JP2015229101A - 呼吸運動測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】評価すべき領域を，簡便かつ再現性良く分割設定して、各領域の呼吸運動信号を得ることができる呼吸運動モニタ装置。
【解決手段】被検者の体表面に輝点を照射して、その反射光をカメラで捉え、被検者の呼吸量を計測する呼吸運動測定装置であって、被検者の体表面上にさらに目印位置であるメルクマールを設定し，これらのメルクマールに，反射率が前記体表面と異なる反射体を配置し，観察画像上で，前記メルクマールの像を通る分離線により前記体表面を複数の領域に分割して，分割された各領域毎の輝点の反射を集計して呼吸運動信号を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は，対象物体の三次元計測を行う技術に関する。

対象物体の三次元計測，特に被験者の呼吸運動について測定する呼吸運動測定装置であって，呼吸運動を決められた領域ごとに分化して測定・評価する方法・装置はこれまでほとんど存在しない。強いて言えば，一般に用いられている装置としては，睡眠呼吸障害診断に用いる終夜睡眠ポリグラフ装置であって，被検者に装着するバンドセンサで胸部と腹部にセンサのバンドを巻いて，それぞれの呼吸運動を測定するものがある。

又，他の研究では，ＦＧ呼吸運動測定で胸部と腹部を直線で自動分割して，それぞれの呼吸運動を検出するものや，モーションキャプチャを用いて，複数のポイントの動きを観察するものがある程度だった。

従来のバンドセンサの代表的な方式は，身体の断面積（外周）変化によるインダクタンスの変化を検出するインダクティブプレチスモグラフ（ＲＩＰ）であり，その他の方式も，張力変化などにより身体外周の変化を検出するものであり，これらのものでは原理的に左右の対称性評価をすることができない。また，被検者の上半身の変形が大きい症例ではこの方式は使用不可能である。

モーションキャプチャを使ったものは，装置構成が大掛かりで，被検者への適用の簡便性やコストなどの面で臨床の現場で使用するには大きな困難が伴っていた。

特表２０１３−５０４３４０ 特開２００５−００３３６６ 特開２００５−２４６０３３ 特開２００２−１７５５８２

科学研究費助成事業（科学研究費補助金）研究成果報告書 課題番号：２２５００４７２（平成２５年６月１０日）

被検者の呼吸運動状況について，正常な呼吸運動との相違を把握するため，あるいは，同じ被検者の呼吸運動状況の継時的な変化を把握するために，被検者の胸部腹部を複数の領域に分割し，各領域における活動量を示す呼吸運動波形を取得する呼吸運動測定装置における，評価すべき領域を，簡便かつ再現性良く分割設定することができる分割方法およびそれを用いた呼吸運動測定装置を提供する。

被検者の領域設定作業の簡便性と解剖学的に明確かつ再現性のよい体表上の分割領域の特定の為に，左右の分割線，胸腹部の分割線を考慮して被検者の体表に複数の目印位置（メルクマール）を設定し，この目印位置に，観察に使用する光束の波長において体表と反射率が異なる材料よりなる複数の反射体を貼付し，反射体を含む被検者の画像を取得する。このようにして得られた観察画像上で，これらの反射体位置を連結点とする線を境界線として，各領域に分割する。

具体的には，体表面に光束を照射して該体表面からの反射光により体表面の個々の部位の高さ変化を検知し，呼吸運動に対応する呼吸運動信号を得る呼吸運動測定装置において，前記体表面の観察画像を撮像する撮像装置を配置し，前記体表面上に目印位置であるメルクマールを設定し，これらのメルクマール上に，前記撮像装置が受光する波長域において，反射率が前記体表面と異なる反射体を配置し，前記観察画像上で，前記メルクマールの像を通る分離線により前記体表面を複数の領域に分割して，前記，個々の部位の高さ変化を，分割された領域毎に集計または平均化して，前記分割された各領域の呼吸運動信号を得る。

ここで，個々の部位の高さ変化を，分割された領域ごとに計算する際には，前記各部位が属する領域を画像処理により検出し，測定した各部位の高さ又は高さ変化の情報に，領域情報を付加して，各領域毎の変化量を求める。

前記メルクマールは，少なくとも胸骨上の点，臍部近傍の点および左右前腸骨棘の中点近傍の点の３点を含む。

前記メルクマールは，胸骨柄または胸骨上の肋骨の位置と，肋骨と腋窩線との交点，および肋骨と鎖骨中線との交点，のうちの少なくとも１点を含む。

前記呼吸運動信号は，体表上の複数の点の高さ変化に対応する変化量を領域ごとに平均化する。

複数に分割された各領域の呼吸運動信号のうち，特定の領域を合併し，分割した数より少ない数の領域数で表示する。

観察画像上で，決められた順番でメルクマールを連結，延長することにより，各領域の分割線を設定する。

また別の例では，各目印位置（メルクマール）に貼付する反射体に個別の反射率分布を与えるか，反射体の形状や大きさを個別のものとして，観察画像上で容易に区別できるようにし，この区別により決められた規則により自動的に分割線を設定する。

前記反射体は，表面に再帰反射素子を配置したものであり，体表面から見て撮像装置の方向に近い方向に，撮像装置が実質的に感度を持つ波長域を含む別の光源を設置することも可能である。

上記により，被検者の身体（特に背骨）に変形がある場合でも，背骨の変形に沿って目印位置（メルクマール）が取り込まれ，これらの目印位置（メルクマール）は被検者の体表面上の視認性の良い場所に存在し，しかも，観察者が触診しやすいので，精度，再現性ともに良好に所望の分割線を得ることができる。

分割線を再現性良く得ることができるため，これに基いて，各領域の呼吸運動信号を求めることができる。これは被検者の領域相互の比較や，同じ被検者の同じ領域の時間的な比較を精度よく行うことができる。また，異なる検者がメルクマールを添付して測定を行っても，常に同様の比較可能な結果を得ることができる。

また，肋骨と胸骨，腋窩線，鎖骨中線の交点は，これも同様に視認性が良いとともに触診がしやすく，身体の変形があっても常に明瞭であるので，再現性良く所望の分割線を得ることができる。

したがって，本発明によれば簡便かつ有効に評価，比較したい領域を設定し，領域ごとの測定，観察，比較が容易となる。特に，体表上の目印位置（メルクマール）に反射体を置くことで，測定した画像上のどの位置で分割すべきかが明確に表示され，再現性の高い領域分割が可能である。それによって，上記同様，領域ごとの測定，観察，比較や同じ領域の時間的な比較が可能となる。

本発明の呼吸運動測定装置を用いることにより，分割した領域に応じた呼吸運動信号を得ることができるので，被検者の測定領域を分割して，それぞれの領域の呼吸運動を測定・評価・比較するのに好適である。

これらの中から任意の領域の呼吸運動を明瞭に特定表示し，比較することで，特定の部位や領域の呼吸運動の比較・評価を明確に行うことができ，呼吸器疾患の診断やリハビリテーション効果の評価により有用なデータを提供できることが期待される。

は被検者体表上の目印位置の例を示す概念図である。 は目印位置を直線で連結して分割領域を決定した平面図である。 は本発明を採用した呼吸運動測定装置全体を示す概念図である。 は本発明のカメラの出力画像を示す画像写真である。 は本発明を採用した呼吸運動測定装置のブロック図である。 は本発明の分割領域ごとの出力波形を示す波形図である。 は別の被験者の分割領域を示した平面図である。 は分割領域を多くした他の実施例を示した平面図である。

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。

まず，図３に本発明の呼吸運動測定装置の概要を示す。図３は本発明を採用した呼吸運動測定装置全体を示す概念図である。被検者３１は，体表面３２を上にして，ベッド３３上に横たわっている。被検者３１の上方に，体表面３２に光束を照射する投光器３４と，該体表面からの反射光を検出するカメラ３５が設けられる。光束は該体表面３２上に輝点を形成する。カメラ３５の出力は近傍に設けられたＰＣ３６で信号処理され，結果は画面上に表示される。３７は表示された画面の例，輝点の画像を示す。

図１は目印位置（メルクマール）としてのマーカー貼り付け位置と領域の分割を示す概念図である。前記目印位置（メルクマール）として，胸骨柄１，左右烏口突起０，２，第４肋骨の高さの胸骨上の点４，左右腋窩３，５，剣状突起７，左右肋骨下部と鎖骨中線の交点６，８，臍部９，左右前腸骨棘の中点１１，左右前腸骨棘１０，１２の位置を含む。

ここで，図２に示すように，目印位置０−１−４−３と結んだ各線分によって区分された領域ａ，目印位置２−１−４−５と結んだ各線分によって区分された領域ｂ， ３−４−７−６と結んだ各線分によって区分された領域ｃ，目印位置５−４−７−８と結んだ各線分によって区分された領域ｄ，目印位置６−７−９−１１−１０と結んだ各線分によって区分された領域ｅ，目印位置８−７−９−１１−１２と結んだ各線分によって区分された領域ｆが形成され，図６に示すように，それぞれの領域ごとに呼吸運動信号を得ることができる。

なお，目印位置７−６，７−８と結ぶ線分や，目印位置１１−１０，１１−１２と結ぶ線分など，体表の内側（左右中心線側）から外側へ結ぶ線分は，適宜体表の外側へ向かって延長して，体表上の領域を体表の側方へ向かって拡張することができる。

図５は本発明を採用した呼吸運動測定装置のブロック図である。被検者３１の体表面３２に向けて照射された投光器３４からの光束は，あらかじめ定められた強度パターンを持つものであり，本実施例では，体表上で二次元の輝点列（アレイ）を生成する。該体表面からの反射光はカメラ３５で検出される。

その際，マーカーの像を得るための照明光は室内全体を照明するようなものでもよいが，本実施例では，図示しない光源をカメラ３５の近くに置く。この光源は，白熱灯や放電ランプ，蛍光灯，ＬＥＤ電球などのうち，カメラ３５が実質的に感度を有する波長域を含むもので，マーカーに再帰反射素子を用いると，小さい照明光量でもマーカーからはカメラ３５の方向に多くの光が反射してきて，マーカー以外の部位とのコントラストが大きくなり，前記マーカーとともに，輝点列を，体表の他の部分から明瞭に区別して検出できる効果がある。

カメラ３５からの出力信号は目印位置検出器５１と領域情報付加器５３に導入される。ここで，カメラ３５の撮像素子は，可視光から近赤外の波長域に感度を有するが，できるだけ不要な光が入らないように，輝点アレイの波長の周辺波長以外は通さないバンドパスフィルタを撮像素子より物体（被検者）側に設置する。それによって，前記カメラ３５が実質的に感度を有する波長域は前記カメラ３５の画角においてバンドパスフィルタを通る波長域となる。本実施例では被検者がまぶしさを感じないことや，太陽光の影響が少ないことを目的として近赤外の波長域を採用している。

カメラ３５からの出力信号の例を図４に示す。カメラの出力画像を示す画像写真である。この画像で，大きい白丸が目印位置（メルクマール）画像であり，小さい白丸が輝点画像である。

目印位置検出器５１では，カメラ３５からの出力信号を輝点検出と同じように，グレイスケール化，平滑化，減算，２値化を行った後，２値画像に収縮３回，膨張３回を行い，輝点のみを消去して目印位置（メルクマール）を残す。

目印位置検出器５１では，続いて輪郭抽出，楕円フィッテングを行い，検出された楕円の中から，長軸・短軸が９ピクセル以上あるものを目印位置（メルクマール）として出力する。

目印位置検出器５１からの出力信号は，領域分割器５２に導入され，ここで予め定められた順序，あるいは検出された目印位置（メルクマール）の大きさ，形状等で分類された方法で，複数の領域に分割し，領域分割線を決定する。目印位置検出器５１の出力信号は領域情報付加器５３へ送られる。

領域情報付加器５３では，カメラ３５から送られてきた輝点情報を領域分割器５２からの情報を使って領域毎に分類する。具体的には輝点毎に，その輝点がどの領域に属するかのＩＤ付けを行う。全ての輝点に対して，輝点と各領域輪郭線との関係を調べ，ある領域の内側にあれば，その領域のＩＤをつける。

領域情報付加器５３の出力信号は輝点情報処理装置５４に送られ，ここで各輝点の各領域毎の移動量を計算・合算して，各領域毎の呼吸量を決定する。

各領域の呼吸量は結果出力装置５５で，例えばＰＣ３６の画面上に表示される。図６はこのようにして得られた各分割領域ａ〜ｆ毎の呼吸量４１〜４６を例示したグラフである。図６で縦軸は呼吸量，横軸は時間である。

上記実施例では，目印位置検出器５１，領域分割器５２，領域情報付加器５３，輝点情報処理器５４，結果出力装置５５は独立した形で説明したが，これらはＰＣ３６の動作として取り込むことも可能である。

また，上記実施例では，投光器３４からの光束が輝点アレイを生成するものとしたが，予め定められた強度パターンであれば，他のパターンを採用することも可能である。例えば，ランダムなパターンや局所的に他の位置と異なる部分パターンを持つ光束をカメラ３５に対して斜めに照射して，その部分パターンの位置を検出することにより，部分パターンの位置の高さあるいは高さ変化に相当する量を検出することが可能であり，それらを前記領域内で集計して，各領域の呼吸量を算出できる。

あるいは，投光器３４からの光束自体には，特に強度分布パターンを持たせずに，撮像素子の個々の画素に，光の飛行時間計測による距離検出機能を持たせて，個々の位置の高さあるいは高さ変化に相当する量を検出することも可能であり，それらを前記領域内で集計することでも，各領域の呼吸量を算出することができる。

身体の変形がある被検者に，目印位置（メルクマール）による分割を適用した例を図７に示す。図７は先の実施例とは別の被検者での分割領域を示した平面図である。身体に変形があっても，明確に領域を分割することができる。

表１は，健常者５名，脳卒中患者３名，筋ジストロフィー患者３名，脳性まひ患者２名の合計１３名について，各領域の１０回の呼吸運動波形からその振幅を測定し，それらに対する級内相関係数を求めたものである。

特に，筋ジストロフィー患者や脳性まひ患者では，身体の変形が認められる。１０回の平均値に対する級内相関係数ＩＣＣ（１，１０）は，どの領域についても０．９以上であり，再現性が良好であることが示されている。これは，本発明による呼吸運動測定が被検者単独での比較だけでなく，複数の被検者間での比較測定にも利用できること示すものである。

表２は，同じ検者が同じ患者（被検者）の測定を，異なる日に１回ずつ行い，その中の５分間の呼吸運動振幅についてＢｌａｎｄ−Ａｌｔｍａｎ分析を行ったものである。

表２に示される測定結果では，測定値差平均の９５％信頼区間がいずれの領域についても０を跨いでいることから，有意な加算誤差が認められないことが確認された。また，相関分析から，各領域に有意な比例誤差が認められないことも示された。

以上のように，本発明の呼吸運動測定装置を用いて，さまざまな疾患を持つ患者を含めて，再現性良く領域を分割し，呼吸運動を測定できることが確認された。

なお，ここで用いた呼吸運動測定原理は，図３に示すように，赤外線ビームを二次元の回折格子により，二次元に配列した多数の光ビームに分け，ＦＧ投光器３４から被検者の体表面３２へ向けて照射する。それによって，対象領域中に生じた多数の輝点をビデオカメラ３５によって撮像して，各輝点の動きから被験者の動きを検出するものである。特に，前記回折格子にファイバグレーティング（ＦＧ）素子を用いた場合，ＦＧ呼吸モニタと呼ばれている（特開２００２−１７５５８２参照）。得られる輝点の画像の例を３７に示す。

この測定原理を用いた場合，検出したい領域に含まれる輝点について，動きを集計（平均）することにより，その領域の平均的な動きを検出することができる。身体上の動いている領域全体について集計すれば，全体の平均的な動きが検出でき，分割した領域内で集計すれば，その領域の動きを検出することができる。

以上の実施例では，体表面上に，６つの領域が形成され，それぞれの呼吸運動が検出されるが，胸部と腹部あるいは右半身と左半身など，より少ない領域に分けて呼吸運動を検出することもできるし，さらに細かく分割することも可能である。

また，たとえば，本実施例の領域ａ，ｃ，ｅを加算した信号と，領域ｂ，ｄ，ｆを加算した信号を生成すれば，身体の左側と右側の呼吸運動を比較することができる。

同様に，領域ａ，ｂ，ｃ，ｄを加算した信号と，領域ｅ，ｆを加算した信号を生成すれば，身体の胸側と腹側の呼吸運動を比較することができる。このようにして，任意の部位を組み合わせて比較することができ，身体の中のさまざまな部位における呼吸運動の状況を把握することが可能である。

なお，前述の左側と右側の呼吸運動の比較あるいは胸側と腹側の呼吸運動の比較など，個々の領域同志や，いくつかの領域をまとめた領域同志の比較としては，動きの振幅（呼吸量）の比較や，周期的な呼吸運動の位相（タイミングずれ）の比較が可能である。それによって，動きの悪い部位や，閉塞の有無などが明確になったり，呼吸リハビリテーションにおける各領域の動きかたの目標を数値設定することができるようになる。

観察画像上で，各メルクマールを連結して分割線を引く（指定する）場合，観察画像上の各メルクマールを結ぶ線や延長線をマウス等のポインティングデバイスで画像上に描画することにより指定することも可能である。

別の実施例として，ポインティングデバイスで各メルクマールを順番に指し示し，あらかじめどの順番に指し示されたメルクマール同志を連結するかの対応を決めておくことによって，領域の境界線を機械的に作成することも可能である。

また，各メルクマールの反射率を固有のものにしたり，固有のパターンが撮像されるようにしたりすることによって，個々のメルクマールが観察画像上で区別できるようにすれば，上記と同様に，あらかじめ，どのメルクマール同志を連結するかの対応を決めておくことによって，領域の境界線を機械的に作成することも可能である。

図１に示した実施例においては，０，２として，左右烏口突起の位置を設定しているが，左右右高突起の位置から左右肩峰の間でわかりやすい位置，たとえば「左右肩峰」や「左右烏口突起と肩峰との中間点」を指定してもよい。

また，３，５として，左右腋窩の位置を設定しているが，左右第２肋骨〜第１０肋骨と腋窩線との交点の範囲内で，たとえば，「左右第３肋骨と腋窩線との交点」のように設定してもよい。

さらに，４として，第４肋骨の高さの胸骨上を設定しているが，第１肋骨〜第７肋骨の高さの胸骨上の範囲内で，たとえば，「第３肋骨の高さの胸骨上」のように指定してもよい。

あるいは，６，８は，左右肋骨下部と鎖骨中線の交点の位置を設定しているが，たとえば，「肋骨下部の最下点」など，肋骨下部の範囲で任意の位置を指定してもよい。

前記目印位置（メルクマール）として，図８に示すように，胸骨柄１，左右烏口突起〜左右肩峰の任意の点０，２，第４肋骨の高さの胸骨上の点４，左右第４肋骨と鎖骨中線との交点１３，１４，左右第４肋骨と腋窩線との交点３，５，剣状突起７，左右第５肋骨と腋窩線との交点１５，１６，左右第６肋骨と鎖骨中線との交点１７，１８，左右第８肋骨と腋窩線との交点１９，２０，左右第１０肋骨と鎖骨中線との交点２１，２２，左右肋骨下部と腋窩線との交点６，８，臍部９，左右前腸骨棘の中点１１，左右前腸骨棘の位置１０，１２を含むものとする。このように分けることで，肺の上葉，中葉，下葉に対応する部分と，横隔膜の運動に対応する部分の動きを検出することができ，それぞれの機能に結び付けて評価ができるので，特に好適である。

本発明によれば，従来装置では計測困難だった，呼吸運動を決められた領域ごとに分化して測定・評価することが可能となる。被検者の領域相互の比較や，同じ被検者の同じ領域の時間的な比較を精度よく行うことができる。また，異なる検者がメルクマールを添付して測定を行っても，常に同様の結果を得ることができるので，呼吸量の測定用途だけでなく，被検者のリハビリテーションの効果を定量的に把握するような，従来はできなかった新たな分野での利用も促進するものである。

１ 胸骨柄
２，０ 左右烏口突起〜左右肩峰の任意の点
３，５ 左右第４肋骨と腋窩線との交点
４ 第４肋骨の高さの胸骨上の点
６，８ 左右肋骨下部と腋窩線との交点
７ 剣状突起７
９ 臍部
１０，１２ 左右前腸骨棘の位置
１１ 左右前腸骨棘の中点
１３，１４ 左右第４肋骨と鎖骨中線との交点
１５，１６ 左右第５肋骨と腋窩線との交点
１７，１８ 左右第６肋骨と鎖骨中線との交点
１９，２０ 左右第８肋骨と腋窩線との交点
２１，２２ 左右第１０肋骨と鎖骨中線との交点
３１ 被検者
３２ 体表面
３３ ベッド
３４ 投光器
３５ カメラ
３６ ＰＣ
３７ ＰＣの画面
５１ 目印位置検出器
５２ 領域分割器
５３ 領域情報付加器
５４ 輝点情報処理装置
５５ 結果出力装置

Claims (6)

1. 体表面に光束を照射して該体表面からの反射光により高さ変化を検知し、呼吸運動に対応する呼吸運動信号を得る呼吸運動測定装置において，前記体表面の観察画像を撮像する撮像装置を配置し，前記体表面上に目印位置であるメルクマールを設定し，これらのメルクマール上に，前記撮像装置が受光する波長域において，反射率が前記体表面と異なる反射体を配置し，前記観察画像上で，前記メルクマールの像を通る分離線により前記体表面を複数の領域に分割して，分割された各領域の呼吸運動信号を得ることを特徴とする呼吸運動測定装置。
2. 前記メルクマールは，少なくとも胸骨上の点、臍部近傍の点および左右前腸骨棘の中点近傍の点の３点を含むことを特徴とする請求項１に記載の呼吸運動測定装置。
3. 前記メルクマールは，胸骨柄または胸骨上の肋骨の位置と、肋骨と腋窩線との交点、および肋骨と鎖骨中線との交点、のうちの少なくとも１点を含むことを特徴とする請求項１に記載の呼吸運動測定装置。
4. 前記呼吸運動信号は，体表上の複数の点の高さ変化に対応する変化量を領域ごとに平均化することにより得ることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の呼吸運動測定装置。
5. 複数に分割された各領域の呼吸運動信号のうち、特定の領域を合併し、分割した数より少ない数の領域数で表示することを特徴とする請求項１から請求項４に記載の呼吸運動測定装置。
6. 前記反射体は，表面に再帰反射素子を配置したものであり，体表面から見て撮像装置の方向に近い方向に，撮像装置が実質的に感度を持つ波長域を含む別の光源を設置したことを特徴とする請求項１から請求項５に記載の呼吸運動測定装置

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