2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of basic technologies for wearable biomagnetic measurement
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18K12044
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| Research Institution | Kanazawa Institute of Technology |
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Principal Investigator |
足立 善昭 金沢工業大学, 先端電子技術応用研究所, 教授 (80308585)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川端 茂徳 東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, ジョイントリサーチ講座教授 (50396975)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 磁気センサ / 生体磁気 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、高感度な磁気センサを体表面に装着し、ウエアラブルな生体磁気計測を実現する際に大きな障壁となると予想される２つの基本的な問題の解決、すなわち、１．磁気センサ自体が地磁気中で揺れることにより、揺れに伴って混入する揺動ノイズの軽減と、２．磁場源解析のための磁気センサと体表面の相対位置の準動的検知を目的とする。
令和２年度は、前年度に引き続き、室温磁気センサが測定対象物に近接し、センサの感度領域が無視できない大きさを持つケースについて詳細に検討した。前年度までに、対象物が室温磁気センサのごく近傍にある場合、センサ感度の角度依存性がcosθに従わなくなるため、従来の感度点を一点に近似した磁場源解析方法では磁場源の位置推定誤差が無視できないほどになる。このときのセンサ感度分布を複数感度点モデルを用いて推定する方法を提案し、本研究で検討中のアモルファス磁性体ワイヤコアを用いたフラックスゲートのように直線状に対称に感度が分布していると仮定できる場合において、有効であることが示せた。
ウエアラブル生体磁気計測では、磁気センサアレイを被験者に装着した状態で、各センサの相対位置を同定する手法を確立する必要がある。このため、頭部にぴったりフィットするヘルメット様の樹脂製殻に、市販の高感度室温磁気センサを複数配置してセンサアレイとしたものを頭部に装着した状態で、磁気センサの位置、向き、感度の校正が可能かを検証した。
上記のセンサアレイの校正は、位置、向き、巻き数が既知の複数のコイルを配置したコイルアレイを用いてそれぞれ基準磁場を生成し、その磁場信号を個々の磁気センサで検出し、磁場信号の理論値との差が最小になるような磁気センサの位置、向きを、非線形最適化問題の解として得る。リアルタイム処理のために、コイルアレイの複数のコイルを異なる周波数で励振するための電流ドライバの試作設計を行なった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
従来の生体磁気計測の磁場源解析では、磁気センサの感度領域を単一の点に近似して磁場源からの理論的な磁場を計算していた。室温磁気センサでは測定対象となる磁場源にセンサを近接させ、従来のSQUIDによる計測よりも比較的大きな信号が得られることが利点であるが、センサと対象物の距離が近くなると、センサの感度領域の大きさが無視できなくなり、感度領域内の磁場を一様と見なすことができなくなる。その結果、センサの感度領域を1点で近似できなくなり、センサの出力がいわゆるcosθ則に従わなくなる。本研究で開発中の直交型フラックスゲートのように、直線状の感度領域を持つ磁気センサの感度分布を推定する複数感度点モデルを提案した。センサを体表面に密着させ、比較的浅いところに存在する筋肉を対象とした磁場源解析の精度向上に有効である。
磁気センサアレイを被験者に装着した状態で、各センサの相対位置を同定する手法の検討のために、頭部にぴったりフィットする半割のヘルメット型の樹脂製の殻を形成し、市販の高感度室温磁気センサであるMRセンサを複数配置してセンサアレイとした。このセンサアレイを頭部に装着した状態で、位置、向き、巻き数が既知の18個のコイルから構成されるコイルアレイを用いて、基準磁場を発生し、各磁気センサで個々のコイルからの磁場を別々に検出する。このとき、センサの位置、向きを探索パラメータとして、磁場信号の理論値との差の二乗和を最小にする非線形最適化問題を解くことで、頭に装着したままで各センサの位置、向きを得られることがわかった。
既存のSQUID磁束計ベースの生体磁気計測システムを適用して短母指外転筋や前脛骨筋などの骨格筋の活動に伴って発生する磁場を計測し、どのような信号波形や磁場分布が得られるかを観察・評価するとともに、それらの磁場の発生源となる筋活動に伴う電気的活動モデルについて検討した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和２年度は新型コロナウィルス感染拡大防止措置の影響を受けて、なかなかシステム試作、実験が進まず、感度分布モデルのシミュレーションや解析方法の検討を主に進めることになった。また、金沢への出張が困難になり、既設の磁気シールドルーム内での実験ができなかった。令和３年度前半もこの傾向は続くと考えられる。磁気シールドを必要とする実験が東京の研究室でも可能なように、令和２年度末に小規模ながら磁気シールドボックスが整備できた。令和３年度前半は、多チャンネルフラックスゲートアレイの試作を完成させ、フラックスゲート磁束計のセンサの感度領域を考慮した校正方法やセンサ位置推定方法の確立、感度や磁場分解能の評価を前記の磁気シールドボックスを適用して実施する。また後半は新型コロナウィルス感染拡大防止措置が緩和されることを前提に、磁気シールドルーム内で、センサアレイが測定中に動いた場合の連続位置検出を試みる。さらに、磁気センサアレイが地磁気中で動いたときに、磁気センサ自体の物理的な揺れに応じた揺動ノイズの低減アルゴリズムを、初年度に開発した24bitデータ収録系に実装し、地磁気下での動作試験を実施する。その際、測定対象としては測定が比較的簡便な上腕、もしくは大腿の筋肉を想定する。また、研究テーマの最終年度として、本研究で開発した技術の総括を行う。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルス流行の影響で、参加予定だった国際学会が延期となり、また、新型コロナウィルス感染拡大防止措置により研究活動そのものも大きく制限を受けたため、研究期間を1年延長するに至った。
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