JP6631783B2 - Measuring system and measuring method for measuring life activity caused by respiration of subject - Google Patents
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Description
本発明は、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測システムおよび計測方法に関する。 The present invention relates to a measurement system and a measurement method for measuring a biological activity caused by a subject's respiration.
従来、被験者の呼吸を計測するための呼吸計測手法として、例えば電極インピーダンス法およびサーミスタ法が知られていた。電極インピーダンス法では、被験者に電極が装着されて、呼吸に伴う電極間のインピーダンスの変化に応じた電圧が検出される。また、サーミスタ法では、サーミスタ(センサ)が被験者の鼻孔付近に装着されて、呼気の温度変化に伴って変化した抵抗値に応じた電圧が検出される。このような手法によると、電極やセンサを被験者に接触させて装着する必要があった。そのため、それらの装着やリード線の処理などが煩わしかった。この課題を解決するために、非侵襲・非接触型の生体計測装置が開発された。生体計測装置としては、例えば睡眠中の被験者の呼吸を計測する呼吸計測装置が知られている。 Conventionally, for example, an electrode impedance method and a thermistor method have been known as respiration measurement methods for measuring a subject's respiration. In the electrode impedance method, an electrode is attached to a subject, and a voltage corresponding to a change in impedance between the electrodes due to respiration is detected. In the thermistor method, a thermistor (sensor) is mounted near a nostril of a subject, and a voltage corresponding to a resistance value that changes with a change in temperature of exhalation is detected. According to such a method, it is necessary to bring the electrodes and sensors into contact with the subject and wear them. For this reason, the mounting and the processing of the lead wires are troublesome. In order to solve this problem, a non-invasive and non-contact type biometric device has been developed. As a living body measurement device, for example, a respiration measurement device that measures a subject's respiration during sleep is known.
特許文献1が、被験者の生体情報を非接触・非拘束で測定する生体情報センサを備える呼吸計測装置を開示している。生体情報センサとして、赤外線カメラが使用されている。被験者の鼻腔領域の体表面温度をサーモグラフィを用いて測定し、その温度の変化(温度差)を解析することで、呼吸の有無が検知される。息を吐くと、体内で温められた空気によって鼻腔付近の体表面温度が上昇し、息を吸うと、外気によって鼻腔付近の体表面温度は下降する。特許文献1の呼吸計測装置によると、呼吸による体表面温度の変化を利用して鼻腔からの呼吸状態を把握することができる。 Patent Literature 1 discloses a respiratory measurement device including a biological information sensor that measures biological information of a subject in a non-contact and non-restricted manner. An infrared camera is used as a biological information sensor. By measuring the body surface temperature of the subject's nasal cavity region using thermography and analyzing the change in temperature (temperature difference), the presence or absence of respiration is detected. When exhaling, the temperature of the body surface near the nasal cavity rises due to the warmed air inside the body, and when inhaling, the body surface temperature near the nasal cavity falls due to outside air. According to the respiratory measurement device of Patent Literature 1, it is possible to grasp a respiratory state from a nasal cavity by using a change in body surface temperature due to respiration.
しかしながら、本願発明者の検討によると、計測室内の温度が高い場合など、計測環境によっては呼吸時の温度変化が小さくなり、ノイズが呼吸波形に影響する可能性がある。その場合、鼻腔からの呼吸状態を正確に把握することはできない。本明細書では、時間軸である横軸に対して、所定領域の温度を縦軸に時系列でプロットして得られる波形データを「呼吸波形」と呼ぶ。 However, according to the study by the present inventor, the temperature change during respiration is small depending on the measurement environment such as when the temperature in the measurement room is high, and noise may affect the respiration waveform. In that case, it is impossible to accurately grasp the respiratory state from the nasal cavity. In this specification, waveform data obtained by plotting the temperature in a predetermined region on the vertical axis in time series with respect to the horizontal axis as the time axis is referred to as a “respiratory waveform”.
具体的に説明すると、息を吐くと、体内で温められた空気が鼻腔から外に出ていくので、鼻腔付近の体表面温度が上昇する。一方、息を吸うと、体温よりも温度が低い外気が鼻腔から体内に入ってくるので、鼻腔付近の体表面温度は下降する。ただし、体内で温められた空気の温度は高々37℃程度であると考えられ、計測室内の温度が30℃程度であると、呼吸時に検出される温度差は小さくなると想定される。 More specifically, when the person exhales, the air heated inside the body goes out of the nasal cavity, so that the body surface temperature near the nasal cavity rises. On the other hand, when inhaling, outside air having a lower temperature than the body temperature enters the body from the nasal cavity, and the body surface temperature near the nasal cavity decreases. However, the temperature of the air heated in the body is considered to be at most about 37 ° C., and when the temperature in the measurement room is about 30 ° C., the temperature difference detected during respiration is assumed to be small.
被験者は当然に、鼻だけではなく口によっても呼吸する。例えば、鼻が詰まっている場合など、被験者は主として口で呼吸を行うので、鼻腔を介した空気の出入りは制限されて、空気の流れが生じない。そのため、温度情報を鼻腔から得ることは困難となる。特許文献1の呼吸計測装置は、鼻腔付近の体表面温度のみをモニタし、口からの呼気や吸気については何ら考慮していない。従って、被験者の呼吸状態を正確に把握することは困難となる。このように、従来の呼吸計測装置は、計測環境および被験者の体調の変化に影響され易くロバストであるとは決して言えない。 The subject naturally breathes not only through the nose but also through the mouth. For example, when the nose is obstructed, the subject mainly breathes by mouth, so that the inflow and outflow of air through the nasal cavity is restricted, and no airflow occurs. Therefore, it is difficult to obtain temperature information from the nasal cavity. The respiratory measurement device of Patent Literature 1 monitors only the body surface temperature in the vicinity of the nasal cavity and does not consider expiration or inhalation from the mouth at all. Therefore, it is difficult to accurately grasp the respiratory state of the subject. As described above, the conventional respiratory measurement device is easily affected by changes in the measurement environment and the physical condition of the subject, and cannot be said to be robust.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、計測環境および被験者の体調の変化に対してロバストな、被験者の呼吸に起因する生体活動を計測する計測方法(以下、単に「計測方法」と表記する。)を提供する。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problem, and is a measurement method (hereinafter simply referred to as a “method for measuring a biological activity caused by respiration of a subject” that is robust against a change in a measurement environment and a physical condition of the subject. Measurement method ").
本発明の実施形態による計測方法は、サーモグラフィカメラと、サーモグラフィカメラからの動画像を処理する画像処理装置と、を備えた生体活動計測システムを用いて、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測方法であって、(a)素材温度が前記被験体の体温よりも低く、かつ、前記被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されたマスクを、前記被験体の鼻孔および口を覆うように配置するステップと、(b)前記サーモグラフィカメラが、前記被験体に配置された前記マスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成された前記動画像を取得するステップと、(c)前記画像処理装置が、前記複数のフレーム画像にわたって生じた、前記マスクの領域における温度変化を算出し、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を前記温度変化に基づいて計測するステップと、を包含する。 A measurement method according to an embodiment of the present invention measures a life activity caused by a subject's respiration by using a life activity measurement system including a thermography camera and an image processing device that processes a moving image from the thermography camera. (A) a mask formed of a material whose material temperature is lower than the body temperature of the subject and whose temperature changes due to exhalation and inhalation of the subject, (B) the thermographic camera captures the mask placed on the subject to acquire the moving image composed of a plurality of frame images; c) the image processing device calculates a temperature change in the region of the mask that has occurred over the plurality of frame images, and calculates a temperature change caused by the respiration of the subject. Comprising the step of measuring on the basis of the biological activity to the temperature change, the.
ある実施形態において、前記マスクの素材は不織布であってもよい。 In one embodiment, the material of the mask may be a nonwoven fabric.
ある実施形態において、前記ステップ(a)は、前記被験体の鼻腔が拡張するように、鼻腔拡張テープを前記被験体の鼻に貼るステップをさらに包含してもよい。 In one embodiment, the step (a) may further include a step of applying a nasal cavity expanding tape to the subject's nose so that the subject's nasal cavity is expanded.
ある実施形態において、前記マスクは、形状を維持するための骨組み構造を有し、一部が前記鼻腔拡張テープによって前記被験体の鼻に貼着された部材によって前記被験体の顔面に接触しないように支持されていてもよい。 In one embodiment, the mask has a skeleton structure for maintaining its shape, and a part thereof is not in contact with the face of the subject by a member adhered to the nose of the subject by the nasal cavity expansion tape. May be supported.
ある実施形態において、前記マスクは下うけ型マスクであってもよい。 In one embodiment, the mask may be a bottom mask.
ある実施形態において、前記ステップ(a)において、前記マスクは、前記被験体の顎に接するように配置されてもよい。 In one embodiment, in the step (a), the mask may be arranged so as to contact a chin of the subject.
ある実施形態において、前記ステップ(c)において、前記画像処理装置は、前記複数のフレーム画像の各々に含まれる前記マスクの領域を特定し、前記マスクの領域における、前記複数のフレーム画像にわたって温度変化が生じた部分領域をさらに特定して、前記部分領域の温度変化に基づいて、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測してもよい。 In one embodiment, in the step (c), the image processing device specifies an area of the mask included in each of the plurality of frame images, and determines a temperature change over the plurality of frame images in the area of the mask. May be further specified, and the biological activity caused by the respiration of the subject may be measured based on the temperature change of the partial region.
ある実施形態において、前記画像処理装置は、フレーム画像毎に、前記マスクの領域に包含される複数の分割領域毎に温度変化を算出し、前記複数の分割領域のうち、温度変化が最も大きい分割領域の温度変化に基づいて、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測してもよい。 In one embodiment, the image processing apparatus calculates, for each frame image, a temperature change for each of a plurality of divided regions included in the region of the mask, and among the plurality of divided regions, a divided region having the largest temperature change. Based on the temperature change of the area, the biological activity due to the respiration of the subject may be measured.
本発明の実施形態による計測システムは、鼻孔および口を覆うようにマスクが配置された被験体の動画像を解析して、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測するシステムであって、前記マスクは、素材温度が前記被験体の体温よりも低く、かつ、前記被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されており、前記被験体に配置された前記マスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成される前記動画像を生成するサーモグラフィカメラと、前記動画像を受け取り、前記複数のフレーム画像にわたって生じた、前記マスクの領域における温度変化を算出し、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を前記温度変化に基づいて計測する画像処理装置と、を備える。 A measurement system according to an embodiment of the present invention is a system that analyzes a moving image of a subject in which a mask is arranged so as to cover a nostril and a mouth, and measures a biological activity due to respiration of the subject, The mask has a material temperature lower than the body temperature of the subject, and is formed of a material whose temperature changes due to the subject's exhalation and inhalation, and images the mask placed on the subject, A thermographic camera that generates the moving image composed of a plurality of frame images, and receives the moving image, calculates a temperature change in the area of the mask generated over the plurality of frame images, and performs respiration of the subject. And an image processing device that measures the resulting life activity based on the temperature change.
本発明の一実施形態によれば、計測環境および被験者の体調の変化に対してロバストな計測方法が提供される。 According to one embodiment of the present invention, a measurement method that is robust against a change in a measurement environment and a physical condition of a subject is provided.
本発明の実施形態による計測方法は、サーモグラフィカメラと、サーモグラフィカメラからの動画像を処理する画像処理装置と、を備えた生体活動計測システム(以下、「計測システム」と表記することがある。)に好適に用いられる。その計測方法は、(a)素材温度が被験体の体温よりも低く、かつ、被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されたマスクを、被験体の鼻孔および口を覆うように配置するステップと、(b)サーモグラフィカメラが、被験体に配置されたマスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成された動画像を取得するステップと、(c)画像処理装置が、複数のフレーム画像にわたって生じた、マスクの領域における温度変化を算出し、温度変化に基づいて、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測するステップと、を包含する。マスクの素材は通気性が良く、不織布であることが好ましい。なお、本明細書では、被験者は人であるとして説明するが、人以外の動物(犬や猫などのペット動物、豚やマウスなどの実験動物)であってもよい。計測対象としての動物(人を含む。)を総称して「被験体」と呼ぶことがある。 A measurement method according to an embodiment of the present invention includes a biological activity measurement system including a thermography camera and an image processing device that processes a moving image from the thermography camera (hereinafter, may be referred to as a “measurement system”). It is suitably used. The measurement method is as follows: (a) A mask formed of a material whose material temperature is lower than the body temperature of a subject and whose temperature changes by exhalation and inhalation of the subject is placed so as to cover the nostrils and mouth of the subject. Arranging; (b) a thermographic camera capturing a mask arranged on the subject to obtain a moving image composed of a plurality of frame images; and (c) an image processing apparatus comprising: Calculating a temperature change in a region of the mask that has occurred over the frame image and measuring a biological activity due to respiration of the subject based on the temperature change. The material of the mask has good air permeability and is preferably a nonwoven fabric. In this specification, the subject is described as a human, but may be an animal other than a human (a pet animal such as a dog or a cat, or an experimental animal such as a pig or a mouse). Animals (including humans) to be measured may be collectively referred to as “subjects”.
本発明の実施形態によると、被験体の呼吸に起因する生体活動を非侵襲で計測することができ、かつ、計測環境および被験者の体調の変化に対してロバストな計測が可能になる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to non-invasively measure a biological activity due to a subject's respiration, and to perform a measurement robust to a change in a measurement environment and a physical condition of the subject.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態による計測方法を説明する。以下の説明において、同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付している。なお、本発明の実施形態による計測方法は、以下で例示するものに限られない。例えば、一の実施形態と、他の実施形態とを組み合わせることも可能である。 Hereinafter, a measurement method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or similar components are denoted by the same reference numerals. Note that the measurement method according to the embodiment of the present invention is not limited to the method illustrated below. For example, one embodiment can be combined with another embodiment.
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態による計測システム100の構成を模式的に示す。計測システム100は、典型的には、サーモグラフィカメラ10と、画像処理装置20と、マスク30とを備えている。図1には被験者40が示されているが、被験者40は計測システム100に含まれないことは言うまでもない。
(1st Embodiment)
FIG. 1 schematically shows a configuration of a
計測システム100は、被験者40の生体活動を観察するために利用される。本実施形態では、生体活動は被験者40の呼吸であるとし、計測システム100は所定期間内の呼吸数を計測する。
The
サーモグラフィカメラ10は、いわゆる、赤外線サーモグラフィであり、赤外線の放射エネルギーを映像化する撮像装置である。サーモグラフィカメラ10は、例えば60fpsのフレームレートで物体を撮像し、複数のフレーム画像から構成される動画像をリアルタイムで生成することができる。生成された複数のフレーム画像の各フレーム画像は、物体の温度分布を示す情報を含んでいる。
The
サーモグラフィカメラ10は、物体(例えば被験者40)から自然放射される赤外線のエネルギ―量を検出し、その検出量に基づいて面としての2次元的な温度分布の情報を生成する。物体の表面温度が高いほど、放射される赤外線のエネルギーは高くなる。例えば、サーモグラフィカメラ10は赤外線のエネルギー量に応じた表示色で温度分布を表示することができる。サーモグラフィカメラ10は、例えば波長が7.5μmから14.0μmまでの範囲にある遠赤外線を検知することができる。
The
サーモグラフィカメラ10は、被験者40の顔に装着されたマスク30を捉えるように計測システム100において配置させる。サーモグラフィカメラ10は、有線または無線で画像処理装置20と電気的に接続され、動画像データ、つまり、温度分布の情報を画像処理装置20に送る。
The
図1に示すように、サーモグラフィカメラ11をさらに配置して、複数のカメラで被験者40の顔周辺を撮像することも可能である。複数のカメラを利用することで、1台のカメラが何かに遮られて映像が乱れた場合でも、他のカメラの映像を用いて測定を継続することができる。また、複数の被験者を同時に測定することも可能になる。
As shown in FIG. 1, it is possible to further arrange a
画像処理装置20は、サーモグラフィカメラ10からの、温度分布の情報を含む動画像データを処理して、被験者40の呼吸に起因する生体活動を計測する。画像処理装置20は、典型的にはパーソナルコンピュータ(PC)である。画像処理装置20の構造および動作についての詳細は後述する。
The
図2は、マスク30を装着した被験者40の顔面を真上から見た様子を模式的に示している。
FIG. 2 schematically shows a state in which the face of the subject 40 wearing the
マスク30には、通気性の良い素材が好適に用いられる。具体的に説明すると、マスク30の素材は、素材温度が被験者40の体温よりも低く(例えば、室温と同程度の27℃)、かつ、被験者40の呼気および吸気によって温度が変化する(変化し易い)素材である。例えば素材温度は室温(27℃)と同程度であることが好ましい。そのような素材には、不織布が適している。本発明の実施形態には、薬局などで誰もが購入することが可能な不織布マスクを広く用いることができる。不織布以外にも、例えば一般の布やガーゼのマスク、またはティッシュを用いても被験者40の呼吸を測定することができる。
A material having good air permeability is suitably used for the
本願発明者は、被験者40から十分な呼気および吸気が得られる状況下で、不織布を用いて実際に測定し、呼気および吸気に伴って不織布の温度が25.4℃から37.2℃の範囲で変化することを確認した。約10℃近い温度差が得られることが分かった。 The inventor of the present application actually measured using a nonwoven fabric under a condition where sufficient exhalation and inspiration were obtained from the subject 40, and the temperature of the nonwoven fabric was in a range of 25.4 ° C to 37.2 ° C with the exhalation and inhalation. Was confirmed to change. It was found that a temperature difference of about 10 ° C. was obtained.
図2に示すように、マスク30は典型的には、装着のために耳にかける紐を有しているが、紐の代わりに他の留め具(例えば、テープ)などで顔面に固定されても構わない。そのような紐なしのマスクの形態も本発明の範疇である。
As shown in FIG. 2, the
ディスプレイ50は、主として、被験者40の呼吸に起因する生体活動の計測結果を表示するための装置である。ディスプレイ50は、例えば液晶ディスプレイや有機ELディスプレイである。なお、画像処理装置20とディスプレイ50とが一体化した装置を用いることも当然に可能である。図1には、そのような装置としてラップトップ型のPCを例示している。
The
図3は、計測システム100の、主として画像処理装置20のハードウェア構成の例を示している。本実施形態では、画像処理装置20は、サーモグラフィカメラ10とディスプレイ50とに電気的に接続されている。画像処理装置20は、サーモグラフィカメラ10から、撮像された動画像データを受け取る。また、ディスプレイ50は、マスク30の温度分布の変化および呼吸数などを表示する。画像処理装置20は、サーモグラフィカメラ10の撮影方向が適切でないと測定結果に基づいて判断した場合には、ディスプレイ50に警告を表示してもよい。
FIG. 3 illustrates an example of a hardware configuration of the
画像処理装置20は、CPU201と、ROM202と、RAM203と、ハードディスクドライブ(HDD)204と、インタフェース(I/F)205と、画像処理回路206とを有する。CPU201は画像処理装置20の動作全体を制御する。ROM202は、コンピュータプログラムを格納している。コンピュータプログラムは、たとえば後述するフローチャートによって示される処理をCPU201および/または画像処理回路206に行わせるための命令群である。RAM203は、CPU201による実行にあたって、コンピュータプログラムを展開するためのワークメモリである。HDD204は、サーモグラフィカメラ10から受信した動画像データ、および計測された被験者40の呼吸数のデータなどを格納する記憶装置である。
The
I/F205は、画像処理装置20がサーモグラフィカメラ10から、温度分布の情報を含む動画像データを受け取るためのインタフェースである。画像処理装置20が有線のネットワーク経由で動画像データを受け取る場合には、I/F205はたとえばイーサネット(登録商標)端子であり得る。画像処理装置20が無線のネットワーク経由で動画像のデータを受け取る場合には、I/F205はたとえばWi−Fi(登録商標)規格に準拠した通信を行う送受信回路であり得る。またはI/F205は、有線の映像入力端子であってもよい。
The I /
画像処理回路206は、動画像データを解析する、いわゆるグラフィックスプロセッサである。画像処理回路206は、サーモグラフィカメラ10から動画像データを受け取り、複数のフレーム画像にわたって温度分布の変化を解析する。具体的に説明すると、画像処理回路206は、複数のフレーム画像にわたって、フレーム画像毎の温度分布の情報に基づいて、マスク30の領域における温度変化を算出し、その温度変化に基づいて被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する。
The
本実施形態ではCPU201とは別に画像処理回路206を設けているが、これは一例である。CPU201と画像処理回路206とを統合した集積回路を用いてもよいし、画像処理回路206の処理の一部を、CPU201が行ってもよい。
In the present embodiment, the
図4を参照して、計測システム100の全体の動作を説明し、主として呼吸数を計測する例を説明する。しかしながら、呼吸数は被験者40の呼吸に起因する生体活動の一例であり、被験者40の呼吸に起因する他の生体活動を計測してもよい。典型的には、呼吸波形を利用して評価可能な他の生体活動、例えば、呼吸の深さ、乱れ、無呼吸期間、無呼吸期間が発生する頻度などの生体活動は、本明細書において、計測対象である生体活動の範疇である。
With reference to FIG. 4, an overall operation of the
図4は、計測システム100の処理の手順の一例を示している。図5は、複数の分割領域に分割されたフレーム画像を模式的に示している。図6は、ある領域の時系列の温度分布の変化を示した呼吸波形の例を示している。
FIG. 4 shows an example of a processing procedure of the
(ステップS1)
観測者または被験者40は、被験者40の鼻孔および口を覆うように、呼吸による空気の換気が発生する位置にマスク30を配置する。
(Step S1)
The observer or the subject 40 places the
(ステップS2)
サーモグラフィカメラ10は、マスク30がフレームに収まるように被験者40を撮像する。サーモグラフィカメラ10は、例えば60fpsのフレームレートで1時間連続して被験者40を撮像し、動画像データを取得する。なお、サーモグラフィカメラ10はズーム機能を有していてもよく、主としてマスク30のみが画角に収まるようにズーム撮影してもよい。
(Step S2)
The
なお、サーモグラフィカメラ10は、動画像データを記録するHDDなどを内部に有していてもよい。動画像データのリアルタイム処理を特に必要としないときは、サーモグラフィカメラ10は、動画像データを内部のHDD、またはカメラ10の外部に設けられたHDDに一旦格納してもよい。その場合、CPU201が必要に応じて、一連の動画像データを送信するようにサーモグラフィカメラ10にコマンドを送信し、画像処理回路206は受け取った動画像データを事後的に処理するようにしてもよい。
The
(ステップS3)
画像処理回路206は、サーモグラフィカメラ10から動画像データを受け取る。画像処理回路206は、図5に示すように、動画像を構成する複数のフレーム画像の各々を、複数の分割領域Pに分割する。なお「分割する」とは、実際の動作として分割する必要はない。たとえば画像を切り出す単位または処理を行う単位として分割領域Pのサイズを設定する、という動作も、ここで言う「分割する」動作に含まれ得る。
(Step S3)
The
複数の分割領域Pは、マスク30の領域を例えば3×3以上に分割するようにフレーム画像上に設定される。個々の分割領域Pのサイズは、サーモグラフィカメラ10の解像度や画角などに依存して決定され、例えば16×16画素とすることができる。
The plurality of divided areas P are set on the frame image so as to divide the area of the
(ステップS4)
画像処理回路206は、公知のあらゆる手法を用いてフレーム画像においてマスク30の領域を特定することができる。例えば、画像処理回路206は、予め保持していたマスク30の特徴(例えば、矩形形状)を利用して、各フレーム画像にパターンマッチング処理を行うことで、マスク30の座標位置を特定する。マスク30の座標位置は、例えばマスク30の領域の各頂点、中心または重心の座標を意味する。サイズが比較的大きく、かつ、一定の形状を有するマスク30を用いることにより、パターンマッチング処理を簡素化することが可能となる。
(Step S4)
The
(ステップS5)
鼻孔および/または口からの呼吸による空気の換気によって、マスク30の領域全体において温度変化を観測できると考えられる。ただし、観測場所によっては温度変化にムラが生じる可能性がある。そのため、本実施形態では、画像処理回路206は、マスク30の領域の中で温度変化が特に大きい領域(監視領域と呼ぶことがある。)をさらに特定する。
(Step S5)
It is believed that the ventilation of the air by respiration from the nostrils and / or mouth allows temperature changes to be observed throughout the area of the
画像処理回路206は、ステップS4で取得された座標位置に基づいて特定されるマスク30の領域において、分割領域P毎に温度分布の平均を算出して、所定期間(例えば過去の20秒間)の温度分布の平均の変化を示す時系列データに基づいて呼吸波形を生成する。または、画像処理回路206は、所定期間における分割領域Pの温度分布の積算値または代表値の変化を示す時系列データに基づいて呼吸波形を生成してもよい。本明細書では、ある領域の温度分布の平均、積算または代表値を「領域の温度」と呼ぶ場合がある。
The
呼吸波形は、ある領域の温度の時系列の変化を示している。図6に示すように、被験者40の呼吸状態を忠実に再現できる領域から得られた呼吸波形は歪みを含まず、滑らかな曲線によって描かれ、領域の温度は周期的に変化していることが分かる。呼吸波形における隣接する2つの極大点および極小点の間の温度差を、呼吸波形の振幅と定義する。 The respiratory waveform shows a time-series change in temperature in a certain area. As shown in FIG. 6, the respiratory waveform obtained from the region where the respiratory state of the subject 40 can be faithfully reproduced does not include distortion, is drawn by a smooth curve, and the temperature of the region periodically changes. I understand. The temperature difference between two adjacent maxima and minima in the respiratory waveform is defined as the amplitude of the respiratory waveform.
例えば所定期間20秒は被験者の一般的な呼吸数3bpmに相当する。その場合、画像処理回路206はRAM203やHDD204にアクセスしながら、現時点から遡って過去の20秒間(フレームレートが30fpsの場合、600フレームに相当)の時系列データに基づいて呼吸波形を生成する。
For example, a predetermined period of 20 seconds corresponds to a subject's general respiratory rate of 3 bpm. In that case, the
画像処理回路206は、呼吸波形において温度の最大値および最小値の差分(つまり、温度差)を分割領域P毎に算出する。換言すると、画像処理回路206は、分割領域P毎に呼吸波形の振幅を算出する。画像処理回路206は、複数の分割領域Pのうち、呼吸波形の振幅が最も大きい分割領域を監視領域として設定する。なお、マスク30の領域において略一様に温度変化を観測できるときは、ステップ5の処理を省略しても構わない。その場合、マスク30の領域内のいずれかの分割領域Pを監視領域として設定することができる。
The
(ステップS6)
画像処理回路206は、監視領域の温度変化(つまり、呼吸波形)に基づいて、被験者40の呼吸数を計測する。図6に示すように、隣接する2つの極大点または極小点の間の時間差が被験者40の呼吸周期(s)に相当する。呼吸数(bpm)は、60/呼吸周期(s)で表すことができる。
(Step S6)
The
ディスプレイ50は、主として被験者40の呼吸数を表示する。ディスプレイ50は、呼吸数以外に、例えば呼吸数のトレンドおよびサーモグラフィカメラ10で撮像した動画像を表示することもできる。呼吸数のトレンドとは、呼吸数の時間的な変化を示す波形である。
The
図7は、マスク30と顔面との間の空間内において、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気が生じる様子を模式的に示している。鼻孔および口を覆うようにマスク30を配置することによって、マスク30の素材(つまり、不織布)の温度変化を利用して呼吸状態を把握することができる。その結果、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気を同時に計測することができ、鼻が詰まっている場合であっても、口からの呼吸による換気を計測することができる。また、マスク30の領域全体において温度変化を観測できるので、鼻孔で呼吸しているときであっても、口で呼吸しているときであっても、同じ領域で温度変化を観測することが可能である。
FIG. 7 schematically shows a state in which air is ventilated by breathing from a nostril and a mouth in a space between the
図8Aは、呼気によってマスク30の温度が上がる様子を示している。被験者40が息を吐くと、体内で温められた空気によって、不織布が温められる。不織布自体の温度は、計測室内の温度(例えば27℃)に近く、体温よりも低いので、息を吐いているときの温度変化は大きくなる。
FIG. 8A shows a state where the temperature of the
図8Bは、吸気によってマスク30の温度が下がる様子を示している。被験者40が息を吸うと、呼気で温められた不織布の温度は、外気が不織布を通過するときに生じる気化熱によって下げられ易くなる。気化熱を利用することで、息を吸っているときの温度変化も大きくなる。このように、不織布マスクを用いることにより、呼吸時のマスク30の温度変化を大きくすることができる。
FIG. 8B shows a state where the temperature of the
本実施形態によると、呼吸波形の振幅を、従来の呼吸計測装置で得られる呼吸波形の振幅よりも大きくすることができる。その結果、呼吸波形のSN比は向上し、被験者40の呼吸数をより正確に計測することができる。 According to the present embodiment, the amplitude of the respiratory waveform can be made larger than the amplitude of the respiratory waveform obtained by the conventional respiratory measurement device. As a result, the SN ratio of the respiratory waveform is improved, and the respiratory rate of the subject 40 can be measured more accurately.
(第2の実施形態)
第2の実施形態による計測方法は、被験者40の鼻腔が拡張するように、鼻腔拡張テープ31を被験者に貼って計測する点で、第1の実施形態による計測方法とは異なる。以下、第1の実施形態との差異点を中心に説明する。
(Second embodiment)
The measurement method according to the second embodiment differs from the measurement method according to the first embodiment in that measurement is performed by attaching a nasal
第2の実施形態による計測方法を用いることが可能な計測システムの構成は、第1の実施形態による計測システム100と同じであるので、それらの説明は省略する。
The configuration of the measurement system that can use the measurement method according to the second embodiment is the same as that of the
図9Aは、鼻腔拡張テープ31を被験者40に貼った状態における、マスク30と顔面との間の空間内において、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気が生じる様子を模式的に示している。図9Bは、マスク30を装着し、かつ、鼻腔拡張テープ31を貼った被験者40の顔面を真上から見た様子を模式的に示している。
FIG. 9A schematically illustrates a state in which air is ventilated by breathing from a nostril and a mouth in a space between the
本実施形態で用いられるマスク30には、一端に鼻腔拡張テープ31が貼着された部材32がぶら下がった状態で取り付けられている。鼻腔拡張テープ31を被験者40の鼻40Nに貼着することによって、マスク30は部材32により支持される。皮膚から伝導する熱は呼吸波形においてはノイズになり得る。そこで、部材32を介して皮膚からマスク30に熱が伝導することを防止するために、部材32の熱伝導率は低い方が好ましい。例えば、部材32の熱伝導率は、0.20から0.33(W/m・K)程度である。また、部材32は、マスク30を支持することができる程度の強度を有していることが好ましい。例えば、部材32の材料として、ポリエチレンテレフタラート(PET)樹脂を用いることができる。
A
被験者40には、鼻孔および口を覆うように、呼吸による空気の換気が発生する位置にマスク30が配置されると同時に、鼻腔が拡張するように、鼻腔拡張テープ60が貼られる。マスク30は、強度の高い部材32によって支持されるので、図示するように宙吊り状態になり得る。そのため、皮膚からの直接的な熱伝導を抑制することができる。また、宙吊り状態において、マスク30はその形状を維持する構造(例えば、骨組み)を備えていることが好ましい。さらに、鼻腔拡張テープ60を用いることで、鼻詰まりを改善することができ、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気状態をさらに改善することができる。
At the same time, the
本実施形態によれば、呼吸波形のSN比のさらなる向上が期待される。 According to the present embodiment, a further improvement in the SN ratio of the respiratory waveform is expected.
(第3の実施形態)
第3の実施形態による計測方法は、下うけ型のマスク30を用いる点で、第1の実施形態による計測方法とは異なる。以下、第1の実施形態との差異点を中心に説明する。
(Third embodiment)
The measurement method according to the third embodiment is different from the measurement method according to the first embodiment in that an under
第3の実施形態による計測方法を用いることが可能な計測システムの構成は、第1の実施形態による計測システム100と同じであるので、それらの説明は省略する。
The configuration of the measurement system that can use the measurement method according to the third embodiment is the same as the configuration of the
図10Aは、下うけ型のマスク30と顔面との間の空間内において、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気が生じる様子を模式的に示している。図10Bは、下うけ型のマスク30を装着した被験者40の顔面を真上から見た様子を模式的に示している。
FIG. 10A schematically illustrates a state in which air is ventilated by breathing from a nostril and a mouth in a space between the
本実施形態で用いられるマスク30は、いわゆる衛生透明マスクと同じ形状を有している。本明細書では、このような形状をしたマスクを「下うけ型のマスク」と呼ぶ。図10Bに示すように、マスク30の下端には、部材33が取り付けられている。部材33の熱伝導率は、第2の実施形態で説明した部材32と同様に、低い方が好ましく、例えば、部材33の材料として、PET樹脂を用いることができる。
The
マスク30は、部材33が被験者40の顎に接するように配置される。これにより、部材33を介して皮膚からマスク30に熱が伝導することを防止することができる。また、皮膚からの直接的な熱伝導を抑制するために、第2の実施形態と同様に、マスク30は宙吊り状態になるように部材33によって支持されることが好ましく、宙吊り状態において、マスク30はその形状を維持する構造(例えば、骨組み)を備えていることが好ましい。
The
本実施形態によれば、マスク30を被験者40に装着するときの閉塞感を低減することができる。
According to the present embodiment, the feeling of obstruction when the
本明細書は、以下の項目に記載の被験体の呼吸に起因する生体活動の計測システムおよび計測方法を開示している。 The present specification discloses a measurement system and a measurement method of a biological activity caused by respiration of a subject described in the following items.
〔項目1〕
サーモグラフィカメラと、サーモグラフィカメラからの動画像を処理する画像処理装置と、を備えた生体活動計測システムを用いて、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測方法であって、
(a)素材温度が前記被験体の体温よりも低く、かつ、前記被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されたマスクを、前記被験体の鼻孔および口を覆うように配置するステップと、
(b)前記サーモグラフィカメラが、前記被験体に配置された前記マスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成された前記動画像を取得するステップと、
(c)前記画像処理装置が、前記複数のフレーム画像にわたって生じた、前記マスクの領域における温度変化を算出し、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を前記温度変化に基づいて計測するステップと、
を包含する、計測方法。
[Item 1]
Thermography camera, and an image processing device that processes a moving image from the thermography camera, using a life activity measurement system including, a measurement method for measuring the life activity caused by the respiration of the subject,
(A) A mask formed of a material whose material temperature is lower than the body temperature of the subject and whose temperature changes by exhalation and inhalation of the subject is arranged so as to cover the nostrils and mouth of the subject. Steps and
(B) the thermographic camera takes an image of the mask placed on the subject, and obtains the moving image composed of a plurality of frame images;
(C) calculating, by the image processing device, a temperature change in the region of the mask, which has occurred over the plurality of frame images, and measures a biological activity due to respiration of the subject based on the temperature change; ,
A measurement method.
項目1に記載の計測方法によると、計測環境および被験体の体調の変化に対してロバストな、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測方法が提供される。 According to the measurement method described in Item 1, a measurement method for measuring a biological activity caused by respiration of a subject, which is robust to a change in a measurement environment and a physical condition of the subject, is provided.
〔項目2〕
前記マスクの素材は不織布である、項目1に記載の計測方法。
[Item 2]
2. The measuring method according to item 1, wherein the material of the mask is a nonwoven fabric.
項目2に記載の計測方法によると、容易に入手でき、かつ、安価な不織布マスクを用いて、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測することができる。 According to the measurement method described in Item 2, it is possible to measure the biological activity caused by the respiration of the subject by using an easily available and inexpensive nonwoven fabric mask.
〔項目3〕
前記ステップ(a)は、前記被験体の鼻腔が拡張するように、鼻腔拡張テープを前記被験体の鼻に貼るステップをさらに包含する、項目1または2に記載の計測方法。
[Item 3]
3. The measurement method according to item 1 or 2, wherein the step (a) further includes a step of applying a nasal cavity expansion tape to the subject's nose so that the subject's nasal cavity is expanded.
項目3に記載の計測方法によると、鼻詰まりを改善することができ、鼻孔と口とからの呼吸による空気の換気状態を改善することができる。 According to the measurement method described in Item 3, nasal congestion can be improved, and the state of air ventilation by breathing from the nostrils and the mouth can be improved.
〔項目4〕
前記マスクは、形状を維持するための骨組み構造を有し、一部が前記鼻腔拡張テープによって前記被験体の鼻に貼着された部材によって前記被験体の顔面に接触しないように支持されている、項目3に記載の計測方法。
[Item 4]
The mask has a skeleton structure for maintaining its shape, and is partially supported by a member attached to the nose of the subject by the nasal cavity expansion tape so as not to contact the face of the subject. , The measurement method according to item 3.
項目4に記載の計測方法によると、皮膚からの直接的な熱伝導を抑制することができる。 According to the measuring method described in Item 4, direct heat conduction from the skin can be suppressed.
〔項目5〕
前記マスクは下うけ型マスクである、項目1または2に記載の計測方法。
[Item 5]
3. The measurement method according to item 1 or 2, wherein the mask is a bottom mask.
項目5に記載の計測方法によると、マスクのバリエーションが提供される。 According to the measurement method described in the item 5, a variation of the mask is provided.
〔項目6〕
前記ステップ(a)において、前記マスクは、前記被験体の顎に接するように配置される、項目5に記載の計測方法。
[Item 6]
The measurement method according to item 5, wherein in the step (a), the mask is arranged so as to be in contact with a chin of the subject.
項目6に記載の計測方法によると、部材を介して皮膚からマスクに熱が伝導することを防止することができる。 According to the measurement method described in Item 6, it is possible to prevent heat from being transmitted from the skin to the mask via the member.
〔項目7〕
前記ステップ(c)において、前記画像処理装置は、前記複数のフレーム画像の各々に含まれる前記マスクの領域を特定し、前記マスクの領域における、前記複数のフレーム画像にわたって温度変化が生じた部分領域をさらに特定して、前記部分領域の温度変化に基づいて、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する、項目1から6のいずれかに記載の計測方法。
[Item 7]
In the step (c), the image processing apparatus specifies an area of the mask included in each of the plurality of frame images, and a partial area in the area of the mask where a temperature change occurs over the plurality of frame images. 7. The measurement method according to any one of items 1 to 6, further comprising: measuring a biological activity caused by respiration of the subject based on a temperature change in the partial region.
項目7に記載の計測方法によると、観測場所によって温度変化にムラが生じる可能性がある場合であっても、温度変化が生じた部分領域を特定することにより、被験体の呼吸に起因する生体活動を精度よく計測できる。 According to the measurement method described in Item 7, even when there is a possibility that unevenness may occur in the temperature change depending on the observation location, the partial area where the temperature change has occurred can be specified, and the living body caused by the respiration of the subject can be identified. Activity can be measured accurately.
〔項目8〕
前記画像処理装置は、フレーム画像毎に、前記マスクの領域に包含される複数の分割領域毎に温度変化を算出し、前記複数の分割領域のうち、温度変化が最も大きい分割領域の温度変化に基づいて、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する、項目1から6のいずれかに記載の計測方法。
[Item 8]
The image processing apparatus calculates a temperature change for each of a plurality of divided regions included in the region of the mask for each frame image, and calculates a temperature change of a divided region having the largest temperature change among the plurality of divided regions. 7. The measurement method according to any one of items 1 to 6, wherein a biological activity due to respiration of the subject is measured based on the subject.
項目8に記載の計測方法によると、処理単位として分割領域を利用することで演算処理の効率化が図れる。 According to the measurement method described in Item 8, the efficiency of the arithmetic processing can be improved by using the divided area as a processing unit.
〔項目9〕
鼻孔および口を覆うようにマスクが配置された被験体の動画像を解析して、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測システムであって、
前記マスクは、素材温度が前記被験体の体温よりも低く、かつ、前記被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されており、
前記被験体に配置された前記マスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成される前記動画像を生成するサーモグラフィカメラと、
前記動画像を受け取り、前記複数のフレーム画像にわたって生じた、前記マスクの領域における温度変化を算出し、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を前記温度変化に基づいて計測する画像処理装置と、
を備える、計測システム。
[Item 9]
Analyze the moving image of the subject is placed a mask to cover the nostrils and mouth, a measurement system that measures the biological activity due to the subject's respiration,
The mask is formed of a material whose material temperature is lower than the body temperature of the subject, and whose temperature changes due to the subject's exhalation and inspiration.
An image of the mask placed on the subject, a thermography camera to generate the moving image composed of a plurality of frame images,
An image processing apparatus that receives the moving image, calculates a temperature change in the region of the mask that has occurred over the plurality of frame images, and measures a biological activity due to respiration of the subject based on the temperature change,
A measurement system comprising:
項目9に記載の計測方法によると、計測環境および被験体の体調の変化に対してロバストな、被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する計測システムが提供される。 According to the measurement method described in Item 9, there is provided a measurement system for measuring a living activity caused by respiration of a subject, which is robust to a change in a measurement environment and a physical condition of the subject.
本発明は、被験体を撮影した動画像を解析して、被験体の生体活動、特に呼吸の数を非侵襲で計測する方法として利用することができる。また本発明は、そのような動画像の解析および生体活動の計測のための装置、システム、コンピュータプログラムとして利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a method for non-invasively measuring a living activity of a subject, particularly the number of respirations, by analyzing a moving image obtained by photographing the subject. Further, the present invention can be used as an apparatus, a system, and a computer program for such analysis of a moving image and measurement of life activity.
10、11 サーモグラフィカメラ
20 画像処理装置
30 不織布マスク
31 鼻腔拡張テープ
32、33 部材
40 被験者
50 ディスプレイ
100 計測システム
201 CPU
202 ROM
203 RAM
204 HDD
205 I/F
206 画像処理回路
DESCRIPTION OF
202 ROM
203 RAM
204 HDD
205 I / F
206 Image processing circuit
Claims (3)
(a)素材温度が前記被験体の体温よりも低く、かつ、前記被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されたマスクを、前記被験体の鼻孔および口を覆うように配置するステップと、
(b)前記サーモグラフィカメラが、前記被験体に配置された前記マスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成された前記動画像を取得するステップと、
(c)前記画像処理装置が、前記複数のフレーム画像にわたって生じた、前記マスクの領域における温度変化を算出し、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を前記温度変化に基づいて計測するステップと、
を包含し、
前記画像処理装置は、フレーム画像毎に、前記マスクの領域に包含される複数の分割領域毎に温度変化を算出し、前記複数の分割領域のうち、温度変化が最も大きい分割領域の温度変化に基づいて、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する、
計測方法。 Thermography camera, and an image processing device that processes a moving image from the thermography camera, using a life activity measurement system including, a measurement method for measuring the life activity caused by the respiration of the subject,
(A) A mask formed of a material whose material temperature is lower than the body temperature of the subject and whose temperature changes by exhalation and inhalation of the subject is arranged so as to cover the nostrils and mouth of the subject. Steps and
(B) the thermographic camera takes an image of the mask placed on the subject, and obtains the moving image composed of a plurality of frame images;
(C) calculating, by the image processing device, a temperature change in the region of the mask, which has occurred over the plurality of frame images, and measures a biological activity due to respiration of the subject based on the temperature change; ,
,
The image processing apparatus calculates a temperature change for each of a plurality of divided regions included in the region of the mask for each frame image, and calculates a temperature change of a divided region having the largest temperature change among the plurality of divided regions. Based on, to measure the biological activity due to the subject's breathing,
Measurement method.
前記マスクは、素材温度が前記被験体の体温よりも低く、かつ、前記被験体の呼気および吸気によって温度が変化する素材で形成されており、
前記被験体に配置された前記マスクを撮像して、複数のフレーム画像から構成される前記動画像を生成するサーモグラフィカメラと、
前記動画像を受け取り、前記複数のフレーム画像にわたって生じた、前記マスクの領域における温度変化を算出し、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を前記温度変化に基づいて計測する画像処理装置と、
を備え、
前記画像処理装置は、フレーム画像毎に、前記マスクの領域に包含される複数の分割領域毎に温度変化を算出し、前記複数の分割領域のうち、温度変化が最も大きい分割領域の温度変化に基づいて、前記被験体の呼吸に起因する生体活動を計測する、
計測システム。 Analyze the moving image of the subject is placed a mask to cover the nostrils and mouth, a measurement system that measures the biological activity due to the subject's respiration,
The mask is formed of a material whose material temperature is lower than the body temperature of the subject, and whose temperature changes due to the subject's exhalation and inspiration.
An image of the mask placed on the subject, a thermography camera to generate the moving image composed of a plurality of frame images,
An image processing apparatus that receives the moving image, calculates a temperature change in the region of the mask that has occurred over the plurality of frame images, and measures a biological activity due to respiration of the subject based on the temperature change,
Equipped with a,
The image processing apparatus calculates a temperature change for each of a plurality of divided regions included in the region of the mask for each frame image, and calculates a temperature change of a divided region having the largest temperature change among the plurality of divided regions. Based on, to measure the biological activity due to the subject's breathing,
Measurement system.
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