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マイクロ波レーダーを用いた非接触生体信号計測技術

関西大学

システム理工学部機械工学科

准教授鈴木哲

JST新技術説明会

2011.11.22

はじめに

1. 研究概要

• 本研究グループが検討している課題

– 測定対象者に全く触れることなく，且つ衣類の上から心拍数・呼吸数の同定が可能か？

– どのような情報が取得できるのか？

1 JST新技術説明会

2011.11.22

測定対象

衣類等の

遮蔽物

一定距離

マイクロ波

レーダー

呼吸・心拍等

モニタリング&解析

システム

システム構成

心臓の鼓動に伴う体表面の微小な動きをマイクロ波で捉える

マイクロ波が衣類等を透過する

レーダーなので，一定距離離れても観察可能

マイクロ波レーダーを用いることにより可能

各種医療診断パラメータの情報取得が可能

• どのような分野に応用可能か？

2

医学分野

簡易医療診断

人間工学・労働衛生分野

作業中の生体信号モニタ

作業中のストレス推定

介護福祉分野

高齢者介護

動物の生体信号モニタ

はじめに

1. 研究概要


2011.11.22

• 人間工学・労働衛生分野を例に① – 過剰なフィジカル，メンタル・ワークロードに配慮し労働災害を防止

– 心拍変動指標（HRV）を利用した作業中のメンタルワークロードを検討する上で有効

– 現場への応用の課題

• 身体への電極の取り付けの煩雑さ

• 取り付け時の専門知識の必要性

→ 電極等機材の使い勝手の問題

• 電極及びリードの拘束

→ 作業遂行への障害

3

非接触・無拘束センシングによる

心拍変動指標の観察の必要性

はじめに

2. 研究背景


2011.11.22

• 人間工学・労働衛生分野を例に② – 新技術の特徴・従来技術との比較

• 接触・無拘束センシング

– エアマット

» 渡辺嘉二郎，渡辺春美，エアマットレス型無拘束生体計測の実用化研究，SICE，Vol.36，No.11，2000.

– 歪ゲージ

» 田中正吾，歪ゲージを用いた呼吸及び心拍の無拘束無侵襲自動計測，SICE，Vol.36，No.3，2000.

– 高分子圧電体(PVDF (Polyvinylidene Fluoride))

» F. Wang, M. Tanaka, S. Chonan, Development of a wearable mental stress evaluation system using PVDF film sensor, Journal of Advanced Science, 18(1&2), 170-173, 2006.

4

完全な非接触なセンシングによる

心拍変動指標の観察は可能か？

はじめに

2. 研究背景


2011.11.22

• システム開発①

– 本来は瓦礫下の生存者を探索する技術


2011.11.22

研究内容

3. 新技術の基となる研究成果・技術

一般的な生活において非接触による

生体の呼吸，心拍といったバイタルサインの

モニタリングに応用可能か？

生存者の腕の動きや

呼吸による活動を探索

5

• システム開発②

– 検討したシステムの概要

6

研究内容


PC

ピーク検出等

診断指標抽出等

センシングユニット

発振・受信器

アンテナアンプ A/Dコンバータ

フィルタ処理① 処理②


2011.11.22

心拍モニタ用マイクロ波レーダー周波数：24GHz

出力（平均）：約7mW

ゲイン：10dBi

サイズ：30×40×75mm

• システムの有効性の検証

① どのような機序か？

• 計測の機序について→センシング方法の検証

② どの程度正確か？

• 心電図とレーダーの比較→ における精度

• 応用例の紹介と今後の課題

① どのように使うのか？

• 解析方法の検討→ における利用例

• その他の応用例

② 実用化に向けたさらなる課題への対応

7

研究内容



2011.11.22

処理①

処理②



PC

A/D Converter

Output Signal

Comparison

Laser Sensor

Microwave

Doppler Radar

Antenna

White vinyl tape

(to guard the skin)

D=30mm

qd=40º 60mm

60mm

Electrodes

of ECG

Back

Front

Body

Left

shoulderblade Right

shoulderblade

研究内容


S.Suzuki, T. Matsui, et al., An approach to remote monitoring of heart rate variability (HRV) using microwave

radar during a calculation task, Journal of Physiological Anthropology (accepted). JST新技術説明会

2011.11.22

心拍に伴う体表面の微小な動きを実際に計測

マイクロ波による非接触心拍計測

比較



（A）

（B）

（C）

（D）

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 1 2 3 4 5time(sec)

pow

er(

V)

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5time(sec)

pow

er(

V)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 1 2 3 4 5time(sec)

pow

er(

V)

-1

-0.5

0

0.5

1

0 1 2 3 4 5time(sec)

pow

er(

V)

0.1mm

（A）

（B）

（C）

（D）

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 1 2 3 4 5time(sec)

pow

er(

V)

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5time(sec)

pow

er(

V)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 1 2 3 4 5time(sec)

pow

er(

V)

-1

-0.5

0

0.5

1

0 1 2 3 4 5time(sec)

pow

er(

V)

0.1mm

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Time Lag (sec)

Cro

ss c

orr

ela

tion

S1S2S3S4S5S6S7

心電図

体表面の

動きの実測

レーダー

研究内容


相互相関


2011.11.22

高い相関性を確認



Task

Performance

27+16

Controller

Bio. Amp.

Contact Monitoring System

(ECG)

Microwave Doppler

Radar Antenna

Electrode

Prototype Systemfor NoncontactCardiac Monitoring

PC

A/D Converter

R-R and Peak-to-Peak

Intervals

MEM

Subject

LFHF

LF/HF

Comparison1:

Heart Rate

Comparison2:

HRV

HRV

研究内容



2011.11.22


radar during a calculation task, Journal of Physiological Anthropology (accepted).

暗算タスク

・2つの2桁の暗算

・制限時間：2.5秒

非接触測定（マイクロ波レーダー）

接触測定（心電図）比較測定項目

安静閉眼暗算タスク

1 2 3 4 5 6 7 min

安静閉眼



0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Non-conta

ct: R

adar

Contact: ECG

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

r=0.959

R-R Interval (sec)

(Contact: ECG)

Pe

ak-t

o-P

eak In

terv

al (

se

c)

(No

nco

nta

ct: R

ad

ar)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2N

on-conta

ct: R

adar

Contact: ECG

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

r=0.955

R-R Interval (sec)

(Contact: ECG)

Pe

ak-t

o-P

eak In

terv

al (

se

c)

(No

nco

nta

ct: R

ad

ar)

安静時作業時

研究内容




2011.11.22

高い相関性を確認


① どのように使うか？

– 例1：心拍変動指標(Heart Rate Variability:HRV)

» 精神・物理的負荷により，心拍の変動が変化する

12

ストレスリラックス

揺らぎの低周波成分

（Low Frequency：LF）揺らぎの高周波成分

（High Frequency：HF）

交感神経系副交感神経系

活性化活性化

自律神経系

研究内容



2011.11.22

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 100 200 300 400 500

time(sec)

LF(m

s2)

ECG

Radar

0

500

1000

1500

2000

0 100 200 300 400 500time(sec)

HF(m

s2)

ECG

Radar

0

5

10

15

0 100 200 300 400 500

time(sec)

LF/H

F

ECG

Radar

研究内容




2011.11.22



– 例1：心拍変動指標(Heart Rate Variability:HRV)

LF HF

LF/HF 自律神経系変化を捉える事ができることを確認



– 例2：生体信号モニタリング

» 救急車内での生体信号モニタリング

» 高齢者介護用生体信号モニタリング

S. Suzuki, T. Matsui et. al., A non-contact vital sign monitoring system for ambulances using

dual-frequency microwave radars, Med Biol Eng Comp，47(1), 101-105, 2009.

研究内容



2011.11.22

Respiratory-monitoring antenna

(10-GHz microwave radar)

Cardiac-monitoring antenna

(24-GHz microwave radar)

Controller

Bio. Amp.

Contact vital sign

Monitoring system

Non-contact vital sign monitoring system

PC

A/D

Converter

Respiratory rate

Subject

Heart rate

15




研究内容


3

2

1

0

-1

-20 50 100 150 200

時間（秒）

呼吸振幅（V）

呼吸活動の非検出区間


2011.11.22

16

HDD2

PC

解析システム

HDD1

A/Dボード

マイクロ波レーダー

システムコントローラ

Backup

ネットワーク

ルータ

LANへ

呼吸信号

心拍信号

電源ボックス

アンテナ1：天井

アンテナ2：床下

端子台

S.Suzuki, T. Matsui, et al., Development of a Noncontact and Long-Term Respiration Monitoring

System Using Microwave Radar for Hibernating Black Bear. Zoo Biology, 28(3), 259–270, 2009.

研究内容



2011.11.22




» 動物の長期生体信号モニタリングシステム（動物園との共同研究）



1.5

1.7

1.9

2.1

2.3

2.5

0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:00

12:00

14:00

16:00

18:00

20:00

22:00

0:00

Time

Resp

irato

ry R

ate

(bp

m)

a) at 23:50 on December 3, 2006.

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60

Time (sec)

Am

plitude

(V

)

1 2 3 4 5 6 7 8

a) at 23:50 on December 3, 2006.

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60

Time (sec)

Am

plitude

(V

)

1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8

b) at 23:10 on February 8, 2007

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60

Time (sec)

Am

plitud

e (V

)

1 2 3

b) at 23:10 on February 8, 2007

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60

Time (sec)

Am

plitud

e (V

)

1 2 3

0

2

4

6

8

10

12

12/1 1/1 2/1 3/4 4/4

Date

Av

era

ge o

f re

spir

ato

ry r

ate

in a

day

(b

pm

)

12/13 Fasting period 3/17

Dropping start

12/18 3/17Hibernating period

0

2

4

6

8

10

12

12/1 1/1 2/1 3/4 4/4

Date

Av

era

ge o

f re

spir

ato

ry r

ate

in a

day

(b

pm

)

12/13 Fasting period 3/1712/13 Fasting period 3/17

Dropping startDropping start

12/18 3/17Hibernating period12/18 3/17Hibernating period

研究内容



2011.11.22

S.Suzuki, T. Matsui, et al., Development of a Noncontact and Long-Term Respiration Monitoring

System Using Microwave Radar for Hibernating Black Bear. Zoo Biology, 28(3), 259–270, 2009.

呼吸数減少の確認

日周リズム（概日性）の確認

研究内容



2011.11.22



– 体動などによるノイズ除去手法の確立

» 新たな心拍性信号の再構成方法を適用することにより精度の高い心拍信号の抽出が可能．

– 新たな診断パラメータの抽出

マイクロ波レーダーからの出力波形

新たな信号再構成手法適用後の波形

まとめ

4. まとめ

• システムの概要について

• 24GHzのマイクロ波を用いた生体信号検出システムを紹介

• システムの有効性の検証と応用例の紹介 ① どのような機序か？→計測機序の解説

• 体表面上の微小な振動を計測し比較した結果高い相関を確認．

② どの程度正確か？ →心電図とレーダーの比較

• 接触・非接触による心拍計測を比較し，その有効性を確認．

• システムの有効性の検証と応用例の紹介 ① どのように使うのか？→解析方法と応用例

• メンタルストレスや睡眠中の生体信号計測の例を紹介．


• 体動などによるノイズ除去手法の確立へ向けた取り組みを紹介．

• 新たな診断パラメータ抽出の紹介．


2011.11.22

• S.Suzuki, T. Matsui, et al., An approach to remote monitoring of heart rate variability

(HRV) using microwave radar during a calculation task, Journal of Physiological

Anthropology (accepted).

• S. Suzuki, T. Matsui et. al., A non-contact vital sign monitoring system for ambulances

using dual-frequency microwave radars, Med Biol Eng Comp，47(1), 101-105, 2009.

• S.Suzuki, T. Matsui, et al., Development of a Noncontact and Long-Term Respiration

Monitoring System Using Microwave Radar for Hibernating Black Bear. Zoo Biology,

28(3), 259–270, 2009.

• S. Suzuki, T. Matsui et. al., A novel autonomic activation measurement method for stress

monitoring: non-contact measurement of heart rate variability using a compact

microwave radar, Med Biol Eng Comp，46(7) 709-714, 2008.

20

まとめ

5. 主な参考文献リスト


2011.11.22

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関西大学社会連携部産学官連携センターＴＥＬ０６－６３６８－１２４５ＦＡＸ０６－６３６８－１２４７ e-mail [email protected]


2011.11.22

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