JP7094184B2

JP7094184B2 - 監視装置

Info

Publication number: JP7094184B2
Application number: JP2018164531A
Authority: JP
Inventors: 紳一朗秦
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2038-09-03
Also published as: JP2020036705A

Description

本発明は、人等の監視対象物の動きを監視する装置に関する。

従来、この種の装置としては、例えば特許文献１，２に見られるものが知られている。これらの特許文献１，２に見られる装置は、赤外線等の測定信号の送受信を行う非接触方式の測距装置を用いて、ベッド上の監視対象物としての人までの距離を計測し、その距離の計測値に基づいて、ベッド上での人の動きを検知するようにしている。

特開２００３－２９０１５４号公報特開２０１２－３００４２号公報

前記特許文献１に記載されている装置では、人の呼吸に伴う胸部の変位を検知し得るようにしている。しかしながら、人の呼吸に伴う胸部の変位は、一般に微小な変位である。そして、このような微小な変位を上記測距装置を用いて検出し得るようにするためには、距離測定を高分解能で行い得る測距装置が必要となる。その結果、高価な測距装置が必要となって、監視装置が高価なものとなりやすい。また、外乱ノイズの影響によって、微小な変位を高い信頼性で計測することが困難となりやすい。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、監視対象物の微小な動きを高い信頼性で容易に検知することができる監視装置を提供することを目的とする。

本発明の監視装置は、上記の目的を達成するために、監視対象物が存在する領域に測定信号を送信する送信部と、該送信部から送信した測定信号の反射信号を受信する受信部と、当該送信された測定信号と当該受信された反射信号とに基づいて、前記領域内に設定された測定点までの距離を計測する距離計測部とを備える監視装置であって、
前記測定点は、前記距離計測部による該測定点での距離の計測値が、前記領域での監視対象物の所定の動きに応じて変化すると共に、当該変化の過程で、該距離の計測値が実際の距離よりも所定量以上、大きな値にまで変化するか、又は、当該変化の過程での該距離の計測値の変化量が、前記監視対象物の所定の動きに応じた実際の距離の変化量よりも所定量以上、大きな変化量になるように設定された測定点であり、
該測定点での距離の計測値の変化に基づいて、前記監視対象物の所定の動きの発生を検知する動き検知部とを備えることを特徴とする。

ここで、本発明者の種々の実験及び検討によれば、監視対象物のある測定点に対応する部分が、前記測定信号の乱反射が生じ難い態様で該測定信号を反射し得る部分である場合、該部分の測定点での距離計測値が、該部分の動きに伴って、該部分の実際の距離の変化量と乖離した大きな変化量で変化するという現象が生じることが確認された。

そこで、本発明を上記の如く構成した。かかる本発明によれば、監視対象物の所定の動きに伴う前記測定点での実際の距離の変化が微小なものであっても、該測定点での距離の計測値は、実際の距離よりも所定量以上、大きな値にまで変化するか、又は、該距離の計測値の変化量が、監視対象部の所定の動きに伴う実際の距離の変化量よりも所定量以上、大きな変化量になる。このため、前記動き検知部は、測定点での距離の計測値の変化に基づいて、監視対象物の所定の動きの発生を容易に検知することが可能となる。よって、本発明によれば、監視対象物の微小な動きを高い信頼性で容易に検知することができる。

かかる本発明では、前記監視対象物は、人の胸部であり、前記所定の動きは前記人の呼吸に伴う該人の胸部の振動であるという態様を採用し得る。この場合、人の呼吸に伴う該人の胸部の振動は、比較的小さな振幅の振動であるものの、本発明によれば、測定点での距離の計測値が、人の呼吸時の胸部までの実際の距離よりも所定量以上、大きな値にまで変化するか、又は、該距離の計測値の変化量が、人の呼吸に伴う胸部の実際の距離の変化量よりも所定量以上、大きな変化量で変化する。このため、人の呼吸に伴う該人の胸部の振動を高い信頼性で容易に検知することができる。

また、本発明では、前記領域のうち、前記測定点を含む局所領域における前記監視対象物の表面部又は該表面部に接する物体に、前記監視対象物の前記所定の動きに伴い前記送信部に対する姿勢が変化するように取付けられた前記測定信号の反射物体であって、該局所領域の周囲での前記監視対象物の表面部又は該表面部に接する物体よりも前記測定信号の乱反射が生じ難い反射物体をさらに備えることが好ましい。

これによれば、距離の計測値が上記のように変化し得る測定点を容易に設定することができる。なお、監視対象物の「表面部に接する物体」というのは、より詳しくは、該表面部の動きが伝達されて動くように該表面部に直接的又は間接的に接する物体を意味する。

本発明の実施形態の監視装置の全体構成を概略的に示す図。実施形態の監視装置に備えた測距装置と外部モニタ装置のそれぞれの要部構成を示すブロック図。実施形態の監視装置に備えた反射部の配置構成を示す図。図４Ａは測距装置で距離計測を行う人を例示する図、図４Ｂは測距装置により計測された距離画像を例示する図、図４Ｃは距離計測値の変化の波形を例示するグラフ。

本発明の一実施形態を図１～図４Ｃを参照して以下に説明する。図１を参照して、本実施形態の監視装置は、例えば病院等の室内でベッドＢ上に就寝する人Ｐの所定の動きを監視する装置である。この場合、人Ｐの監視対象の動きは、例えば人Ｐの呼吸に伴う胸部Ｐａの動き（胸部Ｐａの表面の変位）である。従って、本実施形態では、人Ｐの胸部Ｐａが本発明における監視対象物に相当する。なお、胸部Ｐａは、人Ｐの胴体の正面側の部分だけでなく、該胴体の上部の左右の側面部及び背面部を含む。

そして、本実施形態の監視装置は、室内に配置された測距装置１と、外部のナースステーション等に配置され、もしくは、ナース等が携帯する外部モニタ装置１０とを有する。測距装置１は、該測距装置１の正面側の所定の計測対象領域内（例えば、図１では２つの一点鎖線の間の領域内）の複数の測定点までの距離をＴＯＦ方式（ＴＯＦ：Time Of Flight）で計測可能な装置である。

該測距装置１は、その計測対象領域内に、ベッドＢ上で就寝する人Ｐの胸部Ｐａが含まれるように、室内の適所、例えば天井に取付けられている。なお、測距装置１は、天井に限らず、例えば、壁、もしくはベッドＢ等に取付けられていてもよい。

そして、測距装置１は、ＴＯＦ方式（ＴＯＦ：Time Of Flight）での距離計測を行うために、図２に示すように、パルス変調された光信号を複数の測定点のそれぞれに向かって出力可能な発光部２と、各測定点で反射された光信号である反射光信号を受光する受光部３と、発光部２の作動制御を行いつつ、該発光部２から各測定点に向かって出力された光信号と該光信号に対応して受光部３で受光された反射光信号との位相差に基づいて、各測定点までの距離の計測データを生成する計測処理部４とを備える。

この場合、上記光信号は、例えば赤外域の波長の光信号である。また、発光部２は、例えばＬＥＤ等により構成され、受光部３は、例えばフォトダイオードアレイ等により構成され、計測処理部４は、例えばプロセッサ等を含む電子回路ユニットにより構成される。また、本実施形態では、計測処理部４は、計測対象領域の複数の測定点のそれぞれの距離の計測データの全体を距離画像データとして出力可能である。

なお、本実施形態では、発光部２から出力される光信号と、受光部３で受光される反射光信号とが本発明における測定信号及び反射信号に各々相当し、発光部２及び受光部３が本発明における送信部及び受信部に各々相当する。また、計測処理部４は、本発明における距離計測部に相当する。

外部モニタ装置１０は、測距装置１と有線もしくは無線により通信を行うことが可能であり、図２に示すように、前記ベッドＢ上の人Ｐの胸部Ｐａの動きに関する監視処理を実行する監視処理部１１と、液晶ディスプレイ等により構成される表示器１２と、スピーカ、ブザー等により構成される発音器１３とを備える。なお、外部モニタ装置１０は、これら以外にも、キーボード、タッチパネル等の入力操作部や、警報ランプ等を含み得る。

監視処理部１１は、例えばマイクロコンピュータ、メモリ、インターフェース回路等を含む電子回路ユニットにより構成される。この監視処理部１１は、本発明における動き検知部としての機能を有し、ベッドＢ上での人Ｐの就寝中において、測距装置１から与えられる距離画像データに基づいて、人Ｐの呼吸に伴う胸部Ｐａの動き（振動）を監視する処理を実行する。さらに、監視処理部１１は、人Ｐの呼吸に伴う胸部Ｐａの動きを示す波形データを適宜、表示器１２に表示したり、該胸部Ｐａの動きの異常発生等に関する報知情報を表示器１２及び発音器１３の一方もしくは両方に出力させるように該表示器１２及び発音器１３を制御する機能等を有する。

かかる監視処理部１１を有する外部モニタ装置１０は、監視装置用の専用的な装置として構成されていてもよいが、例えば監視用のアプリケーションをインストールしたパソコン、あるいは、、スマートフォンもしくはタブレット端末等の携帯端末機であってもよい。

なお、測距装置１の計測処理部４の一部の処理機能（例えば、距離画像データの生成処理等）を、該計測処理部４の代わりに監視処理部１１の処理機能として実現し、あるいは、計測処理部４と監視処理部１１との協働による処理機能として実現することも可能である。同様に、監視処理部１１の一部の処理機能を、該監視処理部１１の代わりに計測処理部４の処理機能として実現し、あるいは、計測処理部４と監視処理部１１との協働による処理機能として実現することも可能である。

本実施形態の監視装置は、さらに図３に示すように、ベッドＢ上で就寝する人Ｐが使用する掛布団Ｃに取付けられた複数の薄膜状の反射部２１を有する。各反射部２１は、本発明における反射物体に相当するものであり、その表面に、測距装置１の発光部２から出力される光信号が入射したときに、乱反射をさほど発生させることなく該光信号を反射し得るように（換言すれば、入射した光信号を、主に、その入射角に応じた方向に反射し得るように）を構成されている。例えば、反射部２１は、その表面が滑らかな光沢面になっている薄膜状の樹脂部材や、スクリーン生地等にり構成され得る。

そして、複数の反射部２１は、掛布団Ｃの頭部側の表面部に、縫合等より装着された可撓性のシート部材２０の表面に、縦横に並ぶように配置され、接着剤等によりシート部材２０に固着されている。この場合、掛布団Ｃに対するシート部材２０の装着位置（ひいては、掛布団Ｃに対する各反射部２１に位置）は、ベッドＢ上で就寝する人Ｐが掛布団Ｃを掛けた状態で、１つ以上の反射部２１が人Ｐの胸部Ｐａの直上付近に位置するように設定されている。

なお、各反射部２１は、掛布団Ｃの頭部側の表面部に直接的に装着されていてもよい。あるいは、各反射部２１は、掛布団Ｃのカバーの一部として該カバーに組み込まれていてもよい。

補足すると、人Ｐの就寝中に、掛布団Ｃに対する人Ｐの相対的な移動や、人Ｐが掛布団を動かすこと等によって、複数の反射部２１の全てが、胸部Ｐａの上方位置からずれてしまう場合もあり得る。そこで、掛布団Ｃだけでなく、人Ｐがその上体に着る衣装の、胸部Ｐａの周囲箇所にも、複数の反射部２１を装着しておいてもよい。

次に、本実施形態の監視装置の作動を説明する。ここで、まず、本実施形態において、人Ｐの呼吸に伴う胸部Ｐａの動きを検知する手法の原理について、図４Ａ～図４Ｃを参照して説明しておく。

図４Ａは、人ＰＰがテーブルＴＢに向かい合うようにして、椅子に着座した状況を示している。この場合、人ＰＰの首には、プレートＰＬを吊り下げた紐が掛けられており、該プレートＰＬが人ＰＰの胸部の正面側に位置している。該プレートＰＬの表面は、前記反射部２１と同様に前記光信号を反射し得る滑らかな反射面である。

そして、図４Ｂは、図４Ａに示した人ＰＰを、その正面側から測距装置１により実験的に測距した場合に得られた距離画像（瞬時的な距離画像）を示している。この図４Ｂでは、距離計測値が大きいほど、画像の明度が黒寄りの暗い明度となり、距離計測値が小さいほど、画像の明度が白寄りの明るい明度となる。また、図４Ｃは、人ＰＰの距離画像のうち、プレートＰＬの箇所の１つの測定点Ｘでの距離計測値の経時変化の波形を示している。

ここで、人ＰＰの呼吸に伴い、人ＰＰの胸部の表面（人ＰＰの正面側の表面）が、前後方向に振動するように変位し、これに追従して、人ＰＰの前後方向でのプレートＰＬの位置（ひいては、測距装置１からの距離）が振動するように変位する。このため、プレートＰＬの箇所の測定点Ｘの距離計測値の経時変化の波形は、図４Ｃに示す如く、振動する波形となっている。そして、この場合、距離計測値の振動の振幅量（peak to peakの振幅量）が、実際の振幅量よりも大幅に大きな値に乖離するという現象が生じることが確認された。

具体的には、上記実験では、測定点Ｘでの距離計測値は、人ＰＰが息を吸った状態で極小値となり、その極小値は、１７００ｍｍ程度であった。この距離計測値は、プレートＰＬの箇所以外での人ＰＰの測定点までの距離計測値と同程度である。

なお、プレートＰＬの箇所以外での人ＰＰの測定点では、一般に入射する光信号の乱反射が生じるため、該測定点での反射面の向きによらずに、該測定点から測距装置１の受光部３に反射光信号が直接的に入射し得る。このため、プレートＰＬの箇所以外での人ＰＰの測定点での距離計測値は、測距装置１から人ＰＰまでの実際の距離に概ね一致するものとなる。実際、プレートＰＬの箇所以外での人ＰＰの測定点での距離計測値は、図４Ｂに示す如く、ほぼ一定値に維持されることが確認された。

一方、測定点Ｘでの距離計測値は、人ＰＰが息を吐いた状態で極大値となり、その極大値は、３１２０ｍｍ程度の大きな値であった。従って、測定点Ｘでの距離計測値の振動の振幅は、１４２０ｍｍ（＝３１２０－１７００ｍｍ）という、実際の振幅よりもはるかに大きな振幅となった。そして、図４Ｂは、測定点Ｘでの距離計測値が極大値となる時刻近辺での距離画像である。このため、図４Ｂでは、プレートＰＬの箇所での距離計測値に対応する明度が、人ＰＰの背景部分と同程度の明度になっている。

なお、図４Ｃでは、２０００ｍｍ以上の距離計測値のデータの記載を省略しているため、同図の波形上の距極計測値の極大値（最大値）が２０００ｍｍになっているが、実際には、該極大値は、上記の如く３１２０ｍｍ程度の大きな値となった。

上記のように、プレートＰＬの箇所の測定点Ｘでの距離計測値の振幅が実際の振幅よりも大幅に大きな値になる理由としては、次のような理由が考えられる。すなわち、上記実験では、距離計測値が極小値となる時刻近辺（人ＰＰが息を吸った時刻近辺）では、プレートＰＬで反射した光信号（反射光信号）の多くが、測距装置１の受光部３に直接的に入射していると考えられる。このため、該距離計測値の極小値は、人ＰＰまでの実際の距離（≒プレートＰＬの箇所以外での人ＰＰの測定点での距離計測値）と同程度の値になったものと考えられる。

一方、測定点Ｘでの距離計測値が極大値となる時刻近辺（人ＰＰが息を吐いた時刻近辺）では、プレートＰＬが、距離計測値が極小値となる時刻近辺よりも若干、後方側に変位することに加えて、該プレートＰＬの測距装置１（発光部２及び受光部３）に対する姿勢（向き）が変化したものと考えられる。このため、距離計測値が極大値となる時刻近辺では、プレートＰＬで反射した光信号（反射光信号）の多くが、測距装置１の受光部３に直接的に入射せず、他の箇所での反射を経て、測距装置１の受光部３に入射したものと考えられる。このため、該距離計測値の極大値は、人ＰＰまでの実際の距離よりも大幅に大きな値となり、ひいては、該距離計測値の振幅が、実際の振幅よりも大幅に大きな振幅になったものと考えられる。

また、人ＰＰの呼吸に伴うプレートＰＬの姿勢の変化は、該呼吸と同期して生じるので、測定点Ｘでの距離計測値は、人の呼吸と同期して振動するものと考えられる。実際、図４Ｃの期間Ｔ１は、人ＰＰがゆっくり呼吸をした期間であり、当該期間Ｔ１では、距離計測値の振動周期が長くなっている。また、図４Ｃの期間Ｔ２は、人ＰＰが素早く呼吸した期間であり、当該期間Ｔ２では、距離計測値の振動周期が短くなっている。

補足すると、上記実験では、人ＰＰが息を吐いた状態で、測定点Ｘでの距離計測値が、実際の距離と乖離した大きな値の極大値となったが、人ＰＰの呼吸に伴うプレートＰＬの姿勢の変化の仕方によっては、人ＰＰが息を吸った状態で、測定点Ｘでの距離計測値が、実際の距離と乖離した大きな値の極大値となる場合もあると考えられる。

上記のことから、人ＰＰの胸部の表面部に、光信号の乱反射が生じ難い態様で該光信号を反射し得る上記プレートＰＬの如き反射物が配置されていると、人ＰＰの呼吸に伴う該反射物の姿勢の変化によって、該反射物の箇所での距離計測値が振動すると共に、該距離計測値の振動の振幅が実際の振幅から大幅に乖離した大きな振幅となり、あるいは、該距離計測値の極大値が、実際の距離から大幅に乖離した大きな値になると考えられる。

従って、このような距離計測値の振動を観測することによって、人ＰＰの呼吸に伴う胸部の表面部の小さな変位の有無、該変位の振動周期等を把握することが可能であると考えられる。これが、本実施形態において、人Ｐの呼吸に伴う胸部Ｐａの動きを検知する手法の原理である。

以上を前提として、本実施形態の監視装置の作動を以下に説明する。ベッドＢ上での人Ｐの就寝中に、測距装置１は、所定の処理周期で計測対象領域の各測定点に対する光信号の出力と反射光信号の受光とを行いつつ、各測定点での距離計測をＴＯＦ方式で実行する。そして、測距装置１の計測処理部４は、当該距離計測により得られた距離画像データを外部モニタ装置１０に逐次送信する。

一方、外部モニタ装置１０の監視処理部１１は、測距装置１から受信した距離画像データのうちのベッドＢ上の領域から、距離計測値が振動しており、且つ、該距離計測値の極大値（又は、所定の時間幅内での最大値）が、測距装置１から人Ｐまでの実際の距離の標準的な範囲としてあらかじめ定められた標準距離範囲内の基準値（例えば、該標準距離範囲の最大値もしくは中央値）から、所定量以上、大きな値で、該標準距離範囲から逸脱したものとなる測定点を注目測定点として抽出する。

あるいは、外部モニタ装置１０の監視処理部１１は、測距装置１から受信した距離画像データのうちのベッドＢ上の領域から、距離計測値が振動しており、且つ、該距離計測値の振動の振幅が、所定量以上の大きな振幅（人Ｐの呼吸に伴う胸部Ｐａの表面部の変位の通常的な振幅よりも十分に大きな振幅）となる測定点を注目測定点として抽出する。

ここで、ベッドＢ上で就寝中の人Ｐに掛布団Ｃが掛けられた状態では、通常、該掛布団Ｃに前記した如く取付けられている複数の反射部２１のうちの１つ以上の反射部２１が人Ｐの胸部Ｐａの上側に位置すると共に、該反射部２１の表面の姿勢（測距装置１に対する相対的な姿勢）が人Ｐの呼吸に伴い変化する。

このため、通常は、１つ以上の反射部２１の箇所の１つ以上の測定点が、監視処理部１１により注目測定点として抽出される。

そして、監視処理部１１は、例えば、抽出した各注目測定点での距離計測値の時系列に基づいて、該距離計測値の増加時からその次の減少時までの期間の時間幅（以降、増加・減少時間幅という）と、該距離計測値の減少時からその次の増加時までの期間の時間幅（以降、減少・増加時間幅という）とを推定し、該増加・減少時間幅及び減少・増加時間幅のそれぞれの推定値が、人Ｐの通常の呼吸時の正常範囲としてあらかじめ定められた基準範囲からから逸脱しているか否かを判断する。

そして、監視処理部１１は、増加・減少時間幅及び減少・増加時間幅のいずれかが、基準範囲から逸脱した場合には、その逸脱が発生した時刻近辺での注目測定点（当該逸脱が検出された注目測定点）での距離計測値の波形を表示器１２に表示すると共に、人Ｐの呼吸の異常が発生している可能性がある旨を示す報知情報を、表示器１２及び発音器１３の一方又は両方を介して出力する。

なお、監視処理部１１は、各注目測定点において、増加・減少時間幅及び減少・増加時間幅の両方が基準範囲に収まっている場合には、人Ｐの呼吸が正常になされているものと判断して、その旨を示す報知情報を表示器１２の表示させる。

また、監視処理部１１は、ベッドＢ上の領域内から、注目測定点を抽出することができない場合には、例えば、人Ｐの呼吸が停止していたり、あるいは、人ＰがベッドＢ上から離脱していたり、あるいは、掛布団Ｃの反射部２１が人Ｐの胸部Ｐａの上側位置から大きくずれてしまっている可能性があることから、その旨を示す報知情報を、表示器１２及び発音器１３の一方又は両方を介して出力する。

本実施形態の監視装置は、以上説明した如く、人Ｐの呼吸に伴う胸部Ｐａの表面の動き（振動）を検知することができる。この場合、胸部Ｐａの表面の変位量自体は微小なものであるものの、前記反射部２１を胸部Ｐａの上側に配置しておくことによって、胸部Ｐａの箇所の測定点での距離計測値の振幅が胸部Ｐａの実際の変位量に比して大幅に大きなものになるようにすることができる。ひいては、人Ｐの呼吸に伴う胸部Ｐａの表面の動き（振動）の有無を、外乱ノイズ等の影響を受けにくい態様で（ひいては高い信頼性で）検知することができる。

なお、前記実施形態では、反射部２１を掛布団Ｃに（又は掛布団Ｃと、人Ｐがその上体に着用する衣類とに）、取付けた場合の実施形態について説明したが、掛布団Ｃ、又は人Ｐがその上体に着用する衣類に、反射部２１と同様の機能を有する生地部があらかじめ組み込まれている場合には、該掛布団や衣類とは別の反射部を備えることを省略することも可能である。

また、前記実施形態では、就寝中の人Ｐの呼吸に伴う胸部Ｐａの動きを検知する場合の実施形態について説明したが、例えば、人が座っていたり、あるいは、立っている状態でも、呼吸に伴う胸部Ｐａの動きを検知することも可能である。

さらに、本発明の監視装置は、人Ｐの呼吸に伴う胸部Ｐａの動きに限らず、他の動物の呼吸に伴う体表部の動きを検知することも可能であり、あるいは、任意の装置の表面部の微小な動きを検知することも可能である。

２…発光部（送信部）、３…受光部（受信部）、４…計測処理部（距離計測部）、１１…監視処理部（動き検知部）、２１…反射部（反射物体）。

Claims

監視対象物が存在する領域に測定信号を送信する送信部と、該送信部から送信した測定信号の反射信号を受信する受信部と、当該送信された測定信号と当該受信された反射信号とに基づいて、前記領域内に設定された測定点までの距離を計測する距離計測部とを備える監視装置であって、
前記測定点は、前記距離計測部による該測定点での距離の計測値が、前記領域での監視対象物の所定の動きに応じて変化すると共に、当該変化の過程で、該距離の計測値が実際の距離よりも所定量以上、大きな値にまで変化するか、又は、当該変化の過程での該距離の計測値の変化量が、前記監視対象物の所定の動きに応じた実際の距離の変化量よりも所定量以上、大きな変化量になるように設定された測定点であり、
該測定点での距離の計測値の変化に基づいて、前記監視対象物の所定の動きの発生を検知する動き検知部とを備えることを特徴とする監視装置。
請求項１記載の監視装置において、
前記監視対象物は、人の胸部であり、前記所定の動きは前記人の呼吸に伴う該人の胸部の振動であることを特徴とする監視装置。
請求項１又は２記載の監視装置において、
前記領域のうち、前記測定点を含む局所領域における前記監視対象物の表面部又は該表面部に接する物体に、前記監視対象物の前記所定の動きに伴い前記送信部に対する姿勢が変化するように取付けられた前記測定信号の反射物体であって、該局所領域の周囲での前記監視対象物の表面部又は該表面部に接する物体よりも前記測定信号の乱反射が生じ難い反射物体をさらに備えることを特徴とする監視装置。