マイクロ波生体検知システムの信頼度向上と運転者状態測定への展開

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K01310
• 研究機関: 福岡工業大学
• 研究代表者: 間瀬 淳 福岡工業大学, 付置研究所, 研究員 (00023325)
• 研究分担者: 近木 祐一郎 福岡工業大学, 工学部, 教授 (10398109) ; 伊藤 直樹 (伊藤直樹) 宇部工業高等専門学校, 制御情報工学科, 准教授 (50604849)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: マイクロ波 / 反射計 / 運転者診断 / 事故防止 / 自動運転支援

研究実績の概要

１．マイクロ波反射計を用いた心拍・呼吸測定の信頼度向上と心拍変動指標の実時間評価：心拍のピーク間隔（RR間隔）評価が可能なアルゴリズムである、ⅰ）テンプレート導出＋相互相関法、ⅱ）最大エントロピー法を適用した試験を、主としてデスクワーク中の様々な状態の被験者を対象として実施し、同時測定による心電計で得られた心拍変動指標と良く一致する結果が得られた。特に、前者のアルゴリズムに対し、心拍変動指標の連続かつ実時間評価が可能なプログラムを作成した。これにより、日常生活における24時間連続評価および運転中の評価も可能になった。
２．マイクロ波システムのアンテナおよび基板回路製作：周波数 24GHz において反射波レベルの安定化制御が可能な反射計システム（ホモダイン方式/ヘテロダイン方式）および基板アンテナを設計製作し、測定試験に適用した。反射波信号に低雑音マイクロ波アンプを付加することにより、送信電力 -40dBm（100nW）以下においても、心拍変動指標の解析に十分な信号対雑音比（SNR）が得られることを検証した。
３．運転者状態測定への適用：種々の運転状況下（アイドリング停止中、高速走行、郊外走行、市街地走行等）における心拍および心拍変動指標の評価を実現するため、ドライビングシミュレータを利用した試験を実施した。高速走行、郊外走行に対して測定成功率の当初目標（80%以上）を達成した。今後の課題として、成功率の高くなかった市街地走行における交差点付近での評価を挙げることができる。
４．関連成果について、国際的に評価が高い国際会議（IEEE MTT-S International Microwave Symposium)において発表することができた。また、これまでの成果をまとめた論文を著名雑誌（Advances in Physics）に公表し、評価を得た。

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

１．マイクロ波反射計システムの信頼度向上と心拍変動指標導出の研究に関しては、連続かつ実時間評価が可能なアルゴリズム（プログラム）を作成し、日常生活における24時間連続測定および運転中の評価を可能にした。
２．マイクロ波システムのアンテナおよび基板回路製作に関しては、周波数 24 GHz において反射波レベルの安定化が可能なマイクロ波回路（ホモダイン方式およびヘテロダイン方式）および基板アンテナを製作し、屋外使用に対し、電波防護指針での微小電力条件を満足するシステムを実現することができた。
３．運転者状態測定への適用については、ドライビングシミュレータを利用した試験を実施し、現時点での達成状況の確認および今後の課題を明らかにした。
４．国際会議および国内会議で講演発表を行うことができた。

今後の研究の推進方策

１．マイクロ波心拍・呼吸測定の信頼度向上と心拍変動指標の実時間評価：平成30年度実現した、24 GHz 反射計ハードウェアの改良に加え、心拍変動指標導出アルゴリズムのさらなる改善を進めていく。
２．マイクロ波システムおよびアンテナの基板設計：平成30年度製作したシステムの測定試験を進めつつ、改良点を洗い出し、最適化設計・製作を実現する。
３．運転者状態評価を目的とした測定として、ⅰ）ドライビングシミュレータを用いた試験、ⅱ）実車を用いた試験の継続を進め、特に市街地走行に伴う運転中ハンドル操作に起因する体動成分の除去のための最適化フィルタ、雑音スペクトル除去のためのアルゴリズムの開発を進めていく。

次年度使用額が生じた理由

該当予算は、主として研究分担者の成果発表のための旅費に対応する。平成30年度に成果発表を予定していたが、学内行事の関係で出張不可となったため、得られた成果発表を2019年度に繰り越した。、

研究成果

• [国際共同研究] カリフォルニア大学デービス校(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: カリフォルニア大学デービス校
• [国際共同研究] 吉林大学/南京林業大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 吉林大学/南京林業大学
• [雑誌論文] Development and application of radar reflectometer using micro to infrared waves (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Mase, Y. Kogi, D. Kuwahara, Y. Nagayama, N. Ito, T. Maruyama, H. Ikezi, X. Wang, M. Inutake, T. Tokuzawa, J. Kohagura, M. Yoshikawa, S. Shinohara, A. Suzuki, F. Sakai, M. Yamashika, B. J. Tobias, C. Muscatello, X. Ren, M. Chen, C. W. Domier, N. C. Luhmann, Jr.
  • 雑誌名: Advances in Physics: X 巻: 3 ページ: 633, 675
  • DOI: 10.1080/23746149.2018.1472529
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Real-Time Evaluation of Heart Rate and Heart Rate Variability Using Microwave Reflectometry (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Mase, Yuichiro Kogi, Toru Maruyama
  • 雑誌名: Proc. IEEE MTT-S International Microwave Biomedical Conference 巻: 978-1 ページ: 160, 162
  • DOI: 978-1-5386-5928-2/18
  • 査読あり
• [学会発表] マイクロ波反射計による運転者の心拍および心拍変動率測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 間瀨 淳, 近木祐一郎, 丸山 徹
  • 学会等名: 2019年電子情報通信学会総合大会
• [学会発表] Real-Time Evaluation of Heart Rate and Heart Rate Variability Using Microwave Reflectometry (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Mase, Yuichiro Kogi, Toru Maruyama
  • 学会等名: IEEE MTT-S International Microwave Biomedical Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Heart beat variability estimated by microwave reflectometry in noncontact clothing condition (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Maruyama, Shioto Yasuda, Atsushi Mase
  • 学会等名: The 2018 International Congress on Electrocardiology
  • 国際学会
• [学会発表] Development and calibration of prototype radar for sea tide level measurement (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryota Nakazono, Yuichiro Kogi, Ryusei Noda, Daisuke Kaneko, Yasuhiro Takeuchi, Atsushi Mase, Hiroyuki Ikezi, Masaaki Inutake
  • 学会等名: The 4th International Conference on Engineering Science and Technology
  • 国際学会
• [学会発表] プラズマのマイクロ波イメージングの現状 (2018)
  • 著者名/発表者名: 間瀬 淳, 近木祐一郎, 桑原大介, 長山好夫, 土屋隼人, 徳沢季彦, 小波蔵純子, 吉川正志, 伊藤直樹, 王 小龍, J-H. Yu, Y-T. Chang, Y. Yu, Y. Zhu, K-Y. Lin, C. Chang, S. Chang, B. J. Tobias, C. Muscatello, C. W. Domier, N. C. Luhmann, Jr.
  • 学会等名: 第35回プラズマ・核融合学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 広周波数帯域に対応したマイクロ波イメージング用ローカル内蔵型アンテナアレイの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 桑原大介, 伊藤直樹, 土屋隼人, 徳澤季彦, 吉永智一, 長山好夫, 山口聡一朗, 近木祐一郎. 間瀨 淳, 小波蔵純子, 吉川正志, 大島慎介, 長崎百伸
  • 学会等名: 第35回プラズマ・核融合学会年会
• [備考] MASE LABORATORY
  • URL: http://www.gic.kyushu-u.ac.jp/mase/mase_lab.html