Noncontact Vital Sign Monitoring and Atrial Fibrillation Detection Using IR-UWB Radar Sensor

Abstract

In this dissertation, we propose noncontact method of monitoring respiratory activity and heart beat using radar sensors. The radar sensors can detect the target's movement very sensitively and they can detect respiration and heart beat.

Firstly, the method of monitoring respiration using radar is introduced. The feasibility of the radars to monitor respiratory activity was validated with comparison to a reference sensor. Then the accuracy and reliability of the radar in monitoring respiration was evaluated with 33 participants. The gold-standard was manually counted by a physician and its agreement with IR-UWB radar was excellent (intraclass correlation coefficient [ICC] 0.852).

Secondly, the method of monitoring heart beat using radar while breath-holding is introduced. The feasibility of the radars to monitor heart beat was validated with comparison to a reference sensor. Then the accuracy and reliability of the radar in monitoring heart beat was evaluated with 22 participants with normal sinus rhythm (NSR) and persistent atrial fibrillation (PeAF). The gold-standard was electrocardiography (ECG) and its agreement with impulse radio-ultra wideband (IR-UWB) radar was evaluated in three parameters (heart rate, average R-R interval, individual R-R interval). The agreement between radar and ECG was excellent in NSR group (heart rate ICC 0.856, average R-R interval ICC 0.997, individual R-R interval ICC 0.803). The agreement in PeAF group was a little bit less than NSR group but it was good (heart rate ICC 0.871, average R-R interval ICC 0.927, individual R-R interval ICC 0.697). Going further, two methods of detecting atrial fibrillation (AF) is suggested and validated the accuracy with the same 33 participants. The AF detection algorithm worked well and showed sensitivity of 1.00, specificity of 0.83 and correct classification rate (CCR) of 0.944.

Thirdly, the method of monitoring heart beat using radar without limitation of breathing is introduced. The radar pointed to the carotid artery and measured the carotid pulse to obtain clearer vital signal. The accuracy and reliability of the method was evaluated with 33 participants with NSR and PeAF. The agreement between radar and ECG was evaluated in three parameters (heart rate, average R-R interval, individual R-R interval). The agreement between radar and ECG was excellent in NSR group (heart rate ICC 0.985, average R-R interval ICC 0.999, individual R-R interval ICC 0.910). The agreement in PeAF group was a little bit less than NSR group but it was good (heart rate ICC 0.930, average R-R interval ICC 0.957, individual R-R interval ICC 0.701). Moreover, AF detection algorithm is evaluated with the same 33 participants. The AF detection algorithm worked well and showed sensitivity of 1.00, specificity of 0.84 and CCR of 0.909.

Finally, the method of monitoring breathing rate (BR) and heart rate (HR) using radar in farther distance is introduced. The accuracy and reliability of the method was evaluated with 50 participants without any cardiopulmonary diseases. The BR of radar measurements showed excellent agreement to reference device (ICC0.923), and the HR of radar measurements showed good agreement to reference device (ICC 0.749). Moreover, affecting the accuracy of measurement was analyzed.

Moreover, we suggested a method of measuring vital signs from multi target using multi-input multi-output (MIMO) frequency modulated continuous wave (FMCW) radar. To avoid the interference from each targets, Capon beamformer was used and vital signs of each target was obtained. The experiment was performed with 2 participant at the same distance (1m, 2m, 3m) and average errors were analyzed for each target at different distances.|본 논문에서는 광대역 펄스 (IR-UWB) 레이더 센서를 이용하여 호흡 활동과 심장 박동을 비접촉식으로 모니터링하는 방법을 제안한다. 레이더 센서는 표적의 움직임을 매우 민감하게 감지할 수 있으며 또한 호흡과 심장 박동으로 발생하는 미세한 움직임을 감지할 수 있다. 이를 이용하여 먼저 레이더를 이용한 호흡을 측정하는 방법을 제안하고 전임상평가를 통해 정확도와 안전성을 검증하였다. 그리고 레이더를 이용한 심박을 측정하는 방법을 제안하고 전임상평가를 진행하였다.

먼저 레이더를 사용하여 호흡을 모니터링하는 방법을 소개한다. 레이더 신호의 페이즈 변화를 측정하여 호흡 및 심박으로 발생하는 미세한 움직임을 감지하는 방법을 제시한다. 이 방법을 검증하기 위하여 레이더로 측정한 호흡 및 심박 신호를 기존에 사용되던 센서와 동시 측정 및 비교하여 검증하였다. 실험실 환경 밖의 전임상평가를 진행하여 정확도 및 안정성을 테스트하기 위하여 한양대학교 병원 심장내과 외래에서 33명의 참가자를 모집하였으며 실험을 진행하였다. 호흡의 Gold-standard로는 의사가 직접 세는 방법을 채택하였으며 레이더 측정값과 일치도는 우수했다 (급내상관계수 [ICC] 0.852).

다음으론 호흡을 제거하고 심장 박동을 모니터링하는 방법을 제시한다. 보다 미세한심장 박동을 측정하기 위하여 대상자의 호흡을 정지하고 측정하는 방식을 택했으며 가능성은 기준 센서와 비교하여 검증하였다. 그 후 정상 동리듬(NSR) 및 지속성 심방세동(PeAF)을 가진 22명의 참가자를 대상으로 전임상평가를 진행하여 레이더의 정확도 및 신뢰성을 평가하였다. Gold-standard는 심전도(ECG)였으며 레이더와의 일치도는 세 가지 변수(심박수, 평균 R-R 간격, 개별 R-R 간격)로 평가하였다. NSR군에서 레이더와 ECG 간의 일치도는 우수하였다 (심박수 ICC 0.856, 평균 R-R 간격 ICC 0.997, 개별 R-R 간격 ICC 0.803). PeAF 그룹에서는 NSR 그룹보다 약간 낮은 일치도를 보였지만 여전히 높은일치도를 보였다. (심박수 ICC 0.871, 평균 R-R 간격 ICC 0.927, 개별 R-R 간격 ICC 0.697). 측정된 심박 신호를 이용하여 심방세동(AF)을 감지하는 두 가지 방법을 제안하고 동일한 33명의 참가자를 대상으로 정확도를 검증하였다. AF 검출 알고리즘은 민감도 1.00, 특이도 0.83, 정확도(CCR) 0.944를 보였다.

실제 이용환경에서는 호흡의 제한을 두고 사용할 수는 없기 때문에 호흡의 제한 심장박동을 모니터링하는 방법을 제시하였다. 호흡을 최대한 배제하고 심박으로부터 높은 반사율을 얻기 위하여 레이더는 경동맥을 가리키는 방법을 이용하였다. 이 방법에 대한 정확도와 신뢰성 검증을 위하여 NSR군과 PeAF군 참여자 33명을 모집하여 전임상평가를 진행하였다. 레이더와 ECG 사이의 일치도는 이전과 같이 세 가지 변수(심박수, 평균 R-R 간격, 개별 R-R 간격)로 평가되었다. 레이더와 ECG 간의 일치도는 NSR군에서 우수하였다 (심박수 ICC 0.985, 평균 R-R 간격 ICC 0.999, 개별 R-R 간격 ICC 0.910). PeAF 그룹은 NSR 그룹보다 약간 낮았지만 여전히 높은 일치도를 보였다 (심박수 ICC 0.930, 평균 R-R 간격 ICC 0.957, 개별 R-R 간격 ICC 0.701). AF 감지 알고리즘 또한 동일한 33명의 참가자로 평가하였고 감도 1.00, 특이도 0.84, CCR 0.909를 나타내어 높은 정확도를 보였다.

마지막으로 레이더를 사용하여 원거리에서 호흡수 (BR)와 심박수 (HR)를 모니터링하는 방법이 제시하였다. 방법의 정확성과 신뢰성은 심폐질환이 없는 50명의 참가자를 대상으로 전임상평가를 진행하여 평가하였다. 레이더로 측정한 BR은 Gold-standard (ICC 0.923)와 우수한 일치를 보였고, 레이더로 측정한 HR은 Gold-standard (ICC 0.749)와 높은 일 치를 보였다. 또한 측정의 정확도에 영향을 미치는 요인들에 대하여 통계적 분석을 진행하였다.

추가적으로 다중 안테나 (MIMO) 선형 주파수 변조 연속 파 (FMCW) 레이더를 이용하여 다수의 타겟에 대하여 생체신호를 측정하는 방법을 제시하였다. 타겟들의 생체신호가 서로 교란되지 않도록 카폰 빔포머 (Capon beamformer)를 이용하여 각 타겟들로부터 독립적으로 생체신호를 측정하였다. 2명의 참여자를 동일 거리상 (1m, 2m, 3m)에 각각 두고 실험을 하여 에러 분석을 하였다.