JP2004216006A

JP2004216006A - 超音波振動感知センサを用いた人の状態判別装置及びこれを利用した人の状態判別方法

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Publication number: JP2004216006A
Application number: JP2003009041A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Sawayama; 智之澤山; Kazuhiko Taniguchi; 和彦谷口
Original assignee: NIPPON IRYO KIKI KK; Kinden Corp
Current assignee: NIPPON IRYO KIKI KK; Kinden Corp
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-01-17
Also published as: US7290451B2; JP4146734B2; US20040236218A1

Abstract

【課題】人の状態が正常であるか異常であるかの判別を遠隔から高精度でしかも確実に行なえると共に、システムの構築費の大幅な削減を可能にした人の状態判別装置を提供する。
【解決手段】容器本体と、容器本体の中に密封された液体と、液体の中に超音波を送信すると共に液面で反射された超音波を受信する超音波振動子とから成り、感知対象である人の動静を検知する超音波振動感知センサと、超音波送受信部と信号変換部とマイクロコンピュータ部とを備え、前記超音波振動感知センサへ所定時間間隔毎に送信信号を出力すると共に超音波感知センサ（Ａ）から所定時間間隔毎に受信信号が入力され、前記入力された受信信号の最大振幅値の変化から超音波振動感知センサ（Ａ）の感知対象である人の危険度を演算する超音波送受信制御装置と、前記超音波感知センサと超音波送受信制御装置との間を連結し、送信信号及び受信信号の入出力通路を形成するケーブルと、から人の状態判別装置を構成する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動感知センサを用いて人の正常又は異常状態を自動的に且つ迅速、正確に判別できるようにした人の状態判別装置と、これを利用した人の状態判別方法に関するものであり、主として病院等に於ける入院患者の状態観察に用いられるものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に病院等では、テレビカメラシステムが入院患者の遠隔観察に多く利用されており、看護士室等に設置したモニタにより病室内の状況が連続的に観察されている。
また、各病室には、押釦操作やマイク操作により患者の意思を看護士室等へ伝達するナースコール装置が設備されており、患者は個々に各人の意志を伝達できるようになっている。
【０００３】
しかし、前記テレビモニタシステムでは、個々の患者の細かな状態を正確に判別することが困難で、特に夜間等に於ける重症患者の呼吸状態等の判別は不可能に近い。
尚、このことはナースコールシステムに於いても同様であり、重症患者にはナースコールシステムを活用できないと云う問題がある。
【０００４】
一方、上述の如き問題を解決するため、本願出願人等は従前の加速度計や振動計とは構造・機能を全く異にする超音波振動感知センサを新規に開発し、当該超音波振動感知センサを用いた人の状態計測方法を開発し、これを特願２００２−１１８８４２号として公開している。
【０００５】
上記人の状態計測方法は、図１４に示すように超音波振動感知センサＡと超音波制御装置Ｂとから成る超音波計測装置をベッドＣに取り付け、人の状態の変化（振動状態の変化）を超音波振動感知センサＡによって検出し、これを超音波制御装置Ｂに於いて解析することにより人の状態の正常、異常を判別するようにしたものである。
また、前記超音波振動感知センサＡは図１３に示すように容器本体１と、容器本体１の中に液面を有するように密封された液体２と、液体２の中に超音波ｃを送信して液面で反射された超音波ｄを受信する超音波振動子３とから構成されている。
更に、前記超音波制御装置Ｂは、超音波振動子３から超音波ｃ、ｄを液体２中に送受信させるように超音波振動感知センサＡを制御するものであり、ケーブル４を介して送受信信号ａ、ｂを入出力すると共に、入力信号ｂを解析して人の状態の正常、異常を判別するよう構成されている。
【０００６】
前記本願出願人等が先きに開発をした人の状態計測方法は、図１４に示すように超音波振動感知センサＡをベッドＣに適宜に取り付けると共に、超音波振動感知センサＡの超音波振動子３から超音波ｃを液体２中に送信して液面２ａで反射した超音波ｄを受信制御する超音波制御装置Ｂを設け、人５の状態により生起される液面２ａの変化を液面２ａからの反射超音波ｄにより計測することにより、人５の状態を計測するようにしたものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする問題点】
本願出願人等が先きに開発をした図１３及び図１４に記載の超音波振動感知センサＡを用いた人の状態計測方法は、超音波振動感知センサＡにより検出した受信超音波ｄの振動波形の変化（特に振幅の変化）の状態から人の状態の変化を判別することを基本とするものであり、人の生・死等の動態変化は比較的高精度で検出し、判別することが出来る。
しかし、超音波振動感知センサＡで検出した受信超音波信号から人の生・死に至るまでの危険状態の度合いを数量的に把握する手段や方策については、未だ十分に開発されておらず、その結果現実の患者を対象とする実用化の点には様々な問題が残されており、特に雑音振動等が多い場合には、人の状態の正常又は異常の具体的な判別を高精度で出来ないと云う問題がある。
また、前記本願出願人等が先きに開発をした人の状態計測方法は、従前の所謂ディスクリート回路から成る超音波制御装置Ｂを使用しているため、当該方法を実施するためのシステムの構築費が高騰し、その引き下げを図り難いと云う問題がある。
【０００８】
本願発明は、本願出願人等が先きに開発をした人の状態判別に於ける上述の如き問題、即ち、▲１▼より高精度で且つ定量的な人の状態判別の具体的手段が未開発であるため、現実の患者への適用上に様々な問題があること、及び▲２▼人の状態判別システムの構築費が高かくつき、その大幅な引き下げを図れないこと等の問題を解決せんとするものであり、超音波振動感知センサＡを用いて人の状態判別を高精度で定量的に行なえると共に、マイクロコンピュータを用いて超音波制御装置Ｂを構成することにより、人の状態判別のためのシステム構築費の大幅な削減を可能とした超音波振動感知センサを用いた人の状態判別装置とこれを利用した人の状態判別方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１の発明は、容器本体と、容器本体の中に密封された液体と、液体の中に超音波を送信すると共に液面で反射された超音波を受信する超音波振動子とから成り、感知対象である人の動静を検知する超音波振動感知センサと、超音波送受信部と信号変換部とマイクロコンピュータ部とを備え、前記超音波振動感知センサへ所定時間間隔毎に送信信号を出力すると共に超音波感知センサから所定時間間隔毎に受信信号が入力され、前記入力された受信信号の最大振幅値の変化から超音波振動感知センサの感知対象である人の危険度を演算する超音波送受信制御装置と、前記超音波感知センサと超音波送受信制御装置との間を連結し、送信信号及び受信信号の入出力通路を形成するケーブルと、を発明の基本構成とするものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、超音波送受信制御装置のマイクロコンピュータ部を、超音波振動感知センサから一定時間間隔で入力される受信信号の最大振幅値の時系列データを作成すると共に、所定数の最大振幅値の変化点について標準偏差値を演算し、更に、前記時系列データの波形を高速フーリエ変換処理してスペクトラムピークを抽出すると共に前記標準偏差値及びスペクトラムピーク値からファジィＩｆＴｈｅｎルールによって人の危険度を演算するマイクロコンピュータ部としたものである。
【００１１】
請求項３の発明は、人の動静により生ずる振動を超音波振動感知センサにより検出し、当該超音波振動感知センサで検出した受信信号を超音波送受信制御装置のマイクロコンピュータ部で演算処理することにより、人の状態を判別するようにした超音波振動感知センサを用いた人の状態判別方法に於いて、前記マイクロコンピュータ部に於いて、前記超音波振動感知センサにより一定時間間隔毎に検出した受信信号の最大振幅値の時系列データを作成すると共に、当該時系列データを正規化して解析データを形成し、その後前記解析データの所定数の受信信号の最大振幅値の変化点についてその標準偏差値を演算すると共に、前記解析データの波形について高速フーリエ変換処理を行なって超音波のスペクトラムピーク値を抽出し、その後前記演算した標準偏差値及び前記抽出したスペクトラムピーク値をファジィＩｆＴｈｅｎルールに適用して人の危険度を演算し、当該演算した危険度の値から人の状態の正常又は異常を判別することを発明の基本構成とするものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項３の発明に於いて、人の危険度をファジィＩｆＴｈｅｎルールを表わすメンバーシップ関数を用いて演算するようにしたものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項３の発明に於いて、超音波送受信制御装置のマイクロコンピュータ部から一定時間間隔毎に送信パルスと受信許可パルスを超音波送受信部へ発信し、超音波振動検出センサからの超音波の発信並びに超音波振動検出センサからの超音波の受信信号の受入れを制御するようにしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は超音波振動感知センサを用いた人の状態判別装置の基本構成を示すブロック線図であり、本発明に係る人の状態判別装置は、超音波振動感知センサＡと超音波送受信制御装置Ｄとから構成されており、両者Ａ、Ｄの間がケーブル４により接続されている。尚、先きに開発をした図１３及び図１４の場合と同一の部位・部材には同じ参照番号を使用するものとする。
【００１５】
超音波振動感知センサＡは、本体容器１と、その底部に配置された超音波振動子３と、本体容器１の中に液面２ａを形成するように密封された液体２とから構成されている。液面２ａの上側は空間部になっている。
前記本体容器１は、金属製であっても樹脂製であってもよく、その材質は如何なるものでもよい。同様に本体容器１の形状は自由に選択することができる。
また、液体２は超音波ｃ、ｄを伝播させる液質であれば何でも良く、例えば水や有機溶媒、それらの混合溶液が使用できる。超音波速度を調整するため、液体２に粘性材料を分散混合させて適度の粘性を有するように構成してもよい。
更に空間部には空気などの適当な気体が注入されても良いが、真空状態に保持することによって液体２の飽和蒸気で充満させてもよい。
尚、超音波振動子３は図示のように上面を液体２の中に液没させ、下面を大気に直面させてもよく、或いは下面を容器１の内底面に接触させた配置としてもよい。
【００１６】
超音波送受信制御装置Ｄは、超音波送受信部６と信号変換部７とマイクロコンピュータ部８とから形成されており、▲１▼超音波の送信と受信を制御するだけでなく、▲２▼後述するように所定の時間間隔で受信した超音波受信信号ｄの最大振幅値を振動感知の時系列データに変換したり、▲３▼前記受信した超音波受信信号ｄの最大振幅値の変化点の標準偏差を演算したり、▲４▼受信超音波信号ｄを高速フーリエ変換してスペクトラムの特徴（ピーク）を確認したり、▲５▼演算した標準偏差や確認したスペクトラムピーク値等からメンバーシップ関数を用いて人の危険度を演算したり、及び▲６▼演算した危険度の値から人の状態が正常状態にあるか異常状態にあるかを判別してその結果を出力すると云う様々な機能を果たすものである。
【００１７】
図１を参照して、超音波送受信部６は超音波探触子（中心周波数：２ＭＨｚ）３を通して超音波ｅ、ｄを送受信する。受信された超音波ｄは信号変換部７を経てマイクロコンピュータ８に取り込まれる。尚、超音波探触子の中心周波数は前記２ＭＨｚに限定されるものではなく、種々の帯域を利用できることは勿論である。
【００１８】
図２は、水面２ａの状態とそれらの受信信号ｂの波形を示すものである。まず、図２の（ａ）は振動のない状態に於ける波形である。水面２ａと振動子３との成す角が直角であるため、送信された超音波ｅはほとんど減衰することなく受信されることから、他の２パターンの状態と比較して、受信信号ｂの波形の最大振幅値が最も大きくなる。次に、図２の（ｂ）は水面２ａに角度をつけた状態に於ける波形である。送信された超音波ｅは減衰するため、最大振幅値は下がる。さらに、図２の（ｃ）はセンサーＡ（水面２ａ）が振動している状態である。水面２ａが波打つことから、超音波受信信号ｂの波形の最大振幅値も変動する。
このセンサＡは超音波受信信号ｂの波形の最大振幅値の時間的変化を解析することにより、対象物体（人５）の振動を感知するものである。
【００１９】
表１は、容器本体１をアクリル製とし、且つ超音波振動子として基準周波数が２ＭＨｚの圧電素子型振動子を、また液体２として水を利用した場合の図１の超音波振動感知センサＡの感度テストの結果を示すものである。尚、表１の中の大きさ欄は容器本体１の内側寸法を示すものである。また、角度０．０〜１０．０は容器本体１の傾斜角度を、更に数値の１００〜０は欄は超音波受信信号ｂの最大振幅値の減衰割合を示すものであり、角度か０°の時の振幅値を１００とした時の比率を示すものである。
表１の結果からも明らかなように、角度が大きくなるほど超音波受信信号ｂの振幅値の減衰が大きくなることが判る。
【００２０】
【表１】

【００２１】
次に、本発明に係る人の状態判別装置を入院患者のベッドへ適用した場合の超音波振動感知センサＡによる検知データの取得とその処理について説明する。
図３は、本発明に係る人の状態判別装置を適用した際の説明図であり、患者（人）５の呼吸や心臓の拍動によりベッドＣへ与えられる振動を超音波振動検知センサＡにより検出する場合を示すものである。
【００２２】
先ず、図３に示すように、超音波振動感知センサＡを医療用ベッド（ＰＡＲＡＭＯＵＮＴＢＥＤＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ａ５１４１）Ｃに取り付け、データの取得を行った。即ち、本システムで解析するデータは、超音波受信信号ｂの受信波形の最大振幅値の時間的変化であり、マイクロコンピュータ部８からの送信パルスａｐによって超音波送受信部６を制御することにより受信波形の取得を０．１秒間隔で行い、それぞれの場合に検知した超音波受信信号ｂの受信波形の最大振幅値を振動感知の時系列データとして図４の（ａ）のようにプロットし、その後各プロットデータを正規化して図４の（ｂ）の如き解析データを得るようにした。
【００２３】
前記の方法による超音波振動検知センサＡを用いたデータの取得は、▲１▼図３のようにベッドＣ上に患者５が寝ている場合（患者（被験者）Ｘ及び患者（被験者）Ｙ）、▲２▼図３に於いてベッドＣ上にコンクリートブロックを乗せた場合（１５ｋｇ１個、１５ｋｇ×２個及び１５ｋｇ×３個）及び▲３▼無荷重の場合（何も乗せない場合）の三つの状態について、夫々行なった。
尚、前記▲２▼のコンクリートブロックを乗せた状態は患者５の動きが完全に停止した状態を想定するものであり、また、ベッドＣ上に何も乗せない▲３▼の状態は、ベッド振動のバックグランド値を得る目的で行なうものである。
また、測定は０．１秒間隔で５分間（即ち合計３０００点）の測定を三つの夫々のケースについて１０回づつ行なった。尚、測定に於けるサンプリングタイムは短いほどベターであり、例えば０．０１秒間隔で行うようにしてもよい。
【００２４】
図５は、上記図３の人の状態判別装置に於いて、ベッドＣ上を無負荷（何も乗せない状態）にしたときの超音波振動検知センサＡにより取得したデータの図４の（ｂ）に対応する解析データを示すものである。図５により、極めて小さな振幅値の変化が測定されていることが判るが、これは信号変換部７の性能によるものか、若しくはベッドＣが設置されている建物基盤の固有の振動によるかの何れかであると想定される。
【００２５】
図６は、ベッドＣ上に人が寝ている場合の取得データの解析データを示すものであり、両患者５の夫々について振幅値の大きな変化が確認できた。尚、図６の中のＡ及びＢは両患者５自体の大きな動きの測定値を示すものである。
【００２６】
図７はコンクリートブロックをベッドＣ上へ乗せた場合の入手データの解析データを示すものであり、ベッドＣの上に乗せるブロックの数を変化させても、測定結果の振幅値には何等変化の無いことが確認された。
【００２７】
本願発明に於いては、前記超音波振動検知センサＡから超音波送受信部６及び信号変換部７を通してマイクロコンピュータ部８へ入力された受信信号ｂは、前述の如く各検知回数毎にその最大振幅値を振動感知の時系列データとしてプロットされ、その後これを正規化処理することにより図４の（ｂ）の如き形態の解析データが得られる。
【００２８】
また、これと同時に、マイクロコンピュータ部８では、検出した超音波受信信号ｂの最大振幅値の変化点についての標準偏差の演算が行なわれる。
即ち、取得された各検知回数毎の最大振幅値の変化点（３０００点）の標準偏差値ＳＤ１と、１０回分の前記標準偏差値ＳＤ１についての標準偏差値ＳＤ２とが夫々演算される。
尚、前者の標準偏差値ＳＤ１は短時間（０．１秒間隔×３０００点＝５分間）の検知データ間のばらつきを表わすものであり、また、後者の標準偏差値ＳＤ２は長時間（５分×１０回＝５０分）の検知データ間のばらつきを表わすものである。また、標準偏差値ＳＤ１及び標準偏差値ＳＤ２の検知データの測定時間は、適宜に変更可能ことは勿論である。
【００２９】
表２は、前記図５、図６及び図７に示した各ケースに於いて、超音波振動検知センサＡにより検知した超音波受信信号ｂについての前記標準偏差値ＳＤ１及び標準偏差値ＳＤ２の演算値を示すものである。表２からも明らかなように、ベッドＣ上に人が寝ている場合と、それ以外の場合とでは、標準偏差値ＳＤ１、ＳＤ２ともに大きな違いが現れた。これは、ベッドＣの上に寝ている患者５の動きが停止してしまった場合、この超音波振動検知センサＡによりその状態が検出可能であることを示すものである。
【００３０】
【表２】

【００３１】
前記両標準偏差値ＳＤ１、ＳＤ２の演算と並行して、マイクロコンピュータ部８では、超音波振動検知センサＡにより取得された前記図７に示した解析データの波形について、所謂高速フーリエ変換（ＦＥＴ）の演算処理が行なわれる。図８は前記高速フーリエ変換の結果を示すものであり、図８の（ａ）はベッドＣ上に何も無い場合に得られた図５の波形を高速フーリエ変換した結果を、また図８の（ｂ）は人５がベッドＣ上に乗っている場合の図６の（ａ）の波形を高速フーリエ変換した場合の結果を、更に図８の（ｃ）は図６の（ｂ）の波形を高速フーリエ変換した場合の結果を夫々示すものである。尚、取得したデータの高速フーリエ変換の演算処理に際して、取得データの時間間隔を適宜に変更することが可能なことは勿論である。
【００３２】
図８の（ａ）〜（ｃ）からも明らかなように、内径３００ｍｍ、高さ２０ｍｍの円筒状のアクリル製容器に高さ１０ｍｍの水を封入して形成した振動センサをベッドに取り付け、サンプリング時間を０．１秒として３０００点の測定をした際の取得データに対して高速フーリエ変換の演算処理を行なった場合、ベッドＣ上に何もない場合の取得データに対しては、顕著なスペクトラムピークは確認できない（図８の（ａ））が、人がベッド上に寝ている場合の取得データに対しては、両被験者Ｘ、Ｙとも図８の（ｂ）及び（ｃ）のように、２ＭＨｚ付近及び４ＭＨｚ付近に顕著なスペクトラムピーク（ＦＰ）、（ＳＰ）を確認することができた。即ち、図８の（ｂ）及び（ｃ）に於けるスペクトラムピークは、ベッドＣの上に何も乗っていない場合とコンクリートブロックを乗せた場合には確認できなかったスペクトラムピークであり、人５がベッドＣ上に寝ている場合にのみ現われる振動によるスペクトラムピークであると考えられる。
尚、上記スペクトラムピーク（２ＭＨｚ付近及び４ＭＨｚ付近）の位置は、使用する振動センサの形状や封入液体の種類及び量、サンプリング時間間隔、データ取得時間の長さ等によって夫々異なる位置となることは勿論である。
【００３３】
前記超音波振動検知センサＡにより検知した超音波受信信号ｂの最大振幅値の変化から三種の特性値（即ち、短時間の標準偏差値ＳＤ１、２ＨＺ付近のスペクトラムピークＦＰ、４ＨＺ付近のスペクトラムピークＳＰ）が抽出されると共に、前記標準偏差値ＳＤ１は振動が無い時は小さくなり、また前記両スペクトラムピークＦＰ、ＳＰも振動が無いときにはピーク値が下降することが確認された。
【００３４】
また、これ等の確認された知識は、以下に示すファジイＩｆＴｈｅｎルールによって表現することができる。
ＩｆＳＤ１ｉｓｓｍａｌｌｏｒＦＰｉｓＳｍａｌｌｏｒＳＰｉｓｓｍａｌｌ，Ｔｈｅｎ μａｂｎｏｒｍａｌｉｔｙ（Ｘ）ｉｓｈｉｇｈ．……（１）
ここで、μａｂｎｏｒｍａｌｉｔｙ（Ｘ）とは患者Ｘに対する危険度である。
【００３５】
このファジイＩｆＴｈｅｎルールは図９に示すメンバーシップ関数により表されるものであり、患者Ｘの危険度μａｂｎｏｒｍａｌｉｔｙ（Ｘ）は以下の式により求められる。
μａｂｎｏｒｍａｌｉｔｙ（Ｘ）＝ｍａｘ｛μｓｄ１（Ｘ），μｆｐ（Ｘ），μｓｐ（Ｘ）｝……（２）
ここで、μｓｄ１はＳＤ１の所属度、μｆｐはＦＰの所属度、μｓｐはＳＰの所属度である。
【００３６】
前記標準偏差値ＳＤ１、スペクトラムピークＦＰ及びスペクトラムピークＳＰが演算されると、マイクロコンピュータ部８に於いては、前記（１）式及び（２）式から患者Ｘの危険度μａｂｎｏｒｍａｌｉｔｙ（Ｘ）が演算される。
表３は、算出された各状態の危険度を示すものであり、同表に示すように、危険度は人が寝ている状態では低く、静止した状態（何もない状態、重いものを乗せた状態）では高くなる。即ち、当該危険度の値から、患者５が寝ている状態（正常）と動きが停止してしまった状態（異常）を正しく識別することが確認できた。
【００３７】
尚、前記（１）式で表わされるファジイＩｆＴｈｅｎルールそのものは、文献（Ｌ．Ａ．Ｚａｄｅｎ，ＦｕｚｚｙＳｅｔｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＪｏｈｎＷｉｔｅｙａｎｄＳｏｎｓ，１９８７）に開示されているものであり、ファジイ論理の技術分野の当業者には公知のルールである。
【００３８】
【表３】

【００３９】
前記危険度μａｂｎｏｒｍａｌｉｔｙ（Ｘ）が演算されるとマイクロコンピュータ部８では演算した危険度の値を設定値と対比し、危険度が設定値を越えている場合には、人の状態が異常状態にあると判断して外部へ異常状態の警報等を発信する。また、演算した危険度の値が設定値以下であれば、人の状態が正常状態にあるとして正常状態の表示信号等を発信する。
【００４０】
次に、本願方法発明の実施について、説明する。図３及び図１０を参照して、本実施例に於いては、先ず中心周波数が２ＭＨｚの超音波振動感知センサＡを入院患者５のベッドＣのマット内の適宜個所へ固定し、ケーブル４により超音波送受信制御装置Ｄへ連結する。
その後、マイクロコンピュータ部８を起動（Ｋ_１）し、予かじめ定められた間隔で送信パルスａｐを信号変換部７を経て超音波送受信部６へ送り、超音波送受信部６から送信信号ａを超音波振動子３へ入力することにより、送信超音波ｅを発信すると共に、液面２ａで反射されてきた受信超音波ｄを超音波振動子３で受信し、超音波送受信部６、信号変換部７を経て、受信信号ｂをディジタル受信信号ｂｐに変換し、マイクロコンピュータ部８へ入力する。（Ｋ_２，Ｋ_３）。
【００４１】
マイクロコンピュータ部８では、先ず適宜の時間間隔例えば０．１ｓｅｃ間隔で入力されてくる受信信号ｂの最大振幅値の変化点を振動感知の時系列データとしてプロット（Ｋ_４）し、これを正規化して解析データを得る（Ｋ_５）。
次に、前記取得した所定数（所定時間内）の最大振幅値の変化点（本実施例の場合約３０００点、５分間）の標準偏差値ＳＤ１をマイクロコンピュータ部８で演算し（Ｋ_６）、その演算値を記憶する。
また、前記解析データの波形について、マイクロコンピュータ部８で高速フーリエ変換処理を行ない（Ｋ_７）、周波数と超音波の強度の相関関係を演算表示すると共に、スペクトラムピークＥＰ、ＳＰを抽出する。
尚、前記標準偏差ＳＤ１の演算と高速フーリエ変換処理とは、とちらを先きに実施してもよく、或いは両者を並列的に実施することも可能である。
【００４２】
その後、前記標準偏差の演算値ＳＤ１及び高速フーリエ変換により求めた二つの特徴的なピーク値（ＦＰ），（ＳＰ）をファジイＩｆＴｈｅｎルールに適用し、患者５に固有の危険度ｕａｂｎｏｒｍａｌｉｔｙ（Ｘ）を算出する（Ｋ_８）。尚、ファジィＩｆＴｈｅｎルールに適用する前記ピーク値は一つであっても良く、また複数のピーク値が存在する場合には、複数のピーク値を適用するようにしても良い。
そして、前記演算した危険度Ｘが設定値を越えた場合には、患者の状態が異常であると判断し（Ｋ_９）、外部へその情報を通報する。
上記処理を連続的又は間欠的に多数の患者について並行して行なうことにより、人の状態判別が所謂システムとして実施されることになる。
【００４３】
図１１は、本発明に係る人の状態判別装置の第２実施例を示すものであり、超音波送受信制御装置Ｅの部分が第１図の超音波送受信制御装置Ｄと若干異なっている。
即ち、本実施例に係る超音波送受信制御装置Ｅでは、所定の時間間隔で送信パルスａｐが発信されると共に、送信パルスａｐの発信後に受信許可パルスｒｐが発信される。この両パルスａｐ、ｒｐのタイミングを適宜に定めることにより、超音波送受信部６が送信パルスで飽和してしまうことなしに、受信信号ｂを受け入れすることが可能となる。
【００４４】
また、超音波送受信部６で受信した受信信号ｂは、信号変換部７でＡ／Ｄ変換してマイクロコンピュータ部８へ取り込むが、この時にコンピュータ部８から発信した受信利得制御信号ｇｐによって、前記受信信号ｂを規定値に合わせる処理が行なわれる。具体的には、受信信号ｂの強度を基準設定値と比較し、その差異でもって自動利得調整をして受信信号ｂの増幅度の利得を変化させ、受信信号ｂの出力値を基準設定値に合わす。尚、前記利得設定電圧はマイクロコンピュータのＤ／Ａ出力を利用している。
上記自動利得調整を行なうことにより、受信信号ｂの微少な変化も確実に検出されることになり、受信強度信号ｂａとしてマイクロコンピュータ部８へ入力される。
【００４５】
尚、前記受信強度信号ｂａのマイクロコンピュータ部８への取り込みは、受信信号ｂ′を高速でＡ／Ｄ変換して取り込むことにより実現することができるが、ＤＳＰ方式による高速演算取り込みも可能である。
また、マイクロコンピュータ部８への受信信号ｂ′の取り込みは、受信信号の強度を蓄積して取り込む方法、例えば受信信号電圧のホールド回路を用いてピークホールドした信号を取り込む方法も利用可能である。この方法の場合には、信号中の最高強度を記憶することで高速演算を省き、演算そのものを簡略化できる利点がある。
【００４６】
更に、前記送信パルスａｐ、受信許可パルスｒｐ及び受信強度信号ｂａ間のタイミングは、基本的には図１２に示す如きタイミングで各信号を発生する。
即ち、図１２の如きタイミングの基本サイクルを繰り返し、決められた回数ごとに各種の演算をして基本設定値と比較し、各種の信号を発生する。
この様にすることで、各種の演算や判断方法、その閾値を自由に変更することができ、システムを構成する場合に必要に応じて柔軟に対応することが可能となる。
尚、前記信号強度のピークホールド回路を用いる時は、受信許可をしたあと信号取り込み前に、ホールド信号を出して最高値を記憶させ、そのあとで記憶させた電圧を取り込むようにする。
【００４７】
前記図１１の超音波送受信部６を構成する送信回路６ａとしては、必要とする高電圧を用意しておき、必要に応じて前記高電圧をパルスで取り出して振動子に与えるものであれば、如何なる型式のものであってもよい。
また、逆に、低い電圧を用意し、この電源回路に挿入したインダクタンスに生ずる逆起電力により高電圧を発生させ、これを利用して振動子を駆動する方法であってもよい。
更に、前記超音波送受信部６を構成する受信回路６ｂは、通常の高周波受信回路であって所謂アンプ回路とこれに続くピークホールド回路が備えられており、ここに受信信号ｂの最高値が記憶されることになる。
【００４８】
【発明の効果】
本願装置発明に於いては、小型でしかも高感度の超音波振動感知センサを用いるため、病院のベッド等へも容易に適用することができると共に、人の状態（異常又は正常）を高精度でしかも確実に検知することができ、人の状態判別をシステム的に行なう上で優れた実用的効用を有するものである。
【００４９】
また、本願装置発明に於いては、超音波送受信制御装置を超音波送受信部と信号変換部とマイクロコンピュータ部とで形成すると共に、マイクロコンピュータ部で所定の演算処理等を行なうようにしているため、先きに開発をした従前のディスクリート回路を用いて実現した超音波送受信制御装置を用いる場合に比較して、製造コストやシステム自体の構築費を大幅に削減することが出来る。
【００５０】
更に、本願方法発明に於いては、所定時間間隔を置いて入手した超音波振動感知センサからの検出信号をマイクロコンピュータへ取り入れ、当該マイクロコンピュータ部により、受信信号の最大振幅値の変化の時系列データの作成とその正規化処理による解析データの作成、解析データに基づく最大振幅値の変化の標準偏差値の演算、解析データ波形の高速フーリエ変換処理によるスペクトラムピーク値の演算及び抽出を行なうと共に、これ等の各演算処理値を用いてファジィＩｆＴｈｅｎルールを表わすメンバーシップ関数により人の危険度を演算して最終的に人の状態の正常又は異常を判断するようにしているため、実験と理論に裏打ちされた高精度で且つ確実な人の状態判断を行なうことが可能となる。
本発明は上述の通り、人の生・死等を含めた状態を正確に判別することができると云う優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波振動感知センサを用いた人の状態判別装置の基本構成を示すブロック線図である。
【図２】超音波振動感知センサの水面の状態と超音波受信信号ｂ′の波形を示すものであり、（ａ）は無振動のとき、（ｂ）は傾斜時、（ｃ）は振動時を夫々示すものである。
【図３】本発明に係る人の状態判別装置を入院用ベッドへ適用した場合を示す説明図である。
【図４】図３の人の状態判別装置を用いて検知したデータの処理の説明図であり、（ａ）は０．１秒間隔で取得した各回のデータの最大振幅値を振動感知の時系列データとしてプットした場合を示すものであり、また（ｂ）は各プロットデータを正規化した場合の解析データを示すものである。
【図５】ベッドＣ上を無負荷にした場合の図３の人の状態判別装置により検知した取得データの図４の（ｂ）に対応する解析データを示すものである。
【図６】ベッドＣ上に人が寝ている場合の解析データを示すものであり、（ａ）は患者Ｘが、また（ｂ）は患者Ｙが寝ている場合を示すものである。
【図７】ベッドＣ上にコンクリートブロックを乗せた場合の解析データを示すものであり、（ａ）は１５ｋｇブロックを１個、（ｂ）は１５ｋｇブロックを２個及び（ｃ）は１５ｋｇブロックを３個乗せた場合を示すものである。
【図８】図７に示した解析データの波形を高速フーリエ変換した結果を示すものであり、図８の（ａ）は図５の波形を、また図８の（ｂ）は図６の（ａ）の波形を、更に図８の（ｃ）は図６の（ｂ）の波形を、夫々高速フーリエ変換した結果を示すものである。
【図９】ファジイＩｆＴｈｅｎルールを表わすメンバーシップ関数である。
【図１０】本願方法発明の実施を説明する系統図である。
【図１１】本発明に係る人の判別装置の第２実施例を示す構成図である。
【図１２】第２実施形態に係る超音波送受信制御装置Ｅに於ける送信パルスａｐ、受信許可パルスｒｐ及び受信強度信号ｂａのタイミング関係の説明図である。
【図１３】先きに本願出願人等が開発した超音波振動感知センサの基本構成を示す説明図である。
【図１４】先きに本願出願人等が開発した超音波振動感知センサを用いた人の状態計測方法の実施状態を示す説明図である。
【符号の説明】
Ａは超音波振動感知センサ、Ｂは超音波制御装置、Ｃはベッド、Ｄ・Ｅは超音波送受信制御装置、ａは送信信号、ｂ・ｂ′は受信信号、ｃは送信超音波、ｄは受信超音波、ａｐ・ａｐ′は送信パルス、ｒｐ・ｒｐ′は受信許可パルス、ｇｐ・ｇｐ′は受信利得制御信号、ｂａは受信強度信号、１は容器本体、２は液体（水）、２ａは液面、３は超音波振動子、４はケーブル、５は人、６は超音波受信部、６ａは送信回路、６ｂは受信回路、７は信号変換部、８はマイクロコンピュータ部。

Claims

容器本体と、容器本体の中に密封された液体と、液体の中に超音波を送信すると共に液面で反射された超音波を受信する超音波振動子とから成り、感知対象である人の動静を検知する超音波振動感知センサと、超音波送受信部と信号変換部とマイクロコンピュータ部とを備え、前記超音波振動感知センサへ所定時間間隔毎に送信信号を出力すると共に超音波感知センサから所定時間間隔毎に受信信号が入力され、前記入力された受信信号の最大振幅値の変化から超音波振動感知センサの感知対象である人の危険度を演算する超音波送受信制御装置と、前記超音波感知センサと超音波送受信制御装置との間を連結し、送信信号及び受信信号の入出力通路を形成するケーブルと、から構成したことを特徴とする超音波振動感知センサを用いた人の状態判別装置。
超音波送受信制御装置のマイクロコンピュータ部を、超音波振動感知センサから一定時間間隔で入力される受信信号の最大振幅値の時系列データを作成すると共に、所定数の最大振幅値の変化点について標準偏差値を演算し、更に前記時系列データの波形を高速フーリエ変換処理してスペクトラムピークを抽出すると共に、前記標準偏差値及びスペクトラムピーク値からファジィＩｆＴｈｅｎルールによって人の危険度を演算するマイクロコンピュータ部とした請求項１に記載の超音波振動感知センサを用いた人の状態判別装置。
人の動静により生ずる振動を超音波振動感知センサにより検出し、当該超音波振動感知センサで検出した受信信号を超音波送受信制御装置のマイクロコンピュータ部で演算処理することにより、人の状態を判別するようにした超音波振動感知センサを用いた人の状態判別方法に於いて、前記マイクロコンピュータ部に於いて、前記超音波振動感知センサにより一定時間間隔毎に検出した受信信号の最大振幅値の時系列データを作成すると共に、当該時系列データを正規化して解析データを形成し、その後前記解析データの所定数の受信信号の最大振幅値の変化点についてその標準偏差値を演算すると共に、前記解析データの波形について高速フーリエ変換処理を行なって超音波のスペクトラムピーク値を抽出し、その後前記演算した標準偏差値及び前記抽出したスペクトラムピーク値をファジィＩｆＴｈｅｎルールに適用して人の危険度を演算し、当該演算した危険度の値から人の状態の正常又は異常を判別する構成としたことを特徴とする超音波振動感知センサを用いた人の状態判別装置による人の状態判別方法。
人の危険度をファジィＩｆＴｈｅｎルールを表わすメンバーシップ関数を用いて演算するようにした請求項３に記載の超音波振動感知センサを用いた人の状態判別装置による人の状態判別方法。
超音波送受信制御装置のマイクロコンピュータ部から一定時間間隔毎に送信パルスと受信許可パルスを超音波送受信部へ発信し、超音波振動検出センサからの超音波の発信並びに超音波振動検出センサからの超音波の受信信号の受入れを制御するようにした請求項３に記載の超音波振動感知センサを用いた人の状態判別装置による人の状態判別方法。