計測自動制御学会東北支部 第 331 回研究集会 (2021.3.24)
資料番号 331-7

顔映像を用いた非接触式血中酸素飽和度測定法
Non-Contact Measurement of Blood Oxygen Saturation
Using Facial Video〇佐々木 颯馬 ∗ , 杉田 典大 ∗ , 八巻 俊輔 ∗ , 市地 慶 ∗ , 本間 経康 ∗ , 吉澤 誠 ∗〇 Soma Sasaki∗ , Norihiro Sugita∗ , Shunsuke Yamaki∗ , Kei Ichiji∗
Noriyasu Homma∗ , Makoto Yoshizawa∗*東北大学*Tohoku University
キーワード : 顔映像 (Facial video), 経皮的動脈血酸素飽和度 (SpO2 )映像脈波 (Video plethysmography), 画像処理 (Image processing)

連絡先 : 〒 980-8579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-05
東北大学 サイバーサイエンスセンター 吉澤 (誠)・杉田研究室
佐々木 颯馬, Tel : (022)795-7130
E-mail : soma.sasaki.q3@dc.tohoku.ac.jp

1.

はじめに生体に十分な量の酸素が行き届いているかど

2.

原理

2.1

パルスオキシメータの原理

うかを定量的に確かめることのできるパラメー
タの 1 つとして, 経皮的動脈血酸素飽和度 (SpO2 )が存在する. SpO2 は式 (1) で定義されている.

CHbO2
SpO2 ≡× 100 [%]CHbO2 + CHb
CHbO2 : 酸化ヘモグロビン濃度

パルスオキシメータは赤色光と近赤外光の LEDからなる発光部と, 透過光を測定する受光部によって構成されており, 発光部と受光部の間に(1)

CHb : 還元ヘモグロビン濃度

SpO2 を即時かつ継続的に測定するための機器として, パルスオキシメータがある. ただし,パルスオキシメータは計測時にセンサを皮膚表面へ接触させる必要があるため, 肌の弱い新生児や入院患者の SpO2 を長時間モニタリングすることは, 皮膚の炎症や強いストレスを引き起こす危険性がある. 本研究では, 顔映像を解析することで, 非接触で SpO2 を推定する手法の指を挟むことで SpO2 の測定が可能である. パルスオキシメータの外観および内部構造を Fig.1に示す. 動脈には酸化ヘモグロビン (HbO2 ) が,静脈には還元ヘモグロビン (Hb) が多く存在している. ここで, HbO2 と Hb における光の波長とモル吸光係数の関係は Fig.2 のようになっており, 赤色光でのモル吸光係数は Hb が HbO2より大きく, 近赤外光でのモル吸光係数は HbO2が Hb より大きい. したがって, 赤色光と近赤外光における吸光度の変動比から SpO2 の値が算出される.

確立を目的とする.

–1–

式 (3) に示すように, 異なる 2 波長 λ1 , λ2 における nACλ の比を正規化 AC 比 RnAC と定義する.

RnAC ≡Fig. 1: パルスオキシメータの外観 (左) [1] および内部構造 (右)ACλ1 /DCλ1nACλ1=nACλ2ACλ2 /DCλ2(3)ここで, Lambert–Beer の法則および SpO2 の定義から, RnAC と SpO2 の関係式 (4) が導かれる.
SpO2 =

εHb (λ1 ) − εHb (λ2 )RnAC
εHb (λ1 ) − εHbO2 (λ1 ) + {εHbO2 (λ2 ) − εHb (λ2 )}RnAC

εHbO2 (λ) : 波長λの光を照射した時の HbO2 の吸光度
εHb (λ) : 波長λの光を照射した時の Hb の吸光度したがって, 異なる 2 波長 λ1 , λ2 における VPG
から RnAC の値を算出し, 式 (4) に代入することで SpO2 の値が算出される.

Fig. 2: 光の波長とモル吸光係数の関係

2.2

顔映像を用いた血中酸素飽和度測定の原理

2.3

正規化 AC 比 RnAC と SpO2 の線形近似式の算出

顔などの皮膚に光を当てると, 反射光強度は

本研究では VPG 計測時の照射光源として 630

血管内のヘモグロビン量の変動により時間的にnm(赤) と 850 nm(近赤外) の LED を使用した.

変化する. ビデオカメラを用いて反射光強度のLambert–Beer の法則および SpO2 の定義を用

時間変化を算出した Fig.3 のような波形を映像

いて, 上記の 2 波長における RnAC と SpO2 の線

脈波 (Video PlethysmoGraphy: VPG) と呼ぶ.

形近似式を求めた結果を Fig.4 に示す.

Fig. 4: RnAC と SpO2 の線形近似
Fig. 3: 皮膚の反射光強度の時間変化 (VPG)
ここで, Lambert–Beer の法則 [2] より, 波長λ の光を入射した時の脈動による吸光度の変動

3.

実験∆Aλ は, 式 (2) に示すように直流成分 DCλ を用

本研究では, 2 つの実験を行った. まず最初

いて正規化した変動成分である nACλ に置き換に Shao らによる研究 [3] を参考に, SpO2 の実えることができる.

測値と推定値を比較する実験 1 を行った. しか∆Aλ ≃ACλ≡ nACλDCλし, Shao らの研究には SpO2 の推定値を補正す(2)るために実測値を利用しているという問題点が–2–(4)ある. したがって, 実測値を用いずに SpO2 を推定する手法を確立するための検証を実験 2 として行った.

3.1

実験 1Fig.6 のような実験環境を構築した. 本実験では, 20 代の男女 3 名を被験者とし, 座位安静状態の被験者の顔映像を 20 cm 離れた位置のビデオカメラ (ORCA-Flash4.0 V3 デジタル CMOSカメラ) から取得した. 波長 630 nm の赤色 LED

Fig. 6: 実測値と推定値と波長 850 nm の近赤外 LED を 50 ms 毎に交互に光らせることによって, 異なる波長由来のFig.6 より, すべての測定回において実測値とVPG を同時に取得した. LED およびカメラの推定値の変化の傾向が似ていることが確認でき制御は, マイクロコンピュータ (mbed LPC1768)た. この結果から, RnAC と SpO2 の線形近似式を用いてトリガー信号を入力することにより実における傾きは妥当なものであったが, バイアス現した. また, 本実験は周囲光の影響をなくす値で測定回ごとの差が生じたと考えられる. しため暗室で行った.

たがって, SpO2 の値を正確に推定するために,顔映像の測定を開始してから最初の 30 秒間のデータを用いて線形近似式のバイアス値の補正を行った. 本実験においては 10 秒ごとに SpO2の推定値を算出しており, 3 回分の推定値と実測値の差が得られるため, その平均値を推定値から引くことで補正を行った. Fig.6 に示した各データにおける実測値と補正値それぞれの時間変化を Fig.7 に示す. また, 異なる被験者においFig. 5: 実験環境ても測定時間を 130 秒として同様の実験を行っ取得した映像を偶数フレーム (Red) と奇数フレーム (NIR) に分け, それぞれの VPG を求めた. ROI は鼻と口を含む領域に設定した. 続いて VPG を時間窓 10 秒で切り出し, 各範囲において RnAC を求めた後, Fig.4 の線形近似式に代入することで SpO2 の推定値を求めた. 測定時間を 70 秒とし, その途中で呼吸を停止することで SpO2 を低下させる実験を実施し, パルスオキシメータから読み取った実測値と上記の方法で算出した SpO2 の推定値を比較した. 同様の実験を測定時間を 100 秒, 130 秒に変えて 3 度た. 各測定データにおける RMSE の推定値と補正値の比較図を Fig.8 に示す.

Fig.8 より, 各実験回ごとに適切な値を用いて線形近似式のバイアス値の補正を行うことで,SpO2 の推定精度が上がったことが確認できた.
ただし, 本実験ではバイアス値の補正にパルスオキシメータから得られる SpO2 の実測値を利用した. 実測値を用いることなく線形近似式のバイアス値の補正を行う手法を確立するために,実測値と推定値のずれの個人内・個人間差を検証する実験を行った.

行った. 結果を Fig.6 に示す.

–3–

Fig. 10: ROI を変化させたときのバイアス値のずれ
Fig. 7: 実測値と補正値

Fig.10 より, 同一測定回においては ROI 内の面積が大きくなるほどバイアス値のずれが小さくなり, バイアス値のずれのばらつきは大きくなることがわかった. 異なる被験者でも同様の結果となった.

3.2.2

Fig. 8: RMSE の推定値と補正値

3.2

続いて個人間差の検証として, 異なる 5 人の被実験 2

本実験では SpO2 の推定値と実測値との差をバイアス値のずれとして定義し, このずれの個人内・個人間差をそれぞれ検証した. 個人内差の検証では, ROI と LED 強度を変化させたときのバイアス値のずれを調べた. 本実験では, 男
女 5 名を被験者とした.

3.2.1

個人間差の検証結果 : LED 強度を変化させたとき験者において LED 強度を変化させたときのバイアス値のずれについて検証を行った. ROI はFig.10 の結果を受けて, バイアス値のずれのばらつきが最も小さかった鼻と口 (正方形) の領域に固定した. 各被験者には 2 種類の強度の LEDを照射した. 結果を Fig.11 に示す.

個人内差の検証結果 : ROI を変化させたとき

まずは個人内差の検証として, Fig.9 に示すような 3 種類の ROI についてバイアス値のずれを調べた. 結果は Fig.10 に示す.

Fig. 11: ROI を変化させたとき
Fig.11 より, 測定回と ROI が一定のとき同一被験者においてバイアス値のずれおよびそのばらつきが概ね一定であることがわかった. また,Fig. 9: ROI の設定範囲

LED の強度が同じ場合であっても, ROI 内の平均輝度値の個人間差が大きくなっていることが–4–確認できた. ここで, 同一の測定回とは, 設置し定であることがわかっているため, 測定環境のたカメラや LED を片付けることなく, 同一の実再現が困難であるという問題が解決すると個人

験環境下で行った測定を指す.

内差が小さくなるのではないかと考える. しかし, 個人間差については皮膚のメラニン色素等

3.2.3

個人内差の検証結果 : LED 強度を変化させたときの影響を考慮する必要があるため, 異なる対処法を考える必要がある.

最後に, LED 強度を変化させたときのバイアス値のずれについて個人内差の検証を行った. 結5.

果を Fig.12 に示す. なお, Fig.12 において, 同じ種類の枠線で囲まれたプロットは, 測定回が同一である.

結言

本研究の目的はビデオカメラから得られる顔の映像を解析することにより, 非接触で SpO2 を測定する手法を確立することであった.
まず初めに, SpO2 の実測値と推定値の比較を行い, 次いで測定データを用いて線形近似式のバイアス値の補正を行った. 補正を行った結果,SpO2 の推定精度が上昇した. しかし, 前述の方法ではバイアス値の補正に SpO2 の実測値を利用しているため, 実測値を用いることなく補正を行う手法を確立するために, バイアス値のずFig. 12: LED 強度を変化させたときれの個人内・個人間差を検証した. その結果, 同一測定回において ROI 内の面積が大きくなるほ

Fig.12 より, 測定環境がバイアス値のずれにどバイアス値のずれが小さくなり, バイアス値与える影響は大きく, 測定環境が異なるデータのずれのばらつきが大きくなることがわかった.

群はバイアス値のずれの傾向が異なっているこ

また, 測定環境と ROI が一定のとき同一被験者とがわかった.

においてバイアス値のずれおよびそのばらつきは概ね一定であることがわかった.

4.

課題点としては, 考察でも述べた実験回ごと考察

実験 2 の結果から, 測定環境を構築するたびにバイアス値のずれの傾向が変化することがわかった. これは, 測定環境の再構築により LEDの測定環境の再現が困難であるという点と, 本実験の SpO2 推定法が被験者の動きに弱いという点が挙げられる.の傾きやカメラと LED の相対位置等が意図せずにずれてしまっているからであると考えられ

参考文献

る. ここで, 測定環境の再現が困難となる一因
は, 図 6 のようにビデオカメラの周辺 4 箇所に面照明を配置していることが挙げられる. したがって, 内径の異なる 2 種類のリング型照明を用いて, その中にカメラを通すことを考えている.
実験結果から, 測定環境と ROI が一定のとき同一被験者においてバイアス値のずれが概ね一–5–

1) KONICA MINOLTA「パルスオキシメーターは何が測れるの?」https://www.konicaminolta.com/jp-ja/newsroom/topics/2020/0424-01-01.html (2020/10/27)
2) 小坂誠, 吉田愛, and 大江克憲. パルスオキシメータの原理,
日本集中治療医学会雑誌 (2016): 625-631.
3) Shao, Dangdang, et al. Noncontact monitoring of blood
oxygen saturation using camera and dual-wavelength
imaging system, IEEE Transactions on Biomedical Engineering (2015): 1091-1098.