【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、寝台あるいは寝具に在床しているか、離床しているか検出するとともに、在床時における生体信号強度レベル低下を検知する生体信号検出方法、並びに就寝状態判定方法及び就寝状態監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高齢者あるいは介護を要する人もしくは入院患者などに対して、同居する家族や看護人あるいは病院施設等の看護士が高齢者あるいは患者の健康状態に気を配りつつ介護もしくは看護を行っているが、健康状態を監視するために常に付き添っていることは困難である。
【０００３】
高齢者と同居している家族が、高齢者の健康状態や挙動を把握するには、頻繁に高齢者が在室している部屋に見に行く必要がある。また、介護施設や病院の夜間における患者の健康状態を把握することは、定期的な見回りなどで対処するしかなく、実際的には見回りに人手を割くことは難しいという現状がある。さらに病院などでは、患者に異常が発生した場合に、患者自身がベッドに備え付けられているブザーで連絡するのが唯一の方法であり、患者自身がブザーを用いて連絡することができないような状態に陥った場合には、役に立たない。また、独居高齢者の場合には付き添う人もなく、健康状態を把握することは不可能である。
【０００４】
ベッドに在床している高齢者や患者に身体上の異常が起きた場合に、そのまま長時間放置されると、生命の危険も生じかねない。そこで患者の生活状態や健康状態を常にモニタできる監視装置が求められている。
【０００５】
患者の健康状態をモニタするには、患者に身体的および精神的な負担をかけずに行うことが望ましく、無侵襲でモニタできる装置が必須となる。
【０００６】
本発明人は特開平１１−１９０５６号公報において、被験者の下に敷いたエアマットとその内部圧力を検出する微差圧センサにより、被験者の心拍に起因する振動を無侵襲で検出し、その信号から被験者の心拍信号や呼吸信号を検出する方法をすでに提案している。
【０００７】
また、特開２００２−５８６５３号公報において、被験者の下に敷いたエアチューブとその内部圧力を検出する微差圧センサにより、被験者の心拍に起因する振動を無侵襲で検出し、その信号から被験者の心拍信号や呼吸信号を検出する装置を提案している。
【０００８】
また、寝台あるいは寝具に人が在床しているか判定する方法として、特開平５−１９２３１５号公報には、寝台あるいは寝具にエアマットを敷設し、人の体動および寝返り等によって発生するエアマットの圧力変化を検知することにより、在床あるいは離床の判定を行う方法が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特開平５−１９２３１５号公報に開示されている在床および離床の判定を行う方法では、在床中であること、あるいは離床していることを知ることはできるが、在床中の被験者がどのような生活状態や健康状態であることを知ることはできない。
【００１０】
また、本発明人が特開平１１−１９０５６号公報および特開２００２−５８６５３号公報において開示している心拍信号や呼吸信号を抽出する方法では、微細な信号の検出であるために、信号を検出するのに要する手間がかかり、かつ寝返りなどの過大な信号が入力すると一時期信号が検出することが不能となることがあり、連続性の点で問題がある。
【００１１】
本発明は上記問題点を鑑み、連続的に生体信号強度の検出が可能であるとともに在床、離床の判定を行うことができる生体信号検出方法、並びに就寝状態判定方法及び就寝状態監視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】
第１の発明は、生体信号測定方法であって、横臥する被験者の呼吸や心拍などの生体信号を検出する無侵襲センサと、被験者が配置された環境内のノイズを検出する環境ノイズセンサとを設け、これらのセンサの出力信号強度から生体信号の強度を測定することを特徴とする。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明の生体信号測定方法であって、さらに前記無侵襲センサの信号強度と環境ノイズセンサの信号強度との差を求め、この信号強度差から生体信号の強度を測定することを特徴とする。
【００１４】
第３の発明は、第１および第２の発明の生体信号測定方法であって、前記無侵襲センサの出力信号および環境ノイズセンサとの出力信号を自動利得制御（ＡＧＣ）手段により所定の範囲の大きさに制御し、その際の制御回路における信号ゲインの値から得られるパラメータを前記信号の出力信号強度として出力して生体信号強度を算出することを特徴とする。
【００１５】
第４の発明は、第１の発明の生体信号測定方法であって、前記無侵襲センサの大きさが所定範囲を超えている時間が一定時間以上になった場合、被験者による体動があると判定することを特徴とする。
【００１６】
第５の発明は、就寝状態監視方法であって、横臥する被験者の呼吸や心拍などの生体信号を検出する無侵襲センサと、被験者が配置された環境内のノイズを検出する環境ノイズセンサと、被験者の離床を検出する離床センサとを設け、前記離床センサの出力および前記無侵襲センサの出力と環境ノイズセンサとの出力とから生体信号の強度を求めることで、在床／離床、生体信号低下及び停止、あるいは体動の発生など就寝状態の監視を行うことを特徴とする。
【００１７】
第６の発明は、第５の発明の就寝状態監視方法であって、前記無侵襲センサの信号強度と前記環境ノイズセンサの信号強度との差を求め、この信号強度差から生体信号強度を求めることを特徴とする。
【００１８】
第７の発明は、第５および第６の発明の就寝状態監視方法であって、前記無侵襲センサの出力信号および環境ノイズセンサとの出力信号を自動利得制御（ＡＧＣ）手段により所定の範囲の大きさに制御し、その際の制御回路における信号のゲインの値から得られるパラメータを前記信号の出力信号強度として出力して生体信号強度を算出することを特徴とする。
【００１９】
第８の発明は、就寝状態監視装置であって、横臥する被験者の生体信号および体動を検出する無侵襲センサと、被験者が配置された環境内のノイズを検出する環境ノイズセンサと、被験者の離床を確認する離床センサと、前記無侵襲センサ及び環境ノイズセンサの出力から各々の信号強度を演算する信号強度演算手段と、前記複数の強度信号あるいは前記複数の強度信号から算出されるパラメータを用いていることで在床／離床、生体信号低下及び停止などを判定する就寝状態判定手段とを備えることを特徴とする。
【００２０】
第９の発明は、第８の発明の就寝状態監視装置であって、さらに前記無侵襲センサや環境ノイズセンサの出力から得られた信号強度の差を演算する信号差演算手段を備え、前記就寝状態判定手段において前記信号差演算手段の出力を用いて被験者の就寝状態を監視することを特徴とする。
【００２１】
第１０の発明は、第８の発明の就寝状態監視装置であって、さらに前記無侵襲センサの出力から体動を検出する体動検出手段を備え、前記就寝状態判定手段において前記体動検出手段の出力を用いて体動の発生を監視することを特徴とする。
【００２２】
第１１の発明は、第１０の発明の就寝状態監視装置であって、前記体動検出手段は、無侵襲センサの出力の大きさが所定範囲を超えている時間が一定時間以上になった場合、被験者による体動があると判定することを特徴とする。
【００２３】
第１２の発明は、第８の発明の就寝状態監視装置であって、前記信号強度演算手段は、前記無侵襲センサの出力信号および環境ノイズセンサとの出力信号を自動利得制御（ＡＧＣ）手段により所定の範囲の大きさに制御し、その際の制御回路における信号のゲインの値から求めることを特徴とする。
【００２４】
第１３の発明は、第８の発明の就寝状態監視装置であって、前記無侵襲センサは、微小な圧力を検出するコンデンサマイクロフォンと、これに接続された中空で弾性のあるチューブまたは中空部の径より細い芯線を装填した中空で弾性のあるチューブから成ることを特徴とする。
【００２５】
第１４の発明は、第８の発明の就寝状態監視装置であって、前記離床センサは荷重を検出するセンサであることを特徴とする。
【００２６】
第１５の発明は、第８の発明の就寝状態監視装置であって、前記離床センサは赤外線センサであることを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図をもって詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態にかかる無侵襲で生体信号を検出し、生体信号の強度を演算し、その出力でもって生体信号の有無および在床／離床などの就寝状態の判定を行う流れを示すブロック図である。なお、図１（ｂ）は図１（ａ）の矢印方向から見た一部断面図である。
【００２８】
無侵襲センサ１は微差圧センサ１ａと圧力検出チューブ１ｂとから成り、寝台１６上に配置される。図１に示すように圧力検出チューブ１ｂは数回折り返すことによって圧力を検出することが可能な寝具上の範囲を広くとるようにしている。
【００２９】
図１に示すように圧力検出チューブ１ｂは寝台８上に敷かれた硬質シート９の上に配置され、その上に弾性を有するクッションシート１０が敷かれており、さらにその上には、図では示さないが被験者が横臥するためのふとん等の寝具が敷かれる。なお、圧力検出チューブ１ｂは、クッションシート８などに組み込んだ構成にすることにより、圧力検出チューブ１ｂの位置を安定させる構造としてもよい。
【００３０】
環境ノイズセンサ２は、微差圧センサ２ａと圧力検出チューブ２ｂとからなり、寝台８に近接して設置されかつ被験者および被験者が横臥する寝台８に触れないように配置することで、被験者の生体活動に起因しない振動を検出するセンサである。この環境ノイズセンサ２の出力と無侵襲センサ１との出力を比較することにより、被験者の生体活動に起因しない振動をノイズ分として補正することが可能となる。
【００３１】
微差圧センサ１ａおよび環境ノイズセンサ２ａは、微小な圧力の変動を検出するセンサであり、本実施例では、低周波用のコンデンサマイクロホンタイプを使用するが、これに限るものではなく、適切な分解能とダイナミックレンジを有するものであればよい。
【００３２】
本実施例で使用した低周波用のコンデンサマイクロフォンは、一般の音響用マイクロフォンが低周波領域に対して配慮されていないのに引き替え、受圧面の後方にチャンバーを設けることによって低周波領域の特性を大幅に向上させたものであり、圧力検出チューブ１ｂ内の微小圧力変動を検出するのに好適なものである。また、微小な差圧を計測するのに優れており、０．２Ｐａの分解能と約５０Ｐａのダイナミックレンジを有し、通常使用されるセラミックを利用した微差圧センサと比較して数倍の性能を持つものであり、生体信号が体表面に通して圧力検出チューブ１ｂに加えた微小な圧力を検出するのに好適なものである。また周波数特性は０．１Ｈｚ〜１０Ｈｚの間でほぼ平坦な出力値を示し、心拍および呼吸数等の微少な生体信号を検出するのに適している。
【００３３】
無侵襲センサ１の圧力検出部となる圧力検出チューブ１ｂは、生体信号の圧力変動範囲に対応して内部の圧力が変動するように適度の弾力を有するものを使用する。また圧力変化を適切な応答速度で微差圧センサ１ａに伝達するためにチューブの中空部の容積を適切に選ぶ必要がある。圧力検出チューブ１ｂが適度な弾性と中空部容積を同時に満足できない場合には、圧力検出チューブ１ｂの中空部に適切な太さの芯線をチューブ長さ全体にわたって装填し、中空部の容積を適切にとることができる。また、圧力検出チューブ１ｂに適切な太さの芯線を装填することにより、チューブが完全に潰れて微差圧センサ１ａに圧力変化を伝達することができなくなる不具合を防ぐことができる。
【００３４】
離床センサ１１は、被験者が寝台８に離床しているかの確認を補助するセンサであり、図１では荷重を検出するテープスイッチを寝台８の全幅にわたって配置した例を示している。このテープスイッチ上に被験者の身体がかかった場合には、テープスイッチがオンになり、無負荷の場合にはオフになるように設定されている。
【００３５】
図２は、離床センサ１１に赤外線センサを用いた例を示しており、発光部１１ａからでた赤外線は受光部１１ｂで受光するように配置することにより、被験者が寝台横臥した場合には赤外線センサがオン、被験者がいない場合にはオフになるように設定されている。
【００３６】
自動利得制御部３、３′では、無侵襲センサ１および環境ノイズセンサ２の出力をローパスフィルター（約２５Ｈｚ以下）を通し、生体信号を得る。この生体信号を所定の信号レベルの範囲に入るように自動的にゲイン制御を行ういわゆるＡＧＣ回路であり、この際のゲインの値を信号強度演算部４、４′に出力する。本実施例のゲイン制御は、図４に示すような信号のピーク値が上限閾値を超えた場合に出力信号の振幅が小さくなるようにゲインを設定し、ピーク値が下限閾値を下回った場合に振幅が大きくなるようにゲインを設定する。また、所定の信号レベル制御されたそれぞれの出力信号は、就寝状態判定制御部７に送られる。
【００３７】
信号強度演算部４、４′では、自動利得制御部３、３′において無侵襲センサ１および環境ノイズセンサ２の出力に施したゲイン制御の係数から演算して信号の強度を演算する。上述のＡＧＣ回路から得られるゲインの値は信号の大きさが大なるときには小さく、また信号の大きさが小なるときは大きく設定されるために、ゲインの値を用いて信号強度を示すには、ゲインの値と反比例するように信号強度を示す関数を設定するようにするのがよい。
【００３８】
ＤＩＦ演算部５においては、上述のような手順を経て得た無侵襲センサ１および環境ノイズセンサ２の出力信号強度の差をとる。その結果環境ノイズを排除した生体信号の信号強度が得られる。
【００３９】
一方、無侵襲センサ１の出力値が自動利得制御の上限を超えることが所定時間内に継続して起こる場合には、寝返りなどの体動があったと考えられる。体動検出演算部６では、無侵襲センサの出力が上限を超える時間を監視することにより、体動を検出する。
【００４０】
就寝状態判定制御部７は、信号強度演算部４、４′、ＤＩＦＦ演算部５、体動検出演算部６および離床検出センサの出力から生体信号の有無ならびに被験者の在床／離床の判定を行う判定部である。
【００４１】
次に生体信号の強度を測定する方法ならびに生体信号の有無並び在床／離床の判別を行う方法について説明する。
【００４２】
本発明の実施の形態では、被験者が横臥している状態でその身体の下に配置されている圧力検知チューブ１ｂの圧力変化を検知することにより、生体信号を検出している。そのために寝具に伝わる被験者に起因しない振動、例えば室内を流れる風の影響や室内の被験者以外の歩行などによる振動あるいは室外の交通や工事などの振動があると、その振動が圧力検知チューブ１ｂに重畳される結果となり、無侵襲センサのみでは正確な生体信号の強度を検出することができないという問題がある。
【００４３】
そこで、本発明の生体信号測定方法では、生体信号を検出する無侵襲センサ１とは別に、寝具の周りにある振動を検出する環境ノイズセンサ２を設けて、この環境ノイズセンサ２の出力を用いて無侵襲センサの信号を補正することにより、正確な生体信号強度の測定を実現している。
【００４４】
環境ノイズセンサ２を用いた補正は、ＤＩＦ演算部５において次のように行われる。まず、無侵襲センサ１の信号強度の、一定時間の移動平均Ａａを求める。同様に環境ノイズセンサ２の信号強の、一定時間の移動平均Ｂａを求める。このときの移動平均を求める時間は、それぞれ５秒、１５秒程度に設定する。
【００４５】
次いで無負荷時、即ち被験者が寝具に在床していない状態での無侵襲センサ１と環境ノイズセンサ２との信号強度の移動平均の差Ｃａ＝（Ａａ−Ｂａ）をあらかじめ演算しておく。この２つの信号の差Ｃａは、無負荷、すなわち被験者が在床していない直近の時点の値を求めておくものとする。生体信号強度ＤＩＦを次の式（Ａ）により定める。
ＤＩＦ＝Ａａ−Ｂａ＋Ｃａ （Ａ）
生体信号強度ＤＩＦの値は、Ｆ（１００）を最大とし、Ｆ（５０）であれば、Ｆ（１００）の５０％の強度であることを示すものとする。
【００４６】
図３は、就寝状態判定制御部７における生体信号の有無の判定手順を示すフロー図である。開始直後は生体信号「無し」と設定しておき、Ａａ、Ｂａ、Ｃａのデータを取込み、生体信号強度を式（Ａ）により演算する。Ｆ（３０）より大であるならば生体信号「有り」と判定する。Ｆ（３０）以下の場合には、生体信号が無いと判定する。
【００４７】
次いで再びＡａ、Ｂａ、Ｃａのデータを取込み、生体信号強度を式（Ａ）により演算し、Ｆ（２０）より小さければ、生体信号「無し」と判定してフローの先頭に戻る。Ｆ（２０）以上であれば、次の式（Ｂ）の演算を行う。ここで、ＣＡは、無侵襲センサ１と環境ノイズセンサ２との信号強度の移動平均の差Ｃａの絶対値であり、Ｌは判定の安全を考えて付加した定数である。
Ａａ〈Ｂａ−ＣＡ−Ｌ （Ｂ）
式（Ｂ）が成立するならば、「測定不能」と判定する。一方、式（Ｂ）が成立しない場合は、生体信号「有り」と判定する。
【００４８】
本実施例では、生体信号の有無に判定に、ＤＩＦのＦ（３０）を閾値として用いているが、年齢差、個人差あるいは体調に応じてこの閾値を変更することができる。
【００４９】
図４は在床から離床への変化、あるいは生体信号の有無および在床／離床の変化を判定するためのフロー図である。即ち被験者が寝具上にいるか、それとも寝具から離れているか、あるいは、寝具上にいる場合であれば生体信号の停止などの異常を監視するものである。
【００５０】
判定開始直後は「離床」と設定しておき、Ａａ、Ｂａ、Ｃａのデータを取込み、生体信号強度ＤＩＦを式（Ａ）により演算する。離床センサ１１として用いられているテープスイッチがオンであって、さらに生体信号強度ＤＩＦの値がＦ（３０）より大であれば、被験者が寝具８に在床していて、なおかつ生体信号が検出されることが確認される。即ち「在床」と判定される。
【００５１】
上述のように在床が確認されたならば、再びＡａ、Ｂａ、Ｃａのデータを取込み、生体信号強度ＤＩＦを式（Ａ）により演算する。
【００５２】
生体信号強度ＤＩＦの値がＦ（２０）より小であれば、離床センサ１１の出力を確認する。離床センサ１１の出力がオフであれば、所定の重みが寝具にはかかっておらず、被験者は離床したと判定し、フロー図の先頭に戻る。一方、離床センサ１１の出力がオンであると、被験者が在床しているにもかかわらず生体信号強度ＤＩＦの値がＦ（２０）より小さいという低いレベルであり、生体信号の停止と判定され、被験者に異常が発生したと判定される。その際には警報装置１２によりアラームが発され、予め定められた人あるいは機関や部署などに通報される。
【００５３】
生体信号強度ＤＩＦの値がＦ（２０）以上であれば、上述の式（Ｂ）が成立するか判定し、成立すれば測定不能と判定する。上述の（Ｂ）式が成立しない場合には、在床と判定し、判定を続行する。
【００５４】
図６は、本発明の生体信号強度測定方法および就寝状態判定方法を用いて実際に測定した出力のグラフである。ここで図６（ａ）は無侵襲センサ信号のＡＧＣ出力波形であり、図６（ｂ）は環境センサ信号のＡＧＣ出力波形であり、同時に測定されている。グラフの横軸は時間、縦軸は出力レベルを示している。ＡＧＣ出力波形は無侵襲センサ１および環境センサ２の出力をＡＧＣ制御により一定レベル以内の振幅の信号に整形した信号波形である。
【００５５】
図６（ｃ）は無侵襲センサ１の信号強度を信号強度演算部４で求めた信号強度Ａａのグラフであり、図６（ｄ）は環境センサ２の信号強度を信号強度演算部４´で求めた信号強度Ｂａのグラフである。縦軸は、信号強度であり、最大値が１となるように正規化されている。
【００５６】
図６（ｅ）はＤＩＦ演算部５において演算された無侵襲センサ１の信号強度と環境センサ２の信号強度とから式（Ａ）により求めたＤＩＦ信号であり、環境の被験者に起因しない振動を排除した生体信号強度とみなすことができる。
【００５７】
図６（ｆ）は、図３のフロー図にしたがって判定を行った結果を示す生体信号有無判定である。「１」であれば生体信号があると判定されている。さらに、離床センサ１１の出力を合わせることにより、図４のフロー図にしたがって被験者の離床および在床の判定ならびに被験者の異常を監視することができる。
【００５８】
以上で説明したように、本発明によれば在床／離床、生体信号の強度および寝返りなどの体動の有無を無侵襲に監視することができるので、被験者の生体信号の停止など、異常の検出は言うまでもなく、上記の被験者の情報を継続的に記録することにより被験者の寝返りなどを含んだ就寝パターンや在床／離床などの生活パターンを知ることとなり、被験者の生活状態を確認することも可能となる。また、これらの情報を遠隔地にいる近親者や主治医などに送信することにより、生活パターンとしての健康管理の一助とすることも可能である。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の生体信号強度測定方法によれば、生体信号の検出手段として被験者に無侵襲センサを用いているため、通常の生活をする際に何らの身体的負担をかけることが無く、抵抗無く使用できるとともに、被験者に起因しない環境ノイズセンサを用いて同時に環境内のノイズを測定することで正確な生体信号の強度測定を実現している。
【００６０】
また、この生体信号強度測定方法を用いる就寝状態判定方法および就寝状態判定装置では、被験者の寝具からの離床および寝具上に在床していること、および被験者の健康上の以上を監視し、看護人や家族に通報することができる。
【００６１】
その結果、高齢者を被験者とすれば、異常があった際に同居している家族に、直ちに通報されるために、高齢者の様子を頻繁に見に行く必要がなく、また、在床しているか否かの情報も得ることができる。さらに同居人のいない独居高齢者の場合には、遠隔地に情報を送るようにすれば、遠隔地において監視することも可能である。
【００６２】
また、本発明を病院や老人ホーム等の施設で用いれば、看護士や看護人の負担の軽減あるいは、巡回の労力を軽減する効果をもつ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる無侵襲で生体信号を検出し、この検出信号を用いて生体信号を検出する流れを示すブロック図である。
【図２】離床センサの別な実施例を示す平面図である。
【図３】生体信号の有無を判定する手順を示すフロー図である。
【図４】在床状態および離床状態を判定する手順を示すフロー図である。
【図５】ＡＧＣ回路におけるゲインの設定方法を説明する説明図である。
【図６】本発明の実施例により実際に出力したグラフである。
【符号の説明】
１ 無侵襲センサ（圧力検出手段）
１ａ 微差圧センサ
１ｂ 圧力検出手段
２ 環境ノイズセンサ
３、３′ 自動利得制御部（ＡＧＣ）
４、４′ 信号強度演算部
５ ＤＩＦ演算部
６ 体動検出演算部
７ 就寝状態判定制御部
８ 寝台
９ 硬質シート
１０ クッションシート
１１ 離床センサ（テープセンサ）
１１ａ 離床センサ（赤外線センサ発光部）
１１ｂ 離床センサ（赤外線センサ受光部）
１２ 警報装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a biological signal detection method for detecting whether a bed or bedding is on the bed or leaving the bed, and detecting a decrease in the biological signal strength level when the bed is on the bed, a sleeping state determination method, and a sleeping state monitoring device. .
[0002]
[Prior art]
Family members, nurses, or nurses at hospital facilities provide care or nursing care for the elderly or patients requiring care or hospitalized patients while paying attention to the health of the elderly or patients. It is difficult to stay with you to monitor your health.
[0003]
In order for families living with the elderly to understand the health and behavior of the elderly, it is necessary to frequently go to the room where the elderly are. Also, grasping the health status of patients at night in nursing homes and hospitals can only be dealt with by regular patrols and the like, and there is a current situation in which it is difficult to actually dedicate human resources to patrols. Furthermore, in hospitals, etc., if the patient has an abnormality, the only way to contact the patient using the buzzer provided in the bed is when the patient cannot use the buzzer to contact the patient. If it falls, it is useless. In addition, in the case of the elderly living alone, there is no person to attend, and it is impossible to grasp the state of health.
[0004]
If an elderly person or a patient who is in bed has a physical abnormality and is left unattended for a long time, it may cause a danger to life. Therefore, there is a need for a monitoring device that can constantly monitor the living condition and health condition of a patient.
[0005]
In order to monitor a patient's health condition, it is desirable to carry out the treatment without putting a physical and mental burden on the patient, and a device capable of non-invasive monitoring is essential.
[0006]
The inventor of the present invention disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-19056, non-invasively detecting vibration caused by the subject's heartbeat by using an air mat laid under the subject and a small differential pressure sensor for detecting the internal pressure of the subject. A method for detecting a subject's heart rate signal and respiratory signal has already been proposed.
[0007]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-58653, a vibration caused by a heartbeat of a subject is detected non-invasively by an air tube laid under the subject and a minute differential pressure sensor for detecting an internal pressure of the air tube. A device for detecting a heartbeat signal and a respiratory signal of the subject has been proposed.
[0008]
As a method for determining whether or not a person is on the bed or bedding, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-192315 discloses a method of laying an air mat on a bed or bedding, and controlling the pressure of the air mat caused by body movement and turning over of the person. There is disclosed a method of determining whether the user is in the bed or leaves the bed by detecting a change.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
According to the method of determining whether the person is in bed or leaving the bed disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-192315, it is possible to know that the person is in bed or that the person is leaving the bed. You cannot know what your living or health condition is.
[0010]
Further, the method of extracting a heartbeat signal and a respiratory signal disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 11-19056 and 2002-58653 by the present inventor detects a signal because a fine signal is detected. It takes a lot of time to perform the operation, and when an excessive signal such as turning over is input, it may not be possible to detect the signal for a while, and there is a problem in continuity.
[0011]
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a biological signal detection method capable of continuously detecting the intensity of a biological signal, and determining whether the user is asleep or getting out of bed, a sleeping state determination method, and a sleeping state monitoring device. The purpose is to do.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
A first invention is a biological signal measuring method, comprising: a non-invasive sensor for detecting a biological signal such as a respiration or a heartbeat of a lying subject; and an environmental noise sensor for detecting noise in an environment where the subject is placed. And measuring the strength of the biological signal from the output signal strength of these sensors.
[0013]
A second invention is the biological signal measuring method according to the first invention, further comprising obtaining a difference between the signal intensity of the non-invasive sensor and the signal intensity of the environmental noise sensor, and calculating the intensity of the biological signal from the signal intensity difference. It is characterized by measuring.
[0014]
A third invention is a biological signal measuring method according to the first and second inventions, wherein an output signal of the non-invasive sensor and an output signal of the environmental noise sensor are within a predetermined range by an automatic gain control (AGC) means. It is characterized in that the magnitude is controlled and a parameter obtained from the value of the signal gain in the control circuit at that time is output as the output signal strength of the signal to calculate the biological signal strength.
[0015]
A fourth invention is the biological signal measuring method according to the first invention, wherein when the time during which the size of the non-invasive sensor exceeds a predetermined range is equal to or longer than a predetermined time, a movement of the subject is detected. It is characterized by determining.
[0016]
A fifth invention is a sleeping state monitoring method, comprising: a non-invasive sensor for detecting a biological signal such as breathing or heartbeat of a lying subject; an environmental noise sensor for detecting noise in an environment where the subject is placed; A bed exit sensor for detecting the patient leaving the bed, and obtaining the strength of the living body signal from the output of the bed leaving sensor, the output of the non-invasive sensor, and the output of the environmental noise sensor, so that the presence / absence of bed / lowering of the living body signal is obtained. And monitoring a sleeping state such as stoppage or occurrence of body movement.
[0017]
A sixth invention is the sleeping state monitoring method according to the fifth invention, wherein a difference between a signal intensity of the non-invasive sensor and a signal intensity of the environmental noise sensor is obtained, and a biological signal intensity is obtained from the signal intensity difference. It is characterized by the following.
[0018]
A seventh invention is the sleeping condition monitoring method according to the fifth and sixth inventions, wherein the output signal of the non-invasive sensor and the output signal of the environmental noise sensor are controlled within a predetermined range by an automatic gain control (AGC) means. The signal is controlled to a magnitude, and a parameter obtained from a value of a gain of the signal in the control circuit at that time is output as an output signal strength of the signal to calculate a biological signal strength.
[0019]
An eighth invention is a sleeping condition monitoring device, which is a non-invasive sensor that detects a biological signal and a body motion of a lying subject, an environmental noise sensor that detects noise in an environment where the subject is placed, A leaving sensor for confirming leaving the bed, signal strength calculating means for calculating each signal strength from the outputs of the non-invasive sensor and the environmental noise sensor, and a parameter calculated from the plurality of strength signals or the plurality of strength signals. Sleeping state determination means for determining whether or not the user is in bed, leaving the living body signal, and stopping the living body signal.
[0020]
A ninth invention is the sleeping state monitoring apparatus according to the eighth invention, further comprising a signal difference calculating means for calculating a difference in signal strength obtained from an output of the non-invasive sensor or the environmental noise sensor. The state determining means monitors the sleeping state of the subject using the output of the signal difference calculating means.
[0021]
A tenth invention is the sleeping condition monitoring device according to the eighth invention, further comprising a body movement detecting means for detecting a body movement from an output of the non-invasive sensor, wherein the sleeping state determining means includes the body movement detecting means. Is characterized by monitoring the occurrence of body motion using the output.
[0022]
An eleventh invention is the sleeping state monitoring device according to the tenth invention, wherein the body movement detecting means is configured to perform the operation when the time during which the magnitude of the output of the noninvasive sensor exceeds a predetermined range is equal to or longer than a predetermined time. It is determined that there is a body motion by the subject.
[0023]
A twelfth invention is the sleeping state monitoring apparatus according to the eighth invention, wherein the signal strength calculating means controls an output signal of the noninvasive sensor and an output signal of the environmental noise sensor by an automatic gain control (AGC) means. The size is controlled within a predetermined range, and the value is obtained from the value of the signal gain in the control circuit at that time.
[0024]
A thirteenth invention is the sleeping state monitoring apparatus according to the eighth invention, wherein the non-invasive sensor includes a condenser microphone for detecting a minute pressure, and a hollow and elastic tube or hollow part connected to the condenser microphone. It consists of a hollow and elastic tube loaded with a core wire smaller than the diameter.
[0025]
A fourteenth invention is the sleeping state monitoring device according to the eighth invention, wherein the leaving sensor is a sensor that detects a load.
[0026]
A fifteenth invention is the sleeping state monitoring apparatus according to the eighth invention, wherein the leaving sensor is an infrared sensor.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a flowchart for detecting a biological signal in a non-invasive manner, calculating the strength of the biological signal, and determining the presence / absence of the biological signal and determining a sleeping state such as being in bed / out of bed, based on the output, according to the embodiment of the present invention. FIG. FIG. 1B is a partial cross-sectional view as viewed from the direction of the arrow in FIG.
[0028]
The non-invasive sensor 1 includes a small differential pressure sensor 1a and a pressure detection tube 1b, and is disposed on the bed 16. As shown in FIG. 1, the pressure detection tube 1b has a large area on the bedding in which the pressure can be detected by repeating several turns.
[0029]
As shown in FIG. 1, the pressure detection tube 1b is disposed on a hard sheet 9 laid on a bed 8, and an elastic cushion sheet 10 is laid thereon. Although not shown, bedding such as a futon for the subject to lie down is laid. The pressure detection tube 1b may have a structure in which the position of the pressure detection tube 1b is stabilized by incorporating the pressure detection tube 1b into the cushion sheet 8 or the like.
[0030]
The environmental noise sensor 2 includes a minute differential pressure sensor 2a and a pressure detection tube 2b. The environmental noise sensor 2 is installed close to the bed 8 and arranged so as not to touch the subject and the bed 8 on which the subject lies. It is a sensor that detects vibration that is not caused by activity. By comparing the output of the environmental noise sensor 2 and the output of the non-invasive sensor 1, it is possible to correct vibrations not caused by the subject's biological activity as noise.
[0031]
The minute differential pressure sensor 1a and the environmental noise sensor 2a are sensors that detect minute pressure fluctuations. In this embodiment, a low-frequency condenser microphone type is used, but the present invention is not limited to this. What is necessary is just to have a resolution and a dynamic range.
[0032]
The condenser microphone for low frequency used in the present embodiment replaces a general acoustic microphone with respect to the low frequency region, and provides a chamber behind the pressure receiving surface to reduce the characteristics of the low frequency region. This is a greatly improved one, and is suitable for detecting minute pressure fluctuations in the pressure detection tube 1b. In addition, it is excellent for measuring a small differential pressure, has a resolution of 0.2 Pa and a dynamic range of about 50 Pa, and has several times the performance of a micro differential pressure sensor using a ceramic that is usually used. This is suitable for detecting minute pressure applied to the pressure detection tube 1b by passing a biological signal through the body surface. The frequency characteristic shows a substantially flat output value between 0.1 Hz and 10 Hz, and is suitable for detecting minute biological signals such as heart rate and respiratory rate.
[0033]
The pressure detection tube 1b serving as the pressure detection unit of the non-invasive sensor 1 has an appropriate elasticity so that the internal pressure fluctuates according to the pressure fluctuation range of the biological signal. Further, in order to transmit the pressure change to the fine differential pressure sensor 1a at an appropriate response speed, it is necessary to appropriately select the volume of the hollow portion of the tube. If the pressure detection tube 1b cannot satisfy both the appropriate elasticity and the hollow volume at the same time, a core wire having an appropriate thickness is loaded into the hollow portion of the pressure detection tube 1b over the entire length of the tube, and the volume of the hollow portion is appropriately adjusted. Can be taken. Further, by loading the core wire having an appropriate thickness into the pressure detection tube 1b, it is possible to prevent a problem that the tube is completely crushed and the pressure change cannot be transmitted to the slight differential pressure sensor 1a.
[0034]
The bed leaving sensor 11 is a sensor that assists in confirming whether or not the subject has left the bed 8. FIG. 1 shows an example in which a tape switch for detecting a load is arranged over the entire width of the bed 8. The setting is such that the tape switch is turned on when the subject's body is put on the tape switch, and is turned off when there is no load.
[0035]
FIG. 2 shows an example in which an infrared sensor is used as the bed leaving sensor 11, and the infrared light emitted from the light emitting unit 11a is arranged to be received by the light receiving unit 11b. Is set to on and off when no subject is present.
[0036]
In the automatic gain controllers 3 and 3 ', the outputs of the noninvasive sensor 1 and the environmental noise sensor 2 are passed through a low-pass filter (about 25 Hz or less) to obtain a biological signal. This is a so-called AGC circuit that automatically controls the gain so that the biological signal falls within a predetermined signal level range, and outputs the gain value at this time to the signal strength calculation units 4 and 4 '. In the gain control of the present embodiment, the gain is set so that the amplitude of the output signal becomes smaller when the peak value of the signal exceeds the upper threshold as shown in FIG. 4, and when the peak value falls below the lower threshold. Set the gain so that the amplitude increases. Each output signal whose predetermined signal level is controlled is sent to the sleeping state determination control unit 7.
[0037]
The signal strength calculators 4 and 4 'calculate the signal strength by calculating from the gain control coefficients applied to the outputs of the noninvasive sensor 1 and the environmental noise sensor 2 in the automatic gain controllers 3 and 3'. Since the gain value obtained from the above-described AGC circuit is set to be small when the signal size is large, and is set to be large when the signal size is small, the signal strength is indicated by using the gain value. It is preferable to set a function indicating the signal strength so as to be inversely proportional to the value of the gain.
[0038]
The DIF operation unit 5 calculates the difference between the output signal intensities of the noninvasive sensor 1 and the environmental noise sensor 2 obtained through the above-described procedure. As a result, the signal strength of the biological signal from which environmental noise has been eliminated can be obtained.
[0039]
On the other hand, when the output value of the non-invasive sensor 1 continuously exceeds the upper limit of the automatic gain control within a predetermined time, it is considered that a body movement such as rolling over has occurred. The body movement detection calculation unit 6 detects body movement by monitoring the time when the output of the non-invasive sensor exceeds the upper limit.
[0040]
The sleeping state determination control unit 7 determines the presence / absence of a biological signal and the presence / absence of the subject in bed from the outputs of the signal strength calculation units 4, 4 ', the DIFF calculation unit 5, the body movement detection calculation unit 6, and the bed detection sensor. It is a determination unit.
[0041]
Next, a method of measuring the intensity of the biological signal and a method of determining the presence / absence of the biological signal and the determination of the presence / absence of bed will be described.
[0042]
In the embodiment of the present invention, a biological signal is detected by detecting a pressure change of the pressure detection tube 1b disposed under the body of the subject while the subject is lying down. For this reason, if there is vibration that is not attributable to the subject transmitted to the bedding, such as the influence of the wind flowing in the room, the vibration caused by walking other than the subject in the room, or the vibration of outdoor traffic or construction, the vibration is superimposed on the pressure detection tube 1b. As a result, there is a problem that it is not possible to accurately detect the intensity of the biological signal using only the non-invasive sensor.
[0043]
Therefore, in the biological signal measuring method of the present invention, an environmental noise sensor 2 for detecting vibration around bedding is provided separately from the noninvasive sensor 1 for detecting a biological signal, and the output of the environmental noise sensor 2 is used. By correcting the signal of the non-invasive sensor, accurate measurement of the biological signal strength is realized.
[0044]
The correction using the environmental noise sensor 2 is performed in the DIF operation unit 5 as follows. First, a moving average Aa of the signal intensity of the noninvasive sensor 1 over a certain period of time is obtained. Similarly, a moving average Ba of the signal strength of the environmental noise sensor 2 over a certain period of time is obtained. The time for obtaining the moving average at this time is set to about 5 seconds and about 15 seconds, respectively.
[0045]
Next, the difference Ca = (Aa-Ba) of the moving average of the signal intensities of the noninvasive sensor 1 and the environmental noise sensor 2 when there is no load, that is, when the subject is not on the bed, is calculated in advance. It is assumed that the difference Ca between these two signals is a value at no load, that is, a value at the most recent time when the subject is not on the bed. The biological signal strength DIF is determined by the following equation (A).
DIF = Aa-Ba + Ca (A)
The value of the biological signal strength DIF has F (100) as the maximum, and F (50) indicates that the value is 50% of F (100).
[0046]
FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for determining whether or not there is a biological signal in the sleeping state determination control unit 7. Immediately after the start, the biological signal is set to “none”, the data of Aa, Ba, and Ca are fetched, and the biological signal strength is calculated by the equation (A). If it is larger than F (30), it is determined that the biological signal is “present”. If F (30) or less, it is determined that there is no biological signal.
[0047]
Next, the data of Aa, Ba, and Ca are fetched again, and the strength of the biological signal is calculated by the equation (A). If the strength is smaller than F (20), it is determined that the biological signal is “absent” and the process returns to the top of the flow. If not less than F (20), the following equation (B) is calculated. Here, CA is the absolute value of the difference Ca of the moving average of the signal intensities of the noninvasive sensor 1 and the environmental noise sensor 2, and L is a constant added in consideration of the safety of the determination.
Aa <Ba-CA-L (B)
If the equation (B) holds, it is determined that “measurement is impossible”. On the other hand, when Expression (B) is not satisfied, it is determined that the biological signal is “present”.
[0048]
In the present embodiment, F (30) of the DIF is used as a threshold for determining whether or not there is a biological signal, but this threshold can be changed according to an age difference, individual difference, or physical condition.
[0049]
FIG. 4 is a flow chart for determining a change from being in bed to leaving the bed, or the presence or absence of a biological signal, and a change in being in bed or leaving the bed. That is, if the subject is on the bedding, is separated from the bedding, or if the subject is on the bedding, an abnormality such as a stoppage of a biological signal is monitored.
[0050]
Immediately after the start of the determination, “leave the bed” is set, the data of Aa, Ba, and Ca are fetched, and the biological signal strength DIF is calculated by equation (A). If the tape switch used as the leaving-bed sensor 11 is on and the value of the biological signal strength DIF is greater than F (30), the subject is on the bed 8 and the biological signal is detected. It is confirmed that it is done. That is, it is determined to be “occupied”.
[0051]
If the presence of the bed is confirmed as described above, the data of Aa, Ba, and Ca are fetched again, and the biological signal strength DIF is calculated by the equation (A).
[0052]
If the value of the biological signal strength DIF is smaller than F (20), the output of the bed leaving sensor 11 is confirmed. If the output of the leaving-bed sensor 11 is off, the predetermined weight is not applied to the bedding, it is determined that the subject has left the bed, and the process returns to the top of the flowchart. On the other hand, when the output of the bed leaving sensor 11 is ON, the value of the biological signal strength DIF is lower than F (20) even though the subject is on the bed, and it is determined that the biological signal is stopped. It is determined that an abnormality has occurred in the subject. At that time, an alarm is issued by the alarm device 12, and the alarm is notified to a predetermined person, organization, department, or the like.
[0053]
If the value of the biological signal strength DIF is equal to or more than F (20), it is determined whether or not the above equation (B) is satisfied. If the above equation (B) does not hold, it is determined that the person is in the bed and the determination is continued.
[0054]
FIG. 6 is a graph of an output actually measured using the biological signal strength measuring method and the sleeping state determination method of the present invention. Here, FIG. 6A shows the AGC output waveform of the non-invasive sensor signal, and FIG. 6B shows the AGC output waveform of the environment sensor signal, which is measured at the same time. The horizontal axis of the graph indicates time, and the vertical axis indicates output level. The AGC output waveform is a signal waveform obtained by shaping the outputs of the noninvasive sensor 1 and the environment sensor 2 into a signal having an amplitude within a certain level by AGC control.
[0055]
FIG. 6C is a graph of the signal strength Aa obtained by the signal strength calculator 4 for the signal strength of the non-invasive sensor 1, and FIG. 6D is a graph of the signal strength of the environment sensor 2 calculated by the signal strength calculator 4 '. It is a graph of the obtained signal strength Ba. The vertical axis represents the signal intensity, which is normalized so that the maximum value is 1.
[0056]
FIG. 6E shows a DIF signal obtained by the equation (A) from the signal strength of the noninvasive sensor 1 and the signal strength of the environment sensor 2 calculated by the DIF calculation unit 5. It can be considered as the excluded biological signal strength.
[0057]
FIG. 6F is a biological signal presence / absence determination showing the result of performing the determination in accordance with the flowchart of FIG. If "1", it is determined that there is a biological signal. Furthermore, by matching the outputs of the bed leaving sensor 11, it is possible to determine whether the subject has left the bed or stay in the bed, and to monitor the abnormality of the subject according to the flowchart of FIG.
[0058]
As described above, according to the present invention, it is possible to non-invasively monitor the presence / absence of body movement such as bed-in / out of bed, the strength of a biological signal, and turning over, so that abnormalities such as a stop of a biological signal of a subject can be monitored. Needless to say, by continuously recording the above information on the subject, it is possible to know the sleeping pattern including the turning of the subject and the living pattern such as being in bed / leaving from the bed, and to confirm the living condition of the subject. It becomes possible. In addition, by transmitting such information to a close relative or a physician at a remote location, it is possible to help health management as a living pattern.
[0059]
【The invention's effect】
According to the biological signal strength measuring method of the present invention, since a non-invasive sensor is used for a subject as a means for detecting a biological signal, it does not put any physical burden on a normal life and can be used without resistance. In addition to that, it is possible to accurately measure the intensity of the biological signal by simultaneously measuring the noise in the environment using an environmental noise sensor that is not caused by the subject.
[0060]
Further, in the sleeping state determination method and the sleeping state determination apparatus using the biological signal intensity measuring method, it is possible to monitor whether or not the subject has left the bed and stayed on the bedding, and that the health of the subject has been monitored. Can report to people and family.
[0061]
As a result, if the elderly were the subjects, they would be notified immediately to the family members living in the event of an abnormality, so that they would not have to visit the elderly frequently, Information on whether or not they are running can be obtained. Furthermore, in the case of a solitary elderly person who does not live together, if information is sent to a remote place, it is possible to monitor at a remote place.
[0062]
Further, if the present invention is used in facilities such as hospitals and nursing homes, it has the effect of reducing the burden on nurses and nurses or reducing the labor for patrols.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a flow of non-invasively detecting a biological signal and detecting a biological signal using the detected signal according to the embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing another embodiment of the bed leaving sensor.
FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for determining the presence or absence of a biological signal.
FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for determining a resident state and a leaving state.
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a method of setting a gain in an AGC circuit.
FIG. 6 is a graph actually output according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Non-invasive sensor (pressure detection means)
1a Micro differential pressure sensor 1b Pressure detecting means 2 Environmental noise sensor 3, 3 'Automatic gain control unit (AGC)
4, 4 'signal strength calculation section 5 DIF calculation section 6 body movement detection calculation section 7 sleeping state determination control section 8 bed 9 hard sheet 10 cushion sheet 11 leaving sensor (tape sensor)
11a Leaving bed sensor (infrared sensor light emitting unit)
11b Out-of-bed sensor (infrared sensor light receiving unit)
12 Alarm device
