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多人数・多部位の非接触計測を実現する皮膚変位の数理モデルとアレーレーダ信号処理

研究課題

研究課題/領域番号 23K26115
補助金の研究課題番号 23H01420 (2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2023)
応募区分一般
審査区分 小区分21030:計測工学関連
研究機関京都大学

研究代表者

阪本 卓也  京都大学, 工学研究科, 教授 (30432412)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
18,460千円 (直接経費: 14,200千円、間接経費: 4,260千円)
2025年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円)
2024年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2023年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
キーワード生体信号 / 非接触計測 / アレー信号処理 / レーダ / 数理モデル / アレー / 信号処理
研究開始時の研究の概要

従来のワイヤレス人体センシングは、ハードウェアの性能によって空間分解能が制約されるため、体動などを伴う複数人体・複数部位からの反射波の干渉により計測精度が低下し、実環境での利用が阻まれていた。本研究では、計測対象である人体の事前情報を取り入れたアプローチにより、従来のレーダ計測における分解能限界を打破する人体センシング技術を実現する。具体的には、皮膚変位の数理モデルを確立し、数理モデルによる多人数・多部位における呼吸・心拍の高精度計測法を開発する。新たに導入する数理モデルを鍵として、実環境における呼吸・心拍・血圧の高精度ワイヤレス計測を実現する。

研究実績の概要

電波により生体信号を非接触計測できるワイヤレス人体センシングが注目されているが、こうしたセンシング技術を実環境へ応用するためには、多人数の同時計測法、多部位の同時計測による高精度化が重要となる。しかし、これまでのワイヤレス人体センシングでは、レーダ装置のハードウェアに特有の空間分解能の限界により性能が制約されていた。
そこで本年度は、研究室に整備済みのアレーレーダ実験システムを拡張するため、新たにレーダモジュールを追加し、本研究に必要な実験系を整備した。複数の送信素子と受信素子をそれぞれ有する多入力多出力レーダを用い、複数レーダで構成されるシステムに適したビーム形状をアレー信号処理により形成し、多人数の多部位を同時に計測するために必要なシステムを整備した。
次に、計16台のレーザ変位計を用いて人体皮膚表面の変位計測を行い、全身の皮膚変位の数理モデルについて検討した。複数部位での皮膚変位波形間の関係を明らかにするため、センサを同期させてデータ取得し、実験を進めた。続いて、得られた皮膚変位波形の時間領域および周波数領域の特徴を求めた。
被験者が自然に呼吸をしている状態の皮膚変位データを用いて呼吸変位モデルを求めた。その際、脈波変位モデルの知見を活用して脈波成分を抑圧した。変位波形間の関係を同定し、特徴量を用いた数理モデルを提案した。なお、同定に用いるモデルは、線形および非線形の回帰を組み合わせて構成した。同手法を応用し、被験者の体の向きを推定する手法も開発し、従来法よりも高い精度を達成できることを定量的に示した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究計画どおり、複数の被験者に対してレーダおよびレーザ変位計による計測を行い、呼吸に伴う体表面の変位波形を詳細に計測するとともに特徴量をもとにした数理モデリングを行った。また、体の向きとレーダの視線方向のなす角が特徴量に与える影響を詳細に検討し、特徴量を用いた体方位推定も可能であることを示すことができた。

今後の研究の推進方策

提案した数理モデルを応用し、レーダ画像化の空間分解能を向上する手法を開発する予定である。ミリ波2次元アレーレーダを用いた計測を実施し、3~10箇所の部位の同時計測技術を開発する。従来のレーダ技術により、距離・方位角・仰角それぞれによる信号分離を行い、大まかな反射点特定のためのイメージングを行い、次に、数理モデルに基づく信号分離法を多部位へ拡張する。また、空間分解能を向上する手法を開発し、これらの部位間の相対位置を用いて対象者の姿勢を推定する。続いて、多人数の対象者に対し、反射点をクラスタリング法により特定する。さらに、複数レーダのデータ統合により、多人数が密集した場合の遮蔽を解決する。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (25件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件)

  • [国際共同研究] Delft University of Technology(オランダ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Hawaii at Manoa(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Complex Number Assignment in the Topology Method for Heartbeat Interval Estimation Using Millimeter-Wave Radar2024

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Yuji、Sumi Kimitaka、Iwata Itsuki、Sakamoto Takuya
    • 雑誌名

      IEEE Sensors Letters

      巻: 8 号: 3 ページ: 1-4

    • DOI

      10.1109/lsens.2024.3364393

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] An Extended Target Detector Using Image-Processing Techniques Exploiting Energy-Spillover Phenomenon in Radar Echoes2023

    • 著者名/発表者名
      Yang Jianxuan、Yi Jianxin、Sakamoto Takuya、Wan Xianrong
    • 雑誌名

      IEEE Sensors Journal

      巻: - 号: 19 ページ: 22919-22929

    • DOI

      10.1109/jsen.2023.3305494

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Radar-Based Estimation of Human Body Orientation Using Respiratory Features and Hierarchical Regression Model2023

    • 著者名/発表者名
      Sun Wenxu、Iwata Shunsuke、Tanaka Yuji、Sakamoto Takuya
    • 雑誌名

      IEEE Sensors Letters

      巻: - 号: 9 ページ: 1-4

    • DOI

      10.1109/lsens.2023.3310358

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Radar-Based Respiratory Measurement of a Rhesus Monkey by Suppressing Nonperiodic Body Motion Components2023

    • 著者名/発表者名
      Sakamoto Takuya、Sanematsu Daisuke、Iwata Itsuki、Minami Toshiki、Myowa Masako
    • 雑誌名

      IEEE Sensors Letters

      巻: - 号: 10 ページ: 1-4

    • DOI

      10.1109/lsens.2023.3311672

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Noncontact Measurement of Heartbeat of Humans and Chimpanzees Using Millimeter-Wave Radar With Topology Method2023

    • 著者名/発表者名
      Iwata Itsuki、Sakamoto Takuya、Matsumoto Takuya、Hirata Satoshi
    • 雑誌名

      IEEE Sensors Letters

      巻: 7 号: 11 ページ: 1-4

    • DOI

      10.1109/lsens.2023.3322287

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] アレーレーダを用いた非接触血圧計測のためのデータ自動抽出法2024

    • 著者名/発表者名
      田中佑弥, 田中裕士, 阪本卓也
    • 学会等名
      電子情報通信学会 エレクトロニクスシミュレーション研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ミリ波レーダによる体方位推定手法の精度可視化に向けた検討2024

    • 著者名/発表者名
      田中裕士, 孫 文旭, 阪本卓也
    • 学会等名
      電子情報通信学会 エレクトロニクスシミュレーション研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] レーダで計測された呼吸成分の定常性を用いた車内の人体検出2024

    • 著者名/発表者名
      林 拓人,波戸宏樹,岩田慈樹,田中裕士,阪本卓也,石河伸一,桑山一郎,宮脇大輔,山岸 傑
    • 学会等名
      電子情報通信学会 総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] レーダによる非接触心拍計測におけるトポロジー法パラメータ自動最適化2024

    • 著者名/発表者名
      鷲見公崇,田中裕士,阪本卓也
    • 学会等名
      電子情報通信学会 総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 心拍成分を用いた複数アレーレーダ統合のための検出目標の対応付け手法2024

    • 著者名/発表者名
      大島夕侑,田中裕士,阪本卓也
    • 学会等名
      電子情報通信学会 総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ミリ波レーダを用いた生体信号計測による母子間の相互作用に関する一検討2024

    • 著者名/発表者名
      小林悠人,大島夕侑,王 天一,田中裕士,ディアスロハス フランソアーズ,田中友香理,明和政子,阪本卓也
    • 学会等名
      電子情報通信学会 総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 生体信号の相関を用いたレーダによる人数推定および反射波対応付け2024

    • 著者名/発表者名
      長田尚真,田中裕士,阪本卓也
    • 学会等名
      電子情報通信学会 総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 近距離の有限長目標に対する合成開口レーダイメージングにおける積分区間に関する一検討2024

    • 著者名/発表者名
      加藤雅也,田中裕士,阪本卓也
    • 学会等名
      電子情報通信学会 総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Radar-Based Noncontact Sensing of Vital Signs of Humans and Animals2024

    • 著者名/発表者名
      Takuya Sakamoto
    • 学会等名
      International Symposia on Creation of Advanced Photonic and Electronic Devices 2024 and Advanced Quantum Technology for Future 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Wireless human sensing technology for smart healthcare2023

    • 著者名/発表者名
      Takuya Sakamoto
    • 学会等名
      The 2023 Asian Workshop on Antennas and Propagation
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Blind signal separation using mathematical model for radar-based measurement of pulse wave propagation2023

    • 著者名/発表者名
      Takuya Sakamoto
    • 学会等名
      2023 International Conference on Emerging Technologies for Communications
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ミリ波バイタルセンシングの基礎とヘルスケア応用2023

    • 著者名/発表者名
      阪本卓也
    • 学会等名
      IEEE MTT-S Kansai Chapter ワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ワイヤレス生体センシングの基礎と応用2023

    • 著者名/発表者名
      阪本卓也
    • 学会等名
      日本毒性学会 学術年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 円弧走査アンテナに対応する境界散乱変換を用いた高精度ミリ波イメージング2023

    • 著者名/発表者名
      加藤雅也, 田中裕士, 阪本卓也
    • 学会等名
      電子情報通信学会 エレクトロニクスシミュレーション研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ミリ波レーダによる生体信号計測可能距離についての検討2023

    • 著者名/発表者名
      岩田慈樹, 田中裕士, 阪本卓也
    • 学会等名
      電子情報通信学会 エレクトロニクスシミュレーション研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ミリ波レーダを用いた複数歩行者追跡における対象者数の自動推定法2023

    • 著者名/発表者名
      小林悠人, 大島夕侑, 岩田慈樹, 加藤雅也, 田中裕士, 阪本卓也
    • 学会等名
      電子情報通信学会 エレクトロニクスシミュレーション研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] トポロジー法によるレーダ心拍計測の精度と時間被覆率の関係2023

    • 著者名/発表者名
      鷲見公崇, 岩田慈樹, 田中裕士, 阪本卓也
    • 学会等名
      電子情報通信学会 ソサイエティ大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] トポロジー法によるミリ波レーダを用いた心拍間隔推定時の複素数割り当てに関する一検討2023

    • 著者名/発表者名
      田中裕士,鷲見公崇,岩田慈樹,阪本卓也
    • 学会等名
      電子情報通信学会 エレクトロニクスシミュレーション研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2023-04-18   更新日: 2024-12-25  

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