소개: 비접촉식 모니터링을 위한 밀리미터파 레이더의 장점
스마트 홈, 헬스케어, 차량 안전 애플리케이션의 급속한 성장으로 비접촉식 생리 모니터링 에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 심전도 전극, 흉부 벨트, 광전용적맥파(PPG)와 같은 기존의 접촉식 센서는 정확한 측정값을 제공하지만, 장시간 사용 시 불편함을 유발할 수 있으며 침실, 병원, 공공장소에서의 활용이 제한될 수 있습니다.
밀리미터파(mmWave) 레이더는 혁신적인 솔루션을 제공합니다. 60~77GHz 대역의 전자기파를 전송하는 mmWave 레이더는 호흡과 심박수로 인한 미묘한 흉부 움직임을 감지하여 비접촉 방식으로 24시간 내내 개인 정보를 보호하는 모니터링을 가능하게 합니다. 카메라와 달리 레이더는 식별 가능한 이미지를 캡처하지 않으므로 사용자 개인 정보를 보호합니다. 접촉식 센서와 달리 레이더는 웨어러블 기기가 필요하지 않아 더욱 자연스러운 사용자 경험을 제공합니다.
그러나 실제 환경에서는 단일 레이더가 자세, 방향 또는 장애물의 영향을 받을 수 있습니다. Sumi와 Sakamoto(2025) 는 MVMD(Multivariate Variational Mode Decomposition)와 결합된 다중 레이더 융합 접근법을 제안하여 비접촉 호흡 모니터링의 정확도와 안정성을 크게 향상시키고 실제 적용에 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공했습니다.
다중 레이더 융합: 원리와 장점
단일 레이더는 단일 시점에서의 흉부 변위만 포착합니다. 대상이 돌아서거나 자세를 바꾸면 신호 진폭이 감소하고 잡음이 증가하여 호흡 파형이 왜곡될 수 있습니다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 세 대의 mmWave 레이더를 배치하여 다양한 각도에서 흉부 변위 신호를 동시에 포착했습니다. MVMD를 사용하여 신호를 처리함으로써 효과적인 정보 융합과 잡음 억제를 달성했습니다.
MVMD 원칙
MVMD는 위상 일관성을 유지하면서 여러 관련 신호 채널을 처리하는 변분 모드 분해의 다변량 확장입니다. MVMD의 장점은 다음과 같습니다.
관절 분해 : 채널 전체의 공통 호흡 패턴이 효과적으로 추출됩니다.
노이즈 억제 : 환경 노이즈와 모션 아티팩트가 제거되어 신호 품질이 향상됩니다.
모드 융합 : 주성분 분석(PCA)은 모드를 통합하여 안정적인 호흡 파형을 생성합니다.
워크플로:
각 레이더는 흉부 변위 신호 xi(t)x_i(t) 획득합니다.
MVMD는 신호를 내재적 모드 함수(IMF)로 분해합니다.
위상 정렬은 모든 모드에 적용됩니다.
PCA는 정렬된 모드를 융합하여 안정적이고 신뢰할 수 있는 호흡 신호를 생성합니다.
다양한 레이더 관점을 융합함으로써, 시스템은 자세와 방향에 따른 영향을 효과적으로 완화합니다.
실험 설계 및 결과
실험 설정
이 시스템은 통제된 실험실 환경에서 검증되었습니다.
레이더 구성 : 피사체 주위 120° 간격으로 배치된 3개의 60GHz FMCW 레이더.
실험 대상 : 건강한 성인 6명을 대상으로 세 방향(앞, 옆, 뒤)에서 실험을 실시했습니다.
측정 거리 : 1.5m 및 3.0m.
다중인 시나리오 : 신호 분리를 평가하기 위해 10명의 피험자를 동시에 모니터링합니다.
기준 호흡 간격은 접촉 기반 센서를 통해 측정되었습니다.
결과
다중 레이더 + MVMD 시스템은 단일 대상 테스트에서 높은 성능을 달성했습니다.
| 미터법 | 싱글 레이더 | 멀티레이더 + MVMD | 개선 |
|---|---|---|---|
| 호흡 간격 RMSE | – | ↓ 35.5% | ✔ |
| 호흡수 MAE | – | ↓ 30.8% | ✔ |
| 호흡 정확도 | – | ↑ 9.4퍼센트 포인트 | ✔ |
여러 사람이 있는 시나리오에서도 성능은 여전히 강력했습니다.
호흡 간격 RMSE가 23.5% 향상되었습니다.
호흡수 MAE가 22.3% 향상되었습니다.
정확도 가 6.2%포인트 증가했습니다.
이러한 결과는 MVMD를 활용한 다중 레이더 융합이 다양한 자세와 여러 사람이 있는 환경에서 호흡 정보를 안정적으로 추출하여 견고성과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.
mmWave 레이더의 핵심 장점
1. 비접촉식, 편안함
직접적인 피부 접촉이 필요하지 않아 가정이나 의료 환경에서 자연스럽고 편안한 사용자 경험을 제공합니다.
2. 개인정보 보호
레이더는 식별 가능한 이미지가 아닌 동작 데이터만 포착하므로 침실, 병원 및 공공 장소에서 개인 정보를 보호할 수 있습니다.
3. 의류 및 침구에 침투
밀리미터파는 얇은 옷과 담요를 관통할 수 있어 일상 환경에서도 안정적인 데이터 수집이 가능합니다.
4. 고해상도 및 실시간 모니터링
mmWave 레이더는 고해상도 변위 신호를 제공하여 수면 분석, 건강 관리 및 이상 감지를 위한 지속적인 호흡 추적을 가능하게 합니다.
5. 다중 시나리오 적용성
스마트 홈, 헬스케어, 차량 내 모니터링 및 인간-기계 상호작용에 적합합니다. 다중 레이더 융합을 통해 복잡한 환경에서도 안정적인 모니터링을 보장합니다.
6. 다중 레이더 융합을 통한 견고성
MVMD를 통해 여러 각도에서 신호를 결합하면 피사체가 자세를 바꾸거나 레이더에서 시선을 돌리더라도 안정적인 호흡 파형 출력이 보장됩니다.
Linpowave 응용 프로그램 가치
Linpowave의 60GHz 레이더 모듈(예: R60A , R60ABD1 )은 다중 장치 동기화 및 위상 일치 처리를 지원하므로 MVMD 다중 레이더 융합 애플리케이션에 완벽하게 적합합니다.
일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.
스마트 홈 : 수면 모니터링 및 건강 관리.
의료 및 노인 케어 : 환자와 노인을 위한 비접촉 호흡 모니터링.
차량 내 모니터링 : 운전자 및 승객의 상태를 감지하여 안전성을 강화합니다.
인간-기계 상호작용 : 지능형 로봇이 사용자 상태를 감지하여 적응형 대응을 제공합니다.
자세한 정보:
FAQ(자주 묻는 질문)
질문 1: mmWave 레이더가 심박수를 감지할 수 있나요?
A1: 호흡 신호는 진폭이 큰 반면, 심박수 신호는 더 미세합니다. 다중 레이더 융합과 고해상도 샘플링을 통해 향후 심박수 모니터링이 가능해질 수 있습니다.
Q2: 다중 레이더 설치는 복잡한가요?
A2: 120° 간격으로 배치된 세 개의 레이더가 주요 자세를 감지할 수 있습니다. Linpowave 모듈은 다중 장치 동기화를 지원하여 설정 및 데이터 처리를 간소화합니다.
Q3: 옷이나 담요가 레이더 신호에 영향을 미칠까요?
A3: mmWave는 얇은 옷과 담요를 투과할 수 있습니다. 매우 두꺼운 담요는 신호를 약간 약화시킬 수 있지만, 호흡 모니터링에 미치는 영향은 미미합니다.
Q4: 여러 사람을 동시에 모니터링할 수 있나요?
A4: 네, 실험 결과 다중 레이더 융합은 여러 개인의 호흡 신호를 구별할 수 있으며, 가정, 병동 또는 공공 보건 환경에 적합한 것으로 나타났습니다.
Q5: 레이더 모니터링은 안전한가요?
A5: 60GHz mmWave는 휴대전화나 Wi-Fi보다 출력이 낮아 비이온화 방사선으로 분류되어 장기간 사용해도 안전합니다.
Q6: 배포 비용이 많이 드나요?
A6: 모듈 비용이 감소함에 따라 멀티레이더 시스템은 비용 효율적이고 유연해졌으며, 상업 및 가정용 애플리케이션에 적합합니다.
결론 및 전망
MVMD와 다중 레이더 융합은 비접촉식 생리 모니터링을 위한 매우 정확하고 안정적이며 사용자 친화적인 솔루션을 제공합니다.
다각적 데이터 수집과 지능형 신호 처리를 통합하여 이 시스템은 다양한 자세, 여러 사람이 있는 상황, 일상 환경에 적응하여 지속적이고 간섭 없는 개인 정보 보호 호흡 모니터링을 제공합니다.
mmWave 레이더 기술이 계속 발전함에 따라 이러한 접근 방식은 스마트 홈, 의료 및 차량 모니터링 분야에서 점점 더 중요한 역할을 하게 될 것이며, 더욱 스마트하고 차분하며 인간 중심적인 환경 감지가 가능해질 것입니다.