(57)【要約】  【課題】  被検体を拘束せず、被検体に検査器具などを挿入したり装着せずに、被検体のバイタルサインを容易かつ正確に計測可能な方法と装置を提供する。  【解決手段】  たとえば、被検体１００の呼吸を計測するとき、呼吸を示す領域を胸郭部分の胸の前面から背中に至り、かつ、肩部から胸部下部までの領域とし、その領域をビデオカメラ１１で撮像する。信号処理装置１３はビデオカメラ１１の撮像画像信号の濃度を算出し、算出した連続的な濃度の変化から前記被検体の呼吸の呼気と吸気とを計測する。  【選択図】    図３
2005218507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体のバイタルサインを示す体動を示す領域を撮像し、該体動を示す領域の撮像信号の画像濃度を算出し、
該算出した画像濃度の時間的変化から前記被検体のバイタルサインを計測する、
バイタルサイン計測方法。
【請求項２】
被検体のバイタルサインを示す第１体動を示す第１領域を含み前記バイタルサインを示す第２体動を示す第２領域を撮像し、前記第１領域部分の画像信号についてエッジ位置を算出し、前記第２領域部分の画像信号について画像濃度として算出することを連続して行い、
前記算出した連続的なエッジ位置の変化と前記算出した連続的な画像濃度の変化とから前記被検体のバイタルサインを計測する、
バイタルサイン計測方法。
【請求項３】
前記被検体の呼吸を計測するとき、前記体動を示す領域は矩形として規定され、該矩形の領域は、第１方向について被検体の側面における胸の前面から背中に至り、第１方向と直交する第２方向として肩部から胸部下部までの領域であり、
前記体動を示す領域についての撮像画像信号の画像濃度を連続して算出し、
前記算出した連続的な画像濃度の変化から前記被検体の呼吸の呼気と吸気とを計測する、
請求項１に記載のバイタルサイン計測方法。
【請求項４】
前記計測した呼気と吸気とから呼吸数を算出する、
請求項３に記載のバイタルサイン計測方法。
【請求項５】
前記被検体の呼吸を計測するとき、
前記第１領域は第１矩形として規定され、該第１矩形の領域は、第１方向について前記被検体の側面における胸の前面を含む胸郭の一部であり、第１方向と直交する第２方向について前記胸の前面の上下所定の範囲であり、
前記第２領域は体動を示す領域は前記第１矩形を含む第２矩形として規定され、該第２矩形の領域は、第１方向について前記被検体の側面における胸の前面から背中に至り、第１方向と直交する第２方向として肩部から胸部下部までの領域であり、
前記第１領域についての撮像画像信号からエッジ位置を算出し、
前記第２領域についての撮像画像信号から濃度を算出し、
前記算出したエッジ位置の変化と前記算出した濃度の変化とから前記被検体の呼吸の呼気と吸気とを計測する、
請求項２に記載のバイタルサイン計測方法。
【請求項６】
前記エッジ位置の変化と前記濃度の変化とが一致しているとき、呼気または吸気として計測する、
請求項５に記載のバイタルサイン計測方法。
【請求項７】
前記計測した呼気と吸気とから呼吸数を算出する、
請求項５または６に記載のバイタルサイン計測方法。
【請求項８】
前記被検体の呼吸を計測するとき、
前記体動を示す領域は血流の脈動が撮像できる前記被検体の部分であり、
前記体動を示す領域についての撮像画像信号の画像濃度を連続して算出し、
前記算出した連続的な濃度の変化から前記被検体の呼吸の呼気と吸気とを計測する、
請求項１に記載のバイタルサイン計測方法。
【請求項９】
前記被検体の呼吸と心拍を計測するとき、
前記体動を示す領域は前記被検体の首または顔の部分であり、
前記体動を示す領域についての撮像画像信号の画像濃度を連続して算出し、
前記算出した連続的な濃度の変化を周波数分析して、そのスペクトルから呼吸と心拍とを計測する、
請求項１に記載のバイタルサイン計測方法。
【請求項１０】
前記被検体の姿勢動揺を計測するとき、
前記体動を示す領域は前記被検体の足について側面から撮像する部分および正面または背面から撮像する部分の２か所であり、
前記体動を示す領域についての２種の撮像画像信号のエッジ位置の変化を求め、
求めたエッジ位置の変化を２次元座標に軌跡としてプロットして、前記被検体の姿勢動揺を計測する、
請求項１に記載のバイタルサイン計測方法。
【請求項１１】
前記被検体の眼のまばたきの頻度を計測するとき、
前記体動を示す領域は前記眼を含む周辺であり、
前記体動を示す領域についての撮像画像信号の濃度を算出し、
求めた濃度変化から眼のまばたきの頻度を計測する、
請求項１に記載のバイタルサイン計測方法。
【請求項１２】
前記被検体のバイタルサインを示す体動を示す領域を時間的に不等間隔で撮像したとき、時間的に等間隔な画像データに補間し、該補間した画像データを用いて信号処理する、  請求項１〜１１のいずれかに記載のバイタルサイン計測方法。
【請求項１３】
被検体のバイタルサインを示す体動を示す領域を撮像する撮像手段と、
該体動を示す領域の撮像信号の濃度を算出する信号処理手段と
を具備し、
前記撮像手段と前記信号処理手段とは、前記被検体のバイタルサインを示す体動を示す領域を撮像し、該体動を示す領域の撮像信号の濃度を算出することを連続して行い、
前記信号処理手段は、該算出した濃度の時間的変化から前記被検体のバイタルサインを計測する、
バイタルサイン計測装置。
【請求項１４】
被検体のバイタルサインを示す第１体動を示す第１領域を含み前記バイタルサインを示す第２体動を示す第２領域を撮像する撮像手段と、
前記第１領域部分の画像信号についてエッジ位置を算出し、前記第２領域部分の画像信号の濃度を算出する信号処理手段と
を具備し、
前記撮像手段と前記信号処理手段とは、前記被検体のバイタルサインを示す体動を示す領域を撮像し、前記第１領域部分の画像信号についてエッジ位置を算出し、前記第２領域部分の画像信号の濃度を算出することを連続して行い、
前記信号処理手段は、前記算出した連続的なエッジ位置の変化と前記算出した連続的な濃度の変化とから前記被検体のバイタルサインを計測する、
バイタルサイン計測装置。
【請求項１５】
前記撮像手段が前記被検体のバイタルサインを示す体動を示す領域を時間的に不等間隔で撮像したとき、
時間的に等間隔な画像データに補間する補間手段をさらに有し、
該補間した画像データを用いて信号処理する、
請求項１３または１４に記載のバイタルサイン計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体の体動を示す部分を撮像した動画像から生体の状態を示す信号（バイタルサイン）を計測する方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
介護が必要な人（被介護者）、健康診断を受ける人など被検体（生体）の生体の状態を検査または診断する場合、被検体内に検査器具または診断器具を挿入したり、被検体にＸ線など照射したり、被検体に電極を固定するなど検査器具を装着せず、非接触式で行うことが望ましい。
さらに被検体を長時間拘束したり、被検体に同じ姿勢を維持させることは好ましくない。特に、介護を要する老人など被介護者を長時間拘束したり、同じ姿勢を維持させることにも無理がある。
【０００３】
かかる観点から、被検体が通常の姿勢のまま、行動を自由にさせた状態で、検査用機器などを被検体に接触させない非接触方式でのバイタルサインの測定が望ましい。
そのような非接触式の代表的な方法が、ビデオカメラあるいはテレビジョンカメラなどの撮像手段を用いて被検体のバイタルサインを示す部分を撮像し、得られた撮像画像信号を信号処理して被検体のバイタルサインを検出する方法である。そのような非接触式の例が、たとえば、特開平７−１２４１１２６号公報（特許文献１）、特開平１１−８６００２号公報（特許文献２）、特開平１１−２７６４４３号公報（特許文献３）などに提示されている。
【０００４】
特開平７−１２４１１２６号公報は、入力手段で被検体を観察し、観察した信号処理して被検体の生理および心理状態を検出し、被検体を診断し、治療する技術を開示している。
特開平７−１２４１１２６号公報は各種の入力手段を開示しているが、非接触式入力手段としてビデオカメラを用いる場合、被検体の頭部の動き、眼の瞬き、瞳孔の大きさ、口唇の動き、顔面の表情、体動および心拍に伴う動脈の拍動、呼吸に伴う体動、呼吸補助筋の動きなどをビデオカメラで撮像して時系列の動画像を撮像することを記載している。
特開平７−１２４１１２６号公報においてさらに、撮像した時系列の動画像を１次加工手段、２次加工手段および高次加工手段の信号処理手段で下記に述べる信号処理を行う。１次加工手段は、所定時間間の時系列の動画像について差分、微分などの処理を行い変化成分画像を抽出し、その変化成分画像から変化成分の面積分や空間重心位置などの第１次情報変化量を抽出する。２次加工手段は、第１次情報変化量をしきい値と比較して、しきい値を越えたものをラベリングなどして時系列配列データに採用してＳ／Ｎ改善処理を行った後、微積分処理などを行い第１次情報変化量とは異なる物理的意義を有する時系列信号化第２次情報変化量を抽出する。高次加工手段は、時系列信号処理、高速フーリエ変換、自己相関関数などの処理を行う。
【０００５】
特開平１１−８６００２号公報は、被介護者の呼吸、体動などの生理状態を観測する技術を開示している。特開平７−１２４１１２６号公報は特に、被介護者の呼吸、体動などを連続的に観測する技術を開示している。
具体的には、特開平１１−８６００２号公報は、椅子に座っている被介護者の肩の周辺をＴＶカメラで撮像し、呼吸モニタリング装置で呼気と吸気とで肩の周辺が周期的に動く（体動）することを撮像画像から検出して、被介護者の呼吸状態を検出する技術を記載している。
【０００６】
特開平１１−８６００２号公報はまた、寝ている状態の被介護者を覆っている布団の動きから被介護者の呼吸状態を検出する際、被介護者が動くことを想定し、ＴＶカメラの撮像領域を適切に設定する技術を開示している。そのような撮像領域の設定方法としては、ＴＶカメラの撮像結果についてフィルタリングしてエッジ位置を検出し、さらにエッジで分割された２つの一様明度領域を含む局所領域を設定する。
このように設定した局所領域についてＴＶカメラで撮像し、その撮像結果について上記呼吸モニタリング装置で体動を検出する。
【０００７】
特開平１１−２７６４４３号公報は、特開平１１−８６００２号公報に開示された呼吸モニタリング装置の詳細内容を開示している。
そのような呼吸モニタリング装置は、時間差分を行う局所領域候補の位置と大きさを複数個設定する局所領域位置・大きさ設定部と、各局所領域に含まれる画素の時間差分を逐次計算解析して、呼吸パターングラフと呼吸数を蓄積表示する呼吸パターン測定部とを有する。
【特許文献１】特開平７−１２４１１２６号公報
【特許文献２】特開平１１−８６００２号公報
【特許文献３】特開平１１−２７６４４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特開平７−１２４１１２６号公報は、ビデオカメラで撮像した画像信号を種々信号処理することを一般的に記載しているが、具体的な記述がない。
まず、撮像技術について考察すると、体動および心拍に伴う動脈の拍動、呼吸に伴う体動を検出する場合、どの部分を撮像して動画像を入手するかにについての記述がない。
次いで信号処理技術について考察すると、動画像について１次加工手段、２次加工手段および高次加工手段が具体的にどのような信号処理を行うことにより、何が検出できるかについての記述がない。
【０００９】
特開平１１−８６００２号公報および特開平１１−２７６４４３号公報は、被介護者の呼吸状態を連続的に観察する技術に限定されている。
そのような被介護者の呼吸状態についての観察技術も、ＴＶカメラで撮像する部分は、椅子に座っている被介護者の肩周辺の動き、または、寝ている被介護者の胸の上に位置する布団部分の動きである。すなわち、肩の周辺が動くこと、または、布団が上下することから、被介護者が呼吸していることを連続的に観察しているが、呼吸があるか否かの観察が重要視されており、呼気か吸気かの正確な判定および呼吸数の正確な測定は意図されていない。
【００１０】
本発明の目的は、被検体のバイタルサインを簡単かつ正確に測定可能にする、バイタルサイン計測方法と装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の観点によれば、被検体のバイタルサインを示す体動を示す領域を撮像し、該体動を示す領域の撮像信号の画像濃度を算出することを連続して行い、該算出した濃度の時間的変化から前記被検体のバイタルサインを計測する、バイタルサイン計測方法が提供される。
【００１２】
また本発明によれば、上記第１観点のバイタルサイン計測方法を実施する装置が提供される。
当該バイタルサイン計測装置は、被検体のバイタルサインを示す体動を示す領域を撮像する撮像手段と、該体動を示す領域の撮像信号の濃度を算出する信号処理手段とを具備し、
前記撮像手段と前記信号処理手段とは、前記被検体のバイタルサインを示す体動を示す領域を撮像し、該体動を示す領域の撮像信号の濃度を算出することを連続して行い、前記信号処理手段は、該算出した濃度の時間的変化から前記被検体のバイタルサインを計測する。
【００１３】
本発明の第２の観点によれば、被検体のバイタルサインを示す第１体動を示す第１領域を含み前記バイタルサインを示す第２体動を示す第２領域を撮像し、前記第１領域部分の画像信号についてエッジ位置を算出し、前記第２領域部分の画像信号の濃度を算出することを連続して行い、前記算出した連続的なエッジ位置の変化と前記算出した連続的な濃度の変化とから前記被検体のバイタルサインを計測する、バイタルサイン計測方法が提供される。
【００１４】
また本発明によれば、上記第２観点のバイタルサイン計測方法を実施する装置が提供される。
当該バイタルサイン計測装置は、被検体のバイタルサインを示す第１体動を示す第１領域を含み前記バイタルサインを示す第２体動を示す第２領域を撮像する撮像手段と、前記第１領域部分の画像信号についてエッジ位置を算出し、前記第２領域部分の画像信号の濃度を算出する信号処理手段とを具備し、
前記撮像手段と前記信号処理手段とは、前記被検体のバイタルサインを示す体動を示す領域を撮像し、前記第１領域部分の画像信号についてエッジ位置を算出し、前記第２領域部分の画像信号の濃度を算出することを連続して行い、前記信号処理手段は、前記算出した連続的なエッジ位置の変化と前記算出した連続的な濃度の変化とから前記被検体のバイタルサインを計測する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、撮像手段を用いるので非接触で、被検体のバイタルサインを示す部分の情報を取得できる。バイタルサインを示す部分は、濃度として検出するため、他の部分との濃度変化として検出可能で部分として規定することが望ましい。このように、撮像領域を規定すると正確にバイタルサインを計測できる。
信号処理手段は、撮像手段で撮像した画像信号について濃度を算出し、その濃度変化からバイタルサインを計測するので、簡単かつ迅速にバイタルサインを検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明のバイタルサイン計測方法およびその装置の好ましい実施の形態例について、添付図面を参照して述べる。
【００１７】
第１実施の形態
図１は本発明のバイタルサイン計測装置の第１実施の形態としての構成図である。
バイタルサイン計測装置１は、被検体１００、たとえば、人体のバイタルサインを測定するため、本発明の撮像手段としてのビデオカメラ１１と、本発明の信号処理手段としての信号処理装置１３とを有する。
【００１８】
ビデオカメラ１１はズーム機能つきであるが、カラービデオカメラでもよいし、モノクロビデオカメラでもよい。本実施の形態ではモノクロビデオカメラを用いた。
ビデオカメラ１１は従って、撮像信号として各画素について、たとえば、０〜２５５の階調のデータを出力する。たとえば、白が階調０であり、黒が階調２５５となる。
【００１９】
信号処理装置１３は、たとえば、パーソナルコンピュータで構成されており、ビデオカメラ１１で連続的に撮像した画像信号を連続的に入力する入力部１３１と、入力部１３１から入力された画像データを信号処理のための一時的に記憶する半導体メモリ１３４と、半導体メモリ１３４に一次的に記憶された画像データを信号処理してバイタルサインを検出する信号処理部、たとえば、ＣＰＵ１３５と、ＣＰＵ１３５の処理結果を出力する出力部、たとえば、液晶表示装置１３７とを有する。液晶表示装置１３７の駆動部（ＤＲＶ）にはキーボード１３９、マウスなどがついており、液晶表示装置１３７、キーボード１３９、マウスなどは、ユーザが液晶表示装置１３７の表示内容を見ながらキーボード１３９、マウスを用いて対話形式で（インタラクティブに）、ＣＰＵ１３５を介して信号処理装置１３に種々の設定処理、および、操作指示を行うためのマン・マシン・インターフェース手段としても機能する。
信号処理装置１３はさらに、ＣＰＵ１３５で動作する各種プログラムも格納しているハードディスク１３３を有する。
入力部１３１、ハードディスク１３３、半導体メモリ１３４、ＣＰＵ１３５、液晶表示装置１３７などはバス１３０を介して接続されている。
【００２０】
半導体メモリ１３４はハードディスク１３３に格納されたプログラムが一時的に移動されてＣＰＵ１３５の上で動作するほか、データの一時的な保存などに使用される。
【００２１】
図２は図１に図解したバイタルサイン計測装置１の概略動作を図解したフローチャートである。図２は特に、ＣＰＵ１３５において行う処理、換言すれば、ハードディスク１３３に格納されているプログラムが半導体メモリ１３４に転送されたＣＰＵ１３５において動作する処理内容を示すフローチャートである。
【００２２】
ステップ１：動作（操作）条件の設定
バイタルサイン計測装置１が電源投入により起動されたとき、ユーザは、キーボード１３９と液晶表示装置１３７を介してＣＰＵ１３５と対話形式で、被検体１００のバイタルサインを測定すべき内容に応じて、ビデオカメラ１１および信号処理装置１３を動作させるための条件を設定する。
設定すべき条件としては、たとえば、ビデオカメラ１１の撮像領域の設定、ビデオカメラ１１で撮像した画像データのうち信号処理に使用する領域データの設定、信号処理方法の設定などである。
設定された条件はＣＰＵ１３５を経由してハードディスク１３３または半導体メモリ１３４に記憶される。
【００２３】
たとえば、被検体１００の位置、および、ビデオカメラ１１の撮像条件、たとえば、撮像方向、ズームの度合い、照明条件などは手動で設定する。
なお、上記照明条件については、ビデオカメラ１１のオートアイリス機能で生活の場の明暗変化に自動的に対応させることもできる。その場合、照明条件を設定する必要はない。
上記条件下において、ビデオカメラ１１で撮像した画像信号（画像データ）を、たとえば、半導体メモリ１３４に一時的に記憶し、その画像データを１フレーム分液晶表示装置１３７に表示し、液晶表示装置１３７に表示された画像データについて、ユーザが、たとえば、マウスなどを用いて、使用する画像領域、たとえば、後述する第１例における第１領域Ａ１、第２領域Ａ２などを設定する。
【００２４】
他方、ビデオカメラ１１を３次元空間内で撮像の向き（方向）を変更可能な機構を付加し、ズーム機能付きビデオカメラ１１を用いて、自動的にビデオカメラ１１の撮像方向を調整し、ズームの有無またはズームの程度を調整して希望する撮像条件にすることもできる。
さらに、そのようにビデオカメラ１１で撮像した画像データについて、上記同様、一旦半導体メモリ１３４に記憶し、必要に応じて１フレームの画像データを液晶表示装置１３７に表示するとともに、１フレーム分の画像データについてパターン判別して、自動的に第１領域Ａ１、第２領域Ａ２などを決定して、その結果を半導体メモリ１３４の所定のアドレスに設定することもできる。
そのためにはもちろん、ハードディスク１３３に上述した処理を行うプログラムを準備しておき、プログラムをＣＰＵ１３５の上で動作させる。
【００２５】
以上の動作設定処理が終了したら、下記に述べる通常処理を開始する。
【００２６】
ステップ２：撮像
ビデオカメラ１１は連続的にビデオカメラ１１の所定位置を撮像して信号処理装置１３の入力部１３１に送出している。
ＣＰＵ１３５は所定周期、たとえば、テレビジョン受像機と同じ周期ならば１秒間に３３フレーム分の画像データ、または、たとえば、２０ｍｓごとに１フレーム分の撮像画像データを入力部１３１から入力して、半導体メモリ１３４に一時的に１フレーム単位で記憶する（保存する）。
なお、本実施の形態としては、上述したように、所定の周期で（時間的に等間隔で）入力するのではなく、ビデオカメラ１１が不等間隔で撮像した動画像データに対して補間処理をして計測することもできる。このような方法によれば、時間的に等間隔で正確に撮像データを取得する場合に比較して、ハードウエアの負担が軽減できるという利点がある。ＣＰＵ１３５で行う不等間隔で入力された画像データを等間隔で入力された画像データに相当する画像データに補間する方法（本発明の補間方法または補間手段）としては、たとえば、連続的な複数の画像データのそれぞれの撮像時間差を求め、画像データの変化が時間に応じて比例して変化するものとして、時間差に対する画像データの変化分を求め、前回の画像データに変化分の画像データを加算して補間する。そのため、ハードディスク１３３にそのためのプログラムが格納されている。
【００２７】
ステップ３：各種信号処理
ＣＰＵ１３５は半導体メモリ１３４に一時的に保存された画像データについて、上記設定された条件に基づいて、および、バイタルサインを測定する対象に応じて、各種信号処理を行い、その結果、たとえば、液晶表示装置１３７に出力する。
ステップ３における信号処理の詳細は、バイタルサインを測定する内容に応じて後述する。そのような各種信号処理を行うためのプログラムがハードディスク１３３に格納されており、必要なプログラムが半導体メモリ１３４に移転されてＣＰＵ１３５の上で動作する。
【００２８】
ステップ４：終了判定
ステップ２〜３の処理を終了指示があるまで、あるいは、ステップ１で設定された条件に達するまで反復する。
【００２９】
以下、図１に図解したバイタルサイン計測装置１を用いて被検体のバイタルサインを測定する具体例を述べる。
【００３０】
第１例、呼吸状態の測定
図３および図４を参照して第１例を述べる。
被検体１００が呼吸をしているとき、吸気により胸から背中にかけて膨らみ、場合に応じて、胸から肩にかけて上昇する。他方、呼気のときは胸から背中にかけて窄み、度合いにより胸から肩にかけて下降する。すなわち、被検体１００の呼吸の際い、被検体１００の胸郭部分は２次元状に上記のごとく動き（体動）をとる。
第１例は、この現象をビデオカメラ１１で撮像し、撮像した画像データを信号処理装置１３で信号処理して被検体１００の呼吸状態を連続的に測定する。
【００３１】
図３は本発明のバイタルサイン計測装置およびバイタルサイン計測方法の具体的な第１例として、図１に図解したバイタルサイン計測装置１を用いて呼吸を計測するための撮像領域を図解した図である。
第１例において、ビデオカメラ１１は白黒（モノクロ）のビデオカメラを用いた。したがって、ビデオカメラ１１の撮像画像データは、たとえば、０〜２５５の範囲の階調のみのデータである。そのため、好ましくは、白地、灰色地などの模様のない無地色の背景の前に、被検体１００として着衣した女性が横向きで立ち、または、椅子に座り、胸郭、特に、肺の前に対応する胸部分を第１領域Ａ１とし、第１領域Ａ１を含み、上は肩から下は心臓の下に位置する胸部分まで、横は背中から第１領域Ａ１の先端までを含む第２領域Ａ２についてのビデオカメラ１１による撮像画像データを信号処理対象データとする。
白地、灰色地などの模様のない無地色の背景の前に被検体１００が横向きに位置することは、被検体１００と背景との識別を容易にするためであり、本発明のために必須の条件ではない。
【００３２】
ビデオカメラ１１による撮像領域は、図３に図解したように、第１領域Ａ１を含む第２領域Ａ２を含み、首から下で、胸郭の上部部分までとすることもできるし、第１領域Ａ１を含む第２領域Ａ２のみとすることもできる。ビデオカメラ１１による撮像領域の設定は、ステップ１の動作として、ユーザが手動で行った。
また、ビデオカメラ１１で撮像した画像データについての、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２の設定も、ステップ１の動作として、キーボード１３９を介してユーザが手動で行った。
もちろん、呼吸状況の測定のためのビデオカメラ１１に撮像位置の好適な条件は、事前に試行錯誤的に行った準備動作を参照して、または、経験による結果を反映して決定する。
【００３３】
ステップ２の動作として、ＣＰＵ１３５は、入力部１３１を介してビデオカメラ１１から時間的に等間隔で連続的に、または、時間的に不等間隔で連続的に入力されてくる画像データを半導体メモリ１３４に１フレームごと連続的に格納する。ＣＰＵ１３５は、時間的に不等間隔で画像データが入力されたときは、上述したように、等間隔で入力されたと同様の画像データとなるように補間処理を行う。
ステップ３の処理動作として、ＣＰＵ１３５は半導体メモリ１３４に一時的に格納された画像データについて、第１領域Ａ１の画像データについて２次元的にエッジ位置を演算し、第２領域Ａ２の濃度（または明度）を演算した。濃度または照度については後述する。
【００３４】
ＣＰＵ１３５における２次元的なエッジの演算には、たとえば、２次元状フィルタを用いた。２次元状フィルタの１例を下記に示す。この例では、３×３画素ごとにフィルタ処理を行った。
ＣＰＵ１３５による２次元的なエッジの演算は、ビデオカメラ１１で撮像した第１領域Ａ１の画素のうち、被検体１００の部分の体動（動きの変化）を意味している。
【００３５】
表１
−  １    ０    １    または    １    １    １
−  １    ０    １              １    １    １
−  １    ０    １              １    １    １
【００３６】
ＣＰＵ１３５における濃度は、ビデオカメラ１１で撮像した画像データの階調から算出することができる。
またはＣＰＵ１３５における濃度演算として、好ましくは、たとえば、白色の階調「０」とし、黒の階調を「２５５」として、背景と被検体１００とを識別するため、しきい値＝１００として、半導体メモリ１３４に記憶されている第２領域Ａ２部分の画像データとしきい値とを大小比較判断して２値化した。たとえば、しきい値より低い値の画像データを背景部分として「０」とし、しきい値より高い値の画像データを被検体１００の部分として「１」とした。そして、しきい値より高い値の画像データで「１」となった画素部分の総数を、濃度または照度として算出した。
以下の記述においては、２値化した場合について述べる。
したがって、濃度または照度は、ビデオカメラ１１で撮像した第２領域Ａ２の画素のうち、被検体１００の部分の面積を意味している。
【００３７】
ステップ２〜３の処理を連続して行った。
ＣＰＵ１３５による連続的な演算結果をプロットした結果を図４に例示する。横軸は時間経過を示し、縦軸は検出したエッジと濃度（または照度）とを示す。曲線ＣＶ１はエッジの位置の変化を示しており、曲線ＣＶ２は濃度変化を示している。
図４の図解の結果から、エッジの位置の変化と濃度の変化とは１対１の対応関係にあり、エッジの位置が高くなるとき濃度が低下し、エッジの位置が低くなるとき濃度で高くなる。そして、両者とも周期的に変化する。
【００３８】
図４に図解した結果を分析する。
被検体１００が吸気を行ったときは、被検体１００の横方向において、胸から背中にかけてが膨らむから、しきい値より高い部分の画素の総数が多くなり、濃度が高くなる。このときエッジの位置が低くなる。他方、被検体１００が呼気を行ったときは、被検体１００の横方向において、胸から背中にかけて窄むから濃度は低くなる。
検証のため、被検体１００の鼻下にサーミスタを置き、被検体１００の呼吸気流を測定した。その結果、サーミスタで測定した呼吸の周期と、図４に図解したエッジ位置の変化と濃度変化の周期が一致した。したがって、被検体１００が着衣状態でも、上述した撮像と信号処理を行うことにより、図４に図解したエッジ位置の変化と濃度変化は被検体１００の呼吸の周期を正確に示していることが検証された。
【００３９】
図４に図解した例示において、エッジの位置の変化は時間経過とともに低くなるが、濃度は一定している。その理由は、測定開始直後は被検体１００が大きく呼吸をしたためと推定される。濃度は呼吸の状態に依存せず、一定のリズム（周期）で一定の変動を示している。
この結果から、しきい値以上の階調を持つ部分の面積の数を示す濃度を用いると、エッジの変化を用いた場合より、吸気か呼気か、そして、呼吸数を正確に測定できる。
換言すれば、特開平１１−８６００２号公報および特開平１１−２７６４４３号公報に開示されているように、エッジを用いると、呼吸状態の有無を検出することはできるが、吸気か呼気か、そして、正確な呼吸数を測定するには十分ではなかったが、上記濃度を測定すると、呼気および吸気識別でき、かつ、正確に呼吸数を測定することができた。
【００４０】
なお、本例による呼吸状態の判定方法としては下記のいずれかの方法で行うことができる。
（１）濃度変化のみで呼吸状態を判断する。
（２）濃度変化とエッジの位置の変化の双方の一致をもって呼吸状態を判断する。
（３）エッジの位置変化のみで呼吸状態を判断する。
【００４１】
本例は、被検体１００が着衣状態で、ビデオカメラ１１による非接触状態で呼吸状態（吸気か呼気か、呼吸数）が正確に測定できる。また背景との識別も容易であり、被検体１００の着衣状態には依存しない。
【００４２】
なお、被検体１００が横臥状態でも、図２のごとく第１領域Ａ１および第２領域Ａ２を設定し、第２領域Ａ２を含む領域をビデオカメラ１１で撮像し、ビデオカメラ１１の撮像画像データについて第１領域Ａ１についてエッジ検出処理を行い、第２領域Ａ２について濃度演算を行い、得られた濃度データ、および／または、エッジ位置データをもとに、被検体１００の呼吸状態を測定できる。
【００４３】
被検体１００は測定期間の間ある程度動く。よって、ビデオカメラ１１は図３に例示したように、第２領域Ａ２より広く被検体１００が変動する範囲について撮像し、撮像した画像データについて、信号処理装置１３において、特に、ＣＰＵ１３５において、被検体１００の移動を検出し、被検体１００の動き（移動）を考慮して、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２の画像データについて上述した処理を行う。
その結果、被検体１００に一定の姿勢を強制することなく、被検体１００の呼吸状態、すなわち、吸気と呼気との測定、呼吸数、呼吸周期などを測定できた。
【００４４】
第２例、呼吸状態の測定
図５および図６を参照して、第２例として呼吸状態の測定方法の他の例を述べる。
第２例は、図５に図解したように、図１に図解したバイタルサイン計測装置１を用いて、被検体１００の両腕（上腕と前腕）および手を、モノクロ・ビデオカメラ１１でそれぞれ撮像し、撮像データの濃度（相対濃度）を算出して被検体１００の呼吸状態を測定する例である。
【００４５】
本発明者の研究によると、呼吸による胸部運動は頭部、前腕などにも体動を与える。その結果、心臓の動きに応じて血流が変化する。それに伴って、表面皮膚が動くことになる（体動する）。上腕と前腕の体動をビデオカメラ１１で動画像として撮像し、信号処理装置１３で信号処理することによっても被検体１００の心拍などの状態が測定できることを見いだした。
【００４６】
そのため、図５に図解したように、被検体１００の剥き出しの上腕と前腕と手を、これらの輪郭が識別できるような第１領域ＡＡ１、第２領域ＡＡ２、第３領域ＡＡ３について、それぞれビデオカメラ１１で撮像した。上腕と前腕と手とについて撮像したのは、どの部分でも測定可能か否かを試行したためであり、常に、３か所の撮像が必要であることを意味している訳ではない。
【００４７】
なお、本例は背景を斜線で示したように黒または灰色にして、被検体１００は白系統の着衣をし、腕を剥き出しにしている場合である。
ただし、信号処理において、ビデオカメラ１１の撮像データを、たとえば、信号処理装置１３内で画像反転すればよいから、背景が黒または灰色でも、白でも信号処理上は大きな相違はない。
撮像画像データから、被検体１００の手足における第１領域ＡＡ１、第２領域ＡＡ２、第３領域ＡＡ３の各々の画素の数（面積）を濃度（照度）として求めた。
【００４８】
図６（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、上腕と前腕と手の相対濃度の変化を示すグラフである。図６（Ａ）〜（Ｃ）において横軸は時間経過であり、縦軸は濃度を示す。
図６（Ａ）〜（Ｃ）において、濃度の絶対値は変化しているが、変化の周期はほぼ一定であり、検証のため、被検体１００の鼻下にサーミスタを置き、被検体１００の呼吸状態を測定した結果の周期と一致した。
このように、被検体１００のバイタルサインが検出できる部分であれば、その部分を直接ビデオカメラ１１で撮像し、上述した信号処理を行うことにより、図４に図解したエッジ変化と濃度変化は被検体１００の呼吸の周期を正確に示していることが検証された。
なお、図６（Ａ）〜（Ｃ）の濃度変化から呼吸状況を測定する場合、濃度変化データの絶対値ではなく、濃度変化分のみのデータから、すなわち、相対的な濃度変化データから呼吸状況を測定することが好ましい。
【００４９】
図６（Ａ）〜（Ｃ）の結果から、上腕でも、前腕でも、手でも同じ濃度変化を示すことが分かる。したがって、上腕の撮像データからの濃度変化でも、前腕の撮像データからの濃度変化でも、手の撮像データからの濃度変化からでも、被検体１００の呼吸状況を測定できることが分かる。
【００５０】
なお、図６（Ａ）〜（Ｃ）に図解した濃度変化データは脈動がみられるから、濃度変化データについてフィルタリング処理して脈動成分を平滑化すると測定精度が高くなる。
【００５１】
第３例：心拍および呼吸数の測定
図７〜図９を参照して第３例を述べる。
第３例は、図７に図解したように、図１に図解したバイタルサイン計測装置１を用いて、被検体１００Ａの首全体（喉部分）または顔（前額など）を第１領域ＡＢ１とし、首左側（肩部分）を第２領域ＡＢ２とし、鎖骨部分を第３領域ＡＢ３として、モノクロビデオカメラ１１でそれぞれ撮像し、信号処理装置１３において、特に、ＣＰＵ１３５において、撮像データの濃度（相対濃度）を算出して心拍および呼吸数を測定する例である。
図８は首全体（喉部分）の第１領域ＡＢ１の濃度変化を曲線ＣＶ１１とし、首左側（肩部分）の第２領域ＡＢ２の濃度変化を曲線ＣＶ１２とし、鎖骨部分の第３領域ＡＢ３の濃度変化を曲線ＣＶ１３として示したグラフである。
【００５２】
心臓の動きに応じて血流が変化する。それに伴って表面皮膚が動くことになる。血管の脈動による首全体（喉部分）、首左側（肩部分）、鎖骨部分の体動をビデオカメラ１１で撮像し、撮像結果について濃度を算出した。
しかしながら、図８に図解した曲線からは心拍を正確に測定することは難しい。
そこで本発明者は、図８に図解したデータをフーリエ変換した。その結果を図９に例示する。フーリエ変換結果について、ピークの部分が特定値を意味することが分かる。
図９に図解した例は、０．２５Ｈｚに、首全体（喉部分）の第１領域ＡＢ１の濃度変化を曲線ＣＶ１１についてのフーリエ変換結果についてピーク値があり、呼吸数を示していることが分かる。
フーリエ変換としては高速フーリエ変換を適用して信号処理の速度を高めた。
【００５３】
第４例、姿勢動揺計測
図１０〜図１２を参照して第４例を述べる。
第４例は、図１０（Ａ）、（Ｂ）に図解したように、図１に図解したバイタルサイン計測装置１を用いて、被検体１００の足の側面を第１領域ＡＣ１とし、足の正面を第２領域ＡＣ２としてモノクロビデオカメラ１１でそれぞれ撮像し、信号処理装置１３において、特に、ＣＰＵ１３５において、撮像データのエッジを算出して、被検体１００が開眼しているとき、閉眼しているとき、片足で立っているときそれぞれの姿勢の動揺を測定する例である。
被検体１００の足の側面を第１領域ＡＣ１とし、足の正面を第２領域ＡＣ２とともに、背景との境界部分を含んでおり、信号処理により、被検体１００の姿勢の動揺が検出しやすい。
【００５４】
図１１（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、被検体１００が開眼しているとき、閉眼しているとき、片足で立っているときそれぞれの、撮像データのエッジを算出した結果を示すグラフである。
図１２（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、図１１（Ａ）〜（Ｃ）に図解した、被検体１００が開眼しているとき、閉眼しているとき、片足で立っているときそれぞれの、撮像データのエッジ位置を算出した結果から、横軸を左右動揺、縦軸を前後動揺の量をとり、６０秒間についての姿勢の動揺の軌跡を示すグラフである。
開眼しているとき、閉眼しているとき、片足で立っているの順序で、姿勢の動揺が大きくなることが測定できた。
【００５５】
第５例、まばたき頻度計測
図１３〜図１５を参照して第５例を述べる。
第５例は、図１３に図解したように、図１に図解したバイタルサイン計測装置１を用いて、被検体１００の両目の周辺を第１、２領域ＡＤ１、ＡＤ２とし、モノクロビデオカメラ１１でそれぞれ撮像し、信号処理装置１３において、特に、ＣＰＵ１３５において、撮像データのエッジ位置を算出して、さらに、濃度を算出して、眼のまばたきの頻度を測定した例である。
なお、被検体１００の両目の周辺を第１、２領域ＡＤ１、ＡＤ２を撮像したのは、両目が変化があるか否かをチェックするためであり、常に両目についてまばたきの頻度を計測する必要はない。
【００５６】
図１４は第１領域ＡＤ１の撮像画像データの濃度変化を示す。
図１５（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、第１領域ＡＤ１の撮像データのエッジ位置の変化と濃度変化を示す。
第１領域と第２領域とでは同じような結果が得られた。
【００５７】
図１４から撮像データの濃度変化から眼のまばたきの頻度が正確に測定できた。図１５（Ａ）、（Ｂ）を参照すると、エッジ位置の変化と濃度変化とはほぼ一致していることが分かる。
以上により、少なくとも眼の周辺の撮像データの濃度変化を測定すると、眼のまばたきの頻度が測定できる。
【００５８】
以上の例示から、バイタルサインを測定するための撮像領域は、バイタルサインを示す部位の２次元的な変化が濃度変化（または照度変化）として検出可能なように、バイタルサインを示す部分と他の部分との境界部分を含む領域とすることが望ましい。
【００５９】
以上、本発明のバイタルサイン計測方法およびバイタルサイン計測装置の実施の形態の例示を述べたが、本発明は上述した例示に限定されず、その他の部分のバイタルサインの測定に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は本発明の第１実施の形態としてのバイタルサイン計測装置の構成図である。
【図２】図２は図１に図解したバイタルサイン計測装置の処理内容を示すフローチャートである。
【図３】図３は本発明のバイタルサイン計測方法の実施の形態の第１例として、呼吸状態を測定する方法を例示する図である。
【図４】図４は図３の図解した方法で得られたエッジ位置データおよび濃度データを図解したグラフである。
【図５】図５は本発明のバイタルサイン計測方法の実施の形態の第２例として、呼吸状態を測定する方法を例示する図である。
【図６】図６（Ａ）〜（Ｃ）は図５に図解した例示における上腕と前腕と、手の相対濃度の変化を示すグラフである。
【図７】図７は本発明のバイタルサイン計測方法の実施の形態の第３例として、心拍および呼吸数を測定する方法を例示する図である。
【図８】図８は、図７に図解した例示において、首全体（喉部分）の第１領域ＡＡ１の濃度変化を曲線ＣＶ１１とし、首左側（肩部分）の第２領域ＡＡ２の濃度変化を曲線ＣＶ１２とし、鎖骨部分の第３領域ＡＡ３の濃度変化を曲線ＣＶ１３として示したグラフである。
【図９】図９は図８に図解したデータをフーリエ変換した結果を示すグラフである。
【図１０】図１０は本発明のバイタルサイン計測方法の実施の形態の第４例として、被検体が開眼しているとき、閉眼しているとき、片足で立っているときそれぞれの姿勢の動揺を測定する例である。
【図１１】図１１（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、図１０に図解した第４例における、被検体が開眼しているとき、閉眼しているとき、片足で立っているときそれぞれの姿勢について、撮像データのエッジ位置を算出した結果を示すグラフである。
【図１２】図１２（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、図１１（Ａ）〜（Ｃ）に図解した、被検体が開眼しているとき、閉眼しているとき、片足で立っているときそれぞれの姿勢について、撮像データのエッジ位置を算出した結果から、横軸を左右動揺、縦軸を前後動揺の量をとり、６０秒間についての姿勢の動揺の軌跡を示すグラフである。
【図１３】図１３は本発明のバイタルサイン計測方法の実施の形態の第５例として、被検体の眼のまばたきの頻度を測定する例を示す図である。
【図１４】図１４は第５例における第１領域の撮像データの濃度変化を示すグラフである。
【図１５】図１５（Ａ）、（Ｂ）は第５例における第１領域の撮像データのエッジ位置変化と濃度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
１…バイタルサイン計測装置
１１…ビデオカメラ
１３…信号処理装置
１３０…バス、１３１…入力部、１３３…ハードディスク
１３４…半導体メモリ、１３５…ＣＰＵ、１３７…液晶表示装置
１３９…キーボード
【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】
2005218507.tif 000010
【図９】
2005218507.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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