MITは、小型の固定式機器から反射する電波を利用して、個人の睡眠をモニタリングするワイヤレス方式を開発しました。
この技術は、医療用機器としても個人用機器としても活用できる可能性があり、パーキンソン病、てんかん、褥瘡のある人を支援します。
睡眠の様子をモニタリングし、十分な休息を得るのに役立つ寝姿勢を知らせることができます。
MITの研究者らは、寝室の壁に取り付けた小型機器から反射する電波を使い、仰向け、うつ伏せ、横向きなど、人の寝姿勢をワイヤレスかつプライバシーに配慮してモニタリングする方法を開発しました。
開発した機器はBodyCompassと呼ばれ、カメラや身体に装着するセンサーを使わずに正確な睡眠データを提供する、家庭での利用に対応した初の無線周波数方式システムだと、システムを発表するShichao Yueは述べています。発表はUbiComp 2020カンファレンスで9月15日に行われます。博士課程の学生であるYueは、数年にわたりワイヤレスセンシングを用いて睡眠段階や不眠症を研究してきました。
「医療モニタリングにおいて、寝姿勢も私たちのシステムの大きな可能性を持つ応用になると考えました」とYueは述べています。彼はMITコンピューター科学・人工知能研究所のDina Katabi教授の指導のもとでこのプロジェクトに取り組みました。研究によると、うつ伏せで寝るとてんかん患者の突然死リスクが高まります。また、パーキンソン病が進行するとベッドで寝返りを打つ能力が失われるため、寝姿勢を病気の進行度の測定に利用できる可能性もあると彼は指摘します。
「残念ながら、多くの患者は夜にどのように眠っているのか、発作後にどんな姿勢になっているのかをまったく把握していません」と、研究に関与していないBrigham and Women's HospitalおよびHarvard Medical Schoolのてんかん専門神経科医Dong Woo Leeは述べています。「BodyCompassのような身体モニタリングシステムがあれば、患者のリスクを評価するための基準となるモニタリングが可能になり、この分野を前進させられるでしょう。警告・介入システムと組み合わせれば、てんかんにおける予期せぬ突然死から患者を救える可能性があります。」
将来的には、自分の睡眠習慣を把握したり、乳児の睡眠をモニタリングしたりするためにBodyCompassを使う人もいるかもしれないと、Yueは述べています。「ニーズに応じて、医療機器にも一般消費者向け製品にもなり得ます。」
カンファレンス論文のほかの著者には、同論文の掲載誌である『Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies』の大学院生Yuzhe YangとHao Wang、Katabi Labの協力研究者Hariharan Rahulが名を連ねています。KatabiはMITのAndrew and Erna Viterbi電気工学・コンピューターサイエンス教授です。
安らかな眠りを映し出す
BodyCompassは、人間の身体を含む室内の物体に電波が当たって跳ね返る際の反射を分析して動作します。寝室の壁に取り付けるWi-Fiルーターのように、この機器は電波を発信し、複数の経路を通って戻ってくる電波を受信します。研究者らは電波の経路を地図化し、反射から逆算して身体の姿勢を特定します。
ただし、これを実現するには、どの電波が寝ている人の身体に当たって反射し、どの電波がマットレスやナイトテーブル、天井のファンに当たって反射したのかを見分ける必要がありました。Yueらは、電波信号から呼吸パターンを解読する過去の研究がこの問題の解決に役立つと気づきました。
人の胸や腹に当たって反射する信号は、呼吸によって固有の変調を受けると研究者らは結論づけました。呼吸信号を身体からの反射に「タグ」を付ける手段として特定すれば、研究者らはその反射と機器の位置を照合し、人がベッドでどのように横たわっているかを判断できます。（例えば、仰向けに寝ている人の胸に当たった強い電波は、天井に向かって反射し、そこから壁の機器へ届きます。）「呼吸を符号として特定することで、身体からの信号を周囲の反射から切り分け、情報をもたらす反射の位置を追跡できるようになりました」とYueは述べています。
その後、身体からの反射を専用のニューラルネットワークで分析し、睡眠中の身体の傾きを推定します。ニューラルネットワークは角度に基づいて寝姿勢を定義するため、機器は右向きに寝ている人と、少し右に傾いただけの人を見分けられます。このような細かな分析は、うつ伏せ寝が予期せぬ突然死と関連するてんかん患者にとって特に重要だとYueは述べています。
Leeは、「患者は機器を身に着けるのを好まず、着け忘れたり、装着によって快適さが損なわれたりします。バッテリーの持ち時間は短く、データ転送が難しい場合もあります。BodyCompassのような非装着型の非接触機器なら、こうした問題を解消できるでしょう」と述べています。
BodyCompassには、寝室にカメラを設置したり、本人やベッドに直接センサーを取り付けたりするなど、ほかの寝姿勢モニタリング方法に比べていくつかの利点があります。センサーを着けて眠ると不快になることがあり、カメラはプライバシーを損なうとYueは指摘します。「睡眠中の呼吸信号など、寝姿勢の検出に必要な情報だけを記録するため」と彼は述べ、「このデータから利用者の別の行動を推測することはほぼ不可能です。」
正確なコンパス
研究チームは、26人の健康な参加者がそれぞれ自宅の寝室で眠った際の200時間分の睡眠データを使い、BodyCompassの精度を検証しました。研究の開始時、参加者は胸と腹に2つの加速度計（動きを検知するセンサー）をテープで貼り付け、寝姿勢の「正解データ」を使って機器のニューラルネットワークを学習させました。
BodyCompassは、1週間分のデータで学習させた場合に最も高い精度を示し、正しい身体の姿勢を94％の確率で予測しました。1晩分の学習データでは、87％の確率で正確な結果が得られました。寝ている人にワイヤレスセンサーの前で一般的ないくつかの寝姿勢を取ってもらい、わずか16分間のデータを収集した場合でも、BodyCompassは84％の精度を達成できました。
てんかんやパーキンソン病に加え、寝姿勢を変えることで症状が軽減される褥瘡や睡眠時無呼吸症候群の患者にも、BodyCompassは役立つ可能性があります。Yue自身にも関心があります。彼は睡眠の仕方に影響されるように思われる片頭痛に悩んでいます。「翌日の頭痛を避けるため、右向きに寝ています」と彼は述べます。「ただ、寝姿勢と片頭痛に本当に相関があるのかは分かりません。これがあれば、関連があるかどうか確かめられるかもしれません。」
現時点でBodyCompassはモニタリング機器ですが、将来は寝ている人に姿勢を変えるよう促す警告機能を組み合わせる可能性があります。「危険な寝姿勢を避けるため、患者をゆっくり寝返りさせるマットレスの研究が進んでいます」とYueは述べます。「今後、私たちの寝姿勢検出器をそのようなマットレスと組み合わせ、必要に応じててんかん患者をより安全な姿勢に移動させることが考えられます。」
