2016 Fiscal Year Research-status Report
母体の運動時にも測定が可能な胎児の心電信号測定ウェアラブルモニタの開発
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16K06385
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
佐藤 隆英 山梨大学, 総合研究部, 准教授 (10345390)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 心電信号 / 生体信号処理 / 増幅回路 / 自動利得調整回路 / オフセット電圧低減 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２８年度は、まず先に試作を行った多入力生体信号増幅回路の測定を行い、既存の生体信号増幅回路の問題点を明らかにした。既存の回路は大きな電圧利得で動作する際にオフセット電圧の影響で出力電圧振幅が十分に確保出来ない。この問題を解決するため、出力オフセット電圧および電圧利得の自動調整回路を提案し、大きな出力電圧振幅を実現した。続いて、出力オフセット電圧を低減可能な異なる原理の増幅回路についても検討した。スイッチにクロックフィードスルーやチャージインジェクションが生じた場合にも出力オフセット電圧を低減可能な新たな回路構成を提案した。
まず、前年度に試作した多入力生体信号増幅回路の測定により既存回路の性能評価を行った。測定を通じて以下の２点の問題を明らかにした。第一に、既存の回路は入力インピーダンスが大きな節点において周囲の雑音の影響を大きく受ける問題を有する。この問題はバイアス回路のインピーダンスを低く再設計することで低減可能であることを実験により確認した。第２に、既存の増幅回路は電圧利得が低い場合には概ね正しい動作をするものの、回路の利得を大きくすると出力電圧が飽和し充分な週力電圧振幅を確保できない問題を有する。これは、回路の直流オフセット電圧が増幅回路の大きな電圧利得により増幅されることに起因する。そこで、増幅回路の出力オフセット電圧及び電圧利得を自動制御する回路構成を提案し、オフセット電圧を適切に制御することでより広い出力電圧範囲が確保できることを示した。
さらにオフセット電圧をフィドバックにより低減する異なる増幅回路の構成についても検討を行った。回路内部で用いられるスイッチにクロックフィードスルーやチャージインジェクションが含まれる場合にも出力電圧のオフセットや出力電圧変動を低減する構成を提案し、その動作の解析および今後の試作に向けた準備を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２８年度は、前年度に試作した既存回路の測定と、提案回路の集積回路試作および測定を実施している。さらに第２回チップ試作のための設計よび準備を実施した。これは当初に予定した年度内２回の試作および測定と同等の内容である。申請時に予定していた第１回の試作を前年度に前倒して実施することで、初年度の後半に予定していた測定を年度当初から行うことが出来た。これに伴い、申請時に初年度に実施する予定であった集積回路試作のうち１回目の試作が省略可能となった。次回の試作は平成２９年度５月に設計データ提出することとし、当初の予定より実践的な回路の動作確認を行うことを予定している。平成２７年度５月に実施予定の試作の準備についても大半は平成２８年度内に完了しており、順調に準備は進んでいるため、研究は「おおむね予定通りに進展している」と評価する。
申請時には平成２８年度の実施内容として「増幅回路の多入力化」を中心に位置づけていたが、これについては平成２９年度に実施することとした。これは、年度当初に実施した測定により、既存回路が有する問題点が明らかになったため、その改善を優先的に実施したことによる。既存回路で問題となった「オフセット電圧の存在による出力電圧範囲の制限」は２種類の新たな手法で回避することを提案することが出来た。いずれの手法も汎用性に優れるため、胎児の心電信号を測定する用途以外にも様々な生体信号処理用の増幅回路への応用が期待できる成果となった。
平成２８年度はこれらの成果について１件の国内学会での口頭発表を行った。オフセット電圧及び電圧利得を自動制御する新たな回路および回路を用いた出力電圧振幅を確保の結果を発表し、様々な意見を得た。スイッチがクロックフィードスルーおよびチャージインジェクションを有した場合にもオフセット電圧を低減可能な増幅回路の構成についても今後学会での発表を予定している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２９年度は、まず生体信号増幅回路の多入力化を行う。これまでに設計してきた生体信号増幅回路と平成２８年度に開発した「電圧利得およびオフセット電圧の自動調整回路」を組み合わせた増幅回路において、入力数の増加を検討する。まず、許容されるチップ専有面積から実現可能な回路の入力数を見積もる。さらに入力数を増加させるため、増幅回路の時分割利用を導入する。回路を時分割で用いることで、見かけ上の入力数を実際の入力数の数倍とする。目標としている40 点同時測定の実現を目指す。想定する生体信号の最大周波数は数Hz と低いため、時分割処理に適する。しかし、回路を時分割で用いることにより、サンプルホールド回路の追加が必要となる、これにより回路の歪特性の悪化や折り返し雑音の追加による雑音特性の劣化などが予想される。これらが独立成分分析に与える影響の定量的な評価を行い、時分割の数を決定する。また、時分割処理の導入により、アナログフロントエンドの入力回路の並列数が低減可能となるため、チップ専有面積の低減についても併せて検討する。
各チャネルの電圧利得は自動利得制御回路の働きにより入力電圧に応じて時間変化している。各時刻における増幅率を増幅回路部から取得し、各チャネルの電圧利得が一定であった場合に相当する電圧信号を演算により生成する処理をディジタル信号処理部に導入し、胎児の心電信号の分離性能の向上も目指す。また、母体が運動した際には増幅後の信号の幾つかが飽和してしまうことも考えられる。電圧利得の大きさや得られた信号電圧波形から多数の出力電圧のうち独立成分分析に用いる信号電圧としてふさわしい信号を選択することで、誤った出力を得ることを防止し、母体の運動に対しても胎児の心電信号の抽出不能となる状況を低減する処理の導入を検討する。
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| Causes of Carryover |
前年度に関連する生体信号増幅回路等の試作を行った。その際に試作した生体信号増幅回路が正常に動作し本研究課題でも活用することが出来たため、当初、平成２８年度に予定していた２回の集積回路試作のうち第１回試作を省略することが出来た。既存の回路の特性評価を年度当初から実施すことができたため、既存回路の有する問題点の対策の検討などに時間を使うことが出来た。平成２８年度に予定していた集積回路回路試作１回分は、平成２９年度以降により実践的な内容で実施することを予定している。
平成２８年度に行った集積回路試作の測定は、条件を変更しての多数回の繰り返し処理などは不要であったため測定用のソフトウェアおよび、測定補助者の雇用の必要性が発生していないためそのための支出も生じていないが、今後の測定で生ずる予定である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成２８年度に予定していた集積回路回路試作１回分は、平成２９年度以降により実践的な内容で実施することを予定している。実施時期は研究の進度を考慮して決定する。また、第３回試作では、回路の規模が大きくなりチップの評価作業も膨大となることが予想されるため、回路用のソフトウェアの購入と測定補助の雇用を予定している。
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