JP6570585B2 - 体動判定システム、生体状態モニタリングシステム、及びベッドシステム - Google Patents

Description

本発明は、荷重検出器の検出値に基づいてベッド上の被験者の体動の有無を判定する体動判定システム、及び該体動判定システムを含む生体状態モニタリングシステムに関する。

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状態を判定することが提案されている。具体的には例えば、検出した荷重に基づいて被験者の体動の有無を判定することや、被験者の呼吸数の推定を行うこと等が提案されている。

特許文献１は、ベッドの脚の下に配置した荷重センサからの検出値に基づいて、ベッド上の利用者の体動レベルを段階的に判定する体動レベル判定装置を開示している。特許文献２は、ベッドの脚の下に配置した荷重センサの検出結果に基づいて、ベッド上の人に体動があったことを判定することのできる睡眠判定装置及び寝返り検出装置を開示している。

特開２０１４−１９５５４３号公報 特許第５９９８５５９号明細書

本発明は、ベッド上の被験者に体動が生じているか否かを、荷重検出器の検出値に基づいてより高精度に判定することのできる体動判定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体動の有無を判定する体動判定システムであって、
前記ベッド上の被験者の荷重を検出する荷重検出器と、
前記荷重検出器の検出値の非負値化平均値を算出する非負値化平均値算出部と、
前記被験者が呼吸のみを行っている安静期間に算出された前記非負値化平均値に基づいて、前記被験者の体動の有無の判定に用いる閾値を設定する閾値設定部とを備える体動判定システムが提供される。

第１の態様の体動判定システムは、更に前記荷重検出器の検出値の標準偏差を算出する標準偏差算出部を備えても良く、更に前記算出された標準偏差と前記閾値との比較に基づいて前記被験者の体動の有無を判定する判定部を備えてもよい。

第１の態様の体動判定システムは、更に、前記標準偏差が所定値以下である期間を前記安静期間であると決定する安静期間決定部を備えてもよい。第１の態様の体動判定システムにおいて、前記閾値設定部は、前記安静期間決定部が決定した前記安静期間に算出された前記非負値化平均値に基づいて前記閾値を設定してもよい。

第１の態様の体動判定システムにおいて、前記閾値設定部は、前記体動判定システムが前記被験者に体動が生じていると判定した後に、当該判定後の安静期間に前記非負値化平均値算出部が算出する前記非負値化平均値に基づいて前記閾値を再設定してもよい。

本発明の第２の態様に従えば、
ベッド上の被験者の生体状態をモニタする生体状態モニタリングシステムであって、
第１の態様の体動判定システムと、
前記荷重検出器の検出値に基づいて、被験者の呼吸数を算出する呼吸数算出部を備え、
前記呼吸数算出部は、前記体動判定システムが前記被験者に体動が生じていると判定した期間において呼吸数の算出を停止する生体状態モニタリングシステムが提供される。

第２の態様の生体状態モニタリングシステムは、前記体動判定システムの判定結果、及び／又は前記呼吸数算出部により算出された前記被験者の呼吸数に基づいて、前記被験者の在床／離床判定、睡眠／覚醒判定、及び生死判定の少なくとも一つを行う状態判定部を備えてもよい。

本発明の第３の態様に従えば、
ベッドと、
第１の態様の体動判定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４の態様に従えば、
ベッドと、
第２の態様の生体状態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。

本発明の体動判定システムは、ベッド上の被験者に体動が生じているか否かを、荷重検出器の検出値に基づいてより高精度に判定することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る生体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、生体状態モニタリングシステムを用いた生体状態のモニタリング方法を示すフローチャートである。 図４は、体動判定部の具体的な構成を示すブロック図である。 図５は、体動判定部が行う体動判定工程の手順を示すフローチャートである。 図６は、荷重検出器により検出された荷重値の変動の様子を、被験者が呼吸のみを行っている安静期間と、被験者が体動を行っている期間の両方について示す概略的なグラフである。 図７（ａ）、図７（ｂ）は、被験者の呼吸のみに応じて変動する荷重検出器の検出値について、その所定期間の非負値化平均値を求める方法を説明するための説明図である。図７（ａ）は非負値化処理を行う前の検出値の変動の様子を概略的に示すグラフであり、図７（ｂ）は非負値化処理を行った後の検出値の変動の様子を概略的に示すグラフである。 図８は、被験者の呼吸に応じた荷重検出器の検出値の変動の大きさ（標準偏差）と、被験者の小さな体動に応じた荷重検出器の検出値の変動の大きさ（標準偏差）とを、呼吸振幅の小さい被験者、呼吸振幅が平均的である被験者、呼吸振幅の大きい被験者のそれぞれについて概略的に示すグラフである。 図９（ａ）は、被験者の重心が、被験者の呼吸に応じて被験者の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９（ｂ）は、被験者の呼吸に応じた被験者の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グラフである。 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体動判定システム、及び当該体動判定システムを含む生体状態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の体動の有無を判定し、呼吸数を推定する場合を例として説明する。

以下の説明においては、直方形のベッドＢＤ（図２）の中心を中心Ｏとして、中心Ｏを通りベッドＢＤの短手（幅方向）に延びる軸をベッドＢＤのＸ軸とし、中心Ｏを通りベッドＢＤの長手（長さ方向、上下方向）に延びる軸をベッドＢＤのＹ軸とする。ベッドＢＤの平面視において、ベッドＢＤの中心Ｏの右側をＸ軸の正側、左側をＸ軸の負側とし、ベッドＢＤの中心Ｏの上側をＹ軸の正側、下側をＹ軸の負側とする。被験者ＳがベッドＢＤ上に横たわる場合は、一般にＹ軸に沿って横たわり、Ｙ軸方向の正側に頭部を置き、負側に脚部を置く。

図１に示す通り、本実施形態の生体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_１、ＢＬ_２、ＢＬ_３、ＢＬ_４の下端部に取り付けられたキャスターＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４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、内部に体動判定部３１、及び呼吸数算出部３２が構築されている。体動判定部３１において行われる被験者Ｓの体動の有無の判定、及び呼吸数算出部３２において行われる被験者Ｓの呼吸数の算出（推定）について、詳細は後述する。

記憶部４は、生体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生体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。

なお、上記の構成を有する生体状態モニタリングシステム１００の内、制御部３の呼吸数算出部３２を除いた部分が、本実施形態の体動判定システムに相当する。

このような生体状態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状態（体動の有無、呼吸数）をモニタする動作について説明する。

生体状態モニタリングシステム１００を使用した被験者の生体状態のモニタは、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、検出した荷重に基づいて被験者の体動の有無を判定する体動判定工程Ｓ２と、被験者の体動の有無を参酌して被験者の呼吸数を算出する呼吸数算出工程Ｓ３と、体動判定工程Ｓ２の判定結果及び／又は呼吸数算出工程Ｓ３の算出結果を表示する表示工程Ｓ４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_１〜ＢＬ_４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_１、ｓ_２、ｓ_３、ｓ_４と呼ぶ。

［体動判定工程］
体動判定工程Ｓ２では、体動判定部３１が、荷重信号ｓ_１〜ｓ_４の少なくとも１つを用いて、被験者Ｓの体動の有無を判定する。

本明細書及び本発明において「体動」とは、被験者の頭部、胴部（体幹）、四肢の移動を意味する。呼吸や心拍等に伴う臓器、血管等の移動は体動には含まれない。体動は、一例として、被験者Ｓの胴部（体幹）の移動を伴う大きな体動と、被験者の四肢や頭部の移動のみを伴う小さな体動とに分類し得る。大きな体動の一例は、寝返りや起き上がり等であり、小さな体動の一例は、睡眠中の手足や頭部の移動等である。被験者に心拍や呼吸、体動が生じた場合には、これに応じて荷重検出器１１〜１４からの荷重信号ｓ_１〜ｓ_４が変動する。その変動の量は、被験者Ｓの心拍に応じた変動の量、被験者Ｓの呼吸に応じた変動の量、被験者Ｓの小さな体動に応じた変動の量、被験者Ｓの大きな体動に応じた変動の量の順に大きくなる。

なお、本明細書及び本発明に記載する被験者の体動判定において、荷重信号ｓ_１〜ｓ_４の、被験者Ｓの心拍に応じた変動の量は無視できるほどに小さい。そのため、本明細書及び本発明において、「被験者が呼吸のみを行う」や、荷重値、荷重信号が「呼吸のみに応じて変動する」とは、被験者が体動を行っていないことや、荷重値、荷重信号が体動に応じた変動を示していないことを意味し、被験者に心拍が生じていないことや、荷重値、荷重信号が心拍に応じた変動を含んでいないことを意味するものではない。

体動判定部３１は、図４に示すように、直流成分除去部３１１、標準偏差算出部３１２、非負値化平均値算出部３１３、安静期間決定部３１４、閾値設定部３１５、判定部３１６を含む。

体動判定工程Ｓ２は、図５に示すように、直流成分除去工程Ｓ２１、安静期間決定工程Ｓ２２、閾値設定工程Ｓ２３、判定工程Ｓ２４を含む。

体動判定工程Ｓ２において、体動判定部３１は、まず、直流成分除去部３１１を用いて荷重信号ｓ_１〜ｓ_４の各々から直流成分を除去する直流成分除去工程Ｓ２１を行う。直流成分の除去は、具体的には例えば、荷重信号ｓ_１〜ｓ_４の各々について所定期間（一例として１５秒間）の移動平均を求め、求めた移動平均を荷重信号ｓ_１〜ｓ_４の各サンプリング値から除去することにより行う。

以下では、荷重信号ｓ_１〜ｓ_４から直流成分を除去して得られた信号を、それぞれ、荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４と記載する。

続く安静期間決定工程Ｓ２２、閾値設定工程Ｓ２３、判定工程Ｓ２４は、直流成分除去工程Ｓ２１において得られた荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４を用いて実行される。

体動判定部３１は、安静期間決定工程Ｓ２２、閾値設定工程Ｓ２３、判定工程Ｓ２４を実行する前提として、標準偏差算出部３１２における標準偏差σの算出、及び非負値化平均値算出部３１３における非負値化平均値μの算出を、常時実行している。

標準偏差算出部３１２は、直流成分除去工程Ｓ２１において得られた荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４の各々について、その所定のサンプリング期間（一例として５秒間）に含まれるサンプリング値の標準偏差σ_１〜σ_４を常時算出する。

標準偏差は、サンプリング値のばらつきの大きさを表わすため、図６に示すように、荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４の変動の量が小さい期間Ｐ_１においては標準偏差σ_１〜σ_４も小さくなり、荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４の変動の量が大きい期間Ｐ_２においては標準偏差σ_１〜σ_４も大きくなる。

標準偏差算出部３１２において算出される標準偏差σ_１〜σ_４は、安静期間決定工程Ｓ２２における安静期間（被験者が体動を生ずることなく呼吸のみを行っている期間）の決定や、判定工程Ｓ２４における被験者Ｓの体動の有無の判定に用いられる（詳細後述）。

非負値化平均値算出部３１３は、直流成分除去工程Ｓ２１において得られた荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４の各々について、その所定のサンプリング期間（一例として５秒間）に含まれる各サンプリング値Ｗ_１１〜Ｗ_１４の非負値化平均値μ_１〜μ_４を常時算出する。

非負値化平均値の算出方法について、安静期間内に出力された荷重信号ｓｃ_１について、５秒間のサンプリング期間の非負値化平均値μ_１を算出する場合を例として説明する。

図７（ａ）に示す通り、荷重信号ｓｃ_１は、安静期間においては、被験者Ｓの呼吸のみに応じて振動している（前述の通り、心拍に応じた振動成分も含んでいるが微小であるため無視している）。非負値化平均値算出部３１３は、このような荷重信号ｓｃ_１において、まず当該サンプリング期間に含まれるサンプリング値Ｗ_１１の最小値である最小サンプリング値Ｗ_ｍｉｎ（負値）を特定する。そして、特定した最小サンプリング値Ｗ_ｍｉｎを、サンプリング期間内の各サンプリング値Ｗ_１１から差し引いて非負値化する（図７（ｂ））。

非負値化平均値算出部３１３は、次いで、非負値化した各サンプリング値Ｗ_１１の平均値を算出し、非負値化平均値μ_１を得る。荷重信号ｓｃ_２〜ｓｃ_４についての非負値化平均値μ_２〜μ_４も同様にして算出される。

安静期間に得られた非負値化平均値μ_１〜μ_４は、被験者Ｓの呼吸に応じた荷重変動の振幅が大きければ大きな値となり、被験者Ｓの呼吸に応じた荷重変動の振幅が小さければ小さな値となる。

非負値化平均算出部３１３において算出される非負値化平均値μ_１〜μ_４は、閾値設定工程Ｓ２３における閾値σ_ｔｈの設定に用いられる（詳細後述）。

図５のフローチャートに戻ると、体動判定部３１は、荷重信号ｓ_１〜ｓ_４（及び／又は荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４）の増加等により、新たな被験者ＳがベッドＢＤ上に着いたと判定した場合に、安静期間決定部３１４により安静期間決定工程Ｓ２２を実行し、被験者Ｓが安静期間（被験者が体動を生ずることなく呼吸のみを行っている期間）にあることの決定を行う。この決定は、具体的には例えば、標準偏差算出部３１２において算出される標準偏差σ_１〜σ_４の任意の一つが、所定の閾値σ_０よりも小さいか否かを判定することにより行う。

前述の通り、標準偏差σ_１〜σ_４は、荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４の変動の量が小さい期間において小さく、荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４の変動の量が大きい期間において大きい（図６）。そのため、被験者Ｓが体動を生ずることなく呼吸のみを行っている安静期間（一例として、図６の期間Ｐ_１）においては標準偏差σ_１〜σ_４はいずれも小さな値となる。そのため、閾値σ_０として十分に小さい値を設定しておけば、標準偏差σ_１〜σ_４の任意の一つが閾値σ_０となった場合に、被験者Ｓが安静期間にあると決定することができる。

なお、後述する通り、安静期間に、呼吸に応じた荷重信号の変動の量がどの程度まで小さくなるかについては個人差があるため、被験者によっては、体動を生じず呼吸のみを行っている安静期間においても、標準偏差σ_１〜σ_４が閾値σ_０よりも大きい値に維持される場合があり得る。その場合は、例えば、標準偏差σ_１〜σ_４が所定期間（例えば５〜１０秒）を越えて閾値σ_０よりもやや大きい一定の値に保たれていることをもって、被験者が安静期間にあると決定し得る。呼吸は一定のリズムで生じるのが一般的であるため、標準偏差σ_１〜σ_４が所定期間にわたってある程度小さい一定値であれば、当該値が閾値σ_０よりも多少大きくても、その期間が安静期間に該当する可能性が高い。

体動判定部３１は、安静期間決定工程Ｓ２２において被験者Ｓが安静期間にあると決定された場合に、閾値設定部３１５により、閾値設定工程Ｓ２３を実行する。

閾値設定工程Ｓ２３において、閾値設定部３１５は、被験者Ｓの呼吸振幅の大きさを推定し、推定した呼吸振幅の大きさに基づいて、判定工程Ｓ２４で用いる閾値σ_ｔｈを設定する。

被験者Ｓの呼吸振幅とは、被験者Ｓの呼吸に応じた被験者Ｓの重心Ｇの振動の振幅を意味する。特許第６１０５７０３号明細書に記載されている通り、被験者Ｓの重心Ｇの位置は、被験者Ｓの呼吸に応じて被験者Ｓの体軸ＳＡの延びる方向（被験者Ｓの背骨が延びる方向）に沿って振動している（図９（ａ））。被験者Ｓの呼吸振幅とは、この振動の振幅である。

閾値設定部３１５は、安静期間決定工程Ｓ２２において決定された安静期間に非負値化平均値算出部３１３が算出した非負値化平均値μ_１〜μ_４の任意の一つを選び、選んだ値の大きさに応じて、被験者Ｓの呼吸振幅の大きさを推定する。安静期間における非負値化平均値μ_１〜μ_４が大きい（小さい）場合は、被験者Ｓの呼吸に応じた荷重信号ｓ_１〜ｓ_４、ｓｃ_１〜ｓｃ_４の振動の振幅が大きい（小さい）といえるため、被験者Ｓの呼吸振幅も大きい（小さい）と推定する。

閾値設定部３１５は、次に、推定した被験者Ｓの呼吸振幅の大きさに基づいて、判定工程Ｓ２４で用いる閾値σ_ｔｈを設定する。具体的には例えば、推定した呼吸振幅の大きさが所定の閾値μ_ｔｈよりも大きい場合には、閾値σ_ｔｈを第１の閾値σ_ｔｈ１に設定し、推定した呼吸振幅の大きさが所定の閾値μ_ｔｈよりも小さい場合には、閾値σ_ｔｈを第２の閾値σ_ｔｈ２（＜σ_ｔｈ１）に設定する。このように被験者Ｓの呼吸振幅の大きさに応じて閾値σ_ｔｈの大きさを変更する理由は後述する。
なお、呼吸振幅の大きさを推定することなく、算出した非負値化平均値μ_１〜μ_４の任意の一つ（選択非負値化平均値μ_ｓ）を、所定の閾値μ_ｔｈと比較し、μ_ｓが閾値μ_ｔｈよりも大きい場合に閾値σ_ｔｈを第１の閾値σ_ｔｈ１に設定し、μ_ｓが閾値μ_ｔｈよりも小さい場合に閾値σ_ｔｈを第２の閾値σ_ｔｈ２（＜σ_ｔｈ１）に設定してもよい。この場合も、実質的には被験者Ｓの呼吸振幅の大きさに基づく閾値σ_ｔｈの設定がなされる。

その後、体動判定部３１は、判定部３１６により、設定した閾値σ_ｔｈを用いて判定工程Ｓ２４を実行し、被験者Ｓに体動が生じているか否かの判定を行う。体動判定部３１は、被験者ＳがベッドＢＤから離床するまで閾値σ_ｔｈを使い続けるものとして、以降は、安静期間決定工程Ｓ２２、閾値設定工程Ｓ２３を行うことなく、判定工程Ｓ２４のみを実行してもよい。

被験者Ｓに体動が生じているか否かの判定は、具体的には例えば、標準偏差算出部３１２が常時算出する、荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４の標準偏差σ_１〜σ_４の内のいずれか一つ（以下、「選択標準偏差σ_Ｓ」と呼ぶ）を、閾値設定工程Ｓ２３において設定した閾値σ_ｔｈと比較することにより行う。

被験者Ｓに体動が生じている期間においては、荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４の変動の量は大きくなり、標準偏差σ_１〜σ_４、ひいては選択標準偏差σ_Ｓも大きくなる（一例として、図６の期間Ｐ_２）。したがって、選択標準偏差σ_Ｓを設定した閾値σ_ｔｈ（即ち、σ_ｔｈ１又はσ_ｔｈ２）と比較し、選択標準偏差σ_Ｓが閾値σ_ｔｈよりも大きくなった場合に、被験者Ｓに体動が生じていると判定する。

ここで、本実施形態の体動判定部３１が、被験者Ｓの呼吸振幅の大きさを参酌して、被験者Ｓごとに異なる閾値σ_ｔｈを設定する理由は次の通りである。

前述の通り、荷重検出器１１〜１４からの荷重信号ｓ_１〜ｓ_４は、被験者Ｓの心拍、呼吸、及び体動に応じて変動するが、その変動の量は、被験者Ｓの身体的な特徴（身長、体重、体脂肪率、筋肉量、等々）などに応じて変化する。そして本発明の発明者の知見によれば、呼吸に応じた荷重変動の量（呼吸振幅の大きさ）と体動に応じた荷重変動の量との間にはある程度の相関関係が存在する。

この様子を概略的に示すグラフが図８である。図８において、白丸は、被験者Ｓの呼吸に応じて示され得る荷重変動の量（図８においては標準偏差で表している）の上限値（呼吸変動上限値ＢＬ_ｍａｘ）を示し、黒丸は、被験者の体動（小さな体動）に応じて示され得る荷重変動の量の下限値（体動変動下限値ＢＤ_ｍｉｎ）を示す。

図８に示す通り、呼吸振幅の小さい被験者Ｓ_Ｓの呼吸変動上限値ＢＬ_ｍａｘ及び体動変動下限値ＢＤ_ｍｉｎは、それぞれ、呼吸振幅が平均的である被験者Ｓ_Ｍの呼吸変動上限値ＢＬ_ｍａｘ及び体動変動下限値ＢＤ_ｍｉｎよりも小さい。一方で、呼吸振幅の大きい被験者Ｓ_Ｌの呼吸変動上限値ＢＬ_ｍａｘ及び体動変動下限値ＢＤ_ｍｉｎは、それぞれ、呼吸振幅が平均的である被験者Ｓ_Ｍの呼吸変動上限値ＢＬ_ｍａｘ及び体動変動下限値ＢＤ_ｍｉｎよりも大きい。

ここで、本発明の発明者の知見によれば、図８に示す通り、呼吸振幅の大きい被験者Ｓ_Ｌの呼吸変動上限値ＢＬ_ｍａｘが、呼吸振幅の小さい被験者Ｓ_Ｓの体動変動下限値ＢＤ_ｍｉｎよりも大きくなる場合がある。そのため、呼吸振幅の小さい被験者Ｓ_Ｓについての体動判定と、呼吸振幅の大きい被験者Ｓ_Ｌについての体動判定を、単一の閾値のみを用いて高精度に行うことは難しい。

すなわち、仮に呼吸振幅の大きい被験者Ｓ_Ｌについての体動判定を正確に行えるように、被験者Ｓ_Ｌの呼吸変動上限値ＢＬ_ｍａｘよりも大きく、被験者Ｓ_Ｌの体動変動下限値ＢＤ_ｍｉｎよりも小さい閾値σ_ｔｈ１（図８）を用いると、被験者Ｓ_Ｌの体動判定は正確に行うことが出来るが、呼吸振幅の小さい被験者Ｓ_Ｓについては、被験者Ｓ_Ｓにわずかな体動が生じている場合に、体動を生じていないとの誤判定がなされる恐れがある。

反対に、仮に呼吸振幅の小さい被験者Ｓ_Ｓについての体動判定を正確に行えるように、被験者Ｓ_Ｓの呼吸変動上限値ＢＬ_ｍａｘよりも大きく、被験者Ｓ_Ｓの体動変動下限値ＢＤ_ｍｉｎよりも小さい閾値σ_ｔｈ２（図８）を用いると、被験者Ｓ_Ｓの体動判定は正確に行うことが出来るが、呼吸レベルの大きい被験者Ｓ_Ｌについては、被験者Ｓ_Ｌが呼吸のみを行っている場合に、体動を生じているとの誤判定がなされる恐れがある。

そこで、本実施形態の生体状態モニタリングシステム１００においては、被験者Ｓの呼吸振幅の大きさに基づいて、被験者Ｓに応じた閾値σ_ｔｈを設定し、設定した閾値σ_ｔｈを用いて、被験者Ｓの体動の有無を判定する。これにより、呼吸振幅の大きさが異なる複数の被験者Ｓの各々の体動の有無を、高精度に判定することができる。

［呼吸数算出工程］
呼吸数算出工程Ｓ３では、呼吸数算出部３２が、荷重信号ｓ_１〜ｓ_４の少なくとも一つに基づいて、被験者Ｓの呼吸数を算出する。

呼吸数算出部３２による被験者Ｓの呼吸数の算出は、具体的には例えば、荷重信号ｓ_１〜ｓ_４（又は荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４）の少なくとも一つについてフーリエ解析を行い、呼吸に相当する周波数帯域（人間の呼吸は１分間に約１２〜２０回程度行われるため、約０．２Ｈｚ〜約０．３３Ｈｚである）に現れるピーク周波数を特定することにより行う。特定したピーク周波数より、その期間における被験者Ｓの呼吸数を算出（推定）できる。

また、被験者Ｓに体動が生じている期間（一例として、図６の期間Ｐ_２）においては、被験者Ｓが呼吸のみを行っている期間（一例として、図６の期間Ｐ_１）とは異なり、荷重信号ｓ_１〜ｓ_４、ｓｃ_１〜ｓｃ_４は、被験者Ｓの呼吸に応じた振動とは異なる周波数で振動している（或いは、振動を示していない）。そのため、このような期間に得られた荷重信号ｓ_１〜ｓ_４、ｓｃ_１〜ｓｃ_４にフーリエ解析を適用しても、被験者Ｓの呼吸数を正確に算出することは難しい。

従って、本実施形態の呼吸数算出部３２は、体動判定部３１の判定結果に基づいて、被験者Ｓに体動が生じている期間については、呼吸数の算出を停止する。この期間の呼吸数については、当該期間の前後の期間の呼吸数に基づく推定値を出力してもよく、或いは呼吸数が不明である旨を出力してもよい。

［表示工程］
表示工程Ｓ４においては、制御部３が、体動判定工程Ｓ２の判定結果、及び／又は呼吸数算出工程Ｓ３の算出結果を、表示部５に表示する。また表示工程Ｓ４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の効果を以下にまとめる。

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、体動判定部３１において、被験者Ｓの呼吸振幅に基づいて、被験者Ｓの各々に適した閾値σ_ｔｈを設定し、これを用いて被験者Ｓに体動が生じたか否かの判定を行っている。したがって呼吸振幅の大きさが互いに異なる複数の被験者Ｓの各々について、高精度に、体動の有無を判定できる。

本実施形態の生体状態モニタリングシステム１００は、呼吸数算出部３２において、体動判定部３１の判定結果に基づいて、被験者Ｓの呼吸数の算出が困難である期間を、呼吸数の算出対象から除いている。したがって、呼吸数算出部３２により算出される被験者Ｓの呼吸数の信頼性が高い。

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_１〜ＢＬ_４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］
上記実施形態の体動判定システム、及び生体状態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。

上記実施形態の体動判定部３１では、判定工程Ｓ２４において判定部３１６が被験者Ｓに体動があったと判定する度に、再度、安静期間決定工程Ｓ２２及び閾値設定工程Ｓ２３を行い、判定工程Ｓ２４において用いる閾値σ_ｔｈを設定し直しても良い。

被験者Ｓの呼吸振幅の大きさは、基本的には被験者Ｓの身体的特徴に依存しており、モニタリング期間中に大きく変わるものではない。そのため、一般的には、被験者に変更がない限り、閾値設定工程Ｓ２３において一旦設定した閾値σ_ｔｈをその後のモニタリングにおいて継続して使用することができる。

しかしながら、ターミナルケア（終末期医療、終末期介護）の下にある患者等は、呼吸振幅が変化するほどの身体状態の変化を生じることも多く、このような身体状態の変化は、体動の発生を伴って生じることが多い。そのため、ターミナルケアの下にある患者等については、体動の発生ごとに閾値σ_ｔｈを設定し直し、その時々の身体状態に応じた閾値σ_ｔｈを用いることで、体動判定の精度を上げ、算出される呼吸数の信頼性を高めることができる。

一方、上記実施形態の体動判定部３１の非負値化平均値算出部３１３は、一旦設定した閾値σ_ｔｈを判定工程Ｓ２４において用い続ける場合には、閾値σ_ｔｈが設定された後に、非負値化平均値μ_１〜μ_４の算出を停止してもよい。或いは、安静期間決定工程Ｓ２２において安静期間決定部３１４が被験者Ｓが安静期間にあると決定した場合にのみ、非負値化平均値μ_１〜μ_４の算出を行っても良い。

上記実施形態において、体動判定部３１の標準偏差算出部３１２は、標準偏差σ_１〜σ_４に代えて、又はこれに加えて分散σ^２ _１〜σ^２ _４を算出してもよい。この場合は、閾値設定工程Ｓ２３においても、分散σ^２ _１〜σ^２ _４に応じた閾値σ^２ _ｔｈを設定する。また、判定工程Ｓ２４においては、分散σ^２ _１〜σ^２ _４のいずれか１つ又はいずれか２つ以上の合計を閾値σ^２ _ｔｈと比較して、被験者Ｓの体動の有無を判定する。

上記実施形態において、体動判定部３１は、標準偏差σ_１〜σ_４の内の任意の一つが、所定の閾値σ_０よりも小さいか否かを比較して、被験者Ｓが安静期間にあることを決定していたが、これには限られない。体動判定部３１は、標準偏差σ_１〜σ_４の任意の２つ以上の合計値を閾値と比較して、被験者Ｓが安静期間にあることを決定してもよい。

上記実施形態において、体動判定部３１は、非負値化平均値μ_１〜μ_４の任意の一つを選び出し、これに基づいて被験者Ｓの呼吸振幅の大きさを推定していたが、これには限られない。体動判定部３１は、非負値化平均値μ_１〜μ_４の任意の２つ以上の合計値に基づいて被験者Ｓの呼吸振幅の大きさを推定してもよい。例えば、非負値化平均値μ_１〜μ_４の総計を用いれば、被験者ＳがベッドＢＤ上での位置にかかわらず、高い精度で被験者Ｓの呼吸振幅の大きさを推定し得る。

上記実施形態において、体動判定部３１は、閾値σ_ｔｈを第１閾値σ_ｔｈ１、又はこれよりも小さい第２閾値σ_ｔｈ２のいずれかに設定していたが、これには限られない。体動判定部３１は、非負値化平均値μ_１〜μ_４から推定される被験者Ｓの呼吸振幅の大きさに応じて、閾値σ_ｔｈをより詳細に設定してもよく、具体的には、互いに異なる第１閾値σ_ｔｈ１〜第ｎ閾値σ_ｔｈｎ（ｎは３以上の自然数）のいずれかに設定してもよい。

上記実施形態において、体動判定部３１は、標準偏差σ_１〜σ_４の内の任意の一つである選択標準偏差σ_Ｓを、設定した閾値σ_ｔｈと比較して、被験者Ｓに体動が生じているか否かを判定していたが、これには限られない。体動判定部３１は、標準偏差σ_１〜σ_４の任意の２つ以上の合計値を閾値σ_ｔｈと比較して、被験者Ｓに体動が生じているか否かを判定してもよい。なお、この場合は、閾値設定工程Ｓ２３で設定される閾値σ_ｔｈも、判定工程Ｓ２４で用いられる標準偏差の内容に応じたものとする。

上記実施形態において、体動判定部３１は、標準偏差算出部３１２に代えて、又はこれに加えて、重心位置算出部を備えても良い。重心位置算出部は、荷重検出器１１〜１４からの荷重信号ｓ_１〜ｓ_４（又は荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４）のサンプリング値Ｗ_１１〜Ｗ_１４を用いて、被験者Ｓの重心Ｇの位置（Ｘ、Ｙ）を算出する。

重心Ｇの位置（Ｘ、Ｙ）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（Ｘ_１１、Ｙ_１１）、（Ｘ_１２、Ｙ_１２）、（Ｘ_１３、Ｙ_１３）、（Ｘ_１４、Ｙ_１４）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。

重心位置算出部は、上記の数式１、数式２に基づいて重心Ｇの位置（Ｘ、Ｙ）を所定のサンプリング周期Ｔで算出しながら、重心Ｇの位置（Ｘ、Ｙ）の時間的変動、即ち重心軌跡ＧＴを求め、例えば記憶部４に記憶させる。

ここで、被験者Ｓの重心Ｇの移動は、次の特徴を有する。

前述の通り、被験者Ｓの重心Ｇは、被験者Ｓの呼吸に応じて、被験者Ｓの体軸ＳＡの方向に振動している（図９（ａ））。また、被験者Ｓの重心Ｇは、被験者Ｓに小さな体動や大きな体動が生じた場合には、これに応じて移動する。そして、所定期間における重心Ｇの移動距離は、被験者Ｓが呼吸のみを行っている期間、被験者Ｓが小さな体動を行っている期間、被験者Ｓが大きな体動を行っている期間の順に大きくなる。

従って体動判定部３１は、所定期間における重心Ｇの移動距離を、所定の閾値と比較することにより、被験者Ｓに体動が生じているか否かを判定することができる。具体的には例えば、所定期間における重心Ｇの移動距離Ｄが、所定の閾値Ｄ_ｔｈよりも大きい場合に、被験者Ｓに小さな体動が生じていると判定し得る。

この変形態様においても、体動判定部３１は、閾値設定部３１５により閾値設定工程Ｓ２３を実行し、被験者Ｓの呼吸振幅の大きさに応じた閾値Ｄ_ｔｈ（例えば、Ｄ_ｔｈ１、及びこれより小さいＤ_ｔｈ２のいずれか）を設定する。

上記実施形態において、呼吸数算出部３２は、荷重信号ｓ_１〜ｓ_４（又は荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４）の少なくとも一つについてフーリエ変換を行うことにより被験者Ｓの呼吸数を算出していたが、これには限られない。

具体的には例えば、体動判定部３１が重心位置算出部を有する場合には、算出された重心Ｇの位置から、被験者Ｓの呼吸波形ＢＷ（図９（ｂ））を描くことができる。呼吸波形ＢＷの描画は、体軸ＳＡの方向を縦軸、時間軸を横軸として、各時間における重心Ｇの位置（Ｘ、Ｙ）を体軸ＳＡに投影した位置と、重心Ｇの呼吸に応じた振動の振動中心との間の距離を縦軸にプロットすることによりなされる。呼吸数算出部３２は、このようにして描いた呼吸波形ＢＷの振動数を被験者Ｓの呼吸数とみなすことができる。

なお、この場合も、被験者Ｓに体動が生じている場合には、被験者Ｓの重心Ｇが呼吸に応じた振動をそれて大きく移動し、呼吸波形ＢＷも、呼吸のみに応じて振動している状態からは逸脱する。したがって、体動判定部３１が被験者Ｓに体動が生じていると判定した場合には、呼吸数の算出を停止する。

上記実施形態において、制御部３は、描画された呼吸波形ＢＷを表示部５に表示してもよい。

上記実施形態において、体動判定部３１は、安静期間決定工程Ｓ２２において被験者Ｓが安静期間にあることを決定した上で、当該期間の非負値化平均値μを用いて、被験者Ｓの呼吸振幅の大きさを推定していた。しかしながら、これには限られない。

被験者ＳがベッドＢＤ上で常に移動する（体動を生じる）ことは稀であり、通常は、被験者Ｓは、ベッドＢＤ上に存在する期間の大部分において、体動を生じることなく安静にしている（呼吸のみを行っている）。したがって、安静期間を決定することなく、所定期間（一例として１分間又はそれ以上）だけ継続的に非負値化平均値μ_１〜μ_４を観察すれば、当該期間に経時的に得られる非負値化平均値μ_１〜μ_４のいずれか１つ（又はこれらの２つ以上の合計値）の内の最小の値が、実質的に、安静期間に得られる値である場合が多い（換言すれば、明示的には安静期間を決定していないが、当該最小の値が得られた時点において被験者は安静状態にあり、当該最小の値が安静期間における非負値化平均値である場合が多い）。このように、体動判定部３１は、所定期間に経時的に得られる非負値化平均値の内の最小の値に基づいて、被験者Ｓの呼吸振幅の大きさを推定してもよい。

またこの場合は、一旦得られた非負値化平均値の最小の値よりも更に小さい値が観察された場合には、当該値に基づいて、被験者Ｓの呼吸振幅の大きさを推定し直し、且つ／又は、必要であれば閾値σ_ｔｈを設定し直しても良い。

或いは、荷重検出器ｓ_１１〜ｓ_１４からの荷重信号ｓ_１〜ｓ_４（又は荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４）についてフーリエ解析を行って呼吸帯域の信号のみを抽出し、抽出された信号に基づいて算出された非負値化平均値から、被験者Ｓの呼吸振幅の大きさを推定し得る。この方法によれば、フーリエ解析により荷重信号ｓ_１〜ｓ_４（又は荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４）に対する体動の影響を除去し得るため、安静期間を決定することなく、任意のタイミングで、被験者Ｓの呼吸振幅の大きさを推定することができる。

上記実施形態及び変形例において、非負値化平均値μに基づいて被験者Ｓの呼吸振幅の大きさを推定する方法の一例として、非負値化平均値μの等倍又は所定倍の大きさが即ち被験者Ｓの呼吸振幅の大きさであるとみなすことができる。
上記実施形態において、体動判定部３１は、非負値化平均値μを用いることなく、被験者Ｓの呼吸振幅を求めることもできる。

具体的には例えば、重心位置算出部を有し、呼吸波形ＢＷが描画されている場合には、呼吸波形ＢＷの振幅から、被験者Ｓの呼吸振幅を推定（決定）し得る。或いは、安静期間における荷重信号ｓ_１〜ｓ_４及び荷重信号ｓｃ_１〜ｓｃ_４の振幅の少なくとも１つに基づいて、被験者Ｓの呼吸振幅を推定（決定）し得る。

上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００は、更に、被験者Ｓの体動の有無、被験者Ｓの呼吸数とは異なるその他の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の体動の有無や、被験者Ｓの呼吸数に基づいて、被験者Ｓの在床／離床判定や、睡眠／覚醒判定、生死判定等を行う。

上記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の体動判定、及び被験者Ｓの呼吸数推定を高精度に行うことのできるため、これに基づく変形例の生体状態モニタリングシステム１００も、被験者Ｓの在床／離床判定や、睡眠／覚醒判定、生死判定等を高精度に行うことができる。

上記実施形態の生体状態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状態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と本実施形態の体動判定システム、又は生体状態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）。

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、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、生体状態を表わす情報を印字して出力するプリンタや、生体状態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。

本発明の生体状態モニタリングシステムによれば、どのような身体的特徴を有する被験者に対しても、被験者の体動の有無、及び被験者の呼吸数を、高い精度で判定することができる。したがって、本発明の生体状態モニタリングシステムを用いれば、これらの高精度な判定に基づく、質の高い医療、介護を提供することができる。

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 体動判定部、３２ 呼吸数算出部、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 (8)

1. ベッド上の被験者の体動の有無を判定する体動判定システムであって、
   前記ベッド上の被験者の荷重を検出する荷重検出器と、
   所定のサンプリング期間に含まれる前記荷重検出器の複数の検出値の非負値化平均値を算出する非負値化平均値算出部と、
   前記被験者の呼吸振幅の大きさに基づいて、前記被験者の体動の有無の判定に用いる閾値を設定する閾値設定部と、
   前記閾値と前記荷重検出器の検出値との比較に基づいて前記被験者の体動の有無を判定する判定部とを備え、
   前記非負値化平均値算出部における非負値化平均値の算出は、前記サンプリング期間に含まれる前記荷重検出器の複数の検出値の負値である最小値を前記サンプリング期間に含まれる前記荷重検出器の複数の検出値の各々から差し引いて該複数の検出値の各々を非負値化することを含み、
   前記閾値設定部において、前記被験者の呼吸振幅の大きさに基づいて前記閾値を設定することは、前記被験者が呼吸のみを行っている安静期間に算出された前記非負値化平均値に基づいて前記閾値を設定することである体動判定システム。
2. 更に、前記荷重検出器の複数の検出値の標準偏差を算出する標準偏差算出部を備え、
   前記判定部は、前記算出された標準偏差と前記閾値との比較に基づいて前記被験者の体動の有無を判定する請求項１に記載の体動判定システム。
3. 更に、前記標準偏差が所定値以下である期間を前記安静期間であると決定する安静期間決定部を備え、
   前記閾値設定部は、前記安静期間決定部が決定した前記安静期間に算出された前記非負値化平均値に基づいて前記閾値を設定する請求項２に記載の体動判定システム。
4. 前記閾値設定部は、前記体動判定システムが前記被験者に体動が生じていると判定した後に、当該判定後の安静期間に前記非負値化平均値算出部が算出する前記非負値化平均値に基づいて前記閾値を再設定する請求項１〜３のいずれか一項に記載の体動判定システム。
5. ベッド上の被験者の生体状態をモニタする生体状態モニタリングシステムであって、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の体動判定システムと、
   前記荷重検出器の検出値に基づいて、被験者の呼吸数を算出する呼吸数算出部を備え、
   前記呼吸数算出部は、前記体動判定システムが前記被験者に体動が生じていると判定した期間において呼吸数の算出を停止する生体状態モニタリングシステム。
6. 前記体動判定システムの判定結果、及び／又は前記呼吸数算出部により算出された前記被験者の呼吸数に基づいて、前記被験者の在床／離床判定、睡眠／覚醒判定、及び生死判定の少なくとも一つを行う状態判定部を更に備える請求項５に記載の生体状態モニタリングシステム。
7. ベッドと、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の体動判定システムとを備えるベッドシステム。
8. ベッドと、
   請求項５又は６に記載の生体状態モニタリングシステムとを備えるベッドシステム。
   

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