JP2017217298A - 非接触呼吸測定装置及び非接触呼吸測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 非接触かつリアルタイムで正確に呼吸波形を測定することが可能な呼吸波形測定装置を提供する。【解決手段】 呼吸測定装置は、測定対象者の対象領域の距離情報及び姿勢情報を含む三次元画像を単位時間ごとに取得する三次元画像取得部と、三次元画像から測定基準位置と対象領域との間の距離情報を取得する距離取得部と、三次元画像から対象領域の姿勢情報を取得する姿勢取得部と、姿勢情報を用いて対象領域内の呼吸主要領域を確定する呼吸主要領域確定部と、呼吸主要領域に対応する三次元画像の１つ又は複数の画素の距離情報を時系列に並べることによって、呼吸主要領域の移動量波形を生成する移動量波形生成部と、移動量波形から呼吸波形を生成する呼吸波形生成部とを含む。【選択図】 図２

Description

本発明は、運動中の測定対象者の呼吸を非接触で計測する呼吸波形測定装置及び呼吸波形測定方法に関し、より具体的には、運動中に測定対象者の体動が大きくなっても、その体動に追随して呼吸領域の移動を捉えることによって、より正確に非接触かつリアルタイムで呼吸波形を測定することが可能な呼吸波形測定装置及び呼吸波形測定方法に関する。

運動負荷試験は、自転車エルゴメータやランニングマシーンなどによる測定対象者の運動中の心拍応答、血圧又は心電図などを用いて、医学的な側面から測定対象者の生理学的な変化を確認し、より安全に効果的な運動を行なうために実施される体力の測定・運動能力の測定である。運動負荷試験において算定される指標のひとつとして、嫌気性作業閾値（ＡＴ：Ａｎａｅｒｏｂｉｃ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）が知られている。ＡＴは、徐々に運動強度を増大させたときに、急激に血中乳酸が増え始めたり、呼気中の炭酸ガス濃度が増え始めたりする運動強度であり、全身持久力（スタミナ）の体力指標として用いられる。ＡＴは、最大限までの運動を実施しなくても算定可能であることから、健康づくりや生活習慣病の予防・改善を目的とした安全かつ効果的な運動における強度の目安として、広く利用されている。ＡＴにおける運動強度は、最大運動強度の５０〜６０％程度に相当し、この強度で運動を行うことにより、血液中の乳酸が急増しないため運動を長時間持続でき、息切れを起こさない、心臓への負担が少ないなどといった利点がある。ＡＴは概念的な指標であることから、ＡＴを表す具体的な指標として、換気性作業閾値（ＶＴ：Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）や乳酸性作業閾値（ＬＴ：Ｌａｃｔａｔｅ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）が利用されている（非特許文献１）。

ＶＴは、代謝メカニズムが有酸素運動性機構から無酸素運動性機構に移行する変化点となる運動強度である。ＶＴより低い強度での運動は有酸素運動となり、ＶＴより高い強度での運動は無酸素運動となる。ＶＴは、個々人で異なり、それぞれにとって最適な運動強度を知るための指標として用いることができる。有酸素運動性機構から無酸素運動性機構への変化点は、運動負荷の漸増に伴い、（１）酸素摂取量の増加に対して二酸化炭素排出量の増加が上回る、（２）換気量の増加割合が上昇する、といった生理現象として現れる。

こうした生理現象を呼気ガス分析装置を用いて捉えることにより、ＶＴを算定することができる。しかし、一般に、呼気ガス分析装置は高価であるため、医療機関や研究機関でしか利用されていないのが現状である。また、呼気ガス分析装置による測定時には、口鼻を覆う形でマスク型のセンサを着用する必要があるため、運動中の呼吸が自然な状態で行われているとは言い難い。さらに、測定終了後のマスクの洗浄や、定期的な校正用ガスの交換などが必要であり、管理が煩雑である。したがって、呼気ガス分析装置による測定をスポーツクラブなどで気軽に行うことは難しい。

呼気ガス分析装置を用いることによる課題を解決することを目的として、非特許文献２に記載の方法が提案されている。この方法は、特許文献１に記載の非接触呼吸測定方法に基づくものであり、胸腹部に投影したパターン光をカメラで撮影し、撮影した動画像の解析を行うことにより、呼気ガス分析装置を用いることなく非接触で呼吸計測を行う技術である。この方法は、運動強度の漸増に伴う呼気量の変化を非接触で捉えることができるものであるが、運動強度の増加に伴って体動が大きくなることが原因で、呼吸波形に体動成分が重畳され、正確な呼吸測定を実現できないという問題があった。

より正確な呼吸測定を目指して、特許文献２に記載される技術が提案されている。この技術は、自転車エルゴメータによる運動において、運動中の呼吸とペダルこぎ運動による体動とを分離して、呼吸波形のみを抽出できるようにするものである。具体的には、自転車エルゴメータを運転する人の胸腹部に該当する領域の画像を複数の領域に分割し、各領域の距離変動の周波数分析を行い、その分析結果から、呼吸運動が支配的となっている呼吸領域を定めて領域毎の呼吸波形を抽出する。領域毎の呼吸波形は、全呼吸領域で平均化される。ＶＴは、平均化された呼吸波形を用いて求めることができる。

一方で、呼気ガス分析装置による呼吸波形の測定は、上記のような種々の課題はあるものの、測定中にリアルタイムで呼吸波形が得られる。この点に関して、特許文献２に記載の方法は、複数の領域に分割された胸腹部の各領域における距離変動の波形を取得し、その波形に対して高速フーリエ変換を行うものであり、高速フーリエ変換は計測終了後の距離変動波形に対してオフライン処理により行われる。したがって、リアルタイムでの呼吸波形の取得ができない。

運動中の呼吸波形を非接触かつリアルタイムで取得する技術として、非特許文献３に記載の技術が提案されている。この技術においては、測定対象者の胸腹部に対して赤外線を照射し、反射した赤外線が戻ってくる時間から胸腹部の深度変化の波形を得るとともに、得られた深度変化波形に対してデジタルフィルタによるローパスフィルタ処理を行うことにより、運動による体動成分が除去された低周波の呼吸波形をリアルタイムで取得することができる。

特許第３４７７１６６号公報 特開２０１４−０２３５５０号公報

大宮一人：心筋梗塞．臨床スポーツ医学、１６(７)、ｐｐ．７６３−７６９、１９９９ 青木広宙，市村志朗，藤原豊樹，清岡智，越地耕二，続敬之，仲村秀俊，藤本英雄：パターン光投影による非接触呼吸計測を用いた換気性作業閾値算定の提案、電気学会論文誌Ｃ、Ｖｏｌ．１３１−Ｃ、Ｎｏ．１、ｐｐ．１５２−１５９、２０１１ 青木広宙，仲村秀俊，麓賢悟，中原邦久，寺岡勝：Kinectを用いた運動中非接触呼吸計測のリアルタイム化に関する検討、動的画像処理実利用化ワークショップ講演論文集、２０１５

運動負荷試験において負荷が高くなると、通常は、測定対象者の体動が大きくなる。しかしながら、特許文献２及び非特許文献３において提案される技術においては、人の胸腹部に該当する領域をカメラの画像上の固定的な範囲として設定しているとともに、カメラからその領域までの距離も固定されていたため、体動が大きくなるにつれて画像上で呼吸領域として設定された範囲と真の呼吸領域とのずれ及び距離の変動が生じる場合がある。画像上の呼吸範囲と真の呼吸領域とがずれることにより、画像において複数に分割された小領域のうち本来は呼吸領域ではない領域が呼吸領域として判断され、さらに距離が変動することにより呼吸以外の体動による波形が呼吸波形に重畳されるため、呼吸波形の測定誤差が大きくなる。したがって、呼吸領域を固定的な範囲として捉えるのではなく、運動負荷が高まり体動が大きくなっても、その体動に追随してリアルタイムで画像上の正確な呼吸領域を確定し続けることが必要である。

本発明は、非接触かつリアルタイムで正確に呼吸波形を測定することが可能な呼吸波形測定装置及び呼吸波形測定方法を提供することを課題とする。

本発明は、一態様において、運動中の測定対象者の呼吸波形を非接触でリアルタイムに測定するための呼吸測定装置を提供する。呼吸測定装置は、測定対象者の対象領域の距離情報及び姿勢情報を含む三次元画像を単位時間ごとに取得する三次元画像取得部と、三次元画像から測定基準位置と対象領域との間の距離情報を取得する距離取得部と、三次元画像から対象領域の姿勢情報を取得する姿勢取得部と、姿勢情報を用いて対象領域内の呼吸主要領域を確定する呼吸主要領域確定部と、呼吸主要領域に対応する三次元画像の１つ又は複数の画素の距離情報を時系列に並べることによって、呼吸主要領域の移動量波形を生成する移動量波形生成部と、移動量波形から呼吸波形を生成する呼吸波形生成部とを含む。

本発明は、別の態様において、運動中の測定対象者の呼吸波形を非接触でリアルタイムに測定するための呼吸測定装置と、測定対象者に対して運動負荷を与える負荷装置と、測定対象者の対象領域の三次元画像を撮影する三次元画像撮影装置と、測定された呼吸波形から換気性作業閾値（ＶＴ）を算定する換気性作業閾値算定装置とを含む運動支援システムを提供する。

本発明は、さらに別の態様において、運動中の測定対象者の呼吸波形を非接触でリアルタイムに測定するための呼吸測定方法を提供する。呼吸測定方法は、測定対象者の対象領域の距離情報及び姿勢情報が含まれる三次元画像を単位時間ごとに取得するステップと、三次元画像から測定基準位置と対象領域との間の距離情報を取得するステップと、三次元画像から対象領域の姿勢情報を取得するステップと、姿勢情報を用いて対象領域内の呼吸主要領域を確定するステップと、呼吸主要領域に対応する三次元画像の１つ又は複数の画素の距離情報を時系列に並べることによって、呼吸主要領域の移動量波形を生成するステップと、移動量波形から呼吸波形を生成するステップとを含む。

本発明は、さらに別の態様において、運動中の測定対象者の呼吸波形を非接触でリアルタイムに測定するための呼吸測定方法により測定された呼吸波形から換気性作業閾値（ＶＴ）を算定するステップを含む運動支援方法を提供する。

本発明によれば、測定対象者の運動中における姿勢の変動に追随して呼吸領域を捉え続けることにより、運動負荷が増大した場合でも呼吸波形における体動の影響を取り除いて、より正確かつリアルタイムで換気性作業閾値を計測することができる。したがって、本発明を用いることにより、例えばフィットネスクラブなどにおいても、正確かつ簡便に、その場で、測定対象者ごとの最適な運動強度を設定することができる。

本発明の一実施形態に係る運動支援装置の構成を示す概要図である。 本発明の一実施形態に係る運動支援システムの機能ブロック図である。 本発明の一実施形態において定められる呼吸主要領域を示す図である。 本発明の一実施形態において、呼吸主要領域を確定するために呼吸主要領域確定部が行う処理のフロー図である。 本発明の一実施形態において、呼吸波形を生成するために移動量波形生成部及び呼吸波形生成部が行う処理のフロー図である。 本発明の一実施形態において、移動量波形生成部及び呼吸波形生成部が生成する波形の例を示す。 本発明の一実施形態において、換気性作業閾値を算定するために換気性作業閾値算定装置（ＶＴ装置）が行う処理のフロー図である。 本発明の一実施形態において、ＶＴ算定装置が個々の処理の結果として生成することができる波形又はデータの例を示す。 実施例及び比較例による分時換気量の測定データを示す。

以下に、本発明の一実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による、呼吸測定装置を含む運動支援システム１の構成を示す概要図であり、図２は、運動支援システム１の機能ブロック図である。図１に示されるように、運動支援システム１は、負荷装置１４、三次元画像撮影装置１６、及び解析装置１８を含む。

負荷装置１４は、測定対象者１２に運動負荷を与える装置である。本実施形態においては、負荷装置１４として自転車エルゴメータが用いられ、測定対象者１２は、自転車型エルゴメータのペダルを回転させることにより負荷を与えられる。自転車エルゴメータは、アップライト型でもリカベント型でもよい。負荷装置１４は、自転車エルゴメータに限定されるものではなく、例えばランニングマシーンであってもよい。以下の説明においては、負荷装置１４としてアップライト型の自転車エルゴメータを用いた運動支援システム１を例とする。負荷装置１４は、測定対象者に与える負荷が時間の経過とともに一定の割合で増加するように設定される。例えば、自転車エルゴメータを用いる場合には、自転車エルゴメータのペダル踏力が時間の経過とともに漸増するように設定される。

三次元画像撮影装置１６は、測定対象者１２の胸腹部を含む対象領域１２２の三次元画像ＩＭを撮影することができる。対象領域１２２については、後述される。三次元画像ＩＭは、三次元画像撮影装置１６のいずれかの位置おける測定基準位置から対象領域までの距離情報ＤＩと対象領域の姿勢情報ＰＩとを含む。三次元画像撮影装置１６は、三次元画像ＩＭを単位時間ごとに撮影し、撮影された三次元画像ＩＭを、解析装置１８の三次元画像取得部２０２に送信する。

解析装置１８は、呼吸測定装置２０及びＶＴ算定装置３０を含む。解析装置１８として汎用のパーソナルコンピュータを用いることができるが、これに限定されるものではない。呼吸測定装置２０は、図２に示されるように、三次元画像撮影装置１６によって単位時間ごと撮影された三次元画像ＩＭを取得する三次元画像取得部２０２と、三次元画像ＩＭから距離情報ＤＩを取得する距離取得部２０４と、三次元画像ＩＭから姿勢情報ＰＩを取得する姿勢取得部２０６とを含む。解析装置１８は、さらに、姿勢情報ＰＩを用いて、対象領域１２２に含まれる呼吸主要領域１２４を定める呼吸主要領域確定部２０８と、呼吸主要領域１２４に対応する三次元画像ＩＭの全て又は複数の画素について距離の平均値を算出し、該平均値を時系列に並べることによって、呼吸主要領域１２４の移動量波形を生成する、移動量波形生成部２１０と、移動量波形から呼吸波形を生成する呼吸波形生成部２１２とを含む。解析装置１８は、上記各部において用いられる種々のデータを記憶するデータベース４０を備えることが好ましい

解析装置１８は、さらに、ＶＴ算定装置３０を含む。ＶＴ算定装置３０は、呼吸波形生成部２１２によって生成された呼吸波形から、換気性作業閾値ＶＴを算定する。ＶＴ算定装置３０において用いられる各種データは、データベース４０に記憶されるようにすることができるが、これに限定されるものではなく、例えばＶＴ算定装置３０に設けられた別の記憶部に記憶されるようにしてもよい。

以下に、三次元画像撮影装置１６及び呼吸測定装置２０の機能を詳細に説明する。
三次元画像撮影装置１６は、自転車エルゴメータ１４を漕いでいる測定対象者１２の三次元画像ＩＭを撮影することができる。撮影される三次元画像ＩＭの対象領域１２２は、後に説明する呼吸主要領域１２４を含む範囲であれば特に限定されるものではないが、測定対象者１２の少なくとも上半身を含む領域であることが好ましい。三次元画像ＩＭは、三次元画像撮影装置１６のいずれかの位置に設定された測定基準位置から対象領域までの距離情報ＤＩと、対象領域の動きを反映する姿勢情報ＰＩとが含まれる。

距離情報ＤＩは、撮影した三次元画像ＩＭにおける各画素に対応する対象領域１２２上の位置の座標（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）のうち座標（ｚｉ）（ｉは画素数）のデータであり、このデータは、三次元画像撮影装置１６の測定基準位置から対象領域までの距離を表す。測定基準位置は、限定されるものではなく、例えば、三次元画像撮影装置１４のセンサ面、レンズ表面など、測定系における適切な位置とすることができる。座標（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）のうち、座標（ｘｉ，ｙｉ）のデータは、各画素の位置を定めるのに用いることができる。取得されたこれらのデータは、データベース４０に格納され、必要に応じてデータベース４０から取り出されて用いることができる。

姿勢情報ＰＩは、撮影した三次元画像ＩＭにおいて、対象領域１２２に含まれる特徴点（例えば関節部）に対応する位置の座標、例えば測定対象者の首、肩、背骨、腰などといった位置の座標（ｘｊ，ｙｊ，ｚｊ）（ｊは特徴点の数）を表すデータである。三次元画像ＩＭにおいて関節部などの特徴点を検出する技術は、例えば、機械学習により学習させたコンピュータを利用して、撮影した画像から頭、上腕、胴体、大腿などといった体の部位を検出し、それぞれの動きからそれらの部位の連結部分を関節部として推定する公知の姿勢推定技術を用いることができ、この技術については、本明細書においては詳細に説明しない。

三次元画像撮影装置１６は、距離情報ＤＩ及び姿勢情報ＰＩを含む三次元画像ＩＭを撮影することができるものであれば、特に限定されない。距離情報ＤＩを得ることができる技術として、例えば距離画像センサ技術を用いることができ、姿勢情報ＰＩを得ることができる技術として、例えばモーションキャプチャ技術を用いることができる。本発明において用いられる三次元画像撮影装置１６は、これらの距離画像センサ技術とモーションキャプチャ技術とが利用されている装置を用いることが好ましい。モーションキャプチャ技術としては、事前の準備が不要であるため簡便且つ迅速に測定できる点から、マーカレスモーションキャプチャ技術を用いることが好ましい。距離画像センサ技術及びマーカレスモーションキャプチャ技術の両方を同時に実現することができる装置として、例えばＭｉｃｒｏｓｏｆｔ（商標）社から提供されている「Ｋｉｎｅｃｔ（商標）Ｖ２」や、Ｉｎｔｅｌ（商標）社から提供されているＲｅａｌＳｅｎｓｅ技術を用いたＣＲＥＡＴＩＶＥ（商標）ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ社の３Ｄモーションセンサ、ＡＳＵＳ（商標）ＴｅＫ ＣＯＭＰＵＴＥＲ社の３Ｄセンサ Ｘｔｉｏｎなどといった市販の装置を用いることができる。

本発明においては、距離画像センサ技術として、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式を用いることが好ましい。ＴＯＦ方式は、光照射手段により測定対象物に対して光を照射してから、反射されて戻ってきた反射光がカメラで観測されるまでの時間を計測することによって、測定対象物までの距離情報を得るものである。ＴＯＦ方式を用いることにより、例えば特許文献２において用いられるアクティブステレオ方式のような２つの二次元画像の対応付け処理を行う必要がないため、リアルタイム処理が可能となるとともに、処理コストを削減することができる。

三次元画像取得部２０２は、三次元画像撮影装置１６によって単位時間ごとに撮影された三次元画像ＩＭを受信する。距離取得部２０４は、三次元画像取得部２０２によって取得された三次元画像ＩＭから距離情報ＤＩを取得し、取得した距離情報ＤＩを単位時間ごとに時系列でデータベース４０に記憶する。また、姿勢取得部２０６は、三次元画像取得部２０２によって取得された三次元画像ＩＭから姿勢情報ＰＩを取得し、取得した姿勢情報ＰＩを単位時間ごとに時系列でデータベース４０に記憶する。

三次元画像ＩＭから、距離取得部２０４によって距離情報ＤＩを取得し、姿勢取得部２０６によって姿勢情報ＰＩを取得した後、呼吸主要領域確定部２０８が、これらの距離情報ＤＩ及び姿勢情報ＰＩを用いて呼吸主要領域１２４を確定する。図３は、本実施形態において定められる呼吸主要領域１２４を示す図であり、図４は、呼吸主要領域１２４を確定するために呼吸主要領域確定部２０８が行う処理フローである。

呼吸主要領域１２４は、測定対象者１２の呼吸に伴って体表上に動きが現れる胸腹部の領域であり、三次元画像撮影装置１６によって撮影される対象領域１２２に含まれる。本発明においては、測定対象者１２の体動により呼吸主要領域１２４の位置が前後左右に移動した場合でも、呼吸主要領域確定部２０８は、呼吸主要領域１２４を単位時間ごとに連続的に確定し続けることができる。したがって、後述される処理において、単位時間ごとに確定される呼吸主要領域１２４の距離情報を用いて、より正確に呼吸波形を得ることができる。

呼吸主要領域確定部２０８は、データベース４０から、対象領域１２２の姿勢情報ＰＩを単位時間ごとに読み出し（図４のステップ１）、姿勢情報ＰＩから、呼吸主要領域１２４を確定するために用いられる複数の特徴点の座標を取得する（ステップ２及びステップ３）。図３の例においては、測定対象者１２の右肩部ＲＳ、左肩部ＬＳ、右肩部ＲＳと左肩部ＬＳとの中間部である肩中央部ＳＳ、胴体中央部（より具体的には、みぞおち部）ＳＭ、及び腰中央部ＳＢの５つを特徴点として用いている。特徴点は、呼吸主要領域１２４全体ができるだけ過不足なく確定されるように選択されることが好ましい。

呼吸主要領域確定部２０８は、例えば右肩部ＲＳ、左肩部ＬＳ、肩中央部ＳＳ及び腰中央部ＳＢの４点の座標（ｘｊ，ｙｊ）を用いて、図３に示される矩形領域１２４を定める（ステップ４及びステップ５）。矩形領域１２４は、肩中央部ＳＳを上下方向（ｙ座標）の上限、右肩部ＲＳを左右方向（ｘ座標）の右限、左肩部ＬＳを左右方向（ｘ座標）の左限、腰中央部ＳＢを上下方向（ｙ座標）の下限とする領域であり、呼吸主要領域確定部２０８は、この領域を呼吸主要領域１２４として単位時間ごとに確定する。

また、呼吸主要領域確定部２０８は、胴体中央部ＳＭの姿勢情報ＰＩから距離データ（ｚｊ）を取得し、この位置を距離変動の基準位置として設定することが好ましい（ステップ２）。呼吸主要領域確定部２０８は、基準位置からｚ軸方向に所定の距離までの範囲を、呼吸主要領域１２４の距離変動が生じる範囲として設定することができる（ステップ６）。所定の距離は、測定対象者１２の胸腹部が運動に伴って前後に移動したときでも呼吸主要領域１２４を確実に捉えることができる距離であれば限定されないが、一実施形態においては、−２００ｍｍとすることが好ましい。このように、呼吸主要領域１２４の距離変動を検出する範囲を限定することにより、呼吸の変動を捉えるのに不要な範囲において取得されるデータを減少させ、計算負荷を低減させるとともに、より確実に呼吸主要領域１２４を確定することができる。

呼吸主要領域１２４を確定するために用いられる特徴点は、上述の５点に限定されるものではなく、呼吸主要領域１２４の形状は矩形に限定されるものではない。少なくとも呼吸主要領域全体を過不足なく含む領域であれば、より少ない特徴点又はより多い特徴点を用いてもよい。例えば、より多くの特徴点を用いて多角形の領域として呼吸主要領域１２４を確定してもよい。また、上述の説明においては、胴体中央部の１つの特徴点（みぞおち部ＳＭ）を用いて距離基準を定めたが、呼吸主要領域１２４の位置の移動をより正確に追跡できるように、胴体中央部の複数の特徴点を用いて距離基準を定めてもよい。

次に、移動量波形生成部２１０が、呼吸主要領域１２４の移動量波形を生成し、呼吸波形生成部２１２が、移動量波形から呼吸波形を生成する。図５は、呼吸波形を生成するために移動量波形生成部２１０及び呼吸波形生成部２１２が行う処理のフローを示す。また、図６は、移動量波形生成部２１０によって生成されたある区画の移動量波形の例（ａ）と、その移動量波形をデジタルフィルタ処理した呼吸波形の例（ｂ）と、区画毎の呼吸波形を呼吸主要領域全体で平均化した後の呼吸波形の例（ｃ）とを示す。

まず、図５のステップ１において、移動量波形生成部１２４は、確定された呼吸主要領域１２４を複数の区画Ｎに分割する。複数の区画Ｎの各々は、複数の画素を含む。呼吸主要領域を分割する区画の数Ｎは、処理速度と測定精度とを勘案して適宜決定することができる。次に、ステップ２において、移動量波形生成部２１０は、時間ｔ（ｋ）（ｋ＝１〜ｍ）におけるそれぞれの区画に含まれる複数の画素の距離情報ＤＩの平均値を求める。ステップ３において、移動量波形生成部２１０は、複数の区画Ｎの各々において求められた距離情報ＤＩの平均値をｔ（１）からｔ（ｍ）まで時系列に並べることによって、各々の区画毎に、時間の経過に伴って区画の距離がどのように変化しているかを表す波形、すなわち移動量波形を生成することができる。図６（ａ）は、このようにして求められた、ある区画における移動量波形の一例である。

この実施形態においては、呼吸主要領域１２４を、各々が複数の画素を含む複数の区画に分割し、複数の区画ごとに移動量波形を求めているが、これに限定されるものではない。別の実施形態においては、呼吸主要領域１２４に含まれる全部の画素の各々について時間ｔ（ｋ）（ｋ＝１〜ｍ）に得られた距離情報ＤＩを、ｔ（１）からｔ（ｍ）まで時系列に並べることによって、各々の画素毎に、時間の経過に伴って画素の距離がどのように変化しているかを表す移動量波形を生成することもできる。なお、以下の処理においては、呼吸主要領域１２４を、各々が複数の画素を含む複数の区画に分割する実施形態について説明する。

複数の区画の各々について求められた移動量波形は、呼吸による距離の変化と体動による距離の変化とが含まれるため、このままでは正確な呼吸波形が得られない。したがって、ステップ４において、呼吸波形生成部２１２は、移動量波形に対してデジタルフィルタ処理を行うことによって、複数の区画の各々について、呼吸による距離変化のみを表す呼吸波形を求める。

本発明においてデジタルフィルタ処理に用いられるデジタルフィルタとして、安静時又は運動時において取り得る呼吸数に対応する周波数帯域を通過させるバンドパスデジタルフィルタを用いることができる。取り得る呼吸数に対応する周波数帯域として、一実施形態においては、０．１〜０．８Ｈｚを用いることが好ましい。これは、本実施形態において負荷装置１４として用いられているアップライト型の自転車エルゴメータのペダルを漕ぐ場合には、周波数（ペダル漕ぎ周波数）は１Ｈｚ以上に設定されることが好ましく、バンドパスデジタルフィルタで設定される周波数帯域は、ペダル漕ぎ周波数より小さい範囲に設定する必要があるからである。ただし、周波数帯域は、測定条件や機器構成などに応じて適宜設定することが可能であり、例えばペダル漕ぎ周波数が大きい場合（例えば、高速でペダルを漕ぐ場合）には、周波数帯域を上記の帯域（０．１〜０．８Ｈｚ）より広く設定することもできる。

図６（ｂ）は、このようにして求められる、ある区画における呼吸波形の一例である。図６（ｂ）の呼吸波形は、デジタルフィルタ処理を行う前の波形である移動量波形（図６（ａ））と比較して、振幅が小さくなっていることが分かる。これは、デジタルフィルタ処理によって、ペダル漕ぎの際の体動による主要呼吸領域１２４の距離の変化分が波形から除去され、呼吸による距離の変化分のみが波形として得られているからである。

最後に、ステップ５において、呼吸波形生成部２１２は、時間ｔ（ｋ）（ｋ＝１〜ｍ）において、複数の区画の各々において得られた呼吸波形の平均値を求め、この平均値を呼吸主要領域全体の呼吸波形とする。このようにして、測定対象者の呼吸主要領域全体の呼吸波形（図６（ｃ））を生成することができる。

以上のとおり、本発明の一実施形態による呼吸測定装置２０は、三次元画像撮影装置１６によって撮影された運動中の測定対象者１２の画像から、非接触でリアルタイムに、例えば図６（ｃ）に示されるような呼吸波形を測定することができる。

次に、呼吸測定装置２０によって測定された呼吸波形を用いて換気性作業閾値（以下、ＶＴという）を算定する換気性作業閾値算定装置（以下、ＶＴ算定装置という）３０を詳細に説明する。図７は、本発明の一実施形態において、ＶＴを算定するためにＶＴ算定装置３０が行う処理のフロー図である。図８は、ＶＴ算定において、個々の処理の結果として生成される波形又はデータを示す。上述のとおり、ＶＴは、代謝メカニズムが有酸素運動性機構から無酸素運動性機構に移行する変化点となる運動強度であり、ＶＴより低い強度での運動は有酸素運動、ＶＴより高い強度での運動は無酸素運動となる。ＶＴは、個々人で異なり、それぞれにとって最適な運動強度を知るための指標として用いることができる。

ＶＴ算定装置３０は、換気量算出部３０２と、換気性作業閾値算定部３０４とを含む。換気量算出部３０２は、測定された呼吸波形から単位時間あたりの換気量を算出する。単位時間あたりの換気量は、分時換気量（ＶＥ）であることが好ましい。換気性作業閾値算定部３０４は、換気量算出部３０２によって算出された換気量の変化からＶＴを特定する。

図７のステップ１において、換気量算出部３０２は、呼吸測定装置２０の呼吸波形生成部２１２から、例えば図８（ａ）に示される呼吸波形を受け取ると、呼吸波形に対して微分フィルタ処理を行って波形を整形する（図８（ｂ））。この処理により、呼気及び吸気それぞれの波形変化を明確にすることができる。本実施形態においては、微分フィルタとして差分フィルタを用い、例えば時間ｔ（ｋ＋１）（ｋ＝１〜ｍ）におけるデータから時間ｔ（ｋ）におけるデータを順々に引いていくことにより、０を基準とした値に変換することができる。図８（ｂ）に示される波形は、縦軸０を中心として上側が呼気に対応し、下側が給気に対応する呼吸波形である。

次に、ステップ２において、換気量算出部３０２は、整形された呼吸波形から、縦軸０の上側のみ、すなわち呼気相当波形（図８（ｃ））を求め、この呼気相当波形の１サイクルごとに波形部分（横軸と波形とに囲まれる部分）の面積を求める。この１サイクルの波形部分の面積を１回換気量（ＴＶ）とする。別の実施形態においては、呼気及び給気を１サイクルとして１回換気量を求めてもよい。求められた全サイクルの１回換気量を、時間を横軸としてプロットすると、図８（ｄ）が得られる。なお、図８（ｄ）においては縦軸を「準一回換気量（ＱＴＶ）」、図８（ｅ）及び図８（ｆ）においては縦軸を「準分時換気量（ＱＶＥ）」としている。準一回換気量及び準分時換気量は、厳密な一回換気量及び分時換気量ではないが、それぞれ一回換気量及び分時換気量に相当する値である。

一般に、運動強度を特定するために用いられる換気性作業閾値（ＶＴ）は、１回換気量（ＴＶ）ではなく分時換気量（ＶＥ）から求められる。したがって、換気量算出部３０２は、ステップ３において、１回換気量から分時換気量を求めることが好ましい。分時換気量を求めることにより、本装置によって得られたデータと、呼吸ガス分析装置で実際に求められたデータとの比較が容易となる。分時換気量は、１回換気量と１分あたりの呼吸数との積として求めることができる。１分あたりの呼吸数として、測定対象者について予め計測された呼吸数や、測定された呼吸波形の呼吸サイクルから計算された呼吸数を用いることができる。図８（ｅ）は、求められた分時換気量を、時間を横軸としてプロットしたグラフである。

図８（ｅ）に示される分時換気量は、通常、時間経過に伴って、すなわち測定対象者１２に与えられる負荷の漸増に伴って増加し、分時換気量の増加率は、ＶＴに相当する時点を境に変化する。したがって、換気性作業閾値算定部３０４は、ＶＴを算定するために、換気量算出部３０２によって算出された換気量の増加率の変化点を特定する。

換気量の増加率が変化する点を特定するにあたっては、図８（ｅ）に示される分時換気量のデータをそのまま用いることができるが、一実施形態においては、精度良く変化点を特定するために、得られた分時換気量のデータの移動平均を求めることによって、データのばらつきを平滑化することが好ましい（ステップ４）。図８（ｆ）は、移動平均により平滑化した分時換気量のグラフである。

次に、換気性作業閾値算定部３０４は、図８（ｅ）に示される分時換気量のデータ、又は図８（ｆ）に示される平滑化した分時換気量のデータから、分時換気量の増加率の変化点を求める。変化点を求める方法は、限定されるものではない。一実施形態においては、換気性作業閾値算定部３０４は、図８（ｆ）に示されるように、分時換気量のデータを適当に前半のデータ群と後半のデータ群とに分割し、前半及び後半のそれぞれのデータ群から近似曲線を求め、２つの近似曲線の交点を変化点とする（ステップ５）。

換気性作業閾値算定部３０４は、ステップ６において、求められた変化点に対応する時間を用いてＶＴを算定する。ＶＴは、負荷装置１４に設定されている負荷の増加割合（Ｗ／分）と変化点に対応する時間との積として求めることができる。

以下に、本発明にかかる運動支援システムを用いて分時換気量を測定した実施例を説明する。
（実施例１）
本実施例においては、負荷装置として背もたれを設置した自転車エルゴメータ（ＫＯＮＡＭＩ社製エアロバイク７５ＸＬIII）を用いて、５０歳代男性を測定対象者として、心肺運動負荷試験（ＣＰＸ）を行った。ＣＰＸは、ウォーミングアップ（無負荷）２分、ランプ負荷（２０Ｗ／分）１０分で行った。測定対象者は、自転車エルゴメータの背もたれに背部を接触させた状態で座り、６０回／分でペダルを回転させた。測定対象者の上半身の服装は、ボタンがなく膨らみが極力生じない服装とした。三次元画像撮影装置としてＭｉｃｒｏｓｏｆｔ（商標）社のＫｉｎｅｃｔ Ｖ２を用い、ＣＰＸを行っている間の測定対象者の胸腹部を含む対象領域の三次元画像を撮影した。

撮影された三次元画像を、パーソナルコンピュータに実装した呼吸測定装置及び換気性作業閾値算定装置を用いて処理し、分時換気量を測定した。呼吸主要領域は、幅方向に６分割、高さ方向に７分割して、区画数Ｎ＝４２とした。特徴点は、右肩部、左肩部、肩中央部、腰中央部及びみぞおち部の５点とした。測定対象者が背もたれに背部を接触させた状態のときのみぞおち部を距離変動の基準位置とし、基準位置からの所定の距離は−２００ｍｍとした。

（実施例２）
測定対象者が６０歳代男性である点以外は、実施例１と同様の方法で測定を行った。

（比較例１）
実施例１と同じ測定対象者が実施例１と同じ負荷装置及び負荷条件でＣＰＸを行い、得られたデータを用いて特許文献２に記載の従来技術によって分時換気量を計算した。なお、特許文献２に記載の方法は、リアルタイム処理を行うものではないため、ＣＰＸ終了後に、測定されたデータを用いて分時換気量を求めた。

（比較例２）
実施例２と同じ測定対象者が実施例１と同じ負荷装置及び負荷条件でＣＰＸを行い、得られたデータを用いて特許文献２に記載の従来技術によって分時換気量を計算した。ＣＰＸ終了後に、測定されたデータを用いて分時換気量を求めた。

図９は、実施例１及び実施例２、並びに比較例１及び比較例２に係る分時換気量のグラフを示す。図９（ａ１）における「画像解析装置（ＱＶＥ）」のデータは実施例１の分時換気量、図９（ａ２）における「画像解析装置（ＱＶＥ）」のデータは比較例１の分時換気量、図９（ｂ１）における「画像解析装置（ＱＶＥ）」のデータは実施例２の分時換気量、図９（ｂ２）における「画像解析装置（ＱＶＥ）」のデータは比較例２の分時換気量である。図９（ａ１）及び図９（ａ２）における「呼気ガス分析装置（ＶＥ）」のデータは、実施例１と同じ測定対象者、負荷装置及び負荷条件で行った呼気ガス分析装置による測定結果であり、図９（ｂ１）及び図９（ｂ２）における「呼気ガス分析装置（ＶＥ）」のデータは、実施例２と同じ測定対象者、負荷装置及び負荷条件で行った呼気ガス分析装置による測定結果である。

図９から、本発明に係る装置及び方法により測定された分時換気量は、特許文献２に記載される従来装置及び方法によって計算された分時換気量と比較して、呼気ガス分析装置によって測定された分時換気量とのより良好な相関関係を示していることが分かる。したがって、本発明に係る装置及び方法によれば、より正確な換気性作業閾値をリアルタイムで測定することができる。

１ 運動支援システム
１２ 測定対象者
１２２ 対象領域
１２４ 呼吸主要領域
ＲＳ 右肩部
ＲＬ 左肩部
ＳＳ 肩中央部
ＳＢ 腰中央部
ＳＳ 胴体中央部
１４ 負荷装置
１６ 三次元画像撮影装置
１８ 解析装置
２０ 呼吸測定装置
２０２ 三次元画像取得部
２０４ 距離取得部
２０６ 姿勢取得部
２０８ 呼吸主要領域確定部
２１０ 移動量波形生成部
２１２ 呼吸波形生成部
３０ ＶＴ算定装置
４０ データベース
ＩＭ 三次元画像
ＤＩ 距離情報
ＰＩ 姿勢情報

Claims (27)

1. 運動中の測定対象者の呼吸波形を非接触でリアルタイムに測定するための呼吸測定装置であって、
   測定対象者の対象領域の距離情報及び姿勢情報を含む三次元画像を単位時間ごとに取得する、三次元画像取得部と、
   前記三次元画像から測定基準位置と前記対象領域との間の距離情報を取得する、距離取得部と、
   前記三次元画像から前記対象領域の姿勢情報を取得する、姿勢取得部と、
   前記姿勢情報を用いて前記対象領域内の呼吸主要領域を確定する、呼吸主要領域確定部と、
   前記呼吸主要領域に対応する前記三次元画像の１つ又は複数の画素の前記距離情報を時系列に並べることによって、前記呼吸主要領域の移動量波形を生成する、移動量波形生成部と、
   前記移動量波形から呼吸波形を生成する、呼吸波形生成部と、
   を含む呼吸測定装置。
2. 前記三次元画像取得部は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）カメラにより撮影された三次元画像を取得する、請求項１に記載の呼吸測定装置。
3. 前記姿勢情報は、前記対象領域に含まれる複数の特徴点の座標であり、
   前記呼吸主要領域確定部は、前記複数の特徴点のうち隣接する全部又はいくつかの特徴点の間を結んで形成される領域を呼吸主要領域として確定する、請求項１に記載の呼吸測定装置。
4. 前記呼吸主要領域確定部は、前記複数の特徴点のうちのいずれか１つ又は複数の前記姿勢情報に含まれる距離情報を基準距離として用いて、呼吸主要領域を確定する、請求項３に記載の呼吸測定装置。
5. 前記複数の特徴点は、測定対象者の右肩部、左肩部、両肩の中央部及び腰中央部を含み、
   前記呼吸主要領域確定部は、両肩の中央部を領域の上限、右肩部を領域の右限、左肩部を領域の左限、及び腰中央部を領域の下限として定められる矩形領域を呼吸主要領域として確定する、請求項３に記載の呼吸測定装置。
6. 前記複数の特徴点は、測定対象者の胴体中央部を含み、
   前記呼吸主要領域確定部は、前記胴体中央部の距離情報を基準距離として用いて呼吸主要領域を確定する、請求項４に記載の呼吸測定装置。
7. 前記移動量波形生成部は、前記呼吸主要領域に対応する前記三次元画像の全画素について前記距離情報を時系列に並べることによって、前記呼吸主要領域の画素毎の移動量波形を生成することを特徴とする、請求項１に記載の呼吸測定装置。
8. 前記移動量波形生成部は、前記呼吸主要領域を各々が複数の画素を含む複数の区画に分割し、前記複数の区画ごとにその区画に含まれる前記複数の画素の前記距離情報の平均値を算出し、該距離情報の平均値を時系列に並べることによって、前記呼吸主要領域の区画毎の移動量波形を生成することを特徴とする、請求項１に記載の呼吸測定装置。
9. 前記呼吸波形生成部は、画素毎又は区画毎に生成された前記移動量波形に対して、安静時又は運動時において取り得る呼吸数に対応する周波数帯域を通過させるバンドパスデジタルフィルタ処理を行うことによって、画素毎又は区画毎の呼吸波形を生成し、前記画素毎又は区画毎の呼吸波形の平均値を求め、該平均値を前記呼吸主要領域の呼吸波形とすることによって呼吸波形を生成することを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載の呼吸測定装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載される呼吸測定装置と、
    測定対象者に対して運動負荷を与える負荷装置と、
    測定対象者の対象領域の三次元画像を撮影する三次元画像撮影装置と、
    測定された呼吸波形から換気性作業閾値（ＶＴ）を算定する換気性作業閾値算定装置と、
    を含むことを特徴とする運動支援システム。
11. 三次元画像撮影装置はＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）カメラであることを特徴とする、請求項１０の運動支援システム。
12. 前記換気性作業閾値算定装置は、
    測定された前記呼吸波形から単位時間あたりの換気量を算出する、換気量算出部と、
    算出された前記換気量の変化から換気性作業閾値を算定する、換気性作業閾値算定部と
    を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の運動支援システム。
13. 前記換気量算出部は、測定された前記呼吸波形から呼気相当波形を求め、該呼気相当波形の１サイクルごとに波形部分の面積を求めることによって、前記換気量を算出することを特徴とする、請求項１２に記載の運動支援システム。
14. 前記換気性作業閾値算定部は、前記換気量の変化において、時間経過に対する前記換気量の増加率が変化する点に対応する運動強度を換気性作業閾値（ＶＴ）として算定することを特徴とする、請求項１２に記載の運動支援システム。
15. 運動中の測定対象者の呼吸波形を非接触でリアルタイムに測定するための呼吸測定方法であって、
    測定対象者の対象領域の距離情報及び姿勢情報が含まれる三次元画像を単位時間ごとに取得するステップと、
    前記三次元画像から測定基準位置と前記対象領域との間の距離情報を取得するステップと、
    前記三次元画像から前記対象領域の姿勢情報を取得するステップと、
    前記姿勢情報を用いて前記対象領域内の呼吸主要領域を確定するステップと、
    前記呼吸主要領域に対応する前記三次元画像の１つ又は複数の画素の前記距離情報を時系列に並べることによって、前記呼吸主要領域の移動量波形を生成するステップと、
    前記移動量波形から呼吸波形を生成するステップと
    を含む呼吸測定方法。
16. 前記三次元画像を単位時間ごとに取得するステップは、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）カメラにより撮影された三次元画像を取得する、請求項１５に記載の呼吸測定方法。
17. 前記姿勢情報は、前記対象領域に含まれる複数の特徴点の座標であり、
    呼吸主要領域を確定するステップは、前記複数の特徴点のうち隣接する全部又はいくつかの特徴点の間を結んで形成される領域を呼吸主要領域として定める、請求項１５に記載の呼吸測定方法。
18. 呼吸主要領域を確定するステップは、前記複数の特徴点のうちのいずれか１つ又は複数の前記姿勢情報に含まれる距離情報を基準距離として用いて呼吸主要領域を確定する、請求項１７に記載の呼吸測定方法。
19. 前記複数の特徴点は、測定対象者の両肩の中央部、右肩部、左肩部及び腰中央部を含み、
    呼吸主要領域を決定するステップは、両肩の中央部を領域の上限、右肩部を領域の右限、左肩部を領域の左限、及び腰中央部を領域の下限として定められる矩形領域を呼吸主要領域として確定する、請求項１７に記載の呼吸測定方法。
20. 前記複数の特徴点は、測定対象者の胴体中央部を含み、前記呼吸主要領域を決定するステップは、前記胴体中央部の距離情報を用いて、前記呼吸主要領域までの基準距離を決定することをさらに含む、請求項１８に記載の呼吸測定方法。
21. 前記呼吸主要領域の移動量波形を生成するステップは、前記呼吸主要領域に対応する前記三次元画像の全画素について前記距離情報を時系列に並べることによって、前記呼吸主要領域の画素毎の移動量波形を生成することを含む、請求項１５に記載の呼吸測定方法。
22. 前記呼吸主要領域の移動量波形を生成するステップは、前記呼吸主要領域を各々が複数の画素を含む複数の区画に分割し、前記複数の区画ごとにその区画に含まれる前記複数の画素の前記距離情報の平均値を算出し、該距離情報の平均値を時系列に並べることによって、前記呼吸主要領域の区画毎の移動量波形を生成することを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の呼吸測定方法。
23. 呼吸波形を生成するステップは、画素毎又は区画毎に生成された前記移動量波形に対して、測定対象者の安静時又は運動時における呼吸数に対応する周波数帯域を通過させるバンドパスデジタルフィルタ処理を行うことによって、画素毎又は区画毎の呼吸波形を生成し、前記画素毎又は区画毎の呼吸波形の平均値を求め、該平均値を前記呼吸主要領域の呼吸波形とすることを特徴とする、請求項２１又は請求項２２に記載の呼吸測定方法。
24. 請求項１５から請求項２３のいずれか１項に記載の呼吸測定方法により測定された呼吸波形から換気性作業閾値（ＶＴ）を算定するステップを含むことを特徴とする運動支援方法。
25. 換気性作業閾値（ＶＴ）を算定するステップは、
    測定された前記呼吸波形から単位時間あたりの換気量を算出することと、
    算出された前記換気量の変化から換気性作業閾値を算定することと
    を含むことを特徴とする、請求項２４に記載の運動支援方法。
26. 換気量の変化を算出することは、測定された前記呼吸波形から呼気相当波形を求め、該呼気相当波形の１サイクルごとに波形部分の面積を求めることによって、前記換気量を算出することを含むことを特徴とする、請求項２５に記載の運動支援方法。
27. 換気性作業閾値を算定することは、前記換気量の変化において、経過時間に対する前記換気量の増加率が変化する点に対応する運動強度を換気性作業閾値（ＶＴ）として算定することを含むことを特徴とする、請求項２５に記載の運動支援方法。