Development of a lung function evaluation device using party horn with electronic sensors

Research Project

Project/Area Number	21K11415
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 59020:Sports sciences-related
Research Institution	Osaka Metropolitan University (2022) Osaka City University (2021)
Principal Investigator	辻岡哲夫大阪公立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (40326252)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	渡辺一志大阪公立大学, 都市健康・スポーツ研究センター, 客員教授 (50167160) 松浦義昌大阪公立大学, 国際基幹教育機構, 客員研究員 (60173796) 横山久代大阪公立大学, 都市健康・スポーツ研究センター, 教授 (10647829) 川端悠大阪公立大学, 国際基幹教育機構, 准教授 (20713390) 山科吉弘藍野大学, 医療保健学部, 教授 (80585456)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2025: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000) Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000) Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords	肺年齢 / 肺機能評価 / 吹き戻し棒 / 呼気流量 / 呼気流速 / 静電容量センサ / 圧力センサ / 計測回路試作 / トレーニング
Outline of Research at the Start	子どもの玩具として親しまれている「吹き戻し棒」を改良し、肺年齢の推定を可能とする新たな肺機能評価機器の開発を行う。内圧センサや伸縮部に埋め込んだ長さセンサを用いて、呼気/吸気の流量・流速を計測する。肺年齢を推算するための回帰式を導出し、その高精度化に取り組む。また、主に中高齢者を対象とした検証実験を行い、肺年齢推算の精度を評価する。トレーニングデータをサーバで自動的に管理・分析できるようにし、スポーツ健康科学、及び、医学的知見から、慢性閉塞性肺疾患に対する効果を検証する。
Outline of Annual Research Achievements	高齢者や肺疾患者を対象とした健康増進活動として，吹き戻し棒を用いた健康教室が注目されている．これまでの健康教室では，一般の吹き戻し棒が用いられているが，吹き戻しの実施回数や頻度などをそれぞれの参加者自身で把握しなければならず，また，最も重要な吹き戻しの運動強度について，客観的かつ定量的な計測が行えていない問題があった．そこで，本研究では，電子的な吹き戻し棒を研究開発し，内部圧力，吹き戻し棒の長さ，吹き戻し速度，実施頻度，実施時間帯などの計測を可能とする．得られた計測情報から，肺年齢を推算できるようにし，スパイロメータのような専門的な器具を必要としないで，参加者自らが簡易に自身の肺年齢を把握できるようにする．また，吹き戻し棒を用いた長期的な肺トレーニングによる効果を評価し，健常者の健康維持や，肺疾患者のリハビリテーションに適したトレーニング法を構築することを目指している．最初の2年間は機器開発期間であり，吹き戻し棒の長さ，吹き戻しの流速と流量の計測が行える計測ボード（電子回路基板）を試作した．1年目の試作では，計算処理能力の高い32ビット組み込み用プロセッサ（具体的にはPIC32MX）を用いたが，2年目は，実用化時に必要な省電力化に適した16ビット組み込み用プロセッサ（具体的にはPIC16FとPIC18F）を用いて計測回路を試作した．これらの2種類のボードで得られた計測結果はBluetoothによって無線送信されるようにした．また，吹き口に取り付けるアダプタを開発し，アダプタの内部に無線回路を搭載した計測ボードと電池を格納し，密閉した状態で正確な圧力計測が行えるようにした．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 機器開発を終えてからと後回しにしている肺年齢推算のための回帰式の導出と肺トレーニングの検討については，十分な検討が行えていない．2022年度に2名の学生が配属になったが本研究課題には従事しなかったため，結果的に，当初の2年間の学生数が0名となり，機器開発についてマンパワーが不足気味であった．2023年度は3名が本研究課題に従事することになったため，研究を加速させたいと考えている．
Strategy for Future Research Activity	2023年度は3名の学生が本研究課題に従事する予定であり，新しい体制で，問題解決に取り組み，研究を加速させたいと考えている．また，共同研究者らの助言により，2023年度は，吹き戻し棒の生産シェアが高い淡路島の企業を訪問して，研究打ち合わせを行うことを予定している．呼気の水分（湿度）によって圧力センサの精度に影響を与えることが危惧されることがわかったため，センサ類を外部に配置するなどの工夫を施し，この問題の解決を図る．また，Bluetoothからインターネットに接続するための基地局の試作の必要性が新たに発生したため，それにも取り組む予定である．