비접촉식 호흡 모니터링을 위한 MVMD를 사용한 다중 레이더 융합

소개: 비접촉식 모니터링을 위한 밀리미터파 레이더의 장점

스마트 홈, 의료, 차량 내 안전 애플리케이션의 급속한 성장으로 비접촉식 생리학적 모니터링에 대한 수요가 증가하고 있습니다. ECG 전극, 가슴 벨트 또는 광용적맥파측정(PPG)과 같은 기존 접촉 기반 센서는 정확한 측정을 제공하지만 장기간 사용 시 불편함을 유발할 수 있으며 침실, 병원, 공공 장소에서의 배포가 제한될 수 있습니다.

밀리미터파(mmWave) 레이더는 혁신적인 솔루션을 제공합니다. mmWave 레이더는 60~77GHz 대역의 전자기파를 전송하여 호흡과 심장 박동으로 인한 미묘한 가슴 움직임을 감지할 수 있으므로 24시간 비접촉식 개인 정보 보호 모니터링이 가능합니다. 카메라와 달리 레이더는 식별 가능한 이미지를 캡처하지 않으므로 사용자의 개인 정보를 보호합니다. 접촉식 센서에 비해 레이더에는 웨어러블 기기가 필요하지 않아 보다 자연스러운 사용자 경험을 제공합니다.

그러나 실제 환경에서는 단일 레이더가 신체 자세, 방향 또는 장애물의 영향을 받을 수 있습니다. Sumi와 Sakamoto(2025)는 MVMD(Multivariate Variational Mode Decomposition)와 결합된 다중 레이더 융합 접근 방식을 제안하여 비접촉식 호흡 모니터링의 정확성과 안정성을 크게 향상시켜 실제 배포를 위한 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공했습니다.

다중 레이더 융합: 원리 및 장점

단일 레이더는 단일 시점의 가슴 변위만 캡처합니다. 피사체가 돌아서거나 자세를 바꾸면 신호 진폭이 감소하고 소음이 증가하여 호흡 파형이 왜곡될 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 3개의 mmWave 레이더를 배치하여 동시에 여러 각도에서 흉부 변위 신호를 포착했습니다. 신호는 MVMD를 사용하여 처리되어 효과적인 정보 융합 및 노이즈 억제를 달성했습니다.

MVMD 원칙

MVMD는 위상 일관성을 유지하면서 여러 관련 신호 채널을 처리하는 변형 모드 분해의 다변량 확장입니다. 장점은 다음과 같습니다:

공동 분해: 채널 전체의 공통 호흡 패턴을 효과적으로 추출합니다.
잡음 억제: 환경 소음과 모션 아티팩트가 제거되어 신호 품질이 향상됩니다.
모드 융합: 주성분 분석(PCA)은 모드를 통합하여 안정적인 호흡 파형을 생성합니다.

워크플로:

각 레이더는 흉부 변위 신호를 획득합니다 $x_i(t)$ .
MVMD는 신호를 고유 모드 함수(IMF)로 분해합니다.
위상 정렬은 여러 모드에 걸쳐 적용됩니다.
PCA는 정렬 모드를 융합하여 안정적이고 신뢰할 수 있는 호흡 신호를 생성합니다.

여러 레이더 관점을 융합하여 시스템은 자세 및 방향 효과를 효과적으로 완화합니다.

실험 설계 및 결과

실험 설정

시스템은 통제된 실험실 환경에서 검증되었습니다.

레이더 구성: 3개의 60GHz FMCW 레이더가 피사체 주위로 120° 간격으로 배치됩니다.
피험자: 건강한 성인 6명이 세 가지 방향(앞, 옆, 뒤)에서 테스트를 받았습니다.
측정 거리: 1.5m 및 3.0m
다인원 시나리오: 10명의 피험자를 동시에 모니터링하여 신호 분리를 평가합니다.

참고 호흡 간격은 접촉 기반 센서로 측정되었습니다.

결과

다중 레이더 + MVMD 시스템은 단일 대상 테스트에서 높은 성능을 달성했습니다.

측정항목	단일 레이더	다중 레이더 + MVMD	개선
호흡 간격 RMSE	–	↓ 35.5%	✔
호흡수 MAE	–	↓ 30.8%	✔
호흡 정확도	–	↑ 9.4% 포인트	✔

여러 사람이 참여하는 시나리오에서도 강력한 성능을 유지했습니다.

호흡 간격 RMSE가 23.5% 개선되었습니다.
호흡수 MAE가 22.3% 개선되었습니다.
정확도가 6.2% 포인트 증가

이러한 결과는 MVMD와의 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. 비접촉식으로 편안함

직접적인 피부 접촉이 필요하지 않으므로 가정 및 의료 시나리오에서 자연스럽고 편안한 사용자 경험을 제공합니다.

2. 개인정보 보호

레이더는 식별 가능한 이미지가 아닌 모션 데이터만 캡처하므로 침실, 병원, 공공장소에서 개인정보를 보호할 수 있습니다.

3. 의류 및 침구에 침투

밀리미터파는 얇은 옷과 담요를 관통할 수 있어 일상 환경에서 안정적인 데이터 수집을 보장합니다.

4. 고해상도 및 실시간 모니터링

mmWave 레이더는 고해상도 변위 신호를 제공하여 수면 분석, 건강 관리, 이상 감지를 위한 지속적인 호흡 추적을 가능하게 합니다.

5. 다중 시나리오 적용 가능성

스마트 홈, 의료, 차량 내 모니터링, 인간-기계 상호작용에 적합합니다. 다중 레이더 융합으로 복잡한 환경에서도 안정적인 모니터링을 보장합니다.

6. 다중 레이더 융합을 통한 견고성

MVMD와 여러 각도의 신호를 결합하면 피사체가 자세를 바꾸거나 레이더에서 멀어지는 경우에도 안정적인 호흡 파형 출력이 보장됩니다.

Linpowave 애플리케이션 값

Linpowave의 60GHz 레이더 모듈(예: R60A, R60ABD1)은 MVMD에 완벽하게 적합한 다중 장치 동기화 및 위상 일관성 처리를 지원합니다. 다중 레이더 융합 애플리케이션.

일반적인 애플리케이션은 다음과 같습니다.

스마트 홈: 수면 모니터링 및 건강 관리
의료 및 노인 간호: 환자와 노인을 위한 비접촉식 호흡 모니터링
차량 내 모니터링: 운전자 및 승객 상태 감지로 안전성 향상.
인간-기계 상호작용: 지능형 로봇이 사용자 상태를 감지하여 적응형 응답을 제공합니다.

추가 정보:

Radar SDK 문서 →
비접촉 건강 모니터링 케이스 →

FAQ(자주 묻는 질문)

Q1: mmWave 레이더가 심박수를 감지할 수 있나요?
A1: 호흡 신호는 진폭이 더 크지만 심박수 신호는 더 미묘합니다. 다중 레이더 융합 및 고해상도 샘플링을 통해 향후 구현을 통해 심박수 모니터링이 가능해질 수 있습니다.

Q2: 다중 레이더 설정이 복잡합니까?
A2: 120° 간격으로 배치된 3개의 레이더가 기본 자세를 커버할 수 있습니다. Linpowave 모듈은 다중 장치 동기화를 지원하여 설정 및 데이터 처리를 단순화합니다.

Q3: 옷이나 담요가 레이더 신호에 영향을 미치나요?
A3: mmWave는 얇은 옷이나 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: 예, 실험에 따르면 다중 레이더 융합이 여러 개인의 호흡 신호를 구별할 수 있어 가정, 병동 또는 공공 의료 환경에 적합합니다.

Q5: 레이더 모니터링은 안전한가요?
A5: 60GHz mmWave 전력은 휴대전화나 Wi-Fi보다 낮으며 비이온화 방사선으로 분류되어 장기간 사용해도 안전합니다.

Q6: 배포 비용이 많이 드나요?
A6: 모듈 비용이 감소하므로 다중 레이더 시스템은 비용 효율적이고 유연하며 상업용 및 가정용 애플리케이션에 적합합니다.

결론 및 전망

MVMD와의 다중 레이더 융합은 비접촉식 생리학적 모니터링을 위한 매우 정확하고 안정적이며 사용자 친화적인 솔루션을 제공합니다.

다각적 데이터 수집과 지능형 신호 처리를 통합함으로써 시스템은 다양한 자세, 여러 사람이 함께 사용하는 시나리오 및 일상 환경에 적응하여 지속적이고 간섭이 없으며 개인 정보를 보호하는 호흡 모니터링을 제공합니다.

mmWave 레이더 기술이 계속해서 발전함에 따라 이 접근 방식은 스마트 홈, 의료, 차량 내 모니터링에서 점점 더 중요한 역할을 하여 더 스마트하고 조용하며 인간 중심적인 환경 감지를 가능하게 할 것입니다.

MVMD를 통한 다중 레이더 융합: 안정적인 비접촉 생리 모니터링 가능