共有グラウンド不要のデュアルユニットECG(心電図)取得システムの設計と実装
Dual-Unit ECG Acquisition System Without Shared Ground: Design and Implementation
本論文では、2つの電気的に独立したセンシングユニットと1つの受信ユニットに基づく、分散型ワイヤレス心電図(ECG)取得アーキテクチャの設計、シミュレーション、および実験的検証について発表する。2つのセンシングユニットは体上の異なる場所に配置され、独立して生体電位信号を取得し、ワイヤレスで共通の受信機に送信する。受信された信号は差動処理され、取得ユニット間で共有グラウンド参照を必要とせずにECG信号を再構成する。受信ユニットは、スマートフォンなどのポータブル処理デバイスとして将来のウェアラブル実装に組み込むことができ、リアルタイムECG分析を可能にする可能性がある。目標は、デバイス間で共有グラウンド参照なしで信号取得とワイヤレス通信を可能にし、ユーザーの移動性を向上させ、ウェアラブル生体医療アプリケーションをサポートすることである。MATLAB/Simulink R2024bモデルを使用して、信号取得、送信、受信、差動再構成を含む完全なセンシングおよび通信チェーンをシミュレートした。提案された取得アーキテクチャは、アイソレーションアンプを使用してワイヤレス送信の電気的独立性をエミュレートし、ディスクリートコンポーネントを使用してブレッドボード上に実装された。さらに、独立したADALM2000プラットフォームを使用した別の予備実験により、短距離ワイヤレスリンクを介した信号伝送の実現可能性が調査された。シミュレーション結果は、従来の振幅変調(AM)と二重側帯波抑制搬送波(DSB-SC)伝送がそれぞれ20.5 dBと28.9 dBのSNR、および2.12×10−4と8.01×10−5のRMSEを達成したことを示し、DSB-SCの性能は送信機と受信機で完全に同期したキャリアを仮定して得られた。実際のECG記録を使用した提案された取得アーキテクチャの実験的検証は、最大19.7 dBのSNRと正確な心拍数(HR)推定とともに、信頼性の高いECG再構成を示した。2つの独立したADALM2000プラットフォームを使用した別の予備実験は、最大13.5 dBの再構成SNRを達成し、短距離ワイヤレスリンクを介したECG信号伝送と再構成の実現可能性をさらに実証した。
- 2つの電気的に独立したセンシングユニットと1つの受信ユニットによる分散型ワイヤレスECG取得アーキテクチャを設計・シミュレーション・実験検証した(共有グラウンド参照が不要)
- MATLAB/Simulink R2024bモデルで取得・送信・受信・差動再構成の全チェーンをシミュレートし、AMでSNR 20.5 dB/RMSE 2.12×10−4、DSB-SCでSNR 28.9 dB/RMSE 8.01×10−5を達成
- 実ECG記録を用いた実験的検証で最大19.7 dBのSNRと正確な心拍数(HR)推定による信頼性の高いECG再構成を確認
- 2つの独立したADALM2000プラットフォームによる予備実験で最大13.5 dBの再構成SNRを達成し、短距離ワイヤレスリンクでのECG伝送・再構成の実現可能性を実証
- 受信ユニットはスマートフォンなどのポータブル処理デバイスへ組み込み可能で、将来のウェアラブル実装におけるリアルタイムECG分析を想定
ウェアラブル心電図(ECG)は生体センシング市場の中核領域であり、本論文は「ユニット間で共有グラウンド参照を不要にする」という従来の装着上の制約を外す手法を、シミュレーション(MATLAB/Simulink R2024b)と実機(アイソレーションアンプ、ブレッドボード、ADALM2000)で検証した点が実務的価値を持つ。DSB-SCでSNR 28.9 dB・RMSE 8.01×10−5、実ECGで最大19.7 dBと心拍数推定成功という定量結果は、スマートフォン受信機によるリアルタイム解析への道筋を示す。ただし大学発の実験室レベル検証であり、商用化・規制承認・量産性は未確認。投資判断としては、ウェアラブルECG/遠隔モニタリング企業の技術ロードマップを測る材料として、学術成果がどこで製品・薬事承認に接続するかを注視すべき段階。