JP2018015210A - 在床状態モニタリングシステム - Google Patents

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Norihito Iida
徳仁 飯田
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Abstract

【課題】被験者の体軸の方向がベッド上で変化した場合にも信頼性の高い寝姿判定を行うことのできる在床状態モニタリングシステムを提供する。【解決手段】ベッド上の被験者の在床状態をモニターする在床状態モニタリングシステムは、ベッド又はベッドの脚下に設けられ、被験者による荷重を検出する複数の荷重検出器と、前記被験者による荷重から被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分を分離する荷重分離部と、前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分に基づき被験者の呼吸重心の位置を求める重心位置算出部と、前記呼吸重心の振動方向に基づいて被験者が横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定する寝姿判定部とを備える。【選択図】図1

Description

本発明は、荷重検出器を用いてベッド上の被験者の在床状態をモニターする在床状態モニタリングシステムに関する。
ベッド上の患者や被介護者を遠隔地から管理するためのシステムが、病院や介護施設等で活用されている。例えば病院において患者の在床/離床を検知するシステムを使用すれば、ナースステーションの看護師は、患者が病室のベッド上にいるか否かを病室を訪れることなく確認することができる。また、患者や被介護者の寝姿が仰臥位、横臥位(側臥位)、伏臥位のいずれであるかを検知すれば、床ずれの防止や睡眠状態の改善(例えば睡眠時無呼吸症候群の治療)に役立てることができる。
特許文献1は、被験者の荷重のX軸分力、Y軸分力、Z軸分力が被験者の呼吸に応じて変動することに基づいて、被験者の寝姿勢が仰臥位、伏臥位、左側臥位、右側臥位のいずれであるかを判定する寝姿勢判定装置を開示している。
特開2014−97193号
被験者の荷重のX軸分力、Y軸分力、Z軸分力の被験者の呼吸に応じた変動に基づいて被験者の寝姿勢を判定する特許文献1の寝姿勢判定装置においては、被験者の体軸(背骨)の方向がY軸方向(ベッドの長手方向)に対して傾いている場合には判定の信頼性が低下する恐れがある。
本発明は、被験者の体軸の方向がベッド上で変化した場合にも信頼性の高い寝姿判定を行うことのできる在床状態モニタリングシステムを提供することを目的とする。
本発明の第1の態様に従えば、ベッド上の被験者の在床状態をモニターする在床状態モニタリングシステムであって、
ベッド又はベッドの脚下に設けられ、被験者による荷重を検出する複数の荷重検出器と、
前記被験者による荷重から被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分を分離する荷重分離部と、
前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分に基づき被験者の呼吸重心の位置を求める重心位置算出部と、
前記呼吸重心の振動方向に基づいて被験者が横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定する寝姿判定部とを備える在床状態モニタリングシステムが提供される。
第1の態様の在床状態モニタリングシステムにおいて、前記荷重分離部は、前記被験者による荷重から被験者の心拍に応じて振動する荷重成分を分離してもよく、前記重心位置算出部は、前記被験者の心拍に応じて振動する荷重成分に基づき被験者の心拍重心の位置を求めてもよく、前記寝姿判定部は、前記呼吸重心の振動方向に相対する前記心拍重心の振動方向に基づいて被験者が横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定してもよい。
第1の態様の在床状態モニタリングシステムにおいて、前記寝姿判定部は、前記呼吸重心の振動方向と前記心拍重心の振動方向との間の角度の変化に基づいて被験者が横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定してもよい。
第1の態様の在床状態モニタリングシステムにおいて、前記寝姿判定部は、被験者が横臥位であると判定した場合は、更に前記心拍重心の振動方向に基づいて被験者の体軸方向を決定してもよく、被験者が仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であると判定した場合は、更に前記呼吸重心の振動方向に基づいて被験者の体軸方向を決定してもよい。
本発明の第2の態様に従えば、ベッド上の被験者の在床状態をモニターする在床状態モニタリングシステムであって、
ベッド又はベッドの脚下に設けられ、被験者による荷重を検出する複数の荷重検出器と、
前記被験者による荷重に基づき被験者の重心の位置を求める重心位置算出部と、
前記重心位置の前記被験者の呼吸に応じた振動の方向に基づいて被験者が横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定する寝姿判定部とを備える在床状態モニタリングシステムが提供される。
第2の態様の在床状態モニタリングシステムは、前記被験者による荷重から被験者の心拍に応じて振動する荷重成分を分離する荷重分離部を更に備えてもよく、前記重心位置算出部は、前記被験者の心拍に応じて振動する荷重成分に基づき被験者の心拍重心の位置を求めてもよく、前記寝姿判定部は、前記重心位置の前記被験者の呼吸に応じた振動の方向に相対する前記心拍重心の振動の方向に基づいて被験者が横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定してもよい。
本発明の第3の態様に従えば、ベッド上の被験者の在床状態をモニターする在床状態モニタリングシステムであって、
ベッド又はベッドの脚下に設けられ、被験者による荷重を検出する複数の荷重検出器と、
前記被験者による荷重から被験者の心拍に応じて振動する荷重成分を分離する荷重分離部と、
前記被験者の心拍に応じて振動する荷重成分に基づき被験者の心拍重心の位置を求める重心位置算出部と、
前記心拍重心の振動方向に基づいて被験者が横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定する寝姿判定部とを備える在床状態モニタリングシステムが提供される。
本発明の在床状態モニタリングシステムは、被験者の体軸がベッド上でどのような方向を向いていても信頼性の高い寝姿判定を行うことができる。
図1は、本発明の実施形態に係る在床状態モニタリングシステムの構成を示すブロック図である。 図2は、荷重検出器のベッドに対する配置を示す説明図である。 図3は、本発明の実施形態に係る寝姿判定方法を示すフローチャートである。 図4は、被験者の体軸の方向と呼吸軸の方向との関係を示す説明図である。図4(a)は被験者を正面から見た様子を示し、図4(b)は被験者を側面から見た様子を示す。 図5は、被験者の体軸の方向と心拍軸の方向との関係を示す説明図である。図5(a)は被験者を正面から見た様子を示し、図5(b)は被験者を側面から見た様子を示す。 図6は、被験者の投影呼吸軸と投影心拍軸との位置関係を示す説明図である。図6(a)は被験者が仰臥位である時の投影呼吸軸と投影心拍軸との位置関係を示し、図6(b)は被験者が横臥位である時の投影呼吸軸と投影心拍軸との位置関係を示し、図6(c)は被験者が伏臥位である時の投影呼吸軸と投影心拍軸との位置関係を示す。 図7は、被験者の投影呼吸軸及び投影心拍軸の方向を求める方法を説明するための説明図である。 図8は、被験者の投影呼吸軸及び投影心拍軸の方向を求める他の方法を説明するための説明図である。 図9は、変形例に係るベッドシステムの全体構成を示すブロック図である。
<実施形態>
図1〜図6を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図1に示す通り、本実施形態の在床状態モニタリングシステム100は、荷重検出部1、制御部3、記憶部4、表示部5を主に有する。荷重検出部1と制御部3とは、A/D変換部2を介して接続されている。制御部3には更に、報知部6及び入力部7が接続されている。
荷重検出部1は、4つの荷重検出器11、12、13、14を備える。荷重検出器11、12、13、14のそれぞれは、例えばビーム形のロードセルを用いて荷重を検出する荷重検出器である。このような荷重検出器は例えば、特許第4829020号や特許第4002905号に記載されている。荷重検出器11、12、13、14はそれぞれ、配線によりA/D変換部2に接続されている。
荷重検出部1の4つの荷重検出器11、12、13、14は、被験者が使用するベッドの脚の下に配置される。具体的には荷重検出器11、12、13、14は、図2に示す通り、ベッドBDの四隅の脚の下端部に取り付けられたキャスターC、C、C、Cの下にそれぞれ配置される。
A/D変換部2は、荷重検出部1からのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器を備え、荷重検出部1と制御部3にそれぞれ配線で接続されている。
制御部3は、専用又は汎用のコンピュータであり、内部に信号分離部(荷重分離部)31、重心位置算出部32、寝姿判定部33が構築されている。
記憶部4は、在床状態モニタリングシステム100において使用されるデータを記憶する記憶装置であり、例えばハードディスク(磁気ディスク)を用いることができる。表示部5は、制御部3から出力される情報を在床状態モニタリングシステム100の使用者に表示する液晶モニター等のモニターである。
報知部6は、制御部3からの情報に基づいて所定の報知を聴覚的に行う装置、例えばスピーカを備える。入力部7は、制御部3に対して所定の入力を行うためのインターフェイスであり、キーボード及びマウスにし得る。
在床状態モニタリングシステム100を使用した被験者の寝姿のモニターは、図3に示す通り、被験者の荷重を検出する荷重検出工程S1、検出した荷重を被験者の呼吸に応じて変動する荷重成分と被験者の心拍に応じて変動する荷重成分とに分離する信号分離工程S2、分離した各荷重成分を用いて呼吸重心軌跡(詳細は後述)及び心拍重心軌跡(詳細は後述)を求める重心位置算出工程S3、求めた呼吸重心軌跡及び心拍重心軌跡に基づいて被験者の寝姿を判定する寝姿判定工程S4、判定した被験者の寝姿を表示部に表示する表示工程S5を含む。
[荷重検出工程]
荷重検出工程S1では、荷重検出器11、12、13、14を用いてベッドBD上の被験者Sの荷重を検出する。荷重検出器11、12、13、14は、上記の通りキャスターC、C、C、Cの下にそれぞれ配置されているため、ベッドBDの上面に加えられる荷重は、4つの荷重検出器11、12、13、14に分散して検知される。
荷重検出器11、12、13、14はそれぞれ、荷重(荷重変化)を検出してアナログ信号としてA/D変換部2に出力する。A/D変換部2は、サンプリング周期を例えば5ミリ秒として、アナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタル信号として制御部3に出力する。以下では、荷重検出器11、12、13、14から出力され、A/D変換部2においてデジタル変換された荷重信号を、それぞれ荷重信号s、s、s、sと呼ぶ。
[信号分離工程]
信号分離工程S2では、信号分離部31が、荷重信号s、s、s、sから、被験者Sの呼吸に応じて変動する荷重成分(以下、「呼吸成分」と呼ぶ)s11、s21、s31、s41と、被験者の心拍に応じて変動する荷重成分(以下、「心拍成分」と呼ぶ)s12、s22、s32、s42を分離する。
信号分離部31は、まず、荷重信号s〜sの少なくとも一つについてフーリエ解析を行い、被験者Sの呼吸及び心拍に相当する周波数帯域の周波数スペクトルを求める。人間の呼吸の回数は毎分12〜20回程度であるため、呼吸の周波数は約0.2〜0.33Hzである。また、人間の心拍の回数、即ち心拍数は毎分30〜200回程度であるため、心拍の周波数は約0.5〜3.3Hzである。したがって、例えば0.1Hz〜3.5Hzの周波数帯域の周波数スペクトルにおいては、被験者Sの呼吸の周波数、及び被験者Sの心拍の周波数に対応する位置にそれぞれ周波数ピークが現れる。この周波数ピークの位置より、被験者Sの呼吸周波数ν及び心拍周波数νを特定することができる。
次いで、信号分離部31は、荷重信号s、s、s、sの各々から、特定した呼吸周波数νで変動する成分(即ち呼吸成分s11、s21、s31、s41)と、特定した心拍周波数νで変動する成分(即ち心拍成分s12、s22、s32、s42)とを分離して取り出す。これらの呼吸成分及び心拍成分は、例えば、荷重信号s〜sの各々に対してバンドパスフィルタ処理を行うことにより取り出される。その後、信号分離部31は、取り出した呼吸成分s11、s21、s31、s41及び心拍成分s12、s22、s32、s42を重心位置算出部32に出力する。
[重心位置算出工程]
重心位置算出工程S3では、重心位置算出部32が、被験者Sの呼吸重心Gの位置、心拍重心Gの位置、及びこれらの移動の軌跡である呼吸重心軌跡GT、心拍重心軌跡GTを算出する。
呼吸重心Gは、荷重信号s〜sのうちの呼吸成分s11〜s41を用いて算出される被験者Sの重心の位置であり、心拍重心Gは、荷重信号s〜sのうちの心拍成分s12〜s42を用いて算出される被験者Sの重心の位置である。呼吸重心Gの位置、及び心拍重心Gの位置の算出は、次の演算により行われる。
ベッドBD上に、図2に示す通りXY座標を設定し、荷重検出器11、12、13、14、の座標をそれぞれ(X11、Y11)、(X12、Y12)、(X13、Y13)、(X14、Y14)、荷重検出器11、12、13、14の荷重の検出値をそれぞれW11、W12、W13、W14とすると、ベッドBD上に加えられた荷重の重心位置G(X、Y)は、次式により算出される。
Figure 2018015210
Figure 2018015210
ここで、荷重検出器11、12、13、14の荷重の検出値W11、W12、W13、W14として、荷重信号s、s、s、sの呼吸成分s11、s21、s31、s41の各サンプリング時刻毎の出力値を用いることで、各サンプリング時刻ごとの呼吸重心Gの位置が算出され、呼吸重心Gの時間的変動から呼吸重心軌跡GTが算出される。同様に、検出値W11、W12、W13、W14として心拍成分s12、s22、s32、s42の各サンプリング時刻毎の出力値を用いることで、各サンプリング時刻ごとの心拍重心Gの位置が算出され、心拍重心Gの時間的変動から呼吸重心軌跡GTが算出される。求められた呼吸重心G及び心拍重心Gの位置、呼吸重心軌跡GT、心拍重心軌跡GTは、記憶部4に記憶される。
[寝姿判定工程]
寝姿判定工程S4では、寝姿判定部33が、呼吸重心軌跡GT及び心拍重心軌跡GTの少なくとも一方に基づいて、被験者Sの寝姿を判定する。本明細書及び本発明においては、寝姿の判定とは、被験者が仰臥位、横臥位及び伏臥位のいずれであるかを判定することを意味する。
寝姿判定部33における寝姿の判定は、以下の原理に基づいて行われる。
人間の呼吸は、胸郭及び横隔膜を移動させて、肺を膨張及び収縮させることにより行われる。ここで吸気時、すなわち肺が膨張する時には横隔膜は下方に下がり、内臓も下方に移動する。一方で呼気時、すなわち肺が収縮する時には横隔膜は上方に上がり、内臓も上方に移動する。本発明の発明者は研究により、この内臓移動に伴って呼吸重心Gが一軸方向にわずかに振動することを見出した。以下では、この振動を「呼吸振動」と呼び、呼吸振動の振動方向に延びる軸を「呼吸軸」と定める。呼吸振動の振動方向を「呼吸軸の方向」とも呼ぶ。
本発明の発明者は、図4(a)、図4(b)に示す通り、呼吸軸A1の方向が、正面視においては、背骨の延在方向(体軸A0の方向)にほぼ沿っており(図4(a))、側面視においては、体軸A0の方向に対して有意の角度θだけ傾いている(図4(b))ことを見出した。なお、図4(b)においては、呼吸軸A1の頭部側が体軸A0に対して被験者Sの後方(図中、時計周り方向)に角度θだけ傾いている様子を示しているが、被験者によっては、呼吸軸A1の頭部側が体軸A0に対して前方(図中、反時計周り方向)に角度θ傾いていることもある。また角度θの大きさは被験者により異なる。
一方、心拍とは心臓の拍動、即ち心臓の収縮と膨張を意味するが、本発明の発明者は、研究により、この心臓の収縮と膨張に伴って心拍重心Gが一軸方向にわずかに振動することを見出した。以下では、この振動を「心拍振動」と呼び、心拍振動の振動方向に延びる軸を「心拍軸」と定める。心拍振動の振動方向を「心拍軸の方向」とも呼ぶ。
本発明の発明者は、図5(a)、図5(b)に示す通り、心拍軸A2の方向が、正面視においては体軸A0の方向を反時計周りに角度θだけ回転させた方向(方位)であり(図5(a))、側面視においては体軸A0の方向に略並行である(図5(b))ことを見出した。なお、角度θの大きさは被験者により異なる。
以上の知見より、被験者Sの寝姿が仰臥位、横臥位、伏臥位の各々である場合には、呼吸軸A1をベッドBDの上面(ベッド面BDS)に投影した軸(以下「投影呼吸軸PA1」と呼ぶ)と、心拍軸A2をベッド面BDSに投影した軸(以下「投影心拍軸PA2」と呼ぶ)との間には、次の関係が成り立つ。
被験者Sの寝姿が仰臥位である場合には、図6(a)に示す通り、投影呼吸軸PA1は体軸A0に平行であり、投影心拍軸PA2は投影呼吸軸PA1を反時計周りに角度θだけ回転させた方向に延びている。
被験者Sの寝姿が横臥位である場合には、図6(b)に示す通り、投影心拍軸PA2は体軸A0に平行であり、投影呼吸軸PA1は投影心拍軸PA2を角度θだけ回転させた方向に延びている。なお、図6(b)においては、投影呼吸軸PA1が投影心拍軸PA2を反時計周りに角度θだけ回転させた方向に延びる様子を示しているが、被験者によっては、投影呼吸軸PA1は投影心拍軸PA2を時計回りに角度θだけ回転させた方向に延びる。
被験者Sの寝姿が伏臥位である場合には、図6(c)に示す通り、投影呼吸軸PA1は体軸A0に平行であり、投影心拍軸PA2は投影呼吸軸PA1を時計回りに角度θだけ回転させた方向に延びている。
寝姿判定部33は、呼吸重心軌跡GT及び心拍重心軌跡GTから、投影呼吸軸PA1及び投影心拍軸PA2の方向を求め、投影呼吸軸PA1の方向、投影心拍軸PA2の方向、投影呼吸軸PA1と投影心拍軸PA2との位置関係に基づいて被験者Sの寝姿を判定する。寝姿の判定は、具体的には、次の手順により実行される。
寝姿判定部33は、まず、被験者Sの呼吸重心軌跡GTを記憶部4から取り出し、呼吸重心軌跡GTに含まれる呼吸振動に応じた振動の軌跡から、1つの極値点(一方向に振幅が最大となる点)と、当該極値点の直前又は直後に現れる他の極値点(逆方向に振幅が最大となる点)とを特定する。そして、両極値点を結ぶ軸の方向を、ベッド面BDSに投影した呼吸振動の方向、即ち投影呼吸軸PA1の方向と決定する。投影心拍軸PA2の方向も同様に決定する。
次いで寝姿判定部33は、投影呼吸軸PA1の方向及び投影心拍軸PA2の方向の少なくとも一方に基づいて、被験者Sの寝姿を判定する。具体例の一つとして、被験者Sが横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定する方法について説明する。
被験者Sの寝姿が一旦既知となった後は、寝姿判定部33は、投影呼吸軸PA1の方向又は投影心拍軸PA2の方向のみに基づいて被験者Sの寝姿の変化を追跡することができる。
例えば、被験者Sが仰臥位又は伏臥位から横臥位に移動した場合、投影呼吸軸PA1は時計回り方向又は反時計周り方向に瞬間的に角度θだけ回転する。この時、被験者Sの寝姿が仰臥位又は伏臥位であることが既知であれば、寝姿判定部33は、投影呼吸軸PA1に角度θの回転が生じたことに基づいて被験者Sが横臥位に至ったと判定できる。
同様に、被験者Sが仰臥位又は伏臥位から横臥位に移動した場合、投影心拍軸PA2は時計回り方向又は反時計周り方向に瞬間的に角度θだけ回転する。この時、被験者の寝姿が仰臥位又は伏臥位であることが既知であれば、寝姿判定部33は、投影心拍軸PA2に角度θの回転が生じたことに基づいて被験者Sが横臥位に移動したと判定できる。
被験者Sが横臥位にあることが既知である場合にも、寝姿判定部33は、投影呼吸軸PA1が角度θだけ回転したこと、又は投影心拍軸PA2が角度θだけ回転したことに基づいて、被験者Sが仰臥位又は伏臥位に至ったと判断することができる。
このようにして、寝姿判定部33は、投影呼吸軸PA1又は投影心拍軸PA2における回転の発生を把握することで、被験者Sが横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを追跡することができる。
被験者Sの寝姿が未知である場合は、寝姿判定部33は、投影呼吸軸PA1の方向と投影心拍軸PA2の方向の両方に基づいて、被験者Sが横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位いずれか一方であるかを判定する。また、このように投影呼吸軸PA1の方向と投影心拍軸PA2の方向の両方に基づいた判定を行うことで、被験者Sが体軸AOを角度θだけ回転させた場合に生じ得る投影呼吸軸PA1の角度θの回転、又は被験者Sが体軸AOを角度θだけ回転させた場合に生じ得る投影呼吸軸PA2の角度θの回転を、被験者Sの寝姿が横臥位と仰臥位及び伏臥位のいずれか一方との間で変化した場合に生じる投影呼吸軸PA1、投影心拍軸PA2の回転と区別することができる。
図6(a)、図6(c)に示す通り、被験者Sが仰臥位又は伏臥位にある場合には、投影心拍軸PA2は投影呼吸軸PA1に対して角度θだけ傾いている。一方、図6(b)に示す通り、被験者Sが横臥位である場合には、投影心拍軸PA2は投影呼吸軸PA1に対して角度θだけ傾いている。したがって寝姿判定部33は、投影呼吸軸PA1と投影心拍軸PA2との間の角度がθであれば被験者Sは横臥位であり、投影呼吸軸PA1と投影心拍軸PA2との間の角度がθであれば被験者Sは仰臥位又は伏臥位のいずれか一方であると判定する。
寝姿判定部33が被験者Sの寝姿を判定する方法の他の具体例として、被験者Sが仰臥位であるか伏臥位であるかを判定する方法について説明する。
被験者Sの寝姿が仰臥位又は伏臥位であることが一旦既知となった後は、寝姿判定部33は、投影心拍軸PA2の方向のみに基づいて被験者Sの寝姿が仰臥位であるか伏臥位であるかを判定することができる。
例えば、被験者Sが仰臥位から伏臥位に移動した場合、投影心拍軸PA2は時計回り方向に瞬間的に角度2θだけ回転する。この時、被験者の寝姿が仰臥位であることが既知であれば、寝姿判定部33は、投影心拍軸PA2に時計回り方向の角度2θの回転が生じたことに基づいて被験者Sが伏臥位に至ったと判定できる。
同様に、被験者Sが伏臥位から仰臥位に移動した場合、投影心拍軸PA2は反時計周り方向に瞬間的に角度2θだけ回転する。この時、被験者の寝姿が伏臥位であることが既知であれば、寝姿判定部33は投影心拍軸PA2に反時計回り方向の角度2θの回転が生じたことに基づいて被験者Sが仰臥位に至ったと判定できる。
被験者Sの寝姿が未知である場合は、寝姿判定部33は、投影呼吸軸PA1の方向と投影心拍軸PA2の方向の両方に基づいて、被験者Sが仰臥位であるか伏臥位であるかを判定する。また、このように投影呼吸軸PA1の方向と投影心拍軸PA2の方向の両方に基づいた判定を行うことで、被験者Sが体軸AOを角度2θだけ回転させた場合に生じ得る投影心拍軸PA2の角度2θの回転を、被験者Sの寝姿が仰臥位と伏臥位との間で変化した場合に生じる投影心拍軸PA2の回転と区別することができる。
図6(a)に示す通り、被験者Sが仰臥位である場合には、投影心拍軸PA2の方向は投影呼吸軸PA1の方向を反時計周りに角度θだけ回転させた方向となる。一方、図6(c)に示す通り、被験者Sが伏臥位である場合には、投影心拍軸PA2の方向は、投影呼吸軸PA1の方向を時計回りに角度θだけ回転させた方向となる。したがって寝姿判定部33は、投影心拍軸PA2が投影呼吸軸PA1を反時計周りに角度θだけ回転させた方向に延びていれば被験者Sが仰臥位にあると判定し、投影心拍軸PA2が投影呼吸軸PA1を時計回りに角度θだけ回転させた方向に延びていれば被験者Sが伏臥位にあると判定する。
寝姿判定部33は、投影呼吸軸PA1の方向及び投影心拍軸PA2の方向に基づいて被験者Sの寝姿を判定した後、更に被験者Sの体軸A0の方向を判定してもよい。例えば、寝姿判定部33は、被験者Sが仰臥位又は伏臥位であると判定した後、当該判定が行われた時点における投影呼吸軸PA1の方向が、被験者Sの体軸A0の延びる方向であると判定することができる。同様に、寝姿判定部33は、被験者Sが横臥位であると判定した後、当該判定が行われた時点における投影心拍軸PA2の方向が、被験者Sの体軸A0の延びる方向であると判定することができる。
[表示工程]
表示工程S5では、制御部3が、寝姿判定部33において判定された被験者Sの寝姿を表示部5に表示する。表示は例えば、文字情報やシンボルマークを表示することにより行われる。なお、被験者Sの寝姿が所定の条件を満たした場合(例えば、一定時間を越えて伏臥位を継続した場合等)に、報知部6を用いて音声による報知を行ってもよい。
本実施形態の在床状態モニタリングシステム100の効果を次にまとめる。
本実施形態の在床状態モニタリングシステム100は、被験者Sの呼吸軸A1の方向(投影呼吸軸PA1の方向)及び心拍軸A2の方向(投影呼吸軸PA2の方向)の少なくとも一方に基づいて被験者Sの寝姿を判定しているため、被験者の体軸A0がベッド上でどのような方向を向いていても、高い信頼性を持って被験者Sの寝姿を判定することができる。また、呼吸軸PA1の方向及び心拍軸A2の方向(投影呼吸軸PA1の方向及び心拍呼吸軸PA2の方向)の両方を用いて判定を行うことで、判定の信頼性をより高めることができる。
本実施形態の在床状態モニタリングシステム100は、被験者Sの呼吸、心拍の周波数で振動する荷重成分である呼吸成分、心拍成分のみに基づき呼吸重心G、心拍重心Gを算出し、これから呼吸重心軌跡GT1、心拍重心軌跡GT2を求め、投影呼吸軸PA1、投影心拍軸PA2を求めているが、呼吸重心G、心拍重心Gは、被験者Sとは異なる呼吸周波数、心拍周波数を有する第3者(見舞客等)による荷重や、呼吸や心拍を有さない無生物(カバン等)による荷重の影響を受けず、投影呼吸軸PA1、投影心拍軸PA2も同様である。したがって本実施形態の在床状態モニタリングシステムは、被験者Sの寝姿を、外部要因による誤差を抑制してより正確に判定することができる。
上記の実施形態において、次の変形態様を用いることもできる。
上記実施形態の在床状態モニタリングシステム100においては、重心位置算出部32が被験者Sの呼吸重心G及び呼吸重心軌跡GTを算出し、寝姿判定部33は、呼吸重心軌跡GTに基づいて求めた投影呼吸軸PA1の方向を用いて被験者Sの判定を行っている。しかしながら、重心位置算出部32は、荷重信号s〜sをそのまま用いて被験者Sの重心の位置(以下「単純重心位置G」と呼ぶ)を算出し、単純重心位置Gの移動の軌跡である単純重心軌跡GTを算出してもよく、寝姿判定部33は、単純重心軌跡GTに基づいて投影呼吸軸PA1の方向を求めてもよい。ベッドBD上に加えられる荷重が被験者Sに起因する荷重のみである場合には単純重心軌跡GTと呼吸重心軌跡GTとは略一致するため、単純重心軌跡GTの呼吸に応じた振動の振動方向から投影呼吸軸PA1の方向を求めることができる。
上記実施形態の在床状態モニタリングシステム100によって、ベッドBD上の複数の被験者の寝姿を判定することも可能である。
呼吸や心拍の周期には個人差があるため、例えば二人の被験者S1、S2がベッドBD上に存在する状態で上記実施形態の信号分離工程S2を実行すると、0.1Hz〜3.5Hzの周波数帯域の周波数スペクトルにおいては、被験者S1の呼吸の周波数、被験者S2の呼吸の周波数、被験者S1の心拍の周波数及び被験者S2の心拍の周波数に対応する位置にそれぞれ周波数ピークが現れる。この周波数ピークの位置より、被験者S1の呼吸周波数ν11及び心拍周波数ν21を特定することができ、被験者S2の呼吸周波数ν12及び心拍周波数ν22を特定することができる。
続く工程は、上記実施形態と同様である。具体的には、信号分離部31は、被験者S1、S2の各々について呼吸成分と心拍成分を求め、重心位置算出部32は、被験者S1、S2の各々の呼吸成分と心拍成分を用いて、被験者S1、S2の各々の呼吸重心、呼吸重心軌跡、心拍重心、心拍重心軌跡を算出する。その後、寝姿判定部33は、被験者S1、S2の各々の呼吸重心軌跡、心拍重心軌跡から、被験者S1、S2の各々の投影呼吸軸の方向、投影心拍軸の方向を求め、これらに基づき被験者S1、S2の各々の寝姿を判定する。
上記実施形態の在床状態モニタリングシステム100においては、寝姿判定部33は、呼吸重心軌跡GTに含まれる呼吸振動に応じた振動の軌跡において連続する2つの極値点を特定することにより投影呼吸軸PA1の方向を求め、心拍重心軌跡GTに含まれる心拍振動に応じた振動の軌跡において連続する2つの極値点を特定することにより投影心拍軸PA2の方向を求めていたが、これには限られない。寝姿判定部33は、例えば次の方法により投影呼吸軸A1、投影心拍軸A2の方向を決定することもできる。
一例として、投影呼吸軸PA1の方向は、あるサンプリング期間に含まれるn個の呼吸重心位置G1〜Gn(図7)の平均値から平均重心G0を求め、平均重心G0(X0、Y0)とn個の重心位置G1(X1、Y1)、・・・、Gk1(Xk1、Yk1)、・・・Gk2(Xk2、Yk2)、・・・Gn(Xn、Yn)のそれぞれとを結ぶ線分と、X軸との間の角度の平均傾き角度aを、
Figure 2018015210
により求め、平均重心G0(X0、Y0)を通り、X軸に対して角度aを有して延びる線分が投影呼吸軸PA1の位置を示すとみなす方法によっても求め得る。このようにして求められた投影呼吸軸PA1を図7に示す。投影心拍軸PA2の方向も同様にして求めることができる。
他の例として、平均重心G0を通り、且つ重心G1、・・・、Gk1、・・・、Gk2、・・・、Gk3、・・・Gnとの直線距離dh1、・・・dhk1、・・・dhk2、・・・、dhk3、・・・、dhnの標準偏差が最小となる線Haが投影呼吸軸PA1の位置を示すとみなす方法を用い得る。線Haの一例を図8に示す。投影心拍軸PA2の方向も同様にして求めることができる。
上記の実施形態において、荷重検出器11、12、13、14は、ビーム形ロードセルを用いた荷重センサに限られず、例えばフォースセンサを使用することもできる。
上記の実施形態において、荷重検出器は4つに限られない。ベッドBDに追加の脚を設けて5つ以上の荷重検出器を使用してもよい。又はベッドBDの脚のうち3つのみに荷重検出器を配置してもよい。荷重検出器が3つの場合でも、これを一直線に配置しなければ、ベッドBD面上での被験者Sの重心位置を検出できる。
なお、上記の実施形態においては、荷重検出器11、12、13、14は、ベッドBDの脚の下端に取り付けられたキャスターC、C、C、Cの下にそれぞれ配置されていたがこれには限られない。荷重検出器11、12、13、14はそれぞれ、ベッドBDの4本の脚とベッドBDの床板との間に設けられてもよいし、ベッドBDの4本の脚が上下に分割可能であれば、上部脚と下部脚との間に設けられても良い。また、荷重検出器11、12、13、14をベッドBDと一体型とし、ベッドBDと本実施形態の在床情報モニタリングシステム100とからなるベッドシステムBDSを構成してもよい(図9)。なお、本明細書において「ベッドに設けられた荷重検出器」とは、上述のようにベッドBDの4本の脚とベッドBDの床板との間に設けられた荷重検出器や、上部脚と下部脚との間に設けられた荷重検出器を意味する。
なお、上記の実施形態において、荷重検出部1とA/D変換部2との間に、荷重検出部1からの荷重信号を増幅する信号増幅部や、荷重信号からノイズを取り除くフィルタリング部を設けても良い。
なお、上記実施形態の在床状態モニタリングシステム100において、表示部5は、使用者が視覚的に認識できるようにモニター上に情報を表示するものには限られない。例えば表示部5は、被験者Sの寝姿を印字して出力するプリンタでもよく、又は被験者Sが仰臥であれば青ランプの点灯、横臥であれば黄色ランプの点灯、伏臥であれば赤ランプの点灯といった簡易な視覚的表現を用いて表示するものであってもよい。または表示部5は、在床状態を音声で伝えるものであってもよい。さらに、在床状態モニタリングシステム100は表示部5を有さなくてもよく、情報を出力する出力端子を有するのみであってもよい。表示を行うためのモニター(ディスプレイ装置)等は、当該出力端子を介して在床状態モニタリングシステム100に接続される。
なお、上記実施形態の報知部6は聴覚的に報知を行っていたが、報知部6は、光の点滅等によって視覚的に報知を行う構成であってもよく、振動により報知を行う構成であってもよい。また、上記実施形態の在床状態モニタリングシステム100は、報知部6を有さなくても良い。
本発明の特徴を維持する限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。
本発明の在床状態モニタリングシステムは、被験者の寝姿を高精度に判定できるため、これを病院や介護施設において使用すれば、患者や被介護者の床ずれを防止し、睡眠状態の改善を図ることができる。
1 荷重検出部
11、12、13、14 荷重検出器
2 A/D変換部
3 制御部
31 信号分離部
32 重心位置算出部
33 寝姿判定部
4 記憶部
5 表示部
6 報知部
7 入力部
100 在床状態モニタリングシステム
A1 呼吸軸
A2 心拍軸
BD ベッド
BDS ベッドシステム
GT 呼吸重心軌跡
GT 心拍重心軌跡
S 被験者

Claims (7)

  1. ベッド上の被験者の在床状態をモニターする在床状態モニタリングシステムであって、
    ベッド又はベッドの脚下に設けられ、被験者による荷重を検出する複数の荷重検出器と、
    前記被験者による荷重から被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分を分離する荷重分離部と、
    前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分に基づき被験者の呼吸重心の位置を求める重心位置算出部と、
    前記呼吸重心の振動方向に基づいて被験者が横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定する寝姿判定部とを備える在床状態モニタリングシステム。
  2. 前記荷重分離部は、前記被験者による荷重から被験者の心拍に応じて振動する荷重成分を分離し、
    前記重心位置算出部は、前記被験者の心拍に応じて振動する荷重成分に基づき被験者の心拍重心の位置を求め、
    前記寝姿判定部は、前記呼吸重心の振動方向に相対する前記心拍重心の振動方向に基づいて被験者が横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定する請求項1に記載の在床状態モニタリングシステム。
  3. 前記寝姿判定部は、前記呼吸重心の振動方向と前記心拍重心の振動方向との間の角度の変化に基づいて被験者が横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定する請求項2に記載の在床状態モニタリングシステム。
  4. 前記寝姿判定部は、被験者が横臥位であると判定した場合は、更に前記心拍重心の振動方向に基づいて被験者の体軸方向を決定し、被験者が仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であると判定した場合は、更に前記呼吸重心の振動方向に基づいて被験者の体軸方向を決定する請求項2又は3に記載の在床状態モニタリングシステム。
  5. ベッド上の被験者の在床状態をモニターする在床状態モニタリングシステムであって、
    ベッド又はベッドの脚下に設けられ、被験者による荷重を検出する複数の荷重検出器と、
    前記被験者による荷重に基づき被験者の重心の位置を求める重心位置算出部と、
    前記重心位置の前記被験者の呼吸に応じた振動の方向に基づいて被験者が横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定する寝姿判定部とを備える在床状態モニタリングシステム。
  6. 前記被験者による荷重から被験者の心拍に応じて振動する荷重成分を分離する荷重分離部を更に備え、
    前記重心位置算出部は、前記被験者の心拍に応じて振動する荷重成分に基づき被験者の心拍重心の位置を求め、
    前記寝姿判定部は、前記重心位置の前記被験者の呼吸に応じた振動の方向に相対する前記心拍重心の振動の方向に基づいて被験者が横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定する請求項5に記載の在床状態モニタリングシステム。
  7. ベッド上の被験者の在床状態をモニターする在床状態モニタリングシステムであって、
    ベッド又はベッドの脚下に設けられ、被験者による荷重を検出する複数の荷重検出器と、
    前記被験者による荷重から被験者の心拍に応じて振動する荷重成分を分離する荷重分離部と、
    前記被験者の心拍に応じて振動する荷重成分に基づき被験者の心拍重心の位置を求める重心位置算出部と、
    前記心拍重心の振動方向に基づいて被験者が横臥位であるか、仰臥位及び伏臥位のいずれか一方であるかを判定する寝姿判定部とを備える在床状態モニタリングシステム。
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