創(chuàng)新醫(yī)療保健 看人體傳感器如何消除痛感
人體傳感器為醫(yī)療保健開啟新時代，利用“非接觸”、“非侵襲”式測量技術(shù)對人體信息進(jìn)行測量，會讓患者免除以前傳統(tǒng)測量所帶來的疼痛或不適感。自日本大學(xué)展示只需用手指接觸即可測量血壓的技術(shù)后，歐姆龍、豐田、富士通研究所紛紛研發(fā)無感人體傳感技術(shù)，致力于為新一代醫(yī)療保健保駕護(hù)航。
醫(yī)療保健即將步入新時代，因?yàn)榕c此前截然不同的技術(shù)的開發(fā)變得活躍起來。那就是利用電子技術(shù)、無需接觸人體或承受疼痛即可測量人體信息的技術(shù)。
人體信息測量的形態(tài)將隨著電子技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)生巨變。以前的人體信息測量一般要固定患者的體位、在身體上粘貼電極，會給患者造成疼痛或不適感。大部分讀者應(yīng)該都有過在胳膊上纏上壓迫帶量血壓、或是在身上貼上電極測量心電圖的經(jīng)歷。像筆者這樣，對用壓迫帶纏住胳膊和在身上貼電極感到緊張的人應(yīng)該不在少數(shù)。
而現(xiàn)在，“非接觸”、“非侵襲*”測量人體信息的技術(shù)的開發(fā)迅速活躍起來（圖1）。被測者（患者）幾乎感覺不到正在進(jìn)行測量，因此能消除患者測量時的心理壓力。
圖1：應(yīng)用電子技術(shù)，步入“非接觸”、“非侵襲”時代
以前測量人體信息時要經(jīng)歷“束縛”、“貼電極”、“壓迫”等狀態(tài)，而最近，實(shí)現(xiàn)“非接觸”、“非侵襲”的技術(shù)開發(fā)事例相繼出現(xiàn)。注：非侵襲是指，不會造成疼痛和痛苦等。
例如，在2012年11月于德國舉行的世界最大規(guī)模醫(yī)療器械展“MEDICA 2012”上，日本大學(xué)展示了只需用手指接觸即可測量血壓的技術(shù)，受到了與會者的極大關(guān)注。
2013年3月，在“第77屆日本循環(huán)器官學(xué)會學(xué)術(shù)集會”上，豐田與電裝、日本醫(yī)科大學(xué)共同展示了利用汽車方向盤推測駕駛員血壓的技術(shù)。豐田表示，“如果是每天都開車的人，只需和平常一樣握住方向盤即可測量每天的血壓、進(jìn)行管理”。
此外，富士通研究所2013年3月宣布開發(fā)出了通過面部視頻實(shí)時測量脈搏的技術(shù)。為個人電腦的顯示器裝上網(wǎng)絡(luò)攝像頭、再安裝所需軟件，“只需在辦公室用電腦正常工作，就能監(jiān)控脈搏的變化”。以上這些還只是非接觸、非侵襲測量人體信息開發(fā)示例的一小部分。
開拓新市場
非接觸、非侵襲地測量人體信息的優(yōu)點(diǎn)不僅僅是能消除患者的痛苦和不適感，還有能為兒童、老年人以及因疾病等難以固定或約束的患者進(jìn)行測量。而且，易于實(shí)現(xiàn)長期（連續(xù)的）監(jiān)控，因此還能用于疾病征兆的確認(rèn)和老年人看護(hù)等用途（圖2）。
圖2：“非接觸”、“非侵襲”的優(yōu)點(diǎn)
實(shí)現(xiàn)“非接觸”、“非侵襲”地測量人體信息的優(yōu)點(diǎn)包括，可消除被測者的痛苦和不適感、擴(kuò)大測量對象、實(shí)現(xiàn)長期（連續(xù)）監(jiān)控，等等。
也就是說，能用于與此前不同的患者和使用場景，有望開拓新的市場?？梢哉f，開發(fā)非接觸、非侵襲測量技術(shù)不是為了替代原來的測量技術(shù)，而是要開拓全新的醫(yī)療健康市場。
歐姆龍健康醫(yī)療于2012年5月推出的“歐姆龍睡眠儀HSL-101”稱得上是非接觸測量人體信息的領(lǐng)軍產(chǎn)品。睡覺時，只需將該產(chǎn)品設(shè)置在人體周圍 1.5m內(nèi)的床邊即可測量呼吸等，從而判斷睡眠狀態(tài)。其原理是，向睡著的人的胸部等部位照射10.5GHz的電波，通過反射波和入射波的相位差檢測呼吸等。該產(chǎn)品采用了愛爾蘭風(fēng)險企業(yè)BiancaMed的技術(shù)。
此前在測量睡眠狀態(tài)時，采用的方法有多導(dǎo)睡眠圖檢查（PSG檢查）等，但這些方法需要把電極等貼在身體各處，十分麻煩。歐姆龍健康醫(yī)療學(xué)術(shù)技術(shù)部技術(shù)探索組主任堤正和表示，“PSG檢查會讓被測者意識到自己正在處于測量之中，反而更睡不著了。我們想開拓測量自然睡眠狀態(tài)的市場”。HSL-101上市已經(jīng)一年多，“銷售情況非常好，超出了當(dāng)初的目標(biāo)。注重健康的40多歲和50多歲的男性用戶比預(yù)想的要多”。這是利用非接觸的特點(diǎn)開拓新市場的一個很好的案例。
技術(shù)開發(fā)聚焦于“心跳”測量
下面介紹一下以開拓新的醫(yī)療健康市場為目標(biāo)推進(jìn)開發(fā)的非接觸、非侵襲地測量人體信息的技術(shù)。不過，人體信息的范圍很廣。從現(xiàn)在的開發(fā)事例來看，大多數(shù)產(chǎn)品的主要測量對象是心率和脈率注1）。因?yàn)橥ㄟ^心率可以看出很多問題，心率是重要的人體信息之一。比如，可以通過心率推測心理壓力的程度和血壓等。
注1）心率是每分鐘心臟跳動的次數(shù)，脈率是手腳動脈每分鐘跳動的次數(shù)。健康的人的心率和脈率一致。
眾所周知，心理壓力的程度可以根據(jù)心跳間隔推測出來。心跳間隔很規(guī)則，說明人處于放松狀態(tài)，而心跳間隔越不規(guī)則，說明壓力越大。根據(jù)這一規(guī)律，利用前面提到的富士通研究所的脈搏測量技術(shù)，“只需在辦公室正常利用電腦工作，即可監(jiān)控心理壓力的狀態(tài)”，能實(shí)現(xiàn)更有意義的系統(tǒng)。
另外，前面提到的日本大學(xué)和豐田等開發(fā)的技術(shù)都是在測量脈搏后，利用脈搏數(shù)據(jù)計算血壓（圖3）。豐田是“結(jié)合脈搏的傳播時間和多種數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了血壓推測”，而日本大學(xué)工學(xué)部教授尾股定夫表示，“我們不是通過傳播時間獲得血壓數(shù)據(jù)，而是確立了可通過一個脈搏波形直接計算出血壓的算法”，雖然雙方采用的方法不同，但將脈搏數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成血壓這一點(diǎn)是相同的。
圖3：根據(jù)脈搏計算血壓
日本大學(xué)和豐田等各自開發(fā)出了根據(jù)非侵襲方式獲得的脈搏數(shù)據(jù)計算血壓的技術(shù)（a、b）。都是利用LED光獲得脈搏數(shù)據(jù)。
也就是說，只要能以非接觸、非侵襲的方式測出心跳和脈搏，就有望以非接觸、非侵襲方法掌握心理壓力情況和血壓。此前，心率一般通過心電圖（ECG，electrocardiogram）等測量。那么，為實(shí)現(xiàn)非接觸、非侵襲測量心率和脈率，現(xiàn)在正在開發(fā)哪些技術(shù)呢？根據(jù)所利用的技術(shù)的種類，主要可分成五種，分別是（1）LED、（2）圖像處理、（3）加速度傳感器、（4）電磁波、（5）光纖。下面就一一加以說明。
實(shí)現(xiàn)單芯片化
?。?）利用LED測量心跳和脈搏的方法得到了日本大學(xué)和豐田等的采用。如圖3所示，這種方法是在手指等觸碰的部分，配置使用LED的發(fā)光模塊和使用光電晶體管等的受光模塊，利用血液中的血紅蛋白容易吸收綠色等特定波長的光的特性，用LED照射手指，利用其反射光來檢測脈搏。這種方法的應(yīng)用比較廣泛，新日本無線已于2013年6月開始銷售將綠色LED和光電晶體管集成在一個封裝內(nèi)的通用脈搏傳感器。
另外，日本大學(xué)表示，在利用LED測量脈搏的方法中組合使用了該大學(xué)的尾股教授開發(fā)的“相移法”技術(shù)。日本大學(xué)沒有公開具體的機(jī)制，不過尾股教授強(qiáng)調(diào)，“利用相移法可大幅提高信噪比，所以能獲得精度極高的脈搏波形。正因?yàn)槿绱瞬拍馨衙}搏轉(zhuǎn)換成血壓”。
自從在MEDICA 2012上展出后，全球各地的企業(yè)等紛紛對相移法提出咨詢。尾股教授最近成功地在一枚芯片上集成了含有相移法數(shù)據(jù)處理的核心部分，他表示，芯片尺寸目前為1cm2見方，不過“數(shù)mm見方的小型化也已經(jīng)有了眉目。屆時就能安裝到便攜終端，因此有望實(shí)現(xiàn)利用智能手機(jī)配備的用作閃光燈的LED，用智能手機(jī)測量脈搏和血壓的方式”。日本大學(xué)打算在2013年內(nèi)與合作伙伴合作推出該芯片。
無需新硬件
富士通研究所開發(fā)出了（2）利用圖像處理測量心跳和脈搏的技術(shù)，該技術(shù)是通過分析面部視頻的顏色成分來檢測脈搏（圖4）。
圖4：僅拍攝面部即可計算出脈率
本圖為富士通研究所開發(fā)的根據(jù)面部視頻測量脈搏的技術(shù)的測量原理。將面部顏色分為RGB成分，根據(jù)綠色的亮度變化計算脈率。（圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)富士通研究所的資料制作）
具體而言，富士通研究所也是利用血紅蛋白容易吸收綠色光的特性，通過捕捉面部表面綠色成分的亮度變化來檢測脈搏。首先，根據(jù)拍攝的面部視頻，按幀將圖像分成RGB顏色成分并計算出各自的平均亮度，然后從中去除各顏色共同的噪聲，僅提取綠色成分的亮度波形。拍攝視頻后最短只需5秒即可測出脈搏。
這種方式所需的視頻分辨率大約為VGA，幀頻只需20幀/秒左右。因此，使用市面上銷售的網(wǎng)絡(luò)攝像頭或智能手機(jī)配備的攝像頭就足夠。“無需準(zhǔn)備新的硬件。實(shí)用化時設(shè)想的使用方式就是只需將圖像處理軟件作為應(yīng)用安裝到個人電腦和智能手機(jī)上即可”（富士通研究所人本計算研究所人類解決方案研究部主任研究員豬又明大）。計劃2013年內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
除此之外，微軟在2013年6月于美國洛杉磯舉行的“Electronic Entertainment Expo（E3）”上，利用與該公司的新一代臺式游戲機(jī)“Xbox One”配套銷售的手勢輸入控制器“Kinect”，進(jìn)行了測量脈搏的演示。估計這也是利用圖像處理的技術(shù)。
著眼于心沖擊圖
（3）為利用加速度傳感器的技術(shù)，開發(fā)出心跳測量技術(shù)的是村田制作所。該公司在2013年4月舉行的展會“MEDTEC 2013”上，進(jìn)行了只需站在體重計型裝置或躺在床上即可測量心率的演示（圖5）。這項(xiàng)測量技術(shù)的著眼點(diǎn)是心沖擊圖（BCG，ballistocardiogram）。
圖5：只需站在“體重計”上即可測量心率
村田制作所開發(fā)的心率測量技術(shù)的特點(diǎn)是，只需站在“體重計”上即可測量（a）。利用傾斜傳感器檢測心沖擊圖“BCG”的原理（b）。該公司預(yù)定向設(shè)備廠商供貨配備該傳感器的模塊（c）。
心沖擊圖是指，伴隨心臟的物理運(yùn)動而產(chǎn)生的微弱體動。如圖5（b）所示，與心臟的電氣運(yùn)動——心電圖相比，心沖擊圖的峰值稍晚一些出現(xiàn)。利用體重計型裝置或床上配備的加速度傳感器檢測這一動作，進(jìn)而就能得到心率。
據(jù)村田制作所傳感器事業(yè)部第2傳感器商品部FAE課木村正幸介紹，由于BCG是極其微弱的動作，因此采用了“精度是普通加速度傳感器約50 倍”的傳感器?？梢詸z測加速度為0.001G的微弱振動。村田制作所稱之為傾斜傳感器，由其2012年1月收購的VTI Technologies公司（現(xiàn)為Murata Electronics公司）制造，是用于鏟車等建筑機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備及飛機(jī)用測量系統(tǒng)等的傳感器。
在展會上，村田制作所還公開了根據(jù)測量的心跳間隔提示心理壓力程度的演示。該公司打算向設(shè)備廠商等供貨配備傾斜傳感器的模塊，計劃2013年內(nèi)與設(shè)備廠商共同推進(jìn)實(shí)證試驗(yàn)，2014年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
選擇可與移動通信共用的2.4GHz頻帶
?。?）為利用電磁波測量心率的技術(shù)，歐姆龍健康醫(yī)療的睡眠儀就屬于其中之一。該公司的堤正和表示，“目前市場上的產(chǎn)品只是觀察與睡眠有關(guān)的呼吸的情況，并不能測出心跳，不過，如果導(dǎo)入可補(bǔ)償人體動作的濾波處理以及噪聲去除等技術(shù)，技術(shù)上來說也能用來測量心跳”。心跳的動作比呼吸和體動等還要小，因此如果能去除這些噪聲成分，或提高測量精度，就能以相同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)心跳測量。
向人的胸部等發(fā)送電磁波，根據(jù)反射波和入射波之間的相位差檢測體表動作——著眼于這一原理的不僅僅是歐姆龍健康醫(yī)療。阿爾卑斯電氣開發(fā)的 “RF運(yùn)動傳感器”就是利用2.4GHz頻帶的電磁波測量心跳等（圖6）。該傳感器沒有內(nèi)置天線，而是另行準(zhǔn)備。該公司技術(shù)本部H計劃第1部部門經(jīng)理佐藤茂介紹說，“現(xiàn)在正在根據(jù)設(shè)備廠商等的評價進(jìn)行改善。將研究應(yīng)該追求何種程度的精度”。計劃2014年開始量產(chǎn)。
圖6：利用2.4GHz無線電波測量心跳和呼吸
阿爾卑斯電氣開發(fā)出了利用2.4GHz無線電波非接觸測量心跳和呼吸的技術(shù)（a）。在該公司開發(fā)的“RF運(yùn)動傳感器”上組合使用天線（b）。
之所以選擇2.4GHz頻帶，是為了兼顧人體信息的測量和測量數(shù)據(jù)的通信。歐姆龍健康醫(yī)療開發(fā)出了把向人體發(fā)送的檢測電磁波用作數(shù)據(jù)通信波的試制品。
憑借10.5GHz頻帶和MIMO提高精度
九州大學(xué)開發(fā)出了利用10.5GHz頻帶電磁波測量心跳的技術(shù)（圖7）。選擇10.5GHz是“因?yàn)槠洳ㄩL比2.4GHz短，在小型化和分辨率（精度）方面占優(yōu)勢”（九州大學(xué)的間瀨）。
圖7：利用10.5GHz無線電波測量駕駛員的心跳和心理壓力狀態(tài)
九州大學(xué)開發(fā)出了利用10.5GHz無線電波非接觸測量駕駛員的心跳和心理壓力狀態(tài)的技術(shù)（a）。（b）為利用該技術(shù)和ECG分別測出的心跳變化指標(biāo)（判斷壓力狀態(tài)的指標(biāo)）。
該技術(shù)原本是為了測量駕駛員的心理壓力狀態(tài)等而與汽車廠商共同開展的研究。計算心理壓力狀態(tài)要求有精度更高的心跳數(shù)據(jù)。因此，除了采用 10.5GHz頻率以外，還通過測量駕駛中動作較少的左腿大腿部位、而不是受呼吸動作影響較大的胸部，以及開發(fā)自主算法等，提高了精度（圖7（b））。
另外，巖手大學(xué)利用以多條天線實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗IMO，開展了進(jìn)一步提高靈敏度的研究（圖8）。在各使用兩通道進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的試驗(yàn)中，呼吸成分的頻率檢測靈敏度比單通道時提高了8.3dB。關(guān)于MIMO的利用，阿爾卑斯電氣也表示，“雖然存在尺寸變大的缺點(diǎn)，但為了提高精度，可能會考慮采用”。
圖8：利用MIMO提高檢測靈敏度
在利用無線電波非接觸測量心跳和呼吸的技術(shù)方面，巖手大學(xué)開發(fā)出了利用MIMO提高檢測靈敏度的技術(shù)（a）。該大學(xué)的試驗(yàn)顯示，呼吸頻率的檢測靈敏度提高了8.3dB（b）。
采用光纖作為傳感器
?。?）為利用光纖測量心跳的技術(shù)。創(chuàng)價大學(xué)工學(xué)部教授渡邊一弘開發(fā)除了“異質(zhì)核心型”光纖（圖9）。
圖9：利用光纖測量心跳和呼吸
創(chuàng)價大學(xué)開發(fā)出了將“異質(zhì)核心型”光纖作為傳感器使用的心跳和呼吸測量技術(shù)（a）。（b）為在寢具中縫入該光纖，測量睡眠時的呼吸等的情形。
異質(zhì)核心型光纖是在部分光波導(dǎo)插入纖芯直徑不同的部分。在直徑不同的位置，光的傳輸會變得不穩(wěn)定，因此，從外部觸碰光纖的話，傳輸?shù)墓饬繒l(fā)生變化。如果能在光纖頂端用光電二極管檢測出這一變化，就可以作為傳感器使用。
例如，將這種光纖縫入衣服和寢具中，就能檢測出身體動作。渡邊表示，“具備測量心跳的精度”。
下一個測量對象是血液？
利用（1）～（5）技術(shù)的心跳測量技術(shù)今后會越來越多地得到采用。另外，還有觀點(diǎn)認(rèn)為，“將來如果能以非接觸、非侵襲方式測量血液，醫(yī)療健康領(lǐng)域會掀起一場更大的革命”（Aquavit代表董事、首席商務(wù)策劃師田中榮）。例如，東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所等開發(fā)出了把光的強(qiáng)度會隨血糖值變化的傳感器植入小鼠耳內(nèi)、通過從體外照射光來測量血糖值的技術(shù)（圖10）。今后，這些技術(shù)的擴(kuò)展技術(shù)將得到進(jìn)一步開發(fā)。東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所等開發(fā)出了把光的強(qiáng)度會隨血糖值變化的傳感器植入小鼠耳內(nèi)，從而測量血糖值的技術(shù)。
圖10：根據(jù)螢光強(qiáng)度掌握血糖值
人體傳感器為醫(yī)療保健開啟新時代，利用“非接觸”、“非侵襲”式測量技術(shù)對人體信息進(jìn)行測量，會讓患者免除以前傳統(tǒng)測量所帶來的疼痛或不適感。自日本大學(xué)展示只需用手指接觸即可測量血壓的技術(shù)后，歐姆龍、豐田、富士通研究所紛紛研發(fā)無感人體傳感技術(shù)，致力于為新一代醫(yī)療保健保駕護(hù)航。醫(yī)療保健即將步入新時代，因?yàn)榕c此前截然不同的技術(shù)的開發(fā)變得活躍起來。那就是利用電子技術(shù)、無需接觸人體或承受疼痛即可測量人體信息的技術(shù)。
人體信息測量的形態(tài)將隨著電子技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)生巨變。以前的人體信息測量一般要固定患者的體位、在身體上粘貼電極，會給患者造成疼痛或不適感。大部分讀者應(yīng)該都有過在胳膊上纏上壓迫帶量血壓、或是在身上貼上電極測量心電圖的經(jīng)歷。像筆者這樣，對用壓迫帶纏住胳膊和在身上貼電極感到緊張的人應(yīng)該不在少數(shù)。
而現(xiàn)在，“非接觸”、“非侵襲*”測量人體信息的技術(shù)的開發(fā)迅速活躍起來（圖1）。被測者（患者）幾乎感覺不到正在進(jìn)行測量，因此能消除患者測量時的心理壓力。
圖1：應(yīng)用電子技術(shù)，步入“非接觸”、“非侵襲”時代
以前測量人體信息時要經(jīng)歷“束縛”、“貼電極”、“壓迫”等狀態(tài)，而最近，實(shí)現(xiàn)“非接觸”、“非侵襲”的技術(shù)開發(fā)事例相繼出現(xiàn)。注：非侵襲是指，不會造成疼痛和痛苦等。
例如，在2012年11月于德國舉行的世界最大規(guī)模醫(yī)療器械展“MEDICA 2012”上，日本大學(xué)展示了只需用手指接觸即可測量血壓的技術(shù)，受到了與會者的極大關(guān)注。
2013年3月，在“第77屆日本循環(huán)器官學(xué)會學(xué)術(shù)集會”上，豐田與電裝、日本醫(yī)科大學(xué)共同展示了利用汽車方向盤推測駕駛員血壓的技術(shù)。豐田表示，“如果是每天都開車的人，只需和平常一樣握住方向盤即可測量每天的血壓、進(jìn)行管理”。
此外，富士通研究所2013年3月宣布開發(fā)出了通過面部視頻實(shí)時測量脈搏的技術(shù)。為個人電腦的顯示器裝上網(wǎng)絡(luò)攝像頭、再安裝所需軟件，“只需在辦公室用電腦正常工作，就能監(jiān)控脈搏的變化”。以上這些還只是非接觸、非侵襲測量人體信息開發(fā)示例的一小部分。
開拓新市場
非接觸、非侵襲地測量人體信息的優(yōu)點(diǎn)不僅僅是能消除患者的痛苦和不適感，還有能為兒童、老年人以及因疾病等難以固定或約束的患者進(jìn)行測量。而且，易于實(shí)現(xiàn)長期（連續(xù)的）監(jiān)控，因此還能用于疾病征兆的確認(rèn)和老年人看護(hù)等用途（圖2）。
圖2：“非接觸”、“非侵襲”的優(yōu)點(diǎn)
實(shí)現(xiàn)“非接觸”、“非侵襲”地測量人體信息的優(yōu)點(diǎn)包括，可消除被測者的痛苦和不適感、擴(kuò)大測量對象、實(shí)現(xiàn)長期（連續(xù)）監(jiān)控，等等。
也就是說，能用于與此前不同的患者和使用場景，有望開拓新的市場。可以說，開發(fā)非接觸、非侵襲測量技術(shù)不是為了替代原來的測量技術(shù)，而是要開拓全新的醫(yī)療健康市場。
歐姆龍健康醫(yī)療于2012年5月推出的“歐姆龍睡眠儀HSL-101”稱得上是非接觸測量人體信息的領(lǐng)軍產(chǎn)品。睡覺時，只需將該產(chǎn)品設(shè)置在人體周圍 1.5m內(nèi)的床邊即可測量呼吸等，從而判斷睡眠狀態(tài)。其原理是，向睡著的人的胸部等部位照射10.5GHz的電波，通過反射波和入射波的相位差檢測呼吸等。該產(chǎn)品采用了愛爾蘭風(fēng)險企業(yè)BiancaMed的技術(shù)。
此前在測量睡眠狀態(tài)時，采用的方法有多導(dǎo)睡眠圖檢查（PSG檢查）等，但這些方法需要把電極等貼在身體各處，十分麻煩。歐姆龍健康醫(yī)療學(xué)術(shù)技術(shù)部技術(shù)探索組主任堤正和表示，“PSG檢查會讓被測者意識到自己正在處于測量之中，反而更睡不著了。我們想開拓測量自然睡眠狀態(tài)的市場”。HSL-101上市已經(jīng)一年多，“銷售情況非常好，超出了當(dāng)初的目標(biāo)。注重健康的40多歲和50多歲的男性用戶比預(yù)想的要多”。這是利用非接觸的特點(diǎn)開拓新市場的一個很好的案例。
技術(shù)開發(fā)聚焦于“心跳”測量
下面介紹一下以開拓新的醫(yī)療健康市場為目標(biāo)推進(jìn)開發(fā)的非接觸、非侵襲地測量人體信息的技術(shù)。不過，人體信息的范圍很廣。從現(xiàn)在的開發(fā)事例來看，大多數(shù)產(chǎn)品的主要測量對象是心率和脈率注1）。因?yàn)橥ㄟ^心率可以看出很多問題，心率是重要的人體信息之一。比如，可以通過心率推測心理壓力的程度和血壓等。
注1）心率是每分鐘心臟跳動的次數(shù)，脈率是手腳動脈每分鐘跳動的次數(shù)。健康的人的心率和脈率一致。
眾所周知，心理壓力的程度可以根據(jù)心跳間隔推測出來。心跳間隔很規(guī)則，說明人處于放松狀態(tài)，而心跳間隔越不規(guī)則，說明壓力越大。根據(jù)這一規(guī)律，利用前面提到的富士通研究所的脈搏測量技術(shù)，“只需在辦公室正常利用電腦工作，即可監(jiān)控心理壓力的狀態(tài)”，能實(shí)現(xiàn)更有意義的系統(tǒng)。
另外，前面提到的日本大學(xué)和豐田等開發(fā)的技術(shù)都是在測量脈搏后，利用脈搏數(shù)據(jù)計算血壓（圖3）。豐田是“結(jié)合脈搏的傳播時間和多種數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了血壓推測”，而日本大學(xué)工學(xué)部教授尾股定夫表示，“我們不是通過傳播時間獲得血壓數(shù)據(jù)，而是確立了可通過一個脈搏波形直接計算出血壓的算法”，雖然雙方采用的方法不同，但將脈搏數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成血壓這一點(diǎn)是相同的。
圖3：根據(jù)脈搏計算血壓
日本大學(xué)和豐田等各自開發(fā)出了根據(jù)非侵襲方式獲得的脈搏數(shù)據(jù)計算血壓的技術(shù)（a、b）。都是利用LED光獲得脈搏數(shù)據(jù)。
也就是說，只要能以非接觸、非侵襲的方式測出心跳和脈搏，就有望以非接觸、非侵襲方法掌握心理壓力情況和血壓。此前，心率一般通過心電圖（ECG，electrocardiogram）等測量。那么，為實(shí)現(xiàn)非接觸、非侵襲測量心率和脈率，現(xiàn)在正在開發(fā)哪些技術(shù)呢？根據(jù)所利用的技術(shù)的種類，主要可分成五種，分別是（1）LED、（2）圖像處理、（3）加速度傳感器、（4）電磁波、（5）光纖。下面就一一加以說明。
實(shí)現(xiàn)單芯片化
（1）利用LED測量心跳和脈搏的方法得到了日本大學(xué)和豐田等的采用。如圖3所示，這種方法是在手指等觸碰的部分，配置使用LED的發(fā)光模塊和使用光電晶體管等的受光模塊，利用血液中的血紅蛋白容易吸收綠色等特定波長的光的特性，用LED照射手指，利用其反射光來檢測脈搏。這種方法的應(yīng)用比較廣泛，新日本無線已于2013年6月開始銷售將綠色LED和光電晶體管集成在一個封裝內(nèi)的通用脈搏傳感器。
另外，日本大學(xué)表示，在利用LED測量脈搏的方法中組合使用了該大學(xué)的尾股教授開發(fā)的“相移法”技術(shù)。日本大學(xué)沒有公開具體的機(jī)制，不過尾股教授強(qiáng)調(diào)，“利用相移法可大幅提高信噪比，所以能獲得精度極高的脈搏波形。正因?yàn)槿绱瞬拍馨衙}搏轉(zhuǎn)換成血壓”。
自從在MEDICA 2012上展出后，全球各地的企業(yè)等紛紛對相移法提出咨詢。尾股教授最近成功地在一枚芯片上集成了含有相移法數(shù)據(jù)處理的核心部分，他表示，芯片尺寸目前為1cm2見方，不過“數(shù)mm見方的小型化也已經(jīng)有了眉目。屆時就能安裝到便攜終端，因此有望實(shí)現(xiàn)利用智能手機(jī)配備的用作閃光燈的LED，用智能手機(jī)測量脈搏和血壓的方式”。日本大學(xué)打算在2013年內(nèi)與合作伙伴合作推出該芯片。
無需新硬件
富士通研究所開發(fā)出了（2）利用圖像處理測量心跳和脈搏的技術(shù)，該技術(shù)是通過分析面部視頻的顏色成分來檢測脈搏（圖4）。
圖4：僅拍攝面部即可計算出脈率
本圖為富士通研究所開發(fā)的根據(jù)面部視頻測量脈搏的技術(shù)的測量原理。將面部顏色分為RGB成分，根據(jù)綠色的亮度變化計算脈率。（圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)富士通研究所的資料制作）
具體而言，富士通研究所也是利用血紅蛋白容易吸收綠色光的特性，通過捕捉面部表面綠色成分的亮度變化來檢測脈搏。首先，根據(jù)拍攝的面部視頻，按幀將圖像分成RGB顏色成分并計算出各自的平均亮度，然后從中去除各顏色共同的噪聲，僅提取綠色成分的亮度波形。拍攝視頻后最短只需5秒即可測出脈搏。
這種方式所需的視頻分辨率大約為VGA，幀頻只需20幀/秒左右。因此，使用市面上銷售的網(wǎng)絡(luò)攝像頭或智能手機(jī)配備的攝像頭就足夠。“無需準(zhǔn)備新的硬件。實(shí)用化時設(shè)想的使用方式就是只需將圖像處理軟件作為應(yīng)用安裝到個人電腦和智能手機(jī)上即可”（富士通研究所人本計算研究所人類解決方案研究部主任研究員豬又明大）。計劃2013年內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
除此之外，微軟在2013年6月于美國洛杉磯舉行的“Electronic Entertainment Expo（E3）”上，利用與該公司的新一代臺式游戲機(jī)“Xbox One”配套銷售的手勢輸入控制器“Kinect”，進(jìn)行了測量脈搏的演示。估計這也是利用圖像處理的技術(shù)。
著眼于心沖擊圖
（3）為利用加速度傳感器的技術(shù)，開發(fā)出心跳測量技術(shù)的是村田制作所。該公司在2013年4月舉行的展會“MEDTEC 2013”上，進(jìn)行了只需站在體重計型裝置或躺在床上即可測量心率的演示（圖5）。這項(xiàng)測量技術(shù)的著眼點(diǎn)是心沖擊圖（BCG，ballistocardiogram）。
圖5：只需站在“體重計”上即可測量心率
村田制作所開發(fā)的心率測量技術(shù)的特點(diǎn)是，只需站在“體重計”上即可測量（a）。利用傾斜傳感器檢測心沖擊圖“BCG”的原理（b）。該公司預(yù)定向設(shè)備廠商供貨配備該傳感器的模塊（c）。
心沖擊圖是指，伴隨心臟的物理運(yùn)動而產(chǎn)生的微弱體動。如圖5（b）所示，與心臟的電氣運(yùn)動——心電圖相比，心沖擊圖的峰值稍晚一些出現(xiàn)。利用體重計型裝置或床上配備的加速度傳感器檢測這一動作，進(jìn)而就能得到心率。
據(jù)村田制作所傳感器事業(yè)部第2傳感器商品部FAE課木村正幸介紹，由于BCG是極其微弱的動作，因此采用了“精度是普通加速度傳感器約50 倍”的傳感器?？梢詸z測加速度為0.001G的微弱振動。村田制作所稱之為傾斜傳感器，由其2012年1月收購的VTI Technologies公司（現(xiàn)為Murata Electronics公司）制造，是用于鏟車等建筑機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備及飛機(jī)用測量系統(tǒng)等的傳感器。
在展會上，村田制作所還公開了根據(jù)測量的心跳間隔提示心理壓力程度的演示。該公司打算向設(shè)備廠商等供貨配備傾斜傳感器的模塊，計劃2013年內(nèi)與設(shè)備廠商共同推進(jìn)實(shí)證試驗(yàn)，2014年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
選擇可與移動通信共用的2.4GHz頻帶
（4）為利用電磁波測量心率的技術(shù)，歐姆龍健康醫(yī)療的睡眠儀就屬于其中之一。該公司的堤正和表示，“目前市場上的產(chǎn)品只是觀察與睡眠有關(guān)的呼吸的情況，并不能測出心跳，不過，如果導(dǎo)入可補(bǔ)償人體動作的濾波處理以及噪聲去除等技術(shù)，技術(shù)上來說也能用來測量心跳”。心跳的動作比呼吸和體動等還要小，因此如果能去除這些噪聲成分，或提高測量精度，就能以相同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)心跳測量。
向人的胸部等發(fā)送電磁波，根據(jù)反射波和入射波之間的相位差檢測體表動作——著眼于這一原理的不僅僅是歐姆龍健康醫(yī)療。阿爾卑斯電氣開發(fā)的 “RF運(yùn)動傳感器”就是利用2.4GHz頻帶的電磁波測量心跳等（圖6）。該傳感器沒有內(nèi)置天線，而是另行準(zhǔn)備。該公司技術(shù)本部H計劃第1部部門經(jīng)理佐藤茂介紹說，“現(xiàn)在正在根據(jù)設(shè)備廠商等的評價進(jìn)行改善。將研究應(yīng)該追求何種程度的精度”。計劃2014年開始量產(chǎn)。
圖6：利用2.4GHz無線電波測量心跳和呼吸
阿爾卑斯電氣開發(fā)出了利用2.4GHz無線電波非接觸測量心跳和呼吸的技術(shù)（a）。在該公司開發(fā)的“RF運(yùn)動傳感器”上組合使用天線（b）。
之所以選擇2.4GHz頻帶，是為了兼顧人體信息的測量和測量數(shù)據(jù)的通信。歐姆龍健康醫(yī)療開發(fā)出了把向人體發(fā)送的檢測電磁波用作數(shù)據(jù)通信波的試制品。
憑借10.5GHz頻帶和MIMO提高精度
九州大學(xué)開發(fā)出了利用10.5GHz頻帶電磁波測量心跳的技術(shù)（圖7）。選擇10.5GHz是“因?yàn)槠洳ㄩL比2.4GHz短，在小型化和分辨率（精度）方面占優(yōu)勢”（九州大學(xué)的間瀨）。
圖7：利用10.5GHz無線電波測量駕駛員的心跳和心理壓力狀態(tài)
九州大學(xué)開發(fā)出了利用10.5GHz無線電波非接觸測量駕駛員的心跳和心理壓力狀態(tài)的技術(shù)（a）。（b）為利用該技術(shù)和ECG分別測出的心跳變化指標(biāo)（判斷壓力狀態(tài)的指標(biāo)）。
該技術(shù)原本是為了測量駕駛員的心理壓力狀態(tài)等而與汽車廠商共同開展的研究。計算心理壓力狀態(tài)要求有精度更高的心跳數(shù)據(jù)。因此，除了采用 10.5GHz頻率以外，還通過測量駕駛中動作較少的左腿大腿部位、而不是受呼吸動作影響較大的胸部，以及開發(fā)自主算法等，提高了精度（圖7（b））。
另外，巖手大學(xué)利用以多條天線實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗IMO，開展了進(jìn)一步提高靈敏度的研究（圖8）。在各使用兩通道進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的試驗(yàn)中，呼吸成分的頻率檢測靈敏度比單通道時提高了8.3dB。關(guān)于MIMO的利用，阿爾卑斯電氣也表示，“雖然存在尺寸變大的缺點(diǎn)，但為了提高精度，可能會考慮采用”。
圖8：利用MIMO提高檢測靈敏度
在利用無線電波非接觸測量心跳和呼吸的技術(shù)方面，巖手大學(xué)開發(fā)出了利用MIMO提高檢測靈敏度的技術(shù)（a）。該大學(xué)的試驗(yàn)顯示，呼吸頻率的檢測靈敏度提高了8.3dB（b）。
采用光纖作為傳感器
?。?）為利用光纖測量心跳的技術(shù)。創(chuàng)價大學(xué)工學(xué)部教授渡邊一弘開發(fā)除了“異質(zhì)核心型”光纖（圖9）。
圖9：利用光纖測量心跳和呼吸
創(chuàng)價大學(xué)開發(fā)出了將“異質(zhì)核心型”光纖作為傳感器使用的心跳和呼吸測量技術(shù)（a）。（b）為在寢具中縫入該光纖，測量睡眠時的呼吸等的情形。
異質(zhì)核心型光纖是在部分光波導(dǎo)插入纖芯直徑不同的部分。在直徑不同的位置，光的傳輸會變得不穩(wěn)定，因此，從外部觸碰光纖的話，傳輸?shù)墓饬繒l(fā)生變化。如果能在光纖頂端用光電二極管檢測出這一變化，就可以作為傳感器使用。
例如，將這種光纖縫入衣服和寢具中，就能檢測出身體動作。渡邊表示，“具備測量心跳的精度”。
下一個測量對象是血液？
利用（1）～（5）技術(shù)的心跳測量技術(shù)今后會越來越多地得到采用。另外，還有觀點(diǎn)認(rèn)為，“將來如果能以非接觸、非侵襲方式測量血液，醫(yī)療健康領(lǐng)域會掀起一場更大的革命”（Aquavit代表董事、首席商務(wù)策劃師田中榮）。例如，東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所等開發(fā)出了把光的強(qiáng)度會隨血糖值變化的傳感器植入小鼠耳內(nèi)、通過從體外照射光來測量血糖值的技術(shù)（圖10）。今后，這些技術(shù)的擴(kuò)展技術(shù)將得到進(jìn)一步開發(fā)。東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所等開發(fā)出了把光的強(qiáng)度會隨血糖值變化的傳感器植入小鼠耳內(nèi)，從而測量血糖值的技術(shù)。
圖10：根據(jù)螢光強(qiáng)度掌握血糖值
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