倉田奨励金研究報告書 第 52 集
2020 年度（第 52 回）助成

自然科学・工学－健康・医療：2 年助成（最終）奨励金№1458

ウイルスの院内感染予防に向けた遠隔バイタル計測
センサシートの開発
竹井邦晴

北海道大学教授

Wireless vital sensor sheet to prevent secondary
infection of virus
Kuniharu Takei,
Hokkaido University, Professor

本研究では、ウイルスの院内感染予防に向けた自宅で簡易に健康管理及びバイタルデータ計測ができる貼付型のウェアラブルセンサシートの開発を目指している。本年度は、昨年度の成果をもとに在宅モニタリングの実証試験として、睡眠時無呼吸の簡易検査の可能性について確認を行った。また遠隔在宅モニタリングに向け、被験者のバイタル情報を無線計測するシステム開発及びそのバイタルデータの相関関係から瞬時解析する機械学習アルゴリズムの開発を行った。
This study aims to develop a skin-attachable wearable healthcare sensor sheet toward prevention of virus
infection. In this fiscal year（2022）, home-use sleep apnea was tested by inviting some volunteers who have asymptom of sleep apnea syndrome. The highly stable humidity sensor attached on a face mask was used for themonitoring tests. Furthermore, for home monitoring of vital detections to prevent the infection of virus, machinelearning algorithm was developed for real-time remote monitoring with feedback functions. Finally, by incorporating
a wireless circuit, we confirmed the possibility for continuous multimodal vital monitoring.

1．研究内容1.2 研究結果

1.1 研究目的

1.2.1 マスク型湿度センサを用いた睡眠時無呼吸

本研究は、院内での二次感染を極力回避するこ症候群の早期発見とを目指し、自宅で体調等を管理・診断できるセ昨年度開発した長期安定且つ高精度に計測できンサシステムの基礎技術構築を目的とした。特にる ZnIn2S（ZIS）
ナノシートを用いたフレキシブル
4

遠隔バイタル管理を実現するフィードバック・ア

湿度センサとその出力結果をスマートフォンアプ

ラーム機能搭載絆創膏型ウェアラブルセンサシー

リと無線通信する回路システムをマスクに設置すトを提案した。本研究の目標は、患者のバイタルることで、呼吸の常時計測を実施した（図 1a – d）。

や身体の状態を遠隔且つ無線で簡易に記録し、必これは呼吸に応じてマスク内の湿度が変化するた要に応じてアラームを出すフィードバック制御型

め、その湿度変化の増減を検知することで呼吸数の多機能フレキシブルセンサシートの実現である。

を計測するものである。まず健常者に意図的に普本実現へ向け、「心電図」「皮膚温度」「呼吸」「発通の呼吸、深呼吸、そして息を止めるという動作

汗」「活動量」を無線で同時計測できる高精度なバを行ってもらった。図 1e に示すように呼吸に応じイタルセンサの開発を行う。て湿度センサの抵抗値が変化しており、この抵抗倉田奨励金研究報告書 第 52 集
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自然科学・工学－健康・医療：2 年助成（最終）図 1 （a）マスクに湿度センサ、無線回路、電源を設置した写真。（b）センサ搭載マスクの最終実装の写真。（c）
センサ搭載マスクを装着した場合の写真。
（d）活動と湿度センサ出力を示すスマートフォンアプリの画面。
（e）湿度センサの出力結果。業績文献（1）から抜粋

図 2 健常者から計測した（a）湿度センサの出力、（b）加速度センサの出力、（c）湿度センサ出力から算出した呼吸数の結果。睡眠時無呼吸症予備軍の（a）湿度センサの出力、（b）加速度センサの出力、（c）湿度センサ出力から算出した呼吸数の結果。業績文献（1）から抜粋

値のピーク間隔が実際の呼吸数と一致しているこ

図 2a – c に示すように睡眠時間約 6 時間中においとを確認した。またこのピーク値検出を行うことて呼吸数が安定する時間と大きく変動する時間がでスマートフォンアプリ上で自動的に呼吸数を計周期的にあらわれているのがわかる（図 2c）。こ算できるようにした（図 1d）。本結果からコロナ

れは無線回路に搭載した加速度・ジャイロセンサ

禍で当たり前となったマスクを装着するだけで呼で計測した体の動きの結果でも似た傾向を示した

吸の自動計測が可能であることを確認できた。

（図 2b）。呼吸数が安定している時間は体はあまりそこで本センサ搭載型マスクを用いて、健常者動かず、逆に呼吸数が不安定な時間は体が動く傾及び睡眠時無呼吸症予備軍の方に協力してもらい、向にあることがわかる。これらの結果は、Non-睡眠時の呼吸計測を実施した。まず健常者の場合、

REM 睡眠と REM 睡眠の変化を示していると予想

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自然科学・工学－健康・医療：2 年助成（最終）できる。これに対して、睡眠時無呼吸症予備軍のとして自宅で容態を計測及び診断できる無線型セ

被験者では、健常者のような呼吸の周期は見られンサシステムの開発を実施してきた。特に実応用ず、常に大きく変動し、体も大きく動いている状を視野に、バイタルを貼付型センサシートで測れ態であることが結果からわかった（図 2d – f）。まることに加え、長期安定且つ高精度に測れるセン

た呼吸センサの出力をよく観察すると図 2d 上にサシートの開発に注力してきた。その中で、構造示すように呼吸が停止している時間が多くあるこ及び材料等の最適化を行うことで、心電図、蒸とがわかった。これは睡眠時の無呼吸を意味して汗・湿度を長時間安定に計測するセンサを開発しいる。このように簡易な無線センサ搭載マスクにた。またそれらのセンサ出力を無線で計測する回より、自宅においても簡易に睡眠時の呼吸状態を路システムの開発を行い、実際に睡眠時無呼吸症観測することができることがわかった。本計測は、候群の簡易検査の実証試験や、バイタルの異常を長期間安定且つ高精度なフレキシブル湿度センサ

リアルタイムで検知するデータ解析用アルゴリズを実現できたことにより達成されたものである。

ムの開発にも成功してきている。まだ目標とする

ただし、このようなマスク型では呼吸の有無は確

在宅での遠隔診断や管理といった応用には実証試認できるものの、睡眠時無呼吸症候群検査で得ら験やデータ収集等多くの課題が残っているが、本れる睡眠レベルや呼吸努力等の指標を得ることが研究課題で得られたセンサ技術及びデータ解析アできない。そこで現在は、本湿度センサを含めたルゴリズムはその基礎を作り上げるものである。

多機能センサシートを開発し、実際に共同研究機

本研究助成終了後も引き続き本研究を実施するこ関病院にて睡眠時無呼吸症候群患者での実証試験とで、出来る限り早い段階での遠隔無線センサシを開始している。被験者数は 30 名として、現在、ステムを実現させ、将来的な予防医療・健康管理医療機器データと共に、我々の開発したセンサ結に貢献することを目指す。

果をもとにデータ解析を進めている。

3．発表（研究成果の発表）
1.2.2 データ解析アルゴリズムの開発

1. S. Honda, H. Hara, T. Arie, S. Akita, K. Takei, “A

次にこれまで開発してきた湿度センサ、心電図

Wearable, Flexible Sensor for Real-Time, Homeセンサ等を一センサシートとして集積化させ、そMonitoring of Sleep Apnea”, iScience, Vol. 25,

れらデータを一括に計測できる無線システムの開p. 104163, 2022.

発を行った。現状、論文投稿前であり詳細を示す

2. Y. Xuan, H. Hara, S. Honda, Y. Li, Y. Fujita, T.

ことは出来ないが、多種バイタルデータを計測す

Arie, S. Akita, K. Takei, “Wireless, minimized,ることに成功している。さらにその多種データとstretchable, and breathable electrocardiogram

機械学習を用いてバイタル異常等を瞬時に解析・

sensor system”, Applied Physics Reviews,発見するアルゴリズムの開発を行っている。簡単

Vol. 9, p. 011425, 2022.

な異常については既に解析することが出来ており、

3. （Invited）K. Takei, Multimodal flexible sensor
7th

今後はこれらアルゴリズムを更に発展させ、予防

system,医療及び在宅診断等へと展開できるかどうか検討

Technologies and Manufacturing（Seoul,する予定である。

Korea）, March 7-10, 2023.

IEEE

ElectronDevices

4. （Invited）K. Takei, Wireless healthcare flexible

2．全研究期間のまとめ
本研究ではウイルス感染における二次感染予防

sensor system with comfortable and precise
monitoring, 242nd ECS meeting （Atlanta,

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2020 年度（第 52 回）助成USA）, October 9-13, 2022.
5. （Invited）K. Takei, Multimodal flexible sensor
sheet for remote healthcare application, 2022
MRS Spring Meeting & Exhibit（Online）,
May, 23-25, 2022.

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