Design of Unconstrained Baby Monitoring System Based on a Doppler Radar and an Air Mattress

학 술 논 문

177

도플러 레이더와 에어 매트리스를 이용한 무구속 방식의 신생아 감시 장치 설계

양성수

·조성필

·박호동

·이경중

1연세대학교 의공학과, ²메쥬

Design of Unconstrained Baby Monitoring System Based on a Doppler Radar and an Air Mattress

Seong-Soo Yang

, Sung-Pil Cho

, Ho-Dong Park

and Kyoung-Joung Lee

1

Department of Biomedical Engineering, Yonsei University,

MEZOO

(Manuscript received 17 July 2014; revised 14 October 2014; accepted 17 November 2014)

Abstract: Continuous monitoring of heart rates and respiratory rates for newborns or infants is very important since the abnormal breathing and heart problems can threaten the life of newborns or infants. A noncontact baby monitoring system based on a Doppler radar and an air mattress was designed. The Doppler radar was used to acquire respiratory signals and the air mattress was employed to obtain heart rates. The performance of the designed system was eval- uated using a commercialized infant simulator (Simbaby

) and a respiration belt transducer was used to measure respiration rates as a reference. Results for respiratory rates revealed that the correlation coefficients between I- and Q-channel and the respiration belt were 0.84 and 0.91 and the mean ± standard deviations of errors between them were 1.66 ± 1.92 (bpm) and 0.88 ± 1.65 (bpm). Heart rates showed that the correlation coefficient between air mat- tress and set value of the simulator was 0.73 and the mean ± standard deviation of errors between them was 1.09 ± 3.45 (bpm). These results indicate that the designed system holds the potential as an effective monitoring tool for continuous monitoring heart rates and respiratory rates of newborns or infants.

Key words: Baby monitor, Doppler radar, Air mattress, Unconstrained measurement, Infant simulator

I. 서 론

대한민국의 2013년 기준 출산율은 1.19명으로 이러한 저 출산은 자녀들의 건강에 대한 관심으로 표출되어 신생아 및 영아의 건강을 병원이나 가정에서 지속적으로 관리 할 수 있는 베이비헬스케어(Baby Healthcare)에 대한 관심도 빠 르게 증가 하고 있다.

영아사망의 원인 가운데 ‘신생아 호흡곤란’과 ‘영아 돌연 사 증후군(Sudden Infant Death Syndrome, SIDS)’은 신생아를 사망에 이르게 하는 원인 가운데 가장 높은 수치 를 보이며 문제가 되고 있다[1]. ‘호흡곤란’은 신생아 호흡 곤란 증후군(infantile respiratory distress syndrome, RDS) 과 같이 폐나 호흡중추의 미숙한 발달에 기인되는 것 으로 이러한 호흡곤란 증세를 즉각적으로 관리하지 않으면 생명에 문제를 야기 할 수 있다[2]. 그리고 Abman등에 따 르면 조산아들의 경우 고혈압, 좌심실비대, 심혈관 후휴증 등의 위험이 있어 호흡 및 심장활동 등의 모니터링이 필요 하다고 보고하고 있다[3]. 그러므로 신생아나 영아의 호흡과 심박을 실시간으로 모니터링 하여 호흡곤란과 부정맥과 같 은 심장이상 여부를 신속하게 검출하는 것은 매우 중요하다.

건강의 지속적인 관리에는 생체정보 측정이 필수적이다.

Corresponding Author : Kyoung-Joung Lee

Department of Biomedical Engineering, Yonsei University, Heungeop, Wonju, Kangwon-do 220-710, Korea

TEL: +82-33-760-2433 / FAX: +82-33-763-1953 E-mail : [email protected]

이 연구는 산업통상자원부 제품안전기술기반 조성사업 (10046465,

영아의 돌연사 방지용 도플러 레이더 센서를 이용한 실시간 무선 원

격 베이비 모니터링 시스템 개발) 과제의 지원을 받아 수행하였음.

178

리드선 등으로 구속되는 제약을 극복하기 위하여 비접촉적, 무구속적으로 생체신호를 측정하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있는데 예를 들어, 의자나 자동차시트, 침대 등에 부착된 센서로부터 호흡이나 심박을 측정하였다[4,5]. 그러나 이러한 연구들은 성인 대상의 연구가 대부분이며, 신생아나 영아 대상의 무구속적 생체신호 감지 시스템 연구는 코에 부 착하여 호흡을 감시하는 방법[6], 적외선 카메라 영상을 이 용하여 생체신호를 감시하는 방법 등이 연구되고 있다[7].

본 연구에서는 신생아 및 영아의 호흡곤란과 심장이상에 의한 사고를 예방하기 위해 도플러 레이더와 에어 매트리스 를 이용하여 비접촉, 무구속적인 방법으로 실시간 호흡 신 호를 추출하여 신생아 및 영아를 감시할 수 있는 시스템을 설계하였다.

시스템의 성능 평가를 위한 실험에서는 신생아나 영아와 신체 조건이 비슷하게 제작된 Infant simulator를 대상으 로 심박과 호흡 신호를 추출하고 이를 전통적인 생체정보 측정방법을 이용하여 측정된 신호와 비교하였으며, 본 연구 를 통해 설계된 도플러 레이더와 에어 매트리스를 이용한 시스템의 상용화 가능성을 실험을 통하여 제안하였다.

II. 연구방법

1. 비접촉 신생아 모니터링 시스템의 하드웨어 설계

본 논문에서 제안된 비접촉적 방식의 도플러 레이더 모니 터링 시스템은 신생아와 영아의 호흡과 심박 신호를 측정하 기 위하여 설계되었다.

호흡신호는 도플러 레이더 모듈을 사용하여 측정하였고, 심박은 에어 매트리스를 이용하여 측정하였다.

설계된 시스템은 도플러 레이더 모듈, 레이더 신호 획득 및 레이더 모듈 제어를 위한 베이스밴드 모듈, 에어 매트리 스 기반의 압력신호 측정모듈, 실시간 디지털 신호처리 모 듈 및 디스플레이부로 구성되며, 전체 시스템 블록도를 그 림 1에 나타내었다.

(1) 생체신호 측정을 위한 도플러 레이더 모듈

도플러 레이더는 사람이나 동물의 신체표면의 변위차를 이용하여 생체신호를 측정하는 방법으로 연속 정현파(CW:

continuous wave) 신호를 원하는 대상에 방출한 후 반사 된 신호를 수신하여 생체 신호를 획득하게 된다. 이때 반사

된 신호는 위상이 변조된 신호로서, 수신부에서 위상이 복 조된다. 따라서 생체정보 중 호흡 및 심박 신호는 인체 흉 부 표면의 물리적인 변화를 동반하므로 흉부 표면의 변위에 따라 반사되는 위상이 변하게 된다.

심폐 활동에 의해 반사된 신호의 도플러 천이(doppler shift)는 식 (1)로 표현 할 수 있다.

(1)

식에서 알 수 있듯이 위상 θ(t)는 신체표면의 변위 x(t)에 비례하므로 신체표면의 변위는 반사된 도플러 레이더 신호 의 위상변화에 영향을 주게 된다.

단 f는 송신 주파수, λ는 송신 신호의 파장, c는 빛의 속 도, x(t)는 변위 량을 나타낸다.

호흡 검출을 위해 사용된 도플러 레이더 모듈의 블록도와 실제 설계된 도플러 레이더 모듈을 그림 2(a),(b) 에 각각 나타내었다.

동작 주파수는 ISM (Industrial, Scientific, Medical) 대역인 2.4~2.48 GHz 대역 중에서 2.45 GHz를 사용하였 다. 단일채널 수신기의 경우 측정 대상과 레이더 사이의 측

θ t() 2f = --- 2πx t() c ( ) 4πx t() = --- λ

그림 1. 비접촉식 신생아/영아 감시 장치의 블록도.

Fig. 1. The block diagram of noncontact baby monitoring system.

정 거리가 λ/4(≈ 3.125 cm)마다 영점(null point)이 발생하 179 는데 이를 피하기 위해 Quadrature receiver를 사용하였 다[8]. 사용된 Quadrature receiver의 경우 서로 90

의 위 상차가 나는 In-phase와 Quadrature-phase의 두 출력 신 호를 갖는데, 식(2), (3)으로 표현 할 수 있으며, 본 연구에 서는 각각 I와 Q로 정의하였다.

(2)

(3)

위 식에서 θ는 constant phase shift, ∆φ(t)는 위상잡 음, x(t)는 호흡과 심박에 의한 흉부 표면의 변위량을 나타 낸다. I와 Q신호 모두는 생체 정보를 포함하지 않는 영점과 최적위상복조점(optimum phase-demodulation point)이 번갈아 나타나기 때문에 두 출력 신호중 한 신호는 영점을 피할 수 있으며, PLL (phase Locked loop)을 이용하여 주 파수를 안정화시켜 성능을 개선하였다. 안테나는 소형으로 제작이 가능하고 간섭을 줄이기 위하여 Circular Polarized Annular Ring Microstrip Patch 안테나 형태로 RHCP (right hand circular polarization)와 LHCP (left hand circular polarization) 로 설계하여 PCB 기판에 직접 제작 하였다. 안테나의 이득은 3dBi이며, 방사각도는 수평 120

,

수직 120

의 방사패턴을 갖는다.

(2) 레이더 신호 획득 및 레이더 모듈 제어를 위한 베이스 밴드 모듈

베이스밴드(baseband) 모듈에서는 도플러 레이더 모듈에 서 출력된 I, Q 신호를 호흡 정보로 분리하기 위한 아날로 그 필터와 레이더 신호의 AD 변환부 및 PLL 제어부로 구 성된다.

호흡 신호를 분리하고 원신호의 peak를 충분히 반영하기 위하여 0.07~5 Hz 차단주파수를 갖는 아날로그 대역통과 필터를 설계하였다. 그리고 도플러 레이더 신호의 Signal to Noise Ratio (SNR)을 높이고 0~600 mV의 아날로그 출력 신호를 얻기 위하여 호흡 신호를 200배 증폭하였다. MCU 는 MSP430F2013 (TI, USA)을 사용하였다. 베이스밴드 모듈에서 획득한 도플러 레이더 신호의 ADC 해상도는 16bits/sample 의 해상도로 변환되며, 480 Hz/second로 샘 플링된 후, SPI (Serial Peripheral Interface) 통신을 통 하여 DSP 모듈로 전송된다. MCU에서는 SPI 통신 기반으 로 레이더 모듈을 제어한다. 설계한 베이스밴드 모듈을 그 림 2(c) 에 나타내었다.

(3) 에어 매트리스 기반의 압력신호 측정 모듈

Infant simulator 에서 제공하는 동맥압으로 인한 미세한 B

t() θ π 4 --- 4πx t()

--- Δφ t() λ + + + cos

=

B

t() θ π 4 --- 4πx t() --- Δφ t() λ + + + sin

=

그림 2. (a) 도플러 레이더 모듈의 블록도, (b) 설계된 도플러 레이더 모듈, (c) 구현된 베이스밴드 모듈.

Fig. 2. (a) The block diagram of doppler radar module, (b) The designed doppler radar module, (c) The baseband module implemented.

180

압력변화를 에어 매트리스를 이용하여 측정하는 압력신호 측정모듈을 설계하였다. 에어 매트리스는 신생아 및 영아의 사용목적에 맞는 크기의 상용 매트리스(Airtex, korea)를 이 용하였으며 368 mmHg까지 공기압을 조절할 수 있고 공기 주입부와 압력센서 사이에 직경 3.5 mm 튜브를 사용하여 연결 하였다. 사용된 압력 센서는 혈압 측정용 압력 센서인 NPC-1210 (GE Novasensor, USA) 이며, 0~30 psi 범위의 압력 변화를 측정할 수 있다. 센서의 출력은 16bit/sample 로 표현 가능하며 1개의 sample은 최소 0.00045 psi 의 압 력변화 표현이 가능하다. 또한, 심박 신호를 추출하기 위하 여 최대 30,000배의 이득을 주었고, 압력신호의 기저선 변 동을 제거하고 심박의 peak부분을 자세히 나타내기 위해 실 제 심박수 보다 높은 1~35 Hz 아날로그 대역 통과 필터 회 로를 설계하였다. 그리고 ADC 는 16bits/sample의 해상도 로 변환되며, 480 Hz/second로 샘플링 하였다. 압력신호 측 정모듈의 블록도 및 제작된 하드웨어 모듈을 그림 3(a),(b) 에 나타내었다.

(4) 실시간 디지털 신호처리 모듈

실시간 디지털 신호처리모듈은 도플러 레이더 모듈과 압 력신호 측정모듈에서 수신된 신호를 처리하여 생체 정보를 검출하는 알고리즘을 수행하고 디스플레이 모듈과 PC로 데 이터를 전송한다.

신호처리 프로세서는 dsPIC30F6014 (Microchip, USA) 를 사용하며 최대 30MIPS의 연산 속도를 가진다. DSP 모

듈은 Bluetooth를 이용하여 디지털 신호처리된 데이터를 무 선으로 PC에 전송한다. 2.6인치 TFT-LCD (CASIO, Japan) 을 포함하고 있는 시스템을 이용하여 분당 심박수와 호흡수 를 표시한다. 설계된 디지털 신호처리 하드웨어모듈을 그림 3(c) 에 나타내었다.

2. 생체신호 추출 알고리즘

(1) 도플러 레이더 신호를 이용한 호흡신호 분리 알고리즘 도플러 레이더 신호를 이용하여 생체신호를 추출하기 위한 알고리즘은 원신호의 잡음 제거를 위한 아날로그 필터링, 480 Hz 샘플링을 통한 디지털 변환, 전원 잡음 및 고주파 잡음제거를 위한 디지털 필터를 이용한 전처리, 적응 가변 문턱치(Adaptive threshold)를 이용한 파형 최고점 검출, 자기상관(autocorrelation) 함수 기반의 주기 검출으로 구 성된다.

도플러 레이더 신호를 이용한 호흡 추출 알고리즘의 순서 도를 그림 4 에 나타내었다.

60 Hz 전원잡음 및 고주파 잡음 제거를 위하여 디지털 놋 치(notch)필터를 이용하였으며, 호흡 추출을 위하여 4차 체 비세프 type II 를 이용하여 2 Hz 저역통과 디지털 필터를 설계하였다. 또한 레이더의 I, Q 채널 신호에서 부분적으로 생체신호 추출이 안되는 구간(null-point)을 피하기 위해서 arctangent demodulation 을 사용하여 I, Q 신호를 조합 하였다. 이 방법을 통해 식(4)와 같이 위상과 크기를 계산

Fig. 3. (a) The block diagram of pressure signal measurement module, (b) Pressure signal measurement module implemented, (c) Digital signal processing and hardware module for display.

181 하였다.

(4) 단, Q(t) = Q ch., I(t) = I ch., oq = Q ch. offset, oi = I ch. Offset

(2) 에어 매트리스 압력 신호를 이용한 심박신호 검출 에어 매트리스 압력신호를 이용한 심박신호 검출 알고리 즘은 전처리 필터인 메디안 필터, 자기 상관함수, 주파수 영역차감(frequency domain subtraction) 방법을 이용 하였다.

압력신호에 나타나는 호흡에 의한 기저선 변동을 제거하 기 위해서 0.2초의 길이를 갖는 메디안 필터를 사용하였다.

필터링된 결과를 원 신호에서 빼주어 호흡에 의한 기저선 변동이 제거된 신호를 획득하였으며, 자기상관 함수를 사용 하여 도플러 레이더 신호처리와 비슷하게 신호의 주기를 검 출하였다. 또한, 주파수 영역 차감방법을 이용하여 심박신호 의 주파수 영역에 해당하는 2~5 Hz 대역 이외의 고주파 잡 음 성분을 제거한 뒤 고속 퓨리에 변환(FFT)을 통해 심박신 호를 복원하였다. 여기서 사용된 필터 대역은 여러 번의 실 험을 통하여 최적의 차단 주파수를 선택 하여 설계하였다.

하지만 설정된 주파수는 현재 실험에서 최적의 주파수이며 추가 실험시 상황에 맞게 조정할 필요가 있다.

III. 실험 및 결과고찰

도플러 레이더 시스템의 성능을 평가하기 위해 기준신호 로 ECG 신호와 벨트 타입의 호흡센서를 이용한 호흡 신호 를 동시에 측정하여 도플러 레이더에서 검출한 호흡 신호를 비교하고, 에어 매트리스를 이용한 심박 및 호흡 신호를 기 준신호와 비교 및 평가하였다. 측정 대상은 신생아의 생체 신호를 대신하기 위하여 사용한 Infant simulator에서 측 정한 결과를 제시하였다. 제안된 시스템의 평가를 위하여 PC 상에서 Matlab (Mathworks, USA)을 이용하여 자료 를 분석 하였다.

1. 실험 대상 및 실험 방법

본 논문에서 사용한 시뮬레이터인 Simbaby (Laerdal, Norway) 는 영아의 해부학적 구조와 임상적 기능을 포함하 고 있는 종합 모의 환자 의학 시뮬레이터이다. 실제와 같은 영아의 호흡패턴과 복잡한 상황구현이 가능하고, 환자 상태 정보인 ECG, Heart Rate, Aterial BP waveform, NIBP, Temperature, SpO

, CO

, CVP 등의 정보를 제공해 준다.

시나리오 시뮬레이션을 통하여 부정맥, 천식, 세기관지염, 경 련, 기흉, 호흡부전, 패혈쇼크 등의 시뮬레이션이 가능하다.

실제 병원에서는 영아들에게 발생하는 증상들을 시나리오 시뮬레이션으로 제공하는 Simbaby를 이용하여 대처법 훈 련에 사용하고 있으며 호흡 및 심박 모니터링에 좋은 실험 자료가 되고 있다.

신생아의 정상범위 혈압의 수축기압은 55~75 mmHg이 며, 영아의 정상범위 수축기 혈압은 65~10 0mmHg 이다 [11]. Infant Simulator 에서 제공하는 동맥압은 소프트웨 어(SimBaby SW version 1.4.1)에서 조절이 가능하다. 실 험에서는 75 mmHg의 압력값을 사용하여 신생아와 비슷한 혈압상황을 구성하였다. 그리고 소프트웨어를 통해 호흡수, 심박수 등을 제어할 수 있다. 제안된 시스템에서는 도플러 레이더를 이용하여 호흡 신호만을 측정하였으며, 심박신호 는 Simbaby에서 발생하는 동맥 압력 신호를 에어 매트리 스를 이용하여 검출 하였다.

phase tan^–1Q t( ) o+ _q I t( ) o+ _i ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞ magnitude, (Q t( ) o+ _q)²+(I t( ) o+ _i)²

= =

그림 4. 도플러 레이더 신호를 이용한 호흡신호 추출 알고리즘 순서도.

Fig. 4. Flow chart of the algorithm for extracting respiration signal using the doppler radar signal.

그림 5. 실험에 사용된 베이비 시뮬레이터.

Fig. 5. Baby simulator (Simbaby) used in the experiment.

182

도플러 레이더를 사용한 실험은 Infant simulator의 호 흡률을 1분마다 18-20-25-30-20 회로 호흡수가 변화하도록 소프트웨어로 제어하였으며 50 cm 거리에서 5분간 측정하 였다. 에어 매트리스의 경우 Infant simulator를 에어 매 트리스에서 심박률 변화 없이 2분간 측정하였다. 실험에 사 용된 베이비 시뮬레이터의 실제 사진과 실험 진행모습을 그 림 5 에 나타내었다.

2. 도플러 레이더를 이용한 실험

도플러 레이더 실험에서 베이비 시뮬레이터의 호흡률 변 화에 따라 기준신호와 측정된 신호가 얼마나 일치하는지를 관찰 할 수 있다. 그림 6은 도플러 레이더를 이용하여 시뮬 레이터로 부터 얻은 호흡신호의 peak 점 검출 결과(o)를 나 타낸 것이다. 그림 6에서 1분 단위로 변화시킨 호흡의 주기 가 일정한 값을 유지하지 않는 것은 시뮬레이터 자체에서 나오는 신호가 실제 신생아의 생체신호를 시뮬레이션 하도 록 되어 있다. 시뮬레이터는 실제 신생아와 비슷한 신호를 나타내어 주기 때문에 정확하게 일정한 값을 유지하지 않으 며, 시뮬레이터의 동작 매뉴얼에 의하면 시뮬레이터 시스템 내의 공기압축기의 공기 소비량이 1.1bar ± 10%로 유동적 인 출력을 나타내기 때문에 시뮬레이터 신호 자체에 약간의 오차를 가지고 있다. 실험에서는 기준신호와 제안된 센서로 측정한 신호 간의 비교를 통해 제안된 센서를 이용한 생체 신호 측정이 정확하게 검출됨을 보여주고 있다. 이 결과를 이용하여 호흡벨트 기준 신호와 레이더의 I, Q채널 신호의 평균 호흡수와의 차이를 그림 7(a),(b) 에 각각 나타내었으 며, 상관관계를 알아보기 위하여 도플러 레이더 신호와 기 준 신호의 호흡률 관계를 산점도를 이용하여 그림 7(c),(d) 에 나타내었다. 도플러 레이더의 검출결과는 기준신호 대비 I, Q 채널의 상관관계가 I 채널 0.84, Q 채널 0.91의 상관 관계를 보였으며 평균오차는 I 채널 1.66 ± 1.92, Q 채널

0.88 ± 1.65으로 나타났다. 기계적으로 동작하는 시뮬레이터 는 순간적으로 호흡수가 증가하지 않고 약간의 지연시간이 존재하기 때문에 측정의 오차가 발생 할 수 있으며 주위 환

Fig. 6. Doppler radar respiration signal and peak detection. (a) I channel respiration signal, (b) Q channel respiration signal, (c) respiration belt signal.

그림 7. (a) 도플러 레이더 I채널 신호로부터 계산된 호흡수와 기준 신호 호흡수와의 차이, (b) 도플러 레이더 Q채널 신호로부터 계산된 호흡수와 기준신호 호흡수와의 차이, (c) 기준신호와 I채널 호흡률의 산점도, (d) 기준신호와 Q채널 호흡률의 산점도 (호흡률 산점도 (P < 0.05)).

Fig. 7. (a) The difference of respiration rate calculated from I channel signal and the reference signal, (b) The difference of respiration rate calculated from Q channel signal and the reference signal, (c) I channel vs the reference chest belt, (d) Q channel vs the reference chest belt (Scatter plot of respiration rate (P < 0.05)).

183 경에 의한 동잡음이 오차의 원인이 될 수도 있다. Shin 등

은 도플러 레이더를 이용한 비접촉 방식의 심박 및 호흡 검 출에 관한 연구를 제안하였으나 다양한 주변 동잡음으로 인 한 문제점이 있다는 보고를 하였다[9].

도플러 레이더는 토끼나 쥐[9], 물고기[10]와 같은 작은 동 물의 생체정보를 측정하는 등 많은 분야에서 응용연구가 이 루어지고 있다. 이 경우 측정된 생체신호들은 신생아나 영아 보다 신호의 크기가 더 작기 때문에 처리에 많은 어려움을 가지고 있다. 하지만 이러한 여러 분야에서 연구 개발된 다 양한 노이즈 제거 알고리즘을 바탕으로 태아를 대상으로 한 생체정보 측정 알고리즘[12]에 대한 연구도 시도되고 있다.

또한 기존의 응용 시스템들은 신호의 후처리를 통한 실험 결 과를 이용하여 생체신호 측정을 분석한 반면 본 연구에서 제 안된 시스템은 실시간 측정 및 구현이 가능하도록 설계하였 다[13]. 향후 제안된 시스템을 이용한 실험에서 발생하는 오 차는 지연 보상 알고리즘 및 극소 신호를 처리하는 고성능 신호처리 알고리즘을 적용하여 보다 효과적이고 안정적인 시 스템 설계를 이룰 수 있을 것이라 판단된다.

3. 에어 매트리스를 이용한 실험

Infant Simulator 의 팔 안쪽 부위에서는 커프를 이용한 혈압측정에 주로 사용되는 동맥혈관 튜브가 있어 이곳에서 심박 측정이 가능하다. 에어 매트리스를 이용하여 심박 측 정 실험을 실시하였다. 그림 8은 에어 매트리스 신호에서 2 분간 측정한 신호를 자기상관 함수를 이용하여 호흡수와 심 박수를 검출 한 결과를 나타낸 것이다. 심박의 기준 신호는 베이비 시뮬레이터에서 제공하는 ECG 신호이다. 그림 8(a) 는 시간에 따른 에어 매트리스의 평균 심박수를 기준 신호 와 함께 나타내었으며, 에어 매트리스와 기준 신호 간에 상 관관계를 산점도를 이용하여 그림 8(b) 에 나타내었다. 두 신호간의 상관관계는 0.73이며 평균오차는 1.09 ± 3.45 bpm으로 나타났다.

에어 매트리스는 일상생활에서 쉽게 사용할 수 있는 방법 으로 신생아나 영아뿐만 아니라 성인을 대상으로도 무구속 적으로 손쉽게 생체정보 측정이 가능한 방법이다. 이외에도 의자나 침대, 자동차 시트와 같이 사람의 신체를 접촉하여 생체 정보를 측정하는 무구속 측정 방법 등이 연구되고 있 으며, 이러한 측정 방법은 특정 활동 영역에서의 신체정보 만을 제공한다[4,5]. 하지만 에어 매트리스의 경우 휴대성이 우수하여 어떤 장소나 공간에서도 깔고 앉거나 누운 상태에 서 생체정보 측정이 가능하다. 제안된 연구에서는 비접촉 방 법의 도플러 레이더와 에어 매트리스를 사용하여 무구속적 으로 생체 정보를 측정하는 시스템을 구성하였다. 최근 연 구되고 있는 다른 생체 신호측정 방법은 무구속적인 방법을 이용한 방법이 많이 연구 되고 있다. 그 중에 신생아를 대

상으로 측정하는 방법에는 열 영상을 이용하는 방법[7]과 도 플러 레이더를 이용하는 방법이 많이 연구되고 있다. 하지 만 열 영상을 이용하는 방법은 비교적 비싼 가격의 적외선 카메라를 사용해야 하는 단점을 가지고 있으며, 도플러 레 이더는 약 1 m 이상 측정거리가 넘어 갈 경우 심박 검출 성 능이 현저하게 떨어지는 것으로 보고되고 있다[14]. 본 논 문에서 제안한 도플러 레이더와 에어 매트리스를 이용한 시 스템은 가격적인 장점을 가지고 있을 뿐 아니라 휴대성이 좋으므로 생체정보 측정에 유리하므로, 도플러 레이더의 측 정거리의 한계성에 대한 해소 방법으로 에어 매트리스를 제 시하였다. 그리고 에어 매트리스의 경우 모양에 제한이 없 기 때문에 옷 속에 매트리스를 끼워 넣어 측정하는 방법이 가능 할 것이며, 이 방법은 인명 구조용 구명조끼에 부착하 여 생명이 위급한 사람의 생체신호 검출에 도움을 줄 수 있 을 것이다.

제안된 방법은 특히 신생아나 영아와 같이 지속적인 생체 정보 감시가 필요한 경우 측정대상의 상황에 맞게 이동 설 치하여 측정이 가능 하므로 병원이나 가정 등 어떠한 환경 에서도 적용이 가능 할 것으로 판단된다. 향후 도플러 레이 더 시스템의 동잡음 오차를 보상하는 방법, 매트리스를 입 는 웨어러블 시스템(Wearable system)과 같은 기능의 추

Fig. 8. (a) The difference of heart rate calculated from air mattress signal and the reference signal, (b) Scatter plot of heart rate obtained from air mattress vs the reference (P < 0.05).

184

있는 방법으로 Quadrature 방식의 2.45 GHz 도플러 레이 더와 에어 매트리스를 이용하여 무구속적으로 신생아 및 영 아의 호흡 및 심박 정보를 측정하는 시스템을 설계하였다.

기존의 단일 채널 레이더 방식에서 발생하는 영점 발생에 대한 단점을 보완할 수 있는 Quadrature 방식의 레이더를 사용하여 신뢰성을 높였다. 실험을 통하여 기준신호와 도플 러 레이더 및 에어 매트리스로 측정한 신호와의 비교에서 높은 상관관계가 나타났으며, 이를 통해 제안된 시스템을 신 생아 및 영아에 적용할 수 있는 가능성을 보여주었다.

본 연구에서는 Infant Simulator를 이용하여 무구속 신 생아 감시 시스템의 성능을 평가 하였다. 그러나 실제 신생 아를 대상으로 시스템의 성능평가를 하는 것이 중요하며, 향 후 본 연구에서 제안한 시스템을 실제 신생아에 적용하여 평가를 진행할 것이다. 또한, 도플러 레이더를 이용한 비접 촉 방식의 심박 및 호흡 검출시 가장 문제가 되는 주변 동 잡음 제거는 향후 연구를 통하여 해결해 나갈 것이다.

Reference

[1] K. Seo, J.G. Jeon, Y.J. Han, “Obstetric and neonatal causes of Korean neonatal death,” Obstetrics & Gynecology Science, vol. 44, no. 10, pp. 1844-1850, 2001.

[2] C.R. Kim, J.W. Oh, M.K. Yum, S.J. Moon, “Risk Factors for Neonatal Sepsis in Premature Infants Admitted to Neonatal Intensive Care Unit,” The Korean Society of Pediatric Infec- tious Diseases, vol. 43, no. 9, 2000.

[3] S.H. Abman, “Monitoring cardiovascular function in infants with chronic lung disease of prematurity,” Arch Dis Child

hardt, “Neonatal non-contact respiratory monitoring based on real-time infrared thermography,” BioMedical Engineer- ing OnLine, vol. 10, no. 93, 2011.

[7] R.M. DiBlasi, “Neonatal noninvasive ventilation techniques:

do we really need to intubate?,” Respiratory Care, vol. 56, no. 9, pp. 1273-1297, 2011.

[8] B.K. Park, O. Boric-Lubecke, V.M. Lubecke, “Arctangent demodulation with DC offset compensation in quadrature Doppler radar receiver systems,” IEEE Trans. Microw. The- ory Tech., vol. 55, no. 5, pp. 1073-1079, 2007.

[9] J.Y. Shin, S.P. Cho, B.J. Jang, H.D. Park, Y.S. Lee, K.J. Lee

“A study of noncontact heartbeat and respiration detection using the Doppler radar,” The Institute of Electronics Engi- neers of Korea, vol. 46, no. 1, pp. 1-9, 2009.

[10] N. Hafner, J.C. Drazen, V.M. Lubecke, “Fish heart rate mon- itoring by body-contact Doppler radar,” IEEE Sens. J., vol.

13, no. 1, pp. 408-414, 2013.

[11] A. Susan, “Normal vital signs in children: Heart rate, respi- rations, temperature, and blood pressure.” Complex Child E- Magazine, 2008, pp. 1-4.

[12] S.K. Nagarkoti, B. Singh, M. Kumar, “An algorithm for fetal heart rate detection using wavelet transform,” 1st Int’l Conf.

on Recent Advances in Information Technology, Dhanbad, India, Mar. 2012, pp. 838-840.

[13] C.M. Tenedero, M.A.D. Raya, L.G. Sison, “Design and implementation of a single- channel ECG amplifier with DSP post-processing in Matlab,” Third National Electronics

& Engineering Conference, Phillipines, Nov. 2002, pp. 1-4.

[14] Y. Xiao, J. Lin, O. Boric-Lubecke and V. M. Lubecke “A Ka- band low power Doppler radar system for remote detection of cardiopulmonary motion,” Proc. 27th IEEE Annu. Eng.

Med. Biol. Soc. Conf., pp. 7151-7154, 2005.