The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science (한국전자파학회논문지)

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An 2.4 GHz Bio-Radar System for Non-Contact Measurement of Heart and Respiration

호흡 및 심박수 측정을 위한 비 접촉 방식의 2.4 GHz 바이오 레이더 시스템

  • Lee, Yong-Jin (Department of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University) ;
  • Jang, Byung-Jun (Department of Electrical Engineering, Kookmin University) ;
  • Yook, Jong-Gwan (Department of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University)
  • 이용진 (연세대학교 전기전자공학과) ;
  • 장병준 (국민대학교 전자공학부) ;
  • 육종관 (연세대학교 전기전자공학과)
  • Published : 2008.02.29
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Abstract

In this paper, we present a performance analysis and design and implementation results of a 2.4 GHz bio-radar system that can detect human heartbeat and respiration signals. In order to design a 2.4 GHz bio-radar system qualitatively, we investigate the electromagnetic properties of human tissues and calculate the target SNR of demodulation output with respect to distance. The target SNR is defined by the 90 % success ratio for detecting heartbeat signal. With this target SNR value, the performance and link budget of the bio-radar system is simulated using MATLAB. Using this link budget results, the direct conversion receiver is designed and Implemented in 4 layer printed circuit board(PCB). With output power of 0 dBm and 5 Hz bandwidth, 80 % success ratio of 50 cm is measured. Measurement results show a good agreement with simulation results.

본 논문에서는 호흡 및 심박수 측정을 위한 2.4 GHz 바이오 레이더 시스템의 성능을 분석하고 이를 통한 설계 및 구현 과정을 제시하였다. 먼저 2.4 GHz 시스템의 성능을 정량적으로 분석하기 위해, 인체 조직의 전자기적 성질을 이용하여 사람 몸에 의한 손실을 구하였고, 거리에 따른 복조기 출력에서의 SNR을 분석하였다. 5 Hz 대역폭일 때, 50 cm에서 90 % 이상의 success ratio를 성능지표로 삼아 바이오 레이더 성능을 MATLAB을 이용하여 시뮬레이션 하였고, 전체 시스템의 링크 버젯을 완성하였다. 분석 결과를 활용하여 4층 PCB 기판 위에 계산된 링크 버젯을 만족하는 직접 변환 방식의 바이오 레이더 수신기를 설계 및 제작하였다. 측정 결과, 0 dBm 출력에서 5 Hz 대역폭일 때, 50 cm의 거리에서 약 80 %의 success ratio가 측정되어 설계 과정을 검증하였다.

Keywords

References

  1. Byung-Jun Jang, "Trend on BAN with bio-sensor for early detection", The 15th Korea Internet Conference, pp. 80-93, Jun. 2007
  2. J. C. Lin, "Non-invasive microwave measurement of respiration", Proceedings of the IEEE, vol. 63, no. 10, p. 1530, 1975 https://doi.org/10.1109/PROC.1975.9992
  3. A. D. Droitcour, O. Boric-Lubecke, V. M. Lubecke, J. Lin, and G. T. A. Kovac, "Range correlation and I/Q performance benefits in single-chip silicon doppler radars for non-contact cardiopulmonary monitoring", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 52, pp. 838-848, Mar. 2004 https://doi.org/10.1109/TMTT.2004.823552
  4. S. Dragan, B. -K. Park, O. Boric-Lubecke, V. M. Lubecke, Host-Madsen, Anders Sizer, and Theodore, "Experimental evaluation of multiple antenna techniques for remote sensing of physiological motion", Microwave Symposium, 2007. IEEE/MTT-S International, pp. 1735-1738, Jun. 2007
  5. B. -K. Park, V. M. Lubecke, and O. Boric-Lubecke, "Arctangent demodulation with DC offset compensation in quadrature doppler radar receiver systems", IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 55, no. 5, May 2007
  6. M, Isar, B.-K. Park, V. M. Lubecke, O. Boric- Lubecke, Host-Madsen, and Anders Sizzer, "Sensor nodes for Doppler radar measurements of life signs", Microwave Symposium, 2007. IEEE/MTT-S International, pp. 1241-1244, Jun. 2007
  7. C. Gabriel, "Compilation of the dielectric properties of body tissues at RF and microwave frequencies", http://niremf.ifac.cnr.it/
  8. A. Droitcour, "Non-contact measurement of heart and rspiration rates with a single-chip microwave doppler radar", Ph. D. thesis, Standford University, Jun. 2006
  9. B. Lohman, O. Boric-Lubecke, V. M. Lubecke, P. W. Ong, and M. M. Sondhi, "A digital signal processor for Doppler radar sensing of vital signs", Proc. IEEE 23rd Annual Engineering in Medicine and Biology Society Conf., vol. 4, pp. 3359-3362, 2001
  10. 이용진, 장병준, 육종관, "호흡 및 심박수 측정을 위한 비접촉 방식의 2.4 GHz 바이오 레이더 시스템", 2007년도 한국전자파학회 종합학술발표회논문집, 17(1), pp. 267-3270, 2007년 11월