JP4703049B2 - Monitoring device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、監視対象物を監視する監視装置と監視方法に関し、特に就寝者の呼吸などの変化を監視するための監視装置、監視方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
就寝者の呼吸の変化を監視する監視装置として、従来から、荷重センサまたは圧力センサにより検出した圧力分布の時間推移に基づき、就寝者の呼吸の変化を監視する装置が提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら以上のような従来の装置によれば、監視装置は、測定される信号が微小であることから、安定した信号を取得し検出するためには、高性能な信号増幅器やなんらかの信号処理が必要であり、システムとして複雑かつ大掛かりなものになっていた。
【0004】
そこで本発明は、就寝者の状態を確実に検出するだけでなく、小型で、かつ単純である監視装置を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第1の態様に係る発明による監視装置は、例えば図1、図2、図3に示すように、一定の光量で照明された監視対象物2を継続的に撮像する撮像手段11と;撮像手段11により得られた所定時間間隔の2フレームの画像の差分画像を生成する差分画像生成手段14と;前記差分画像から前記2フレーム間の変化に関する変化出力を得る演算手段32と;前記変化出力の時間変化から監視対象物2の動きを検出する検出手段33とを備える
【0006】
このように構成すると、撮像手段11と、差分画像生成手段14と、演算手段32と、検出手段33とを備えるので、撮像手段11により得られた所定時間間隔の2フレームの画像の差分画像を生成し、差分画像から2フレーム間の変化に関する変化出力の時間変化から監視対象物2の動きを検出することにより、就寝者2の状態を確実に検出するだけでなく、小型で、かつ単純である監視装置1を提供することができる。一定の光量の照明は、人工的光源による照明に限らず自然光による照明であってもよい。監視対象物2の動きは典型的には周期的動きである。
【0007】
また第2の態様は第1の態様に記載の監視装置1において、監視対象物2を所定のパターン状照明光13aで照明する照明パターン投光手段12を備え、パターン状照明光13aは、照明パターン投光手段12と撮像手段11とを結ぶ方向に平行な方向の照明分布を持つことを特徴とするとよい。
【0008】
また第3の態様は第1の態様または第2の態様に記載の監視装置1において、撮像手段10は、複数の画素の配列された撮像素子を有する。
【0009】
また第4の態様は第1の態様乃至第3の態様のいずれか1の態様に記載の監視装置1において、差分画像生成手段14は、前記差分画像に二値化処理を施すことを特徴とする。
【0010】
また第5の態様は第1の態様乃至第4の態様のいずれか1の態様に記載の監視装置1において、演算手段32は、前記差分画像の各画素値を累積する累積手段32aを備えるようにするとよい。
【0011】
また第6の態様は第1の態様乃至第4の態様のいずれか1の態様に記載の監視装置1において、演算手段32は、前記変化出力として、前記差分画像上のパターンの各移動部分のパターン移動量を算出することを特徴とする。また、演算手段32は、前記パターン移動量の累積を算出するようにしてもよい。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【0013】
図1は、本発明による実施の形態である監視装置1の模式的斜視図である。図中ベッド6上に監視対象物としての人物2(以下就寝者2という)が横たわって存在している。また、就寝者2の上には、さらに寝具3がかけられており、就寝者2の一部と、ベッド6の一部とを覆っている。
【0014】
一方、就寝者2の腹部周辺直上には、一定の光量で照明された就寝者2を継続的に撮像するための撮像手段としての撮像部11が設置されている。一定の光量は、撮像部11の露光中に大きな変化がなくほぼ一定であればよい。さらに具体的には、後述の差分画像を生成するための2フレームを得るための時間間隔の間に大きな変化、例えば10%以上の光量変化がなければよい。即ち差分画像上で、移動しなかった輝点が背景とともにほとんど除去され(光量変化が小さければ小さいほど除去される程度が高い)、移動した輝点が抽出できる程度に光量変化がなければよい。また、露光時間外は照明をしないようにしてもよい。
【0015】
また就寝者2のおよそ足部又は頭部上方には(図示は足部上方の場合)、就寝者2を所定のパターン状照明光で照明する照明パターン投光手段としての投光部12が設置され、就寝者2のおよそ腹部上の寝具3を中心に照明している。照明される範囲は、就寝者2の腹部、胸部、背部、および肩部が、就寝中に取りうる位置を網羅する範囲に設定するとよい。同様に、撮像部11による撮影領域の範囲も、就寝者2の腹部、胸部、背部、および肩部が、就寝中に取りうる位置を網羅する範囲に設定するとよい。本実施の形態では、撮像部11は就寝者2の腹部周辺直上に、また投光部12は就寝者2のおよそ足部又は頭部上方に設置するとしたが、これに限られるものではなく、これらは、就寝者2の周期的動きを検出しやすい位置とするとよい。または設置しやすい位置としてもよく、例えば、就寝者2の上方を避けて設置してもよい。ここで周期的動きとは、典型的には就寝者2の呼吸である。
【0016】
さらに、撮像部11と投光部12とは、撮像部11と投光部12とを結ぶ軸と、ベッド6の中心線がおよそ平行になるように設置する。撮像部11と投光部12との設置場所は、例えば天井に設置するとよいが、近辺に壁が存在する場合は、壁でもよく、スタンドに取りつけてもよい。即ち設置場所は監視装置の目的や仕様等により適宜決めてよい。このように設置することで、就寝者2の小さな周期的動き例えば呼吸を敏感に検出することができる。撮像部11は、複数の画素の配列された撮像素子を有するものであり、典型的にはCCDカメラである。
【0017】
投光部12は、典型的には周期的構造を持った回折素子を用いた投光手段である。また回折素子は、典型的にはファイバーグレーティング(FG)素子であるが、空間的に離散化されて光を投光するものであればどのようなものであってもよく、例えば、回折格子、レンズアレイ、光源アレイまたは開口アレイの結像、光源アレイまたは開口アレイの出射光をコリメートしたものなどであってもよい。またパターン状照明光は、投光部12と撮像部11とを結ぶ方向に平行な方向の照明分布を持っている。照明分布は、照明光に強度変化の分布があることをいう。即ちパターン状照明光は、例えば図16に示すような、ライン状照明光等であってもよい。このライン状照明光は、前記平行な方向に直交する方向には照明光の強度は一定であるが、前記平行な方向には強弱の強度変化の分布がある。投光部12は、就寝者2を、輝点を正方格子状に配列したグレーティングパターン13aで照明する。FG素子13については、図4を参照して後で説明する。
【0018】
図2のブロック図を参照して、監視装置1の構成の一例を説明する。監視装置1は、撮像部11と投光部12とを含んで構成される撮像装置10と、演算装置30と、通報装置40とを含んで構成される。演算装置30は、典型的にはパソコンやマイコンである。演算装置30は、制御部31を備えており、監視装置1を制御している。また制御部31には、インターフェース35が接続されており、撮像装置10、通報装置40は、インターフェース35を介して制御部31に接続され、制御されている。
【0019】
ここで、図3の概念的斜視図を参照して、撮像装置10について説明する。ここでは、判りやすく就寝者2を、直方体形状をした物体20として、FG素子により照明される面を平面21として説明する。さらに判りやすく、物体20の変化(動き)を、物体20の存在するときと存在しないときで説明する。
【0020】
図中物体20が、平面21上に載置されている。XY軸を平面21内に置くように、直交座標系XYZがとられており、物体20はXY座標系の第1象限に置かれている。
【0021】
一方、図中Z軸上で平面21の上方には撮像部11が配置されている。撮像部11の結像レンズ11aは、その光軸がZ軸に一致するように配置されている。結像レンズ11aが、平面21あるいは物体20の像を結像する撮像素子15の結像面15’(イメージプレーン)は、Z軸に直交する面である。結像面内15’にxy直交座標系をとり、Z軸が、xy座標系の原点を通るようにする。
【0022】
平面21から結像レンズ11aと等距離で、結像レンズ11aからY軸の負の方向に距離dだけ離れたところに、FG素子13が配置されている。図3を参照して後で説明するように、FG素子13には、継続的にレーザー光L1がZ軸方向に入射して、正方格子状に点が配列されたパターンが継続的に平面21に照射される。即ち、物体20と平面21は、パターン状照明光で照明される。撮像部11には、撮像部11により得られた所定時間間隔の2フレームの画像の差分画像を生成する差分画像生成手段としての画像処理部14が電気的に接続されている。画像処理部14は、撮像素子15の各画素毎の差を取ることにより差分画像を生成する。所定時間間隔とは、物体20の細かい周期的動き即ち就寝者2の呼吸を監視するのに十分な間隔であり、例えば2〜3フレーム/秒程度である。また図示では、撮像素子15と画像処理部14とは、別体として示してあるが、一体として構成するとよい。
【0023】
また、本実施の形態のように投光部12にレーザーのような略単一波長光源をもちいる場合には、撮像部11は、この略単一波長の周辺部以外の波長の光を減光するフィルタ11bを備えるとよい。フィルタ11bは、典型的には光学フィルタであり、結像レンズ11aの光軸上に配置するとよい。このようにすると、撮像部11は、撮像素子15に受光する光のうち、投光部12より照射された光の強度が相対的にあがるので、外乱光による影響を軽減できる。
【0024】
図4を参照して、FG素子を説明する。FG素子は、直径が数10ミクロン、長さ10mm程度の光ファイバーを100本程度シート状に並べて、それを2枚ファイバーが直交するように重ね合わせたものである。FG素子13は、上記のシートが平面21に平行に(Z軸に直角に)配置される。このFG素子13に、レーザー光L1を、Z軸方向に入射させる。するとレーザー光L1は、個々の光ファイバーの焦点で集光したのち、回折ビームアレイとなり、投影面である平面21に、正方格子状に輝点マトリクスであるパターン13aが投影される。
【0025】
以上では、撮像装置10は、回折素子としてFG素子13を用いる場合で説明したが、回折素子として2次元マイクロレンズアレイを用いてもよい。
【0026】
図5の模式図を参照して、2次元マイクロレンズアレイ16(以下、単にレンズアレイ16という)について説明する。(a)は斜視図、(b)は正面図の左半分に断面を示した部分断面図である。レンズアレイ16は、例えばプレートの片面に、数10ミクロンの周期で、複数のレンズ17が形成されたものである。ここでは、レンズアレイ16は、レンズアレイ16の複数のレンズ17の形成された面18(以下単にレンズ面18という)に、さらに高反射処理を施したものを用いる。高反射処理は、典型的にはアルミコーティング18aである。このようにすると、レンズ17が凹面ミラーと同じ構成になるので、レンズアレイ16の短焦点化が容易にできる。
【0027】
また、レンズアレイ16は、レンズ面18にアルミコーティングを施すのではなく、レンズ面18の直後に平面ミラーを設けてもよい。このようにすると、光がレンズ17に2回入射することになるので、同様にレンズアレイ16の短焦点化が容易にできる。
【0028】
この場合、図6の模式図に示すように、レンズアレイ16は、入射した光の入射角により、光を反射または透過するビームスプリッタ19を含んで構成される。このレンズアレイ16に、レーザー光L1を、Z軸の垂直方向に入射させる。するとレーザー光L1は、ビームスプリッタ19で反射し、レンズアレイ16に入射する。入射したレーザー光L1は、個々のレンズ17のレンズ面18で反射し、レンズ17の焦点で集光したのち、ビームスプリッタ19を透過して、球面波となって広がって行き、干渉して、投影面である平面21に、正方格子状に輝点マトリクスであるパターン16aが投影される。
【0029】
また図7に示すように、レンズアレイ16は、同一のレンズアレイ16を、レンズ面18を近接させて2枚設置してもよい。この場合、レンズ面18にアルミコーティング18aは施さないで使用する。この2枚のレンズアレイ16を近接させたレンズアレイ16’に、レーザー光L1を、Z軸方向に入射させる。するとレーザー光L1は、個々の2枚のレンズ17の合成焦点で集光したのち、球面波となって広がって行き、干渉して、投影面である平面21に、正方格子状に輝点マトリクスであるパターン16a’が投影される。
【0030】
なお、レンズアレイ16は、できるだけ隣接するレンズ17間の隙間が小さいことが望ましい。したがって、レンズ17を直交格子状にならべるのであれば、開口形状は円形よりも矩形にした方がよい。
【0031】
撮像装置10は、投光部12に以上のような波面精度の高いレンズアレイ16を用いることで、さらに低出力レーザーを使用することができる。
以下、FG素子13を用いた場合で説明する。
【0032】
図3に戻って、さらに撮像装置10について説明する。FG素子13により平面21に投影されたパターン13aは、物体20が存在する部分は、物体20に遮られ平面21には到達しない。ここで物体20が存在しなければ、平面21上の点21aに投射されるべき輝点は、物体20上の点20aに投射される。輝点が点21aから点20aに移動したことにより、また結像レンズ11aとFG素子13とが距離dだけ離れているところから、結像面15’上では、点21a’(x,y)に結像すべきところが点20a’(x,y+δ)に結像する。即ち、物体20が存在しない時点と物体20が存在する時点とは、輝点がy軸方向に距離δだけ移動することになる。
【0033】
画像処理部14は、この2時点に結像面15’に受光(撮像)した2フレームの差分画像を生成することにより、輝点が移動した差分画像を生成できる。また、この差分画像は、2フレームの画像間の差をとることで、移動しなかった輝点は背景とともに除去され、移動した輝点が抽出された画像となる。ここでの2フレームは、撮像された最新のフレームと、このフレームよりの過去の時点のフレームとであればよく、例えば1フレームだけずれた2フレームである。
【0034】
このように、撮像装置10は、差分画像を生成するので外乱光の影響を排除できる。例えば太陽光により、就寝者2以外の物による陰影が就寝者2にかかっていたり、外乱光による照明強度が、就寝者2の部分部分でばらつきがあったりしていても、そのような陰影やばらつきの影響を排除できるので、後述の2値化処理を行ないやすい。差分画像は、画像信号をA/D変換してフレームメモリに記憶し、対応する画像データ同志を演算して求めることができる。特にこの特徴は、撮像素子15として動体検出素子を用いた場合に顕著である。動体検出素子は、例えば撮像素子15の各画素で、フレームの画素値を記憶し、1フレームずれた最新のフレームの画素値との差あるいは、その差を閾値処理して値を出力する機能を持った素子で、信号伝達過程でのノイズの影響をうけることなく、差分画像を生成することができる。
【0035】
さらに画像処理部14は、この差分画像に2値化処理を施す。2値化処理は、例えば上述の動体検出素子を用いた場合、2フレームの画像の各画素で、2フレームの各々の出力値を、バイアスを含めてピークホールドしておき、不図示のコンパレータにより、例えば各画素の差の絶対値が閾値以上の時に1を出力し、閾値未満の時に0を出力するような閾値処理を行なう。このようにすると、撮像素子のSNをフルに使って差算を行うことができる。このため、通常の画像処理(例えば画素データを8bitに量子化する)よりもダイナミックレンジの広い検出ができる。これにより、撮像装置10は、ハイパワーレーザを使ったり、シャッターを発光と同期させて短い露出(撮像)を行ったりしなくても、パターンのわずかな変化を検出しやすい。これにより、レーザー光L1は、低出力レーザーでもよく、また、レーザーの発光と露出とを同期させる必要がなく、継続的に照射することができる。
【0036】
またレーザー光L1は、間欠的に光が照射されるパルス光であり、撮像部11は、不図示のシャッターが備えられ、結像面15’に間欠的に撮像するように構成してもよい。この場合、投光部12は、光源が所定の発光時間だけ発光するパルス光源を用いてもよいし、シャッターでパルス状に遮光、照射を繰り返す構成であってもよい。また、シャッターは、電子シャッターを用いることが好ましいが、メカニカルシャッターを用いてもよい。
【0037】
図8のチャートを参照して、光L1の間欠的な照射、すなわち平面21の照明と、間欠的な撮像との関係を説明する。(a)(b)(c)共に、横軸は時間t軸である。(a)の縦軸はFG素子13を通したパターン状照明光の照明強度、(b)の縦軸は外乱光による照明強度、(c)の縦軸は上記両者による合成照明強度を示す。
【0038】
(a)に示す照明光は、パルス持続時間t1だけ持続するパルス光である。一方(c)に示すように、撮像部11の撮像は、露光時間t2だけ、シャッターが開くことにより行われる。本図では、露光時間t2は、パルス持続時間t1より僅かに長い場合を示してある。露光時間はパルス持続時間t1より短い同じく図示の露光時間t2’であってもよい。例えば露光時間t2’が0.01msで、パルス持続時間t1が0.05msのような場合もあり得る。但し、好ましくはほぼ同一とする。
【0039】
パルス光の持続時間(パルス幅)t1は、1/100,000〜0.1秒程度の範囲とするが、ビデオレートである0.03秒以下とするのが好ましい。
【0040】
パルス光による照明のタイミングと撮像のタイミングとは同期させる。即ち図8では、パルス光の照射開始時刻(時間t1の起点)と露光開始時刻(時間t2の起点)とは、同一になるようにしてある。このように、同期は照射開始と露光開始とが同時に起こるように同期するのが好ましいが、多少はずれていてもよい。この時間t2またはt2’の間に結像面15’には、画像が形成される。
【0041】
これにより、撮像装置10は、外乱光の強度を相対的に弱めることができるので、外乱光の影響を抑えることができ、パルス光を用いるので光量の絶対量を低く抑えることもできる。したがって、撮像対象が人物(就寝者2)である場合でも、目に与える悪影響を最小限に抑えることができる。言い換えれば、照明光による露光量エネルギーに対する外乱光の露光量エネルギーを相対的に低減するので、明るい照明をして外乱光の影響を低減できる。また、発熱や大エネルギー消費の問題のある大型の照明手段が不要になる。また前述の閾値処理が容易になると同時に移動した輝点の移動量の評価が非常に容易になる。
【0042】
図2に戻って、さらに監視装置1を説明する。制御部31には、記憶部34が接続されており、撮像装置10より入力した差分画像や算出された情報等のデータが記憶できる。演算装置30は、撮像装置10からインターフェース35を介して入力した差分画像を、記憶部34に時系列で保存するように構成されている。さらに記憶部34内には、就寝者2の正常な呼吸パターン及び異常な呼吸パターンを保存する呼吸パターン保存部36が備えられている。呼吸パターンについては、図13を参照して後で説明する。
【0043】
また制御部31には、監視装置1を操作するための情報を入力する入力装置37、監視装置1で処理された結果を出力する出力装置38が接続されている。入力装置37は例えばタッチパネル、キーボードあるいはマウスであり、出力装置38は例えばディスプレイやプリンタあるいは警報装置である。本図では、入力装置37、出力装置38は演算装置30に外付けするものとして図示されているが、内蔵されていてもよい。
【0044】
また制御部31内には、撮像装置10より入力した差分画像から2フレーム間の変化に関する変化出力を得る演算手段としての演算部32が備えられている。さらに演算部32は、差分画像の各画素値を累積する累積手段としての累積部32aを備えている。変化出力とは、典型的には該画素値の累積値である。即ち変化出力は、差分画像より得られる監視対象領域内の形状変化を抽出して表すものである。これは、例えば就寝者2の呼吸等の動きを抽出することである。これにより、抽出された就寝者2の動きは、波形パターンを形成する。
【0045】
演算部32は、累積部32aにより差分画像の各画素値を累積することにより変化出力を得る。このように、単純に、差分画像の各画素出力値の総和を取った場合には、呼気と吸気の移り変わりのタイミングで総和が最も小さくなり、呼気の途中・吸気の途中で総和が最も大きくなると考えられる。差分画像は、2値化された画像で入力されるので、前述のように、差の絶対値が閾値以上の画素の出力が1である場合には、その数をカウントすれば、累積値が求まる。この累積値を時系列に並べることで、変化出力を得ることができる。
図9に、各画素値の累積値から得られる変化出力の波形パターンを示す。
【0046】
また、演算部32は、変化出力として、差分画像上のパターンの各移動部分のパターン移動量を算出するように構成してもよい。この際、パターン移動量は、パターンの移動方向に応じて正負の区別をして算出する。これにより、後述の検出部33による呼吸数の検出で、吸気パターンから呼気パターンの間に現れる「ゼロ・クロス」(符号が反転する交点)の数を計測することで、呼吸数を検出できる。また、パターン移動量は、差分画像上で投光部12と撮像部11とを結ぶ軸方向についてのパターン移動量を算出するようにするとよい。
【0047】
ここで、図10の模式図を参照して、パターン移動量について説明する。図中のx’y’軸は、図3のxy軸に対応するものである。即ち差分画像上のy’軸方向は、投光部12と撮像部11とを結ぶ軸方向と平行である。図示にように、入力した差分画像は、移動しなかった輝点は背景とともに除去され、移動した輝点が抽出された画像となる。ここで、移動した輝点Aがy’軸方向に距離δだけ移動していたとする。
【0048】
監視装置1は、このδの変化を追うことで、後述の検出部33による就寝者2の動きの検出をすることができる。また、輝点の対応関係が不明にならない程度に、パターン13aのピッチ、即ち輝点のピッチを細かくすれば、それだけ詳細に就寝者2の動きを検出できることになる。
【0049】
この際、演算部32は、距離δをパターン移動量として算出するようにするとよい。これは、本実施の形態のように撮像装置10を設置した場合、就寝者2の呼吸による上下動が、y’軸方向のパターンの移動に現れるからである。またこのようにすることで、演算部32は、x’軸方向、y’軸方向の両方のパターン移動量を算出しないで済むので、計算量を大幅に減らすことができる。
【0050】
また、パターン移動量は、撮像装置10により発光無し、発光、発光の順番に撮像し、それぞれ差分画像を生成すれば、最初の差分画像で元の輝点の位置がとれ、次の差分画像で移動した輝点のみが取れる。そこで、元の輝点の位置を用いて、輝点が何処から何処へ移動したかがわかる。つまり、輝点(パターン)の移動方向がわかる。
【0051】
パターン移動量を算出する場合、演算部32は、上述で算出した各移動部分のパターン移動量を累積することにより変化出力を得る。この移動量累積値を時系列に並べることで、変化出力を得ることができる。また演算部32は、正負を区別して累積していくことにより、後述の検出部33による呼吸の検出で、呼気と吸気の判別が可能となる。
図11に、移動量累積値の変化出力の波形パターンを示す。
【0052】
また、演算部32は、上述で算出した各移動部分のパターン移動量の絶対値を累積することにより変化出力を得るようにしてもよい。このようにすると、移動量累積値を絶対値とすることにより、後述の検出部33による呼吸の検出で、呼気・吸気の判別はできなくなるが、プラスマイナスが相殺して動きに対する感度を低下させるのを防ぐことができる。
【0053】
また、演算部32は、上述で算出した各移動部分のパターン移動量のうち、正負いずれかの移動部分の多い方のパターン移動量を累積することにより変化出力を得るようにしてもよい。このようにすると、パターン移動量の正負を知りつつ、プラスマイナスが相殺して動きに対する感度を低下させるのを防ぐことができる。
【0054】
また、演算部32は、上述で算出した各移動部分のパターン移動量のうち、正負いずれかの移動部分の多い方のパターン移動量の累積から少ない方のパターン移動量の累積を符号付きで引いた値を計算することにより変化出力を得るようにしてもよい。このようにすると、パターン移動量の正負、プラスマイナスが相殺されず、動きに対する感度を増加させることができる。
【0055】
また、演算部32は、上述で算出した各移動部分のパターン移動量の各々の位相を互いに比較し、この比較により位相が近いもの各々をグループ化して、各グループのパターン移動量の総和を求める。そして、逆位相に近いグループ間で、各々のグループの総和を差算するようにしてもよい。このようにすると、パターン移動量の各々の位相が近いもの各々をグループ化して、総和を求めるので、例えば、就寝者2の呼吸をグループとして抽出して増幅できる。さらに逆位相に近いグループ間で、各々のグループの総和を差算し、差算より得られた値に基づいて就寝者2の動きを検出するので、例えば就寝者2の呼吸により、上がる部分と下がる部分があったとしても、差算することで、呼吸パターン振幅を増幅させることができ、呼吸を確実に検出することができる。
【0056】
さらに、演算部32は、パターン移動量を画素毎に時間積分するように構成してもよい。このようにすると、時間積分した値は、絶対高さに似た値となる。このようにすると、変化出力として就寝者2の高さの絶対値に似た値を得ることができる。この場合、演算部32は、上述で算出した各移動部分のパターン移動量を画素毎に時間積分することにより変化出力を得ることができる。さらに、演算部32は、このように算出した画素毎の時間積分値を累積することにより変化出力を得るようにしてもよい。この移動量累積時間積分値を時系列に並べることで、変化出力を得ることができる。
図12に、移動量時間積分値の変化出力の波形パターンを示す。
【0057】
以上で説明したように、演算部32は、上述のどの構成を用いても、変化出力の波形パターンを得ることができる。また、上述の演算部32の構成は、装置の設置状態や使用状態、目的等により適宜選択するとよい。また、演算部32は、就寝者2の動きが反映された変化出力の波形パターンを得ることができればよく、以上で説明した構成に限られるものではない。
【0058】
さらに制御部21内には、変化出力の時間変化から就寝者2の動きを検出する検出手段としての検出部33が備えられている。検出部33は、変化出力が周期的変動をなしている場合に、就寝者2の呼吸とその呼吸数を検出するように構成されている。また、検出部33は、変化出力が周期的変動でないときに呼吸以外の動きがあると見なすように構成されている。さらに、検出部33は、変化出力の絶対値が一定値を越えたときに呼吸以外の動きと見なすように構成してもよい。
【0059】
さらに変化出力が前述の累積値(図9参照)である場合には、検出部33は、変化出力が周期的変動をなしているときに、その2周期を1呼吸として呼吸数を検出する。また変化出力が前述の移動量累積値または移動量累積時間積分値(図11、図12参照)である場合には、検出部33は、変化出力が周期的変動をなしているときに、その1周期を1呼吸として呼吸数を検出する。
【0060】
検出部33は、以上のようにして、就寝者2の呼吸等の動きを検出する。検出部33により検出された呼吸の呼吸パターンは、例えば、短時間に呼吸パターンの持つ周期が乱れた場合、また呼吸パターンの持つ周期が急激に変化した場合には、例えば、自然気胸、気管支喘息などの肺疾患、うっ血性心不全などの心疾患、または、脳出血などの脳血管疾患であると推測できる。また、呼吸パターンの消失が続いた場合には、就寝者2の呼吸が停止したと推測できる。そして、短時間に呼吸パターンではなく就寝者2の動きが頻出した場合には、就寝者2が何らかの理由で苦しんで暴れているような状況が推測できる。
【0061】
さらに、検出部33は、検出した就寝者2の動きから、就寝者2の状態を判定するように構成されている。これにより、検出部33は、上述のような場合に、就寝者2が危険な状態にあることを判定することができる。
【0062】
また、就寝者2の呼吸以外の動きの検出は、波形パターンが呼吸のみを検出した場合に比べて、遥かに大きく変動するので、容易に検出することができる。この場合、さらに検出部33は、変化出力から就寝者2が、例えば寝返り等その場で動いているのか、例えばベッドから起き上がる等の移動しているのかを検出することもできる。また、就寝者2が痙攣のような周期的で小さい動きをした場合でも、その波形パターンから異常を判定することができる。さらに、痙攣している状態の波形パターンを記憶部34に保存しておくことで、就寝者2が痙攣している状態と判定することもできる。
【0063】
また検出部33は、ベッド6上の就寝者2の存在する領域が、ベッド6のいずれか一方の端部に極めて近接した状態にあることを判定するようにしてもよい。これにより、監視装置1は、就寝者2がベッド6から転落するような危険な位置にいる状況を判定できる。
【0064】
ここで、図13を参照して、正常および異常な呼吸パターンの例を説明する。記憶部34内の呼吸パターン保存部36に保存されている正常な呼吸パターンは、図13(a)に示したような、周期的なパターンである。呼吸パターン保存部36に保存されている異常な呼吸パターンは、例えば、チェーン−ストークス(Cheyne−Stokes)呼吸、中枢性過換気、失調性呼吸、カスマウル(Kussmul)の大呼吸など、生理学的に体内に障害が発生している場合に生じると考えられている呼吸パターンである。
【0065】
図13(b)に、Cheyne−Stokes呼吸の呼吸パターンを、図13(c)に中枢性過換気の呼吸パターンを、図13(d)に失調性呼吸の呼吸パターンをそれぞれ示す。
さらに図14に、上記の異常な呼吸パターンが発生した場合の、病名または疾患箇所について示す。
【0066】
検出部33は、それぞれの呼吸パターンの呼吸の周波数、出現回数、深浅が異なることを利用して、就寝者2の呼吸パターンがいずれの呼吸パターンに属するかを判別し、就寝者2の状態を判定する。
【0067】
さらに検出部33は、就寝者2の呼吸が、生理学的に体内に障害が発生している湯合に生じると考えられている呼吸パターンに属すると判定した場合に、就寝者2が異常な呼吸をしており危険な状態にあると判定する。このように判定された就寝者2の状態は、制御部31により出力装置38から出力される。また出力される内容は、判定された就寝者2の呼吸数や動きの頻度、異常な呼吸パターンの名称やその呼吸の原因となると考えられる病名、疾患器官、疾患箇所などである。
【0068】
ここで、検出部33による就寝者2の状態の判定結果を外部に通報するための通報装置40について説明する。通報装置40は、検出部33による就寝者2の状態の判定結果を外部に通報する。通報装置40には、検出部33で判定された就寝者2の状態や、ベッド6に備えられた不図示のマイクより取得した音の情報等を、ナースステーション、居間や食堂、別の寝室等の別の場所へ届けるための無線通信を用いた無線通信装置、電力線または専用線を用いた有線通信装置を含んで構成される。これらの通信装置によって送られた情報により、緊急を知らせるメッセージを流したり、警報音を出したり、光によるサインを出したりすることができる。また、これらの情報やメッセージ等は、固定電話回線やデータ通信回線、CATV回線、移動電話回線等を通じて、離れた場所にいる人物や装置に送ることも可能である。
【0069】
また監視装置1は、就寝者2がいるかいないかを正確に検知するための補助手段として、就寝者の下方に敷かれる寝具に感圧スイッチを備えてもよい。このスイッチの入/切によって、就寝者の在/不在の判別が容易にできる。
【0070】
以上では、監視装置1は、ベッド6上の就寝者2の動きを検出する場合について説明したが、これに限定されて適用されるものではなく、例えばトイレや浴室等、監視領域か限定される場合に、特に有効に働くものである。例えば、図15に示すように、監視装置1を浴室の天井に設置した場合には、入浴する人物の呼吸や動きを確実に検出することができる。また、本実施の形態では、投光部12を備えた場合で説明したが、投光部12を備えなくとも、同様の構成で実施することが可能である。
【0071】
以上のような本実施の形態によれば、監視装置1は、簡単な画像処理で、就寝者2の姿勢や外乱光に対して影響を受けることなく就寝者の呼吸を確実に検出することができる。これにより、監視装置1は、高齢者や病人が危機的状況に陥った場合に、迅速な救急対応の実現が可能になる。
【0072】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、一定の光量で照明された監視対象物を継続的に撮像する撮像手段と、前記撮像手段により得られた所定時間間隔の2フレームの画像の差分画像を生成する差分画像生成手段と、前記差分画像から前記2フレーム間の変化に関する変化出力を得る演算手段と、前記変化出力の時間変化から前記監視対象物の動きを検出する検出手段とを備えるので、就寝者の状態を確実に検出するだけでなく、小型で、かつ単純である監視装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態である監視装置の概要を示す模式的斜視図である。
【図2】本発明の実施の形態で用いる監視装置の構成例を示すブロック図である。
【図3】本発明の実施の形態で用いる撮像装置の構成例を示す概念的斜視図である。
【図4】本発明の実施の形態で用いるFG素子を説明する概念的斜視図である。
【図5】本発明の実施の形態で用いる2次元マイクロレンズアレイを説明する(a)模式的斜視図、(b)模式的部分断面図である。
【図6】図5の場合における2次元マイクロレンズアレイに高反射処理を施した場合を説明する概念的斜視図である。
【図7】図5の場合における2次元マイクロレンズアレイを2枚使用した場合を説明する概念的斜視図である。
【図8】照明光の間欠的な照射と間欠的な露光との関係を説明するチャートである。
【図9】差分画像の各画素値の累積値から得られる変化出力の波形パターンを示した概要図である。
【図10】差分画像からパターン移動量を算出する場合を説明する模式図である。
【図11】パターン移動量の移動量累積値から得られる変化出力の波形パターンを示した概要図である。
【図12】パターン移動量の移動量累積時間積分値から得られる変化出力の波形パターンを示した概要図である。
【図13】正常及び異常な呼吸の波形パターンについて示した概要図である。
【図14】異常な呼吸の波形パターンに対応する病名または疾患箇所の表を示した図である。
【図15】本発明の実施の形態である監視装置を浴室に設置した場合の概要を示す模式的斜視図である。
【図16】照明パターンの例を説明する模式図である。
【符号の説明】
1 監視装置
2 就寝者
3 寝具
6 ベッド
10 撮像装置
11 撮像部
11b フィルタ
12 投光部
13 FG素子
13a グレーティングパターン
14 画像処理部
15 撮像素子
16 2次元マイクロレンズアレイ
30 演算装置
31 制御部
32 演算部
33 検出部
34 記憶部
35 インターフェース
36 呼吸パターン保存部
37 入力装置
38 出力装置
40 通報装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a monitoring device and a monitoring method for monitoring an object to be monitored, and more particularly to a monitoring device and a monitoring method for monitoring changes such as a sleeping person's breathing.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a monitoring device for monitoring a sleeper's respiration change, a device for monitoring a sleeper's respiration change based on a time transition of a pressure distribution detected by a load sensor or a pressure sensor has been proposed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the conventional apparatus as described above, the monitoring device has a very small signal to be measured, and therefore, a high-performance signal amplifier or some kind of signal processing is required to acquire and detect a stable signal. It was a complicated and large-scale system.
[0004]
Therefore, an object of the present invention is to provide a monitoring device that not only reliably detects the state of a sleeping person but also is small and simple.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above objective,First aspectThe monitoring device according to the invention according to the invention is obtained by, for example, an imaging unit 11 that continuously images a monitoring object 2 illuminated with a constant light amount, as shown in FIGS. 1, 2, and 3. Difference image generation means 14 for generating a difference image of two frames at a predetermined time interval; calculation means 32 for obtaining a change output relating to a change between the two frames from the difference image; and monitoring from a time change of the change output. Detecting means 33 for detecting the movement of the object 2..
[0006]
If comprised in this way, since the imaging means 11, the difference image generation means 14, the calculating means 32, and the detection means 33 are provided, the difference image of the image of 2 frames of the predetermined time interval obtained by the imaging means 11 is obtained. By generating and detecting the movement of the monitoring object 2 from the temporal change of the change output relating to the change between the two frames from the difference image, not only the state of the sleeper 2 is reliably detected, but also small and simple. A certain monitoring device 1 can be provided. Illumination with a certain amount of light is not limited to illumination with an artificial light source, but may be illumination with natural light. The movement of the monitoring object 2 is typically a periodic movement.
[0007]
AlsoThe second aspect is,First aspectMonitoring device 1 described inInThe illumination pattern projecting means 12 for illuminating the monitoring object 2 with a predetermined pattern illumination light 13a is provided, and the pattern illumination light 13a is parallel to the direction connecting the illumination pattern projection means 12 and the imaging means 11. It may be characterized by having an illumination distribution of
[0008]
AlsoThe third aspect is,First aspectOrSecond aspectMonitoring device 1 described inInThe imaging means 10 has an imaging device in which a plurality of pixels are arranged.
[0009]
AlsoThe fourth aspect is,First aspectThruThird aspectEither1 aspectMonitoring device 1 described inInThe difference image generation means 14 is characterized by performing a binarization process on the difference image.
[0010]
AlsoThe fifth aspect is  ,First aspectThruFourth aspectEither1 aspectMonitoring device 1 described inInThe calculating means 32 may include accumulating means 32a for accumulating each pixel value of the difference image.
[0011]
AlsoThe sixth aspect is,First aspectThruFourth aspectEither1 aspectMonitoring device 1 described inInThe calculating means 32 calculates a pattern movement amount of each moving part of the pattern on the difference image as the change output. Further, the calculation means 32 may calculate the cumulative pattern movement amount.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol or a similar code | symbol is attached | subjected to the mutually same or equivalent member, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0013]
FIG. 1 is a schematic perspective view of a monitoring device 1 according to an embodiment of the present invention. A person 2 (hereinafter referred to as a sleeping person 2) as a monitoring object lies on a bed 6 in the figure. Further, a bedding 3 is further hung on the sleeping person 2 and covers a part of the sleeping person 2 and a part of the bed 6.
[0014]
On the other hand, an imaging unit 11 as an imaging unit for continuously imaging the sleeping person 2 illuminated with a constant light amount is installed immediately above the abdomen around the sleeping person 2. The constant light amount may be substantially constant without significant change during the exposure of the imaging unit 11. More specifically, it is sufficient that there is no large change, for example, a change in light quantity of 10% or more during a time interval for obtaining two frames for generating a differential image described later. That is, on the difference image, bright spots that have not moved are almost removed together with the background (the smaller the change in the amount of light, the higher the degree of removal), and there should be no change in the amount of light so that the moved bright spot can be extracted. Further, the illumination may not be performed outside the exposure time.
[0015]
Further, a light projecting unit 12 as an illumination pattern light projecting unit for illuminating the sleeper 2 with a predetermined pattern illumination light is installed approximately above the foot or the head of the sleeper 2 (in the case of the foot upper part in the figure). The light is illuminated around the bedding 3 on the abdomen of the sleeping person 2. The illuminated range may be set to a range that covers the positions that the abdomen, chest, back, and shoulders of the sleeping person 2 can take during sleeping. Similarly, the range of the imaging region by the imaging unit 11 may be set to a range that covers the positions that the abdomen, chest, back, and shoulders of the sleeping person 2 can take while sleeping. In the present embodiment, the imaging unit 11 is installed immediately above the periphery of the abdomen of the sleeping person 2, and the light projecting unit 12 is installed approximately above the feet or the head of the sleeping person 2, but is not limited thereto. These may be positions where it is easy to detect the periodic movement of the sleeping person 2. Or it is good also as a position which is easy to install, for example, you may install avoiding the sleeping person 2 upper direction. Here, the periodic movement is typically the breathing of the sleeping person 2.
[0016]
Furthermore, the imaging unit 11 and the light projecting unit 12 are installed so that the axis connecting the imaging unit 11 and the light projecting unit 12 and the center line of the bed 6 are approximately parallel. The installation location of the imaging unit 11 and the light projecting unit 12 is preferably installed on the ceiling, for example, but if there is a wall in the vicinity, it may be a wall or may be attached to a stand. That is, the installation location may be appropriately determined according to the purpose and specifications of the monitoring device. By installing in this way, it is possible to sensitively detect small periodic movements of the sleeper 2 such as respiration. The imaging unit 11 has an imaging element in which a plurality of pixels are arranged, and is typically a CCD camera.
[0017]
The light projecting unit 12 is typically a light projecting unit using a diffraction element having a periodic structure. The diffractive element is typically a fiber grating (FG) element, but may be any element as long as it is spatially discrete and projects light, such as a diffraction grating, It may be a lens array, an image of a light source array or an aperture array, a collimated light emitted from the light source array or the aperture array, or the like. The pattern illumination light has an illumination distribution in a direction parallel to the direction connecting the light projecting unit 12 and the imaging unit 11. The illumination distribution means that the illumination light has a distribution of intensity change. That is, the pattern illumination light may be a line illumination light as shown in FIG. In the line illumination light, the intensity of the illumination light is constant in the direction orthogonal to the parallel direction, but there is a distribution of intensity change in the intensity in the parallel direction. The light projecting unit 12 illuminates the sleeping person 2 with a grating pattern 13a in which bright spots are arranged in a square lattice pattern. The FG element 13 will be described later with reference to FIG.
[0018]
An example of the configuration of the monitoring device 1 will be described with reference to the block diagram of FIG. The monitoring device 1 includes an imaging device 10 that includes an imaging unit 11 and a light projecting unit 12, an arithmetic device 30, and a notification device 40. The arithmetic device 30 is typically a personal computer or a microcomputer. The arithmetic device 30 includes a control unit 31 and controls the monitoring device 1. An interface 35 is connected to the control unit 31, and the imaging device 10 and the notification device 40 are connected to the control unit 31 via the interface 35 and controlled.
[0019]
Here, the imaging device 10 will be described with reference to the conceptual perspective view of FIG. Here, it will be described that the sleeper 2 is easy to understand as the object 20 having a rectangular parallelepiped shape, and the surface illuminated by the FG element is the plane 21. Further, for easy understanding, the change (movement) of the object 20 will be described when the object 20 exists and when it does not exist.
[0020]
In the drawing, an object 20 is placed on a plane 21. The orthogonal coordinate system XYZ is taken so that the XY axis is placed in the plane 21, and the object 20 is placed in the first quadrant of the XY coordinate system.
[0021]
On the other hand, the imaging unit 11 is arranged above the plane 21 on the Z axis in the drawing. The imaging lens 11a of the imaging unit 11 is arranged so that its optical axis coincides with the Z axis. An imaging plane 15 ′ (image plane) of the imaging element 15 on which the imaging lens 11 a forms an image of the plane 21 or the object 20 is a plane orthogonal to the Z axis. An xy orthogonal coordinate system is set in the imaging plane 15 ′ so that the Z axis passes through the origin of the xy coordinate system.
[0022]
The FG element 13 is disposed at an equal distance from the plane 21 with the imaging lens 11a and at a distance d from the imaging lens 11a in the negative direction of the Y axis. As will be described later with reference to FIG. 3, the laser beam L1 is continuously incident on the FG element 13 in the Z-axis direction, and a pattern in which dots are arranged in a square lattice pattern is continuously planar 21. Is irradiated. That is, the object 20 and the plane 21 are illuminated with the pattern illumination light. The image processing unit 14 is electrically connected to the image capturing unit 11 as a differential image generating unit that generates a differential image of two frames of images with a predetermined time interval obtained by the image capturing unit 11. The image processing unit 14 generates a difference image by taking a difference for each pixel of the image sensor 15. The predetermined time interval is an interval sufficient to monitor the fine periodic movement of the object 20, that is, the breathing of the sleeping person 2, and is, for example, about 2 to 3 frames / second. In the figure, the image sensor 15 and the image processing unit 14 are illustrated as separate bodies, but may be configured as a single unit.
[0023]
In addition, when a substantially single wavelength light source such as a laser is used for the light projecting unit 12 as in the present embodiment, the imaging unit 11 reduces light of wavelengths other than the peripheral portion of the approximately single wavelength. A light filter 11b may be provided. The filter 11b is typically an optical filter and may be disposed on the optical axis of the imaging lens 11a. If it does in this way, since the intensity of the light irradiated from the light projection part 12 will rise relatively among the light received by the image pick-up element 15, the imaging part 11 can reduce the influence by disturbance light.
[0024]
The FG element will be described with reference to FIG. The FG element is a structure in which about 100 optical fibers having a diameter of several tens of microns and a length of about 10 mm are arranged in a sheet, and the two fibers are overlapped so that they are orthogonal to each other. In the FG element 13, the above-described sheet is arranged in parallel to the plane 21 (perpendicular to the Z axis). Laser light L1 is incident on the FG element 13 in the Z-axis direction. Then, the laser beam L1 is condensed at the focal point of each optical fiber, and then becomes a diffraction beam array. A pattern 13a, which is a bright spot matrix, is projected in a square lattice pattern on the plane 21 that is a projection surface.
[0025]
In the above description, the imaging apparatus 10 is described using the FG element 13 as a diffraction element, but a two-dimensional microlens array may be used as the diffraction element.
[0026]
The two-dimensional microlens array 16 (hereinafter simply referred to as the lens array 16) will be described with reference to the schematic diagram of FIG. (A) is a perspective view, (b) is the fragmentary sectional view which showed the cross section in the left half of the front view. For example, the lens array 16 has a plurality of lenses 17 formed on one side of a plate with a period of several tens of microns. Here, as the lens array 16, a surface 18 (hereinafter, simply referred to as a lens surface 18) on which the plurality of lenses 17 of the lens array 16 are formed is used. The high reflection treatment is typically an aluminum coating 18a. In this way, since the lens 17 has the same configuration as the concave mirror, the lens array 16 can be easily shortened in focus.
[0027]
Further, the lens array 16 may be provided with a plane mirror immediately after the lens surface 18 instead of applying an aluminum coating to the lens surface 18. In this way, since the light enters the lens 17 twice, the focal length of the lens array 16 can be easily reduced.
[0028]
In this case, as shown in the schematic diagram of FIG. 6, the lens array 16 includes a beam splitter 19 that reflects or transmits light according to an incident angle of incident light. Laser light L1 is incident on the lens array 16 in the direction perpendicular to the Z axis. Then, the laser beam L 1 is reflected by the beam splitter 19 and enters the lens array 16. The incident laser light L1 is reflected by the lens surface 18 of each lens 17, collected at the focal point of the lens 17, and then transmitted through the beam splitter 19, spreads as a spherical wave, interferes, A pattern 16a, which is a bright spot matrix, is projected in a square lattice pattern on the plane 21, which is the projection surface.
[0029]
As shown in FIG. 7, the lens array 16 may be provided with two identical lens arrays 16 with the lens surface 18 in proximity. In this case, the lens surface 18 is used without the aluminum coating 18a. Laser light L1 is incident in the Z-axis direction on a lens array 16 'in which the two lens arrays 16 are close to each other. Then, the laser beam L1 is condensed at the combined focal point of each of the two lenses 17, and then spreads as a spherical wave, interferes, and shines in a square lattice pattern on the plane 21 which is the projection surface. A pattern 16a ′ is projected.
[0030]
In the lens array 16, it is desirable that the gap between adjacent lenses 17 is as small as possible. Therefore, if the lenses 17 can be arranged in an orthogonal lattice shape, the aperture shape should be rectangular rather than circular.
[0031]
The imaging apparatus 10 can further use a low-power laser by using the lens array 16 with high wavefront accuracy as described above for the light projecting unit 12.
Hereinafter, the case where the FG element 13 is used will be described.
[0032]
Returning to FIG. 3, the imaging device 10 will be further described. In the pattern 13 a projected onto the plane 21 by the FG element 13, the portion where the object 20 exists is blocked by the object 20 and does not reach the plane 21. Here, if the object 20 does not exist, the bright spot to be projected onto the point 21 a on the plane 21 is projected onto the point 20 a on the object 20. Since the bright spot is moved from the point 21a to the point 20a and the imaging lens 11a and the FG element 13 are separated by a distance d, the point 21a ′ (x, y) is formed on the imaging plane 15 ′. Is imaged at a point 20a ′ (x, y + δ). That is, the bright point moves by a distance δ in the y-axis direction between the time point when the object 20 does not exist and the time point when the object 20 exists.
[0033]
The image processing unit 14 can generate a differential image with two bright points moved by generating a differential image of two frames received (imaged) on the imaging surface 15 ′ at these two time points. Further, this difference image is obtained by taking the difference between the images of the two frames, so that the bright spots that did not move are removed together with the background, and the moved bright spots are extracted. The two frames here may be the latest imaged frame and a frame at a past time point from this frame. For example, the two frames are shifted by one frame.
[0034]
Thus, since the imaging device 10 generates a difference image, the influence of disturbance light can be eliminated. For example, even if shadows caused by objects other than the sleeping person 2 are applied to the sleeping person 2 due to sunlight or the illumination intensity due to ambient light varies in the portion of the sleeping person 2, such shadows or Since the influence of variation can be eliminated, it is easy to perform the binarization process described later. The difference image can be obtained by A / D converting the image signal and storing it in the frame memory, and calculating the corresponding image data. In particular, this feature is remarkable when a moving object detection element is used as the imaging element 15. The moving object detection element has a function of storing a pixel value of a frame at each pixel of the image sensor 15, for example, and outputting a value by thresholding the difference from the pixel value of the latest frame shifted by one frame or the difference. With this element, it is possible to generate a difference image without being affected by noise in the signal transmission process.
[0035]
Further, the image processing unit 14 performs binarization processing on the difference image. In the binarization process, for example, when the above-described moving body detection element is used, the output value of each of the two frames including the bias is peak-held at each pixel of the image of two frames, and a comparator (not shown) is used. For example, threshold processing is performed such that 1 is output when the absolute value of the difference between pixels is equal to or greater than the threshold, and 0 is output when the absolute value is less than the threshold. If it does in this way, a difference calculation can be performed using SN of an image sensor fully. For this reason, detection with a wider dynamic range than normal image processing (for example, quantizing pixel data into 8 bits) can be performed. Thereby, the imaging device 10 can easily detect a slight change in the pattern without using a high-power laser or performing a short exposure (imaging) by synchronizing the shutter with the light emission. As a result, the laser light L1 may be a low-power laser, and it is not necessary to synchronize the light emission and exposure of the laser and can be continuously irradiated.
[0036]
Further, the laser light L1 is pulsed light that is intermittently irradiated with light, and the imaging unit 11 may include a shutter (not shown) and may be configured to intermittently image on the imaging plane 15 ′. . In this case, the light projecting unit 12 may use a pulse light source in which the light source emits light for a predetermined light emission time, or may be configured to repeat light shielding and irradiation in a pulse shape with a shutter. The shutter is preferably an electronic shutter, but may be a mechanical shutter.
[0037]
With reference to the chart of FIG. 8, the relationship between intermittent irradiation of the light L1, that is, illumination of the plane 21, and intermittent imaging will be described. In both (a), (b), and (c), the horizontal axis is the time t-axis. The vertical axis of (a) indicates the illumination intensity of the patterned illumination light that has passed through the FG element 13, the vertical axis of (b) indicates the illumination intensity due to disturbance light, and the vertical axis of (c) indicates the combined illumination intensity due to both.
[0038]
The illumination light shown in (a) is pulsed light that lasts for a pulse duration t1. On the other hand, as shown in (c), the imaging of the imaging unit 11 is performed by opening the shutter for the exposure time t2. In the figure, the exposure time t2 is shown to be slightly longer than the pulse duration t1. The exposure time may be the same exposure time t2 'as shown, which is shorter than the pulse duration t1. For example, the exposure time t2 'may be 0.01 ms and the pulse duration t1 may be 0.05 ms. However, preferably they are almost the same.
[0039]
The duration (pulse width) t1 of the pulsed light is in the range of about 1 / 100,000 to 0.1 seconds, but is preferably 0.03 seconds or less which is the video rate.
[0040]
The timing of illumination with pulsed light and the timing of imaging are synchronized. That is, in FIG. 8, the pulsed light irradiation start time (starting point of time t1) and the exposure starting time (starting point of time t2) are made the same. As described above, the synchronization is preferably performed so that the irradiation start and the exposure start occur at the same time, but may be slightly shifted. During this time t2 or t2 ', an image is formed on the imaging surface 15'.
[0041]
Thereby, since the imaging device 10 can relatively weaken the intensity of disturbance light, the influence of the disturbance light can be suppressed, and since the pulse light is used, the absolute amount of the light amount can be suppressed low. Therefore, even when the imaging target is a person (sleeping person 2), adverse effects on the eyes can be minimized. In other words, since the exposure energy of disturbance light relative to the exposure energy of illumination light is relatively reduced, the influence of disturbance light can be reduced by performing bright illumination. In addition, a large illuminating means with problems of heat generation and large energy consumption is not necessary. In addition, the above threshold processing is facilitated, and at the same time, it is very easy to evaluate the moving amount of the bright spot that has moved.
[0042]
Returning to FIG. 2, the monitoring device 1 will be further described. A storage unit 34 is connected to the control unit 31 and can store data such as a difference image input from the imaging device 10 and calculated information. The arithmetic device 30 is configured to store the difference image input from the imaging device 10 via the interface 35 in the storage unit 34 in time series. Further, in the storage unit 34, a breathing pattern storage unit 36 that stores the normal breathing pattern and the abnormal breathing pattern of the sleeping person 2 is provided. The breathing pattern will be described later with reference to FIG.
[0043]
Further, an input device 37 for inputting information for operating the monitoring device 1 and an output device 38 for outputting a result processed by the monitoring device 1 are connected to the control unit 31. The input device 37 is, for example, a touch panel, a keyboard, or a mouse, and the output device 38 is, for example, a display, a printer, or an alarm device. Although the input device 37 and the output device 38 are illustrated as externally attached to the arithmetic device 30 in this figure, they may be built in.
[0044]
The control unit 31 includes a calculation unit 32 as a calculation unit that obtains a change output related to a change between two frames from the difference image input from the imaging device 10. Furthermore, the calculating part 32 is provided with the accumulation part 32a as an accumulation means which accumulates each pixel value of a difference image. The change output is typically a cumulative value of the pixel value. In other words, the change output represents the shape change in the monitoring target area obtained from the difference image. This is, for example, extracting movements of the sleeper 2 such as breathing. Thereby, the extracted movement of the sleeping person 2 forms a waveform pattern.
[0045]
The computing unit 32 obtains a change output by accumulating each pixel value of the difference image by the accumulating unit 32a. In this way, when the sum of the pixel output values of the difference image is simply taken, the sum is the smallest at the transition timing of expiration and inspiration, and the sum is largest during the expiration / inhalation. Conceivable. Since the difference image is input as a binarized image, as described above, if the output of the pixel whose absolute value of the difference is equal to or greater than the threshold is 1, the cumulative value is obtained by counting the number. I want. A change output can be obtained by arranging the accumulated values in time series.
FIG. 9 shows a waveform pattern of change output obtained from the accumulated value of each pixel value.
[0046]
Moreover, you may comprise the calculating part 32 so that the pattern movement amount of each moving part of the pattern on a difference image may be calculated as a change output. At this time, the pattern movement amount is calculated by distinguishing between positive and negative according to the movement direction of the pattern. Accordingly, the respiration rate can be detected by measuring the number of “zero crosses” (intersections where the sign is inverted) appearing between the inspiration pattern and the expiration pattern by detecting the respiration rate by the detection unit 33 described later. The pattern movement amount may be calculated by calculating the pattern movement amount in the axial direction connecting the light projecting unit 12 and the imaging unit 11 on the difference image.
[0047]
Here, the pattern movement amount will be described with reference to the schematic diagram of FIG. The x'y 'axis in the figure corresponds to the xy axis in FIG. That is, the y′-axis direction on the difference image is parallel to the axial direction connecting the light projecting unit 12 and the imaging unit 11. As shown in the figure, the input differential image is an image in which bright spots that have not moved are removed together with the background, and the bright spots that have moved are extracted. Here, it is assumed that the moved bright spot A has moved by a distance δ in the y′-axis direction.
[0048]
The monitoring device 1 can detect the movement of the sleeping person 2 by the detection unit 33 described later by following the change of δ. Further, if the pitch of the pattern 13a, that is, the pitch of the bright spots is made fine enough that the correspondence of the bright spots is not unknown, the movement of the sleeping person 2 can be detected in detail.
[0049]
At this time, the calculation unit 32 may calculate the distance δ as the pattern movement amount. This is because when the imaging apparatus 10 is installed as in the present embodiment, the vertical movement caused by the sleep of the sleeper 2 appears in the movement of the pattern in the y′-axis direction. Also, by doing so, the calculation unit 32 does not have to calculate the pattern movement amounts in both the x′-axis direction and the y′-axis direction, so that the calculation amount can be greatly reduced.
[0050]
In addition, if the pattern movement amount is picked up in the order of no light emission, light emission, and light emission by the imaging device 10, and each difference image is generated, the position of the original bright spot can be taken in the first difference image, and the next difference image can be obtained. Only moved bright spots can be taken. Therefore, it is possible to know where the bright spot has moved from where by using the original bright spot position. That is, the moving direction of the bright spot (pattern) is known.
[0051]
When calculating the pattern movement amount, the calculation unit 32 obtains a change output by accumulating the pattern movement amount of each movement part calculated above. A change output can be obtained by arranging the movement amount accumulated values in time series. In addition, the calculation unit 32 can discriminate between expiration and inhalation by detecting respiration by the detection unit 33 to be described later by accumulating the positive and negative.
FIG. 11 shows a waveform pattern of change output of the movement amount accumulated value.
[0052]
Further, the calculation unit 32 may obtain a change output by accumulating the absolute value of the pattern movement amount of each moving part calculated above. In this way, by making the movement amount cumulative value an absolute value, it becomes impossible to discriminate expiration / inspiration by detection of respiration by the detection unit 33 described later, but the plus / minus cancels and the sensitivity to movement decreases. Can be prevented.
[0053]
In addition, the calculation unit 32 may obtain a change output by accumulating the pattern movement amount having the larger one of the positive and negative movement portions among the pattern movement amounts of the respective movement portions calculated above. In this way, while knowing the sign of the pattern movement amount, it can be prevented that the plus and minus cancel each other and the sensitivity to movement is reduced.
[0054]
In addition, the calculation unit 32 subtracts the accumulation of the smaller pattern movement amount from the accumulation of the pattern movement amount of the larger one of the positive and negative movement portions with the sign among the pattern movement amounts of the respective movement portions calculated above. The change output may be obtained by calculating the calculated value. In this way, the positive / negative and plus / minus of the pattern movement amount are not canceled out, and the sensitivity to movement can be increased.
[0055]
In addition, the calculation unit 32 compares the phases of the pattern movement amounts of the respective moving parts calculated as described above, and groups those that are close in phase by this comparison, thereby obtaining the sum of the pattern movement amounts of each group. . And you may make it subtract the sum total of each group between the groups near an antiphase. In this way, each of the pattern movement amounts that are close in phase is grouped and the sum is obtained, so that, for example, the sleep of the sleeping person 2 can be extracted and amplified as a group. Furthermore, between the groups close to the opposite phase, the sum of each group is subtracted, and the movement of the sleeping person 2 is detected based on the value obtained by the subtraction. Even if there is a part that falls, by calculating the difference, it is possible to amplify the respiration pattern amplitude and to detect respiration reliably.
[0056]
Further, the calculation unit 32 may be configured to time-integrate the pattern movement amount for each pixel. In this way, the value obtained by time integration becomes a value similar to the absolute height. If it does in this way, the value similar to the absolute value of the height of the sleeping person 2 can be obtained as a change output. In this case, the calculation unit 32 can obtain a change output by time-integrating the pattern movement amount of each moving part calculated above for each pixel. Further, the calculation unit 32 may obtain a change output by accumulating the time integration value calculated for each pixel in this way. A change output can be obtained by arranging the movement amount accumulated time integral values in time series.
FIG. 12 shows a waveform pattern of change output of the movement amount time integrated value.
[0057]
As described above, the calculation unit 32 can obtain a waveform pattern of a change output regardless of the configuration described above. In addition, the configuration of the calculation unit 32 described above may be appropriately selected depending on the installation state, use state, purpose, and the like of the device. Moreover, the calculating part 32 should just be able to obtain the waveform pattern of the change output in which the motion of the sleeper 2 was reflected, and is not restricted to the structure demonstrated above.
[0058]
Further, the control unit 21 is provided with a detection unit 33 as detection means for detecting the movement of the sleeping person 2 from the time change of the change output. The detection unit 33 is configured to detect the respiration and the respiration rate of the sleeper 2 when the change output has a periodic fluctuation. The detection unit 33 is configured to consider that there is a motion other than respiration when the change output is not a periodic fluctuation. Furthermore, the detection unit 33 may be configured to consider movement other than breathing when the absolute value of the change output exceeds a certain value.
[0059]
Further, when the change output is the above-described cumulative value (see FIG. 9), the detection unit 33 detects the respiration rate by taking the two cycles as one breath when the change output has a periodic fluctuation. When the change output is the aforementioned movement amount accumulated value or movement amount accumulated time integral value (see FIGS. 11 and 12), the detection unit 33 determines that the change output has a periodic variation. The respiratory rate is detected with one cycle as one breath.
[0060]
As described above, the detection unit 33 detects the movement of the sleeping person 2 such as breathing. The respiratory pattern detected by the detection unit 33 is, for example, when the period of the respiratory pattern is disturbed in a short period of time or when the period of the respiratory pattern changes abruptly, for example, spontaneous pneumothorax, bronchial asthma It can be presumed that the disease is a pulmonary disease such as congestive heart failure, or a cerebrovascular disease such as cerebral hemorrhage. Moreover, when the disappearance of the breathing pattern continues, it can be estimated that the sleep of the sleeper 2 has stopped. When the sleeper 2 moves frequently instead of the breathing pattern in a short time, it can be inferred that the sleeper 2 suffers for some reason and is rampant.
[0061]
Furthermore, the detection unit 33 is configured to determine the state of the sleeping person 2 from the detected movement of the sleeping person 2. Thereby, the detection part 33 can determine that the sleeper 2 is in a dangerous state in the above cases.
[0062]
In addition, the movement of the sleeper 2 other than breathing can be easily detected because the waveform pattern fluctuates much more than when only the breathing is detected. In this case, the detection unit 33 can also detect from the change output whether the sleeping person 2 is moving on the spot such as turning over or moving up such as getting up from the bed. Further, even when the sleeper 2 makes periodic and small movements such as convulsions, an abnormality can be determined from the waveform pattern. Furthermore, it is possible to determine that the sleeper 2 is in a state of spasm by storing the waveform pattern in the state of spasm in the storage unit 34.
[0063]
The detection unit 33 may determine that the area where the sleeper 2 is present on the bed 6 is in a state of being extremely close to one of the ends of the bed 6. Thereby, the monitoring apparatus 1 can determine the situation where the sleeper 2 is in a dangerous position where the bed 2 falls from the bed 6.
[0064]
Here, an example of normal and abnormal breathing patterns will be described with reference to FIG. The normal breathing pattern stored in the breathing pattern storage unit 36 in the storage unit 34 is a periodic pattern as shown in FIG. Abnormal breathing patterns stored in the breathing pattern storage unit 36 are physiologically internal such as, for example, Chain-Stokes breathing, central hyperventilation, ataxic breathing, and Kasmaul breathing. It is a breathing pattern that is thought to occur when there is a disorder.
[0065]
FIG. 13B shows a respiratory pattern of Cheyne-Stokes breathing, FIG. 13C shows a respiratory pattern of central hyperventilation, and FIG. 13D shows a respiratory pattern of ataxic breathing.
Furthermore, FIG. 14 shows a disease name or a disease location when the above-described abnormal breathing pattern occurs.
[0066]
The detection unit 33 determines which breathing pattern the sleeping person 2 belongs to using the fact that the breathing frequency, the number of appearances, and the depth of each breathing pattern are different, and determines the state of the sleeping person 2. judge.
[0067]
Furthermore, when the detection unit 33 determines that the respiration of the sleeping person 2 belongs to a respiration pattern that is considered to occur in a hot water where a disorder occurs in the body physiologically, the awakening of the sleeping person 2 is abnormal. It is determined that it is in a dangerous state. The state of the sleeper 2 determined as described above is output from the output device 38 by the control unit 31. The output contents include the determined respiratory rate and frequency of movement of the sleeper 2, names of abnormal breathing patterns, disease names considered to cause the breathing, diseased organs, diseased locations, and the like.
[0068]
Here, the report device 40 for reporting the determination result of the state of the sleeping person 2 by the detection unit 33 to the outside will be described. The reporting device 40 reports the determination result of the state of the sleeping person 2 by the detection unit 33 to the outside. In the notification device 40, the state of the sleeping person 2 determined by the detection unit 33, information on sound acquired from a microphone (not shown) provided in the bed 6, and the like, a nurse station, a living room, a dining room, another bedroom, etc. A wireless communication device using wireless communication for delivery to another location, and a wired communication device using a power line or a dedicated line. Information sent by these communication devices can be used to send a message informing an emergency, make an alarm sound, or emit a light signature. These information, messages, and the like can also be sent to a person or apparatus at a remote location through a fixed telephone line, a data communication line, a CATV line, a mobile telephone line, or the like.
[0069]
Moreover, the monitoring apparatus 1 may be provided with a pressure-sensitive switch in the bedding laid under the sleeping person as an auxiliary means for accurately detecting whether or not the sleeping person 2 is present. By turning this switch on / off, the presence / absence of a sleeping person can be easily determined.
[0070]
In the above, the monitoring device 1 has been described with respect to detecting the movement of the sleeping person 2 on the bed 6, but is not limited to this and is limited to a monitoring area such as a toilet or bathroom. In some cases, it works particularly effectively. For example, as shown in FIG. 15, when the monitoring device 1 is installed on the ceiling of a bathroom, it is possible to reliably detect the breathing and movement of a person taking a bath. Further, although the case where the light projecting unit 12 is provided has been described in the present embodiment, the same configuration can be implemented without the light projecting unit 12.
[0071]
According to the present embodiment as described above, the monitoring device 1 can reliably detect the sleeping person's breathing by simple image processing without being affected by the posture or disturbance light of the sleeping person 2. it can. Thereby, the monitoring apparatus 1 can implement | achieve a quick emergency response when an elderly person or a sick person falls into a critical situation.
[0072]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an imaging unit that continuously images a monitoring object illuminated with a constant light amount, and a difference image between two frames of images obtained by the imaging unit at a predetermined time interval are generated. A difference image generating means for performing, a calculating means for obtaining a change output relating to the change between the two frames from the difference image, and a detection means for detecting the movement of the monitoring object from the time change of the change output. It is possible to provide a monitoring device that not only reliably detects a person's condition but also is small and simple.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an outline of a monitoring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of a monitoring device used in the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual perspective view illustrating a configuration example of an imaging apparatus used in an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a conceptual perspective view for explaining an FG element used in an embodiment of the present invention.
5A is a schematic perspective view and FIG. 5B is a schematic partial cross-sectional view for explaining a two-dimensional microlens array used in an embodiment of the present invention.
6 is a conceptual perspective view for explaining a case where high reflection processing is applied to the two-dimensional microlens array in the case of FIG.
7 is a conceptual perspective view illustrating a case where two two-dimensional microlens arrays in the case of FIG. 5 are used.
FIG. 8 is a chart for explaining the relationship between intermittent irradiation of illumination light and intermittent exposure.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a waveform pattern of change output obtained from a cumulative value of each pixel value of a difference image.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a case where a pattern movement amount is calculated from a difference image.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a waveform pattern of a change output obtained from a movement amount accumulated value of a pattern movement amount.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a waveform pattern of a change output obtained from a movement amount accumulated time integral value of a pattern movement amount;
FIG. 13 is a schematic diagram showing waveform patterns of normal and abnormal breathing.
FIG. 14 is a diagram showing a table of disease names or disease locations corresponding to abnormal respiratory waveform patterns.
FIG. 15 is a schematic perspective view showing an outline when the monitoring apparatus according to the embodiment of the present invention is installed in a bathroom.
FIG. 16 is a schematic diagram illustrating an example of an illumination pattern.
[Explanation of symbols]
1 Monitoring device
2 Sleeper
3 Bedding
6 beds
10 Imaging device
11 Imaging unit
11b filter
12 Projector
13 FG element
13a Grating pattern
14 Image processing unit
15 Image sensor
16 Two-dimensional microlens array
30 arithmetic unit
31 Control unit
32 Calculation unit
33 detector
34 Memory
35 interface
36 Breathing pattern storage
37 Input device
38 Output device
40 Reporting device

Claims (5)

一定の光量で照明された監視対象物を継続的に撮像する撮像手段と;
前記撮像手段により得られた所定時間間隔の2フレームの画像の差分画像を生成する差分画像生成手段と;
前記差分画像から前記2フレーム間の変化に関する変化出力を得る演算手段と;
前記変化出力の時間変化から前記監視対象物の呼吸による動きを検出する検出手段と
前記監視対象物を所定のパターン状照明光で照明する照明パターン投光手段とを備え;
前記パターン状照明光は、前記照明パターン投光手段と前記撮像手段とを結ぶ方向に平行な方向の照明分布を持つことを特徴とし、
前記演算手段は、前記差分画像の各画素値を累積する累積手段を備え
前記累積手段は、累積された累積値を時系列に並べる、
監視装置。
Imaging means for continuously imaging a monitoring object illuminated with a constant amount of light;
Differential image generation means for generating a differential image of two frames of images at predetermined time intervals obtained by the imaging means;
Computing means for obtaining a change output relating to a change between the two frames from the difference image;
Detecting means for detecting a movement of the monitoring object due to respiration from a time change of the change output ;
Illumination pattern light projecting means for illuminating the monitored object with a predetermined pattern illumination light;
The patterned illumination light has an illumination distribution in a direction parallel to a direction connecting the illumination pattern light projecting unit and the imaging unit ,
The computing means includes accumulating means for accumulating each pixel value of the difference image ,
The accumulating means arranges accumulated accumulative values in time series,
Monitoring device.
前記検出手段は、前記変化出力の周期的な変動から、2周期を1呼吸として呼吸数を検出する、The detection means detects the respiratory rate from two cycles as one breath from the periodic variation of the change output,
請求項1に記載の監視装置。The monitoring apparatus according to claim 1.
前記監視対象物の正常な呼吸パターン、および異常な呼吸パターンを保存する呼吸パターン保存部を備え; A breathing pattern storage unit that stores a normal breathing pattern and an abnormal breathing pattern of the monitoring target;
前記検出手段は、前記検出された呼吸による動きが示す呼吸パターンの呼吸の周波数、出現回数、深浅から、前記監視対象物の呼吸パターンが前記異常な呼吸パターンに属するかどうかを判別する、The detection means determines whether or not the breathing pattern of the monitoring target belongs to the abnormal breathing pattern from the breathing frequency, the number of appearances, and the depth of the breathing pattern indicated by the detected breathing movement.
請求項1または請求項2に記載の監視装置。The monitoring apparatus according to claim 1 or 2.
前記監視対象物の状態を出力する出力装置を備え;An output device for outputting the state of the monitored object;
前記出力装置は、前記監視対象物の呼吸数、動きの頻度、異常な呼吸パターンの名称と共に、異常な呼吸の原因と考えられる病名、疾患器官、疾患箇所のいずれか1を出力する、The output device outputs any one of a disease name, a diseased organ, and a diseased part considered to be the cause of abnormal breathing, together with the respiratory rate of the monitored object, the frequency of movement, and the name of an abnormal breathing pattern.
請求項3に記載の監視装置。The monitoring device according to claim 3.
前記撮像手段は、複数の画素の配列された撮像素子を有
前記撮像素子は、動体検出素子である、
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の監視装置。
The imaging means may have a sequence is an imaging device of a plurality of pixels,
The imaging element is a moving object detection element.
The monitoring apparatus according to any one of claims 1 to 4 .
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