JP2020174741A - 生体情報モニタリングシステム、生体情報モニタリング方法、及びベッドシステム - Google Patents

生体情報モニタリングシステム、生体情報モニタリング方法、及びベッドシステム Download PDF

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Abstract

【課題】被験者の生体情報をより正確に算出することのできる生体情報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生体情報をモニタする生体情報モニタリングシステム100は、ベッド又はベッドの脚の下に設けられてベッド上の被験者の荷重を検出する少なくとも1つの荷重検出器1と、荷重検出器1の検出値の前記被験者の呼吸又は心拍に応じた時間的変動を示す波形を算出する波形算出部31と、波形を用いて被験者の呼吸数又は心拍数を算出する生体情報算出部32とを備える。生体情報算出部32は、波形に基づく第1手段により被験者の呼吸数又は心拍数を算出する第1算出部と、第1手段とは異なる第2手段であって、波形を正規化することを含む第2手段により被験者の呼吸数又は心拍数を算出する第2算出部と、前記波形の振幅が閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数又は心拍数の算出を行わせる算出制御部とを含む。【選択図】図1

Description

本発明は、生体情報モニタリングシステム、生体情報モニタリング方法、及びベッドシステムに関する。
医療や介護の分野において、荷重検出器を介してベッド上の被験者の荷重を検出し、検出した荷重に基づいて被験者の生体情報を取得することが提案されている。
特許文献1は、4つの荷重変換器からの荷重信号に基づいて、被験者の呼吸数や心拍数を算出することを開示している。
特公昭61−24010号
荷重検出器の検出値を用いた生体情報の算出には、様々な誤差要因が介在するため、誤差要因を排除して生体情報をより正確に算出することが求められる。
本発明は、被験者の生体情報をより正確に算出することのできる生体情報モニタリングシステム、生体情報モニタリング方法、及びベッド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生体情報をモニタする生体情報モニタリングシステムであって、
前記ベッド又は前記ベッドの脚の下に設けられて前記ベッド上の前記被験者の荷重を検出する少なくとも1つの荷重検出器と、
前記荷重検出器の検出値の前記被験者の呼吸又は心拍に応じた時間的変動を示す波形を算出する波形算出部と、
前記波形を用いて前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出する生体情報算出部とを備え、
前記生体情報算出部は、
前記波形に基づく第1手段により前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出する第1算出部と、
第1手段とは異なる第2手段であって、前記波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出する第2算出部と、
前記波形の振幅が閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数又は心拍数の算出を行わせる算出制御部とを含む生体情報モニタリングシステムが提供される。
第1の態様の生体情報モニタリングシステムにおいて、前記少なくとも1つの荷重検出器は複数の荷重検出器であってもよく、前記波形算出部は、前記複数の荷重検出器の検出値に基づいて前記被験者の重心位置を求め、該重心位置の前記被験者の呼吸に応じた移動に基づき前記被験者の呼吸波形を算出してもよく、第1算出部は、前記呼吸波形に基づく第1手段により前記被験者の呼吸数を算出してもよく、第2算出部は、前記呼吸波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の呼吸数を算出してもよく、前記算出制御部は、前記呼吸波形の振幅が前記閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数の算出を行わせてもよい。
第1の態様の生体情報モニタリングシステムにおいて、第1手段は前記波形のピークを検出することを含んでもよい。
第1の態様の生体情報モニタリングシステムは、前記算出した前記被験者の呼吸数又は心拍数に基づいて前記被験者が前記ベッド上に存在するか否かの判定を行う在床判定部を更に備えてもよい。
第1の態様の生体情報モニタリングシステムにおいて、前記波形算出部は、前記荷重検出器の検出値の前記被験者の呼吸に応じた時間的変動を示す波形及び前記荷重検出器の検出値の前記被験者の心拍に応じた時間的変動を示す波形を算出してもよく、第1算出部は、前記呼吸に応じた時間的変動を示す波形に基づく第1手段により前記被験者の呼吸数を算出し、且つ前記心拍に応じた時間的変動を示す波形に基づく第1手段により前記被験者の心拍数を算出してもよく、第2算出部は、前記呼吸に応じた時間的変動を示す波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の呼吸数を算出し、且つ前記心拍に応じた時間的変動を示す波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の心拍数を算出してもよく、前記算出制御部は、前記呼吸に応じた時間的変動を示す波形の振幅が第1閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数の算出を行わせ、且つ前記心拍に応じた時間的変動を示す波形の振幅が第2閾値以下である場合に第2算出部に心拍数の算出を行わせてもよい。
本発明の第2の態様に従えば、
ベッドと、
第1の態様の生体情報モニタリングシステムとを備えるベッドシステムが提供される。
本発明の第3の態様に従えば、
ベッド上の被験者の生体情報をモニタする生体情報モニタリング方法であって、
前記ベッド又は前記ベッドの脚の下に設けられた少なくとも1つの荷重検出器によって前記ベッド上の前記被験者の荷重を検出することと、
前記荷重検出器の検出値の前記被験者の呼吸又は心拍に応じた時間的変動を示す波形を算出することと、
前記波形を用いて前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出することとを含み、
前記被験者の呼吸数又は心拍数の算出は、
前記波形に基づく第1手段により前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出することと、
第1手段とは異なる第2手段であって、前記波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出することと、
前記波形の振幅が閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数又は心拍数の算出を行わせることとを含む生体情報モニタリング方法が提供される。
第3の態様の生体情報モニタリング方法において、前記少なくとも1つの荷重検出器は複数の荷重検出器であってもよく、前記波形を算出することは、前記複数の荷重検出器の検出値に基づいて前記被験者の重心位置を求め、該重心位置の前記被験者の呼吸に応じた移動に基づき前記被験者の呼吸波形を算出することであってもよく、第1手段により前記被験者の呼吸数を算出することは、前記呼吸波形に基づく第1手段により前記被験者の呼吸数を算出することであってもよく、第2手段により前記被験者の呼吸数を算出することは、前記呼吸波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の呼吸数を算出することであってもよく、前記波形の振幅が閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数の算出を行わせることは、前記呼吸波形の振幅が前記閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数の算出を行わせることであってもよい。
第3の態様の生体情報モニタリング方法において、第1手段は前記波形のピークを検出することを含んでもよい。
第3の態様の生体情報モニタリング方法は、前記算出した前記被験者の呼吸数又は心拍数に基づいて前記被験者が前記ベッド上に存在するか否かの判定を行うことを更に含んでもよい。
第3の態様の生体情報モニタリング方法において、前記荷重検出器の検出値の前記被験者の呼吸又は心拍に応じた時間的変動を示す波形を算出することは、前記荷重検出器の検出値の前記被験者の呼吸に応じた時間的変動を示す波形を算出することであってもよく、前記荷重検出器の検出値の前記被験者の心拍に応じた時間的変動を示す波形を算出することを更に含んでもよく、前記波形を用いて前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出することは、前記荷重検出器の検出値の前記被験者の呼吸に応じた時間的変動を示す波形を用いて前記被験者の呼吸数を算出することであってもよく、前記荷重検出器の検出値の前記被験者の心拍に応じた時間的変動を示す波形を用いて前記被験者の心拍数を算出することを更に含んでもよい。前記被験者の呼吸数及び心拍数の算出は、前記被験者の呼吸に応じた時間的変動を示す波形に基づく第1手段により前記被験者の呼吸数を算出することと、前記被験者の心拍に応じた時間的変動を示す波形に基づく第1手段により前記被験者の心拍数を算出することと、前記被験者の呼吸に応じた時間的変動を示す波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の呼吸数を算出することと、前記被験者の心拍に応じた時間的変動を示す波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の心拍数を算出することと、前記被験者の呼吸に応じた時間的変動を示す波形の振幅が第1閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数の算出を行わせることと、前記被験者の心拍に応じた時間的変動を示す波形の振幅が第2閾値以下である場合に第2算出部に心拍数の算出を行わせることとを含んでも良い。
本発明の生体情報モニタリングシステムによれば、被験者の生体情報をより正確に算出することができる。
図1は、本発明の実施形態に係る生体情報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、生体情報モニタリングシステムを用いた生体情報のモニタリング方法を示すフローチャートである。 図4(a)は、被験者の重心が、被験者の呼吸に応じて体軸方向に振動する様子を概念的に示す説明図である。図4(b)は、被験者の呼吸に応じた重心の振動に基づいて呼吸波形を算出する方法を説明するための説明図である。図4(c)は、被験者の呼吸に応じた重心の振動に基づいて描画される呼吸波形の一例を示す図である。 図5は、呼吸数算出部の具体的な構成を示すブロック図である。 図6は、呼吸数算出工程の手順を示すフローチャートである。 図7(a)は、第1算出部における呼吸数の算出について説明するための図である。図7(b)は、第1算出部におけるフィルタリングについて説明するための図である。 図8は、第2算出部における呼吸数の算出について説明するための図である。 図9は、呼吸数算出部が行う呼吸数算出工程の具体的な実施例を示す図である。 図10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>
本発明の実施形態の生体情報モニタリングシステム100(図1)について、これをベッドBD(図2)と共に使用して、ベッドBD上の被験者Sの呼吸数を算出(推定)する場合を例として説明する。
図1に示す通り、本実施形態の生体情報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には更に表示部5、報知部6、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、配線又は無線によりA/D変換部2に接続されている。
図2に示す通り、荷重検出部1の4つの荷重検出器11〜14は、被験者Sが使用するベッドBDの四隅の脚BL、BL、BL、BL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にそれぞれ配線又は無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、内部に呼吸波形算出部31、呼吸数算出部(生体情報算出部)32、在床判定部33が構築されている。
記憶部4は、生体情報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生体情報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。
このような生体情報モニタリングシステム100を使用して、ベッド上の被験者の生体情報(呼吸数、及び在床/離床)をモニタする動作について説明する。
生体情報モニタリングシステム100を使用した被験者の生体情報のモニタは、図3のフローチャートに示す通り、被験者の荷重を検出する荷重検出工程S1と、検出した荷重(荷重値)に基づいて呼吸波形を算出する呼吸波形算出工程S2と、呼吸波形に基づいて被験者の呼吸数を算出する呼吸数算出工程S3と、被験者がベッド上に在床しているか否かの判定(在床/離床判定)を行う在床判定工程S4と、呼吸数算出工程S3で算出された呼吸数及び在床判定工程S4の判定結果を表示する表示工程S5とを含む。
[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。ベッドBD上の被験者Sの荷重は、ベッドBDの四隅の脚BL〜BLの下に配置された荷重検出器11〜14に分散して付与され、これらによって分散して検出される。
荷重検出器11〜14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(以下「荷重信号」)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から出力されたアナログ信号をA/D変換部2においてデジタル変換して得られる荷重信号を、それぞれ荷重信号s、s、s、sと呼ぶ。
[呼吸波形算出工程]
呼吸波形算出工程S2では、呼吸波形算出部31が、荷重信号s〜sに基づいて被験者Sの呼吸波形を算出する。
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。本件の出願人に付与された特許第6105703号の明細書に記載されている通り、この内臓移動に伴って人間の重心はわずかに移動し、その移動方向は背骨の延在方向(体軸方向)にほぼ沿っている。
本発明及び本明細書において「呼吸波形」とは、被験者の呼吸に応じて被験者の体軸方向に振動する被験者の重心の振動の様子を、時間軸に展開して示す波形を意味する。呼吸波形の1周期は、被験者の1回の呼吸(呼気及び吸気)に対応する。呼吸波形の振幅は、被験者の体格や呼吸の深さの影響を受ける。具体的には例えば、被験者が大柄であったり、被験者が深い呼吸を行った場合には振幅は大きくなり、被験者が小柄であったり、被験者が浅い呼吸を行った場合には振幅は小さくなる。
呼吸波形算出部31は、次の手順により、呼吸波形の算出を行う。
呼吸波形算出部31は、まず、荷重検出部1からの荷重信号s〜sに基づいて、各サンプリング時刻ごとに被験者Sの重心Gの位置を算出する。被験者Sの重心Gは、図4(a)に示すように、被験者Sの呼吸に応じて、被験者Sの体軸SAの方向にほぼ沿って振動している。
次いで呼吸波形算出部31は、図4(b)に示す通り、算出した各サンプリング時刻の重心Gの位置を体軸SAに投影して位置GAを求め、重心Gの呼吸に応じた振動の振動中心Oと位置GAとの間の距離Xを算出する。算出された各サンプリング時刻における距離Xを、横軸を時間軸として逐次プロットすることにより、図4(c)に示す呼吸波形RWが得られる。なお、距離Xに代えて、重心Gと振動中心Oとの間の直線距離X’を用いてもよい。
呼吸波形算出部31は、各サンプリング時刻における距離Xを呼吸波形RWを示すデータとして算出し、これを呼吸数算出部32に出力する。また、呼吸波形算出部31は、呼吸波形RWを示すデータを呼吸波形描画部(不図示)に出力してもよい。この場合、呼吸波形描画部は、図4(c)に示す呼吸波形RWを描画し、表示部5に表示してもよい。
なお、説明の便宜上、以下では描画された呼吸波形RWを参照して呼吸数算出工程S3を説明するが、このことは、呼吸数算出工程S3が描画された波形に基づいて実行されることを意味しない。呼吸数算出工程S3は呼吸波形RWを示すデータのみに基づいて実行され得る。
[呼吸数算出工程S3]
呼吸数算出工程S3では、呼吸数算出部32が、呼吸波形算出部31において算出された呼吸波形RWを示すデータに基づいて、被験者Sの呼吸数の算出(推定)を行う。
呼吸数算出部32は、図5に示す通り、算出制御部320、第1算出部321、及び第2算出部322を含む。算出制御部320は、振幅算出部320a及び算出手段切換部320bを含む。第1算出部321は、ピーク検出部321a及び呼吸数換算部321bを含む。第2算出部322は、正規化部322a、及び呼吸数換算部322bを含む。
呼吸数算出工程S3は、図6に示す通り、振幅判定工程S31、第1算出工程S321、第1出力工程S331、第2算出工程S322、第2出力工程S332、継続判定工程S34を含む。
振幅判定工程S31においては、算出制御部320が、被験者Sの呼吸波形RWの振幅に基づいて、第1算出部321に第1算出工程S321を行わせるか、第2算出部322に第2算出工程S322を行わせるかを切り換える。
具体的には、まず、算出制御部320の振幅算出部320aが、呼吸波形RWの振幅Aを算出する。振幅算出部320aは、ピーク検出機能を備えており、図4(c)に示す通り、所定のサンプリング時刻tに、直前に検出された呼吸波形RWのピーク(ここでは、正のピークpp)と、当該ピークの1つ前のピーク(ここでは負のピークnp)との差を算出することにより、当該サンプリング時刻tにおける振幅Aを算出する。
次に、算出手段切換部320bが、振幅算出部320aが算出した振幅Aに基づいて、第1算出部321、第2算出部322のいずれに呼吸数の算出を行わせるかの切換えを行う。
算出手段切換部320bは、この切換えを、呼吸波形RWの振幅Aと、所定の閾値Athとの比較に基づいて行う。具体的には、算出手段切換部320bは、振幅Aが所定の閾値Athよりも大きい場合には、第1算出部321に第1算出工程S321を行わせる(S31:Yes)。一方、振幅Aが所定の閾値Ath以下である場合には、第2算出部322に第2算出工程S322を行わせる(S31:No)。
第1算出工程S321、第1出力工程S331においては、第1算出部321が、呼吸波形RWに基づいて被験者Sの呼吸数を算出し、出力する。
第1算出部321における呼吸数の算出は、呼吸波形RWのピーク検出を含む第1手段により行われる。具体的には、まず、ピーク検出部321aが呼吸波形RWの正のピークpp(以下、単に「ピークpp」と記載する)を逐次検出する。図7(a)は、ピーク検出部321aが時刻tn−2、tn−1、tに特定した呼吸波形RWのピークppn−2、ppn−1、ppを示す。
次いで、呼吸数換算部321bが、ピーク検出部321aにより呼吸波形RWのピークが特定された時刻に基づいて、被験者Sの1分間当たりの呼吸数の推定値である、呼吸数R1を算出する。この算出は、次のように行われる。
呼吸数換算部321bは、時刻tn−1にピークppn−1が特定された時点で、時刻tn−1と、その直前にピークppn−2が特定された時刻tn−2との間の経過時間Tn−1を算出し、下記の(式1)を用いて呼吸数R1を算出する。
(式1)
R1=60/T [回/分](m=1、2、・・・、n−1、n)
即ち、60秒を最新の呼吸の周期で除することにより、最新の呼吸状態を反映した、1分間当たりの呼吸数の推定値を算出する。呼吸数換算部321bは、同様に、時刻tにピークppが特定された時点で、時刻tと、その直前にピークppn−1が特定された時刻tn−1との間の経過時間Tを算出し、(式1)を用いて呼吸数R1を算出する。算出された呼吸数R1は、制御部3に出力される(第1出力工程S331)。
ここで、第1算出部321のピーク検出部321aは、呼吸波形RWのピーク検出を行う際に感度の調整を行い、振幅の小さい波形については、そのピークを検出しないように構成されている。これは、次の理由による。
被験者Sの呼吸波形RWには、図7(b)に示すようにノイズが含まれることがあり、ノイズに応じた波形のピークpp’は、被験者Sの呼吸の周期とは無関係に生じる。そのため、仮にピーク検出部321aが、ノイズに応じた波形のピークpp’まで検出してしまえば、呼吸数換算部321bは、被験者Sの呼吸の周期とは無関係に呼吸数R1の算出を行うことになり、算出される呼吸数R1の信頼性が低下してしまう。
具体的には、図7(b)に示すように、ピーク検出部321aが、時刻tの直後の時刻t’に、ノイズによるピークpp’を検出した場合、呼吸数換算部321bは、時刻t〜時刻t’までの経過時間T’と(式1)とを用いて、呼吸数R1を算出する。この場合、経過時間T’は、被験者Sの呼吸の周期とは無関係の小さい値であるため、算出される呼吸数R1の値は、被験者Sの呼吸状態を反映しない大きな値となってしまう。
これに対し、本実施形態の第1算出部321のピーク検出部321aは、フィルタリングによって、所定の高さHth(図7(b))よりも低い波形のピークを検出しないよう構成されている。これによりノイズの影響が抑制され、被験者Sの呼吸に応じたピークのみが正確に検出される。
第2算出工程S322、第2出力工程S332においては、第2算出部322が、呼吸波形RWに基づいて被験者Sの呼吸数を算出し、出力する。
第2算出部322における呼吸数の算出は、呼吸波形RWの正規化を含む第2手段により行われる。具体的にはまず、第2算出部322の正規化部322aが、呼吸波形RW(図8の上段)の正規化を行う。正規化は、下記の(式2)を用いて行われる。
(式2)
y=X/(α+|X|) (0<α<1)
式2において、「X」は上記の距離Xであり、「α」は定数である。αの値を0に近づけると、正規化により得られる正規化呼吸波形NRW(図8の下段)の形状が矩形波に近づく。αの値を1に近づけると、正規化により得られる正規化呼吸波形NRWの形状が、正規化前の呼吸波形RWの形状に近づく。図8の下段に示す呼吸波形NRWは、α≒0として算出された波形である。
次に、呼吸数換算部322bが、正規化呼吸波形NRWのパルス間距離Dmに基づいて、被験者Sの1分間当たりの呼吸数の推定値である、呼吸数R2を算出する。図8の下段においてはパルスの立上り間の距離をパルス間距離Dmとしているが、パルスの立下り間の距離をパルス間距離Dmとしてもよい。呼吸数換算部322bにおける呼吸数R2の算出は、下記の(式3)を用いて行われる。
(式3)
R2=60/D [回/分](m=1、2、・・・、n−1、n)
即ち、60秒を最新のパルス間距離で除することにより、最新の呼吸状態を反映した、1分間当たりの呼吸数の推定値を算出し、これを呼吸数R2とする。算出された呼吸数R2は、制御部3に出力される(第2出力工程S332)。
呼吸数R2は、呼吸波形RWの振幅Aの影響を正規化により除去した上で算出される。そのため、被験者の呼吸が弱い状態で不安定に変動しており、呼吸波形RWの振幅Aが小さく且つ変動している場合でも、呼吸数R2の算出は正確に行うことができる。
呼吸数算出部32は、第1出力工程S331又は第2出力工程S332の後、継続判定工程S34を行い、引き続き呼吸波形RWの入力がある場合には、振幅判定工程S31を行う。
呼吸数算出部32による呼吸数算出の具体的な実施例を、図9を参照して説明する。
まず、図9の時刻tまで、及び時刻t以降の期間においては、被験者Sは、通常の呼吸状態を維持しており、呼吸波形RWも所定値以上の振幅で振動している。一方で時刻t〜時刻tの期間においては、被験者Sは、呼吸が弱い状態にあり、呼吸波形RWの振幅も小さくなっている。このような呼吸の弱まりは、例えば、ターミナルケア(終末期介護)の下にある被験者の体調が悪化した場合や、睡眠時無呼吸症候群(SAS)を有する患者の睡眠時等に生じ得る。
時刻tまでの期間においては、算出制御部320は、呼吸波形RWの振幅Aが閾値Ath以上であると判定し、第1算出部321に呼吸数R1の算出、出力を行わせる。出力された呼吸数R1を図9の2段目に示す。
次に、時刻tに至ると、算出制御部320は、呼吸波形RWの振幅Aが閾値Ath以下となったと判定し、第2算出部322に呼吸数R2の算出、出力を行わせる。第2算出部322の正規化部322aによって算出された正規化呼吸波形NRWを図9の3段目に、呼吸数換算部322bによる算出に基づいて算出、出力された呼吸数R2を、4段目に示す。
なお、時刻tにおいて第2算出部322における呼吸数R2の算出を開始した後、時刻tに最初のパルス間距離Dが算出されるまでは、呼吸数換算部322bは(式3)を用いた呼吸数R2の算出を行うことができない。したがって、この期間については、時刻tの時点において算出されていた呼吸数R1を、仮の呼吸数として用いてもよい。
次に、時刻tに至ると、算出制御部320は、呼吸波形RWの振幅Aが閾値Athよりも大きくなったと判定し、第1算出部に呼吸数R1の算出、出力を行わせる。
なお、時刻tにおいて第1算出部321における呼吸数R1の算出を開始した後、時刻tに次のピークが検出されるまでは、第1算出部321は(式2)を用いた呼吸数の算出を行うことができない。したがって、この期間については、時刻tの時点において算出されていた呼吸数R2を、仮の呼吸数として用いてもよい。
呼吸数算出部32は、このように、被験者Sが通常の呼吸を行っており呼吸波形RWの振幅Aが十分な大きさを有する場合には、第1算出部321において、ノイズの影響が感度調整により除去された呼吸数R1の算出を行い、被験者Sの呼吸が弱まり呼吸波形RWの振幅Aが十分な大きさを有さない場合には、第2算出部322において、呼吸波形RWの振幅Aの影響が正規化により除去された呼吸数R2の算出を行う。すなわち、呼吸数算出部32は、被験者Sが通常の呼吸を行っている場合には通常呼吸に適した算出手段により被験者Sの呼吸数を正確に算出(推定)し、且つ被験者Sの呼吸が弱まった場合には、弱い呼吸に適した算出手段に切り換えて被験者Sの呼吸数の正確な算出(推定)を維持する。
[在床判定工程]
在床判定工程S4においては、在床判定部33が、被験者SがベッドBD上に存在しているか否かを判定する。
判定は、被験者Sの呼吸数R1、R2に基づいて行われる。具体的には例えば、在床判定部33は、被験者Sの呼吸数R1及び呼吸数R2が計測されていない場合には、被験者SがベッドBD上に存在しない、即ち「離床状態」であると判定する。
また、在床判定部33は、算出された呼吸数R1、R2が、所定の範囲(一例として5回以上、30回以下)の外にある場合も、被験者Sが「離床状態」であると判定する。人間の呼吸は1分間に約12〜20回程度行われるため、この範囲を大きく外れた呼吸数R1、R2が算出された場合には、当該算出値は被験者Sの呼吸に応じたものではなく、なんらかの外乱に起因すると考え得るためである。
一方で、在床判定部33は、呼吸数R1又は呼吸数R2が算出されており、算出された呼吸数R1又は呼吸数R2の値が、所定の範囲内である場合は、被験者SがベッドBD上に存在する、即ち「在床状態」であると判定する。
その後、在床判定部33は、判定結果を制御部3へと出力する。
[表示工程]
表示工程S5においては、制御部3が、第1算出部321、第2算出部322、在床判定部33からの出力に基づき、被験者Sの呼吸数、及び被験者Sが「在床状態」及び「離床状態」のいずれであるかを、表示部5に表示する。
また表示工程S5では、表示部5を用いた表示に加えて、又はこれに代えて、報知部6を用いた報知を行っても良い。この場合は例えば、被験者Sに体動が生じた時に報知音を発し、体動の発生を生体状態モニタリングシステム100の使用者である看護師や介護士等に報せる。
本実施形態の生体情報モニタリングシステム100の効果を以下にまとめる。
本実施形態の生体状態モニタリングシステム100は、被験者Sの呼吸が弱まり、呼吸波形RWの振幅Aが低下した場合に、呼吸波形RWの正規化を行って呼吸数R2の算出を行わせるよう構成された呼吸数算出部32を備える。したがって、被験者Sの呼吸が弱まり呼吸波形RWの振幅Aが低下したり不安定になった場合にも、振幅Aの影響を正規化により除去して、正確な呼吸数の算出(推定)を行うことができる。即ち、被験者の生体情報をより正確に算出することができる。
本実施形態の生体状態モニタリングシステム100が備える呼吸数算出部32は、被験者Sが通常の呼吸を行っており呼吸波形RWの振幅Aが十分な大きさを有している場合には、ピーク検出に基づき、呼吸波形RWに含まれるノイズの影響が除去された呼吸数R1の算出を行わせるよう構成されている。そのため、本実施形態の生体状態モニタリングシステム100は、被験者Sが通常の呼吸を行っている場合には、より精度の高い呼吸数の算出(推定)を行うことができる。
即ち、本実施形態の生体状態モニタリングシステム100は、被験者の呼吸状態が弱まり、ピーク検出に基づく呼吸数算出が行えない場合には、正規化に基づく呼吸数算出を行って確実且つ正確に呼吸数算出を行いつつ、被験者が通常の呼吸状態である場合にはピーク検出に基づく呼吸数算出を行ってより高精度の呼吸数算出を行うよう構成されている。
本実施形態の生体情報モニタリングシステム100は、呼吸数算出部32において高い精度で算出された被験者Sの呼吸数に基づいて、被験者Sの在床判定を高い精度で行うことができる。
本実施形態の体動判定システム、及びこれを含む生体状態モニタリングシステム100は、ベッドBDの脚BL〜BLの下に配置した荷重検出器11〜14を用いて被験者Sの生体状態をモニタしている。したがって、被験者Sの身体に計測装置を取り付ける必要がなく、被験者Sに不快感や違和感を与えることがない。
[変形例]
上記実施形態の生体情報モニタリングシステム100において、次の変形態様を採用することもできる。
上記実施形態の生体情報モニタリングシステム100においては、呼吸波形算出部31を、呼吸波形RWに加えて被験者Sの心拍に応じた荷重変動を示す波形も算出する波形算出部として構成し、呼吸数算出部32を、被験者の心拍数の算出も行う生体情報算出部として構成してもよい。
この変形態様においては、波形算出部は、荷重信号s〜sの少なくとも1つから、バンドパスフィルタ等により、心拍の周波数帯域(約0.5Hz〜約3.3Hz)に含まれる成分を分離し、これを被験者Sの心拍に応じた荷重変動を示す波形として生体情報算出部に送る。
生体情報算出部は、上記の実施形態の呼吸数算出工程S3と同様の工程により、被験者Sの心拍数の算出を行う。被験者Sの心拍に応じた荷重変動を示す波形も、呼吸波形RWと同様の時間領域の波形であるため、生体情報算出部は、上記実施形態の呼吸数算出部32が呼吸波形RWに対して行う処理と同等の処理を被験者Sの心拍に応じた荷重変動を示す波形に施し、被験者Sの心拍数を高い精度で算出することができる。
なお、波形算出部を被験者Sの心拍に応じた荷重変動を示す波形のみを算出する波形算出部として構成してもよく、生体情報算出部を被験者の心拍数の算出のみを行う生体情報算出部として構成してもよい。
上記実施形態の生体情報モニタリングシステム100において、呼吸波形算出部31は、荷重信号s〜sの少なくとも1つから、呼吸の周波数帯域(約0.2Hz〜約0.33Hz)に含まれる成分を分離して得られる波形を算出し、当該波形を、呼吸波形RWに代えて呼吸数算出部32に送っても良い。荷重信号s〜sの少なくとも1つから呼吸の周波数帯域に含まれる成分を分離して得られる波形も呼吸波形RWと同様の時間領域の波形であるため、呼吸波形算出部32は、上記実施形態において呼吸波形RWに対して行う処理と同等の処理により、被験者Sの呼吸数を高い精度で算出することができる。
呼吸波形、及び荷重信号s〜sの少なくとも1つから呼吸の周波数帯域に含まれる成分を分離して得られる波形は、特許請求の範囲に記載された「荷重検出器の検出値の被験者の呼吸に応じた時間的変動を示す波形」の一例であり、荷重信号s〜sの少なくとも1つから心拍の周波数帯域に含まれる成分を分離して得られる波形は、特許請求の範囲に記載された「荷重検出器の検出値の被験者の心拍に応じた時間的変動を示す波形」の一例である。
上記実施形態において、呼吸数算出部32の算出制御部320は、振幅算出部320aにおいて算出された振幅Aが、被験者Sの呼吸に基づくものであるか否かを判定する生体信号判定部(不図示)を備えても良い。生体信号判定部は、呼吸波形の規則性やランダム性等を尺度として用いて、算出された振幅Aが被験者Sの呼吸、即ち生体信号に基づくものであるか否かを判定するよう構成されている。生体信号判定部を備える態様においては、呼吸波形RWのノイズ(図7(b))の影響により振幅Aとして小さな値が算出されて、第2算出部322による算出への切換えが生じることが抑制される。
上記実施形態の生体情報モニタリングシステム100において、第1算出部321は、正のピークppに代えて負のピークnpの特定に基づいて、呼吸数R1の算出を行っても良い。この場合の具体的な工程は、上記実施形態と同様である。
上記実施形態の生体情報モニタリングシステム100において、第1算出部321は、ピーク検出とは異なる手段によって、呼吸数R1の算出を行っても良い。具体的には例えば算出時点から所定期間(一例として60秒程度)遡る期間に算出された呼吸波形RWに対して周波数解析を適用してピーク周波数を求め、求めたピーク周波数に基づいて被験者Sの呼吸数の推定値を算出することが出来る。具体的には例えば、呼吸波形RWのピーク周波数が0.3Hzであれば、被験者Sの呼吸数は1秒間に0.3回であり、1分間では18回であると算出できる。或いは、呼吸波形RWのゼロクロスの立上り又は立下りの回数から1分間に生じる立上り又は立下りの回数を算出(推定)し、得られた値を1分間あたりの被験者Sの平均呼吸数とすることができる。具体的には例えば、15秒間に生じる呼吸波形RWのゼロクロスの立上りが4回であれば、これを4倍した16回が、被験者Sの1分間当たりの平均呼吸数であると推定できる。その他、第1算出部321は、各種手段を用いて被験者Sの呼吸数の算出を行い得る。
上記実施形態の生体情報モニタリングシステム100において、第2算出部322は、(式2)を用いることなく呼吸波形RWの正規化を行うことができる。具体的には例えば、(式2)に変えて、シグモイド関数やハイパボリックタンジェントを用いて呼吸波形RWを正規化し得る。
上記実施形態の生体情報モニタリングシステム100においては、在床判定部33は、被験者の心拍数に基づいて、又は被験者の呼吸数と心拍数とに基づいて、被験者が「在床状態」であるか、「離床状態」であるかを判定してもよい。被験者の心拍数に基づく在床判定は、被験者の呼吸数に基づく在床判定と同様、心拍数の算出がなされているか否か、及び/又は算出された心拍数が人間の心拍に対応した所定の範囲内であるか否か、等に基づいて行い得る。
上記実施形態の生体情報モニタリングシステム100は、更に、被験者Sの体動の有無や、被験者Sの各種生体状態を判定する生体状態判定部を備えても良い。このような生体状態判定部は、例えば、被験者Sの呼吸数に基づいて、被験者Sの睡眠/覚醒判定、生死判定等を行う。
上記実施形態の生体情報モニタリングシステム100は、必ずしも荷重検出器11〜14の全てを備える必要はなく、このいずれか一つを備えるのみでもよい。また、荷重検出器は、必ずしもベッドの四隅に配置される必要はなく、ベッド上の被験者の荷重及びその変動を検出しうるように、任意の位置に配置し得る。また、荷重検出器11〜14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。
上記実施形態の生体情報モニタリングシステム100においては、荷重検出器11〜14の各々は、ベッドBDの脚の下端に取り付けられたキャスターCの下に配置されていたがこれには限られない。荷重検出器11〜14の各々は、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11〜14をベッドBDと一体に又は着脱可能に組み合わせて、ベッドBDと本実施形態の生体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10)。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。
上記実施形態の生体情報モニタリングシステム100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。
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム100において、表示部5は、モニターに代えて、又はこれに加えて、生体情報を表わす情報を印字して出力するプリンタや、生体情報を表示するランプ等の簡易な視覚表示手段を備えてもよい。報知部6はスピーカーに代えて、又はこれに加えて、振動により報知を行う振動発生部を備えてもよい。
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。
本発明の生体情報モニタリングシステムによれば、被験者の呼吸数等の生体情報を高い精度で算出することができ、医療、介護等の質の向上に資することができる。
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 呼吸波形算出部、32 呼吸数算出部、33 在床判定部、320 算出制御部、321 第1算出部、322 第2算出部、4 記憶部、5 表示部、6 報知部、7 入力部、100 生体状態モニタリングシステム、BD ベッド、BDS ベッドシステム、S 被験者

Claims (11)

  1. ベッド上の被験者の生体情報をモニタする生体情報モニタリングシステムであって、
    前記ベッド又は前記ベッドの脚の下に設けられて前記ベッド上の前記被験者の荷重を検出する少なくとも1つの荷重検出器と、
    前記荷重検出器の検出値の前記被験者の呼吸又は心拍に応じた時間的変動を示す波形を算出する波形算出部と、
    前記波形を用いて前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出する生体情報算出部とを備え、
    前記生体情報算出部は、
    前記波形に基づく第1手段により前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出する第1算出部と、
    第1手段とは異なる第2手段であって、前記波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出する第2算出部と、
    前記波形の振幅が閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数又は心拍数の算出を行わせる算出制御部とを含む生体情報モニタリングシステム。
  2. 前記少なくとも1つの荷重検出器は複数の荷重検出器であり、
    前記波形算出部は、前記複数の荷重検出器の検出値に基づいて前記被験者の重心位置を求め、該重心位置の前記被験者の呼吸に応じた移動に基づき前記被験者の呼吸波形を算出し、
    第1算出部は、前記呼吸波形に基づく第1手段により前記被験者の呼吸数を算出し、
    第2算出部は、前記呼吸波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の呼吸数を算出し、
    前記算出制御部は、前記呼吸波形の振幅が前記閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数の算出を行わせる請求項1に記載の生体情報モニタリングシステム。
  3. 第1手段は前記波形のピークを検出することを含む請求項1又は2に記載の生体情報モニタリングシステム。
  4. 前記算出した前記被験者の呼吸数又は心拍数に基づいて前記被験者が前記ベッド上に存在するか否かの判定を行う在床判定部を更に備える請求項1〜3のいずれか一項に記載の生体情報モニタリングシステム。
  5. 前記波形算出部は、前記荷重検出器の検出値の前記被験者の呼吸に応じた時間的変動を示す波形及び前記荷重検出器の検出値の前記被験者の心拍に応じた時間的変動を示す波形を算出し、
    第1算出部は、前記呼吸に応じた時間的変動を示す波形に基づく第1手段により前記被験者の呼吸数を算出し、且つ前記心拍に応じた時間的変動を示す波形に基づく第1手段により前記被験者の心拍数を算出し、
    第2算出部は、前記呼吸に応じた時間的変動を示す波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の呼吸数を算出し、且つ前記心拍に応じた時間的変動を示す波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の心拍数を算出し、
    前記算出制御部は、前記呼吸に応じた時間的変動を示す波形の振幅が第1閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数の算出を行わせ、且つ前記心拍に応じた時間的変動を示す波形の振幅が第2閾値以下である場合に第2算出部に心拍数の算出を行わせる請求項1〜4のいずれか一項に記載の生体情報モニタリングシステム。
  6. ベッドと、
    請求項1〜5のいずれか一項に記載の生体情報モニタリングシステムとを備えるベッドシステム。
  7. ベッド上の被験者の生体情報をモニタする生体情報モニタリング方法であって、
    前記ベッド又は前記ベッドの脚の下に設けられた少なくとも1つの荷重検出器によって前記ベッド上の前記被験者の荷重を検出することと、
    前記荷重検出器の検出値の前記被験者の呼吸又は心拍に応じた時間的変動を示す波形を算出することと、
    前記波形を用いて前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出することとを含み、
    前記被験者の呼吸数又は心拍数の算出は、
    前記波形に基づく第1手段により前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出することと、
    第1手段とは異なる第2手段であって、前記波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出することと、
    前記波形の振幅が閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数又は心拍数の算出を行わせることとを含む生体情報モニタリング方法。
  8. 前記少なくとも1つの荷重検出器は複数の荷重検出器であり、
    前記波形を算出することは、前記複数の荷重検出器の検出値に基づいて前記被験者の重心位置を求め、該重心位置の前記被験者の呼吸に応じた移動に基づき前記被験者の呼吸波形を算出することであり、
    第1手段により前記被験者の呼吸数を算出することは、前記呼吸波形に基づく第1手段により前記被験者の呼吸数を算出することであり、
    第2手段により前記被験者の呼吸数を算出することは、前記呼吸波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の呼吸数を算出することであり、
    前記波形の振幅が閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数の算出を行わせることは、前記呼吸波形の振幅が前記閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数の算出を行わせることである請求項7に記載の生体情報モニタリング方法。
  9. 第1手段は前記波形のピークを検出することを含む請求項7又は8に記載の生体情報モニタリング方法。
  10. 前記算出した前記被験者の呼吸数又は心拍数に基づいて前記被験者が前記ベッド上に存在するか否かの判定を行うことを更に含む請求項7〜9のいずれか一項に記載の生体情報モニタリング方法。
  11. 前記荷重検出器の検出値の前記被験者の呼吸又は心拍に応じた時間的変動を示す波形を算出することは、前記荷重検出器の検出値の前記被験者の呼吸に応じた時間的変動を示す波形を算出することであり、
    前記荷重検出器の検出値の前記被験者の心拍に応じた時間的変動を示す波形を算出することを更に含み、
    前記波形を用いて前記被験者の呼吸数又は心拍数を算出することは、前記荷重検出器の検出値の前記被験者の呼吸に応じた時間的変動を示す波形を用いて前記被験者の呼吸数を算出することであり、
    前記荷重検出器の検出値の前記被験者の心拍に応じた時間的変動を示す波形を用いて前記被験者の心拍数を算出することを更に含み、
    前記被験者の呼吸数及び心拍数の算出は、
    前記被験者の呼吸に応じた時間的変動を示す波形に基づく第1手段により前記被験者の呼吸数を算出することと、
    前記被験者の心拍に応じた時間的変動を示す波形に基づく第1手段により前記被験者の心拍数を算出することと、
    前記被験者の呼吸に応じた時間的変動を示す波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の呼吸数を算出することと、
    前記被験者の心拍に応じた時間的変動を示す波形を正規化することを含む第2手段により前記被験者の心拍数を算出することと、
    前記被験者の呼吸に応じた時間的変動を示す波形の振幅が第1閾値以下である場合に第2算出部に呼吸数の算出を行わせることと、
    前記被験者の心拍に応じた時間的変動を示す波形の振幅が第2閾値以下である場合に第2算出部に心拍数の算出を行わせることとを含む生体情報モニタリング方法。
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