In this thesis, Doppler radar sensors for Non-contact Human vital signal detection have been discussed. Doppler radar sensor for non-contact human vital signal detection has three main problems known as ‘null point problem’, ‘moving body problem’ and ‘external interferer problem’. This paper investigates about solution for solving these problems. A single chip 24 GHz Doppler radar sensor whose sensitivity is high enough to detect small skin motion produced by activity of heart and lung. However, the sensor is also sensitive to unwanted motion. It is hard to measure the heartbeat signal of moving human body because the unwanted motion produces noise signal whose bandwidth is similar to heartbeat signal. Therefore a self-mixing radar structure and a Doppler radar sensor using two-frequency is proposed to detect the heart more effectively. The Doppler radar sensor using two-frequency is proposed to solve ‘moving body problem’. The proposed two-frequency radar sensor uses frequency dependent characteristics of human body tissue and heartbeat signal can be measured using the proposed radar sensor structure. However, the heartbeat signal power was smaller (10 dB) than that of general Doppler radar sensor. But we found the heartbeat signal has high frequency components and if the operating frequency of Doppler radar sensor is low, the noise signal produced by unwanted motion can be in different frequency domain to heartbeat signal. However SNR of the radar sensor should be improved to detect the high frequency components of heartbeat signal. Therefore a coded quadrature Doppler radar sensor is proposed to increase the SNR of the sensor system. Comparing to general Doppler radar sensor, the coded quadrature Doppler radar sensor is strong to external interferer (interferer signal is suppressed by 30 dB comparing to general Doppler radar sensor) and has low noise characteristic (noise suppression is over 10 dB) in frequency range of 10~20 Hz at baseband. The high frequency components of heartbeat signal can be measured at distance of 3 cm (apart from the antenna) using the coded quadrature Doppler radar sensor. The heartbeat signal can be measured even though the subject moves back and forth using proposed radar sensor and heartbeat signal retrieve method.
Proposed coded quadrature Doppler radar sensor is a solution for ‘null point problem’, ‘moving body problem’ and ‘external interferer problem’. The non-contact heartbeat signal detection method for moving human body is valid when the bandwidth of noise signal produced by random motion doesn’t affect the high frequency components of heartbeat signal.
A low cost non-contact human vital signal detector using impedance measuring method will also discussed in appendix.
사람의 호흡과 심장 박동수와 같은 생체신호는 일상생활에서 그 변동 추이가 가장 심한 신호이며, 심장 박동주기가 불규칙적으로 나타나는 심장 부정맥과 같은 심장질환을 가지고 있는 사람들의 경우 일상 생활 중 실시간으로 심장박동을 모니터링을 해야 할 필요성이 있다. 심장박동을 측정하는 방법으로는 심전도, 적외선 센서, 압전 소자, 청진기등을 이용한 방법들이 있으며, 이러한 방법들은 피부에 직접 센서를 접촉 시켜야 하는 단점을 가지고 있다. 최근에는 전자파를 몸에 입사시켜 심장박동에 의한 전자파의 위상변화를 감지하여 심장박동을 측정하는 도플러 레이더 센서를 이용한 심장박동 센서들에 대한 연구가 진행 되고 있다. 특히 도플러 레이더 센서를 이용하여 심장박동을 측정하는 경우, 피부에 센서를 직접 부착하지 않고도 간단히 몸에 휴대만 하여도 심장박동을 측정할 수 있는 장점 때문에, 모바일 헬스 케어를 위한 진단기기에 많은 활용이 있을 것으로 예상된다.
도플러 레이더 센서를 이용한 심장박동 센서는 크게 ‘null-point problem’ 으로 알려진 심장박동 측정 여부가 사람의 측정 위치에 의해 결정되는 문제와 움직임이 있는 경우에 심장박동을 측정할 수 없는 문제인 ‘moving body problem’ 을 가지고 있다. ‘null-point problem`은 쿼드러처 도플러 레이더 구조를 이용함으로써 해결할 수 있다는 것은 선행 연구 그룹들에 의해 알려진 사실이며, 움직임에 의해 심장 박동을 측정할 수 없게 되는 경우, 기존 심장 박동 추이를 통해 심장박동을 예측하는 알고리즘을 개발하는 연구들이 진행되고 있다. 하지만 이 경우 실제 심장 박동을 측정 하는 것이 아닌 알고리즘에 의한 심박 박동 신호 예측 이므로 ‘moving body proble’에 대한 해결 방법으로 보기는 어렵다. 또한 심장박동센서들은ZigBee 혹은Bluetooth와 같은 무선 통신 장치와 함께 모듈화 되어 휴대화 되어가는 추세이므로 외부기기에 대한 간섭 문제 (external interferer problem)를 해결 하여야 한다.
본 연구에서는 비접촉식 방식으로 심장 박동을 측정할 수 있는 ‘24GHz doppler radar sensor’, ‘2.4GHz quadrature doppler radar sensor`, ‘self-mixing radar sensor’, ‘two frequency radar sensor’ 등을 제안하였다. 또한, ‘null-point problem`과 움직임이 있는 경우에 심장박동을 측정하기 위해, 심장 움직임이 가지고 있는 특정 고주파대역의 움직임을 감지할 수 있는 저 잡음 특성을 가지는 레이더 센서를 개발하기 위하여, 코드를 사용하면서 쿼드러쳐 구조를 가지는 `coded quadrature Doppler radar sensor`를 제안하였다.
제안된 ‘coded quadrature Doppler radar sensor’는 기존의 도플러 레이더 센서와 비교하여 출력 신호의 10~20Hz 대역에서 20dB이상 노이즈가 개선 되는 것을 확인하였으며, 외부 간섭신호 (Bluetooth) 의 영향은 30dB 이상 제거됨을 확인하였다. 제안된 `coded quadrature Doppler radar sensor`를 이용하여, 신체와 3cm 떨어진 위치에서 최대 1cm의 진폭으로 10Hz 이내의 진동수를 가지는 움직임이 있는 경우 심장박동 신호를 측정할 수 있었다. 선행 연구그룹에서 사용 중인 심장 박동의 기본 주파수를 이용한 심박 검출 방식을 이용하는 경우, 움직이는 상황에서의 심장 박동 측정 오류는 51% 였으나, 본 연구에서 제안한 코드화된 레이더 센서를 이용, 심장박동의 고주파 성분을 이용하는 경우 움직임이 있는 사람의 심장 박동을 5% 이내의 오차로 검출할 수 있었다.
