JP2011520205A - 転倒検知システムにおける変位測定 - Google Patents

Abstract

ユーザへの取り付けに適したセンサモジュールであって、センサモジュールに作用する加速度を測定するための加速度計を有するセンサモジュールと、センサモジュールが衝撃を受けたかどうかを決定するために測定された加速度を分析するための、及び、衝撃の直前の期間中のセンサモジュールの鉛直変位を推定するための、プロセッサであって、加速度計からの測定結果を２回積分することによってセンサモジュールの鉛直変位を推定するプロセッサとを、有する個人転倒検知システムが提供される。

Description

本発明は物体の変位の測定に関し、特に加速度計を用いる転倒中の物体の変位の測定のための方法及びシステムに関する。

三次元加速度計は物体に取り付けられることができ、物体の加速度を三次元で測定することができる。これらの測定の一部として、加速度計は重力によって引き起こされる物体に対する加速度を測定する。

一般的に、個人転倒検知システムは、ユーザ装着式のセンサモジュールを有し、これは緊急事態が検知される場合にシステムの残りの部分に警報信号を無線で送信するようになっている。こうしたセンサモジュールは、モジュールに警報信号を送信させるためにユーザが押すことができる警報ボタン、又は、ユーザが転倒したかどうかを検知し、それによってセンサモジュールが自動的に警報信号を送信する、検知器を有し得る。

多くの既存の自動転倒検知法は、身体、通常は腰に取り付けられる転倒検知器を用いて、ユーザの日常活動と転倒の加速度を測定することに基づく。これらの転倒検知法の基本原理は、転倒中に身体が地面に落ちることによって生じる大きな又は顕著な衝撃を検知することである。いくつかの方法は転倒によって生じる身体の方向の変化も検知することができ、これは転倒検知の成功率を向上させる。

しかしながら、既存の方法はまだ受け入れ難いほど高い誤報率を持つ。これは、大きな衝撃の発生の検知と併せて身体方向の変化を測定することが、ユーザの全日常活動と転倒を区別するのに十分ではないことが多いためである。

転倒検知システムは、ユーザの活動についてより多くの情報を生成する追加機能を備えることができ、これは性能を改良することができる。特に、変位測定センサをセンサモジュールに加えることは性能を改良することができる。これは、立位から地面へ転倒すると、センサモジュールが腰に取り付けられている場合、センサモジュールの高さが大体腰から地面までの高さだけ減少することになるためである。この変位情報はいくつかの日常活動と転倒を区別するために有用であり、転倒検知の性能を改良する。

気圧から絶対高度を測定することを可能にする、気圧計を加速度計ベースの転倒検知システムに組み込むことは、上記の要件を満たす。しかしながら、この種の追加部品をセンサモジュールに含むことは、システムにとってエネルギー消費とサイズの増加につながる。加えて、気圧計による測定は、周囲圧力又は温度の変化などの環境の変化によって悪影響を受ける可能性がある。

従って、加速度計を含むセンサモジュールの変位を測定するための代替的な方法が必要である。

本発明の第一の態様によれば、ユーザへの取り付けに適したセンサモジュールであって、センサモジュールに作用する加速度を測定するための加速度計を有するセンサモジュールと、センサモジュールが衝撃を受けたかどうかを決定するために測定された加速度を分析するための、及び、衝撃の直前の期間中のセンサモジュールの鉛直変位を推定するための、プロセッサであって、加速度計からの測定結果を２回積分することによってセンサモジュールの鉛直変位を推定するプロセッサと、を有する個人転倒検知システムが提供される。

好適には、プロセッサは、測定された加速度が固体物体との衝突の特徴を示す場合に、センサモジュールが衝撃を受けたと決定するようになっている。

好適には、プロセッサは、測定された加速度の大きさが所定閾値を超える場合に、センサモジュールが衝撃を受けたと決定するようになっている。

代替的に、プロセッサは、特定方向で測定された加速度の大きさが所定閾値を超える場合に、センサモジュールが衝撃を受けたと決定するようになっている。

代替的に、プロセッサは、加速度計からの測定結果の分散が所定閾値を超える場合に、センサモジュールが衝撃を受けたと決定するようになっている。

好適には、プロセッサはさらに、センサモジュールが衝撃を受けた時間である、衝撃時間を特定するようになっている。

好適には、プロセッサは、測定された加速度のタイムスタンプを調べることによって衝撃時間を特定するようになっている。

好適には、プロセッサはさらに、センサモジュールが衝撃前に動き始めた時間である、開始時間を特定するようになっている。

好適には、プロセッサは、測定された加速度が所定閾値未満だけ変化する安定期間を特定するために、衝撃前の測定された加速度を調べることによって、開始時間を特定し、かつ、安定期間が終わる時間として開始時間を特定するようになっている。

代替的に、又は付加的に、プロセッサは、所定閾値を超える測定された加速度の方向の変化を特定するために、衝撃前の測定された加速度を調べることによって、開始時間を特定し、かつ、方向の変化が最初に閾値を超えた時間として開始時間を特定するようになっている。

好適には、プロセッサは、開始時間と衝撃時間の間の加速度計からの測定結果を２回積分することによって、センサモジュールの鉛直変位を推定するようになっている。

好適には、プロセッサは、鉛直方向に作用する開始時間における測定された加速度の成分を特定することによって、開始時間における重力加速度を推定するようになっている。

好適には、プロセッサは、センサモジュールの鉛直変位を推定するためにプロセッサによって使用される測定結果から、推定された重力加速度を引くようになっている。

好適には、個人転倒検知システムは、センサモジュールからの推定された鉛直変位を用いて、転倒が起こったかどうかを決定するための手段を有する。

好適には、該手段はさらに、転倒が起こったと決定される場合に警報を発するようになっている。

いくつかの実施形態において、プロセッサはセンサモジュールの一部である。しかしながら、他の実施形態において、プロセッサはセンサモジュールとは別のベースユニットの一部である。

本発明の第二の態様によれば、物体に作用する加速度を測定するステップと、物体が衝撃を受けたかどうかを決定するために測定された加速度を分析するステップと、加速度計からの測定結果を２回積分することによって衝撃の直前の期間中の物体の鉛直変位を推定するステップとを有する方法が提供される。

本発明の第三の態様によれば、コンピュータ上で実行されるときに上記方法を実行するためのコンピュータプログラムが提供される。

本発明は、ほんの一例として、以下の図面を参照して説明される。

本発明にかかる転倒検知システムを示す。 転倒検知システムのセンサモジュールをより詳細に示すブロック図である。 本発明にかかる方法を説明するフローチャートである。 センサモジュールとユーザ転倒の図である。 加速度計からのいくつかの測定結果例を示すグラフである。

図１はユーザ２によって使用されている転倒検知システムを示す。転倒検知システムは、ユーザ２によって装着されるセンサモジュール４と、ベースユニット６を有する。センサモジュール４はユーザの身体の任意の部分に装着されることができるが、転倒の検知を改良するために、ユーザの腰又は胸の周囲に装着されることが好ましい。

センサモジュール４は、センサモジュール４によって経験される加速度を測定するための少なくとも１つの加速度計と、ベースユニット６と通信するためのいくつかの手段を有する。センサモジュール４が転倒又は他の警報状態を検知する場合、センサモジュール４はベースユニット６と通信し、ベースユニット６は警報を発令又は発報することができる。

代替的な実施形態において、センサモジュール４とベースユニット６の機能は単一の装置に統合されることができる。

図２はセンサモジュール４をより詳細に示す。この実施形態において、センサモジュール４は、センサモジュール４によって経験される加速度を三次元で測定する加速度計８と、加速度計８の測定結果から転倒が起こったかどうかを決定するためのプロセッサ１０を有する。加速度計８は加速度を連続的に又は離散間隔で測定することができ、各測定結果をタイムスタンプすることができる（とはいえ、測定結果がメモリ１８に書き込まれるとき、プロセッサ１０が測定結果をタイムスタンプすることができる）。センサモジュール４は、ベースユニット６と通信するためのアンテナ１２と関連トランシーバ回路１４、警報状態が検知される場合に警報信号又は警報音を発するための警報ユニット１６、及び加速度計８からの測定結果のセットを保存するためのメモリ１８も有する。

好適な実施形態において、メモリ１８は、プロセッサ１０によるその後の検索のために、加速度計８からの特定期間をカバーする測定結果を連続的に又は周期的に保存する、循環バッファ又は同じような種類の装置である。従って、メモリ１８がいっぱいであるとき、さらなる測定結果はメモリ１８に保存されている最も古い測定結果に上書きし、メモリ１８が現在に先行する特定時間間隔Ｔをカバーする最新の加速度計測定結果を含むようになっている。明らかに、メモリ１８は少なくとも転倒に要する時間をカバーする加速度計測定結果を保存するために十分な容量を持たなければならない。例えば、５秒間をカバーする加速度計測定結果を保存することができるメモリ１８は、本発明を実施するために十分なはずである。

本発明によれば、センサモジュール４の変位は加速度計８からの測定結果を２回積分することによって推定される。この変位推定を、プロセッサ１０で実行する転倒検知アルゴリズムが利用できるようにすることによって、転倒検知システムの誤報率の性能が改良されることができる。

図３は本発明の一実施形態にかかるセンサモジュール４の変位を推定する方法を説明する。該方法は衝撃が起こるときにステップ１０１で開始する。"衝撃"は、地面などの固体物体との衝突の特徴を示す加速度計８からの測定結果又は測定結果のセットと定義される。特に、衝撃は、その大きさが所定閾値を超える測定結果、又は、その大きさが所定閾値を超える、特定軸に沿った若しくは特定方向の測定結果であることができる。代替的に、衝撃は加速度計８からの出力に大きな分散をもたらすので、衝撃は測定結果の分散を所定閾値と比較することによって特定されることができる。測定結果はメモリ１８に保存されるので、プロセッサ１０は加速度計８からの測定結果を調べることによって衝撃を特定することができる。

上記の通り、加速度計８は保存のためにメモリ１８へ加速度の測定結果を連続的に又は周期的に提供する。従って、衝撃が起こったとプロセッサ１０が決定する時点において（これは、処理遅延のため、又は次の加速度計測定結果を調べることによって転倒を確認することを経て、衝撃が起こった直後となり得る）、メモリ１８は時間間隔Ｔをカバーする加速度の測定結果を含む。

ステップ１０３において、プロセッサ１０は衝撃が起こった時間を決定する。これを行うため、プロセッサ１０は衝撃に関連する最高又はピーク加速度測定結果を特定するために、メモリ１８に保存された加速度計測定結果を調べる。加速度計８が三次元軸の各々に沿った加速度の個別の測定結果を提供する場合、プロセッサ１０は最高又はピーク加速度を決定するために加速度ベクトルの大きさを調べることができる。

一旦ピーク測定結果が見つかると、関連するタイムスタンプから測定結果の時間が決定され、この時間はｔ_{ｉｍｐａｃｔ}として記録される。

一旦衝撃時間が決定されると、該方法は転倒が開始した時間ｔ_{ｏｎｓｅｔ}を特定する（ステップ１０５）。

好適には、該方法はメモリ１８に保存された加速度計測定結果からｔ_{ｏｎｓｅｔ}を決定する。これを行うため、プロセッサは、測定結果が、加速度計８によって測定された加速度の大きさ及び／又は方向が著しく変化しない安定期間をあらわすかどうかを特定するために、時間ｔ_{ｉｍｐａｃｔ}における測定結果に先行するメモリ１８中の加速度計測定結果を調べる。

特に、測定結果の分散が所定閾値以下であるという点において、転倒が開始する前の加速度計８による測定結果は一般的に安定であることが指摘されている。従って、プロセッサ１０はｔ_{ｉｍｐａｃｔ}における衝撃に先行する安定期間にわたってメモリ１８に保存された測定結果を調べることができ、転倒が開始した時間は、この安定期間の終わりにおける加速度計測定結果に関連する時間として決定されることができる。

上記に付加的に又は代替的に、加速度計８によって測定される加速度の方向は、転倒の開始時に変化し始める可能性があるので、プロセッサ１０は、所定閾値よりも高い割合で方向が変化し始める衝撃時間ｔ_{ｉｍｐａｃｔ}の前の期間を特定するために、保存された測定結果を調べることができる。転倒開始時間ｔ_{ｏｎｓｅｔ}は、方向変化のこの期間の開始時における加速度計測定結果に関連する時間として決定されることができる。

プロセッサ１０がこれらの方法の両方を用いて開始時間を特定する場合、プロセッサ１０はｔ_{ｏｎｓｅｔ}として使用するために時間の平均をとることができる。

プロセッサ１０が、保存された測定結果における安定期間、又は加速度の方向が変化し始める期間を特定することができない場合（又はプロセッサ１０がこれらの測定結果のいずれか又は両方の信頼性を検証したい場合）、プロセッサ１０は次式を用いて開始時間を推定することができる。

Ｈは高さ変位、ｇは重力による加速度、ｔ_{ｆａｌｌ＿ｄｕｒａｔｉｏｎ}は転倒の持続時間であり、上式から次式が得られる。

従って、高さ変位が約０．８乃至１メートルであると仮定される場合（ユーザの腰まわりに装着されるセンサモジュールに基づく）、転倒が始まった時間は次式から決定されることができる。

当然のことながら、ｔ_{ｏｎｓｅｔ}に対するこの値は、厳密には自由落下する物体又は人にしか適さないが、ここでは通常の（非自由）落下に対する近似値として使用される。

ステップ１０７において、プロセッサ１０は、転倒が始まったとき（すなわち時間ｔ_{ｏｎｓｅｔ}のとき）の加速度計８に対する重力加速度を推定する。これは重力に対応するｔ_{ｏｎｓｅｔ}（又はｔ_{ｏｎｓｅｔ}の直前）における加速度計８の測定結果の成分を特定することによってなされる。加速度計８のｙ軸が地面に垂直であると仮定される場合（図４参照）、プロセッサ１０はｔ_{ｏｎｓｅｔ}測定結果のｙ成分をとることによってｔ_{ｏｎｓｅｔ}における加速度計８に対する重力加速度を推定することができる。

ステップ１０９において、プロセッサ１０は転倒中に起こった変位を計算する。

図４に示される通り、センサモジュール４はユーザの腰に取り付けられ、センサモジュール４内の加速度計８のｙ軸は、センサモジュール４が通常方向にあるときに重力が作用する方向に下向きであることが仮定される。

加速度計８からの測定結果によってあらわされる加速度は、重力と、外力によって生じる加速度との重ね合わせである。転倒開始時間ｔ_{ｏｎｓｅｔ}におけるセンサモジュール４に対する外力はわからないので、このステップで計算される変位は近似値である。

当然のことながら重力方向の変位を計算するだけでよい。従って、ｘ，ｙ，ｚ軸の加速度はセンサモジュール４の方向に従って重力方向にマップされなければならない。しかしながら、センサモジュール４は直線下向きではなく床へ向かって円弧に従うので、センサモジュール４の方向は転倒中に変化することが図４に見られる。

近似式において、重力（ｙ軸）方向に作用する初期の力はゼロであると仮定される。従って式（３）は転倒開始時間ｔ_{ｏｎｓｅｔ}を推定するために使用されることができる。

前方／後方（すなわちｚ軸に沿った）又は左／右側（すなわちｘ軸に沿った）転倒のほとんどの場合、１つの軸は重力の作用方向に常に垂直であり、重力は転倒中にその軸に沿った成分を持たないので、計算から除外されることができる。例えば、図１に図示される前方転倒において、ｘ軸は考慮される必要がない。

前方／後方転倒において、ｙ軸とｚ軸に沿った加速度は角度Φを介して鉛直変位に寄与する（ｘ軸は転倒中常に重力の作用方向に垂直であると仮定される）。角度Φは次式によって推定されることができる。

加速度計８からの測定結果は、センサモジュール４に対する重力と他の加速度という２つの部分から成るので、重力はステップ１０７で得られた初期ｙ軸測定結果ｙ_{ｉｎｉｔｉａｌ}を引くことによって補正される。

そして転倒中のセンサモジュール４の変位は、次式（６）を評価することによって、期間ｔ_{ｆａｌｌ＿ｄｕｒａｔｉｏｎ}にわたって測定結果のｙ軸成分とｚ軸成分から得られることができる。

図５は本発明にかかる変位計算を例示するグラフ例を示す。３つの線は、前方転倒の場合の時間間隔Ｔにわたる加速度計８からのｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の測定結果をあらわす。変位計算は転倒開始点と"地面に落ちる"点の間の加速度測定結果を２回積分し、１０５．５４センチメートルの鉛直変位をもたらす。

当然のことながら、上記のアルゴリズムは転倒が前方転倒又は後方転倒のときの変位を計算する。同じ原理に基づいて、転倒が左又は右側転倒である場合は、ｘ軸とｙ軸の測定値が計算に使用される。

より一般的な場合においては、加速度の全成分が変位計算に使用される。この場合、変位は次式を評価することによって計算される。

Φ_ｘとΦ_ｚはそれぞれＸ‐Ｙ平面とＹ‐Ｚ平面におけるΦの成分であり、Ωは重力による加速度（９．８ｍｓ^−２）である。

上記の変位推定アルゴリズムは、方向及び衝撃検知も含む転倒検知システムに組み込まれることができる。センサモジュールが方向変化と大きな衝撃を検知すると、衝撃の時間ｔ_{ｉｍｐａｃｔ}を確認し、変位を計算する。変位値が妥当である場合（０．５乃至１．５メートルだとする）、プロセッサ１０は衝撃を転倒として分類することができ、そうでなければプロセッサ１０は衝撃を無視することができる。

例えば、ユーザが突然センサモジュールを手の中で９０度回転させ、大きな衝撃を生じるかもしれないが、計算される変位はゼロに近くなるので、プロセッサ１０は転倒が起こらなかったと決定する。

本発明にかかる変位計算は、転倒検知の誤報率が改善されることができ、センサモジュール４のエネルギー消費と体積を増加し得る高さセンサが必要なく、及び、二次積分計算の複雑さが低いので、転倒検知システム用のセンサモジュールに容易に利用されることができる、という利点を提供する。

本発明はセンサモジュールに完全に組み入れられるように記載されているが、当然のことながら本方法の一部は個人転倒検知システムのベースユニット６内のプロセッサによって実施されることができる。例えば、センサモジュール４は、ベースユニット６内のプロセッサによる分析のために、加速度計測定結果全てをベースユニット６に送ることができる。

加えて、本発明は、加速度計によって作られる測定結果のみに基づいて、転倒から生じるセンサモジュールの高さの変化を近似的に決定するための方法と装置を提供するが、当然のことながら本発明は、加速度計測定結果にあらわされる特徴的な開始点と終点を持ち、加速度計の方向が変化し得るような、他のイベント中の変位を決定するために使用されることができる。

本発明は図面と前述の説明において詳細に図示され記載されているが、こうした図示と説明は実例又は解説のためであって制限するものではないと見なされ、本発明は開示された実施形態に限定されない。

開示された実施形態への変更は、図面、開示、及び添付の請求項の考察から、請求された発明を実施する際に当業者によって理解され、達成されることができる。請求項において、"有する"という語は他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞"ａ"又は"ａｎ"は複数を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、請求項に列挙された複数の項目の機能を満たし得る。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。請求項における任意の参照符号はその範囲を制限するものと解釈されるべきではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアとともに、又はその一部として提供される、光記憶媒体又は固体媒体などの適切な媒体に記憶／配信され得るが、例えばインターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介して、他の形式でも配信され得る。

Claims (19)

1. 個人転倒検知システムであって、
   ユーザへの取り付けに適したセンサモジュールであって、前記センサモジュールに作用する加速度を測定するための加速度計を有する、センサモジュールと、
   前記センサモジュールが衝撃を受けたかどうかを決定するために前記測定された加速度を分析するための、及び、前記衝撃の直前の期間中の前記センサモジュールの鉛直変位を推定するための、プロセッサであって、前記加速度計からの測定結果を２回積分することによって前記センサモジュールの前記鉛直変位を推定する、プロセッサと、
   を有する個人転倒検知システム。
2. 前記プロセッサが、前記測定された加速度が固体物体との衝突の特徴を示す場合に、前記センサモジュールが衝撃を受けたと決定する、請求項１に記載の個人転倒検知システム。
3. 前記プロセッサが、測定された加速度が所定閾値を超える場合に、前記センサモジュールが衝撃を受けたと決定する、請求項１に記載の個人転倒検知システム。
4. 前記プロセッサが、特定方向で測定された加速度が所定閾値を超える場合に、前記センサモジュールが衝撃を受けたと決定する、請求項１に記載の個人転倒検知システム。
5. 前記プロセッサが、前記加速度計からの測定結果の分散が所定閾値を超える場合に、前記センサモジュールが衝撃を受けたと決定する、請求項１に記載の個人転倒検知システム。
6. 前記プロセッサがさらに、前記センサモジュールが前記衝撃を受けた時間である衝撃時間を特定する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の個人転倒検知システム。
7. 前記プロセッサが、前記測定された加速度のタイムスタンプを調べることによって前記衝撃時間を特定する、請求項６に記載の個人転倒検知システム。
8. 前記プロセッサがさらに、前記センサモジュールが前記衝撃前に動き始めた時間である開始時間を特定する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の個人転倒検知システム。
9. 前記プロセッサが、前記測定された加速度が所定閾値未満だけ変化する安定期間を特定するために、前記衝撃前の前記測定された加速度を調べることによって、前記開始時間を特定し、かつ、前記安定期間が終わる時間として前記開始時間を特定する、請求項８に記載の個人転倒検知システム。
10. 前記プロセッサが、所定閾値を超える前記測定された加速度の方向の変化を特定するために、前記衝撃前の前記測定された加速度を調べることによって、前記開始時間を特定し、かつ、前記方向の変化が最初に前記閾値を超えた時間として前記開始時間を特定する、請求項８又は９に記載の個人転倒検知システム。
11. 前記プロセッサが、前記開始時間と前記衝撃時間の間の前記加速度計からの前記測定結果を２回積分することによって、前記センサモジュールの前記鉛直変位を推定する、請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の個人転倒検知システム。
12. 前記プロセッサが、鉛直方向に作用する前記開始時間における前記測定された加速度の成分を特定することによって、前記開始時間における重力加速度を推定する、請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の個人転倒検知システム。
13. 前記プロセッサが、前記センサモジュールの前記鉛直変位を推定するために前記プロセッサによって使用される前記測定結果から、前記推定された重力加速度を引く、請求項１２に記載の個人転倒検知システム。
14. 前記センサモジュールからの前記推定された鉛直変位を用いて、転倒が起こったかどうかを決定するための手段をさらに有する、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の個人転倒検知システム。
15. 前記手段がさらに、転倒が起こったと決定される場合に警報を発する、請求項１４に記載の個人転倒検知システム。
16. 前記プロセッサが前記センサモジュールの一部である、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の個人転倒検知システム。
17. 前記センサモジュールとは別のベースユニットをさらに有し、前記プロセッサが前記ベースユニットの一部である、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の個人転倒検知システム。
18. 物体に作用する加速度を測定するステップと、
    前記物体が衝撃を受けたかどうかを決定するために前記測定された加速度を分析するステップと、
    加速度計からの測定結果を２回積分することによって、前記衝撃の直前の期間中の前記物体の鉛直変位を推定するステップと、を有する方法。
19. コンピュータ上で実行されるときに、請求項１８に記載の方法を実行する、コンピュータコードが中に具体化されている、コンピュータプログラム。

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