JP7409987B2 - Biological condition monitoring system, bed system equipped with the same, and biological condition monitoring method - Google Patents
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Description
本発明は、複数の荷重検出器を備える生体状態モニタリングシステム、当該システムを備えるベッドシステム、及び複数の荷重検出器を用いる生体状態モニタリング方法に関する。 The present invention relates to a biological condition monitoring system including a plurality of load detectors, a bed system including the system, and a biological condition monitoring method using a plurality of load detectors.
医療や介護の分野において、荷重検出器を介してベッド上の被験者の荷重を検出し、検出した荷重に基づいて被験者の状態を判定することが提案されている。具体的には例えば、検出した荷重に基づいて被験者の呼吸数や心拍数の推定を行うことが提案されている。 In the fields of medicine and nursing care, it has been proposed to detect the load of a subject on a bed using a load detector and determine the condition of the subject based on the detected load. Specifically, for example, it has been proposed to estimate a subject's breathing rate and heart rate based on the detected load.
特許文献１は、濾波器を備え、被検生体の重心位置の変動出力の高い周波数成分から被検生体の心臓運動を検出し、被検生体の重心位置の変動出力の低い周波数成分から被検生体の呼吸運動を検出する、呼吸及び心臓運動測定装置を開示している。特許文献２は、就寝面上の利用者の重心位置の変化を高速フーリエ変換等によって処理することにより呼吸の変化周期を抽出して呼吸周波数として出力することのできる動作検出装置を開示している。また、本出願人に発行された特許文献３は、ベッド上の被験者の重心位置の時間的変動及び体動に関する情報を用いて、当該被験者の呼吸数を高精度に求める方法を開示している。
本発明は、荷重検出器を用いて被験者の生体状態をモニタするための代替的なシステム及び方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide an alternative system and method for monitoring the biological condition of a subject using a load detector.
本発明の第１の態様に従えば、
ベッド上の被験者の生体状態をモニタする生体状態モニタリングシステムであって、
ベッドの幅方向の一方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられ、且つ前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分と該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分とを含む第１荷重を検出する第１荷重検出器と、
ベッドの幅方向の他方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられ、且つ前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分と該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分とを含む第２荷重を検出する第２荷重検出器と、
第１荷重と第２荷重との差分を求めて、該差分から前記被験者の心拍状態を決定する心拍状態決定部と、
前記差分に含まれる前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分が小さくなるように、前記差分を、前記ベッドの長さ方向に対する前記被験者の体軸の方向の傾きに基づいて補正する補正部とを備える生体状態モニタリングシステムが提供される。
According to the first aspect of the invention,
A biological condition monitoring system that monitors the biological condition of a subject on a bed,
A load component that is provided under the bed or under the legs of the bed on one side in the width direction of the bed and is caused by the subject, and includes a load component that vibrates in response to the subject's breathing, and a load component that vibrates in response to the heartbeat of the subject. a first load detector that detects a first load including;
A load component that is provided under the bed or under the legs of the bed on the other side in the width direction of the bed, and is a load caused by the subject, which vibrates in response to the subject's breathing and a load component that vibrates in response to the subject's heartbeat. a second load detector that detects a second load including;
a heartbeat state determination unit that calculates a difference between a first load and a second load and determines the heartbeat state of the subject from the difference;
a correction unit that corrects the difference based on the inclination of the body axis of the subject with respect to the length direction of the bed so that a load component that vibrates in accordance with the breathing of the subject included in the difference is reduced; A biological condition monitoring system is provided.
第１の態様の生体状態モニタリングシステムにおいて、前記補正部は、第１荷重の変動と第２荷重の変動とに基づいて前記被験者の体軸の方向を決定してもよい。 In the biological condition monitoring system of the first aspect, the correction unit may determine the direction of the subject's body axis based on a variation in the first load and a variation in the second load.
第１の態様の生体状態モニタリングシステムにおいて、第１荷重検出器と第２荷重検出器とは、ベッドの幅方向中央でベッドの長さ方向に延びる軸に関して対称に配置されていてもよい。 In the biological condition monitoring system of the first aspect, the first load detector and the second load detector may be arranged symmetrically with respect to an axis extending in the length direction of the bed at the center in the width direction of the bed.
第１の態様の生体状態モニタリングシステムにおいて、第２荷重検出器はベッドの長さ方向の一方側に設けられていてもよい。また、第１の態様の生体状態モニタリングシステムは、更に、ベッドの長さ方向の他方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられ、且つ前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分を含む第３荷重を検出する第３荷重検出器を備えても良く、第２荷重と第３荷重との差分を求めて、該差分から前記被験者の呼吸状態を決定する呼吸状態決定部を備えてもよい。 In the biological condition monitoring system of the first aspect, the second load detector may be provided on one side in the length direction of the bed. In addition, the biological condition monitoring system of the first aspect is further provided on the other side in the length direction of the bed on the bed or under the legs of the bed, and is configured to vibrate in response to the load of the subject and the breathing of the subject. A third load detector that detects a third load including a load component may be provided, and a respiratory state determination method that determines a difference between the second load and the third load and determines the breathing state of the subject from the difference. It may also include a section.
第１の態様の生体状態モニタリングシステムにおいて、前記補正部は、第２荷重と第３荷重との前記差分に含まれる前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分が大きくなるように、該差分を、前記ベッドの長さ方向に対する前記被験者の体軸の方向の傾きに基づいて補正してもよい。 In the biological condition monitoring system of the first aspect, the correction unit adjusts the difference between the second load and the third load so that a load component that vibrates in accordance with the subject's breathing, which is included in the difference, increases. , the correction may be made based on the inclination of the subject's body axis with respect to the longitudinal direction of the bed.
第１の態様の生体状態モニタリングシステムにおいて、第１荷重検出器はベッドの長さ方向の一方側に設けられていてもよく、第３荷重検出器はベッドの幅方向の他方側に設けられていてもよく、第３荷重検出器により検出される前記被験者による荷重は該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分を含んでもよい。また、第１の態様の生体状態モニタリングシステムは、更に、ベッドの幅方向の一方側且つベッドの長さ方向の他方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられ、且つ前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分と該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分とを含む第４荷重を検出する第４荷重検出器を備えてもよく、前記心拍状態決定部は、第１荷重と第４荷重の和と、第２荷重と第３荷重の和との差分を求めて、該差分から前記被験者の心拍状態を決定してもよく、前記呼吸状態決定部は、第１荷重と第２荷重の和と、第３荷重と第４荷重の和との差分を求めて、該差分から前記被験者の呼吸状態を決定してもよい。 In the biological condition monitoring system of the first aspect, the first load detector may be provided on one side in the length direction of the bed, and the third load detector may be provided on the other side in the width direction of the bed. The load caused by the subject detected by the third load detector may include a load component that vibrates in accordance with the heartbeat of the subject. Further, the biological condition monitoring system of the first aspect is further provided under the bed or the legs of the bed on one side in the width direction of the bed and the other side in the length direction of the bed, and the system further comprises: The fourth load detector may include a fourth load detector that detects a fourth load including a load component that vibrates in response to the subject's breathing and a load component that vibrates in response to the subject's heartbeat, and the heartbeat state determination unit includes: The heart rate state of the subject may be determined from the difference by determining the difference between the sum of the first load and the fourth load and the sum of the second load and the third load, and the respiratory state determining unit may determine the heart rate state of the subject from the difference. The difference between the sum of the first load and the second load and the sum of the third load and the fourth load may be determined, and the breathing state of the subject may be determined from the difference.
第１の態様の生体状態モニタリングシステムにおいて、前記補正部は、第１荷重と第４荷重の和と第２荷重と第３荷重の和との前記差分に含まれる前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分が小さくなるように、該差分を、前記ベッドの長さ方向に対する前記被験者の体軸の方向の傾きに基づいて補正してもよく、且つ第１荷重と第２荷重の和と第３荷重と第４荷重の和との前記差分に含まれる前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分が大きくなるように、該差分を、前記ベッドの長さ方向に対する前記被験者の体軸の方向の傾きに基づいて補正してもよい。 In the biological condition monitoring system of the first aspect, the correction unit vibrates in accordance with the breathing of the subject included in the difference between the sum of the first load and the fourth load and the sum of the second load and the third load. The difference may be corrected based on the inclination of the subject's body axis with respect to the longitudinal direction of the bed, and the difference between the sum of the first load and the second load and the The difference between the sum of the third load and the fourth load is adjusted in the direction of the subject's body axis with respect to the length direction of the bed so that the load component that vibrates in response to the subject's breathing, which is included in the difference, increases. The correction may be made based on the slope of .
第１の態様の生体状態モニタリングシステムにおいて、前記補正部は、前記被験者の体軸の方向を回転して前記ベッドの長さ方向に略一致させる回転変換を行う回転行列を用いて補正を行ってもよい。 In the biological condition monitoring system of the first aspect, the correction unit performs correction using a rotation matrix that performs a rotational transformation to rotate the direction of the body axis of the subject to substantially match the length direction of the bed. Good too.
本発明の第２の態様に従えば、
ベッドと、
第１の態様の生体状態モニタリングシステムとを備えるベッドシステムが提供される。
According to the second aspect of the invention,
bed and
A bed system comprising the biological condition monitoring system of the first aspect is provided.
本発明の第３の態様に従えば、
ベッド上の被験者の生体状態をモニタする生体状態モニタリング方法であって、
ベッドの幅方向の一方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられた第１荷重検出器により、前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分と該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分とを含む第１荷重を検出することと、
ベッドの幅方向の他方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられた第２荷重検出器により、前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分と該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分とを含む第２荷重を検出することと、
第１荷重と第２荷重との差分を求めて、該差分から前記被験者の心拍状態を決定することと、
第１荷重と第２荷重との前記差分に含まれる前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分が小さくなるように、前記差分を、前記ベッドの長さ方向に対する前記被験者の体軸の方向の傾きに基づいて補正することを含む生体状態モニタリング方法が提供される。
According to the third aspect of the invention,
A biological condition monitoring method for monitoring the biological condition of a subject on a bed, the method comprising:
A first load detector installed on the bed or under the legs of the bed on one side in the width direction of the bed detects the load caused by the subject, a load component that vibrates in response to the subject's breathing, and a load component that vibrates in response to the subject's heartbeat. detecting a first load including a load component that vibrates;
A second load detector installed on the bed or under the legs of the bed on the other side in the width direction of the bed detects the load caused by the subject, a load component that vibrates in response to the subject's breathing, and a load component that vibrates in response to the subject's heartbeat. detecting a second load including a load component that vibrates;
determining a difference between a first load and a second load, and determining a heartbeat state of the subject from the difference;
The difference is adjusted in the direction of the subject's body axis with respect to the length direction of the bed so that the load component that vibrates in response to the subject's breathing, which is included in the difference between the first load and the second load, is small. A biological condition monitoring method is provided that includes correcting based on slope.
第３の態様の生体状態モニタリング方法は、更に、第１荷重の変動と第２荷重の変動とに基づいて前記被験者の体軸の方向を決定すること含んでもよい。 The biological condition monitoring method of the third aspect may further include determining the direction of the subject's body axis based on the variation in the first load and the variation in the second load.
第３の態様の生体状態モニタリング方法において、第１荷重検出器と第２荷重検出器とは、ベッドの幅方向中央でベッドの長さ方向に延びる軸に関して対称に配置されてもよい。 In the biological condition monitoring method of the third aspect, the first load detector and the second load detector may be arranged symmetrically with respect to an axis extending in the length direction of the bed at the center in the width direction of the bed.
第３の態様の生体状態モニタリング方法において、第２荷重検出器はベッドの長さ方向の一方側に設けられていてもよい。また第３の態様の生体状態モニタリング方法は、更に、ベッドの長さ方向の他方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられた第３荷重検出器により、前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分を含む第３荷重を検出することを含んでも良く、第２荷重と第３荷重との差分を求めて、該差分から前記被験者の呼吸状態を決定することを含んでもよい。 In the biological condition monitoring method of the third aspect, the second load detector may be provided on one side in the length direction of the bed. Further, in the biological condition monitoring method of the third aspect, a third load detector provided on the other side of the bed in the length direction of the bed or under the legs of the bed detects the load caused by the subject, and detects the load of the subject. The method may include detecting a third load including a load component that vibrates in response to breathing, and may include determining a difference between the second load and the third load, and determining the breathing state of the subject from the difference. But that's fine.
第３の態様の生体状態モニタリング方法は、更に、第２荷重と第３荷重との前記差分に含まれる前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分が大きくなるように、該差分を、前記ベッドの長さ方向に対する前記被験者の体軸の方向の傾きに基づいて補正することを含んでもよい。 In the biological condition monitoring method of the third aspect, the difference between the second load and the third load is further adjusted to the bed so that a load component that vibrates in accordance with the subject's breathing, which is included in the difference between the second load and the third load, becomes larger. The method may include correcting based on the inclination of the subject's body axis with respect to the length direction of the subject.
第３の態様の生体状態モニタリング方法において、第１荷重検出器はベッドの長さ方向の一方側に設けられていてもよく、第３荷重検出器はベッドの幅方向の他方側に設けられていてもよく、第３荷重検出器により検出される前記被験者による荷重は該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分を含んでもよい。また、第３の態様の生体状態モニタリング方法は、更に、ベッドの幅方向の一方側且つベッドの長さ方向の他方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられた第４荷重検出器により、前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分と該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分とを含む第４荷重を検出することを含んでもよく、前記心拍状態を決定することは、第１荷重と第４荷重の和と、第２荷重と第３荷重の和との差分を求めて、該差分から前記被験者の心拍状態を決定することであってもよく、前記呼吸状態を決定することは、第１荷重と第２荷重の和と、第３荷重と第４荷重の和との差分を求めて、該差分から前記被験者の呼吸状態を決定することであってもよい。 In the biological condition monitoring method of the third aspect, the first load detector may be provided on one side in the length direction of the bed, and the third load detector may be provided on the other side in the width direction of the bed. The load caused by the subject detected by the third load detector may include a load component that vibrates in accordance with the heartbeat of the subject. Furthermore, in the biological condition monitoring method of the third aspect, the subject is The method may include detecting a fourth load that includes a load component that vibrates in response to the subject's breathing and a load component that vibrates in response to the heartbeat of the subject, and determining the heartbeat state. This may include determining the heartbeat state of the subject from the difference between the sum of the first load and the fourth load and the sum of the second load and the third load, and determining the heart rate state of the subject from the difference. Determining the state may include finding the difference between the sum of the first load and the second load and the sum of the third load and the fourth load, and determining the breathing state of the subject from the difference. good.
第３の態様の生体状態モニタリング方法において、前記第１荷重と第２荷重との差分を補正することは、第１荷重と第４荷重の和と第２荷重と第３荷重の和との前記差分に含まれる前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分が小さくなるように、該差分を、前記ベッドの長さ方向に対する前記被験者の体軸の方向の傾きに基づいて補正することであってもよく、前記第２荷重と第３荷重との差分を補正することは、第１荷重と第２荷重の和と第３荷重と第４荷重の和との前記差分に含まれる前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分が大きくなるように、該差分を、前記ベッドの長さ方向に対する前記被験者の体軸の方向の傾きに基づいて補正することであってもよい。 In the biological condition monitoring method according to the third aspect, correcting the difference between the first load and the second load includes the difference between the sum of the first load and the fourth load and the sum of the second load and the third load. The difference is corrected based on the inclination of the body axis of the subject with respect to the length direction of the bed so that a load component that vibrates in response to the subject's breathing included in the difference is reduced. The difference between the second load and the third load may be corrected by correcting the respiration of the subject included in the difference between the sum of the first load and the second load and the sum of the third load and the fourth load. The difference may be corrected based on the inclination of the subject's body axis with respect to the longitudinal direction of the bed so that the load component that vibrates becomes larger depending on the bed.
第３の態様の生体状態モニタリング方法において、前記ベッドの長さ方向に対する前記被験者の体軸の方向の傾きに基づく補正は、前記被験者の体軸の方向を回転して前記ベッドの長さ方向に略一致させる回転変換を行う回転行列を用いて行われても良い。 In the biological condition monitoring method of the third aspect, the correction based on the inclination of the direction of the body axis of the subject with respect to the length direction of the bed is performed by rotating the direction of the body axis of the subject to the direction of the length of the bed. It may also be performed using a rotation matrix that performs rotation transformation to substantially match.
本発明によれば、荷重検出器を用いて被験者の生体状態をモニタするための代替的なシステム及び方法が提供される。 According to the present invention, an alternative system and method for monitoring a subject's biological condition using a load detector is provided.
＜実施形態＞
本発明の実施形態について、図１に示す構成を有する生体状態モニタリングシステム１００を、図２に示すベッドＢＤとともに使用して、被験者の呼吸状態及び心拍状態をモニタする場合を例として説明する。
<Embodiment>
An embodiment of the present invention will be described by taking as an example a case where a biological
以下の説明においては、直方形のベッドＢＤの中心を中心Ｏとして、中心Ｏを通りベッドＢＤの短手（幅方向）に延びる軸をベッドＢＤのＸ軸とし、中心Ｏを通りベッドＢＤの長手（長さ方向、上下方向）に延びる軸をベッドＢＤのＹ軸とする。ベッドＢＤの平面視において、ベッドＢＤの中心Ｏの右側をＸ軸の正側、左側をＸ軸の負側とし、ベッドＢＤの中心Ｏの下側をＹ軸の正側、上側をＹ軸の負側とする。被験者ＳがベッドＢＤ上に横たわる場合は、一般にＹ軸に沿って横たわり、Ｙ軸方向の負側に頭部を置き、正側に脚部を置く。 In the following description, the center of the rectangular bed BD is set as the center O, and the axis passing through the center O and extending in the short side (width direction) of the bed BD is the X axis of the bed BD. The axis extending in the longitudinal direction and the vertical direction is the Y axis of the bed BD. In a plan view of the bed BD, the right side of the center O of the bed BD is the positive side of the X-axis, the left side is the negative side of the X-axis, the lower side of the center O of the bed BD is the positive side of the Y-axis, and the upper side is the positive side of the Y-axis. Set as negative side. When the subject S lies on the bed BD, he or she generally lies along the Y-axis, with the head placed on the negative side of the Y-axis direction and the legs placed on the positive side.
図１に示す通り、本実施形態の生体状態モニタリングシステム１００は、荷重検出部１及び生体状態決定部（制御部）３を主に有する。荷重検出部１と生体状態決定部３とは、Ａ／Ｄ変換部２を介して接続されている。生体状態決定部３には更に記憶部４、表示部５、報知部６、及び入力部７が接続されている。
As shown in FIG. 1, the biological
荷重検出部１は、４つの荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ（第１荷重検出器、第２荷重検出器、第３荷重検出器、第４荷重検出器）を備える。荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのそれぞれは、例えばビーム形のロードセルを用いて荷重を検出する荷重検出器である。このような荷重検出器は例えば、特許第４８２９０２０号や特許第４００２９０５号に記載されている。荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄはそれぞれ、配線によりＡ／Ｄ変換部２に接続されている。
The
荷重検出部１の４つの荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、被験者が使用するベッドの脚の下に配置される。具体的には例えば、荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、図２に示す通り、ベッドＢＤの四隅の脚の下端部に取り付けられたキャスターＣの下にそれぞれ配置される。本実施形態では、荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄはそれぞれ、ベッドＢＤの、Ｘ軸方向正側且つＹ軸方向正側、Ｘ軸方向負側且つＹ軸方向正側、Ｘ軸方向負側且つＹ軸方向負側、Ｘ軸方向正側且つＹ軸方向負側においてキャスターＣの下に配置されている。
The four
荷重検出器１ａ、１ｂは、Ｙ軸に対して軸対称な位置に設置され、即ちＹ軸から等距離に設置されている。荷重検出器１ｃ、１ｄも同様にＹ軸に対して軸対称な位置に設置され、即ちＹ軸から等距離に設置されている。また、荷重検出器１ａ、１ｄは、Ｘ軸に対して軸対称な位置に設置され、即ちＸ軸から等距離に設置されている。荷重検出器１ｂ、１ｃも同様にＸ軸に対して軸対称な位置に設置され、即ちＸ軸から等距離に設置されている。
The
Ａ／Ｄ変換部２は、荷重検出部１からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を備え、荷重検出部１と生体状態決定部３にそれぞれ配線で接続されている。
The A/
生体状態決定部（制御部）３は、荷重検出部１からの荷重信号に基づいて、被験者の生体状態、例えば呼吸状態や心拍状態を決定する。本実施形態では、生体状態決定部３は、呼吸状態を決定する呼吸状態決定部３１と、心拍状態を決定する心拍状態決定部３２と、心拍状態の決定に用いる信号を必要に応じて補正する信号補正部３３（補正部）とを備える。生体状態決定部（制御部）３は、専用又は汎用のコンピュータであってよい。生体状態決定部３における被験者の生体状態の決定について、詳細は後述する。
The biological condition determination section (control section) 3 determines the biological condition of the subject, such as the respiratory condition and heartbeat condition, based on the load signal from the
記憶部４は、生体状態モニタリングシステム１００において使用されるデータを記憶する記憶装置であり、例えばハードディスク（磁気ディスク）を用いることができる。
The
表示部５は、生体状態決定部３から出力される被験者の生体状態等を生体状態モニタリングシステム１００の使用者に表示する液晶モニター等のモニターである。報知部６は、生体状態決定部３からの出力（生体状態に関する情報等）に基づいて所定の報知を聴覚的に行う装置、例えばスピーカを備える。入力部７は、生体状態モニタリングシステム１００に対して所定の入力を行うためのインターフェイスであり、キーボード及びマウスにし得る。
The
このような生体状態モニタリングシステム１００を使用して、ベッド上の被験者の生体状態をモニタする方法について説明する。ここで、被験者の生体状態とは、具体的には例えば、被験者の呼吸状態及び／又は心拍状態である。
A method of monitoring the biological condition of a subject on a bed using such a biological
生体状態モニタリングシステム１００を使用した被験者の生体状態の決定は、図３のフローチャートに示す通り、複数の荷重検出器により被験者の荷重を検出する荷重検出工程Ｓ１と、複数の荷重検出器からの荷重信号の間の差分を求め、当該差分から被験者の呼吸状態を決定する呼吸状態決定工程Ｓ２と、複数の荷重検出器からの荷重信号の間の差分を求め、当該差分から被験者の心拍状態を決定する心拍状態決定工程Ｓ３と、ベッドの長さ方向に対する被験者の体軸の方向の傾きに基づいて心拍状態決定工程Ｓ３で求めた差分を補正する信号補正工程Ｓ４と、決定した呼吸状態及び心拍状態を表示する表示工程Ｓ５とを主に含む。
Determination of the subject's biological condition using the biological
［荷重検出工程］
荷重検出工程Ｓ１では、荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを用いてベッドＢＤ上の被験者Ｓの荷重を検出する。荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの各々は、ベッドＢＤの各脚の下に配置されているため、ベッドＢＤの上面に加えられる荷重は、４つの荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに分散して検知される。特に、荷重の中心（重心）がベッドＢＤの中心Ｏに存在していれば、４つの荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに均一に分散して検知される。
[Load detection process]
In the load detection step S1, the load of the subject S on the bed BD is detected using the
荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄはそれぞれ、荷重（荷重変化）を検出してアナログ信号としてＡ／Ｄ変換部２に出力する。Ａ／Ｄ変換部２は、サンプリング周期を例えば５ミリ秒として、アナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタル信号（以下「荷重信号」）として生体状態決定部３に出力する。以下では、荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄから出力され、Ａ／Ｄ変換部２においてデジタル変換された荷重信号を、それぞれ荷重信号ｓａ、ｓｂ、ｓｃ、ｓｄと呼ぶ。
Each of the
［呼吸状態決定工程、心拍状態決定工程］
呼吸状態決定工程Ｓ２及び心拍状態決定工程Ｓ３（両者をまとめて「生体状態決定工程」と呼ぶ）では、生体状態決定部３の呼吸状態決定部３１及び心拍状態決定部３２が、荷重信号ｓａ～ｓｄに基づいて、被験者Ｓの呼吸状態及び心拍状態を決定する。
[Respiration state determination process, heartbeat state determination process]
In the breathing state determining step S2 and the heartbeat state determining step S3 (both collectively referred to as the "biological state determining step"), the breathing
人間の呼吸は胸郭及び横隔膜を移動させて、肺を膨張及び収縮させることにより行われる。ここで吸気時、すなわち肺が膨張する時には横隔膜は下方に下がり、内臓も下方に移動する。一方で呼気時、すなわち肺が収縮する時には横隔膜は上方に上がり、内臓も上方に移動する。本発明の発明者は、呼吸に関する研究により、被験者の重心が、呼吸に応じた内臓の上下移動により、被験者の上下方向（背骨の方向）、即ち被験者の体軸の延びる方向にほぼ沿って振動することを見出した。 Human breathing is performed by moving the rib cage and diaphragm to inflate and deflate the lungs. During inspiration, when the lungs expand, the diaphragm moves downward and the internal organs also move downward. On the other hand, during exhalation, when the lungs contract, the diaphragm moves upward, and the internal organs also move upward. Through research on breathing, the inventor of the present invention found that the subject's center of gravity vibrates in the vertical direction of the subject (in the direction of the spine), that is, approximately along the direction in which the subject's body axis extends, due to the vertical movement of internal organs in response to breathing. I found out what to do.
以下では、被験者の重心の、被験者の呼吸に応じた、被験者の体軸方向に沿った振動を「呼吸振動」と呼ぶ。図４に両矢印ｂで示す通り、被験者Ｓの重心Ｇは、呼吸振動により、被験者Ｓの体軸ＳＡの方向に沿って振動している。なお、両矢印ｂにより示される呼吸振動の振動量（振幅）は、説明上、誇張して表わされている。 Hereinafter, vibrations of the subject's center of gravity along the subject's body axis direction in response to the subject's breathing will be referred to as "respiratory vibrations." As shown by the double arrow b in FIG. 4, the center of gravity G of the subject S is vibrating along the direction of the body axis SA of the subject S due to respiratory vibration. Note that the amount of vibration (amplitude) of the respiratory vibration indicated by the double-headed arrow b is exaggerated for the sake of explanation.
また、本発明の発明者は、被験者の重心が被験者の体軸に直交する方向にもわずかに振動していることを見出し、この振動が、被験者の心拍に応じた振動であることを見出した。 The inventor of the present invention also found that the subject's center of gravity vibrates slightly in a direction perpendicular to the subject's body axis, and found that this vibration corresponds to the subject's heartbeat. .
すなわち、本発明の発明者の知見によれば、被験者の重心は、被験者の心拍（心臓の拍動、即ち心臓の収縮と膨張）に伴って被験者の体軸方向とは異なる一軸方向に振動している。そのため、心拍は被験者の体軸方向と直交する方向の振動成分を有し、被験者の重心もまた、被験者の体軸に直交する方向にわずかに振動する成分を有する。 That is, according to the findings of the inventor of the present invention, the subject's center of gravity vibrates in a uniaxial direction different from the subject's body axis direction with the subject's heartbeat (heartbeat, that is, contraction and expansion of the heart). ing. Therefore, the heartbeat has a vibration component in a direction perpendicular to the subject's body axis, and the subject's center of gravity also has a component that slightly vibrates in a direction perpendicular to the subject's body axis.
以下では、被験者の重心の、被験者の心拍に応じた、被験者の体軸方向とは異なる一軸方向に沿った振動を「心拍振動」と呼ぶ。また、心拍振動に含まれる、被験者の体軸方向と直交する方向に振動する成分を心拍振動成分と呼ぶ。被験者Ｓの心拍振動成分を、図４において両矢印ｈで示す。なお、両矢印ｈにより示される心拍振動成分の振動量（振幅）も、説明上、誇張して表わされている。 Hereinafter, vibrations of the subject's center of gravity along a uniaxial direction different from the subject's body axis direction in response to the subject's heartbeat will be referred to as "heartbeat vibration." Further, a component included in the heartbeat vibration that vibrates in a direction perpendicular to the subject's body axis direction is referred to as a heartbeat vibration component. The heartbeat vibration component of the subject S is indicated by a double-headed arrow h in FIG. Note that the amount of vibration (amplitude) of the heartbeat vibration component indicated by the double-headed arrow h is also exaggerated for the sake of explanation.
本発明の発明者は、ベッド上の被験者からの荷重を検出するように配置した複数の荷重検出器からの複数の荷重信号の各々が、被験者の呼吸振動及び心拍振動に応じて特定の位相関係で変化していることに着目し、下記の原理により、複数の荷重信号間の差分を求めるだけで、被験者の重心位置を算出することなく、被験者の呼吸状態及び／又は心拍状態を決定できることを見出した。 The inventor of the present invention has provided a method in which each of a plurality of load signals from a plurality of load detectors arranged to detect a load from a subject on a bed has a specific phase relationship depending on the subject's respiratory vibration and heartbeat vibration. Focusing on the fact that the weight changes in I found it.
図４は、被験者Ｓが、ベッドＢＤ上で、体軸ＳＡがＹ軸と一致し、且つ呼吸振動の振動原点がベッドＢＤの中心Ｏに一致した状態で仰臥している場合の、荷重信号ｓａ～ｓｄの各々の、所定の５秒間における変化の様子を示す。なお、この５秒間において被験者Ｓに呼吸、心拍以外の体動は生じていない。 FIG. 4 shows the load signal sa when the subject S lies supine on the bed BD with the body axis SA aligned with the Y axis and the vibration origin of respiratory vibration aligned with the center O of the bed BD. -sd for a predetermined period of 5 seconds. Note that during these 5 seconds, subject S did not make any body movements other than breathing and heartbeat.
荷重信号ｓａ～ｓｄの各々は、被験者の呼吸（呼吸振動）に応じて変化する荷重成分（以下、「呼吸成分」と呼ぶ）と、被験者の心拍（心拍振動。より具体的には心拍振動成分）に応じて振動する荷重成分（以下、「心拍成分」と呼ぶ）とを含む。図４においては、説明の便宜上、荷重信号ｓａ～ｓｄの各々を呼吸成分と心拍成分とに周波数分離した状態で示している。 Each of the load signals sa to sd includes a load component (hereinafter referred to as a "respiratory component") that changes according to the subject's breathing (respiratory vibration) and a subject's heartbeat (heartbeat vibration. More specifically, a heartbeat vibration component). ) (hereinafter referred to as a "heartbeat component") that vibrates in accordance with the heartbeat component. In FIG. 4, for convenience of explanation, each of the load signals sa to sd is shown frequency-separated into a respiratory component and a heartbeat component.
図４の右下のグラフは、荷重検出器１ａから出力された荷重信号ｓａに含まれる呼吸成分ｓａｂと心拍成分ｓａｈとを示す。同様に、図４の左下のグラフは荷重検出器１ｂから出力された荷重信号ｓｂに含まれる呼吸成分ｓｂｂと心拍成分ｓｂｈとを示し、図４の左上のグラフは荷重検出器１ｃから出力された荷重信号ｓｃに含まれる呼吸成分ｓｃｂと心拍成分ｓｃｈとを示し、図４の右上のグラフは荷重検出器１ｄから出力された荷重信号ｓｄに含まれる呼吸成分ｓｄｂと心拍成分ｓｄｈとを示す。
The lower right graph in FIG. 4 shows a respiratory component sa b and a heartbeat component sa h included in the load signal sa output from the
各信号の変動の様子（信号波形の形状）は、具体的には次の通りである。 Specifically, the manner in which each signal fluctuates (the shape of the signal waveform) is as follows.
呼吸成分ｓａｂ～ｓｄｂは、いずれも被験者Ｓの呼吸振動に応じて振動（変動）しているため、振動の周期は互いに等しく、被験者Ｓの呼吸の周期を表わしている。 Since the respiratory components sa b to sd b all oscillate (fluctuate) according to the respiratory vibration of the subject S, the periods of vibration are equal to each other and represent the respiratory period of the subject S.
被験者Ｓの脚側（Ｙ軸方向の正側）に配置された荷重検出器１ａからの荷重信号ｓａに含まれる呼吸成分ｓａｂと、被験者Ｓの脚側に配置された荷重検出器１ｂからの荷重信号ｓｂに含まれる呼吸成分ｓｂｂとは同位相である。これは、前述のように被験者Ｓの呼吸による重心Ｇの移動方向が被験者Ｓの体軸ＳＡの方向、即ちＹ軸方向にあり、Ｙ軸方向において、荷重検出器１ａと荷重検出器１ｂとが被験者Ｓの重心Ｇの位置に関して同じ側に位置しているためである。なお、呼吸成分ｓａｂと呼吸成分ｓｂｂとが同位相となることは後述の実験例から実証されている（図７（ａ）～図７（ｄ）参照。図７（ａ）～図７（ｄ）は呼吸成分と心拍成分とを含む波形であるが、後述する通り、呼吸成分の振幅は心拍成分の振幅に比較して大きいため、図７（ａ）～図７（ｄ）からは各呼吸成分同士の位相関係を読み取ることができる）。
The respiratory component sa b included in the load signal sa from the
同様の理由により、被験者Ｓの頭側（Ｙ軸方向の負側）に配置された荷重検出器１ｃからの荷重信号ｓｃに含まれる呼吸成分ｓｃｂと、被験者Ｓの頭側に配置された荷重検出器１ｄからの荷重信号ｓｄに含まれる呼吸成分ｓｄｂとは同位相である。
For the same reason, the respiratory component sc b included in the load signal sc from the
被験者Ｓの脚側（Ｙ軸方向の正側）に配置された荷重検出器１ａ、１ｂからの荷重信号ｓａ、ｓｂに含まれる呼吸成分ｓａｂ、ｓｂｂと、被験者Ｓの頭側（Ｙ軸方向の負側）に配置された荷重検出器１ｃ、１ｄからの荷重信号ｓｃ、ｓｄに含まれる呼吸成分ｓｃｂ、ｓｄｂとは、位相が互いに反転している。これは、被験者Ｓの呼吸による重心Ｇの移動方向が被験者Ｓの体軸ＳＡの方向、即ちＹ軸方向にあり、Ｙ軸方向において、荷重検出器１ａ、１ｂと荷重検出器１ｃ、１ｄとが被験者Ｓの重心Ｇの位置に関して反対側に位置しているためである。なお、呼吸成分ｓａｂ、ｓｂｂと呼吸成分ｓｂｃ、ｓｃｃとが逆位相となることは後述の実験例から実証されている（図７（ａ）～図７（ｄ）参照）。
Respiratory components sa b and sb b included in the load signals sa and sb from the
心拍成分ｓａｈ～ｓｄｈは、いずれも被験者Ｓの心拍振動成分に応じて振動（変動）しているため、振動の周期は互いに等しく、被験者Ｓの心拍の周期を表わす。 Since the heartbeat components sa h to sd h all oscillate (fluctuate) according to the heartbeat vibration component of the subject S, the periods of vibration are equal to each other and represent the period of the heartbeat of the subject S.
被験者Ｓの右側（Ｘ軸方向の正側）に配置された荷重検出器１ａからの荷重信号ｓａに含まれる心拍成分ｓａｈと、被験者Ｓの右側に配置された荷重検出器１ｄからの荷重信号ｓｄに含まれる心拍成分ｓｄｈとは同位相である。これは、前述のように、被験者Ｓの心拍による重心Ｇの移動の成分（心拍振動成分）が被験者の体軸と直交する方向、即ちＸ軸方向にあり、Ｘ軸方向において、荷重検出器１ａ、１ｄが、被験者Ｓの重心Ｇに関して同じ側に位置しているためである。
A heartbeat component sa h included in the load signal sa from the
同様の理由により、被験者Ｓの左側（Ｘ軸方向の負側）に配置された荷重検出器１ｂからの荷重信号ｓｂに含まれる心拍成分ｓｂｈと、被験者Ｓの左側に配置された荷重検出器１ｃからの荷重信号ｓｃに含まれる心拍成分ｓｃｈとは同位相である。
For the same reason, the heartbeat component sbh included in the load signal sb from the
被験者Ｓの右側（Ｘ軸方向の正側）に配置された荷重検出器１ａ、１ｄからの荷重信号ｓａ、ｓｄに含まれる心拍成分ｓａｈ、ｓｄｈと、被験者Ｓの左側（Ｘ軸方向の負側）に配置された荷重検出器１ｂ、１ｃからの荷重信号ｓｂ、ｓｃに含まれる呼吸成分ｓｂｈ、ｓｃｈとは、位相が互いに反転している。これは、被験者Ｓの心拍による重心Ｇの移動の成分（心拍振動成分）が被験者の体軸と直交する方向、即ちＸ軸方向にあり、Ｘ軸方向において、荷重検出器１ａ、１ｄと荷重検出器１ｂ、１ｃとが被験者Ｓの重心Ｇの位置に関して反対側に位置しているためである。
The heartbeat components sa h and sd h included in the load signals sa and sd from the
呼吸成分ｓａｂ～ｓｄｂと、心拍成分ｓａｈ～ｓｄｈとを比較すると、呼吸成分ｓａｂ～ｓｄｂの周期が心拍成分ｓａｈ～ｓｄｈの周期よりも長い。これは、人間の呼吸の回数は毎分１２～２０回程度であり、周期は約３～５秒（周波数は約０．２～０．３３Ｈｚ）であるのに対し、人間の心拍の回数、即ち心拍数は毎分３０～２００回程度であり、周期は約０．３～２秒（周波数は約０．５～３．３Ｈｚ）であることに対応する。 Comparing the respiratory components sa b to sd b and the heartbeat components sa h to sd h , the period of the respiratory components sa b to sd b is longer than the period of the heartbeat components sa h to sd h . This means that the number of human breaths is approximately 12 to 20 times per minute, and the period is approximately 3 to 5 seconds (frequency is approximately 0.2 to 0.33 Hz), whereas the number of human heartbeats is approximately 12 to 20 times per minute. That is, the heart rate is approximately 30 to 200 times per minute, and the period is approximately 0.3 to 2 seconds (frequency is approximately 0.5 to 3.3 Hz).
また、一般に、呼吸振動による重心の移動量は心拍振動による重心の移動量より大きい。したがって、呼吸成分の振幅は、心拍成分の振幅よりも大きい。 Further, in general, the amount of movement of the center of gravity due to respiratory vibration is larger than the amount of movement of the center of gravity due to heartbeat vibration. Therefore, the amplitude of the respiratory component is greater than the amplitude of the heartbeat component.
荷重信号ｓａ～ｓｄの各々がこのような呼吸成分と心拍成分を含むことに基づき、荷重信号間の差分を求めることにより、被験者の呼吸状態と心拍状態を決定することができる。 Based on the fact that each of the load signals sa to sd includes such a breathing component and a heartbeat component, the breathing state and heartbeat state of the subject can be determined by finding the difference between the load signals.
呼吸状態は、Ｙ軸方向の一方側に配置された荷重検出器からの荷重信号と、Ｙ軸方向の他方側に配置された荷重検出器からの荷重信号との差分を求めて、当該差分から決定することができる。具体的には例えば、Ｙ方向正側の荷重検出器１ａ、１ｂからの荷重信号ｓａ、ｓｂの和と、Ｙ方向負側の荷重検出器１ｃ、１ｄからの荷重信号ｓｃ、ｓｄの和との差分を求めてＹ軸信号ＳＹを得て、Ｙ軸信号ＳＹから被験者Ｓの呼吸状態を決定する。これを式で表わすと
荷重信号ｓａと荷重信号ｓｂの和においては、呼吸成分ｓａｂと呼吸成分ｓｂｂとは同位相であるため強めあい、心拍成分ｓａｈと心拍成分ｓｂｈとは逆位相であるため打消し合う。同様に、荷重信号ｓｃと荷重信号ｓｄの和においては、呼吸成分ｓｃｂと呼吸成分ｓｄｂとは同位相であるため強めあい、心拍成分ｓｃｈと心拍成分ｓｄｈとは逆位相であるため打消し合う。荷重信号ｓａと荷重信号ｓｂの和と荷重信号ｓｃと荷重信号ｓｄの和との差分においては、呼吸成分ｓａｂ、ｓｂｂと呼吸成分ｓｃｂ、ｓｄｂとは逆位相であるため強め合う。すなわち、被験者Ｓが、ベッドＢＤ上で、体軸ＳＡがＹ軸と一致し、且つ呼吸振動の振動原点がベッドＢＤの中心Ｏに一致した状態で仰臥している場合には、Ｙ軸信号ＳＹは、Ｙ軸方向に振動する被験者Ｓの重心Ｇの呼吸振動のみを反映したものとなる。 In the sum of the load signal sa and the load signal sb, the respiratory component sa b and the respiratory component sb b are in phase, so they reinforce each other, and the heartbeat component sa h and the heartbeat component sb h are in opposite phase, so they cancel each other out. . Similarly, in the sum of the load signal sc and the load signal sd, the respiratory component sc b and the respiratory component sd b are in the same phase, so they reinforce each other, and the heartbeat component sc h and the heartbeat component sd h are in opposite phase, so they reinforce each other. cancel each other out. In the difference between the sum of the load signal sa and the load signal sb and the sum of the load signal sc and the load signal sd, the respiratory components sa b , sb b and the respiratory components sc b , sd b are in opposite phases and therefore strengthen each other. That is, when the subject S lies supine on the bed BD with the body axis SA aligned with the Y-axis and the origin of the respiratory vibration aligned with the center O of the bed BD, the Y-axis signal SY reflects only the respiratory vibration of the center of gravity G of the subject S vibrating in the Y-axis direction.
Ｙ軸信号ＳＹ（＝ｓａ＋ｓｂ－ｓｃ－ｓｄ）を図５に示す。Ｙ軸信号ＳＹの振動の周期は、荷重信号ｓａ～ｓｄの呼吸成分ｓａｂ～ｓｄｂの周期に等しく、振幅は数式１からすると、呼吸成分ｓａｂ～ｓｄｂの振幅の絶対値の和である。なお、図５においては、Ｙ軸信号ＳＹの振幅は、図４に示す呼吸成分ｓａｂ～ｓｄｂの振幅の絶対値の和に比較して圧縮して描かれている。
FIG. 5 shows the Y-axis signal SY (=sa+sb-sc-sd). The period of vibration of the Y-axis signal SY is equal to the period of the respiratory components sa b to sd b of the load signals sa to sd, and the amplitude is the sum of the absolute values of the amplitudes of the respiratory components sa b to sd b according to
Ｙ軸信号ＳＹの周期に基づいて、被験者Ｓの呼吸数等を算出することができる。具体的には、Ｙ軸信号ＳＹの１周期が被験者Ｓの呼吸１回に相当する。即ち、Ｙ軸信号ＳＹ自体が被験者Ｓの呼吸状態を表わす呼吸信号であり、且つＹ軸信号ＳＹに基づいてより詳細な呼吸状態を決定することもできる。 Based on the cycle of the Y-axis signal SY, the respiratory rate of the subject S, etc. can be calculated. Specifically, one cycle of the Y-axis signal SY corresponds to one breath of the subject S. That is, the Y-axis signal SY itself is a breathing signal representing the breathing state of the subject S, and a more detailed breathing state can also be determined based on the Y-axis signal SY.
心拍状態は、Ｘ軸方向の一方側に配置された荷重検出器からの荷重信号と、Ｘ軸方向の他方側に配置された荷重検出器からの荷重信号との差分を求めて、当該差分から決定することができる。具体的には例えば、Ｘ方向正側の荷重検出器１ａ、１ｄからの荷重信号ｓａ、ｓｄの和と、Ｘ方向負側の荷重検出器１ｂ、１ｃからの荷重信号ｓｂ、ｓｃの和との差分を求めてＸ軸信号を得て、Ｘ軸信号から、被験者Ｓの心拍状態を決定する。これを式で表わすと
荷重信号ｓａと荷重信号ｓｄの和においては、心拍成分ｓａｈと心拍成分ｓｄｈとは同位相であるため強めあい、呼吸成分ｓａｂと呼吸成分ｓｄｂとは逆位相であるため打消し合う。同様に、荷重信号ｓｂと荷重信号ｓｃの和においては、心拍成分ｓｂｈと心拍成分ｓｃｈとは同位相であるため強めあい、呼吸成分ｓｂｂと呼吸成分ｓｃｂとは逆位相であるため打消し合う。荷重信号ｓａと荷重信号ｓｄの和と、荷重信号ｓｂと荷重信号ｓｃの和との差分においては、心拍成分ｓａｈ、ｓｄｈと心拍成分ｓｂｈ、ｓｃｈとは逆位相であるため強め合う。すなわち、被験者Ｓが、ベッドＢＤ上で、体軸ＳＡがＹ軸と一致し、且つ呼吸振動の振動原点がベッドＢＤの中心Ｏに一致した状態で仰臥している場合には、Ｘ軸信号ＳＸは、Ｘ軸方向に振動する被験者Ｓの重心Ｇの心拍振動成分のみを反映したものとなる。 In the sum of the load signal sa and the load signal sd, the heartbeat component sah and the heartbeat component sdh are in the same phase, so they reinforce each other, and the respiratory component sab and the respiratory component sdb are in opposite phases, so they cancel each other out. . Similarly, in the sum of the load signal sb and the load signal sc, the heartbeat component sbh and the heartbeat component sch are in the same phase, so they reinforce each other, and the respiratory component sbb and the respiratory component scb are in opposite phase, so they reinforce each other. cancel each other out. In the difference between the sum of the load signal sa and the load signal sd and the sum of the load signal sb and the load signal sc, the heartbeat components sa h , sd h and the heartbeat components sb h , sc h are in opposite phase, so they strengthen each other. . That is, when the subject S lies supine on the bed BD with the body axis SA coinciding with the Y-axis and the vibration origin of respiratory vibration coinciding with the center O of the bed BD, the X-axis signal SX reflects only the heartbeat vibration component of the center of gravity G of the subject S vibrating in the X-axis direction.
Ｘ軸信号ＳＸ（＝ｓａ－ｓｂ－ｓｃ＋ｓｄ）を図６（ａ）に示す。Ｘ軸信号ＳＸの振動の周期は、荷重信号ｓａ～ｓｄの心拍成分ｓａｈ～ｓｄｈの周期に等しく、振幅は、数式２からすると、心拍成分ｓａｈ～ｓｄｈの振幅の絶対値の和である。なお、図６（ａ）においては、Ｘ軸信号ＳＸの振幅は、図４に示す心拍成分ｓａｈ～ｓｄｈの振幅の絶対値の和に比較して圧縮して描かれている。
The X-axis signal SX (=sa-sb-sc+sd) is shown in FIG. 6(a). The period of vibration of the X-axis signal SX is equal to the period of the heartbeat components sa h to sd h of the load signals sa to sd, and the amplitude is the sum of the absolute values of the amplitudes of the heartbeat components sa h to sd h according to
Ｘ軸信号ＳＸの周期から、被験者Ｓの心拍数等を算出することができる。具体的には、Ｘ軸信号ＳＸの１周期が被験者Ｓの心拍１回に相当する。即ち、Ｘ軸信号ＳＸ自体が被験者Ｓの心拍状態を表わす心拍信号であり、且つＸ軸信号ＳＸに基づいてより詳細な心拍状態を決定することもできる。 The heart rate, etc. of the subject S can be calculated from the period of the X-axis signal SX. Specifically, one period of the X-axis signal SX corresponds to one heartbeat of the subject S. That is, the X-axis signal SX itself is a heartbeat signal representing the heartbeat state of the subject S, and a more detailed heartbeat state can also be determined based on the X-axis signal SX.
なお、上記においては、生体状態決定部３が被験者Ｓの呼吸状態及び心拍状態を決定する原理について、被験者Ｓが、その体軸ＳＡをベッドＢＤの中心Ｏ上でベッドＢＤのＹ軸と一致させた状態で仰臥している場合を例として説明した。しかしながら、上記の原理に基づく被験者Ｓの呼吸状態及び心拍状態の決定は、被験者Ｓの位置等が変化しても行うことができる。上記の原理に基づく被験者Ｓの呼吸状態及び心拍状態の決定は、被験者Ｓの体軸ＳＡの方向がベッドＢＤのＹ軸方向（長手方向）に略一致した状態であれば、実行可能である。
In addition, in the above, regarding the principle by which the biological
また、被験者Ｓの呼吸状態の決定は、被験者Ｓの体軸ＳＡが、ベッドＢＤのＹ軸方向に対してある程度傾いている場合にも行うことができる。なぜなら、心拍振動の振幅は呼吸振動の振幅に比較して小さく、体軸ＳＡの方向、即ち呼吸振動の振動方向がＹ軸に対してある程度傾いていても、呼吸振動のＹ軸方向成分を有意な大きさで検出することができるからである。 Further, the breathing state of the subject S can be determined even when the body axis SA of the subject S is inclined to some extent with respect to the Y-axis direction of the bed BD. This is because the amplitude of heartbeat vibration is small compared to the amplitude of respiratory vibration, and even if the direction of body axis SA, that is, the vibration direction of respiratory vibration, is tilted to some extent with respect to the Y-axis, the Y-axis component of respiratory vibration is significant. This is because it can be detected with a large size.
一方で、上記の原理に基づく被験者Ｓの心拍状態の決定は、被験者Ｓの体軸ＳＡが、ベッドＢＤのＹ軸方向に対して傾いている場合は以下のような問題が生じる。呼吸振動の振幅が心拍振動の振幅に比較して大きく、体軸ＳＡの方向、即ち呼吸振動の振動方向がＹ軸に対して傾くと、呼吸振動のＸ軸成分が現れるため、心拍振動成分のみを有意な大きさで検出することが容易でなくなる。 On the other hand, when determining the heartbeat state of the subject S based on the above principle, the following problem occurs when the body axis SA of the subject S is inclined with respect to the Y-axis direction of the bed BD. If the amplitude of the respiratory vibration is larger than the amplitude of the heartbeat vibration and the direction of the body axis SA, that is, the vibration direction of the respiratory vibration, is tilted with respect to the Y axis, the X-axis component of the respiratory vibration will appear, so only the heartbeat vibration component will appear. It becomes difficult to detect a significant magnitude.
この場合は、信号補正部３３が、心拍振動成分のみを有意な大きさで検出することができるよう、後述する方法によりＸ軸信号ＳＸを補正する。
In this case, the
図７（ａ）～図７（ｄ）に、本実施形態の生体状態モニタリングシステム１００の荷重検出部１により、ある期間（０ｓ～６０ｓ）に検出された荷重信号ｓａ～ｓｄを示す。呼吸状態決定部３１は、このような荷重信号ｓａ～ｓｄを荷重検出部１より受け取り、これらに基づいて呼吸状態を決定する。
7(a) to 7(d) show load signals sa to sd detected during a certain period (0s to 60s) by the
呼吸状態決定部３１はまず、荷重信号ｓａと荷重信号ｓｂの和と、荷重信号ｓｃと荷重信号ｓｄの和との差分（ｓａ＋ｓｂ－ｓｃ－ｓｄ）を求めてＹ軸信号ＳＹを算出（取得）する。算出されたＹ軸信号ＳＹを図８に示す。
The breathing
ここで、図７（ａ）～図７（ｄ）に示す荷重信号ｓａ～ｓｄが検出されたある期間（０ｓ～６０ｓ）と同一の期間に、同一の被験者Ｓに対して行った、呼吸流量計を用いた計測の結果（呼吸流量波形）を図９に示す。呼吸流量計は、日本光電工業株式会社製の差圧トランスデューサＴＰ－６０２Ｔを用いた。 Here, the respiratory flow rate performed on the same subject S during the same period (0s to 60s) during which the load signals sa to sd shown in FIGS. 7(a) to 7(d) were detected. The measurement results (respiratory flow waveform) using the meter are shown in FIG. As the respiratory flowmeter, a differential pressure transducer TP-602T manufactured by Nihon Kohden Industries, Ltd. was used.
図８のＹ軸信号ＳＹと、図９の呼吸流量波形との比較に基づき、次のことが言える。
（１）Ｙ軸信号ＳＹの周期は、呼吸流量波形の周期に略等しい。
（２）Ｙ軸信号ＳＹの振幅と、呼吸流量波形の振幅との間に相関関係が存在する。具体的には、０～２０秒あたりの、呼吸流量波形が略同一の振幅で振動している期間では、Ｙ軸信号ＳＹも略同一の振幅で振動している。３５秒、５０秒あたりの、呼吸流量波形の振幅が大きくなっている時刻では、Ｙ軸信号ＳＹの振幅も大きくなっている。３０秒、４５秒あたりの呼吸流量波形の振幅が小さくなっている時刻では、Ｙ軸信号ＳＹの振幅も小さくなっている。
Based on the comparison between the Y-axis signal SY in FIG. 8 and the respiratory flow waveform in FIG. 9, the following can be said.
(1) The period of the Y-axis signal SY is approximately equal to the period of the respiratory flow waveform.
(2) A correlation exists between the amplitude of the Y-axis signal SY and the amplitude of the respiratory flow waveform. Specifically, during the period from 0 to 20 seconds in which the respiratory flow rate waveforms oscillate with substantially the same amplitude, the Y-axis signal SY also oscillates with substantially the same amplitude. At times around 35 seconds and 50 seconds when the amplitude of the respiratory flow waveform is large, the amplitude of the Y-axis signal SY is also large. At times when the amplitude of the respiratory flow waveform is small around 30 seconds and 45 seconds, the amplitude of the Y-axis signal SY is also small.
Ｙ軸信号ＳＹと呼吸流量波形とのこのような対応関係より、Ｙ軸信号ＳＹは少なくとも呼吸流量波形と同程度に被験者Ｓの呼吸状態を反映している（呼吸に関する情報を含んでいる）ことがわかる。そのため、Ｙ軸信号ＳＹに基づく呼吸数等の算出は、呼吸流量波形に基づく呼吸数等の算出と同程度又はそれ以上の精度で行うことができる。 From this correspondence between the Y-axis signal SY and the respiratory flow waveform, the Y-axis signal SY reflects the respiratory state of the subject S to at least the same extent as the respiratory flow waveform (contains information regarding respiration). I understand. Therefore, calculation of the respiration rate and the like based on the Y-axis signal SY can be performed with accuracy comparable to or higher than calculation of the respiration rate and the like based on the respiratory flow rate waveform.
また、図９に示す呼吸流量波形の面積に基づいて被験者の呼吸換気量（一回換気量）を求めることができるが、Ｙ軸信号ＳＹは呼吸流量波形と上述の対応関係を有するため、Ｙ軸信号ＳＹの波形の面積に基づいて被験者の呼吸換気量を算出することも可能である。 Furthermore, the respiratory ventilation volume (tidal volume) of the subject can be determined based on the area of the respiratory flow waveform shown in FIG. It is also possible to calculate the respiratory ventilation amount of the subject based on the area of the waveform of the axis signal SY.
図１０（ａ）～図１０（ｄ）に、本実施形態の生体状態モニタリングシステム１００の荷重検出部１により、ある期間（２０ｓ～３０ｓ）に検出された荷重信号ｓａ～ｓｄを示す。心拍状態決定部３２は、このような荷重信号ｓａ～ｓｄを荷重検出部１より受け取り、これらに基づいて心拍状態を決定する。
10(a) to 10(d) show load signals sa to sd detected during a certain period (20s to 30s) by the
心拍状態決定部３２はまず、荷重信号ｓａと荷重信号ｓｄの和と、荷重信号ｓｂと荷重信号ｓｃの和との差分（ｓａ－ｓｂ－ｓｃ＋ｓｄ）を求めて、Ｘ軸信号ＳＸを算出（取得）する。算出されたＸ軸信号ＳＸを図１１に示す。
The heartbeat
ここで、図１０（ａ）～図１０（ｄ）に示す荷重信号ｓａ～ｓｄが検出されたある期間（２０ｓ～３０ｓ）と同一の期間に、同一の被験者Ｓに対して行った、指先血圧計（ＮＩＢＰ）を用いた計測の結果（指先血圧波形）を図１２に示す。指先血圧計は、バイオリサーチセンター株式会社製のヒト用ＮＩＢＰシステム（型式ＭＬ２８２‐ＳＳ）を用いた。 Here, fingertip blood pressure was measured for the same subject S during the same period (20s to 30s) during which the load signals sa to sd shown in FIGS. 10(a) to 10(d) were detected. The measurement results (fingertip blood pressure waveform) using the NIBP meter are shown in FIG. A human NIBP system (model ML282-SS) manufactured by BioResearch Center Co., Ltd. was used as a fingertip blood pressure monitor.
図１１のＸ軸信号ＳＸと、図１２の指先血圧波形との比較に基づき、次のことが言える。
（１）Ｘ軸信号ＳＸの周期は、指先血圧波形の周期に略等しい。
（２）Ｘ軸信号ＳＸの振幅と、指先血圧波形の振幅との間に相関関係が存在する。具体的には、指先血圧波形の振幅もＸ軸信号ＳＸの振幅も、時間的にほとんど同一である。
Based on the comparison between the X-axis signal SX in FIG. 11 and the fingertip blood pressure waveform in FIG. 12, the following can be said.
(1) The period of the X-axis signal SX is approximately equal to the period of the fingertip blood pressure waveform.
(2) There is a correlation between the amplitude of the X-axis signal SX and the amplitude of the fingertip blood pressure waveform. Specifically, the amplitude of the fingertip blood pressure waveform and the amplitude of the X-axis signal SX are almost the same in terms of time.
Ｘ軸信号ＳＸと指先血圧波形とのこのような対応関係より、Ｘ軸信号ＳＸは少なくとも指先血圧波形と同程度に被験者Ｓの心拍状態を反映している（心拍に関する情報を含んでいる）ことがわかる。そのため、Ｘ軸信号ＳＸに基づく心拍数等の算出は、指先血圧波形に基づく心拍数等の算出と同程度又はそれ以上の精度で行うことができる。 From this correspondence between the X-axis signal SX and the fingertip blood pressure waveform, the X-axis signal SX reflects the heartbeat state of the subject S to at least the same extent as the fingertip blood pressure waveform (contains information regarding the heartbeat). I understand. Therefore, calculation of the heart rate, etc. based on the X-axis signal SX can be performed with accuracy comparable to or higher than calculation of the heart rate, etc. based on the fingertip blood pressure waveform.
また、図１２に示す指先血圧波形に基づいて被験者の心拍出量を求めることができるが、Ｘ軸信号ＳＸは指先血圧波形と上述の対応関係を有するため、Ｘ軸信号ＳＸの波形に基づいて被験者の心拍出量を算出することも可能である。 Further, the cardiac output of the subject can be determined based on the fingertip blood pressure waveform shown in FIG. 12, but since the X-axis signal SX has the above-mentioned correspondence with the fingertip blood pressure waveform, It is also possible to calculate the subject's cardiac output.
［信号補正工程］
信号補正工程Ｓ４では、信号補正部３３が、被験者ＳのＸ軸信号ＳＸの補正を行う。
[Signal correction process]
In the signal correction step S4, the
上述の通り、ベッドＢＤ上の被験者Ｓの体軸ＳＡの延びる方向が、ベッドＢＤのＹ軸方向に対して傾いている場合には、呼吸振動のＸ軸成分が比較的大きく現れ、心拍振動成分のみを有意な大きさで検出することが容易でなくなる。 As mentioned above, when the direction in which the body axis SA of the subject S on the bed BD extends is inclined with respect to the Y-axis direction of the bed BD, the X-axis component of the respiratory vibration appears relatively large, and the heartbeat vibration component It is no longer easy to detect only a significant amount.
被験者Ｓの重心ＧがベッドＢＤの中心Ｏにあり、且つ被験者Ｓの体軸ＳＡの延びる方向がベッドＢＤのＹ軸方向に対して反時計回り方向に角度θだけ傾いている状況下（図１３（ａ））で得られるＸ軸信号ＳＸの一例を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）に示すＸ軸信号ＳＸの波形を図５に示すＹ軸信号ＳＹの波形及び図６（ａ）に示すＸ軸信号ＳＸの波形と比較すると、その周期は、図６（ａ）に示すＸ軸信号ＳＸの波形の周期と大きく異なっており、図５に示すＹ軸信号ＳＹの波形の周期に略一致していることが分かる。すなわち、図６（ｂ）に示すＸ軸信号ＳＸから被験者Ｓの心拍数等の心拍状態を決定することが容易ではないことがわかる。なお、被験者Ｓの体軸ＳＡの方向がベッドＢＤのＹ軸方向に対して傾くことによってＸ軸信号ＳＸの周期が呼吸振動の周期に略一致することは、後述の実験例（図１５～図１７参照）から実証されている。 Under a situation where the center of gravity G of the subject S is located at the center O of the bed BD, and the direction in which the body axis SA of the subject S extends is tilted counterclockwise by an angle θ with respect to the Y-axis direction of the bed BD (Fig. 13 An example of the X-axis signal SX obtained in (a)) is shown in FIG. 6(b). Comparing the waveform of the X-axis signal SX shown in FIG. 6(b) with the waveform of the Y-axis signal SY shown in FIG. 5 and the waveform of the X-axis signal SX shown in FIG. 6(a), the period is It can be seen that the period of the waveform of the X-axis signal SX shown in ) is significantly different from that of the waveform of the Y-axis signal SY shown in FIG. That is, it can be seen that it is not easy to determine the heartbeat state such as the heart rate of the subject S from the X-axis signal SX shown in FIG. 6(b). Note that when the direction of the body axis SA of the subject S is tilted with respect to the Y-axis direction of the bed BD, the period of the X-axis signal SX approximately matches the period of the respiratory vibration, as shown in the experimental examples described later (FIGS. 15 to 15). 17).
そこで信号補正部３３は、被験者Ｓの体軸ＳＡの延びる方向がベッドＢＤのＹ軸方向に対して傾いていると判断した場合に、呼吸振動のＸ軸成分が小さくなるようにＸ軸信号ＳＸを補正する。このように補正されたＸ軸信号ＳＸからは、心拍振動成分を有意な大きさで検出することができる。
Therefore, when it is determined that the direction in which the body axis SA of the subject S extends is inclined with respect to the Y-axis direction of the bed BD, the
（１）角度θの決定
まず、信号補正部３３は、被験者Ｓの体軸ＳＡの延びる方向とベッドＢＤのＹ軸との間の角度θ（傾き）を決定する。決定は、具体的には例えば、次の方法により行う。
(1) Determination of angle θ First, the
荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄからの荷重信号ｓａ、ｓｂ、ｓｃ、ｓｄの各サンプリング時刻毎の値を、それぞれｓａ（ｔ）、ｓｂ（ｔ）、ｓｃ（ｔ）、ｓｄ（ｔ）とし、Ｙ軸信号ＳＹ、Ｘ軸信号ＳＸの各サンプリング時刻毎の値を、それぞれＳＸ（ｔ）、ＳＹ（ｔ）とすると、数式１、数式２より、
ここで、荷重検出器１ａ、１ｄがＸ軸方向において同じ位置に配置されており、荷重検出器１ｂ、１ｃがＸ軸方向において同じ位置に配置されているため、被験者Ｓの重心ＧがベッドＢＤ上でＸ軸方向に移動した場合には、ｓａ（ｔ）とｓｄ（ｔ）の変化量は同一であり、ｓｂ（ｔ）とｓｃ（ｔ）の変化量は同一である。したがって、ＳＹ（ｔ）は被験者Ｓの重心ＧがＸ軸方向に移動した場合には右辺の各項が打消し合うため変化せず、被験者Ｓの重心ＧがＹ軸方向に移動した場合にのみ、重心Ｇの移動量に比例し且つ荷重検出器１ａ、１ｂと荷重検出器１ｃ、１ｄとの間の離間距離Ｄｙに反比例した大きさの変化を示す。
Here, since the
一方、荷重検出器１ａ、１ｂはＹ軸方向において同じ位置に配置されており、荷重検出器１ｃ、１ｄもＹ軸方向において同じ位置に配置されているため、被験者Ｓの重心ＧがベッドＢＤ上でＹ軸方向に移動した場合には、ｓａ（ｔ）とｓｂ（ｔ）の変化量は同一であり、ｓｃ（ｔ）とｓｄ（ｔ）の変化量は同一である。したがって、ＳＸ（ｔ）は被験者Ｓの重心ＧがＹ軸方向に移動した場合には右辺の各項が打消し合うため変化せず、被験者Ｓの重心ＧがＸ軸方向に移動した場合にのみ、重心Ｇの移動量に比例し且つ荷重検出器１ａ、１ｄと荷重検出器１ｂ、１ｃとの間の離間距離Ｄｘに反比例した大きさの変化を示す。
On the other hand, since the
そのため、ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）を次のように定め、
（一）点Ｐは、重心ＧがベッドＢＤの中心Ｏに位置する時に、ｘｙ平面の原点ｏに位置する。
（二）点Ｐは、重心ＧがＸ軸の正方向／負方向に移動した時にｘ軸の正方向／負方向に重心Ｇの移動距離に比例した距離だけ移動する。
（三）点Ｐは、重心ＧがＹ軸の正方向／負方向に移動した時にｙ軸の正方向／負方向に重心Ｇの移動距離に比例した距離だけ移動する。
（四）重心ＧのＸ軸方向の移動距離とこれに応じた点Ｐのｘ軸方向の移動距離との割合は、重心ＧのＹ軸方向の移動距離とこれに応じた点Ｐのｙ軸方向の移動距離との割合に等しく、共に被験者Ｓの体重に基づく定数となる。したがって、ＸＹ軸に対する重心Ｇの移動の方向と、ｘｙ軸に対する点Ｐの移動の方向とは互いに等しい。
以下では、点Ｐが、重心Ｇの移動に応じて上記の対応関係を有して移動することを「点Ｐは重心Ｇの移動に対応して移動する」と呼ぶ。
(1) Point P is located at the origin o of the xy plane when the center of gravity G is located at the center O of the bed BD.
(2) When the center of gravity G moves in the positive/negative direction of the X-axis, the point P moves by a distance proportional to the moving distance of the center of gravity G in the positive/negative direction of the x-axis.
(3) When the center of gravity G moves in the positive/negative direction of the Y-axis, the point P moves in the positive/negative direction of the y-axis by a distance proportional to the moving distance of the center of gravity G.
(4) The ratio between the moving distance of the center of gravity G in the X-axis direction and the corresponding moving distance of point P in the x-axis direction is the ratio of the moving distance of the center of gravity G in the Y-axis direction and the corresponding moving distance of point P on the y-axis. It is equal to the ratio of the moving distance in the direction, and both are constants based on the weight of the subject S. Therefore, the direction of movement of the center of gravity G relative to the XY axes and the direction of movement of point P relative to the xy axes are mutually equal.
Hereinafter, the fact that the point P moves in accordance with the movement of the center of gravity G in the above correspondence relationship will be referred to as "the point P moves in response to the movement of the center of gravity G."
このように、点Ｐが重心Ｇの移動に対応して移動するため、重心Ｇの呼吸振動に対応して振動する点Ｐの振動の方向とｙ軸との間の角度は、重心Ｇの呼吸振動の方向（即ち体軸ＳＡの方向）とベッドＢＤのＹ軸との間の角度に等しい。よって、点Ｐの移動に基づいて角度θを求めることができる。 In this way, since the point P moves in response to the movement of the center of gravity G, the angle between the direction of vibration of the point P that vibrates in response to the breathing vibration of the center of gravity G and the y-axis is It is equal to the angle between the direction of vibration (ie, the direction of body axis SA) and the Y axis of bed BD. Therefore, the angle θ can be determined based on the movement of the point P.
図１３（ａ）に示すように、被験者ＳがベッドＢＤ上に、体軸ＳＡをＹ軸から反時計回りに角度θだけ傾けた状態で横たわっている場合には、点Ｐは、被験者Ｓの重心Ｇの呼吸振動及び心拍振動に対応してｘｙ平面上を移動し、その軌跡は、長手方向の寸法が呼吸振動の振幅に応じた大きさであり、短手方向の寸法が心拍振動成分の振幅に応じた大きさである矩形の領域Ｒ内に描かれる（図１３（ｂ））。領域Ｒの長手方向はｙ軸から反時計回りに角度θだけ傾いている。領域Ｒ内の点Ｐの軌跡は、被験者Ｓの呼吸振動に対応して領域Ｒの長手方向に振動し、同時に被験者Ｓの心拍振動に対応して領域Ｒの短手方向に振動する点Ｐの移動の軌跡となる。 As shown in FIG. 13(a), when the subject S is lying on the bed BD with the body axis SA tilted counterclockwise from the Y axis by an angle θ, the point P of the subject S is It moves on the xy plane in response to the respiratory vibration and heartbeat vibration of the center of gravity G, and its trajectory has a longitudinal dimension that corresponds to the amplitude of the respiratory vibration, and a transversal dimension that corresponds to the amplitude of the heartbeat vibration component. It is drawn within a rectangular region R whose size corresponds to the amplitude (FIG. 13(b)). The longitudinal direction of region R is inclined counterclockwise from the y-axis by an angle θ. The locus of point P in region R is the trajectory of point P that vibrates in the longitudinal direction of region R in response to the respiratory vibration of subject S, and at the same time vibrates in the lateral direction of region R in response to the heartbeat vibration of subject S. It becomes a trajectory of movement.
重心Ｇの呼吸振動に対応して振動する点Ｐの振動の方向とｙ軸との間の角度（即ち、体軸ＳＡとＹ軸との間の角度θ）を求める具体的な方法として、例えば、点Ｐの移動の軌跡のサンプリング周期を心拍の周期（約０．３秒～約２秒）よりも大きくし、各サンプリング点から次のサンプリング点へと向かうベクトルを求める。これらのベクトルの最頻値を求め、求めた最頻値ベクトルの方向を呼吸振動に対応して振動する点Ｐの振動の方向とみなして角度θを決定することができる。或いは、点Ｐの移動の軌跡のサンプリング周期を心拍の周期（約０．３秒～約２秒）よりも大きくし、各サンプリング点を繋ぐ近似直線を最小二乗法で求め、求めた直線の方向を呼吸振動に対応して振動する点Ｐの振動の方向とみなして角度θを決定してもよい。 As a specific method for determining the angle between the direction of vibration of a point P that vibrates in response to the respiratory vibration of the center of gravity G and the y-axis (i.e., the angle θ between the body axis SA and the Y-axis), for example, , the sampling period of the trajectory of the movement of point P is made larger than the period of the heartbeat (approximately 0.3 seconds to approximately 2 seconds), and a vector from each sampling point to the next sampling point is determined. The angle θ can be determined by determining the mode of these vectors and regarding the direction of the determined mode vector as the direction of vibration of the point P that vibrates in response to respiratory vibration. Alternatively, the sampling period of the trajectory of the movement of point P is made larger than the period of the heartbeat (approximately 0.3 seconds to approximately 2 seconds), an approximate straight line connecting each sampling point is determined by the method of least squares, and the direction of the determined straight line is determined. The angle θ may be determined by regarding the angle θ to be the direction of the vibration of the point P that vibrates in response to the respiratory vibration.
（２）Ｘ軸信号ＳＸの補正
信号補正部３３は、求めた角度θを所定値と比較し、角度θが所定値を超えている場合には、被験者Ｓの体軸ＳＡがベッドＢＤのＹ軸に対して傾いているとみなしてＸ軸信号ＳＸの補正を行う。一方、信号補正部３３は、被験者Ｓの体軸ＳＡとベッドＢＤのＹ軸との間の角度がこの所定値以下であれば被験者Ｓの体軸ＳＡとベッドＢＤのＹ軸とは略一致しているとみなし、Ｘ軸信号ＳＸの補正は行わない。
(2) Correction of X-axis signal SX The
Ｘ軸信号ＳＸの補正は、具体的には次の原理により行う。 Specifically, the correction of the X-axis signal SX is performed based on the following principle.
図１４（ａ）のように、被験者Ｓの体軸ＳＡがベッドＢＤのＹ軸方向に一致している場合には、上述の通り、被験者Ｓの重心ＧのＸ軸方向の移動は被験者Ｓの心拍振動成分のみに基づき、被験者Ｓの重心ＧのＹ軸方向の移動は被験者Ｓの呼吸振動成分のみに基づく（実際には、心拍振動のＹ軸成分も影響しているが無視できる程度に小さい）。 As shown in FIG. 14(a), when the body axis SA of the subject S coincides with the Y-axis direction of the bed BD, as described above, the movement of the center of gravity G of the subject S in the X-axis direction Based only on the heartbeat vibration component, the movement of subject S's center of gravity G in the Y-axis direction is based only on subject S's respiratory vibration component (actually, the Y-axis component of heartbeat vibration also has an influence, but it is small enough to be ignored) ).
この場合、点Ｐは、被験者Ｓの重心Ｇの呼吸振動及び心拍振動に対応してｙ軸方向及びｘ軸方向に振動し、その軌跡は、短手方向がｘ軸方向に一致し、長手方向がｙ軸方向に一致した領域Ｒ内に描かれる（図１４（ｂ））。領域Ｒの長手方向の寸法は呼吸振動の振幅に比例しており、短手方向の寸法は心拍振動成分の振幅に比例している。領域Ｒ内を移動する点Ｐの軌跡は、被験者Ｓの呼吸振動に対応して領域Ｒの長手方向に振動し、同時に被験者Ｓの心拍振動に対応して領域Ｒの短手方向に振動する点Ｐの移動の軌跡となる。 In this case, the point P vibrates in the y-axis direction and the x-axis direction in response to the respiratory vibration and heartbeat vibration of the center of gravity G of the subject S, and its trajectory is such that the lateral direction coincides with the x-axis direction and the longitudinal direction is drawn within the region R that coincides with the y-axis direction (FIG. 14(b)). The longitudinal dimension of the region R is proportional to the amplitude of the respiratory vibration, and the transverse dimension is proportional to the amplitude of the heartbeat vibration component. The locus of point P moving within region R is a point that vibrates in the longitudinal direction of region R in response to the breathing vibrations of subject S, and at the same time vibrates in the lateral direction of region R in response to the heartbeat vibrations of subject S. This is the trajectory of P's movement.
この軌跡をｘ軸に投影して描かれる時間波形（ｘの時間的変動を表わす波形。以下、「ｘ軸信号Ｓｘの波形」と呼ぶ）を図１４（ｂ）の下側に示す。上述した点Ｐの移動の様子から理解されるとおり、ｘ軸信号Ｓｘの波形の周期は心拍振動の周期に一致し、振幅は心拍振動成分の振幅に比例した大きさとなる。 A temporal waveform drawn by projecting this locus onto the x-axis (a waveform representing temporal fluctuations in x; hereinafter referred to as "waveform of x-axis signal Sx") is shown at the bottom of FIG. 14(b). As understood from the movement of the point P described above, the period of the waveform of the x-axis signal Sx matches the period of the heartbeat vibration, and the amplitude is proportional to the amplitude of the heartbeat vibration component.
なお、ｘ軸信号Ｓｘの波形は、図６（ａ）に示すＸ軸信号ＳＸの波形と、振幅のみが異なり、周期及び位相は一致している。これは両波形が共に被験者ＳがベッドＢＤの中央に体軸ＳＡとベッドＢＤのＹ軸とを一致させて横たわっている状況下で得られるものであり、且つ、ｘ（ｔ）＝（Ｄｘ／２）・ＳＸ（ｔ）（数式５）の関係を有するためである。右辺のｘ（ｔ）は図１４（ｂ）の波形の各サンプリング時刻の値であり、右辺のＳＸ（ｔ）は図６（ａ）の波形の各サンプリング時刻の値である。 Note that the waveform of the x-axis signal Sx differs from the waveform of the X-axis signal SX shown in FIG. 6A only in amplitude, and the period and phase match. Both waveforms are obtained under the condition that the subject S is lying in the center of the bed BD with the body axis SA aligned with the Y axis of the bed BD, and x(t) = (Dx/ 2)·SX(t) (Equation 5). x(t) on the right side is a value at each sampling time of the waveform in FIG. 14(b), and SX(t) on the right side is a value at each sampling time in the waveform in FIG. 6(a).
また、上記の軌跡をｙ軸に投影して描かれる時間波形（ｙの時間的変動を表わす波形。以下、「ｙ軸信号Ｓｙの波形」と呼ぶ）を図１４（ｂ）の右側に示す。上述した点Ｐの移動の様子より理解されるとおり、ｙ軸信号Ｓｙの波形の周期は呼吸振動の周期に一致し、振幅は呼吸振動の振幅に比例した大きさとなる。 Further, a time waveform drawn by projecting the above locus onto the y-axis (a waveform representing temporal fluctuations in y; hereinafter referred to as "waveform of the y-axis signal Sy") is shown on the right side of FIG. 14(b). As understood from the movement of the point P described above, the period of the waveform of the y-axis signal Sy matches the period of the respiratory vibration, and the amplitude is proportional to the amplitude of the respiratory vibration.
なお、ｙ軸信号Ｓｙの波形は、図５に示すＹ軸信号ＳＹの波形と、振幅のみが異なり、周期及び位相は一致している。これは両波形が共に被験者ＳがベッドＢＤの中央に体軸ＳＡとベッドＢＤのＹ軸とを一致させて横たわっている状況下で得られるものであり、且つ、ｙ（ｔ）＝（Ｄｙ／２）・ＳＹ（ｔ）（数式６）の関係を有するためである。右辺のｙ（ｔ）は図１４（ｂ）の波形の各サンプリング時刻の値であり、右辺のＳＹ（ｔ）は図５の波形の各サンプリング時刻の値である。 Note that the waveform of the y-axis signal Sy differs from the waveform of the Y-axis signal SY shown in FIG. 5 only in amplitude, but in period and phase. Both waveforms are obtained under the condition that the subject S is lying in the center of the bed BD with the body axis SA aligned with the Y axis of the bed BD, and y(t) = (Dy/ 2).SY(t) (Equation 6). y(t) on the right side is a value at each sampling time of the waveform in FIG. 14(b), and SY(t) on the right side is a value at each sampling time in the waveform in FIG.
これに対して、図１３（ａ）のように、被験者Ｓの体軸ＳＡがベッドＢＤのＹ軸方向に対して傾いている場合には、被験者Ｓの重心ＧのＸ軸方向の移動は、被験者Ｓの呼吸振動のＸ軸成分の影響を受ける。また、被験者Ｓの重心ＧのＹ軸方向の移動は、被験者Ｓの呼吸振動のＹ軸成分のみに基づくものとなる（実際には、心拍振動のＹ軸成分も影響しているが無視できる程度に小さい）。 On the other hand, when the body axis SA of the subject S is inclined with respect to the Y-axis direction of the bed BD as shown in FIG. 13(a), the movement of the center of gravity G of the subject S in the X-axis direction is Affected by the X-axis component of subject S's respiratory vibration. Furthermore, the movement of subject S's center of gravity G in the Y-axis direction is based only on the Y-axis component of subject S's respiratory vibration (actually, the Y-axis component of heartbeat vibration also has an influence, but it is negligible). small).
この場合、点Ｐは、被験者Ｓの重心Ｇの呼吸振動及び心拍振動に対応してｘｙ平面上を移動し、その軌跡は、長手方向がｙ軸方向に対して傾斜した領域Ｒ内に描かれる（図１３（ｂ））。領域Ｒ内を移動する点Ｐの軌跡は、被験者Ｓの呼吸振動に対応して領域Ｒの長手方向に振動し、同時に被験者Ｓの心拍振動に対応して領域Ｒの短手方向に振動する点Ｐの移動の軌跡となる。 In this case, the point P moves on the xy plane in response to the respiratory vibration and heartbeat vibration of the center of gravity G of the subject S, and its trajectory is drawn within a region R whose longitudinal direction is inclined with respect to the y-axis direction. (Figure 13(b)). The locus of point P moving within region R is a point that vibrates in the longitudinal direction of region R in response to the breathing vibrations of subject S, and at the same time vibrates in the lateral direction of region R in response to the heartbeat vibrations of subject S. This is the trajectory of P's movement.
この軌跡をｘ軸に投影して描かれる時間波形（「ｘ軸信号Ｓｘの波形」）を図１３（ｂ）の下側に示す。上述した点Ｐの移動の様子から理解されるとおり、ｘ軸信号Ｓｘの波形の周期は呼吸振動の周期に一致し、振幅は呼吸振動のＸ軸成分の振幅に比例した大きさとなる。 A time waveform drawn by projecting this locus onto the x-axis ("waveform of x-axis signal Sx") is shown at the bottom of FIG. 13(b). As understood from the movement of the point P described above, the period of the waveform of the x-axis signal Sx matches the period of the respiratory vibration, and the amplitude is proportional to the amplitude of the X-axis component of the respiratory vibration.
なお、ｘ軸信号Ｓｘの波形は、図６（ｂ）に示すＸ軸信号ＳＸの波形と、振幅のみが異なり、周期及び位相は一致している。これは両波形が共に被験者ＳがベッドＢＤの中央に体軸ＳＡをベッドＢＤのＹ軸から反時計回りに角度θだけ傾けて横たわっている状況下で得られるものであり、且つｘ（ｔ）＝（Ｄｘ／２）・ＳＸ（ｔ）（数式５）の関係を有するためである。 Note that the waveform of the x-axis signal Sx differs from the waveform of the X-axis signal SX shown in FIG. 6(b) only in amplitude, and the period and phase match. Both waveforms are obtained under the condition that the subject S is lying in the center of the bed BD with the body axis SA tilted counterclockwise from the Y axis of the bed BD by an angle θ, and x(t) This is because there is a relationship of =(Dx/2)·SX(t) (Formula 5).
また、上記の軌跡をｙ軸に投影して描かれる時間波形（「ｙ軸信号Ｓｙの波形」）を図１３（ｂ）の右側に示す。上述した点Ｐの移動の様子から理解されるとおり、ｙ軸信号Ｓｙの波形の周期は呼吸振動の周期に一致し、振幅は呼吸振動のＹ軸成分の振幅に比例した大きさとなる。この波形と図１４（ｂ）の右側の波形とを比べると、図１３（ｂ）の波形の振幅が図１４（ｂ）の波形の振幅よりもわずかに小さいほかは略同一の波形である。このことからも、上述の通り、体軸ＳＡの方向、即ち呼吸振動の振動方向がＹ軸に対してある程度傾いていても、呼吸振動のＹ軸成分を有意な大きさで検出できることが分かる。 Further, a time waveform ("waveform of y-axis signal Sy") drawn by projecting the above locus onto the y-axis is shown on the right side of FIG. 13(b). As understood from the movement of the point P described above, the period of the waveform of the y-axis signal Sy matches the period of the respiratory vibration, and the amplitude is proportional to the amplitude of the Y-axis component of the respiratory vibration. Comparing this waveform with the waveform on the right side of FIG. 14(b), they are substantially the same except that the amplitude of the waveform of FIG. 13(b) is slightly smaller than the amplitude of the waveform of FIG. 14(b). This also shows that, as described above, even if the direction of the body axis SA, that is, the vibration direction of the respiratory vibration, is tilted to some extent with respect to the Y-axis, the Y-axis component of the respiratory vibration can be detected with a significant magnitude.
以上より、被験者Ｓの体軸ＳＡがベッドＢＤのＹ軸に対して角度θだけ傾いており、点Ｐの軌跡に対応するＸ軸信号Ｓｘにおいて呼吸振動の成分が支配的である場合には、点Ｐの軌跡を角度θだけ回転して、回転後の軌跡からＸ軸信号Ｓｘを取り直すことで、呼吸振動の成分を除去又は小さくできることが分かる。 From the above, if the body axis SA of the subject S is inclined by an angle θ with respect to the Y axis of the bed BD, and the respiratory vibration component is dominant in the X axis signal Sx corresponding to the trajectory of the point P, then It can be seen that by rotating the locus of point P by an angle θ and retaking the X-axis signal Sx from the rotated locus, the respiratory vibration component can be removed or reduced.
具体的には、図１３（ａ）に示すように、被験者Ｓの体軸ＳＡがベッドＢＤのＹ軸に対して角度θだけ傾いている場合には、Ｘ軸信号ＳＸ、Ｙ軸信号ＳＹの各サンプリング時刻の値ＳＸ（ｔ）、ＳＹ（ｔ）に基づいて決定される点Ｐ（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ））及びその軌跡を、次の回転行列を用いて、ｘｙ平面の原点ｏを中心に角度θだけ回転する（点Ｐ及びその軌跡を反時計回りに角度θ回転する場合は数式７中のθの値を正とし、時計回りに角度θ回転するときは数式７中のθの値を負とする）。
これにより、長手方向がｙ軸方向に対して傾いた領域Ｒ（図１３（ｂ））内の点Ｐ（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ））及びその軌跡が、長手方向がｙ軸方向に一致した領域Ｒ’（図１４（ｂ））内の点Ｐ’（ｘ’（ｔ）、ｙ’（ｔ））及びその軌跡に変換（補正）される。その後、各サンプリング時刻における値がｘ’（ｔ）である補正ｘ軸信号Ｓｘ’、又は各サンプリング時刻における値がＳＸ’（ｔ）（＝（２／Ｄｘ）・ｘ’（ｔ））である補正Ｘ軸信号ＳＸ’を求め、補正ｘ軸信号Ｓｘ’又は補正Ｘ軸信号ＳＸ’から被験者Ｓの心拍状態を決定する。 As a result, the point P(x(t), y(t)) in the region R (FIG. 13(b)) where the longitudinal direction is inclined with respect to the y-axis direction and its trajectory are changed so that the longitudinal direction is in the y-axis direction. It is converted (corrected) into a point P' (x'(t), y'(t)) in the matched region R' (FIG. 14(b)) and its locus. After that, the corrected x-axis signal Sx' whose value at each sampling time is x'(t), or the value at each sampling time is SX'(t) (=(2/Dx) x'(t)) A corrected X-axis signal SX' is obtained, and the heartbeat state of the subject S is determined from the corrected x-axis signal Sx' or the corrected X-axis signal SX'.
図１５（ａ）に被験者Ｓの体軸ＳＡが、ベッドＢＤのＹ軸から反時計回りに角度θだけ傾いている状態における、点Ｐ（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ））の軌跡Ｔの一例を示す。軌跡Ｔは、略矩形の領域Ｒ内に描かれており、領域Ｒの長手方向は、ｙ軸から反時計回りに角度θだけ傾いている。また、この軌跡Ｔが描かれた期間におけるｘ（ｔ）の時間的変動を示す波形（ｘ軸信号Ｓｘの波形。Ｘ軸信号ＳＸと数式５とに基づいて得られた波形である）を図１６（ａ）に、ｙの時間的変動を示す波形（ｙ軸信号Ｓｙの波形。Ｙ軸信号ＳＹと数式６とに基づいて得られた波形である）を図１７（ａ）に示す。 FIG. 15(a) shows the trajectory T of the point P (x(t), y(t)) in a state where the body axis SA of the subject S is tilted counterclockwise by an angle θ from the Y axis of the bed BD. An example is shown. The trajectory T is drawn within a substantially rectangular region R, and the longitudinal direction of the region R is inclined counterclockwise from the y-axis by an angle θ. In addition, the waveform (waveform of the x-axis signal Sx, which is obtained based on the X-axis signal SX and Equation 5) showing the temporal fluctuation of x(t) during the period in which this trajectory T is drawn is shown in the figure. 16(a), a waveform (waveform of the y-axis signal Sy, obtained based on the Y-axis signal SY and Equation 6) showing the temporal fluctuation of y is shown in FIG. 17(a).
図１５（ｂ）に、図１５（ａ）に描かれた軌跡Ｔを、数式７により変換（補正）して得られた軌跡Ｔ’を示す。軌跡Ｔ’は、略矩形の領域Ｒ’内に描かれており、領域Ｒ’の長手方向、短手方向は、それぞれｙ軸方向、ｘ軸方向に一致している。また、この軌跡Ｔ’が描かれた期間におけるｘ’（ｔ）の時間的変動を示す波形（補正ｘ軸信号Ｓｘ’の波形）を図１６（ｂ）に、ｙ’（ｔ）の時間的変動を示す波形（変換ｙ軸信号Ｓｙ’の波形）を図１７（ｂ）に示す。
FIG. 15(b) shows a trajectory T' obtained by converting (correcting) the trajectory T drawn in FIG. 15(a) using
図１６（ａ）と図１６（ｂ）との比較から、周期が約４秒であり、呼吸振動の周期（約３～５秒）の範囲内にあるｘ軸信号Ｓｘが、周期が約０．５秒であり、心拍振動の周期（約０．３～２秒）の範囲内にある補正ｘ軸信号Ｓｘ’に補正されていることが分かる。この補正ｘ軸信号Ｓｘ’から、被験者Ｓの心拍状態を決定することができる。 A comparison between FIGS. 16(a) and 16(b) shows that the x-axis signal Sx, which has a period of about 4 seconds and is within the period of respiratory vibration (about 3 to 5 seconds), has a period of about 0. .5 seconds, and it can be seen that the corrected x-axis signal Sx' is within the range of the period of heartbeat vibration (approximately 0.3 to 2 seconds). The heartbeat state of the subject S can be determined from this corrected x-axis signal Sx'.
図１７（ａ）と図１７（ｂ）との比較から、ｙ軸信号Ｓｙと変換ｙ軸信号Ｓｙ’とは、変換ｙ軸信号Ｓｙ’の振幅がＹ軸信号Ｓｙの振幅に比べてわずかに大きい他は、大きな違いはない。したがって、変換ｙ軸信号Ｓｙ’を用いて被験者Ｓの呼吸状態を決定してもよく、ｙ軸信号Ｓｙを用いて被験者Ｓの呼吸状態を決定してもよい。変換ｙ軸信号Ｓｙ’を用いることとすれば、変換前のｙ軸信号Ｓｙを複製して保存する必要がないため有利である。 From the comparison between FIG. 17(a) and FIG. 17(b), it can be seen that the y-axis signal Sy and the converted y-axis signal Sy' have a slightly smaller amplitude than the amplitude of the Y-axis signal Sy. Other than being bigger, there is no big difference. Therefore, the respiratory state of the subject S may be determined using the transformed y-axis signal Sy', and the respiratory state of the subject S may be determined using the y-axis signal Sy. Using the transformed y-axis signal Sy' is advantageous because it is not necessary to duplicate and store the y-axis signal Sy before transformation.
［表示工程］
表示工程Ｓ５においては、生体状態決定部３が、呼吸状態決定工程Ｓ２で決定した呼吸状態、及び心拍状態決定工程Ｓ３で決定した心拍状態を、一例として液晶モニターである表示部５に表示する。表示部５に表示される被験者Ｓの呼吸状態及び心拍状態は、Ｙ軸信号ＳＹ（補正が行われた場合は変換ｙ軸信号Ｓｙ’）及びＸ軸信号ＳＸ（補正が行われた場合は補正ｘ軸信号Ｓｘ’及び／又は補正Ｘ軸信号ＳＸ）の波形であってもよく、これらに基づいて導出された呼吸数、呼吸換気量、心拍数、心拍出量等であってもよい。
[Display process]
In the display step S5, the biological
本実施形態の生体状態モニタリングシステム１００及び生体状態モニタリング方法の効果を次にまとめる。
The effects of the biological
本実施形態の生体状態モニタリングシステム１００は、従来技術で行われてきたような被験者Ｓの重心位置の算出を行うことなく、複数の荷重検出器からの複数の荷重信号の差分を求めることで、被験者Ｓの呼吸状態及び心拍状態を決定することができる。したがって、システムの構成を簡易とすることができる。
The biological
本実施形態の生体状態モニタリングシステム１００及び生体状態モニタリング方法は、被験者Ｓの重心位置を算出することなく被験者Ｓの呼吸状態及び心拍状態を決定するため、演算処理の負担が少ない。
The biological
本実施形態の生体状態モニタリングシステム１００及び生体状態モニタリング方法は、被験者Ｓの体軸ＳＡがベッドＢＤのＹ軸に対して傾いており、被験者Ｓの呼吸（重心Ｇの呼吸振動）がＸ軸信号ＳＸに影響を及ぼしている場合であっても、信号補正部３３によりＸ軸信号ＳＸを補正して呼吸（呼吸振動）の影響を小さくし、心拍状態の決定を行うことができる。
In the biological
本実施形態の生体状態モニタリングシステム１００及び生体状態モニタリング方法は、複数の荷重検出器からの複数の荷重信号の差分を取り、複数の荷重信号の各々に含まれる呼吸成分を強めあうことにより呼吸信号を求めている。また、複数の荷重検出器からの複数の荷重信号の差分を取り、複数の荷重信号の各々に含まれる心拍成分を強めあうことにより心拍信号を求めている。したがって、被験者ＳがベッドＢＤ上の偏った位置におり、ある荷重検出器から出力される荷重信号の強度が十分でない場合であっても、十分な強度を有する呼吸信号（呼吸状態を表わす信号）及び心拍信号（心拍状態を表わす信号）を算出（取得）することができる。
The biological
本実施形態の生体状態モニタリングシステム１００及び生体状態モニタリング方法は、体軸ＳＡがＹ軸に対してある程度傾いていても、良好に呼吸状態を決定することができる。
The biological
＜変形例＞
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００、及び生体状態モニタリング方法において、次の変形態様を使用することもできる。
<Modified example>
In the biological
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００及び生体状態モニタリング方法においては、ｘｙ平面における点Ｐ（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ））の移動の軌跡に基づいて被験者Ｓの体軸ＳＡの延びる方向とベッドＢＤのＹ軸方向との間の角度θを求めていたが、これには限られない。
In the biological
その他の方法として、ベッドＢＤ上での被験者Ｓの重心Ｇ、及び重心Ｇの軌跡ＧＴを求めて、軌跡ＧＴに基づいて被験者Ｓの体軸ＳＡの延びる方向、及び体軸ＳＡとＹ軸との間の角度θを求めてもよい。ベッドＢＤ上での被験者Ｓの重心Ｇの位置は、荷重検出器１ａ～１ｄからの荷重信号ｓａ～ｓｄの各サンプリング時刻における値と、ベッドＢＤの中心Ｏに対する荷重検出器１ａ～１ｄの位置とに基づいて算出することができる。軌跡ＧＴは各サンプリング時刻における重心Ｇを繋ぐことで求められる。
Another method is to obtain the center of gravity G of the subject S on the bed BD and the trajectory GT of the center of gravity G, and then determine the direction in which the body axis SA of the subject S extends and the relationship between the body axis SA and the Y axis based on the trajectory GT. You may also find the angle θ between them. The position of the center of gravity G of the subject S on the bed BD is determined by the values of the load signals sa to sd from the
重心Ｇの軌跡ＧＴに基づいて被験者Ｓの体軸ＳＡの延びる方向を求める方法として、具体的には例えば、被験者の心拍の周期よりも大きいサンプリング周期でサンプリングした重心Ｇの軌跡ＧＴに基づき、各サンプリング点から次のサンプリング点へと向かうベクトルを求める。そしてこれらのベクトルの最頻値を求め、求めた最頻値ベクトルの方向を重心Ｇの呼吸振動の振動方向、即ち体軸ＳＡの方向とする。 As a method for determining the direction in which the body axis SA of the subject S extends based on the trajectory GT of the center of gravity G, specifically, for example, each Find the vector from one sampling point to the next sampling point. Then, the mode of these vectors is determined, and the direction of the mode of the determined vector is determined as the vibration direction of the respiratory vibration of the center of gravity G, that is, the direction of the body axis SA.
被験者Ｓの体軸ＳＡの方向の決定及び／又は角度θの決定は、必ずしも信号補正部３３で行う必要はなく、生体状態モニタリングシステム１００内の任意の構成により実行し得る。一例として、呼吸状態決定部３１や心拍状態決定部３２が実行してもよく、生体状態決定部３の中に、別途、体軸（角度）決定部を設けてもよい。また、生体状態モニタリングシステム１００の外部で決定した体軸ＳＡの方向及び又は角度θを、入力部７等を介して入力する構成としてもよい。
The determination of the direction of the body axis SA of the subject S and/or the determination of the angle θ does not necessarily need to be performed by the
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００においては、信号補正部３３は、被験者Ｓの体軸ＳＡの方向とベッドＢＤのＹ軸方向との間の角度θを所定値と比較し、角度θが所定値を超えている場合にＸ軸信号ＳＸの補正を行っていたがこれには限られない。信号補正部３３は、このような比較及び判断を行うことなく、常にＸ軸信号ＳＸ（及びＹ軸信号ＳＹ）の補正を行ってよい。被験者Ｓの体軸ＳＡとベッドＢＤのＹ軸が一致しており角度θ＝０の場合には、補正後の信号は補正前の信号と同一となる。
In the biological
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００においては、信号補正部３３において、リアルタイムで角度θを求めて、Ｘ軸信号ＳＸを補正していたが、これには限られない。例えば、記憶部４に記憶させたＸ軸信号ＳＸに対して、事後的に補正を行って、補正ｘ軸信号Ｓｘ’及び／又は補正Ｘ軸信号ＳＸ’を求めてもよい。
In the biological
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００及び生体状態モニタリング方法においては、変換ｙ軸信号Ｓｙ’を用いて被験者Ｓの呼吸状態を決定してもよく、Ｙ軸信号ＳＹを用いて被験者Ｓの呼吸状態を決定してもよい。しかしながら、被験者Ｓの体軸ＳＡの延びる方向とベッドＢＤのＹ軸との間の角度θが大きくなるにしたがって、Ｙ軸信号ＳＹの振幅は小さくなる。したがって、より振幅の大きい信号を用いることが、呼吸数等を求める上で有利であれば、変換ｙ軸信号Ｓｙ’、又は各サンプリング時刻における値がＳＹ’（ｔ）（＝（２／Ｄｙ）・ｙ’（ｔ））である変換Ｙ軸信号ＳＹ’を補正信号とみなし、この補正信号から被験者Ｓの呼吸状態を決定してもよい。即ち、信号補正部３３が、Ｘ軸信号ＳＸ及びＹ軸信号ＳＹの両方を補正してもよい。
In the biological
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００及び生体状態モニタリング方法においては、生体状態決定部３が実行する呼吸状態決定工程Ｓ２において、荷重検出器１ａからの荷重信号ｓａと荷重検出器１ｂからの荷重信号ｓｂの和と、荷重検出器１ｃからの荷重信号ｓｃと荷重検出器１ｄからの荷重信号ｓｄの和との差分を求めて、Ｙ軸信号ＳＹを得ていた。しかしながら、これには限られず、荷重信号ｓａと荷重信号ｓｂの一方と、荷重信号ｓｃと荷重信号ｓｄの一方との差分を求めて、Ｙ軸信号ＳＹを得ることもできる。この場合も、差分を求めることにより、互いに逆位相である呼吸成分同士の強めあいが生じる。
In the biological
同様に、荷重信号ｓａと荷重信号ｓｄの一方と、荷重信号ｓｂと荷重信号ｓｃの一方との差分を求めて、Ｘ軸信号ＳＸを得ることもできる。この場合も、差分を求めることにより、互いに逆位相である心拍成分同士の強めあいが生じる。なおこの場合は、差分を求めることにより同位相である呼吸成分同士の打ち消し合いが生じるように、荷重信号ｓａと荷重信号ｓｂの差分、又は荷重信号ｓｄと荷重信号ｓｃの差分を用いることが望ましい。 Similarly, the X-axis signal SX can be obtained by finding the difference between one of the load signals sa and sd and one of the load signals sb and sc. In this case as well, by calculating the difference, heartbeat components that are in opposite phases to each other are reinforced. In this case, it is desirable to use the difference between the load signal sa and the load signal sb, or the difference between the load signal sd and the load signal sc, so that the respiratory components that are in the same phase cancel each other out by calculating the difference. .
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００の生体状態決定部３は、呼吸状態決定部３１が被験者Ｓの呼吸状態を決定した後に、心拍状態決定部３２が被験者Ｓの心拍状態を決定しているがこれには限られない。心拍状態決定部３２が被験者Ｓの心拍状態を先に決定してもよく、或いは呼吸状態決定部３１による被験者Ｓの呼吸状態の決定と心拍状態決定部３２による被験者Ｓの心拍状態の決定とを同時に（並行に）行ってもよい。
In the biological
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００の生体状態決定部３は、呼吸状態決定部３１と心拍状態決定部３２を両方備えているがこれには限られない。生体状態決定部３は、呼吸状態決定部３１と心拍状態決定部３２のいずれか一方を有するのみでもよい。
The biological
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００において、荷重検出部１は４つの荷重検出器１ａ～１ｄを備えていたが、これには限られない。荷重検出部１は、少なくとも２つの荷重検出器を備えていればよい。
In the biological
荷重検出器が２つである場合は、例えば、Ｘ軸方向の正側に第１荷重検出器を設け、Ｘ軸方向の負側に第２荷重検出器を設ける。これにより、第１荷重検出器からの荷重信号と、第２荷重検出器からの荷重信号の差分を求めて、当該差分からベッドＢＤ上の被験者Ｓの心拍状態を決定することができる。なお、第１荷重検出器と第２荷重検出器のＹ軸方向における位置は略同一とすることが望ましい。このような配置とすれば、第１荷重検出器と第２荷重検出器との中間位置に被験者Ｓが存在する場合には、両荷重検出器からの荷重信号の差分において、呼吸成分が良好にキャンセルされる。また、第１荷重検出器と第２荷重検出器とを、Ｙ軸に関して対称に配置することがより望ましい。このような配置とすれば、被験者Ｓの体軸がＹ軸に一致している場合に、両荷重検出器からの荷重信号の差分において、呼吸成分が良好にキャンセルされる。 When there are two load detectors, for example, the first load detector is provided on the positive side in the X-axis direction, and the second load detector is provided on the negative side in the X-axis direction. Thereby, the difference between the load signal from the first load detector and the load signal from the second load detector can be obtained, and the heartbeat state of the subject S on the bed BD can be determined from the difference. Note that it is desirable that the positions of the first load detector and the second load detector in the Y-axis direction are approximately the same. With this arrangement, if the subject S is located at an intermediate position between the first load detector and the second load detector, the respiratory component will be well detected in the difference between the load signals from both load detectors. Canceled. Moreover, it is more desirable that the first load detector and the second load detector are arranged symmetrically with respect to the Y axis. With such an arrangement, when the body axis of the subject S coincides with the Y axis, the respiratory component is favorably canceled out in the difference between the load signals from both load detectors.
あるいは、Ｙ軸方向の正側に第１荷重検出器を設け、Ｙ軸方向の負側に第２荷重検出器を設けてもよい。これにより、第１荷重検出器からの荷重信号と、第２荷重検出器からの荷重信号の差分を求めて、当該差分からベッドＢＤ上の被験者Ｓの呼吸状態を決定することができる。 Alternatively, the first load detector may be provided on the positive side in the Y-axis direction, and the second load detector may be provided on the negative side in the Y-axis direction. Thereby, the difference between the load signal from the first load detector and the load signal from the second load detector can be obtained, and the breathing state of the subject S on the bed BD can be determined from the difference.
荷重検出器が３つである場合は、例えば、上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００において、荷重検出器１ｄを除いた構成とすることができる。この場合は例えば、荷重検出器１ａからの荷重信号ｓａと荷重検出器１ｂからの荷重信号ｓｂとの差分を求めて、当該差分から被験者Ｓの心拍状態を決定し、荷重検出器１ｂからの荷重信号ｓｂと荷重検出器１ｃからの荷重信号ｓｃとの差分を求めて、当該差分から被験者Ｓの呼吸状態を決定することができる。
When there are three load detectors, for example, the biological
この場合は、数式３、数式４に代えて
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００において、荷重検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、ビーム形ロードセルを用いた荷重センサに限られず、例えばフォースセンサを使用することもできる。
In the biological
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００においては、荷重検出器１ａ～１ｄの各々は、ベッドＢＤの脚の下端に取り付けられたキャスターＣの下に配置されていたがこれには限られない。荷重検出器１ａ～１ｄの各々は、ベッドＢＤの４本の脚とベッドＢＤの床板との間に設けられてもよいし、ベッドＢＤの４本の脚が上下に分割可能であれば、上部脚と下部脚との間に設けられても良い。また、荷重検出器１ａ～１ｄをベッドＢＤと一体に又は着脱可能に組み合わせて、ベッドＢＤと本実施形態の生体状態モニタリングシステム１００とからなるベッドシステムＢＤＳを構成してもよい（図１８）。なお、本明細書及び本発明において「ベッドに設けられた荷重検出器」とは、上述のようにベッドＢＤの４本の脚とベッドＢＤの床板との間に設けられた荷重検出器や、上部脚と下部脚との間に設けられた荷重検出器を意味する。
In the biological
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００において、荷重検出部１とＡ／Ｄ変換部２との間に、荷重検出部１からの荷重信号を増幅する信号増幅部や、荷重信号からノイズを取り除くフィルタリング部を設けても良い。
In the biological
上記実施形態の生体状態モニタリングシステム１００において、表示部５は、モニターに代えて、又はこれに加えて、生体状態を表わす情報を印字して出力するプリンタや、生体状態を表示するランプ等の簡易な視覚表示手段を備えてもよい。報知部６はスピーカーに代えて、又はこれに加えて、振動により報知を行う振動発生部を備えてもよい。
In the biological
本発明の特徴を維持する限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。 As long as the characteristics of the present invention are maintained, the present invention is not limited to the above embodiments, and other forms that can be considered within the scope of the technical idea of the present invention are also included within the scope of the present invention. .
本発明の生体状態モニタリングシステムによれば、構成が簡易で、処理負担の小さいシステムを用いて、呼吸状態や心拍状態等の被験者の生体状態を決定することができる。したがって、入院患者や入所者等の状態を、より安価且つ迅速に求めることのできるシステムを、病院や介護施設に提供することができる。 According to the biological condition monitoring system of the present invention, it is possible to determine the biological condition of a subject, such as the respiratory condition and heartbeat condition, using a system that has a simple configuration and a small processing load. Therefore, it is possible to provide hospitals and nursing care facilities with a system that can more quickly and inexpensively determine the conditions of hospitalized patients, residents, and the like.
１ 荷重検出部、１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 荷重検出器、２ Ａ／Ｄ変換部、３ 生体状態決定部、３１ 呼吸状態決定部、３２ 心拍状態決定部、３３ 信号補正部（補正部）、４ 記憶部、５ 表示部、６ 報知部、７ 入力部、１００ 生体状態モニタリングシステム、ＢＤ ベッド、ＢＤＳ ベッドシステム、Ｓ 被験者
1 load detection section, 1a, 1b, 1c, 1d load detector, 2 A/D conversion section, 3 biological state determination section, 31 respiratory state determination section, 32 heartbeat state determination section, 33 signal correction section (correction section), 4 storage unit, 5 display unit, 6 notification unit, 7 input unit, 100 biological condition monitoring system, BD bed, BDS bed system, S subject
Claims (17)
ベッドの幅方向の一方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられ、且つ前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分と該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分とを含む第１荷重を検出する第１荷重検出器と、
ベッドの幅方向の他方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられ、且つ前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分と該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分とを含む第２荷重を検出する第２荷重検出器と、
第１荷重と第２荷重との差分を求めて、該差分から前記被験者の心拍状態を決定する心拍状態決定部と、
前記差分に含まれる前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分が小さくなるように、前記差分を、前記ベッドの長さ方向に対する前記被験者の体軸の方向の傾きに基づいて補正する補正部とを備える生体状態モニタリングシステム。 A biological condition monitoring system that monitors the biological condition of a subject on a bed,
A load component that is provided under the bed or under the legs of the bed on one side in the width direction of the bed and is caused by the subject, and includes a load component that vibrates in response to the subject's breathing, and a load component that vibrates in response to the heartbeat of the subject. a first load detector that detects a first load including;
A load component that is provided under the bed or under the legs of the bed on the other side in the width direction of the bed, and is a load caused by the subject, which vibrates in response to the subject's breathing and a load component that vibrates in response to the subject's heartbeat. a second load detector that detects a second load including;
a heartbeat state determination unit that calculates a difference between a first load and a second load and determines the heartbeat state of the subject from the difference;
a correction unit that corrects the difference based on the inclination of the body axis of the subject with respect to the length direction of the bed so that a load component that vibrates in accordance with the breathing of the subject included in the difference is reduced; A biological condition monitoring system equipped with
更に、ベッドの長さ方向の他方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられ、且つ前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分を含む第３荷重を検出する第３荷重検出器と、
第２荷重と第３荷重との差分を求めて、該差分から前記被験者の呼吸状態を決定する呼吸状態決定部とを備える請求項１～３のいずれか一項に記載の生体状態モニタリングシステム。 The second load detector is provided on one side in the length direction of the bed,
Furthermore, a third load is provided on the other side of the bed in the length direction of the bed or under the bed legs, and is a load caused by the subject and includes a load component that vibrates in accordance with the breathing of the subject. a load detector;
The biological condition monitoring system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a respiratory condition determining unit that determines a difference between the second load and the third load and determines the respiratory condition of the subject from the difference.
第３荷重検出器はベッドの幅方向の他方側に設けられており、
第３荷重検出器により検出される前記被験者による荷重は該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分を含み、
更に、ベッドの幅方向の一方側且つベッドの長さ方向の他方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられ、且つ前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分と該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分とを含む第４荷重を検出する第４荷重検出器を備え、
前記心拍状態決定部は、第１荷重と第４荷重の和と、第２荷重と第３荷重の和との差分を求めて、該差分から前記被験者の心拍状態を決定し
前記呼吸状態決定部は、第１荷重と第２荷重の和と、第３荷重と第４荷重の和との差分を求めて、該差分から前記被験者の呼吸状態を決定する請求項４に記載の生体状態モニタリングシステム。 The first load detector is provided on one side in the length direction of the bed,
The third load detector is provided on the other side in the width direction of the bed,
The load caused by the subject detected by the third load detector includes a load component that vibrates in accordance with the heartbeat of the subject;
Furthermore, the load component is provided under the bed or the legs of the bed on one side in the width direction of the bed and on the other side in the length direction of the bed, and is a load caused by the subject, which vibrates in accordance with the breathing of the subject. a fourth load detector that detects a fourth load including a load component that vibrates in accordance with the subject's heartbeat;
The heartbeat state determination unit determines the heartbeat state of the subject from the difference by determining the difference between the sum of the first load and the fourth load and the sum of the second load and the third load, and the breathing state determination unit The biological condition monitoring system according to claim 4, wherein the system determines the respiratory condition of the subject from the difference between the sum of the first load and the second load and the sum of the third load and the fourth load. .
請求項１～８のいずれか一項に記載の生体状態モニタリングシステムとを備えるベッドシステム。 bed and
A bed system comprising the biological condition monitoring system according to any one of claims 1 to 8.
ベッドの幅方向の一方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられた第１荷重検出器により、前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分と該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分とを含む第１荷重を検出することと、
ベッドの幅方向の他方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられた第２荷重検出器により、前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分と該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分とを含む第２荷重を検出することと、
第１荷重と第２荷重との差分を求めて、該差分から前記被験者の心拍状態を決定することと、
第１荷重と第２荷重との前記差分に含まれる前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分が小さくなるように、前記差分を、前記ベッドの長さ方向に対する前記被験者の体軸の方向の傾きに基づいて補正することを含む生体状態モニタリング方法。 A biological condition monitoring method for monitoring the biological condition of a subject on a bed, the method comprising:
A first load detector installed on the bed or under the legs of the bed on one side in the width direction of the bed detects the load caused by the subject, a load component that vibrates in response to the subject's breathing, and a load component that vibrates in response to the subject's heartbeat. detecting a first load including a load component that vibrates;
A second load detector installed on the bed or under the legs of the bed on the other side in the width direction of the bed detects the load caused by the subject, a load component that vibrates in response to the subject's breathing, and a load component that vibrates in response to the subject's heartbeat. detecting a second load including a load component that vibrates;
determining a difference between a first load and a second load, and determining a heartbeat state of the subject from the difference;
The difference is adjusted in the direction of the subject's body axis with respect to the length direction of the bed so that the load component that vibrates in response to the subject's breathing, which is included in the difference between the first load and the second load, is small. A biological condition monitoring method comprising compensating based on slope.
更に、ベッドの長さ方向の他方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられた第３荷重検出器により、前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分を含む第３荷重を検出することと、
第２荷重と第３荷重との差分を求めて、該差分から前記被験者の呼吸状態を決定することを含む請求項１０～１２のいずれか一項に記載の生体状態モニタリング方法。 The second load detector is provided on one side in the length direction of the bed,
Further, a third load detector provided on the bed or under the legs of the bed on the other side in the length direction of the bed detects the load caused by the subject, which includes a load component that vibrates in accordance with the subject's breathing. detecting the load;
The biological condition monitoring method according to any one of claims 10 to 12, comprising determining the difference between the second load and the third load, and determining the respiratory condition of the subject from the difference.
第３荷重検出器はベッドの幅方向の他方側に設けられており、
第３荷重検出器により検出される前記被験者による荷重は該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分を含み、
更に、ベッドの幅方向の一方側且つベッドの長さ方向の他方側においてベッド又はベッドの脚下に設けられた第４荷重検出器により、前記被験者による荷重であって、該被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分と該被験者の心拍に応じて振動する荷重成分とを含む第４荷重を検出することを含み、
前記心拍状態を決定することは、第１荷重と第４荷重の和と、第２荷重と第３荷重の和との差分を求めて、該差分から前記被験者の心拍状態を決定することであり、
前記呼吸状態を決定することは、第１荷重と第２荷重の和と、第３荷重と第４荷重の和との差分を求めて、該差分から前記被験者の呼吸状態を決定することである請求項１４に記載の生体状態モニタリング方法。 The first load detector is provided on one side in the length direction of the bed,
The third load detector is provided on the other side in the width direction of the bed,
The load caused by the subject detected by the third load detector includes a load component that vibrates in accordance with the heartbeat of the subject;
Furthermore, a fourth load detector provided under the bed or the legs of the bed on one side in the width direction of the bed and on the other side in the length direction of the bed detects the load caused by the subject according to the breathing of the subject. Detecting a fourth load including a load component that vibrates and a load component that vibrates in response to the heartbeat of the subject,
Determining the heartbeat state includes determining the difference between the sum of the first load and the fourth load and the sum of the second load and the third load, and determining the heartbeat state of the subject from the difference. ,
Determining the breathing state means finding the difference between the sum of the first load and the second load and the sum of the third load and the fourth load, and determining the breathing state of the subject from the difference. The biological condition monitoring method according to claim 14.
前記第２荷重と第３荷重との差分を補正することは、第１荷重と第２荷重の和と第３荷重と第４荷重の和との前記差分に含まれる前記被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分が大きくなるように、該差分を、前記ベッドの長さ方向に対する前記被験者の体軸の方向の傾きに基づいて補正することである請求項１５に記載の生体状態モニタリング方法。 Correcting the difference between the first load and the second load is based on the respiration of the subject included in the difference between the sum of the first load and the fourth load and the sum of the second load and the third load. correcting the difference based on the inclination of the subject's body axis with respect to the longitudinal direction of the bed so that the vibrating load component is reduced;
Correcting the difference between the second load and the third load is based on the respiration of the subject included in the difference between the sum of the first load and the second load and the sum of the third load and the fourth load. 16. The biological condition monitoring method according to claim 15, wherein the difference is corrected based on the inclination of the subject's body axis with respect to the longitudinal direction of the bed so that the vibrating load component becomes larger.
The correction based on the inclination of the direction of the subject's body axis with respect to the length direction of the bed is performed using a rotation matrix that performs a rotational transformation to rotate the direction of the subject's body axis so that it substantially coincides with the length direction of the bed. The biological condition monitoring method according to any one of claims 10 to 16, wherein the method is performed.
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