JP6641013B2 - 動き検出装置およびそれに対応する方法 - Google Patents

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Description

本開示は、着用可能動き検出装置、特に転倒検出装置、および関連する転倒検出方法に関する。より詳細には、本開示は、身体着用可能監視用動き検出装置および近接検出を組み込む方法における改良に関する。本開示はさらに、動き検出装置を動作させる、対応するコンピュータプログラムに関する。
特許文献1は、転倒検知システムおよび転倒検知方法を開示する。該システムは、着用または携帯されるように構成された着用可能または携帯可能なユーザ装置であって、前記ユーザ装置の地面または床に対する近接度を測定する近接センサと、ユーザの動きを測定する動きセンサとを有し、前記転倒検出システムは、動きセンサからの測定値を処理して潜在的な転倒を検知し、潜在的な転倒が検知された場合に近接センサを作動させ、近接センサからの測定値を処理して、ユーザが転倒したかどうかを判断するように構成された処理ユニットをさらに有する。
特許文献1の例示的な実施形態によれば、近接センサは、静電容量またはインダクタンスの変化を測定して物体への近接度を推定するように構成されている。静電容量型または誘導型近接センサの電場または磁場の変化は、それぞれ、物体がセンサに近接しているかどうかを示すことができる。
転倒事例により、毎年多数の人が転倒し、大けがをしている。これは特に老齢者に多い。実際、転倒は老齢者の主な死因の1つに入ると推定されている。転倒は、突然の、制御されていない、かつ意図的でない、地面への身体の下向き変位と、それに続く衝撃として定義することができ、その後、身体は一般に地面にとどまる。転倒した人がまだ完全に意識がある場合、その人は緊急スイッチを押して助けを求めることができる。しかし、かなりの頻度で患者は頭が混乱したり、頭や腕を傷つけたりすることもあり、意識的に警報を発することができないことがある。
したがって、自動転倒検出システムが提案されている。従来の自動動き検出装置は、患者ケア環境において、より詳細には高齢者ケアおよび老齢者ケアの状況において広く知られ、利用されている。本明細書でhz、動き検出装置には、転倒検出装置が含まれるが、これに限定されない。転倒検知装置は、育児、動物のケアなどの分野でも使用され得る。転倒検知装置は、睡眠の監視のためだけでなく、活動の監視のためにも利用され得る。
そのような転倒検出に関して、いくつかの基本的な技術原理がある。現在、転倒検出システムは、身体装着型、周囲型、およびその2つの組み合わせの3つの主なクラスに分類することができる。
例えば、転倒検知装置は、監視対象(monitored subject)が地面または床にぶつかった時の衝撃を検出するものが知られている。これらの装置は、例えば、従来の接触スイッチを実装していることもある。さらに、加速度ベースの装置は、基本的に所定の(例えば、転倒加速度や速度)力学的閾値が満たされた時に転倒事象を検知するものが知られている。これらの組み合わせも考えられる。
1つのタイプによれば、転倒検出装置は身体装着式装置として構成される。しかし、静止(遠隔)転倒検出装置も光学的検知を利用するものが知られている。さらに、身体装着式ユニットと静止ユニットとの組み合わせも、かなりの製造および動作の努力を引き起こす可能性があるものが、想定されてもよい。さらに、標準的転倒検出装置は、実際の転倒事象を監視対象の意図的な動き、例えば身体の手足の迅速な動きから区別するときに、しばしば性能が悪くなる。さらに、検出装置と監視対象の取り付け部分(例えば、手首)との間の相対的な動きも、性能、精度、および信頼性に悪影響を及ぼし得る。転倒検出装置が外れると、擬似的動きが検出されることがあり、これが誤警報を引き起こす可能性がある。
身体着用式転倒検出システムは、一般的には、三軸加速度計、ジャイロスコープなどのオンボード慣性センサを利用する。これらの信号から得られた特徴の組み合わせを用いて、任意の所与の瞬間に転倒が生じたかどうかを検出する。任意的に、他のセンサ、例えば圧力センサを用いて、高さの変化を検出することができる。
周囲ベースの転倒検出のアプローチは、一般的に、対象の家屋や病院などの臨床環境などの関連性のあるカバレッジ領域全体にわたって配置された多数のセンサを使用する。これらのセンサには、ビデオカメラおよび受動赤外線(PIR)センサが含まれるが、これに限定されない。
さらに、簡単なリーシュベースの装置が知られており、これらは分離した検出装置として構成され、所定の位置または範囲からの望ましくない除去を検出すると警告をトリガーする。しかしながら、これらの装置は、しばしば、かなり不快で、エラーを起こしやすく、やや動きを制限するものとして経験される。さらに、分離型転倒検出装置は、基本的に、(水平)移動事象を(垂直)転倒事象から区別することができない。
監視対象の胴体/胴体および/または頭部に基本的に近接して装着されたセンサについては、十分に高い精度が得られることが観察されている。このような位置の利点は、それが対称的(脳機能の側方化、すなわち右/左利きによるバイアスなし)であり、主に歩行や姿勢の変化などのより大きくより遅い動きによって支配されることである。特に、高さの変化と衝撃に基づく特徴の組み合わせは、より優れた弁別性能を示すことができる。
このような転倒検出システムを手首に装着した装置に実装する際に、課題が発生する可能性がある。対象の手首/腕はより速い動きがしやすく、日常で対象の胴よりも多数のプッシュや影響を受ける傾向がある(例えば、ツイスト式ドアノブに手を伸ばすこと)。さらに、胴体や頭部に設置されたセンサとは異なり、身体に対する手首の自由度や位置が多いため、慣性センサのみを用いた手首装着型の装置では、潜在的な転倒後の姿勢を確実に検出することができないことが多い。
それゆえ、転倒検知に対する他のアプローチは、慣性(加速度)センサ信号の特徴と共に、装置の表面に対する近さに関する情報を用いることである。人が転倒し、加速度信号から衝撃が検出された後、または人が(まだ)転倒中であるとき、表面に対する近さまたはその変化を測定できる。この表面は地面または床であると仮定される。
未だに、検出の信頼性をさらに向上し、手首装着型監視システムに用いられる、改善された又は代替的な動き及び転倒検知装置、アルゴリズム、及び関連方法が必要とされている。
国際出願第WO2015/08283A1
上記を考慮して、本開示の目的は、それぞれの方法と装置において実施できる、動き検出と、転倒検出と、それぞれの監視との改良された又は代替的なアプローチを見いだすことである。より具体的に、本発明の目的は、動き検出装置とそれに対応する方法であって、転倒検出の信頼性を改善し、実際の転倒事象を関連する転倒でない動きから弁別する性能の改善するものを提供することである。さらに、有利にも、改善された動き検出システム及び方法であって、検出された関連する動き信号からさらに別の結論を導き出すことができるものを提供する。
本発明の第1の態様によると、身体対地表の近接性を検出するように構成された装着可能動き検出装置を提示する。該装置は、
− 身体対地表の静電容量を検出するように構成された静電容量検出部であって、
− 前記装置が装着されているとき、監視される対象の身体部分に接触するように構成された第1電極と、
− 前記第1電極とは離間して、しかし動作可能に接続されるように構成された第2電極(32)と、
− 前記第2電極を前記第1電極からシールドするように構成されたシールド電極とを有する静電容量検出部と、
− 前記静電容量検出部が提供する身体対地表静電容量信号を考慮して、前記ユーザの位置変化を検出するように構成された制御部とを有する。
この態様は、動き検出精度は、特に転倒検出精度を改善でき、より一般的に、転倒検出は、衝撃を検出するだけでなく、身体対地表の近接性を検出することにより、差し迫った衝撃も検出するように構成された静電容量検出部を実装することにより、高めることができるとの洞察に基づく。したがって、制御ユニットは、転倒事象が発生したかどうかを判定するように構成することができる。
本開示の態様及び実施形態を、転倒検出関連の実施形態を参照してここに説明するが、本開示の範囲を限定するものと解釈してはならない。それゆえ、本開示による動き検出装置は、装着コンプライアンス検出(wearing compliance detection)やユーザインターラクションなど付加的機能を実行するように構成されてもよい。静電容量検出部は、静電容量検出により(バイナリ)スイッチ機能(すなわち、接触状態と非接触状態)だけでなく、中間状態の検出(すなわち、近接状態)の検出が可能になる点で利用され得る。それゆえ、動き検出装置は、改良された転倒検出装置を参照することがある。
例えば、装置は、装着コンプライアンス、すなわち使用者が装置を装着しているか否かを検出することができる。特定の改良では、装着コンプライアンスは、装置が実際に適切に装着されているかどうか(例えば、手首または腕にしっかりと巻かれているかどうか)の判断を伴うことがある。この目的のために、静電容量検出ユニットは、第1の電極が皮膚に適切に接触するか否かの評価を可能にする静電容量指示信号を提供することができる。
別の例では、タッチ、タップ、ノックまたはシェイクを含むがこれに限定されない意図的なユーザの動きを検出し、意図的なユーザ入力を検出するために分析/評価することができる。このようにして、例えば仮想プッシュボタンを設けることができる。したがって、例えば、緊急電話またはナースコールを示す意図的なユーザアクション/ユーザ入力が検出されてもよい。従って、使用者の上肢、特に前腕または手首部分に装置を取り付けることが有益であり得る。
本明細書で使用される場合、第1の電極は、基準電極または基準身体接触電極と呼ぶことができる。本明細書で使用される場合、第2の電極は、センサ電極または地面接近または地面接触(床接近または床接触)電極と呼ぶことができる。より一般的な状況では、第1の電極を第1の端子と呼び、第2の電極を第2の端子と呼んでもよい。
シールド電極は、基本的に、第1の電極によって形成される第1の端子と第2の電極によって形成される第2の端子との間に存在し得るさらに別の(妨害的な)容量から、第2の電極を隔離するように構成される。第1電極と第2電極との間の望ましくない容量は、妨害容量または寄生容量と呼ばれることがある。
したがって、動き検出装置は、静電容量測定の基準として第1電極を使用することができる。第1電極と第2電極との間に第1静電容量が確成される。装置が適切に装着されると、第1電極は対象の身体にリンクされることに留意されたい。第1電極と接地との間に第2静電容量が確成される。第2電極と接地との間に、第3静電容量が確成される。したがって、装置が床に近づくときの静電容量の予想される挙動の推定を含む静電容量モデル回路を確成(define)することができる。典型的には、これは、装置によって測定される静電容量信号の特定の特性パターンまたはステップを誘導する。シールド電極によって、第2の静電容量と第3の静電容量との間の干渉を低減することができる。
本明細書で使用される場合、装置によって検出された位置変化は、姿勢の変化、転倒(fall)事象、転倒(tumbling)事象、転倒(rolling over)、転倒および転倒(toss and turning)、前腕運動およびさらなる特徴的な運動からなる群のうちの少なくとも1つを含むが、これに限定されない。よって、本装置の一実施形態では、前記制御部は、前記静電容量検出部が測定する静電容量の変化を閾値と比較して、身体対地表接触、身体対地表近接、及び身体対地表接近のうち少なくとも1つを検出する。
例示的な一実施形態において、前記装置は、支持層を含むベルト状またはリング状のストラップを含む腕装着型または手首装着型の装置として構成され、前記第1電極は内向きに配置され、前記第2電極は外向きに配置され、前記シールド電極は、前記第1電極と前記第2電極との間に配置される。
さらに別の例示的な一実施形態では、第1電極と第2電極とは、第2電極が第1電極を含むように構成される。例えば、第1電極と第2電極は円周状に構成されてもよい。好ましくは、シールド電極は、第1電極と第2電極との間に円周状に配置され、第1電極、シールド電極および第2電極は、層状に配置されているが(半径方向に)互いにずれている。
上記の実施形態の例示的な一改良において、本装置は、ストラップに取り付けられた制御ケースをさらに備え、制御部は制御ケース内に配置され、制御部は、第1電極、第2電極、およびシールド電極に動作可能に結合される。したがって、装置は、腕時計のような形で配置されてもよい。
さらに別の例示的な一実施形態では、前記静電容量検出部の測定電極は、信号第1電極、信号第2電極、及び信号シールド電極よりなる。言い換えれば、本装置は、第1電極、第2電極、およびシールド電極以外の電極を含まない。円周構成のため、基本的に静電容量測定における装置の周方向または角度方向の影響はない(制御ケースがある場合は、その位置を除く)。電極は、同心の層状構造を形成し、好ましくは、3つの層を含むほぼ完全な円を形成する。
さらに他の例示的な一実施形態において、前記第1電極は、前記装置が取り付けられている測定部位において前記対象の皮膚に付くように構成される。したがって、比較的安定した一定の測定条件を提供することができる、対象(使用者)の身体、好ましくはその手首と、第1電極との緊密な接触を達成することができる。
さらに他の例示的な一実施形態において、本装置は、前記シールド電極を前記第2電極と同電位にする電圧フォロワー部をさらに有する。したがって、第2電極、すなわち他のセンサプレートと、シールド電極との間の電位差は実質的にゼロである。好ましくは、シールド電極は、第2の電極に近接して配置され、シールド電極の下のオブジェクトによって生じる静電容量効果をさらに低減する。
他の一実施形態において、本装置は、関心対象の身体加速を検出するように構成された加速度部をさらに有し、前記制御部は、前記加速度部が提供する加速度信号と、前記静電容量検出部が提供する静電容量信号とに基づいて転倒事象を検出するように構成される。したがって、幾つかの異なるが多少関連した信号を、転倒を検出するために利用することができる。加速度計ユニットは、そのようなに、動きを、例えば対象の動きの垂直成分を検出することができる。さらに、加速度計は、一般的には突然の減速または衝撃によって示される床への衝撃を検出することができる。したがって、近接信号と組み合わせることができる加速度計信号において、転倒を表示する信号パターンを検出することができる。
例示的な一実施形態において、好ましくは、非導電層が前記第1電極、前記第2電極、及び前記シールド電極の間に設けられている。好ましくは、非導電層は誘電物質を含む。
さらに別の例示的な一実施形態では、前記シールド電極は、前記第2電極の面積より少なくとも2倍、好ましくは4倍大きい面積を有し、前記シールド電極は、前記第2層の軸方向長さを超える軸方向長さを有するストリップとして少なくとも部分的に構成される。これによりシールド性能が改善される。
他の一実施形態において、本装置は、1つの端子が前記第2電極により構成された、キャパシタの充放電動作を制御するように構成されたタイマーモジュールをさらに有し、充放電頻度は、前記装置が装着されている場合、身体対地表の近接性、特に地表との接触を示す。したがって、制御部においてさらに処理され、計算され得る中間近傍信号を得ることができる。デジタルデータ処理を簡略化することができます。さらに、近接表示信号は、必ずしも正確な絶対近接値(例えば、10cm、5cmなど)を表す必要はない。むしろ、近接表示信号は、定性的または相対的な近接値を表すことができる。
上記の実施形態の例示的な一改良において、前記タイマーモジュールはさらに、充放電動作のどちらが制御されているかに基づき、定められたトリガーレベルを適用し、定められた閾値レベルを適用するように構成されている。例えば、トリガーレベルを利用して充電(または再充電)サイクルを開始することができる。さらに、閾値レベルを用いて、それぞれの容量値が達成されたときに、放電動作を開始してもよい。言い換えれば、トリガーレベルは、最小充電状態を表し、閾値レベルは、キャパシタが動作する最大充電状態を表すことができる。いくつかの実施形態では、タイマーモジュールは、第2の電極に結合されたトリガー接点および閾値接点を備える。
さらに他の例示的な一実施形態において、前記第2電極は、歩行補助具、歩行フレーム及び車椅子のうちの少なくとも1つからなる群から選択される移動補助具に結合されるように構成される。移動補助装置は、第2電極を「拡大」し、したがって、第2電極と地面または床との間に形成され得る静電容量を拡大し得る。
言うまでもなく、本開示の少なくとも1つの態様による動き検出装置は、統合された監視手法を実施するためのさらなる検知および検出部を実装する動き検出または転倒検出システムの一部を形成することができる。
本発明の別の一態様では、身体対地表近接検出を利用する動き検出方法を提示する。該方法は、
− 静電容量検出部を関心対象の身体部分に適用するステップであって、前記静電容量検出部は、身体対地表静電容量を検出するように構成され、
− 監視される対象の身体部分に接触するように構成された第1電極であって、静電容量検出部の適用は前記第1電極が前記身体部分との接触を確立するように構成することを含む、第1電極と、
− 前記第1電極とは離間して、しかし動作可能に接続されるように構成された第2電極と、
− 前記第2電極を前記第1電極からシールドするように構成されたシールド電極とを有する静電容量検出部と、
− 前記第2電極と前記グランドとの間の静電容量の測定値に基づいて前記静電容量検出部に前記身体対地表近接静電容量信号を出力させるステップと、
− 前記身体対地表静電容量信号を考慮して、前記ユーザの位置変化を検出するステップとを有する。
ユーザの位置変化を検出する段階は、転倒事象が発生するか否かを判断する段階を含んでもよい。
好ましくは、本開示による動き検出装置は、上述の方法に従って動作させることができる。
本発明のさらに他の一態様によると、コンピュータプログラムであって、コンピュータで実行されると、ここに開示の方法のステップを前記コンピュータに実行させるプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムを提供する。
プログラムコード(またはロジック)は、コンピュータなどの計算機による実行のための1つまたは複数の非一時的な有形の媒体にエンコードすることができる。いくつかの例示的な実施形態では、プログラムコードは、システム内で使用するため、コンピュータ可読信号媒体を介して、ネットワークを介して持続的メモリユニットまたはストレージに別のデバイスまたはデータ処理システムからダウンロードすることができる。例えば、サーバデータ処理システム内のコンピュータ可読メモリユニットまたは記憶媒体に格納されたプログラムコードは、ネットワークを介してサーバからシステムにダウンロードすることができる。プログラムコードを提供するデータ処理装置は、サーバコンピュータ、クライアントコンピュータ、またはプログラムコードを格納および送信することができる何らかの他の装置であってもよい。
本明細書で使用される場合、用語「コンピュータ」は、多種多様な処理装置を表すことができる。言い換えれば、大きい計算能力を有するモバイルデバイスも、標準的な「コンピュータ」よりも処理能力リソースは小さいが、計算装置と呼ぶことができる。言うまでもなく、そのような「コンピュータ」は、医療機器および/またはシステムの一部であり得る。さらに、「コンピュータ」という用語は、クラウド環境内で提供される計算能力を含むかまたは利用することができる分散コンピューティングデバイスを指すこともできる。「コンピュータ」という用語はまた、データを処理することができる医療技術デバイス、フィットネス機器デバイス、および一般的な監視デバイスに関連し得る。
本開示の好ましい実施形態は従属項に規定した。言うまでもなく、請求項にかかる方法および請求項にかかるコンピュータプログラムは、請求項にかかる装置と同様の好ましい実施形態を有し、従属する装置の請求項に規定されるように理解されるべきである。
本発明の上記その他の態様を、以下に説明する実施形態を参照して明らかにし、説明する。以下の図面において、
本開示による、手首装着型検知システムの例示的一実施形態を装着した対象を示す簡略化した模式図である。対象は立っているか歩いている。 本開示による手首装着型検知システムを装着した対象を示す図である。対象は地面または床に横になっている。 本開示の例示的一実施形態による装着型動き検知装置を示す簡略化した断面図である。 容量性近接検出をする例示的なモデル回路を示す図である。 容量性近接検出をする例示的なモデル回路を示す図である。 本開示による容量性近接検出をする簡略化した例示的モデル回路を示す図である。 本開示による近接検出動き検知装置の例示的一実施形態を示す模式的ブロック図である。 本開示近接検出動き検知装置において使用される制御回路の例示的一実施形態を示す図である。 本開示近接検出動き検知装置において使用される制御回路の例示的一拡張実施形態を示す図である。 本開示による近接検出動き検知方法の例示的一実施形態の幾つかのステップを示す模式的ブロック図である。 転倒事例を示す近接検出動き検知装置の静電容量対時間曲線を示すグラフである。
以下、本発明の主な態様とインサイトを説明し、転倒検知方法と装置の例示的実施形態を参照してさらに詳しく説明する。より一般的に、本開示は、動き検知アプローチに関し、非限定的な転倒検知の実施形態を参照して、以下により詳しく説明する。上述のように、本開示の少なくともいくつかの実施形態に従って構成された動き検出システム、装置および方法が提供されてもよい。
留意点として、以下の例示的な実施形態および説明は、限定的な意味で解釈されるべきではない。むしろ、当業者は、ここに開示される具体的な実施形態、コンポーネント及びプロセスステップを移転及び拡張して、本開示の概念に到達することができる。
背景技術欄で説明したように、既存の転倒検知方法は、しばしば十分に高くかつ信頼性の高い検出率を提供しない。一方で、対象の転倒に起因しない歩行、着座など毎日の活動で起こりうる手首の動きおよび見掛けの衝撃による誤警報の数を制限する。これらの既存の転倒検出方法は、動きセンサ測定値から、方向変化、高さ変化、垂直速度及び/又は衝撃の大きさを含むフィーチャを求めて、転倒検知システムのユーザが転倒したか判定する。
本開示の少なくとも幾つかの実施形態によれば、手首装着型転倒検知装置の信頼性は、ある近接検出機能を装置に提供することにより改善し得る。よって、本装置は、転倒検知装置の地面または床への近さを検出できてもよい。近接検出により、本装置の精度と検出信頼性とが大幅に改善される。近接検出は、転倒検知装置と方法の適用分野を拡大する可能性がある。
本開示の主要な実施形態によると、近接検出は容量測定により実行される。一般的に、電磁場の変化は、対象がセンサの知覚にあるかどうかを示し得る。近接性関連測定により、転倒検知アプローチとアルゴリズムが利益を得るさらに別のフィーチャベースを提供できる。例えば、近接信号が接近を示し、加速度信号が速い(下向きの)動きを示す状態は、転倒事象または差し迫った転倒を明確に示す。
図1と図2は、手首装着型動き検出及び転倒検出システムであって、ユーザが転倒したか判定するのに近接センサを利用するものの使用を示す。図1と図2は監視対象10、例えば年配者または患者を示す模式図である。対象10は、動き検出または転倒検出装置12であって容量ベース近接センサを備えたものを担い、又は装着している。断っておくが、装置12は、装置12と床18との間の実際の(絶対的)距離(図1と図2においてdで示す)を、必ずしも高い精度で検出するように構成されてはいない。
図1と図2の例示的実施形態では、装置12は対象の身体14に取り付けられている。身体14の一部が用いられ得る。例えば、装置12は、腕や手首などの四肢16に取り付けられ得る。対象10が図1に示すように通常に立っている又は歩いているとき、装置12中の近接センサにより測定される距離は大きく、これは対象10が地面または床18に横になっていないことを示唆する。この指標は、転倒検出アルゴリズムが、転倒が発生したことを検出する可能性(likelihood)を低減する。従来の転倒検出アルゴリズムを用いて、対象10が誤って手首を家具等にぶつけ、大きな衝撃があった場合、方向と高さの何らかの変化(これはもちろん対象の手首の通常の動きで生じる可能性があるもの)があり、転倒が検出されるだろう。しかし、本開示により用いられる近接センサの測定は、手首が床や地面に近くないことを示す可能性もあり、これ(疑似転倒)事例が転倒に分類される可能性を低減する。
しかし、図2に示すように、対象10が転倒し、地面または床に横たわっている場合、転倒検出装置12中の近接センサにより測定される距離は小さく、この特徴の検出により、転倒検出アルゴリズムにより検出される実際の転倒の可能性が高くなり得る。
図1に示すように、対象10は、杖、松葉杖、歩行器、車椅子などの移動補助具20を用い得る。転倒検出装置12に隣接する移動補助具20の存在は、静電容量測定に影響する可能性がある。これはじゃまになる「浮遊容量」と見なされ得る。しかし、以下でさらに説明するように、移動補助具20の存在およびこれに関連して測定された静電容量への影響を利用して、測定精度および転倒検出信頼性を改善することができる。
上記の通り、容量ベースの近接検出は転倒事象の信頼性の高い検出に寄与し得る。ここで、図3を参照するに、手首装着型動き検出または転倒検出装置12の一実施形態を示している。言うまでもなく、ある実施形態では、装置12は腰装着型動き検出または転倒検出装置として構成される。さらに別の構成も想定し得る。複数の装置12が対象10の身体の異なる部分16に取り付けられても良い。
図3の装置12は、リング状またはベルト状の転倒検出または転倒警報装置として構成される。この実施形態によると、装置12はストラップ(リストバンド)24を含み、これはリングまたは環状に構成される。ストラップ24は、支持層26を含み、これは装置12に十分な剛性を提供する。制御ハウジングまたはケース28が設けられ、これには装置12の制御回路が入っている。よって、装置12は一体的な形状の外観を有し得る。別の実施形態もあり、制御回路は少なくとも部分的に、ストラップ24から離れている。
容量測定の場合、第1層が設けられ、これが第1電極を定める。さらに、第2層が設けられ、これが第2電極32を定める。第3層が設けられ、これが第3電極またはシールド電極34を定める。シールド電極34は、第1電極30と第2電極32との間に配置される。第1電極30は内部電極として構成される。第2電極34は外部電極として構成される。シールド電極34は、第1電極30と第2電極32との間に中間電極として構成される。電極30、32、34はリング状またはリングセグメント状であり、円形スタックとして円形に配置されてもよい。ストラップ24は、内部空間36を含み、限定するループを定め得る。装置12が使用されるとき、この内部空間36中に対象10の身体部分16(例えば、手首)が入れられる。
好ましくは、第1電極30は、装置12が取り付け状態の時は、身体部分16の表面に隣接または近くなるように構成される。よって、第1電極30は、本明細書では、基準電極または身体電極とも呼ばれる。好ましくは、第1電極30は、身体部分16に対して、少なくともわずかにバイアスされている。第1電極30は、身体と装置12の基準端子とを、言わば短絡または接続する。
第2電極32は、第1電極30からオフセットまたは離間され、それゆえセンサ電極と呼ばれ得る。好ましくは、第1電極30と第2電極32とは、互いに直接結合されず、導通していない。よって、容量が、第1電極30と第2電極32との間で定められる。しかし、好ましいことは、第1電極30と第2電極32との間の容量は大きく成りすぎないことである。この目的のため、第3電極34が設けられ、これは第1電極30と第2電極32との間の電磁的バリアとして構成される。第3電極34は第2電極32を第1電極30からシールドする。
一般的に、電極30、32、34は導体物質から形成され得る。しかし、好ましくは、電極30、32、34のどれの間にも直接的な導体相互接続はない。よって、電極30、32、34の各ベアの間に、それぞれの容量を定めることができ、電極30、32、34はそれぞれ反対の端子を形成する。
第1電極32とシールド電極34との間、及びシールド電極34と第2電極32との間に、それぞれ、非導電層38、例えば非導電性のポッティングまたはシーリングがあってもよい。非導電層がさらにストラップ24を強化する。電極30、32、34は少なくとも部分的に非導電物質に埋め込まれていてもよい。電極は(軸方向に)アライメントされ、互いに(半径方向に)オフセットされ層状に構成されていてもよい。軸方向と幅方向に関して、シールド電極34は好ましくは、第1電極30と第2電極32とのうち少なくとも一方より大きい。よって、シールド電極34は、第1電極30及び第2電極32のうち少なくとも一方をカバーし、軸方向で重なるが、これによりシールドが改善する。
言うまでもなく、ストラップ24と電極30、32、34が2次元に広がった、代替的に非円形の実施形態もあり得る。よって、ストラップ24は基本的にフラットな層状パッドまたはバンドとして構成してもよい。
モバイル装置を利用する容量ベース近接検知の潜在的な問題は、対象または近接測定の基準をなす表面が、測定装置のポテンシャルと同じ基準ポテンシャルにあると仮定されることである。手首ベースの装置の場合、基本的には常にこうではない。測定装置の基準と、床または地面18(本明細書では接地とも呼ぶ)である対象の基準との間に直接接続が無いからである。
一般的に、容量型近接検出は、オブジェクトまたは表面への変化する近接性の表現としてのセンサの容量変化の測定に基づく。この近接性の変化は、一般的にオブジェクトのサイズ、距離、材料及び組成に依存する。一般的に、キャパシタは、2つの導電板または端子と、その間にある、空気その他のタイプの絶縁物質により形成される。2つの導電板の間の容量(単位:ファラッド(F))は
Figure 0006641013
により与えられる。ここで、Aは重なった導電板または電極の面積であり、dはそれらの間の距離である。真空誘電率及び2つのプレート間の物質の誘電率はそれぞれε0とεrで表される。当業者には言うまでもなく、球面や円筒面を含むその他のジオメトリもある。上記の説明は、近接検出原理の例示的説明として解釈し、本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。
図4は、例示的な容量ベース近接検出システム40、例えば容量型プッシュボタンまたはスイッチを示す単純化した模式的モデル表現である。システム40は、測定回路42と、容量が定め得るコンタクト、電極またはノードとを含む。例えば、ノードgは接地またはアースを表す。さらに、ノードpはセンサプレートまたは電極を表す。ノードbは、ユーザの指のような身体部分または四肢を表す。ノードpとgの間には容量Cpgがある。ノードpとgの間には容量Cpgがある。ノードbとeの間には容量Cbeがある。対象の指(又は四肢)が近接検出システム40のボタンに近づくにつれて、ノードpと指bとの間の容量Cpbは増加し、「プッシュ」が検出され得る。
測定回路42は、その測定ノード(プッシュボタンセンサ電極)pと接地gとの間の容量Cpgを測定する。対象の身体と地面との間の容量Cbgは、プッシュボタンセンサpと対象の指(これは対象の身体の基本的に一部である)との間の容量Cpbよりずっと大きいものと仮定すると、この後者の容量を信頼性高く測定でき、近接性が検出される。プッシュボタンセンサノードpと地面gとの間の容量Cpgは、シールド電極の導入により低減され、これは電極pと同じポテンシャルで駆動され、電極pの近くに配置され、それをアースまたは接地ノードgからシールドする。
さらに図5を参照し、(電圧源Vsを含む)測定回路52を実装した近接検出システム50が示されている。近接検出システム50は、(例えば、手首装着型または手首装着可能な)モバイル装置の一部として構成される。図4の例とは対照的に、図5の近接検出システム50のモデルはさらに、基準電極またはノードrを含む。この実施形態では、本装置の基準ノードrはアースノードeと同じポテンシャルではなく、これによりCbeの測定に影響する多数の付加容量が生じる可能性がある。ノードp、r、b及びeの間の、容量Cre,Cpe,Cbe,Crb,Cpb及びCrpがある。測定される容量Cmはノードpとrとの間の容量Crpに対応する。
センサプレートノードpに適当なシールドが為されていると仮定して、ノードpとr及びノードpとbの間の容量は低減でき、
Figure 0006641013
で与えられる測定容量になる。
センサプレートノードpがアースまたは接地ノードeと直接接触しているとき、すなわちCpe→∞であっても、測定される容量Cmは容量CreとCrbの効果を含み、これにより測定の精度が低下する。
それゆえ、有利なアプローチは、装置の基準電極/ノードrを対象の手首/身体bと直接接触させ、結果として得られる透過電気モデルが、(ノード数とその間の容量に関して)基本的に図4のモデルになるようにすることができる。
図6は、ノードbとノードrを互いに直接接続または結合することによって得られる単純化したモデルを示す。近接検出システム60は、基準端子またはノードb(監視される対象の身体に結合されるように構成されているもの)と、センサ(プレート)ノードpとを有する測定回路62を有する。アースまたは接地ノードはeで示す。ノードpとbとの間に、容量Cpbがあり、これは測定される容量Cmに対応する。ノードpとeの間には、容量Cpeがある。ノードbとeの間には容量Cbeがある。
本開示の少なくとも幾つかの実施形態によると、センサプレートpと手首bとの間の容量Cpbは、適当なシールドにより低減でき、その結果、測定される容量は
Figure 0006641013
となる。
Cbe>>Cpeの場合、式(3)における上記の測定容量はCm<Cpeである。センサプレートがアースに近づくにつれ、すなわち転倒中、Cmの値は大きくなりCbeの値に近くなる。センサプレートpが接地eと接触して、Cpe→∞となる局限では、Cm=Cbeである。それゆえ、装置の基準rを対象の身体bに結合することにより、測定容量Cmは、身体とアースとの間の容量Cbeのより正確な表現であり、特に転倒発生後はそうである。
本開示による動き検出装置12の単純化したブロック表現を図7に示す。システム12には、第1電極30(本明細書では基準または身体電極ともいう)と、第2電極32(本明細書ではセンサプレート電極ともいう)と、シールド電極34とを備える。電極30、32、34は、測定回路に結合される。この測定回路は、本明細書では容量検出部70ともいう。動き検出装置12はさらに、容量検出部70から、及び転倒検出装置12のさらに別のコンポーネントからの送られる信号を処理するように動作する制御部74を有する。言うまでもなく、バッテリーもしくは同様のエネルギー貯蔵部が、転倒検出装置12に電力供給するために設けられても良い。
幾つかの実施形態では、転倒検出装置12はさらに、(補足的な)加速度計部76を有し、これは少なくとも1つの加速度/慣性センサ78を有する。よって、補足的動き表示信号を制御部76に送っても良い。
さらに、動き検出装置12は、少なくとも1つのインターフェース80、具体的にはデータ交換インターフェースを有しても良い。インターフェース80は、例えば、ワイヤレスインターフェースでも非ワイヤレス(有線)インターフェースでもよい。さらに、バッテリー充電インターフェースも設けられ得る。幾つかの実施形態では、警報出力部82が設けられ、これは例えば、装置12を装着した対象が地面に転倒した時に、警報音を出力する。さらに、装置12は、インターフェース80を解してサイレント警報(リモート送信警報)信号を出力し、看護士、介護士、または関係者に転倒事象に関して通報するように構成されてもよい。
図8は、近接検知するように構成された本開示による静電容量検出部70の例示的な一実施形態を示す。この実施形態によれば、容量検出部70は、タイマーモジュール90を備える。一例として、タイマーモジュール90は、TLC555(テキサスインスツルメンツ社から入手可能)および同様のマイクロコントローラなどのタイママイクロコントローラを備える。
図8の構成によれば、タイマーモジュール90は、非安定マルチバイブレータとして実装される。センサ電極(第2の電極)32は、タイマーモジュール90に結合され、またはその中に設けられる。タイマーモジュール90はトリガー及び閾値レベルを有し、トリガー入力がトリガーレベルを上回り、閾値入力が閾値レベルを上回ると、出力がローに設定され、コンデンサを放電させる。トリガー値がトリガーレベルを下回ると、出力がハイになり、コンデンサが再充電を開始する。
図8の実施例では、容量性センサ電極32は、TRIG(トリガー)入力およびTHRESH(閾値)入力の両方に接続されていることに留意されたい。そのため、この回路は非安定マルチバイブレータ回路と呼ばれる。トリガーおよび閾値レベルは、それぞれ電源電圧Vccの約1/3および2/3に対応する。出力が低いときは常に、放電端子がモジュールの基準(接地)に低インピーダンスの経路を提供する。したがって、出力がハイのとき、コンデンサは抵抗R2およびR3を介して充電され、出力がローのとき、抵抗R3を介してグランドに放電される。結果として生じる信号は、センサと近くのオブジェクト/表面との間の仮想静電容量に正比例する幅を有するパルスからなる。
図8による実施例の結果、送信電極とオブジェクトとの間の仮想容量が大きい場合には、電極の充電に時間がかかり、その充放電周波数が低い。この静電容量が小さいと、充放電周波数が高くなる。したがって、一定期間、センサの静電容量は、充放電サイクル数に反比例する。相対容量を測定するこの手法は、本開示の少なくともいくつかの実施形態で使用される。静電容量と充放電周波数は、
Figure 0006641013
で関係している。
ここで、fsensは測定された充放電周波数であり、R2/R3は図8の抵抗に対応する。この状況において、上記回路により測定される容量Cは、その回路自身の基準電位または接地電位に対するものである。
先行技術の当業者には言うまでもないが、LC共振器回路のような容量を測定する他の方法があり、測定された共振周波数の変化が静電容量Cの変化に対応するようにできる。よって、上記の実施形態は、本開示の範囲を限定するように解釈されるべきではない。
図9を参照して、本開示の少なくともいくつかの態様による静電容量検出ユニット70のさらに別の例示的な実施形態を説明する。図8の実施形態と同様に、タイマーモジュール90が設けられてもよい。さらに、シールド電極34が設けられている。これは、電圧フォロワー92を介してタイマーモジュール90に接続され、センサ電極(第2電極)32をシールドする。
一般に、赤外線や超音波などの他の近接センサとは異なり、静電容量検出は無指向性である。対象の手首または手足が測定された静電容量に及ぼす望ましくない影響を可能な限り最小限に抑えるべき場合、これは着用可能な装置に問題を提起する可能性がある。この目的のために、シールド電極34であってボルテージフォロア回路92を介してセンサプレート電極32と同じ電位で駆動されるものを使用することができる。シールド電極34がセンサプレート電極32に近接して配置されるとき、シールド電極34の下のオブジェクトによって引き起こされる影響は、ある程度まで最小化される。センサ電極32とシールド電極34との間の電位差が実質的にゼロだからである。
図9と図3をさらに参照する。本明細書に開示された少なくともいくつかの実施形態によれば、電極30,32および34のサイズおよび配置は、式(3)で説明した測定された容量Cmの全体的な性能を改善するために重要である。以下では、これらの電極30,32および34の配置のための推奨事項が、手首装着型装置の実施形態において提供される。センサプレート電極32に対するシールド電極34の相対的な大きさも、測定される容量Cmに影響を与える。センサプレート電極32の面積よりも少なくとも2倍大きい、好ましくは約4倍大きい面積を有するシールドが、望ましくないオブジェクトまたは身体の静電容量測定の影響をある程度遮断するのに十分であることが分かった。
したがって、当業者には言うまでもなく、容易に理解されるであろうが、特定の用途(例えば、ベルト装置)に依存して、他の構成も可能である。したがって、上記は限定的な意味ではなく、むしろ本開示の範囲内にある多くの例示的な実施形態の1つの例示的説明として解釈されるべきである。
先行技術の当業者には容易に理解されるであろうが、図6及び図7に提案されたシステムの別の実施例は、センサプレート電極32を基準の代わりに身体に接触させることであり得る。図6のシステムに関する様々なセンサ構成を想定することができる。
構成および動作の仕方をより詳細に説明した後、再び図3を参照すると、図9に示すような静電容量検出ユニット70を装置12内に実装することができる。そこに示すように、ストラップまたは手首バンド24の内面は、基準電極30から構成されてもよく、これは装置が適切に装着されている限り、対象の手首との接触を維持する。この同じ実施形態では、リストバンド24の外側領域にシールド電極34が設けられており、このシールド電極34は、装置12の主制御コンポーネントが収容され得る制御ケース28を包含してもよい。最後に、非常に薄い非導電性材料38とそれに続くセンサ−プレート電極32がこの材料の上に配置される。この実施形態は、手首装着装置の外側および内側の面に配置されたプレートを備えるものとして提示されることに留意されたい。しかしながら、これらの電極は、手首装着装置およびバンド内で同じ順序で配置されてもよい。
言うまでもなく、図3に示される電極配置は、センサプレート電極32を手首の効果からうまく遮蔽するが、センサプレート電極32は依然として胴、脚、頭などの対象の身体の影響を、これらの部分に近づくとき捕捉できる。これは無視できない静電容量Cpbをもたらし、測定される静電容量Cmを大幅に増加させることができる。いくつかの実施形態では、例えば、歩行などの活動を検出すべき場合に、そのような効果が望ましい場合がある。転倒の場合、そのようなセンサ構成はまた、アームがブレース動作で身体から離れるにつれて、測定される静電容量の低下をもたらし、続いて衝撃後に急激な増加をもたらす。
別の例示的な実施形態では、センサプレート電極32は、制御ケース28の周りのデバイス12の領域に限定され、対象自体の身体14の影響が制限されるようにしてもよい。これは、特に手首が地面に平らに転倒した場合、転倒検出精度をいくらか低下させる可能性がある。それにもかかわらず、いくつかのアプリケーションでは、これは実行可能な有益な選択肢かも知れない。
別の例示的な実施形態では、リスト装着デバイス12は、下部アームを巻き上げる(または巻く)ことができる、より広いまたはより長いセンサプレート電極32を備える。これは、センサプレートの表面積を増加させることがあり、従って、転倒検出のための身体−接地容量測定値を改善する。したがって、電極30,32,34の少なくとも1つは、ベルト状またはストラップ状(例えば、閉じたリングではない)に構成されてもよい。
別の例示的な実施形態では、特に、異なる姿勢および活動を検出する感度を高めるために、装置のセンサプレート電極32からの吊り線(dangling or hanging wire)が地球との直接的な接触を維持する。これはCp→∞とCm=Cbeとなる。同様の実施形態では、センサプレート電極32は、歩行杖/スティックまたは松葉杖のような歩行補助具20(図1)装置に結合されてもよい。これは静電容量Cpeをかなり増加させ、転倒検出のためのCbeの非常に正確な推定をもたらす。
また、これらの実施形態は、シールド電極34が第1および第2の電極30,32を互いに絶縁する利益を得る。
図10を参照するに、本開示による身体−地表近接検出方法を利用する転倒検出方法の一実施形態を例示する簡略化したブロック図を示す。まず、ステップS10において、静電容量検出部を設ける。これは、特に手首着用可能な転倒検出装置の一部を形成し得る。
さらなるステップS12において、電極の層状配列が提供され、監視対象の身体部分(特に、手首部分などの身体の肢部)に対して規定された方法で構成される。ステップS12は、(サブ)ステップS14、S16、S18を含む。(サブ)ステップS14において、第1電極を身体部分に密着させて配置する。(サブ)ステップS16では、第2の電極が第1の電極からオフセットされるように第2の電極が配置される。第2の電極は、第1の電極から外側に離間して配置されていてもよい。(サブ)ステップS18において、第1の電極と第2の電極との間にシールド電極を配置して、互いにシールドすることができる。電極は、バンド状電極またはストラップ状電極の層状リングを形成することができる。
さらなるステップS20において、測定回路を動作させて、身体対地表の近接代表容量信号(body−to−ground proximity representative capacitance signal)を得る。続くステップS22において、身体−地表容量信号を考慮して、転倒事象が発生したかどうかが判定される。
図11は、本開示による装置によって検出される測定される静電容量Cmの例示的な時間的チャート108を示す。横軸104は時間t(単位:秒)を示す。縦軸106は容量(単位:ピコファラド、pF)を示す。対象の地面への転倒は、約t=120秒で生じ、測定静電容量チャート108において約2pFの増加をもたらす。この低下は、信号チャート108のはっきりとしたステップによって表される。
本発明を、図面と上記の説明に詳しく示し説明したが、かかる例示と説明は例であり限定ではなく、本発明は開示した実施形態には限定されない。請求項に記載した発明を実施する際、図面、本開示、及び添付した特許請求の範囲を研究して、開示した実施形態のその他のバリエーションを、当業者は理解して実施することができるであろう。
請求項において、「有する(comprising)」という用語は他の要素やステップを排除するものではなく、「1つの(「a」又は「an」)」という表現は複数ある場合を排除するものではない。単一の要素又はその他のアイテムが請求項に記載した複数のユニットの機能を満たすこともできる。相異なる従属クレームに手段が記載されているからといって、その手段を組み合わせて有利に使用することができないということではない。
コンピュータプログラムは、光記憶媒体や他のハードウェアとともに、又はその一部として供給される固体媒体などの適切な媒体に記憶/配布することができ、インターネットや有線又は無線の電気通信システムなどを介して他の形式で配信することもできる。
請求項に含まれる参照符号は、その請求項の範囲を限定するものと解してはならない。

Claims (14)

  1. 身体対地表の近接性を検出するように構成された装着可能動き検出装置であって、
    − 身体対地表の静電容量を検出するように構成された静電容量検出部であって、
    − 前記装置が装着されているとき、監視されるユーザの身体部分に接触するように構成された第1電極と、
    − 前記第1電極とは離間して、しかし動作可能に接続されるように構成された第2電極と、
    − 前記第2電極を前記第1電極からシールドするように構成されたシールド電極とを有する静電容量検出部と、
    − 前記静電容量検出部が提供する身体対地表静電容量信号を考慮して、前記ユーザの位置変化を検出するように構成された制御部とを有し、
    前記制御部は、前記静電容量検出部が測定する静電容量の変化を閾値と比較して、身体対地表接触、身体対地表近接、及び身体対地表接近のうち少なくとも1つを検出する、
    装置。
  2. 前記装置は、支持層を含むベルト状またはリング状のストラップを含む腕装着型または手首装着型の装置として構成され、前記第1電極は内向きに配置され、前記第2電極は外向きに配置され、前記シールド電極は、前記第1電極と前記第2電極との間に配置される、
    請求項1に記載の装置。
  3. 前記第2電極が前記第1電極を包含するように、前記第1電極と前記第2電極、及び好ましくは前記シールド電極も構成される、
    請求項に記載の装置。
  4. 前記ストラップに取り付けられた制御ケースをさらに有し、
    前記制御部は前記制御ケース内に配置され、
    前記制御部は前記第1電極、前記第2電極、及び前記シールド電極に動作可能に結合している、
    請求項に記載の装置。
  5. 前記静電容量検出部の測定電極は、信号第1電極、信号第2電極、及び信号シールド電極よりなる、
    請求項1に記載の装置。
  6. 前記第1電極は、前記装置が取り付けられている測定部位において対象の皮膚に付くように構成され、
    好ましくは、非導電層が前記第1電極、前記第2電極、及び前記シールド電極の間に設けられている、
    請求項1に記載の装置。
  7. 前記シールド電極を前記第2電極と同電位にする電圧フォロワー部をさらに有する、
    請求項1に記載の装置。
  8. 関心対象の身体加速を検出するように構成された加速度部をさらに有し、
    前記制御部は、前記加速度部が提供する加速度信号と、前記静電容量検出部が提供する静電容量信号とに基づいて転倒事象を検出するように構成された、
    請求項1に記載の装置。
  9. 前記シールド電極は、前記第2電極の面積より少なくとも2倍、好ましくは4倍大きい面積を有し、
    前記シールド電極は、前記第2電極の軸方向長さを超える軸方向長さを有するストリップとして少なくとも部分的に構成されている、
    請求項1に記載の装置。
  10. 1つの端子が前記第2電極により構成された、キャパシタの充放電動作を制御するように構成されたタイマーモジュールをさらに有し、
    充放電頻度は、前記装置が装着されている場合、身体対地表の近接性、特に地表との接触を示す、
    請求項1に記載の装置。
  11. 前記タイマーモジュールはさらに、充放電動作のどちらが制御されているかに基づき、定められたトリガーレベルを適用し、定められた閾値レベルを適用するように構成されている、
    請求項10に記載の装置。
  12. 前記第2電極は、歩行補助具、歩行フレーム及び車椅子のうちの少なくとも1つからなる群から選択される移動補助具に結合されるように構成される、
    請求項1に記載の装置。
  13. 身体対地表近接検出を利用する動き検出方法であって:
    − 静電容量検出部を関心対象の身体部分に適用するステップであって、前記静電容量検出部は、身体対地表静電容量を検出するように構成され、
    − 監視されるユーザの身体部分に接触するように構成された第1電極であって、静電容量検出部の適用は前記第1電極が前記身体部分との接触を確立するように構成することを含む、第1電極と、
    − 前記第1電極とは離間して、しかし動作可能に接続されるように構成された第2電極と、
    − 前記第2電極を前記第1電極からシールドするように構成されたシールド電極とを有する、ステップと、
    − 前記第2電極と接地との間の静電容量の測定値に基づいて前記静電容量検出部に身体対地表近接静電容量信号を出力させるステップと、
    − 身体対地表静電容量信号を考慮して、前記ユーザの位置変化を検出するステップとを有し、
    前記位置変化を検出するステップは、前記静電容量検出部が測定する静電容量の変化を閾値と比較して、身体対地表接触、身体対地表近接、及び身体対地表接近のうち少なくとも1つを検出する、
    方法。
  14. コンピュータで実行されたとき、前記コンピュータに請求項13に記載の方法のステップを実行させるプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。
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