東北大学

COI TOHOKU ずっと健康 変わらず元気 そんな理想の暮らしを目指して
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さりべないセンシングと日常人間ドックで実現する理想自己と家族の絆が導くモチベーション向上社会創生拠点

プロジェクトの進捗と計画

【目次】

さりげないセンサ技術とセンシングシステムの研究開発と実用化

非接触型センサ: 鏡センサ

これまでの進捗

Windows/Android版完成

  • スタンドアロンで動作
  • GLAS LUCE(ハナムラ)へ実装
  • 入力:Webカメラ、映像ファイル
  • 出力:リアルタイムでのモザイク表示+脈波伝搬時間差+自律神経指標(心拍間隔と脈波振幅のLF/HF, CVRR)

検証プログラム作成

  • 指尖脈波との比較、肌色領域リアルタイム追跡可能

出展

  • 2016年11月5日〜6日 サイエンスアゴラ2016 (日本科学未来館)

特許登録(参考)

  • 特許6072893(2017年1月13日) 映像脈波から脈波伝搬時間差を得る方法

発表

  • Blood Perfusion Display Based on Video Pulse Wave, 38th Annual Conference of IEEE EMBC 2016, pp.4763-4767 (August 2016).

「魔法の鏡」の出力例

今後の計画

多様な応用システムの開発

  • データのサーバーへの伝送
  • 遠隔からの体調管理
  • 自動車内体調監視
  • ロボットによる感情把握
  • テレビ視聴者の感情分析
  • アスリートの体調推定

疾患との関連性の追求

  • 糖尿病性神経障害
  • 不整脈などの心臓疾患
  • 治療後の心臓リハビリテーション
  • ビッグデータとしてのゲノム情報との関連

遠隔・非接触的自律神経指標センサ

  • 計測行為を意識させずに製品の客観的評価を行う。
  • デジタルサイネージの注目度の評価を行う。
  • 心拍数・脈波伝搬時間差・自律神経指標の変化で評価する。
  • 何のセンサも身に着けないため、自然な評価が期待できる。スマートフォンへの実装

スマートフォンへの実装

  • 健康が気になる人、特に高齢者がいつでもどこでも健康チェック。
  • スマートフォンで自分の顔を撮影する。
  • 血行モザイク・脈波伝搬時間差・自律神経指標が表示される。
  • 各指標を過去の履歴と比較することにより、現在の体調を把握。
  • データをサーバーにアップロードし、ビッグデータ解析結果を受け取る。
自律神経世界地図

労働環境での健康モニタリング

  • 各指標を過去の履歴と比較することにより、現在の体調を把握し、過労を防止する.

光音響センサ

これまでの進捗

光音響センサによる非侵襲体内物質計測

  • 非侵襲の生体物質モニタリング触って検出
  • 検出器を指で触れると健康診断(例えば、洗面台などに設置)
  • 検出対象物質、血糖値、脂質など

触って健康診断 日常生活において指や手で触って体内の成分検出

通信基盤技術 A

これまでの進捗

(A) 貼付け型・飲込み型センサ用アンテナ

貼り付け型アンテナ

  • 薄型で人体への親和性があること。フレキシブルな基板材料。
偏波ダイバーシティアンテナの試作・評価
  • 人体に貼りつけた状態でも高い放射効率。高効率ダイバーシティアンテナ。
マルチデバイス環境

飲み込み型アンテナ

開発した体内電波伝搬モデルによる最適周波数の解明

(B) ミリ波帯を用いた“錠剤貼付けタイプ”センサ用人体通信に関する検討

mmサイズの錠剤に貼付け可能な小型センサ

ユースケース: 人体内外で通信を行いさりげない服薬管理などを実現する
Ⓐ体外:服薬管理
 種類、個数の管理により誤服薬を防止
Ⓑ体内:服薬検知
 服薬回数、時刻の管理により飲み忘れを防止

貼付型体内センサー

デバイス小型化のためのミリ波人体内通信の検討

小型化のため従来は使用されていなかったミリ波帯での人体内通信について検討し、アンテナや通信回路の開発を行った。

フェーズ1: アンテナの受ける影響について検討・評価し、人体内通信システムについて検討した。[特許出願済]

H28年度: 人体内通信用測定のためのアンテナ構造について開発し人体内を模した環境で動作を確認

低電力高信頼アーキテクチャ

フェーズ1: CMOS集積回路と新機能デバイスである不揮発性素子( Magnetic Tunnel Junction(MTJ)素子(磁気抵抗素子)等)との融合による超低消費電力アーキテクチャ。

H28年度: 回路レベルよりも上位のシステムレベルでの設計・検証環境の構築を目指した。具体的には、 Verilog to Routing(VTR)ツールを用いて、提案の超低消費電力アーキテクチャのシステム設計・検証を行った。

今後の計画

(A) 貼付け型・飲込み型センサ用アンテナ

  • 人体内体表アンテナ用ダイバーシティアンテナの設計技術の確立
  • 安定的な無線通信を実現できる重要な要素技術として、実際の通信システムへの適用可能性についての検討

(B) ミリ波帯を用いた“錠剤貼付けタイプ”センサ用人体通信に関する検討

  • 錠剤貼り付けタイプセンサの投薬管理への利用について検討する
貼付型体内センサー
  • アプリケーションに応じた生体センサシステム用低消費電力・高信頼VLSIプロセッサを検討する
生体センサシステムの構成の例

通信基盤技術 B

これまでの進捗

人体内外で異なる周波数を用いる通信システム

小型かつ人体内外で通信可能なアンテナおよびデバイスを開発する

小型アンテナを用いた人体内通信実証用アンテナの設計

  • 部分入歯に装着可能となるサイズ(25mm以下)のアンテナ単体試作この結果を基にRFIDタグシステムを改修中
今後の計画

開発した無線タグの測定結果を基に以下の検討を行い社会実装につなげる

  • 設計したアンテナを用いて義歯貼り付け時や人体内での特性を評価し、回線設計およびシステム設計を行う
  • 電波暗室内で行い、通信距離や動作検証を行う
  • 電波暗室外での実証実験に向けたデータ取得および実験局免許の取得
  • 専用コンパクトリーダの開発

個人毎の健康状態を把握し評価できる指標に関する解析・予測技術の研究開発

ゲノム解析技術の研究開発

これまでの進捗

高性能SNPカタログの作成

540万プローブを1000人ゲノム検体で検証:品質の高いSNP プローブ200万個所の同定(H27年度から実施) うち、3,041個がジャポニカアレイVer. 2に収載!

優良プローブ

優良プローブ

不可プローブ

不可プローブ

ジャポニカアレイVer.2に収載

(H28. 10月試作、H29上梓予定)

  • 約66万SNPプローブを搭載
  • HLAや疾病に関連する臨床研究用のSNPを多数搭載
  • 今後の疾患志向アレイの社会実装を目指す第一歩
標的疾患 新規搭載SNPs
眼科(加齢黄斑変性、緑内障) 16
メンデル遺伝病関連(シトリン欠損症、プロピオン酸血症、糖原病Ia型など) 95
薬剤代謝関連 10
栄養・代謝関連 28
高血圧・妊娠高血圧関連 45
精神・神経疾患(うつ病など) 21
高脂血症関連 11
過敏性腸症候群関連 13
アレルギー性疾患関連(喘息・アトピーなど) 37
血液疾患・酸化ストレス関連 30
がん関連 8
HLA関連(疾病や薬剤副作用など) 2844

日本人多層オミックス参照パネルの拡充

(H28年度に1,000人規模達成)

日本人多層オミックス参照パネルの拡充

ゲノム・オミックス解析を統合し、次世代疾患志向アレイの開発へ

今後の計画

ToMMo/COI東北大拠点によるセンサー開発とゲノム・オミックス、健康情報の統合による個別化予防プログラムの提供を目指す

ToMMo/COIにおいて基盤技術開発

センサの社会実装を目指したフィージビリティ・スタディ(FS)センシングデータ・ゲノムデータ連携研究

これまでの進捗

妥当性・安全性の確認された中核機関オムロンの研究用機器(尿ナトカリ比計)を用いて社会実装に向けたFSを行う

7日24時間尿Na/K比に対する相関係数 随時尿Na/K比6回平均 ≈ 2日24時間尿Na/K比

7日24時間尿Na/K比 対 複数日24時間尿Na/K比

方法 研究期間:約4週間  参加者:13名

在宅モニタリング
  • ほとんどの対象者が血圧計および尿ナトカリ計を週5日以上測定し、使いやすいと回答
  • 多くの対象者が塩分に気をつけるようになった、野菜を多く食べるようになったと回答
  • 指導する立場としても尿ナトカリ計は数値でみえ、対象者に気づきを持たせることのできるもので、保健指導のツールの一つとして使いたいと回答
今後の計画

高い機器コストに対する対応

社会実装を通じて、機器の汎用性が証明されることにより社会の要請が高まれば1台1台の単価は下がる活用可能な場面を増やすことが機器の価格低下に直結すると期待される。

活用に当たっての先行例の欠如に対する対応

実際に活用した実例をマニュアルとして作成、広く公開することにより社会実装に貢献可能。

研究者のサポートが必要な場面ありに対する対応

データ抽出の場面等、研究者が介在する必要がある状況について使い勝手の良いプログラム開発を行い、保健担当者の負担軽減に貢献。

PHRプラットフォーム、ビッグデータ解析システム、データバンクシステムの研究開発

データの統合・蓄積とビッグデータ解析

これまでの進捗

マルチセンサ情報のクラウド統合・蓄積

COI-STREAMのセンサプロジェクトを通して多様・多重に取得されるセンサ生体情報を収集・蓄積するクラウドプラットフォームを構築し、動作試験を行っている。

マルチセンサPHRと活動量データによるフェノタイピングの連関解析

多数の学生と就労者の活動量データを収集し、睡眠・覚醒パターンによりphenotypingを行った。また、それぞれのphenotypeと健康指標の一つである睡眠の質や主観的な睡眠感との相関性を見出した。

e-ヘルスケアサービスのプロトタイプ確立と健康リテラシ情報との統合

活動量データに基づいて得られた睡眠・覚醒パターンのphenotypeと健康指標の関係性に基づいて、e-ヘルスケアサービスのプロトタイプを作成している。

今後の計画

マルチセンサ情報のクラウド統合・蓄積

COI-STREAMのセンサプロジェクトを通して多様・多重に取得されるセンサ生体情報を、個々人についてシームレスに統合・蓄積するネットワークおよびクラウド・インターフェースを構築する。また、解析および結果のフィードバック機構をクラウド上に確立する。

マルチセンサPHRと活動量データによるフェノタイピングの連関解析

活動量データ計測を多業種就労者、高齢者に対しても実施する。また、COI-STREAM のセンサプロジェクトと共同して、活動量と心拍、体温など他の生体情報との同時計測を行う。これら多次元生体情報から各種生理指標を抽出し、活動量のフェノタイプとの関連付け解析を行う。

e-ヘルスケアサービスのプロトタイプ確立

PHR解析結果に基づいてe-ヘルスケアサービスのプロトタイプを作成し、フィールドで実証実験を実施する。