ABML2011

O1-4

2011年11月3日-5日 東京（芝浦工業大学）

高齢者の行動と健康を見守るロボットシステム
A Robot Monitoring System for Elderly People’s Activity and Health○ 矢舩 資洋（元 富山県立大学） 大島 徹（富山県立大学）
小柳 健一（富山県立大学） 本吉 達郎（富山県立大学）
Motohiro YAFUNE, formerly Toyama Prefectural University
Toru OSHIMA, Toyama Prefectural University
Ken’ichi KOYANAGI, Toyama Prefectural University
Tatsuo MOTOYOSHI, Toyama Prefectural University
Abstruct: In this paper, we proposed a health monitoring system for elderly people, in order to promote them to go out
without anxiety or trouble of their health. The system can measure vital signs of the users without contact or wearing ofsensors to monitor the user’s health condition. We developed a prototype of the system, which can measure the user’s heart
rate and respiration rate by a microwave Doppler sensor, as well as the user’s body surface temperature by a thermopile
sensor. We also developed the user interface of the system, in order that elderly people can easily use the system in their daily
lives without diﬃcult operations. Using the prototype system, we veriﬁed measured values of the sensors by comparison withmedical equipment and exact instruments.
Key Words: Health Monitoring, Support for Going Out, Non-Contact Sensing, Vital Signs
1. はじめにや診断・アドバイスを受けられるようなシステムの実現が望ま

近年，日本は著しい高齢化社会となり，今後益々その傾向はしい．また，高齢者の積極的な社会への参加を促す仕組み作り強まると予想され，様々な分野で早急な対策が望まれているも重要である．昨今，地域のイベント情報閲覧や情報交換，オ[1]．特に高齢者にとって健康の維持と社会への積極的な参加

ンラインショッピング，その他オンラインサービスの利用などは豊かで健やかな高齢期を過ごすために重要である．個々人がは，PC や携帯電話，その他の情報通信機器（スマートフォン，自分の健康状態を知りその状態に応じて社会と関わりを持ち続タブレット型端末，ネットブック，ゲーム機器など）を用いて行けていくことは，本人や家族にとって，あるいは社会にとってうことが一般的となっているが，高齢者にとって特にサービスも，高齢期に渡る生活の安心・安全や人生の豊かさを実現するが必要であっても，操作が複雑であるなどの理由で利用が困難上で，その礎となり大変重要である．

であったり敬遠したりする場合も未だ多くあると考えられる．

高齢者が毎日の体温や血圧を記録することは健康管理上有益

高齢者にとって必要度の高い種々のネットワークサービスの利と考えられるが，一般医療用具・機器を用いた場合には取扱い用を簡単な操作で行えるような情報端末及びネットワークシス

や計測値の記録が煩わしく，視覚化や評価・診断も一般の高齢テムの実現も，高齢者が積極的に社会へ参加し，また生活で必者には困難が伴う．そこで，高齢者が気軽に日々の健康状態を要な支援を享受するために，今後益々重要性が増していく．

測定し，記録や視覚化を容易に行えて，またオンラインで評価

また，近年マイクロ波ドップラーセンサのような非接触セン

Health security and conviniencefor going out
Network

࣭Information terminal for elderly people࣭Health management before and after going out

There is aninformation of events.

Promotion of going outVital sensors

You look good condition.
LCD
Operation switch

Information service
for events, transport,health management, etc.

Monitoring of vital signs(beat, respiration,body temperature, blood pressure)

A bus is coming
in a while.

I’ll join the event.

࣭Expression for event participation
࣭Mail delivery of invitation
࣭Reservation for taking a bus

Elderly people

Fig. 1 Conceptual sketch of the health monitoring system for elderly people

O1-4-11

Built-in camera

Touch screen PC(Dell Inspiron One 19 Touch)

Information
display

AD interface

AVR-USB
micro computer(DS1M12 Stingray)(AT90USB162)

Thermopile sensor

Power supply forsensor circuit

Touch screen

Doppler sensor
circuitOperation
input

Doppler sensor
module kit(Akizuki Denshi K-00650)

Web camera(built-in)

Microwave
Doppler sensor(Shin-Nihon Musen
NJR4178J)

AD interface

Thermopile sensor
module(A&D AD-5613A)

AVR-USB
micro computer

Users

Microwave
Doppler sensor

Fig. 3 The prototype system
Portrait image

Heart rate andrespiration rate

Body temperature

2-3 マイクロ波ドップラーセンサ

Fig. 2 System configuration

マ イ ク ロ 波 ド ッ プ ラ ー セ ン サ と し て ，新 日 本 無 線 社 製
サを用いて心拍や呼吸といったバイタル情報を読み取り，対象者の健康状態を検出しようとする試みがある [2][3]．健康状態を検出する際にこのように非接触センサを用いることでユーザーが機器を利用する負担を軽減することができ，日常的に使NJR4178J を用いた．センサ本体は W47 × H40 × D12 [mm]の大きさで，センサ前面に設けられたアンテナパッチにより10 GHz 帯のマイクロ波を送受信し，ドップラー効果によりアンテナ照射範囲内における物体の動きを検出する．
センサ回路として，秋月電子通商社製のドップラーセンサモ用する機器で実現されれば利便性が向上する．
本研究では，複数の生体センサを備えて高齢者の行動と健康を見守り，また情報提供などのサービス機能も持ったネットワークロボット的な情報ネットワーク端末・システムの実現を目指す．具体的には，マイクロ波ドップラーセンサにより心拍数及び呼吸数を非接触で計測する機能，及び，サーモパイルセンサにより体表面温度を非接触で計測する機能を実現する．また，生活の中で大きな負担なく使えるように，あるいは，種々の機能の操作を容易に行えるようにインタフェースの開発もジュールキット K-00650 を改造して用いた．ドップラーセン
サの出力は，まず AC カップリングによりセンサ回路に入力される．AC カップリングはカットオフ周波数約 0.2 [Hz] のHPF として働く．入力信号はオペアンプにより構成された 2段の増幅器により増幅される．増幅器の入力信号及び増幅信号がオペアンプの動作電圧 0〜3.5 [V] 内となるように，AC カップリングにおいて約 2 [V] のバイアスが加えられている．元の回路では 2 段の増幅器を合わせたゲインは約 10,000 であったが，心拍や呼吸の動きを検出する際に増幅された信号が動作電行う．

圧内に収まるように，2 段合わせたゲインが約 2,300 となるように抵抗値を変更して調整した．増幅された信号は，家庭用電2. 高齢者見守りシステム

源ノイズ (60 [Hz]) を取り除くノッチフィルタ，及び，カット2-1 概要
システムの概念図（コンセプトスケッチ）を Fig. 1 に示す．
システムは，液晶ディスプレイ，生体センサ，操作部などを備え，ネットワークに接続されている．ユーザーの基本的な健康状態を表わす脈拍・呼吸・体温などのバイタル情報を，生体センサによって日常生活を行う中で特別な操作をすることなく自オフ周波数約 53 [Hz] の LPF を通して AD インタフェースへと入力される．

2-4 サーモパイルセンサ
サーモパイルセンサモジュールとして，A&D 社製放射温度計 AD-5613A の内部モジュールを用いる．AD-5613A の内部モジュールは測定した温度を SPI 信号として出力してお然に取得して，健康状態の記録・管理を行う．

り，ストロベリー・リナックス社製 AVR-USB マイコンボード

2-2 試作システム
試作システムの構成を Fig. 2 に示す．試作システムは，タッチスクリーン PC，内蔵 Web カメラ，ドップラーセンサ，ドップラーセンサ回路，AD インタフェース，サーモパイルセンサモジュール，AVR-USB マイコンから構成されている．実際に構築した試作システムは，Fig. 3 に示すようなものである．

AT90USB162 を介してタッチスクリーン PC の USB 端子に接続されている．PC 側からは仮想 COM ポートとして認識され，AVR-USB マイコンの SPI 信号入力ポートより入力されたデータは解析処理した上でシリアル通信により PC に送られて，PC 上のアプリケーションプログラムに取り込まれる．

ディスプレイ部分はタッチパネルになっており，指で触れることで画面上のボタンなどを操作できる．ディスプレイ上端には Web カメラが内蔵されており，ユーザーの様子を撮影できるようになっている．前面下部にドップラーセンサが取り付けられ，上部にサーモパイルモジュールが取り付けられている．
ディスプレイに向かって座ったユーザーに対して，ドップラーセンサは胸部を向くように，サーモパイルセンサは顔面・首部・

3. 心拍数及び呼吸数の推定
ドップラーセンサ回路からの信号は AD インタフェースにおいて AD 変換され，PC 上のアプリケーションプログラムに取り込まれる．AD 変換は 12 ビットの分解能で行われる．変換される最小ビットが 0.005 [V] に相当するモードを用い，サンプリング周期は 0.001 [sec] とした．

8,192 点の連続した計測値を用いて FFT を行って振幅スペ胸部付近の体表面を捉えるように設置されている．

クトルを求めた．その後，心拍数については約 0.8〜1.5 [Hz](約 48〜90 [bpm]) の範囲で，呼吸数については約 0.2〜0.75
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28.0

82

27.0

thermopile sensor
bocy surface temperature [degC]

microwave doppler sensor
heart rate [bpm]

84

80
78
76
74

26.0
25.0
24.0
d=300mm23.0

d=400mm22.0
d=500mm

72
21.0
36.2

70
70

72

74

76

78

80

82

36.3

36.4

36.5

36.6

36.7

36.8

mercury-in-glass thermometer
axillary temperature [degC]

84

photoplethysmographic sensor
heart rate [bpm]Fig. 6 Body temperature

Fig. 4 Heart rateに，A&D 社製生体情報モニタ TM-2564GP による計測値と比較した．この機器は主に病院で入院患者などのベッドサイドモ

microwave doppler sensor
microwave doppler sensor
respiration rate [bpm]
heart rate [bpm]5084

ニタとして用いられているものであり，ECG(心電図)，血圧，4582

脈拍，SpO2 (動脈血酸素飽和度) を測定する機能を持つ．今回

4080

また，一定の呼吸数で呼吸を行えるように被験者にメトロノー

はこのうち光電式センサによる脈拍の測定機能のみを用いた．
ムでリズムを示して，それに合わせて呼吸を行うように指示を

3578

行った．

30

心拍数の測定結果を Fig. 4 に，呼吸数の測定結果を Fig. 57625に示す．心拍数および呼吸数の測定結果について相関係数を求めると，それぞれ 0.98 および 0.99 であり，平均誤差はそれぞ

7420

れ 0.5[bpm]，0.8[bpm] であった．この結果から，大きな体動が7215ない場合に，ドップラーセンサによる心拍数の推定値と生体情報モニタの計測値が近い値を示すことが確かめられた．また，701070107215207425763078358040

photoplethysmographic sensor
metronome
heart rate beat[bpm][bpm]8245

一定のリズムで呼吸を行った場合に，ドップラーセンサによる8450

推定値がリズムのテンポに近い値を示すことが確かめられた．

4-2 サーモパイルセンサ測定実験
サーモパイルセンサの測定実験を行い，試作機で用いたサー

Fig. 5 Respiration rate

モパイルセンサにより測定される体表面温度について有効性の[Hz] (約 12〜45 [bpm]) の範囲で振幅が最大となる周波数を求
め，それぞれ振幅最大となる周波数のデータ 1 点とその上下の周波数のデータ 2 点を合わせた計 3 点について，振幅の対数を取って 2 次関数近似を用いてピークの推定を行い，各々のピーク周波数を心拍数と呼吸数の推定値とした．作成したプログラ
ムにおいて，始めの計測値を求めるまでに約 8 [sec] 掛かるが，その後の計測値の更新は約 1 [sec] ごとに行えるようになっている．

検証を行った．サーモパイルセンサによってどの程度人間の体温を推定できるかを見るために，健康時の平熱の範囲内で水銀体温計による体温の測定値と比較を行った．測定距離を 300,400, 500 [mm] の 3 段階に変えて測定実験を行った．
測定結果を Fig. 6 に示す．それぞれの測定距離において相関係数を求めると，300, 400, 500 [mm] のとき，それぞれ，0.81, 0.67, 0.67 であった．この結果から，300〜500[mm] の測定距離においてサーモパイルセンサの測定値は平熱の範囲内で腋下体温とある程度相関があるといえる．そして，測定距離が近いほど相関が強いことが分かる．また，測定距離が 300, 400,4. 実験
4-1 ドップラーセンサ測定実験
ドップラーセンサの測定実験を行い，試作機に用いるドップラーセンサ信号から推定される心拍数及び呼吸数について有効性の検証を行った．被験者が試作システムに向かって座った状態で，ドップラーセンサにより心拍数と呼吸数の推定を行った．被験者は着衣のまま実験を行い，大きな体動がないように指示を行った．心拍数が正しく推定できているか評価するため

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3500 [mm] のときに，近似直線による推定値の平均誤差はそれぞれ，0.07, 0.07, 0.06 [℃] であり，最大誤差はそれぞれ，0.22,0.22, 0.17 [℃] であった．Fig. 6 を見ると，体温が低いときは測定距離によらずばらつきが大きい傾向がある．

Camera image
㸦mirrored image㸧

バスの予約などを可能として，多機能化することにより高齢者Heart rateの利便性向上・外出支援と手軽な健康管理を兼ね備えた端末を実現することが望まれる．

Respiration rate

参考文献
Body surface temperature[1] 内閣府：“平成 22 年版 高齢社会白書,” 佐伯印刷 (2010.7)[2] 武田優大, 西本哲也：“マイクロ波による自動車乗員心拍の非接触測定,” 計測自動制御学会東北支部第 232 回研究集会講演資料, 232-18 (2006.11)

Captured
portrait image

Recordbutton[3] 大久保和也, 西本哲也：“救急救命のための自動車搭載型心拍・呼吸測定装置の開発,” 計測自動制御学会東北支部

Viewbutton

第 253 回研究集会講演資料, 253-2 (2009.11)

Fig. 7 The user interface of the prototype system

5. ユーザーインタフェース
試作したアプリケーションプログラムのユーザーインタ
フェースを Fig. 7 に示す．Web カメラより取得した画像を左右反転して大きく描画し，鏡面映像としている．機能の実装には OpenCV Ver2.1 を用いた．鏡面映像を提示するのは，外出前に身だしなみを整える用途に利用可能とすることで，そのとき同時にユーザーの健康状態を記録・チェックできるようにするためである．画面右端に上方から心拍数，呼吸数，体表温度が表示される．画面左下にはユーザーのポートレート画像がキャプチャされて表示される．ユーザーの正面顔を OpenCVの物体認識アルゴリズムにより検出して，画像のキャプチャが行われ，画面に表示される．画面右下に記録ボタンと閲覧ボタンが設けられており，記録ボタンが押された際に日付，時刻，心拍数，呼吸数，体表温度，ポートレート画像などが記録され，閲覧ボタンが押すことで一覧表示ができる．

6. おわりに
本報告では，複数の生体センサを備えて高齢者の行動と健康を見守り，また情報提供などのサービス機能も持ったネット
ワークロボット的な情報ネットワーク端末・システムの概要について示し，試作システムを実際に製作した．試作システムに用いたドップラーセンサとサーモパイルセンサにより，心拍数，呼吸数，体温の測定が行えることを確認するために，医療用生体情報モニタ，メトロノーム，水銀体温計を用いて測定値と比較を行った．その結果，ドップラーセンサおよびサーモパイルセンサによる心拍数，呼吸数，体温の推定値は，医療用生体情報モニタ，メトロノーム，水銀体温計による真値といずれも相関が強く，高齢者の健康を日常生活の中でモニタリングする目的では有効と考えられる．また，開発した試作システムにおいては，基本的なユーザーインタフェースとして，心拍数，呼吸数，体表温度の測定・表示・記録・閲覧機能が実装されており，また，付加機能として，バイタル情報の測定時にユーザーのポートレート画像をキャプチャするカメラ機能も実装されている．
今後の課題として，複数の中高年者などを被験対象者として心拍数，呼吸数，体温の推定値の検証をさらに行う必要がある。
また，ネットワーク通信により高齢者の安否確認や，健康促進のための情報提供，地域のイベント情報の配信，オンデマンド

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