マイクロ波レーダーを用いた就寝中高齢者向け呼吸心拍計測の精度向上—動的ドップラーチャネル選択機能による体位変化への対応
2台の24 GHzマイクロ波レーダーを寝具用マットレスの下部に設置し，就寝中高齢者の呼吸・心拍を非接触に計測するシステムにおいて，被験者体位が絶えず変化する環境下で定常的に精度高く計測することを目的とする．レーダー計測における3つの課題，すなわちNull detection point問題，高調波・相互変調波による干渉，そして脈波振動面とアンテナの対向性問題に対処するため，2台のレーダー装置のそれぞれが有する直交I/Qチャネルにより構成される合計4チャネル出力から，ターゲット信号を最も的確に捕らえているチャネルを動的に選択する新方式を提案する．この際，チャネル選択の指標には各出力のFFTスペク...
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| Published in | Japan Journal of Medical Informatics Vol. 31; no. 1; pp. 25 - 36 |
|---|---|
| Main Authors | , , , , |
| Format | Journal Article |
| Language | Japanese |
| Published |
一般社団法人 日本医療情報学会
2011
Japan Association for Medical Informatics |
| Subjects | |
| Online Access | Get full text |
| ISSN | 0289-8055 2188-8469 |
| DOI | 10.14948/jami.31.25 |
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| Abstract | 2台の24 GHzマイクロ波レーダーを寝具用マットレスの下部に設置し，就寝中高齢者の呼吸・心拍を非接触に計測するシステムにおいて，被験者体位が絶えず変化する環境下で定常的に精度高く計測することを目的とする．レーダー計測における3つの課題，すなわちNull detection point問題，高調波・相互変調波による干渉，そして脈波振動面とアンテナの対向性問題に対処するため，2台のレーダー装置のそれぞれが有する直交I/Qチャネルにより構成される合計4チャネル出力から，ターゲット信号を最も的確に捕らえているチャネルを動的に選択する新方式を提案する．この際，チャネル選択の指標には各出力のFFTスペクトル形状，すなわち突出ピーク数とピーク値間比率との組み合わせからなるSpectrum Shape Analysis（SSA）の考えを導入した．試作システムを特別養護老人ホームにおいて高齢者を対象に評価し，頻繁な体位変更にも係わらず，就寝中8時間のホルター心電図との比較で高い相関係数（r=0.61～0.73）を確認した．また，従来方式と比較して有意な改善効果が認められた．本システムは，介護要員の需給ギャップが今後ますます大きくなる高齢社会において就寝中高齢者に負荷の少ない新しい呼吸心拍計測システムとして期待される． |
|---|---|
| AbstractList | This research aims to maintain accurate determination of heart and respiratory rates despite a subject's change of position and sleeping posture in bed, in a non-contact vital signs monitoring system for elderly people using two microwave radars that are placed beneath the mattress of a bed. To challenge the three problems in the Doppler radar based measurement, that is, Null detection point problems, harmonics and intermodulation interference and the limitation in the coverage area of radars, we propose a new real time selection method to choose the best radar-output channel out of four signals (I and Q cannels of each radar). Based on a spectrum shape analysis (SSA), we select the most appropriate channel with the least number of large peaks and with the largest peak-to-peak ratio in the FFT spectrum. A prototype of the system was set up at a nursing home and field tests were carried out with elderly subjects. The result of eight hours clinical test showed high correlation coefficients (r=0.61∼0.73) between heart rate determined by the proposed system and that derived from Holter ECG in spite of the frequent positional change in bed. This method achieved higher accuracy of heart rate detection than that of conventional methods. This system without any psychological and physical burden on elderly people is ideal as a new monitoring system in this time of limited resources in healthcare.
2台の24 GHzマイクロ波レーダーを寝具用マットレスの下部に設置し，就寝中高齢者の呼吸・心拍を非接触に計測するシステムにおいて，被験者体位が絶えず変化する環境下で定常的に精度高く計測することを目的とする．レーダー計測における3つの課題，すなわちNull detection point問題，高調波・相互変調波による干渉，そして脈波振動面とアンテナの対向性問題に対処するため，2台のレーダー装置のそれぞれが有する直交I/Qチャネルにより構成される合計4チャネル出力から，ターゲット信号を最も的確に捕らえているチャネルを動的に選択する新方式を提案する．この際，チャネル選択の指標には各出力のFFTスペクトル形状，すなわち突出ピーク数とピーク値間比率との組み合わせからなるSpectrum Shape Analysis（SSA）の考えを導入した．試作システムを特別養護老人ホームにおいて高齢者を対象に評価し，頻繁な体位変更にも係わらず，就寝中8時間のホルター心電図との比較で高い相関係数（r=0.61～0.73）を確認した．また，従来方式と比較して有意な改善効果が認められた．本システムは，介護要員の需給ギャップが今後ますます大きくなる高齢社会において就寝中高齢者に負荷の少ない新しい呼吸心拍計測システムとして期待される． 2台の24 GHzマイクロ波レーダーを寝具用マットレスの下部に設置し，就寝中高齢者の呼吸・心拍を非接触に計測するシステムにおいて，被験者体位が絶えず変化する環境下で定常的に精度高く計測することを目的とする．レーダー計測における3つの課題，すなわちNull detection point問題，高調波・相互変調波による干渉，そして脈波振動面とアンテナの対向性問題に対処するため，2台のレーダー装置のそれぞれが有する直交I/Qチャネルにより構成される合計4チャネル出力から，ターゲット信号を最も的確に捕らえているチャネルを動的に選択する新方式を提案する．この際，チャネル選択の指標には各出力のFFTスペクトル形状，すなわち突出ピーク数とピーク値間比率との組み合わせからなるSpectrum Shape Analysis（SSA）の考えを導入した．試作システムを特別養護老人ホームにおいて高齢者を対象に評価し，頻繁な体位変更にも係わらず，就寝中8時間のホルター心電図との比較で高い相関係数（r=0.61～0.73）を確認した．また，従来方式と比較して有意な改善効果が認められた．本システムは，介護要員の需給ギャップが今後ますます大きくなる高齢社会において就寝中高齢者に負荷の少ない新しい呼吸心拍計測システムとして期待される． |
| Author | 吉田, 悠鳥 松井, 岳巳 久保田, 将之 栗田, 明 香川, 正幸 |
| Author_FL | Kurita A Kagawa M Yoshida Y Kubota M Matsui T |
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| Author_xml | – sequence: 1 fullname: 久保田, 将之 organization: 首都大学東京大学院 システムデザイン研究科 – sequence: 1 fullname: 栗田, 明 organization: 社会福祉法人福音会 – sequence: 1 fullname: 松井, 岳巳 organization: 首都大学東京大学院 システムデザイン研究科 – sequence: 1 fullname: 吉田, 悠鳥 organization: 首都大学東京大学院 システムデザイン研究科 – sequence: 1 fullname: 香川, 正幸 organization: 富士通株式会社 |
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| ContentType | Journal Article |
| Copyright | 2011 一般社団法人 日本医療情報学会 |
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| DBID | RYH |
| DOI | 10.14948/jami.31.25 |
| DatabaseName | CiNii Complete |
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| DocumentTitleAlternate | Accurate Detection of Heart and Respiratory Rates for Elderly People in Bed using Microwave Radars with the Method Involving Real-time Selection of the Best Doppler Radar Channel for Minimizing the Influence of Positional Change |
| DocumentTitle_FL | Accurate Detection of Heart and Respiratory Rates for Elderly People in Bed using Microwave Radars with the Method Involving Real-time Selection of the Best Doppler Radar Channel for Minimizing the Influence of Positional Change |
| EISSN | 2188-8469 |
| EndPage | 36 |
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| ISSN | 0289-8055 |
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| Issue | 1 |
| Language | Japanese |
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| PublicationCentury | 2000 |
| PublicationDate | 2011 |
| PublicationDateYYYYMMDD | 2011-01-01 |
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| PublicationDecade | 2010 |
| PublicationTitle | Japan Journal of Medical Informatics |
| PublicationTitleAlternate | 医療情報学 |
| PublicationTitle_FL | 医療情報学 Japan Journal of Medical Informatics |
| PublicationYear | 2011 |
| Publisher | 一般社団法人 日本医療情報学会 Japan Association for Medical Informatics |
| Publisher_xml | – name: 一般社団法人 日本医療情報学会 – name: Japan Association for Medical Informatics |
| References | 15) 若山真都，江崎裕志，荒井郁男，三輪空司．FM–CWレーダを用いた心拍の非接触計測（レーダとその応用及び一般）．電子情報通信学会技術研究報告．SANE．宇宙・航行エレクトロニクス 2005 ; 105, 35 : 13–16. 10) Chen KM, et al. An X–band microwave life detection system. IEEE Transactions of Biomedical Engineering 1986 ; 33 : 697–701. 18) 香川正幸，吉田悠鳥，鈴木 哲，松井岳巳，水野正明，吉田 純．高齢者見守り支援システムの開発，第29回医療情報学連合大会，地域医療・在宅支援セッション，2009 ; 2–E–4–4. 8) Lin JC. “Noninvasive Microwave Measurement of Respiration.” Proceedings of the IEEE, vol. 63, no. 10, p. 1530, Oct. 1975. 17) Matsui T, Suzuki S, et al. The development of a non–contact screening system for rapid medical inspection at a quarantine depot using a laser Doppler blood–flow meter, microwave radar, and infrared thermography. Journal of Medical Engineering & Technology 2009 ; 33, 6 : 481–487. 3) 中井宏章，渡辺 睦，三宅啓夫，高田敬輔，山下 馨，他．動画像処理による呼吸モニタリングシステム．電子情報通信学会論文誌D J83–D–(G0002)/1, 280–288, 2000. 16) Suzuki S, Matsui T, Imuta H, 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. 2007 ; 46, 7 : 709–714. 13) Li C, Lin J. Optimal carrier frequency of non–contact vital sign detection. Proc. IEEE Radio Wireless Symp., Long Beach, CA, Jan. 9–11, 2007, pp. 281–284. 12) Xiao Y, Li C, Lin J. A portable noncontact heartbeat and respiration monitoring system using 5–GHz radar. Sensors Journal, IEEE, Volume 7, Issue 7, July 2007, pp. 1042–1043. 6) 栗原陽介，渡辺嘉二郎，田中 博．無拘束生体計測による睡眠指標と睡眠段階の推定法．生体医工学 2007 ; 45, 3 : 216–224. 2) 西田佳史，武田正資，森 武俊，溝口 博，佐藤知正．圧力センサによる睡眠中の呼吸・体位の無侵襲・無拘束な計測．日本ロボット学会誌 1998 ; 16, 5 : 705–711. 4) 青木広宙，青木廣市，中島真人．“近赤外輝点マトリックス照影による非接触・無拘束就寝者呼吸監視システム”．電学論C 2004 ; 124, 6 : 1251–1258. 21) Park B, Boric-Lubecke O, Lubecke VM. “Arctangent demodulation with DC offset compensation in quadrature Doppler radar receiver systems,” IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 55, pp. 1073–1079, May 2007. 11) Droitcour AD, Boric-Lubecke O, Lubecke VM, Lin J, Kovac GTA. “Range correlation and I/Q performance benefits in single-chip silicon Doppler radars for noncontact cardiopulmonary monitoring,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 52, no. 3, pp. 838–848, March 2004. 20) Droitcour A. “Non-contact measurement of heart and respiration rates with a single–chip microwave Doppler radar,” Ph.D. Thesis, Stanford University, June 2006. 14) Uenoyama M, Matsui T, Suzuki S, et al. Non–contact respiratory monitoring system using a ceiling–attached microwave antenna. Medical and Biological Eng Comput 2006 ; 44, 9 : 835–840. 5) Wang F, Tanaka M, Chonan S. Development of a wearable mental stress evaluation system using PVDF film sensor. Journal of Advanced Science 2006 ; 18, 1&2 : 170–173. 7) 槇 弘倫，小川英邦，米沢良治，岩本純一，二宮石雄，佐田孝治．ウェアラブル生体情報記録システム．医療機器学 2010 ; 80, 4 : 281–289. 23) Chioukh L, Boutayeb H, Deslandes D, Ke Wu. “Multi-frequency radar systems for monitoring vital signs,” Asia Pacific Microwave Conference, pp. 1669–1672, Dec. 2010. 22) Li C, Lin J. “Complex Signal Demodulation and Random Body Movement Cancellation Techniques for Non-contact Vital Sign Detection,” IEEE MTT–S International Microwave Symposium Digest, pp. 567–570, June 2008. 9) Franks CI, Brown BH, Johnston DM. Contactless respiration monitoring of infants. Medical and Biological Engineering and Computing 1976 ; 14, 3 : 306–312. 1) Ishijima M, Togawa T. Observation of electrocardiograms through tap water. Clin Phys & Physiol Meas 1989 ; 10 : 171–175. 19) 香川正幸，吉田悠鳥，鈴木 哲，栗田 明，松井岳巳．2つのマイクロ波レーダーを用いた就寝時高齢者見守りシステム—呼吸・心拍の非接触計測における体動対策—．医療情報学 2010 ; 30, 2 : 85–94. |
| References_xml | – reference: 16) Suzuki S, Matsui T, Imuta H, 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. 2007 ; 46, 7 : 709–714. – reference: 19) 香川正幸，吉田悠鳥，鈴木 哲，栗田 明，松井岳巳．2つのマイクロ波レーダーを用いた就寝時高齢者見守りシステム—呼吸・心拍の非接触計測における体動対策—．医療情報学 2010 ; 30, 2 : 85–94. – reference: 1) Ishijima M, Togawa T. Observation of electrocardiograms through tap water. Clin Phys & Physiol Meas 1989 ; 10 : 171–175. – reference: 18) 香川正幸，吉田悠鳥，鈴木 哲，松井岳巳，水野正明，吉田 純．高齢者見守り支援システムの開発，第29回医療情報学連合大会，地域医療・在宅支援セッション，2009 ; 2–E–4–4. – reference: 23) Chioukh L, Boutayeb H, Deslandes D, Ke Wu. “Multi-frequency radar systems for monitoring vital signs,” Asia Pacific Microwave Conference, pp. 1669–1672, Dec. 2010. – reference: 5) Wang F, Tanaka M, Chonan S. Development of a wearable mental stress evaluation system using PVDF film sensor. Journal of Advanced Science 2006 ; 18, 1&2 : 170–173. – reference: 4) 青木広宙，青木廣市，中島真人．“近赤外輝点マトリックス照影による非接触・無拘束就寝者呼吸監視システム”．電学論C 2004 ; 124, 6 : 1251–1258. – reference: 15) 若山真都，江崎裕志，荒井郁男，三輪空司．FM–CWレーダを用いた心拍の非接触計測（レーダとその応用及び一般）．電子情報通信学会技術研究報告．SANE．宇宙・航行エレクトロニクス 2005 ; 105, 35 : 13–16. – reference: 20) Droitcour A. “Non-contact measurement of heart and respiration rates with a single–chip microwave Doppler radar,” Ph.D. Thesis, Stanford University, June 2006. – reference: 10) Chen KM, et al. An X–band microwave life detection system. IEEE Transactions of Biomedical Engineering 1986 ; 33 : 697–701. – reference: 12) Xiao Y, Li C, Lin J. A portable noncontact heartbeat and respiration monitoring system using 5–GHz radar. Sensors Journal, IEEE, Volume 7, Issue 7, July 2007, pp. 1042–1043. – reference: 2) 西田佳史，武田正資，森 武俊，溝口 博，佐藤知正．圧力センサによる睡眠中の呼吸・体位の無侵襲・無拘束な計測．日本ロボット学会誌 1998 ; 16, 5 : 705–711. – reference: 14) Uenoyama M, Matsui T, Suzuki S, et al. Non–contact respiratory monitoring system using a ceiling–attached microwave antenna. Medical and Biological Eng Comput 2006 ; 44, 9 : 835–840. – reference: 21) Park B, Boric-Lubecke O, Lubecke VM. “Arctangent demodulation with DC offset compensation in quadrature Doppler radar receiver systems,” IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 55, pp. 1073–1079, May 2007. – reference: 3) 中井宏章，渡辺 睦，三宅啓夫，高田敬輔，山下 馨，他．動画像処理による呼吸モニタリングシステム．電子情報通信学会論文誌D J83–D–(G0002)/1, 280–288, 2000. – reference: 9) Franks CI, Brown BH, Johnston DM. Contactless respiration monitoring of infants. Medical and Biological Engineering and Computing 1976 ; 14, 3 : 306–312. – reference: 17) Matsui T, Suzuki S, et al. The development of a non–contact screening system for rapid medical inspection at a quarantine depot using a laser Doppler blood–flow meter, microwave radar, and infrared thermography. Journal of Medical Engineering & Technology 2009 ; 33, 6 : 481–487. – reference: 22) Li C, Lin J. “Complex Signal Demodulation and Random Body Movement Cancellation Techniques for Non-contact Vital Sign Detection,” IEEE MTT–S International Microwave Symposium Digest, pp. 567–570, June 2008. – reference: 13) Li C, Lin J. Optimal carrier frequency of non–contact vital sign detection. Proc. IEEE Radio Wireless Symp., Long Beach, CA, Jan. 9–11, 2007, pp. 281–284. – reference: 7) 槇 弘倫，小川英邦，米沢良治，岩本純一，二宮石雄，佐田孝治．ウェアラブル生体情報記録システム．医療機器学 2010 ; 80, 4 : 281–289. – reference: 6) 栗原陽介，渡辺嘉二郎，田中 博．無拘束生体計測による睡眠指標と睡眠段階の推定法．生体医工学 2007 ; 45, 3 : 216–224. – reference: 8) Lin JC. “Noninvasive Microwave Measurement of Respiration.” Proceedings of the IEEE, vol. 63, no. 10, p. 1530, Oct. 1975. – reference: 11) Droitcour AD, Boric-Lubecke O, Lubecke VM, Lin J, Kovac GTA. “Range correlation and I/Q performance benefits in single-chip silicon Doppler radars for noncontact cardiopulmonary monitoring,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 52, no. 3, pp. 838–848, March 2004. |
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| Snippet | 2台の24 GHzマイクロ波レーダーを寝具用マットレスの下部に設置し，就寝中高齢者の呼吸・心拍を非接触に計測するシステムにおいて，被験者体位が絶えず変化する環境下で定常的に精度高く計測することを目的とする．レーダー計測における3つの課題，すなわちNull detection... This research aims to maintain accurate determination of heart and respiratory rates despite a subject's change of position and sleeping posture in bed, in a... |
| SourceID | nii jstage |
| SourceType | Publisher |
| StartPage | 25 |
| SubjectTerms | Aged care settings Doppler radar Harmonics and intermodulation I/Q channels I/Qチャネル Non-contact monitoring ドップラーレーダー 介護 非接触計測 高調波と相互変調波 |
| Title | マイクロ波レーダーを用いた就寝中高齢者向け呼吸心拍計測の精度向上—動的ドップラーチャネル選択機能による体位変化への対応 |
| URI | https://www.jstage.jst.go.jp/article/jami/31/1/31_25/_article/-char/ja https://cir.nii.ac.jp/crid/1390282680728065664 |
| Volume | 31 |
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| ispartofPNX | 医療情報学, 2011, Vol.31(1), pp.25-36 |
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