計測精度とユーザビリティを両立する非接触生体センサーシステムの研究

• 研究課題/領域番号: 16H05868
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: ヒューマンインタフェース・インタラクション
• 研究機関: 神戸大学 (2016-2017, 2019); 大阪大学 (2018)
• 研究代表者: 和泉 慎太郎 神戸大学, システム情報学研究科, 准教授 (60621646)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 23,920千円 (直接経費: 18,400千円、間接経費: 5,520千円); 2019年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2018年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2017年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2016年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
• キーワード: ウェアラブル / 生体信号処理 / 生体計測 / ヒューマンインターフェース / 非接触

研究成果の概要

日常生活における生体信号の常時計測を実現するために、非接触心拍計測技術の研究開発を行った。容量結合型心電図計とマイクロ波ドップラーセンサを用いた心拍抽出技術を開発し、室内環境と走行中の車両内でその有効性を示した。さらに、低消費電力化のための技術としてサンプリング誤差補正アルゴリズムを提案した。
これらの提案技術の応用として活動量のモニタリングに着目し、低消費電力かつ高精度な活動量センサシステムを開発してその性能を評価した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の学術的意義は、新規センシング技術と階層間協調設計により非接触かつ高精度な生体センサーを携帯可能なサイズで実現する点にある。従来は心拍を得るために貼り付け型や腕時計型、あるいは衣服に埋め込んだ電極などが直接皮膚に接触する必要があったのに対し、提案センサーでは非接触で同等の計測を実現することで侵襲度を下げてユーザビリティを向上させることができる。
本研究の社会的意義は、常時計測可能な生体センサーの普及により、医療や運輸のように従事者の健康が多数の人命に直結するような現場での安全管理に貢献できる。また、普及に伴って数多くの実測データが得られることで、これを活用した新たな学術的知見も期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Heartbeat Interval Error Compensation Method for Low Sampling Rates Photoplethysmography Sensors (2020)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Kento、Izumi Shintaro、Yano Yuji、Kawaguchi Hiroshi、Yoshimoto Masahiko
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Communications 巻: E103.B 号: 6 ページ: 645-652
  • DOI: 10.1587/transcom.2019HMP0002
  • NAID: 130007850039
  • ISSN: 0916-8516, 1745-1345
  • 年月日: 2020-06-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-Contact Instantaneous Heart Rate Extraction System Using 24-GHz Microwave Doppler Sensor (2019)
  • 著者名/発表者名: IZUMI Shintaro、OKANO Takaaki、MATSUNAGA Daichi、KAWAGUCHI Hiroshi、YOSHIMOTO Masahiko
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Communications 巻: E102.B 号: 6 ページ: 1088-1096
  • DOI: 10.1587/transcom.2018HMP0007
  • NAID: 130007657473
  • ISSN: 0916-8516, 1745-1345
  • 年月日: 2019-06-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recent Progress of Biomedical Processor SoC for Wearable Healthcare Application: A Review (2019)
  • 著者名/発表者名: YOSHIMOTO Masahiko、IZUMI Shintaro
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Electronics 巻: E102.C 号: 4 ページ: 245-259
  • DOI: 10.1587/transele.2018CDI0001
  • NAID: 130007621832
  • ISSN: 0916-8524, 1745-1353
  • 年月日: 2019-04-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-Noise Photoplethysmography Sensor Using Correlated Double Sampling for Heartbeat Interval Acquisition (2019)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Kento、Izumi Shintaro、Sasai Kana、Yano Yuji、Kawaguchi Hiroshi、Yoshimoto Masahiko
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems 巻: 13 号: 6 ページ: 1552-1562
  • DOI: 10.1109/tbcas.2019.2956948
  • NAID: 120007028960
  • 査読あり
• [雑誌論文] A 11.3-µA Physical Activity Monitoring System Using Acceleration and Heart Rate (2018)
  • 著者名/発表者名: NAKANISHI Motofumi、IZUMI Shintaro、TSUKAHARA Mio、KAWAGUCHI Hiroshi、KIMURA Hiromitsu、MARUMOTO Kyoji、FUCHIKAMI Takaaki、FUJIMORI Yoshikazu、YOSHIMOTO Masahiko
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Electronics 巻: E101.C 号: 4 ページ: 233-242
  • DOI: 10.1587/transele.E101.C.233
  • NAID: 130006602186
  • ISSN: 0916-8524, 1745-1353
  • 査読あり
• [雑誌論文] Estimating metabolic equivalents for activities in daily life using acceleration and heart rate in wearable devices (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakanishi Motofumi、Izumi Shintaro、Nagayoshi Sho、Kawaguchi Hiroshi、Yoshimoto Masahiko、Shiga Toshikazu、Ando Takafumi、Nakae Satoshi、Usui Chiyoko、Aoyama Tomoko、Tanaka Shigeho
  • 雑誌名: BioMedical Engineering OnLine 巻: 17 号: 1 ページ: 100-100
  • DOI: 10.1186/s12938-018-0532-2
  • NAID: 120006501220
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multimodal Cardiovascular Information Monitor Using Piezoelectric Transducers for Wearable Healthcare (2018)
  • 著者名/発表者名: Okano Takaaki、Izumi Shintaro、Katsuura Takumi、Kawaguchi Hiroshi、Yoshimoto Masahiko
  • 雑誌名: Journal of Signal Processing Systems 巻: － 号: 9 ページ: 1053-1062
  • DOI: 10.1007/s11265-018-1428-x
  • NAID: 120006766125
  • 査読あり
• [雑誌論文] A 11.3-uA Physical Activity Monitoring System Using Acceleration and Heart Rate, (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Nakanishi, S. Izumi, M. Tsukahara, H. Kawaguchi, H. Kimura, K. Marumoto, T. Fuchikami, Y. Fujimori, and M. Yoshimoto
  • 雑誌名: IEICE Trans. Electron. 巻: vol. E101-C, no. 4 ページ: 233-242
  • 査読あり
• [学会発表] A Heartbeat Interval Error Compensation Method Using Multiple Linear Regression for Photoplethysmography Sensors (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Yoshida, S. Izumi, Y. Nishikawa, K. Watanabe, K. Sasai, Y. Yano, H. Kawaguchi, and M. Yoshimoto
  • 学会等名: IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS)
  • 国際学会
• [学会発表] Sampling Rate Reduction for Wearable Heart Rate Variability Monitoring (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Nishikawa, S. Izumi, Y. Yano, H. Kawaguchi, M. Yoshimoto
  • 学会等名: IEEE International Symposium on Circuits and Systems
  • 国際学会
• [学会発表] A 5-ms Error, 22-uA Photoplethysmography Sensor using Current Integration Circuit and Correlated Double Sampling (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Watanabe, S. Izumi, Y. Yano, H. Kawaguchi, M. Yoshimoto
  • 学会等名: 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • 国際学会
• [学会発表] 光電式容積脈波法による脈拍測定の低消費電力化手法 (2018)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 健斗, 和泉 慎太郎, 矢野 祐二, 川口 博, 吉本雅彦
  • 学会等名: 電子情報通信学会MICT研究会
• [学会発表] ウェアラブルデバイスのための心拍変動モニタリングにおけるサンプリングレート低減手法 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西河 有貴，和泉 慎太郎，矢野 祐二，川口 博，吉本 雅彦
  • 学会等名: 第35回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [学会発表] A 19-μA Metabolic Equivalents Monitoring SoC Using Adaptive Sampling (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Tsukahara, S. Izumi, M. Nakanishi, H. Kawaguchi, H. Kimura, K. Marumoto, T. Fuchikami, Y. Fujimori, and M. Yoshimoto
  • 学会等名: IEEE ASP-DAC 2017
  • 発表場所: Chiba/Tokyo
  • 年月日: 2017-01-16
  • 国際学会
• [学会発表] A Metabolic Equivalents Estimation Algorithm using Triaxial Accelerometer and Adaptive Sampling for Wearable Devices (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nakanishi, S. Izumi, M. Tsukahara, H. Kawaguchi, M. Yoshimoto
  • 学会等名: IEEE Life Sciences Conference (LSC)
  • 国際学会
• [学会発表] Capacitively Coupled ECG Sensor System with Digitally Assisted Noise Cancellation for Wearable Application (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagasato, S. Izumi, H. Kawaguchi,and M. Yoshimoto
  • 学会等名: IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS)
  • 国際学会
• [学会発表] Non-Contact Biometric Identification and Authentication Using Microwave Doppler Sensor (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Okano, S. Izumi, H. Kawaguchi,and M. Yoshimoto
  • 学会等名: IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS)
  • 国際学会
• [学会発表] Wearable Pulse Wave Velocity Sensor Using Flexible Piezoelectric Film Array (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Katsuura, S. Izumi, S. Yoshimoto, T. Sekitani, M. Yoshimoto, and H. Kawaguchi
  • 学会等名: IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS)
  • 国際学会
• [学会発表] Multimodal Cardiovascular Information Monitor using Piezoelectric Transducers for Wearable Healthcare (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Okano, S. Izumi, T. Katsuura, H. Kawaguchi, and M. Yoshimoto
  • 学会等名: IEEE Workshop on Signal Processing Systems (SiPS)
  • 国際学会
• [学会発表] A Contact-Less Heart Rate Sensor System for Driver Health Monitoring (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Izumi, D. Matsunaga, R. Nakamura, H. Kawaguchi, and M. Yoshimoto
  • 学会等名: 39th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC)
  • 国際学会
• [学会発表] ウェアラブル生体情報計測における計測精度とユーザビリティの向上 (2017)
  • 著者名/発表者名: 和泉 慎太郎
  • 学会等名: 電子情報通信学会MICT研究会
  • 招待講演
• [学会発表] マイクロ波ドップラーセンサを用いた非接触生体認証 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡野 孝昭, 和泉 慎太郎, 川口 博, 吉本 雅彦
  • 学会等名: 電子情報通信学会MICT研究会
• [学会発表] ウェアラブルデバイスのための圧電素子を用いたマルチモーダルな心血管情報の計測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡野 孝昭，和泉 慎太郎，勝浦 巧，川口 博，吉本 雅彦
  • 学会等名: 第34回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [学会発表] ノイズフィードバック技術を用いたウェアラブル向け容量結合型心電センサ (2017)
  • 著者名/発表者名: 永里 佑樹，和泉 慎太郎，川口 博，吉本 雅彦
  • 学会等名: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [学会発表] マイクロ波ドップラーセンサを用いた車両走行中の心拍計測手法 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松永 大地, 和泉 慎太郎, 川口 博, 吉本 雅彦
  • 学会等名: 電子情報通信学会総合大会
  • 発表場所: 名古屋
• [学会発表] A 15-uA Metabolic Equivalents Monitoring System using Adaptive Acceleration Sampling and Normally Off Computing (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Tsukahara, S. Izumi, M. Nakanishi, H. Kawaguchi, H. Kimura, K. Marumoto, T. Fuchikami, Y. Fujimori, and M. Yoshimoto
  • 学会等名: IEEE ICECS 2016
  • 発表場所: Monte Carlo
  • 年月日: 2016-12-11
  • 国際学会
• [学会発表] Non-contact instantaneous heart rate monitoring using microwave Doppler sensor and time-frequency domain analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: D. Matsunaga, S. Izumi, H. Kawaguchi and M. Yoshimto
  • 学会等名: IEEE BIBE 2016
  • 発表場所: Taichung
  • 年月日: 2016-10-31
  • 国際学会
• [学会発表] Adaptive Noise Cancellation Method for Capacitively Coupled ECG Sensor Using Single Insulated Electrode (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Tanaka, S. Izumi, Y. Kawamoto, H. Kawaguchi, and M. Yoshimoto
  • 学会等名: IEEE BioCAS 2016
  • 発表場所: Shanghai
  • 年月日: 2016-10-17
  • 国際学会
• [学会発表] Low-Power Metabolic Equivalents Estimation Algorithm Using Adaptive Acceleration Sampling (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Tsukahara, M. Nakanishi, S. Izumi, Y. Nakai, H. Kawaguchi, and M. Yoshimoto
  • 学会等名: IEEE EMBC 2016
  • 発表場所: Orlando, FL
  • 年月日: 2016-08-16
  • 国際学会
• [学会発表] 日常生活の常時モニタリングを実現する生体情報計測技術 (2016)
  • 著者名/発表者名: 和泉 慎太郎
  • 学会等名: 第33回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
  • 発表場所: 札幌
• [学会発表] 加速度センサを用いた低消費電力運動強度推定アルゴリズム (2016)
  • 著者名/発表者名: 塚原 美緒, 中西 基文, 和泉 慎太郎, 中井 陽三郎, 川口 博, 吉本 雅彦
  • 学会等名: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • 発表場所: 神戸
• [学会発表] 加速度センサを用いた低消費電力運動強度推定アルゴリズム (2016)
  • 著者名/発表者名: 塚原 美緒, 中西 基文, 和泉 慎太郎, 中井 陽三郎, 川口 博, 吉本 雅彦
  • 学会等名: 電気学会C部門大会
  • 発表場所: 平戸
• [図書] ヘルスケア・ウェアラブルデバイスの開発 第6章第1節 ウェアラブル生体センサ (2017)
  • 著者名/発表者名: 和泉 慎太郎
  • 総ページ数: 8
  • 出版者: シーエムシー出版