センサ化された日常環境型計算機を用いた健康管理支援
西田佳史
電子技術総合研究所 知能システム部
要約 健康管理とは、自分のからだとのコミュニケーションの問題に他ならないが、人相互の場合のような理解可能な言動によるコミュニケーションとは異なり、情報機械によるコミュニケーションのサポートが必要である。本稿では、自分とのコミュニケーションを支援してくれる新しいシステムの概念として、日常生活空間において、生理情報の計測→解釈→分かり易く教えてくれる、という一連のコミュニケーションループの形成を支援するシステムの概念を述べ、現在構築中のシステムとその基本機能について述べる。

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緒論

Self Externalized
to Environment

Human

健康管理とは 、自分のからだとのコミュニケーションの問題に他ならないが、人相互の場合のような理解可能な言動によるコミュニケーションとは異なる。専用の測定機器や得られたデータを解釈できるエキスパートなくしては、計測→解釈→分かり易く教えてくれる、という一連のコミュニケーションのループが成り立たない。何らかの自覚症状がある
場合には、それが契機となって、自宅で測定機器を使って計測したり、必要な場合には病院に行くというやり方でこのループがかろうじて実現されているが、痛み、熱でもない限りほとんど自分の健康には気を使わず、普段はループが切れた状態にある。
このように、この種のコミュニケーションループは、自然には生まれないものなので、人工的に作る必要が生じるが、機械、情報処理装置がこのようなコミュニケーションループを作る上で有効な手段であると考える。
本稿では 、上述したような新しいコミュニケーションシステムを日常生活空間で実現することを目的に、自分の健康を普段の生活の中で意識し続けられるようにサポートしてくれるシステムの概念を述べ、現在構築中のシステム (SELF; SensorizedEnvironment for LiFe) について述べる。

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日常空間を利用した自己コミュニケーション・システムの概念

Fig. 1は、 自己コミュニケーションシステムの概念図である。 人が日常生活空間に実現された自己情報処理システムとコミュニケーションを図ることで、 自己を客観的に把握し続けることを支援す

3)Useful report2)Humanobjectification1)Communication
by daily behavior

Fig.1: Concept of self-communication supportるシステムである。 このシステムは、 1) 人間の日常行動によるコミュニケーション、 2) 人間客観化、
3) 有意義レポート、の３つの部分からなっている。
各要素を以下に述べる。
1) 人間の日常行動によるコミュニケーション: 入
出力を日常行動に随伴して生じさせるために、 日常行動を誘発する家具にセンサ等の情報処理装置を埋め込み、 埋め込まれた情報処理装置を使って日常生活を観察したり、 情報を伝達するためのシステムのデザインおよび機能。 2) 人間客観化: 現象を共通の解釈モデルによって分節化し 、 表記することで、 データの客観性／論理性、解釈可能性を保証する機能。 3) 有意義レポート : 作られた客
観データから有意義な事実を抽出し、人に伝達する機能。
上述の機能により、 人の持つ以下の A)∼C) の欠点を補うことが期待できる。 A) 制御不可能性: いつ、 どこで自己のデータにアクセスし 、 思い出すのか、また、このような作業を制御したり、習慣化

伝えるデータは最新の状態に保たれる。

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SELF の基本機能3.1

計測機能および伝達機能

Daily Behavior Loop

Camera set behind
two-way mirror
Directional microphoneby ceiling dome

EmbeddedinmooEmbeddedinroomr

ed in room
bedd
EmEm beWashstand display

d d e d in roo m

Pressure sensor bed

Fig.2: Habituation support with daily behavior
loop

Fig.3: Sensorization

することが困難である。B) 主観性: 自分が持っている自己のデータは客観的な根拠に基づいておらず、主観的で不正確になりがちである。 C) 知識依存性:
自己のデータはその人が持っている知識によってのみ作られるので、 必要な知識がなければある信号が無意味なものとして無視されることがある。
また、 提案システムの利点は次のように整理できる。 a) データの客観性: 自己を科学的事実のような一定の基準に基づいて客観的表象として抽出し 、外在化することで、 我々は自己のデータを客観的に参照でき、 自己の変化を知覚することがで
Fig.4: Photograph of sensorized environment
き、 その変化を評価することで自己を改善することができる。b) 解釈能力の強化: 必要な知識を持っ構築中のシステム SELF（ Fig. 4参照）では、 まていなくとも、 システムが人間モデルを使って重要な意味を抽出してくれる。 c) システム使用の持 ず、自己コミュニケーションループの計測機能に関続可能性: c-1) データ入出力の確実性: 人間のデー して、Fig. 3 に示すように日常行動を情報処理のタの入出力が、 システムの存在に関わらず繰り返 対象として扱うことのできる新しい計算機として、し生じる日常行動 (Fig. 2の日常行動ループ参照) 日常空間それ自体をセンサにするという観点から、を利用してなされるために、 確実に人間のデータ キーボード（接触センサの一種）はベッド型の接触を入出力することを保証する。 c-2) データ更新の センサ（圧力センサベッド ）に、マイクロフォンは自動性: 定期的な人間データの更新が保証されるの 照明装置（ド ーム天井マイクロフォン ）に、 計算で、システムが処理するデータ、システムが我々に 機モニターはカメラ付きの洗面台（洗面台型ディスプレ イ）に変形されている。

Air flow

Body movement

SaO2

Snore

PostureFig.5: Typical sensors for monitoring breath status

Fig.7: Pressure image

Airflow at noseand mouth
Movement at chestand abdomen
SaO2
Breath curveby pressure sensor
bed

0200

4006008001000

Time [s]Fig.6: Pressure sensor bed
また、解釈に関しては、Fig. 5に示した呼吸状態計測センサ群に相当する生理量の解析が可能である。Fig. 5に示されているセンサは 、左から胸部の体動量を測定する圧力センサ、鼻・口における気流を測定する温度センサ、異常呼吸音を測定するマイクロフォン、血中酸素飽和度測定する赤外線センサ、体位を測定する水銀式センサである。SELF において、体動量測定用圧力センサ、血中酸素飽和度測定用赤外線センサ、体位測定用水銀式センサに相当するのが圧力センサベッドであり、呼吸音測定用

Fig.8: Detection of Cheyne-Stokes-like breath bypressure sensor bed
マイクロフォン、気流測定用温度センサに相当するのが、ド ーム天井マイクロフォンである。
出力に関しては、現在、分かりやすく健康管理情報を表示してくれる洗面台型のディスプレイ装置を試作中である。
現在の SELF は、 計測／解釈できる生理量が限られているものの、1) 睡眠時にベッドに行き、 眠ると圧力センサベッド、 ド ーム天井マイクロフォンを用いて人の生理量を測定する、 2) また、 起床して洗顔、 化粧のために洗面台に行くと、 洗面台型ディスプレイを用いて有意義な情報を人に伝えるceiling dome
microphone

900mm

Integral of Power Spectrum
from 5 to 15 [kHz]Fig.9: Ceiling dome microphoneexhalation soundone breath

inhalation soundFig.11: Prototype of washstand display
breathing sound

01020

Time [s]30の検出例を示している。

40
room noise

Fig.10: Experimental result of detection of normal breath soundsという、自己コミュニケーションループが実現されている。
以下に実現された生体無拘束計測機能、 健康管
理支援機能の詳細を述べる。

1. 圧力センサベッド :圧力センサベッドは、筆者らにより開発した圧力センサシートが取りつけられている。圧力センサシートは、空間分解能約 7[cm] で配置された 210 個の圧力セン
サからなり、Fig. 7に示すような 12[bit] の圧力分布画像を入力することができる。この圧力分布画像を画像処理することで、呼吸曲線、 血中酸素飽和度の降下、 体位、体動等の生理量を無拘束計測することが可能である[1, 2, 3]。Fig. 8は圧力センサベッドによる、Cheyne-Stokes 類似呼吸と呼ばれる呼吸波形

2. ド ーム天井マイクロフォン : 試作したド ーム天井マイクロフォン (Fig. 9参照) は、 球形のドーム天井、 マイクロフォン、照明装置からなり、 間接照明としての役割と、 収音装置としての機能を実現している。 マイクロフォンは、ド ーム天井の聴覚焦点位置に上向きに取りつけられている。 試作したドーム天井マイクロフォンの写真を Fig. 9に示す。 ド ーム部は曲率半径が 775[mm] の球面で、 開口部の円の半径は、 450[mm] であり、ドーム天井による収音効果は、6[kHz] 以上の高周波成分に対して、20[dB] 程度である [4]。Fig. 10は、ド ーム天井マイクロフォンによる正常呼吸音の検出例を示している。
3. 洗面台型ディスプレイ: 洗面台ディスプレ イ
は、 ぷりんとクラブ技術を応用し 、 カメラ、モニター、 ハーフミラーから構成されている。 顔を写しながら、 その周りに後述する生理モデルによって解釈された生理情報に基づいた有意義なレポートを表示することがで 現在構築中のシステムとその基本機能について述きる (Fig. 11参照)。
べた。
計測に関しては無拘束計測の分野で様々な装置、手法が提案され、知見が蓄積されている点、健康
3.2 解釈機能ブームに代表されるように健康への関心が高まっている点などから、自宅での自己コミュニケーション
Physiological Layer
システムの実現の条件はニーズ、テクノロジーの両
Sleep Apnea Syndrome Model
If AI>5 then Sleep Apnea Syndrome
面から徐々に整いつつあるといえるが、計測・解釈・
else Normal Breath
Description of
upper variables based on
提示の中でも解釈や提示部分、すなわち、サービス
fundamental variables
Apnea Modelに関しての研究は立ち後れており、今後、積極的にAir flow < threshold
Body movement < threshold
取り組まれるべき課題だと考えている。
Oxygen desaturation model
Analysis of Cheyne-Stokes-like breathing

Air flow < threshold
Body movement > threshold

Physical Layer

Breath curve

PostureAir flow at mouth/nose
Position
Snore
Body movement

Extraction offundamental physiologicalvariables from sensor data

Breathing model
Same phase sum method

Posture model

Breath frequency model

謝辞: 本研究を進めるにあたり、 システム構築に協力を頂いた電子技術総合研究所知能システム部の比留川博久氏、脇田優仁氏、堀俊夫氏に感謝致します。圧力センサベッド、および解釈ソフトウェア
は、電子技術総合研究所、東京大学、東京女子医科大学、（株）デンソーとの共同研究により開発された。本研究の一部は科学技術庁流動促進研究費 (平成 10-12 年度 環境感覚を用いた人間の生理情報の蓄積とその応用に関する研究 ) により実施された。

Sensorized Environment
Sensorized bed

Sensorized
CeilingFig.12: Human model for understanding physiological meaning

参考文献[1] 西田, 武田, 森, 溝口, 佐藤, ”圧力センサによる睡眠中の呼吸・体位の無侵襲・無拘束な計測,” 日本ロボット学会誌, Vol. 16, No. 5, pp.
705-711, 1998

人間客観化機能のための生理モデル : 生理モデ
[2] 山崎, 高山, 西田, 石井, ”圧力センサベッドにルは人間の日常行動・体動を生理的な意味空間へとよる呼吸の測定,” 日本口腔・咽頭科学会 口腔・変換し、 データの客観性、解釈可能性を保証する。
咽頭科 (総会号), Vol. 12, No. 1, pp. 51, 1999
Fig. 12 は作成した人間モデルを示す。 モデルは、計測された日常生活データ (就寝中) から呼吸曲線、 [3] Y. Nishida, T. Suehiro, S. Hirai, ”Estimationof Oxygen Desaturation by Analyzing Breath
鼻・口の気流などの基本生理量を推定する。 生理的Curve,” Journal of Robotics and Mechatronな知識を利用することで、無呼吸、 Cheyne-Stokes
ics, Vol. 11, No. 6, pp. 483-489, 1999
類似呼吸、 血中酸素飽和度降下などのより上位の生理量を推定することが可能である。 すべての生[4] 西田, 堀, 末廣, 平井, ”ド ーム天井型マイクロ理量は無拘束計測によって測定されている。
フォンを用いた呼吸音の検出,” 信学技法 ME とバイオサイバネティックス MBE2000-47, 2000

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おわりに

本稿では、自分とのコミュニケーションを支援してくれる新しいシステムの概念として、日常生活空間において、生理情報の計測→解釈→分かり易く教えてくれる、という一連のコミュニケーションループの形成を支援してくれるシステムの概念を述べ、