[논문 리뷰] Catch a Breath: Non-invasive Respiration Rate Monitoring via Wireless Communication

Ossi Kaltiokallio, Hüseyi̇n Yi̇ği̇tler외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 29.

Indoor and Outdoor Localization Technologies참고 문헌 18인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 호흡 운동으로 인한 수신 신호 세기(RSS) 변동을 분석하여 단일 IEEE 802.15.4 호환 송수신기 쌍만을 사용해 저비용이고 비침습적인 호흡 수준 모니터링 시스템을 제안한다. 이 시스템은 기록적인 낮은 평균 오차 0.03 breaths per minute을 달성하며, 서로 다른 호흡 주파수 또는 단계를 가진 두 명의 개인을 동시에 모니터링할 수 있다.

ABSTRACT

Radio signals are sensitive to changes in the environment, which for example is reflected on the received signal strength (RSS) measurements of low-cost wireless devices. This information has been used effectively in the past years e.g. in device-free localization and tracking. Recent literature has also shown that the fading information of the wireless channel can be exploited to estimate the breathing rate of a person in a non-invasive manner; a research topic we address in this paper. To the best of our knowledge, we demonstrate for the first time that the respiration rate of a person can be accurately estimated using only a single IEEE 802.15.4 compliant TX-RX pair. We exploit channel diversity, low-jitter periodic communication, and oversampling to enhance the breathing estimates, and make use of a decimation filter to decrease the computational requirements of breathing estimation. In addition, we develop a hidden Markov model (HMM) to identify the time instances when breathing estimation is not possible, i.e., during times when other motion than breathing occurs. We experimentally validate the accuracy of the system and the results suggest that the respiration rate can be estimated with a mean error of 0.03 breaths per minute, the lowest breathing rate error reported to date using IEEE 802.15.4 compliant transceivers. We also demonstrate that the breathing of two people can be monitored simultaneously, a result not reported in earlier literature.

연구 동기 및 목표

• 저복잡도의 일반 소매 구입 가능한 IEEE 802.15.4 송수신기만을 사용해 비침습적이고 저비용의 호흡 수준 모니터링을 가능하게 하기 위해.
• 신뢰할 수 있는 호흡 추정을 위해 RSS 측정에서의 운동 간섭과 낮은 신호 대 잡음비 문제를 해결하기 위해.
• 비호흡 운동으로 인해 호흡 추정이 신뢰할 수 없는 시간 간격을 탐지하고 제외하기 위해.
• 서로 다른 호흡 주파수 또는 단계를 가진 여러 개인의 동시에 모니터링을 가능하게 하기 위해.
• 건강 관리 및 암시적 보조 생활(ambient assisted living) 응용 분야에 적합한 실용적이고 계산 효율적인 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 호흡 운동으로 인한 미세한 채널 변동을 감지하기 위해 단일 송수신기 쌍의 RSS 측정치를 활용한다.
• 저진동성 주기적 통신과 오버샘플링을 적용해 신호 대 잡음비를 향상시키고 추정 정확도를 향상시킨다.
• 유의미한 호흡 주파수 성분을 유지하면서 계산 부담을 줄이기 위해 감소 필터를 적용한다.
• 숨은 마르코프 모델(HMM)을 사용해 운동 간섭 기간을 탐지하고 플래그를 설정함으로써 시스템의 강건성을 향상시킨다.
• RSS의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 분석해 호흡 주파수를 추출하고, 단계 추정치를 사용해 다수의 개인을 구분한다.
• 채널 다양성과 진폭 기반 채널 선택을 활용해 신뢰성과 정확도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특수 하드웨어 없이 단일 IEEE 802.15.4 송수신기 쌍만을 사용해 호흡 수준을 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ2 RSS 기반 호흡 모니터링에서 비호흡 운동으로 인한 운동 간섭은 어떻게 탐지하고 완화할 수 있는가?
• RQ3 서로 다른 호흡 주파수를 가진 여러 개인이 RSS 측정치에서 구분될 수 있는가?
• RQ4 동일한 주파수로 그러나 다른 단계를 가진 사람들이 있는 경우, 이들을 탐지하고 구분할 수 있는가?
• RQ5 저비용의 넓은 대역폭이 아닌 RSS 측정치만을 사용해 호흡 수준 추정의 가능 정확도는 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 IEEE 802.15.4 송수신기로 보고된 바 중 기록적인 낮은 평균 오차 0.03 breaths per minute을 달성한다.
• 시스템은 환자의 자세와 관계없이 높은 정확도로 호흡 수준을 추정하며, 이는 강건성을 입증한다.
• 두 사람의 동시에 모니터링은 실험적으로 검증되었다: 두 명의 다른 호흡 주파수(12 및 15 bpm)가 PSD에서 명확히 구분되었으며, 오차는 각각 0.006 및 0.018 bpm이었다.
• 두 사람이 동일한 주파수로 90°의 단계 차이를 가진 채널에서 호흡할 경우, 단계 추정치는 다수의 신호원을 나타내는 특징적인 산란 패턴을 보였다.
• 추정된 신호의 진폭은 호흡 모니터링에 가장 신뢰할 수 있는 채널을 선택하는 데 효과적인 기준이 된다.
• 감소 필터의 사용은 추정 정확도에 큰 영향을 주지 않으면서 계산 부담을 줄였다.