LIFE2014 2014 年 9 月 24 日－26 日 北海道

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Kinect を用いた非接触呼吸計測システムの低呼吸数測定実験
Experiment on Kinect-based non-contact respirometry for slow respiration measurement○ 大西謙吾（東電大）金子周平（東電大）Kengo OHNISHI, Shuhei KANEKO, Tokyo Denki University
Abstract: In this research a respirometry using the depth sensor of the Kinect is tested for the application of quantitativeevaluation and recording of adominal position care for bedridden patient with cerebral infarction afteraffect. An experiment
was conducted with a prototype system consisting of Kinect, laptop PC, and tripod to assess the measurement accuracy ofrespiratory rate when the subject is in the supine position. From the experimental result gained from three subjects with nohistory of respiratory trouble, the system was capable of measuring the fluctuation of the depth information related to thethoracic region’s movement and counting the peak-to-peak cycle. The results showed that there was no notable deviation
between the abdominal and dorsal posture or with the use of bedclothes. However, with the peak-to-peak amplitudedetection algorithm, the decrease of the respiratory rate has increased false positives due to detection of small fluctuation
among the expiration and inspiration cycles.
Key Words: Respirometry, Kinect, Slow respiration
1. はじめに脳梗塞等の後遺症として四肢麻痺により筋緊張が強く，座位姿勢が不可能でベッド上長期臥床で過ごす患者を対象としたケアに腹臥位療法がある．腹臥位療法では，仰臥位中心の生活に目的意識的に腹臥位あるいは半腹臥位を組み込むものであり，その効果として呼吸機能改善，関節・筋機能改善，排泄機能改善・精神機能改善等がある．しかし，姿勢変換効果の根拠の不明確さや姿勢調整の評価法が定まっていないことから，臨床現場でケアする側の経験に依存した療法であり，普及や継続が十分に図られているとは言い難い．そこで本研究では，看護師と患者にとって拘束もなく，また手間の少ない手法として非拘束の呼吸モニタリング技術を開発し，仰臥位と腹臥位の各姿勢での呼吸数を計測，記録することで，ケアの評価を支援するシステムの構築を目指す．従来研究で提案された非拘束呼吸モニタリ
ング技術の多くは，生命維持装置の一環とした高精度高価なシステムであることから，研究，記録用のツールとしては使用が容易ではない．そこで，本研究では，基礎実験として簡易で安価な非接触３次元動作解析システムである
Kinect を用いる可能性の検証として，ベッド上で体動の少ない低呼吸数時での測定確度を実験により調査した．
2. システム
本研究では，無拘束かつ非接触での呼吸計測を比較的安価なシステムで実現することで，患者ならびに看護師の負担を増加させることなく，腹臥位療法のケアの定量的評価記録を目的とする．このため Microsoft Kinect for Windows，ノート PC（Panasonic Let’s Note CF-S10 (OS: Windows764bit, CPU: Core i5 2.60GHz, メモリ: 4GB)，三脚（GITZO,G312）の構成で深度情報（奥行き距離）を測る呼吸計測システムを構築した．Kinect の深度センサは 30[FPS]で画像を取得し，深度情報を算出することから，これを時系列データとしてファイル出力，記録し，オフラインで呼吸数を算出するアルゴリズムを作成した．
構築した呼吸計測システムの測定範囲の予備実験として，Kinect の取り付け面角度と Kinect-被写体間距離を変え，100秒間の深度情報を記録した．床に仰臥位の姿勢にある被験者の胸部を対象として，記録した深度情報の時系列データを波形信号 と して処理し，別のビデオ カメラ（ SANYO,

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DMX-CG100）で撮影した動画で確認された呼吸のタイミングとの整合性を確認した．さらに，計測した深度情報から平均値と最大振幅を算出し，この比を比較した．結果，
仕 様 を 満 た す よ う に 距離は 0.8m か ら 2.5m， 角 度 は±60[deg]より小さい範囲において，深度情報の偏差は差がな
く呼吸による体動を測定できることを確認した．
3. 実験
体動の小さく呼吸数が少ない脳梗塞後遺症長期臥床患者を目標対象とし，Kinect を用いた呼吸計測システムの計測確度の検証と評価を，まずは健常者で指定したリズムで呼吸を行い測定する．このため，基礎実験として仰臥位および腹臥位における通常呼吸時と低呼吸数時の呼吸数をKinect にて測定し，作成した簡易な判別アルゴリズムでのシステムの呼吸数計測能力を評価する．
予備実験で確認した条件をもとに，計測環境は，Kinectを Near モードに設定し，Kinect-被写体間距離 2.4[m]，垂直方向に対し Kinect の取り付け水平面の角度を 45[deg]の設定とした．さらに，室内蛍光灯照明の下で実験を行い，Kinect の焦点位置は仰臥位においては胸腹部の胸骨上，腹臥位においては背部胸椎上の点とした．被験者に依頼する
測 定 時 の 呼 吸 数 の 目 安 は ， 電 子 メ ト ロ ノ ー ム （ SEIKO,DM71）により音で提示する．その設定テンポは通常呼吸時として 15[BPM]，低呼吸数時として 5[BPM]とした．さ
らに，臨床現場での寝具装着を想定し，臥位姿勢で上面の焦点位置までタオルケットをかけて測定を行った．また，指定する呼吸数は実験開始前に 3 分間呼吸リズムに慣れる期間を設け練習した後，臥位の姿勢をとり呼吸が整ってから開始した．なお，本実験は東京電機大学ヒト生命倫理委
員会の審査で承認を受け，実験は被験者に実験内容を説明し，参加同意を得たうえで進めた．
記録された深度情報の時系列データをもとに，オフラインで呼吸数を算出した．3000 [frame]分の深度情報の時系列データから体動の波形が再現できていることを確認しつつ間引きの設定を定め，計 100 データを抽出した．そして得られた深度情報の波形の最高最低振幅を算出し，これをもとに，波形信号の極大－極小値間の差を用いて１呼吸サイクルの判定を行い，呼吸数を求めた．

4. 結果・考察
設定した実験条件の組み合わせにおいて，成人健常者 3名の被験者に対し，各条件 2 回，各回 100 秒間で測定を行った．各被験者の電子メトロノームの設定 15[BPM]時における仰臥位と腹臥位の呼吸数算出結果の平均をそれぞれTable 1，Table 2 に，5[BPM]時における仰臥位と腹臥位の呼吸数算出結果の平均をそれぞれ Table 3，Table 4 に示す．さらに各被験者の電子メトロノームの設定 15[BPM]時に寝具を被せた状態での仰臥位と腹臥位の呼吸数算出結果の平均をそれぞれ Table 5，Table 6 に示す．また，算出結果をもとに 1 分間当たりの呼吸数を求めた．
まず，仰臥位と腹臥位の結果比較すると，顕著な差はないといえる．これから臥位の姿勢が測定精度に及ぼす影響は小さいと言える．また，呼吸数に相当する電子メトロノームの設定テンポで比較すると，通常呼吸時の 15[BPM]での結果の偏差は 0.4[BPM]と小さいのに対し，低呼吸数時の5[BPM]では偏差が 3.0[BPM]と大きいことが確認された．
これは呼吸数の減少によりピーク間が長くなった結果，小さな体動が呼吸として誤判定され，結果として呼吸数が増える結果となったと推察される．さらに，寝具をかけた場合の偏差は 0.8[BPM]と通常呼吸時では増えてはいるものの顕著ではなく，個体差の影響を受けたものと推察される．
このことより，通常呼吸数より低い呼吸数の条件下で測定確度の追加検証は必要であるものの，Kinect の深度センサを用いて脳梗塞後遺症長期臥床患者の呼吸計測は実現可能であることが示唆された．さらに，呼吸数の計測確度を向上させるには，深度情報の時系列データから呼吸数を算出する方法の改良が最優先課題であることも確認された．また，本実験では，呼吸のテンポを一定に保った状態で測定しているが，この周期に関する分析，考察を行っておらず，今後精度検証が必要である．このことも含め，測定データのデジタルフィルタによる遅延の小さい平滑化処理法の追加なども検討したい．また，本実験では被験者数が 3 名のみ，また 20 代の健常者であったことから，被験者数の追加ならびに他の年代の被験者でも実験が必要である．
5. まとめ脳梗塞後遺症長期臥床患者に対する腹臥位療法のケアの定量的評価と記録を目的として Kinect を用いた呼吸計測システムの構築を目標とし，試作したシステムにて呼吸数計測の基礎実験を行った．健常者 3 名の実験結果からは，臥位姿勢や寝具の有無の影響は小さいことが確認されたものの，現呼吸数判定法は，呼吸数が小さくなると呼吸数の判定確度が低下する問題が確認された．今後は呼吸数算出法を改め，更に実験を重ね低呼吸数での確度向上を目指す．
参考文献(1) 大宮裕子，岩淵恵子，白鳥愛子，高木由紀子，腹臥位が困難な対象者に腹臥位用マットを作成して，ヒューマン・インタフェース学会研究報告集, Vol.14, No.5,
pp.5-8, 2012
(2) Y. Takemura, J. Sato and M. Nakajima, A respiratory
movement monitoring system using fiber-grating vision
sensor for diagnosing sleep apnea syndrome, Opticalreview, Vol.12, No.1, pp.46-53, 2005
(3) 青木義満，倉見義幸，伊東裕司，名取道也，大関和夫，
FG視覚センサを用いた非接触新生児呼吸モニタリン
グシステムの開発, 気学会論文誌, Vol.130, No.9, 2010

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Dis placement [mm]LIFE2014 2014 年 9 月 24 日－26 日 北海道

15[BPM] Dorsal posture

15[BPM] Abdominal posture5[BPM] Dorsal posture5[BPM] Abdominal posture1210864
20-2-4-6-8-10-120102030

405060708090100

Period [%]Fig. 1. Experimental result of the posture and respiratory

condition
Table 1. Result of respiratory rate 15[BPM] (Dorsal posture)Time
Respiratory Respiratory rate per[sec]rate [count]
minute [count/min]Examinee A
100
2515
Examinee B
100
24.5
14.5
Examinee C
100
26.5
15.5
Table 2. Result of respiratory rate 15[BPM] (Abdominalposture)Time
Respiratory Respiratory rate per[sec]rate [count]
minute [count/min]Examinee A
100
2515
Examinee B
100
25.515
Examinee C
100
29.5
17.5
Table 3. Result of respiratory rate 5[BPM] (Dorsal posture)Time
Respiratory Respiratory rate per[sec]rate [count]
minute [count/min]Examinee A
100
116.5
Examinee B10013.58
Examinee C
100
22.5
13Table 4. Result of respiratory rate 5[BPM] (Abdominalposture)Time
Respiratory Respiratory rate per[sec]rate [count]
minute [count/min]Examinee A
100
11.5
6.5
Examinee B
100
116
Examinee C
100
24.5
14.5
Table 5. Result of respiratory rate 15[BPM] with Bedclothes(Dorsal posture)Time
Respiratory Respiratory rate per[sec]rate [count]
minute [count/min]Examinee A
100
2615.5
Examinee B
100
25.5
15
Examinee C
100
2816.5
Table 6. Result of respiratory rate 15[BPM] with Bedclothes(Abdominal posture)Time
Respiratory Respiratory rate per[sec]rate [count]
minute [count/min]Examinee A
100
25.5
15
Examinee B
100
26.5
15.5
Examinee C
100
29.5
17.5