JP5998136B2 - 運動中のバイタルボディ信号の監視 - Google Patents

Description

本発明は、人間又は動物の身体のバイタルボディサイン又は信号を監視する方法及びマルチセンサシステムに関する。

バイタルボディサイン又は信号は、最も基本的な身体機能を評価するために、しばしばヘルスケア専門家により取られる、生理学的統計の測定値である。バイタルサインを取る行為は、通常は、体温、脈拍数（又は心拍数）、血圧及び呼吸数を記録することを必要とするが、他の測定をも含みうる。心拍数及び呼吸数のようなバイタルボディサイン又は信号は、人の健康状態の重要な指標である。病院において、患者のバイタルボディサイン又は信号は、患者の状態の気づかれない悪化を防ぐように、集中治療室（ＩＣＵ）において連続的に、又は病室においてスポットチェック式でのいずれかで監視される。

家庭環境においてバイタルボディサイン又は信号を監視する要望も存在する。人口の高齢化の結果として、より多くの高齢者が、家庭において一人暮らしをしており、これらの人々は、大部分が慢性疾患を患い、したがってバイタルボディサイン又は信号の変化により反映されることができる身体状態の監視を必要とする。これは、病院から退院したばかりで、再入院を避けるために依然として監視を必要とする患者に対しても同様である。

ライフスタイル応用において、バイタルボディサイン又は信号の測定は、例えば、エネルギ消費量評価及びより一般的に身体状態分析を助けるためにフィットネスセンタにおける体操中にも望ましい。これは、プロスポーツでも同様である。

バイタルボディサイン又は信号を測定する際に、動きアーチファクトが周知の問題であり、これは、測定された対象の活動により引き起こされた測定品質の劣化を示す。測定に影響を与える活動は、姿勢変化、運動、会話、及び咳等を含む。この問題の重大さは、患者がほとんどの時間ベッドに縛られている病院設定から、基本的に自由生活環境である家庭ヘルスケアを通って、対象が激しく動いているフィットネス体操の監視まで増大する。

動きアーチファクトに対処する１つの方法は、汚染されていない測定されたバイタルボディ信号の'良好な'部分を取り出し、'劣悪な'部分を放棄することである。典型的には、測定された対象が眠っている又は大きな運動なしに休息している場合に、良好な品質のバイタルボディサイン又は信号が、得られることができる。このアプローチは、患者がほとんどの時間ベッドに縛られており、監視下にあり、したがって意味のあるデータの良好な入手可能性を持つ病院において機能し、したがって、通常は動き回っている患者から生じる動きアーチファクト汚染（contaminated）データを放棄するのに手頃であり、したがってどのみち非常に高い確実性でリスクがない。

しかしながら、データを取り消す又は落とすことは、特に活動中の患者のバイタルボディサイン又は信号が診断目的で関心を引く場合には、情報損失を引き起こす。更に、家庭ヘルスケアにおいて、対象は、しばしば日常行為で更に流動的であり、動きアーチファクト拒絶アプローチは、不十分な測定頻度に帰着しうる。フィットネス又は他のスポーツを行うようなライフスタイル応用において、エネルギ消費量推定又は身体状態評価の目的で、対象がアクティブである間に連続的にバイタルボディサイン又は信号を監視する要望も存在する。したがって、低品質のデータを放棄する代わりに、これらのデータからバイタルボディサイン又は信号を信頼できるように取り出す新しいアプローチが求められている。

本発明の目的は、人間又は動物の身体のバイタルボディサイン又は信号を監視する改良された方法及びシステムを提供することである。

この目的は、請求項１に記載の方法及び請求項８に記載のマルチセンサシステムにより達成される。

したがって、運動中のバイタルボディサイン又は信号の監視が、加速度ベクトルを測定する加速度センサを持つマルチセンサシステムを使用して動きアーチファクトからバイタルボディサイン又は信号を抽出することにより可能にされる、改良された監視アプローチが、提案される。提案されたシステムの構成は、低コストであり、目立ちすぎず、電力節約であり、日常活動に制限を加えることなしに自由に生活する対象に対する長期間の監視に適している。

第１の態様によると、取り出しは、前記加速度センサの向きの測定結果に基づいて推定すること、少なくとも２つの加速度センサの回転行列を計算すること、前記少なくとも２つの加速度センサを仮想的に回転することにより前記少なくとも２つの加速度センサの座標系を整列させる（aligning）こと、前記バイタルボディ信号により誘導されたものではない動き成分を取り消すことを有しうる。これにより、動き誘導成分（motion induced components）は、所望のバイタルボディサイン又は信号を取り出すために除去されることができる。

上記の第１の態様と組み合わせられることができる第２の態様によると、前記取り出しは、測定結果の相関を持ちうる変数をより少数の無相関変数に変換すること、前記無相関変数からパラメータ又はフィーチャを抽出すること、及び前記抽出されたパラメータ又はフィーチャに基づいて前記バイタルボディ信号を決定することを有することができる。したがって、主成分分析（ＰＣＡ、principal component analysis）は、データを圧縮するのに使用されるのではなく、前記センサのＰＣＡ信号から前記バイタルボディ信号を抽出するのに使用される。

上記の第１及び第２の態様のいずれか１つと組み合わせられることができる第３の態様によると、前記取り出しは、前記少なくとも２つの加速度センサの１つを基準センサとして選択すること、動き成分を除去するように前記少なくとも２つの加速度センサの他方を前記基準センサに向けて仮想的に回転すること、及び前記バイタルボディ信号を得るように前記ＰＣＡを適用することを有することができる。共通モード取り消し（common mode cancellation）をＰＣＡとカスケードすることにより、改良された取り出し品質が、達成されることができる。

上記の第１及び第２の態様のいずれか１つと組み合わせられることができる第４の態様によると、前記取り出しは、前記少なくとも２つの加速度センサの加速度ベクトル間の角度差を測定することを有することができる。この差分角度測定アプローチは、動き誘導干渉に対して本質的にロバストである。

前記第４の態様の典型的な実施例によると、配置は、測定軸が実質的に同じ空間面内であるような形で前記少なくとも２つの加速度センサを整列させることを有することができる。これにより、特に呼吸運動は、前記加速度センサの相対的な向きの所望の変化に帰着する。

上記の第１及び第４の態様のいずれか１つと組み合わせられることができる第５の態様によると、前記少なくとも２つの加速度センサは、呼吸により引き起こされる腹部又は胸部運動を反映するように傾斜計として呼吸感知において、又は心臓ポンプにより引き起こされる機械的振動を得るように脈拍感知において有利に使用されることができる。

上記の第１及び第５の態様のいずれか１つと組み合わせられることができる第６の態様によると、信号抽出ユニットは、前記バイタルボディ信号の抽出を実行するアルゴリズムを実行する計算ユニットを有することができる。これは、前記計算ユニット又は装置上で実行される場合に前記取り出しのステップを発生するコード手段を有するコンピュータプログラムとしての実装を可能にする。

典型的な実施例において、前記２つの加速度センサは、２軸又は３軸加速度計でありうる。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に記載される実施例を参照して説明され、明らかになる。

呼吸測定におけるセンサ位置の例を示す。 共通モード取り消しに基づく第１の実施例による取り出しスキームの概略的なブロック図を示す。 主成分分析に基づく第２の実施例による取り出しスキームの概略的なブロック図を示す。 共通モード取り消し及び主成分分析のカスケードに基づく第３の実施例による取り出しアプローチの概略的なブロック図を示す。 第４の実施例による差分角度測定に対するセンサ配置の一例を示す。 主成分分析を使用して取り出された呼吸信号及び測定された加速度を持つ図を示す。 加速度計の配置の例を示す。 加速度計の配置の例を示す。 差分角度測定を使用して歩いている又は座っている間の取り出された呼吸信号及び測定された加速度信号を持つ図を示す。

以下の実施例において、バイタルボディサイン又は信号の監視が加速度ベクトルを測定する加速度センサを持つマルチセンサシステムを使用することにより可能にされる監視アプローチが提案される。

提案される監視システムは、測定されるバイタルサイン信号（すなわち、バイタルボディサイン又は信号）に関連する人間の身体（又は動物の体）の特定の場所に配置された少なくとも２つのセンサを有する。典型的なソフトウェアベースの実施例において、計算ユニットは、動きアーチファクトにより汚染された測定値から所望のバイタルボディ信号、例えば、呼吸を抽出するのに複数のセンサの読み出し値を使用するアルゴリズムを実行することができる。複数のバイタルボディ信号、例えば、呼吸及び心拍の両方が抽出されるべきである場合、並列アルゴリズムが、実行され、それぞれの目的に対して機能することができる。前記計算ユニットは、呼吸数、心拍数及びこれらの変化のような、パラメータを前記抽出されたバイタルボディ信号から計算し、ローカルで記憶媒体に、又は他の分析に対する無線リンクを介して遠隔中央ステーションに記憶するアルゴリズムを実行することもできる。もちろん、前記監視システムは、より詳細には以下に説明されるように、上記のアルゴリズムによる信号処理を実行する配線接続された信号抽出装置、ユニット又は信号プロセッサを用いて実施されてもよい。

呼吸及び心拍数並びにこれらの変化は、通常、最も関心のあるバイタルボディ信号パラメータであり、これらの信号の取得は、３軸加速度計により達成されうるが、他のタイプのセンサの使用は、除外されない。例えばT. Reinvuo et al, "Measurement of respiratory rate with high-resolution accelerometer and EMFit Pressure Sensor", in IEEE Sensors Appl. Symposium, Feb. 2006, pp.192-195に記載されるように、３軸加速度計は、３つの感知軸における加速度を測定する装置であり、呼吸により引き起こされる腹部又は胸部運動を反映するように傾斜計として呼吸感知において、及び心臓ポンプにより引き起こされる皮膚における機械的振動を得るように脈拍（心拍の間接的な測定）感知において使用される。単一の３軸加速度計を用いて両方の信号を測定することが必要とされる場合、前記加速度計は、胸骨までおおよそ３分の１で、左肋骨弓に配置されることができる。

以下の実施例において、いずれのバイタル信号が測定されるか、及びいずれの処理方法が使用されるかに依存して、センサが、シナリオに対して好適である身体位置に配置される、複数の測定シナリオが提案される。

既に述べたように、前記バイタルボディ信号の取り出しは、アルゴリズムを実行する計算ユニットにより、又は動きで汚染されているかもしれない複数のセンサからの測定結果に基づいてバイタルボディ信号を抽出する信号ユニットにより行われることができる。３つの取り出しスキームが、前記バイタルボディ信号を取り出す最適な能力を提供する好適なセンサ位置を各々持つ、異なる実施例において提案される。

第１の実施例は、共通モード取り消し（ＣＭＣ）処理を対象とし、少なくとも２つの加速度センサ、好適には３軸加速度計が使用される。これらは、対象の胴体の異なる位置に取り付けられ、当該位置において、標的とされるバイタルボディサイン信号は、前記対象が休息しているときに最適に測定される。運動中に、前記センサが適切に同一場所に配置される場合、動き誘導成分は、前記センサの加速度ベクトル信号において'共通モード'として現れるのに対し、前記バイタルボディ信号は、個別のセンサにより異なって測定される。この事実を使用して、前記バイタルボディ信号は、動きアーチファクトの存在下で取り出されうる。

３軸加速度計を使用する呼吸測定は、図１に描かれるように、第１の実施例の一例としてここで説明される。この例において、２つの３軸加速度計ＡＣＣ１及びＡＣＣ２が、測定される対象の左胸部に配置される。一般に、センサＡＣＣ１及びＡＣＣ２は、呼吸感知に対して適切である、すなわち所望のバイタルボディ信号により誘導される角度変化が２つのセンサＡＣＣ１とＡＣＣ２との間で異なる胸部―腹部領域のどこに配置されてもよい。この例において、これらの位置は、呼吸により誘導される複数のセンサの角度変化が互いにできる限り異なるように選択される。前記例は、バイオセンサ応用に基づき、センサ位置は、呼吸測定に対して選択される。

２つのセンサＡＣＣ１及びＡＣＣ２の読み出しベクトルは、
V_acc ⁽¹⁾=V_resp ⁽¹⁾+V_mot ⁽¹⁾ （１）
V_acc ⁽²⁾=V_resp ⁽²⁾+V_mot ⁽²⁾ （２）
として表されることができ、ここでV_acc ⁽ⁱ⁾、V_resp ⁽ⁱ⁾及びV_mot ⁽ⁱ⁾（i=1,2）は、i番目のセンサからの測定された加速度ベクトル信号並びにその呼吸及び動き誘導成分をそれぞれ表す。３軸加速度計を用いて、前記信号は、ｘ、ｙ及びｚ軸からの読み出し値により規定されるセンサ座標系におけるベクトルである。呼吸感知に対して、（主に）測定されるのは、呼吸運動により引き起こされるセンサ軸上に投影される重力の変化であることに注意すべきである。したがって、加速度計は、ここで傾斜計として使用される。通常、より高周波帯域において発生される、慣性加速度は、信号処理において仮定的に（assumingly）フィルタ除去される。

人間胴体は、比較的固いので、センサＡＣＣ１及びＡＣＣ２は、特にこれらが互いの近くに配置され、例えば皮膚の伸縮による、センサ間の相対的運動が最小化される場合に、運動中に同じ回転変化を受ける。センサＡＣＣ１及びＡＣＣ２が整列された、すなわち、これらの３つの軸の各々に対して平行になるまで一方を他方に対して回転させた後に、これらの重力ベクトル成分は、等しくなる。

他方で、呼吸運動は、基本的に胴体の体積拡張及び収縮である。センサＡＣＣ１及びＡＣＣ２は、前記胴体の異なる点に配置され、したがって、湾曲した表面のため、異なる回転運動を受ける。結果的に、呼吸誘導信号成分は、センサＡＣＣ１及びＡＣＣ２が互いに整列されたとしても、異なる。

図２は、共通モード取り消し（ＣＭＣ）に基づく第１の実施例による取り出しスキーム又は信号抽出ユニットの概略的なブロック図を示す。

上記の結果を前提として、呼吸信号は、コンピュータユニットに対するソフトウェアルーチンとして又は信号抽出ユニットに対する信号処理スキームとして実装されることができる以下の典型的なマルチステップ手順で動き汚染された測定から取り出されることができる。

第１のステップ又は段（ＯＳ）２１において、センサ向きが推定される。ここで、センサの３つの軸に対する重力の投影として規定されるセンサＡＣＣ１及びＡＣＣ２の向きが推定される。これは、
V_orient ⁽ⁱ⁾=(d_x ⁽ⁱ⁾, d_y ⁽ⁱ⁾, d_z ⁽ⁱ⁾) （３）
として示される、加速度計出力の（近）ＤＣ成分を取ることにより良好に推定される。

前記推定は、ローパスフィルタV_acc ⁽ⁱ⁾により又はより高度なアルゴリズムを使用して実現されることができる。典型的な呼吸周波数は、０．１Ｈｚないし２Ｈｚの範囲を取るので、ローパスフィルタのカットオフは、０．１Ｈｚより下である必要がある。

第２のステップ又は段（ＲＭＣ）２２において、回転行列が、２つのセンサＡＣＣ１及びＡＣＣ２を整列するために計算される。前記回転行列は、式
V_orient ⁽¹⁾=R^(2)→(1)V_orient ⁽²⁾ （４）
又は
V_orient ⁽²⁾=R^(1)→(2)V_orient ⁽¹⁾ （５）
を解くことにより計算されることができ、ここでR^(2)→(1)及びR^(1)→(2)は、第１のセンサを第２のセンサに向けて回転する場合、及びその逆の場合の回転行列をそれぞれ示す。回転行列Rは、３つのサブ回転行列R_x(θ)、R_y(φ)及びR_z(ψ)の積に分解されることができる３×３行列である。前記３つの行列は、順番に、ｘ軸についてθの平面的回転、ｙ軸についてφの平面的回転及びｚ軸についてψの平面的回転を表す。したがって、事実上、行列Rは、３つの未知数を含み、式（４）又は（５）は可解である。

第３のステップ又は段（ＣＡ）２３において、センサＡＣＣ１及びＡＣＣ２の一方は、他方のセンサに向けて仮想的に回転され、センサＡＣＣ１及びＡＣＣ２の２つの座標系は、空間的に整列される。第２のセンサが第１のセンサの方に向く場合、回転は、式（２）の両辺をR^(2)→(1)で乗算することにより実現されることができ、
R^(2)→(1)V_acc ⁽²⁾= R^(2)→(1)V_resp ⁽²⁾+ R^(2)→(1)V_mot ⁽²⁾ （６）
である。

別の方法では、式（１）がR^(1)→(2)により乗算される。

第４のステップ又は段（ＭＲ）２４において、動き成分は、取り消される又は除去される。呼吸及び動きを感知する際の以前に論じられた効果に基づいて、
R^(2)→(1)V_mot ⁽²⁾=V_mot ⁽¹⁾ （７）
が成り立つ。式（７）を使用して式（１）から式（６）を減算すると、
V~_resp ⁽¹⁾=V_acc ⁽¹⁾-R^(2)→(1)V_acc ⁽¹⁾=V_rep ⁽¹⁾-R^(2)→(1)V_resp ⁽²⁾ （８）
を生じ、ここで、V~_resp ⁽¹⁾は、線形結合される２つの元のセンサ信号からの呼吸成分を含む新しく構築される信号である。同様に、第１のセンサが回転するように選択される場合、以下の式、
V~_resp ⁽²⁾=V_acc ⁽²⁾-R^(1)→(2)V_acc ⁽²⁾=V_rep ⁽²⁾-R^(1)→(2)V_resp ⁽¹⁾ （９）
が得られる。

両方の信号において、動き誘導成分は、除去されている。更なる処理が、呼吸数及び呼吸数変化のようなパラメータを抽出するために前記取り出された呼吸信号に対して実行されることができる。

局所的な及び相互の運動を更に減少させる前記第１の実施例の他の例又は他の実施例において、複数のセンサは、主に皮膚表面に沿って、前記センサの動く自由度を特定の程度に制限することができるが、依然として呼吸を制限し、着用快適性を犠牲にしないのに十分に弾性である材料を使用して接続されることができる。

図３は、主成分分析（ＰＣＡ）に基づく第２の実施例によるマルチセンサベースの取り出しスキームの概略的なブロック図を示す。

呼吸及び／又は脈拍を測定するために、少なくとも２つの加速度センサが、対象に取り付けられる。前記センサは、３軸加速度計であってもよく、測定されるバイタルボディ信号タイプに対して、前記少なくとも２つのセンサの間で異なる、前記バイタルボディ信号により誘導される角度変化を得るのに最適である体位置に配置される。例えば、呼吸監視のみに対して、センサは、下位（例えば６番目及び７番目の）肋骨において、中心と横位置との間のおおよそ半分に配置され、呼吸及び脈拍測定の両方に対しては、肋骨弓上の胸骨から３分の１に配置される。

第２の実施例及び他の実施例において、センサは、別個の構成要素として別々に、又はパッチ上にアレイを形成するように一体化されて、所望の体位置の周りに取り付けられることができる。センサアレイの利点は、取り付けを容易化すること、及び小型化により、より多くのセンサ素子を含むことができることである。他の利点は、一部の歪ませる運動、例えば、以前の章において述べられた不所望な相互運動が制限されることでありうる。

Ｋ個のセンサが使用されると仮定する。関心のある信号の周波数帯域による適切なフィルタリング及び前処理の後に、ｉ番目のセンサの読み出し値は、
V⁽ⁱ⁾=V_VBS ⁽ⁱ⁾+V_mot ⁽ⁱ⁾+V_n ⁽ⁱ⁾, i=1,...,K （１０）
と書かれることができ、ここでV_VBS ⁽ⁱ⁾は所望の生理学的信号であり、V_mot ⁽ⁱ⁾は動き誘導信号であり、V_n ⁽ⁱ⁾は主にノイズを含む他の信号成分である。３軸加速度計が使用され、各軸が測定ユニットとして扱われる場合、センサ出力の数は、事実上３Ｋであり、したがって３倍である。統計的に、Ｋ（又は３Ｋ）個のセンサ出力は、相関を持つが、その信号成分（V_VBS ⁽ⁱ⁾、V_mot ⁽ⁱ⁾及びV_n ⁽ⁱ⁾）は、独立のソースにより誘導されるので、互いに統計的に無相関である。

第１のステップ又は段（ＰＣＡ）３１において、複数の相関を持ちうる変数を、主成分と称される、より少数の無相関変数に変換するＰＣＡ手順が実行される。第１の主成分は、できる限り多くのデータ内の可変性を構成し、各続いて起こる成分は、可能な限り多くの残りの可変性を構成する。Ｋ（又は３Ｋ）個のセンサ出力に対してＰＣＡを適用した後に、所望のバイタルボディ信号のみを含む成分及び動き誘導信号は、それぞれ、
V~_VBS=Σ_ip_iV_VBS ⁽ⁱ⁾ （１１）
V~_mot=Σ_iq_iV_mot ⁽ⁱ⁾ （１２）
として書かれることができ、ここでp_i及びq_iはＰＣＡ係数である。このようにして、前記バイタルボディ信号は、動き汚染された測定から取り出される。

動きにより引き起こされる信号強度は、通常、バイタルボディ信号のものより（大幅に）大きいので、通常は、動きが検出される場合はいつでも、第２の主成分が、前記バイタルボディ信号である。しかしながら、より信頼できる結果に対して、分類アルゴリズムで満たされることができる高度な成分選択方法が必要とされる。

図３の第２のステップ又は段（ＦＥ）３２において、前記手順又はアルゴリズムは、ＰＣＡの結果として生じる成分からパラメータ（又はフィーチャ）を抽出する。可能なフィーチャは、信号の分散、基本周波数、周期性等である。

第３のステップ又は段（ＣＳ）３３において、成分選択は、いずれがもっとも前記バイタルボディ信号でありそうかを決定することにより達成される。

図４は、ＣＭＣ及びＰＣＡのカスケードに基づく第３の実施例による取り出しアプローチの概略的なブロック図を示す。

ＣＭＣ及びＰＣＡ方法の組み合わせは、特に２より多いセンサが使用される場合に、検討されることができる。Ｋ個のセンサが使用されると仮定する。

第１のステップ又は段（ＣＭＣ）４１において、前記Ｋ個のセンサの１つが、基準として最初に選択される。次いで、上記のＣＭＣ取り出しアプローチのステップ又は段に従って、他のセンサは、動き成分を除去するために基準センサに向けて仮想的に回転される。結果として、Ｋ−１個の信号が発生される。最終的に、第２のステップ又は段（ＰＣＡ）４２において、上記のＰＣＡベースの取り出しアプローチが、所望のバイタルボディ信号を得るために、これらＫ−１個の信号に適用される。２つのアプローチをカスケードすることにより、ＣＭＣにおける不完全な動きの除去が、更に対処されることができ、改良された取り出し品質をもたらす。図４の例において、センサV⁽ⁱ⁾が、前記基準センサとして選択される。

以下、差分角度測定（ＤＡＭ）が所望のバイタルボディ信号を取り出すために使用される第４の実施例が記載される。

加速度計のようなセンサは、異方性感度を持つ。すなわち、前記センサの出力は、入力の空間的方向に独立ではない。２以上のこのようなセンサが、これらの入力がある一般座標系において非常に似ている（理想的には同一である）ような形で使用される場合はいつでも、この異方性が、異なるセンサの局所座標系の相対的な向きを推定するように使用されることができる。したがって、このようなセンサが、これらの相対的な向き（の変化）が主に特定のバイタルボディサインを含むような形で使用されることができる場合、これらのバイタルボディサイン前記センサに対するいかなる非ゼロ入力の存在下でも観測されることができる。このアプローチが実行可能であるかどうかは、関心の向き変化の強度に対する、センサ位置における入力間の一般的な相違性に依存する。

一例として、２つの２軸加速度計は、呼吸運動を観測するために２つの異なる位置において皮膚に取り付けられることができる。前記加速度計は、これらの測定軸が（ほとんど）同じ空間面内にあるように整列される。前記位置は、加速度計入力が一般座標系において実質的に同じであるように選択される。実際には、これは、しばしば、前記位置の間の距離が小さくなくてはならないことを意味する。同時に、前記位置は、特に呼吸運動が前記加速度計の相対的な向きの変化に帰着するように選択される。

図５は、センサ配置の一例を示し、２つの加速度計Ａ、Ｂが、胸骨の上に配置されている。呼吸中に、角度θは、胸腔の拡張及び収縮に応答して変化し、結果として呼吸運動の測定を生じる。この効果を最大化するために、２つのセンサは、好ましくは、胸骨の本体とその上の部分、胸骨柄とを分離する点を横切る。これにより、吸入が、胸骨のアーチ形状の上で皮膚を伸縮させ、したがって角度θを増大させ、吐き出しは、この変化を逆転するので、加速度計の間の向きが変更される。

ここで、向きの変化の方向に完全に直交しない非ゼロ加速度計入力は、呼吸運動を観測するのに十分である。前記加速度計入力は、例えば、測定される対象が休息しているときに、重力によって、又は活動中の身体運動により誘導される慣性加速度によって生じることができる。測定原理のため、このＤＡＭベースアプローチは、したがって、動きに対して本質的にロバストである。

従来のＤＡＭベースシステムは、２つのセンサが信号を異なって測定し、前記バイタルボディ信号が減算により得られるＣＭＣ技術と比較されることができる。しかしながら、第４の実施例による提案されたＤＡＭベースアプローチにおいて、２つのセンサＡ、Ｂの加速度ベクトル間の角度差が、測定される。これは、２つのセンサＡとＢとの間の角度（回転及び／又は平行移動）の差ではないが、前記センサのシステム内部の測定された加速度ベクトルの差である。前記提案されたアプローチは、したがって、動きアーチファクトに対して大幅に無反応である。センサＡ、Ｂは、この場合、胸骨上に、例えば非常に近くに、配置されることができる。

この例に基づき、呼吸運動に関連した信号は、前記２つの加速度計のセンサ面が身体表面に直交すると仮定して、以下のように前記加速度計の出力から算出されることができる。
θ_A(t)=tan^-1(y_A(t)/x_A(t)) （１３）
θ_B(t)=tan^-1(y_B(t)/x_B(t)) （１３）
Δθ_AB(t)=θ_B(t)-θ_A(t) （１５）
ここで、x_A、y_A、x_B、y_Bは、加速度計Ａ及びＢのｘ及びｙ軸の出力信号であり、Δθ_ABは、呼吸運動に関連した信号である。向きの差を計算するこの特定の方法に対する代替例は可能である。

上述の原理に続いて、より一般的な手順が、３軸加速度計に対して容易に考案されることができることに注意する。

ＣＭＣ及びＰＣＡのカスケードされた方法と同様に、１より多い角度が、差分角度測定により得られる場合、ＰＣＡは、この後に、関心のバイタルボディ信号に最も強力に関連した成分を抽出するように第４の実施例において使用されてもよい。

図６は、上記の第２の実施例による主成分分析を使用して取り出された呼吸信号及び加速度の測定された振幅Ａを持つ図を示す。

この例において、呼吸を測定するために、３つの３軸加速度計が、試験対象の左右の肋骨弓及び腹部に配置された。胸部の周りの呼吸帯が、基準として使用された。測定中に、前記対象は、指示の下で、研究室空間において、歩行、ジョギング、横たわること、座ること、及びデスクワークを実行した。センサ読み出し値は、更なる処理の前に２５Ｈｚにおいて再サンプリングされた。図６の上側の強力に変化する波形は、左胸部センサのＸ軸により測定された生信号に対応する。上側の太い波形は、ローパスフィルタバージョン（１Ｈｚにおけるカットオフ）に対応する。下側の破線波形は、取り出された呼吸成分に対応し、下側の連続的な波形は、呼吸帯の基準信号に対応する。

各軸からの読み出し値を別の測定値とみなして、ＰＣＡ方法に対して合計３×３＝９の入力が存在する。図６において、歩行中に測定された信号波形、並びに前記呼吸帯により測定された基準呼吸信号に非常に似ているＰＣＡ後の選択された成分が、図示される。

他の実験において、加速度計Ａ、Ｂ及びＡ、Ｂ１、Ｂ２は、それぞれ、骨構造に対して図７Ａ及び７Ｂに示されるように配置された。左の図７Ａは、２つの加速度計Ａ、Ｂを持つ基本構成を示し、右の図７Ｂは、前記実験において採用された３つの加速度計Ａ、Ｂ１及びＢ２を持つ改良バージョンを示す。改良された構成を用いて、加速度計Ｂ１及びＢ２からの信号は、単一の加速度計Ｂからのものより安定した代替を形成するように平均される。

図８は、上の３つの行において歩いているＷ及び座っているＳ間の図７Ｂの加速度計Ａ、Ｂ１及びＢ２により測定された加速度波形を示し、最後の行においてＤＡＭ方法を使用して取りだされた呼吸信号を示す。

図８の最初の３つの行において、異なる波形は、異なる加速度計軸からの読み出し値を表す。最後の行は、上記のＤＡＭの式によって計算され、その後に１Ｈｚのカットオフ周波数でローパスフィルタリングされた角度θを示す。

本発明は、呼吸のようなバイタルボディサインが、身体着用センサ、例えば加速度計を使用して監視される全ての設定において適用されることができる。対象とする応用は、病院における患者モニタリングから、家庭又は看護センタにおけるヘルスケア、及びフィットネス及びスポーツ中のバイタルボディサイン測定のような消費者ライフスタイル応用まで及ぶ。

要約すると、人間又は動物の身体の運動中のバイタルボディ信号を監視する方法及びマルチセンサシステムが記載されており、加速度センサは、前記バイタルボディ信号により誘導された加速度角度変化が、少なくとも２つの加速度センサの間で異なるような身体位置に配置される。前記バイタルボディ信号の取り出しは、動き汚染されているかもしれない複数のセンサからの測定結果に基づいて所望のバイタルボディ信号を抽出することにより達成される。３つの取り出しスキームが提案されており、各々が、前記バイタルボディ信号を取り出す最適な性能を提供する好適なセンサ位置を持つ。

開示された実施例に対する他の変形例は、図面、開示及び添付の請求項の検討から、請求された発明を実施する当業者により理解及び達成されることができる。

請求項において、単語"有する"は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞"１つの"は、複数を除外しない。単一のプロセッサ、感知ユニット又は他のユニットが、請求項に列挙された複数のアイテムの機能を満たしてもよい。特定の方策が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの方策の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。

上記の実施例による提案された解決法が、少なくとも部分的に、図２ないし４の関連した機能ブロックにおけるソフトウェアモジュールにおいて実施されることができることに注意する。結果として生じるコンピュータプログラムは、図２ないし４の機能の上記の手順のステップをコンピュータに実行させるコード手段を有することができる。したがって、前記手順のステップは、コンピュータ上で実行される場合に前記コンピュータプログラムにより生成される。前記コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に又は一部として供給される光記憶媒体又は半導体媒体のような適切な媒体に記憶／分配されてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線電気通信システムを介するような他の形式で分配されてもよい。

請求項内の参照符号は、請求項の範囲を限定すると解釈されるべきではない。

本発明は、人間又は動物の身体の運動中のバイタルボディ信号を監視する方法及びマルチセンサシステムに関し、加速度計は、前記バイタルボディ信号により誘導される加速度角度変化が、少なくとも２つの加速度センサの間で異なるように身体位置に配置される。前記バイタルボディ信号の取り出しは、動き汚染されているかもしれない複数のセンサからの測定結果に基づいて所望のバイタルボディ信号を抽出することにより達成される。３つの取り出しスキームが提案され、各々が、前記バイタルボディ信号を取り出す最適な性能を提供する好適なセンサ位置を持つ。

Claims (11)

1. 人間又は動物の身体のバイタルボディ信号を監視する方法において、前記方法が、
   少なくとも２つの加速度センサを前記身体の所定の位置に配置するステップであって、前記バイタルボディ信号により誘導される角度変化が、前記少なくとも２つの加速度センサの間で異なる、当該配置するステップと、
   加速度ベクトルを測定するのに前記少なくとも２つの加速度センサを使用するステップと、
   前記バイタルボディ信号を抽出するように、共通モード取り消し、主成分分析及び差分角度測定の少なくとも１つを前記少なくとも２つの加速度センサの測定結果に適用することにより前記バイタルボディ信号を取り出すステップと、
   を有し、
   前記取り出すステップが、前記測定結果に基づいて前記加速度センサの向きを推定するステップと、前記少なくとも２つの加速度センサの回転行列を計算するステップと、前記少なくとも２つの加速度センサを仮想的に回転することにより前記少なくとも２つの加速度センサの座標系を整列するステップと、前記バイタルボディ信号により誘導されたものではない動き成分を取り消すステップとを有する、
   方法。
2. 人間又は動物の身体のバイタルボディ信号を監視する方法において、前記方法が、
   少なくとも２つの加速度センサを前記身体の所定の位置に配置するステップであって、前記バイタルボディ信号により誘導される角度変化が、前記少なくとも２つの加速度センサの間で異なる、当該配置するステップと、
   加速度ベクトルを測定するのに前記少なくとも２つの加速度センサを使用するステップと、
   前記バイタルボディ信号を抽出するように、共通モード取り消し、主成分分析及び差分角度測定の少なくとも１つを前記少なくとも２つの加速度センサの測定結果に適用することにより前記バイタルボディ信号を取り出すステップと、
   を有し、
   前記取り出すステップが、前記少なくとも２つの加速度センサの１つを基準センサとして選択するステップと、動き成分を除去するように前記少なくとも２つの加速度センサの他方を前記基準センサに向けて仮想的に回転するステップと、前記バイタルボディ信号を得るように前記主成分分析を適用するステップとを有する、
   方法。
3. 人間又は動物の身体のバイタルボディ信号を監視する方法において、前記方法が、
   少なくとも２つの加速度センサを前記身体の所定の位置に配置するステップであって、前記バイタルボディ信号により誘導される角度変化が、前記少なくとも２つの加速度センサの間で異なる、当該配置するステップと、
   加速度ベクトルを測定するのに前記少なくとも２つの加速度センサを使用するステップと、
   前記バイタルボディ信号を抽出するように、共通モード取り消し、主成分分析及び差分角度測定の少なくとも１つを前記少なくとも２つの加速度センサの測定結果に適用することにより前記バイタルボディ信号を取り出すステップと、
   を有し、
   前記取り出すステップが、前記少なくとも２つの加速度センサの加速度ベクトルの間の角度差を測定するステップを有する、
   方法。
4. 前記少なくとも２つの加速度センサが、２軸加速度センサであり、前記配置するステップが、前記少なくとも２つの加速度センサの測定軸が同じ空間面内にあるように前記少なくとも２つの加速度センサを整列するステップを有する、請求項３に記載の方法。
5. 人間又は動物の身体のバイタルボディ信号を監視するマルチセンサシステムにおいて使用する信号抽出装置において、
   前記信号抽出装置は、加速度ベクトルを測定する少なくとも２つの加速度センサであって、前記バイタルボディ信号により誘導される角度変化が前記少なくとも２つの加速度センサの間で異なるように前記身体の所定の位置に配置される当該少なくとも２つの加速度センサから測定結果を入力され、
   前記信号抽出装置が、共通モード取り消し、主成分分析及び差分角度測定の少なくとも１つを前記少なくとも２つの加速度センサの測定結果に適用することにより前記バイタルボディ信号を抽出し、
   前記抽出が、前記測定結果に基づいて前記加速度センサの向きを推定し、前記少なくとも２つの加速度センサの回転行列を計算し、前記少なくとも２つの加速度センサを仮想的に回転することにより前記少なくとも２つの加速度センサの座標系を整列し、前記バイタルボディ信号により誘導されたものではない動き成分を取り消すことを有する、
   信号抽出装置。
6. 人間又は動物の身体のバイタルボディ信号を監視するマルチセンサシステムにおいて使用する信号抽出装置において、
   前記信号抽出装置は、加速度ベクトルを測定する少なくとも２つの加速度センサであって、前記バイタルボディ信号により誘導される角度変化が前記少なくとも２つの加速度センサの間で異なるように前記身体の所定の位置に配置される当該少なくとも２つの加速度センサから測定結果を入力され、
   前記信号抽出装置が、共通モード取り消し、主成分分析及び差分角度測定の少なくとも１つを前記少なくとも２つの加速度センサの測定結果に適用することにより前記バイタルボディ信号を抽出し、
   前記抽出が、前記少なくとも２つの加速度センサの１つを基準センサとして選択し、動き成分を除去するように前記少なくとも２つの加速度センサの他方を前記基準センサに向けて仮想的に回転し、前記バイタルボディ信号を得るように前記主成分分析を適用することを有する、
   信号抽出装置。
7. 人間又は動物の身体のバイタルボディ信号を監視するマルチセンサシステムにおいて使用する信号抽出装置において、
   前記信号抽出装置は、加速度ベクトルを測定する少なくとも２つの加速度センサであって、前記バイタルボディ信号により誘導される角度変化が前記少なくとも２つの加速度センサの間で異なるように前記身体の所定の位置に配置される当該少なくとも２つの加速度センサから測定結果を入力され、
   前記信号抽出装置が、共通モード取り消し、主成分分析及び差分角度測定の少なくとも１つを前記少なくとも２つの加速度センサの測定結果に適用することにより前記バイタルボディ信号を抽出し、
   前記抽出が、前記少なくとも２つの加速度センサの加速度ベクトルの間の角度差を測定することを有する、
   信号抽出装置。
8. 前記バイタルボディ信号の抽出を実行するアルゴリズムを実行する計算ユニットを有する、請求項５乃至７のいずれか一項に記載の信号抽出装置。
9. 人間又は動物の身体のバイタルボディ信号を監視するマルチセンサシステムにおいて、
   加速度ベクトルを測定する少なくとも２つの加速度センサであって、前記バイタルボディ信号により誘導される角度変化が前記少なくとも２つの加速度センサの間で異なるように前記身体の所定の位置に配置される当該少なくとも２つの加速度センサと、
   請求項５乃至８のいずれか一項に記載の信号抽出装置と、
   を有するマルチセンサシステム。
10. 前記少なくとも２つの加速度センサが、２軸又は３軸加速度計である、請求項９に記載のマルチセンサシステム。
11. 計算装置上で実行される場合に請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法の取り出すステップを生成するコード手段を有するコンピュータプログラム。

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