情報処理学会 インタラクション 2015
IPSJ Interaction 2015

C55
2015/3/7

おなかのげんじつ：ベルト着用をトリガとした自動腹囲測定システムの開発
松田 裕貴1

岩波 慶一朗1

長谷川 高志1

石岡 匠也2

斉藤 直矢2

新井 イスマイル2

概要：近年，肥満およびメタボリックシンドローム患者の増加は世界的に問題となっている．メタボリッ
クシンドロームは動脈硬化のリスクを高め，さらに心臓病と脳卒中を誘引することから，予防対策が重要視されている．スマートフォンおよびウェアラブルデバイスの台頭により，ヘルスケアに関するデータの記録・管理は容易となったが，メタボリックシンドロームの診断基準のひとつである「腹囲」に関しては，既存のデバイスでは対応することができない．そこで本研究では，ベルトがバックルを通過した距離を測定し，腹囲を自動推定するベルト型ウェアラブル計測デバイス，および測定データの記録，可視化を自動化するスマートフォンからなるシステム “おなかのげんじつ” を提案，実装する．測定精度実験の結果，平
均相対誤差は 0.66 [%] となった．また，スマートフォンアプリケーションにより測定データの記録，グラフによる可視化を実現した．
キーワード：ウェアラブルコンピューティング，ヘルスケア，腹囲測定

Development of A Belt-type Device and Smartphone Application
for Automatic Abdominal Circumference Measurement
Yuki Matsuda1

Keiichiro Iwanami1

Takashi Hasegawa1
Ismail Arai2

Takuya Ishioka2

Naoya Saito2

Abstract: In recently, the rise of number of metabolic syndrome patient is serious problem. Metabolic syndrome causes arteriosclerosis, and may become cause of heart disease or stroke. So, preventions of metabolic
syndrome is very important. With the spread of smartphones and wearable devices, we can record and manage data about healthcare easily. However, any wearable devices can’t measure abdominal circumference
which is a criterion of metabolic syndrome. Therefore, we propose a belt-type device and a smartphone application for automatic abdominal circumference measurement. This system has functions of measurement,
recording, and visualization of abdominal circumference data. As a result of the evaluation, the mean relative error of abdominal circumference measurement was 0.66 [%]. In addition, we confirmed the smartphone
application can record and visualize measured data eﬃciently.
Keywords: Wearable Computing, Healthcare, Abdominal Circumference Measurement

1. はじめに
近年，世界的に肥満人口の増加が問題となっている．日

本においても，厚生労働省の行った調査によると，成人男性のうちでも半数近くがメタボリックシンドローム患者，あるいはその予備群とされている [1]（図 1）．メタボリッ
クシンドローム（以下，メタボ）とは，高血糖・高血圧・

12

明石工業高等専門学校 専攻科 機械・電子システム工学専攻
Advanced Course of Mechanical and Electronic System Engineering, National Institute of Technology, Akashi College,Akashi, Hyogo 674-8501, Japan
明石工業高等専門学校 電気情報工学科
Department of Electrical and Computer Engineering, National Institute of Technology, Akashi College, Akashi,
Hyogo 674-8501, Japan© 2015 Information Processing Society of Japan

脂質異常のうちで 2 つ以上の症状が合併されている状態を言う．また，日本人の死因の大きな割合を占める心臓病と脳卒中は動脈硬化が要因となる．高血糖・高血圧・脂質異常は単独でも動脈硬化のリスクを高めるが，複数重なったメタボの状態では，飛躍的に動脈硬化のリスクを高めると934

メタボが強く疑われる人

メタボの予備群と考えられる人

割合 [%]

60にはその種類や用途は多岐にわたり，様々な分野への応用が可能である．例えば，GoogleGlass に代表されるような眼鏡型ウェアラブルデバイスは，工場などの専門的な職場40において，組み立て手順を AR で図示して全体的な技量の20引き上げを行ったり，遠方と作業者目線での映像を共有しながらコミュニケーションを行うなどの用途にも用いられ

020~29図 130~39

40~49

50~59

60~69

70~ている [3]．

年代 [ 歳 ]このようにウェアラブルデバイスは様々な用途に用いら成人男性のメタボ患者・予備群の割合れているが，中でも発展が目覚ましく応用が期待される分野がヘルスケアである．この分野は従来，煩雑な機器操作，言われている [2]．メタボの診断基準として重要かつ最も専門的なセンサを多数身につける必要性があり，患者・ユー分かりやすく，自分で測定・記録が行いやすいものとしてザに対する負担が大きかったが，ウェアラブルデバイスのは，腹囲の測定が挙げられる．以上より，動脈硬化のリス発展に伴い負担の軽減が見込めるようになったといえる．

クを避けるためにはメタボ予防が有効であり，その為には定期的な健康診断だけでなく，日々の腹囲測定・記録が重2.2 ウェアラブルとヘルスケア要であるといえる．しかしながら，毎日自ら巻き尺を用い眼鏡型や腕時計型をはじめとし，ウェアラブルデバイスて腹囲測定・管理することは，ユーザにとって負担が大きはユーザが日常生活の中で長時間装着されることが想定さい．そのため，毎日腹囲測定を行う人は殆どおらず，定期れる．そのため，心拍・血圧・体温などを測定する生体セン的な健康診断のみに頼りがちである．

サや，歩行・走行などユーザの運動量を測定するセンサをそこで，本研究では現在世界的に普及してきているウェ

組込むことによるデータ収集が容易であることから，ウェアラブルデバイスを用いることでユーザが普段どおりの生アラブルデバイスとヘルスケアは相性がよいと言える．

活を行いながら腹囲の測定を同時に行うベルト型ウェアラ

ヘルスケアに特化したウェアラブルデバイスの代表例とブル計測デバイス，そして測定データの記録，可視化を自しては，Withings が挙げられる *1 ．Withings は万歩計，動化するスマートフォンからなるシステム “おなかのげん

体重計，血圧計など様々な機器で測定されたフィットネス

じつ” を提案する．ベルトのバックル部分をデバイスに置情報をクラウド上で管理し，グラフ化などのヴィジュアラ換し，内部に搭載されたロータリエンコーダによってベルイズを行う．また，近年では Withings Active という腕時トが差し込まれた時の挿入距離を測定することで，腹囲を計型アクティビティトラッカーが発売されており，ウェア推定する．これにより，日々ベルトを身に着ける際に腹囲ラブル化も進んでいる．これにより，ヘルスケア・フィッ測定・記録することを可能とした．また，このデバイスをトネス情報のクラウド上での統合管理及びユーザの日常生用いた測定精度実験を実施し，実際の腹囲測定が可能であ活に溶け込んだ測定が可能となり，従来に比べて情報の閲ることを確認した．

覧も時間や場所を問わず行えるという利点がある．

本稿では，2 章において関連研究を示し，3 章で本研究

医療分野では，要介護者・患者に装着することで身体のの提案手法の概要，4 章で提案手法の実装について述べる．

異変を察知し，病院や地域と連携して高齢者人口に対する提案した手法による腹囲測定の精度評価実験および考察を施設数や介護者などの不足に対応するハイパーホスピタル

5 章にて述べ，最後に 6 章でまとめる．

構想が参照されている．岸本らは，筋電位検出システムと2. 関連研究とその課題
2.1 近年のウェアラブルデバイスの動向

加速度検出システムを統合し，転倒時を含めた姿勢をリアルタイムで検知することが可能なシステムを提案している [4] ほか，塚田らは，シャツに小型化した電極を同化させ近年，ウェアラブルデバイスの市場は急激に拡大し，ユーることで患者の心拍数や心電図などを常時測定可能にし，ザーの関心も高まっている．特に 2014 年度には眼鏡型やまた従来よりも幅広い状態で患者に負担なく測定すること腕時計型のウェアラブルデバイスが多く発売された．これが可能なウェアラブル電極インナーを提案している [5]．

らウェアラブルデバイスが普及した理由の一つとして，スマートフォンとの連携が容易であることが一因である．小2.3 現代病予防に対する腹囲測定とその課題

型ディスプレイやバイブレーションを用いたユーザーへ

メタボの日本における判断基準では，男性の場合 85cmの通知や，センサから体の動きなどを読み取ってスマート以上，女性の場合 90cm 以上であれば内臓脂肪が蓄積してフォン上で確認できるようなライフログを目的とした使用いると判断される [6]．メタボ予防のためには日々の腹囲も可能である．また，ウェアラブルデバイスが普及した理由はスマートフォンの普及に伴ったものであったが，実際© 2015 Information Processing Society of Japan測定が重要となってくるが，巻き尺などで測定・記録する*1

http://www.withings.com/eu/withings-activite.html

935

作業に対しては，人々は消極的になりがちである．また，いずれの手法を用いた場合においても，既存のデバイスメタボの判定基準となっているものの，血圧などと比べるの応用またはそれらの組み合わせで実現可能といえる．しとユーザの危機意識が低いことも継続的な測定を妨げる要かし手法 1 では，ベルトを加工することによりバックル内因だと考えられる．

部を簡易な構造で実現可能であるものの，ベルト自体の摩腹囲自動測定デバイスとしては，デジタル・メタボ・
メジャー

*2

耗や劣化の影響が大きいため，ベルトの状態に依存しないが発売されている．これは，環状になったメ測定方法であることが望ましいと考えられる．また手法 2

ジャーの値を機器で読み取り，Bluetooth を用いてパソコは，光学式マウスと同様の方式で実現可能であると考えらンに送信，記録する機器であるが，ユーザが自発的に測定れるが，イメージセンサにより得た画像解析が必須となるをする必要があるなどの問題から，医療向け測定機器にとことから，デバイス側の処理コストが高いと考えられる．

どまっている．

さらに，対象物を照らす光源が常に必要であることから消3. “おなかのげんじつ” の提案

費電力の増加にも繋がることも考えられる．一方，手法 3
では機械式ロータリエンコーダを用いることから，単純な前節での議論から，既存のウェアラブルデバイスではパルスパターンの識別によりベルトの移動が検出でき，デフィットネス機能に重点が置かれているものの，メタボのバイス側の処理コストが低い．さらに機械式ロータリエン指標である腹囲を測定することは想定していない．しかし，コーダはシャフトの回転によって ON，OFF が切り替わる

メタボを予防するための腹囲測定デバイスとして，日々着スイッチであるため，OFF 状態で待機している場合に消費用するウェアラブルデバイスを活用することは有効である．

電力が発生しない．また，ON 状態であってもプルアップ

そこで本研究では，腹囲の自動測定および記録・可視化抵抗が搭載されているため低消費電力で実装可能である．

システム “おなかのげんじつ” を提案する．“おなかのげ以上の議論から，本システムではバックル内部で完結しんじつ”（以下，本システム） は，日常的に着用することかつ簡易な手法として，手法 3 のバックル内部にロータリで腹囲の自動測定を行うベルト型ウェアラブル計測デバイエンコーダを設置する方法を採用することとした．

ス，および測定データの記録・可視化を自動化するスマートフォンからなるシステムである．

3.2 デバイスとスマートフォンの連携による機能分担

ユーザが腹部周辺に着用するものとしては，下着やズスマートフォンの爆発的普及により，近年のウェアラブボン・ベルトなどが挙げられる．ベルトは一般的に帯状とルデバイスはスマートフォンとの連携が主流となっている．

なっており，バックルを通して環状を形成する．すなわち，

2.2 節で述べた Withings をはじめとする，ヘルスケアにベルトがバックルを通過した距離（以下，ベルト挿入距離）特化し日常的に着用されるウェアラブルデバイスは，一般を測定することで腹囲の推定が可能であるといえる．このの人々にも利用されることが前提であるため，測定データ点に着目し，本研究では腹囲測定デバイスとしてベルトをを記録し，そして可視化することが不可欠である．さらに，採用した．また，腹囲測定値をユーザに提示する方法とし他のデバイスから得られる情報を加えることで高度な解ては，バックル上に表示することが考えられるが記録・可析が可能になるため，ネットワークとの接続は，データの視化の面から合理的ではない．そこで本システムでは，デさらなる価値向上に寄与すると考えられる．例としては，バイス本体を測定のみに限定し，測定データの管理や可視腹囲データとネットワークを介して得た血圧・血糖などの化をスマートフォンによって行うこととした．

データを組み合わせることで正確なメタボ判定が可能となることなどが挙げられる．

3.1 ロータリエンコーダを用いたベルト挿入距離の測定

以上の機能は，画面サイズや消費電力の制約からデバべルトの全長が既知な上で，ベルト挿入距離を測定する

イス単体での実装が難しいといえるが，スマートフォンことが可能であるならば，形成される環の内周を算出すると連携することにより実現することが可能である．そこことができる．この挿入距離を測定する方法としては，以で，本システムにおいても，デバイスとスマートフォンと下のものが考えられる．

Bluetooth で通信し，測定データの記録・可視化をスマー

手法 1

ベルト上に縞模様を印字，バックル内部のフォトリフレクタで通過する縞の数を測定する．
手法 2

バックル内部にイメージセンサを設置し，ベルト上の特徴点の移動距離を測定する．
手法 3

バックル内部にロータリエンコーダを設置し，ベルト挿入時の回転数を測定する．
*2

http://www.yamayo.co.jp/catalogue/products/8001health.htm© 2015 Information Processing Society of Japan

トフォンに分担する．

4. “おなかのげんじつ” の実装
本システムは，図 2 に示すベルト型ウェアラブ計測デバイス（ベルト挿入距離の測定機能を有するバックル：測距バックル）と，測定データを管理，可視化するスマートフォンで構成される．表 1 に本システムの機器構成を示し，構成図を図 3 に示す．

936

表 1
部位

測距バックルスマートフォン

“おなかのげんじつ” の機器構成

モジュール名称

機器名称

備考

メインボードArduino Pro Mini 328（Spark Fun）

3.3[V]，8[MHz]通信

RN-42-I/RM（Michrochip）

Bluetooth 2.1 SSP 通信

挿入距離測定ロータリエンコーダ

12 パルス（機械式）

基準点検出

フォトリフレクタ TPR-105

反射型

電源

単４電池アルカリ一次電池

2 個，3.0[V]

データ管理，可視化

Nexus5（LG 電子）-スマートフォン

測距バックル
通信
RN-42-I/RM

Bluetooth
通信

電源
単4電池 x26

メインボードArduino Pro mini 328
2Vcc

図 2

“おなかのげんじつ” 測距バックルの外観

1

挿入距離測定ロータリエンコーダ

GNDSignal

基準点検出
フォトリフレクタ

4.1 測距バックルの実装
メインボードには，測距バックルが搭載しているすべて

図 3“おなかのげんじつ” の構成図のデバイスが接続されている．挿入距離測定モジュールは，ロータリエンコーダのシャフトがベルトの移動によって回転した際に発生するパルスをメインボードに送信する．これを計数した パルス数 Pc から挿入距離 L を式 1 によって算出する．なお，シャフトの直径 d は定数であり，本実装では d = 13.3 [mm] とした．また，本デバイスの測定値

測距バックルスマートフォン

開始リクエスト

Helloリクエスト承認

データ送信要求

PLSD

挿入距離測定データの分解能は式 1 より，3.48 [mm] である．

π·d
L=· Pc12

終了リクエスト

[mm]

(1)

QUIT

Hello{value}

リクエスト承認

QUIT

通信モジュールは，Bluetooth 通信を用いて，挿入距離をスマートフォンへ送信する．通信モジュールとメインボード間は UART によるシリアル通信でデータを送受信する．

図 4

Bluetooth 通信手順

本研究では図 4 で示す手順に従って，スマートフォンとの通信を行った．
基準点検出モジュールは，ベルトがバックルに挿入されたのを検知し，その点を挿入距離測定の基準点とする．すなわち，挿入距離測定モジュールでは，この基準点からの相対距離を測定する．なお，本研究では反射型フォトリフレクタを用いたため，反射率の高い白線をベルト上に設けることにより擬似的に基準点検出を行う．

4.2 ソフトウェア実装
本システムは，図 5 に示すスマートフォンアプリケーションにより測定データの記録やユーザへの情報提示機能を実現する．
測定データは，4.1 節で述べた手順により，Bluetooth を介し送信されるため，日付情報と共にデータベースに格納する．データベースには Android で標準実装されている

SQLite を用い，データ格納頻度は 1 [セット/日] とした．

© 2015 Information Processing Society of Japan(a) ホーム画面(b) 統計情報画面

図 5 アプリケーションの表示

937

また，測距バックルとの通信はバックグラウンドで動作するため，測距バックルとスマートフォンのペアリング以後測距バックルは，ユーザの特別な操作は不要となっている．
さらに，ユーザへ情報を提示するためのフォアグラウン
ドアプリケーションを実装した．データベースに格納されたデータおよび移動平均を時系列グラフとして提示する（図 5 (a)）他，曜日ごとの傾向のグラフやメタボ指標との差分などの情報（図 5 (b)）を提示する．なお，グラフ化に測定開始・終了ライン

は GraphView ライブラリ *3 を用いた．
また，ユーザの継続意識を向上させるため，図 5 (a) 中白線間 30 [cm]

央にキャラクターを配置した．このキャラクターは，腹囲の変化状況に応じたメッセージをユーザに発信する．例を以下に示す．

• 目標達成だトン（設定した目標を達成した場合）

図 6
表 2

ベルトの挿入範囲

ウエスト測定精度実験結果

絶対誤差 [mm]

相対誤差 [%]• 目標に近づいてきたトン（減少傾向の場合）

平均

標準偏差

平均標準偏差• このままだとメタボになるトン（増加傾向の場合）

1.99

1.61

0.66

0.54

5. “おなかのげんじつ” システムの評価と考察

誤差およびばらつき共に，良好な結果といえる．また，相本システムのウエスト測定精度を評価するため，距離測対誤差が 1 [%] 未満となっていることからも，本システム定精度実験を行った．実験の概要を 5.1 節，実験結果および考察を 5.2 節 に示す．また，システム全体の今後の課題について 5.3 節で議論する．

は十分な精度であるという結果が得られた．
続いて，図 7 に各試行に対する絶対誤差と平均挿入速度の関係，そして図 8 にパルス数 Pc の発生頻度を示す．80[%] 程度のパルス数は，真値を挟んだものとなっているが，5.1 ウエスト測定精度実験概要

低速挿入される場合において少ないパルス数が計数されて本システムのウエスト測定方法では，全体のベルト長かいることが分かる．これは，低速挿入時に生じる微妙なベら挿入距離を減算するため，本実験では，挿入距離の測定ルトの抜き差しが原因として考えられる．概略図を図 9 に精度を評価する．測定は，バックル部分を固定しベルトを示す．ロータリエンコーダはそのシャフトの回転によって，定数距離 D = 30 [cm] 挿入することにより行う．この定数位相の 90[°] ずれた 2 相の方形波を出力する．本システム

距離は，一般的なフォーマルベルトのベルトの先端から最では片方の波形を常時監視し，その立ち上がり時に他方の遠の調節穴までの距離，すなわちユーザが調節しうる最大方形波の “H”，“L” によってパルスのインクリメント，デ距離を十分超える値として設定した．本実験では，図 6 にクリメントを判定する．しかし，ベルト挿入中のインクリ示す白線をフォトリフレクタによって検出し，これらを測メント時に，P1 点を検出しインクリメントした後，P2 点定開始場所と終了場所とした．測定したロータリエンコーを通過，P2 -P3 点間でベルトが引き出された場合，P2 点をダのパルス数から，式 1 により挿入距離 L を算出する．

立ち上がりと検出するため，デクリメント操作が行われてこの挿入距離から絶対誤差 εabs ，相対誤差 εrel を 式 2，しまう．その後，P1 点を通過する前にベルトの挿入が再開

3 により算出することで評価する．また，挿入時の平均速されると，先のデクリメント操作を相殺するインクリメン度と絶対誤差の関連性についても考察する．

トが生じず，P1 点，P2 点のあるパルスは数えられないこ

εabs = L − Dεabsεrel =Dとになる．これにより，パルス数が減少すると考えられる．

(2)
(3)

5.3 システム全体としての考察および今後の課題
本システムは日常的な使用を想定しているが，本稿で提案したデバイスは，一般に普及しているベルトのバックル

5.2 ウエスト測定精度実験結果と比較し，3〜4 倍程度の体積を要する．これは機械的構造

表 2 にウエスト測定精度実験を 100 回行った実験結果

上，ベルトをギアと金属棒で挟み込むことで，ギアとベルを示す．30 [cm] 挿入時の絶対誤差の平均および標準偏差

トの間に十分な摩擦力を発生させる必要があることから，はそれぞれ 1.99 [mm]，1.61 [mm] となったが，ロータリ測定部にロータリエンコーダ・ギア・金属棒を設置したこ

エンコーダの分解能が 3.48[mm] であることを考慮すると，とが原因である．今後の課題としては，シャフトに装着す*3

http://android-graphview.org/© 2015 Information Processing Society of Japanる材質をはじめとする機構を再検討し，測定精度を保持し938また，本システムではユーザの継続意識を保つ仕組みと絶対誤差 εabs [mm]4して，アプリ内にキャラクターによるメッセージを実装し2たが，簡易的なものである．今後は，心理学的観点におけ0る適切なメッセージおよび提示方法について検討し，ベルト装着時にデバイスが何らかのフィードバックを発生させ-2る（増加傾向の場合に装着時にバイブレーションを発生さ-4せるなど）機能の実装や，腹囲の変化に応じたアプリ内の表示変更機能の充実化などを行いたい．

-6-86. おわりに050100

図 7150200250300350

本稿では，スマートフォン及びウェアラブルデバイスの平均挿入速度 [mm/s]普及からヘルスケア分野への応用を取り上げ，腹囲測定を絶対誤差と平均挿入速度の関係課題として設定した．そして，日常生活に溶け込んだ腹囲測定及びその記録，可視化を行う，ベルト型ウェアラブル

発生確率 [%]

60

計測デバイスとスマートフォンアプリケーションからなるシステムを提案，開発し，実験を行った．その結果，ベル40

ト型ウェアラブルデバイスの測定精度としては，平均相対誤差 0.66 [%]，標準偏差 0.54 [%] という結果が得られ，分20解能（3.48[mm]）を考慮すると十分な精度が得られることがわかった．また，スマートフォンアプリケーションによ085 (-4.04)

84 (-7.52)

86 (-0.55)

87 (2.93)

測定パルス数 Pc（絶対誤差 εabs [mm]）図 8り，データの管理・閲覧を実現した．
今後の課題は，ベルト挿入距離の測定手法を複数検討・比較し，測定精度を保持しつつ小型化することである．まパルスの発生頻度た可視化については，腹囲に関連する医学的情報を調査，追加実装することが挙げられる．これにより腹囲測定シス

P1P2P3テムの完成を目指したい．

波形1（a相）参考文献

波形2（b相）[1]時間

図 9 パルスの減少問題の原因[2]つつ小型化することが挙げられる．
ところで，本稿ではロータリエンコーダによる測距手法[3]を提案したが，3.2 で述べた他の手法の精度については議論していない．例えば，イメージセンサを設置しベルト上の特徴点の移動距離を測定する手法では，処理コストや消[4]費電力などは大きいが，ベルトを強い力で押さえつける必
要が無く薄型化が期待できる．今後は，他の手法においても測定精度を検証・比較し，コストなどを加味した上で妥当な測距手法を検討することが必要である．

[5]

スマートフォンとデバイスの連携においては，アプリ
ケーションは本システムの要件である記録・可視化を満たしているが，基本的な実装に留まっている．しかし，データの記録間隔や処理方法を検討することで，新たな価値を創出することが可能であると考えられるため，今後様々なユーザ層のニーズを調査し，明らかとなった必要機能を実[6]

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chousa.html⟩.
厚 生 労 働 省：基 礎 知 識 編 メ タ ボ リ ッ ク シ ン ドロ ー ム（ 内 臓 脂 肪 症 候 群 ）を 知 ろ う ，入 手 先⟨http://www.mhlw.go.jp/bunya/kenkou/metabo02/kiso/danger/index.html⟩.
正二塩川，公太郎永浜：ウェアラブルコンピュータシステ
ム Tele Scouter と社会基盤の変化 (ユビキタスサービスを支える基盤技術特集) – (ユビキタスのサービス事例)，NEC
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厚 生 労 働 省：メ タ ボ リ ッ ク シ ン ド ロ ー ム の 考 え
方 (2) メ タ ボ リ ッ ク シ ン ド ロ ー ム の 診 断 基 準 ，
入 手 先 ⟨http://www.mhlw.go.jp/shingi/2005/08/s08269d.html⟩.

装したい．

© 2015 Information Processing Society of Japan939