KR20230123699A - Non-contact biosignal measurement system and method - Google Patents

Non-contact biosignal measurement system and method Download PDF

Info

Publication number
KR20230123699A
KR20230123699A KR1020220020774A KR20220020774A KR20230123699A KR 20230123699 A KR20230123699 A KR 20230123699A KR 1020220020774 A KR1020220020774 A KR 1020220020774A KR 20220020774 A KR20220020774 A KR 20220020774A KR 20230123699 A KR20230123699 A KR 20230123699A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
raw data
bio
radar
cube
mimo antenna
Prior art date
Application number
KR1020220020774A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김백현
송원영
임성묵
장광수
오형석
Original Assignee
주식회사 에이유
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 에이유 filed Critical 주식회사 에이유
Priority to KR1020220020774A priority Critical patent/KR20230123699A/en
Priority to PCT/KR2022/010945 priority patent/WO2023158033A1/en
Publication of KR20230123699A publication Critical patent/KR20230123699A/en

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/0205Simultaneously evaluating both cardiovascular conditions and different types of body conditions, e.g. heart and respiratory condition
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/024Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/0816Measuring devices for examining respiratory frequency
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/113Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb occurring during breathing
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7235Details of waveform analysis
    • A61B5/7253Details of waveform analysis characterised by using transforms
    • A61B5/7257Details of waveform analysis characterised by using transforms using Fourier transforms

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

본 발명은, FMCW 형태의 레이다 신호를 송수신하는 MIMO 안테나; 상기 MIMO 안테나의 복수개의 송신 안테나에서 송신한 레이다 신호가 반사되어 복수개의 수신 안테나에 수신되는 복수개의 첩 신호(chirp signal)를 하나의 첩 당 N개로 샘플링하여 획득한 로데이터(raw data)를 저장하는 로데이터 수집부; 상기 로데이터 수집부에 저장된 로데이터로 ADC 샘플링 인덱스(ADC sample index) 및 수신 안테나 인덱스(Rx index)에 해당하는 데이터로 구성되는 2차원 데이터를 생성하고 첩 주기의 시간 축 상에서 누적하여 3D 레이다 큐브로 변환하는 큐브 생성부; 상기 3D 레이다 큐브의 데이터를 RFFT(Range-Fast Fourier Transform)와 디지털 빔포밍을 수행하여 각도와 거리정보를 획득하고, 각도와 거리정보로 사람의 위치를 특정하는 위치 측정부; 및 상기 위치 측정부에서 특정한 위치의 사람과 상기 MIMO 안테나 사이의 거리를 기반으로 호흡 파형을 획득하는 생체신호 검출부;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.The present invention, a MIMO antenna for transmitting and receiving a FMCW type radar signal; Storing raw data obtained by sampling a plurality of chirp signals received by a plurality of receiving antennas after the radar signals transmitted from the plurality of transmitting antennas of the MIMO antenna are reflected by N samples per chirp Raw data collection unit to do; With the raw data stored in the raw data collection unit, two-dimensional data consisting of data corresponding to the ADC sampling index and the receiving antenna index (Rx index) is generated and accumulated on the time axis of the chirp period to form a 3D radar cube Cube generation unit that converts to; a position measuring unit that acquires angle and distance information by performing Range-Fast Fourier Transform (RFFT) and digital beamforming on the data of the 3D radar cube, and specifies a position of a person using the angle and distance information; and a bio-signal detector for obtaining a respiration waveform based on a distance between a person at a specific position and the MIMO antenna in the position measurer.

Description

비접촉식 생체 신호 측정 시스템 및 방법{NON-CONTACT BIOSIGNAL MEASUREMENT SYSTEM AND METHOD}Non-contact biosignal measurement system and method {NON-CONTACT BIOSIGNAL MEASUREMENT SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 비접촉식 생체 신호 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히 레이다를 이용하여 비접촉식으로 특정 대상의 생체신호를 측정하기 위한 비접촉식 생체 신호 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a non-contact bio-signal measuring system and method, and more particularly to a non-contact bio-signal measuring system and method for measuring a bio-signal of a specific target in a non-contact manner using a radar.

호흡수, 심박수와 같은 생체신호는 인체의 건강상태, 건강 이상유무를 가장 간편하게 진단할 수 있는 요소 중 하나이다. 기존의 심박/호흡 측정장치는 사용자의 심박 및 호흡 측정을 위하여 사용자의 신체에 센서를 부착하고 센서로부터 사용자의 심박 및 호흡을 측정하는 방식을 채택하고 있다. 하지만, 센서를 신체에 부착하는 방식의 경우에는 사용자의 움직임이 자유롭지 못하고 사용자의 움직임에 따른 노이즈가 많이 발생하며 사용자에게 공포심을 유발할 수 있다는 단점이 있다. 또한, 기존의 심박/호흡 측정장치를 통한 생체신호의 측정은 센서의 부착 위치, 장비 접근성 등을 이유로 일반인들이 사용하는 데 어려움이 있었다.BACKGROUND OF THE INVENTION Bio-signals such as respiratory rate and heart rate are one of the factors that can most easily diagnose the state of health of the human body and the presence or absence of health abnormalities. Existing heart rate/respiration measurement devices adopt a method of attaching a sensor to the user's body and measuring the user's heart rate and respiration from the sensor in order to measure the user's heart rate and respiration. However, in the case of the method of attaching the sensor to the body, there is a disadvantage in that the user's movement is not free, a lot of noise is generated according to the user's movement, and it may cause fear to the user. In addition, it was difficult for the general public to measure bio-signals through existing heart rate/respiration measuring devices due to sensor attachment locations and equipment accessibility.

특히, 최근에는 수면 중에 일시적으로 호흡을 하지 않는 질병인 수면 무호흡증을 진단할 필요성이 있고, 나아가 수면 중 실제적인 호흡수 또는 호흡량을 측정하여 건강상태를 모니터링할 필요성도 있다. In particular, recently, there is a need to diagnose sleep apnea, which is a disease in which breathing is temporarily stopped during sleep, and furthermore, there is a need to monitor the health status by measuring the actual number or volume of breathing during sleep.

이와 관련하여, 한국등록특허 제10-2289031호는 레이다를 이용하여 바이탈 신호를 감지하는 방법 및 장치를 개시하고 있다. 상기 선행문헌은 CW(Continuous Wave) 형태의 레이다 신호를 이용하여 수신된 수신 신호로부터 심박 주파수 대역 및 호흡 주파수 대역, 심장의 움직임 주파수 대역으로 각각 대역 통과 필터링하여 수신 신호로부터 인체의 호흡 수, 심박 수, 심장 움직임을 정확하게 측정할 수 있도록 하는 레이다를 이용하여 바이탈 신호를 감지하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 특징으로 한다. In this regard, Korean Patent Registration No. 10-2289031 discloses a method and apparatus for detecting vital signals using radar. The prior art document uses a CW (Continuous Wave) type radar signal to band-pass filter the received signal into a heart rate frequency band, a respiratory frequency band, and a heart movement frequency band, respectively. , It is characterized by providing a method and apparatus for detecting vital signals using a radar capable of accurately measuring heart movements.

전술한 바와 같이, 레이다를 이용하여 비접촉식으로 생체신호를 측정하는 선행문헌은 다수 제안되고 있다. 다만, 종래 기술은 거리를 기반으로 생체신호를 측정하므로 같은 거리에 있는 사람의 신호가 노이즈로 작용하여 정확한 측정이 어려울 수 있다. 또한, 이러한 문제를 해결하기 위해서 기설정된 방향 및 거리에 위치하는 사람에게로 레이다 빔을 발사하는 방식은 장비 설치 위치 및 사용자의 위치를 설정하는 데 어려움이 있으므로 일반인들이 손쉽게 사용하기에는 한계점이 존재한다. As described above, a number of prior literatures for non-contact measurement of biosignals using radar have been proposed. However, since the prior art measures bio-signals based on distance, it may be difficult to accurately measure signals from people at the same distance as noise. In addition, in order to solve this problem, the method of launching a radar beam to a person located in a predetermined direction and distance has limitations in easy use by ordinary people because it is difficult to set the equipment installation location and the user's location.

한국등록특허 제10-2289031호Korean Patent Registration No. 10-2289031

본 발명은 FMCW 레이다를 이용하여 비접촉식으로 사용자의 생체신호를 측정하는 것을 일 목적으로 한다. An object of the present invention is to measure a user's biosignal in a non-contact manner using an FMCW radar.

또한, 본 발명은 일반인이 설치 및 사용하여도 생체신호 측정에 어려움이 없는 비접촉식 생체 신호 측정 시스템 제공하는 것을 다른 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide a non-contact bio-signal measurement system without difficulty in measuring bio-signals even when installed and used by ordinary people.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, FMCW 형태의 레이다 신호를 송수신하는 MIMO 안테나; 상기 MIMO 안테나의 복수개의 송신 안테나에서 송신한 레이다 신호가 반사되어 복수개의 수신 안테나에 수신되는 복수개의 첩 신호(chirp signal)를 하나의 첩 당 N개로 샘플링하여 획득한 로데이터(raw data)를 저장하는 로데이터 수집부; 상기 로데이터 수집부에 저장된 로데이터로 ADC 샘플링 인덱스(ADC sample index) 및 수신 안테나 인덱스(Rx index)에 해당하는 데이터로 구성되는 2차원 데이터를 생성하고 첩 주기의 시간 축 상에서 누적하여 3D 레이다 큐브로 변환하는 큐브 생성부; 상기 3D 레이다 큐브의 데이터를 RFFT(Range-Fast Fourier Transform)와 디지털 빔포밍 연산을 수행하여 각도와 거리정보를 획득하고, 각도와 거리정보로 사람의 위치를 특정하는 위치 측정부; 및 상기 위치 측정부에서 특정한 위치의 사람과 상기 MIMO 안테나 사이의 거리를 기반으로 호흡 파형을 획득하는 생체신호 검출부;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a MIMO antenna for transmitting and receiving FMCW type radar signals; Storing raw data obtained by sampling a plurality of chirp signals received by a plurality of receiving antennas after the radar signals transmitted from the plurality of transmitting antennas of the MIMO antenna are reflected by N samples per chirp Raw data collection unit to do; With the raw data stored in the raw data collection unit, two-dimensional data consisting of data corresponding to the ADC sampling index and the receiving antenna index (Rx index) is generated and accumulated on the time axis of the chirp period to form a 3D radar cube Cube generation unit that converts to; a position measuring unit that obtains angle and distance information by performing Range-Fast Fourier Transform (RFFT) and digital beamforming operations on the data of the 3D radar cube, and specifies a person's position with the angle and distance information; and a bio-signal detector for obtaining a respiration waveform based on a distance between a person at a specific position and the MIMO antenna in the position measurer.

바람직하게는, 상기 생체신호 검출부는, 디지털 빔포밍 연산을 수행하여 상기 위치 측정부에서 특정한 사람의 각도와 거리정보를 포함하는 데이터를 3D 레이다 큐브에서 추출하고, 추출한 데이터로 호흡 파형을 획득할 수 있다. Preferably, the bio-signal detection unit performs digital beamforming operation to extract data including angle and distance information of a specific person from the position measuring unit from a 3D radar cube, and obtains a breathing waveform with the extracted data. there is.

바람직하게는, 상기 MIMO 안테나는, 복수개의 송신 안테나와 복수개의 수신 안테나로 구성되고, 상기 생체신호 검출부는, 상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나로 구성되는 복수개의 채널 중 특정한 사람의 각도와 거리정보를 포함하는 데이터를 수신하는 채널만을 이용하여 디지털 빔포밍 연산을 수행할 수 있다. Preferably, the MIMO antenna is composed of a plurality of transmit antennas and a plurality of receive antennas, and the bio-signal detection unit obtains angle and distance information of a specific person from among a plurality of channels composed of the transmit antennas and the receive antennas. A digital beamforming operation may be performed using only a channel for receiving data including data.

바람직하게는, 상기 MIMO 안테나는, 측정하고자 하는 대상의 후면에 배치될 수 있다. Preferably, the MIMO antenna may be disposed on a rear surface of a target to be measured.

바람직하게는, 상기 생체신호 검출부는 측정된 호흡 파형의 peak의 수를 검출하거나 FFT를 수행하여 분당 호흡수를 모니터링할 수 있다. Preferably, the bio-signal detector may detect the number of peaks of the measured respiration waveform or perform FFT to monitor the number of respirations per minute.

바람직하게는, 상기 생체신호 검출부는, 호흡 주파수 대역으로 호흡 파형을 필터링하여 분당 호흡수를 모니터링할 수 있다. Preferably, the bio-signal detection unit may monitor the number of breaths per minute by filtering a respiration waveform into a respiration frequency band.

바람직하게는, 상기 생체신호 검출부는, 호흡 주파수 대역으로 필터링하기 전후의 호흡 파형의 차이로 심박 파형을 획득할 수 있다. Preferably, the bio-signal detector may obtain a heartbeat waveform as a difference between a respiration waveform before and after filtering into a respiration frequency band.

바람직하게는, 상기 생체신호 검출부는, 측정된 심박 파형의 peak의 수를 검출하여 분당 심박수를 모니터링할 수 있다. Preferably, the bio-signal detection unit may monitor the heart rate per minute by detecting the number of peaks of the measured heart rate waveform.

바람직하게는, 상기 로데이터 수집부는, 20초 이내에 수신된 로데이터의 저장을 유지하고, 그 이외의 로데이터는 삭제할 수 있다.Preferably, the raw data collection unit may maintain storage of raw data received within 20 seconds and delete other raw data.

또한 본 발명은, MIMO 안테나의 복수개의 송신 안테나에서 송신한 레이다 신호가 반사되어 복수개의 수신 안테나에 수신되는 복수개의 첩 신호(chirp signal)를 하나의 첩 당 N개로 샘플링하여 로데이터(raw data)를 획득하여 저장하는 로데이터 수집단계; 상기 로데이터 수집단계에서 저장된 로데이터를 ADC 샘플링 인덱스(ADC sample index) 및 수신 안테나 인덱스(Rx index)에 해당하는 데이터로 구성되는 2차원 데이터를 생성하고 첩 주기의 시간 축 상에서 누적하여 3D 레이다 큐브로 변환하는 큐브 생성단계; 상기 3D 레이다 큐브의 데이터를 RFFT(Range-Fast Fourier Transform)와 디지털 빔포밍을 수행하여 각도와 거리정보를 획득하고, 각도와 거리정보로 사람의 위치를 특정하는 위치 측정단계; 및 상기 위치 측정단계에서 특정한 위치의 사람과 상기 MIMO 안테나 사이의 거리를 기반으로 호흡 파형을 획득하는 생체신호 검출단계;를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention samples a plurality of chirp signals received by a plurality of receiving antennas after reflecting radar signals transmitted from a plurality of transmitting antennas of a MIMO antenna by N per chirp, and obtains raw data Raw data collection step of acquiring and storing ; The raw data stored in the raw data collection step generates two-dimensional data composed of data corresponding to the ADC sampling index and the receiving antenna index (Rx index) and accumulates on the time axis of the chirp period to obtain a 3D radar cube Cube generation step of converting to; A position measurement step of obtaining angle and distance information by performing Range-Fast Fourier Transform (RFFT) and digital beamforming on the data of the 3D radar cube, and specifying a position of a person with the angle and distance information; and a biological signal detection step of acquiring a respiration waveform based on the distance between a person at a specific location and the MIMO antenna in the location measurement step.

본 발명에 따르면, FMCW 레이다를 이용하여 사람의 생체신호를 비접촉식으로 측정할 수 있다는 이점이 있다. According to the present invention, there is an advantage in that a person's bio-signal can be measured in a non-contact manner using the FMCW radar.

또한 본 발명은, MIMO 안테나와 디지털 빔포밍을 이용하여 특정 위치에 있는 사람의 생체신호를 측정함으로써 주변 사람들에 의한 노이즈 간섭을 제거할 수 있어 정확한 생체신호 측정이 가능하다는 이점이 있다. In addition, the present invention has an advantage in that it is possible to accurately measure the biosignal because it is possible to remove noise interference caused by people around by measuring the biosignal of a person at a specific location using a MIMO antenna and digital beamforming.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 생체 신호 측정 시스템의 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 안테나의 구성도를 나타낸다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 로데이터 수집부가 로데이터를 획득하는 방법을 도시한 것을 나타낸다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 큐브 생성부가 로데이터를 3D 큐브로 변환하는 방법은 도시한 것을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 안테나의 송수신 채널을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 호흡수 추출 알고리즘을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 심박수 추출 알고리즘을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 생체 신호 측정 방법의 흐름도를 나타낸다.
1 shows a configuration diagram of a non-contact biosignal measurement system according to an embodiment of the present invention.
2 shows a configuration diagram of a MIMO antenna according to an embodiment of the present invention.
3 shows a method for obtaining raw data by a raw data collection unit according to an embodiment of the present invention.
4 shows a method of converting raw data into a 3D cube by a cube generator according to an embodiment of the present invention.
5 shows transmission and reception channels of a MIMO antenna according to an embodiment of the present invention.
6 shows a respiratory rate extraction algorithm according to an embodiment of the present invention.
7 shows a heart rate extraction algorithm according to an embodiment of the present invention.
8 shows a flowchart of a non-contact biosignal measurement method according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the contents described in the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by exemplary embodiments. The same reference numerals in each figure indicate members performing substantially the same function.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The objects and effects of the present invention can be naturally understood or more clearly understood by the following description, and the objects and effects of the present invention are not limited only by the following description. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 생체 신호 측정 시스템(10)의 구성도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 비접촉식 생체 신호 측정 시스템(10)은 MIMO 안테나(100), 로데이터 수집부(300), 큐브 생성부(500), 위치 측정부(700), 및 생체신호 검출부(900)를 포함할 수 있다. 1 shows a configuration diagram of a non-contact biosignal measurement system 10 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the non-contact biosignal measuring system 10 includes a MIMO antenna 100, a raw data collection unit 300, a cube generator 500, a position measurement unit 700, and a biosignal detection unit 900. can include

비접촉식 생체 신호 측정 시스템(10)은 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이다를 이용하여 비접촉식으로 사람의 호흡수, 심박수 등의 생체신호를 측정할 수 있다. 비접촉식 생체 신호 측정 시스템(10)은 송신부에서 FMCW 레이다 신호를 송출하고 사람에 반사되어 돌아오는 신호를 수신하고 분석하여 사람의 생체신호를 측정할 수 있다. The non-contact bio-signal measurement system 10 may measure bio-signals such as a person's respiratory rate and heart rate in a non-contact manner using a frequency modulated continuous wave (FMCW) radar. The non-contact biosignal measurement system 10 transmits an FMCW radar signal from a transmitter and receives and analyzes a signal reflected back from a person to measure a person's biosignal.

비접촉식 생체 신호 측정 시스템(10)은 FMCW 레이다 신호를 사용하므로 기존의 레이다를 이용한 생체신호 측정에는 uwb 레이다 신호를 사용한다는 점과 차이가 있다. 구체적으로 FMCW는 주파수 영역대가 60GHz 내지 63GHz이고 uwb 레이다 같은 경우에는 주파수 영역대가 10GHz 이하이다. uwb 레이다는 펄스파 레이다인 반면에 FMCW 레이다는 컨티뉴어스 웨이브 레이다를 사용한다. 따라서 비접촉식 생체 신호 측정 시스템(10)은 uwb 레이다를 이용한 것보다 보다 정확한 생체신호 측정이 가능하다. Since the non-contact bio-signal measurement system 10 uses an FMCW radar signal, there is a difference from using a uwb radar signal in measuring a bio-signal using an existing radar. Specifically, FMCW has a frequency domain of 60 GHz to 63 GHz, and in the case of uwb radar, the frequency domain is less than 10 GHz. uwb radar is a pulsed wave radar whereas FMCW radar uses a continuous wave radar. Therefore, the non-contact biosignal measurement system 10 can measure biosignals more accurately than those using uwb radar.

비접촉식 생체 신호 측정 시스템(10)은 FMCW 레이다 신호를 출력할 수 있고, 반사된 신호를 수신하여 증폭, 주파수 합성 및 필터링하고 디지털로 샘플링하여 FMCW 디지털 레이다 신호로 변환할 수 있다. The non-contact biosignal measurement system 10 may output an FMCW radar signal, receive the reflected signal, amplify, frequency synthesize, filter, and digitally sample and convert the reflected signal into an FMCW digital radar signal.

MIMO 안테나(100)는 FMCW 형태의 레이다 신호를 송수신할 수 있다. MIMO는 Multiple Input Multiple Output의 약자이고, MIMO 안테나(100)는 여러 안테나를 사용하여 통신할 수 있는 용량을 늘림으로써 채널 손실과 사용자간의 간섭을 최소화할 수 있는 기술을 의미한다. MIMO 안테나(100)는 동일 주파수에서 신호를 분리하여 채널의 용량이 커진 듯한 효과를 발생시킬 수 있다. MIMO 안테나(100)는 다수의 채널을 이용하여 빔포밍 기술을 구현하게 할 수 있다. The MIMO antenna 100 may transmit and receive FMCW type radar signals. MIMO is an abbreviation of multiple input multiple output, and the MIMO antenna 100 means a technology capable of minimizing channel loss and interference between users by increasing communication capacity using multiple antennas. The MIMO antenna 100 separates signals at the same frequency to generate an effect of increasing channel capacity. The MIMO antenna 100 may implement beamforming technology using multiple channels.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 안테나(100)의 구성도를 나타낸다. 도 4를 참조하면, MIMO 안테나(100)는 복수개의 송신 안테나(110)와 복수개의 수신 안테나(130)로 구성될 수 있다. MIMO 안테나(100)는 송신 안테나(110)와 수신 안테나(130)를 이용하여 복수개의 송수신 채널을 형성할 수 있다.바람직하게는, MIMO 안테나(100)는 3개의 송신 안테나(110)와 4개의 수신 안테나(130)로 구성될 수 있다. MIMO 안테나(100)는 송신 안테나(110)와 수신 안테나(130)를 이용하여 12개의 송수신 채널을 형성할 수 있다.2 shows a configuration diagram of a MIMO antenna 100 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4 , the MIMO antenna 100 may include a plurality of transmit antennas 110 and a plurality of receive antennas 130 . The MIMO antenna 100 may form a plurality of transmit/receive channels using the transmit antenna 110 and the receive antenna 130. Preferably, the MIMO antenna 100 includes three transmit antennas 110 and four transmit/receive channels. It may be configured as a receiving antenna 130. The MIMO antenna 100 may form 12 transmission/reception channels using the transmission antenna 110 and the reception antenna 130 .

MIMO 안테나(100)는 측정하고자 하는 대상의 후면에 배치될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 측정하고자 하는 대상과 MIMO 안테나(100) 사이에 물체 또는 사람의 이동을 최소화하여 생체신호 측정의 정확도를 높일 수 있다. 다만, MIMO 안테나(100)에서 송신된 신호가 측정하고자 하는 대상을 통과하여 측정대상 전면에 있는 물체 또는 사람에 의한 노이즈가 발생할 수 있으나, 이는 RFFT와 디지털 빔포밍 연산으로 해결할 수 있다. 즉, MIMO 안테나(100)의 후면 배치, RFFT, 디지털 빔포밍 연산을 통해 측정하고자 하는 대상 주변의 물체 또는 사람으로 인한 영향을 최소화할 수 있다. The MIMO antenna 100 may be placed on the back of a target to be measured. According to this embodiment, it is possible to increase the accuracy of bio-signal measurement by minimizing the movement of an object or person between a target to be measured and the MIMO antenna 100 . However, since the signal transmitted from the MIMO antenna 100 passes through the object to be measured, noise caused by an object or person in front of the object to be measured may occur, but this can be solved by RFFT and digital beamforming calculation. That is, it is possible to minimize the influence caused by objects or people around a target to be measured through rear arrangement of the MIMO antenna 100, RFFT, and digital beamforming calculations.

도 3는 본 발명의 실시예에 따른 로데이터 수집부(300)가 로데이터를 획득하는 방법을 도시한 것을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 로데이터 수집부(300)는 MIMO 안테나(100)의 복수개의 송신 안테나에서 송신한 레이다 신호가 반사되어 복수개의 수신 안테나에 수신되는 복수개의 첩 신호(chirp signal)를 하나의 첩 당 N개로 샘플링하여 획득한 로데이터(raw data)를 저장할 수 있다. 3 shows a method for obtaining raw data by the raw data collection unit 300 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the raw data collection unit 300 converts a plurality of chirp signals received by a plurality of receiving antennas by reflecting radar signals transmitted from a plurality of transmission antennas of the MIMO antenna 100 into one Raw data obtained by sampling N per chirp may be stored.

로데이터 수집부(300)는 20초 이내에 수신된 로데이터의 저장을 유지하고, 저장된 지 20초가 초과한 로데이터는 삭제할 수 있다. 호흡수 및 심박수를 측정하기 위해서는 주파수 검출 해상도가 매우 정밀해야 하는데, FMCW 방식은 주파수 해상도를 높이게 되면 FFT 연산하는데 많은 연산량이 필요하여 하드웨어 제한문제가 발생할 수 있다. 따라서, 로데이터 수집부(300)는 일반인 평균적으로 5초에 1회 호흡을 한다고 가정하였을 때 총 4번의 호흡 데이터를 저장할 수 있다. 로데이터 수집부(300)는 4번의 호흡 데이터, 즉 20초의 로데이터만 저장함으로써 데이터 저장 공간을 절약할 수 있다. 또한, 로데이터 수집부(300)는 20초 이내의 데이터만 처리하므로 호흡수 및 심박수를 연산하는 데 있어서 하드웨어 제한문제를 해결할 수 있다. The raw data collection unit 300 may maintain storage of raw data received within 20 seconds and delete raw data stored for more than 20 seconds. In order to measure the respiratory rate and heart rate, the frequency detection resolution must be very precise. However, when the frequency resolution is increased in the FMCW method, a large amount of computation is required for FFT calculation, which may cause hardware limitations. Accordingly, the raw data collection unit 300 may store a total of 4 respiration data assuming that the general public breathes once every 5 seconds on average. The raw data collection unit 300 can save data storage space by storing only 4 breath data, that is, 20 seconds of raw data. In addition, since the raw data collection unit 300 processes only data within 20 seconds, it is possible to solve the hardware limitation problem in calculating the respiratory rate and heart rate.

도 4은 본 발명의 실시예에 따른 큐브 생성부(500)가 로데이터를 3D 큐브로 변환하는 방법은 도시한 것을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 큐브 생성부(500)는 로데이터 수집부에 저장된 로데이터로 ADC 샘플링 인덱스(ADC sample index) 및 수신 안테나 인덱스(Rx index)에 해당하는 데이터로 구성되는 2차원 데이터를 생성하고 첩 주기의 시간 축 상에서 누적하여 3D 레이다 큐브로 변환할 수 있다. 큐브 생성부(500)는 로데이터 수집부(300)에서 20초 이내의 로데이터만을 저장하므로 20초 주기의 3D 레이다 큐브만 유지할 수 있다. 4 shows a method of converting raw data into a 3D cube by the cube generator 500 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the cube generator 500 generates two-dimensional data composed of data corresponding to an ADC sampling index and a receiving antenna index (Rx index) with raw data stored in the raw data collection unit and can be converted into a 3D radar cube by accumulating on the time axis of the chirp period. Since the cube generation unit 500 stores only raw data within 20 seconds in the raw data collection unit 300, only 3D radar cubes with a period of 20 seconds can be maintained.

위치 측정부(700)는 3D 레이다 큐브의 데이터를 RFFT(Range-Fast Fourier Transform)와 디지털 빔포밍 연산을 수행하여 각도와 거리정보를 획득하고, 각도와 거리정보로 사람의 위치를 특정할 수 있다. 보다 상세하게는, 위치 측정부(700)는 RFFT를 수행하여 거리정보를 획득할 수 있다. 위치 측정부(700)는 디지털 빔포밍 연산을 수행하여 MIMO 안테나(100)와 사람 사이의 각도를 측정할 수 있다. The position measurement unit 700 obtains angle and distance information by performing Range-Fast Fourier Transform (RFFT) and digital beamforming operations on the data of the 3D radar cube, and can specify the position of a person using the angle and distance information. . More specifically, the location measurement unit 700 may obtain distance information by performing RFFT. The position measuring unit 700 may measure an angle between the MIMO antenna 100 and a person by performing a digital beamforming operation.

위치 측정부(700)는 큐브 생성부(500)에서 얻어진 3D 레이다 큐브를 고속 푸리에(Fast Fourier Transform, FFT) 변환 처리하여 거리 인덱스(range index), 각 인덱스(angle index), 첩 인덱스(chirp index) 축을 갖는 3D 큐브로 변환할 수 있다. 위치 측정부(700)는 다음과 같은 방식으로 FFT를 수행할 수 있다.The position measurement unit 700 performs Fast Fourier Transform (FFT) transformation on the 3D radar cube obtained from the cube generation unit 500 to obtain a range index, angle index, and chirp index. ) to a 3D cube with axes. The position measurement unit 700 may perform FFT in the following manner.

먼저, 위치 측정부(700)는 FMCW 디지털 레이다 신호를 샘플링 주기 단위로 푸리에 변환하여 거리 인덱스(range index)별 계수 값인 거리 데이터를 생성하는 제 1 푸리에 변환을 수행할 수 있다. 다음으로, 위치 측정부(700)는 제 1 푸리에 변환의 결과를 M개의 수신 안테나으로부터 수집하여 수신 안테나 거리 단위로 푸리에 변환하고 각 인덱스(angle index)별 계수 값인 각 데이터를 생성하는 제 2 푸리에 변환을 수행할 수 있다. 마지막으로, 위치 측정부(700)는 제 2 푸리에 변환의 결과를 C개의 첩 동안 수집하여 첩 주기 단위로 푸리에 변환하여 첩 인덱스(chirp index)별 계수 값인 시간별 데이터를 생성하는 제 3 푸리에 변환을 수행할 수 있다.First, the position measurement unit 700 may perform a first Fourier transform to generate range data, which is a coefficient value for each range index, by Fourier transforming the FMCW digital radar signal in units of sampling periods. Next, the position measurement unit 700 collects the result of the first Fourier transform from the M number of receiving antennas, performs a Fourier transform in units of the receiving antenna distance, and performs a second Fourier transform for generating each data that is a coefficient value for each angle index. can be performed. Finally, the position measuring unit 700 collects the results of the second Fourier transform for C chirps, performs a Fourier transform in units of chirp cycles, and generates time-specific data that is a coefficient value for each chirp index. Performs a third Fourier transform can do.

위치 측정부(700)는 변환된 3D 큐브에서 거리와 각도 정보를 추출할 수 있다. 위치 측정부(700)는 변환된 3D 큐브 내의 신호의 세기를 이용하여 사람의 위치를 특정할 수 있다. The position measurement unit 700 may extract distance and angle information from the converted 3D cube. The location measurement unit 700 may specify the location of a person using the strength of a signal in the converted 3D cube.

위치 측정부(700)는 클러터 제거모듈을 포함할 수 있다. 클러터 제거모듈은 3D 데이터 큐브에서 각각의 첩에 대해서 생성된 거리-각 맵(range-angle map)을 첩 주기의 시간 축 상에서 감산하는 방식으로 클러터(clutter) 제거 알고리즘을 수행할 수 있다. 위치 측정부(700)는 클러터 제거모듈을 통해 사람과 사물을 구분하여 생체신호를 측정하고자 하는 사람과 측정대상이 아닌 사물을 명확히 구분할 수 있다. The position measurement unit 700 may include a clutter removal module. The clutter removal module may perform a clutter removal algorithm by subtracting a range-angle map generated for each chirp in the 3D data cube on the time axis of the chirp period. The position measuring unit 700 can distinguish between a person and an object through the clutter removal module, and can clearly distinguish between a person whose biosignal is to be measured and an object that is not a measurement target.

클러터 제거모듈은 거리-각 맵에서 타겟이 사람인 경우 첩 주기이 시간 축 상에서 신호의 세기가 달라지고, 타겟이 사물인 경우 첩 주기의 시간 축 상에서 신호의 세기가 일정하게 유지되는 점을 이용하여 각각의 첩에 대해 생성되는 거리-각 맵을 시간 축 상에서 서로 빼주게 되면 타겟이 사람인 부분은 남게 되고, 타겟이 사물인 부분을 서로 상쇄되어 사라지게 할 수 있다. The clutter removal module uses the fact that the intensity of the signal varies on the time axis of the chirp period when the target is a person in the distance-each map, and the intensity of the signal is maintained constant on the time axis of the chirp period when the target is an object. If the distance-each map generated for the chirp of is subtracted from each other on the time axis, the part where the target is a person remains, and the part where the target is an object can be offset with each other and disappear.

생체신호 검출부(900)는 위치 측정부(700)에서 특정한 위치의 사람과 상기 MIMO 안테나 사이의 거리를 기반으로 호흡 파형을 획득할 수 있다. 생체신호 검출부(900)는 호흡 파형을 추출하기 위해 호흡 주파수 범위로 필터링을 수행할 수 있다. The bio-signal detector 900 may obtain a breathing waveform based on a distance between a person at a specific position in the location measurer 700 and the MIMO antenna. The bio-signal detection unit 900 may perform filtering in a breathing frequency range to extract a breathing waveform.

생체신호 검출부(900)는 디지털 빔포밍 연산을 수행하여 위치 측정부에서 특정한 사람의 각도와 거리정보를 포함하는 데이터를 3D 레이다 큐브에서 추출하고, 추출한 데이터로 호흡 파형을 획득할 수 있다. The biosignal detection unit 900 may perform digital beamforming operation to extract data including angle and distance information of a specific person from the 3D radar cube in the position measuring unit, and obtain a breathing waveform with the extracted data.

빔포밍(beamforming)이란 여러 개로 공급되는 신호의 진폭과 위상을 변화시켜 특정 방향으로 무선 신호를 집중시키는 기술이다. 디지털 빔포밍이란 배열 안테나로 송수신되는 신호의 진폭과 위상을 기저대역에서 제어하는 것으로, 특정한 방향의 신호는 세게, 다른 방향의 신호를 약하게 송수신할 수 있다. Beamforming is a technology for concentrating radio signals in a specific direction by changing the amplitude and phase of multiple supplied signals. Digital beamforming is to control the amplitude and phase of signals transmitted and received through an array antenna in a baseband, and signals in a specific direction can be transmitted and received strongly and signals in other directions can be transmitted and received weakly.

생체신호 검출부(900)는 디지털 빔포밍 기술을 이용하여 위치 측정부(700)에서 특정된 위치의 정보만을 선택적으로 획득할 수 있다. 생체신호 검출부(900)는 측정자의 호흡과 주변 사람의 움직임이 중첩되어 발생하는 노이즈를 일정 부분 제거하여 생체신호 측정의 정확도를 높일 수 있다. 생체신호 검출부(900)는 디지털 빔포밍을 이용하여 생체신호를 측정하고자 하는 사람의 거리정보뿐만 아니라 각도정보를 정확히 얻을 수 있다. The bio-signal detector 900 may selectively obtain information on a location specified in the position measurer 700 using digital beamforming technology. The bio-signal detection unit 900 can improve the accuracy of bio-signal measurement by partially removing noise generated when the measurer's respiration overlaps with the movements of people around him. The bio-signal detector 900 can accurately obtain angle information as well as distance information of a person whose bio-signal is to be measured using digital beamforming.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 안테나(100)의 송수신 채널을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 생체신호 검출부(900)는 송신 안테나(110) 및 수신 안테나(130)로 구성되는 12개의 채널 중 특정한 사람의 각도와 거리정보를 포함하는 데이터를 수신하는 채널만을 이용하여 디지털 빔포밍 연산을 수행할 수 있다.5 shows transmission and reception channels of the MIMO antenna 100 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5 , the biosignal detector 900 uses only a channel for receiving data including angle and distance information of a specific person among 12 channels composed of a transmission antenna 110 and a reception antenna 130 to digitally A beamforming operation may be performed.

생체신호 검출부(900)는 MIMO 안테나(100)가 형성한 복수개의 채널 중 EL(Elevation)축과 AZ(Azimuth)축을 기준으로 얻고자 하는 데이터를 포함하는 채널의 신호만을 선택적으로 획득할 수 있다. 이를 통해, 생체신호 검출부(900)는 디지털 빔포밍을 구현할 수 있다. The biosignal detection unit 900 may selectively acquire only signals of channels including data to be obtained based on an Elevation (EL) axis and an Azimuth (AZ) axis among a plurality of channels formed by the MIMO antenna 100 . Through this, the bio-signal detector 900 can implement digital beamforming.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 호흡수 추출 알고리즘을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 생체신호 검출부(900)는 측정된 호흡 파형의 peak의 수를 검출하여 분당 호흡수를 모니터링할 수 있다. 생체신호 검출부(900)는 paek 검출 알고리즘을 사용하여 호흡 파형의 peak(진폭이 상승하다가 하강하는 지점)를 추출할 수 있다. 생체신호 검출부(900)는 20초당 peak의 수를 1분당 peak의 수로 환산하여 분당 호흡수를 측정할 수 있다. 6 shows a respiratory rate extraction algorithm according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6 , the bio-signal detector 900 may monitor the respiratory rate per minute by detecting the number of peaks of the measured respiratory waveform. The bio-signal detector 900 may extract a peak (a point at which the amplitude rises and then falls) of the respiratory waveform using a paek detection algorithm. The biosignal detector 900 may measure the respiratory rate per minute by converting the number of peaks per 20 seconds into the number of peaks per minute.

생체신호 검출부(900)는 호흡 주파수 대역으로 호흡 파형을 필터링하여 peak의 수를 검출할 수 있다. 생체신호 검출부(900)는 위치 측정부(700)에서 획득한 거리정보를 그대로 사용하면 호흡 신호에 심박 신호, 노이즈 등이 포함되어 peak의 수를 검출할 때 정확성이 떨어질 수 있으므로 호흡 주파수 대역으로 필터링할 수 있다. The bio-signal detector 900 may detect the number of peaks by filtering the respiration waveform in the respiration frequency band. If the bio-signal detection unit 900 uses the distance information obtained from the position measurement unit 700 as it is, the breathing signal includes heartbeat signals and noise, which may reduce accuracy when detecting the number of peaks. can do.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 심박수 추출 알고리즘을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 생체신호 검출부(900)는 호흡 주파수 대역으로 필터링하기 전후의 호흡 파형의 차이로 심박 파형을 획득할 수 있다. 호흡 주파수와 심박 주파수는 차이가 있으므로 호흡 주파수로 필터링된 신호를 필터링 이전의 신호에서 빼주면 심박 신호만 남게 된다. 이를 이용하여, 생체신호 검출부(900)는 심박 신호를 추출할 수 있다. 생체신호 검출부(900)는 좀 더 정확한 심박 파형을 추출하기 위해서 심박 주파수로 필터링을 수행할 수 있다. 7 shows a heart rate extraction algorithm according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7 , the bio-signal detector 900 may obtain a heartbeat waveform as a difference between a respiration waveform before and after filtering into a respiration frequency band. Since there is a difference between the respiratory frequency and the heartbeat frequency, only the heartbeat signal remains when the signal filtered by the respiratory frequency is subtracted from the signal before filtering. Using this, the bio-signal detector 900 may extract a heartbeat signal. The bio-signal detector 900 may perform filtering based on the heartbeat frequency in order to extract a more accurate heartbeat waveform.

생체신호 검출부(900)는 측정된 심박 파형의 peak의 수를 검출하여 분당 심박수를 모니터링할 수 있다. 심박 파형의 peak의 수를 검출하는 방식을 호흡 파형에서 peak의 수를 검출하는 방식과 동일한 방식일 수 있다. The bio-signal detector 900 may monitor the heart rate per minute by detecting the number of peaks of the measured heart rate waveform. A method of detecting the number of peaks of a heartbeat waveform may be the same as a method of detecting the number of peaks of a respiration waveform.

본 발명의 다른 실시예로, 비접촉식 생체 신호 측정 방법은 로데이터 수집단계, 큐브 생성단계, 위치 측정단계, 및 생체신호 검출단계를 포함할 수 있다. In another embodiment of the present invention, the non-contact biosignal measuring method may include a raw data collection step, a cube creation step, a location measurement step, and a biosignal detection step.

로데이터 수집단계는 MIMO 안테나의 복수개의 송신 안테나에서 송신한 레이다 신호가 반사되어 복수개의 수신 안테나에 수신되는 복수개의 첩 신호(chirp signal)를 하나의 첩 당 N개로 샘플링하여 로데이터(raw data)를 획득하여 저장할 수 있다. 로데이터 수집단계는 전술한 로데이터 수집부(300)에서 수행되는 동작을 의미한다. In the raw data collection step, the radar signals transmitted from the plurality of transmission antennas of the MIMO antenna are reflected and the plurality of chirp signals received by the plurality of reception antennas are sampled N per chirp to generate raw data can be obtained and stored. The raw data collection step refers to an operation performed by the raw data collection unit 300 described above.

큐브 생성단계는 로데이터 수집단계에서 저장된 로데이터를 ADC 샘플링 인덱스(ADC sample index) 및 수신 안테나 인덱스(Rx index)에 해당하는 데이터로 구성되는 2차원 데이터를 생성하고 첩 주기의 시간 축 상에서 누적하여 3D 레이다 큐브로 변환할 수 있다. 큐브 생성단계는 전술한 큐브 생성부(500)에서 수행되는 동작을 의미한다. The cube generation step generates two-dimensional data composed of data corresponding to the ADC sampling index and the receiving antenna index (Rx index) of the raw data stored in the raw data collection step, and accumulates them on the time axis of the chirp period. It can be converted into a 3D radar cube. The cube generating step refers to an operation performed by the cube generating unit 500 described above.

위치 측정단계는 3D 레이다 큐브의 데이터를 RFFT(Range-Fast Fourier Transform)와 디지털 빔포밍 연산을 수행하여 각도와 거리정보를 획득하고, 각도와 거리정보로 사람의 위치를 특정할 수 있다. 위치 측정단계는 전술한 위치 측정부(700)에서 수행되는 동작을 의미한다. In the position measurement step, RFFT (Range-Fast Fourier Transform) and digital beamforming operation are performed on the data of the 3D radar cube to obtain angle and distance information, and the position of the person can be specified using the angle and distance information. The location measurement step refers to an operation performed by the location measurement unit 700 described above.

생체신호 검출단계는 위치 측정단계에서 특정한 위치의 사람과 상기 MIMO 안테나 사이의 거리를 기반으로 호흡 파형을 획득할 수 있다. 생체신호 검출단계는 전술한 생체신호 검출부(900)에서 수행되는 동작을 의미한다. In the bio-signal detection step, a breathing waveform may be obtained based on a distance between a person at a specific position and the MIMO antenna in the position measurement step. The bio-signal detection step refers to an operation performed by the bio-signal detection unit 900 described above.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 생체 신호 측정 방법의 흐름도를 나타낸다. 도 8을 참조하여, 이하에서는 비접촉식 생체 신호 측정 방법의 전체 프로세스를 살펴본다.8 shows a flowchart of a non-contact biosignal measurement method according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8 , the entire process of the non-contact biosignal measurement method will be described below.

먼저, MIMO 안테나의 수신부를 통해 송신한 FMCW 레이다 신호가 타겟에 반사된 신호를 샘플링하여 로데이터를 수집한다. 다음으로, 로데이터를 재배열하여 ADC 샘플링 인덱스, 수신 안테나 인덱스(Rx index), 및 첩 인덱스(chirk index)를 축으로 하는 3D 레이다 큐브를 생성한다. 이때 연산량에 따른 하드웨어 제한문제를 해결하기 위해 최근 20초에 해당하는 3D 레이다 큐브만을 유지하고 그 이외이 데이터는 삭제한다. 이어서, 3D 레이다 큐브를 RFFT 및 DBF(Digital BeamForming)을 수행하여 특정 위치에 있는 사람의 거리정보를 획득할 수 있다. 마지막으로, 획득한 거리정보를 이용하여 호흡수, 심박수 등의 생체신호를 측정한다. First, raw data is collected by sampling the signal reflected from the target by the FMCW radar signal transmitted through the receiver of the MIMO antenna. Next, the raw data is rearranged to generate a 3D radar cube having ADC sampling index, receiving antenna index (Rx index), and chirk index as axes. At this time, in order to solve the hardware limitation problem according to the amount of computation, only the 3D radar cube corresponding to the last 20 seconds is maintained and other data is deleted. Subsequently, RFFT and digital beamforming (DBF) may be performed on the 3D radar cube to obtain distance information of a person at a specific location. Finally, biosignals such as respiratory rate and heart rate are measured using the obtained distance information.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다. Although the present invention has been described in detail through representative embodiments, those skilled in the art will understand that various modifications are possible to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined, and should be defined by all changes or modifications derived from the claims and equivalent concepts as well as the claims to be described later.

10 : 비접촉식 생체 신호 측정 시스템
100 : MIMO 안테나
110 : 송신 안테나
130 : 수신 안테나
300 : 로데이터 수집부
500 : 큐브 생성부
700 : 위치 측정부
900 : 생체신호 검출부
10: Non-contact biosignal measurement system
100: MIMO antenna
110: transmit antenna
130: receiving antenna
300: raw data collection unit
500: cube creation unit
700: position measuring unit
900: biosignal detection unit

Claims (10)

FMCW 형태의 레이다 신호를 송수신하는 MIMO 안테나;
상기 MIMO 안테나의 복수개의 송신 안테나에서 송신한 레이다 신호가 반사되어 복수개의 수신 안테나에 수신되는 복수개의 첩 신호(chirp signal)를 하나의 첩 당 N개로 샘플링하여 획득한 로데이터(raw data)를 저장하는 로데이터 수집부;
상기 로데이터 수집부에 저장된 로데이터로 ADC 샘플링 인덱스(ADC sample index) 및 수신 안테나 인덱스(Rx index)에 해당하는 데이터로 구성되는 2차원 데이터를 생성하고 첩 주기의 시간 축 상에서 누적하여 3D 레이다 큐브로 변환하는 큐브 생성부;
상기 3D 레이다 큐브의 데이터를 RFFT(Range-Fast Fourier Transform)와 디지털 빔포밍 연산을 수행하여 각도와 거리정보를 획득하고, 각도와 거리정보로 사람의 위치를 특정하는 위치 측정부; 및
상기 위치 측정부에서 특정한 위치의 사람과 상기 MIMO 안테나 사이의 거리를 기반으로 호흡 파형을 획득하는 생체신호 검출부;를 포함하는 비접촉식 생체 신호 측정 시스템.
MIMO antenna for transmitting and receiving FMCW type radar signals;
Stores raw data obtained by sampling a plurality of chirp signals received by a plurality of receiving antennas after reflecting radar signals transmitted from a plurality of transmitting antennas of the MIMO antenna by N samples per chirp Raw data collection unit to do;
With the raw data stored in the raw data collection unit, two-dimensional data consisting of data corresponding to the ADC sampling index and the receiving antenna index (Rx index) is generated and accumulated on the time axis of the chirp period to form a 3D radar cube Cube generation unit that converts to;
a position measurement unit that obtains angle and distance information by performing Range-Fast Fourier Transform (RFFT) and digital beamforming operations on the data of the 3D radar cube, and specifies a position of a person using the angle and distance information; and
A non-contact bio-signal measurement system comprising: a bio-signal detector for acquiring a breathing waveform based on a distance between a person at a specific position in the location-measuring unit and the MIMO antenna.
제 1 항에 있어서,
상기 생체신호 검출부는,
디지털 빔포밍 연산을 수행하여 상기 위치 측정부에서 특정한 사람의 각도와 거리정보를 포함하는 데이터를 3D 레이다 큐브에서 추출하고, 추출한 데이터로 호흡 파형을 획득하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정 시스템.
According to claim 1,
The bio-signal detector,
Non-contact biosignal measurement system, characterized in that by performing a digital beamforming operation, the position measurement unit extracts data including angle and distance information of a specific person from a 3D radar cube, and obtains a breathing waveform with the extracted data.
제 2 항에 있어서,
상기 MIMO 안테나는,
복수개의 송신 안테나와 복수개의 수신 안테나로 구성되고,
상기 생체신호 검출부는,
상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나로 구성되는 복수개의 채널 중 상기 위치 측정부에서 특정한 사람의 각도와 거리정보를 포함하는 데이터를 수신하는 채널만을 이용하여 디지털 빔포밍 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정 시스템
According to claim 2,
The MIMO antenna,
It consists of a plurality of transmit antennas and a plurality of receive antennas,
The bio-signal detector,
Non-contact biometric, characterized in that performing a digital beamforming operation using only a channel through which the position measuring unit receives data including angle and distance information of a specific person among a plurality of channels composed of the transmitting antenna and the receiving antenna signal measurement system
제 1 항에 있어서,
상기 MIMO 안테나는,
측정하고자 하는 대상의 후면에 배치되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정 시스템.

According to claim 1,
The MIMO antenna,
A non-contact biosignal measurement system characterized in that it is disposed on the back of the target to be measured.

제 1 항에 있어서,
상기 생체신호 검출부는,
측정된 호흡 파형의 peak의 수를 검출하거나 FFT를 수행하여 분당 호흡수를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정 시스템.
According to claim 1,
The bio-signal detector,
A non-contact biosignal measurement system characterized in that the number of peaks of the measured respiration waveform is detected or FFT is performed to monitor the number of respirations per minute.
제 5 항에 있어서,
상기 생체신호 검출부는,
호흡 주파수 대역으로 호흡 파형을 필터링하여 분당 호흡수를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정 시스템.
According to claim 5,
The bio-signal detector,
A non-contact biosignal measurement system characterized in that monitoring the number of breaths per minute by filtering the respiratory waveform into the respiratory frequency band.
제 5 항에 있어서,
상기 생체신호 검출부는,
호흡 주파수 대역으로 필터링하기 전후의 호흡 파형의 차이로 심박 파형을 획득하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정 시스템.
According to claim 5,
The bio-signal detector,
A non-contact bio-signal measurement system characterized in that a heartbeat waveform is obtained as a difference between a breathing waveform before and after filtering into a breathing frequency band.
제 6 항에 있어서,
상기 생체신호 검출부는,
측정된 심박 파형의 peak의 수를 검출하여 분당 심박수를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정 시스템.
According to claim 6,
The bio-signal detector,
A non-contact biosignal measurement system characterized in that the heart rate per minute is monitored by detecting the number of peaks of the measured heart rate waveform.
제 1 항에 있어서,
상기 로데이터 수집부는,
20초 이내에 수신된 로데이터의 저장을 유지하고, 그 이외의 로데이터는 삭제하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정 시스템.
According to claim 1,
The raw data collection unit,
A non-contact biosignal measuring system characterized by maintaining the storage of raw data received within 20 seconds and deleting other raw data.
MIMO 안테나의 복수개의 송신 안테나에서 송신한 레이다 신호가 반사되어 복수개의 수신 안테나에 수신되는 복수개의 첩 신호(chirp signal)를 하나의 첩 당 N개로 샘플링하여 로데이터(raw data)를 획득하여 저장하는 로데이터 수집단계;
상기 로데이터 수집단계에서 저장된 로데이터를 ADC 샘플링 인덱스(ADC sample index) 및 수신 안테나 인덱스(Rx index)에 해당하는 데이터로 구성되는 2차원 데이터를 생성하고 첩 주기의 시간 축 상에서 누적하여 3D 레이다 큐브로 변환하는 큐브 생성단계;
상기 3D 레이다 큐브의 데이터를 RFFT(Range-Fast Fourier Transform)와 디지털 빔포밍 연산을 수행하여 각도와 거리정보를 획득하고, 각도와 거리정보로 사람의 위치를 특정하는 위치 측정단계; 및
상기 위치 측정단계에서 특정한 위치의 사람과 상기 MIMO 안테나 사이의 거리를 기반으로 호흡 파형을 획득하는 생체신호 검출단계;를 포함하는 비접촉식 생체 신호 측정 방법.
Radar signals transmitted from a plurality of transmit antennas of a MIMO antenna are reflected and a plurality of chirp signals received by a plurality of receive antennas are sampled N per chirp to acquire and store raw data raw data collection step;
The raw data stored in the raw data collection step generates two-dimensional data composed of data corresponding to the ADC sampling index and the receiving antenna index (Rx index) and accumulates on the time axis of the chirp period to obtain a 3D radar cube Cube generation step of converting to;
A position measurement step of obtaining angle and distance information by performing a range-fast Fourier transform (RFFT) and digital beamforming operation on the data of the 3D radar cube, and specifying a position of a person with the angle and distance information; and
A bio-signal detection step of obtaining a breathing waveform based on the distance between a person at a specific position and the MIMO antenna in the location-measuring step; non-contact bio-signal measurement method comprising a.
KR1020220020774A 2022-02-17 2022-02-17 Non-contact biosignal measurement system and method KR20230123699A (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220020774A KR20230123699A (en) 2022-02-17 2022-02-17 Non-contact biosignal measurement system and method
PCT/KR2022/010945 WO2023158033A1 (en) 2022-02-17 2022-07-26 Contactless biosignal measurement system and method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220020774A KR20230123699A (en) 2022-02-17 2022-02-17 Non-contact biosignal measurement system and method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230123699A true KR20230123699A (en) 2023-08-24

Family

ID=87578778

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220020774A KR20230123699A (en) 2022-02-17 2022-02-17 Non-contact biosignal measurement system and method

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20230123699A (en)
WO (1) WO2023158033A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023191720A2 (en) * 2022-03-29 2023-10-05 Agency For Science, Technology And Research Methods and systems for tracking living objects
CN116982957B (en) * 2023-09-12 2024-06-07 清澜技术(深圳)有限公司 Non-contact vital sign data monitoring method based on millimeter wave radar

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102289031B1 (en) 2020-08-28 2021-08-11 (주)그린아이티코리아 Method And Apparatus for Vital Signal by Using Radar

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6961274B2 (en) * 2018-02-22 2021-11-05 バヤール イメージング リミテッド Detection and measurement of correlated movement using MIMO radar
KR20210006225A (en) * 2019-07-08 2021-01-18 에스케이텔레콤 주식회사 Method and Apparatus for Measuring Multi Object Bio Signal
KR102091974B1 (en) * 2019-07-25 2020-03-24 정기섭 Method for tracking target and detecting respiration and heartbeat pattern using FMCW radar
JP7001244B1 (en) * 2020-07-22 2022-01-19 サクラテック株式会社 Non-contact biological signal detector
CN112971743B (en) * 2021-02-08 2022-05-27 南京泓鼎感知技术有限责任公司 Non-contact neonatal respiration monitoring system, device and storage medium

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102289031B1 (en) 2020-08-28 2021-08-11 (주)그린아이티코리아 Method And Apparatus for Vital Signal by Using Radar

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023158033A1 (en) 2023-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11850027B2 (en) Multi-person vital signs monitoring using millimeter wave (mm-wave) signals
Ahmad et al. Vital signs monitoring of multiple people using a FMCW millimeter-wave sensor
CN110584631B (en) Static human heartbeat and respiration signal extraction method based on FMCW radar
KR20230123699A (en) Non-contact biosignal measurement system and method
EP2093588B1 (en) Pulsed ultra-wideband sensor and the method thereof
CN112336322B (en) Contactless respiration or heartbeat detection method
CN105476602A (en) Non-contact human vital sign measurement method and device
KR102467923B1 (en) Radar system and radar signal processing method performed thereby
CN111856455A (en) Multi-target heart rate and respiration measuring method and system matched with different radar bandwidths
CN115399747B (en) Multi-person vital sign monitoring method based on millimeter wave radar
CN115644840A (en) Vital sign detection method based on millimeter wave radar
CN114366052A (en) Intelligent nursing home monitoring system and method based on millimeter wave radar
Alizadeh et al. Remote heart rate sensing with mm-wave radar
Zhang et al. An experimental study to optimize the stepped-frequency continuous-wave radar parameters for noncontact multi-target vital sign monitoring
CN114509749A (en) Indoor positioning detection system and method
CN105105739B (en) Short-distance wireless heart rate and heart rate variability detection method
CN117838083A (en) Millimeter wave radar-based physical sign rapid and accurate detection method
Salman et al. Contactless vital signs tracking with mmwave radar in realtime
RU2384860C2 (en) Method of detecting people and moving objects behind barrier and device for realising said method
Lopes et al. Equivalent pipeline processing for IR-UWB and FMCW radar comparison in vital signs monitoring applications
KR102381262B1 (en) Radar system and bio-signal detection method performed thereby
Srihari et al. Measurement and evaluation of human vital sign using 77ghz awr1642 fmcw radar sensor
KR20230077607A (en) Apparatus and method for determining a distance for measuring heartbeat based on temporal phase coherency
KR102181745B1 (en) Differential phase radar bio-signal detection apparatus and method
Chen et al. Noncontact heart rate detection method based on Kalman filter

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal