特許 7409987 生体状態モニタリングシステム、これを備えるベッドシステム、及び生体状態モニタリング方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-25

(45)【発行日】2024-01-09

(54)【発明の名称】生体状態モニタリングシステム、これを備えるベッドシステム、及び生体状態モニタリング方法

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/11 20060101AFI20231226BHJP

   A61B 5/00 20060101ALI20231226BHJP

【ＦＩ】

A61B5/11 100

A61B5/00 101R

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2020125623

(22)【出願日】2020-07-22

(65)【公開番号】P2022021807

(43)【公開日】2022-02-03

【審査請求日】2023-07-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000114215

【氏名又は名称】ミネベアミツミ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099793

【弁理士】

【氏名又は名称】川北 喜十郎

(74)【代理人】

【識別番号】100154586

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 正広

(74)【代理人】

【識別番号】100179280

【弁理士】

【氏名又は名称】河村 育郎

(72)【発明者】

【氏名】轟 真佑

(72)【発明者】

【氏名】増田 重巳

(72)【発明者】

【氏名】和田 悟

(72)【発明者】

【氏名】高田 雄二

【審査官】遠藤 直恵

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０６４３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０６１９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１２０６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０００５８３８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ５／００－５／０１、５／０６－５／２２

Ａ６１Ｇ ７／００－７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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。

【請求項2】

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する請求項１に記載の生体状態モニタリングシステム。

【請求項3】

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る請求項１又は２に記載の生体状態モニタリングシステム。

【請求項4】

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おり、
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。

【請求項5】

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する請求項４に記載の生体状態モニタリングシステム。

【請求項6】

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おり、
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。

【請求項7】

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、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する請求項６に記載の生体状態モニタリングシステム。

【請求項8】

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う請求項１～７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。

【請求項9】

ベッドと、
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。

【請求項10】

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。

【請求項11】

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む請求項１０に記載の生体状態モニタリング方法。

【請求項12】

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る請求項１０又は１１に記載の生体状態モニタリング方法。

【請求項13】

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おり、
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。

【請求項14】

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む請求項１３に記載の生体状態モニタリング方法。

【請求項15】

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おり、
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。

【請求項16】

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り、
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。

【請求項17】

前記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る請求項１０～１６のいずれか一項に記載の生体状態モニタリング方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特公昭６１－２４０１０号公報

【文献】特開２０１４－１８０４３２号公報

【文献】特許第６１０５７０３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【発明の効果】

【0023】

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。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係る生体状態モニタリングシステムの構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、荷重検出器のベッドに対する配置を示す説明図である。

【図3】図３は、生体状態モニタリングシステムを用いた生体状態モニタリング方法を示すフローチャートである。

【図4】図４は、ベッドの四隅に配置された荷重検出器の各々からの荷重信号の様子を説明するための説明図である。中央の図は、ベッド、当該ベッド上に仰臥する被験者、及びベッドの四隅に配置された荷重検出器の位置関係を示す概略的な平面図である。右下、左下、左上、右上のグラフは、それぞれ、ベッドの右下、左下、左上、右上の隅部に配置された荷重検出器からの荷重信号の波形を示すグラフである。各グラフ中の波形は、被験者の呼吸に応じて振動する荷重成分を示す波形と、被験者の心拍に応じて振動する荷重成分を示す波形とに分離して示されている。

【図5】図５は、被験者の脚側に配置された荷重検出器からの荷重信号と、被験者の頭側に配置された荷重検出器からの荷重信号との差分であるＹ軸信号（呼吸信号）の一例を示すグラフである。

【図6】図６（ａ）、図６（ｂ）は、被験者の右側に配置された荷重検出器からの荷重信号と、被験者の左側に配置された荷重検出器からの荷重信号との差分であるＸ軸信号（心拍信号）の一例を示すグラフである。図６（ａ）は被験者の体軸がベッドの長さ方向に一致している状況下で得られたＸ軸信号の一例を示し、図６（ｂ）は被験者の体軸がベッドの長さ方向に対して傾いている状況下で得られたＸ軸信号の一例を示す。

【図7】図７（ａ）～図７（ｄ）は、実施形態の生体状態モニタリングシステムの荷重検出部により検出された被験者の荷重信号の一例である。図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図７（ｄ）はそれぞれ、被験者の右下、左下、左上、右上に配置された荷重検出器により検出された荷重信号の一例を示すグラフである。

【図8】図８は、図７（ａ）～図７（ｄ）に示す荷重信号の差分であるＹ軸信号（呼吸信号）を示すグラフである。

【図9】図９は、図７（ａ）～図７（ｄ）に示す荷重信号が検出された期間と同一の期間に、図７（ａ）～図７（ｄ）に示す荷重信号の検出が行われた被験者と同一の被験者について行った、呼吸流量計を用いた計測の結果を示すグラフである。

【図10】図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）はそれぞれ、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図７（ｄ）に示すグラフの一部を拡大したグラフである。

【図11】図１１は、図１０（ａ）～図１０（ｄ）に示す荷重信号の差分である心拍信号を示すグラフである。

【図12】図１２は、図１０（ａ）～図１０（ｄ）に示す荷重信号が検出された期間と同一の期間に、図１０（ａ）～図１０（ｄ）に示す荷重信号の検出が行われた被験者と同一の被験者について行った、指先血圧計を用いた計測の結果を示すグラフである。

【図13】図１３（ａ）は、体軸をベッドの長さ方向に対して傾けてベッド上に位置している被験者と、ベッド下に配置された荷重検出器との位置関係を示す説明図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示す状況下での、ｘｙ平面上での点Ｐの移動範囲、及び点Ｐの軌跡に応じて描かれるｘ軸波形及びｙ軸波形の一例を示す説明図である。

【図14】図１４（ａ）は、体軸をベッドの長さ方向に一致させてベッド上に位置している被験者と、ベッド下に配置された荷重検出器との位置関係を示す説明図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示す状況下での、ｘｙ平面上での点Ｐの移動範囲、及び点Ｐの軌跡に応じて描かれるｘ軸波形及びｙ軸波形の一例を示す説明図である。

【図15】図１５（ａ）は、被験者の体軸がベッドの長さ方向に対して反時計回りに角度θ傾いている状況下で、実施形態の生体状態モニタリングシステムの信号補正部により描かれた点Ｐの軌跡の一例を示す。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の軌跡を時計回りに角度θ回転して得られた軌跡を示す。

【図16】図１６（ａ）は、図１５（ａ）の軌跡に応じて描かれるｘ軸波形の一部を示し、図１６（ｂ）は図１５（ｂ）の軌跡に応じて描かれる補正ｘ軸波形の一部を示す。

【図17】図１７（ａ）は、図１５（ａ）の軌跡に応じて描かれるｙ軸波形の一部を示し、図１７（ｂ）は図１５（ｂ）の軌跡に応じて描かれる変換ｙ軸波形の一部を示す。

【図18】図１８は、変形例に係るベッドシステムの全体構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

＜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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

［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。

【0038】

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。

【0039】

［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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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ｓａ_ｂと心拍成分ｓａ_ｈ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ｓｂ_ｂと心拍成分ｓｂ_ｈ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ｓｃ_ｂと心拍成分ｓｃ_ｈ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ｓｄ_ｂと心拍成分ｓｄ_ｈとを示す。

【0049】

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。

【0050】

呼吸成分ｓａ_ｂ～ｓｄ_ｂ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。

【0051】

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ｓａ_ｂ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ｓｂ_ｂ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ｓａ_ｂと呼吸成分ｓｂ_ｂ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）。

【0052】

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ｓｃ_ｂ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ｓｄ_ｂとは同位相である。

【0053】

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ｓａ_ｂ、ｓｂ_ｂ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ｓｃ_ｂ、ｓｄ_ｂ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ｓａ_ｂ、ｓｂ_ｂと呼吸成分ｓｂ_ｃ、ｓｃ_ｃ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）。

【0054】

心拍成分ｓａ_ｈ～ｓｄ_ｈ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。

【0055】

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ｓａ_ｈ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ｓｄ_ｈ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。

【0056】

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ｓｂ_ｈ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ｓｃ_ｈとは同位相である。

【0057】

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ｓａ_ｈ、ｓｄ_ｈ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ｓｂ_ｈ、ｓｃ_ｈ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。

【0058】

呼吸成分ｓａ_ｂ～ｓｄ_ｂと、心拍成分ｓａ_ｈ～ｓｄ_ｈとを比較すると、呼吸成分ｓａ_ｂ～ｓｄ_ｂの周期が心拍成分ｓａ_ｈ～ｓｄ_ｈ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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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

【数1】

である。

【0062】

荷重信号ｓａと荷重信号ｓｂの和においては、呼吸成分ｓａ_ｂと呼吸成分ｓｂ_ｂとは同位相であるため強めあい、心拍成分ｓａ_ｈと心拍成分ｓｂ_ｈ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ｓｃ_ｂと呼吸成分ｓｄ_ｂとは同位相であるため強めあい、心拍成分ｓｃ_ｈと心拍成分ｓｄ_ｈ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ｓａ_ｂ、ｓｂ_ｂと呼吸成分ｓｃ_ｂ、ｓｄ_ｂ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。

【0063】

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ｓａ_ｂ～ｓｄ_ｂの周期に等しく、振幅は数式１からすると、呼吸成分ｓａ_ｂ～ｓｄ_ｂ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ｓａ_ｂ～ｓｄ_ｂの振幅の絶対値の和に比較して圧縮して描かれている。

【0064】

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。

【0065】

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

【数2】

である。

【0066】

荷重信号ｓａと荷重信号ｓｄの和においては、心拍成分ｓａ_ｈと心拍成分ｓｄ_ｈとは同位相であるため強めあい、呼吸成分ｓａ_ｂと呼吸成分ｓｄ_ｂ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ｓｂ_ｈと心拍成分ｓｃ_ｈとは同位相であるため強めあい、呼吸成分ｓｂ_ｂと呼吸成分ｓｃ_ｂ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ｓａ_ｈ、ｓｄ_ｈと心拍成分ｓｂ_ｈ、ｓｃ_ｈ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。

【0067】

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ｓａ_ｈ～ｓｄ_ｈの周期に等しく、振幅は、数式２からすると、心拍成分ｓａ_ｈ～ｓｄ_ｈ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ｓａ_ｈ～ｓｄ_ｈの振幅の絶対値の和に比較して圧縮して描かれている。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【0085】

［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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

（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。

【0090】

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、

【数3】

【数4】

である。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

そのため、ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）を次のように定め、

【数5】

【数6】

ｘｙ平面上に点Ｐ（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ））をプロットすると、ベッドＢＤ上での重心Ｇの移動とｘｙ平面上での点Ｐの移動は、次の対応関係を有する。

【0094】

（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。

【0095】

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。

【0096】

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。

【0097】

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。

【0098】

（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。

【0099】

Ｘ軸信号ＳＸの補正は、具体的には次の原理により行う。

【0100】

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）。

【0101】

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。

【0102】

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。

【0103】

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。

【0104】

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。

【0105】

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。

【0106】

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）。

【0107】

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。

【0108】

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。

【0109】

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。

【0110】

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。

【0111】

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。

【0112】

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）。

【数7】

【0113】

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。

【0114】

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。

【0115】

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。

【0116】

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。

【0117】

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。

【0118】

［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。

【0119】

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。

【0120】

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。

【0121】

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。

【0122】

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。

【0123】

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。

【0124】

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。

【0125】

＜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。

【0126】

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。

【0127】

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。

【0128】

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。

【0129】

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。

【0130】

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。

【0131】

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。

【0132】

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。

【0133】

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。

【0134】

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。

【0135】

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。

【0136】

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。

【0137】

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。

【0138】

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。

【0139】

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。

【0140】

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。

【0141】

この場合は、数式３、数式４に代えて

【数8】

【数9】

を用いて上記実施形態と同様の方法でＸ軸信号ＳＸを補正してもよい。

【0142】

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。

【0143】

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。

【0144】

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。

【0145】

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。

【0146】

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。

【産業上の利用可能性】

【0147】

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。

【符号の説明】

【0148】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】