JP2017093647A - 被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測システムおよび計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】計測環境および被験者の体調の変化に対してロバストな計測方法を提供する。【解決手段】被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測方法は、（ａ）素材温度が被験体の体温よりも低く、かつ、被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されたマスク３０を、被験体の鼻孔および口を覆うように配置するステップと、（ｂ）サーモグラフィカメラ１０が、被験体に配置されたマスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成された動画像を取得するステップと、（ｃ）画像処理装置２０が、複数のフレーム画像にわたって生じた、マスクの領域における温度変化を算出し、温度変化に基づいて、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測するステップと、を包含する。【選択図】図１

Description

本発明は、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測システムおよび計測方法に関する。

従来、被験者の呼吸を計測するための呼吸計測手法として、例えば電極インピーダンス法およびサーミスタ法が知られていた。電極インピーダンス法では、被験者に電極が装着されて、呼吸に伴う電極間のインピーダンスの変化に応じた電圧が検出される。また、サーミスタ法では、サーミスタ（センサ）が被験者の鼻孔付近に装着されて、呼気の温度変化に伴って変化した抵抗値に応じた電圧が検出される。このような手法によると、電極やセンサを被験者に接触させて装着する必要があった。そのため、それらの装着やリード線の処理などが煩わしかった。この課題を解決するために、非侵襲・非接触型の生体計測装置が開発された。生体計測装置としては、例えば睡眠中の被験者の呼吸を計測する呼吸計測装置が知られている。

特許文献１が、被験者の生体情報を非接触・非拘束で測定する生体情報センサを備える呼吸計測装置を開示している。生体情報センサとして、赤外線カメラが使用されている。被験者の鼻腔領域の体表面温度をサーモグラフィを用いて測定し、その温度の変化（温度差）を解析することで、呼吸の有無が検知される。息を吐くと、体内で温められた空気によって鼻腔付近の体表面温度が上昇し、息を吸うと、外気によって鼻腔付近の体表面温度は下降する。特許文献１の呼吸計測装置によると、呼吸による体表面温度の変化を利用して鼻腔からの呼吸状態を把握することができる。

特開２００６−１１５８６５号公報

しかしながら、本願発明者の検討によると、計測室内の温度が高い場合など、計測環境によっては呼吸時の温度変化が小さくなり、ノイズが呼吸波形に影響する可能性がある。その場合、鼻腔からの呼吸状態を正確に把握することはできない。本明細書では、時間軸である横軸に対して、所定領域の温度を縦軸に時系列でプロットして得られる波形データを「呼吸波形」と呼ぶ。

具体的に説明すると、息を吐くと、体内で温められた空気が鼻腔から外に出ていくので、鼻腔付近の体表面温度が上昇する。一方、息を吸うと、体温よりも温度が低い外気が鼻腔から体内に入ってくるので、鼻腔付近の体表面温度は下降する。ただし、体内で温められた空気の温度は高々３７℃程度であると考えられ、計測室内の温度が３０℃程度であると、呼吸時に検出される温度差は小さくなると想定される。

被験者は当然に、鼻だけではなく口によっても呼吸する。例えば、鼻が詰まっている場合など、被験者は主として口で呼吸を行うので、鼻腔を介した空気の出入りは制限されて、空気の流れが生じない。そのため、温度情報を鼻腔から得ることは困難となる。特許文献１の呼吸計測装置は、鼻腔付近の体表面温度のみをモニタし、口からの呼気や吸気については何ら考慮していない。従って、被験者の呼吸状態を正確に把握することは困難となる。このように、従来の呼吸計測装置は、計測環境および被験者の体調の変化に影響され易くロバストであるとは決して言えない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、計測環境および被験者の体調の変化に対してロバストな、被験者の呼吸に起因する生体活動を計測する計測方法（以下、単に「計測方法」と表記する。）を提供する。

本発明の実施形態による計測方法は、サーモグラフィカメラと、サーモグラフィカメラからの動画像を処理する画像処理装置と、を備えた生体活動計測システムを用いて、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測方法であって、（ａ）素材温度が前記被験体の体温よりも低く、かつ、前記被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されたマスクを、前記被験体の鼻孔および口を覆うように配置するステップと、（ｂ）前記サーモグラフィカメラが、前記被験体に配置された前記マスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成された前記動画像を取得するステップと、（ｃ）前記画像処理装置が、前記複数のフレーム画像にわたって生じた、前記マスクの領域における温度変化を算出し、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を前記温度変化に基づいて計測するステップと、を包含する。

ある実施形態において、前記マスクの素材は不織布であってもよい。

ある実施形態において、前記ステップ（ａ）は、前記被験体の鼻腔が拡張するように、鼻腔拡張テープを前記被験体の鼻に貼るステップをさらに包含してもよい。

ある実施形態において、前記マスクは、形状を維持するための骨組み構造を有し、一部が前記鼻腔拡張テープによって前記被験体の鼻に貼着された部材によって前記被験体の顔面に接触しないように支持されていてもよい。

ある実施形態において、前記マスクは下うけ型マスクであってもよい。

ある実施形態において、前記ステップ（ａ）において、前記マスクは、前記被験体の顎に接するように配置されてもよい。

ある実施形態において、前記ステップ（ｃ）において、前記画像処理装置は、前記複数のフレーム画像の各々に含まれる前記マスクの領域を特定し、前記マスクの領域における、前記複数のフレーム画像にわたって温度変化が生じた部分領域をさらに特定して、前記部分領域の温度変化に基づいて、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測してもよい。

ある実施形態において、前記画像処理装置は、フレーム画像毎に、前記マスクの領域に包含される複数の分割領域毎に温度変化を算出し、前記複数の分割領域のうち、温度変化が最も大きい分割領域の温度変化に基づいて、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測してもよい。

本発明の実施形態による計測システムは、鼻孔および口を覆うようにマスクが配置された被験体の動画像を解析して、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測するシステムであって、前記マスクは、素材温度が前記被験体の体温よりも低く、かつ、前記被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されており、前記被験体に配置された前記マスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成される前記動画像を生成するサーモグラフィカメラと、前記動画像を受け取り、前記複数のフレーム画像にわたって生じた、前記マスクの領域における温度変化を算出し、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を前記温度変化に基づいて計測する画像処理装置と、を備える。

本発明の一実施形態によれば、計測環境および被験者の体調の変化に対してロバストな計測方法が提供される。

第１の実施形態による計測システム１００のブロック構成図である。 マスク３０を装着した被験者４０の顔面を真上から見た様子を示す模式図である。 画像処理装置２０のハードウェア構成図である。 計測システム１００の処理の手順の一例を示したフローチャートである。 複数の分割領域に分割されたフレーム画像を示す模式図である。 ある領域の時系列の温度分布の変化を示した呼吸波形である。 マスク３０と顔面との間の空間内において、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気が生じる様子を示す模式図である。 呼気によってマスク３０の温度が上がる様子を示す模式図である。 吸気によってマスク３０の温度が下がる様子を示す模式図である。 鼻腔拡張テープ３１を被験者４０に貼った状態における、マスク３０と顔面との間の空間内において、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気が生じる様子を示す模式図である。 マスク３０を装着し、かつ、鼻腔拡張テープ３１を貼った被験者４０の顔面を真上から見た様子を示す模式図である。 下うけ型のマスク３０と顔面との間の空間内において、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気が生じる様子を示す模式図である。 下うけ型のマスク３０を装着した被験者４０の顔面を真上から見た様子を示す模式図である。

本発明の実施形態による計測方法は、サーモグラフィカメラと、サーモグラフィカメラからの動画像を処理する画像処理装置と、を備えた生体活動計測システム（以下、「計測システム」と表記することがある。）に好適に用いられる。その計測方法は、（ａ）素材温度が被験体の体温よりも低く、かつ、被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されたマスクを、被験体の鼻孔および口を覆うように配置するステップと、（ｂ）サーモグラフィカメラが、被験体に配置されたマスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成された動画像を取得するステップと、（ｃ）画像処理装置が、複数のフレーム画像にわたって生じた、マスクの領域における温度変化を算出し、温度変化に基づいて、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測するステップと、を包含する。マスクの素材は通気性が良く、不織布であることが好ましい。なお、本明細書では、被験者は人であるとして説明するが、人以外の動物（犬や猫などのペット動物、豚やマウスなどの実験動物）であってもよい。計測対象としての動物（人を含む。）を総称して「被験体」と呼ぶことがある。

本発明の実施形態によると、被験体の呼吸に起因する生体活動を非侵襲で計測することができ、かつ、計測環境および被験者の体調の変化に対してロバストな計測が可能になる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態による計測方法を説明する。以下の説明において、同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付している。なお、本発明の実施形態による計測方法は、以下で例示するものに限られない。例えば、一の実施形態と、他の実施形態とを組み合わせることも可能である。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態による計測システム１００の構成を模式的に示す。計測システム１００は、典型的には、サーモグラフィカメラ１０と、画像処理装置２０と、マスク３０とを備えている。図１には被験者４０が示されているが、被験者４０は計測システム１００に含まれないことは言うまでもない。

計測システム１００は、被験者４０の生体活動を観察するために利用される。本実施形態では、生体活動は被験者４０の呼吸であるとし、計測システム１００は所定期間内の呼吸数を計測する。

サーモグラフィカメラ１０は、いわゆる、赤外線サーモグラフィであり、赤外線の放射エネルギーを映像化する撮像装置である。サーモグラフィカメラ１０は、例えば６０ｆｐｓのフレームレートで物体を撮像し、複数のフレーム画像から構成される動画像をリアルタイムで生成することができる。生成された複数のフレーム画像の各フレーム画像は、物体の温度分布を示す情報を含んでいる。

サーモグラフィカメラ１０は、物体（例えば被験者４０）から自然放射される赤外線のエネルギ―量を検出し、その検出量に基づいて面としての２次元的な温度分布の情報を生成する。物体の表面温度が高いほど、放射される赤外線のエネルギーは高くなる。例えば、サーモグラフィカメラ１０は赤外線のエネルギー量に応じた表示色で温度分布を表示することができる。サーモグラフィカメラ１０は、例えば波長が７．５μｍから１４．０μｍまでの範囲にある遠赤外線を検知することができる。

サーモグラフィカメラ１０は、被験者４０の顔に装着されたマスク３０を捉えるように計測システム１００において配置させる。サーモグラフィカメラ１０は、有線または無線で画像処理装置２０と電気的に接続され、動画像データ、つまり、温度分布の情報を画像処理装置２０に送る。

図１に示すように、サーモグラフィカメラ１１をさらに配置して、複数のカメラで被験者４０の顔周辺を撮像することも可能である。複数のカメラを利用することで、１台のカメラが何かに遮られて映像が乱れた場合でも、他のカメラの映像を用いて測定を継続することができる。また、複数の被験者を同時に測定することも可能になる。

画像処理装置２０は、サーモグラフィカメラ１０からの、温度分布の情報を含む動画像データを処理して、被験者４０の呼吸に起因する生体活動を計測する。画像処理装置２０は、典型的にはパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。画像処理装置２０の構造および動作についての詳細は後述する。

図２は、マスク３０を装着した被験者４０の顔面を真上から見た様子を模式的に示している。

マスク３０には、通気性の良い素材が好適に用いられる。具体的に説明すると、マスク３０の素材は、素材温度が被験者４０の体温よりも低く（例えば、室温と同程度の２７℃）、かつ、被験者４０の呼気および吸気によって温度が変化する（変化し易い）素材である。例えば素材温度は室温（２７℃）と同程度であることが好ましい。そのような素材には、不織布が適している。本発明の実施形態には、薬局などで誰もが購入することが可能な不織布マスクを広く用いることができる。不織布以外にも、例えば一般の布やガーゼのマスク、またはティッシュを用いても被験者４０の呼吸を測定することができる。

本願発明者は、被験者４０から十分な呼気および吸気が得られる状況下で、不織布を用いて実際に測定し、呼気および吸気に伴って不織布の温度が２５．４℃から３７．２℃の範囲で変化することを確認した。約１０℃近い温度差が得られることが分かった。

図２に示すように、マスク３０は典型的には、装着のために耳にかける紐を有しているが、紐の代わりに他の留め具（例えば、テープ）などで顔面に固定されても構わない。そのような紐なしのマスクの形態も本発明の範疇である。

ディスプレイ５０は、主として、被験者４０の呼吸に起因する生体活動の計測結果を表示するための装置である。ディスプレイ５０は、例えば液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイである。なお、画像処理装置２０とディスプレイ５０とが一体化した装置を用いることも当然に可能である。図１には、そのような装置としてラップトップ型のＰＣを例示している。

図３は、計測システム１００の、主として画像処理装置２０のハードウェア構成の例を示している。本実施形態では、画像処理装置２０は、サーモグラフィカメラ１０とディスプレイ５０とに電気的に接続されている。画像処理装置２０は、サーモグラフィカメラ１０から、撮像された動画像データを受け取る。また、ディスプレイ５０は、マスク３０の温度分布の変化および呼吸数などを表示する。画像処理装置２０は、サーモグラフィカメラ１０の撮影方向が適切でないと測定結果に基づいて判断した場合には、ディスプレイ５０に警告を表示してもよい。

画像処理装置２０は、ＣＰＵ２０１と、ＲＯＭ２０２と、ＲＡＭ２０３と、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）２０４と、インタフェース（Ｉ／Ｆ）２０５と、画像処理回路２０６とを有する。ＣＰＵ２０１は画像処理装置２０の動作全体を制御する。ＲＯＭ２０２は、コンピュータプログラムを格納している。コンピュータプログラムは、たとえば後述するフローチャートによって示される処理をＣＰＵ２０１および／または画像処理回路２０６に行わせるための命令群である。ＲＡＭ２０３は、ＣＰＵ２０１による実行にあたって、コンピュータプログラムを展開するためのワークメモリである。ＨＤＤ２０４は、サーモグラフィカメラ１０から受信した動画像データ、および計測された被験者４０の呼吸数のデータなどを格納する記憶装置である。

Ｉ／Ｆ２０５は、画像処理装置２０がサーモグラフィカメラ１０から、温度分布の情報を含む動画像データを受け取るためのインタフェースである。画像処理装置２０が有線のネットワーク経由で動画像データを受け取る場合には、Ｉ／Ｆ２０５はたとえばイーサネット（登録商標）端子であり得る。画像処理装置２０が無線のネットワーク経由で動画像のデータを受け取る場合には、Ｉ／Ｆ２０５はたとえばＷｉ−Ｆｉ（登録商標）規格に準拠した通信を行う送受信回路であり得る。またはＩ／Ｆ２０５は、有線の映像入力端子であってもよい。

画像処理回路２０６は、動画像データを解析する、いわゆるグラフィックスプロセッサである。画像処理回路２０６は、サーモグラフィカメラ１０から動画像データを受け取り、複数のフレーム画像にわたって温度分布の変化を解析する。具体的に説明すると、画像処理回路２０６は、複数のフレーム画像にわたって、フレーム画像毎の温度分布の情報に基づいて、マスク３０の領域における温度変化を算出し、その温度変化に基づいて被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する。

本実施形態ではＣＰＵ２０１とは別に画像処理回路２０６を設けているが、これは一例である。ＣＰＵ２０１と画像処理回路２０６とを統合した集積回路を用いてもよいし、画像処理回路２０６の処理の一部を、ＣＰＵ２０１が行ってもよい。

図４を参照して、計測システム１００の全体の動作を説明し、主として呼吸数を計測する例を説明する。しかしながら、呼吸数は被験者４０の呼吸に起因する生体活動の一例であり、被験者４０の呼吸に起因する他の生体活動を計測してもよい。典型的には、呼吸波形を利用して評価可能な他の生体活動、例えば、呼吸の深さ、乱れ、無呼吸期間、無呼吸期間が発生する頻度などの生体活動は、本明細書において、計測対象である生体活動の範疇である。

図４は、計測システム１００の処理の手順の一例を示している。図５は、複数の分割領域に分割されたフレーム画像を模式的に示している。図６は、ある領域の時系列の温度分布の変化を示した呼吸波形の例を示している。

（ステップＳ１）
観測者または被験者４０は、被験者４０の鼻孔および口を覆うように、呼吸による空気の換気が発生する位置にマスク３０を配置する。

（ステップＳ２）
サーモグラフィカメラ１０は、マスク３０がフレームに収まるように被験者４０を撮像する。サーモグラフィカメラ１０は、例えば６０ｆｐｓのフレームレートで１時間連続して被験者４０を撮像し、動画像データを取得する。なお、サーモグラフィカメラ１０はズーム機能を有していてもよく、主としてマスク３０のみが画角に収まるようにズーム撮影してもよい。

なお、サーモグラフィカメラ１０は、動画像データを記録するＨＤＤなどを内部に有していてもよい。動画像データのリアルタイム処理を特に必要としないときは、サーモグラフィカメラ１０は、動画像データを内部のＨＤＤ、またはカメラ１０の外部に設けられたＨＤＤに一旦格納してもよい。その場合、ＣＰＵ２０１が必要に応じて、一連の動画像データを送信するようにサーモグラフィカメラ１０にコマンドを送信し、画像処理回路２０６は受け取った動画像データを事後的に処理するようにしてもよい。

（ステップＳ３）
画像処理回路２０６は、サーモグラフィカメラ１０から動画像データを受け取る。画像処理回路２０６は、図５に示すように、動画像を構成する複数のフレーム画像の各々を、複数の分割領域Ｐに分割する。なお「分割する」とは、実際の動作として分割する必要はない。たとえば画像を切り出す単位または処理を行う単位として分割領域Ｐのサイズを設定する、という動作も、ここで言う「分割する」動作に含まれ得る。

複数の分割領域Ｐは、マスク３０の領域を例えば３×３以上に分割するようにフレーム画像上に設定される。個々の分割領域Ｐのサイズは、サーモグラフィカメラ１０の解像度や画角などに依存して決定され、例えば１６×１６画素とすることができる。

（ステップＳ４）
画像処理回路２０６は、公知のあらゆる手法を用いてフレーム画像においてマスク３０の領域を特定することができる。例えば、画像処理回路２０６は、予め保持していたマスク３０の特徴（例えば、矩形形状）を利用して、各フレーム画像にパターンマッチング処理を行うことで、マスク３０の座標位置を特定する。マスク３０の座標位置は、例えばマスク３０の領域の各頂点、中心または重心の座標を意味する。サイズが比較的大きく、かつ、一定の形状を有するマスク３０を用いることにより、パターンマッチング処理を簡素化することが可能となる。

（ステップＳ５）
鼻孔および／または口からの呼吸による空気の換気によって、マスク３０の領域全体において温度変化を観測できると考えられる。ただし、観測場所によっては温度変化にムラが生じる可能性がある。そのため、本実施形態では、画像処理回路２０６は、マスク３０の領域の中で温度変化が特に大きい領域（監視領域と呼ぶことがある。）をさらに特定する。

画像処理回路２０６は、ステップＳ４で取得された座標位置に基づいて特定されるマスク３０の領域において、分割領域Ｐ毎に温度分布の平均を算出して、所定期間（例えば過去の２０秒間）の温度分布の平均の変化を示す時系列データに基づいて呼吸波形を生成する。または、画像処理回路２０６は、所定期間における分割領域Ｐの温度分布の積算値または代表値の変化を示す時系列データに基づいて呼吸波形を生成してもよい。本明細書では、ある領域の温度分布の平均、積算または代表値を「領域の温度」と呼ぶ場合がある。

呼吸波形は、ある領域の温度の時系列の変化を示している。図６に示すように、被験者４０の呼吸状態を忠実に再現できる領域から得られた呼吸波形は歪みを含まず、滑らかな曲線によって描かれ、領域の温度は周期的に変化していることが分かる。呼吸波形における隣接する２つの極大点および極小点の間の温度差を、呼吸波形の振幅と定義する。

例えば所定期間２０秒は被験者の一般的な呼吸数３ｂｐｍに相当する。その場合、画像処理回路２０６はＲＡＭ２０３やＨＤＤ２０４にアクセスしながら、現時点から遡って過去の２０秒間（フレームレートが３０ｆｐｓの場合、６００フレームに相当）の時系列データに基づいて呼吸波形を生成する。

画像処理回路２０６は、呼吸波形において温度の最大値および最小値の差分（つまり、温度差）を分割領域Ｐ毎に算出する。換言すると、画像処理回路２０６は、分割領域Ｐ毎に呼吸波形の振幅を算出する。画像処理回路２０６は、複数の分割領域Ｐのうち、呼吸波形の振幅が最も大きい分割領域を監視領域として設定する。なお、マスク３０の領域において略一様に温度変化を観測できるときは、ステップ５の処理を省略しても構わない。その場合、マスク３０の領域内のいずれかの分割領域Ｐを監視領域として設定することができる。

（ステップＳ６）
画像処理回路２０６は、監視領域の温度変化（つまり、呼吸波形）に基づいて、被験者４０の呼吸数を計測する。図６に示すように、隣接する２つの極大点または極小点の間の時間差が被験者４０の呼吸周期（ｓ）に相当する。呼吸数（ｂｐｍ）は、６０／呼吸周期（ｓ）で表すことができる。

ディスプレイ５０は、主として被験者４０の呼吸数を表示する。ディスプレイ５０は、呼吸数以外に、例えば呼吸数のトレンドおよびサーモグラフィカメラ１０で撮像した動画像を表示することもできる。呼吸数のトレンドとは、呼吸数の時間的な変化を示す波形である。

図７は、マスク３０と顔面との間の空間内において、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気が生じる様子を模式的に示している。鼻孔および口を覆うようにマスク３０を配置することによって、マスク３０の素材（つまり、不織布）の温度変化を利用して呼吸状態を把握することができる。その結果、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気を同時に計測することができ、鼻が詰まっている場合であっても、口からの呼吸による換気を計測することができる。また、マスク３０の領域全体において温度変化を観測できるので、鼻孔で呼吸しているときであっても、口で呼吸しているときであっても、同じ領域で温度変化を観測することが可能である。

図８Ａは、呼気によってマスク３０の温度が上がる様子を示している。被験者４０が息を吐くと、体内で温められた空気によって、不織布が温められる。不織布自体の温度は、計測室内の温度（例えば２７℃）に近く、体温よりも低いので、息を吐いているときの温度変化は大きくなる。

図８Ｂは、吸気によってマスク３０の温度が下がる様子を示している。被験者４０が息を吸うと、呼気で温められた不織布の温度は、外気が不織布を通過するときに生じる気化熱によって下げられ易くなる。気化熱を利用することで、息を吸っているときの温度変化も大きくなる。このように、不織布マスクを用いることにより、呼吸時のマスク３０の温度変化を大きくすることができる。

本実施形態によると、呼吸波形の振幅を、従来の呼吸計測装置で得られる呼吸波形の振幅よりも大きくすることができる。その結果、呼吸波形のＳＮ比は向上し、被験者４０の呼吸数をより正確に計測することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態による計測方法は、被験者４０の鼻腔が拡張するように、鼻腔拡張テープ３１を被験者に貼って計測する点で、第１の実施形態による計測方法とは異なる。以下、第１の実施形態との差異点を中心に説明する。

第２の実施形態による計測方法を用いることが可能な計測システムの構成は、第１の実施形態による計測システム１００と同じであるので、それらの説明は省略する。

図９Ａは、鼻腔拡張テープ３１を被験者４０に貼った状態における、マスク３０と顔面との間の空間内において、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気が生じる様子を模式的に示している。図９Ｂは、マスク３０を装着し、かつ、鼻腔拡張テープ３１を貼った被験者４０の顔面を真上から見た様子を模式的に示している。

本実施形態で用いられるマスク３０には、一端に鼻腔拡張テープ３１が貼着された部材３２がぶら下がった状態で取り付けられている。鼻腔拡張テープ３１を被験者４０の鼻４０Ｎに貼着することによって、マスク３０は部材３２により支持される。皮膚から伝導する熱は呼吸波形においてはノイズになり得る。そこで、部材３２を介して皮膚からマスク３０に熱が伝導することを防止するために、部材３２の熱伝導率は低い方が好ましい。例えば、部材３２の熱伝導率は、０．２０から０．３３（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度である。また、部材３２は、マスク３０を支持することができる程度の強度を有していることが好ましい。例えば、部材３２の材料として、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）樹脂を用いることができる。

被験者４０には、鼻孔および口を覆うように、呼吸による空気の換気が発生する位置にマスク３０が配置されると同時に、鼻腔が拡張するように、鼻腔拡張テープ６０が貼られる。マスク３０は、強度の高い部材３２によって支持されるので、図示するように宙吊り状態になり得る。そのため、皮膚からの直接的な熱伝導を抑制することができる。また、宙吊り状態において、マスク３０はその形状を維持する構造（例えば、骨組み）を備えていることが好ましい。さらに、鼻腔拡張テープ６０を用いることで、鼻詰まりを改善することができ、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気状態をさらに改善することができる。

本実施形態によれば、呼吸波形のＳＮ比のさらなる向上が期待される。

（第３の実施形態）
第３の実施形態による計測方法は、下うけ型のマスク３０を用いる点で、第１の実施形態による計測方法とは異なる。以下、第１の実施形態との差異点を中心に説明する。

第３の実施形態による計測方法を用いることが可能な計測システムの構成は、第１の実施形態による計測システム１００と同じであるので、それらの説明は省略する。

図１０Ａは、下うけ型のマスク３０と顔面との間の空間内において、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気が生じる様子を模式的に示している。図１０Ｂは、下うけ型のマスク３０を装着した被験者４０の顔面を真上から見た様子を模式的に示している。

本実施形態で用いられるマスク３０は、いわゆる衛生透明マスクと同じ形状を有している。本明細書では、このような形状をしたマスクを「下うけ型のマスク」と呼ぶ。図１０Ｂに示すように、マスク３０の下端には、部材３３が取り付けられている。部材３３の熱伝導率は、第２の実施形態で説明した部材３２と同様に、低い方が好ましく、例えば、部材３３の材料として、ＰＥＴ樹脂を用いることができる。

マスク３０は、部材３３が被験者４０の顎に接するように配置される。これにより、部材３３を介して皮膚からマスク３０に熱が伝導することを防止することができる。また、皮膚からの直接的な熱伝導を抑制するために、第２の実施形態と同様に、マスク３０は宙吊り状態になるように部材３３によって支持されることが好ましく、宙吊り状態において、マスク３０はその形状を維持する構造（例えば、骨組み）を備えていることが好ましい。

本実施形態によれば、マスク３０を被験者４０に装着するときの閉塞感を低減することができる。

本明細書は、以下の項目に記載の被験体の呼吸に起因する生体活動の計測システムおよび計測方法を開示している。

〔項目１〕
サーモグラフィカメラと、サーモグラフィカメラからの動画像を処理する画像処理装置と、を備えた生体活動計測システムを用いて、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測方法であって、
（ａ）素材温度が前記被験体の体温よりも低く、かつ、前記被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されたマスクを、前記被験体の鼻孔および口を覆うように配置するステップと、
（ｂ）前記サーモグラフィカメラが、前記被験体に配置された前記マスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成された前記動画像を取得するステップと、
（ｃ）前記画像処理装置が、前記複数のフレーム画像にわたって生じた、前記マスクの領域における温度変化を算出し、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を前記温度変化に基づいて計測するステップと、
を包含する、計測方法。

項目１に記載の計測方法によると、計測環境および被験体の体調の変化に対してロバストな、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測方法が提供される。

〔項目２〕
前記マスクの素材は不織布である、項目１に記載の計測方法。

項目２に記載の計測方法によると、容易に入手でき、かつ、安価な不織布マスクを用いて、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測することができる。

〔項目３〕
前記ステップ（ａ）は、前記被験体の鼻腔が拡張するように、鼻腔拡張テープを前記被験体の鼻に貼るステップをさらに包含する、項目１または２に記載の計測方法。

項目３に記載の計測方法によると、鼻詰まりを改善することができ、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気状態を改善することができる。

〔項目４〕
前記マスクは、形状を維持するための骨組み構造を有し、一部が前記鼻腔拡張テープによって前記被験体の鼻に貼着された部材によって前記被験体の顔面に接触しないように支持されている、項目３に記載の計測方法。

項目４に記載の計測方法によると、皮膚からの直接的な熱伝導を抑制することができる。

〔項目５〕
前記マスクは下うけ型マスクである、項目１または２に記載の計測方法。

項目５に記載の計測方法によると、マスクのバリエーションが提供される。

〔項目６〕
前記ステップ（ａ）において、前記マスクは、前記被験体の顎に接するように配置される、項目５に記載の計測方法。

項目６に記載の計測方法によると、部材を介して皮膚からマスクに熱が伝導することを防止することができる。

〔項目７〕
前記ステップ（ｃ）において、前記画像処理装置は、前記複数のフレーム画像の各々に含まれる前記マスクの領域を特定し、前記マスクの領域における、前記複数のフレーム画像にわたって温度変化が生じた部分領域をさらに特定して、前記部分領域の温度変化に基づいて、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する、項目１から６のいずれかに記載の計測方法。

項目７に記載の計測方法によると、観測場所によって温度変化にムラが生じる可能性がある場合であっても、温度変化が生じた部分領域を特定することにより、被験体の呼吸に起因する生体活動を精度よく計測できる。

〔項目８〕
前記画像処理装置は、フレーム画像毎に、前記マスクの領域に包含される複数の分割領域毎に温度変化を算出し、前記複数の分割領域のうち、温度変化が最も大きい分割領域の温度変化に基づいて、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する、項目１から６のいずれかに記載の計測方法。

項目８に記載の計測方法によると、処理単位として分割領域を利用することで演算処理の効率化が図れる。

〔項目９〕
鼻孔および口を覆うようにマスクが配置された被験体の動画像を解析して、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測システムであって、
前記マスクは、素材温度が前記被験体の体温よりも低く、かつ、前記被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されており、
前記被験体に配置された前記マスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成される前記動画像を生成するサーモグラフィカメラと、
前記動画像を受け取り、前記複数のフレーム画像にわたって生じた、前記マスクの領域における温度変化を算出し、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を前記温度変化に基づいて計測する画像処理装置と、
を備える、計測システム。

項目９に記載の計測方法によると、計測環境および被験体の体調の変化に対してロバストな、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測システムが提供される。

本発明は、被験体を撮影した動画像を解析して、被験体の生体活動、特に呼吸の数を非侵襲で計測する方法として利用することができる。また本発明は、そのような動画像の解析および生体活動の計測のための装置、システム、コンピュータプログラムとして利用することができる。

１０、１１ サーモグラフィカメラ
２０ 画像処理装置
３０ 不織布マスク
３１ 鼻腔拡張テープ
３２、３３ 部材
４０ 被験者
５０ ディスプレイ
１００ 計測システム
２０１ ＣＰＵ
２０２ ＲＯＭ
２０３ ＲＡＭ
２０４ ＨＤＤ
２０５ Ｉ／Ｆ
２０６ 画像処理回路

Claims (5)

1. サーモグラフィカメラと、サーモグラフィカメラからの動画像を処理する画像処理装置と、を備えた生体活動計測システムを用いて、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測方法であって、
   （ａ）素材温度が前記被験体の体温よりも低く、かつ、前記被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されたマスクを、前記被験体の鼻孔および口を覆うように配置するステップと、
   （ｂ）前記サーモグラフィカメラが、前記被験体に配置された前記マスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成された前記動画像を取得するステップと、
   （ｃ）前記画像処理装置が、前記複数のフレーム画像にわたって生じた、前記マスクの領域における温度変化を算出し、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を前記温度変化に基づいて計測するステップと、
   を包含する、計測方法。
2. 前記マスクの素材は不織布である、請求項１に記載の計測方法。
3. 前記ステップ（ｃ）において、前記画像処理装置は、前記複数のフレーム画像の各々に含まれる前記マスクの領域を特定し、前記マスクの領域における、前記複数のフレーム画像にわたって温度変化が生じた部分領域をさらに特定して、前記部分領域の温度変化に基づいて、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する、請求項１または２に記載の計測方法。
4. 前記画像処理装置は、フレーム画像毎に、前記マスクの領域に包含される複数の分割領域毎に温度変化を算出し、前記複数の分割領域のうち、温度変化が最も大きい分割領域の温度変化に基づいて、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する、請求項１または２に記載の計測方法。
5. 鼻孔および口を覆うようにマスクが配置された被験体の動画像を解析して、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測システムであって、
   前記マスクは、素材温度が前記被験体の体温よりも低く、かつ、前記被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されており、
   前記被験体に配置された前記マスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成される前記動画像を生成するサーモグラフィカメラと、
   前記動画像を受け取り、前記複数のフレーム画像にわたって生じた、前記マスクの領域における温度変化を算出し、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を前記温度変化に基づいて計測する画像処理装置と、
   を備える、計測システム。

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