(57)【要約】【課題】被測定者が体の一部を動かしている場合でも正確に呼吸数を測定する。【解決手段】呼吸モニタリング装置１０は、被測定者の動画像を撮影する撮影部１１と、撮影部１１により撮影された被測定者の動画像から呼吸とみなせる周期の振動を検出することによって被測定者の呼吸数を測定する呼吸数測定部１４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動画像を撮影し解析することにより被測定者の呼吸数を測定する呼吸モニタリング装置であって、
前記被測定者の動画像を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段により撮影された前記被測定者の動画像から呼吸とみなせる周期の振動を検出することによって該被測定者の呼吸数を測定する呼吸数測定手段とを備えたことを特徴とする呼吸モニタリング装置。
【請求項２】
前記呼吸数測定手段は、前記被測定者の呼吸数に加え、さらに、該被測定者の呼吸間隔を測定することを特徴とする請求項１に記載の呼吸モニタリング装置。
【請求項３】
前記撮影手段により撮影された前記被測定者の動画像から該被測定者の位置を検出する被測定者位置検出手段と、
前記被測定者位置検出手段により検出された前記被測定者の位置と前記呼吸数測定手段により測定された前記被測定者の呼吸数とに基づいて該被測定者の呼吸の状態を判別する状態判別手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の呼吸モニタリング装置。
【請求項４】
前記状態判別手段は、前記被測定者の呼吸の状態に加え、さらに、該被測定者の位置の状態を判別することを特徴とする請求項３に記載の呼吸モニタリング装置。
【請求項５】
前記状態判別手段は、少なくとも前記被測定者の呼吸の状態に基づいて、前記被測定者の呼吸の状態が正常である場合と、無呼吸である場合と、正常及び無呼吸以外の異常である場合とを判別することを特徴とする請求項３または４に記載の呼吸モニタリング装置。
【請求項６】
前記呼吸数測定手段は、測定終了の指示を受け付けるまで一定時間毎に前記被測定者の呼吸数を測定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の呼吸モニタリング装置。
【請求項７】
少なくとも前記撮影手段と、前記呼吸数測定手段とが一つの筐体の中に備え付けられ、前記撮影手段により撮影された前記被測定者の動画像を該筐体から外へ出力しないことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の呼吸モニタリング装置。
【請求項８】
動画像を撮影し解析することにより被測定者の呼吸数を測定する呼吸モニタリング装置を有する呼吸モニタリングシステムであって、
前記呼吸モニタリング装置は、前記被測定者の動画像を撮影する撮影手段と、該撮影手段により撮影された前記被測定者の動画像から呼吸とみなせる周期の振動を検出することによって該被測定者の呼吸数を測定する呼吸数測定手段とを備え、
複数の前記呼吸モニタリング装置と一つのサーバ装置とがネットワークを介して接続され、
前記サーバ装置は、前記呼吸数測定手段により測定された前記被測定者の呼吸数を出力する出力手段と接続されていることを特徴とする呼吸モニタリングシステム。
【請求項９】
動画像を撮影し解析することにより被測定者の呼吸数を測定する呼吸モニタリング方法であって、
前記被測定者の動画像を撮影する撮影ステップと、
該撮影ステップにて撮影された前記被測定者の動画像から呼吸とみなせる周期の振動を検出することによって該被測定者の呼吸数を測定する呼吸数測定ステップとを備えたことを特徴とする呼吸モニタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定者の呼吸数を測定する呼吸モニタリング装置、システム、及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、睡眠時無呼吸症候群の検査など、被測定者（患者，被験者ともいう）の睡眠時に呼吸数を測定する睡眠時呼吸モニタリングが行われている。市販されている典型的な呼吸モニタリング装置は、患者の顔、胸、腹、手足等に専用のセンサを固定するものであるが、センサを固定して眠ることは患者に圧迫感を与え、また、患者が無意識にセンサを外してしまう場合もある。このため、患者の負担を軽減するために、非接触で呼吸モニタリングを行う方法が望まれている。
【０００３】
非接触の呼吸測定の代表的な手法としては、ビデオカメラなどの撮像手段を用いて画像を撮影し、その画像の分析によって呼吸数を検出する方法が知られている。例えば、特許文献１には、被介護者を撮影した動画像を解析して、被介護者の生理状態を観測する被介護者観測装置が開示されている。これは、動画像から被介護者の動き情報を抽出し、さらに寝返りなどの非呼吸体動と正常呼吸を判別するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２７６４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の装置によれば、寝返りなどの画面の広範囲にわたって変化が生じる非呼吸体動と呼吸とを判別することができるが、手、足、頭などの局所的な動きと呼吸を判別することができないため、体の一部を動かしている場合に正確に呼吸数を測定できないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、被測定者が体の一部を動かしている場合でも正確に呼吸数を測定することができる呼吸モニタリング装置、システム、及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、動画像を撮影し解析することにより被測定者の呼吸数を測定する呼吸モニタリング装置であって、前記被測定者の動画像を撮影する撮影手段と、前記撮影手段により撮影された前記被測定者の動画像から呼吸とみなせる周期の振動を検出することによって該被測定者の呼吸数を測定する呼吸数測定手段とを備えたことを特徴としたものである。
【０００８】
第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記呼吸数測定手段は、前記被測定者の呼吸数に加え、さらに、該被測定者の呼吸間隔を測定することを特徴としたものである。
【０００９】
第３の技術手段は、第１または第２の技術手段において、前記撮影手段により撮影された前記被測定者の動画像から該被測定者の位置を検出する被測定者位置検出手段と、前記被測定者位置検出手段により検出された前記被測定者の位置と前記呼吸数測定手段により測定された前記被測定者の呼吸数とに基づいて該被測定者の呼吸の状態を判別する状態判別手段とをさらに備えることを特徴としたものである。
【００１０】
第４の技術手段は、第３の技術手段において、前記状態判別手段は、前記被測定者の呼吸の状態に加え、さらに、該被測定者の位置の状態を判別することを特徴としたものである。
【００１１】
第５の技術手段は、第３または第４の技術手段において、前記状態判別手段は、少なくとも前記被測定者の呼吸の状態に基づいて、前記被測定者の呼吸の状態が正常である場合と、無呼吸である場合と、正常及び無呼吸以外の異常である場合とを判別することを特徴としたものである。
【００１２】
第６の技術手段は、第１〜第５のいずれか１の技術手段において、前記呼吸数測定手段は、測定終了の指示を受け付けるまで一定時間毎に前記被測定者の呼吸数を測定することを特徴としたものである。
【００１３】
第７の技術手段は、第１〜第６のいずれか１の技術手段において、少なくとも前記撮影手段と、前記呼吸数測定手段とが一つの筐体の中に備え付けられ、前記撮影手段により撮影された前記被測定者の動画像を該筐体から外へ出力しないことを特徴としたものである。
【００１４】
第８の技術手段は、動画像を撮影し解析することにより被測定者の呼吸数を測定する呼吸モニタリング装置を有する呼吸モニタリングシステムであって、前記呼吸モニタリング装置は、前記被測定者の動画像を撮影する撮影手段と、該撮影手段により撮影された前記被測定者の動画像から呼吸とみなせる周期の振動を検出することによって該被測定者の呼吸数を測定する呼吸数測定手段とを備え、複数の前記呼吸モニタリング装置と一つのサーバ装置とがネットワークを介して接続され、前記サーバ装置は、前記呼吸数測定手段により測定された前記被測定者の呼吸数を出力する出力手段と接続されていることを特徴としたものである。
【００１５】
第９の技術手段は、動画像を撮影し解析することにより被測定者の呼吸数を測定する呼吸モニタリング方法であって、前記被測定者の動画像を撮影する撮影ステップと、該撮影ステップにて撮影された前記被測定者の動画像から呼吸とみなせる周期の振動を検出することによって該被測定者の呼吸数を測定する呼吸数測定ステップとを備えたことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、被測定者の動画像をカメラで取り込み、取り込んだ動画像から呼吸とみなせる周期の振動を検出することによって、被測定者が体の一部を動かしている場合でも正確に呼吸数を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る呼吸モニタリング装置の概略構成例を示すブロック図である。
【図２】撮影部による撮影環境の一例を示す概略図である。
【図３】撮影部で撮影された動画像の一例を示す概略図である。
【図４】図３の画像の場合に検出した被測定者の位置の例を示す図である。
【図５】測定領域設定部により設定される測定候補領域の一例を示す図である。
【図６】測定領域設定部により設定される測定領域の一例を説明するための図である。
【図７】呼吸運動領域検出部における処理の流れの一例を説明するためのフロー図である。
【図８】シフト処理を行った後の画素値列のグラフの一例を示す図である。
【図９】パワースペクトルの例を示す図である。
【図１０】呼吸運動領域検出部により検出された呼吸運動領域の一例を示す図である。
【図１１】本実施形態に係る呼吸モニタリングシステムの概略構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図面において同じ機能を有する部分については同じ符号を付し、繰り返しの説明は省略する。
【００１９】
（第一の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る呼吸モニタリング装置の概略構成例を示すブロック図で、図中、１０は呼吸モニタリング装置を示す。本実施形態の呼吸モニタリング装置１０は、撮影部１１、画像取得部１２、被測定者位置検出部１３、呼吸数測定部１４、状態判別部１５、及び出力部１６を有している。そして、呼吸数測定部１４は、測定領域設定部１４１、呼吸運動領域検出部１４２、及び呼吸数算出部１４３を備える。
【００２０】
図２は、撮影部１１による撮影環境の一例を示す概略図である。撮影部１１がベッド２１に寝ている被測定者２０を撮影している様子を示している。被測定者２０は掛け布団２２を被っており、ベッド２１の横に植木鉢２３が置かれている。撮影は室内で行われ、被測定者の部屋への入退室はドア２４から行われる。撮影部１１は、被測定者２０が体を横たえて寝ている状態を上方、横、または斜め上方から撮影するように撮影範囲を定めて設置される。図２に示したように、被測定者２０は仰向けで寝ていてもよいし、うつ伏せや横向けになっていてもよい。また、被測定者２０は掛け布団２２を被っていてもよいし、掛け布団２２を掛けずに寝ていてもよい。さらに、撮影領域の中に植木鉢２３のような静止物体が含まれていてもよい。
【００２１】
図３は、撮影部１１で撮影された動画像の一例を示す概略図で、図中、３０は動画像データを示す。この動画像データ３０には、掛け布団２２が掛った状態での被測定者２０の胸部、腹部、肩が含まれ、植木鉢２３も含まれている。動画像データ３０における灰色の部分は床である。掛け布団２２の全体を白で示しているが、実際には掛け布団２２の凹凸やしわのために陰ができており、濃淡がある。被測定者２０の呼吸によって胸部、腹部、肩が上下に運動するのに伴い、胸部、腹部、肩とその近傍に位置する領域で掛け布団２２が上下する際に、この濃淡が変動する。すなわち、この濃淡の変動を検出することで被測定者２０の呼吸運動を検出することができる。また、被測定者２０が体の一部を動かした場合、寝返りを打った場合、ベッド２１から離れるなどの動作を行った場合、あるいは、ベッド２１から落ちた場合には、被測定者２０がいる位置に対応する部分の画素値が変動する。この変動を検出することで、被測定者２０の位置を検出することができる。
【００２２】
撮影部１１は、本発明の撮影手段に相当し、上記のように、被測定者２０が呼吸している状態を動画で撮影する。このときのフレームレートは１回の呼吸の周期よりも十分に速い必要があり、例えば１５ｆｐｓである。撮影部１１は、室内光下で撮影を行う場合は通常の可視光を撮影するカメラでよいが、照明を消した暗い場所で撮影を行う場合は、赤外線カメラ、高感度カメラ、低照度カメラ等の暗い場所に適したカメラを用いることが望ましい。また図示しない光源を設置して被写体を照射してもよい。光源の種類は、可視光、赤外線等、どのような光であってもよい。例えば、病院において寝たきりの病人を被測定者とする場合は、赤外線カメラを用いて昼間も夜間も赤外線を照射して撮影するとよい。そうすることで、夜間は通常の照明を消し、暗い室内で被測定者の睡眠を妨げることなく撮影できるという効果が得られる。また、昼間の明るい室内においても赤外線を照射することによって、夜間と同様の画像を撮影することができ、以降の処理において夜間の画像と同様に扱う事ができるという効果が得られる。撮影は予め設定された測定時間だけ行い、撮影された動画像を画像取得部１２へ出力する。この際の測定時間は例えば６０秒である。撮影部１１は画像に符号化を行ってから画像取得部１２へ出力してもよい。
【００２３】
撮影部１１と画像取得部１２とは配線やケーブルを介して接続してもよいし、あるいは、無線を介して接続するようにしてもよい。例えば、無線で接続すると撮影部のみを被測定者の近傍に設置し、残りの部分を他の場所に設置することが可能になるという効果が得られる。また、例えば病院において測定する場合は、有線で接続することによって医用機器に影響を及ぼす可能性のある無線を出力しないという効果が得られる。また、測定時間の全てのフレームを蓄積し、蓄積した全フレームをまとめて画像取得部１２へ送ってもよいし、あるいは、１フレームごとに画像取得部１２へ送ってもよい。
【００２４】
画像取得部１２は、撮影部１１から出力された動画像をフレームごとの画像（フレーム画像）に分解し、被測定者位置検出部１３と呼吸数測定部１４とに出力する。この際、撮影部１１から１フレームずつ出力された場合には、分解する必要はない。また、画像が符号化されている場合は復号化を行う。また、カラー画像の場合は、輝度値に変換してグレースケール画像を出力する。
【００２５】
本発明の主たる目的は、被測定者が体の一部を動かしている場合でも正確に呼吸数を測定することにある。このための構成として、呼吸モニタリング装置１０は、撮影部１１で取り込んだ被測定者の動画像に対して、呼吸とみなせる周期の振動を検出することにより被測定者の呼吸数を測定する呼吸数測定手段を備える。これは、周期の値が呼吸とみなせるかどうか、つまり、呼吸とみなせる所定の周期を持つ振動のみを検出することを意味する。より具体的には、画素値の周期的な時間変動を検出することで被測定者の呼吸数を測定する。また、呼吸数測定結果に基づき被測定者の状態を判別するために、被測定者の状態を判別する状態判別手段を備えるようにしてもよい。また、被測定者の在否が分からない場合でも被測定者の状態を正確に判別するために、被測定者の位置を検出する被測定者位置検出手段をさらに備えるようにしてもよい。
【００２６】
以下、これらの各手段について具体的に説明する。被測定者位置検出部１３は、本発明の被測定者位置検出手段に相当し、図示しない制御部の一機能として実現され、画像取得部１２から出力されたフレーム画像を読み込み、各フレームでの被測定者の位置を検出し、出力する。被測定者位置の検出方法の一つの例は、背景差分を用いる方法である。これは、予め、被測定者がいない状態での画像を１枚撮影して背景画像とし、図示しない記憶部に保存しておく。そして、画像取得部１２から出力されたフレーム画像を順次読み込み、各フレームにおいて、フレーム画像と背景画像との差分絶対値によって求めた差分画像を作成する。最後に、差分画像において閾値よりも大きい画素だけを選択してその領域を被測定者位置とするものである。ここで閾値はあらかじめ定めた正の数である。
【００２７】
被測定者位置の検出方法の他の例は、動きベクトルを用いる方法である。画像取得部１２から出力された各フレーム画像（現フレーム画像）と、その１つ前のフレームとの間で動きベクトル検出を行い、前のフレームで検出した被測定者位置が動きベクトルによって動いた先を現フレーム画像における被測定者位置とするものである。この場合、前のフレームのフレーム画像と検出された被測定者位置を記憶部に保存しておく必要がある。動きベクトル検出方法は、ブロックマッチング、勾配法など、どのような方法であってもよい。最後に、検出した被測定者位置を、記憶部に保存しておく。また、被測定者位置として検出された領域が無い場合は、被測定者が画像内に撮影されていないと判断し、非検出を示す信号を被測定者位置として出力する。
【００２８】
図３の画像の場合に検出した被測定者２０の位置の例を図４に示す。図４の例において、黒で塗りつぶした領域が、被測定者位置検出部１３により検出した被測定者２０の位置を示す被測定者領域２５を示し、図３の画像に重畳して示したものである。なお、測定時間内の各フレームにおいて被測定者位置を検出するのではなく、１フレームの被測定者位置だけを検出してもよい。
【００２９】
呼吸数測定部１４は、本発明の呼吸数測定手段に相当し、図示しない制御部の一機能として実現され、測定領域設定部１４１と、呼吸運動領域検出部１４２と、呼吸数算出部１４３とを有し、画像取得部１２から出力されたフレーム画像と被測定者位置検出部１３から出力された被測定者位置を読み込み、被測定者の呼吸数を出力する。呼吸数測定部１４としての機能は、被測定者位置検出部１３、状態判別部１５と同様に、制御部内のＣＰＵ、不揮発性メモリ、ＲＡＭによって実現されるものとする。具体的には、呼吸数測定部１４としての機能を実現するためのプログラムが不揮発性メモリに格納されており、ＣＰＵが不揮発性メモリからＲＡＭへプログラムを読み出し、ＲＡＭ上で読み出したプログラムを実行する。
【００３０】
測定領域設定部１４１は、まず、入力されたフレーム画像に対して測定候補領域を設定する。この測定候補領域は複数の局所領域から構成され、各局所領域は、例えば、縦横各３画素の９画素とし、画像全体に等間隔に分布している。次に、各局所領域と被測定者位置検出部１３から出力された各フレームの被測定者位置とを比較し、一部あるいは全てに被測定者位置が重なっている局所領域を選択し、それを合わせて測定領域とする。
【００３１】
図５は、測定領域設定部１４１により設定される測定候補領域の一例を示す図で、図中、４０は測定候補領域を示す。この測定候補領域４０において、フレーム画像を示す外側の大きい長方形の中に、小さい白い正方形が縦横に等間隔に並んでいる。内部の白い各正方形が各局所領域であり、全ての局所領域を合わせたものが測定候補領域４０である。なお、測定候補領域４０は、この例に限定されるものではなく、各局所領域はそれぞれ例えば１画素だけであってもよい。また、局所領域は画像内に等間隔ではなく、不等間隔に配置されていてもよい。また、予めベッド２１の領域を設定しておき、ベッド２１の領域内にある局所領域のみを測定候補領域としてもよい。測定領域設定部１４１は、測定時間内の各フレームに対して同じ測定候補領域を設定するものとする。
【００３２】
図６は、測定領域設定部１４１により設定される測定領域の一例を説明するための図である。図６の例においては、図４の被測定者領域２５と、図５の測定候補領域４０とを用いて得られた測定領域４０ａを灰色で示している。つまり、この測定領域４０ａは、図５の測定候補領域４０に、図４の被測定者領域（図中、ハッチング部分）２５を重ねたときに、被測定者領域２５の少なくとも一部が重なる局所領域を含むものである。
【００３３】
そして、呼吸運動領域検出部１４２は、測定領域設定部１４１で設定された測定領域に含まれる各局所領域に対して、画素値の時間変動の周波数特性を調べるためのパワースペクトルを算出し、算出したパワースペクトルを解析する。
【００３４】
図７は、呼吸運動領域検出部１４２における処理の流れの一例を説明するためのフロー図である。測定領域設定部１４１により測定領域が設定された各フレーム画像に対して、ステップＳ１からＳ４の処理を、測定領域に含まれる各局所領域に対して行った後に、ステップＳ５の処理を行う。その後、ステップＳ５で作成された各クラスタについて、ステップＳ６とＳ７の処理を行う。まず、ステップＳ１において画素値列を算出する。画素値列は、各フレームにおける局所領域内の画素値の代表値を順（時系列順）に並べたものである。画素値の代表値は、例えば、局所領域に含まれる画素の平均値を用いることができる。ただし、これは、画素の平均値に限定されるものではなく、重み付き平均等の他の値を用いてもよい。
【００３５】
次に、ステップＳ２において、画素値列の平均値を０にする前処理を行う。これは、画素値列の平均値を求め、画素値列の各値から平均値を引くシフト処理によって行う。図８にシフト処理を行った後の画素値列のグラフの一例を示す。図８中、横軸は時間（秒）、縦軸は画素値を示す。なお、ステップＳ２における前処理は、シフト処理に限定するものではなく、画素値のゆっくりとした時間変化を相殺するトレンド除去処理、呼吸数に関係する周波数以外の周波数成分を抑制するバンドパスフィルタ処理、パワースペクトルを求める際のサンプリング間隔を変更する補間処理等を行ってもよい。
【００３６】
次に、ステップＳ３において、ステップＳ２で求めた画素値列に対して時間領域での離散フーリエ変換を行い、パワースペクトルを算出する。図９にパワースペクトルの例を示す。図９中、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸はパワースペクトルを示す。なお、パワースペクトルの算出方法については、本例の離散フーリエ変換を用いる方法に限定するものではなく、離散コサイン変換や自己相関関数などの他の方法を用いてパワースペクトルを算出してもよい。例えば離散コサイン変換を用いると、離散フーリエ変換と比べ、高周波成分を小さくしやすいという効果が得られる。
【００３７】
次に、ステップＳ４において、図９によりパワースペクトルが最大となる周波数を求め、それをピーク周波数とする。また、ピーク周波数でのパワースペクトルの値をピーク値とする。
【００３８】
ステップＳ１からＳ４の処理を各局所領域に対して行った後、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、各局所領域のピーク周波数と、各局所領域の位置を示す座標とを用いたクラスタリング処理によって呼吸運動領域を検出する。具体的には、まず、各局所領域に対するピークベクトルとして、
【数１】
2014171574.tif 000003
を生成する。但し、ｆｉは局所領域のピーク周波数であり、（ｘｉ，ｙｉ）は局所領域の中心座標である。
【００３９】
次に、測定領域に含まれる各局所領域のピークベクトルに対して、例えば、Ｋ−ｍｅａｎｓ法などを用いてクラスタリング処理を行う。ステップＳ６では、ステップＳ５で得られた各クラスタに対し、各クラスタ内に含まれるピークベクトルのピーク周波数の平均値を算出して平均ピーク周波数とする。ステップＳ７では、平均ピーク周波数が既定の範囲内にある場合、そのクラスタを呼吸運動領域として選択する。ここで既定の範囲は、呼吸とみなせる振動の周期に基づいて予め定めておく。例えば、呼吸数３回／分から６０回／分の呼吸において生じる振動を呼吸とみなす場合は、周波数０．０５Ｈｚから１．００Ｈｚを既定の範囲とする。呼吸運動領域検出部１４２は、ステップＳ７で選択されたクラスタに含まれる各局所領域を呼吸運動領域として検出し、呼吸数算出部１４３へ出力する。
【００４０】
図１０は、呼吸運動領域検出部１４２により検出された呼吸運動領域の一例を示す図で、図中、４０ｂは呼吸運動領域を示す。図１０に示す黒い正方形の部分が呼吸運動領域４０ｂとして検出された局所領域であり、白い正方形の部分は呼吸運動領域として検出されなかった局所領域を示している。本例の呼吸運動領域４０ｂは、図３で示した動画像データ３０と、図４で示した被測定者領域２５と、図６で示した測定領域４０ａとを用いて得られた呼吸運動領域について示したもので、呼吸運動領域４０ｂは、被測定者２０の胸部と腹部がある部分に位置していることが分かる。
【００４１】
呼吸数算出部１４３は、呼吸運動領域検出部１４２で求めた呼吸運動領域に含まれる局所領域の中から、ピーク値が最大の局所領域を選択し、その局所領域のピーク周波数を呼吸数として状態判別部１５と出力部１６へ出力する。なお、この呼吸数の算出方法は、呼吸運動領域に含まれる局所領域のピーク周波数の平均値を用いる等、他の方法であってもよい。
【００４２】
状態判別部１５は、本発明の状態判別手段に相当し、図示しない制御部の一機能として実現され、被測定者位置検出部１３で検出された各フレームの被測定者位置と呼吸数測定部１４で測定された被測定者の呼吸数とに基づいて被測定者の呼吸の状態を判別し、被測定者の状態信号を出力する。
【００４３】
まず、被測定者の位置に関する状態を判別する。例として、図２〜図４に基づき、被測定者の位置の状態を在床、離床、落下、外出、非検出の５つに判別する場合について説明する。予めベッド２１の位置を登録しておき、被測定者２０の位置がベッド２１の位置上にないフレームが含まれる場合、被測定者２０がベッド２１から離れていると判断し、「離床」を示す状態信号を出力する。さらに、離床の状態で被測定者２０の位置が動かない場合、被測定者２０がベッド２１から落下して動けなくなっていると判断し、「落下」を示す状態信号を出力する。また、予めドア２４の位置を登録しておき、被測定者２０の位置がドア２４の位置を通った後に検出できなくなった場合、被測定者２０が部屋から外へ出たと判断し、「外出」を示す状態信号を出力する。また、全てのフレームについて被測定者位置検出部１３により被測定者２０の位置が非検出の場合は、被測定者２０が画像に撮影されていないと判断し、「非検出」を示す状態信号を出力する。それ以外の場合は被測定者２０がベッド２１の上にいると判断し、「在床」を示す状態信号を出力する。このように被測定者の位置の状態を判別することで、例えば介護施設において、介護される被測定者がベッドから誤って転落した場合や認知症の患者が急に外出した場合に、介護者が適切な対処をするために役立つという効果が得られる。
【００４４】
次に、被測定者の呼吸に関する状態を判別する。例として、被測定者の呼吸の状態を正常、異常、無呼吸の３つに判別する場合について説明する。呼吸数測定部１４により測定された呼吸数の値が予め定めた範囲にある場合は正常と判断し、「正常呼吸」を示す状態信号を出力する。例えば、呼吸数を１分あたりの回数に換算して、９回／分以上で１８回／分以下である場合に、正常と判断する。また、呼吸数測定部１４により測定された呼吸数が予め定めた値よりも小さく、かつ、被測定者の位置の状態が「非検出」でない場合は、呼吸が行われていないと判断し、「無呼吸」を示す状態信号を出力する。それ以外の場合は、「異常呼吸」を示す状態信号を出力する。このように被測定者の呼吸状態を判別する際に、被測定者の位置の状態を考慮することで、例えば、被測定者が画像に写っていないために呼吸が検出されていない場合と、呼吸停止によって呼吸が検出されない場合とを区別することができる。
【００４５】
正常呼吸と判断する方法の他の例として、呼吸数の平常時からのずれが予め定めた範囲内である場合に正常と判断してもよい。例えば、ずれが３０％以内であれば、正常と判断する。平常時の呼吸数は、例えば、測定時間の直前の一定時間（例えば１０分間）の呼吸数を測定し、その平均値として求めることができる。このように、被測定者の呼吸状態を判別する際に、平常時の呼吸数からのずれを用いることにより、被測定者の個人差を考慮し、より正確に呼吸の状態を判別することができる。また、測定時間の直前の一定時間の呼吸数に基づいて平常時の呼吸数を求めることにより、平常時の呼吸数の緩やかな時間変化を考慮することができ、より正確に呼吸の状態を判別することができる。  
【００４６】
このようにして求めた状態信号を出力部１６へ出力する。なお、上記の状態信号の例はこれに限るものではなく、他の状態が含まれていてもよい。また、被測定者の位置と呼吸の両方に関する状態を判別するのではなく、呼吸に関する状態を判別するだけでもよい。また、被測定者の呼吸状態を判別する際に、被測定者の位置の状態を用いなくてもよい。
【００４７】
出力部１６は、呼吸数測定部１４で測定された被測定者の呼吸数と状態判別部１５で判別された状態信号を、液晶モニタ等の表示装置に表示出力する、あるいは、内蔵の記録装置または外部の記録装置へ出力して記録させる、あるいは、プリンタ等の画像形成装置により印刷出力するようにしてもよい。なお、出力部１６は、被測定者位置検出部１３で検出された被測定者の位置や呼吸数測定部１４で測定された呼吸運動領域を合わせて出力してもよい。また、「落下」、「異常呼吸」、「無呼吸」等の緊急に対応を要する状態信号を受けた場合には、スピーカやブザーから警報音を鳴らしたり、ランプを点滅させたりするようにしてもよい。
【００４８】
出力部１６の他の例として、出力部１６は撮影部１１または画像取得部１２で取得した動画像を液晶モニタ等の表示装置に表示出力する手段をさらに備えてもよい。さらに、呼吸運動領域検出部１４２で検出した呼吸運動領域の位置を動画像に重畳して表示出力してもよい。
【００４９】
また、本実施形態の変形例として、被測定者位置検出部１３で検出される被測定者の位置は、任意のフレームにおいて予め与えられていてもよい。また、被測定者位置検出部１３は、測定領域設定部１４１と同様に局所領域を設定し、呼吸運動領域検出部１４２と同様の画素値列を用いてパワースペクトルを求め、その振動を解析することで被測定者の位置を求めてもよい。
【００５０】
また、本実施形態の変形例として、呼吸運動領域検出部１４２においてクラスタリングを行わずに呼吸運動領域を検出してもよい。例えば、各局所領域で算出されたピーク周波数が、呼吸とみなせる振動の周期に基づいて定めた既定の範囲内にあり、かつ、ピーク値が予め定められた閾値よりも大きい場合には、周期的な画素値の変動が生じていたとみなし、その局所領域を呼吸運動領域として検出する。
【００５１】
また、本実施形態の変形例として、呼吸数測定部１４において測定時間全体における呼吸数のみを測定するのではなく、呼吸１回毎の呼吸間隔を合わせて出力してもよい。このために、呼吸数算出部１４３において、画素値列における呼吸１回毎の振動を検出することで呼吸間隔を検出する。具体的には、まず、測定領域に含まれる局所領域の画素値列にローパスフィルタをかけてから時間方向に微分を行い、画素値列のゼロクロスポイントを検出する。その際、負から正に変化するゼロクロスポイント、もしくは正から負に変化するゼロクロスポイントのいずれか片方のみを検出する。その後、検出したゼロクロスポイントについて、隣接するゼロクロスポイント間の間隔を算出し、それを呼吸１回毎の呼吸間隔として出力部１６へ出力する。このように、呼吸数のみでなく呼吸１回毎の呼吸間隔も出力することで、より詳細な呼吸モニタリングが可能となる。
【００５２】
さらに、算出した呼吸間隔に基づいて呼吸数を算出してもよい。例えば、測定時間での呼吸間隔の平均値を求め、その逆数を呼吸数とすればよい。このように、呼吸間隔の測定に基づいて呼吸数を算出することで、呼吸が周期的でなく不規則である場合にも呼吸数を測定することができるという効果が得られる。また、呼吸間隔を状態判別部１５にも出力し、状態判別部１５において呼吸に関する状態を判別する際に、呼吸間隔を用いて状態を詳細に判別してもよい。例えば、呼吸間隔の分散値を求め、分散値が予め定めた閾値よりも大きい場合は呼吸間隔にばらつきが大きいと判断し、「呼吸間隔異常」を示す状態信号を出力する。
【００５３】
本発明の主たる目的である、測定者の動画像をカメラで取り込み正確に呼吸数を測定するために必要な構成は撮影部１１と呼吸数測定部１４である。被測定者位置検出部１３と状態判別部１５を省略した構成であってもよい。被測定者位置検出部１３を省略する場合は、測定領域設定部１４１において、測定候補領域をそのまま測定領域とすればよい。
【００５４】
このように、本実施形態の呼吸モニタリング装置によれば、呼吸とみなせる周期の振動を検出することによって、被測定者が体の一部を動かしている場合でも正確に呼吸数を測定することができる。さらに、呼吸数測定結果に基づき被測定者の呼吸の状態を判別することができる。また、被測定者の位置を検出することによって、被測定者の在否が分からない場合でも被測定者の状態を正確に判別することができる。
【００５５】
（第二の実施形態）
本実施形態の状態判別部１５は、測定終了の指示を受け付けるまで一定時間毎に被測定者の状態を判別し出力するように構成される。本実施形態における呼吸モニタリング装置の概略構成は、第一の実施形態と同様に図１で示されるが、第一の実施形態の構成とは呼吸数測定と状態判別を長時間連続的に行う点で異なる。すなわち、第一の実施形態では、予め設定された測定時間（例えば、６０秒間）の画像データを用いて被測定者の呼吸数を１回出力したが、本実施形態では、予め設定された測定間隔（例えば、５秒）毎に、被測定者の呼吸数を連続的に出力する。
【００５６】
具体的には、測定時間と測定間隔は各々予め設定され、測定間隔毎にその時点から測定時間だけ前の時刻との間の画像データを用いて呼吸数を測定して出力する。例えば測定時間が６０秒間、測定間隔が５秒と設定された場合、測定開始後６０秒の時点において、０秒から６０秒までの画像データを用いて算出された呼吸数が出力される。次に、測定開始後６５秒の時点において、５秒から６５秒までの画像データを用いて算出された呼吸数が出力される。同様に、５秒毎に６０秒間の画像データを用いて算出された呼吸数が出力される。状態判別部１５は、５秒毎にその時点で出力された被測定者の位置と呼吸数を用いて状態判別を行い、被測定者の状態を出力する。これは、測定者等によって操作入力部（図示せず）から測定終了の指示を受け付けるまで測定間隔毎に出力し続ける。なお、被測定者位置検出方法、呼吸数の測定方法、状態判別方法については、第一の実施形態と同様とする。
【００５７】
また、本実施形態の変形例として、状態判別部１５で判定した被測定者の状態について、同じ状態信号が予め定めた一定時間以上続いた場合にのみ出力部に状態信号を出力するようにしてもよい。
【００５８】
このように、本実施形態の呼吸モニタリング装置によれば、測定終了の指示を受け付けるまで連続的に被測定者の呼吸数を測定することによって呼吸数の時間変動を測定することができる。
【００５９】
（第三の実施形態）
本実施形態に係る呼吸モニタリング装置の概略構成例は、第一の実施形態と同様に図１で示されるが、撮影部１１、画像取得部１２、被測定者位置検出部１３、呼吸数測定部１４、及び状態判別部１５をひとつの筐体に包含し、無線または有線のネットワーク接続により出力部１６と接続している。筐体からは、呼吸数測定部１４で検出した呼吸数と状態判別部１５で判別した被測定者の状態信号が出力部１６へ送られる。撮影部１１で撮影された画像は、呼吸数の測定と状態の判別を行った後に破棄され、筐体外部へ出力されることがない。なお、本実施の形態における呼吸モニタリング装置について必要な構成は撮影部１１と呼吸数測定部１４であり、被測定者位置検出部１３と状態判別部１５を省略した構成であってもよい。状態判別部１５を省略する場合は、検出した呼吸数のみを筐体から出力する。また、筐体内に状態判別部１５を格納せず、状態判別部１５を別体で構成してもよい。
【００６０】
このように、撮影部を包含する筐体から画像を出力しないことで、測定者や他の人々が被測定者の画像を見ることができず、被測定者のプライバシーを守ることができる。
【００６１】
また、本実施形態の変形例として、状態判別部１５が「落下」、「異常呼吸」、「無呼吸」等の緊急に対応を要する状態信号を出力した場合のみ、撮影部１１で撮影された画像を筐体から外へ出力し、出力部１６へ送信してもよい。これにより、測定者等が出力部１６から出力された画像を確認し、被測定者の状態を詳細に知ることができる。
【００６２】
（第四の実施形態）
図１１は、本実施形態に係る呼吸モニタリングシステムの概略構成例を示す図である。複数の呼吸モニタリング装置１０ａ〜１０ｎは、撮影部１１ａ〜１１ｎ、画像取得部１２ａ〜１２ｎ、被測定者位置検出部１３ａ〜１３ｎ、呼吸数測定部１４ａ〜１４ｎ、及び状態判別部１５ａ〜１５ｎを有し、これら複数の呼吸モニタリング装置１０ａ〜１０ｎと１つのサーバ装置５０とがネットワークを介して接続されている。そして、サーバ装置５０と出力部５１とが接続されている。本実施形態における撮影部１１ａ〜１１ｎ、画像取得部１２ａ〜１２ｎ、被測定者位置検出部１３ａ〜１３ｎ、呼吸数測定部１４ａ〜１４ｎ、状態判別部１５ａ〜１５ｎは、第一の実施形態における呼吸モニタリング装置１０の各部（図１）と同一である。各呼吸モニタリング装置１０ａ〜１０ｎには予め個体識別番号が割り当てられている。
【００６３】
サーバ装置５０は、有線または無線のネットワーク接続によって複数の呼吸モニタリング装置１０ａ〜１０ｎに接続されており、各呼吸モニタリング装置１０ａ〜１０ｎから出力された被測定者の呼吸数と状態信号を受信し、各々の個体識別番号と共に出力部５１へ出力する。出力部５１は、第一の実施形態から第三の実施形態における出力部１６（図１）と同様に、各呼吸モニタリング装置１０ａ〜１０ｎから出力された被測定者の呼吸数と被測定者の状態信号を液晶モニタ等の表示装置に表示出力する、あるいは、内蔵の記録装置または外部の記録装置へ出力して記録させる、あるいは、プリンタ等の画像形成装置により印刷出力するようにしてもよい。その際、各々の個体識別番号に基づき、どの呼吸モニタリング装置から出力された情報であるかが分かるように出力する。なお、本実施の形態における各呼吸モニタリング装置について必要な構成は撮影部１１ａ〜１１ｎと呼吸数測定部１４ａ〜１４ｎであり、被測定者位置検出部１３ａ〜１３ｎと状態判別部１５ａ〜１５ｎを省略した構成であってもよい。状態判別部１５ａ〜１５ｎを省略する場合は、出力部５１は被測定者の呼吸数のみを、どの呼吸モニタリング装置から出力された情報であるかが分かるように出力する。
【００６４】
各呼吸モニタリング装置１０ａ〜１０ｎは、例えば、病院の病室、老人ホーム、ホテル等の宿泊施設、保育園等の各ベッドや寝具の近く、トイレ、浴室等に設置し、サーバ装置５０と出力部５１は、例えば、病院のナースステーション、老人ホーム、宿泊施設、保育園等の管理室等に設置して使用される。このように、本実施形態によれば、離れた場所にある多数の被測定者を同時にモニタリングすることができる。
【００６５】
また、本実施形態の他の例として、各呼吸モニタリング装置１０ａ〜１０ｎではなく、サーバ装置５０が状態判別部１５を有し、各呼吸モニタリング装置１０ａ〜１０ｎから提供される被測定者の位置及び呼吸数に係る情報に基づいて、サーバ装置５０で状態判別部１５の処理を行ってもよい。さらに、呼吸数測定部１４、被測定者位置検出部１３の処理についてもサーバ装置５０で行ってもよい。このように処理を各呼吸モニタリング装置１０ａ〜１０ｎとサーバ装置５０とで分散して行うことで、各呼吸モニタリング装置１０ａ〜１０ｎに高性能なＣＰＵを搭載する必要等がなくなり、コストを削減することができる。
【００６６】
以上、本発明の一実施形態として呼吸モニタリング装置、システムを例示して説明したが、本発明は、呼吸モニタリング装置による呼吸モニタリング方法の形態、あるいは、呼吸モニタリング方法をコンピュータに実行させるためのプログラムの形態、あるいは、このプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体の形態としてもよい。
【００６７】
上記の記録媒体としては、具体的には、ＣＤ−ＲＯＭ（−Ｒ／−ＲＷ）、光磁気ディスク、ＨＤ（ハードディスク）、ＤＶＤ−ＲＯＭ（−Ｒ／−ＲＷ／−ＲＡＭ）、ＦＤ（フレキシブルディスク）、フラッシュメモリ、メモリカードや、メモリスティック及びその他各種ＲＯＭやＲＡＭ等が想定でき、これら記録媒体に上述した本発明の呼吸モニタリング方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録して流通させることにより、当該方法の実現を容易にする。そしてコンピュータ等の情報処理装置に上記のごとくの記録媒体を装着して情報処理装置によりプログラムを読み出すか、若しくは情報処理装置が備えている記憶媒体に当該プログラムを記憶させておき、必要に応じて読み出すことにより、本発明による呼吸モニタリング方法を実行することができる。
【００６８】
以上説明したように、本発明に係る呼吸モニタリング装置は、動画像を撮影し解析することにより被測定者の呼吸数を測定する呼吸モニタリング装置であって、前記被測定者の動画像を撮影する撮影手段と、前記撮影手段により撮影された前記被測定者の動画像から呼吸とみなせる周期の振動を検出することによって該被測定者の呼吸数を測定する呼吸数測定手段とを備える。これにより、被測定者が体の一部を動かしている場合でも正確に呼吸数を測定することができる。
【００６９】
また、前記撮影手段は、赤外線カメラ、高感度カメラ、低照度カメラのいずれかであることが望ましい。これにより、夜間等でも被測定者の呼吸運動を的確に捉えることができるため、より正確な呼吸数の測定が可能となる。
【００７０】
また、前記呼吸数測定手段は、前記撮影手段により撮影された前記被測定者の動画像から画素値の周期的な時間変動を検出することにより前記被測定者の呼吸数を測定することが望ましい。これにより、被測定者が体の一部を動かしている場合でもより正確に呼吸数を測定することができる。
【００７１】
また、前記呼吸数測定手段は、前記被測定者の呼吸数に加え、さらに、該被測定者の呼吸間隔を測定することが望ましい。これにより、呼吸が周期的でなく不規則な場合でも呼吸数を測定することができる。
【００７２】
また、本発明に係る呼吸モニタリング装置は、前記撮影手段により撮影された前記被測定者の動画像から該被測定者の位置を検出する被測定者位置検出手段と、前記被測定者位置検出手段により検出された前記被測定者の位置と前記呼吸数測定手段により測定された前記被測定者の呼吸数とに基づいて該被測定者の呼吸の状態を判別する状態判別手段とをさらに備えることが望ましい。これにより、被測定者の呼吸の状態を判別することができる。
【００７３】
また、前記状態判別手段は、前記被測定者の呼吸の状態に加え、さらに、該被測定者の位置の状態を判別することが望ましく、また、前記状態判別手段は、少なくとも前記被測定者の呼吸の状態に基づいて、前記被測定者の呼吸の状態が正常である場合と、無呼吸である場合と、正常及び無呼吸以外の異常である場合とを判別することが望ましい。このように、被測定者の呼吸の状態に加え、被測定者の位置の状態を考慮することで、被測定者が画像に写っていないために呼吸が検出されない場合と、呼吸停止によって呼吸が検出されない場合（すなわち、無呼吸の場合）とを区別することができる。
【００７４】
また、前記呼吸数測定手段は、測定終了の指示を受け付けるまで一定時間毎に前記被測定者の呼吸数を測定することが望ましい。このように、連続的に呼吸数を出力することにより呼吸数の時間変動を測定することができる。
【００７５】
また、少なくとも前記撮影手段と、前記呼吸数測定手段とが一つの筐体の中に備え付けられ、前記撮影手段により撮影された前記被測定者の動画像を該筐体から外へ出力しないことが望ましい。これにより、測定者や他の人々が被測定者の画像を見ることができず、被測定者のプライバシーを守ることができる。
【００７６】
また、本発明に係る呼吸モニタリングシステムは、動画像を撮影し解析することにより被測定者の呼吸数を測定する呼吸モニタリング装置を有する呼吸モニタリングシステムであって、前記呼吸モニタリング装置は、前記被測定者の動画像を撮影する撮影手段と、該撮影手段により撮影された前記被測定者の動画像から呼吸とみなせる周期の振動を検出することによって該被測定者の呼吸数を測定する呼吸数測定手段とを備え、複数の前記呼吸モニタリング装置と一つのサーバ装置とがネットワークを介して接続され、前記サーバ装置は、前記呼吸数測定手段により測定された前記被測定者の呼吸数を出力する出力手段と接続されている。
【００７７】
また、本発明に係る呼吸モニタリング方法は、動画像を撮影し解析することにより被測定者の呼吸数を測定する呼吸モニタリング方法であって、前記被測定者の動画像を撮影する撮影ステップと、該撮影ステップにて撮影された前記被測定者の動画像から呼吸とみなせる周期の振動を検出することによって該被測定者の呼吸数を測定する呼吸数測定ステップとを備える。
【００７８】
また、本発明に係るプログラムは、上記の呼吸モニタリング方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【符号の説明】
【００７９】
１０，１０ａ〜１０ｎ…呼吸モニタリング装置、１１…撮影部、１２…画像取得部、１３…被測定者位置検出部、１４…呼吸数測定部、１５…状態判別部、１６，５１…出力部、２０…被測定者、２１…ベッド、２２…掛け布団、２３…植木鉢、２４…ドア、２５…被測定者領域、３０…動画像データ、４０…測定候補領域、４０ａ…測定領域、４０ｂ…呼吸運動領域、５０…サーバ装置、１４１…測定領域設定部、１４２…呼吸運動領域検出部、１４３…呼吸数算出部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014171574.tif 000010
【図８】
2014171574.tif 000011
【図９】
2014171574.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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