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介護用高齢者見守り電波センサの研究開発

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【研究背景】

 高齢化社会と呼ばれて久しいが,これまで介護や医療施設の利用者は年々増加傾向にあり,同時に事故増加が大きく懸念されています.例えば,離床時(自力でベッドから離れようとして)の転倒や転落事故,徘徊などは以前から問題視されてきましたが,十分な対策や対応がないままに現在に至っています.特に施設内事故の約6割を転倒が占めており,それにより寝たきりや死亡に繋がることもあります.このような転倒事故が起きる場所としてはベッド周辺が最も多く,夜間など一人でベッドから離れようとしたときに転倒や転落が起きています.これまで室内やベッド周辺の危険な挙動を少しでも早いタイミングで検知する方法としてビデオカメラや赤外線センサ,電波センサが検討されています.しかしながらビデオカメラはプライバシー保護の観点から難しく,また赤外線は離床や寝返りなど細かな動作や状況の特定は難しく,また布団や衣類によりその精度も劣化します.一方,従来の電波センサは屋内マルチパスによる誤動作や他の無線機器への与干渉が懸念されています.

そこでインパルス無線方式による超広帯域電波センサが注目されていますが,受信した超短パルスを高速同期および検波する広帯域・高速デバイスを必要とするためハードウェア構成が複雑で高価になるといった問題点があります.また広い帯域を連続的に占有するため他の無線機器との干渉回避が課題となっています.

【研究内容】

 本研究室では上記の課題を解決するステップドFM電波センサを開発し,実際に介護施設の一室において実証実験を行っています.ここで,本電波センサは次のような特徴を持っています.

・ “転倒”や離床までの“上体起し”,“睡眠状態”,“寝返り”,“入退室”など入居者の様々な状態を検出できる

・ プライバシーを侵害しない

・ 回路構成や簡易である

・ 他の電波システムからの干渉を検知および回避するDAA(Detect-And-Avoid)機能を有する

 図1に開発したステップドFM電波センサ装置のブロック図および外観図を,そして表1に装置の諸元を示しています.本センサはパッシブ状態(送信OFF/受信ON)で干渉波の有無を検出し,干渉波を検知した場合には図2に示すように送信信号にスペクトルホールを設定し,送信モードに移行します(送信ON/受信ON).従って,新たな回路を付加することなく,信号処理のみで与干渉・被干渉回避を実現することができます.実証実験では図3に示すように室内のドア上部にアンテナを設置し,開発した状態検知アルゴリズムにより室内の状態を推定します.なお,本実験では離床と転倒に着目し,図4に示すように6つの状態または動作(離床前の“上体起し”,“寝返り”,“睡眠”,“転倒”,“退室”,“室内移動”)について検討しています.ここで“上体起し”動作を検知することにより離床事故を事前に回避し,また“睡眠”と“寝返り”動作により体調や覚醒状態などを知ることができます.なお,状態判定では誤検知率が10-3以下になるように閾値を設定しました.また挙動や状態について室内に設置したビデオカメラで確認しながらオンラインで推定結果と比較しました.

 表2に推定した各状態/動作の検知率を示しています.表2から“寝返り”以外では100%の検知率を達成していることがわかります.次に“上体起し”,“寝返り”,“睡眠”,“退室”についてスペクトルホールを設定した場合の検知率を表3に示しています.表3から“転倒”以外の状態では検知率の劣化が見られますが,それでも89%以上の検知率が得られています.

 現在,図5に示すように高速ホッピングPLLを含む装置の小型化(LSI化)に着手しています.

2.1_1-1
2.1_1-2
(a)回路ブロック図 (b)外観図

図1 試作したステップドFM電波センサ装置

表1 試作装置の諸元

項目 諸元
周波数帯域 3.5~4.5GHz
ステップ幅 14.5MHz
ステップ数 70
フレーム周期 0.08s
AD 70KS/s
アンテナ

広帯域ホーン

(8.3dBi)

3dBビーム幅 60゚(E)/45゚(H)
偏波面 垂直
2.1_2

図2 干渉波と電波センサの共存(各電力スペクトル)

2.1_3

図3 測定環境(介護施設の一室)

2.1_4

図4 実験光景と推定結果の例(各動作とモニター画面)

表2 各状態に対する検知率

状態/動作 探知確率
転倒 100%
上体起し 100%
睡眠状態 100%
退室 100%
寝返り 98.8%
室内移動 100%

表3 スペクトルホールを設定した時の検知率

状態/動作 探知確率(干渉無) 探知確率(干渉有)
転倒 100% 100%
上体起し 100% 97%
睡眠状態 100% 94%
退室 100% 89%
2.1_5

図5 高速ホッピングPLL(試作中)