신호 획득부(110)는 FMCW 레이더(10)를 통해 송신 후 타겟으로부터 반사된 신호를 수신하여 획득할 수 있다. FMCW 레이더(10)는 선형적으로 변조된 주파수 신호를 송신 후 타겟으로부터 반사된 신호를 수신하여 신호 처리부(120)로 전달할 수 있다. The signal acquisition unit 110 may receive and acquire a signal reflected from a target after transmission through the FMCW radar 10 . The FMCW radar 10 may transmit a linearly modulated frequency signal, receive a signal reflected from a target, and transmit the signal to the signal processing unit 120 .

신호 처리부(120)는 FMCW 레이더(10)의 송신 신호와 수신 신호를 이용하여 중간 주파수(intermediate frequency, IF) 신호를 생성 후 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)할 수 있고 고속 푸리에 변환 신호로부터 시간과 거리에 따른 위상 신호를 추출할 수 있다. 신호 처리부(120)는 추출한 위상 신호를 정규화부(130)로 전달할 수 있다. The signal processing unit 120 may generate an intermediate frequency (IF) signal using the transmitted signal and the received signal of the FMCW radar 10, perform Fast Fourier Transform (FFT), and obtain the fast Fourier transform signal from the signal. A phase signal according to time and distance can be extracted. The signal processor 120 may transfer the extracted phase signal to the normalizer 130 .

정규화부(130)는 위상 신호를 위상 신호에 대한 진폭 신호로 나누어 위상 신호의 크기를 정규화할 수 있으며, 이를 통해 위상 신호의 진폭 크기를 시간에 따라 평탄화할 수 있다. 정규화부(130)는 진폭이 정규화된 위상 신호를 획득하고 이를 주기 탐지부(140) 및 (150)로 전달할 수 있다. The normalization unit 130 normalizes the magnitude of the phase signal by dividing the phase signal by the amplitude signal for the phase signal, thereby flattening the amplitude of the phase signal over time. The normalization unit 130 may obtain a phase signal whose amplitude is normalized and transfer it to the period detectors 140 and 150 .

주기 탐지부(140)는 정규화된 위상 신호(이하, 정규화 위상 신호)를 분석하여 주기를 탐지할 수 있고, 탐지한 주기 값을 코히어런시 결정부(150)로 전달할 수 있다.The period detector 140 may detect a period by analyzing the normalized phase signal (hereinafter referred to as a normalized phase signal), and may transmit the detected period value to the coherency determiner 150 .

여기서, 주기 탐지부(140)는 부호 변화점 탐지 기법을 이용하여 정규화 위상 신호의 평균 주기를 탐지할 수 있으며, 구체적으로 정규화 위상 신호에서 설정 길이의 탐지 구간 동안에 탐지되는 복수의 부호 변화 지점 간의 시간 간격을 평균한 값을 이용하여 평균 주기를 탐지할 수 있다. Here, the period detection unit 140 may detect the average period of the normalized phase signal using a sign change point detection technique, and specifically, the time between a plurality of sign change points detected during a detection period of a set length in the normalized phase signal. The average period can be detected by using the averaged value of the intervals.

코히어런시 결정부(150)는 정규화 위상 신호 및 탐지된 해당 주기만큼 쉬프트된 정규화 위상 신호 사이의 거리 별 코히어런시(coherency)를 결정할 수 있다. 이를 위해, 코히어런시 결정부(150)는 정규화 위상 신호를 주기 탐지부(140)에서 탐지된 주기(T) 만큼 시간 이동시켜서 쉬프트된 정규화 신호를 획득하고 쉬프트 전과 후의 정규화 위상 신호 사이의 거리 별 코히어런시를 결정할 수 있다. The coherency determiner 150 may determine coherency for each distance between the normalized phase signal and the normalized phase signal shifted by the detected period. To this end, the coherency determiner 150 time-shifts the normalized phase signal by the period T detected by the period detector 140 to obtain a shifted normalized signal and the distance between the normalized phase signal before and after the shift. The star coherency can be determined.

거리 결정부(160)는 거리 별 코히어런시를 바탕으로 심박 측정을 위한 최적 거리를 결정할 수 있다. 여기서, 거리 결정부(160)는 코히어런시가 가장 높을 때의 거리 값을 타겟의 심박 측정을 위한 최적 거리로 결정할 수 있다. The distance determiner 160 may determine an optimal distance for heart rate measurement based on coherency for each distance. Here, the distance determiner 160 may determine a distance value when coherency is highest as an optimal distance for measuring the heart rate of the target.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 FMCW 레이더와 타겟의 배치를 보여주는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, FMCW 레이더(110)는 대상으로부터 거리

Figure pat00026
에 놓여 있다. 심박의 측정과 관련하여, 거리
Figure pat00027
은 심박 변화에 따라 미세 변위(small displacement)
Figure pat00028
만큼 변할 수 있다. 2 is a diagram showing the arrangement of an FMCW radar and a target according to an embodiment of the present invention. As shown in Figure 2, the FMCW radar 110 is the distance from the target
Figure pat00026
is placed on In relation to the measurement of heart rate, distance
Figure pat00027
Small displacement according to heart rate change
Figure pat00028
can change as much as

도 3은 도 1의 장치를 이용한 심박 거리 결정 방법을 설명한 도면이다.FIG. 3 is a diagram explaining a method for determining a heartbeat distance using the device of FIG. 1 .

먼저, 신호 획득부(110)는 FMCW 레이더(10)에서 송출 후 타겟으로부터 반사되어 돌아온 수신 신호를 시간에 따라 획득한다(S310).First, the signal acquisition unit 110 acquires the received signal reflected from the target after transmission from the FMCW radar 10 and returned according to time (S310).

이후, 신호 처리부(120)는 FMCW 레이더(10)의 송신 신호와 수신 신호를 이용하여 중간 주파수 신호(IF 신호)를 생성 후 고속 푸리에 변환하고, 고속 푸리에 변환 신호로부터 위상 신호를 추출한다(S320).Thereafter, the signal processing unit 120 generates an intermediate frequency signal (IF signal) using the transmission signal and the reception signal of the FMCW radar 10, performs fast Fourier transform, and extracts a phase signal from the fast Fourier transform signal (S320). .

여기서, 신호 처리부(120)는 레이더 송신 신호와 수신 신호를 믹서를 통하여 혼합한 후 혼합 신호를 저대역 필터(low-pass filter)에 통과시켜 아래의 수학식 1과 같이 중간 주파수 신호

Figure pat00029
를 추출할 수 있다. Here, the signal processing unit 120 mixes the radar transmission signal and the received signal through a mixer and passes the mixed signal through a low-pass filter to obtain an intermediate frequency signal as shown in Equation 1 below.
Figure pat00029
can be extracted.

Figure pat00030
Figure pat00030

여기서, t는 레이더의 스캔 시간 인덱스, n은 처프 신호 내 샘플 인덱스(sample index), r은 레이더의 스캔 거리 인덱스,

Figure pat00031
은 거리 r에서 반사된 신호의 크기,
Figure pat00032
은 거리 r에서 반사된 신호의 시간 지연(위상),
Figure pat00033
은 거리 r에 대응하는 진동 주파수를 나타낸다. 이와 같이, 중간 주파수 신호
Figure pat00034
는 진동 주파수
Figure pat00035
, 크기
Figure pat00036
및 위상
Figure pat00037
으로 특정될 수 있다. Here, t is the radar scan time index, n is the sample index in the chirp signal, r is the radar scan distance index,
Figure pat00031
is the magnitude of the reflected signal at a distance r,
Figure pat00032
is the time delay (phase) of the reflected signal at distance r,
Figure pat00033
represents the vibration frequency corresponding to the distance r. In this way, the intermediate frequency signal
Figure pat00034
is the vibration frequency
Figure pat00035
, size
Figure pat00036
and phase
Figure pat00037
can be specified as

거리 r에 대응되는 진동 주파수

Figure pat00038
는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.Vibration frequency corresponding to distance r
Figure pat00038
Can be expressed as in Equation 2.

Figure pat00039
Figure pat00039

여기서,

Figure pat00040
는 주파수대역폭, c는 빛의 속도,
Figure pat00041
는 처프의 지속시간(duration, 처프의 신호 길이),
Figure pat00042
는 샘플링 주파수를 나타낸다.here,
Figure pat00040
is the frequency bandwidth, c is the speed of light,
Figure pat00041
is the duration of the chirp (signal length of the chirp),
Figure pat00042
represents the sampling frequency.

신호 처리부(120)는 수학식 3과 같이 중간 주파수 신호

Figure pat00043
을 이산 푸리에 변환하고 수학식 4와 같이 이산 푸리에 변환 신호를 통해 크기 신호
Figure pat00044
과 위상 신호
Figure pat00045
를 추출할 수 있다.The signal processing unit 120 is an intermediate frequency signal as shown in Equation 3
Figure pat00043
Discrete Fourier transform and the magnitude signal through the discrete Fourier transform signal as shown in Equation 4
Figure pat00044
over phase signal
Figure pat00045
can be extracted.

Figure pat00046
Figure pat00046

여기서,

Figure pat00047
이다. here,
Figure pat00047
am.

Figure pat00048
Figure pat00048

Figure pat00049
Figure pat00049

Figure pat00050
에 타겟이 존재할 때, 위상 신호
Figure pat00051
는 수학식 5와 같이 모델링될 수 있다.
Figure pat00050
When a target is present at , the phase signal
Figure pat00051
Can be modeled as in Equation 5.

Figure pat00052
Figure pat00052

수학식 5에서,

Figure pat00053
는 중심 주파수(center frequency)를 나타낸다.In Equation 5,
Figure pat00053
represents the center frequency.

Figure pat00054
에 있는 타겟이 도 2와 같이 미세 변위
Figure pat00055
로 움직인다고 가정하면, 거리 함수
Figure pat00056
는 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00054
The target in is finely displaced as shown in FIG.
Figure pat00055
Assuming that it moves with , the distance function
Figure pat00056
Can be defined as in Equation 6.

Figure pat00057
Figure pat00057

수학식 5의

Figure pat00058
를 수학식 6의
Figure pat00059
로 대체하면, 수학식 5는 수학식 6과 같이 변경될 수 있다.of Equation 5
Figure pat00058
of Equation 6
Figure pat00059
, Equation 5 can be changed to Equation 6.

Figure pat00060
Figure pat00060

수학식 7과 같이, 거리

Figure pat00061
에 존재하는 미세 변위
Figure pat00062
는
Figure pat00063
에 선형적으로 반영되는 것을 알 수 있다. 바이탈 신호 측정과 관련하여
Figure pat00064
는 호흡과 심박 등에 의해 발생하는 몸의 변위에 해당한다.As shown in Equation 7, the distance
Figure pat00061
microdisplacements present in
Figure pat00062
Is
Figure pat00063
It can be seen that the linear reflection of Regarding the measurement of vital signals
Figure pat00064
corresponds to the displacement of the body caused by respiration, heartbeat, etc.

심박 신호의 경우 호흡 신호보다 크기가 작기 때문에 호흡 신호의 하모닉 주파수와 잡음에 약한 단점이 있다. 하지만 심박 신호는 정상동리듬(normal sinus rhythm)이라 불리는 반복적이고 주기적인 신호 특징이 있다. Since the heartbeat signal is smaller than the breathing signal, it is weak against harmonic frequencies and noise of the breathing signal. However, the heart rate signal has a repetitive and periodic signal characteristic called normal sinus rhythm.

본 발명의 실시예는 심박 측정을 위한 최적 거리를 결정하기 위하여, 심박 신호의 정상동리듬을 수치화할 수 있는 시간적 위상 코히어런시(temporal phase coherency, TPC) 지수가 사용된다. In an embodiment of the present invention, a temporal phase coherency (TPC) index capable of quantifying a normal sinus rhythm of a heartbeat signal is used to determine an optimal distance for heartbeat measurement.

시간적 위상 코히어런시 지수(TPC index)를 이용하면, 레이더에서 탐지하는 각각의 거리 빈(range bin)에서 위상 신호

Figure pat00065
의 정상동리듬이 수치화될 수 있고, 각각의 거리 빈에서 결정된 시간적 위상 코히어런시 지수를 바탕으로 타겟의 심박 신호가 잘 드러나는 최적의 거리 빈이 선택될 수 있다. Using the temporal phase coherency index (TPC index), the phase signal in each range bin detected by the radar
Figure pat00065
The normal sinus rhythm of can be digitized, and an optimal distance bin in which the heartbeat signal of the target is well revealed can be selected based on the temporal phase coherency index determined in each distance bin.

이를 위하여, S320 단계 이후, 정규화부(130)는 위상 신호의 크기를 정규화할 수 있다(S330). To this end, after step S320, the normalization unit 130 may normalize the amplitude of the phase signal (S330).

구체적으로, 정규화부(130)는 각각의 거리 빈 별로 위상 신호

Figure pat00066
에 대한 진폭 신호
Figure pat00067
을 아래 수학식 8과 같이 계산할 수 있다.Specifically, the normalization unit 130 is a phase signal for each distance bin.
Figure pat00066
Amplitude signal for
Figure pat00067
can be calculated as in Equation 8 below.

Figure pat00068
Figure pat00068

여기서,

Figure pat00069
는 힐버트 변환(Hilbert Transform)을 나타낸다. 정규화된 위상 신호
Figure pat00070
는 수학식 9와 같이 계산될 수 있다. here,
Figure pat00069
represents the Hilbert Transform. normalized phase signal
Figure pat00070
Can be calculated as in Equation 9.

Figure pat00071
Figure pat00071

수학식 9와 같이 위상 신호

Figure pat00072
를 그에 대한 진폭 신호
Figure pat00073
로 나누면 위상 신호의 진폭이 정규화될 수 있다. 이에 따라, 진폭(amplitude)의 영향은 제거되고
Figure pat00074
의 반복 리듬만 남게 된다. Phase signal as shown in Equation 9
Figure pat00072
the amplitude signal for that
Figure pat00073
Dividing by , the amplitude of the phase signal can be normalized. Thus, the effect of amplitude is eliminated and
Figure pat00074
Only the repetitive rhythm of

도 4는 본 발명의 실시예에서 위상 신호의 정규화 과정을 설명한 도면이다.4 is a diagram explaining a normalization process of a phase signal in an embodiment of the present invention.

도 4의 상단 부분은 중간 주파수 신호로부터 결정된 위상 신호

Figure pat00075
와 진폭 신호
Figure pat00076
를 나타낸다. 위상 신호는 시간에 따라 그 진폭이 균일하지 않은데 수학식 9의 정규화 과정을 거치게 되면 하단 그림과 같이 균일한 진폭을 갖는 정규화된 위상 신호
Figure pat00077
가 획득될 수 있다.The upper part of Fig. 4 shows the phase signal determined from the intermediate frequency signal.
Figure pat00075
and the amplitude signal
Figure pat00076
indicates The amplitude of the phase signal is not uniform over time. When the normalization process of Equation 9 is performed, the normalized phase signal has a uniform amplitude as shown in the lower figure.
Figure pat00077
can be obtained.

다시 도 3을 참조하면, 주기 탐지부(140)는 정규화를 통해 획득한 정규화 위상 신호로부터 주기를 탐지한다(S340). 여기서 주기 탐지부(140)는 부호 변화점 탐지(Zero-crossing point detection) 알고리즘을 이용하여 정규화 위상 신호

Figure pat00078
의 평균 주기를 수학식 10과 같이 산출할 수 있다.Referring back to FIG. 3 , the period detector 140 detects a period from the normalized phase signal obtained through normalization (S340). Here, the period detection unit 140 uses a zero-crossing point detection algorithm to normalize the phase signal.
Figure pat00078
The average period of can be calculated as in Equation 10.

Figure pat00079
Figure pat00079

여기서,

Figure pat00080
는 정규화 위상 신호
Figure pat00081
의 평균 주기, t는 시간, r은 거리,
Figure pat00082
는 과거 설정 길이의 탐지 구간 동안 정규화 위상 신호에서 탐지된 부호 변화 지점의 개수,
Figure pat00083
는 k번째와 k+1번째 부호 변화 지점(Zero-crossing point) 사이의 시간 간격을 나타낸다. here,
Figure pat00080
is the normalized phase signal
Figure pat00081
is the average period of , t is time, r is distance,
Figure pat00082
Is the number of sign change points detected in the normalized phase signal during the detection period of the past set length,
Figure pat00083
represents the time interval between the kth and k+1th sign change point (zero-crossing point).

다음으로, 코히어런시 결정부(150)는 정규화 위상 신호

Figure pat00084
와 탐지 주기 만큼 쉬프트된 정규화 위상 신호
Figure pat00085
사이의 거리 별 코히어런시를 결정할 수 있다(S350). Next, the coherency determiner 150 uses the normalized phase signal
Figure pat00084
and the normalized phase signal shifted by the detection period
Figure pat00085
It is possible to determine coherency for each distance between them (S350).

이러한 과정은 도 4의 (a), (b)와 같이, 탐지된 주기만큼 시간을 이동시킨 정규화 위상 신호

Figure pat00086
와 이동 전의 정규화 위상 신호
Figure pat00087
사이의 유사도(일치도, Coherence)를 분석하는 것이므로, 이때 분석되는 코히어런스는 시간적 코히어런시에 해당한다.In this process, as shown in (a) and (b) of FIG. 4, the normalized phase signal shifted in time by the detected period
Figure pat00086
and the normalized phase signal before shifting
Figure pat00087
Since the degree of similarity (coherence, coherence) is analyzed, the coherence analyzed at this time corresponds to the temporal coherence.

이와 같이, 코히어런시 결정부(150)는 각 거리 빈의 정규화 위상 신호

Figure pat00088
를 주기
Figure pat00089
만큼 쉬프트 한 다음, 쉬프트 전의 정규화 위상 신호
Figure pat00090
와 쉬프트 후의 정규화 위상 신호
Figure pat00091
간의 코히어런시를 계산한다.In this way, the coherency determiner 150 uses the normalized phase signal of each distance bin.
Figure pat00088
give
Figure pat00089
After shift by , the normalized phase signal before shift
Figure pat00090
Normalized phase signal after shifting with
Figure pat00091
Calculate the coherency of the liver.

이때, 코히어런시 결정부(150)는 시간 윈도우 내에서 정규화 위상 신호

Figure pat00092
와 쉬프트된 정규화 위상 신호
Figure pat00093
의 곱의 합, 정규화 위상 신호
Figure pat00094
의 표준편차, 쉬프트된 정규화 위상 신호
Figure pat00095
의 표준편차를 이용하여, 정규화 위상 신호
Figure pat00096
와 쉬프트된 정규화 위상 신호
Figure pat00097
사이의 거리 별 코히어런시를 결정할 수 있다.At this time, the coherency determiner 150 normalizes the phase signal within the time window.
Figure pat00092
Normalized phase signal shifted with
Figure pat00093
Sum of products of , normalized phase signal
Figure pat00094
standard deviation of the shifted normalized phase signal
Figure pat00095
Using the standard deviation of , the normalized phase signal
Figure pat00096
Normalized phase signal shifted with
Figure pat00097
It is possible to determine coherency for each distance between them.

구체적으로, 코히어런시 결정부(150)는 수학식 11을 이용하여

Figure pat00098
와
Figure pat00099
사이의 코히어런시를 결정할 수 있다. Specifically, the coherency determiner 150 uses Equation 11
Figure pat00098
and
Figure pat00099
The coherency between them can be determined.

Figure pat00100
Figure pat00100

여기서,

Figure pat00101
는
Figure pat00102
시점에서 거리
Figure pat00103
에 따른 코히어런시,
Figure pat00104
는 정규화 위상 신호,
Figure pat00105
는 쉬프트된 정규화 위상 신호,
Figure pat00106
는 정규화 위상 신호의 주기,
Figure pat00107
는 정규화 위상 신호의 주기를 탐지하는데 사용된 탐지 구간의 길이,
Figure pat00108
는
Figure pat00109
부터
Figure pat00110
시점까지의
Figure pat00111
의 표준편차,
Figure pat00112
는
Figure pat00113
부터
Figure pat00114
시점까지의
Figure pat00115
의 표준편차를 나타낸다.here,
Figure pat00101
Is
Figure pat00102
distance from point of view
Figure pat00103
Coherency according to
Figure pat00104
is the normalized phase signal,
Figure pat00105
is the shifted normalized phase signal,
Figure pat00106
is the period of the normalized phase signal,
Figure pat00107
is the length of the detection interval used to detect the period of the normalized phase signal,
Figure pat00108
Is
Figure pat00109
from
Figure pat00110
up to the point
Figure pat00111
standard deviation of ,
Figure pat00112
Is
Figure pat00113
from
Figure pat00114
up to the point
Figure pat00115
represents the standard deviation of

이후에, 거리 결정부(160)는 위와 같이 구해진 거리 별 코히어런시를 바탕으로 심박 측정을 위한 최적 거리를 결정할 수 있다(S360).Afterwards, the distance determining unit 160 may determine an optimal distance for heart rate measurement based on the coherency for each distance obtained as above (S360).

여기서, 거리 결정부(160)는 아래의 수학식 12와 같이 거리 별 구해진 코히어런시 중 가장 높은 코히어런시를 도출한 거리

Figure pat00116
를 최적 거리로 결정한다. Here, the distance determining unit 160 determines the distance from which the highest coherency is derived among the coherency obtained for each distance as shown in Equation 12 below.
Figure pat00116
is determined as the optimal distance.

Figure pat00117
Figure pat00117

이를 통해, 레이더가 스캔하는 전체 거리 빈 중에서도 시간적 유사도 즉, TPC 지수가 가장 높은 거리 빈을 심박 신호 탐지를 위한 최적 거리로 획득한다. 여기서 전체 거리 빈은 레이더가 스캔하는 탐지 거리 범위 내의 거리 인덱스에 해당할 수 있으며, 탐지 거리 범위는 레이더의 사양에 포함되거나 사용자에 의해 미리 세팅될 수 있다. Through this, among all distance bins scanned by the radar, a distance bin having the highest temporal similarity, that is, a TPC index, is acquired as an optimal distance for detecting a heartbeat signal. Here, the total distance bin may correspond to a distance index within a detection distance range scanned by the radar, and the detection distance range may be included in a radar specification or preset by a user.

이후에, 심박 측정부(미도시)는 거리 결정부(160)에서 결정된 거리로부터 FMCW 레이더(10)를 이용하여 심박을 측정한다(S370). 결정된 최적 거리는 현재 시간에서 심장 박동 측정에 가장 적합한 거리 값에 해당하며, 해당 거리 빈의 데이터로부터 정확한 심박 신호가 얻어질 수 있다. Subsequently, the heart rate measurement unit (not shown) measures the heart rate from the distance determined by the distance determination unit 160 using the FMCW radar 10 (S370). The determined optimal distance corresponds to a distance value most suitable for heartbeat measurement at the current time, and an accurate heartbeat signal can be obtained from data of a corresponding distance bin.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 FMCW 레이더를 이용한 심박 측정 환경을 보여주는 도면이다. 도 5의 (a)는 타겟에 대한 FMCW 레이더의 세팅 모습, (b)는 FMCW 레이더의 규격을 나타낸다. 실제 심박수 확인을 위해 타겟의 양 손목에 심전도(Electrocardiography, ECG) 전극이 장착되었다. 5 is a diagram showing a heart rate measurement environment using an FMCW radar according to an embodiment of the present invention. 5 (a) shows the setting of the FMCW radar for the target, and (b) shows the standard of the FMCW radar. Electrocardiography (ECG) electrodes were attached to both wrists of the target to check the actual heart rate.

도 5의 (a)를 보면 FMCW 레이더에서 타겟의 복부 위치까지는 0.5 m, 목 위치까지는 1.0m 떨어진 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 호흡은 복부 또는 가슴 근처 범위에서 측정되고 심장 박동은 목과 같이 피부가 얇은 범위에서 측정된다.Referring to (a) of FIG. 5, it can be seen that the FMCW radar is 0.5 m away from the target's abdominal position and 1.0 m away from the target's neck position. Typically, respiration is measured at a range near the abdomen or chest, and heart rate is measured at a range with thin skin such as the neck.

도 5의 (c)는 타겟에 대한 거리 별 탐지 신호 크기를 보여준다. 여기서 가로축은 레이더로부터의 거리, 세로축은

Figure pat00118
의 표준 편차를 나타낸다. 이러한 결과로부터 타겟의 호흡이나 심박으로 인한 활력 신호는 0.5~1.0 m 범위 내에서 관측된다는 것을 확인할 수 있다.(c) of FIG. 5 shows the magnitude of the detection signal for each distance to the target. Here, the horizontal axis is the distance from the radar, and the vertical axis is the distance from the radar.
Figure pat00118
represents the standard deviation of From these results, it can be confirmed that the vitality signal due to the target's respiration or heartbeat is observed within a range of 0.5 to 1.0 m.

도 6은 FMCW 레이더를 통해 측정된 위상 신호와 ECG 전극을 통해 측정된 기준 신호 간의 상관 관계를 보여주는 도면이다. 6 is a diagram showing a correlation between a phase signal measured through an FMCW radar and a reference signal measured through an ECG electrode.

도 6의 (a)는 심전도 전극에서 측정된 참조 심박 신호(Ref) 및 FMCW 레이더를 통해 측정된 위상 신호

Figure pat00119
를 나타내고, (b)는 참조 심박 신호와 위상 신호 간의 거리 빈 별 상관 값(correlation)을 나타내고, (c)는 r=0.800m과 r=0.675m에서의 위상 신호를 시간 t에 따라 나타낸 것이다. 6(a) shows a reference heart rate signal (Ref) measured from an electrocardiogram electrode and a phase signal measured through an FMCW radar
Figure pat00119
, (b) shows the correlation value for each distance bin between the reference heart rate signal and the phase signal, and (c) shows the phase signal at r = 0.800m and r = 0.675m according to time t.

그 결과, r=0.800m에서의 위상 신호는 참조 심장 박동 신호와 높은 상관 관계(유사도)를 가진다. 그러나, r=0.675m에서의 위상 신호는 참조 심장 박동 신호와는 연관되지 않는다.As a result, the phase signal at r=0.800m has a high correlation (similarity) with the reference heartbeat signal. However, the phase signal at r=0.675m is not related to the reference heart beat signal.

도 6에서 보여지는 바와 같이, 측정되는 위상 신호는 레이더와 측정 타겟 사이의 거리 r에 따라 정확도가 달라지므로, 정확한 측정을 위해서는 적합한 거리 빈이 선택될 필요가 있다.As shown in FIG. 6 , since the accuracy of the measured phase signal depends on the distance r between the radar and the measurement target, an appropriate range bin needs to be selected for accurate measurement.

도 7은 서로 다른 두 거리에서의 TPC 지수의 계산 결과를 보여주는 도면이다. 이러한 도 7의 (a)와 (b)는 앞서 도 6의 결과에서 심박 신호가 존재하는 거리(r=0.800m)와 그렇지 않은 거리(r=0.675m)에서 획득된 위상 신호 및 TPC 지수를 비교한 것으로, r=0.800m에서 환산된 TPC 지수가 r=0.675m에서 환산된 TPC 지수보다 높은 것을 확인할 수 있다.7 is a diagram showing calculation results of the TPC index at two different distances. In (a) and (b) of FIG. 7 , the phase signal and TPC index obtained at a distance where a heartbeat signal exists (r = 0.800m) and a distance where there is not a heartbeat signal (r = 0.675m) are compared in the results of FIG. 6 above. As a result, it can be confirmed that the TPC index converted at r = 0.800m is higher than the TPC index converted at r = 0.675m.

도 8은 본 발명의 실시예에 따라 결정된 최적 거리를 이용하여 4명의 피험자에 대한 심박 신호를 추출한 결과를 보여주는 도면이다.8 is a diagram showing the results of extracting heartbeat signals for four subjects using an optimal distance determined according to an embodiment of the present invention.

도 8에 보여주는 것과 같이, 피험자 별로 최적 거리

Figure pat00120
가 결정되었으며, 결정된 최적 거리에서
Figure pat00121
와 참조 심박 신호(ref) 간의 상관 관계가 가장 높은 것을 확인할 수 있다. As shown in Figure 8, the optimal distance for each subject
Figure pat00120
is determined, and at the determined optimal distance
Figure pat00121
It can be seen that the correlation between the and the reference heartbeat signal ref is the highest.

예를 들어, 피험자 1(subject #1)은 TPC 지수가 최대인 r=0.800m가 심박 측정을 위한 최적 거리로 선정되었고, 피험자2(subject #2)는 TPC 지수가 가장 높은 r=0.150m가 최적 거리로 선정되었다. 또한 최적 거리

Figure pat00122
에서 측정된 위상 신호
Figure pat00123
의 피크점은 참조 심박 신호(Ref)의 R-피크와 동일하였다. For example, for subject 1 (subject #1), r=0.800m with the highest TPC index was selected as the optimal distance for heart rate measurement, and for subject 2 (subject #2), r=0.150m with the highest TPC index was selected. was chosen as the optimal distance. Also the optimal distance
Figure pat00122
Phase signal measured at
Figure pat00123
The peak point of was the same as the R-peak of the reference heart rate signal (Ref).

결과적으로, 본 발명의 실시예에서 제안한 TPC 지수는 정확한 심박 측정에 필요한 거리 빈을 선택하기 위한 표지기로 활용될 수 있다..As a result, the TPC index proposed in the embodiment of the present invention can be used as an indicator for selecting a distance bin required for accurate heart rate measurement.

도 9는 본 발명의 실시예에 따라 결정된 최적 거리를 이용하여 레이더로부터 심박 신호를 관측한 결과를 보여주는 도면이다.9 is a diagram showing a result of observing a heartbeat signal from a radar using an optimal distance determined according to an embodiment of the present invention.

도 9는 심박수의 정확성을 평가한 결과로, 도 9의 (a)는 피험자들에 대한 TPC 지수를 시간과 거리 축에 대한 2차원 이미지로 나타낸 것이며, 이미지에서 밝은 지점일수록 TPC 지수가 높은 것을 알 수 있다. 매 시간 별로 가장 높은 TPC 지수를 도출한 거리 빈이 최적 거리

Figure pat00124
로 선정되었고 최적 거리에서 호흡 신호의 추출이 이루어졌다.Figure 9 is a result of evaluating the accuracy of heart rate. Figure 9 (a) shows the TPC index for the subjects as a two-dimensional image on the time and distance axes, and it can be seen that the brighter the spot in the image, the higher the TPC index. can The distance bin that derives the highest TPC index for each hour is the optimal distance
Figure pat00124
was selected and extraction of the breathing signal was performed at the optimal distance.

각 피험자의 심박수 추정 결과 대부분의 피험자의 경우, 추정된 심박수는 참조 심박수와 일치하였다. 다만, 호흡 신호의 고조파 성분 및 예기치 않은 신체 움직임의 스펙트럼 중복으로 인하여 추정된 심박수는 일부 피험자에 대해 몇몇 시점에서 오류가 있었다. As a result of heart rate estimation of each subject, in most subjects, the estimated heart rate was consistent with the reference heart rate. However, the estimated heart rate was erroneous at some time points for some subjects due to spectral overlap of harmonic components of the breathing signal and unexpected body movements.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 정확도를 종래 방법과 비교하여 보여주는 도면이다. 10 is a diagram showing accuracy according to an embodiment of the present invention in comparison with a conventional method.

도 10의 데이터를 얻기 위하여, 5가지의 종래 방법으로서, 2021년에 H.I. Choi 등에 의해 Applied Sciences에서 발표된 "Selecting target range with accurate vital sign using spatial phase coherency of fmcw radar"라는 제목의 논문에 기재된 방법(이하 제1 종래 방법이라 함)과, 2020년에 H.I. Choi 등에 의해 IEEE에서 발표된 "Target range selection of FMCW radar for accurate vital information extraction"라는 제목의 논문에 기재된 방법(이하 제2 종래 방법이라 함)과, 2019년에 J.M. Munoz-Ferreras 등에 의해 IEEE에서 발표된 "Fmcw-radar-based vital-sign monitoring of multiple patients"라는 제목의 논문에 기재된 방법(이하 제3 종래 방법이라 함)과, 2019년에 M. Alizadeh 등에 의해 IEEE에서 발표된 "Remote monitoring of human vital signs using mm-wave fmcw radar" 라는 제목의 논문에 기재된 방법(이하 제4 종래 방법이라 함)과, 2019년에 H. Lee 등에 의해 발표된 "A novel vital-sign sensing algorithm for multiple subjects based on 24-ghz fmcw doppler radar"라는 제목의 논문에 기재된 방법(이하 제5 종래 방법이라 함)이 사용되었다.In order to obtain the data of FIG. 10, as five conventional methods, in 2021 H.I. The method described in the paper titled "Selecting target range with accurate vital sign using spatial phase coherency of fmcw radar" published in Applied Sciences by Choi et al. (hereinafter referred to as the first conventional method), and in 2020 by H.I. The method described in the paper titled "Target range selection of FMCW radar for accurate vital information extraction" published by Choi et al. in IEEE (hereinafter referred to as the second conventional method), and in 2019, J.M. The method described in the paper titled "Fmcw-radar-based vital-sign monitoring of multiple patients" published by Munoz-Ferreras et al. in IEEE (hereinafter referred to as the third conventional method), and in 2019 by M. Alizadeh et al. The method described in the paper titled "Remote monitoring of human vital signs using mm-wave fmcw radar" published in (hereinafter referred to as the fourth conventional method), and "A novel vital- A method described in a paper titled "sign sensing algorithm for multiple subjects based on 24-ghz fmcw doppler radar" (hereinafter referred to as a fifth conventional method) was used.

도 10에서 보여지는 바와 같이, 5가지의 종래 방법에 비하여, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 레이더로부터 얻은 심박 신호가 참조 심박 신호와 상관 관계가 높은 것을 알 수 있으며 매우 높은 정확성을 보여준다.As shown in FIG. 10, compared to the five conventional methods, the method according to the embodiment of the present invention shows a high correlation between the heartbeat signal obtained from the radar and the reference heartbeat signal, and shows very high accuracy.

레이더 신호로부터 추출된 위상 신호와 이를 위상 신호의 주기 만큼 시간 이동시킨 위상 신호 간의 코히어런시를 정량화하는 시간적 코히어런시 지수를 활용하여, 가장 높은 지수 값을 가지는 거리를 심박 측정을 위한 최적 거리로 선택함으로써, 종래의 방법들에 비하여 더욱 정확하게 심박 신호가 측정될 수 있다.By using the temporal coherency index that quantifies the coherency between the phase signal extracted from the radar signal and the phase signal obtained by shifting the phase signal by the period of the phase signal, the distance with the highest index value is optimal for heart rate measurement. By selecting the distance, the heartbeat signal can be measured more accurately compared to conventional methods.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is only exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical scope of protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

10: FMCW 레이더 100: 심박 측정 거리 결정 장치
110: 신호 획득부 120: 신호 처리부
130: 정규화부 140: 주기 탐지부
150 : 코히어런시 결정부 160: 거리 결정부10: FMCW radar 100: heart rate measurement distance determining device
110: signal acquisition unit 120: signal processing unit
130: normalization unit 140: cycle detection unit
150: coherency determining unit 160: distance determining unit

Claims (12)

레이더와 타겟 사이의 심박 측정을 위한 최적 거리를 결정하는 장치에 의해 수행되는 심박 측정 거리 결정 방법에 있어서,
상기 레이더를 통해 송출된 후 타겟으로부터 반사된 신호를 수신하는 단계;
상기 레이더의 송신 신호와 수신 신호를 이용하여 생성한 중간 주파수 신호를 고속 푸리에 변환한 신호로부터 시간과 거리에 따른 위상 신호를 추출하는 단계;
상기 위상 신호를 상기 위상 신호에 대한 진폭 신호로 나누어 상기 위상 신호의 크기를 정규화하는 단계;
상기 정규화를 통해 획득한 정규화 위상 신호로부터 주기를 탐지하는 단계;
상기 정규화 위상 신호와 상기 탐지된 주기만큼 쉬프트된 정규화 위상 신호 사이의 거리 별 코히어런시를 결정하는 단계; 및
상기 거리 별 코히어런시를 바탕으로 상기 심박 측정을 위한 최적 거리를 결정하는 단계를 포함하는 심박 측정 거리 결정 방법.A heart rate measurement distance determination method performed by an apparatus for determining an optimal distance for heart rate measurement between a radar and a target, comprising:
Receiving a signal transmitted through the radar and then reflected from a target;
extracting a phase signal according to time and distance from a fast Fourier transform signal of an intermediate frequency signal generated using a transmission signal and a reception signal of the radar;
normalizing the magnitude of the phase signal by dividing the phase signal by an amplitude signal relative to the phase signal;
detecting a period from a normalized phase signal obtained through the normalization;
determining coherency for each distance between the normalized phase signal and the normalized phase signal shifted by the detected period; and
and determining an optimal distance for measuring the heartbeat based on the coherency for each distance. 청구항 1에 있어서,
상기 위상 신호의 주기를 탐지하는 단계는,
부호 변화점 탐지 기법을 이용하여 상기 정규화 위상 신호로부터 평균 주기를 탐지하는 심박 측정 거리 결정 방법.The method of claim 1,
Detecting the period of the phase signal,
A heart rate measurement distance determination method for detecting an average period from the normalized phase signal using a sign change point detection technique. 청구항 2에 있어서,
상기 위상 신호의 주기를 탐지하는 단계는,
아래의 수학식을 통해 상기 정규화 위상 신호의 평균 주기를 산출하는 심박 측정 거리 결정 방법:
Figure pat00125

여기서,
Figure pat00126
는 상기 평균 주기, t는 시간, r은 거리,
Figure pat00127
는 과거 설정 길이의 탐지 구간 동안 정규화 위상 신호에서 탐지된 부호 변화 지점의 개수,
Figure pat00128
는 k번째와 k+1번째 부호 변화 지점 사이의 시간 간격을 나타낸다. The method of claim 2,
Detecting the period of the phase signal,
Method for determining the heart rate measurement distance for calculating the average period of the normalized phase signal through the following equation:
Figure pat00125

here,
Figure pat00126
is the average period, t is time, r is distance,
Figure pat00127
Is the number of sign change points detected in the normalized phase signal during the detection period of the past set length,
Figure pat00128
represents the time interval between the k-th and k+1-th sign change points. 청구항 에 있어서,
상기 코히어런시를 결정하는 단계는,
시간 윈도우 내에서 상기 정규화 위상 신호와 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호의 곱의 합, 상기 정규화 위상 신호의 표준편차, 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호의 표준편차를 이용하여, 상기 정규화 위상 신호와 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호 사이의 거리 별 코히어런시를 결정하는 심박 측정 거리 결정 방법.In the claim,
The step of determining the coherency,
The normalization phase signal and the shifted normalization using the sum of the products of the normalization phase signal and the shifted normalization phase signal, the standard deviation of the normalization phase signal, and the standard deviation of the shifted normalization phase signal within a time window. A heart rate measurement distance determination method for determining coherency by distance between phase signals. 청구항 4에 있어서,
상기 코히어런시를 결정하는 단계는,
상기 정규화 위상 신호와 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호 사이의 거리 별 코히어런시를 아래의 수학식을 통해 결정하는 심박 측정 거리 결정 방법:
Figure pat00129

여기서,
Figure pat00130
는
Figure pat00131
시점에서 거리
Figure pat00132
에 따른 코히어런시,
Figure pat00133
는 상기 정규화 위상 신호,
Figure pat00134
는 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호,
Figure pat00135
는 상기 정규화 위상 신호의 주기,
Figure pat00136
는 상기 주기를 탐지하는데 사용된 탐지 구간의 길이,
Figure pat00137
는
Figure pat00138
부터
Figure pat00139
시점까지의
Figure pat00140
의 표준편차,
Figure pat00141
는
Figure pat00142
부터
Figure pat00143
시점까지의
Figure pat00144
의 표준편차를 나타낸다.The method of claim 4,
The step of determining the coherency,
A heart rate measurement distance determination method for determining coherency for each distance between the normalized phase signal and the shifted normalized phase signal through the following equation:
Figure pat00129

here,
Figure pat00130
Is
Figure pat00131
distance from point of view
Figure pat00132
Coherency according to
Figure pat00133
is the normalized phase signal,
Figure pat00134
Is the shifted normalized phase signal,
Figure pat00135
is the period of the normalized phase signal,
Figure pat00136
Is the length of the detection interval used to detect the period,
Figure pat00137
Is
Figure pat00138
from
Figure pat00139
up to the point
Figure pat00140
standard deviation of ,
Figure pat00141
Is
Figure pat00142
from
Figure pat00143
up to the point
Figure pat00144
represents the standard deviation of 청구항 1에 있어서,
상기 최적 거리를 결정하는 단계는,
아래의 수학식을 이용하여 상기 거리 별 코히어런시 중 가장 높은 코히어런시를 도출한 거리
Figure pat00145
를 상기 최적 거리로 결정하는 심박 측정 거리 결정 방법:
Figure pat00146

여기서,
Figure pat00147
는
Figure pat00148
시점에서 거리
Figure pat00149
에 따른 코히어런시를 나타낸다. The method of claim 1,
Determining the optimal distance,
The distance from which the highest coherency was derived among the coherency for each distance using the equation below
Figure pat00145
Heart rate measurement distance determining method for determining as the optimal distance:
Figure pat00146

here,
Figure pat00147
Is
Figure pat00148
distance from point of view
Figure pat00149
Represents the coherency according to . 레이더와 타겟 사이의 심박 측정을 위한 최적 거리를 결정하는 장치에 있어서,
상기 레이더를 통해 송출된 후 타겟으로부터 반사된 신호를 수신하는 신호 획득부;
상기 레이더의 송신 신호와 수신 신호를 이용하여 생성한 중간 주파수 신호를 고속 푸리에 변환한 신호로부터 시간과 거리에 따른 위상 신호를 추출하는 신호 처리부;
상기 위상 신호를 상기 위상 신호에 대한 진폭 신호로 나누어 상기 위상 신호의 크기를 정규화하는 정규화부;
상기 정규화를 통해 획득한 정규화 위상 신호로부터 주기를 탐지하는 주기 탐지부;
상기 정규화 위상 신호와 상기 탐지된 주기만큼 쉬프트된 정규화 위상 신호 사이의 거리 별 코히어런시를 결정하는 코히어런시 결정부; 및
상기 거리 별 코히어런시를 바탕으로 상기 심박 측정을 위한 최적 거리를 결정하는 거리 결정부를 포함하는 심박 측정 거리 결정 장치.An apparatus for determining an optimal distance for heart rate measurement between a radar and a target,
a signal acquisition unit for receiving a signal transmitted through the radar and then reflected from a target;
a signal processing unit extracting a phase signal according to time and distance from a signal obtained by fast Fourier transforming an intermediate frequency signal generated using a transmission signal and a reception signal of the radar;
a normalization unit normalizing the magnitude of the phase signal by dividing the phase signal by an amplitude signal with respect to the phase signal;
a period detector detecting a period from the normalized phase signal obtained through the normalization;
a coherency determination unit determining coherency for each distance between the normalized phase signal and the normalized phase signal shifted by the detected period; and
and a distance determination unit configured to determine an optimal distance for measuring the heartbeat based on the coherency for each distance. 청구항 1에 있어서,
상기 주기 탐지부는,
부호 변화점 탐지 기법을 이용하여 상기 정규화 위상 신호로부터 평균 주기를 탐지하는 심박 측정 거리 결정 장치.The method of claim 1,
The cycle detection unit,
An apparatus for determining a heart rate measurement distance for detecting an average period from the normalized phase signal using a sign change point detection technique. 청구항 8에 있어서,
상기 주기 탐지부는,
아래의 수학식을 통해 상기 정규화 위상 신호의 평균 주기를 산출하는 심박 측정 거리 결정 장치:
Figure pat00150

여기서,
Figure pat00151
는 상기 평균 주기, t는 시간, r은 거리,
Figure pat00152
는 과거 설정 길이의 탐지 구간 동안 정규화 위상 신호에서 탐지된 부호 변화 지점의 개수,
Figure pat00153
는 k번째와 k+1번째 부호 변화 지점 사이의 시간 간격을 나타낸다. The method of claim 8,
The cycle detection unit,
An apparatus for determining an average period of the normalized phase signal through the following equation:
Figure pat00150

here,
Figure pat00151
is the average period, t is time, r is distance,
Figure pat00152
Is the number of sign change points detected in the normalized phase signal during the detection period of the past set length,
Figure pat00153
represents the time interval between the k-th and k+1-th sign change points. 청구항 7에 있어서,
상기 코히어런시 결정부는,
시간 윈도우 내에서 상기 정규화 위상 신호와 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호의 곱의 합, 상기 정규화 위상 신호의 표준편차, 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호의 표준편차를 이용하여, 상기 정규화 위상 신호와 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호 사이의 거리 별 코히어런시를 결정하는 심박 측정 거리 결정 장치.The method of claim 7,
The coherency determining unit,
The normalization phase signal and the shifted normalization using the sum of the products of the normalization phase signal and the shifted normalization phase signal, the standard deviation of the normalization phase signal, and the standard deviation of the shifted normalization phase signal within a time window. A heart rate measuring distance determining device that determines coherency for each distance between phase signals. 청구항 10에 있어서,
상기 코히어런시 결정부는,
상기 정규화 위상 신호와 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호 사이의 거리 별 코히어런시를 아래의 수학식을 통해 결정하는 심박 측정 거리 결정 장치:
Figure pat00154

여기서,
Figure pat00155
는
Figure pat00156
시점에서 거리
Figure pat00157
에 따른 코히어런시,
Figure pat00158
는 상기 정규화 위상 신호,
Figure pat00159
는 상기 쉬프트된 정규화 위상 신호,
Figure pat00160
는 상기 정규화 위상 신호의 주기,
Figure pat00161
는 주기를 탐지하는데 사용된 탐지 구간의 길이,
Figure pat00162
는
Figure pat00163
부터
Figure pat00164
시점까지의
Figure pat00165
의 표준편차,
Figure pat00166
는
Figure pat00167
부터
Figure pat00168
시점까지의
Figure pat00169
의 표준편차를 나타낸다.The method of claim 10,
The coherency determining unit,
Heartbeat measurement distance determining device for determining coherency for each distance between the normalized phase signal and the shifted normalized phase signal through the following equation:
Figure pat00154

here,
Figure pat00155
Is
Figure pat00156
distance from point of view
Figure pat00157
Coherency according to
Figure pat00158
is the normalized phase signal,
Figure pat00159
Is the shifted normalized phase signal,
Figure pat00160
is the period of the normalized phase signal,
Figure pat00161
is the length of the detection interval used to detect the period,
Figure pat00162
Is
Figure pat00163
from
Figure pat00164
up to the point
Figure pat00165
standard deviation of ,
Figure pat00166
Is
Figure pat00167
from
Figure pat00168
up to the point
Figure pat00169
represents the standard deviation of 청구항 7에 있어서,
상기 거리 결정부는,
아래의 수학식을 이용하여 상기 거리 별 코히어런시 중 가장 높은 코히어런시를 도출한 거리
Figure pat00170
를 상기 최적 거리로 결정하는 심박 측정 거리 결정 장치:
Figure pat00171

여기서,
Figure pat00172
는
Figure pat00173
시점에서 거리
Figure pat00174
에 따른 코히어런시를 나타낸다. The method of claim 7,
The distance determining unit,
The distance from which the highest coherency was derived among the coherency for each distance using the equation below
Figure pat00170
Heart rate measuring distance determining device for determining as the optimal distance:
Figure pat00171

here,
Figure pat00172
Is
Figure pat00173
distance from point of view
Figure pat00174
Represents the coherency according to .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117031464A (en) * 2023-07-25 2023-11-10 南京航空航天大学 Method and device for distinguishing interference of moving living body and moving target in cabin

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