はじめに：非接触監視におけるミリ波レーダーの利点
スマートホーム、ヘルスケア、車載安全アプリケーションの急速な成長に伴い、非接触型生理学的モニタリングの需要が高まっています。従来の接触型センサー（ECG電極、チェストベルト、光電式容積脈波記録法（PPG）など）は正確な測定が可能ですが、長時間の使用は不快感を引き起こす可能性があり、寝室、病院、公共スペースへの設置は制限されます。
ミリ波（mmWave）レーダーは革新的なソリューションを提供します。60～77GHz帯の電磁波を送信することで、呼吸や心拍による胸部の微細な動きを検知し、非接触で24時間365日、プライバシーを保護しながらモニタリングすることが可能です。カメラとは異なり、レーダーは個人を特定できる画像を撮影しないため、ユーザーのプライバシーを保護します。接触型センサーと比較して、ウェアラブルデバイスを必要とせず、より自然なユーザーエクスペリエンスを提供します。
しかし、現実の環境では、単一のレーダーでは、体の姿勢、向き、あるいは障害物の影響を受ける可能性があります。SumiとSakamoto（2025）は、 MVMD（多変量変分モード分解）と組み合わせたマルチレーダー融合アプローチを提案し、非接触呼吸モニタリングの精度と安定性を大幅に向上させ、実用化に向けた信頼性の高いソリューションを提供しました。
マルチレーダー融合：原理と利点
単一のレーダーでは、単一の視点からの胸部変位しか捉えることができません。対象者が顔を背けたり姿勢を変えたりすると、信号振幅が低下し、ノイズが増加し、呼吸波形が歪む可能性があります。
これに対処するため、研究チームは3台のミリ波レーダーを設置し、異なる角度から同時に胸部変位信号を捕捉しました。信号はMVMDを用いて処理され、効果的な情報融合とノイズ抑制を実現しました。
MVMD原則
MVMDは、変分モード分解の多変量拡張であり、位相の整合性を維持しながら複数の関連する信号チャネルを処理します。その利点は次のとおりです。
ジョイント分解：チャネル間の共通呼吸パターンが効果的に抽出されます。
ノイズ抑制: 環境ノイズとモーションアーティファクトが除去され、信号品質が向上します。
モード融合:主成分分析 (PCA) はモードを統合して安定した呼吸波形を生成します。
ワークフロー:
各レーダーは胸部変位信号xi(t)x_i(t) を取得します。
MVMD は信号を固有モード関数 (IMF) に分解します。
位相調整はモード全体に適用されます。
PCA は整列したモードを融合して、安定した信頼性の高い呼吸信号を生成します。
複数のレーダー視点を融合することにより、システムは姿勢と方向の影響を効果的に軽減します。
実験設計と結果
実験セットアップ
このシステムは、管理された実験室環境で検証されました。
レーダー構成: 対象の周囲 120° 間隔で配置された 60 GHz FMCW レーダー 3 台。
被験者: 6 名の健康な成人を 3 つの方向 (前面、側面、背面) でテストしました。
測定距離：1.5mと3.0m。
複数人のシナリオ: 信号分離を評価するために 10 人の被験者を同時に監視します。
基準呼吸間隔は接触型センサーで測定されました。
結果
マルチレーダー + MVMD システムは、単一被験者テストで高いパフォーマンスを達成しました。
| メトリック | 単一レーダー | マルチレーダー + MVMD | 改善 |
|---|---|---|---|
| 呼吸間隔RMSE | – | ↓ 35.5% | ✔ |
| 呼吸数MAE | – | ↓ 30.8% | ✔ |
| 呼吸の精度 | – | ↑ 9.4パーセントポイント | ✔ |
複数人のシナリオでも、パフォーマンスは堅調に維持されました。
呼吸間隔RMSEが23.5%改善
呼吸数MAEは22.3%改善した
精度は6.2パーセントポイント向上
これらの結果は、MVMD を使用したマルチレーダー融合により、さまざまな姿勢や複数人の状況で呼吸情報を確実に抽出でき、堅牢性と信頼性が大幅に向上することを示しています。
mmWaveレーダーの主な利点
1. 非接触で快適
直接皮膚に触れる必要がないため、家庭や医療のシナリオで自然で快適なユーザー エクスペリエンスを実現します。
2. プライバシー保護
レーダーは識別可能な画像ではなく動きのデータのみをキャプチャするため、寝室、病院、公共スペースでのプライバシーが確保されます。
3. 衣類や寝具に浸透する
ミリ波は薄い衣類や毛布を透過できるため、日常の環境で信頼性の高いデータ収集が可能になります。
4. 高解像度とリアルタイム監視
mmWave レーダーは高解像度の変位信号を提供し、睡眠分析、健康管理、異常検出のための継続的な呼吸追跡を可能にします。
5. マルチシナリオ適用性
スマートホーム、ヘルスケア、車載モニタリング、ヒューマンマシンインタラクションなどに最適です。マルチレーダーフュージョンにより、複雑な環境でも安定したモニタリングを実現します。
6. マルチレーダー融合による堅牢性
MVMD を使用して複数の角度からの信号を組み合わせることで、対象者が姿勢を変えたり、レーダーから顔を背けたりした場合でも、信頼性の高い呼吸波形出力が保証されます。
Linpowaveアプリケーションの価値
Linpowave の 60 GHz レーダー モジュール ( R60A 、 R60ABD1など) は、マルチデバイス同期と位相整合処理をサポートしており、MVMD マルチレーダー融合アプリケーションに最適です。
代表的な用途は次のとおりです:
スマートホーム: 睡眠モニタリングと健康管理。
ヘルスケアと高齢者ケア：患者と高齢者向けの非接触型呼吸モニタリング。
車内モニタリング：ドライバーと乗客の状態を検出し、安全性を強化します。
ヒューマンマシンインタラクション: ユーザーの状態を感知して適応的な応答を提供するインテリジェントロボット。
詳細情報:
FAQ（よくある質問）
Q1: mmWaveレーダーは心拍数を検出できますか?
A1: 呼吸信号は振幅が大きいのに対し、心拍信号はより微細です。マルチレーダー融合と高解像度サンプリングにより、将来的には心拍モニタリングも可能になる可能性があります。
Q2: マルチレーダーの設定は複雑ですか?
A2: 120°間隔で配置された3つのレーダーで主要な姿勢をカバーできます。Linpowaveモジュールは複数デバイスの同期をサポートし、セットアップとデータ処理を簡素化します。
Q3: 衣服や毛布はレーダー信号に影響しますか?
A3: ミリ波は薄い衣類や毛布を透過します。非常に厚い毛布は信号をわずかに減衰させる可能性がありますが、呼吸モニタリングへの影響は最小限です。
Q4: 複数人を同時に監視できますか？
A4: はい、実験では、マルチレーダー融合により複数の個人の呼吸信号を区別できることが示されており、家庭、病棟、公共の介護環境に適しています。
Q5: レーダー監視は安全ですか?
A5: 60GHz mmWave の電力は携帯電話や Wi-Fi よりも低く、非電離放射線として分類されるため、長期使用しても安全です。
Q6: 導入にはコストがかかりますか?
A6: モジュールコストの低下により、マルチレーダーシステムはコスト効率と柔軟性に優れ、商用および家庭用アプリケーションに適しています。
結論と展望
MVMD によるマルチレーダー融合により、非接触型生理学的モニタリングのための高精度で安定したユーザーフレンドリーなソリューションが実現します。
多視点のデータ収集とインテリジェントな信号処理を統合することにより、システムはさまざまな姿勢、複数人のシナリオ、日常の環境に適応し、継続的かつ干渉のないプライバシー保護された呼吸モニタリングを実現します。
mmWave レーダー技術が進歩するにつれ、このアプローチはスマートホーム、ヘルスケア、車載モニタリングにおいてますます重要な役割を果たし、よりスマートで、より穏やかで、より人間中心の環境センシングが可能になります。