| 研究課題/領域番号 |
16K06385
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| 研究機関 | 山梨大学 |
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研究代表者 |
佐藤 隆英 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (10345390)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 生体信号増幅回路 / 心電信号 / 低消費電力 / 時分割共有 |
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| 研究実績の概要 |
平成３０年度は、心電信号測定ウェアラブルモニタの初段に用いる時分割型多入力生体信号増幅回路の試作を行った。試作は時分割多入力増幅回路２種について行い、「消費電力を最適設計」と「入力オフセット電圧低減機能」の効果が確認できる内容としている。
これらの設計内容は、国際会議および国内会議においてそれぞれ１件づつ発表している。
前年度までに心電信号測定ウェアラブルモニタにおいて初段に用いる生体信号増幅回路を複数の入力信号の増幅に共有することでシステムの小型化および省電力化が可能であることを示してきた。本年度は前年度に引き続き時分割型多入力生体信号増幅回路の設計を行った。まず前年度終了時に未解決であった課題の解決を行った。時分割型多入力生体信号増幅回路では、入力電圧に直流のオフセット電圧が重畳される場合、オフセット電圧を十分に低減することが出来ず増幅回路の出力が飽和する。これは、各入力信号に含まれる直流電圧が入力信号の切り替え周期の周期信号に変換されることに起因する。既存のオフセット電圧低減回路を時分割型の多入力回路においても適用可能とするため、新たな回路構成を提案した。各入力が有するオフセット電圧を集積回路内の容量に保存し、増幅回路に加えられる入力信号が切り替わる際に入力電圧に応じたオフセット電圧を帰還容量に復元することでオフセット電圧の除去性能の向上と動作速度の向上を実現している。
増幅回路としてチップ面積および電力効率に最も優れるインバータ型増幅回路を採用した場合の時分割多入力型増幅回路の低消費電力を最適化する設計手法も提案し、提案手法に基づいて設計した回路の試作を行った。
試作した回路は令和元年６月に完成予定であり、完成後は試作した増幅回路の性能を評価する予定である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
平成30年度の研究により、心電信号測定ウェアラブルモニタの初段に時分割型多入力生体信号増幅回路を用いる場合、当初計画策定時には認知されていない課題の解決が必要であることが明らかとなった。これまでに課題の原因の解明および解決方法の提示もなされており、これらは当初は予定を超える成果であるが、課題の解決のために当初計画には予定していない時間を要した。このため、研究の進捗状況に遅れが生じた。当研究課題では、回路の試作を東京大学大規模集積システム設計教育センター（VDEC）を通じて安価に実施することで、全研究期間を通じて複数回の実施を可能としている。反面、同機関を通じての設計機会は年４回に限られているため、上記のような理由で当初予定していたスケジュールで試作ができない場合、次回の設計機会は数か月後となる。このため、当初予定では当研究課題の最終年である平成30年度であったが、研究課題の期間延長の申請を行っている。平成30年度に行った試作回路は令和元年６月に納品予定である。試作回路の納品後は試作した回路の性能の評価を行い、研究課題の総括を行う予定である。
今回、新たに明らかとなった課題は、時分割型多入力生体信号増幅回路の入力電圧に直流のオフセット電圧が重畳される場合には、オフセット電圧は十分に低減されず増幅回路の出力が飽和する現象である。これは各入力信号に含まれる直流電圧が増幅回路の時分割共有により入力信号の切り替え周期の周期信号に変換されることに起因する。この課題を解決するため、既存のオフセット電圧低減回路にオフセット電圧保持用の容量と高速な充放電を可能とする電圧バッファを追加した新たな構成を提案している。平成30年度に行った試作ではこの提案構成の性能評価も目的としている。
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| 今後の研究の推進方策 |
前年度に試作した心電信号測定ウェアラブルモニタ用の増幅回路が6月に納品予定である。今後は納品された試作回路を用いて以下の評価を行う予定である。
まず、増幅回路を複数の入力で時分割共有した場合の増幅回路の特性評価を行う。生体信号程度の周波数（0.5～100Hz程度）の正弦波を入力した際の評価を行い、時分割で増幅回路を共有する構成の基本原理の有効性の確認を行う。続いて、生体信号測定時に電極と皮膚の間に生ずる静止電位を模擬した直流電圧を入力信号（正弦波）に重畳した場合についての評価を行う。前年度に提案したオフセット電圧を低減する回路構成の有効性を評価する。評価では、試作回路の後段にアナログ・ディジタルコンバータ（ADC）を接続し、アナログ・ディジタル変換したディジタル信号をパソコンに取り込んでパソコン上で行う。提案回路はオフセット電圧を有する増幅回路としてチョッパ型回路を採用しているが、チョッピング動作が出力電圧に与える影響や雑音特性についての評価も併せて行う。これらの評価を通じて、増幅回路の時分割共有による増幅回路の多入力化の性能と課題を明らかにする。
次に、生体信号を模擬した入力信号を波形生成器で生成し、心電信号測定ウェアラブルモニタとしての動作を確認する。研究の迅速な実行のため人体部分は生体を模擬した回路素子で実現し、取得を目的とする生体信号の他、混入が想定される様々な雑音を加えた際の性能評価を行う。アナログ・デジタル変換した信号は独立成分分析を行い、入力した信号と混入した雑音との分離性能の評価を行う。様々な信号による分離性能の評価を行うことで、心電信号測定ウェアラブルモニタとして用いた際の信号の選択方法についても考察を行う。
本研究課題を通じて得られた研究成果をまとめ国際会議および論文として発表する予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
平成30年度の研究により、心電信号測定ウェアラブルモニタの初段に時分割型多入力生体信号増幅回路を用いる場合、電極と生体間に生ずる直流電位を除去する装置が必要であることが明らかにした。この課題の原因の解明および解決方法の提示は当初は予定を超える成果であるが課題の解決のために当初計画には予定していない時間を要した。また、回路を安価に集積化できるタイミングは年度内に４回に限られることに加え、納期には半年を要するため試作回路の納品が令和元年度となったため事業期間の延長を申請した。
翌年度分として申請する助成金は、試作回路の測定および成果発表のために支出する予定である。具体的には、試作回路の測定に要する費用として測定用の基板の作成費用、電子部品の購入費用、測定用の実験補助の雇用を予定している。また、成果発表のための費用として、国際会議の参加費、渡航費用、論文掲載費を予定している。
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