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Digital signal processing method for real-time measurement of heart rate with cw doppler radar = 실시간 심장 박동 수 측정을 위한 연속파 도플러 레이더의 디지털 신호 처리 방법
서명 / 저자 Digital signal processing method for real-time measurement of heart rate with cw doppler radar = 실시간 심장 박동 수 측정을 위한 연속파 도플러 레이더의 디지털 신호 처리 방법 / Jun-Hyeong Park.
저자명 Park, Jun-Hyeong ; 박준형
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2017].
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초록정보

Recently, research about vital sign detection is being actively done with the emergence of health care. Among various measurement methods of the vital sign detection, a continuous-wave (CW) Doppler radar which uses Doppler-effect and measures cardiopulmonary activities, such as respiration, heartbeat, in non-contact and non-invasive manner has been studied for many decades. Developing methods which measure heart rate variability (HRV), physiological phenomenon about variation of the time interval between each heartbeat, is one of interesting topics in this research area. Because the HRV occurs in short time, measuring heart rate (HR) accurately in real-time is a key of the topic. In this thesis, to measure HR in real-time, a new digital signal processing technique, polyphase basis discrete cosine transform (PB-DCT), is explained. The fact that discrete cosine transform (DCT) gives frequency resolution which is twice as good as that of discrete Fourier transform (DFT) is proved mathematically and verified with simulations. Thanks to this fact, DCT can give more accurate HR than DFT can do, and it is also verified with simulations. When a signal which has random phase is transformed with general DCT, Type II DCT, value of magnitude of frequency spectrum at the frequency of the signal, is not always maximum, and the spectrum is distorted. The cause of this phenomenon is established in this thesis, and to solve the problem, PB-DCT is proposed. Finally, HR which is measured by existing method, Complex Signal Demodulation (CSD) and DFT, and proposed method, PB-DCT, is compared with the HR from an electrocardiogram (ECG) equipment. Over 95 % of all measurement cases showed that the HR values from the proposed method is more accurate than those from the existing method. Also, proposed method showed that it is stronger at undesired peak errors, and is more robust at shorter length of time window than the existing method, so it has been verified that the proposed method is suit for real-time measurement of the HR.

최근 헬스-케어(Health-Care)라는 키워드로 생체신호측정과 관련한 연구가 활발하다. 다양한 측정 방법 중에, 도플러 효과(Doppler Effect)를 이용하여 비-침습, 비-접촉식으로 호흡과 심장 박동과 같은 심폐의 움직임(Cardiopulmonary Activity)을 측정 하는 연속파(Continuous-Wave) 도플러 레이더는, 지난 수십 여 년 간 연구되어 왔다. 연속파 도플러 레이더의 많은 연구 주제 중, 심장 박동의 시간 간격이 변하는 현상인 심박변동(Heart Rate Variability)을 정확히 측정해내기 위한 주제는 최근까지도 계속해서 다루어지고 있는 주제이다. 심박변동은 짧은 시간 동안 계속해서 일어나기 때문에, 실시간으로 심장 박동 수를 정확히 산출해 내는 것이 해당 주제의 핵심 목표이다. 본 논문에서는 해당 주제를 위해 제안한 새로운 신호처리 방법인 다상 기저 이산 코사인 변환(Polyphase Basis Discrete Cosine Transform)에 대해 다룬다. 같은 시간 윈도우 길이(Window length)에 해당하는 샘플들을 취했을 때, 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transform)이 기존 방법인 이산 퓨리에 변환(Discrete Fourier Transform)보다 2배의 주파수 해상도를 가짐을 수학적으로 증명하고, 시뮬레이션을 통해 이를 검증한다. 그리고 이 덕분에 짧은 시간 윈도우 길이에서 심장 박동 수를 기존 방법보다 더 정확히 산출할 수 있음을 시뮬레이션으로 보인다. 또한, 무작위의 phase를 가지는 신호를 일반적인 이산 코사인 변환을 이용하여 주파수 영역으로 변환했을 때, 신호의 주파수에서 최댓값을 가지지 못하고 스펙트럼이 왜곡되는 문제의 원인을 밝히고, 이 문제의 해결방법으로 다상 기저 이산 코사인 변환을 제안한다. 최종적으로, 제안한 방법과 기존의 방법(복소 신호 복조(Complex Signal Demodulation) and Discrete Fourier Transform)을 이용해 산출된 각 심장 박동 수와 실제 ECG 측정장비로부터 산출되어 나오는 심장 박동 수를 비교한다. 측정된 전체 경우 중, 95 % 이상의 경우에서 제안한 방법으로 산출된 심장 박동 수가 더 정확함을 보였다. 또한, 제안한 방법이 기존의 방법보다 갑자기 튀는 오차에 더 강하며, 시간 윈도우 길이가 줄어들수록 심장 박동 수 산출에 더 견고함을 보여, 실시간 심장 박동 수 산출에 적합함을 검증하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MEE 17047
형태사항 v, 69 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박준형
지도교수의 영문표기 : Seong-Ook Park
지도교수의 한글표기 : 박성욱
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학부,
서지주기 Including References
주제 Cardiopulmonary activities
Complex signal demodulation (CSD)
Continuous-wave (CW) Doppler radar
Discrete cosine transform (DCT)
Discrete Fourier transform (DFT)
Frequency resolution
Heart rate (HR)
Heart rate variability (HRV)
Polyphase basis discrete cosine transform (PB-DCT)
Real-time measurement
다상 기저 이산 코사인 변환
복소 신호 복조
실시간 측정
심박변동
심장 박동 수
심폐 움직임
연속파 도플러 레이더
이산 코사인 변환
이산 퓨리에 변환
주파수 해상도
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