KR20230135918A

KR20230135918A - Apparatus, method and system for real time noncontact monitoring human body

Info

Publication number: KR20230135918A
Application number: KR1020220033486A
Authority: KR
Inventors: 장준용
Original assignee: 장준용
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2023-09-26

Abstract

본 발명은 테라헤르츠 대역의 주파수를 이용하여 인체의 생체정보를 측정하는 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치와 이를 이용한 방법 및 병원 다인실 환자 모니터링 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 의하면 미리 설정된 테라헤르츠 대역의 제1주파수 신호를 출력하여 장기의 움직임에 따라 반사되는 전파의 생체 신호를 측정하고, 상기 제1주파수 신호에 상기 측정된 생체 신호를 합성한 제2주파수 신호를 전송하는 생체정보 수집부; 상기 생체정보 수집부로부터 수신된 제2주파수 신호를 대역 통과 필터링을 통해 1차 신호 처리를 수행하고, 곱셈기를 통해 2차 신호 처리를 수행하여 유효 생체 신호를 선별하는 대역 통과 필터부; 상기 선별된 유효 생체 신호를 주파수 영역에서 고속 퓨리에 변환을 통해 분석하는 고속 퓨리에 변환부; 분석된 생체 신호에서 피크 주파수를 검출하는 피크 검출부; 상기 피크 검출부에서 수신한 피크 주파수 신호를 이용하여 분당 심박수를 도출하는 심박수 검출부를 포함하는 디지털 신호 처리부 및 상기 디지털 신호 처리부에서 분석된 결과와, 측정된 생체 신호를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 테라헤르츠 대역의 주파수를 이용하여 인체의 생체정보를 측정하는 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치와 이를 이용한 방법 및 병원 다인실 환자 모니터링 시스템을 제공한다.The present invention relates to a non-contact real-time human body monitoring device that measures biometric information of the human body using frequencies in the terahertz band, a method using the same, and a patient monitoring system in a multi-room hospital.
According to the present invention, a first frequency signal in a preset terahertz band is output to measure a biological signal of radio waves reflected according to the movement of an organ, and a second frequency signal is obtained by combining the measured biological signal with the first frequency signal. a biometric information collection unit that transmits; a band-pass filter unit that performs primary signal processing on the second frequency signal received from the biometric information collection unit through band-pass filtering and performs secondary signal processing on the second frequency signal received from the biometric information collection unit to select a valid biometric signal; a fast Fourier transform unit that analyzes the selected valid biological signals through fast Fourier transform in the frequency domain; A peak detection unit that detects the peak frequency from the analyzed biological signal; A terahertz band including a digital signal processing unit including a heart rate detection unit that derives the heart rate per minute using the peak frequency signal received from the peak detection unit, and a display unit displaying the results analyzed by the digital signal processing unit and the measured biosignal. Provides a non-contact real-time human body monitoring device that measures biometric information of the human body using frequencies, a method using the same, and a patient monitoring system in a multi-room hospital.

Description

Non-contact real-time human body monitoring device, method using the same, and patient monitoring system for a multi-room hospital {Apparatus, method and system for real time noncontact monitoring human body}

본 발명은 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치와 이를 이용한 방법 및 병원 다인실 환자 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 테라헤르츠 대역의 주파수를 이용하여 인체의 생체정보를 측정하는 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치와 이를 이용한 방법 및 병원 다인실 환자 모니터링 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a non-contact real-time human body monitoring device, a method using the same, and a patient monitoring system in a hospital multi-room. More specifically, a non-contact real-time human body monitoring device that measures biometric information of the human body using frequencies in the terahertz band and a non-contact real-time human body monitoring device using the same. It relates to a method and a patient monitoring system for a multi-room hospital.

일반적으로 가장 보편적인 생체 신호로는 심전도(ECG) 신호가 있다. 이러한 심전도 신호의 측정은 심장의 전기적인 활동을 측정하는 가장 표준적인 방법이다.In general, the most common biological signal is the electrocardiogram (ECG) signal. Measuring these electrocardiogram signals is the most standard way to measure the electrical activity of the heart.

기존의 심전도 신호 측정 방법은 전극의 형태가 다양하지만 심박 및 호흡을 측정하기 위해 몸에 전극을 접촉시켜 측정하는 방법으로서, 정확한 신호 측정이 가능하다. 하지만, 이러한 심전도 신호 측정 방법은 영유아나 소아, 화상 환자와 같이 장시간 사용이 어렵고, 활동성에 제약을 받을 경우 사용하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 기존의 심전도 신호 측정 방법은 접촉형 센서에 대한 불편함과 함께 거부감을 표현하거나 감염의 위험성을 지적하는 경우들이 종종 발생한다.The existing electrocardiogram signal measurement method has various electrode shapes, but it is a method of measuring heart rate and respiration by contacting electrodes with the body, enabling accurate signal measurement. However, this method of measuring electrocardiogram signals has problems in that it is difficult to use for long periods of time, such as in infants, children, and burn patients, and is difficult to use in cases where activity is restricted. In addition, the existing electrocardiogram signal measurement method often causes inconvenience toward contact sensors, expressing resistance, or pointing out the risk of infection.

때문에 일상생활에 불편을 주지 않고 지속적으로 생체 정보를 모니터링해야 하는 경우의 특정 용도에 활용할 수 있도록 비접촉식으로 생체 신호를 측정하기 위한 기술이 필요하게 되었다.Therefore, there is a need for technology to measure biosignals in a non-contact manner so that it can be used for specific purposes where biometric information must be continuously monitored without causing inconvenience to daily life.

이러한 비접촉식으로 생체 신호를 측정하기 위한 방법이 국내 등록특허 제1145646호(이하, '선행기술문헌 1' 이라 함)에 개시되어 있다.This method for measuring biological signals in a non-contact manner is disclosed in Domestic Patent No. 1145646 (hereinafter referred to as 'Prior Art Document 1').

상기 선행기술문헌 1에 개시된 종래의 비접촉식으로 생체 신호를 측정하기 위한 방법은 도플러 레이더를 이용한 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치 및 그 장치에서의 비접촉식 생체 신호 측정 방법에 관한 것으로서, 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치의 도플러 레이더부에서 미리 설정된 주파수 신호를 생성하고, 장기의 움직임에 따라 반사되는 전파의 생체 신호를 측정하고, 측정된 생체 신호를 고주파 신호로 변환하여 전송하면, 디지털 신호 처리부에서 상기 고주파수 신호를 디지털 신호 처리를 거쳐 주파수 영역 분석을 수행하여 사용자의 심박수 및 호흡률을 판정하며, 디스플레이부에서 상기 디지털 신호 처리부에서 분석된 결과와, 측정된 생체 신호를 표시함으로써, 비접촉 및 무구속적으로 보다 정확하게 생체 신호를 측정할 수 있다.The conventional method for measuring biological signals in a non-contact manner disclosed in the prior art document 1 relates to a non-contact real-time human body monitoring device using a Doppler radar and a non-contact method of measuring biological signals in the device. The Doppler radar of the non-contact real-time human body monitoring device The unit generates a preset frequency signal, measures the biological signal of radio waves reflected according to the movement of organs, converts the measured biological signal into a high frequency signal and transmits it, and the digital signal processing unit performs digital signal processing on the high frequency signal. The user's heart rate and breathing rate are determined by performing frequency domain analysis, and the display unit displays the analysis results from the digital signal processing unit and the measured biosignal, allowing more accurate biosignal measurement without contact and restraint. You can.

아울러 상기 선행기술문헌 1에 개시된 종래의 주파수 대역은 10Ghz의 대역을 사용하고 있다.In addition, the conventional frequency band disclosed in Prior Art Document 1 uses a 10Ghz band.

여기서 10Ghz 대역의 주파수를 사용할 경우 생체정보와 측정데이터의 통신을 양립시키기 어려운 문제점이 있다.Here, when using the frequency of the 10Ghz band, there is a problem in that it is difficult to achieve both communication of biometric information and measurement data.

1. 국내 등록특허 제1145646호(2012. 5. 7 등록)1. Domestic registered patent No. 1145646 (registered on May 7, 2012)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 테라헤르츠 대역의 주파수를 이용하여 생체정보와 측정데이터의 통신을 양립시킬 수 있는 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치와 이를 이용한 방법 및 병원 다인실 환자 모니터링 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.The present invention was developed to solve the above problems, and includes a non-contact real-time human body monitoring device capable of communicating biometric information and measurement data using frequencies in the terahertz band, a method using the same, and patient monitoring in a hospital shared room. The purpose is to provide a system.

본 발명의 일측면에 의하면 미리 설정된 테라헤르츠 대역의 제1주파수 신호를 출력하여 장기의 움직임에 따라 반사되는 전파의 생체 신호를 측정하고, 상기 제1주파수 신호에 상기 측정된 생체 신호를 합성한 제2주파수 신호를 전송하는 생체정보 수집부; 상기 생체정보 수집부로부터 수신된 제2주파수 신호를 대역 통과 필터링을 통해 1차 신호 처리를 수행하고, 곱셈기를 통해 2차 신호 처리를 수행하여 유효 생체 신호를 선별하는 대역 통과 필터부; 상기 선별된 유효 생체 신호를 주파수 영역에서 고속 퓨리에 변환을 통해 분석하는 고속 퓨리에 변환부; 분석된 생체 신호에서 피크 주파수를 검출하는 피크 검출부; 상기 피크 검출부에서 수신한 피크 주파수 신호를 이용하여 분당 심박수를 도출하는 심박수 검출부를 포함하는 디지털 신호 처리부 및 상기 디지털 신호 처리부에서 분석된 결과와, 측정된 생체 신호를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치를 제공한다.According to one aspect of the present invention, a device outputs a first frequency signal in a preset terahertz band, measures a biological signal of radio waves reflected according to the movement of an organ, and synthesizes the measured biological signal with the first frequency signal. A biometric information collection unit that transmits a two-frequency signal; a band-pass filter unit that performs primary signal processing on the second frequency signal received from the biometric information collection unit through band-pass filtering and performs secondary signal processing on the second frequency signal through a multiplier to select a valid bio-signal; a fast Fourier transform unit that analyzes the selected valid biological signals through fast Fourier transform in the frequency domain; A peak detection unit that detects the peak frequency from the analyzed biological signal; A digital signal processing unit including a heart rate detection unit that derives the heart rate per minute using the peak frequency signal received from the peak detection unit, and a display unit displaying the results analyzed by the digital signal processing unit and the measured biosignal. Provides a non-contact real-time human body monitoring device.

여기서 상기 생체정보 수집부의 제1주파수는 190 Ghz 대역인 것이 바람직하다.Here, the first frequency of the biometric information collection unit is preferably in the 190 Ghz band.

아울러 상기 대역 통과 필터부는, 상기 생체정보 수집부로부터 수신된 제2주파수 신호를 미리 설정된 주파수로 각각 저역통과 필터링하여 심박수 신호와 호흡률 신호로 분리하는 제1 및 제2 저역통과 필터; 상기 분리되어 저역 통과 필터링된 심박수 신호와 호흡률 신호를 각각 미리 설정된 주파수로 고역 통과 필터링하여 출력하는 제1 및 제2 고역통과 필터; 및 상기 제1 및 제2 고역 통과 필터로부터 각각 수신된 심박수 신호와 호흡률 신호를 합성하여 심박수 신호에 포함된 저 대역 호흡률 신호 성분 제거함으로써 상기 유효 생체 신호를 선별하는 곱셈기를 더욱 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the band-pass filter unit includes first and second low-pass filters that respectively low-pass filter the second frequency signal received from the biometric information collection unit at a preset frequency and separate it into a heart rate signal and a respiratory rate signal; first and second high-pass filters for high-pass filtering the separated and low-pass filtered heart rate signal and respiration rate signal at preset frequencies and outputting the separated and low-pass filtered heart rate signal and respiration rate signal; and a multiplier that selects the valid biological signal by combining the heart rate signal and the respiration rate signal received from the first and second high-pass filters and removing the low-band respiration rate signal component included in the heart rate signal.

본 발명의 다른 측면에 의하면 생체정보 수집부를 이용하여 미리설정된 테라헤르츠 대역의 제1주파수 신호를 장기로 전송하고 장기의 움직임에 따라 반사되는 전파로부터 생체 신호를 측정하여 상기 제1주파수 신호에 합성한 제2주파수 신호를 출력하는 단계; 상기 생체 신호에 대한 제2주파수 신호를 대역 통과 필터링을 통해 심박수 및 호흡률 신호를 분리하는 1차 신호 처리를 수행하고, 상기 분리된 심박수 및 호흡률 신호를 곱셈기를 통해 2차 신호 처리하여 유효 생체 신호를 선별하는 단계; 상기 유효 생체 신호를 고속 퓨리에 변환하여 피크 주파수를 검출하고, 검출된 상기 피크 주파수를 이용하여 사용자의 심박수 및 호흡율을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 결과와, 상기 측정된 생체 신호를 표시하는 단계를 포함하는 비접촉 실시간 인체 모니터링 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a first frequency signal in a preset terahertz band is transmitted to an organ using a biometric information collection unit, and the biosignal is measured from radio waves reflected according to the movement of the organ and synthesized into the first frequency signal. Outputting a second frequency signal; Performing primary signal processing to separate the heart rate and respiration rate signals through band-pass filtering of the second frequency signal for the bio signal, and performing secondary signal processing on the separated heart rate and respiration rate signals through a multiplier to produce an effective bio signal. Selecting step; performing fast Fourier transform on the effective biological signal to detect a peak frequency, and detecting the user's heart rate and respiratory rate using the detected peak frequency; and displaying the detected results and the measured biological signals.

여기서 상기 제1주파수 신호는 190 Ghz 대역의 주파수로 설정하여 생성하는 것이 바람직하다.Here, it is desirable to generate the first frequency signal by setting it to a frequency in the 190 Ghz band.

아울러 상기 1차 신호 처리를 수행하는 단계는, 상기 제2주파수 신호를 미리 설정된 주파수로 각각 저역 통과 필터링하여 심박수 신호와 호흡률 신호로 분리하는 단계 및 분리되어 저역 통과 필터링된 심박수 신호와 호흡률 신호를 각각 미리 설정된 주파수로 고역 통과 필터링하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the step of performing the first signal processing includes the step of low-pass filtering the second frequency signal at a preset frequency to separate it into a heart rate signal and a respiration rate signal, and the separate low-pass filtered heart rate signal and the respiration rate signal. It is desirable to include a step of high-pass filtering with a preset frequency.

본 발명은 또 다른 측면에 의하면 비접촉 실시간 인체 모니터링 방법을 사용하여 환자를 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 구비된 병원 다인실 환자 모니터링 시스템을 제공한다.According to another aspect, the present invention provides a hospital multi-room patient monitoring system equipped to monitor patients in real time using a non-contact real-time human body monitoring method.

여기서 상기 환자는 요양병원에 수용된 환자인 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the patient is a patient admitted to a nursing hospital.

상기와 같이 본 발명에 따른 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치와 이를 이용한 방법 및 병원 다인실 환자 모니터링 시스템은 장기의 움직임에 따른 생체 신호를 테라헤르쯔대역의 주파수를 이용하여 측정함으로 생체정보와 측정데이터의 통신을 양립시킬 수 있다.As described above, the non-contact real-time human body monitoring device and method using the same and the hospital multi-room patient monitoring system according to the present invention measure biological signals according to the movement of organs using a frequency in the terahertz band, thereby enabling communication of biometric information and measurement data. It can be compatible.

아울러 본 발명에 따른 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치와 이를 이용한 방법 및 병원 다인실 환자 모니터링 시스템은 대역통과 필터링을 통해 1차 신호 처리하여 심박수 측정의 정확성을 높일 수 있으며, 필터링된 신호를 곱셈기를 통해 2차 신호 처리하여 저대역 호흡 신호에 의한 간섭을 차단할 수 있다.In addition, the non-contact real-time human body monitoring device and method using the same and the hospital multi-room patient monitoring system according to the present invention can improve the accuracy of heart rate measurement by processing the primary signal through band-pass filtering, and convert the filtered signal into the secondary signal through a multiplier. Interference caused by low-band respiration signals can be blocked by signal processing.

또한 본 발명에 따른 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치와 이를 이용한 방법 및 병원 다인실 환자 모니터링 시스템은 다인실의 환자를 실시간으로 모니터링 할 수 있으므로 간병인력을 줄일 수 있다.In addition, the non-contact real-time human body monitoring device and method using the same and the hospital multi-room patient monitoring system according to the present invention can monitor patients in the multi-room in real time, thereby reducing nursing staff.

아울러 본 발명에 따른 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치와 이를 이용한 방법 및 병원 다인실 환자 모니터링 시스템은 움직임이 미미한 요양병원 환자의 비상상황에 대하여 보다 효과적으로 대처할 수 있다.In addition, the non-contact real-time human body monitoring device and method using the same and the hospital multi-room patient monitoring system according to the present invention can more effectively respond to emergency situations of patients in nursing hospitals with minimal movement.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치의 디지털 신호 처리 모듈의 구체적인 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 실시간 인체 모니터링 방법을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a non-contact real-time human body monitoring device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the specific structure of a digital signal processing module of a non-contact real-time human body monitoring device according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram illustrating a non-contact real-time human body monitoring method according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In describing the present invention, if a detailed description of a related known function or configuration is judged to unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.In addition, the same reference numerals are used for parts that perform similar functions and actions throughout the drawings.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Additionally, throughout the specification, when a part is said to be 'connected' to another part, this does not only mean 'directly connected', but also 'indirectly connected' with another element in between. Includes. Additionally, 'including' a certain component does not mean excluding other components unless specifically stated to the contrary, but rather means that other components can be further included.

본 발명의 실시 예에서는 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치는 제1주파수의 전자파를 테라헤르츠 대역의 주파수를 이용한다. 이와 같은 테라헤르츠 대역의 전자파를 이용하면 전파의 발생점과 관측점이 가까워질 때는 겉보기 수신 주파수가 높아지고, 멀어질 때는 낮아지는 현상의 도플러 효과를 얻을 수 있다.In an embodiment of the present invention, the non-contact real-time human body monitoring device uses electromagnetic waves of a first frequency in the terahertz band. Using electromagnetic waves in the terahertz band, the Doppler effect can be obtained, in which the apparent reception frequency increases when the radio wave generation point and the observation point get closer, and decreases when it moves away.

또한, 도플러 효과에 의해 이동에 따른 도플러 효과에 의한 겉보기 수신 주파수의 변화량을 나타내는 도플러 천이가 발생하며, 이동체 이동 등에 의해 통신 채널이 시간에 따른 변화를 겪게 되어 주파수 상에서 넓게 늘어지며 확산되는 효과(도플러 확산)를 얻을 수 있다. 여기서 도플러 천이는 이동체의 속도, 수신전파 및 이동방향 사이의 각도와 관련(f=(v/λ)cosθ)되며, 이동방향이 전파방향과 반대면 음(-)을 나타내며, 같은 방향이면 양(+)을 나타낸다.In addition, Doppler shift, which represents the amount of change in the apparent reception frequency due to movement due to the Doppler effect, occurs, and the communication channel undergoes changes over time due to movement of a moving object, causing an effect of stretching and spreading widely on the frequency (Doppler diffusion) ) can be obtained. Here, the Doppler shift is related to the angle between the speed of the moving object, the received radio wave, and the moving direction (f=(v/λ)cosθ). If the moving direction is opposite to the propagating direction, it is negative (-), and if it is in the same direction, it is positive ( +).

본 발명의 일실시예에 따른 전자파를 이용한 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The non-contact real-time human body monitoring device using electromagnetic waves according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings as follows.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치의 디지털 신호 처리 모듈의 구체적인 구조를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 실시간 인체 모니터링 방법을 도시한 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing a non-contact real-time human body monitoring device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing the specific structure of a digital signal processing module of the non-contact real-time human body monitoring device according to an embodiment of the present invention. Figure 3 is a diagram illustrating a non-contact real-time human body monitoring method according to an embodiment of the present invention.

상기 도 1에 도시된 바와 같이 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치는 생체정보 수집부(110), 디지털 신호 처리부(120) 및 디스플레이부(130)를 포함하여 구성할 수 있다.As shown in FIG. 1, the non-contact real-time human body monitoring device may include a biometric information collection unit 110, a digital signal processing unit 120, and a display unit 130.

생체정보 수집부(110)는 제1주파수 신호를 생성하고, 장기의 움직임에 따라 반사되어 돌아온 전파의 무선 주파수 신호를 수집한다. 생체정보 수집부(110)는 도플러 레이더 안테나를 적용하며, 마이크로스트립 패치방식이 활용되어 일반적인 콘형 안테나 면적대비 측정 성능을 향상시킨 구조로 구성될 수 있다. 생성되는 제1주파수 신호는 테라헤르츠 대역의 신호를 적용하며, 장기의 움직임에 따라 사용하는 주파수를 변경할 수 있다. 여기서 바람직하게는 제1주파수 신호는 190 Ghz 대역인 것이 바람직하다. 상기 제1주파수 신호를 테라헤르츠 대역의 신호를 적용함에 따라 생체정보와 측정데이터의 통신을 양립시킬 수 있다.The biometric information collection unit 110 generates a first frequency signal and collects radio frequency signals of radio waves reflected and returned according to the movement of organs. The biometric information collection unit 110 applies a Doppler radar antenna and can be configured with a structure that improves measurement performance compared to the area of a typical cone-shaped antenna by using a microstrip patch method. The generated first frequency signal uses a terahertz band signal, and the frequency used can be changed according to the movement of the organ. Here, the first frequency signal is preferably in the 190 Ghz band. By applying a terahertz band signal as the first frequency signal, it is possible to achieve both communication of biometric information and measurement data.

상기 생체정보 수집부(110)는 첨부된 도 2에 도시된 바와 같이, 주파수 공급부(111), 송/수신안테나(TX/RX)(112), 저잡음 증폭기(LNA)(113), 필터(114), 혼합기(Mixer)(115)를 포함하여 구성할 수 있다.As shown in the attached FIG. 2, the biometric information collection unit 110 includes a frequency supply unit 111, a transmission/reception antenna (TX/RX) 112, a low noise amplifier (LNA) 113, and a filter 114. ), and can be configured to include a mixer (115).

주파수 공급부(111)는 190 GHz의 VOC 주파수를 송신 안테나(TX)(112) 및 믹서(115)의 입출력 포트로 동등하게 공급한다. 안테나(112)는 도플러 레이더 안테나로서, 송신/수신의 분리도를 증가시키기 위해 송신 안테나(TX)와 수신 안테나(RX)가 별도로 사용되는 듀얼 안테나로 구성된다. 저잡음 증폭기(113)는 수신 안테나(RX)를 통해 수신된 생체 신호를 저잡음 증폭하고, 필터(114)는 저잡음 증폭된 생체 신호를 필터링한다. 믹서(115)는 필터링된 생체 신호와 190 GHz의 주파수 신호를 합성하여 생체 신호를 제2주파수 신호로 변환하여 전송한다.The frequency supply unit 111 equally supplies the VOC frequency of 190 GHz to the transmission antenna (TX) 112 and the input/output port of the mixer 115. The antenna 112 is a Doppler radar antenna and is composed of a dual antenna in which a transmit antenna (TX) and a receive antenna (RX) are used separately to increase transmission/reception separation. The low-noise amplifier 113 amplifies the biological signal received through the receiving antenna (RX) with low noise, and the filter 114 filters the low-noise amplified biological signal. The mixer 115 synthesizes the filtered biological signal and a frequency signal of 190 GHz, converts the biological signal into a second frequency signal, and transmits it.

디지털 신호 처리부(120)는 생체정보 수집부(110)로부터 수신된 생체 신호에 대한 제2주파수 신호를 증폭 및 필터링과 같은 전처리 과정을 거쳐 주파수 영역 분석을 통해 사용자의 심박수 및 호흡률을 판정한다. 디지털 신호 처리부(120)는 생체정보 수집부(110)로부터 수신한 측정 데이터를 심박수 신호와 호흡률 신호로 분리하기 위해 예를 들어 MP100(BIOPAC,USA)과 AcqKonwledg 프로그램을 활용하며, 프로세스(FFT 변환)적 특성상 약 30초의 데이터 수집 시간을 필요로 하고, HRV 분석을 통해 측정 데이터를 가공하여 사용자에게 맞춤형 정보를 제공한다. 여기서 HRV 분석은 HR(Heart Rate), SDNN(Standard Deviation of NN intervals), RMSSD(Root Mean Squared Difference of Successive NN intervals), POWER(VLF(Very Low Frequency(~0.04Hz))/LF(Low Frequency(0.04~0.15Hz))/HF(High Frequency(0.15~0.4Hz))), ANS(Autonomic nervous System) 등 임상학적 변수를 중심으로 생체 신호 해석을 하는 것이다.The digital signal processing unit 120 determines the user's heart rate and breathing rate through frequency domain analysis through preprocessing processes such as amplification and filtering of the second frequency signal for the biological signal received from the biometric information collection unit 110. The digital signal processing unit 120 uses, for example, MP100 (BIOPAC, USA) and the AcqKonwledg program to separate the measurement data received from the biometric information collection unit 110 into a heart rate signal and a respiratory rate signal, and processes (FFT conversion) Due to its characteristics, it requires a data collection time of about 30 seconds, and provides customized information to users by processing the measurement data through HRV analysis. Here, HRV analysis is HR(Heart Rate), SDNN(Standard Deviation of NN intervals), RMSSD(Root Mean Squared Difference of Successive NN intervals), POWER(VLF(Very Low Frequency(~0.04Hz))/LF(Low Frequency( It interprets biosignals focusing on clinical variables such as 0.04~0.15Hz)/HF(High Frequency(0.15~0.4Hz)) and ANS(Autonomic nervous System).

디지털 신호 처리부(120)는 첨부된 도 2에 도시된 바와 같이, 대역통과 필터부(121), 주파수 변환부(125), 피크검출부(126) 및 심박수 검출부(127)를 포함하여 구성할 수 있다.As shown in the attached FIG. 2, the digital signal processing unit 120 may be configured to include a band-pass filter unit 121, a frequency converter 125, a peak detection unit 126, and a heart rate detection unit 127. .

대역 통과 필터부(121)는 생체정보 수집부(110)로부터 수신된 무선 생체 신호(RF raw data)를 유효 생체 신호 선별을 위해 심박수와 호흡률 신호로 구분하고, 제1 및 제2 저역 통과 필터(LPF)(122a,122b) 및 제1 및 제2 고역 통과 필터(123a, 123b)를 포함하여 1차 신호처리를 수행하고, 곱셈기(124)를 포함하여 2차 신호 처리를 수행한다. 제1 및 제2 저역 통과 필터(122a, 122b)는 수신된 무선 생체 신호를 수신하여 각각의 대역 통과 필터링을 수행한다. 여기서 제1 저역 통과 필터(122a)는 심박수 신호를 추출하기 위한 2Hz의 대역폭으로 설정하고, 제2 저역통과 필터(122b)는 호흡률 신호를 추출하기 위한 0.5Hz의 대역폭으로 설정한다. 제1 고역 통과 필터(123a)는 제1 저역 통과 필터(122a)로부터 수신된 심박수 신호를 추출하기 위한 1Hz의 대역폭으로 설정하고, 제2 고역 통과 필터(123b)는 제2 저역 통과 필터(122b)로부터 수신된 호흡률 신호를 추출하기 위한 0.15Hz의 대역폭으로 설정한다. 곱셈기(124)는 제1 및 제2 고역 통과 필터(123a, 123b)로부터 심박수 신호 및 호흡률 신호를 각각 수신하여 두 신호를 곱함으로써 심박수 신호에 포함된 호흡률 신호를 재차 제거하여 유효 생체 신호를 선별한다.The band-pass filter unit 121 divides the wireless bio-signal (RF raw data) received from the bio-information collection unit 110 into heart rate and respiration rate signals to select effective bio-signals, and first and second low-pass filters ( LPF (122a, 122b) and first and second high-pass filters (123a, 123b) are included to perform primary signal processing, and a multiplier 124 is included to perform secondary signal processing. The first and second low-pass filters 122a and 122b receive the received wireless biological signals and perform respective band-pass filtering. Here, the first low-pass filter 122a is set to a bandwidth of 2 Hz for extracting the heart rate signal, and the second low-pass filter 122b is set to a bandwidth of 0.5 Hz for extracting the breathing rate signal. The first high-pass filter 123a is set to a bandwidth of 1 Hz for extracting the heart rate signal received from the first low-pass filter 122a, and the second high-pass filter 123b is a second low-pass filter 122b. Set the bandwidth to 0.15Hz to extract the respiratory rate signal received from. The multiplier 124 receives the heart rate signal and the respiration rate signal from the first and second high-pass filters 123a and 123b, respectively, multiplies the two signals, and again removes the respiration rate signal included in the heart rate signal to select a valid biological signal. .

주파수 변환부(125)는 곱셈기(124)로부터 선별된 유효 생체 신호 즉, 심박수 신호를 수신하여 고속 퓨리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)을 통해 주파수 영역에서 심박수 신호를 분석한다.The frequency converter 125 receives the valid biological signal, that is, the heart rate signal, selected from the multiplier 124 and analyzes the heart rate signal in the frequency domain through Fast Fourier Transform (FFT).

피크 검출부(126)는 주파수 변환부(125)에서 분석된 심박수 신호를 수신하여 심박수 신호에서 피크 주파수를 검출한다.The peak detection unit 126 receives the heart rate signal analyzed by the frequency converter 125 and detects the peak frequency from the heart rate signal.

심박수 검출부(127)는 피크 검출부(126)에서 수신한 심박수 신호를 T=1/F의 원리를 활용하여 분당 심박수 신호를 도출하고, 도출된 분당 심박수 신호를 60도의 위상 신호와 곱하여 최종 심박수를 검출한다.The heart rate detector 127 derives a heart rate signal per minute using the heart rate signal received from the peak detector 126 using the principle of T=1/F, and multiplies the derived heart rate signal per minute with a phase signal of 60 degrees to detect the final heart rate. do.

디스플레이부(130)는 디지털 신호 처리부(120)에서 처리된 1차 및 2차 신호 처리 결과를 표시하고, 측정된 데이터를 분석(예를 들어 HRV 분석)된 결과와 함께 표시한다.The display unit 130 displays the primary and secondary signal processing results processed by the digital signal processing unit 120, and displays the measured data together with the results of analysis (eg, HRV analysis).

이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 도플러 레이더를 이용한 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치에서 비접촉식으로 생체 신호를 측정하기 위한 방법을 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.A method for measuring biological signals in a non-contact manner in a non-contact real-time human body monitoring device using a Doppler radar according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described in detail with reference to the attached drawings.

상기 도 3을 참조하면, 210단계에서 비접촉 실시간 인체 모니터링 방법은 생체정보 수집부(110)에서 임의의 제1주파수 신호를 생성, 예를 들어 본 발명의 실시예에서는 190 GHz의 주파수 신호를 생성하여 생성된 제1주파수 신호를 생체 신호를 측정하기 위해 사용자의 장기로 전송한다.Referring to FIG. 3, in step 210, the non-contact real-time human body monitoring method generates a random first frequency signal in the biometric information collection unit 110, for example, in the embodiment of the present invention, a frequency signal of 190 GHz is generated. The generated first frequency signal is transmitted to the user's organs to measure biological signals.

220단계에서 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치는 생체정보 수집부(110)에서 상기 사용자의 장기 움직임에 따라 반사되는 전파의 주파수 신호를 수집함으로써 심박수나 호흡률과 같은 생체 신호를 측정하여 측정된 생체 신호를 상기 제1주파수 신호에 합성한 제2주파수 신호로 변환하여 전송한다.In step 220, the non-contact real-time human body monitoring device collects the frequency signal of radio waves reflected according to the movement of the user's organs in the biometric information collection unit 110, measures biosignals such as heart rate or breathing rate, and transmits the measured biosignals to the user. It is converted into a second frequency signal synthesized from the first frequency signal and transmitted.

이에 따라 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치의 디지털 신호 처리부(120)에서는 생체 신호에 대한 제2주파수 신호를 증폭 및 필터링과 같은 전처리 과정을 거쳐 주파수 영역 분석을 통해 사용자의 심박수 및 호흡률을 판정한다.Accordingly, the digital signal processing unit 120 of the non-contact real-time human body monitoring device determines the user's heart rate and breathing rate through frequency domain analysis through preprocessing processes such as amplification and filtering of the second frequency signal for the biological signal.

구체적으로, 230단계에서 디지털 신호 처리부(120)는 생체정보 수집부(110)로부터 제2주파수 신호를 수신하여 수신된 제2주파수 신호를 심박수 신호와 호흡률 신호로 구분하기 위한 대역 통과 필터링을 통한 1차 신호 처리를 수행한다. 이러한 1차 신호 처리는 제2주파수 신호를 제1 및 제2 저역 통과 필터(122a, 122b)에 각각 입력하여 각각 저역 통과 필터링을 하여 심박수 및 호흡률 신호로 분리한다. 그런 다음 분리된 신호를 각각 제1 및 제2 고역 통과 필터(123a, 123b)로 전달하여 각각 고역 통과 필터링을 하여 심박수 및 호흡률 신호를 추출한다.Specifically, in step 230, the digital signal processor 120 receives a second frequency signal from the biometric information collection unit 110 and performs 1 through band-pass filtering to distinguish the received second frequency signal into a heart rate signal and a respiratory rate signal. Perform differential signal processing. In this primary signal processing, the second frequency signal is input to the first and second low-pass filters 122a and 122b, respectively, and is separately low-pass filtered to separate it into heart rate and respiratory rate signals. The separated signals are then passed to the first and second high-pass filters 123a and 123b, respectively, to perform high-pass filtering to extract heart rate and respiratory rate signals.

240단계에서 디지털 신호 처리부(120)는 1차 신호 처리된 심박수 신호와 호흡률 신호를 2차 신호 처리하여 무선 주파수 신호의 특성인 하모닉 현상으로 인한 저대역 호흡 신호의 간섭을 차단한다. 즉, 곱셈기(124)를 통해 분리된 심박수 신호와 호흡률 신호를 합성하여 심박수 신호에 포함된 저대역 호흡률 신호 성분을 제거한다.In step 240, the digital signal processor 120 processes the primary signal processed heart rate signal and respiration rate signal into secondary signals to block interference of the low-band respiration signal due to the harmonic phenomenon, which is a characteristic of radio frequency signals. That is, the separated heart rate signal and respiration rate signal are synthesized through the multiplier 124 to remove the low-band respiration rate signal component included in the heart rate signal.

250단계에서 디지털 신호 처리부(120)는 2차 신호 처리된 심박수 신호를 고속 퓨리어 변환(FFT)을 통해 심박수 신호를 분석한다. 이후 260단계에서 디지털 신호 처리부(120)는 분석된 심박수 신호에서 심박수 측정 대역 (예를 들면, 1 내지 2Hz)에서 피크 주파수를 검출하고, 270단계에서 해당주파수를 시간으로 변환 즉, 변환된 시간에 60도를 곱하여 분당 심박수를 도출한다.In step 250, the digital signal processor 120 analyzes the secondary signal processed heart rate signal through fast Fourier transform (FFT). Thereafter, in step 260, the digital signal processor 120 detects the peak frequency in the heart rate measurement band (for example, 1 to 2 Hz) from the analyzed heart rate signal, and converts the corresponding frequency to time in step 270, that is, at the converted time. Multiply by 60 degrees to get your heart beats per minute.

그런 다음 280단계에서 비접촉 실시간 인체 모니터링 장치는 디스플레이부(130)를 통해 측정된 생체 신호의 데이터와, 심박수율 분석결과(1차 신호 처리 및 2차 신호 처리 결과, 도출된 분당 심박수 등)를 표시하여 사용자에게 제공한다.Then, in step 280, the non-contact real-time human body monitoring device displays the measured biosignal data and heart rate analysis results (primary signal processing and secondary signal processing results, derived heart beats per minute, etc.) through the display unit 130. and provides it to the user.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에서는 심박수 측정의 정확성을 높이기 위해 1차 신호처리를 통해 필터링된 신호에서 저대역 호흡신호의 간섭을 차단하기 위해 1차 신호처리를 수행하는데, 측정 파라미터(심박수 또는 호흡률, 기타 장기 움직임)에 따라 주변 2차 신호처리의 대상(호흡률 성분 제거, 심박수 성분제거, 기타 장기 움직임 성분 제거 등)이 변화될 수 있다.In the embodiment of the present invention as described above, in order to increase the accuracy of heart rate measurement, primary signal processing is performed to block interference of low-band respiratory signals in the signal filtered through primary signal processing. Measurement parameters (heart rate or Depending on the breathing rate and other organ movements, the target of peripheral secondary signal processing (removal of respiratory rate components, removal of heart rate components, removal of other organ movement components, etc.) may change.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에서는 2차 신호 처리 시 심박수 신호에 포함된 호흡률 신호를 제거하였으나, 측정 파라미터(심박수, 호흡률 또는 기타 장기 움직임)에 따라 심박수 성부 제거, 기타 장기 움직임 성부 제거 등으로 2차 신호 처리의 대상이 변화될 수 있다.In the embodiment of the present invention as described above, the respiratory rate signal included in the heart rate signal was removed during secondary signal processing, but the heart rate component was removed, other organ movement components were removed, etc. depending on the measurement parameters (heart rate, respiratory rate, or other organ movement). The target of secondary signal processing may change.

본 발명의 실시예에 따른 비접촉 실시간 인체 모니터링 방법은 병원에서 환자를 실시간으로 모니터링 하는 시스템에 사용할 수 있다.The non-contact real-time human body monitoring method according to an embodiment of the present invention can be used in a system that monitors patients in real time in a hospital.

따라서 다인실의 환자를 실시간으로 모니터링 할 수 있으므로 간병인력을 현저히 줄일 수 있다.Therefore, since patients in a multi-person room can be monitored in real time, the caregiver workforce can be significantly reduced.

여기서 상기의 환자는 움직임이 미미한 요양병원에 수용된 환자인 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the above patient is a patient admitted to a nursing hospital with minimal movement.

따라서 환자의 상태를 정확하게 판단할 수 있으므로 비상상황에 대하여 보다 효과적으로 대처할 수 있다.Therefore, the patient's condition can be accurately determined and emergency situations can be responded to more effectively.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예들에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 발명청구의 범위뿐 만 아니라 이 발명청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but of course, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the scope of the claims described later, but also by the scope of the claims and their equivalents.

110 : 생체정보 수집부
120 : 디지털 신호 처리부
130 : 디스플레이부110: Biometric information collection unit
120: digital signal processing unit
130: display unit

Claims

A biological device that outputs a first frequency signal in a preset terahertz band, measures biological signals of radio waves reflected according to the movement of organs, and transmits a second frequency signal obtained by combining the measured biological signals with the first frequency signal. Information Collection Department;
a band-pass filter unit that performs primary signal processing on the second frequency signal received from the biometric information collection unit through band-pass filtering and performs secondary signal processing on the second frequency signal through a multiplier to select a valid bio-signal;
a fast Fourier transform unit that analyzes the selected valid biological signals through fast Fourier transform in the frequency domain;
A peak detection unit that detects the peak frequency from the analyzed biological signal;
A digital signal processing unit including a heart rate detection unit that derives heart beats per minute using the peak frequency signal received from the peak detection unit; and
A non-contact real-time human body monitoring device comprising a display unit that displays the results analyzed by the digital signal processor and the measured biological signals.

In claim 1,
A non-contact real-time human body monitoring device, characterized in that the first frequency band of the biometric information collection unit is the 190 Ghz band.

In claim 1 or claim 2,
The band pass filter unit,
first and second low-pass filters that separate the second frequency signal received from the biometric information collection unit into a heart rate signal and a respiratory rate signal by low-pass filtering each of them at a preset frequency;
first and second high-pass filters for high-pass filtering the separated and low-pass filtered heart rate signal and respiration rate signal at preset frequencies and outputting the separated and low-pass filtered heart rate signal and respiration rate signal; and
A non-contact real-time method comprising a multiplier that selects the valid biological signal by combining the heart rate signal and the respiration rate signal received from the first and second high-pass filters and removing the low-band respiration rate signal component included in the heart rate signal. Human body monitoring device.

Using a biometric information collection unit, a first frequency signal in a preset terahertz band is transmitted to an organ, and a biosignal is measured from radio waves reflected according to the movement of the organ to output a second frequency signal synthesized with the first frequency signal. step;
Performing primary signal processing to separate the heart rate and respiration rate signals through band-pass filtering of the second frequency signal for the bio signal, and performing secondary signal processing on the separated heart rate and respiration rate signals through a multiplier to produce an effective bio signal. Selecting step;
performing fast Fourier transform on the effective biological signal to detect a peak frequency, and detecting the user's heart rate and respiratory rate using the detected peak frequency; and
A non-contact real-time human body monitoring method comprising displaying the detected result and the measured biosignal.

In claim 4,
A non-contact real-time human body monitoring method, characterized in that the first frequency signal is generated by setting a frequency in the 190 Ghz band.

In claim 4 or claim 5,
The step of performing the first signal processing is,
Separating the second frequency signal into a heart rate signal and a respiratory rate signal by low-pass filtering each of the second frequency signals at a preset frequency; and
A non-contact real-time human body monitoring method comprising: high-pass filtering the separated and low-pass filtered heart rate signal and respiratory rate signal at preset frequencies.

A hospital multi-room patient monitoring system, characterized in that it is equipped to monitor patients in real time using the non-contact real-time human body monitoring method of any one of claims 4 to 6.

In claim 7,
A hospital multi-room patient monitoring system, wherein the patient is a patient admitted to a nursing hospital.