JP2014180432A

JP2014180432A - 動作検出装置

Info

Publication number: JP2014180432A
Application number: JP2013056870A
Authority: JP
Inventors: Shigehisa Suetsugu; 恵久末次
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2014-09-29
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: JP6149447B2

Abstract

【課題】荷重センサを用いて寝台での使用者の状態を正確に取得する装置を構成する。
【解決手段】寝台の就寝面に存在する使用者の重量を検出するため、寝台において平面視で異なる位置に３つ以上の荷重センサＳを備え、これらの荷重センサＳからの検出値に基づいて使用者の三次元空間での重心位置を求める重心位置演算部１３を備えた。
【選択図】図５

Description

本発明は、動作検出装置に関し、詳しくは、寝台の就寝面に存在する使用者の動作を検出する装置に関する。

上記のように構成された動作検出装置と関連するものとして特許文献１には、使用者（文献では被験者）が滞在する寝台（文献ではベッド）の荷重を測定する荷重測定手段を備え、この荷重測定手段で計測された荷重の変動に基づいて周波数分布を演算し、この周波数分布から使用者の生体生理情報を求める生体生理状態検出手段を備えた生体生理検出装置が示されている。

この特許文献１では、周波数分布に基づいて、生体生理情報として使用者の呼吸や脈拍だけではなく、４つの荷重センサから荷重情報に基づいて使用者の重心移動を検出し、使用者の寝返りを判定することも示されている。

特開２００３‐５５２号公報

特許文献１に示される装置は、使用者の呼吸数を取得する場合には、４つの荷重センサで計測される荷重の変動に基づいて周波数分布を演算するものであるが、これらの荷重センサは上下方向への荷重の変動を計測する構成であるため、例えば、使用者が側臥位（横向き姿勢）にある場合には、呼吸時には胸部や腹部が側方に変位するため、荷重センサで荷重の変動として捉え難いものとなる。

また、特許文献１に記載されるように、例えば４つの荷重センサを用いるものでは検出系が単純である半面、寝台の上で使用者が上半身を起こした状態では使用者の呼吸の計測が困難であるだけではなく、使用者が上半身を起こした状態にあることさえ判定できず、改善の余地があった。

本発明の目的は、寝台での使用者の状態を荷重センサを用いて正確に取得する装置を合理的に構成する点にある。

本発明の特徴は、寝台の就寝面に存在する使用者の重量を検出するために前記寝台の平面視で異なる位置に配置された３つ以上の所定数の荷重センサと、所定数の前記荷重センサの各々の検出値に基づいて、前記使用者の三次元空間での重心位置を求める重心位置演算部とを備えている点にある。

この構成によると、寝台の就寝面において、例えば、使用者が側臥位で呼吸した場合には、重心位置が側方に変化することになり、使用者が上半身を起こした場合には体の重心が就寝面より上方に移動するため、重心位置演算部が重心位置を取得することにより、呼吸を判別することや、上半身を起こしていることも判別可能となる。
従って、寝台での使用者の状態を荷重センサを用いて正確に取得する装置が構成され
た。

本発明は、前記重心位置演算部で求められた重心位置が、前記就寝面の外周で予め設定された枠部領域にあることを判定した場合に、使用者が前記寝台の端部に座していることを判定する端座位判定部を備えても良い。

これによると、重心位置演算部で求められた重心位置が枠部領域にあることに基づいて使用者が寝台の端部に座していることも判定できる。

本発明は、前記重心位置演算部が、前記就寝面にＸ−Ｙ座標を設定した場合に、所定数の前記荷重センサの各々の検出値に基づき前記Ｘ−Ｙ座標における使用者の重心位置を求めるＸ−Ｙ座標重心演算部と、所定数の前記荷重センサの検出値の総和の増減に基づいて前記Ｘ−Ｙ座標に直交するＺ軸方向への重心位置の変化を推定するＺ軸方向重心推定部とを備えており、前記Ｚ軸方向重心推定部によって推定したＺ軸方向での重心位置の周期的変化情報、及び、前記Ｘ−Ｙ座標重心演算部で求めたＸ−Ｙ座標での重心位置の周期的変化情報の少なくとも一方から呼吸状態を判定する呼吸状態判定部を備えても良い。

これによると、３つ以上の所定数の荷重センサの検出値に基づいて、Ｘ−Ｙ座標重心演算部がＸ−Ｙ座標における使用者の重心位置を求め、３つ以上の所定数の荷重センサの検出値の総和の増減に基づいてＺ軸方向重心推定部がＸ−Ｙ座標に直交するＺ軸方向への重心位置の変化を推定する。呼吸状態判定部は、Ｚ軸方向重心推定部で推定したＺ軸方向での重心位置の周期的変化情報、及び、Ｘ−Ｙ座標重心演算部で求めたＸ−Ｙ座標での重心位置の周期的変化情報の少なくとも一方から呼吸状態を判定することにより使用者の呼吸を判定できる。

本発明は、前記呼吸状態判定部が、Ｚ軸方向での重心位置と、Ｘ−Ｙ座標での重心位置との少なくとも一方の重心位置の変化周期に基づいて眠りの深さを推定する呼吸深さ演算部を備えても良い。

これによると、呼吸深さ演算部が呼吸の深さを演算して取得することが可能となる。

本発明は、前記Ｚ軸方向重心推定部で推定される重心位置の変化方向と、前記Ｘ−Ｙ座標重心演算部で判定される重心位置の変化方向との少なくとも一方に基づいて、前記寝台の就寝面における使用者の姿勢を推定する姿勢判定部を備えても良い。

これによると、Ｚ軸方向重心推定部で推定される重心位置の変化方向と、Ｘ−Ｙ座標重心演算部で判定される重心位置の変化方向との少なくとも一方に基づいて使用者の重心位置を設定し、この重心位置から使用者の姿勢を推定できる。

ベッドとベッド上で就寝する使用者とを示す斜視図である。使用者が就寝するベッドと荷重センサの配置とを示す平面図である。使用者が上半身を起こした際の重心位置の変化を示す側面図である。使用者が端座位置にあることを示す側面図である。動作検出装置のブロック回路図である。動作検出ルーチンのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔全体構成〕
図１及び図２に示すように、４つの脚部１を有したベッドフレーム２と、このベッドフレーム２に載せ付けられるマットレス３とを備えてベッド（寝台の一例）が構成されている。４つの脚部１には、マットレス３の上の就寝面（上面）に存在する使用者の体重を受ける荷重センサＳが備えられ、この４つの荷重センサＳで検出される検出値に基づいてベッドの就寝面に存在する使用者の動作を検出する動作検出装置Ａが構成されている。

この動作検出装置Ａは、ベッド近傍のキャビネット５に備えられている。この動作検出装置Ａは、病院や介護施設等においてベッド上での使用者の動作を検出し、検出情報を通信回線によりナースセンター等の管理室に送信するように構成されている。なお、管理室では動作検出装置Ａから送信される情報をモニター等に表示することにより、使用者の動作の把握を可能にする。

〔動作検出装置〕
４つの荷重センサＳは、ピエゾ素子や磁歪式ロードセル等を用いた同じ性能のものが使用され、脚部１に作用する荷重に対応した電圧信号を出力する。図５に示すように、動作検出装置Ａは、４つの荷重センサＳからの電圧信号を増幅する信号増幅部１１と、増幅された電圧信号をデジタル信号化するＡ／Ｄ変換部１２とを備えると共に、重心位置演算部１３と、呼吸状態判定部１４と、姿勢判定部１５と、端座位判定部１６と、出力インターフェース１７とを備えている。本発明では、荷重センサＳは３つ以上であれば良く、例えば、５つ以上であっても良い。また、荷重センサＳからの電圧信号をＡ／Ｄ変換によりデジタル信号化したものを特に検出値として説明している。

信号増幅部１１と、Ａ／Ｄ変換部１２と、出力インターフェース１７とはハードウエアで構成される。重心位置演算部１３と、呼吸状態判定部１４と、姿勢判定部１５と、端座位判定部１６とはソフトウエアで構成されるものを想定しているが、各々について一部が論理ゲート等のハードウエアで構成されるものでも良く、全てがハードウエアで構成されるものでも良い。

重心位置演算部１３は、Ｘ−Ｙ座標重心演算部１３ａと、Ｚ軸加速度演算部１３ｂと、Ｚ軸方向重心推定部１３ｃと、三次元座標重心推定部１３ｄとで構成されている。

この動作検出装置Ａでは、図１、図２に示す如く、マットレス３の就寝面に沿う水平面上にＸ−Ｙ直交座標系を想定すると共に、これに直交する上方に向けてＺ軸を想定することにより、三次元座標系を想定している。また、この動作検出装置Ａでは、４つの荷重センサＳの検出値を短いサンプリング周期で取得しており、重心位置演算部１３と呼吸状態判定部１４と、姿勢判定部１５と、端座位判定部１６とは、荷重センサＳの検出値を取得する毎に処理を行うように構成されている。

Ｘ−Ｙ座標重心演算部１３ａは４つの荷重センサＳの検出値に基づいて、Ｘ−Ｙ直交座標系における重心位置Ｗを演算により求める処理を行う。つまり、Ｘ−Ｙ座標重心演算部１３ａには、平面視での４つの荷重センサＳのＸ方向での配置間隔Ｌｘと、Ｙ方向での配置間隔Ｌｙとの情報が保存されている。Ｘ−Ｙ座標重心演算部１３ａは、配置間隔Ｌｘと、配置間隔Ｌｙとの情報と、４つの荷重センサＳで検出された検出値とからＸ−Ｙ直交座標系での重心位置Ｗを演算により求める。

なお、Ｘ−Ｙ座標重心演算部１３ａでは、４つの荷重センサＳの検出値からベッドフレーム２と、マットレス３との重量を減じた値を検出値として演算を行う。

Ｚ軸加速度演算部１３ｂは、４つの荷重センサＳの検出値の総和の増減に基づいてＺ軸方向での重心位置Ｗの移動の加速度を演算すると共に、この加速度が作用した時間を取得する。また、Ｚ軸方向重心推定部１３ｃは、Ｚ軸加速度演算部１３ｂで演算された重心位置Ｗの移動の加速度と、この加速度が作用した時間とに基づいてＺ軸方向での重心位置Ｗを推定する。

つまり、図３に示すように、就寝面上で使用者が体を起こした場合には、体を起こす際には加速度が所定時間だけ作用し、Ｚ軸加速度演算部１３ｂは、この加速度と加速度が作用した時間とを取得する。また、Ｚ軸方向重心推定部１３ｃは、取得した加速度を時間で定積分する演算によりＺ軸方向での重心位置Ｗを推定する。

なお、Ｚ軸方向重心推定部１３ｃは、Ｚ軸加速度演算部１３ｂで演算される加速度に時間値を乗ずる演算によりＺ軸方向での重心位置Ｗの移動速度を求め、これに時間値を乗ずる演算により重心位置Ｗの移動距離を求める演算を行っても良い。

このようにＺ軸方向での重心位置Ｗが推定された後には、三次元座標重心推定部１３ｄは、Ｘ−Ｙ座標重心演算部１３ａから与えられるＸ−Ｙ直交座標系における重心位置Ｗと、Ｚ軸方向重心推定部１３ｃから与えられるＺ軸方向での重心位置とに基づいて三次元座標系での重心位置Ｗを演算により推定して出力する。これにより、この三次元座標重心推定部１３ｄは重心位置Ｗが移動する途中であってもサンプリング周期に対応した周期で三次元座標系における重心位置Ｗの情報を出力する。

呼吸状態判定部１４は、呼吸周波数演算部１４ａと、呼吸深さ演算部１４ｂとを備えている。

利用者が就寝面において側臥位（横向き姿勢）にある場合や、仰臥位（仰向け姿勢）にある場合でも、呼吸時には体の重心位置Ｗは移動する。また、重心位置演算部１３では、前述したように短いインターバルで三次元座標系での重心位置Ｗの情報が逐次出力される。従って、呼吸周波数演算部１４ａでは、重心位置演算部１３で推定される重心位置Ｗの変化を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等によって処理することにより呼吸の変化周期を抽出して呼吸周波数として出力する。

このように、実施形態では、呼吸状態判定部１４は三次元座標重心推定部１３ｄで推定される三次元座標系における重心位置Ｗの変化から呼吸状態を判定しているが、これに代えて次のように処理形態を設定することも可能である。つまり、Ｚ軸方向重心推定部１３ｃによって推定したＺ軸方向での重心位置Ｗの周期的変化情報から呼吸状態を判定するように呼吸状態判定部１４の処理形態を設定しても良い。また、Ｘ−Ｙ座標重心演算部１３ａで求めたＸ−Ｙ直交座標での重心位置Ｗの周期的変化情報から呼吸状態を判定するように呼吸状態判定部１４の処理形態を設定しても良い。

また、呼吸深さ演算部１４ｂは、呼吸に対応した重心位置Ｗの変化量（振幅）から眠りの深さを演算により求めて出力する。

姿勢判定部１５は、姿勢判定テーブル１５ａを有している。この姿勢判定部１５は、重心位置演算部１３から出力される重心位置Ｗの情報から重心位置Ｗの移動軌跡を演算し、この移動軌跡の情報と、移動が停止した重心位置Ｗの情報とを、姿勢判定テーブル１５ａの情報と対比することにより使用者の姿勢を判定して出力する。つまり、上半身を起こす運動が行われる場合には、図３に示すように、上半身を起こす以前の重心位置Ｗｐを基点として、上半身を起こす移動に伴い重心位置Ｗが上方に移動し、最終的に停止する。このような重心位置Ｗの移動軌跡は、上半身を起こす場合でも、両手をベッドの就寝面に突いた場合や、片手をベッドの就寝面に突いた場合とで少し異なる。当然のことながら、就寝面に立ち上がった場合でも異なる。このような理由から、姿勢判定テーブル１５ａでは、使用者が姿勢を変化させる際の特徴的な重心位置Ｗの移動形態をテーブル情報として記憶しており、これに基づいて姿勢が判定されるのである。

端座位判定部１６は、図４に示すように重心位置演算部１３が判定した三次元空間での重心位置Ｗが、ベッドの就寝面の外周で予め設定された枠部領域の上方位置にあることを判定した場合に、使用者がベッド（マットレス３）の端部に座していることを判定する。

このように判定された呼吸情報、姿勢判定情報、端座位判定情報は出力インターフェース１７から外部に出力され、この動作検出装置Ａからの情報は管理室のモニター等に表示されることになる。

〔制御形態の概要〕
この動作検出装置Ａでは、前述した処理の流れを図６に示すフローチャートのように示すことが可能である。まず、４つの荷重センサＳから取得した荷重情報からＸ−Ｙ座標重心演算部１３ａが、Ｘ−Ｙ直交座標系での重心位置Ｗを演算により求める（＃０１、＃０２ステップ）。次に、Ｚ軸方向へ重心位置Ｗが移動した場合には、Ｚ軸加速度演算部１３ｂが演算により加速度を求め、Ｚ軸方向重心推定部１３ｃがＺ軸方向の重心位置Ｗを演算により推定する（＃０３〜＃０５ステップ）。

また、Ｚ軸方向での重心位置Ｗは、初期値として寝台面も近い高さが与えられ、Ｚ軸方向重心推定部１３ｃが重心位置Ｗを推定した後には、この重心位置Ｗが保存され、Ｚ軸方向での重心位置Ｗが新たに推定された場合には更新される。

次に、Ｘ−Ｙ座標直交系での重心位置ＷとＺ軸方向での重心位置Ｗとに基づいて三次元座標重心推定部１３ｄが三次元空間での重心位置Ｗを演算により推定する（＃０６ステップ）。

また、推定された三次元空間での重心位置Ｗは、短い周期で更新されるものでありこの重心位置Ｗの変化に基づいて呼吸周波数演算部１４ａが呼吸の周波数を演算によって求め、呼吸深さ演算部１４ｂが呼吸の深さを演算によって求める（＃０７ステップ）。

次に、前述のように推定された三次元空間で重心位置Ｗの変化のパターンと、変化が停止した状況での重心位置Ｗとから姿勢判定部１５が使用者の姿勢を判定する（＃０８ステップ）。このように姿勢を判定する場合には、重心位置Ｗの移動軌跡の情報と、移動が停止した重心位置Ｗの情報とを、姿勢判定テーブル１５ａに記憶したテーブル情報に基づいて判定する。

更に、重心位置演算部１３で推定された三次元空間での重心位置Ｗが、ベッドの就寝面の外周で予め設定された枠部領域の上方位置にあることを判定した場合に、端座位判定部１６は、使用者がベッド（マットレス３）の端部（端座位置）に座していることを判定する（＃０９、＃１０ステップ）。

このように本発明では、３つ以上の荷重センサＳを用いてベッド（寝台）上に存在する使用者の重心位置Ｗを取得すると共に、使用者が体を動かした場合の加速度を演算することで三次元空間において、移動後の重心位置Ｗの推定を実現する。また、利用者が側臥位で呼吸する場合には、４つの荷重センサＳで検出される荷重情報の総和が変化しないため、単純な処理では呼吸の有無を判定できないが、本発明の構成では呼吸に伴い三次元空間での重心位置Ｗが周期的に変位したことに基づいて呼吸の周波数を演算し、単位時間内の呼吸数や、呼吸深さの取得を実現している。

特に、本発明によると、ベッド上での重心位置Ｗの移動量も容易に判定できるため、利用者の姿勢だけではなく運動の状況を把握でき、ベッドの端部に座す端座状態も容易に判定できるのである。

本発明は、寝台に備えた荷重センサの検出値に基づいて利用者の状況を把握する装置に利用することができる。

１３重心位置演算部
１３ａＸ−Ｙ座標重心演算部
１３ｂＺ軸方向重心推定部
１４呼吸状態判定部
１４ｂ呼吸深さ演算部
１５姿勢判定部
１６端座位判定部
Ｓ荷重センサ
Ｗ重心位置

Claims

寝台の就寝面に存在する使用者の重量を検出するために前記寝台の平面視で異なる位置に配置された３つ以上の所定数の荷重センサと、
所定数の前記荷重センサの各々の検出値に基づいて、前記使用者の三次元空間での重心位置を求める重心位置演算部とを備えている動作検出装置。
前記重心位置演算部で求められた重心位置が、前記就寝面の外周で予め設定された枠部領域にあることを判定した場合に、使用者が前記寝台の端部に座していることを判定する端座位判定部を備えている請求項１記載の動作検出装置。
前記重心位置演算部が、前記就寝面にＸ−Ｙ座標を設定した場合に、所定数の前記荷重センサの各々の検出値に基づき前記Ｘ−Ｙ座標における使用者の重心位置を求めるＸ−Ｙ座標重心演算部と、所定数の前記荷重センサの検出値の総和の増減に基づいて前記Ｘ−Ｙ座標に直交するＺ軸方向への重心位置の変化を推定するＺ軸方向重心推定部とを備えており、
前記Ｚ軸方向重心推定部によって推定したＺ軸方向での重心位置の周期的変化情報、及び、前記Ｘ−Ｙ座標重心演算部で求めたＸ−Ｙ座標での重心位置の周期的変化情報の少なくとも一方から呼吸状態を判定する呼吸状態判定部を備えている請求項１又は２記載の動作検出装置。
前記呼吸状態判定部が、Ｚ軸方向での重心位置と、Ｘ−Ｙ座標での重心位置との少なくとも一方の重心位置の変化周期に基づいて眠りの深さを推定する呼吸深さ演算部を備えている請求項３記載の動作検出装置。
前記Ｚ軸方向重心推定部で推定される重心位置の変化方向と、前記Ｘ−Ｙ座標重心演算部で判定される重心位置の変化方向との少なくとも一方に基づいて、前記寝台の就寝面における使用者の姿勢を推定する姿勢判定部を備えている請求項３又は４記載の動作検出装置。