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発表資料 - cq-snet.com
“ウェラブル生体センサによる危機管理 ウェラブル生体センサによる危機管理” 本日の内容 -小型軽量心拍計を活用した自律神経センシング- 2011.8.10 ・はじめに ・ウェラブル生体センサによる危機管理について ⅰ）ウェラブル生体センサ、バイタルサイン※について ⅱ）心拍計測技術の現状および心拍データの見方 ⅲ）小型軽量センサーとリモート計測システムの現状/実演 ⅳ）センサ＆ソフト＆ITの融合化 例：健康管理へのセンシング技術の活用 ・まとめ 人間の心理状態は生理（病気）、心理 （恐怖）、環境ストレス（暑熱寒冷）により 様々な影響を受け、情報変換を経て、時 に機能障害、動態変化を認める。その変 化を知れる生体情報（バイタルサイン）の 1つとして心拍計測があり、これにより可 視化できる自律神経系活動値の活用が 現在様々な分野で注目、検討されている。 体温、加速度（3軸）、心拍データによる 自律神経系活動評価を実施した例につい て報告し、現在そしてこれからのIT、工学、 医学が作りだす新たな研究領域、殊に ウェラブル生体センサによる危機管理に ついて解説する。 東京大学 梅田智広 はじめに 高まるバイタルサインへの期待 表. 家庭用健康機器の種類 分類 健康治療機器 機器の名称 吸入器 マッサージ器 指圧代用器 超音波気泡浴装器 気泡浴装器 低周波治療器 電位治療器 超音波治療器 電気治療器 赤外線治療器 紫外線治療器 電気磁気治療器 温熱治療器 温きゅう器 永久磁石磁気治療器 アルカリイオン整水器 など 健康管理機器 電子血圧計 電子体温計 尿検査器 心拍計 塩分計 体脂肪計 など 疾病予防危機 空気殺菌脱臭装置 空気脱臭器 口臭チェッカー 美顔器 痩身用バイブレーター ベルトマッサージ器 空気清浄機 など 出所 （社）日本ホームヘルス機器工業会 バイタルサインへの期待 市場創出のカギは？ ・技術はあるが、サービスにつなげる取り組みが遅れている。 これからはエレクトロニクス技術が実現する理想的システム→市場立ち上げに向けた具体的課 題を1つ1つ克服していく段階にある。 ・データマイニングにより知見や価値を見出していくことが重要。 データは宝の山。データの蓄積、マイニングにより様々な相関性が見えてくる。新たなサービス展 開が可能になる。 ・市場拡大に向けた戦略的提携、パートナー探しがカギになる。 データ量の激増、パフォーマンスの向上という二律背反する課題解決が求められる。 これまで これまで －バイタルサイン活用時代到来！－ これからこれから 1人1人を尊重し、個別ニー 一人一人を尊重し、多 ズに対応、QOL向上のため 様性に富み、変化に満 にバイタルサインを有効活 ちた空間 用 1人1台の時代に…. 人によることなく、均 人の資質に関係なく、統 質で変化することの 一指標で簡易評価 ない空間 バイタルサイン活用しきれ ず。 先端技術の融合 科 学 的 な 空橋渡研究 間づくり センサ、アプリケーションソフト 等価原理 器質的ストレス ストレスとは ストレス反応のプロセス ストレス 精神的ストレス →血管のれん縮・免疫機能の異常・自律神経異常・大脳の判断異常 ストレスの概念は 非生物の物理的な力への反応 → 非物理的な力に対する反応にまで拡大解釈されてきた 反ショック期 ショック期 生命体は与えられたエネルギー量でなく、 与えられるエネルギー量の時間的変化率をストレスとして認識する。 Stress= dE / dt = d mc2 / dt (m、l2/t3) 反撃体制を整える⇒交感神経発揮⇒心拍数増加 反撃優勢の場合⇒ 副交感神経が優位 変化後の総ストレスdE / dt は、 , 警告反応期 t1→0 ・・・・(ⅰ) 副腎反応 E(t1)=Eo(t1)+Em(t1) ・・・・(ⅱ) , , , E (0)=E o(0)+E m(0) ・・・・(ⅲ) 行動の様態 (ⅰ)に(ⅱ)、(ⅲ)を代入、、 , 抵抗期 生命の防衛反応 治療力の著しい低減 アドレナ 副腎皮質 リン分泌 ホルモン 分泌増大 副腎皮質ホルモンの 分泌ほぼ正常 副腎皮質の機能低下 様々な不定愁訴 dE / dt = lim [Eo(t1)‐E o(0)+Em(t1)‐ E m(0)] / t1 時間 疲弊期 無理な状態を感知 , 自律神経とは 身体的反応 心理的反応 行動面での反応 動態変化は、抵抗期に見られる 身体反応の一部 E＝MC2 (m、l2/t2) dE / dt = lim [E(t1)‐E (0)] / t1 抵抗力・意識 生活行動の抑制 器質に異常発生 図 セリエの全身適合症候群の概念図 ウェラブル生体センサによる危機管理について ⅰ）ウェラブル生体センサ、バイタルサイン、自律神経について センサーとは、“必要とする対象の状態を処理可能な信号に変換するもの”で、出力はあくまで信号である。 これに対して、計測器はセンサーから得られた“センサー信号を処理して、人が理解できる情報とする機 能を持ったもの”と定義される。一方近年は、むしろ、センサー出力を制御信号として、別な機器を制御する ことが一般的になっている。 センサーの検出対象は代表的には、(1)光・放射線、(2)機械量、(3)熱、(4)電気、(5)磁気、(6)化学、 の６つの 領域に分類されている。表1に各領域における検出量の例を示す。 表. センサー信号 交感神経活動指標 （緊張、心臓の働きを速める血圧を上げる ） 副交感神経活動指標 （リラックス 心臓の働き抑える血圧を下げる ） 自律神経とは、交感神経と副交感神経からなり、体の各組織を無意識のうちに調整している。 健康状態であれば拮抗関係があり、リズムをつくり体の調整をしている。 領域 検出量 光・放射線 照度、波長、偏光、位相、反射、透過 機械量 力、圧力、トルク、真空度、流量、体積、厚さ、質量、レベル、位置、変位、速 度、加速度、傾き、粗さ、音波の波長と振幅 熱 温度、熱量、比熱、エントロピ、熱流 電気 電圧、電流、電荷、抵抗、インダクタンス、容量、誘電率、静電分極、周波数、 パルス幅 磁気 磁界、磁束、モーメント、磁化、透磁率 化学 成分、濃度、反応速度、毒性、酸化還元ポテンシャル、pH 最近は、小型・低価格を求めて、あるいは新たなセンサー分野開発を目指して、ナノテクノロジ、バイオテクノ ロジやMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術を駆使したセンサー開発が盛んになっている。 ウェラブル生体センサによる危機管理について ウェラブル生体センサによる危機管理について ⅰ）ウェラブル生体センサ、バイタルサイン、自律神経について ⅰ）ウェラブル生体センサ、バイタルサイン、自律神経について 表 バイタルサインの分類 生体の現象 それを反映する変動指数 （パラメータ） 表 心電図関連の歴史 1786 ガルヴァーニ（イタリア）がカエルの実験により生物電気の発見 1903 アイントーフェン（オランダ）がヒトの心電図を測定 心臓が動く 心電図 血圧 脈拍（心拍）数 血流 心音 呼吸をする 呼吸数 換気量 血中酸素 呼気炭酸ガス 血中炭酸ガス 1933 日本医療電気㈱が国産初の心電計を開発 脳が活動する 脳波 脳血流 1961 ホルタ（アメリカ）がホルタ心電計を考案 体温を保つ 体温 1928 ジーメンス社（ドイツ）が心電計を開発 ・心拍から、自律神経活動を把握 ・加速度センサーにより運動量を把握 ・体表温度を把握 1948 日本循環器学会で「心電図」の名称を認定 1963 ボウルら（アメリカ）による心磁図の計測 胸部に装着 1964 日本光電工業（㈱）がベッドサイドモニタ（心電図モニタを含む）を開発 身体が動く 筋電図 筋弛緩 1971 日本光電工業㈱がテレメトリーによる心電図モニタを開発 心電図の歴史は、まだ浅い。 技術および社会的背景を両輪に 今後、様々な分野での活用、展開 が予想される。 バイタルデータの解析 1970 ヒューレットパッカード社（アメリカ）がフローティング型心電計を開発 超小型・軽量設計で、装着者への負 荷を低減 ネットワーク接続で、遠隔地からでも データの把握が可能 バイタルデータによる分析で、変化を 抽出 ワイヤレス設計で、装着時の動作 付加を低減 1977 IEC（国際電気標準会議）が医用電気機器安全通則を設定 1985 心電図監視装置（心電図モニタ）のJIS規格[T‐1117]設定 1988 長時間心電図携帯形記録装置（ホルタ心電計）のJIS規格[T‐1117]設定 バイタルセンサ精度実験 正常洞調律 正常洞調律＋不整脈 DB DB 3* AV-Block 要ペースメーカー 心室細動 突然死の7割 図 ウェラブルセンサによる心拍計測実験と自律神経の評価 バイタルセンサを用いて通常の心電計と同等の計測が可能であることが確認された。 （協力：虎ノ門病院分院シミュレーションラボセンター） ウェラブル生体センサによる危機管理について ウェラブル生体センサによる危機管理について ⅱ）心拍計測技術の現状および心拍データの見方 ⅲ）小型軽量センサーとリモート計測システムの現状/実演 ME技術の発展により、バイタル サイン（例：心拍データ）は長時 間観察することが可能となり、 生体機能にはリズム、ゆらぎが 普遍的に存在することが確認さ れた。 心拍変動の検討 ・心拍変動は単純な非侵襲的手法であり、心拍のRR間隔の1拍毎の変動を瞬時に測定すること により心臓自律神経の指標となる。 ・心拍変動はRR間隔の変化を解析するので、その障害が心拍調整回路のどの部位に局在して いるか、どういう障害に由来するのかを問題にしているわけではない。 ・心拍変動は心臓の自動能の微妙な調整機構に関する情報が、肺・心・血管から求心性線維を 介して中枢に達し、遠心系を介して最終的に心臓に及ぼす影響をみている。 解析法 ・RR間隔の変化をそのまま評価する時間領域解析と、RR間隔の変化を周波数軸に変換して 各周波数毎の成分を評価する周波数領域解析がある。現在は、後者が一般的。 差は出ないことが多い。 ウェラブル生体センサによる危機管理について ウェラブル生体センサによる危機管理について ⅲ）小型軽量センサーとリモート計測システムの現状/実演 ⅲ）小型軽量センサーとリモート計測システムの現状/実演 ウェラブル生体センサによる危機管理について ウェラブル生体センサによる危機管理について ⅲ）小型軽量センサーとリモート計測システムの現状/実演 ⅲ）小型軽量センサーとリモート計測システムの現状/実演 ウェラブル生体センサによる危機管理について ウェラブル生体センサによる危機管理について ⅲ）小型軽量センサーとリモート計測システムの現状/実演 ⅲ）小型軽量センサーとリモート計測システムの現状/実演 ウェラブル生体センサによる危機管理について ⅲ）小型軽量センサーとリモート計測システムの現状/実演 ウェラブル生体センサによる危機管理について ⅳ）センサ＆ソフト＆ITの融合化 例：健康管理、遠隔支援・見守りシステムへのセンシング技術の活用 サービスモデル 快適サービス 快適サービス （化粧、アロマetc） （化粧、アロマetc） 遠隔支援／見守りサービス 遠隔支援／見守りサービス （睡眠状態、３Dモデル解析） （睡眠状態、３Dモデル解析） ユーザ向け ユーザ向け カステムサービス カステムサービス 例：快眠 学習 ・ ・ 追加機能 追加機能 今後 データ 表示 アラート 機能 現状 自律神経状態表示 自律神経状態表示 GPS 機能 運動状況 皮膚体温表示 皮膚体温表示 睡眠評価 ・・・・・・ 姿勢表示 姿勢表示 ※基本モジュール データ解析 データ解析 センサ センサ 例：健康管理へのセンシング技術の活用 様々な分野で健康管理を目的に活用されている。 例：健康管理へのセンシング技術の活用 様々な分野で健康管理を目的に活用されている。 例：健康管理へのセンシング技術の活用 様々な分野で健康管理を目的に活用されている。 例：健康管理へのセンシング技術の活用 研究実績 様々な分野で健康管理を目的に活用されている。 研究実績 プロジェクト 地域連携遠隔支援モデル構築 遠野型健康増進ネットワーク事業：高齢者見守りシステムの開発 クリーン社会ICTライフインフラ開発事業：気候変動が与える人への影響、ライフインフラ体制構築 ICT利活用事業スマートウェルネスシティー：バイタルサイン計測による影響、運動効果の評価 地域ICT利活用広域連携事業：ICTを活用した高齢者のための遠隔ケア プロジェクト 地域連携遠隔支援モデル構築 遠野型健康増進ネットワーク事業：高齢者見守りシステムの開発 クリーン社会ICTライフインフラ開発事業：気候変動が与える人への影響、ライフインフラ体制構築 ICT利活用事業スマートウェルネスシティー：バイタルサイン計測による影響、運動効果の評価 地域ICT利活用広域連携事業：ICTを活用した高齢者のための遠隔ケア 民間 建築メーカー：優しい空間評価、環境変化が及ぼす人への影響 空調メーカー：自律神経系活動値による健康評価 サニタリーメーカー：高齢者の生活モニタリング サプリメントメーカー：健常者の生活モニタリング 民間 建築メーカー：優しい空間評価、環境変化が及ぼす人への影響 空調メーカー：自律神経系活動値による健康評価 サニタリーメーカー：高齢者の生活モニタリング サプリメントメーカー：健常者の生活モニタリング 学術 東京大学：自律神経系活動評価 筑波大学：運動と健康に関する研究 北海道大学：顎関節症、音楽の影響 九州大学：動物、血流値との比較 東京理科大学：感性評価 諏訪東京理科大学：脳派との比較、森林浴評価 慶應義塾大学：農業従事者評価、気候変動が与える人への影響評価 奈良女子大学：妊婦、睡眠評価 お茶の水大学：音楽評価 など 学術 東京大学：自律神経系活動評価 筑波大学：運動と健康に関する研究 北海道大学：顎関節症、音楽の影響 九州大学：動物、血流値との比較 東京理科大学：感性評価 諏訪東京理科大学：脳派との比較、森林浴評価 慶應義塾大学：農業従事者評価、気候変動が与える人への影響評価 奈良女子大学：妊婦、睡眠評価 お茶の水大学：音楽評価 など 27 28 地域連携遠隔支援モデル構築 遠野型健康増進ネットワーク事業：高齢者見守りシステムの開発 クリーン社会ICTライフインフラ開発事業：気候変動が与える人への影響、ライフインフラ体制構築 地域ICT利活用広域連携事業 高齢者がいつまでも元気でいられる地域 本事業が目指す姿 • • • 緩和策だけでは対応しきれない気候変動の悪影響に備える適応策が重要との認識が、近年、高まってきた。二つの自治体をフ ィールドに、メッシュデータを用い気候変動の自治体への影響を推定、地域の脆弱性分析を行う。その上で、センサネットワーク を活用した「グリーン社会ICTライフインフラ」を開発し、家庭のエネルギー消費の情報を測定、最適化すると共に、健康・医療や 農業への悪影響など、気候変動に伴う地域の脆弱性に対応する適応策を策定し、その効果を実証するプロジェクト。 家庭と地域に元気を与える高齢者の活躍 住み慣れた地域でいつまでも健やかに生活でき る地域 地域住民が活躍できる社会 サービスモデルの1例 計測システムの現状 遠隔支援･見守りシステム 例）自律神経系活動値の可視化 例）姿勢変化の可視化 センサー データ 解析 65歳以上単独世帯 （2005年→2030年） 387万世帯×0.1264= 48.9万世帯 387万世帯×0.1264= 48.9 × 1.86 = 90.9万世帯 出典）hitachi‐net.jp ◆限界集落とは、過疎化などで人口の半数以上が６５歳 以上の高齢者となり、冠婚葬祭などの社会的共同生活 の維持が困難になった集落のこと。 75歳以上単独世帯 （2005年→2030年） 197万世帯×0.1264= 24.9万世帯 197万世帯×0.1264= 24.9 × 2.18 = 54.3万世帯 継続的に利用可能な安心安全体制の構築、 費用対効果の高い遠隔システムが求めれる。 N to P に重点 解析時のパラメータ設定画面 今後の予定 健康アラートシステム – 画面イメージ 波形モニタリング画面（モニタリング中） アラート通知先 メールアドレス ① バイタルサインモニタリングシステムの構築 アラート閾値（上限）を 緑色で表示 アラート閾値（下限）を 青色で表示 アラート閾値 （上限） DB サンプリングデータの解析 データを解析して状態を把握 環境が人に及ぼす影響を把握 バイタルサインとの相関関係を分析 ② 他センサとの連携機能 data ③ フィールド実験、効果検証 アラート閾値 （下限） 閾値を何秒 超えたらア ラート通知す るか アラート仕様を抽出 [email protected] 〜7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 148 複数人の心電モニタリ ングが行える 閾値を上回った場合、 通知先メールアドレスに アラートメールを送信する ■携帯電話でのメール受信状況例 40 140 閾値を超えた場合、アラート メールが送信される。リアル タイムに異常を検知可能 ①アラート入力UIの拡充 ②他センサとの連携機能 フィールド調査 仮説 アラートシステム 実証実験 ③フィールド実験 効果検証 活用されるバイタルサイン（心拍、自律神経） 人間特性を考慮した省エネ手法の提案 ① 人間情報モニタリングシステムの構築 オフィスビル サンプリングデータの解析 環境が人に及ぼす影響を把握 DB ③ 人間情報を用いた新しい省エネ手法の提案 データを解析して状態を把握 快適感と人間情報との相関関係を分析 data 快適感モデルと人間計測用センサを用いて、さらなる省エネ を可能にする新しい省エネ手法を提案する。 対象 状態 最適制御仕様を抽出 制御された空調 最適な空調に制御 暑い 寒い 暑い 暑い ちょっと寒い 制御システム 不快群 個人の快適感モデルを作成 ② 人間情報を用いた快適感モデルの作成 ※ref：The relation between climate and thermal comfort indoors; Michael A Humphreys(The Society of Healing, Air-Conditioning and Sanitary Engineers of Japan2010 ) センサ を装着 data 打ち合わせ data ちょっと寒 い 寒い 快群 センサ を装着 センサ を装着 センサ を装着 資料作成 data 問い合わせ対応 data 実運用に適した人間計測用センサとセンサネットワークシステム まとめ 新エネルギー 生体リズムは、自律神経系、内分泌系をはじめ、あらゆる生体機能に見られ 特に、自律神経の短期そして長期変動は、生命活動のほとんどの局面において重要な役割 を果たしている。 近年、この観察は心拍変動という指標を用いて、非常に簡便となり、かつ精度が高くなっており、 心拍変動に関する研究は、病態観察など医学分野に限らず様々な分野で有用であることが分 かってきた。 最新のウェラブル生体センサシステムを導入することにより、心拍計測は、安定かつ長期的にも 負担感少なく（着けていることを意識することなく）、生活のあらゆる局面において測定が行えるよ うになった。 バイタルセンシング技術は計測技術がパネルに与えるストレスがほとんどないため，日常生活や 普段通りの生活条件下での軽微な心理的刺激の検出にも適しており，心理的効果の分析に有 効な手段となることが想定される。 個を知る上で日常モニタリングする意義は非常に大きく、小型軽量センサでどこでもいつでも気 軽に計測できることから、個別適合を目指すサービス展開において非常に有用である。また、日 常データの蓄積、統計的手法を活用することで、日々の変化、傾向を知れることから、健康管理、 見守り他、人の危機管理用途での展開が期待できる。 ＊1 中小規模水力発電は1,000kW以下のもの、地熱発電 はバイナリー方式のものに限る ＊2 新エネルギーとされていないが、普 及が必要なもの エネルギー 経済産業省 資源エネルギー庁 ＨＰより http://www.enecho.meti.go.jp/energy/index_energy08.htm