JP2005253608A - 状態解析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 単純でありながら人物の側臥位の姿勢を判定できる状態解析装置を提供する。
【解決手段】 対象領域にパターン光を投影する投影装置１１と、前記パターン光が投影された対象領域を撮像する撮像装置１２と、前記撮像された像上のパターンの移動を測定し、前記測定されたパターンの移動に基づいて、前記対象領域に存在する人物２の高さ方向の動きを複数の点で測定する測定手段１４と、前記撮像毎での前記複数の点の前記動きの測定で、人物２に動きがあると測定される点の数の変化に関する量が閾値より多いときには、人物２が側臥位にあると判定する姿勢判定手段２２とを備える状態解析装置１とする。
【選択図】 図７

Description

本発明は、状態解析装置に関し、特に単純でありながら人物又は動物の側臥位の姿勢を判定できる状態解析装置に関するものである。

空間内、例えば風呂場やトイレ等での対象物、例えば人物の動きを検出する動き検出装置として、従来から、動き検出センサが提案されている。代表的な例としては、ベッド上の就寝者にパターンを投影し、投影されたパターンを連続的に撮像した画像からパターンの移動量を算出することで、就寝者の呼吸を監視する監視装置があった（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−１７５５８２号公報 （第５−９頁、第１−１３図）

しかしながら以上のような従来の装置によれば、例えば人物の呼吸を測定する際に、人物の姿勢が仰臥位と側臥位とで測定感度が変化する場合がある。このため側臥位の姿勢であることを把握しておくことが望ましかった。また、姿勢が側臥位であることを把握することは睡眠時無呼吸症候群の情報としても有用である。しかし、人物が側臥位の姿勢にあることを判定するためには、例えば人物の大きさ、高さを画像処理手法や、別の測定手段を用いて検出する必要があったので複雑な構成が必要であった。

そこで本発明は、単純でありながら人物又は動物の側臥位の姿勢を判定できる状態解析装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による状態解析装置１は、例えば図１、図３に示すように、対象領域に存在する人物２又は動物の高さ方向の動きを複数の点で測定する三次元センサ１０と；前記測定毎での前記複数の点の前記動きの測定で、人物２又は動物に動きがあると測定される点の数の変化に関する量が閾値より多いときには、人物２又は動物が側臥位にあると判定する姿勢判定手段２２とを備える。

このように構成すると、三次元センサ１０を備えているので、前記対象領域に存在する人物２又は動物の高さ方向の動きを複数の点で測定できる。さらに姿勢判定手段２２により、前記測定毎での前記複数の点の前記動きの測定で、人物２又は動物に動きがあると測定される点の数の変化に関する量が閾値より多いときには、人物２又は動物が側臥位にあると判定するので、単純でありながら人物又は動物の側臥位の姿勢を判定できる状態解析装置１を提供できる。

また上記目的を達成するために、請求項２に係る発明による状態解析装置１は、例えば図１、図３に示すように、対象領域にパターン光を投影する投影装置１１と；前記パターン光が投影された対象領域を撮像する撮像装置１２と；前記撮像された像上のパターンの移動を測定し、前記測定されたパターンの移動に基づいて、前記対象領域に存在する人物２又は動物の高さ方向の動きを複数の点で測定する測定手段１４と；前記撮像毎での前記複数の点の前記動きの測定で、人物２又は動物に動きがあると測定される点の数の変化に関する量が閾値より多いときには、人物２又は動物が側臥位にあると判定する姿勢判定手段２２とを備える。

このように構成すると、投影装置１１と、撮像装置１２と、測定装置１４とを備えているので、パターン光が投影された対象領域を撮像し、前記撮像された像上のパターンの移動を測定して、前記測定されたパターンの移動に基づいて、前記対象領域に存在する人物２又は動物の高さ方向の動きを複数の点で測定できる。さらに姿勢判定手段２２により、前記撮像毎での前記複数の点の前記動きの測定で、人物２又は動物に動きがあると測定される点の数の変化に関する量が閾値より多いときには、人物２又は動物が側臥位にあると判定するので、単純でありながら人物又は動物の側臥位の姿勢を判定できる状態解析装置１を提供できる。

また請求項３に記載のように、請求項１又は請求項２に記載の状態解析装置１では、前記複数の点で測定された前記動きに基づいて、人物２又は動物の呼吸の波形を出力するデータ出力手段２３を備えるとよい。

このように構成すると、例えば出力される人物２又は動物の呼吸の波形により、人物２又は動物の呼吸の状態を把握することができる。

また請求項４に記載のように、請求項３に記載の状態解析装置１では、データ出力手段２３は、姿勢判定手段２２により前記側臥位にあると判定された場合には、前記複数の点で測定された前記動きを補正するように構成するとよい。

このように構成すると、データ出力手段２３は、姿勢判定手段２２により前記側臥位にあると判定された場合には、前記複数の点で測定された前記動きを補正するので、例えば人物２又は動物が側臥位であっても正確な人物２又は動物の呼吸の波形を出力することができる。

以上のように、本発明によれば、対象領域に存在する人物又は動物の高さ方向の動きを複数の点で測定する三次元センサと；前記測定毎での前記複数の点の前記動きの測定で、前記人物又は動物に動きがあると測定される点の数の変化に関する量が閾値より多いときには、前記人物又は動物が側臥位にあると判定する姿勢判定手段とを備えるので、単純でありながら人物又は動物の側臥位の姿勢を判定できる状態解析装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明による実施の形態である状態解析装置としての監視装置１の模式的外観図である。本実施の形態では対象領域に存在するのは人物２の場合で説明する。監視装置１は、対象領域に存在する人物２の高さ方向の動きを複数の測定点で測定する三次元センサとしてのＦＧセンサ１０と、ＦＧセンサ１０により測定された複数の動きに基づいて、人物２の状態を示す情報を演算する演算手段としての演算装置２０とを含んで構成される。演算装置２０は、監視装置１を制御するものでもある。また監視装置１は、対象領域を監視するように構成されている。また人物２の高さ方向の動きは、呼吸による動きである。即ち高さ方向の動きは人物２の呼吸による動きである。また本実施の形態では、対象領域はベッド３上である。さらに言えば、対象領域はベッド３上で後述の撮像装置１２で撮像された領域である。また、ＦＧセンサ１０は、対象領域内の各測定点での高さも測定できるものでもある。人物２はベッド３上で臥位にある即ち横になっている。

また、図中ベッド３上に、人物２が横たわって存在している。また、人物２の上には、さらに寝具４がかけられており、人物２の一部と、ベッド３の一部とを覆っている。この場合には、ＦＧセンサ１０は、寝具４の上面の高さ方向の動きを測定している。また寝具４を使用しない場合には、ＦＧセンサ１０は、人物２そのものの高さ方向の動きを測定する。

また、ベッド３の上部には、ＦＧセンサ１０が配置されている。ＦＧセンサ１０については後で詳述する。なお、図示では、ＦＧセンサ１０と演算装置２０とは別体として示してあるが、一体に構成してもよい。このようにすると、監視装置１を小型化することができる。演算装置２０は、典型的にはパソコン等のコンピュータである。

ここでＦＧセンサ１０について説明する。ＦＧセンサ１０は三角測量法を用いて人物２の高さ方向の動きを測定するものである。ＦＧセンサ１０は、対象領域即ちベッド３上にパターン光を投影する投影装置１１と、パターン光が投影されたベッド３上を撮像する撮像装置１２と、撮像装置１２で撮像された像上のパターンの移動を測定する測定手段としての測定装置１４とを含んで構成される。さらに測定装置１４は、測定されたパターンの移動に基づいて、ベッド３上に存在する臥位にある人物２の高さ方向の動きを複数の点で測定するように構成される。また、投影装置１１と、撮像装置１２は、測定装置１４に電気的に接続され、測定装置１４に制御されている。撮像装置１２は、典型的にはＣＣＤカメラである。また撮像装置１２による対象領域即ちベッド３上の撮像は一定の周期で行われる。なお、本実施の形態では、測定装置１４は、演算装置２０と一体に構成される。

またここでは、投影されるパターン光は、複数の輝点である。そして、ベッド３上に投影された複数の輝点は、ベッド３上の複数の測定点にそれぞれ対応する。即ち複数の測定点はベッド３上に存在する人物２に投影された各輝点に対応する。さらに言えば、複数の測定点は人物２に投影された各輝点のうち撮像装置１２で撮像された像の画角内に存在する輝点に対応する。また、複数の点で測定された人物２の高さ方向の動きは、図５で後述する輝点の移動に対応する（なお動きの量は輝点の移動量に対応）。以下、各構成について説明する。

図２の模式的斜視図を参照して、監視装置１に適した投影装置１１について説明する。なおここでは、説明のために、対象領域を平面１０２とし、後述のレーザ光束Ｌ１を平面１０２に対して垂直に投射する場合で説明する。投影装置１１は、可干渉性の光束を発生する光束発生手段としての光束発生部１０５と、ファイバーグレーティング１２０（以下、単にグレーティング１２０という）とを備えている。光束発生部１０５により投射される可干渉性の光束は、典型的には赤外光レーザである。光束発生部１０５は、平行光束を発生するように構成されている。光束発生部１０５は、典型的には不図示のコリメータレンズを含んで構成される半導体レーザ装置であり、発生される平行光束は、レーザ光束Ｌ１である。そしてレーザ光束Ｌ１は、断面が略円形状の光束である。ここで平行光束とは、実質的に平行であればよく、平行に近い光束も含む。

またここでは、グレーティング１２０は、平面１０２に平行に（Ｚ軸に直角に）配置される。グレーティング１２０に、レーザ光Ｌ１を、Ｚ軸方向に入射させる。するとレーザ光Ｌ１は、個々の光ファイバー１２１により、そのレンズ効果を持つ面内で集光したのち、発散波となって広がって行き、干渉して、投影面である平面１０２に複数の輝点アレイであるパターン１１ａが投影される。なお、グレーティング１２０を平面１０２に平行に配置するとは、例えば、グレーティング１２０を構成するＦＧ素子１２２の各光ファイバー１２１の軸線を含む平面と、平面１０２とが平行になるように配置することである。

また、グレーティング１２０は、２つのＦＧ素子１２２を含んで構成される。本実施の形態では、各ＦＧ素子１２２の平面は、互いに平行である。以下、各ＦＧ素子１２２の平面を素子平面という。また、本実施の形態では、２つのＦＧ素子１２２の光ファイバー１２１の軸線は、互いにほぼ直交している。

ＦＧ素子１２２は、例えば、直径が数１０ミクロン、長さ１０ｍｍ程度の光ファイバー１２１を数１０〜数１００本程度、平行にシート状に並べて構成したものである。また、２つのＦＧ素子１２２は、接触して配置してもよいし、それぞれの素子平面の法線方向に距離を空けて配置してもよい。この場合には、２つのＦＧ素子１２２の互いの距離は、パターン１１ａの投影に差支えない程度とする。レーザ光束Ｌ１は、典型的には、グレーティング１２２の素子平面に対して垂直に入射させる。なお、ここではＦＧ素子１２２を用いたグレーティング１２０で説明するが、これに限られずグレーティング１２０の代わりとして、例えば回折格子やマイクロレンズアレイを用いたグレーティングであってもよい。

このように、投影装置１１は、２つのＦＧ素子１２２を含んで構成されたグレーティング１２０が光学系となるので、複雑な光学系を必要とすることなく、光学筐体を小型化できる。さらに投影装置１１は、グレーティング１２０を用いることで、単純な構成で、複数の輝点１１ｂをパターン１１ａとして対象領域に投影できる。なお、パターン１１ａは、典型的には正方格子状に配列された複数の輝点１１ｂである。また、輝点の形状は楕円形を含む略円形である。

撮像装置１２は、結像光学系１２ａ（図４参照）と撮像素子１５（図４参照）を有するものである。撮像素子１５は、典型的にはＣＣＤ撮像素子である。また、撮像素子１５として、ＣＣＤの他にＣＭＯＳ構造の素子が最近盛んに発表されており、それらも当然使用可能である。特にこれらの中には、素子自体にフレーム間差算や二値化の機能を備えたものがあり、これらの素子の使用は好適である。

撮像装置１２は、前述の光束発生部１０５（図２参照）により発生されるレーザ光束Ｌ１の波長の周辺部以外の波長の光を減光するフィルタ１２ｂ（図４参照）を備えるとよい。フィルタ１２ｂは、典型的には干渉フィルタ等の光学フィルタであり、結像光学系１２ａの光軸上に配置するとよい。このようにすると、撮像装置１２は、撮像素子１５に受光する光のうち、投影装置１１より投影されたパターン１１ａの光の強度が相対的にあがるので、外乱光による影響を軽減できる。また、光束発生部１０５により発生されるレーザ光束Ｌ１は、典型的には赤外光レーザの光束である。また、レーザ光Ｌ１は、継続的に照射してもよいし、断続的に照射してもよい。断続的に照射する場合には、撮像装置１２による撮像を、照射のタイミングに同期させて行うようにする。

ここで、ＦＧセンサ１０の設置例について説明する。投影装置１１と、撮像装置１２は、ベッド３の上方に配置されている。図示では、人物２のおよそ頭部上方に撮像装置１２が、ベッド３のおよそ中央部上方に投影装置１１が配置されている。投影装置１１は、ベッド３上にパターン１１ａを投影している。また、撮像装置１２の画角は、およそベッド３の中央部分を撮像できるように設定されている。さらに言えば、ベッド３上に存在する人物２の主に胸部と腹部を撮像できるような画角に設定されている（図６（ａ）参照）。即ち撮像装置１２は主に人物２の胸部と腹部に投影された輝点を撮像している。このように、呼吸の動きが反映されやすい胸部と腹部に投影された輝点を撮像することで、呼吸を精度良く測定しやすくなる。またＦＧセンサ１０は、投影装置１１と撮像装置１２とを結ぶ直線の方向即ち三角測量法の基線方向がベッド３の長手方向の中心線と平行になるように設置されている。さらに言えば、ＦＧセンサ１０は、ＦＧセンサ１０の基線方向とベッド３の長手方向の中心線が平行であり、且つ投影装置１１と撮像装置１２とを結ぶ基線がベッド３の長手方向の中心線のおよそ鉛直上方に位置するように配置されている。

投影装置１１は、ここでは、その光軸（レーザ光束Ｌ１の投射方向）を、図示のように、ベッド３の上面の垂直方向対して、およそ平行方向に設置する。なおここでは、上記のように、投影装置１１は、その光軸をベッド３の上面の垂直方向に対しておよそ平行方向に設置するが、前記垂直方向に対して、傾けて設置してもよい。

またここでは、撮像装置１２は、その光軸をベッド３の上面の垂直方向に対して、傾けて設置する。このようにすることで、例えば撮像装置１２と投影装置１１との距離を離して設置することが容易に行える。言い換えれば、三角測量法の基線長を長く取ることが容易に行える。なおここでは、上記のように、撮像装置１２は、その光軸をベッド３の上面の垂直方向に対して傾けて設置するが、投影装置１１と同様に、その光軸をベッド３の上面の垂直方向に対し、およそ平行方向に設置してもよい。さらに、投影装置１１と撮像装置１２は、それぞれの光軸を、互いに平行方向に向けて設置してもよい。

また、投影装置１１と撮像装置１２とは、ある程度距離を離して設置するとよい。このようにすることで、図４で後述する距離ｄ（基線長ｄ）が長くなるので、変化を敏感に検出できるようになる。なお、基線長は長く取ることが好ましいが、短くてもよい。但しこの場合には、呼吸等の小さな動きを検出しにくくなるが、後述のように、輝点の重心位置を検出するようにすれば、小さな動き（呼吸）の検出も可能である。

図３のブロック図を参照して、監視装置１の構成例について説明する。前述のように、演算装置２０は、測定装置１４と一体に構成されている。さらに言えば、測定装置１４は、後述の制御部２１に一体に構成される。そして投影装置１１と、撮像装置１２は、前述のように、測定装置１４に電気的に接続されており、制御されている。本実施の形態では、演算装置２０は、投影装置１１と、撮像装置１２に対し遠隔的に配置されている。具体的には、例えば、ベッド３の脇や、ベッド３が設置されている部屋とは別の部屋、例えばナースステーション等に設置される。

まず測定装置１４について説明する。測定装置１４は、前述のように、撮像装置１２で撮像された像上のパターンの移動を測定するものであり、さらに測定されたパターンの移動に基づいて、人物２の高さ方向の動きを複数の点で測定するものである。測定装置１４は、撮像装置１２で撮像した像を取得できるように構成されている。さらに測定装置１４は、撮像装置１２により撮像された像上の各輝点の移動を測定するように構成されている。なおここでは、投影された輝点も撮像された像上の輝点の像も、便宜上単に輝点という。またここでは、輝点の移動を測定するとは、輝点の移動の量（以下移動量という）を測定することをいう。

ここで、測定装置１４による輝点の移動の測定について詳述する。測定装置１４は、撮像装置１２から取得した異なる２時点の像に基づいて、輝点の移動を測定するように構成されている。

ここで、異なる２時点の像に基づく、輝点の移動の測定について説明する。異なる２時点の像は、任意の時点とそのわずかに前の時点とするとよい。わずかに前とは、人物２の動きを検出するのに十分な時間間隔だけ前であればよい。この場合、人物２のわずかな動きも検出したいときは短く、例えば人物２の動きが大きくなり過ぎず、実質的にはほぼ動き無しとみなせる程度の時間、例えば０．１秒程度とすればよい。あるいはテレビ周期の１〜１０周期（１／３０〜１／３）とするとよい。また、人物２の大まかな動きを検出したいときは長く、例えば１０秒程度としてもよい。但し、本実施の形態のように、人物２の呼吸も検出する場合では長くし過ぎると、正確な呼吸の検出が行えなくなるので、例えば１分などにするのは適切でない。以下、任意の時点（現在）で取得した像を取得像、取得像よりわずかに前（過去）に取得した像を参照像として説明する。なお、参照像は、記憶部３１内に保存される。本実施の形態では、異なる２時点の像は、取得像（Ｎフレーム）と、取得像の１つ前に取得した像（Ｎ−１フレーム）とする。即ち参照像は、取得像の１つ前に取得した像である。また、像の取得間隔は、例えば装置の処理速度や、上述のように検出したい動きの内容により適宜決めるとよいが、例えば０．１〜３秒、好ましくは０．１〜０．５秒程度とするとよい。また、より短い時間間隔で像を取得し、平均化またはフィルタリングの処理を行うことで、例えばランダムノイズの影響を低減できるので有効である。

なお、任意の時点とそのわずかに前の時点の異なる２時点の像に基づく、輝点の移動の測定で得られる波形（例えば輝点の移動量の総和など）は、距離の微分波形、即ち速度変化を表す波形になる。また例えば、高さ変化を表すような波形を得たいときは、前記波形を積分すれば距離の波形、即ち高さ変化を示す波形になる。

ここで、取得像と参照像は、例えば撮像装置１２により撮像された像であるが、それぞれの像上での、輝点の位置情報も含む概念である。即ち、取得像と参照像は、各々の時点で、投影装置１１の投影により形成されたパターン１１ａの像である。なお、本実施の形態では、参照像は、例えば、いわゆる像としてではなく、各輝点の位置に関する、座標等の位置情報の形で、記憶部３１に保存される。なお、ここでの座標は例えば撮像装置１２で撮像された画像内で設定されるものである。このようにすると、後述する輝点の移動量を測定する際に、例えば輝点の座標や方向を比較するだけで済むので処理が単純になる。さらに、ここでは、輝点の位置は、輝点の重心位置とする。このようにすることで、僅かな輝点の移動も測定することができる。

また、輝点の移動量は、前述のように、記憶部３１に保存された参照像上の各輝点の位置情報と、取得像上の各輝点の位置情報とを比較することで、輝点の移動量を測定する。なお、それぞれの移動量は、例えば、輝点の位置が移動した画素数（何画素移動したか）を計数することで求められる。測定される輝点の移動量は、輝点の移動方向を含む概念である。即ち、測定される輝点の移動量には、移動した方向の情報も含まれる。このようにすると、後述のように、差分像を生成しないで済むので処理を単純化できる。

なお上記では、輝点の位置情報を比較する場合で説明したが、参照像と取得像との差分像を作成してもよい。この場合、この差分像から対応する輝点の位置に基づいて、輝点の移動量を測定する。このようにすると、移動した輝点のみが差分像上に残るので、処理量を減らすことができる。

さらに、測定装置１４により測定された輝点の移動量は、過去一定回数測定された、または過去一定期間内に測定された輝点の移動量の移動平均値、または期間平均値としてもよい。このようにすることで、ランダムノイズや窓から差し込む日光のちらつきなどによる突発的なノイズが軽減でき、測定した輝点の移動量の信頼性が向上する。

測定装置１４は、以上のような、輝点の移動の測定を、パターン１１ａを形成する各輝点毎に行うように構成される。即ち複数の輝点の位置が複数の測定点となる。測定装置１４は、パターン１１ａを形成する各輝点毎に測定した輝点の移動、即ち測定した輝点の移動量を測定結果として制御部２１へ出力する。即ち、測定結果は、異なる２時点の像に基づいて測定した輝点の移動量である。この測定結果は図４で後述するように、各輝点（測定点）での人物２の高さ方向の動きに対応している。以下、この測定結果を動き情報と呼ぶ。測定装置１４は、各測定点での前記測定結果を動き情報として出力する。なお、人物２の高さ方向の動きは、例えば人物２の呼吸に伴う動きである。

ここで、図４の概念的斜視図を参照して、輝点の移動の概念について説明する。ここでは、判りやすく、対象領域を平面１０２、対象物（ここでは人物）を物体１０３として説明する。さらにここでは、説明のために、参照像は、物体１０３が平面１０２に存在しないときのパターン１１ａの像であり、取得像は、物体１０３が平面１０２に存在しているときのパターン１１ａとして説明する。

図中物体１０３が、平面１０２上に載置されている。またＸＹ軸を平面１０２内に置くように、直交座標系ＸＹＺがとられており、物体１０３はＸＹ座標系の第１象限に置かれている。一方、図中Ｚ軸上で平面１０２の上方には、投影装置１１と、撮像装置１２とが配置されている。撮像装置１２は、投影装置１１によりパターン１１ａが投影された平面１０２を撮像する。即ち平面１０２上に載置された物体１０３を撮像する。

撮像装置１２の結像光学系としての結像レンズ１２ａは、ここでは、その光軸がＺ軸に一致するように配置されている。そして、結像レンズ１２ａは、平面１０２あるいは物体１０３上のパターン１１ａの像を、撮像装置１２の撮像素子１５の結像面１５’（イメージプレーン）に結像する。結像面１５’は、典型的にはＺ軸に直交する面である。さらに、結像面１５’内にｘｙ直交座標系をとり、Ｚ軸が、ｘｙ座標系の原点を通るようにする。平面１０２から結像レンズ１２ａと等距離で、結像レンズ１２ａからＹ軸の負の方向に距離ｄ（基線長ｄ）だけ離れたところに、投影装置１１が配置されている。物体１０３と平面１０２には、投影装置１１により複数の輝点１１ｂが形成するパターン１１ａが投影される。なお、ｙ軸方向は、三角測量法の基線方向でもある。

投影装置１１により平面１０２に投影されたパターン１１ａは、物体１０３が存在する部分では、物体１０３に遮られ平面１０２には到達しない。ここで物体１０３が存在していれば、平面１０２上の点１０２ａに投射されるべき輝点１１ｂは、物体１０３上の点１０３ａに投射される。輝点１１ｂが点１０２ａから点１０３ａに移動したことにより、また結像レンズ１２ａと投影装置１１とが距離ｄ（基線長ｄ）だけ離れているところから、結像面１５’上では、点１０２ａ’（ｘ，ｙ）に結像すべきところが点１０３ａ’（ｘ，ｙ＋δ）に結像する。即ち、物体１０３が存在しない時点と物体１０３が存在する時点とは、輝点１１ｂの像がｙ軸方向に距離δだけ移動することになる。

これは、例えば図５に示すように、撮像素子１５の結像面１５’に結像した輝点は、高さのある物体１０３により、δだけｙ軸方向に移動することになる。

このように、この輝点の移動量δを測定することにより、物体１０３上の点１０３ａの位置が三次元的に特定できる。即ち、例えば点１０３ａの高さがわかる。このように、ある点が、物体１０３が存在しなければ結像面１５’上に結像すべき点と、結像面１５’上の実際の結像位置との差を測定することにより、物体１０３の高さの分布、言い換えれば三次元形状が測定できる。あるいは物体１０３の三次元座標が測定できる。また、輝点１１ｂの対応関係が不明にならない程度に、パターン１１ａのピッチ、即ち輝点１１ｂのピッチを細かくすれば、物体１０３の高さの分布はそれだけ詳細に測定できることになる。

以上のような概念に基づいて、測定装置１４は、輝点の移動量を測定することで人物２の高さが測定できる。但しここでは、取得像と、取得像の１つ前に取得した像即ち参照像に基づいて、高さ方向の動きを測定するので、輝点の移動の変化量を見ることになる。このため、例えば人物２の絶対的な高さは測定できなくなるが、人物２の高さ方向の動きを検出することが目的であるので問題は無い。

さらに監視装置１は、ＦＧセンサ１０で測定された動きの量が閾値以下である測定点は、演算装置２０による演算に使用しないように構成されている。本実施の形態では、測定装置１４で測定された動きの量が閾値以下である測定点のデータを演算装置２０へ出力しないように構成されている。閾値は典型的には人物２の呼吸の動きより小さく設定する。具体的には、人物２の呼吸より小さな動き、さらに言えばこの小さな動きに対応する輝点の移動量より小さく設定する。これにより、呼吸より小さな動きが測定された測定点を無視することができる。このようにすることで、例えばノイズによる影響を効果的に排除することができる。なお呼吸の動きより小さい動きとは、呼吸による高さ方向の動きの範囲より小さい動きのことをいう。上述のように、ここでは輝点の移動量は輝点の移動の変化量、言い換えれば動きの速度を示しているので、呼吸より小さな動きとは、例えば呼吸による高さ方向の動きの速度の範囲が２〜４０ｍｍ／ｓ程度である場合に２ｍｍ／ｓ以下の速度の動きのことをいう。即ちこの場合閾値は２ｍｍ／ｓに設定するとよい。さらに言えば動きの速度の２ｍｍ／ｓに対応する輝点の移動量に設定する。例えば毎秒４回の画像取得を行っている場合には、輝点の移動量の閾値は、人物２の動きの量０．５ｍｍ（２ｍｍ／ｓ÷４）に対応する輝点の移動量に設定する。

また監視装置１は、ＦＧセンサ１０で測定された動きの周波数が閾値以上である測定点は、前記演算手段による演算に使用しないように構成するとよい。本実施の形態では、測定装置１４で測定された動きの周波数が閾値以上である測定点のデータを演算装置２０へ出力しないように構成されている。周波数の閾値は、例えば人物の呼吸の周波数より高い周波数、例えば毎分６０サイクル程度に設定するとよい。ところで、大人の呼吸数は、毎分５〜３０サイクル程度の範囲にあるが、幼児の場合にはさらに呼吸数が多くなる傾向があるので、これを考慮して周波数の閾値を設定するとよい。これにより、呼吸の周波数より高い周波数の動きが測定された測定点を無視することができる。このようにすることで、呼吸の動きに関係ない動き例えばノイズによる影響を効果的に排除することができる。

図３に戻って、演算装置２０について説明する。演算装置２０は、監視装置１を制御する制御部２１を備えている。さらに制御部２１には、記憶部３１が接続されている。記憶部３１は、撮像装置１２から取得した像を時系列的に記憶するようにするとよい。また記憶部３１には算出された情報等のデータが記憶できる。

制御部２１には、人物２の状態を示す情報を出力する情報出力手段としてのディスプレイ４０が接続されている。ディスプレイ４０は典型的にはＬＣＤである。ディスプレイ４０は後述の波形データ出力部２３により出力される人物２の呼吸の波形パターンを表示することにより出力するように構成されている。ディスプレイ４０は、典型的には呼吸の波形パターンをリアルタイム表示する。リアルタイム表示するとは、例えば後述の波形データ出力部２３により即時的に出力される人物２の呼吸の波形パターンを即時的に表示することである。またディスプレイ４０は、人物２が側臥位であることを表示するようにするとよい。このようにすることで例えば人物２が側臥位であること容易に把握できる。

また制御部２１には、監視装置１を操作するための情報を入力する入力装置３５が接続されている。入力装置３５は例えばタッチパネル、キーボードあるいはマウスである。本図では、入力装置３５は、演算装置２０に外付けするものとして図示されているが、内蔵されていてもよい。

さらに、制御部２１内には、測定装置１４による測定毎あるいは撮像装置１２による撮像毎での複数の点の動きの測定で、人物２に動きがあると測定される点の数の変化に関する量が閾値より多いときには、人物２が側臥位にあると判定する姿勢判定手段としての姿勢判定部２２と、複数の点で測定された即ち測定装置１４により測定された人物２の動きに基づいて、人物２の呼吸の波形を出力するデータ出力手段としての波形データ出力部２３とが備えられている。言い換えれば、演算装置２０は姿勢判定部２２と波形データ出力部２３とを有している。

ここで、図６、図７の模式的平面図を参照して、人物２の側臥位について説明する。図示では、説明のために、撮像された像と画角とその画角内での動きがある測定点の位置、さらに説明のために測定点に対応する人物２（図中破線で表示）を示している。また人物２は安静状態で呼吸しているものとする。なおここでは側臥位は人物２がベッド３上で横を向いて寝ている状態であり、また仰臥位は上を向いて寝ている状態（仰向けで寝ている状態）、伏臥位は下を向いて寝ている状態（うつ伏せで寝ている状態）をいう。

まず図６に示すように、人物２が側臥位にある場合には（（ｂ）の場合）、人物２が仰臥位（又は伏臥位）にある場合（（ａ）の場合）と比較して、例えば各測定点で測定される動きの量が小さくなる。また動きがある測定点も少なくなる。これは、人物２の呼吸による動きは、胸部、腹部を中心に、人物２の正面に対して垂直方向、言い換えれば（ａ）では図中紙面手前又は奥方向、（ｂ）では図中上下方向の動きが主である。ＦＧセンサ１０は人物２の高さ方向（図中紙面手前又は奥方向）の動きを測定しているため、側臥位であるときには測定される動きの量が小さくなる。言い換えれば、人物２が側臥位であるときにＦＧセンサ１０により測定されるのは、呼吸の動きが大きく現れる胸部、腹部ではなく体の側面での高さ方向の動きであるので、測定される動きの量が小さい場合がある。また側臥位であると仰臥位又は伏臥位に比べて、人物２に輝点が投影される範囲が狭くなる言い換えれば動きが測定される輝点（測定点）の数が減少する。これらの理由により、多くの場合感度が低下する。

また側臥位であると仰臥位又は伏臥位に比べて、人物２の高さが高くなることや腹部に膨らみがあることによって、人物２の呼吸による動きで、撮像装置１２で撮像された像に結像したり結像しなかったりする輝点の数が増加する傾向がある。より具体的には、側臥位では、例えば第１に、人物２の胸部、腹部の膨らみあるいは凹みの速度変化により、動きが測定される測定点の数が変化する。第２に、胸部、腹部の膨らみあるいは凹みにより、輝点の投影される輝点の光束が遮られ、撮像装置１２で撮像された像に結像したり結像しなかったりする輝点の数が変化する（例えば腹部の陰や撮像装置１２から見て側面（撮像方向に対して平行な面）に投影された輝点は撮像装置１２で撮像された像に結像しない。）。第３に、胸部、腹部の先端部付近では、鉛直方向から見たときの高さ方向の変化が大きく、輝点の移動量（速度）が呼吸の動きによる輝点の移動範囲を超えてしまう場合があり、動きが測定される輝点（測定点）の数が不規則に変化する場合がある。これらを利用することで、人物２の側臥位を判定できる。またこれらに基づいて後述の補正（波形データを増幅する等）を行うようにするとよい。

また以上のことから、人物２が側臥位であると、仰臥位又は伏臥位に比べて測定の感度が落ちることになるとも言える。このため、人物２の呼吸の動きを測定する際には、人物２は側臥位の姿勢であることが判ると、例えば、側臥位のときは後述の波形データ出力部２３による波形データを増幅して出力することで、人物２の呼吸が正確に検出しやすくなる。

さらに図７を参照して、姿勢判定部２２による側臥位の判定の概念について説明する。人物２は側臥位であるときには、例えば呼気により胸部、腹部がしぼんだ状態（（ａ）の状態）のときに人物２に投影されなかった輝点（破線で図示）が、例えば吸気により胸部、腹部が膨らんだ状態（（ｂ）の状態）となったときに投影されるようになる。このように、側臥位であると、人物２の呼吸により人物２に投影される輝点の数が変化する。さらに言えば人物２に輝点が投影されれば、輝点が投影された点で呼吸による動きが測定されるので、動きがあると測定される点の数が変化する。姿勢判定部２２はこれを利用して側臥位を判定する。さらに言えば仰臥位又は伏臥位から側臥位に変化したことも判定できる。言い換えれば姿勢判定部２２は、例えば人物２に動きがると測定される点の数の変化に関する量に閾値を設定し、測定される点の数の変化に関する量と閾値との比較により、側臥位と、伏臥位と、仰臥位との全てあるいはいずれか１つを判定することができる。

具体的には、姿勢判定部２２は、人物２に動きがあると測定される点の数の変化に関する量が閾値より多いときに人物２が側臥位にあると判定する。変化に関する量とは、典型的には変化数（変化したものの数）であるが、例えば全体の輝点数（測定点数）に対する割合や、呼吸の波形パターンの振幅に対する割合としてもよい。ここでは、変化に関する量は変化数で説明する。閾値は、実測により設定するとよい。実測により設定するとは、例えば実際に様々な体型（子供、大人、男女、太め細め等）あるいは一般的（平均的）な体型の人物が側臥位であるときの点の数の変化を複数測定し、測定した数の変化の平均値あるいは測定した数の変化に基づいた値に設定することである。また、実際に使用するベッド上で測定の対象の人物が側臥位であるときの点の数の変化を複数測定して設定してもよい。即ち測定を行うベッド上で測定対象とする人物毎に個別に実測して設定する。このようにするとより正確に閾値を設定できる。また閾値は例えば動きあると測定された点の数の１％〜２０％、好ましくは５〜１５％程度の数に設定してもよい。

またさらに変化に関する量は、動きが測定された測定点数の変化（移動輝点数変化）を示す波形のスペクトル成分の量あるいは全体に対する量の割合としてもよい。これは、例えば側臥位にあるときには、呼吸波形の周波成分に比べて多くの高周波成分が現れるためである。さらに具体的には、例えば図８に示すように、縦軸を動きが測定された測定点数、横軸を時間として、動きが測定された測定点数をプロットした場合、側臥位では仰臥位のときに比べて細かい波が多い、即ち高周波成分が多い。さらに言えば、仰臥位（あるいは伏臥位）のときには呼吸波形の基本周波数（例えば２０回／分）の２倍付近の周波数が多く、側臥位のときには呼吸波形の基本周波数（例えば２０回／分）の２倍を超える周波数成分が仰臥位のときより増加する。閾値はこれらを踏まえて設定するとよい。

図３に戻って説明する。波形データ出力部２３は、測定装置１４により複数の点で測定された人物２の高さ方向の動きのデータを統合して、人物２の呼吸の波形としての波形データを出力するように構成されている。複数の点で測定された動きのデータを統合するとは、例えば各測定点での輝点の移動量の総和を演算することであり、また出力される動きの波形データは前記総和を時間方向に並べて形成される波形パターンである。このように形成された波形パターンは人物２の呼吸の動きを示す。即ち出力される波形パターンは人物２の呼吸の波形パターンである。このようにすると、人物２の呼吸の波形パターンを出力できるので、正確に人物２の呼吸の状態を把握することができる。また、波形データ出力部２３は、典型的には人物２の呼吸の波形パターンをリアルタイム出力するように構成されている。リアルタイムに出力するとは、例えば撮像装置１２により撮像された像毎に測定される輝点の移動量の総和を即時的に出力することである。さらに言えばこの場合には、この総和をリアルタイムに出力することで、波形データ出力部２３は、時間方向に並べて形成される人物２の呼吸の波形パターンを出力することになる。出力された呼吸の波形パターンはディスプレイ４０により表示される。

なおここでは、波形データ出力部２３は波形パターンをディスプレイ４０にリアルタイム出力する場合で説明したが、リアルタイムでなくてもよい。例えば波形データ出力部２３より出力される人物２の呼吸の波形パターンが記憶部３１等の記憶装置（ハードディスク等）に保存されるように構成してもよい。このようにすることで例えば、保存された波形パターンを後で詳細に観察することができる。

さらに波形データ出力部２３は、姿勢判定部２２により人物２が側臥位にあると判定された場合には、複数の点で測定された即ち測定装置１４により測定された人物２の高さ方向の動きを補正するように構成されている。補正とは、例えば測定装置１４で測定された動きを増幅することである。言い換えれば、測定装置１４で測定された輝点の移動量を増幅することである。即ちこの場合には、波形データ出力部２３は、測定装置１４により複数の点で測定された人物２の高さ方向の動きのデータを増幅した後に統合して、又は統合した後に増幅して、人物２の呼吸の波形としての波形データを出力する。なお補正は、上記に限られるものではなく、例えば測定された人物２の高さ方向の動きに所定の値でバイアスをかける等の補正を広く含む。

また波形データ出力部２３は、姿勢判定部２２により人物２が側臥位にあると判定された期間を除いた期間で、測定装置１４により測定された人物２の高さ方向の動きを補正するように構成してもよい。この補正は、例えば測定装置１４で測定された動きを減衰することである。即ち波形データ出力部２３は、人物２が仰臥位あるいは伏臥位にあるときに、測定装置１４により測定された人物２の高さ方向の動きを減衰するように構成してもよい。

以上のように監視装置１は、対象領域にパターン光１１ａを投影する投影装置１１と、パターン光１１ａが投影された対象領域を撮像する撮像装置１２と、撮像装置１２で撮像された像上のパターンの移動を測定する測定装置１４とを含んで構成される。さらに測定装置１４は、測定されたパターンの移動に基づいて、対象領域に存在する人物２の高さ方向の動きを複数の点で測定するように構成されることにより、測定を非接触で行えるので、測定される人物２への負担が少ない。またパターンを形成する各輝点の移動を測定することにより、例えば人物２の小さな動きであっても正確に測定できるので、人物２の呼吸による高さ方向の動きを正確に測定できる。さらに監視装置１は、撮像装置１２の撮像毎での人物２の高さ方向の動きの測定で、人物２に動きがあると測定される点の数の変化に関する量が閾値より多いときには、人物２が側臥位にあると判定する姿勢判定部２２を備えるので、単純でありながら人物２の側臥位の姿勢を判定できる。このように側臥位の姿勢を判定できることにより、人物２の呼吸の測定状態を把握することができるので、人物２の呼吸を正確に測定することができる。

また監視装置１は、測定装置１４により測定された人物２の高さ方向の動きに基づいて、人物２の呼吸の波形を出力する波形データ出力部２３を備え、さらに波形データ出力部２３は、姿勢判定部２２により人物２が側臥位にあると判定された場合には、測定装置１４により測定された人物２の高さ方向の動きを補正するように構成されているので、人物２が側臥位であっても正確な人物２の呼吸の波形を出力できる。

また、監視装置１は、ディスプレイ４０により、人物２が側臥位であることを容易に把握できる。またディスプレイ４０により、波形データ出力部２３で出力される人物２の呼吸の波形パターンをリアルタイムに表示するので、例えば人物２の呼吸による動きの状態が容易に把握できる。これは例えば医師の診断の参考になる。

なお以上では、ベッド３上に投影するパターンを複数の輝点とした場合で説明したが、図９に示すように、輝線としてもよい。即ち光切断法を用いて人物２の高さ方向の動きを測定するようにしてもよい。この場合には、投影手段には、ベッド３上にパターン光としての輝線を投影するように構成された投影装置１１１を用いる。投影する輝線の数は、典型的には複数であるが、１本であってもよい。以下、輝線は複数の場合で説明する。複数の輝線１１１ｂは、等間隔に複数本投影される。複数本の輝線１１１ｂは、パターン１１１ａを形成する。また、輝線１１１ｂの方向と三角法の基線方向は、ほぼ垂直である。言い換えれば、輝線１１１ｂの方向はベッド３の長手方向の中心線と垂直方向である。

なお輝線の場合には、例えば図１０に示すように、図６で説明した輝点の場合と同様に、撮像素子１５の結像面１５’に結像した輝線の像は、高さのある物体により、δだけｙ軸方向に移動することになる。さらに同様に、このδを測定することにより、物体上の点の位置が三次元的に特定できる。なお、δの測定は、輝線の像の中心線の位置で測定するようにする。さらに輝線の場合には、測定点が、輝線の像の位置にある撮像素子１５の画素１つに対応する。

以上のように、パターン光を複数本の輝線とし、輝線の移動を測定することで、パターン光を複数の輝点とした場合に比べて、輝線上の任意の点の移動を測定でき、輝線方向の連続的形状が認識できる。言い換えれば、輝線方向の測定の分解能を向上することができる。

また以上では、三次元センサはＦＧセンサ１０の場合で説明したが、これに限られず、例えば複数の距離センサを用いてもよい。この場合には各距離センサが測定する点が各測定点に対応する。即ち複数の距離センサは人物２の高さ方向の動きを複数の点で測定する。なお距離センサであるので高さ方向の動きは距離変化で測定する。なお複数の距離センサは人物２のおよそ上方（例えばおよそＦＧセンサ１０の投影装置１１の位置あるいは撮像装置１２の位置）に配置するとよい。また複数の距離センサは、距離センサを並べてアレイ化した距離センサアレイとするとよい。距離センサとしては、カメラの測距器や、Ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｌｉｇｈｔのレーザ距離計がある。またカメラの測距器は、光を照射するタイプのもの（アクティブ型）であっても、光を照射せず一対の受光素子を用いて距離を測定するタイプのもの（パッシブ型）であってもよい。

また以上では、対象領域に存在するのは人物２の場合で説明したが動物であってもよい。なお、例えば対象となる動物が、犬、猫、牛、豚等の四足動物の場合には、側臥位（横を向いて寝ている状態）にある方が各測定点で測定される動きの量が大きくなる可能性があるが、人物２と同様に呼吸による腹部の膨らみあるいは収縮によって、撮像装置１２で撮像された像に結像したり結像しなかったりする輝点の数が増加する傾向がある。即ち動物に動きがあると測定される点の数の変化に関する量が閾値より多いときには、動物が側臥位にあると判定できるので問題ない。また単に、測定点の数の変化に関する量が、閾値より多いときには姿勢が変化したと判定するようにしてもよい。

本発明の実施の形態である監視装置の概略を示す模式的外観図である。 本発明の実施の形態である投影装置を説明する模式的斜視図である。 本発明の実施の形態である監視装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態での輝点の移動の概念について説明する概念的斜視図である。 図４の場合での結像面に結像した輝点について説明する模式図である。 本発明の実施の形態に係る人物の側臥位について説明する模式的平面図である。 本発明の実施の形態に係る人物が側臥位であるかの判定の概念について説明する模式的平面図である。 本発明の実施の形態での動きが測定された測定点数の変化の波形を示す線図である。 本発明の実施の形態である投影装置により投影するパターン光に複数の輝線を用いた場合の監視装置の概略を示す模式的外観図である。 図９の場合での結像面に結像した輝線について説明する模式図である。

符号の説明

１ 監視装置
２ 人物
３ ベッド
４ 寝具
１０ ＦＧセンサ（三次元センサ）
１１ 投影装置
１１ａ パターン
１１ｂ 輝点
１２ 撮像装置
１４ 測定装置
２０ 演算装置
２１ 制御部
２２ 姿勢判定部
２３ 波形データ出力部
４０ ディスプレイ
１０２ 平面
１０３ 物体
１０５ 光束発生部
１２０ グレーティング
１２１ 光ファイバー
１２２ ＦＧ素子

Claims (4)

1. 対象領域に存在する人物又は動物の高さ方向の動きを複数の点で測定する三次元センサと；
   前記測定毎での前記複数の点の前記動きの測定で、前記人物又は動物に動きがあると測定される点の数の変化に関する量が閾値より多いときには、前記人物又は動物が側臥位にあると判定する姿勢判定手段とを備える；
   状態解析装置。
2. 対象領域にパターン光を投影する投影装置と；
   前記パターン光が投影された対象領域を撮像する撮像装置と；
   前記撮像された像上のパターンの移動を測定し、前記測定されたパターンの移動に基づいて、前記対象領域に存在する人物又は動物の高さ方向の動きを複数の点で測定する測定手段と；
   前記撮像毎での前記複数の点の前記動きの測定で、前記人物又は動物に動きがあると測定される点の数の変化に関する量が閾値より多いときには、前記人物又は動物が側臥位にあると判定する姿勢判定手段とを備える；
   状態解析装置。
3. 前記複数の点で測定された前記動きに基づいて、前記人物又は動物の呼吸の波形を出力するデータ出力手段を備える；
   請求項１又は請求項２に記載の状態解析装置。
4. 前記データ出力手段は、前記姿勢判定手段により前記側臥位にあると判定された場合には、前記複数の点で測定された前記動きを補正するように構成された；
   請求項３に記載の状態解析装置。
   

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