(57)【要約】  心拍計測方法は、胸部の三次元形状変化を取得することで非接触で人の心拍を計測する心拍計測方法である。心拍計測方法は、人の胸腹壁表面の三次元形状を三次元座標点群データとして取得する第１のステップと、三次元座標点群データを構成する各点における三次元座標の時間変化を第１の時系列データとして算出する第２のステップと、第１の時系列データに対するバンドパスフィルター処理により、心拍の周波数帯の成分を抽出することで、心拍による三次元座標の時間変化を第２の時系列データとして算出する第３のステップと、を有する。
2014017566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の胸部の三次元形状変化を取得することで非接触でその心拍を計測する心拍計測方法であって、
前記人の胸腹壁表面の三次元形状を三次元座標点群データとして取得する第１のステップと、
該第１のステップで取得された三次元座標点群データを構成する各点における三次元座標の時間変化を第１の時系列データとして算出する第２のステップと、
前記第１の時系列データに対するバンドパスフィルター処理により、心拍の周波数帯の成分を抽出することで、心拍による三次元座標の時間変化を第２の時系列データとして算出する第３のステップと、
を有することを特徴とする心拍計測方法。
【請求項２】
前記第１のステップでは、パターン光が投影された胸腹壁表面を撮像した画像から前記三次元座標点群データを取得することを特徴とする請求項１に記載の心拍計測方法。
【請求項３】
前記第２のステップでは、胸腹壁表面を撮像する撮像手段のレンズと胸腹壁との距離変化を前記第１の時系列データとして算出することを特徴とする請求項２に記載の心拍計測方法。
【請求項４】
前記第２の時系列データを、時間変化量の大きさに応じて色彩情報に変換し、各点の三次元座標に当該色彩情報を映像として表示することで、心拍による胸腹壁表面の動態を可視化するステップを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の心拍計測方法。
【請求項５】
胸腹部に対応させた複数の区画についてそれぞれ前記第２の時系列データを算出し、所定の基準区画の心拍周波数成分に対して他の区画の心拍周波数成分の位相差を算出するステップを有する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の心拍計測方法。
【請求項６】
人の胸部の三次元形状変化を取得することで非接触でその心拍を計測する心拍計測装置であって、
前記人の胸腹壁表面の三次元形状を三次元座標点群データとして取得する点群データ取得手段と、
該点群データ取得手段で取得された前記三次元座標点群データを構成する各点における三次元座標の時間変化を第１の時系列データとして算出する点群座標時間変化算出手段と、
前記第１の時系列データに対するバンドパスフィルター処理により、心拍の周波数帯の成分を抽出することで、心拍に起因する各点における三次元座標の時間変化を第２の時系列データとして算出する心拍起因点群座標時間変化算出手段と、
を備えることを特徴とする心拍計測装置。
【請求項７】
胸腹部表面にパターン光を投影するパターン光投影手段と、
パターン光が投影された人の胸腹部表面を撮像する撮像手段と、を備え、
前記点群データ取得手段は前記撮像手段で撮像された画像から前記三次元座標点群データを取得することを特徴とする請求項６に記載の心拍計測装置。
【請求項８】
前記点群座標時間変化算出手段が、前記撮像手段のレンズと胸腹壁との距離変化を前記第１の時系列データとして算出することを特徴とする請求項７に記載の心拍計測装置。
【請求項９】
前記第２の時系列データを、時間変化量の大きさに応じて色彩情報に変換し、各点の三次元座標に当該色彩情報を映像として表示することで、心拍による胸腹壁表面の動態を可視化する動態可視化手段を有することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の心拍計測装置。
【請求項１０】
胸腹部に対応させた複数の区画についてそれぞれ前記第２の時系列データを算出し、所定の基準区画の心拍周波数成分に対して他の区画の心拍周波数成分の位相差を算出する位相差算出手段を有すことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の心拍計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、心拍を非接触で計測する心拍計測方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、バイタルサインのひとつである心拍の計測は、ＥＣＧ（ｅｌｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ、心電図計）を用いて行われるのが一般的である。最近では、ＥＣＧのような接触計測手段を用いずに、非接触計測手段を用いる手法が提案されている。例えば、Ｇａｒｂｅｙらは熱画像を応用した手法（非特許文献１）を、Ｎａｇａｅらはマイクロ波を応用した手法（非特許文献２）をそれぞれ提案している。これらの非接触計測手法は被験者の負担や拘束感を減ずる効果があるものと考えられる。【０００３】
他にも、ＰｏｈらはＷｅｂ撮像手段を用いてカラー顔画像から心拍数を計測する手法について提案しており、安価なデバイスでの心拍計測を実現している（非特許文献３）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｇａｒｂｅｙ，Ｍ．；Ｎａｎｆｅｉ  Ｓ．；  Ｍｅｒｌａ，Ａ．；  Ｐａｖｌｉｄｉｓ，Ｉ．：  ”Ｃｏｎｔａｃｔ−Ｆｒｅｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｃａｒｄｉａｃ  Ｐｕｌｓｅ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｉｍａｇｅｒｙ，”  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  ＢＭＥ，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．８，ｐｐ．１４１８−１４２６，２００７
【非特許文献２】Ｎａｇａｅ，Ｄ．；Ｍａｓｅ，Ａ．：  ”Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｖｉｔａｌ  ｓｉｇｎａｌ  ｂｙ  ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｓｔｒｅｓｓ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，”  ＡＰＭＣ  ２００９．  Ａｓｉａ  Ｐａｃｉｆｉｃ，ｐｐ．４７７−４８０，２００９
【非特許文献３】Ｐｏｈ，Ｍ．；  ＭｃＤｕｆｆ，Ｄ．Ｊ．；  Ｐｉｃａｒｄ，Ｒ．Ｗ．：  ”Ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｎｏｎｃｏｎｔａｃｔ，Ｍｕｌｔｉｐａｒａｍｅｔｅｒ  Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｗｅｂｃａｍ，”  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  ＢＭＥ，Ｖｏｌ．５８，Ｎｏ．１，ｐｐ．７−１１，２０１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１、２の手法は、高価な計測機器を必要とする。また、非特許文献３の手法は、安価なカラー撮像手段を用いることから照明変動に対するロバスト性が低く、定量的な心拍波形計測の実現は難しい。【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、安価な装置構成で簡便に心拍波形の非接触計測を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る心拍計測方法は、
人の胸部の三次元形状変化を取得することで非接触でその心拍を計測する心拍計測方法であって、
前記人の胸腹壁表面の三次元形状を三次元座標点群データとして取得する第１のステップと、
該第１のステップで取得された三次元座標点群データを構成する各点における三次元座標の時間変化を第１の時系列データとして算出する第２のステップと、
前記第１の時系列データに対するバンドパスフィルター処理により、心拍の周波数帯の成分を抽出することで、心拍による三次元座標の時間変化を第２の時系列データとして算出する第３のステップと、
を有することを特徴とする。【０００８】
また、前記第１のステップでは、パターン光が投影された人の胸腹壁表面を撮像した画像から前記三次元座標点群データを取得することが望ましい。【０００９】
また、前記第２のステップでは、胸腹壁表面を撮像する撮像手段のレンズと胸腹壁との距離変化を前記第１の時系列データとして算出することが望ましい。【００１０】
また、前記第２の時系列データを、その大きさに応じて色彩情報に変換し、各点の三次元座標に当該色彩情報を映像として表示することで、心拍による胸腹壁表面の動態を可視化するステップを有してもよい。【００１１】
また、胸腹部に対応させた複数の区画についてそれぞれ前記第２の時系列データを算出し、所定の基準区画の心拍周波数成分に対して他の区画の心拍周波数成分の位相差を算出するステップを有してもよい。【００１２】
本発明に係る心拍計測装置は、
人の胸部の三次元形状変化を取得することで非接触でその心拍を計測する心拍計測装置であって、
前記人の胸腹壁表面の三次元形状を三次元座標点群データとして取得する点群データ取得手段と、
該点群データ取得手段で取得された前記三次元座標点群データを構成する各点における三次元座標の時間変化を第１の時系列データとして算出する点群座標時間変化算出手段と、
前記第１の時系列データに対するバンドパスフィルター処理により、心拍の周波数帯の成分を抽出することで、心拍に起因する各点における三次元座標の時間変化を前記第２の時系列データとして算出する心拍起因点群座標時間変化算出手段と、
を備えることを特徴とする。【００１３】
また、胸腹部表面にパターン光を投影するパターン光投影手段と、
パターン光が投影された人の胸腹部表面を撮像する撮像手段と、を備え、
前記点群データ取得手段は前記撮像手段で撮像された画像から前記三次元座標点群データを取得することが望ましい。【００１４】
また、前記点群座標時間変化算出手段が、前記撮像手段のレンズと胸腹壁との距離変化を前記第１の時系列データとして算出することが望ましい。【００１５】
また、前記第２の時系列データを、時間変化量の大きさに応じて色彩情報に変換し、各点の三次元座標に当該色彩情報を映像として表示することで、心拍による胸腹壁表面の動態を可視化する動態可視化手段を有してもよい。【００１６】
また、胸腹部に対応させた複数の区画についてそれぞれ前記第２の時系列データを算出し、所定の基準区画の心拍周波数成分に対して他の区画の心拍周波数成分の位相差を算出する位相差算出手段を有してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る心拍計測方法及び心拍計測装置では、安価な装置構成で簡便に心拍波形の非接触計測が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は本発明の心拍計測方法について示した流れ図である。
【図２】図２（Ａ）は本発明の胸腹壁の三次元取得について示した説明図、図２（Ｂ）は演算装置の構成図である。（実施例１）
【図３】図３（Ａ）は投影される静的パターン、図３（Ｂ）は静的パターンの寸法について示した説明図である。（実施例１）
【図４】図４は三次元形状復元アルゴリズムについて示した流れ図である。（実施例１）
【図５】図５は胸腹壁に投影された波線パターン画像を示した図面代用写真である。（実施例１）
【図６】図６は三次元形状復元された胸腹壁の立体図を示した図面代用写真である。（実施例１）
【図７】図７（Ａ）は胸腹壁上の点における三次元座標の時間変化の原波形、図７（Ｂ）は原波形のバンドパスフィルタ−処理後の波形を示したグラフである。（実施例２）
【図８】図８はＥＣＧとの同時計測結果について示したグラフである。（実施例２）
【図９】図９はＥＣＧとの一致性について示したグラフである。（実施例２）
【図１０】図１０は胸腹壁三次元形状の時間変化の空間分布を示した図面代用写真である。（実施例２）
【図１１】図１１は胸腹壁上に設定されたサンプルポイントについて説明した図面代用写真である。（実施例３）
【図１２】図１２はサンプルポイントＤ１〜Ｄ６における三次元座標の時間変化について示したグラフである。（実施例３）
【図１３】図１３は胸腹壁上に設定されたサンプルポイントにおける心拍周波数成分の位相差について示した図面代用写真である。（実施例３）
【図１４】図１４は胸腹壁に投影された波線パターン画像を示した図面代用写真である。（実施例４）
【図１５】図１５はＥＣＧとの同時計測結果について示したグラフである。（実施例４）
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本実施の形態に係る心拍計測方法は、胸腹壁表面の三次元形状変化を取得することで、非接触で人の心拍を計測するものであり、図１に示す３つのステップを有する。
【００２０】
まず、第１のステップにおいては、アクティブステレオ法を用いることで、人の胸腹壁表面の三次元形状が三次元座標点群データとして取得される。後述するように、三次元座標点群データは、パターン光が投影された人の胸腹壁表面を撮像した画像から取得される。
【００２１】
次に、第２のステップにおいては、第１のステップで取得された三次元座標点群データを構成する各点における三次元座標について時間変化を算出し、第１の時系列データを取得する。後述するように、第１の時系列データは、胸腹壁表面を撮像する撮影手段のレンズと胸腹壁との距離変化として算出される。
【００２２】
続く第３のステップにおいては、第１の時系列データに対してバンドパスフィルター処理が施され、心拍の周波数帯の成分が抽出される。これにより、各点における心拍による三次元座標の時間変化が第２の時系列データとして算出される。
【００２３】
さらに、本実施の形態に係る心拍計測方法は、第３のステップに続くステップとして、第３のステップで算出された各点における心拍による三次元座標の時間変化が、その大きさに応じて色彩情報に変換される。そして、各点の三次元座標に当該色彩情報が映像として表示されることで、心拍による胸腹壁表面の動態の可視化がなされる。
【００２４】
さらに、後述するように、胸腹部に対応させた複数の区画について、第２の時系列データを算出し、所定の基準区画の心拍周波数成分に対する他の区画の心拍周波数成分の位相差を算出するステップを備えた形態でもよい。
【００２５】
上記の心拍計測方法は、以下の心拍計測装置を用いて実現され得る。心拍計測装置は、胸腹壁表面の三次元形状変化を取得することで非接触で心拍を計測するものであり、以下に説明する点群データ取得手段、点群座標時間変化算出手段、および、心拍起因点群座標時間変化算出手段から構成される。
【００２６】
点群データ取得手段においては、アクティブステレオ法を用いることで、人の胸腹壁表面の三次元形状が三次元座標点群データとして取得される。
【００２７】
点群座標時間変化算出手段においては、三次元座標点群データで取得された三次元座標点群データを構成する各点における三次元座標について時間変化を算出し、その時系列データ（第１の時系列データ）を取得する。
【００２８】
心拍起因点群座標時間変化算出手段においては、第１の時系列データに対してバンドパスフィルター処理が施され、心拍の周波数帯の成分が抽出される。これにより、心拍以外の体動、すなわち呼吸や痙攣微動などに起因する信号成分が除去され、各点における心拍による三次元座標の時間変化が第２の時系列データとして算出される。
【００２９】
さらに、心拍計測装置は、前記の構成に加えて、心拍起因点群座標時間変化算出手段で算出された各点における心拍による三次元座標の時間変化を、その大きさに応じて色彩情報に変換し、各点の三次元座標に当該色彩情報を映像として表示するための動態可視化手段を備えてもよい。これにより、心拍による胸腹壁表面の動態の可視化を行うことができる。
【００３０】
さらに、心拍計測装置は、胸腹部に対応させた複数の区画について、第２の時系列データを算出し、所定の基準区画の心拍周波数成分に対する他の区画の心拍周波数成分の位相差を算出する位相差算出手段を備えた形態であってもよい。
【００３１】
なお、点群データ取得手段、点群座標時間変化算出手段、心拍起因点群座標時間変化算出手段、動態可視化手段および位相差算出手段は、それぞれ点群データ取得部、点群座標時間変化算出部、心拍起因点群座標時間変化算出部、動態可視化部および位相差算出部として演算装置に組み込まれて処理するよう構成されていればよい。また、心拍計測装置は、上記のそれぞれの手段により算出されるデータ等をモニタ等へ出力する出力部を有する。
【実施例１】
【００３２】
以下、実施例に基づき、心拍計測装置を用いた心拍計測方法について詳述する。本実施例においては、アクティブステレオ法を用いて人の胸腹壁の三次元形状の取得が行われる。心拍計測装置は、図２（Ａ）に示すように、パターン光投影手段２１、撮像手段２２、演算装置２５から構成される。演算装置２５は、図２（Ｂ）に示すように、点群データ取得部、点群座標時間変化算出部、心拍起因点群座標時間変化算出部を有する。パターン光投影手段２１からパターン光２３が被験者（人）２４の胸腹壁に投影され、撮像手段２２によって撮影される。【００３３】
パターン光投影手段２１は、液晶プロジェクタを用いるのが好適であるが、透過型回折格子とレーザー光源との組み合わせによるパターンプロジェクタを用いてもよい。また、パターン光の模様が描かれたネガフィルムにハロゲン光、ＬＥＤ光、レーザー光を透過させ、パターン光を投影してもよい。パターン光投影手段２１の光源からは、可視光〜近赤外光の帯域の波長を持つ光が適宜選択され出力される。撮像手段２２には、ハイスピード撮影に対応したＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラが用いられる。【００３４】
この実施例においては、図３に示す静的パターンを投影する。このパターンは、単色で、正弦波形状の縦横の曲線をグリッド状に配置したものである。パターンは静的であるため同期の必要が無く、撮影に同期は必要ない。そのため、非常に高いフレームレートでの計測が可能である。【００３５】
本実施例における三次元形状復元アルゴリズムを図４に示す。このアルゴリズムは、本発明の発明者等によって行われた発明（特開２００９−３００２７７号公報、特願２０１１−１５７２４９（特開２０１３−２４６０８号公報）、特願２０１１−１５８１７５（特開２０１３−２４６５５号公報））に基づくものである。【００３６】
復元アルゴリズムにおいては、まず撮影した画像から線検出を行う。Ｂｅｌｉｅｆ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ（ＢＰ）による最適化により、単色のグリッド状の線を、縦と横に安定して分離して検出する。検出された縦横の線から交点を算出し、交点をノードとしたグラフを作る。次に各ノードに対応するエピポーラ線の位置をパターン光投影手段２１パターン上で計算し、そのライン上にグリッドの交点がある場合、これを対応候補とする。この時、通常は複数の対応候補が見つかるので、ＢＰを利用して各点における対応候補の最適な組み合わせを求める。このままでは復元結果は疎であるので、最後に、各画素での深さを、補間およびパターンと観測画像の画素単位のマッチングを利用して求めることで、密な三次元形状を得る。【００３７】
パターン光投影手段２１により投影される静的パターンは、画像処理によって一意に対応が決まるパターンではなく、対応の優先順位に関する情報を与えるために、縦、横の波線からなるグリッドパターンを用いる。波線パターンは単純なパターンであるため、画像中での曲線として検出しやすく、輝度値のピークを計算することにより、その位置をサブピクセル精度で得ることができる。【００３８】
波線として周期的な正弦波パターンを用いるが、波線グリッドは対応点検出に有効な情報を持つ。本発明の心拍計測方法では縦、横の波線の交点を特徴点として用いる。交点の配置は、波線の間隔と波長で決定される。一定の間隔と波長を持つ波線を用いるが、下記に述べるように、縦波線の間隔が横波線の波長の整数倍でないため、交点まわりのパターンが局所的に固有なパターンを持ち、対応付けのための特徴量として用いることができる。【００３９】
交点周囲の局所的パターンは、投影パターン全体の中で一意性を持つものではない。図３（Ｂ）において、Ｓｘ、Ｓｙを隣接する波線の間隔、Ｗｘ、Ｗｙを波長とすると、Ｎｘ＝ｌｃｍ（Ｓｘ；Ｗｘ）＝Ｓｘ；Ｎｙ＝ｌｃｍ（Ｓｙ；Ｗｙ）＝Ｓｙを用いて、同一パターンが、横、縦軸に沿ってそれぞれＮｘ、Ｎｙ本の波線ごとに起こる。ここで１ｃｍ（ａ；ｂ）はａとｂの最小公倍数であり、添字ｘ、ｙはそれぞれ横、縦軸に沿った値を表すものとする。しかしながら、局所パターンは、各サイクルにおいて識別可能なパターンである。図３（Ｂ）は、Ｓｘ＝１０；Ｓｙ＝１１；Ｗｘ＝Ｗｙ＝１４；Ａｘ＝Ａｙ＝１（単位は画素）からなるパターンの例である。この例では、１周期は縦線７本、横線１４本となる。よって、９８(＝７×１４)種類の交点が１周期で構成される矩形の中に存在することとなる。【００４０】
ステレオマッチングでは、対応点候補はエピポーラ線上の点に限られている。あるパターン光投影手段画像の交点とエピポーラ線が適当な距離以内に位置している場合、そのパターン光投影手段画像の交点は対応点候補の１つとして選択される。候補の数は、撮像手段画像の交点位置に依存する。対応点候補は、パターン光投影手段画像において疎に分布するため、画素単位で候補点を探索する通常のステレオ視と比べて、対応候補の数を大幅に少なくすることができる。【００４１】
前記のアクティブステレオ法により、被験者の胸壁に投影された波線パターン画像から三次元形状復元を行い、胸壁の三次元形状の時間変化から心拍波形を算出する。心拍計測を目的としていることから、画像取得に用いられる撮像手段２２はハイスピード撮影に対応しているものが用いられる。心拍波形の計測には、撮像手段２２が６０ＦＰＳ以上のフレームレートでの撮影に対応していることが好ましい。ここで、画像取得中、被験者２４は背もたれ付きの椅子に着座しているものとする。【００４２】
復元された点群データは、分布密度が場所により異なり、またフレーム間での点同士の対応を厳密に取ることは不可能である。そこで、撮像手段２２のレンズを原点とし深度方向をＺ軸としたＸＹＺ三次元座標系において、ＸＹ平面に２次元格子点を設定し、点群データを格子状に空間リサンプリングして新たに三次元座標を求める。そして、同じ格子点でフレーム間の対応付けを行い、連続するフレーム間での深度変化を算出することで心拍波形を算出する。つまり、心拍波形は胸腹壁と撮像手段レンズ間の距離変化（速度）に対応する。なお、三次元点群データの空間リサンプリングに用いられる補間法はどのようなものであってもよいが、例えば、計算コストが低い線形補間三角網法を用いる。【００４３】
算出される心拍波形には、雑音や呼吸成分の体動が含まれるため、透過帯域０．４〜５Ｈｚのバンドパスフィルター処理を行うことで、心拍成分のみを抽出し、心拍波形の算出が行われる。
【実施例２】
【００４４】
本発明の心拍計測方法および心拍計測装置の妥当性を検証するために、試作システムによる実測を行った。試作システムにおいては、ハイスピード対応の撮像手段２２として、ＥＰＩＸ社製ＳＩＬＩＣＯＮ  ＶＩＤＥＯ（Ｒ）ｍｏｎｏｃｈｒｏｍｅ６４３Ｍを用いた。６４３Ｍにおいては、ＶＧＡ画像を最大フレームレート２１１ＦＰＳで撮影することが可能である。ここでは、１００ＦＰＳでの画像取得を行うこととした。撮像手段レンズの焦点距離は８ｍｍであった。また、波線パターンを投影するためのパターン光投影手段２１として、エプソン社製液晶パターン光投影手段ＥＢ−１７５０を用いた。パターン光投影手段レンズと撮像手段レンズとの間隔は６００ｍｍに設定した。【００４５】
ここで、被験者（人）２４は健常者男性（年齢４１歳、身長１．７１ｍ、体重６２ｋｇ）である。なお、計測に先立ち、被験者とは計測同意書を取り交わしている。被験者の上半身の着衣は白色のティーシャツである。計測時間は３０秒間であり、計測開始後、約１０秒間は呼吸を停止し、残りの時間は通常の呼吸を行うこととした。【００４６】
以下に、計測結果について示す。図５は、ハイスピード撮像手段で取得された胸壁の波線パターン画像である。この波線パターン画像を実施例１に示した復元アルゴリズムを用いて三次元点群データを復元し、さらに、三次元点群データをＸＹ平面において格子状にリサンプリングする。図６は、リサンプル点群データから三次元形状復元された胸腹壁の立体図である。【００４７】
図６中に×印で示した点の三次元座標の時間変化について、原波形と原波形のバンドパスフィルター処理後の波形を、図７（Ａ）、図７（Ｂ）にそれぞれ示す。図７（Ａ）において、原波形には大きな高周波ノイズが含まれている。一方、心拍の主要信号成分が含まれる０．４〜５Ｈｚの周波数成分のみを高速フーリエ変換を用いたバンドパスフィルター処理により抽出した結果、図７（Ｂ）に示すように周期的な波形が得られた。【００４８】
さらに、ＥＣＧとの同時計測により、算出される心拍波形の妥当性について検討した。用いたＥＣＧはＬＯＧＩＣＡＬ  ＰＲＯＤＵＣＴ社製コンパクトワイヤレスＥＣＧロガーである。ＥＣＧ電極は被験者の左胸部下に設置した。ＥＣＧを用いた心拍波形の計測結果を図８に示す。図８より、フィルタ処理後の波形の振幅より、腹壁の表面に現れる点群の座標変化は毎フレームでサブミリオーダーであると考えられた。また、図８より、本発明の心拍計測方法による心拍波形のピークの出現間隔とＥＣＧ波形のピーク（Ｒ波）の出現間隔がほぼ一致していることがわかる。【００４９】
図９は、それぞれの手法におけるピークの出現間隔についてまとめたＢｌａｎｄ−Ａｌｔｍａｎ図である。図９より、両手法のピーク出現間隔には十分な一致性が存在することが明らかとなり、本発明の心拍計測方法により心拍を算出できることが立証された。【００５０】
図１０は、空間リサンプリングの格子点における胸腹壁の三次元形状の時間変化（フレーム間の変化量）の空間分布を色彩情報（ここではグレースケール）に変化して、復元された胸壁部の三次元形状の上に重ねて表現したものである。図１０より心拍は、心臓が存在する胸壁の左側に出現していることがわかる。このように心拍による僅かな体表の変化を可視化することで、腹胸壁表面に現れる心拍動態の視認が可能となる。
【実施例３】
【００５１】
実施例２において復元された胸腹部の三次元形状の表面において、図１１に示すような格子状のサンプルポイントＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６を設定し、心拍周波数成分の位相について調べた。【００５２】
図１２は、サンプルポイントＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６における三次元座標の時間変化である。図１２より、Ｄ１やＤ２のように下方にあるサンプルポイントと比較してＤ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６のような上方にあるサンプルポイントの方に位相の遅れが生じていることがわかる。【００５３】
図１３は、サンプルポイントＡ１における位相を基準（ゼロ）となるように、各サンプルポイントにおける位相差を求めたコンター図として示した位相マップである。下方から上方に位相の遅れが生じていることが明らかであり、これは心臓の機械機能（収縮拡張様式）に伴う胸壁の変化を示している。心臓の収縮拡張様式は、心臓疾患によって多様な動態を示すことが知られていることから、本発明の心拍計測方法を用い胸壁変動の位相マップを提示することで、心臓疾患のスクリーニングや病状の把握に役立てることが可能である。
【実施例４】
【００５４】
以上の実施例においては、正弦波パターンを投影することによって得られた胸部・腹部の三次元形状復元を行なっているが、本発明においては投影されるパターンは正弦波パターンに限定されるものではなく、例えば、点群が周期的に配列されてなるドットマトリックスパターンであってもよい。図１４は、ドットマトリックスパターンが投影された胸部・腹部を撮影した画像である。【００５５】
図１５は、ドットマトリックスパターン投影により復元された胸部・腹部の三次元形状から算出された三次元座標の時間変化である。本実施例においては、心電図と同時計測を行なっている。図１５より、実施例２の波線パターン投影と同様に、ドットマトリックスパターン投影によって得られる三次元座標の時間変化は、心電図波形とは同周期で変化していることがわかる。【００５６】
なお、本発明は、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。【００５７】
本出願は、２０１２年７月２４日に出願された日本国特許出願２０１２−１６３７９６号に基づく。本明細書中に、日本国特許出願２０１２−１６３７９６号の明細書、特許請求の範囲全体を参照として取り込むものとする。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の心拍計測方法および心拍計測装置により、安価な装置構成で簡便に心拍波形の非接触計測を実現でき、例えば、心拍間隔の計測を簡便に実施可能であることから、手軽な自律神経検査装置としての応用が期待できる。また、心拍計測方法および心拍計測装置により心拍動態の可視化が可能となることから、これまで触診や聴診で心拍パターンや動態面積と言った情報をもとに行われてきた心疾患のスクリーニングを、視覚を用いて実施できる可能性がある。このように、本発明は、医療分野で新たな生体計測手法として実用可能であり、医療技術の発展に寄与するものと期待できる。
【符号の説明】
【００５９】
２１    パターン光投影手段
２２    撮像手段
２３    パターン光
２４    被験者
２５    演算装置
【図１】
2014017566.tif 000003
【図２】
2014017566.tif 000004
【図３】
2014017566.tif 000005
【図４】
2014017566.tif 000006
【図７】
2014017566.tif 000007
【図８】
2014017566.tif 000008
【図９】
2014017566.tif 000009
【図５】
2014017566.tif 000010
【図６】
2014017566.tif 000011
【図１０】
2014017566.tif 000012
【図１１】
2014017566.tif 000013
【図１２】
2014017566.tif 000014
【図１３】
2014017566.tif 000015
【図１４】
2014017566.tif 000016
【図１５】
2014017566.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成26年4月23日(2014.4.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の胸部の三次元形状変化を取得することで非接触でその心拍を計測する心拍計測方法であって、
前記人の胸腹壁表面に正弦波形状の縦、横の曲線をグリッド状に配置したパターン光を投影し、前記パターン光が投影された胸腹壁表面を撮像した画像から胸腹壁表面の三次元形状を三次元座標点群データとして取得する第１のステップと、
該第１のステップで取得された三次元座標点群データを構成する各点における三次元座標の時間変化を第１の時系列データとして算出する第２のステップと、
前記第１の時系列データに対するバンドパスフィルター処理により、心拍の周波数帯の成分を抽出することで、心拍による三次元座標の時間変化を第２の時系列データとして算出する第３のステップと、
を有することを特徴とする心拍計測方法。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
前記第２のステップでは、胸腹壁表面を撮像する撮像手段のレンズと胸腹壁との距離変化を前記第１の時系列データとして算出することを特徴とする請求項１に記載の心拍計測方法。
【請求項４】
前記第２の時系列データを、時間変化量の大きさに応じて色彩情報に変換し、各点の三次元座標に当該色彩情報を映像として表示することで、心拍による胸腹壁表面の動態を可視化するステップを有することを特徴とする請求項１又は３に記載の心拍計測方法。
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
人の胸部の三次元形状変化を取得することで非接触でその心拍を計測する心拍計測装置であって、
前記人の胸腹壁表面に正弦波形状の縦、横の曲線をグリッド状に配置したパターン光を投影するパターン光投影手段と、前記パターン光が投影された人の胸腹壁表面を撮像する撮像手段とを有し、前記撮像手段で撮像された画像から胸腹壁表面の三次元形状を三次元座標点群データとして取得する点群データ取得手段と、
該点群データ取得手段で取得された前記三次元座標点群データを構成する各点における三次元座標の時間変化を第１の時系列データとして算出する点群座標時間変化算出手段と、
前記第１の時系列データに対するバンドパスフィルター処理により、心拍の周波数帯の成分を抽出することで、心拍に起因する各点における三次元座標の時間変化を第２の時系列データとして算出する心拍起因点群座標時間変化算出手段と、
を備えることを特徴とする心拍計測装置。
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
前記点群座標時間変化算出手段が、前記撮像手段のレンズと胸腹壁との距離変化を前記第１の時系列データとして算出することを特徴とする請求項６に記載の心拍計測装置。
【請求項９】
前記第２の時系列データを、時間変化量の大きさに応じて色彩情報に変換し、各点の三次元座標に当該色彩情報を映像として表示することで、心拍による胸腹壁表面の動態を可視化する動態可視化手段を有することを特徴とする請求項６又は８に記載の心拍計測装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
［図９］図９はＥＣＧとの一致性について示したグラフである。（実施例２）
［図１０］図１０は胸腹壁三次元形状の時間変化の空間分布を示した図面代用写真である。（実施例２）
［図１１］図１１は胸腹壁上に設定されたサンプルポイントについて説明した図面代用写真である。（実施例３）
［図１２］図１２はサンプルポイントＤ１〜Ｄ６における三次元座標の時間変化について示したグラフである。（実施例３）
［図１３］図１３は胸腹壁上に設定されたサンプルポイントにおける心拍周波数成分の位相差について示した図面代用写真である。（実施例３）
発明を実施するための形態
［００１９］
本実施の形態に係る心拍計測方法は、胸腹壁表面の三次元形状変化を取得することで、非接触で人の心拍を計測するものであり、図１に示す３つのステップを有する。
［００２０］
まず、第１のステップにおいては、アクティブステレオ法を用いることで、人の胸腹壁表面の三次元形状が三次元座標点群データとして取得される。後述するように、三次元座標点群データは、パターン光が投影された人の胸腹壁表面を撮像した画像から取得される。
［００２１］
次に、第２のステップにおいては、第１のステップで取得された三次元座標点群データを構成する各点における三次元座標について時間変化を算出し、第１の時系列データを取得する。後述するように、第１の時系列データは、胸腹壁表面を撮像する撮影手段のレンズと胸腹壁との距離変化として算出される。
［００２２］
続く第３のステップにおいては、第１の時系列データに対してバンドパスフィルター処理が施され、心拍の周波数帯の成分が抽出される。これにより
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
腹胸壁表面に現れる心拍動態の視認が可能となる。
実施例３
［００５１］
実施例２において復元された胸腹部の三次元形状の表面において、図１１に示すような格子状のサンプルポイントＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６を設定し、心拍周波数成分の位相について調べた。
［００５２］
図１２は、サンプルポイントＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６における三次元座標の時間変化である。図１２より、Ｄ１やＤ２のように下方にあるサンプルポイントと比較してＤ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６のような上方にあるサンプルポイントの方に位相の遅れが生じていることがわかる。
［００５３］
図１３は、サンプルポイントＡ１における位相を基準（ゼロ）となるように、各サンプルポイントにおける位相差を求めたコンター図として示した位相マップである。下方から上方に位相の遅れが生じていることが明らかであり、これは心臓の機械機能（収縮拡張様式）に伴う胸壁の変化を示している。心臓の収縮拡張様式は、心臓疾患によって多様な動態を示すことが知られていることから、本発明の心拍計測方法を用い胸壁変動の位相マップを提示することで、心臓疾患のスクリーニングや病状の把握に役立てることが可能である。
［００５４］
［００５５］
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
［００５６］
なお、本発明は、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
［００５７］
本出願は、２０１２年７月２４日に出願された日本国特許出願２０１２−１６３７９６号に基づく。本明細書中に、日本国特許出願２０１２−１６３７９６号の明細書、特許請求の範囲全体を参照として取り込むものとする。
産業上の利用可能性
［００５８］
本発明の心拍計測方法および心拍計測装置により、安価な装置構成で簡便に心拍波形の非接触計測を実現でき、例えば、心拍間隔の計測を簡便に実施可能であることから、手軽な自律神経検査装置としての応用が期待できる。また、心拍計測方法および心拍計測装置により心拍動態の可視化が可能となることから、これまで触診や聴診で心拍パターンや動態面積と言った情報をもとに行われてきた心疾患のスクリーニングを、視覚を用いて実施できる可能性がある。このように、本発明は、医療分野で新たな生体計測手法として実用可能であり、医療技術の発展に寄与するものと期待できる。
符号の説明
［００５９］
２１    パターン光投影手段
２２    撮像手段
２３    パターン光
２４    被験者
２５    演算装置
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2014017566.tif 000018
【図２】
2014017566.tif 000019
【図３】
2014017566.tif 000020
【図４】
2014017566.tif 000021
【図５】
2014017566.tif 000022
【図６】
2014017566.tif 000023
【図７】
2014017566.tif 000024
【図８】
2014017566.tif 000025
【図９】
2014017566.tif 000026
【図１０】
2014017566.tif 000027
【図１１】
2014017566.tif 000028
【図１２】
2014017566.tif 000029
【図１３】
2014017566.tif 000030
【国際調査報告】
2014017566.tif 000031
2014017566.tif 000032
2014017566.tif 000033
2014017566.tif 000034