JP2817472B2

JP2817472B2 - 生体情報処理装置とそのモニター装置

Info

Publication number: JP2817472B2
Application number: JP3258972A
Authority: JP
Inventors: 雅彦松中
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-10-07
Filing date: 1991-10-07
Publication date: 1998-10-30
Anticipated expiration: 2013-10-30
Also published as: JPH0595914A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、患者の体動などの情報
から患者の在床・不在床、入眠時期、呼吸・心拍数を求
める生体情報処理装置、及び病院の入院患者や老人ホー
ムの入居者等に対して看護上の見地から集中的にモニタ
リングするモニター装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、入院患者などの在床管理は看護婦
による巡回か、テレビカメラによるモニターによって行
っていた。これを自動化するための技術としては、例え
ば特開平２−１４９２８号公報に示されているように就
寝者とディスプレイ装置を対として、就寝者の状態をモ
ニターする方法が考案されている。図１２は同装置の構
成を示している。就寝者の体動等を検知する検知部２６
と、ディスプレイ部２７とを対にしてケーブル２８で接
続している。また圧電素子等を用いた在床管理で複数の
患者を集中的にモニターする技術としては、特願平２−
１６１８２２号公報に示されているように、患者数に対
応して、検出部及び回路部を一台の表示装置に接続する
というものが考案されている。図１３は同装置の構成を
示したものである。図中、回路部２９では、患者の粗体
動と心拍・呼吸といった細体動を閾値との比較によって
判定し、通信手段３０を介して患者の在床，非在床及び
入眠状態を表示手段３１がモニターしている。なお入眠
状態の検知は粗体動の静止時間が１５分を越えた時点を
目安としている。

【０００３】また心拍数のカウントについては、医師や
看護婦による直接の計測が一般的で自動で行う場合には
患者の身体に電極等を装着する方法がとられていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の方法においては、看護婦による巡回という手段では看
護婦にかかる負担が非常に大きく、特に夜間の巡回勤務
は看護婦の絶対数の不足から社会課題として取り上げら
れている。また、万一巡回と巡回の間に患者の容態が急
変するなどの事態が発生した場合にその発見が遅れると
いう課題もあった。

【０００５】また、テレビカメラによるモニタリングで
は、患者側が常に監視されているという意識を持ち、患
者に対するストレスの原因となることが予想される。

【０００６】一方、検出装置とディスプレイ装置を対で
構成する方法は、大規模の病院などで患者数が増えた場
合にその都度ディスプレイ装置を設置せねばならず、複
数の患者の集中的なモニタリングには不都合が生じる。

【０００７】一度に複数の患者をモニターできる構成で
あっても、個々の患者の粗体動・心拍・呼吸を電気信号
に変換した場合のレベルには個人差があり、細体動と粗
体動の区別のための閾値を画一的に全ての患者に適用す
るのは問題である。しかしたとえ同じ個人でも睡眠が深
くなるにつれ細体動のレベルが低下してくるため一晩を
通して一定の閾値で対応するのは難しい。

【０００８】また心拍数等のカウントのために電極を患
者に装着するのは患者の自由を大きく損なうものの、圧
電素子のような非接触のセンサからの生体情報には様々
なノイズが含まれており、心拍数等のカウントは電極を
直接装着した場合のように単純に波形の極大点をカウン
トするだけでは正確な値は得られない。

【０００９】さらに、各患者のいる場所からディスプレ
イ装置のある場所までそれぞれ独立にケーブルをひいた
場合には、患者数が増えるにしたがって配線を増加しな
ければならない。

【００１０】本発明は上記課題を解決するもので、その
第１の目的は、患者に意識させることなく患者の生体情
報を非接触に取り込むことにより患者のストレス軽減を
図ると共に、情報を実時間で解析して急な容体の変化に
対応できるようにすることにある。

【００１１】第２の目的は生体情報の信号レベルの個人
間と個人内での変動を考慮し、それぞれの患者の信号レ
ベルに応じた閾値を設定することで、複数の患者をモニ
ターする場合でも正確な判定をできるようにすることで
ある。

【００１２】第３の目的は多くのノイズを含んだ圧電素
子等の非接触のセンサより出力される信号から出る正確
な心拍・呼吸数を算出することにある。

【００１３】

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明の生体情報処理装置は、寝具またはベッドに配設
され患者の体動・呼吸・心拍等を非接触で検出し電気信
号に変換する生体情報獲得装置と、前記生体情報獲得装
置からの信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換回路
と、前記Ａ／Ｄ変換回路により変換されたデジタル値よ
り患者の在床・非在床の判断、入眠の判断及び呼吸数・
心拍数の算出を行なう演算回路を有し、前記演算回路
は、前記デジタル値を複数個記憶しておく記憶手段と、
患者の呼吸・心拍等の細体動と寝返り等の粗体動を識別
する閾値を前記デジタル値のレベルに応じて決定する閾
値決定手段と、前記記憶手段に格納されたデジタル値お
よび前記閾値を用いて患者の在床および入眠を判定する
判定手段および患者の単位時間当りの呼吸数・心拍数を
算出する算出手段とを備えたものである。

【００１５】また本発明の生体情報処理装置における閾
値決定手段は、前記デジタル値の微分値が正から負に変
化する複数の極大点を第１の極大点集合として求める第
１の極大点検索手段と、前記第１の極大点集合の最大値
が前記閾値を一定以上超えず前記最大値と最小値の差が
予め設定された電圧以下でかつ前記第１の極大点集合の
要素間の間隔の最大値と最小値の差が予め設定された時
間以内であることを判断し判断信号を出力する判断手段
と、前記判断信号からの出力を受けて前記第１の極大点
集合の最大値に一定のオフセット電圧を加えた値を閾値
と決定する更新手段とを備えたものである。

【００１６】そしてまた本発明の生体情報処理装置にお
ける算出手段は、前記記憶手段に格納されたデジタル値
の系列より自己相関係数を算出する自己相関係数算出手
段と、前記自己相関係数についてラグを変数とする関数
のとる値よりも大きく且つ微分値が正から負に変化する
複数の極大点を第２の極大点集合とする第２の極大点検
索手段と、前記第２の極大点集合の最大値を持つ要素が
示す第１のラグを患者の心拍または呼吸の基本周期を整
数倍した時間と仮定し前記第１のラグを整数分割した第
２のラグ近傍に前記第２の極大点集合の要素が存在する
か否かを検索し検索に成功すれば検索された要素の示す
前記第２のラグを基本周期とし失敗すれば前記第１のラ
グを基本周期とする基本周期算出手段と、前記基本周期
より単位時間当りの呼吸数・心拍数を計算する計算手段
とを備えたものである。

【００１７】

【００１８】

【作用】上記構成によって本発明の生体情報処理装置
は、生体情報獲得装置１が患者の体動・呼吸・心拍等を
非接触で検出し電気信号として出力し、次にＡ／Ｄ変換
回路により、信号がデジタル値に変換され、演算回路で
患者の在床・不在床、入眠の検知、心拍・呼吸数等の算
出が行われる。

【００１９】また、本発明の生体情報処理装置の演算回
路における閾値決定手段は、格納されたデジタルより第
１の極大点探索手段により第１の極大点集合が求めら
れ、判断手段が第１の極大点集合と閾値より閾値の更新
をするか否かを判断し、更新する場合には更新手段によ
り閾値が更新される。

【００２０】そしてまた、本発明の生体情報処理装置の
演算回路における算出手段は、格納されたデジタル値よ
り自己相関係数算出手段により自己相関係数が算出さ
れ、第２の極大点検索手段が第２の極大点集合を求め
る。求められた第２の極大点集合より、基本周期算出手
段が基本周期を求め、計算手段が単位時間あたりの心拍
数又は呼吸数を計算する。

【００２１】

【００２２】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

【００２３】図１は本発明の第１の実施例を説明するブ
ロック図である。図において、１は生体情報獲得装置で
あって、ポリフッ化ビニリデン等の圧電素子２、フィル
タ回路３、増幅回路４、整流回路５、積分回路６より構
成されている。生体情報獲得装置１は、以下Ａ／Ｄ変換
回路７、演算回路８の順に接続されている。図２は演算
回路８のブロック図である。入力となるＡ／Ｄ変換値は
記憶手段９に格納され閾値決定手段１０、判定手段１
１、算出手段１２に送られるよう構成されている。同時
に閾値決定手段１０の出力も、判定手段１１及び算出手
段１２の入力となるよう構成されている。

【００２４】次に第１の実施例の作用について説明す
る。圧電素子２は患者の体動・呼吸・心拍等を非接触で
検出し電気信号として出力し、フィルタ回路３は入力と
なる電気信号に対して必要な生体情報つまり粗体動・呼
吸・心拍等に対応する周波数帯域の信号を抽出する。こ
れにより生体情報とは無関係な周波数成分、例えば交流
の５０あるいは６０Hzなどを除去する。増幅回路４はフ
ィルタ回路２で抽出された信号を適当なレベルまで増幅
する。整流回路５は交流信号を直流成分のみからなる信
号に整流し、積分回路６が整流された信号を積分する。
次にＡ／Ｄ変換回路７により、信号がデジタル値に変換
される。このときのサンプリング周波数は、例えば心拍
を検出するのであれば２０Hz以上であればよい。変換後
のデジタル値は演算回路８に送られてここで患者の在床
・不在床、入眠の検知、心拍・呼吸数等が算出される。

【００２５】演算回路８においては記憶手段９が連続し
て送られてくるＡ／Ｄ変換されたデジタル値を順次格納
する。このとき格納するデータの個数はサンプリング周
波数に依存する。心拍の算出を行うのであれば少なくと
も５秒程度分のデータが必要なので、サンプリング周波
数が２０Hzのときは１００個のデータを保持しなければ
ならない。格納したデータの個数が１００に達すると一
番古いデータを消去し、新しく送られてきたデータを記
憶する。

【００２６】次に閾値決定手段１０が格納されたデジタ
ル値より細体動と粗体動を区別する閾値を決定する。決
定された閾値と格納されたデジタル値を用いて判定手段
１１は在床・不在床の判定及び体動静止時間のカウント
による入眠の検知を行い、算出手段１２は心拍または呼
吸数の算出を行う。

【００２７】在床・不在床の判定は、格納された１００
個のデータ中にその値が０であるものを検索することに
よって行う。圧電素子１からの信号は整流され、積分さ
れているので患者が在床しているかぎり細体動を検出し
て値が０になることはない。荷物が寝床に置かれた場合
は、一時的に値が大きくなるがすぐに０レベルに戻る。
これによって、ヒトが入床した場合と、ものが置かれた
場合とが区別される。不在の条件としては一個でも０の
データがあれば不在とする方法のほか、０レベルのデー
タの個数が全体の１００個のデータに対して何パーセン
トを占めるかで判断する方法をとってもよい。

【００２８】入眠の検知については、在床状態であって
且つ新しく入力されるデジタル値が細体動と粗体動を区
別する閾値を越えない時間、即ち体動静止時間が１５分
に達したことによって判定する。なお、この１５分とい
う時間は発明者らのグループによる実験でえられたもの
である。

【００２９】次に本発明の第２の実施例について説明す
る。図３は本発明の第２の実施例のブロック図である。
図において、第１の極大点検索手段１３は第１の極大点
集合を判断手段１４に送るよう接続されている。判断手
段１４の入力としては現在の閾値（初期値は本第２の実
施例では１０ｖ）も与えられる。判断手段１４の出力は
更新手段１５の入力となるよう接続されている。

【００３０】次に第２の実施例の作用について説明す
る。図４は閾値決定手段１０における信号処理の流れ図
である。いま記憶手段９に格納されているデータ数をＮ
とするとき、各データをｄａｔａ（ｉ）と表すことにす
る（０≦ｉ≦Ｎ）。また第１の極大点集合の要素数をＰ
とするとき、各要素をｐｅａｋ（ｊ）と表すことにする
（０≦ｊ≦Ｐ）。

【００３１】制御変数ｘ，ｙを初期化した後、ｄａｔａ
（ｘ）が極大点か否かを調べる。極大点か否かの判断は
ｄａｔａ（ｘ）の微分値ｄａｔａ’（ｘ）が正から負に
変わる点であるかどうかを調べればよい。もし極大点な
らばｐｅａｋ（ｙ）にｘを代入し次の極大点を捜す。

【００３２】Ｐ個の極大点が見つかればｐｅａｋ（ｊ）
のそれぞれに対応する値ｄａｔａ（ｐｅａｋ（ｊ））の
最大値ｐｍａｘを求める。ｐｍａｘと現在の閾値の差が
定数Ｖ１以上であれば閾値の変更は行わない。Ｖ１未満
の時、ｄａｔａ（ｐｅａｋ（ｊ））の最小値ｐｍｉｎを
求める。ｐｍａｘとｐｍｉｎの差が定数Ｖ２以上であれ
ば閾値の変更は行わない。Ｖ２未満の時、次式により各
極大点の平均間隔ｐｉｎｔを求める。

【００３３】

【数１】

【００３４】ｐｉｎｔと各間隔との差を定数Ｖ３と比較
する。Ｖ３以上の差が一つでもあれば閾値の変更は行わ
ない。全ての差がＶ３未満の時、閾値をｐｍａｘに予想
される変動分の電圧を加えた値に更新する。予想される
変動分とは、粗体動とは無関係におこる心拍による振動
幅の変動である。これを考慮しないと、心拍による振動
幅が少し大きく変動しただけで、粗体動が起こったと判
断されてしまう。以上のようにして更新された閾値は、
また次の更新の対象となる。

【００３５】図５−（ａ）に粗体動を含んだ場合の、ｄ
ａｔａ（ｉ）の変動、図５−（ｂ）に心拍による細体動
のみの変動を示す。先の説明でｐｍａｘとは図５−
（ａ）では値ｐ１を指し、図５−（ｂ）ではｐ１および
ｐ３を指す。またｐｍｉｎでは図５−（ａ）ではｐ３お
よびｐ５を指し、図５−（ｂ）ではｐ２，ｐ４，ｐ５を
指す。さらに極大値の間隔とは図５−（ａ），（ｂ）と
もＩＰＩ１〜ＩＰＩ４を指す。このとき図５−（ｂ）の
場合にのみ閾値の更新が行われる。

【００３６】次に本発明の第３の実施例について説明す
る。図６は本発明の第３の実施例のブロック図である。
図中、自己相関係数算出手段１６は算出結果を第２の極
大点検索手段１７に出力するよう接続されている。第２
の極大点検索手段１７は基本周期算出手段１８と、さら
に基本周期算出手段１８は計算手段１９と接続されてい
る。

【００３７】図７は算出手段１２における信号処理の流
れ図である。自己相関係数を求める場合にはまず自己相
関関数を求める。自己相関関数はある時点の値とそこか
ら任意の時間（ラグと呼ばれている）τだけ離れた時点
の値との相関を表す関数である。本実施例では２０Hzの
サンプリングレートにより離散データを得ているため、
τはｐ・Δｔと表すことが出来る。ｐはサンプリングデ
ータの個数、Δｔはサンプリング周期を表す。ラグの最
大値τｍａｘはＮ・Δｔを超えない範囲で設定しなけれ
ばならない。Ｍ＝Ｎ−τｍａｘとしたとき、一般に自己
相関関数Ｃ（ｐ）は、

【００３８】

【数２】

【００３９】で求められる。しかし本実施例では原波形
に対し整流及び積分処理が施されているため、ｄａｔａ
（ｉ）には直流成分

【００４０】

【外１】

【００４１】が含まれているとみることが出来るから、
Ｃ（ｐ）は以下のようにして求める方がよい。

【００４２】

【数３】

【００４３】

【数４】

【００４４】自己相関係数Ｒ（ｐ）は、以下の式で得ら
れる。Ｒ（ｐ）＝Ｃ（ｐ）／Ｃ（０）図８で求められた自己相関係数をグラフにしたものであ
る。これに対し本第３の実施例では、まず第２の極大点
集合の要素として点ｃ，ｄ，ｅが求められる。次にこの
内の最大値ｅに対応する周期を仮の基本周期とする。こ
れは、真の基本周期の整数倍である可能性があるため、
その整数分の１の周期の近傍に第２の極大点集合の要素
があるかを探索する。本第３の実施例では点ｃがそれに
あたるので、点ｃに対応する周期を基本周期Ｔとする。

【００４５】基本周期Ｔが得られると、単位時間あたり
の心拍数が算出できる。１分あたりの心拍数ＨＲは、ＨＲ＝６０・サンプリング周波数／Ｔでえられる。もちろんフィルタ回路２の特性を変えれ
ば、呼吸数の算出もまったく同じ方法で可能である。

【００４６】

【００４７】

【００４８】

【００４９】

【００５０】

【００５１】なお、モニター出来る情報としては、これ
までに述べた患者の在床・不在床、入眠・覚醒、心拍・
呼吸数以外にも波形データそのものも通信可能である。
さらに、通信方式を汎用のＬＡＮに対応させれば病室の
室温や湿度、明るさなども同時にモニターすることが出
来る。また本実施例では４人の患者をモニターする例を
述べたが、もちろん通信ケーブルの情報転送量に余裕が
ある限り患者を何人も増やすことが出来る。なお、図１
１に、モニター画面の１例を示す。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の生体情報処
理装置とそのモニター装置によれば次の効果が得られ
る。

【００５３】１．全ての患者の状態をリアルタイムでモ
ニターしているため、患者の容態急変にも素早く対応で
きる。

【００５４】２．患者間あるいは患者内の波形レベルの
変化に対応できるよう粗体動・細体動の判定閾値を常に
更新できるため、最もセンシティビティの高い状態を維
持することができる。

【００５５】３．自己相関係数を用いて心拍数・呼吸数
の算出を行なうためかなりのノイズを含んだ波形からで
も正確な心拍呼吸数を求めることができる。

【００５６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における生体情報処理装
置のブロック図

【図２】同装置の演算回路のブロック図

【図３】本発明の第２の実施例における閾値決定手段の
ブロック図

【図４】同装置の閾値決定手段のフローチャート

【図５】同装置の原波形のグラフ

【図６】本発明の第３の実施例における算出手段のブロ
ック図

【図７】同装置の算出手段のフローチャート

【図８】同装置の自己相関係数のグラフ

【図９】従来のモニター装置の構成図

【図１０】従来の集中型モニター装置のブロック図

【符号の説明】

１生体情報獲得装置７Ａ／Ｄ変換回路８演算回路１３第１の極大点検索手段１４判断手段１５更新手段１６自己相関係数算出手段１７第２の極大点検索手段１８基本周期算出手段１９計算手段２１通信ケーブル２２インタフェース装置２３コンピュータ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】寝具またはベッドに配設され患者の体動・
呼吸・心拍等を非接触で検出し電気信号に変換する生体
情報獲得装置と、前記生体情報獲得装置からの信号をデ
ジタル値に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記Ａ／Ｄ変換
回路により変換されたデジタル値より患者の在床・非在
床の判断、入眠の判断及び呼吸数・心拍数の算出を行な
う演算回路を有し、前記演算回路は、前記デジタル値を
複数個記憶しておく記憶手段と、患者の呼吸・心拍等の
細体動と寝返り等の粗体動を識別する閾値を前記デジタ
ル値のレベルに応じて決定する閾値決定手段と、前記記
憶手段に格納されたデジタル値および前記閾値を用いて
患者の在床および入眠を判定する判定手段と、患者の単
位時間当りの呼吸数・心拍数を算出する算出手段とを備
えた生体情報処理装置。
【請求項２】閾値決定手段は、デジタル値の微分値が正
から負に変化する複数の極大点を第１の極大点集合とし
て求める第１の極大点検索手段と、前記第１の極大点集
合の最大値が閾値を一定以上超えず前記最大値と最小値
の差が予め設定された電圧以下でかつ前記第１の極大点
集合の要素間の間隔の最大値と最小値の差が予め設定さ
れた時間以内であることを判断し判断信号を出力する判
断手段と、前記判断信号からの出力を受けて前記第１の
極大点集合の最大値に一定のオフセット電圧を加えた値
を閾値と決定する更新手段とを備えた請求項１記載の生
体情報処理装置。
【請求項３】算出手段は、記憶手段に格納されたデジタ
ル値の系列より自己相関係数を算出する自己相関係数算
出手段と、前記自己相関係数についてラグを変数とする
関数のとる値よりも大きく且つ微分値が正から負に変化
する複数の極大点を第２の極大点集合とする第２の極大
点検索手段と、前記第２の極大点集合の最大値を持つ要
素が示す第１のラグを患者の心拍または呼吸の基本周期
を整数倍した時間と仮定し前記第１のラグを整数分割し
た第２のラグ近傍に前記第２の極大点集合の要素が存在
するか否かを検索しこの検索に成功すれば検索された要
素の示す前記第２のラグを基本周期とし失敗すれば前記
第１のラグを基本周期とする基本周期算出手段と、前記
基本周期より単位時間当りの呼吸数・心拍数を計算する
計算手段とを備えた請求項１記載の生体情報処理装置。