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2019 年度 実績報告書

シート型脈波センサシステムの研究開発と血流ネットワークの可視化

研究課題

研究課題/領域番号 19H01174
研究機関大阪大学

研究代表者

関谷 毅  大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (80372407)

研究分担者 荒木 徹平  大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (10749518)
植村 隆文  大阪大学, 産業科学研究所, 特任准教授(常勤) (30448097)
野田 祐樹  大阪大学, 産業科学研究所, 特任助教(常勤) (30784748)
和泉 慎太郎  神戸大学, システム情報学研究科, 准教授 (60621646)
吉本 秀輔  大阪大学, 産業科学研究所, 招へい教員 (80755463)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワードフレキシブルエレクトロニクス / 機械学習 / 生体信号アルゴリズム
研究実績の概要

本研究では、関谷らの研究グループが世界に先駆けて開発した【フレキシブル生体信号計測シート】を用いて、ヒトの「血流ネットワーク」、「血管硬度」を定量的にワイヤレス計測できる“パッチ式血流センサシステム”を開発する取り組みである。具体的には、体に貼り付けるだけで、「多点の脈波」を同時計測し、脈波伝搬速度より、「血管硬度」、「血流ネットワーク」を計測できる“フレキシブル多点脈波センサシステムの開発”である。このシステムより得られる「血流ビッグデータ」の解析アルゴリズムを情報工学の観点から開発し、血流情報を“可視化、自動診断”する。

本研究開発は3年の計画で実現する予定であり、初年度は脈速度、血圧等、血管健康診断可能な脈波センサの基盤技術開発を目的として、以下の二つの研究開発項目に取り組んだ。
1.圧電脈波センサの構造最適化、2.信号処理回路開発とワイヤレス化
ヒトの脈波はおよそメートル毎秒の速度を持つとされることから、計測サンプリング周波数はkHzを必要とする。さらにヒトの表皮は柔らかく、複雑な形状であることから柔らかい共有誘電性ポリマーを振動から電気信号へ変換するセンサ部(トランスデューサ)として選定した。これを独自のナノ細線構造形成プロセスにより薄膜、柔軟、かつ高感度なトランスデューサに成型することに成功し、脈波に対応する的確な振動が得られることを確認した。さらに開発の重点を体動ノイズとの分離アルゴリズム開発とした。ここでは機械学習の手法を用いて、周波数領域の独立成分分析アルゴリズムを構築することで、脈波と体動ノイズや汗など電極ずれの影響を排除できることを突き止めた。通信においては既存のBLEを用いることで、所望の計測精度が得られることを確認した。初年度までに、装着感のない高感度な脈波計測を高い信号ノイズ比で実現できることを確認することができた。

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

本研究は3年間の取り組みである。初年度には従来の脈波センサと比べて信号品質(信号とノイズの比率)が高いトランスデューサの取り組みを行い、独自の材料とプロセス技術により目標とする数値を得ることができた。今後、信号処理アルゴリズムを構築する上で、ノイズ除去は極めて重要な取り組みであるが、初年度の高品質トランスデューサの成果により、ノイズは想定以上に小さくすることができる感触を得ることができた。ワイヤレス通信後においても、その品質は十分に保たれていることに加えて、実際に、一般的な独立成分分析のアルゴリズムによりきれいな脈波を体動ノイズから取りだすことができた。初年度においては、当初の目的通りの成果を得ることができたので、次年度以降の取り組みを予定通り進めていくことができる。

今後の研究の推進方策

本研究では、3年計画により研究開発を進め、「センサネットワークを活用した血管関連疾患の兆候診断システム」を実現する予定である。単なるデバイスの開発、材料の開発ではなく、システム構築・情報可視化アルゴリズムの開発を経て、医師に意見をいただけるレベルにまでシステムをくみ上げる。初年度までに、予定通りのトランスデューサ、信号処理技術、ワイヤレス通信の要素開発を終えることができたので、2年間においても当初予定通りの取り組みを行う。

具体的には、2年目に、脈波データ解析技術の開発とノイズキャンセリングアルゴリズムの開発を目指す。体動ノイズと脈波信号の分離においては、従来の独立成分分析が有効であることを見出している。その一方で、汗など皮膚表面が濡れた際に起こる振動変化やトランスデューサの位置ずれにおいて脆弱であることが分かった。2年目はこの対応策を電極材料の選定や加工、そして信号解析手法のアプローチから検討する。

この取り組みにより、装着感なく違和感なく日常的な脈波ログを取得可能な基盤を構築する。3年目には、“脳波と脈波の相関性を詳細に評価”できるレベルにまでシステムを最適化する。その相関を基に家庭での、簡単な脈波センサチェックで循環器系や脳の病理兆候まで知らせてくれる“ご家庭内脳ヘルスケアシステムを提供する基盤技術”を構築する。

  • 研究成果

    (34件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (13件) (うち国際共著 5件、 査読あり 13件、 オープンアクセス 13件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 18件、 招待講演 11件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Imperceptible magnetic sensor matrix system integrated with organic driver and amplifier circuits2020

    • 著者名/発表者名
      Kondo M.、Melzer M.、Karnaushenko D.、Uemura T.、Yoshimoto S.、Akiyama M.、Noda Y.、Araki T.、Schmidt O. G.、Sekitani T.
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 6 ページ: 6094~6094

    • DOI

      10.1126/sciadv.aay6094

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Probing inter-molecular interactions of dinaphthothienothiophene (DNTT) molecules in a transistor device using low-frequency Raman spectroscopy2020

    • 著者名/発表者名
      Bhardwaj Bishwajeet Singh、Sam Rhea Thankam、Umakoshi Takayuki、Namba Naoko、Uemura Takafumi、Sekitani Tsuyoshi、Verma Prabhat
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 13 ページ: 022010~022010

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ab6e0d

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Wireless Monitoring Using a Stretchable and Transparent Sensor Sheet Containing Metal Nanowires2020

    • 著者名/発表者名
      Araki Teppei、Uemura Takafumi、Yoshimoto Shusuke、Takemoto Ashuya、Noda Yuki、Izumi Shintaro、Sekitani Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: 32 ページ: 1902684

    • DOI

      10.1002/adma.201902684

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Flexible CoFeB/MgO-based magnetic tunnel junctions annealed at high temperature (?350?°C)2019

    • 著者名/発表者名
      Ota S.、Ando A.、Sekitani T.、Koyama T.、Chiba D.
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 115 ページ: 202401~202401

    • DOI

      10.1063/1.5128952

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Orientation analysis of pentacene molecules in organic field-effect transistor devices using polarization-dependent Raman spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      Bhardwaj Bishwajeet Singh、Sugiyama Takeshi、Namba Naoko、Umakoshi Takayuki、Uemura Takafumi、Sekitani Tsuyoshi、Verma Prabhat
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 9 ページ: 15149

    • DOI

      10.1038/s41598-019-51647-2

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Ultralow-Noise Organic Transistors Based on Polymeric Gate Dielectrics with Self-Assembled Modifiers2019

    • 著者名/発表者名
      Kondo Masaya、Uemura Takafumi、Ishiwari Fumitaka、Kajitani Takashi、Shoji Yoshiaki、Morita Masato、Namba Naoko、Inoue Yumi、Noda Yuki、Araki Teppei、Fukushima Takanori、Sekitani Tsuyoshi
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 11 ページ: 41561~41569

    • DOI

      10.1021/acsami.9b13056

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] An ultraflexible organic differential amplifier for recording electrocardiograms2019

    • 著者名/発表者名
      Sugiyama Masahiro、Uemura Takafumi、Kondo Masaya、Akiyama Mihoko、Namba Naoko、Yoshimoto Shusuke、Noda Yuki、Araki Teppei、Sekitani Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Nature Electronics

      巻: 2 ページ: 351~360

    • DOI

      10.1038/s41928-019-0283-5

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Fine printing method of silver nanowire electrodes with alignment and accumulation2019

    • 著者名/発表者名
      Takemoto Ashuya、Araki Teppei、Noda Yuki、Uemura Takafumi、Yoshimoto Shusuke、Abbel Robert、Rentrop Corne、van den Brand Jeroen、Sekitani Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Nanotechnology

      巻: 30 ページ: 37LT03~37LT03

    • DOI

      10.1088/1361-6528/ab2aad

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Non-contact Laser Printing of Ag Nanowire-based Electrode with Photodegradable Polymers2019

    • 著者名/発表者名
      Araki Teppei、den Toonder Jaap M J、Suganuma Katsuaki、Uemura Takafumi、Noda Yuki、Yoshimoto Shusuke、Izumi Shintaro、Sekitani Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Journal of Photopolymer Science and Technology

      巻: 32 ページ: 429~434

    • DOI

      10.2494/photopolymer.32.429

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Highly-ordered Triptycene Modifier Layer Based on Blade Coating for Ultraflexible Organic Transistors2019

    • 著者名/発表者名
      Kondo Masaya、Kajitani Takashi、Uemura Takafumi、Noda Yuki、Ishiwari Fumitaka、Shoji Yoshiaki、Araki Teppei、Yoshimoto Shusuke、Fukushima Takanori、Sekitani Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 9 ページ: 9200

    • DOI

      10.1038/s41598-019-45559-4

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] CoFeB/MgO-based magnetic tunnel junction directly formed on a flexible substrate2019

    • 著者名/発表者名
      Ota Shinya、Ono Masaki、Matsumoto Hiroki、Ando Akira、Sekitani Tsuyoshi、Kohno Ryuhei、Iguchi Shogo、Koyama Tomohiro、Chiba Daichi
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 12 ページ: 053001~053001

    • DOI

      10.7567/1882-0786/ab0dca

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Noise Evaluation System for Biosignal Sensors Using Pseudo-Skin and Helmholtz Coil2019

    • 著者名/発表者名
      Inaoka Misaki、Izumi Shintaro、Yoshimoto Shusuke、Nezu Toshikazu、Noda Yuki、Araki Teppei、Uemura Takafumi、Sekitani Tsuyoshi
    • 雑誌名

      ISMICT 2019

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1109/ISMICT.2019.8743712

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Long‐Term Implantable, Flexible, and Transparent Neural Interface Based on Ag/Au Core?Shell Nanowires2019

    • 著者名/発表者名
      Araki Teppei、Yoshida Fumiaki、Uemura Takafumi、Noda Yuki、Yoshimoto Shusuke、Kaiju Taro、Suzuki Takafumi、Hamanaka Hiroki、Baba Kousuke、Hayakawa Hideki、Yabumoto Taiki、Mochizuki Hideki、Kobayashi Shingo、Tanaka Masaru、Hirata Masayuki、Sekitani Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Advanced Healthcare Materials

      巻: 8 ページ: 1900130~1900130

    • DOI

      10.1002/adhm.201900130

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 反転オフセット印刷電極を用いた低ノイズ有機生体信号アンプ2020

    • 著者名/発表者名
      木村 知玄、植村 隆文、芝藤 弥生、陶山 武史、上野 博之、関谷 毅
    • 学会等名
      第67回 応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Stretchable and Transparent EEG Sensor Based on Metal Nanowire and Dry Bioelectrode2019

    • 著者名/発表者名
      Teppei Araki, Takafumi Uemura, Shusuke Yoshimoto, Yuki Noda, Shintaro Izumi, and Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      2019 Material Research Society (MRS) Fall meeting & exhibit, Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Printed, Ultrathin and Transparent Organic Electrochemical Transistors Via Selective Wetting and Thermal Lamination for Soft Bioelectrical Interfaces2019

    • 著者名/発表者名
      Ashuya Takemoto, Teppei Araki, Yuki Noda, Takafumi Uemura, and Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      2019 Material Research Society (MRS) Fall meeting & exhibit, Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Sheet-Type Instrumentation Amplifier Integrated with Bio-Conformable Organic Cmos Circuit and Thin-Film Resistors2019

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Sugiyama, Takafumi Uemura, Masaya Kondo, Mihoko Akiyama, Naoko Namba, Yumi Inoue, Shusuke Yoshimoto, Teppei Araki, Yuki Noda, and Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      2019 Material Research Society (MRS) Fall meeting & exhibit, Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Biocompatible Gel for EEG Measurement with High S/N Ratio2019

    • 著者名/発表者名
      Yuki NODA, Hirokazu IIDA, Toshikazu NEZU, Teppei ARAKI, Shunsuke YOSHIMOTO, and Tsuyoshi SEKITANI
    • 学会等名
      MRM2019 G-1 Symposium: In-field Molecules for Next-generations Flexible Electronics
    • 国際学会
  • [学会発表] Biosignal Monitoring Systems with Bio-Conformable Organic Amplifier2019

    • 著者名/発表者名
      Takafumi UEMURA, Naoko NAMBA, Masaya KONDO, Masahiro SUGIYAMA, Mihoko AKIYAMA, Shusuke YOSHIMOTO, Yuki NODA, Teppei ARAKI, and Tsuyoshi SEKITANI
    • 学会等名
      MRM2019 G-1 Symposium: In-field Molecules for Next-generations Flexible Electronics
    • 国際学会
  • [学会発表] Flexible and Transparent Electrodes Toward Implantable Electronics2019

    • 著者名/発表者名
      Teppei ARAKI, Yuki NODA, Takafumi UEMURA, Shusuke YOSHIMOTO, Shintaro IZUMI, and Tsuyoshi SEKITANI
    • 学会等名
      MRM2019 G-1 Symposium: In-field Molecules for Next-generations Flexible Electronics
    • 国際学会
  • [学会発表] Low Noise Biomonitoring with Ultra Flexible Organic Differential Amplifier2019

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Uemura, Masahiro Sugiyama, Masaya Kondo, Mihoko Akiyama, Naoko Namba, Shusuke Yoshimoto, Yuki Noda, Teppei Araki, and Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      8th imec Handai International Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Flexible Sensors for Long-Term Monitoring on Brain Activities2019

    • 著者名/発表者名
      Teppei Araki, Takafumi Uemura, and Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      8th imec Handai International Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Patch-Type Biosignal Monitoring System Based on Flexible Electronics2019

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Uemura, and Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      The Society for biotechnology, International symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultraflexible Biosignal Monitoring System Based on Organic Thin-Film Transistors2019

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Uemura, and Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      SPIE Organic Photonics + Electronics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Low-noise electrocardiogram recording with flexible organic differential amplifier2019

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Sugiyama, Takafumi Uemura, Masaya Kondo, Mihoko Akiyama, Naoko Namba, and Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      10th International Conference on Molecular Electronics & BioElectronics (M&BE10)
    • 国際学会
  • [学会発表] Ag-Nanowire-Based Stretchable Electrodes Improved in Migration Durability for Long Therapeutic Bio-Applications2019

    • 著者名/発表者名
      Teppei Araki and Takafumi Uemura and Shusuke Yoshimoto and Yuki Noda and Shintaro Izumi, and Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT 2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Transparent and Stretchable Electrodes for Long Therapeutic Bio-Applications2019

    • 著者名/発表者名
      Teppei Araki and Takafumi Uemura and Shusuke Yoshimoto and Yuki Noda and Shintaro Izumi, and Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      The 36th International Conference of Photopolymer Science and Technology (ICPST 2019), Flexible Packaging
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultraflexible Biosignal Amplifier Based on Organic Thin-Film Transistors2019

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Uemura, and Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      Compound Semiconductor Week 2019 (CSW2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultraflexible Amplification Circuits for Imperceptible Brain Monitoring System2019

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Uemura, and Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      2019 International Symposium on VLSI, Design, Automation and Test
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Brain-implanted flexible and stretchable integrated circuit system for comprehensively monitoring brain activities from cerebral cortex to deep brain regions2019

    • 著者名/発表者名
      Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      2019 MRS Spring Meeting EP04: Soft and Stretchable Electronics -From Fundamentals to Applications-
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultraflexible Organic Differential Amplifier for Low-Noise Biosignal Monitoring2019

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Uemura, and Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      International Conference on Electronics Packaging (ICEP2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Application of Flexible Devices for Monitoring Cranial Nerve Activities2019

    • 著者名/発表者名
      Tsuyoshi Sekitani
    • 学会等名
      SPIE Defense + Commercial Sensing, Advanced Environmental, Chemical, and Biological Sensing Technologies XV
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 大阪大学産業科学研究所 先進電子デバイス研究分野 関谷研究室ホームページ

    • URL

      https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/aed/

  • [備考] 大阪大学 関谷毅ホームページ

    • URL

      https://www.sekitani-lab.com/

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公開日: 2021-01-27  

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