JP4414152B2

JP4414152B2 - 寝具上の人体からの情報をモニタリングする装置

Info

Publication number: JP4414152B2
Application number: JP2003102257A
Authority: JP
Inventors: 石雄二宮; 良治米澤; 泰彰宮本; 弘倫槇; 英邦小川; 孝治佐田; 眞悟濱田
Original assignee: 石雄二宮
Priority date: 2003-03-01
Filing date: 2003-03-01
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2023-03-01
Also published as: JP2004261542A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、病院、養護老人施設、介護施設等の各種施設、又は在宅などにおいて使用され、姿勢・行動及び生体情報をモニタリングするシステムに関するもので、特に寝具上の人の状態を検知するシステムに関するものである。
【０００２】
本発明の姿勢・行動及び生体情報モニタリングシステムは、例えば、寝具上の人の姿勢が座位であるか臥位であるか、離床前か、離床か、寝具上の人の体動、呼吸、脈波を検出し、それらの２４時間記録と同時に、姿勢、行動、異常の有無をリアルタイムで検出し、異常時の警告と２４時間記録データの取得とに使用するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来の在床状態を検出するシステムは、離床した患者が圧力検知マットを踏むことで、離床を監視する装置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。ベッドの足に加重センサーを置き患者の状態を検出する装置もある（例えば、特許文献２参照）。離床パターンを判定することで離床の信頼性を高める離床検知システムもある（例えば、特許文献３参照）。天井に備え付けた発光ダイオード（ＬＥＤ）と位置検出素子（ＰＳＤ）により在床状態検知装置もある（例えば、特許文献４参照）。重量検出素子によりベッド上の重心位置を計算し離床、活動状態、端座を検出する介護支援装置もある（例えば、特許文献５参照）。ベッド上に複数の加重センサーを配置し、荷重分布からベッド上の姿勢、位置を検出するベッドモニタ装置もある（例えば、特許文献６参照）。天井に取り付けたカメラにより被監視者の位置を検出し、離床を検出する人体検知装置もある（例えば、特許文献７参照）。ベッド左右に設置された光学センサーとカメラにより患者が離床および転落を行う前に検出する装置もある（例えば、特許文献８参照）加速度センサーを使用して、在床、寝返りや発作を検出するものもある（例えば、特許文献９参照）。
【０００４】
ベッド上での呼吸を測定する方法としては、圧力センサーを使用して検出するものもある（例えば、特許文献１０参照）。また、カメラを使用して検出するものもある（例えば、特許文献１１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−９４５２５号公報
【特許文献２】
特開２０００−１０５８８４号公報
【特許文献３】
特開平１１−７６１７８号公報
【特許文献４】
特開２０００−２４１５６１号公報
【特許文献５】
特開２０００−３１６９１５号公報
【特許文献６】
特開２００１−２５８９５７号公報
【特許文献７】
特開２００１−３０７２４６号公報
【特許文献８】
特開２００２−９５７０６号公報
【特許文献９】
特開２００１−３２７４８２号公報
【特許文献１０】
特開２００２−３３６２０７号公報
【特許文献１１】
特開２００２−１７５５８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
圧力検知マットを使用する場合、離床前の検出は不可能であり、また、ベッドの周りに圧力検知マットを敷き詰める必要がある。それらのマットを他の人が踏むことによる誤動作も考えられる。またベッドの脚下に過重センサーを設置した場合、誤動作の恐れも多く、ベッド上の位置、姿勢等の検出は不可能である。離床パターンを使用したものは、誤動作は少なくなるが、検出までに時間がかかる。また、天井からの距離を測定するセンサーは、天井に距離センサーを設置しなければならず、ベッドの自由な配置や移動が困難である。重心を検出するシステムでは、ベッドを脚下に設置した重量センサーで測定するため、患者の位置は検出できるが姿勢までは検出できない。複数の加重センサーを使用する方式では、センサーの費用や設置コストの問題がある。また、寝具の取替えが行いにくい問題もある。天井カメラによる方法は、ベッドの位置が制限される上、夜間での検出に問題がある。光センサーおよびカメラを使用したシステムでは、光センサーを布団など被監視者以外が遮った時誤動作をする恐れがある。加速度センサーの使用は静止（安静）状態における人の検出を行うことが出来ない問題がある。
【０００７】
体動、呼吸および脈波の生体情報の検出は、いずれの場合も離床検出と同様なセンサーを使用しており同じような問題が考えられる。
【０００８】
以上今までのシステムでは、高価なセンサーを複数使用するなどコストがかかる上、検出までの時間や誤動作の恐れもある。
【０００９】
本発明は、上記の従来の課題を克服し、ベッド上の人の姿勢、体動、呼吸、脈波、離床前、離床を検出、記録、通報を可能とし、更に、信頼性の高い低コストの姿勢・行動及び生体情報モニタリングシステムを提供し、社会に貢献することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る情報モニタリング装置は、寝具上の人体からの情報をモニタする装置であって、商用交流電圧によって寝具上の人体に静電誘導された電圧を検出する誘導電圧検出手段と、誘導電圧検出手段により検出された電圧に基づき、人体の姿勢、離床または体動に関する情報を得るデータ処理手段とを備える。誘導電圧検出手段は、寝具もしくは敷布上に設置された電極に接続され、高入力インピーダンス特性を有するインピーダンス変換器と、電極上に誘導された交流電圧をインピーダンス変換器を介して入力し、入力した交流電圧の飽和を防止するためのディジタルポテンシオメータと、入力した交流電圧に含まれる信号成分の中の商用交流電圧と等しい周波数の信号成分を通過させるバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタからの出力信号の電圧の最大値を取り出す包絡線検波回路と、包絡線検波回路の出力を加算し増幅する加算増回路とを含む。寝具とは、ベッド、布団、マットレス、枕のことである。人体からの情報とは、体動、呼吸、脈波、姿勢、離床前、離床のことである。
【００１２】
本発明は、人体に誘導する商用交流電圧の検出に寝具上、もしくは、それらの上に使用される敷布に設置したセンサーにより行ってもよい。敷布とは、布・皮・ナイロン、ポリエステル、毛を素材とし寝具上に置かれたもの、または、寝具全体を包むものである。
【００１３】
本発明は導電性マテリアルの誘導電極のみのセンサーを使用してもよい。導電性マテリアルの誘導電極とは、金属、導電性織布、導電性ゴム、導電性カーボン、導電性ポリマー、導電性プラスチック、導電性ナイロン、導電性シリコン、導電性高分子、導電性セラミックスで作られたセンサーである。
【００１５】
本発明は、人体に誘導する商用交流電圧を検出する手段で、姿勢、離床前および離床の判断をしてもよい。姿勢とは、臥位、座位である。
【００１６】
本発明は、検出された誘導電圧が一定以上の場合は在床していると判断し、一定値以下の場合は離床していると判断してもよい。
【００１７】
本発明は、寝具上に配置した誘導電極で人体に誘導した商用交流電圧が人体と誘導電極との接触面積で変動することに着目し、人の呼吸、脈波を含む体動の検出をおこなってもよい。
【００２３】
以上のような構成とすることにより、本発明によれば、寝具上の人体の有無や姿勢、離床前を容易に得ることができると共に、体動、呼吸、脈波の同時検出を可能にする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態として一実施例を図１から図７を用いて説明する。
【００２５】
図１にベッドあるいは布団における姿勢、体動、離床前及び離床検出の原理を示す。導電体である生体６は病院、福祉施設等の電灯線、電力線の１００Ｖ及び２００Ｖの商用交流電源線１（東日本では５０Ｈｚ、西日本では６０Ｈｚ）との間に静電容量２（Ｃ_ａｂ）を形成し、その容量を介して電源線の交流電圧を静電誘導する。本来、静電誘導される交流電圧は心電図、脳波記録において雑音として取り扱われ除去されるが、本研究では、この交流電圧を信号源として使用し、患者及び入所者の姿勢、体動、離床前及び離床状態のモニタリングを行なう。モニタリングはベッドあるいは布団４の敷布７（絶縁物）の裏に装着した金属電極３と生体６との間に形成される静電容量５（Ｃｂｅ）を介して、生体６に誘導された交流電圧を金属電極３で静電誘導することで行なう。
【００２６】
図２に、図１の状態で生体６をステンレス箔電極に敷布７を介して接触させ、その接触面積と静電誘導された交流電圧との関係を示す。記録は、入力抵抗１０ＭΩのインピーダンス変換器１４を介して行なった。この結果、生体６が電極に接していない状態で静電誘導された交流電圧の最大値は０．６９Ｖを示し、接触面積が大きくなるにしたがい交流電圧が高くなり１５ｃｍ^２で４．０５Ｖを示した。従って、患者及び入所者が電極上にいる場合、接触面積が大きくなり記録される交流電圧は高い電圧を示すことから、患者及び入所者の検出を容易に行うことが出来る。患者及び入所者がベッドあるいは布団４上で動いた揚合、動きに応じて接触面積が変動することから静電誘導される交流電圧は変動し、体動として記録することが出来る。
【００２７】
更に、図３に示すような２次元に配置した電極を用いて、臥位、座位の姿勢、離床前及び離床検出が可能になる。図３に示す患者行動モニタリングシステムの電極は、ベッドあるいは布団４上で使用することから可擦性のある導電性織布電極とし、表面抵抗０．０７Ω／１００ｃｍ^２を有す厚さ２５０μｍ、０．５ｃｍ幅のＰＥＴ／Ｃｕ＋Ｎｉ製導電性布テープ（星和電機、Ｅ０５０５２０Ｎ）と導電性織布（星和電機、Ｅ０２Ｆｌ）を使用した。これらの導電性織布電極は綿製の敷布７の裏に接着した。電極１９と電極２１０の電極は８５×０．５ｃｍの導電性布テープ２枚を上半身、背部との接触を考慮し１５ｃｍ及び１０ｃｍ間隔とし、その中央を０．５ｃｍ幅の導電性布テープで短絡した。電極１１９と電極２１０の電極問は３５ｃｍとした。電極３１１の電極は接触面積が小さくなる足と確実に接触させる必要から８５×３０ｃｍの導電性織布を用いた。これら電極１９〜電極３１１の電極は患者及び入所者の姿勢と体動の検出に使用する。電極４１２の左右の電極は１６０×０．５ｃｍの導電性布テープを使用し、離床前の状態を検出する。敷布７の最上部と下部の電極５１３は８５×０．５ｃｍの導電性布テープを使用し、身体が接触しない場所に設置することでベッドあるいは布団４周囲の交流電源線の状態に応じて静電誘導される交流電圧を常時モニターする。このモニター電圧は電極１９〜電極４１２における人の存在を判断する闇値設定に使用する。
【００２８】
図４に開発した患者行動モニタリングシステムのブロック図を示す。システムは１０ＭΩの高抵抗、インピーダンス変換器１４、ディジタルポテンシオメータ１５、バンドパスフィルタ１６、包絡線検波回路、加算増幅回路２１、４個のトグルスイッチ、２個の１０進サムロータリースイッチ及び８ビットマイクロコンピュータ２７（マイクロチップ、ＰＩＣ１６Ｃ７７４）で構成した。
【００２９】
電極１９〜電極５１３の電極はシールド線を用いて１０ＭΩの抵抗と１０^１３Ωの高入力インピーダンス特性を有す演算増幅器で構成したインピーダンス変換器１４に接続した。但し、電極４１２の左右電極及び電極５１３の最上部と下部電極からのシールド線はそれぞれのインピーダンス変換器１４の入力端子で短絡した。ディジタルポテンシオメータ１５は記録した交流電圧が飽和しないようマイクロコンピュータ２７によって調整される。６０Ｈｚのバンドパスフィルタ１６は静電誘導した交流電電圧に含まれるラジオあるいは他の装置による影響を除去し、電源線からの６０Ｈｚの交流電圧のみを取り出した。包絡線検波回路は検出された交流電圧の最大値を取り出す。加算増幅回路２１は時定数０．３秒の微分入力回路で構成し、０．５Ｈｚ以上の周波数成分を持つ電極１９〜電極３１１の包絡線検波回路出力を加算し１２ｄＢ増幅する。加算増幅回路２１出力電圧はベッドあるいは布団４上の患者及び入所者の姿勢変化及び動きに伴う体動を示す。
【００３０】
マイクロコンピュータ２７は包路線検波回路及びハイパスフィルタからの出力を内蔵の１２ビットＡ／Ｄ変換器によりサンプリング周波数２０Ｈｚで取り込む。スイッチ１〜スイッチ４のトグルスイッチとロータリースイッチ１２４〜ロータリースイッチ２２５の１０進サムロータリースイッチは患者及び入所者の介護、保護項目及び条件の設定を行ない、これらの項目と条件に該当する場合にマイクロコンピュータ２７が介護、保護者に通報を行なう警報装置に信号を出す。スイッチ１は臥位から座位への姿勢変化時に通報を要求する場合にセットされ、特にベッドから離床する事が考えられる排個性の患者及び入所者において、電極４１２による離床前の検出以前に警告することで早期保護を可能にする。スイッチ２は、安静状態が長時間継続することが考えられないことから、設定時間以上の体動がない場合、身体状態のチェック要求を設定する。スイッチ３はベッドからの転落及び排掴者の早期保護を目的に離床前の通報をセットする。スイッチ４は離床の通報をセットする。ロータリースイッチ１２４は体動の安静状態継続時間を１０分から最大１時間３０分まで１０分間隔で設定する。ロータリースイッチ２２５は離床後に通報する時間の設定を０分から４０分まで５分間隔で設定する。
【００３１】
図５に本システムのフローチャートを示す。マイクロコンピュータ２７は最初にスイッチ１〜スイッチ４及びロータリースイッチ１２４〜ロータリースイッチ２２５にセットされた患者及び入所者の介護、保護に必要な通報項目及び通報条件を取り込む。次に、静電誘導される交流電圧は電源線とベッドあるいは布団４の設置場所により左右されることから、患者及び入所者がベッドあるいは布団４にいない状態下において電極１９〜電極５１３で静電誘導した交流電圧の最大値を取り込み、１Ｖになるようディジタルポテンシオメータ１５で初期設定する。従って、患者及び入所者の在床はこの電圧を基準として検出されるが、臥位状態で電極４１２上に腕や、足を置いた場合、離床前と判断される問題が生じる。そこで、姿勢検出の閥値は１０人の被験者で臥位状態において腕、足を電極４１２上に置いた場合の最大変動電圧で設定した。最大変動電圧は、両手、両足を電極４１２上に置いた場合で０．９４Ｖであったことから、閥値を１．９４Ｖに設定した。安静状態を検出する体動の閥値は１０人の被験者で臥位安静状態において記録した加算増幅回路２１出力の最大電圧変動が０．０３Ｖであったことから、この値に設定した。
【００３２】
初期設定したこれらの閥値は、静電誘導される交流電圧がベッドあるいは布団４の設置場所周囲の電源線との関係で時々刻々変動することから、常時電極５１３で記録した電圧と初期設定電圧１Ｖとの比率で変化させた。
【００３３】
姿勢の検出において、臥位は図６（ａ）に示すよう電極１９、電極２１０と電極３１１が同時に閥値以上となった場合に検出される。座位は、電極１９、電極２１０、電極３１１単独か電極１９と電極２１０、電極２１０と電極３１１とが同時に闇値以上となった場合に検出される（図６（ｂ））。離床前は電極４１２の電圧が闇値以上となった場合に検出される（図６（ｃ））。離床は電極１９〜電極４１２全ての電圧が閥値以下の場合に検出される（図６（ｄ））。
【００３４】
マイクロコンピュータ２７は設定された介護、保護項目及び条件に基づいて通報の判断を行い、通報が必要となれば外部の通報機器（院内ＰＨＳ，ナースコール等）を介して警報を出す。
【００３５】
実験は５階建てビル３階に設置した在宅介護ベッド（フランスベッド、ＦＢ−６６０）を用いて行った。電源線はビルの３階の天井と床下に単相１００Ｖと３相２００Ｖが配線されており、ベッドの真上２ｍの天井に蛍光灯の照明とベッドから１ｍ離れた場所に１００Ｖの電源コンセントがある状態で実験を行った。実験中の被験者の行動はインターネット用ビデオカメラで連続モニターした。被験者は健康な２２歳の男性で、綿製のアンダーシャツ（Ｔシャツ）とトランクスの上に病院で使用している病院着（ナガイ、ヘルスヘルパー）を着た状態で実験を行なった。実験は、敷布７のみをベッドに敷いた場合と敷布７上にゴム布防水シート（クニイ、Ｍ０５０９−０１）及び綿製のタオルケットを重ねて敷いた場合の２条件で行った。
【００３６】
図７に敷布７のみをベッドに敷いた条件で２４時間連続記録した姿勢、離床前、離床状態及び体動（加算増幅回路２１出力電圧の全波整流波形）の結果を示す。実験結果は、何れの条件においてもビデオカメラで求めた行動結果と一致した。興味ある所見は０時から７時の間仰臥位で睡眠中著名な加算増幅回路２１出力電圧の増加、即ち体動が記録された。
【００３７】
次に、福祉施設では昼間普段着によるベッドあるいは布団４の使用が考えられることから厚手の下着（ズボン下及びシャツ）、ズボン、ポロシャツ、セータ及び綿製ジャンパの重ね着状態で１２時間連続記録実験を行った。この実験においても、結果はビデオで求めた結果と一致した。
【００３８】
ベッドあるいは布団４周囲での交流電源を使用した機器による影響は、枕もとに白熱灯の照明スタンドを置いて実験を行うことで求めた。結果は影響を受けることなく検出可能であった。従って、病院におけるベッドあるいは布団４周辺の交流電源を使用した医療機器による検出に対する影響はないと考えられる。しかし、金属フレームのベッドを使用し、フレームをアースしている状態において身体がフレームに接触した場合誘導される交流電圧は低下しモニター出来ない問題がある。
【００３９】
本システムは病院，福祉施設での２４時間に亘る患者及び入所者の姿勢、体動、離床前及び離床状態のモニタリングから介護，保護を可能にするが、本システムがマイクロコンピュータ２７を用いて構築されていることより半導体メモリーＥＥＰＲＯＭをシステムに付加することで、姿勢及び体動の２４時間連続記録を行うことが出来る。２４時間の姿勢記録は臥位と座位の時間経過、割合の算出を可能にし、患者及び入所者の１日の身体状態の推定を可能にする。
【００４０】
体動の記録は姿勢以上に患者及び入所者の身体状態に大きく左右されることから安静状態と活動状態の時間経過を知ることでよりきめ細かな介護データの供給を可能にする。
【００４１】
臥位の姿勢と安静継続時間の両データは寝たきり状態の患者及び入所者で問題になる褥そう防止に利用可能で、一定時間ごとの体位変換の介護に使用することができる。
【００４２】
システムへのメモリー付加は姿勢，体動及び離床の２４時間記録に亘る行動及び身体状態の把握を可能にし、保護者及び介護者に患者及び入所者のより詳細な保護、介護データを供給することが出来る。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明により、信頼性が高い、低コストの姿勢、離床前、離床、体動、呼吸の検出が可能となる。
【００４４】
本発明は、開発した患者行動モニタリングシステムによる姿勢、体動、離床前及び離床状態の検出はどのようなセンサーも使用することなく、ベッドあるいは布団４上の敷布７裏に２次元配置した導電性織布電極のみで構成され、電灯線、電力線の商用交流電源線から患者及び入所者に静電誘導される交流電圧を信号として記録することで行った。
【００４５】
本システムでは、日常生活環境下における電灯線、電力線の交流電圧を信号源として使用することで、特別な信号源を必要とせず姿勢、体動、離床前及び離床状態のモニタリングを可能にした。
【００４６】
本システムは病院、福祉施設におけるベッドあるいは布団にかかわらず使用可能であり、モニタリングシステムの設置を意識させることなく２４時間に亘る患者及び入所者の早期介護、保護を可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】姿勢、体動、離床前及び離床検出の原理図
【図２】接触面積と静電誘導された交流電圧の関係図
【図３】導電性織布電極配置図
【図４】患者行動モニタリングシステムブロック図
【図５】姿勢、体動、離床前及び離床検出フローチャート図
【図６】姿勢と検出電極の関係図
【図７】２４時間連続記録した姿勢、離床前、離床状態及び体動（加算増幅回路出力電圧）記録図
【符号の説明】
１商用電源１００Ｖｏｒ２００Ｖ（５０Ｈｚｏｒ６０Ｈｚ）
２電源線−生体間静電容量（Ｃ_ａｂ）
３金属電極
４ベッドあるいは布団
５生体−金属電極間静電容量（Ｃ_ｂｅ）
６生体
７敷布
８抵抗（Ｒ）
９電極１（ＥＬ１）
１０電極２（ＥＬ２）
１１電極３（ＥＬ３）
１２電極４（ＥＬ４）
１３電極５（ＥＬ５）
１４インピーダンス変換器
１５ディジタルポテンシオメータ
１６バンドパスフィルタ（Ｆｃ＝６０Ｈｚ）
１７反転増幅器（４０ｄＢ）
１８包絡線検波回路（ＥＬ１用）
１９包絡線検波回路（ＥＬ２用）
２０包絡線検波回路（ＥＬ３用）
２１加算増幅回路（１０ｄＢ）
２２包絡線検波回路（ＥＬ５用）
２３スイッチ１〜４（ＳＷ１〜４）
２４ロータリースイッチ１（ＲＳ１）
２５ロータリースイッチ２（ＲＳ２）
２６通報信号
２７マイクロコンピュータ
２８人を検出した電極
２９人を検出しない電極

Claims

商用交流電圧によって寝具上の人体に静電誘導された電圧を検出する誘導電圧検出手段と、
前記誘導電圧検出手段により検出された電圧に基づき、人体の姿勢、離床または体動に関する情報を得るデータ処理手段とを備え、
前記誘導電圧検出手段は、寝具もしくは敷布上に設置された電極に接続され、高入力インピーダンス特性を有するインピーダンス変換器と、前記電極上に誘導された交流電圧を前記インピーダンス変換器を介して入力し、前記入力した交流電圧の飽和を防止するためのディジタルポテンシオメータと、前記入力した交流電圧に含まれる信号成分の中の商用交流電圧と等しい周波数の信号成分を通過させるバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタからの出力信号の電圧の最大値を取り出す包絡線検波回路と、前記包絡線検波回路の出力を加算し増幅する加算増回路とを含む、
寝具上の人体からの情報をモニタする情報モニタリング装置。
前記誘導電圧検出手段は、寝具上、もしくは、寝具上に使用される敷布に設置した電極を含むことを特徴とする請求項１の情報モニタリング装置。
前記誘導電圧検出手段の電極は、導電性マテリアルの誘導電極のみを使用したことを特徴とする請求項２の情報モニタリング装置。
前記誘導電圧検出手段は、人体と、寝具上もしくは敷布に設置した電極との間の静電容量を介して、寝具上の人体に誘導された電圧を検出する、ことを特徴とする請求項２の情報モニタリング装置。
前記誘導電圧検出手段は、前記電極を寝具上もしくは敷布上に複数配置し、
前記データ処理手段は、複数電極からの検出結果に基づき、人体の姿勢、離床または体動に関する情報を得る、ことを特徴とする請求項４の情報モニタリング装置。
前記データ処理手段は、前記誘導電圧検出手段により検出された電圧が一定以上の場合は在床していると判断し、一定より小さい場合は離床していると判断する、ことを特徴とする請求項１の情報モニタリング装置。