(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水面に出力光を照射する光源と、
前記光源からの出力光が水面により反射された光を受光し、反射位置を含む２次元画像データを出力する受光部と、
前記受光部から出力された２次元画像データに基づいて、２次元座標の一方又は両方の軸方向についての１次元投影分布に空間フィルタをかけることにより、水面ゆらぎに含まれる情報を解析する処理部と
を備え、
前記処理部は、
水面からの反射光の反射位置を含む２次元画像データを取り込む手段と、
取り込まれた２次元画像データに基づき、一方又は両方の軸方向について、該２次元画像データの輝度の和をとった１次元投影分布を計算する手段と、
計算された１次元投影分布に、所定波形の空間フィルタをかけることにより、積算データを求める手段と、
求められた積算データについて所定期間の総和をとり、複数の時系列データを求める手段と、
求められた複数の時系列のデータを、それぞれフーリエ変換する手段と、
フーリエ変換された複数の時系列データに基づいて、平均パワースペクトルを計算し、水面ゆらぎに含まれる情報を求める手段と
を備えた水面ゆらぎ測定装置。
【請求項２】
水面に出力光を照射する光源と、
前記光源からの出力光が水面により反射された光を受光し、反射位置を含む２次元画像データを出力する受光部と、
前記受光部から出力された２次元画像データに基づいて、２次元座標の一方又は両方の軸方向についての１次元投影分布に空間フィルタをかけることにより、水面ゆらぎに含まれる情報を解析する処理部と
を備え、
前記処理部で解析される水面ゆらぎに含まれる情報は、
水中に少なくとも一部がある身体からの呼吸、心拍、行動量、又は、これら複数である水面ゆらぎ測定装置。
【請求項３】
水面に出力光を照射する光源と、
前記光源からの出力光が水面により屈折されて透過した光を受光し、透過位置を含む２次元画像データを出力する受光部と、
前記受光部から出力された２次元画像データに基づいて、２次元座標の一方又は両方の軸方向についての１次元投影分布に空間フィルタをかけることにより、水面ゆらぎに含まれる情報を解析する処理部と
を備えた水面ゆらぎ測定装置。
【請求項４】
前記光源は、スポット光を出力し、
前記受光部は、該スポット光の動きを離散的に受光し、所定期間内に受光したひとつ又は複数のスポットをひとつの２次元画像データとして複数フレームを出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水面ゆらぎ測定装置。
【請求項５】
水面により反射された光を投影する面をさらに備え、
前記受光部は、前記面の画像を受光するように配置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水面ゆらぎ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水面ゆらぎ測定装置に係り、特に、水面ゆらぎを計測・処理することにより心拍数や呼吸数を測定する水面ゆらぎ測定装置に関する。また、本発明において、水面とは、水に限らず、広く液体の表面を含むものとする。さらに、本発明は、その他の身体に関する測定や、機械による振動等の適宜の要因による水面ゆらぎを測定する水面ゆらぎ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
入浴は、日本人特有の習慣であり、適度の入浴は末梢の血流を良くし、血圧を下げる働きがある。また、入浴は、最大酸素摂取量の５０％程度、２〜４ＭＥＴｓ（７〜１４ｍｌ Ｏ２／ｍｉｎ／ｋｇ）程度の負荷運動とされている。これは、5.6km/hで歩行しているのと同等程度の運動であり、循環器疾患の療法にも応用されている。
【０００３】
図１４に、入浴状態の説明図を示す。図１４に示すように、身体は湯に浸かることにより、矢印のような静水圧の影響を受け、これにより血流の不均衡が生じる。さらに、入浴中は、身体が温熱的な負荷を受けるため、体温上昇、心拍数上昇、心拍出量の増加、皮膚血流の増加、血圧低下などの生理的変化を引き起こす。
【０００４】
図１５に、入浴状態と湯量との関係についての説明図を示す。また、図１５に示すように、湯に入る深さによっても、心拍出量に違いが生じる。図１５（Ａ）は、半身浴といわれているもので、水圧が身体に適度で、血液がバランス良く全身に行き渡る。図１５（Ｂ）の全身浴といわれるような入り方の場合、水圧が大きく、血液が下半身に行きにくい。したがって、心臓にかかる負担も大きくなってくる。これらの諸要因により、入浴中の突然死が問題となっている。さらに、近年の高齢者の増加により、高齢者の入浴中の浴槽内における事故が増加する傾向にある。特に、高温の湯に長時間入浴した場合、外気温との著しい差違により突発的事故が生じることが報告されている。入浴中の死亡例では約８０％が浴槽内であり、特に高齢者の事故が多い。
【０００５】
したがって、入浴中に諸生理量を測定することは、健康状態の把握や入浴中の突発的事故の防止、事故発生時の病態の推測に役立つ。さらに、諸生理量についての日常的な履歴を取ることにより、疾患の早期発見にも役立つと考えられる。生理量のひとつとして心拍数は、入浴中の変動が大きく応答性が良い上、身体や心臓の負荷状態に大きく依存すると考えられる。また、心拍数の測定は、入浴中の異常な脈拍や心停止の状態などを検出できるため、非常に有効であると考えられる。これまで、心拍数測定に関する研究では、光電脈波法を用いた研究（中島一樹，田村  俊世，三池  秀敏，ディジタルフィルタを用いた光電脈波法による心拍数，呼吸数同時モニタ，医用電子と生体工学Vol.31  No.4，pp.30-36（1993）参照）などが知られている。日常行動下における心拍数ゆらぎの評価としては、ホルター心電計による２４時間計測などが行われている。しかし、入浴中の心拍数ゆらぎに関する研究は少なく、浴槽内心電図法によるものなどが報告されているだけである。
【０００６】
一方、入浴は身体を清潔にするだけでなく、心身をリラックスさせる効果がある。心身が好調な時には、入浴中にマッサージやストレッチなどを行うが、極度の肉体、精神疲労時には動かない傾向がある。ストレスや快適度評価を目的とした血圧や心拍ゆらぎに関する研究（吉村  拓巳，田村  俊世，長  篤志，中島  一樹，三池  秀敏，戸川  達男，入浴中の心拍変動と快適度，東京医科歯科大学医用器材研究所報告第29巻、(1995)）が行なわれているが、入浴中の行動量評価を行なえばこれらの評価の一助にも成り得る可能性がある。また、一般家庭において、心拍数や呼吸数などの生体信号を計測する場合、測定を意識させず無拘束で計測することが望ましい。生体信号の無拘束計測に関する研究では、オプティカルフロー検出（三池  秀敏，古賀  和利，パソコンによる動画像処理，森北，pp.133-178(1993)参照）による呼吸・体動計測の研究（K.Nakajima, T.Maekawa and H.Miike, Detection of apparent skin motion using optical flow analysis:Blood pulsation signal obtained from optical flow sequence,Rev.Sci.Instrum. Vol.68, pp.1331-1336 (1997)，K. Nakajima, A. Osa, S. Kasaoka, K. Nakashima, T. Maekawa, T. Tamura and H. Miike, Detection of Physiological Parameters without Any Physical Constraints in Bed Using Sequential Image Processing, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.35, pp.L269-L272 (1996)参照）が報告されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来の浴槽内心電図法による計測システムは、比較的容易に計測ができ、無意識のうちに心電図波形を測定することが可能である。しかしながら、従来においては、浴槽内に電極を埋め込む必要があり、心電図波形は湯を介して測定するため、体表面心電図と比較すると波形が歪んでしまう。また、従来においては、心電図波形の計測は可能であるが、心拍数と同様に人間の生存には欠かせない呼吸数の計測はできない。さらに、従来においては、浴槽の材質、構造、大きさ、電極位置、湯の電気伝導率などの影響を受ける。
【０００８】
一般に、浴槽に浸かった際、静止状態を保っていても、心臓の動き、呼吸などによって水面はわずかに波立っている。この波には、心拍や呼吸、行動の情報も含まれていると考えられる。そこで、本発明は、水面に発生する波（水面ゆらぎ）にどのような情報が含まれるかを動画像計測・処理により解析・検討することにより、入浴中の人の生理量、行動、健康状態を無拘束状態で評価することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、水面上の微小なゆらぎから水位変動まで高精度に計測可能とすること（広ダイナミックレンジ及び高精度）を目的とする。また、本発明は、光源からの鏡面反射光をビデオカメラで撮影するだけであり、設置を簡単とすることを目的とする。さらには、本発明は、フローターなどを用いない非接触式とすることで（非接触計測法）、センサー部分を汚すことなく、メンテナンスを不要とすることを目的とする。
【００１０】
さらに、本発明は、入浴中の水面ゆらぎを完全な無拘束状態で計測するために、半導体レーザー光を水面に入射させ、その反射光を撮影し、動画像計測・処理により解析を行い、半導体レーザー光の反射像を撮影し、実画像ではなく処理データにより解析を行なうことにより、個人のプライバシーを保護することを目的とする。また、本発明は、一般家庭での諸生理量の無拘束計測を容易にすることを目的とする。
【００１１】
さらに、本発明は、空間フィルタ法、ＦＦＴについて並列計算システム等を用いることで、またはラインセンサアレイと電子回路による処理を用いることで、より高速でリアルタイム処理を可能とした測定装置を提供することを目的とする。また、本発明は、リアルタイム処理により、インターネットの普及を背景に、高齢化社会にも対応した在宅医療システムへの応用を可能とした測定装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の解決手段によると、
水面に出力光を照射する光源と、
前記光源からの出力光が水面により反射された光を受光し、反射位置を含む２次元画像データを出力する受光部と、
前記受光部から出力された２次元画像データに基づいて、２次元座標の一方又は両方の軸方向についての１次元投影分布に空間フィルタをかけることにより、水面ゆらぎに含まれる情報を解析する処理部と
を備え、
前記処理部は、
水面からの反射光の反射位置を含む２次元画像データを取り込む手段と、
取り込まれた２次元画像データに基づき、一方又は両方の軸方向について、該２次元画像データの輝度の和をとった１次元投影分布を計算する手段と、
計算された１次元投影分布に、所定波形の空間フィルタをかけることにより、積算データを求める手段と、
求められた積算データについて所定期間の総和をとり、複数の時系列データを求める手段と、
求められた複数の時系列のデータを、それぞれフーリエ変換する手段と、
フーリエ変換された複数の時系列データに基づいて、平均パワースペクトルを計算し、水面ゆらぎに含まれる情報を求める手段と
を備えた水面ゆらぎ測定装置が提供される。
【００１３】
本発明の第２の解決手段によると、
水面に出力光を照射する光源と、
前記光源からの出力光が水面により反射された光を受光し、反射位置を含む２次元画像データを出力する受光部と、
前記受光部から出力された２次元画像データに基づいて、２次元座標の一方又は両方の軸方向についての１次元投影分布に空間フィルタをかけることにより、水面ゆらぎに含まれる情報を解析する処理部と
を備え、
前記処理部で解析される水面ゆらぎに含まれる情報は、
水中に少なくとも一部がある身体からの呼吸、心拍、行動量、又は、これら複数である水面ゆらぎ測定装置が提供される。
本発明の第３の解決手段によると、
水面に出力光を照射する光源と、
前記光源からの出力光が水面により屈折されて透過した光を受光し、透過位置を含む２次元画像データを出力する受光部と、
前記受光部から出力された２次元画像データに基づいて、２次元座標の一方又は両方の軸方向についての１次元投影分布に空間フィルタをかけることにより、水面ゆらぎに含まれる情報を解析する処理部と
を備えた水面ゆらぎ測定装置が提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（１）測定装置の概要
図１に、本発明に係る水面ゆらぎ測定装置の構成図を示す。
水面ゆらぎ測定装置は、光源部１、受光部２、録画部３、処理部４、表示部５を備える。処理部４は、記憶部３１、Ａ／Ｄ変換部３３及びデータ処理部３２を備える。
【００１５】
光源部１としては、半導体レーザー等が用いられる。ここでは、一例として、波長が635nmの赤色光のものを使用し、三脚等により取り付けられ固定されている。また、この例では、半導体レーザーのビーム形状は、ドット照射（照射サイズ最小）で10ｍ離れた位置で直径14mmの円状であった。受光部２は、例えば、ＣＣＤビデオカメラ等が用いられる。ここでは、ＣＣＤカメラのＡＧＣ（オートゲインコントロール）スイッチはOFF、ゲインは０dB、CCD IRISスイッチ（入射光量に応じて自動的に感度調整を行う機能）もOFFとした。また、受光部２は、電子シャッターを備えることができる。ここでは、1000分の１秒の電子シャッターを使用した。これは、速度計測を行なう場合、対象物(ここでは、レーザー反射光)の正確な位置変化を捕らえることが必要になってくるからである。水面がゆらぐと壁面６で得られる反射光が動くので、ビデオレートで撮影した場合、１フレームが１/30秒であるため、壁面６上の反射光は軌跡を描く。この軌跡を含んだままの画像では、反射光の正確な位置変化の情報が得られないので、電子シャッターを使用することにより、軌跡を取り除いた。また、浴槽の壁面６には、半導体レーザーの反射光のコントラストを高めるために、ホワイトボードを取り付けた。録画部３は、Ｓ−ＶＨＳ等のビデオデッキ等のビデオ装置を用いることができる。
【００１６】
また、処理部４内のデータ処理部３２は、パーソナルコンピュータを用いることができる。ここでは、一例として、メインメモリ約128Mbyteを実装で、サイズ128×128pixelsモノクロ256階調の画像が、サンプリング周波数30Hzで約4分33秒間取り込み可能であるものを使用した。また、記憶部３１は、パーソナルコンピュータ内部のメモリ又は外部のメモリを適宜使用できる。表示部５は、ＴＶモニター等の表示装置が用いられる。
【００１７】
つぎに、この水面ゆらぎ測定装置の動作概要について説明する。
【００１８】
まず、浴槽の斜め上方から光源部１のレーザー光を水面に照射すると、光の一部は水面で鏡面反射する。そして、この鏡面反射光は、浴槽の壁面６に達し、水面ゆらぎを反映しながら平面上を動く。この反射光の動きを受光部２のＣＣＤカメラで受光し、録画部３のビデオカメラ等で撮影する。この録画部３で記録した動画像を処理部４で処理して解析することにより水面ゆらぎに含まれる情報を評価する。処理部４は、動画像の２次元座標の一方又は両方の軸方向についての１次元投影分布に空間フィルタをかけ、高速フーリエ変換を行うことにより、水面ゆらぎに含まれる情報を解析する（詳細は後述する）。
【００１９】
なお、受光部２は、適宜光学系を介して直接又は間接的にレーザ光を受光できる位置に配置することもできる。さらに、受光部２は、水面における屈折による光源部１からのレーザー光を受光できるように、浴槽の下方や水中等に適宜配置することも可能であり、また、光源部１からのレーザー光の鏡面反射光を壁面６で受けることはなく、曲面や上部に配置された面等の適宜の面で受けるようにすることもできる。また、受光部２として、壁面６上に受光素子をマトリックス状に並べるようにすることもできる。なお、この際、ビデオカメラ等の記録部３を省略することもできる。また、受光部２の受光素子に対して電気的な空間フィルタの役目をなす電圧をかけることにより、処理のリアルタイム化を図ることもできる。
【００２０】
（２）解析方法
ここで、本発明の水面ゆらぎ測定装置における処理部４でのデータ処理アルゴリズムについて説明をする。
【００２１】
一般に、局所的な速度を非接触で解析する方法として、レーザー・ドップラー法（Cummins.H.Z, Knable.N, and Yeh.Y, Observation of Diffusion Broadening of Rayleigh Scattered Light，Phys.Rev.Lett12 ６,pp.150-153（1964），Stevenson W.H、Laser Doppler Velocimetry, A status Report, Pro IEEE 70 6, pp.652-658(1982)参照）や、空間フィルタ法（Aizu.Y and Asakura.K，Principles and Development of Spatial Filtering Velocimetry, Appl.Phys.B43, pp.209-224(1987)，小林  彬，計測用空間フィルタ法の進展，応用物理Vol52No.12，pp.1007-1014(1983)）が知られている。いずれの手法も観測対象とする小領域に格子じま状の空間パターンを作り、この中を通過する運動物体より放射される総光量の時間変化をとらえ、この周波数スペクトルを解析することにより、速度の検出を行うものである。
【００２２】
また、近年、マイクロエレクトロニクスの発達を背景に、ビデオ信号処理による二次元速度計測の試みが行われてきた。ＣＣＤカメラなどで画像を取り込み、マイクロプロセッサなどでプログラム的に処理を行なうこの手法は、幅広い柔軟性と測定の高精度化の可能性をもっている。従来のシステムは、リアルタイム処理のためハードウェアによるアナログ処理で実現されてきたが、この手法は、そのほとんどをソフトウェアにより、ディジタル処理を行なうものである。そのため、ソフトウェア処理により、ハードウェアでは実現困難である正、負の値をもつ理想的な正弦波状の空間フィルタを実現できる。加えて、ソフトウェア処理では、空間フィルタリングや信号の積算処理をすべてディジタル化することや、測定対象の速度やサイズに応じて空間フィルタの波長や移動速度を任意に変えることができ、運動方向の正負の判別はもちろん、計測のダイナミックレンジを大きく改良できるなどの利点をもつことから、高精度の速度解析が可能になる。
【００２３】
本発明においては、以上の技術を、処理部４におけるデータ処理に応用したもので、以下に詳述する。図２に、処理部におけるデータ処理のフローチャートを示す。また、図３に、空間フィルタの説明図を示す。
【００２４】
まず、画像サイズＮ×Ｎ（pixels）、画像枚数Ｌ（frames）の動画像を考える。そして、このような２次元動画像データＳ（ｘ,ｙ,ｔ）（図３（Ａ）参照）を、録画部３におけるビデオ等で撮影し、Ｌフレームの画像を、画像入力インターフェースボード等を介して適宜のサンプリング間隔（例えば、30Hz）で、処理部４の記憶部３１に取り込む（ステップＳ１００）。
【００２５】
つぎに、図３（Ａ）の２次元動画像データＳ（ｘ,ｙ,ｔ）の各画面についてｘ軸方向、ｙ軸方向のそれぞれの投影分布Ｂｘ（ｘ,ｔ）、Ｂy（ｙ,ｔ）の一方又は両方を、数式（１）により計算する（ステップＳ１０２）。なお、図３では、一例として、画面上の１つの方向（図３（Ｂ）においてはｙ軸方向）への輝度の和（投影分布）を、１次元画像データ（図３（Ｂ）においてはＢ（ｙ,ｔ））としてとらえ、これを速度解析用の基本情報とした場合を示している。
【００２６】
【数１】
0003968192.tif 000002
【００２７】
つぎに、ステップＳ１０２で得られたｘ軸方向又はｙ軸方向のそれぞれの投影分布であるＢｘ（ｘ,ｔ）又はＢy（ｙ,ｔ）に、１次元の正弦波状の空間フィルタを通す（ステップＳ１０４）。なお、ここでは空間フィルタとして正弦波を用いたが、これに限られず短形波等の適宜の波形を用いても良い。
【００２８】
つぎに、その積和を計算する処理をｘ軸方向又はｙ軸方向の１次元データに対して行う。この操作を時系列方向Ｌ（frames）について行い、時系列データＡ（ｔ）を得る（ステップＳ１０６）。
【００２９】
【数２】
0003968192.tif 000003
【００３０】
図３を参照すると、例えば、ｙ軸方向に積和した時系列データであるＡｙ（ｔ）の速度成分を検出したい場合、数式（２）は、波数ベクトルＫ＝（０,Ｋｙ）、並進速度ＶＳ＝（０,０）の空間フィルタｓｉｎ（Ｋｙ・ｙ）（図３（Ｃ））を用いて、以下のような数式（３）に変形することができる。
【００３１】
【数３】
0003968192.tif 000004
すなわち、ｘ軸方向にあらかじめ輝度の和をとった信号Ｂｙ（ｙ,ｔ）に、後で、正弦波フィルタを通した積算データＢｙ（ｙ,ｔ）・ｓｉｎ（Ｋｙ・ｙ）を求め（図３（Ｄ））、さらにその総和をとれば良い（図３（Ｅ））ことになる。
【００３２】
また、ステップＳ１０６では、ｘ軸方向、ｙ軸方向の両者の総和をとらず、ｘ軸方向又はｙ軸方向それぞれの時系列データ（Ａｘ（ｔ）、Ａｙ（ｔ））に対しても同様の処理を行っても良い。
【００３３】
ここで、空間フィルタの波長の決定は、計測対象の直径と移動速度が関係する。空間フィルタの波長が対象の直径より小さくなるとスペクトルも小さくなる。特に、空間フィルタの定数倍がおおよそ直径と一致するときは、パワースペクトルが極小となる。このことから、信号成分を大きくし、雑音を小さくするためには、計測対象物の直径より小さい波長の空間フィルタをかけることはできるだけ避けたほうがよく、数式（４）を満足する波長の空間フィルタを選択する必要がある。
【００３４】
【数４】
0003968192.tif 000005
ここで、ρは対象物の流径直径とする。
【００３５】
つぎに、上述のような空間フィルタ法により得られた時系列データであるＡ（ｔ）の周波数スペクトルを、ＦＦＴ(Fast Fourier Transform)によって解析する（ステップＳ１０８）。時間ｔの関数ｘ(t)をフーリエ変換したものをＸ（ω）とすると、以下の数式（５）のように表される。
【００３６】
【数５】
0003968192.tif 000006
【００３７】
ここで、ディジタル化された離散的な信号列を、コンピュータでフーリエ変換するためには、数式（５）のフーリエ変換の定義式を書き改めなければならない。ｋ個目のサンプル値が、ｘｋで表されるとすると、離散的なフーリエ・スペクトルＸｓは、以下のような数式（６）で表される。
【００３８】
【数６】
0003968192.tif 000007
【００３９】
ここで、Ｑは有限であり、ＷＱは位相回転因子である。この数式（６）が離散フーリエ変換（ＤＦＴ:Discrete Fourier Transform）の定義式である。例えば、Ｑ＝８の場合を考えると、数式（６）より関係式には、８２個の複素数の掛け算の項が含まれている。一般に、データ点数Ｑに対してそのＤＦＴを行なうためには、Ｑ２回の複素数の掛け算ｘｋ・ＷQｍが必要であることがわかる。この膨大な計算時間を短縮できる方法が、CooleyとTukeyによって提唱された。これが、ＦＦＴアルゴリズムである。ＷQｍは指数関数であるから、Ｕ＜Ｑである任意の数式（７）のように分解できる。
【００４０】
【数７】
0003968192.tif 000008
【００４１】
Ｑ＝８のＸｓを求める場合の、ｘｓにかかる計数ＷＱ15は、例えば、以下の数式（８）のように分解できる。
【００４２】
【数８】
0003968192.tif 000009
【００４３】
さらに、数式（６）より、周期Qの周期関数であることから、任意の整数ｎに対して、以下の数式（９）が成り立つ。
【００４４】
【数９】
0003968192.tif 000010
これを数式（８）の例に当てはめると、
【００４５】
【数１０】
0003968192.tif 000011
となる。このようにＱ２個ある位相回転因子ＷＱｍを、その指数性と周期性を利用して分割する。その結果、同じ掛け算項がたくさんでき、これをうまく括弧でくくることにより、合計の掛け算回数を大幅に減らすことができ、高速な処理が可能になる。
【００４６】
ここでは、ＦＦＴを、空間フィルタ法により求めた時系列データＡ（ｔ）に用いる。Ａ（ｔ）（｛０≦ｔ≦Ｔ｝）をフーリエ変換したものをＡｔ（ω）とすると、このＡｔ（ω）の二乗平均値がパワースペクトルとなる。そして、以下の数式（１１）のような平均パワースペクトルＰ（ω）が求められる。そして、水面ゆらぎの情報を持った平均パワースペクトルを得る（ステップＳ１１０）。
【００４７】
【数１１】
0003968192.tif 000012
【００４８】
ここで、図４に、平均パワースペクトルの時系列データの説明図を示す。この図は、観測時間内のＬ点の時系列データをＺ個のオーバーラップを許しながら、１系列Ｑ点のＲ個の時系列に分割し、それぞれ離散フーリエ変換し、平均パワースペクトルを求めた。厳密に言えば、平均パワースペクトルを求めるためには、数式（１１）に示されるようにＴを無限大としなければならないが、ＦＦＴ演算上の制限により不可能である。しかし、Ｒを無限大とすることにより、パワースペクトルは一定の分布に収束する。このため平均回数Ｒは、できるだけ大きくとる必要がある。
【００４９】
以上のようなデータ処理（解析）アルゴリズムによって、測定対象の速度やサイズに応じて、空間フィルタの波長を変化させ、レーザー光の反射像の速度解析を行なった。
【００５０】
（３）特性評価装置
つぎに、本装置が、周波数既知の波により、どの程度の周波数と振幅を検出する測定能力を持っているかを検討するための特性評価について説明をする。
【００５１】
図５に、測定装置の特性評価装置の構成図を示す。特性評価装置は、ピンポン玉２０、オーディオ・スピーカー２１、正弦波発振器２２、オーディオ・アンプ２３、シンクロ・スコープ２４及び棒２５を備える。正弦波発振器２２からの信号をオーディオ・アンプ２３により増幅し、オーディオ・スピーカー２１を駆動する。オーディオ・スピーカー２１のウーファー（直径14.5ｃｍ）部分には、長さ14.8ｃｍの軽量の棒（ストロー）２５を介して連結したピンポン玉２０（直径3.5ｃｍ）を取り付ける。
【００５２】
なお、光源部１からのレーザー光は、一例として、例えば、ピンポン球２０から15.3ｃｍ離れた位置に入射させて評価を行ったが、レーザー光の入射位置は、これに限られるものではなく、適宜の位置に入射させてもよい。また、浴槽７の水の水位は、一例として、例えば、34ｃｍとしたがこれに限られるものではない。
【００５３】
図６に、ピンポン球と水面との関係についての説明図を示す。特性評価においては、一例として、ピンポン球２０の半分が水面６０より水中に入るようにオーディオ・スピーカー２１を設置し、シンクロ・スコープ２４によりオーディオ・スピーカー２１への入力電圧を読み取った。以上のようなシステムを用いて、水面に機械的な振動を発生させ、周波数特性と電圧特性を調べる。ピンポン球２０、棒２５等は、一例にすぎず、適宜のものを用いることができる。
【００５４】
上述のような特性評価装置による評価を行うにあたって、まず、建物の振動等によるバックグラウンドノイズの影響を調べた。すなわち、意図的に振動を加えない時の解析を行うもので、機械的振動を一切加えず、水面には何も触れていない状態で２分間撮影した。解析には、サイズ64×64pixels、サンプリング周波数30Hzで2分間（3600flames）取り込んだ画像を用いた。空間フィルタには、1.0波長（64pixels）、2.0波長（32pixels）のものを使用した。そして、512点のＦＦＴを30点のオーバーラップを許しながら、100回の平均パワースペクトルを得た。これにより、全てにおいて際立ったピークが見られず、平坦なパワースペクトルが得られた。このパワースペクトルの際立ったピークが見られないことから、バックグラウンドノイズとしての建物の振動による影響は、計測に関してほとんどないと言える。
【００５５】
つぎに、水面に機械的な振動を加えた場合における周波数既知の波により、特性評価装置の周波数に対する応答を調べた。オーディオ・スピーカー２１への入力電圧をシンクロ・スコープ２４で確認しながら、全周波数で3.4V一定とした。周波数を1.0Hzから10.0Hzまで1.0Hzずつ増加させ、正弦波発振器２２で与えた周波数において、解析後にパワースペクトルのピークが得られるか調べた。解析には、一例として、サイズ100×100pixels、サンプリング周波数30Hzで130秒間（3900flames）取りこんだ画像を用いた。
【００５６】
図７に、周波数と強度との関係を表すパワースペクトルの説明図を示す。この図は、図３における投影分布をｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれ積算し、それらの総和をとった時系列データＡ（ｔ）の解析結果を表している。この図は、オーディオ・スピーカー２１への入力電圧が3.4Ｖで周波数が5.0Hzとした場合、図中の矢印のように、パワースペクトルのピークが5.0Hzとなったことを示している。他の周波数の場合も、ほぼ同様に、正弦波発振器２２で与えた周波数と同じ周波数でピークを示す。
【００５７】
なお、図７においては、一例として、投影分布をｘ軸方向とｙ軸方向にそれぞれ積算し、それらの総和をとった時系列データの解析結果を示しているが、ｘ軸方向又はｙ軸方向の一方について積算した時系列データの解析結果でも、同様に測定することができる。
【００５８】
なお、周波数によってピーク強度が明瞭に示されない場合には、ひとつの対策として、空間フィルタを変化させることで、さらに明瞭なピーク強度を測定することができる。ここでは、例えば、周波数が1.0Hzのときに明瞭なピーク強度が示されない状態がある場合、空間フィルタを変えることで、明瞭なピーク強度を測定できることを示した例を説明する。
【００５９】
図８に、空間フィルタの波長を変えた場合の周波数と強度との関係を表すパワースペクトルの説明図を示す。各図のいずれも周波数1.0Hzにおいての空間フィルタが、（ａ）約1.5波長(66pixels)、（ｂ）2.0波長（50pixels）、（ｃ）約2.5波長（40pixels）、（ｄ）3.0波長（33pixels）、（ｅ）約3.6波長（28pixels）、（ｆ）4.0波長（25pixels）と変えた場合の解析結果を表している。解析には、一例として、512点のＦＦＴを33点のオーバーラップを許しながら、100回の平均パワースペクトルを得た。
【００６０】
図８（ｅ）において、空間フィルタが約3.6波長（28pixels）のとき、矢印で示したように、周波数が1.0Hzでのパワースペクトルのピークが1.0Hzとなったことを示している。このことから、レーザ反射光の最大移動距離が28pixelsだということが考えられる。
【００６１】
なお、図８において各図とも、一例として、投影分布をｙ軸方向に積算した時系列データの解析結果を示しているが、ｘ軸方向に積算した時系列データの解析結果でも、ｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれ積算し、それらの総和をとった時系列データの解析結果による結果でも同様なものが得られる。
【００６２】
以上のように、空間フィルタを適宜のものに選択することで、所望のデータを検出することができる。
【００６３】
図９に、ピーク強度とスピーカーへの入力電圧との関係についての説明図を示す。
この図において、丸印はｘ軸方向に積算した時系列データを用いた解析結果を、四角印はｙ軸方向に積算した時系列データを用いた解析結果を、ひし形印はｘ軸方向及びｙ軸方向にそれぞれ積算し、それらの総和をとった時系列データの解析結果を表している。
【００６４】
この評価では、一例として、正弦波発振器２２からの周波数を5.0Hzとし、オーディオ・スピーカー２１への入力電圧を0.2Vから4.0Vまで0.2Vずつ増加させた。また、解析には、一例として、サイズ100×100pixels、サンプリング周波数30Hzで130秒間（3900flames）取り込んだ画像を用いた。空間フィルタは、すべて１.0波長（100pixels）とした。それぞれの時系列データにおいて、512点のFFTを33点のオーバーラップを許しながら、100回の平均パワースペクトルを得た。図からもわかるように、入力電圧とパワースペクトルのピーク強度は、ほぼ直線関係にあることがわかる。これらにより、波のゆらぎ強度の定量評価の可能性が示された。
【００６５】
また、図７乃至図９に示したものと同様に、ｘ軸方向に積算した時系列データでも、ｙ軸方向に積算した時系列データでも、ｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれ積算し、それらの総和をとった時系列データのいずれにおいても平均パワースペクトルを得ることができる。
【００６６】
なお、浴槽内の水位変化だけに対するレーザー光の反射光の垂直位置変化量の関係を調べると、浴槽の水位変化に対して、レーザー反射光の垂直位置も線形的に変化していることがわかった。
【００６７】
（４）入浴中の水面ゆらぎ計測
図１０に、心拍数及び呼吸数の計測装置の説明図を示す。この計測装置は、実際の心拍数及び呼吸数を測定する装置であり、図１に示した測定装置による入浴中の水面ゆらぎ計測の解析結果と比較するための装置である。この計測装置は、テレメータ心電計５２、その送信機５１、呼吸サーミスタ５０、サーミスタ・アンプ５３、ＰＣカード式Ａ／Ｄ変換器５５、パーソナル・コンピュータ５６及びシンクロ・スコープ５４を備える。
【００６８】
心拍数を計測するテレメータ心電計５２は、無線方式のものを用いており、商用電源を用いず電池によって送信機５１を働かせるので、感電の恐れがなく計測ができる。そして、送信機５１から送られた心電図（ＥＣＧ）は、テレメータ心電計５２のモニタに表示されると共に、アナログ出力を外部に取り出すことができる。呼吸数を計測するためには、呼吸サーミスタ５０を被験者７０の鼻孔に留置した。この呼吸サーミスタ５０は、Ｍｏ、Ｍｎ等の酸化物を焼結したもので半導体の１つであり、金属とは逆に負の温度係数を持っており、感度がよく、ここでは電池により駆動する。この呼吸サーミスタ５０の温度により抵抗値変化する特性を用いて、呼吸サーミスタの両端の抵抗値を電位差として計測し、サーミスタによる電圧変化をシンクロ・スコープ５４により表示させた。テレメータ心電計５２とサーミスタのアナログ出力を、ＰＣカード式Ａ／Ｄ変換器５５によりパーソナル・コンピュータ５６に取り込み、解析結果の比較値とした。サンプリング間隔は、一例として、33msとし、9000点を取り込んだ。
【００６９】
浴槽内の湯温は、強制追焚付給湯器を用いて入浴直前の温度を一例として、40℃一定とし、強制追焚は行なわなかった。測定中、浴室内及び実験室の換気扇はOFFとした。また、浴室内の温度は、23〜26℃、浴槽内の湿度は、43〜68％であった。測定中の浴室内の明るさは、一例として3.0ルクス、浴室外は、一例として、26ルクスであった。テレメータ心電計５２は、CM５誘導（日本医師会,  健康運動のガイドライン,  医学書院,  pp.34−39(1994)）により測定を行なった。
【００７０】
さらに、被験者７０の呼吸によるパワースペクトルピークを明確にするために、メトロノームに合わせて被験者の呼吸を一定にさせた。そして、被験者を心臓位置まで浴槽に沈む姿勢を保たせた。レーザー光は、各被験者の心臓位置の皮膚表面から３.０cm離れた所に照射した。測定時間は、浴槽内で安静座位状態で５分間として、ＣＣＤカメラのレンズは、望遠（20.0mm）に調節し、心拍数、呼吸数の計測を行った。また、心拍数、呼吸数の比較データ（心電図、サーミスタ）との同期を図るため、浴室内の照明をOFFとすると同時に、画像及び比較データの計測を開始した。
【００７１】
図１１に、呼吸数及び心拍数のパワースペクトルの説明図を示す。図１２に、図１１の呼吸数に関する拡大説明図を示す。
【００７２】
図１１及び図１２ともに解析に用いた画像データは、一例として、サイズ100×100pixelsの画像を30Hz（33.333…ms）で297秒間（8910flames）取り込んだものである。比較データは、サンプリング間隔33.0msで9000点の計測を行なったものを用いている。時系列データは、ｘ軸方向を積算したもの、ｙ軸方向を積算したもの、ｘ軸方向及びｙ軸方向それぞれに対して積算し、それらの総和をとったものを用いている。画像データは、4096点のＦＦＴを48点のオーバーラップを許しながら、100回の平均パワースペクトルを得た。また、これらの図は、測定時間５分間での安静座位状態の解析結果を表している。
【００７３】
図１１において、（ａ）はテレメータ心電計５２により検出された心拍を、（ｂ）はサーミスタ５０により検出された呼吸を、（ｃ）〜（ｆ）は本発明の水面ゆらぎ測定装置により解析された空間フィルタをそれぞれ（ｃ）1.0波長(100pixels)、（ｄ）2.0波長（50pixels）、（ｅ）4.0波長（25pixels）、（ｆ）5.0波長（20pixels）、（ｇ）10波長（10pixels）というように変えた場合の結果を表している。時系列データはｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれに対して積算し、それらの総和をとったものを用いた。また、図１２は、図１１における特に呼吸数についての比較を表している。
【００７４】
図１１及び図１２ともに画像解析結果には、空間フィルタの波長が（ｇ）10波長以外のものには、比較値と同周波数付近に際立ったピークが見られる。図１１の図中、ＲＲは呼吸数のパワースペクトルを、ＨＲは心拍数のパワースペクトルをそれぞれ矢印で表している。今回の実験については空間フィルタの波長が、4.0波長と5.0波長が、特に有効であった。雑音も少なく、比較値とほぼ同じ周波数に際立ったピークが見られ、これは、今回用いた動画像のサイズ、反射光の大きさ及び移動距離によるものであると考えられる。解析に用いた動画像は、一例として、サイズ100×100pixels、サンプリング周波数30Hzであり、空間フィルタの正弦波の１波長が25pixels又は20pixelsである。空間フィルタの原理から、計測対象(ここでは、心拍数と呼吸数)の周波数と同周波数の画像における時系列データ値の絶対値が大きければ、際立ったピークの検出が可能であるからである。
【００７５】
つぎに、図１３に、周波数と強度との関係を対数で表したパワースペクトルの説明図を示す。
【００７６】
これは、マッサージ運動など常に動いている行動状態（図中右側）及び、マッサージ後の浴槽内での座位している安静状態（図中左側）において、行動量の比較を行なったものである。解析に用いた画像データは、一例として、サイズ100×100pixelsの画像をサンプリング周波数30Hzで297秒間（8910flames）取り込んだものである。空間フィルタは、1.0波長(100pixels)のものを用いて、ｘ軸方向、ｙ軸方向にそれぞれ積算し、それらの総和をとった。この8910点の時系列データにおいて、4096点のFFTを48点のオーバーラップを許しながら、100回の平均パワースペクトルを得た。この周波数とパワースペクトルの自然対数をとり、線形回帰直線を用いてフィッティングを行なった。
【００７７】
このような解析の結果について、回帰直線を求めて比較する。すなわち、回帰直線を、Ｙ＝Ｍ０＋Ｍ１＊Ｘとして求めた場合（回帰直線は、図中破線参照）、傾きＭ１は、次のようになる。被験者Ｔ．Ｏの場合、行動状態（右側）では-1.1147、安静状態（左側）では-1.0275であった。また、図１３（Ｂ）に示されるように、被験者Ｋ．Ｓの場合、行動状態では-1.1142、安静状態では-1.0397であった。このように、被験者の回帰直線の傾きを比較すると、行動状態（右側）の方の傾きが、安静状態（左側）より、常に大きくなっている。この傾向はすべての被験者に見られた。すなわち、行動量が多い時には、周波数とパワースペクトルの関係における回帰曲線の傾きが大きくなることが分かる。
【００７８】
行動量によって、以下の点を計測することができる。
（１）浴槽内での被検査者の行動強さの評価から、動いているかどうかがわかる。
（２）一般的に入浴中にはマッサージや顔洗いなどの行動を行うが、その頻度や強さを評価できる。
（３）逆に、浴槽内で失神して被検査者が動かなくなっている場合には、パワースペクトラムの傾きが水平に近くなる。
（４）被検査者が水中に沈んでしまい、立ち上がれなくなりもがいている場合は、一時的に水面ゆらぎが非常に大きくなると考えられる。つまり、パワースペクトラムの傾きが強くなる。
（５）被検査者が精神的にひどく疲れている場合、浴槽内では動かない傾向がある。逆に、気分が良く、心身ともに快適なときは鼻歌を歌ったり、マッサージ運動を行う。そのため、パワースペクトルの傾きを計算すれば、被検査者のストレスを評価できる。
【００７９】
以上のように、本発明によると、動画像処理によって心拍数と呼吸数と行動量を計測できることがわかる。また、入浴中の水面ゆらぎには、心拍数、呼吸数及び行動量等の情報が含まれており、それらの計測が可能であることもわかる。また、安静座位状態における計測だけでなく、入浴中にマッサージなどの行動を行った場合でも心拍数と呼吸数を計測することは可能である。さらに、本発明によると、水面にゆらぎを与えるものに関しては、心拍、呼吸以外の生理量等の身体に関する情報や、身体に関する情報に限らず、例えば、機械的な振動等の水面にゆらぎを与える適宜の情報の測定に応用できる。さらに、本発明の応用としては、ダム、貯水池（湖）、港、プール等における水位監視や、酒、しょうゆ等の発酵製品の炭酸ガス発生状況（発砲状況の把握）等におけるゆらぎ監視等がある。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によると、水面に発生する波（水面ゆらぎ）にどのような情報が含まれるかを動画像計測・処理により解析・検討することができ、入浴中の人の行動を無拘束状態で評価することができる。
【００８１】
また、本発明によると、水面上の微小なゆらぎから水位変動まで高精度に計測可能とすること（広ダイナミックレンジ及び高精度）ができる。また、本発明によると、光源からの鏡面反射光をビデオカメラで撮影するだけであり、設置を簡単とすることができる。さらには、本発明によると、フローターなどを用いない非接触式とすることで（非接触計測法）、センサー部分を汚すことなく、メンテナンスを不要とすることができる。
【００８２】
さらに、本発明によると、入浴中の水面ゆらぎを完全な無拘束状態で計測するために、半導体レーザー光を水面に入射させ、その反射光を撮影し、動画像計測・処理により解析を行い、半導体レーザー光の反射像を撮影し、実画像ではなく処理データにより解析を行なうことにより、個人のプライバシーを保護することができる。また、本発明によると、一般家庭での諸生理量の無拘束計測を容易にすることができる。
【００８３】
さらに、本発明によると、空間フィルタ法、ＦＦＴについて並列計算システム等を用いることで、またはラインセンサアレイと電子回路による処理を用いることで、より高速でリアルタイム処理を可能とした測定装置を提供することができる。また、本発明によると、リアルタイム処理により、インターネットの普及を背景に、高齢化社会にも対応した在宅医療システムへの応用を可能とした測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水面ゆらぎ測定装置の構成図。
【図２】処理部におけるデータ処理のフローチャート。
【図３】空間フィルタの説明図。
【図４】平均パワースペクトルの時系列データの説明図。
【図５】測定装置の特性評価装置の構成図。
【図６】ピンポン球と水面との関係についての説明図。
【図７】周波数と強度との関係を表すパワースペクトルの説明図。
【図８】空間フィルタの波長を変えた場合の周波数と強度との関係を表すパワースペクトルの説明図。
【図９】ピーク強度とスピーカーへの入力電圧との関係についての説明図。
【図１０】心拍数及び呼吸数の計測装置の説明図。
【図１１】呼吸数及び心拍数のパワースペクトルの説明図。
【図１２】図１１の呼吸数に関する拡大説明図。
【図１３】周波数と強度との関係を対数で表したパワースペクトルの説明図。
【図１４】入浴状態の説明図。
【図１５】入浴状態と湯量との関係についての説明図。
【符号の説明】
１    光源部
２    受光部
３    録画部
４    処理部
５    表示部
６    壁面
７    浴槽
３１  記憶部
３２  データ処理部
３３  Ａ／Ｄ変換部
【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】
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【図８】
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【図９】
0003968192.tif 000021
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0003968192.tif 000024
【図１３】
0003968192.tif 000025
【図１４】
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【図１５】
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