JP3892232B2 - 生体監視システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光生体計測法を用いた生体監視システムに係り、特に、光生体計測法を使用して計測された生体の状態を示す出力信号に基づいて、例えば、車両運転中の運転手あるいは同乗者の身体状態を検出し、この検出結果により、居眠りに対する警報を発し、覚醒させるように環境を制御し、あるいは、外部機関に通報する等の処理を行うことのできる生体監視システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光生体計測法を用いて生体の状態を監視し、その結果によりその生体の周辺にある各種の装置を制御することに関する従来技術として、例えば、特開平９−１４９８９４号公報等に記載された技術が知られている。
【０００３】
この従来技術は、頭部に設けられ生体皮膚上に配置された少なくとも１つの光照射手段と、該光照射手段より前記生体皮膚に照射されることにより、生体皮膚の通過光を集光するため、生体皮膚上に配置された少なくとも１つの集光手段とを備え、集光手段により集光された生体通過光強度を計測し、この計測結果により生体の状態を監視し、その結果により、生体の近傍にある装置を制御するというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来技術は、光照射手段と集光手段とを構成する光ファイバーを頭部の皮膚上に配置しなければならず、そのために、作業中の生体状態が監視される被監視者が光ファイバーが取り付けられたヘルメットを装着しなければならず、身体が拘束されることになり、被監視者にとって煩わしいものであるという問題点を有している。
【０００５】
また、前述した従来技術は、例えば、車両運転中の運転手あるいは同乗者の身体状態を検出し、環境を制御する等の制御に関して充分な開示が行われているものではなく、車両運転中の運転手に対する安全性、他の車両に対する安全性の確保という点で、さらなる改良の必要のあるものである。
【０００６】
本発明の目的は、前述した従来技術の問題点を解決し、作業中においても被監視者に対する拘束感をなくして、被監視者の状態を計測することができ、被監視者に対する安全性、操作中の装置による他装置に対する安全性の向上を図ることのできる生体監視システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば前記目的は、移動体の搭乗者の身体状態を監視する生体監視システムにおいて、搭乗者の身体の一部に光を照射し、搭乗者の身体からの光を受光する光導波部材と、前記光導波部材から搭乗者に照射された光が搭乗者の身体の一部を通過した光を検出する検出器と、前記検出器からの信号を処理して生体に起因した信号の信号処理を行う信号処理部と、前記信号処理部からの信号に基づいて搭乗者に刺激を与える刺激装置または、前記信号処理部からの信号に基づいて前記移動体を制御する制御部とを前記移動体の内部に備え、前記信号処理部は、１）前記信号を信号処理により、心拍または脈波の信号と、脳活動および呼吸の信号に分離し、２）前記搭乗者に刺激を与え前記搭乗者の脳活動を活性化させ、安静時の信号との差を評価することで脳活動と呼吸の信号に分離することにより達成される。
【０００８】
本発明は、前述の手段を備えることにより、移動体の運転者、同乗者の脈、呼吸、脳活動等の生体情報をモニタして、運転者、同乗者の身体的情報を判定することができるので、必要に応じて、運転者、同乗者への警告や、環境のコントロール、移動体制御、外部への通報、警報を行うことができ、運転者、同乗者の安全のみならず、移動体の安全をも確保することができる。
【０００９】
また、前記目的は、移動体の搭乗者の身体状態を監視する生体監視システムにおいて、搭乗者の動きに合わせて移動して搭乗者の身体の一部に光ビームを照射する光照射器と、搭乗者の身体の一部を通過した光ビームを集光する光集光器と、該光集光器からの光ビームを電気システムに変換して検出する検出器と、前記検出器からの信号を処理して生体に起因した信号の信号処理を行う信号処理部と、前記信号処理部からの信号に基づいて搭乗者に告知する刺激装置または、前記信号処理部からの信号に基づいて前記移動体を制御する制御部とを前記移動体の内部に備え、前記信号処理部は、１）前記信号を信号処理により、心拍または脈波の信号と、脳活動および呼吸の信号に分離し、２）前記搭乗者に刺激を与え前記搭乗者の脳活動を活性化させ、安静時の信号との差を評価することで脳活動と呼吸の信号に分離することにより達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による生体監視システムの実施形態を図面により詳細に説明する。なお、以下に説明する本発明の実施形態は、本発明を移動体である車両の運転者あるいは同乗者の生体監視を行って身体の状態を検出し、この検出結果により、居眠りに対する警報を発し、覚醒させるように環境を制御し、あるいは、外部機関に通報する等の処理を行うことを可能にしたシステムに適用した例である。
【００１１】
図１は本発明で利用する光生体計測装置の動作原理を説明する図であり、本発明の実施形態を説明する前に、まず、図１に示す光生体計測装置の動作原理について説明する。図１において、１−１、１−２は光源、２−１、２−２は光ファイバー、３は光方向性結合器、４−１、４−２は光源駆動装置、５は照射用光ファイバー、６は被監視者、７は集光用光ファイバー、８は光検出器、９−１、９−２は位相検波器、１０−１、１０−２はＡ／Ｄ変換器である。
【００１２】
図１に示す光生体計測装置は、光を用いて脳機能の活動に伴う生体中の酸化及び還元ヘモグロビン濃度変化、血流による脈の状態、呼吸の状態を計測することができるようにしたものである。そして、図１に示す例は、照射する光の波長に２波長用いることにより、酸化ヘモグロビン濃度変化、還元ヘモグロビン濃度変化を、それぞれ独立して計測することができ、また、この変化を時間軸に沿って調べることにより、単位時間当たりの脈拍数、その大きさ、単位時間当たりの呼吸数、その大きさを計測することができる。図１には、２種類の波長を使用し、光照射位置及び光検出位置を１ヵ所設定するとして示しているが、使用する波長数を増加させ、また、光照射位置及び光検出位置を複数ヵ所とすることにより、計測精度を向上させることができると共に、酸化及び還元ヘモグロビン以外の物質濃度の計測が可能である。
【００１３】
図１において、特定の波長を持つ光が、光源１−１及び１−２より発せられ、それぞれ光ファイバー２−１及び２−２に入射される。光源１−１からの波長は例えばλ１であり、光源１−２からの波長はλ２である。これらの波長は、４００ｎｍから２４００ｎｍの範囲から選択される。特に、生体中の血行動態を計測する場合、７００ｎｍから１１００ｎｍの範囲から選択することが、精度を上げるために望ましい。これは、この波長帯の光が、血流のある生体内部での光の透過性が高いためである。これ以上の波長の光は、水分による吸収が大きくなり、また、これ以下の波長帯の光は、ヘモグロビン血液自体の吸収が大きくなるので都合が悪い。
【００１４】
光源１−１及び１−２は、それぞれ光源駆動回路４−１及び４−２により異なる周波数ｆ１及びｆ２で強度変調されている。各駆動回路４−１及び４−２からの周波数信号は参照周波数信号として、それぞれ、位相検波器９−１及び９−２に入力されている。これは、酸化及び還元ヘモグロビン濃度変化値が混合された波長から、酸化と還元ヘモグロビン濃度値を別々に取り出すためである。
【００１５】
光ファイバー２−１及び２−２は、光方向性結合器３と接続されており、光源１−１及び１−２からの光は混合され照射用光ファイバー５に入射される。照射用光ファイバー５から被監視者６の額面より光を照射し、集光用光ファイバー７で生体通過光を集光する。これにより、血液中を流れる酸化及び還元ヘモグロビン濃度の違による色の違いが計測される。動脈は、酸素飽和度（全ヘモグロビン中の酸化ヘモグロビンの占める割合）が高いが、静脈は、動脈と比較して酸素飽和度が低下している。
【００１６】
照射用光ファイバー５と集光用光ファイバー７との間の距離は、計測位置により１０ｍｍ〜５０ｍｍの距離の距離であってよい。集光用光ファイバー７で集光された生体通過光は、それぞれ光検出器８に入射され、各集光位置における生体通過光が光電変換及び増幅される。光検出器８は、光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードを使用して構成することができる。光検出器８からの出力信号は、２分配された後に位相検波器９−１及び９−２に入力される。各位相検波器９−１、９−２に入力された信号は、照射した２波長の生体通過光が混合されているが、各位相検波器９−１及び９−２にはそれぞれ駆動回路４−１及び４−２から参照周波数が入力されているので、位相検波器９−１は、光源１−１から光の生体通過光強度を、位相検波器９−２は、光源１−２からの光の生体通過光強度を分離検出することができる。
【００１７】
位相検波器９−１及び９−２で検出した生体通過光強度信号は、それぞれＡ／Ｄ変換器１０−１及び１０−２に入力され、デジタル信号に変換された後、演算装置１１に取り込まれる。演算装置１１は、取り込まれた２波長の通過光強度の時系列信号より、酸化ヘモグロビン濃度、還元ヘモグロビン濃度及び血液量を表す酸化ヘモグロビン濃度と還元ヘモグロビン濃度の和を生体情報として演算する。また、演算装置１１は、前述の変化を時間軸に沿って調べ、単位時間当たりの脈拍数、その大きさ、単位時間当たりの呼吸数、その大きさを生体情報として算出する。
【００１８】
図２は図１に示す光生体計測装置により計測された信号の例をフーリエ変換した後の信号の周波数特性を示す図であり、図示例は、睡眠（安静）時における乳幼児の頭部の計測信号の例である。以下、これについて説明する。
【００１９】
計測信号には、図２に示しているように、心拍（または脈波）及び脳活動及び呼吸周波数領域の信号が含まれている。心拍（または脈波）に関しては、図２から理解できるように、脳活動及び呼吸周波数とは周波数帯域が異なっているため、特別な手段を講じることなく、簡単なフィルタにより分離することが可能である。しかし、脳活動及び呼吸に関しては、周波数帯域が接近しており、被験者によっては分離することが困難である。この場合、特別な刺激、例えば、目に光を与える、特定の音をを聞かせる等により、脳活動を活性化て、図２に示すような安静時の信号との差を評価することにより、脳活動の成分と呼吸の成分とを分離することが可能となる。
【００２０】
演算装置１１により算出された前述したような生体情報について信号処理をさらに実行することにより、被監視者の身体状態、例えば、神経性発作の前兆、意識喪失、覚醒、眠気、睡眠、快不快、パニック、酒気帯び、酒酔い等の状態を識別することができる。
【００２１】
本発明の実施形態は、前述したような生体監視方法により得られる各種の情報に基づいて、運転者等の身体状態に異常が生じた場合に、車両内の各種の機器を制御し、運転者、同乗者の安全を図ると共に、周囲の他の車両に対する安全をも図ることを可能にしたものである。
【００２２】
図３は車両内に設置されて使用されている本発明の一実施形態による生体監視システムの構成を示すブロック図であり、以下、これについて説明する。図３において、２０１は車両、２０２は運転者、２０３は同乗者、２０４は検出器、２０５は光源、２０６は制御装置、２０７は各種センサ、２０８は信号処理部、２０９は車体制御装置、２１０は刺激制御装置、２１１は通信装置、２１２はモニター、２１３スピーカ、２１４はエアコンである。
【００２３】
図３において、検出器２０４、光源２０５、制御装置２０６、実線及び点線で示す光ファイバーは、図１に示す光生体計測装置を構成するものである。そして、図に示す例は、光生体計測装置からの実線及び点線で示す照射用光ファイバー、集光用光ファイバーが車両２０１の運転者２０２の額、背中、ステアリングを握る手に延びており、また、同乗者の額、背中、首部、後頭部、側頭部に延びて、それぞれの位置に装着されている。なお、額、背中、首、頭に延びている照射用光ファイバー、集光用光ファイバーは、複数の位置に同時に装着される必要はなく、いずれか一方であってもよい。この場合、光ファイバーは、背もたれやヘッドレストに組み込まれ、背中、首や後頭部から側頭部にかけて装着する方が被監視者に、装着しているということを感じさせないようにすることができる。この場合にも、身体の状態を額に装着した場合と同様に検出することができる。また、ステアリングを握る手の装着されるファイバーは、圧力センサや身体の電気電導度計測装置（一般には、嘘発見器と呼ばれている）等と併用することにより、運転者２０２の緊張度等を身体状態の高精度な情報として検出するために有効である。また、頭部へいく光ファイバーは、脳波の検出とを併用することにより生体の状態の判定精度を上げることが可能となる。照射用光ファイバー、集光用光ファイバーの額への装着状態については後述する。
【００２４】
図３に示す本発明の実施形態によるシステムは、前述したような光生体計測装置の他に、車両２０１の室内の環境の状態、例えば、温度、湿度、炭酸ガス濃度等を検出する各種のセンサ２０７と、光生体計測装置の一部を構成する制御装置２０６から図１により説明した演算装置１１が算出出力する酸化ヘモグロビン濃度、還元ヘモグロビン濃度及び血液量を表す酸化ヘモグロビン濃度と還元ヘモグロビン濃度との和、単位時間当たりの脈拍数、その大きさ、単位時間当たりの呼吸数、それらの大きさや時間変化の情報及びセンサ２０７からの情報を受け取って、被監視者である運転者２０２、同乗者２０３の身体状態、例えば、神経性発作の前兆、意識喪失、覚醒、眠気、睡眠、快不快、パニック、酒気帯び、酒酔い等の状態を識別する信号処理部２０８と、信号処理部２０８が発する身体状態を示す信号に基づいて、車両２０１の運転者２０２に警報を発し、あるいは、室内環境を変更して運転者２０２の覚醒を促す等のために、モニター２１２、スピーカ２１３、エアコン２１４等を制御する刺激装置２１０と、運転者２０２等の身体状態が、運転の継続が不可能なほど悪い状態、あるいは、危険な状態と判定された場合に、車両２０１を路側に移動して停止させる等の車体制御装置２０９と、このような事態の発生を、周辺を走行している他の車両に知らせ、あるいは、病院、警察等に通報するための通信装置２１１を備えて構成される。
【００２５】
なお、信号処理部２０８が生体情報に基づいて、神経性発作の前兆、意識喪失、覚醒、眠気、睡眠、快不快、パニック、酒気帯び、酒酔い等の身体状態を識別する処理動作については、従来技術の欄に示した特開平９−１４９８９４号公報にその詳細が開示されているので、ここでは、その説明を省略する。
【００２６】
前述において、刺激装置２１０が制御している機器の内スピーカ２１３は、ラジオ等のスピーカであってよい。刺激装置２１０は、運転者２０２が眠気を催しているような状態、不快を感じているような状態のとき、スピーカ２１３から警報音を発し、または、ラジオのスピーカである場合、その音量を大きくして覚醒を促し、あるいは、エアコン２１４を制御して、快適に感じる室内環境を作る等の制御を行う。また、図示していないが、運転者の覚醒を促す方法として、運転者２０２の顔の一部に僅かな水を噴霧することができる噴霧器を設け、刺激装置２１０の制御により水を噴霧する、運転者２０２の身体の一部に電気的な刺激を与える装置を設けて、刺激装置２１０からの制御により刺激を与える、座席に振動を加える装置を設けて、刺激装置２１０からの制御により座席を振動させるようにする方法を使用することもできる。さらに、光を点滅させる、あるいは、エアコン２１４から強風を吹き出させて、運転者２０２を覚醒させるようにしてもよい。
【００２７】
また、車体制御装置２０９は、信号処理部２０８からの運転者２０２等の身体状態の情報が、神経性発作の前兆、意識喪失、睡眠、パニック等を示している場合、車両２０１を路側に安全に停止させる等の車両の制御を行い、また、通信装置２１１は、前述したような車体制御装置２０９が車両２０１の制御を行うばあい、信号処理部２０８からの運転者２０２等の身体状態の情報が、神経性発作の前兆、意識喪失等の緊急状態を示している場合、周辺を走行している他の車に状況を伝え、また、病院、警察等への通報を行う。
【００２８】
図４は前述したような本発明の一実施形態での処理動作を説明するフローチャートであり、以下、これについて説明する。なお、ここでは、運転者２０２の身体状態を監視するものとして説明する。
【００２９】
（１）まず、図１により説明した光生体計測装置が運転者２０２の生体の状態を計測し、制御装置２０６から各種の生体情報を出力する（ステップ３０１）。
【００３０】
（２）信号処理部２０８は、制御装置２０６から受け取った各種の生体情報に基づいて、運転者の身体状態を把握し、その結果、身体状態が良い状態にあるか否かを判定する。この判定が、良い状態であった場合、ステップ３０１の処理に戻って処理を繰り返す。なお、ステップ３０１の計測の処理は、一定時間毎に実行されるものとする（ステップ３０２、３０３）。
【００３１】
（３）ステップ３０３の判定で、運転者２０２の身体状態が良い状態でない場合、すなわち、前述したような運転手が覚醒状態にない各種の身体状態になっていると判断した場合、信号処理部２０８は、刺激装置２１０を介して、前述で説明したよう運転者の覚醒を促す刺激を与えて警報を行う（ステップ３０４）。
【００３２】
（４）警報を行った回数をカウントする初期状態で“０”とされているカウンタに“１”を加算して、カウンタの値が予め定めた値“ｎ”になるまで、ステップ３０１の処理に戻って処理を続ける。カウンタに“１”ずつ加算して得られる値は、運転者２０２に刺激を与えても運転者２０２が覚醒状態にならない繰り返し回数であり、運転者２０２の身体状態の種類により予め定められており、例えば、運転者が神経性発作の前兆を示す身体状態にある場合、ｎ＝１に定められ、また、運転者が眠気を催していることを示す身体状態にある場合、ｎ＝５等と定められる。なお、ｎの値は、運転者２０２に与える刺激の大きさにより変化させるようにすることができ、また、刺激の回数を重ねる毎に刺激の大きさが大きくなるようにすることもできる。また、実際にｎを設定する際には、回数だけでなく時間として設定するようにしてもよい（ステップ３０５）。
【００３３】
（５）ステップ３０５で、運転手２０２にｎ回の刺激を与えても、運転者の身体状態が覚醒状態にならなかったという結果が得られた場合、信号処理部２０８は、通信装置２１１を介して外部への通報を行うと共に、車体制御装置２０９に車両の安全な停止を指示する。外部への通報は、病院、誘導システムの管理者、付近を走行している他の車両、歩行者等に対して行われる。付近を走行している他の車両、歩行者等に対して行われる通報は、例えば、ハザードランプによるもの、警報音によるもの等であってよい（ステップ３０６、３０７）。
【００３４】
前述では、運転者２０２の身体状態を監視するとして説明したが、同乗者２０３の身体状態も同様に監視して処理を行うことができる。但し、この場合、同乗者２０３の身体状態の異常は、同乗者２０３が幼児等の場合、運転者２０２に知らせることが重要であり、音声等による警報を発するだけでもよい。但し、運転者のいない移動体の場合、例えば、乳幼児等の同乗者だけを残して放置されているような場合、外部への通報は不可欠である。
【００３５】
図５は本発明の一実施形態での他の処理動作を説明するフローチャートであり、以下、これについて説明する。なお、ここでも、運転者２０２の身体状態を監視するものとして説明する。
【００３６】
この例での処理は、ステップ４０１〜４０３の処理により、運転者２０２に対して、まず、何らかの刺激を与え、その刺激に反応させた後に、図１により説明した光生体計測装置が運転者２０２の生体の状態を計測するものである。運転者２０２に対して刺激を与える処理は、信号処理部２０８の指示により刺激装置２１０を介して行われる。この場合の刺激は、例えば、光の点滅、軽い振動等であってよい。ステップ４０３の処理で生体情報が得られた後のステップ４０４〜４０９の処理は、図４のフローにより説明したステップ３０２〜３０７での処理と同様に行われる。
【００３７】
図６は本発明の一実施形態でのさらに他の処理動作を説明するフローチャートであり、以下、これについて説明する。なお、この例での処理は、運転者２０２、同乗者２０３のいずれの身体状態を監視するものであってもよい。
【００３８】
図４に示したフローで説明した場合と同様に、ステップ５０１〜５０３の処理で、図１により説明した光生体計測装置が運転者２０２または同乗者２０３の生体の状態を計測し、信号処理部２０８が運転者２０２または同乗者２０３の身体状態を判定する。信号処理部２０８は、ステップ５０４の処理で、判定した身体状態に基づいて、エアコン２１４の設定の変更、イス、ミラー等の設置状況の変更、室内へ流される音楽等の開始、ラジオの受信周波数の変更等の室内環境の変更を行う。この例の場合の処理は、運転者２０２または同乗者２０３が不快を感じている身体状態にある場合、あるいは、軽い眠気を感じている場合等の処理として有効である。
【００３９】
図７は本発明の一実施形態でのさらに他の処理動作を説明するフローチャートであり、以下、これについて説明する。なお、前述までの処理の例は、車両が運行状態にある場合の例として説明したが、ここで説明する例は、運転者２０２が車両の運転を開始する前に、運転者の身体状態を監視して車両の運行の可否を決定することを可能にした例である。
【００４０】
図７の処理において、運転者２０２が座席に着座すると、ステップ６０１〜６０３の処理で、図４に示したフローで説明した場合と同様に、ステップ５０１〜５０３の処理で、図１により説明した光生体計測装置が運転者２０２の生体の状態を計測し、信号処理部２０８が運転者２０２の身体状態を判定する。ステップ６０３での運転者の身体状態が覚醒状態となっているかいなかの判定で、覚醒状態である場合、信号処理部２０８は、ステップ６０４で車両の始動を許可する。また、ステップ６０３での判定で、運転者の身体状態が覚醒状態にない場合、例えば、酒酔いあるいは酒気帯びの状態にある場合、信号処理部２０８は、ステップ６０５、６０６でその旨の警告を発して、車両の始動を不可とする。
【００４１】
図８、図９は図１により説明した照射用光ファイバー、集光用光ファイバーの額への装着に使用する眼鏡状に形成したヘッドマウントの構成を説明する図である。図８、図９において、７１はファイバー保持具、７２はヘッドマウント本体、７３は支持穴、７４はベルト、７５は連結具、８１はグラストロンである。
【００４２】
図８（ａ）に示す例のヘッドマウントは、ヘッドマウント本体７２がバネ性のある樹脂、あるいは、バネ性のある薄い鋼帯を樹脂で包んで薄い鉢巻き状に額に沿った半円形にカールした形状に形成され、額の前面側に位置する部分に長い支持穴７３が設けられて構成され、ヘッドマウント本体７２の両端部にゴム等の延び縮み可能なベルト７４と連結具７５とを結合して構成される。この例のヘッドマウントは、照射用光ファイバー、集光用光ファイバーを保持するファイバー保持具７１が、図８（ｂ）に示すように、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７の両者を保持することができるように、２つの円柱状の支持部材を所定の距離だけ離して連結して構成されている。円柱状の支持部材のファイバーの端面が位置する部分には、穴が開けられ、ファイバーの端面からの光が額に向けて射出され、また、額からの光がファイバーの端面に入射可能に構成されている。そして、ファイバー保持具７１は、ヘッドマウント本体７２の支持穴７３に、ヘッドマウントを装着したときに、ファイバーの端面が額に向き合うように保持される。
【００４３】
ヘッドマウントを使用する運転者、同乗者は、前述したように構成されるヘッドマウントを鉢巻きをするように、額の部分にファイバー保持具が位置するように装着して使用する。ファイバー保持具７１は、支持穴７１の長手方向に移動可能にヘッドマウント本体に支持されているので、ファイバー保持具７１を支持穴の長手方向に移動させて測定部位を移動させることができる。本発明の実施形態は、車両の運転者、同乗者の身体の状態を監視するためのものであるので、特に、運転者の場合、計測が可能で、運転の邪魔にならない位置にファイバー保持具をセットすればよい。
【００４４】
図に示す例は、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７の始末の仕方について示していないが、これらのファイバーをヘッドマウント本体７２に添わせて、あるいは、内部に通して使用者の背面に引き出すようにするとよい。
【００４５】
図８（ｃ）に示す例は、ファイバー保持具７１を照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７のそれぞれを保持するように独立に構成したものである。この場合も、各ファイバー保持具７１は、ヘッドマウント本体７２の支持穴７３に取り付けられて使用される。この例の場合、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７の相互間の距離を調整して、最も効果的に計測を行うことが可能な距離に設定することができる。そして、この場合も、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７の始末の仕方は、前述の場合と同様であってよい。
【００４６】
前述で説明した例は、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７がファイバー保持具７１からストレートに導かれるようにファイバー保持具７１に取り付けられているが、図８（ｄ）に示すように、ファイバー保持具７１を円弧状に形成して、ファイバー７１の内部で照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７を９０度曲げてから外部に引き出すようにしてもよい。この場合、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７の始末が容易となる。
【００４７】
図９に示す例のヘッドマウントは、眼鏡タイプの表示装置であるグラストロン８１と、図８（ｄ）に示したヘッドマウントとを組み合わせて構成したヘッドマウントの例である。図９に示すヘッドマウントは、ゲーム機等の表示装置として使用されるグラストロンまたは眼鏡８１と組み合わされているので、子供等の同乗者が車両内でゲームを楽しんでいる場合にも、違和感を与えることなく、身体の状態を監視するために使用することができる。この図９に示す例のヘッドマウントは、通常の表示装置を使用したり、眼鏡を使用しない場合、グラストロンまたは眼鏡８１を外して、図８の示したヘッドマウントと同様に使用することができる。
【００４８】
図８、図９により、ヘッドマウントの例を説明したが、ヘッドマウントは、種々の説明した例とは異なる構成とすることができる。例えば、全体をバネ性のある樹脂、または、バネ性のある鋼帯を樹脂でモールドして、そのバネの力だけで頭部に保持できるように構成することができる。また、ヘッドレストに取り付けておき、運転者が着座したときに、自然に装着されるような構成とすることもできる。
【００４９】
図１０は本発明の他の実施形態の原理を説明する図、図１１は車両内に設置されて使用されている本発明の他の実施形態による生体監視システムの構成を示すブロック図であり、以下、これについて説明する。図１０、図１１において、９０１は光照射器、９０２はレンズ、９０３、９０５は偏光板、９０４はカメラ、９０６はメモリ、９０７は画像処理装置、１００１、１００２は走査回路である。
【００５０】
前述した本発明の実施形態は、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７をヘッドマウントに装着し、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７の端面を使用者の額に近接あるいは接触させているが、ヘッドマウントが軽く違和感なく装着することができるものであっても、実際の使用に当たって、ある程度の違和感を感じさせることになる。また、ファイバーを車室内の天井等に敷設しなければならず、その設置に多くの工数が必要となる。本発明の他の実施形態は、非接触で生体の状態を計測することを可能としたものである。
【００５１】
まず、本発明の他の実施形態の原理について、図１０を参照して説明する。
【００５２】
本発明の他の実施形態は、車室の天井等に設けた光照射器により照射光を光ビームとして運転者等の額を走査するように照射し、また、額からの光を集光する集光器を利用して、あるいは、カメラ等を光検出器として利用して検出することにより生体の監視を行うものである。
【００５３】
図１０に示すように、光照射器９０１からの光は、レンズ９０２、偏光板９０３を介して光ビームとして運転者等の額を照射する。その際、光ビームは、１点だけを照射するのではなく、図に示すように、額の左右方向に走査して照射を行う。一方、光検出器としてのカメラ９０４は、運転者等の額から顔面にかけてを、偏光板９０５を介して撮像する。光照射器９０１に設けられる偏光板９０３と、カメラ９０４に設けられる偏光板９０５とは、カメラ９０４が、光源とは異なる偏光による表面反射のない画像を得るために必要である。
【００５４】
カメラ９０４からの画像は、一旦、メモリ格納され、特定の領域の情報が図３で説明した制御装置２０６に入力されて生体状態の計測に使用されると共に、全画像情報が画像処理装置９０７に入力される。画像処理装置９０７は、被写体としての運転者等の動きを検出して、光源となる光照射器９０１のビームの方向を制御し、正しい位置に光ビームがくるように、あるいは、光ビームが目に入らないように制御すると共に、制御装置２０６に入力される生体状態の計測領域が正しくなるようにカメラ９０４の向きを制御する等の体動に対する補正を行う。前述において、搭乗者の目の位置を抽出し、前記光ビームと目の位置とが所定の距離内に達した場合に、前記光照射器からの光ビームの照射を停止するように制御するようにしてもよい。
【００５５】
次に、図１１を参照して、本発明の他の実施形態についての具体的な構成を説明する。図１１から判るように、光照射器９０１、光検出器としてのカメラ９０４は、車室内の天井部に取り付けられている。これらに接続されている走査回路１００１と１００２は、光照射器９０１からの光ビームの走査を制御し、カメラ９０４の向きを制御するものであり、独立のものとして備えられる必要はなく、それぞれ、光照射回路９０２、カメラ９０４の内部に設けられていてよい。また、メモリ９０６、画像処理装置９０７は、図示の都合で天井部に設置しているように示しているが、これらは、他の場所に説明されていてよく、また、メモリ９０６は、画像処理装置９０７の内部に設けられていてよい。
【００５６】
図１１には示していないが、図３により説明したと同様に、制御装置２０６、各種のセンサ２０７、信号処理部２０８、車体制御装置２０９、刺激装置２１０、通信装置２１１、モニター２１２、スピーカ２１３、エアコン２１４が設けられ、制御装置２０６により生体の状態が計測されて、図４〜図７により説明したと同様な処理が行われる。
【００５７】
前述した本発明の実施形態は、自動車等の車両の運転者、同乗者の身体状態を監視するとして説明したが、本発明は、飛行機、電車等の全ての移動手段の運転者、同乗者の身体状態を監視するためにも適用することができ、これらの移動手段の運転中に、眠気、疲労、いらいら感、レッドアウト、ブラックアウト等、運転に支障をきたす感覚を判定して警報を与えることができる。
【００５８】
前述した本発明の実施形態によれば、移動体の運転者、同乗者の脈、呼吸、脳活動等の生体情報をモニタして、運転者、同乗者の身体的情報を判定することができるので、必要に応じて、運転者、同乗者への警告や、環境のコントロール、移動体制御、外部への通報、警報を行うことができ、運転者、同乗者の安全のみならず、移動体の安全をも確保することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、移動体の運転等の作業中においても被監視者に対する拘束感をなくして、被監視者の状態を計測することができ、被監視者に対する安全性、操作中の装置による他装置に対する安全性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で利用する光生体計測装置の動作原理を説明する図である。
【図２】図１に示す光生体計測装置により計測された信号の例をフーリエ変換した後の信号の周波数特性を示す図である。
【図３】車両内に設置されて使用されている本発明の一実施形態による生体監視システムの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態での処理動作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態での他の処理動作を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態でのさらに他の処理動作を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態でのさらに他の処理動作を説明するフローチャートである。
【図８】照射用光ファイバー、集光用光ファイバーの額への装着に使用するヘッドマウントの構成を説明する図（その１）である。
【図９】照射用光ファイバー、集光用光ファイバーの額への装着に使用するヘッドマウントの構成を説明する図（その２）である。
【図１０】本発明の他の実施形態の原理を説明する図である。
【図１１】車両内に設置されて使用されている本発明の他の実施形態による生体監視システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１−１、１−２ 光源
２−１、２−２ 光ファイバー
３ 光方向性結合器
４−１、４−２ 光源駆動装置
５ 照射用光ファイバー
６ 被監視者
７ 集光用光ファイバー
８ 光検出器
９−１、９−２ 位相検波器
１０−１、１０−２ Ａ／Ｄ変換器
２０１ 車両
２０２ 運転者
２０３ 同乗者
２０４ 検出器
２０５ 光源
２０６ 制御装置
２０７ 各種センサ
２０８ 信号処理部
２０９ 車体制御装置
２１０ 刺激制御装置
２１１ 通信装置
２１２ モニター
２１３スピーカ
２１４ エアコン
７１ ファイバー保持具
７２ ヘッドマウント本体
７３ 支持穴
７４ ベルト
７５ 連結具
８１ グラストロンまたは眼鏡
９０１ 光照射器
９０２ レンズ
９０３、９０５ 偏光板
９０４ カメラ
９０６ メモリ
９０７ 画像処理装置
１００１、１００２ 走査回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、光生体計測法を用いた生体監視システムに係り、特に、光生体計測法を使用して計測された生体の状態を示す出力信号に基づいて、例えば、車両運転中の運転手あるいは同乗者の身体状態を検出し、この検出結果により、居眠りに対する警報を発し、覚醒させるように環境を制御し、あるいは、外部機関に通報する等の処理を行うことのできる生体監視システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光生体計測法を用いて生体の状態を監視し、その結果によりその生体の周辺にある各種の装置を制御することに関する従来技術として、例えば、特開平９−１４９８９４号公報等に記載された技術が知られている。
【０００３】
この従来技術は、頭部に設けられ生体皮膚上に配置された少なくとも１つの光照射手段と、該光照射手段より前記生体皮膚に照射されることにより、生体皮膚の通過光を集光するため、生体皮膚上に配置された少なくとも１つの集光手段とを備え、集光手段により集光された生体通過光強度を計測し、この計測結果により生体の状態を監視し、その結果により、生体の近傍にある装置を制御するというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来技術は、光照射手段と集光手段とを構成する光ファイバーを頭部の皮膚上に配置しなければならず、そのために、作業中の生体状態が監視される被監視者が光ファイバーが取り付けられたヘルメットを装着しなければならず、身体が拘束されることになり、被監視者にとって煩わしいものであるという問題点を有している。
【０００５】
また、前述した従来技術は、例えば、車両運転中の運転手あるいは同乗者の身体状態を検出し、環境を制御する等の制御に関して充分な開示が行われているものではなく、車両運転中の運転手に対する安全性、他の車両に対する安全性の確保という点で、さらなる改良の必要のあるものである。
【０００６】
本発明の目的は、前述した従来技術の問題点を解決し、作業中においても被監視者に対する拘束感をなくして、被監視者の状態を計測することができ、被監視者に対する安全性、操作中の装置による他装置に対する安全性の向上を図ることのできる生体監視システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば前記目的は、移動体の搭乗者の身体状態を監視する生体監視システムにおいて、搭乗者の身体の一部に光を照射し、搭乗者の身体からの光を受光する光導波部材と、前記光導波部材から搭乗者に照射された光が搭乗者の身体の一部を通過した光を検出する検出器と、前記検出器からの信号を処理して生体に起因した信号の信号処理を行う信号処理部と、前記信号処理部からの信号に基づいて搭乗者に刺激を与える刺激装置または、前記信号処理部からの信号に基づいて前記移動体を制御する制御部とを前記移動体の内部に備え、前記信号処理部は、１）前記信号を信号処理により、心拍または脈波の信号と、脳活動および呼吸の信号に分離し、２）前記搭乗者に刺激を与え前記搭乗者の脳活動を活性化させ、安静時の信号との差を評価することで脳活動と呼吸の信号に分離することにより達成される。
【０００８】
本発明は、前述の手段を備えることにより、移動体の運転者、同乗者の脈、呼吸、脳活動等の生体情報をモニタして、運転者、同乗者の身体的情報を判定することができるので、必要に応じて、運転者、同乗者への警告や、環境のコントロール、移動体制御、外部への通報、警報を行うことができ、運転者、同乗者の安全のみならず、移動体の安全をも確保することができる。
【０００９】
また、前記目的は、移動体の搭乗者の身体状態を監視する生体監視システムにおいて、搭乗者の動きに合わせて移動して搭乗者の身体の一部に光ビームを照射する光照射器と、搭乗者の身体の一部を通過した光ビームを集光する光集光器と、該光集光器からの光ビームを電気システムに変換して検出する検出器と、前記検出器からの信号を処理して生体に起因した信号の信号処理を行う信号処理部と、前記信号処理部からの信号に基づいて搭乗者に告知する刺激装置または、前記信号処理部からの信号に基づいて前記移動体を制御する制御部とを前記移動体の内部に備え、前記信号処理部は、１）前記信号を信号処理により、心拍または脈波の信号と、脳活動および呼吸の信号に分離し、２）前記搭乗者に刺激を与え前記搭乗者の脳活動を活性化させ、安静時の信号との差を評価することで脳活動と呼吸の信号に分離することにより達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による生体監視システムの実施形態を図面により詳細に説明する。なお、以下に説明する本発明の実施形態は、本発明を移動体である車両の運転者あるいは同乗者の生体監視を行って身体の状態を検出し、この検出結果により、居眠りに対する警報を発し、覚醒させるように環境を制御し、あるいは、外部機関に通報する等の処理を行うことを可能にしたシステムに適用した例である。
【００１１】
図１は本発明で利用する光生体計測装置の動作原理を説明する図であり、本発明の実施形態を説明する前に、まず、図１に示す光生体計測装置の動作原理について説明する。図１において、１−１、１−２は光源、２−１、２−２は光ファイバー、３は光方向性結合器、４−１、４−２は光源駆動装置、５は照射用光ファイバー、６は被監視者、７は集光用光ファイバー、８は光検出器、９−１、９−２は位相検波器、１０−１、１０−２はＡ／Ｄ変換器である。
【００１２】
図１に示す光生体計測装置は、光を用いて脳機能の活動に伴う生体中の酸化及び還元ヘモグロビン濃度変化、血流による脈の状態、呼吸の状態を計測することができるようにしたものである。そして、図１に示す例は、照射する光の波長に２波長用いることにより、酸化ヘモグロビン濃度変化、還元ヘモグロビン濃度変化を、それぞれ独立して計測することができ、また、この変化を時間軸に沿って調べることにより、単位時間当たりの脈拍数、その大きさ、単位時間当たりの呼吸数、その大きさを計測することができる。図１には、２種類の波長を使用し、光照射位置及び光検出位置を１ヵ所設定するとして示しているが、使用する波長数を増加させ、また、光照射位置及び光検出位置を複数ヵ所とすることにより、計測精度を向上させることができると共に、酸化及び還元ヘモグロビン以外の物質濃度の計測が可能である。
【００１３】
図１において、特定の波長を持つ光が、光源１−１及び１−２より発せられ、それぞれ光ファイバー２−１及び２−２に入射される。光源１−１からの波長は例えばλ１であり、光源１−２からの波長はλ２である。これらの波長は、４００ｎｍから２４００ｎｍの範囲から選択される。特に、生体中の血行動態を計測する場合、７００ｎｍから１１００ｎｍの範囲から選択することが、精度を上げるために望ましい。これは、この波長帯の光が、血流のある生体内部での光の透過性が高いためである。これ以上の波長の光は、水分による吸収が大きくなり、また、これ以下の波長帯の光は、ヘモグロビン血液自体の吸収が大きくなるので都合が悪い。
【００１４】
光源１−１及び１−２は、それぞれ光源駆動回路４−１及び４−２により異なる周波数ｆ１及びｆ２で強度変調されている。各駆動回路４−１及び４−２からの周波数信号は参照周波数信号として、それぞれ、位相検波器９−１及び９−２に入力されている。これは、酸化及び還元ヘモグロビン濃度変化値が混合された波長から、酸化と還元ヘモグロビン濃度値を別々に取り出すためである。
【００１５】
光ファイバー２−１及び２−２は、光方向性結合器３と接続されており、光源１−１及び１−２からの光は混合され照射用光ファイバー５に入射される。照射用光ファイバー５から被監視者６の額面より光を照射し、集光用光ファイバー７で生体通過光を集光する。これにより、血液中を流れる酸化及び還元ヘモグロビン濃度の違による色の違いが計測される。動脈は、酸素飽和度（全ヘモグロビン中の酸化ヘモグロビンの占める割合）が高いが、静脈は、動脈と比較して酸素飽和度が低下している。
【００１６】
照射用光ファイバー５と集光用光ファイバー７との間の距離は、計測位置により１０ｍｍ〜５０ｍｍの距離の距離であってよい。集光用光ファイバー７で集光された生体通過光は、それぞれ光検出器８に入射され、各集光位置における生体通過光が光電変換及び増幅される。光検出器８は、光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードを使用して構成することができる。光検出器８からの出力信号は、２分配された後に位相検波器９−１及び９−２に入力される。各位相検波器９−１、９−２に入力された信号は、照射した２波長の生体通過光が混合されているが、各位相検波器９−１及び９−２にはそれぞれ駆動回路４−１及び４−２から参照周波数が入力されているので、位相検波器９−１は、光源１−１から光の生体通過光強度を、位相検波器９−２は、光源１−２からの光の生体通過光強度を分離検出することができる。
【００１７】
位相検波器９−１及び９−２で検出した生体通過光強度信号は、それぞれＡ／Ｄ変換器１０−１及び１０−２に入力され、デジタル信号に変換された後、演算装置１１に取り込まれる。演算装置１１は、取り込まれた２波長の通過光強度の時系列信号より、酸化ヘモグロビン濃度、還元ヘモグロビン濃度及び血液量を表す酸化ヘモグロビン濃度と還元ヘモグロビン濃度の和を生体情報として演算する。また、演算装置１１は、前述の変化を時間軸に沿って調べ、単位時間当たりの脈拍数、その大きさ、単位時間当たりの呼吸数、その大きさを生体情報として算出する。
【００１８】
図２は図１に示す光生体計測装置により計測された信号の例をフーリエ変換した後の信号の周波数特性を示す図であり、図示例は、睡眠（安静）時における乳幼児の頭部の計測信号の例である。以下、これについて説明する。
【００１９】
計測信号には、図２に示しているように、心拍（または脈波）及び脳活動及び呼吸周波数領域の信号が含まれている。心拍（または脈波）に関しては、図２から理解できるように、脳活動及び呼吸周波数とは周波数帯域が異なっているため、特別な手段を講じることなく、簡単なフィルタにより分離することが可能である。しかし、脳活動及び呼吸に関しては、周波数帯域が接近しており、被験者によっては分離することが困難である。この場合、特別な刺激、例えば、目に光を与える、特定の音をを聞かせる等により、脳活動を活性化て、図２に示すような安静時の信号との差を評価することにより、脳活動の成分と呼吸の成分とを分離することが可能となる。
【００２０】
演算装置１１により算出された前述したような生体情報について信号処理をさらに実行することにより、被監視者の身体状態、例えば、神経性発作の前兆、意識喪失、覚醒、眠気、睡眠、快不快、パニック、酒気帯び、酒酔い等の状態を識別することができる。
【００２１】
本発明の実施形態は、前述したような生体監視方法により得られる各種の情報に基づいて、運転者等の身体状態に異常が生じた場合に、車両内の各種の機器を制御し、運転者、同乗者の安全を図ると共に、周囲の他の車両に対する安全をも図ることを可能にしたものである。
【００２２】
図３は車両内に設置されて使用されている本発明の一実施形態による生体監視システムの構成を示すブロック図であり、以下、これについて説明する。図３において、２０１は車両、２０２は運転者、２０３は同乗者、２０４は検出器、２０５は光源、２０６は制御装置、２０７は各種センサ、２０８は信号処理部、２０９は車体制御装置、２１０は刺激制御装置、２１１は通信装置、２１２はモニター、２１３スピーカ、２１４はエアコンである。
【００２３】
図３において、検出器２０４、光源２０５、制御装置２０６、実線及び点線で示す光ファイバーは、図１に示す光生体計測装置を構成するものである。そして、図に示す例は、光生体計測装置からの実線及び点線で示す照射用光ファイバー、集光用光ファイバーが車両２０１の運転者２０２の額、背中、ステアリングを握る手に延びており、また、同乗者の額、背中、首部、後頭部、側頭部に延びて、それぞれの位置に装着されている。なお、額、背中、首、頭に延びている照射用光ファイバー、集光用光ファイバーは、複数の位置に同時に装着される必要はなく、いずれか一方であってもよい。この場合、光ファイバーは、背もたれやヘッドレストに組み込まれ、背中、首や後頭部から側頭部にかけて装着する方が被監視者に、装着しているということを感じさせないようにすることができる。この場合にも、身体の状態を額に装着した場合と同様に検出することができる。また、ステアリングを握る手の装着されるファイバーは、圧力センサや身体の電気電導度計測装置（一般には、嘘発見器と呼ばれている）等と併用することにより、運転者２０２の緊張度等を身体状態の高精度な情報として検出するために有効である。また、頭部へいく光ファイバーは、脳波の検出とを併用することにより生体の状態の判定精度を上げることが可能となる。照射用光ファイバー、集光用光ファイバーの額への装着状態については後述する。
【００２４】
図３に示す本発明の実施形態によるシステムは、前述したような光生体計測装置の他に、車両２０１の室内の環境の状態、例えば、温度、湿度、炭酸ガス濃度等を検出する各種のセンサ２０７と、光生体計測装置の一部を構成する制御装置２０６から図１により説明した演算装置１１が算出出力する酸化ヘモグロビン濃度、還元ヘモグロビン濃度及び血液量を表す酸化ヘモグロビン濃度と還元ヘモグロビン濃度との和、単位時間当たりの脈拍数、その大きさ、単位時間当たりの呼吸数、それらの大きさや時間変化の情報及びセンサ２０７からの情報を受け取って、被監視者である運転者２０２、同乗者２０３の身体状態、例えば、神経性発作の前兆、意識喪失、覚醒、眠気、睡眠、快不快、パニック、酒気帯び、酒酔い等の状態を識別する信号処理部２０８と、信号処理部２０８が発する身体状態を示す信号に基づいて、車両２０１の運転者２０２に警報を発し、あるいは、室内環境を変更して運転者２０２の覚醒を促す等のために、モニター２１２、スピーカ２１３、エアコン２１４等を制御する刺激装置２１０と、運転者２０２等の身体状態が、運転の継続が不可能なほど悪い状態、あるいは、危険な状態と判定された場合に、車両２０１を路側に移動して停止させる等の車体制御装置２０９と、このような事態の発生を、周辺を走行している他の車両に知らせ、あるいは、病院、警察等に通報するための通信装置２１１を備えて構成される。
【００２５】
なお、信号処理部２０８が生体情報に基づいて、神経性発作の前兆、意識喪失、覚醒、眠気、睡眠、快不快、パニック、酒気帯び、酒酔い等の身体状態を識別する処理動作については、従来技術の欄に示した特開平９−１４９８９４号公報にその詳細が開示されているので、ここでは、その説明を省略する。
【００２６】
前述において、刺激装置２１０が制御している機器の内スピーカ２１３は、ラジオ等のスピーカであってよい。刺激装置２１０は、運転者２０２が眠気を催しているような状態、不快を感じているような状態のとき、スピーカ２１３から警報音を発し、または、ラジオのスピーカである場合、その音量を大きくして覚醒を促し、あるいは、エアコン２１４を制御して、快適に感じる室内環境を作る等の制御を行う。また、図示していないが、運転者の覚醒を促す方法として、運転者２０２の顔の一部に僅かな水を噴霧することができる噴霧器を設け、刺激装置２１０の制御により水を噴霧する、運転者２０２の身体の一部に電気的な刺激を与える装置を設けて、刺激装置２１０からの制御により刺激を与える、座席に振動を加える装置を設けて、刺激装置２１０からの制御により座席を振動させるようにする方法を使用することもできる。さらに、光を点滅させる、あるいは、エアコン２１４から強風を吹き出させて、運転者２０２を覚醒させるようにしてもよい。
【００２７】
また、車体制御装置２０９は、信号処理部２０８からの運転者２０２等の身体状態の情報が、神経性発作の前兆、意識喪失、睡眠、パニック等を示している場合、車両２０１を路側に安全に停止させる等の車両の制御を行い、また、通信装置２１１は、前述したような車体制御装置２０９が車両２０１の制御を行うばあい、信号処理部２０８からの運転者２０２等の身体状態の情報が、神経性発作の前兆、意識喪失等の緊急状態を示している場合、周辺を走行している他の車に状況を伝え、また、病院、警察等への通報を行う。
【００２８】
図４は前述したような本発明の一実施形態での処理動作を説明するフローチャートであり、以下、これについて説明する。なお、ここでは、運転者２０２の身体状態を監視するものとして説明する。
【００２９】
（１）まず、図１により説明した光生体計測装置が運転者２０２の生体の状態を計測し、制御装置２０６から各種の生体情報を出力する（ステップ３０１）。
【００３０】
（２）信号処理部２０８は、制御装置２０６から受け取った各種の生体情報に基づいて、運転者の身体状態を把握し、その結果、身体状態が良い状態にあるか否かを判定する。この判定が、良い状態であった場合、ステップ３０１の処理に戻って処理を繰り返す。なお、ステップ３０１の計測の処理は、一定時間毎に実行されるものとする（ステップ３０２、３０３）。
【００３１】
（３）ステップ３０３の判定で、運転者２０２の身体状態が良い状態でない場合、すなわち、前述したような運転手が覚醒状態にない各種の身体状態になっていると判断した場合、信号処理部２０８は、刺激装置２１０を介して、前述で説明したよう運転者の覚醒を促す刺激を与えて警報を行う（ステップ３０４）。
【００３２】
（４）警報を行った回数をカウントする初期状態で“０”とされているカウンタに“１”を加算して、カウンタの値が予め定めた値“ｎ”になるまで、ステップ３０１の処理に戻って処理を続ける。カウンタに“１”ずつ加算して得られる値は、運転者２０２に刺激を与えても運転者２０２が覚醒状態にならない繰り返し回数であり、運転者２０２の身体状態の種類により予め定められており、例えば、運転者が神経性発作の前兆を示す身体状態にある場合、ｎ＝１に定められ、また、運転者が眠気を催していることを示す身体状態にある場合、ｎ＝５等と定められる。なお、ｎの値は、運転者２０２に与える刺激の大きさにより変化させるようにすることができ、また、刺激の回数を重ねる毎に刺激の大きさが大きくなるようにすることもできる。また、実際にｎを設定する際には、回数だけでなく時間として設定するようにしてもよい（ステップ３０５）。
【００３３】
（５）ステップ３０５で、運転手２０２にｎ回の刺激を与えても、運転者の身体状態が覚醒状態にならなかったという結果が得られた場合、信号処理部２０８は、通信装置２１１を介して外部への通報を行うと共に、車体制御装置２０９に車両の安全な停止を指示する。外部への通報は、病院、誘導システムの管理者、付近を走行している他の車両、歩行者等に対して行われる。付近を走行している他の車両、歩行者等に対して行われる通報は、例えば、ハザードランプによるもの、警報音によるもの等であってよい（ステップ３０６、３０７）。
【００３４】
前述では、運転者２０２の身体状態を監視するとして説明したが、同乗者２０３の身体状態も同様に監視して処理を行うことができる。但し、この場合、同乗者２０３の身体状態の異常は、同乗者２０３が幼児等の場合、運転者２０２に知らせることが重要であり、音声等による警報を発するだけでもよい。但し、運転者のいない移動体の場合、例えば、乳幼児等の同乗者だけを残して放置されているような場合、外部への通報は不可欠である。
【００３５】
図５は本発明の一実施形態での他の処理動作を説明するフローチャートであり、以下、これについて説明する。なお、ここでも、運転者２０２の身体状態を監視するものとして説明する。
【００３６】
この例での処理は、ステップ４０１〜４０３の処理により、運転者２０２に対して、まず、何らかの刺激を与え、その刺激に反応させた後に、図１により説明した光生体計測装置が運転者２０２の生体の状態を計測するものである。運転者２０２に対して刺激を与える処理は、信号処理部２０８の指示により刺激装置２１０を介して行われる。この場合の刺激は、例えば、光の点滅、軽い振動等であってよい。ステップ４０３の処理で生体情報が得られた後のステップ４０４〜４０９の処理は、図４のフローにより説明したステップ３０２〜３０７での処理と同様に行われる。
【００３７】
図６は本発明の一実施形態でのさらに他の処理動作を説明するフローチャートであり、以下、これについて説明する。なお、この例での処理は、運転者２０２、同乗者２０３のいずれの身体状態を監視するものであってもよい。
【００３８】
図４に示したフローで説明した場合と同様に、ステップ５０１〜５０３の処理で、図１により説明した光生体計測装置が運転者２０２または同乗者２０３の生体の状態を計測し、信号処理部２０８が運転者２０２または同乗者２０３の身体状態を判定する。信号処理部２０８は、ステップ５０４の処理で、判定した身体状態に基づいて、エアコン２１４の設定の変更、イス、ミラー等の設置状況の変更、室内へ流される音楽等の開始、ラジオの受信周波数の変更等の室内環境の変更を行う。この例の場合の処理は、運転者２０２または同乗者２０３が不快を感じている身体状態にある場合、あるいは、軽い眠気を感じている場合等の処理として有効である。
【００３９】
図７は本発明の一実施形態でのさらに他の処理動作を説明するフローチャートであり、以下、これについて説明する。なお、前述までの処理の例は、車両が運行状態にある場合の例として説明したが、ここで説明する例は、運転者２０２が車両の運転を開始する前に、運転者の身体状態を監視して車両の運行の可否を決定することを可能にした例である。
【００４０】
図７の処理において、運転者２０２が座席に着座すると、ステップ６０１〜６０３の処理で、図４に示したフローで説明した場合と同様に、ステップ５０１〜５０３の処理で、図１により説明した光生体計測装置が運転者２０２の生体の状態を計測し、信号処理部２０８が運転者２０２の身体状態を判定する。ステップ６０３での運転者の身体状態が覚醒状態となっているかいなかの判定で、覚醒状態である場合、信号処理部２０８は、ステップ６０４で車両の始動を許可する。また、ステップ６０３での判定で、運転者の身体状態が覚醒状態にない場合、例えば、酒酔いあるいは酒気帯びの状態にある場合、信号処理部２０８は、ステップ６０５、６０６でその旨の警告を発して、車両の始動を不可とする。
【００４１】
図８、図９は図１により説明した照射用光ファイバー、集光用光ファイバーの額への装着に使用する眼鏡状に形成したヘッドマウントの構成を説明する図である。図８、図９において、７１はファイバー保持具、７２はヘッドマウント本体、７３は支持穴、７４はベルト、７５は連結具、８１はグラストロンである。
【００４２】
図８（ａ）に示す例のヘッドマウントは、ヘッドマウント本体７２がバネ性のある樹脂、あるいは、バネ性のある薄い鋼帯を樹脂で包んで薄い鉢巻き状に額に沿った半円形にカールした形状に形成され、額の前面側に位置する部分に長い支持穴７３が設けられて構成され、ヘッドマウント本体７２の両端部にゴム等の延び縮み可能なベルト７４と連結具７５とを結合して構成される。この例のヘッドマウントは、照射用光ファイバー、集光用光ファイバーを保持するファイバー保持具７１が、図８（ｂ）に示すように、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７の両者を保持することができるように、２つの円柱状の支持部材を所定の距離だけ離して連結して構成されている。円柱状の支持部材のファイバーの端面が位置する部分には、穴が開けられ、ファイバーの端面からの光が額に向けて射出され、また、額からの光がファイバーの端面に入射可能に構成されている。そして、ファイバー保持具７１は、ヘッドマウント本体７２の支持穴７３に、ヘッドマウントを装着したときに、ファイバーの端面が額に向き合うように保持される。
【００４３】
ヘッドマウントを使用する運転者、同乗者は、前述したように構成されるヘッドマウントを鉢巻きをするように、額の部分にファイバー保持具が位置するように装着して使用する。ファイバー保持具７１は、支持穴７１の長手方向に移動可能にヘッドマウント本体に支持されているので、ファイバー保持具７１を支持穴の長手方向に移動させて測定部位を移動させることができる。本発明の実施形態は、車両の運転者、同乗者の身体の状態を監視するためのものであるので、特に、運転者の場合、計測が可能で、運転の邪魔にならない位置にファイバー保持具をセットすればよい。
【００４４】
図に示す例は、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７の始末の仕方について示していないが、これらのファイバーをヘッドマウント本体７２に添わせて、あるいは、内部に通して使用者の背面に引き出すようにするとよい。
【００４５】
図８（ｃ）に示す例は、ファイバー保持具７１を照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７のそれぞれを保持するように独立に構成したものである。この場合も、各ファイバー保持具７１は、ヘッドマウント本体７２の支持穴７３に取り付けられて使用される。この例の場合、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７の相互間の距離を調整して、最も効果的に計測を行うことが可能な距離に設定することができる。そして、この場合も、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７の始末の仕方は、前述の場合と同様であってよい。
【００４６】
前述で説明した例は、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７がファイバー保持具７１からストレートに導かれるようにファイバー保持具７１に取り付けられているが、図８（ｄ）に示すように、ファイバー保持具７１を円弧状に形成して、ファイバー７１の内部で照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７を９０度曲げてから外部に引き出すようにしてもよい。この場合、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７の始末が容易となる。
【００４７】
図９に示す例のヘッドマウントは、眼鏡タイプの表示装置であるグラストロン８１と、図８（ｄ）に示したヘッドマウントとを組み合わせて構成したヘッドマウントの例である。図９に示すヘッドマウントは、ゲーム機等の表示装置として使用されるグラストロンまたは眼鏡８１と組み合わされているので、子供等の同乗者が車両内でゲームを楽しんでいる場合にも、違和感を与えることなく、身体の状態を監視するために使用することができる。この図９に示す例のヘッドマウントは、通常の表示装置を使用したり、眼鏡を使用しない場合、グラストロンまたは眼鏡８１を外して、図８の示したヘッドマウントと同様に使用することができる。
【００４８】
図８、図９により、ヘッドマウントの例を説明したが、ヘッドマウントは、種々の説明した例とは異なる構成とすることができる。例えば、全体をバネ性のある樹脂、または、バネ性のある鋼帯を樹脂でモールドして、そのバネの力だけで頭部に保持できるように構成することができる。また、ヘッドレストに取り付けておき、運転者が着座したときに、自然に装着されるような構成とすることもできる。
【００４９】
図１０は本発明の他の実施形態の原理を説明する図、図１１は車両内に設置されて使用されている本発明の他の実施形態による生体監視システムの構成を示すブロック図であり、以下、これについて説明する。図１０、図１１において、９０１は光照射器、９０２はレンズ、９０３、９０５は偏光板、９０４はカメラ、９０６はメモリ、９０７は画像処理装置、１００１、１００２は走査回路である。
【００５０】
前述した本発明の実施形態は、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７をヘッドマウントに装着し、照射用光ファイバー５、集光用光ファイバー７の端面を使用者の額に近接あるいは接触させているが、ヘッドマウントが軽く違和感なく装着することができるものであっても、実際の使用に当たって、ある程度の違和感を感じさせることになる。また、ファイバーを車室内の天井等に敷設しなければならず、その設置に多くの工数が必要となる。本発明の他の実施形態は、非接触で生体の状態を計測することを可能としたものである。
【００５１】
まず、本発明の他の実施形態の原理について、図１０を参照して説明する。
【００５２】
本発明の他の実施形態は、車室の天井等に設けた光照射器により照射光を光ビームとして運転者等の額を走査するように照射し、また、額からの光を集光する集光器を利用して、あるいは、カメラ等を光検出器として利用して検出することにより生体の監視を行うものである。
【００５３】
図１０に示すように、光照射器９０１からの光は、レンズ９０２、偏光板９０３を介して光ビームとして運転者等の額を照射する。その際、光ビームは、１点だけを照射するのではなく、図に示すように、額の左右方向に走査して照射を行う。一方、光検出器としてのカメラ９０４は、運転者等の額から顔面にかけてを、偏光板９０５を介して撮像する。光照射器９０１に設けられる偏光板９０３と、カメラ９０４に設けられる偏光板９０５とは、カメラ９０４が、光源とは異なる偏光による表面反射のない画像を得るために必要である。
【００５４】
カメラ９０４からの画像は、一旦、メモリ格納され、特定の領域の情報が図３で説明した制御装置２０６に入力されて生体状態の計測に使用されると共に、全画像情報が画像処理装置９０７に入力される。画像処理装置９０７は、被写体としての運転者等の動きを検出して、光源となる光照射器９０１のビームの方向を制御し、正しい位置に光ビームがくるように、あるいは、光ビームが目に入らないように制御すると共に、制御装置２０６に入力される生体状態の計測領域が正しくなるようにカメラ９０４の向きを制御する等の体動に対する補正を行う。前述において、搭乗者の目の位置を抽出し、前記光ビームと目の位置とが所定の距離内に達した場合に、前記光照射器からの光ビームの照射を停止するように制御するようにしてもよい。
【００５５】
次に、図１１を参照して、本発明の他の実施形態についての具体的な構成を説明する。図１１から判るように、光照射器９０１、光検出器としてのカメラ９０４は、車室内の天井部に取り付けられている。これらに接続されている走査回路１００１と１００２は、光照射器９０１からの光ビームの走査を制御し、カメラ９０４の向きを制御するものであり、独立のものとして備えられる必要はなく、それぞれ、光照射回路９０２、カメラ９０４の内部に設けられていてよい。また、メモリ９０６、画像処理装置９０７は、図示の都合で天井部に設置しているように示しているが、これらは、他の場所に説明されていてよく、また、メモリ９０６は、画像処理装置９０７の内部に設けられていてよい。
【００５６】
図１１には示していないが、図３により説明したと同様に、制御装置２０６、各種のセンサ２０７、信号処理部２０８、車体制御装置２０９、刺激装置２１０、通信装置２１１、モニター２１２、スピーカ２１３、エアコン２１４が設けられ、制御装置２０６により生体の状態が計測されて、図４〜図７により説明したと同様な処理が行われる。
【００５７】
前述した本発明の実施形態は、自動車等の車両の運転者、同乗者の身体状態を監視するとして説明したが、本発明は、飛行機、電車等の全ての移動手段の運転者、同乗者の身体状態を監視するためにも適用することができ、これらの移動手段の運転中に、眠気、疲労、いらいら感、レッドアウト、ブラックアウト等、運転に支障をきたす感覚を判定して警報を与えることができる。
【００５８】
前述した本発明の実施形態によれば、移動体の運転者、同乗者の脈、呼吸、脳活動等の生体情報をモニタして、運転者、同乗者の身体的情報を判定することができるので、必要に応じて、運転者、同乗者への警告や、環境のコントロール、移動体制御、外部への通報、警報を行うことができ、運転者、同乗者の安全のみならず、移動体の安全をも確保することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、移動体の運転等の作業中においても被監視者に対する拘束感をなくして、被監視者の状態を計測することができ、被監視者に対する安全性、操作中の装置による他装置に対する安全性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で利用する光生体計測装置の動作原理を説明する図である。
【図２】図１に示す光生体計測装置により計測された信号の例をフーリエ変換した後の信号の周波数特性を示す図である。
【図３】車両内に設置されて使用されている本発明の一実施形態による生体監視システムの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態での処理動作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態での他の処理動作を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態でのさらに他の処理動作を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態でのさらに他の処理動作を説明するフローチャートである。
【図８】照射用光ファイバー、集光用光ファイバーの額への装着に使用するヘッドマウントの構成を説明する図（その１）である。
【図９】照射用光ファイバー、集光用光ファイバーの額への装着に使用するヘッドマウントの構成を説明する図（その２）である。
【図１０】本発明の他の実施形態の原理を説明する図である。
【図１１】車両内に設置されて使用されている本発明の他の実施形態による生体監視システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１−１、１−２ 光源
２−１、２−２ 光ファイバー
３ 光方向性結合器
４−１、４−２ 光源駆動装置
５ 照射用光ファイバー
６ 被監視者
７ 集光用光ファイバー
８ 光検出器
９−１、９−２ 位相検波器
１０−１、１０−２ Ａ／Ｄ変換器
２０１ 車両
２０２ 運転者
２０３ 同乗者
２０４ 検出器
２０５ 光源
２０６ 制御装置
２０７ 各種センサ
２０８ 信号処理部
２０９ 車体制御装置
２１０ 刺激制御装置
２１１ 通信装置
２１２ モニター
２１３スピーカ
２１４ エアコン
７１ ファイバー保持具
７２ ヘッドマウント本体
７３ 支持穴
７４ ベルト
７５ 連結具
８１ グラストロンまたは眼鏡
９０１ 光照射器
９０２ レンズ
９０３、９０５ 偏光板
９０４ カメラ
９０６ メモリ
９０７ 画像処理装置
１００１、１００２ 走査回路
Claims (9)
- 移動体の搭乗者の身体状態を監視する生体監視システムにおいて、
搭乗者の身体の一部に光を照射し、搭乗者の身体からの光を受光する光導波部材と、
前記光導波部材から搭乗者に照射された光が搭乗者の身体の一部を通過した光を検出する検出器と、
前記検出器からの信号を処理して生体に起因した信号の信号処理を行う信号処理部と、
前記信号処理部からの信号に基づいて搭乗者に刺激を与える刺激装置または、前記信号処理部からの信号に基づいて前記移動体を制御する制御部とを前記移動体の内部に備え、
前記信号処理部は、１）前記信号を信号処理により、心拍または脈波の信号と、脳活動および呼吸の信号に分離し、２）前記搭乗者に刺激を与え前記搭乗者の脳活動を活性化させ、安静時の信号との差を評価することで脳活動と呼吸の信号に分離することを特徴とする生体監視システム。 - 前記信号処理部からの信号を外部に通報する無線連絡手段を備えることを特徴とする請求項１記載の生体監視システム。
- 前記制御部は、前記信号処理部からの信号を速度の制御指令として、移動体の速度を制御することを特徴とする請求項１または２記載の生体監視システム。
- 前記制御部は、前記信号処理部からの信号により移動体内の温度湿度の環境を制御することを特徴とする請求項１、２または３記載の生体監視システム。
- 移動体の搭乗者の身体状態を監視する生体監視システムにおいて、
搭乗者の動きに合わせて移動して搭乗者の身体の一部に光ビームを照射する光照射器と、
搭乗者の身体の一部を通過した光ビームを集光する光集光器と、
該光集光器からの光ビームを電気システムに変換して検出する検出器と、
前記検出器からの信号を処理して生体に起因した信号の信号処理を行う信号処理部と、
前記信号処理部からの信号に基づいて搭乗者に告知する刺激装置または、前記信号処理部からの信号に基づいて前記移動体を制御する制御部とを前記移動体の内部に備え、
前記信号処理部は、１）前記信号を信号処理により、心拍または脈波の信号と、脳活動および呼吸の信号に分離し、２）前記搭乗者に刺激を与え前記搭乗者の脳活動を活性化させ、安静時の信号との差を評価することで脳活動と呼吸の信号に分離することを特徴とする生体監視システム。 - 前記光照射器は、搭乗者の目の位置を抽出し、前記光ビームと目の位置とが所定の距離内に達した場合に、光ビームの照射を停止するように制御されることを特徴とする請求項５記載の生体監視システム。
- 移動体の搭乗者の身体状態を監視する生体監視システムにおいて、
搭乗者の動きに合わせて、また、搭乗者の身体の一部を走査するように移動して搭乗者の身体の一部に光ビームを照射する、光を絞ってビームとするレンズと光の偏光方向を揃える第１の偏光板とを有する光照射器と、
搭乗者の身体の一部を通過した光ビームの特定の偏光方向の光を通過させる第２の偏光板を介した光を検出する検出器としてのカメラと、
前記検出器としてのカメラからの信号を処理して生体に起因した信号の信号処理を行う信号処理部と、
前記信号処理部からの信号に基づいて搭乗者に告知する刺激装置または、前記信号処理部からの信号に基づいて前記移動体を制御する制御部とを前記移動体の内部に備え、
前記信号処理部は、１）前記信号を信号処理により、心拍または脈波の信号と、脳活動および呼吸の信号に分離し、２）前記搭乗者に刺激を与え前記搭乗者の脳活動を活性化させ、安静時の信号との差を評価することで脳活動と呼吸の信号に分離することを特徴とする生体監視システム。 - 前記検出器により検出される信号から得られる身体情報を示す信号は、血液内の酸化ヘモグロビン濃度及び還元ヘモグロビン濃度であることを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１記載の生体監視システム。
- 前記信号処理部は前記信号をフーリエ変換することにより、心拍または脈波の信号と、脳活動および呼吸の信号に分離することを特徴とする請求項１、５または７に記載の生体監視システム。
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