(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出装置であって、
正弦波照明パターン及び鋸歯状照明パターンの少なくとも１つを用いて、人に光を当てる照明器と、
経時的に前記人の上の照明パターンを検出する検出器と、
検出された前記照明パターンから前記人の呼吸運動を示す時間的呼吸運動信号を決定する呼吸運動信号決定ユニットと、を有し、
前記照明器は、照明源及び空間光変調器を有し、前記人を照明するための紫外線光を生成するように適合されている、
当該呼吸運動検出装置。
【請求項２】
前記照明器が照明方向において人に光を当て、前記検出器が検出方向において人の上の前記照明パターンを検出し、前記照明方向と前記検出方向とは異なる、請求項１記載の呼吸運動検出装置。
【請求項３】
前記照明器及び前記検出器は、
前記照明器が、前記照明方向と照明される人の表面に対して垂直である軸との角度として定義される照明角度の下で照明パターンを用いて人の表面に光を当て、
前記検出器が、前記検出方向と前記照明される人の表面に対して垂直である軸との角度として定義される検出角度の下で人の表面の照明パターンを検出する
ことを可能にする、請求項２記載の呼吸運動検出装置。
【請求項４】
前記検出器が、異なる時間において前記照明パターンの幾つかの画像を検出し、前記呼吸運動信号決定ユニットが、時間的に連続する画像における対応する位置の画像の値の絶対差の合計に依存して前記時間的呼吸運動信号を決定する、請求項１記載の呼吸運動検出装置。
【請求項５】
決定された前記時間的呼吸運動信号から人の呼吸の特徴を決定する呼吸特徴決定ユニットを更に有する、請求項１記載の呼吸運動検出装置。
【請求項６】
前記呼吸特徴決定ユニットが、前記呼吸運動信号が極小を示す時間に依存して吸気／呼気の移行及び呼気／吸気の移行を決定する、請求項５記載の呼吸運動検出装置。
【請求項７】
人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出装置であって、
正弦波照明パターン及び鋸歯状照明パターンの少なくとも１つを用いて、人に光を当てる照明器と、
経時的に前記人の上の照明パターンを検出する検出器と、
検出された前記照明パターンから前記人の呼吸運動を示す時間的呼吸運動信号を決定する呼吸運動信号決定ユニットと、
決定された前記時間的呼吸運動信号から前記人の呼吸の特徴を決定する呼吸特徴決定ユニットを更に有し、
前記呼吸特徴決定ユニットが、高周波の極小に依存して吸気／呼気の移行を決定し、低周波の極小に依存して呼気／吸気の移行を決定する、
呼吸運動検出装置。
【請求項８】
前記呼吸特徴決定ユニットが、
高周波の極小が取り除かれるように前記呼吸運動信号をローパスフィルタにかけ、
ローパスフィルタにかけられた前記呼吸運動信号の極小を決定し、
決定された前記極小から前記呼気／吸気の移行を決定する、請求項７記載の呼吸運動検出装置。
【請求項９】
前記呼吸特徴決定ユニットが、
前記呼吸運動信号のストリーミングの標準偏差を計算し、
計算された前記ストリーミングの標準偏差の極大を決定し、
所定の閾値よりも大きい振幅を持つ前記計算されたストリーミングの標準偏差のピークのピーク位置を決定し、
決定された前記ピーク位置間でそれぞれの極大の位置に最も近いピーク位置を前記極大の各極大に対して決定し、
前記決定されたピーク位置から前記吸気／呼気の移行を決定する、請求項７記載の呼吸運動検出装置。
【請求項１０】
前記呼吸特徴決定ユニットが、更に、前記ピークの位置を決定する前に前記計算されたストリーミングの標準偏差を重み付けし、対応する呼吸運動信号の値が前記呼吸運動信号の極小又は谷に位置する場合、計算されたストリーミングの標準偏差の値についての重み付けはより大きく、対応する呼吸運動信号の値が呼吸運動信号の極小又は谷に位置しない場合、計算されたストリーミングの標準偏差の値についての重み付けはより小さい、請求項９記載の呼吸運動検出装置。
【請求項１１】
前記照明器が、空間的に高周波の照明パターンで人に光を当てる、請求項１記載の呼吸運動検出装置。
【請求項１２】
複数人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出装置であって、
正弦波照明パターン及び鋸歯状照明パターンの少なくとも１つを用いて、複数人に光を当てる照明器と、
経時的に前記人の上の照明パターンを検出する検出器と、
検出された前記照明パターンから前記人の呼吸運動を示す時間的呼吸運動信号を決定する呼吸運動信号決定ユニットと、を有し、
前記呼吸運動信号決定ユニットは、検出される照明パターンの異なる領域を前記複数人に割り当て、各人に割り当てられた前記検出される照明パターンの領域から前記複数人のうちの一人の呼吸運動を決定する、
呼吸運動検出装置。
【請求項１３】
人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出方法であって、
固定された照明パターンを用いて人に紫外線光を当てることと、
経時的に前記人の上の紫外線光の照明パターンを検出することと、
検出された前記紫外線光の照明パターンから前記人の呼吸運動を示す呼吸運動信号を決定することと、を有する、
当該呼吸運動検出方法。
【請求項１４】
人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出コンピュータプログラムであって、請求項１記載の呼吸運動検出装置を制御するコンピュータ上で実行される際に、請求項１記載の呼吸運動検出装置に請求項１３記載の呼吸運動検出方法のステップを実行させるプログラムコード手段を有する、当該呼吸運動検出コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出装置、呼吸運動検出方法及び呼吸運動検出コンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ドイツ国特許公開公報ＤＥ１０２００４０３３９０７Ａ１には、呼吸の中断及び／又はいびきに関して家庭環境の中で患者を監視する装置が開示されている。この装置は、患者に光を当てる赤外光源と、患者からの赤外線画像をとらえる赤外線カメラとを有している。この装置は、更に、患者の呼吸音を検出する指向性マイクロフォンを有している。とらえられた赤外線画像及び検出された呼吸音は、呼吸の中断及び／又はいびきを決定するために用いられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
赤外線検出システムの感度が、呼吸の中断及び／又はいびきを決定するにはあまりにも低いので、呼吸音を検出するために追加の指向性マイクロフォンが必要とされる。
【０００４】
本発明の目的は、光検出器を用いることにより呼吸運動を検出する感度が改善された人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出装置、呼吸運動検出方法及び呼吸運動検出コンピュータプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の観点では、人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出装置であって、照明パターンを用いて人に光を当てる照明器と、経時的に上記人の上の照明パターンを検出する検出器と、検出された上記照明パターンから上記人の呼吸運動を示す時間的呼吸運動信号を決定する呼吸運動信号決定ユニットとを有する当該呼吸運動検出装置が与えられる。
【０００６】
例えば、照明パターンを用いて光を当てられていない人の時間的に連続する画像ではほとんど検出できないような人のわずかな動きで上記照明パターンは大きく変形する。上記呼吸運動信号決定ユニットは、検出された照明パターンから、すなわち、照明パターンの変形から時間的呼吸運動信号を決定するので、人のわずかな呼吸運動でさえも決定できる。従って、人の呼吸運動を検出する感度が改善される。
【０００７】
上記呼吸運動検出装置は、好ましくは邪魔にならないように人の呼吸運動を決定する。人に取り付けられるセンサは、好ましくは必要とされない。上記呼吸運動検出装置は、離れた距離で設置され得る。一般に、例えば、枕の中又はベッドのマットレスの下のセンサの場合と同様に、人が見通し線の中に存在する限り、特定の位置は義務付けられない。呼吸運動を検出するために、照明パターンは、好ましくは、少なくとも人の胸部に投影される。照明パターンは、人の胸部の動きに非常に感度がよいので、上記呼吸運動検出装置は、人の深い呼吸及び浅い呼吸の両方を検出することができる。
【０００８】
上記照明器は、好ましくは、ベッドに横になっている人の上に照明パターンを投影する。上記検出器は、好ましくは、経時的に照明パターンを示す人の画像をとらえるビデオカメラである。従って、検出器は、好ましくは、人の呼吸運動によって生じる照明パターンの変形を示す照明パターンの映像をとらえる。
【０００９】
上記照明器は、照明パターンを用いて一人又は数人に光を当て、上記検出器は、経時的に一人又はそれ以上の人の上の照明パターンをとらえる。その場合、上記呼吸運動信号決定ユニットは、好ましくは、数人に及ぶ検出された照明パターンから各人の呼吸運動を示す幾つかの時間的呼吸運動信号を決定する。人に関連する呼吸運動信号は、好ましくは、データストリームである。すなわち、数人が照明パターンにより光を当てられる場合、異なる人に対して各人の呼吸運動を示す異なるデータストリームが決定される。
【００１０】
好ましくは、照明パターンは、人の上に直接、すなわち、人の肌に投影される必要はない。上記照明器は、人の呼吸運動により動く表面上に照明パターンを投影する。この表面は、例えば、人の服の表面又は人を覆う毛布である。従って、上記照明器は、好ましくは、人が横になっているベッドの上に照明パターンを投影する。
【００１１】
上記照明器は、好ましくは、固定された照明パターンで人に光を当てる。上記照明器は、照明パターン、すなわち、組織化された（textured）光のパターンを発生させるスライドプロジェクタに基づくものである。上記照明器は３６０度の視野で光を投影する投影系を含んでおり、上記検出器は照射領域をとらえるカメラである。そのようなカメラは、凸型反射レンズをオプションで用いる広角の光学系を用いて構築され得る。上記照明器は、また、レーザのようなコヒーレント光源及び人の上に鮮明な照明パターンを作り出す回折光学素子も有している。そのような照明パターンは、一般に、焦点ぼけ又はレンズ収差の影響を受けない。
【００１２】
上記照明器は、好ましくは、人間の目に見えない照明パターンで人に光を当てる。上記照明器は、好ましくは、赤外光、特に、近赤外光で人に光を当て、上記検出器は、好ましくは、照明パターンを示す人の画像を経時的にとらえる赤外線カメラ、特に、近赤外線カメラである。上記照明器は、例えば、近赤外光を発する発光ダイオードである。従って、人は、照明パターンを伴う照明によって妨害されない。例えば、人が眠っている人である場合、人の睡眠は照明パターンによって妨害されない。
【００１３】
他の形態では、上記照明器は、紫外線照明パターンで人に光を当てるために紫外光を発生させる。このケースでは、検出器は、人の上の紫外線照明パターンを検出する。特に、検出器は、紫外線照明パターンの映像をとらえる紫外線カメラである。
【００１４】
一形態では、上記照明器は、照明源及び空間光変調器を有している。照明源は、好ましくは赤外光を発する発光ダイオードのようなインコヒーレント光源である。照明源がインコヒーレント光源である場合、空間光変調器は、好ましくは、減衰マスク及び／又は回折素子である。上記の実現は、照明器と照明される表面との距離に関係なく、常に鮮明な投影照明パターンが得られるという利点を有する。また、この形態では、照明源は、好ましい赤外光の代わりに紫外光を発する。
【００１５】
上記呼吸運動検出装置は、決定された呼吸運動信号に依存して出力信号を出力する出力ユニットを有し得る。この出力ユニットは、決定された呼吸運動信号に依存して人に影響を及ぼす。例えば、出力信号によって与えられる音、光、温度及び／又は空気組成の変化により人の睡眠／リラクゼーション状態に影響を及ぼす。また、決定された呼吸運動信号が呼吸の不規則さを示す場合、人は出力信号により警告され、例えば、医師の訪問が提案される。
【００１６】
上記照明器は照明方向において人に光を当て、上記検出器は検出方向において人の上の照明パターンを検出し、上記照明方向と上記検出方向とは異なることが好ましい。従って、上記照明器及び検出器は、好ましくは、異なる位置に配されている。例えば、照明器と検出器とは、約１０ｃｍの距離を有する。
【００１７】
上記照明器及び検出器は、ａ）照明器が、上記照明方向と照明される表面に対して垂直である軸との角度として定義される照明角度の下で照明パターンを用いて人の表面に光を当て、ｂ）検出器が、上記検出方向と上記照明される表面に対して垂直である軸との角度として定義される検出角度の下で上記表面の照明パターンを検出することを可能にし、上記照明角度が上記検出角度よりも大きいことが更に好ましい。一形態では、上記照明角度が９０°であり、上記検出角度は０°よりも大きく９０°よりも小さい。これは、人の呼吸運動に対する検出される照明パターンの感度及び従って呼吸運動検出装置の感度を更に改善する。
【００１８】
好ましい形態では、上記照明器及び検出器は、照明器が、７０°よりも大きい照明角度の下で照明パターンを用いて人の表面に光を当てることを可能にし、検出器が、２０°よりも小さい検出角度の下で表面１４の照明パターンを検出することを可能にする。照明角度は、８０°よりも大きいことが更に好ましく、８５°よりも大きいことがより一層好ましい。また、検出角度は、１０°よりも小さいことが更に好ましく、５°よりも小さいことがより一層好ましい。これは、呼吸運動を検出する感度を更に高める。
【００１９】
上記照明器及び検出器は、好ましくは、検出される照明パターンの見かけの動きが人の見かけの動き、特に、人の呼吸運動の見かけの動きよりも大きさが大きいように予め並べられる。好ましくは、照明器の種々の位置及び方向及び／又は検出器の種々の位置及び方向に関して、検出される照明パターンの見かけの動き及び人の見かけの動きが検出され、照明器の位置及び方向及び／又は検出器の位置及び方向が選択され、検出される照明パターンの見かけの動きと人の見かけの動きとの大きさの差が最適化される。
【００２０】
上記検出器は、種々の時間に照明パターンの幾つかの画像を検出することが好ましく、上記呼吸運動信号決定ユニットは、時間的に連続する画像における対応する位置の画像の値の絶対差の合計に依存して時間的呼吸運動信号を決定する。これは、照明パターンの２つの時間的に連続する画像に関して幾つかの差を生じさせるために時間的に連続する画像内の同じ位置に対応する画像値が互いから差し引かれ、これらの差の絶対値は、２つの時間的に連続する画像がとりこまれた時の呼吸運動信号を生成するために合計されることを意味する。この時間は、例えば、２つの時間的に連続する画像が取得された時間の平均又は２つの時間的に連続する画像のうちの最初又は２番目の画像がとりこまれた時間である。照明パターンの時間的に連続する画像の幾つかのペアについて呼吸運動信号を決定することにより、時間的呼吸運動信号が計算される。これは、呼吸運動検出装置が、専ら低い計算コストで簡単なやり方で呼吸運動信号を計算することを可能にする。
【００２１】
他の実施の形態では、上記呼吸運動信号決定ユニットは、時間的に連続する画像である必要はない時間的に近い画像における対応する位置の画像の値の絶対差の合計に依存して時間的呼吸運動信号を決定する。一形態では、１つの画像が基準画像として用いられ、呼吸サイクル中のこの基準画像の位置が確認される。例えば、呼気の中断の瞬間の画像は、同じ及び／又は他の呼吸サイクルのその後の画像に対して基準画像として機能する。また、吸気／呼気の移行時の画像も基準画像として用いられる。その場合、基準画像とその後の画像との間の絶対差の合計（ＳＡＤ）が、呼吸波形としても見なされる又は呼吸波形が得られる呼吸運動信号を決定するために計算される。
【００２２】
上記呼吸信号検出装置は、好ましくは、呼吸運動信号をローパスフィルタにかける。これは、上記呼吸信号検出装置が呼吸運動信号を平滑化し、ノイズを低減することを可能にする。呼吸運動信号は、好ましくは、以下に更に説明されるように呼気／吸気の移行を決定するためにローパスフィルタにかけられる。
【００２３】
上記呼吸信号検出装置は、決定された時間的呼吸運動信号から人の呼吸の特徴を決定する呼吸特徴決定ユニットを有していることが更に好ましい。これは、呼吸信号検出装置が、高い精度で邪魔にならないように呼吸の特徴を決定することを可能にする。
【００２４】
上記呼吸特徴決定ユニットは、呼吸サイクル、吸気の期間、呼気の期間、吸気−呼気の移行及び呼気−吸気の移行の少なくとも１つを決定する。
【００２５】
上記呼吸特徴決定ユニットは、人が眠っている間に、呼吸運動信号が生成されると、睡眠効率指数を決定する。この睡眠効率指数は、人が起きた後に、その人に与えられる。睡眠効率指数は、呼吸運動信号から決定される人の睡眠パターンから決定される。睡眠効率指数は、全睡眠時間とベッドにいる時間との比として計算される。ベッドにいる時間は、指標としてパターンの変形を用いることにより決定される。パターンが変形されない時は、人が存在しない。全睡眠時間は、照明パターンのとらえられた画像を処理することにより行われる呼吸及びアクティグラフの分析から推定される。全睡眠時間は、加速度計又はフィリップス・レスピロニクス社により作製され、通常人の手首につけられるアクティウォッチを用いて行われるやり方と同じように計算される。そのような方法は、例えば、Lawrence  J.  Epstein等によるThe  McGraw  Hill  Companies  (2007)の「The  Harvard  Medical  School  Guide  to  a  Good  Night’s  Sleep」に開示されている。
【００２６】
上記呼吸特徴決定ユニットは、呼吸運動信号が極小を示す時間に依存して、吸気／呼気の移行及び呼気／吸気の移行を決定することが好ましい。上記極小は容易に検出されるので、呼吸運動検出装置は、低い計算コストで吸気／呼気及び呼気／吸気の移行を決定することができる。
【００２７】
上記呼吸特徴決定ユニットは、高周波の極小に依存して吸気／呼気の移行を決定し、低周波の極小に依存して呼気／吸気の移行を決定することが更に好ましい。より小さい時間周波数に対応し、近くの極大までのより大きい距離を有する低周波の極小と比較して、高周波の極小は、より大きい時間周波数に対応し、近くの極大までのより小さい距離を有する。例えば、距離の閾値又は周波数の閾値が規定され、２つの隣接する極大までの極小の最長距離が距離の閾値よりも小さい場合又は極小が対応する周波数が周波数の閾値よりも大きい場合、極小は、好ましくは、吸気／呼気の移行を決定するために用いられ、この最長距離が距離の閾値よりも大きい場合又はこの周波数が周波数の閾値よりも小さい場合、極小は、好ましくは、呼気／吸気の移行を決定するために用いられる。距離の閾値及び／又は周波数の閾値は、呼吸運動信号と吸気／呼気及び呼気／吸気の移行の既知の時間的位置及び／又は周波数位置とを用いて呼吸運動検出装置を較正することにより決定される。
【００２８】
他の形態では、上記呼吸特徴決定ユニットは、呼気／吸気の移行の時間を決定すること及び基準フレームとしてこの時間にとらえられる照明パターンの画像を用いることにより吸気／呼気の移行を決定し、１呼吸サイクル内の基準フレームと後続するフレーム、すなわち、照明パターンの後続するビデオ画像との絶対差の最大の和は、決定された呼気／吸気の移行に後続する吸気／呼気の移行に対応する。基準フレームと後続するフレームとの絶対差の和は、以下の式により規定される。
0005883847.tif 000002
（１）
ここで、ｎは基準画像の番号、すなわち、基準フレームとしてもみなされる基準画像のフレーム番号を表し、ｉはフレームとしてもみなされ得る基準画像と後続する画像の１つとの間の画像の番号を表し、ｘ、ｙは画像Ｉｎ及びＩｎ＋ｉ内の画素座標をそれぞれ表し、Ｗは全ての可能な画素座標を示している。
【００２９】
上記呼吸特徴決定ユニットは、高周波の極小が取り除かれるように上記呼吸運動信号をローパスフィルタにかけ、ローパスフィルタにかけられた上記呼吸運動信号の極小を決定し、決定された上記極小から上記呼気／吸気の移行を決定することが好ましい。同様に、これは、呼吸運動検出装置が低い計算コストで呼気／吸気の移行を決定することを可能にする。ローパスフィルタは、吸気／呼気及び呼気／吸気の移行に対応する既知の周波数を有する呼吸運動信号を用いて呼吸運動検出装置を較正することにより決定される。ローパスフィルタリングは、呼吸運動信号を高周波の極小を取り除くためにボックスフィルタ若しくは矩形フィルタ又は他のフィルタと畳み込むことにより行われる。極小の決定は、ローパスフィルタにかけられた呼吸運動信号を１次ガウス導関数又は同様のフィルタで畳み込み、結果として生じる信号のゼロ交差を決定することにより行われる。＋／−ゼロ交差は極大を規定し、−／＋ゼロ交差は低周波の極小を規定する。
【００３０】
上記呼吸特徴決定ユニットは、上記呼吸運動信号のストリーミングの標準偏差を計算し、計算された上記ストリーミングの標準偏差の極大を決定し、所定の閾値よりも大きい振幅を持つ上記計算されたストリーミングの標準偏差のピークのピーク位置を決定し、決定された上記ピーク位置間でそれぞれの極大の位置に最も近いピーク位置を上記極大の各極大に対して決定し、上記決定されたピーク位置から上記吸気／呼気の移行を決定することが更に好ましい。上記所定の閾値は、好ましくは、実験的に、特に、キャリブレーション測定により決定される。
【００３１】
上記呼吸特徴決定ユニットは、上記ピークの位置を決定する前に上記計算されたストリーミングの標準偏差を重み付けし、対応する呼吸運動信号の値が上記呼吸運動信号の極小又は谷に位置する場合、計算されたストリーミングの標準偏差の値についての重み付けはより大きく、対応する呼吸運動信号の値が呼吸運動信号の極小又は谷に位置しない場合、計算されたストリーミングの標準偏差の値についての重み付けはより小さいことが更に好ましい。より大きい重みは例えば１０００であり、より小さい重みは例えば１である。或る呼吸運動信号の値が呼吸運動信号の極小又は谷に位置しているかどうかを決定するために、上記呼吸特徴決定ユニットは、ａ）上記或る呼吸運動信号の値に近い、特におよそ呼吸運動信号の値の第１の領域内の呼吸運動信号の値の合計が、時間的に逆方向に第１の領域に隣接された第２の領域内の呼吸運動信号の値の合計よりも小さいかどうか、及び、ｂ）上記或る呼吸運動信号の値に近い、特におよそ呼吸運動信号の値の第３の領域内の呼吸運動信号の値の合計が、時間的に順方向に第３の領域に隣接された第４の領域内の呼吸運動信号の値の合計よりも小さいかどうかを決定する。例えば、或る呼吸運動信号の値がフレーム番号ｎに対応する場合、上記第１の領域はフレーム番号ｎ−１及びｎにより定義され、上記第２の領域はフレーム番号ｎ−３及びｎ−２により定義され、上記第３の領域はフレーム番号ｎ＋１及びｎにより定義され、上記第４の領域はフレーム番号ｎ＋３及びｎ＋２により定義される。第１の領域と第３の領域とは、同じであり得る。
【００３２】
上記照明器は、正弦波照明パターン及び鋸歯状照明パターンの少なくとも１つで人に光を当てることが更に好ましい。正弦波パターン及び鋸歯状照明パターンは、人の動きに非常に感度がよい。すなわち、人の非常に小さい動きでさえも照明パターンの大きな変形をもたらす。従って、正弦波照明パターン及び／又は鋸歯状照明パターンを用いることにより、呼吸運動検出装置の感度が更に改善される。
【００３３】
上記照明器は、１つ又はそれ以上の空間方向において繰り返しパターンである照明パターンで人に光を当てることが更に好ましい。上記照明器は、空間的に高周波の照明パターンで人に光を当てることが好ましい。照明パターンが高周波であるほど、特に２つのフレーム間の絶対差の合計の計算のより大きい違いのために、より感度よく呼吸の分析が行われる。一形態では、照明パターンの空間周波数は、できる限り高いが、検出器、特に、カメラの光学系の変調伝達関数のために減衰しない値に選択される。
【００３４】
上記呼吸運動検出装置は、人の他の運動のために時間的呼吸運動信号に及ぼす影響が低減される、特に取り除かれるように時間的呼吸運動信号をフィルタにかける呼吸運動フィルタリングユニットを有し得る。この呼吸運動フィルタリングユニットは、人の既知の呼吸運動及び既知の非呼吸運動を用いてキャリブレーション測定を行うことにより較正される。
【００３５】
上記呼吸運動検出装置が数人の呼吸運動を検出し、上記照明器は、上記照明パターンにより数人に光を当て、上記呼吸運動信号決定ユニットは、検出される照明パターンの異なる領域を上記数人に割り当て、各人に割り当てられた上記検出される照明パターンの領域から上記数人のうちの一人の呼吸運動を決定することが更に好ましい。従って、検出される照明パターンの、すなわち、照明パターンの変形を示す映像の異なる空間領域が識別され、数人に割り当てられ、これらの人の呼吸運動信号は、検出される照明パターンの異なる空間領域における照明パターンの変形に基づいて決定される。これは、呼吸運動検出装置が、室内の異なる人、特に、１つ又は複数のベッドに横になっている人の呼吸運動を決定することを可能にする。
【００３６】
本発明の他の観点では、人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出方法であって、照明パターンを用いて人に光を当てることと、経時的に上記人の上の照明パターンを検出することと、検出された上記照明パターンから上記人の呼吸運動を示す呼吸運動信号を決定することとを有する当該呼吸運動検出方法が与えられる。
【００３７】
本発明の他の観点では、人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出コンピュータプログラムであって、請求項１記載の呼吸運動検出装置を制御するコンピュータ上で実行される際に、請求項１記載の呼吸運動検出装置に請求項１４記載の呼吸運動検出方法のステップを実行させるプログラムコード手段を有する、当該呼吸運動検出コンピュータプログラムが与えられる。
【００３８】
請求項１の呼吸運動検出装置、請求項１４の呼吸運動検出方法及び請求項１５の呼吸運動検出コンピュータプログラムは、類似した及び／又は同一の好ましい形態、特に、従属請求項に定義されているような好ましい形態を有することが理解されるべきである。
【００３９】
本発明の好ましい形態は、従属請求項と各独立請求項との任意の組み合わせでもあり得ることが理解されるべきである。
【００４０】
本発明のこれら観点及びその他の観点は、以下に説明される実施の形態から明らかであり、以下に説明される実施の形態を参照して解明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出装置の一実施の形態を模式的及び例示的に示している。
【図２】照明パターンを模式的及び例示的に示している。
【図３】呼吸運動信号の拡大図を例示している。
【図４】呼吸運動信号の拡大図を例示している。
【図５】わずかにローパスフィルタにかけられた呼吸運動信号を模式的及び例示的に示している。
【図６】強くローパスフィルタにかけられた呼吸運動信号を模式的及び例示的に示している。
【図７】１次ガウス導関数を模式的及び例示的に示している。
【図８】谷に基づいて重み付けされた標準偏差を模式的及び例示的に示している。
【図９】胸郭拡張及び胸郭拡張の絶対時間導関数を模式的及び例示的に示している。
【図１０】呼吸運動検出装置の照明器及び検出器を有する円柱状の装置を模式的及び例示的に示している。
【図１１】鋸歯状の照明パターンを模式的及び例示的に示している。
【図１２】人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出方法の一実施の形態を例示的に説明する流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、人２の呼吸運動を検出する呼吸運動検出装置１の一実施の形態を模式的及び例示的に示している。人２はベッド７で横になり、人２の頭は枕８の上に位置し、人２は毛布６で覆われている。呼吸運動検出装置１は、照明パターンを用いて人２に光を当てる照明器３と、経時的に人２についての照明パターンを検出する検出器４と、検出された照明パターンから人２の呼吸運動を示す時間的呼吸運動信号を決定する呼吸運動信号決定ユニット５とを有している。この呼吸運動検出装置は、離れた距離で、例えば、ベッド７がある部屋の天井、壁又は床に設置される。
【００４３】
照明器３は、照明パターンを用いて人２の胸部に光を当てる。特に、人２の胸部を覆う毛布６の部分が照明パターンを用いて照射される。検出される照明パターンの変形は、人２の胸部の動きに非常に感度がよいので、呼吸運動検出装置１は、人２の深い呼吸及び浅い呼吸の両方を検出することができる。
【００４４】
照明器３は、固定された照明パターンで人２に光を当てる。照明器３は、照明パターン、すなわち、組織化された光のパターンを発生させるスライドプロジェクタを有している。照明器３は、３６０度の視野で光を投影する投影系を含んでおり、検出器４は、照射領域をとらえるビデオカメラである。そのようなビデオカメラは、凸型反射レンズをオプションで用いる広角の光学系を用いることにより構築され得る。照明器３は、また、レーザ又は発光ダイオードのようなコヒーレント光源及び人２の上に鮮明な照明パターンを作り出す回折光学素子も有している。
【００４５】
照明器３は、赤外光、特に、近赤外光で又は紫外線で人２に光を当てる。照明器３は、１つ又はそれ以上の空間方向に各パターンで人２に光を当てる。特に、照明器３は、正弦波照明パターン及び鋸歯状照明パターンの少なくとも１つで人２に光を当てる。上記照明パターンは、好ましくは、空間的に高周波である。図２に、人の上の例示的な照明パターン１１が示されている。
【００４６】
検出器４は、経時的に人２の上の、特に、人２の毛布６の上の照明パターン１１のビデオ画像をとらえるビデオカメラである。従って、検出器４は、人２の呼吸運動により引き起こされる照明パターン１１の変形を示す照明パターン１１の映像をとらえる。この実施の形態では、照明器３は、好ましくは、赤外線照明パターンで人２を覆っている毛布６に光を当て、検出器４は、毛布６の上の赤外線照明パターンを検出する、特に、人２の呼吸運動により生じる毛布６の上の赤外線照明パターンの変形を検出する赤外線に対する感度が高いビデオカメラである。
【００４７】
照明器３は、照明方向１２において人２、特に、人２を覆う毛布６に光を当て、検出器４は、検出方向１３において人２の上の照明パターンを検出し、上記照明方向１２と検出方向１３とは異なっている。好ましくは、照明器３及び検出器４は、照明器３が、照明方向１２と照明される表面１４に対して垂直である軸１５との角度として定義される７０°よりも大きい照明角度の下で上記照明パターンで人２の表面１４に光を当てることを可能にし、検出器４が、検出方向１３と照明される表面１４に対して垂直である軸１５との角度として定義される２０°よりも小さい検出角度の下で表面１４の照明パターンを検出するように構成される。上記照明角度は、８０°よりも大きいことが更に好ましく、８５°よりも大きいことが更に一層好ましい。また、上記検出角度が、１０°よりも小さいことも好ましく、５°よりも小さいことが更に一層好ましい。従って、上記照明角度が約９０°であり、上記検出角度が約０°であることが好ましい。この構成は、観測される照明パターンが観測される表面自体の動きよりも大きい振幅で動くようにする。以下に、このことが図３及び図４を参照して説明される。
【００４８】
図３では、表面１４は、投影される照明パターンにより照射されていない。表面１４が距離Δｚ離れた１４′により図３に示されている位置に移動すると、検出器は、１５′により図３に示されている位置への距離ｄ離れた光線１５の動きとして検出角度βの下でこの移動を検出する。図３において、光線１５は点Ａから始まり、１５′により示されている位置のシフトされた光線は、点Ａが移動した場所Ａ′から始まっている。
【００４９】
図４では、入射光１６は、表面１４で照明角度αの下で投影され、検出角度βの下で検出される。表面１４は、投影点Ａが水平方向の距離Δｘ離れて点Ａ″にシフトされるように距離Δｚだけ位置１４′にシフトされる。このシフトは、図４に１５′により示されている位置に反射光線１５のシフトを検出することにより検出器の検出方向に投影される見かけのシフトｄ′として観測される。図４では、参照符号１６′は、表面１４が参照符号１４′により示されている位置に移動した後、位置Ａ″において照明を発生させる入射光を示している。距離ｄ′はｄよりも非常に大きいので、図３に示されている構成と比較して図４に示されている構成では、より小さい鉛直方向の動きが検出され得る。
【００５０】
投影される照明パターンが存在せず、図３に対応する場合、観測されるシフトｄとＡからＡ′までの実際の鉛直方向のシフトΔｚとの関係は、以下の式によって表される。
ｄ＝Δｚｓｉｎβ      （２）
【００５１】
式（２）によって定義される観測されるシフトｄは、実際の鉛直方向のシフトΔｚにより引き起こされるので、観測される鉛直方向のシフトと見なされる。
【００５２】
図４に示されている構成によれば、照明パターンは、照明角度αの下で表面１４に投影され、観測されるシフトｄ′とＡからＡ″までの実際の鉛直方向のシフトΔｚとの関係は、以下の式によって表される。
ｄ’＝Δｚｔａｎαｃｏｓβ      （３）
【００５３】
角度のある投影の利点は、検出器、特に、カメラセンサに現れるようなシフト現象の距離の増加の点で表される。結果として得られるゲインＧは、以下の式に従って古い変位に対する新しい変位の比として定義される。
0005883847.tif 000003
（４）
【００５４】
式（４）において明らかに分かるように、投影角度とも見なされる照明角度αができる限り大きく、特に、表面１４とほぼ平行であり、観測角度とも見なされる検出角度βができる限り小さい、好ましくは表面１４に対して垂直な検出器の光軸を持つ場合に、ゲインＧは最大になる。
【００５５】
照明パターンが投影される表面１４は、勿論、一般的に平面ではないことに注意されたい。従って、照明される表面１４に垂直な軸は、好ましくは、照明される表面の法線の平均である。
【００５６】
呼吸運動信号決定ユニット５は、好ましくは、検出器４によりとらえられる連続するビデオフレーム間の上記ＳＡＤを計算することによって、照明パターンの見かけの動き及び従って人の呼吸運動を定量化する。時間の関数としてのＳＡＤ値のシーケンスは、時間的呼吸運動信号とみなされ、好ましくは照明パターンの見かけの動きの平均速度の絶対値に実質的に線形比例する。特に、検出器４は、種々の時間に照明パターンの幾つかの画像を検出し、呼吸運動信号決定ユニット５は、時間的に連続する画像における対応する位置の画像の値の絶対差の合計に依存して時間的呼吸運動信号を決定する。これは、照明パターンの２つの時間的に連続する画像に関して幾つかの差を生じさせるために時間的に連続する画像内の同じ位置に対応する画像値が互いから差し引かれ、これらの差の絶対値は、２つの時間的に連続する画像がとりこまれた時の呼吸運動信号を生成するために合計されることを意味する。この時間は、例えば、２つの時間的に連続する画像が取得された時間の平均又は２つの時間的に連続する画像のうちの最初又は２番目の画像がとりこまれた時間である。照明パターンの時間的に連続する画像の幾つかのペアについて呼吸運動信号を決定することにより、以下の式に従って、時間的呼吸運動信号が計算される。
0005883847.tif 000004
（５）
ここで、Δｌｕｍ（ｎ）は、各フレームがとらえられた時間に関連するフレーム番号ｎにおける絶対フレーム間差分、すなわち、ＳＡＤを意味する。フレーム内の画素座標はｘ、ｙにより示されており、輝度値としても見なされる各画素座標における画像値はｆにより表されている。
【００５７】
呼吸運動信号決定ユニット５は、好ましくは、呼吸運動信号を平滑化し、ノイズを低減するために、呼吸運動信号をローパスフィルタにかける。
【００５８】
図５は、正規化された単位のわずかにローパスフィルタにかけられた絶対フレーム間差分Δｌｕｍ（ｎ）を模式的及び例示的に示している。以下に更に説明されるように、より強いローパスフィルタが、呼気／吸気の移行を決定するために用いられる。
【００５９】
再び図１を参照すると、呼吸運動検出装置１は、更に、好ましくは式（５）に従う絶対フレーム間差分である決定された時間的呼吸運動信号から人２の呼吸の特徴を決定する呼吸特徴決定ユニット９を有している。呼吸特徴決定ユニット９は、好ましくは、呼吸サイクル、吸気の期間、呼気の期間、呼気／吸気の移行及び吸気／呼気の移行の少なくとも１つを決定する。また、呼吸特徴決定ユニット９は、人が眠っている間に、呼吸運動信号が生成されると、睡眠効率指数を決定する。この睡眠効率指数は、人が起きた後に、その人に与えられる。睡眠効率指数は、全睡眠時間とベッドにいる時間との比として計算される。ベッドにいる時間は、指標として時間的呼吸運動信号を用いることにより決定される。時間的呼吸運動信号が存在しない場合は、人がベッドにいないと結論付けられる。すなわち、ベッドにいる時間は、時間的呼吸運動信号が決定される期間として決定される。時間的呼吸運動信号に基づいて全睡眠時間を決定するために、加速度計信号又はフィリップス・レスピロニクス社により作製され、通常人の手首につけられるアクティウォッチから全睡眠時間を決定する方法が用いられる。提案される呼吸運動検出装置及び方法の邪魔にならない性質のため及び目立たなく、コンピュータ的に低複雑性の演算のために、呼吸運動検出装置及び方法は、種々の健康管理用品及び民生品に道を開く。
【００６０】
呼吸特徴決定ユニット９は、好ましくは、呼吸運動信号が極小を示す時間に依存して、吸気／呼気の移行及び呼気／吸気の移行を決定する。呼吸特徴決定ユニット９は、好ましくは、更に、決定された吸気／呼気及び呼気／吸気の移行から呼吸サイクル、吸気の期間及び呼気の期間の少なくとも１つを決定する。特に、呼吸特徴決定ユニット９は、高周波の極小に依存して吸気／呼気の移行を決定し、低周波の極小に依存して呼気／吸気の移行を決定する。より小さい時間周波数に対応し、近くの極大までのより大きい距離を有する低周波の極小と比較して、高周波の極小は、より大きい時間周波数に対応し、近くの極大までのより小さい距離を有する。例えば、距離の閾値又は周波数の閾値が規定され、近隣の極大までの極小の最長距離が距離の閾値よりも小さい場合又は極小が対応する周波数が周波数の閾値よりも大きい場合、極小は、好ましくは、吸気／呼気の移行を決定するために用いられ、この最長距離が距離の閾値よりも大きい場合又はこの周波数が周波数の閾値よりも小さい場合、極小は、好ましくは、呼気／吸気の移行を決定するために用いられる。距離の閾値及び／又は周波数の閾値は、呼吸運動信号と吸気／呼気及び呼気／吸気の移行の既知の時間的位置及び／又は周波数位置とを用いて呼吸運動検出装置１を較正することにより決定される。
【００６１】
吸気／呼気の移行では人の胸部が息を吸う又は息を吐く動きのために動いている時とは対照的に照明パターンがほとんど変形しないので、吸気／呼気の移行は、例えば図５に示されているような呼吸運動信号が極小を示す位置において存在する。
【００６２】
図５では、吸気／呼気の移行は四角２０により示され、呼気／吸気の移行は円２１により示されている。
【００６３】
呼吸特徴決定ユニット９は、高周波の極小が取り除かれるように呼吸運動信号をローパスフィルタにかけ、ローパスフィルタにかけられた呼吸運動信号の極小が決定され、決定された極小から呼気／吸気の移行が決定される。高周波の極小を取り除くローパスフィルタは、吸気／呼気及び呼気／吸気の移行に対応する既知の周波数を有する呼吸運動信号を用いて呼吸運動検出装置１を較正することにより決定される。ローパスフィルタリングは、以下の式により説明されるように、呼吸運動信号Δｌｕｍ（ｎ）を高周波の極小を取り除くためにボックスフィルタ又は矩形フィルタと畳み込むことにより行われる。
0005883847.tif 000005
（６）
ここで、ｒｅｃｔ（ｋ）は、ボックス又は矩形フィルタを意味する。
【００６４】
ボックス又は矩形フィルタと畳み込まれた絶対フレーム間差分Δｌｐ＿ｌｕｍ（ｎ）、すなわち、呼吸運動信号が、フレーム番号ｎに依存して図６に模式的及び例示的に示されている。図５に示されている信号をもたらすわずかなローパスフィルタリングと比較してこのかなり強いローパスフィルタリングも、他のローパスフィルタを用いて呼吸運動信号、すなわち、絶対フレーム間差分を畳み込むことによって行われ得る。
【００６５】
図６に示されているローパスフィルタにかけられた呼吸運動信号の極小を決定するために、ローパスフィルタにかけられた呼吸運動信号は、１次ガウス導関数又は同様のフィルタで畳み込まれ、結果として生じる信号のゼロ交差が決定される。＋／−ゼロ交差は極大を規定し、−／＋ゼロ交差は低周波の極小を規定する。１次ガウス導関数ｄｇ（ｍ）は、図７に模式的及び例示的に示されており、以下の式によって表される。
0005883847.tif 000006
（７）
ここで、
σ＝８，  ｍ＝[−３σ，３σ]      （８）
である。
【００６６】
ローパスフィルタにかけられたフレーム間差分Δｌｐ＿ｌｕｍ（ｎ）の１次ガウス導関数との畳み込みは、以下の式によって表される。
0005883847.tif 000007
（９）
【００６７】
呼吸特徴決定ユニット９は、好ましくは、更に、低周波の最大に近い谷形状のストリーミングの標準偏差のピークを決定することにより吸気／呼気の移行を決定する。図５において分かるように、吸気／呼気の移行は、極大の最も近い近隣区域に位置する。ストリーミングの標準偏差信号の計算は、信号がより高い周波数成分を示す場合に高い応答を与える。これは、吸気／呼気の移行の位置についての場合であるが、例えば、多くの空気が吸い込まれる／吐き出される又は空気が非常に速く吸い込まれる／吐き出される短時間の吸気又は呼気期間についての場合でもある。従って、呼吸特徴決定ユニット９は、呼吸運動信号のストリーミングの標準偏差を計算し、ピークの位置を決定する前に、計算されたストリーミングの標準偏差を重み付けするように構成され、対応する呼吸運動信号の値が呼吸運動信号の極小又は谷に位置する場合、計算されたストリーミングの標準偏差の値についての重み付けはより大きく、対応する呼吸運動信号の値が呼吸運動信号の極小又は谷に位置しない場合、計算されたストリーミングの標準偏差の値についての重み付けはより小さい。より大きい重みは例えば１０００であり、より小さい重みは例えば１である。或る呼吸運動信号の値が呼吸運動信号の極小又は谷に位置しているかどうかを決定するために、呼吸特徴決定ユニット９は、ａ）上記或る呼吸運動信号の値に近い、特におよそ呼吸運動信号の値の第１の領域内の呼吸運動信号の値の合計が、時間的に逆方向に第１の領域に隣接された第２の領域内の呼吸運動信号の値の合計よりも小さいかどうか、ｂ）上記或る呼吸運動信号の値に近い、特におよそ呼吸運動信号の値の第３の領域内の呼吸運動信号の値の合計が、時間的に順方向に第３の領域に隣接された第４の領域内の呼吸運動信号の値の合計よりも小さいかどうかを決定する。例えば、或る呼吸運動信号の値がフレーム番号ｎに対応する場合、上記第１の領域はフレーム番号ｎ−１及びｎにより定義され、上記第２の領域はフレーム番号ｎ−３及びｎ−２により定義され、上記第３の領域はフレーム番号ｎ−１及びｎにより定義され、上記第４の領域はフレーム番号ｎ＋３及びｎ＋２により定義される。第１の領域と第３の領域とは、同じであり得る。
【００６８】
図８は、フレーム番号ｎに依存する重み付けされたストリーミングの標準偏差ＷＳを例示的に示している。
【００６９】
上記呼吸特徴決定ユニットは、好ましくは、重み付けされたストリーミングの標準偏差の極大を決定し、所定の閾値よりも大きい振幅を持つ重み付けされたストリーミングの標準偏差のピークのピーク位置を決定し、上記極大の各極大に関して決定されたピーク位置間でピーク位置を決定し、決定されたピーク位置から吸気／呼気の移行を決定する。特に、吸気／呼気の移行は、極大に最も近い図８のピークのように決定され、極大は、好ましくは、極小と類似の方法で決定される。吸気／呼気の移行点は、極大の真ん中に位置するので、図８において極大の最も近くにあるピークを探すことにより見つけられる。
【００７０】
図９は、例えば、任意の単位の核磁気共鳴画像のスキャンの間に空気圧呼吸ベルトを用いて測定された時間の関数としての胸郭拡張３０を模式的及び例示的に示している。また、図９は、任意の単位の胸郭拡張３０の絶対時間導関数３１を示している。図９において分かるように、胸郭拡張３０の絶対時間導関数３１は、図５に示されている呼吸運動信号と相関がある。これは、時間的呼吸運動信号が照明パターンの見かけの動きの平均速度の絶対値に実質的に線形比例することを示している。
【００７１】
再び図１を参照すると、呼吸運動検出装置１は、更に、決定された呼吸運動信号に依存して出力信号を出力する出力ユニット１０を有している。この実施の形態では、出力ユニットは、呼吸特徴決定ユニット９により決定される人２の呼吸の特徴に依存する出力信号を出力することにより決定された呼吸運動信号に間接的に依存して出力信号を出力する。しかしながら、他の実施の形態では、呼吸運動検出装置は、出力ユニットが決定された呼吸運動信号に直接的に依存して出力信号を出力することを可能にする。例えば、上記出力ユニットは、出力信号によって与えられる音、光、温度及び／又は空気組成の変化により人の睡眠／リラクゼーション状態に影響を及ぼす。また、決定された呼吸運動信号及び／又は呼吸の特徴が呼吸の不規則さを示す場合、人は出力信号により警告され、例えば、医師の訪問が提案される。
【００７２】
照明器３は、好ましくは、検出器４の下方に位置している。例えば、図１０に模式的及び例示的に示されているように、上記照明器及び検出器は、円柱状の装置４０に組み込まれている。円柱状の装置４０は、下部４３及び上部４４を有している。下部４３には、赤外光４１が赤外線照明パターンで人に光を当てるために円柱状の装置４０から出ることを可能にする開口部４５が設けられている。円柱状の装置４０の上部４４は、人から反射した光４２が人の上の照明パターンを検出する赤外線ビデオカメラに凸面鏡４７により反射することを可能にする開口部４６を有している。凸面鏡４７は、破線４８によって図１０に模式的に示されている保持構造体のような保持素子を介して装置４０の中間部に接続されている。
【００７３】
図１０に示されている円柱状の装置４０は、毛布を掛けてベッドで横になって眠っている人の呼吸の動きの全方向検出を与える。そのため、設置の容易さ及び眠っている被験者に対する位置決めに対してロバスト性が与えられる。上記円柱状の装置内のビデオカメラは、投影された照明パターンを伴うシーンの全方向ビデオ画像をとらえるために凸面鏡４７を観測する。円柱状の装置は、赤外光の幾つかの照明パターンが種々の高度において開口部を介して逃げることができるように変更されることが可能であり、各高度において、わずかに下方に向いた円形の対称な光円錐が発せられる。各円形の対称な光円錐は、照明パターンであるラインの円形の対称な繰り返しパターンを投影する。その後、ビデオカメラは、好ましくは、投影された照明パターンを伴うシーンの全方向画像をとらえる。
【００７４】
既に上述したように、照明パターンは、鋸歯状のパターンであり得る。そのような鋸歯状のパターン５０は、図１１に模式的及び例示的に示されている。図１１では、縦軸の次元は光強度Ｉであり、横軸の次元は空間次元である。
【００７５】
上記呼吸運動検出装置は、人の他の運動のために時間的呼吸運動信号に及ぼす影響が低減される、特に取り除かれるように時間的呼吸運動信号をフィルタにかける呼吸運動フィルタリングユニットを有している。
【００７６】
以下に、図１２に示されている流れ図を参照して、人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出方法の一実施の形態が説明される。
【００７７】
ステップ１０１において、人２は、照明器３により照明パターン１１を用いて光を当てられ、ステップ１０２において、人２の上の照明パターン１１が経時的に検出される。好ましくは、人２、特に、人２を覆う毛布６は、赤外線照明パターンにより光を当てられ、人の上のこの赤外線照明パターンの映像がとらえられる。ステップ１０３では、人の呼吸運動を示す呼吸運動信号が、検出された照明パターンから決定される。特に、絶対フレーム間差分が、呼吸運動信号として式（５）に従って決定される。ステップ１０４では、人の吸気／呼気の移行、呼気／吸気の移行のような人の呼吸の特徴が、決定された時間的呼吸運動信号から決定される。ステップ１０４は省略されることができ、ステップ１０３において決定される呼吸運動信号は他の目的のために用いられ得る。特に、単にディスプレイに表示され得る。
【００７８】
上述した実施の形態では、呼吸運動検出装置が一人の呼吸運動を検出するが、上記呼吸運動検出装置は数人の呼吸運動を検出することも可能である。このケースでは、照明器は、好ましくは、照明パターンにより数人に光を当て、呼吸運動信号決定ユニットは、好ましくは、検出される照明パターンの異なる領域を数人に割り当て、各人に割り当てられた検出される照明パターンの当該領域から数人のうちの或る人の呼吸運動信号を決定する。従って、検出される照明パターンの、すなわち、照明パターンの変形を示す映像の異なる空間領域が識別され、数人に割り当てられ、これらの人の呼吸運動信号は、検出される照明パターンの異なる空間領域における照明パターンの変形に基づいて決定される。これは、呼吸運動検出装置が、室内の異なる人、特に、１つ又は複数のベッドに横になっている人の呼吸運動を決定することを可能にする。従って、種々の呼吸運動信号の分離は、好ましくは、分離した空間領域におけるビデオフレームの分割に基づくものであり、そのような画像の分割の最も容易な実現は、関心のある分離領域の輪郭を描くことによる手作業での注釈である。しかしながら、異なる人と関連のある異なる領域においてビデオフレームを自動的に分割する自動分割アルゴリズムも用いられ得る。例えば、記事「True-motion  estimation  with  3-D  recursive  search  block  matching」、G.de  Haan,  P.W.A.C.Biezen,  H.Hujigen,  O.A.Ojo,  IEEE  Transactions  on  Circuits  and  Systems  for  Video  Technology,  pages.368-379,  October.1993に説明されているように照明パターンの画像から推定される推定動きベクトルの発生に基づいて、画像内に存在する人が分割され、分割された人の呼吸運動が別々に分析される。異なる人の別個の呼吸運動信号を決定するための分析は、複数のプロジェクタ、例えば、複数の照明器を用いるブラインド音源分離によっても行われ得る。
【００７９】
複数の人の呼吸運動を追跡する可能性も与える呼吸運動信号装置の他の実施の形態では、呼吸運動信号決定ユニットは、全ての人に関して好ましくは絶対フレーム間差分である時間的呼吸運動信号を最初に決定し、最初に決定された全体の時間的呼吸運動信号の分析に基づいて、最初に決定された呼吸運動信号を異なる人に割り当てられる幾つかの呼吸運動サブ信号に分離する。とらえられる投影照明パターンが複数の呼吸をしている被験者、すなわち、複数の人にわたるケースでは、最初に決定される時間的呼吸運動信号は、個々の呼吸運動サブ信号の和を本質的に含んでいる。各個々の呼吸運動サブ信号は異なる傾向にあるが、個々の人に対して固有であるので、最初に決定される時間的呼吸運動は、個々の成分、すなわち、個々の呼吸運動サブ信号に分離される。種々の方法が、主成分の分析のようなそのような信号の分解に利用可能である。
【００８０】
好ましくはデータストリームである呼吸運動信号は、人と又は外部デバイスとやり取りするために用いられる。また、呼吸運動信号は、他の知覚装置のデータストリームと組み合わせられ得る。
【００８１】
上記呼吸運動決定装置の照明器は、好ましくは、赤外光源、特に、近赤外光源である。それに対応して、検出器は、スペクトルの近赤外領域を検出するために昼光カットフィルタを用いる民生用カメラ又はウェブカメラである。
【００８２】
健康管理領域では、睡眠／呼吸疾患及び心疾患の診断が支援され、システムの使いやすさ及び邪魔にならないことのために患者により近づけられる一方で、オンボディセンサが必要とされないので、これは依然として自然な睡眠環境を享受する。
【００８３】
上記呼吸運動検出装置及び方法は、健康管理領域及び睡眠疾患の診断において睡眠を感知するために用いられる。しかしながら、上記呼吸運動検出装置及び方法は、睡眠向上製品のための機会の領域としての消費者のライフスタイルの領域においても用いられ得る。眠っている人の呼吸を分析することにより、より浅い睡眠相及びレム睡眠が、例えば、記事「Control  of  breathing  in  health  and  disease」、Murray  D.Altose,  Yoshikazu  Kawakami,  Vol.135,  ISBN:0-8247-9854-6,  1999に説明されているように識別される。
【００８４】
従って、体の望ましい目覚めの瞬間が決定され、増進したエネルギーで及び機嫌良くユーザに１日をスタートさせる。他の用途は、夜間を通して眠りを深くするために適切なタイミングを見つけることである。ヒトがより浅い睡眠相に入っている時、ベッド内の温度の上昇／低下のような外的刺激が睡眠をより深くするために適用される。更に、人は、ベッドに横になっている間にリラクゼーション訓練を行い、オンボディセンサのホックを外す必要及びシステムをオフにする必要なくスムーズに眠りにつくことができるので、邪魔にならない呼吸の分析は、邪魔にならないセンサが望まれる睡眠のためのリラクゼーションの分野において役立つ。
【００８５】
上記呼吸運動検出装置及び方法は、好ましくは、わずかな呼吸運動を自動的に測定することを可能にする。それらは、好ましくは、映像及び人間の目に見えない赤外光パターンの使用に基づくものである。上記呼吸運動検出装置及び方法は、好ましくは、どの呼吸サイクル、吸気期間、呼気期間並びに吸気／呼気及び呼気／吸気の両方の移行も検出することができる。呼吸機能の遠隔解析は、医療分野及び消費者のライフスタイルの両方において有益である。呼吸疾患及び心疾患のような多数の疾患の症状が被験者の呼吸パターンにおいて観測される。ライフスタイルの領域では、提案されるシステムは、改善されたリラクゼーションソリューション又は睡眠改善制御ツールとして使用され得る。
【００８６】
健康管理では、呼吸パターンを分析することにより、多数の疾患（例えば、心不全、呼吸又は肺疾患、腎不全）が認識される。例えば、心不全が進行すると、チェーン・ストークス呼吸（周期性呼吸）が明らかになる。心疾患の症状は、特に原因が心臓発作である場合に、突然始まる。しかしながら、大部分の人々は、心臓が初めて問題を引き起こし始める時には症状がない。その後、症状は、数日から数か月又は数年にわたって徐々に現れる。最も一般的な症状は、息切れ及び疲労である。心不全は、しばらくの間安定しているが、ゆっくりと知らぬ間に進行することが多い。
【００８７】
右心不全と左心不全とは、異なる症状を引き起こす。両方のタイプの心不全が存在するが、一方の不全の症状が優勢であることが多い。最終的には、左心不全は右心不全を引き起こす。左心不全は肺内部の液体貯留につながり、これは、息切れを引き起こす。息切れは、初めは身体運動中にのみ生じるが、心不全が進行するにつれて、次第により少ない身体運動で生じ、最終的には休息時でさえも生じる。重い左心不全を患う人々は、重力がより多くの液体が肺に動くようにするので、横になっている時に息切れがする（起坐呼吸と呼ばれる状態）。起き上がることは、液体の幾らかが肺の底に流れるようにし、呼吸をより容易にする。
【００８８】
心不全が進行すると、チェーン・ストークス呼吸（周期性呼吸）が明らかになる。この異常な呼吸のパターンでは、人は、速く深く呼吸をし、その後、よりゆっくりと呼吸をし、その後、数秒間全く呼吸をしなくなる。チェーン・ストークス呼吸は、脳への血液の流れが減少し、従って、呼吸を制御する脳の領域が十分な酸素を受け取らないという理由で生じる。
【００８９】
心不全を患う人々の中には、起坐呼吸、発作性夜間呼吸困難又はそれらの両方を経験する人もいる。起坐呼吸は、人が横になっている時の息切れであり、起き上がることにより緩和される。発作性夜間呼吸困難は、睡眠中の突然の、時には恐ろしい息切れの発作である。この状態は、起坐呼吸の極端な形であり、重い心不全の兆候である。
【００９０】
呼吸困難は、酸素を組織に運ぶ赤血球の数の減少のために貧血又は失血がある人々にも生じる。その人は、血液中の酸素の量を増加させようとするための反射努力で、速く深く呼吸をする。
【００９１】
重い腎不全を患う若しくは糖尿病の突然の悪化を伴う人又は或る薬若しくは毒薬を服用した人は、血液中の多量の酸の蓄積（代謝性アシドーシスと呼ばれる状態）のために、息切れし、すぐに荒い息をし始める。貧血及び心不全は、腎不全を患う人々の呼吸困難の一因ともなる。
【００９２】
呼吸パターンにおいて観測される心疾患に加えて、呼吸疾患がよく知られており、早期介入又はより直接的な診断が人の健康及び健康管理のコストの両方にとって有益である。イギリス肺財団は、肺及び／又は気道を悪くし、人の呼吸する能力に影響を及ぼす４０以上の状態が存在することを明らかにしている。それらは、肺がん、結核、ぜんそく、ＣＯＰＤ（慢性閉塞性肺疾患）、嚢胞性線維症、睡眠時無呼吸、鳥インフルエンザ、細気管支炎及び多数の他の状態を含んでいる。
【００９３】
呼吸の制御は、消費者のライフスタイルの分野において、特にリラクゼーションにとって有用である。今日では、不規則な睡眠、交代制の務め、成果のプレッシャー及びストレスのために、リラックスして眠りにつくことはより難しい。リラクゼーションを中心にした解決策は、ますます重要になっている。人のリラクゼーションの状態は、その人の呼吸の特徴と密接に関連している。呼吸のパターンは眠りにつく過程全体を通して変化するので、呼吸の分析は、リラクゼーションのためのペースが調整された呼吸のような睡眠改善の介入のための制御パラメータを与える。
【００９４】
提案されるシステムに関して興味深い第３の領域は、人の睡眠の質を向上させるために呼吸の分析を用いることである。我々は、生活の約３分の１を睡眠に費やしている。質の良い睡眠は、良好な健康状態及び幸福のために必須である。しかしながら、ライフスタイル及び環境因子は、ますますよく眠れない原因となっている。今日では、病気、不規則な睡眠、交代制の務め、成果のプレッシャー及びストレスのために睡眠の質の低下が増えている。悪い睡眠は、我々の行動、気分、能力、安全性（事故になりやすい）、精神的及び身体的健康に悪影響を及ぼす。
【００９５】
睡眠段階又は目覚め／睡眠状態と呼吸の特徴とは関連がある。この情報は、人の睡眠に影響を与えるため及びこれにより人の睡眠の質を向上させるために用いられ得る。従って、提案される遠隔検知技術は、病気の診断のために用いられるだけではなく、改善されたリラクゼーションソリューション又は睡眠改善制御ツールとしても用いられ得る。
【００９６】
先行技術では、典型的には、呼吸は、胸の周りに装着するインダクタンス式呼吸プレチスモグラフィベルトを用いて監視され、測定される。
【００９７】
人に自然な睡眠環境を享受するために、上記呼吸運動検出装置及び方法は、呼吸速度、吸気−呼気及び呼気−吸気の両方の移行時間、呼気期間並びに吸気期間を与えることができる遠隔技術を与える。
【００９８】
提案されるデバイスは、呼吸監視デバイスの普及及び使用を可能にする簡単なやり方で専門家ではない人によってセットアップされ得る。記録されたデータは、病気の更なる悪化を防ぐために例えば心不全の初期段階において介入する専門家に送られる。
【００９９】
消費者のライフスタイルの分野では、呼吸は、ストレスを減少させるため、体中の緊張を取り除くため及び心の穏やかで平和な状態を実現するために、リラクゼーションツールとして用いられる。市場の種々の製品は、（例えば、呼吸の特徴の）バイオフィードバックが消費者に与えられるタッチセンサを提供する。しかしながら、呼吸の分析のためのオンボディセンサは、不快及び不便であるので、消費者に好まれない。対照的に、上記呼吸運動検出装置及び方法は、接触しないやり方で呼吸運動を決定することを可能にする。
【０１００】
上記呼吸運動検出方法は、好ましくは、人、特に、胸部領域が画像内に（毛布の上又は下に）現れる限りにおいては、検出器の位置に対して不変であり、好ましくは、前もっていかなるトレーニング及びデータセットも必要としない。（例えば、毛布又は他の体の部位により）隠れた体の部位は、提案される方法の性能に重大な限界をもたらさない。実験は、パターンの変形が、薄い及び厚い毛布を用いて並びに横になっている人の種々の位置（背中、わき腹、腹部）で明らかであることを示している。
【０１０１】
上記呼吸運動検出装置及び方法は、サブピクセルの運動振幅のために既知の方法により検出できない呼吸の特徴が決定されるように構成され得る。
【０１０２】
図４を参照して上述した構成による見掛けの定量化は、典型的には深さの定量化のために用いられ、例えば、記事「Phase-Shifting  Interferometry」、  J.C.  Wyant,  University  of  Arizona,  Course  material,  1998に開示されている位相シフト干渉法に相当する。高い動きの検出は、好ましくは、照明器と検出器との間に距離、「ベースライン」を作り出すことにより実現される。
【０１０３】
上述した実施の形態では、吸気／呼気の移行がストリーミングの標準偏差を用いて決定されるが、他の実施の形態では、呼吸の特徴、特に吸気／呼気の移行がストリーミングの標準偏差を用いることなく決定される。例えば、ＳＡＤは、ストリーミングの標準偏差を実行することなく呼吸の特徴を決定するために直接的に用いられ得る。
【０１０４】
図面、この開示及び添付の特許請求の範囲の検討から、開示された実施の形態以外の他の変更形態が、特許請求された発明を実施する際に当業者によって理解され、もたらされ得る。
【０１０５】
特許請求の範囲において、「有する」という語は他の構成要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数を除するものではない。
【０１０６】
単一のユニット又はデバイスは、特許請求の範囲内に列挙されている幾つかのアイテムの機能を果たし得る。或る方策が互いに異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの方策の組み合わせが有利に用いられないことを示すものではない。
【０１０７】
１つ又は幾つかのユニット又はデバイスによる呼吸運動信号の決定及び呼吸の特徴の決定のような決定は、任意の他の数のユニット又はデバイスによって行われ得る。例えば、ステップ１０３及び１０４は、単一にユニットによって又は他の異なる数のユニットによって行われる。呼吸運動検出方法に従う呼吸運動検出装置の制御手段及び／又は決定、特に、計算は、コンピュータプログラムのプログラムコードとして及び／又は専用ハードウェアとして実現され得る。
【０１０８】
コンピュータプログラムは、他のハードウェアとともに又は他のハードウェアの一部として与えられる光記憶媒体又はソリッドステート媒体のような適切な媒体に記憶／配布され得るが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介してのような他の形態でも配信され得る。
【０１０９】
特許請求の範囲における任意の参照符号は、その範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【０１１０】
本発明は、人の呼吸運動を検出する呼吸運動検出装置に関するものである。照明器は照明パターンを用いて人に光を当て、検出器は経時的に人の上の照明パターンを検出する。人の呼吸運動を示す時間的呼吸運動信号は、呼吸運動信号決定ユニットにより検出された照明パターンから決定される。照明パターンは、人のわずかな動きで大きく変形する。従って、呼吸運動信号決定ユニットは、検出された照明パターンから時間的呼吸運動信号を決定するので、人のわずかな呼吸運動でさえも決定される。よって、人の呼吸運動を検出する感度が改善される。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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