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1 発表番号 : D4-3 地域 ICT 振興型研究開発 ( 課題番号 : ) バイタルセンサの臨床データ取得と そのユビキタス健康監視への応用 に関する研究開発 大阪市立大学大学院工学研究科 / 医学研究科原晋介, 竹内一秀, 中村肇, 中島重義, 辻岡哲夫 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 1

2 背景と目的 日本の医療現場の問題点 高齢者の人口増加に伴う病床数 医師数の不足 医療従事者への業務負担の増加 ユビキタス健康監視の提案 ワイヤレス生体センサを用いて心電データと3 軸加速度データを測定し 病院外から健康状態をリアルタイムに監視する 心電データを自動解析して 病状( 不整脈など ) を分類するトリアージエンジンを構築する 医療機器として利用されているホルター心電計との比較臨床試験を行い, ワイヤレス生体センサがユビキタス健康監視のために十分な性能を有しているかどうか評価したのち, バイタルデータ 解析アルゴリズムと遠隔ヘルスケアシステムを開発する 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 2

3 ユビキタス健康監視 心電計着脱 24 時間のホルター心電計測定データを解析してからの診断リアルタイムではない (a) ホルター心電計による従来の診断 緊急アラーム コンピュータによる自動診断補助 専門医による診断ワイヤレス生体センサによるバイタルデータ測定 (b) ワイヤレス生体センサによるユビキタス健康監視 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 3

4 研究開発項目 臨床試験によるバイタルデータ取得 ホルター心電計とワイヤレス生体センサの比較 受信機 PC1 台を持ち運び, 生活行動 健常者 67 名, 疾患者 60 名 ダイバーシチ受信によるデータ欠損率の低減化 実際の病室に 11 台の受信機を設置して臨床試験 バイタルデータ解析アルゴリズム開発 致死性不整脈の正確な検出 遠隔ヘルスケアシステムの開発 ダイバーシチ受信, 行動分析, 不整脈検出を組み込んだシステムの構築 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 4

5 臨床試験によるバイタルデータ取得 被験者にワイヤレス生体センサとホルター心電計の両方を装着 24 時間の日常生活の中で 両心電計からデータを収集し 比較解析 受信機 PC( ノートパソコン ) の半径 10m 以内から離れないようにする 2009 年度 健常者 67 名 ( 男性 30 名 : 女性 37 名 21~49 歳 ) 2010 年度 循環器系疾患者 60 名 ( 男性 47 名 : 女性 13 名 25~84 歳 ) 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 5

6 臨床試験によるバイタルデータ取得とワイヤレス生体センサの性能解析ワイヤレス生体センサの諸元 大きさ mm 重さ 11.8g( 電池含む ) サンプリングレート量子化ビット送信周波数伝送可能距離 102Hz or 204Hz 10bit 2.4GHz 10m 心電データ 3 軸加速度データ 体表温度 心拍数の測定が可能 サンプリングレートがホルター心電計 (125Hz, 12bit) と異なるので 両データを比較する際にサンプリングレート変換を行う 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 6

7 臨床試験によるバイタルデータ取得とワイヤレス生体センサの性能解析臨床試験結果 ( 心電図波形 ) 被験者 No.12 11:30:00 11:30:02 サンプリングレート :125Hz 相関係数 : holter-ch2 holter-ch1 sensor サンプル数 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 7

8 臨床試験によるバイタルデータ取得とワイヤレス生体センサの性能解析臨床試験結果 ( データ欠損率 ) 平均欠損率 : % 80% (2009 年度分 ) 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 8

9 臨床試験によるバイタルデータ取得とワイヤレス生体センサの性能解析臨床試験結果 ( 相関係数 ) r xy ( x i x )( x y i y y ) / N 平均相関係数 被験者 No.10:0.76 被験者 No.12: 秒間 (250 サンプル ) の局所相関を 1 時間ごとに算出 #10 # 経過時間 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 9

10 臨床試験によるバイタルデータ取得とワイヤレス生体センサの性能解析臨床試験結果 (RR50) RR50 心拍間隔が直前の値よりも 50ms 以上差がある場合の頻度 RR 相関係数 : ( 非常に高い相関 ) holter 0.5 sensor おおむね 0.9 以上の高い相関が得られた データの欠損 経過時間 被験者番号 24 時間の RR50 の変化 ( 被験者 No.34 の場合 ) 被験者ごとの相関係数 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 10

11 臨床試験によるバイタルデータ取得とワイヤレス生体センサの性能解析ダイバーシチ受信の臨床試験 実際の病室を使った24 時間臨床試験 受信機を複数配置 デスクレベル ( m) シーリングレベル ( m) ミックスレベル 複数の受信機のデータをダイバーシチ受信 データ欠損率を下げるための効果的な受信機台数と配置を検討する 大阪市立大学医学部附属病院特別病棟病室 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 11

12 臨床試験によるバイタルデータ取得とワイヤレス生体センサの性能解析病室内での受信機配置 シーリングレベルでの配置 J デスクレベルでの配置 E D 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 12

13 臨床試験によるバイタルデータ取得とワイヤレス生体センサの性能解析ダイバーシチ受信による欠損率低減化 (1) ダイバーシチ受信なし ダイバーシチ受信あり 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 13

14 臨床試験によるバイタルデータ取得ダイバーシチ受信による欠損率低減化 (2) Data loss rate 1.E+00 1.E-01 1.E-02 1.E-03 1.E-04 1.E /350 窓 (ceiling) 1% 以下 Number of receivers 中央 (ceiling) + 冷蔵庫 (desk) 0.01% 以下 最適配置パターン 中央 (ceiling) + TV 横 (desk) + 窓 (ceiling) ダイバーシチ受信機台数とデータ欠損率の関係 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 14

15 バイタルデータ解析アルゴリズム 不整脈の検出 期外収縮性不整脈 ( 運動中にも発生 ) テンプレート相関法による検出 致死性不整脈 ( 直ちに医師に連絡が必要 ) 時変スペクトルに基づく検出 % Success Time (m) 致死性不整脈の発生経過時間と生存率の関係 Adapted from text: Cummins RO, Annals Emerg Med. 1989, 18: 分ごとに蘇生成功率が 10% 低下する 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 15

16 バイタルデータ解析アルゴリズム開発心電図波形と周波数スペクトル 正常時の 電図波形 室細動時の 電図波形 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 16

17 バイタルデータ解析アルゴリズム開発致死性不整脈の検出法 短時間フーリエ変換 平滑化疑似ヴィグナービレ分布よりも周波数分解能は低いがデータ欠損率が高い場合にロバスト カイザー窓 ( パラメータ :β) スペクトルしきい値に基づいた致死性不整脈検出 スレッショルドピーク数 (n) と係数 (α), 窓長 P max P max 窓をシフトしながらピーク数判定を行い, 過半数を超えていれば致死性不整脈と判定 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 17

18 バイタルデータ解析アルゴリズム開発パラメータの最適化 (1) 全致死性不整脈数に対する検出率 TP Sensitivity= TP FN ( 特異度 ) 全検出数に対する正答率 TN Specificity= TN FP β=7.0 TP : 致死性不整脈 致死性不整脈として検出 TN : 非致死性不整脈 非致死性不整脈として検出 FP : 非致死性不整脈 致死性不整脈として誤検出 FN : 致死性不整脈 非致死性不整脈として検出 最適値 β=2.0, width=5.12 秒 Specificity=99.97% α=0.1, n = 5 ( 感度 ) 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 18

19 バイタルデータ解析アルゴリズム開発パラメータの最適化 (2) 最適パラメータ : n=5,α=0.0825, β=2.0, 窓 5.12 秒のとき Sensitivity=100% ( 検出 逃し FN=0) Specificity=99.99% を達成 (FN=0) (FN=1) (FN=2) n=5 データ欠損率が20% の場合は検出見逃し率が10% 発生する ダイバーシチ受信の必要性を確認 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 19

20 遠隔ヘルスケアシステムの開発 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 20

21 遠隔ヘルスケアシステムの開発ソフトウェア構成 受信機 Receiver Windows Application トリアージエンジン Developed by C++ Desk top PC Software Developme nt Kit RF Receiver Driver Middleware Ring buffer 8 HTTP Data Collector Human Interface Triage Engine Wireless channels #1~#5 Developed by C++ Developed by JAVA ダイバーシチ受信 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 21

22 遠隔ヘルスケアシステムの開発トリアージエンジンの解析画面 3 軸加速度による行動分析結果 (walk, run, sit, stand, sleep などの推定ができる ) 致死性不整脈を検出すると, 行動分析結果 バイタルデータ 心電図データを添えて, 医師にメール送信する 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 22

23 まとめ 臨床試験によるバイタルデータ取得とワイヤレス生体センサの性能解析 健常者 67 名, 疾患者 60 名による臨床試験 高い相関係数 平均データロス率は約 20% ダイバーシチ受信により病室での最適な受信機配置, データ欠損率の低減化を確認した (2 台時 1% 以下,3 台時 0.01% 以下 ) バイタルデータ解析アルゴリズム開発 致死性不整脈の正確な検出を目指した. 100% 検出可能な ( 誤検出率 0% の ) パラメータであっても 99.99% の正確さ (0.01% の誤検出率 ) を達成した 遠隔ヘルスケアシステムの開発 ダイバーシチ受信, 行動分析, 不整脈検出を組み込んだシステムを構築した 2011/10/4 SCOPE 第 7 回成果発表会 23

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