[논문 리뷰] Cyclostationary Approach for Heart and Respiration Rates Monitoring with Body Movement Cancellation Using Radar Doppler System

Somayeh Kazemi, Ayaz Ghorbani외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 08.

Non-Invasive Vital Sign Monitoring참고 문헌 31인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 도플러 레이더를 사용한 비접촉 심박수 및 호흡률 모니터링을 위한 순환정적 신호 처리 기법을 제안한다. 이 방법은 신체 운동 간섭을 효과적으로 제거하고, 노이즈가 많고 비정상적인 신호에서 생명체 신호를 추출한다. 이론은 2차 순환정적 분석을 활용하여 위상 풀이나 필터링 없이 숨겨진 주기성을 탐지하며, 저 SNR 조건과 높은 운동 간섭 상황에서도 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

Heart and respiration rate measurement using Doppler radar is a non-contact and non-obstructive way for remote thorough-clothing monitoring of vital signs. The modulated back-scattered radar signal in the presence of high noise and interference is non-stationary with hidden periodicities, which cannot be detected by ordinary Fourier analysis. In this paper we propose a cyclostationary approach for such signals and show that by using non-linear transformation and then Fourier analysis of the radar signal, the hidden periodicities can be accurately obtained. Numerical results show that the vital signs can be extracted as cyclic frequencies, independent of SNR and without any filtering or phase unwrapping.

연구 동기 및 목표

• 높은 노이즈, 잡음 및 무작위 신체 운동에 의해 오염된 도플러 레이더 신호로부터 정확한 생명체 신호 추출 문제를 해결하기 위해.
• 기존의 푸리에 분석에 의존하지 않고, 비정상적이고 진폭 및 위상으로 변조된 레이더 신호의 숨겨진 주기성을 탐지할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 伝통적인 필터링 및 변조 해제 기법이 실패하는 저 SNR 및 높은 간섭 조건에서도 심박수 및 호흡률을 신뢰성 있게 추정할 수 있도록 하기 위해.
• 순환정적 분석이 SNR에 영향을 받지 않고 위상 풀이 또는 복잡한 필터링 없이도 생명체 신호를 추출할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 복소 I/Q 도플러 레이더 신호에 비선형 변환을 적용하여 숨겨진 순환정적 성분을 드러내는 방법을 사용한다.
• 2차 순환정적 분석을 통해 심박수 및 호흡률에 해당하는 순환 주파수를 탐지한다.
• 레이더 수신 신호를 주기적인 통계적 성질을 가진 시간에 따라 변하는 신호로 모델링하며, 흉부 운동이 주기적인 위상 변조를 유도한다는 사실을 활용한다.
• 제안된 모델 하에서 변환된 신호의 자기상관함수는 시간 불변성을 띠며, 이는 신뢰성 있는 순환 주파수 추정이 가능함을 보여준다.
• 노이즈 원천—잔류 위상 노이즈, RF AWGN, 1/f 플리커 노이즈—는 모델링되어 있으며, 약간의 정상성 존재를 보이며 순환정적 프레임워크의 타당성을 뒷받침한다.
• 직접적으로 신호의 스펙트럼 상관함수에서 순환 주파수를 식별함으로써 위상 풀이 및 필터링을 피하는 방법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순환정적 신호 처리 기법은 고노이즈 및 신체 운동 간섭이 있는 도플러 레이더 신호로부터 심박수 및 호흡률을 효과적으로 추출할 수 있는가?
• RQ2 제안된 방법은 저 SNR 환경을 포함한 다양한 SNR 수준에서도 신뢰성 있게 유지되는가?
• RQ3 비정상적 레이더 신호의 숨겨진 주기성을 위상 풀이 또는 전통적 필터링 없이 신뢰성 있게 탐지할 수 있는가?
• RQ4 운동 아티팩트가 존재하는 상황에서 순환정적 접근법은 전통적인 푸리에 기반 또는 시간-주파수 방법과 비교해 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 이 방법은 I/Q 채널의 신호 진폭 및 위상 불균형에 영향을 받지 않는가?

주요 결과

• 순환정적 접근법은 기존 방법이 실패하는 매우 낮은 SNR 수준에서도 심박수 및 호흡률을 순환 주파수로 성공적으로 추출한다.
• 이 방법은 SNR 변화에 대해 강건하며 위상 풀이나 필터링이 필요 없어 처리 복잡도를 크게 감소시킨다.
• 수치적 결과는 생명체 신호에 해당하는 순환 주파수가 신호 대 노이즈 비율에 관계없이 탐지 가능하다는 것을 확인하며, 노이즈 및 간섭에 대한 높은 내성과 저항성을 입증한다.
• 신호를 주기적인 통계적 파rameter를 가진 순환정적 과정로 모델링함으로써 신체 운동 아티팩트를 효과적으로 제거한다.
• 변환된 신호의 자기상관함수는 시간 불변성을 띠며, 이는 이론적 기반의 타당성을 검증한다.
• 전통적인 푸리에 기반 분석에 비해 노이즈가 많고 비정상적인 레이더 신호에서 약한 숨겨진 주기성을 탐지하는 데서 뛰어난 성능을 발휘한다.