离床监测装置制造方法

离床监测装置制造方法
【专利摘要】提供一种用于监测用户并且确定用户何时已经离床的离床监测装置，所述装置包括处理器，所述处理器被配置为接收作用于被附接至用户的设备上的三维加速度的测量结果；并且处理所述测量结果，以确定用户是否已经离床。
【专利说明】离床监测装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于监测用户以确定他们是否将要或正在离床的装置。

【背景技术】
[0002] 患者跌倒是医院报道中的最常发生的事件之一，也是65岁或以上人群死亡的主 要原因。在跌倒的患者中，多达一半会遭受减少移动性和独立性并且增加过早死亡的风险 的中度至重度损伤。约50%的因髋部骨折住院的老年人无法恢复其先前的功能水平。老年 人中大约10%的致命跌倒发生在医院。
[0003] 因此，目的是减少由跌倒导致患者伤害的风险。现有的跌倒预防策略依赖于识别 跌倒风险增加的患者，以及使用集成到其床上的设备或系统，以监测患者并且在患者正离 床的时候，向护理人员提供警报。会要求这个监测的特定类型的患者包括老年人、幼儿和具 体条件或环境下(诸如术后）的患者。
[0004] 应当意识到，这些监测系统也能够应用于除被认为具有跌倒风险之外的其他患 者，例如，他们能够用于警告护理人员，需要辅助移动小车保持点滴和附接至患者的其他医 疗器材的患者正在离开其床。
[0005] 当前在医院中使用的离床检测技术，常常依赖于集成到患者床的压敏垫或测压元 件。其他常见类型的传感器基于在平行于床的侧轨安装的红外射束检测器。备选地，能够 使用基于超声的床存在检测器。尽管这些技术可能有效地检测患者实际上已经离开了床， 但由这些技术提供的警报常常来的太晚，并且无法为护理人员提供足够的时间来反应并抵 达患者，以预防跌倒。这些技术的另一常见问题是他们具有相对高的误警率。在每种情况 下，要求专用器械安装在床上或周围，其能够仅仅用于检测用户是否已经离床。
[0006] 因此，需要一种备选离床监测系统，其能够检测患者或用户何时已经离床(并且其 能够潜在地检测患者或用户将要离床)，从而尽早向护理人员提供警报，同时使误警的发生 最小化。


【发明内容】

[0007] 根据本发明的第一方面，提供一种离床监测装置，其用于监测用户并确定用户已 经离床，所述装置包括处理器，所述处理器被配置为接收作用于被附接至用户的设备上的 三维加速度的测量结果；并且处理所述测量结果，以确定用户是否已经离床。
[0008] 在一个实施例中，所述处理器被配置为处理所述测量结果，以估计用户的随时间 变化的姿势，并且如果估计的姿势从卧姿或坐姿变为直立的姿势，确定所述用户已经离床。
[0009] 在另一实施例中，所述处理器被配置为处理所述测量结果，以从加速度的测量结 果中估计设备的随时间变化的高度变化，并且如果设备高度变化超过阈值，确定用户已经 离床。
[0010] 在优选实施例中，所述处理器被配置为处理所述测量结果，以通过从加速度的测 量结果中确定设备的随时间变化的高度变化；估计用户的随时间变化的姿势；并且如果高 度变化大于阈值，这发生在估计的卧姿或坐姿和估计的直立的姿势之间，确定用户已经离 床。
[0011] 在本发明的备选实施例中，所述处理器还被配置为接收设备处的气压的测量结 果；并且其中，所述处理器被配置为通过处理气压测量结果来确定用户是否已经离床，以确 定设备的随时间变化的高度变化；处理加速度的测量结果，以估计用户的随时间变化的姿 势；以及，如果高度变化大于阈值，这发生在估计的卧姿或坐姿与估计的直立姿势之间，确 定用户已经离床。
[0012] 在上述实施例中，所述处理器还能够被配置为接收设备的取向的测量结果；并且 使用所述设备的取向的测量结果与加速度的测量结果来估计用户的随时间变化的姿势。
[0013] 在一些实施例中，所述处理器被配置为处理加速度的测量结果，以通过确定从加 速度的测量结果中得到的加速度矢量和对应于用户的参考系的轴的一个或多个参考矢量 的方向上的对应的测量结果，估计用户的随时间变化的姿势，在加速度矢量和每个参考矢 量的方向上对应的测量结果的绝对值或量值指示加速度的测量结果与用户的特定姿势的 对应。
[0014] 参考矢量能够分别对应于：在后前方向上的用户的参考系的Z-轴、从底部到顶部 垂直的用户参考系的y-轴以及在内外方向上的用户的参考系的X-轴；加速度矢量和针对 用户的参考系的Z-轴的参考矢量的在方向上的对应的量度能够指示加速度的测量结果与 用户的俯卧或仰卧姿势的对应；加速度矢量和针对用户参考系的y-轴的参考矢量的在方 向上的对应的量度能够指示加速度的测量结果与用户的直立姿势的对应；以及，加速度矢 量和针对用户参考系的X-轴的参考矢量的在方向上的对应的量度能够指示加速度测量与 用户正在侧卧的姿势的对应。
[0015] 在一些实施例中，所述处理器被配置为确定加速度矢量和对应于用户的参考系的 轴的多个参考矢量的在方向上的对应的量度；并且基于在具有最大绝对值或量值的方向上 的对应的量度来估计针对加速度矢量的用户的姿势。
[0016] 在一些实施例中，所述处理器还被配置为在确定用户是否已经离床之前执行校准 程序，在所述校准程序中，确定对应于用户的参考系的轴的参考矢量，所述校准程序包括搜 索加速度矢量的集合，所述该组加速度矢量来源于针对用户处于第一姿势的第一时间周期 和用户处于第二不同姿势的第二时间周期的加速度的测量结果；对在第一时间周期和第二 时间周期中的每个中的加速度矢量取平均值，以针对第一时间周期和第二时间周期中的每 个给出相应的第一平均矢量和第二平均矢量，第一矢量和第二矢量被认为分别是针对用户 参考系的第一轴和第二轴的参考矢量；以及，将用作针对用户的参考系的第三轴的参考矢 量的第三矢量确定为正交于第一矢量和第二矢量的矢量。
[0017] 在一些实施例中，所述处理器被配置为在加速度的特定成分超过阈值的时间周期 内搜索加速度矢量的集合。
[0018] 在一些实施例中，所述处理器还被配置为将所述阈值设置为在先前识别的时间周 期内的特定成分的平均值，在所述先前识别的时间周期内，加速度的特定成分超过阈值。
[0019] 根据本发明的第二方面，提供一种被配置为由用户佩戴的设备，所述设备包括加 速度计，其测量在三个维度上作用于所述设备的加速度；以及如以上描述的装置。
[0020] 根据本发明的第三方面，提供一种离床监测系统，所述系统包括被配置为由用户 佩戴的设备，所述设备包括加速度计，其测量在三个维度上作用于所述设备的加速度；以及 基本单元，其被配置为与所述设备通信，并且其包括如以上描述的装置。
[0021] 根据本发明的第四方面，提供一种监测用户并且确定用户何时已经离床的方法， 所述方法包括测量作用于被附接至用户的设备上的三维加速度；以及处理测量结果，以确 定用户是否已经离床。
[0022] 在一个实施例中，处理所述测量结果的步骤包括，处理所述测量结果，以估计用户 的随时间变化的姿势，以及如果估计的姿势从卧姿或坐姿变为直立的姿势，则确定用户已 经离床。
[0023] 在另一实施例中，处理所述测量结果的步骤包括，处理所述测量结果，以从加速度 的测量结果估计设备的随时间变化的高度变化，以及如果设备高度变化超过阈值，则确定 用户已经离床。
[0024] 在优选实施例中，处理所述测量结果以确定用户是否已经离床的步骤包括：从加 速度的测量结果中确定设备的随时间变化的高度变化；估计用户的随时间变化的姿势；以 及，如果高度变化大于阈值，这发生在估计的卧姿或坐姿姿势和估计的直立姿势之间，则确 定用户已经离床。
[0025] 在本发明的备选实施例中，所述方法还包括接收所述设备处的气压的测量结果的 步骤；并且其中，处理所述测量结果以确定用户是否已经离床的步骤包括：处理气压测量 结果，以确定所述设备的随时间变化的高度变化；处理加速度的测量结果，以估计用户的随 时间变化的姿势；以及，如果高度变化大于阈值，这发生在估计的卧姿或坐姿姿势和估计的 直立姿势之间，则确定用户已经离床。
[0026] 在上述实施例中，所述方法还能够包括接收所述设备的取向的测量结果的步骤； 并且其中，处理所述测量结果的步骤包括使用所述设备的取向的测量结果与加速度的测量 结果来估计用户的随时间变化的姿势。
[0027] 在一些实施例中，处理加速度的测量结果以估计用户的随时间变化的姿势的步骤 包括确定从加速度的测量结果中得到的加速度矢量和对应于用户的参考系的轴的一个或 多个参考矢量的在方向上的对应的量度，加速度矢量和每个参考矢量的在方向上的对应的 量度的绝对值或量值指示加速度的测量结果与用户的特定姿势的对应。
[0028] 参考矢量能够分别对应于：处于后前方向上的用户的参考系的Z-轴、从底部到顶 部垂直的用户的参考系的y-轴以及处于内外方向上的用户的参考系的X-轴；加速度矢量 和针对用户的参考系的Z-轴的参考矢量的在方向上的对应的量度能够指示加速度的测量 结果与用户的俯卧或仰卧姿势的对应；加速度矢量和针对用户的参考系的y-轴的参考矢 量的在方向上的对应的量度能够指示加速度的测量结果与用户的直立姿势的对应；以及， 加速度矢量和针对用户的参考系的X-轴的参考矢量的在方向上的对应的量度能够指示加 速度测量与用户正在侧卧的姿势的对应。
[0029] 在一些实施例中，处理所述测量结果的步骤包括确定加速度矢量和对应于用户的 参考系的轴的多个参考矢量的在方向上的对应的量度；以及，基于在具有最大绝对值或量 值的方向上的对应的量度，估计针对加速度矢量的用户的姿势。
[0030] 在一些实施例中，所述方法还包括在处理所述测量结果的步骤之前执行校准过程 的步骤，在所述校准过程中，确定对应于用户的参考系的轴的参考矢量，所述校准过程包括 搜索从针对用户处于第一姿势的第一时间周期和用户处于第二不同姿势的第二时间周期 的加速度的测量结果中得到的加速度矢量的集合；对第一时间周期和第二时间周期的每个 中的加速度矢量取平均值，以给出针对第一时间周期和第二时间周期中的每个的相应的第 一平均矢量和第二平均矢量，第一矢量和第二矢量分别被认为是针对用户的参考系的第一 轴和第二轴的参考矢量；以及，将用作针对用户的参考系的第三轴的参考矢量的第三矢量 确定作为正交于第一矢量和第二矢量的矢量。
[0031] 在一些实施例中，搜索的步骤包括搜索针对加速度的特定分量超过阈值的时间周 期的加速度矢量的集合。
[0032] 在一些实施例中，所述校准过程还包括将所述阈值设置为在加速度的特定分量超 过阈值的先前识别的时间周期内的特定分量的平均值的步骤。
[0033] 根据本发明的第五方面，提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括具 有其中包含计算机程序代码的计算机可读介质，计算机程序代码被配置为使得当由计算机 或处理器执行计算机程序代码时，所述计算机或处理器执行如以上描述的方法。

【专利附图】

【附图说明】
[0034] 现在将仅通过范例的方式，参考以下附图描述本发明的实施例，在附图中：
[0035] 图1是根据本发明的实施例的离床监测系统的方框图；
[0036] 图2 (a)是图示了在用户离床期间由加速度计获得的信号的曲线图，并且图2 (b) 是图示了在离床期间用户的倾斜的曲线图；
[0037] 图3是图示了在离床期间在全局坐标系中的用户的位置变化的曲线图；
[0038] 图4是图示了从气压变化的测量结果中得到的离床期间的海拔或高度变化的曲 线图；
[0039] 图5是图示了处理系统的用户移动的测量结果以便确定用户是否正在或将要离 床的方法的流程图；
[0040] 图6是图示了根据本发明的实施例的校准所述设备的方法的流程图；
[0041] 图7是图示了从加速度计测量结果中估计用户的姿势的方法的流程图；
[0042] 图8是图示了来自加速度计的测量结果和从加速度计测量结果中估计的姿势的 一对曲线图；
[0043] 图9是用于确定检测到的高度变化和估计的姿势是否对应于离床的方法的流程 图；
[0044] 图10是用于确定检测到的高度变化和估计的姿势是否对应于离床的备选方法的 流程图；
[0045] 图11是图示了处理加速度计信号以确定高度变化的方框图；
[0046] 图12是图示了处理加速度计信号以确定高度变化的方法的流程图；
[0047] 图13是示出了在处理以确定高度变化的不同阶段处的信号的一系列曲线图；
[0048] 图14是示出了从加速度测量结果的范例性集合中估计的高度和高度变化的曲线 图的集合；
[0049] 图15是子中值滤波器的方框图；
[0050] 图16是图示了子中值滤波器的操作的基本原理的曲线图；
[0051] 图17是图示了子中值滤波器的操作的另一曲线图；
[0052] 图18是图示了操作子中值滤波器的范例性方法的流程图；
[0053] 图19是图示了将子中值滤波器应用于包括一组正弦信号和高斯噪声的信号中的 结果的曲线图；
[0054] 图20是图示了由自适应中值滤波器使用的中值滤波器子窗的曲线图；以及
[0055] 图21是范例性自适应中值滤波器的方框图。

【具体实施方式】
[0056] 在图1中示出了根据本发明的以离床监测系统2的形式的离床监测装置的实施 例。所述系统2包括由用户佩戴的设备4。能够以具有脖绳的坠饰的形式提供所述设备4， 以设置在用户颈部周围，但是备选地，所述设备4能够被配置为被佩戴在用户身体的不同 部位处或上，诸如手腕、腰部、躯干、胸部、骨盆或胸骨，并且将包括用于将设备4附接至身 体的该部位的适当布置(例如皮带或带子)。
[0057] 所述设备4包括传感器6,所述传感器用于测量作用于设备4的加速度，假设设备 4由用户正确佩戴，所述加速度对应于由用户经历的加速度。该传感器6,例如加速度计，将 加速度测量结果(信号)输出至在设备4中的处理器8。在一些实施例中，加速度计6是微机 电系统（MEMS)加速度计。尽管应当注意，能够使用很多其他的采样频率(例如50和125Hz)， 以30Hz的速率可以对由加速度计6经历的加速度进行采样。
[0058] 使用具有被附接至用户的加速度计6的设备4的优点是能够处理加速度计信号， 以便识别用户是否正在执行与用户正在离床一致的移动，以及所述系统2能够使用加速度 计测量结果来测量用户的生命体征，诸如呼吸和/或脉搏率。另外，在设备4中存在加速度 计6,连同适当的处理，允许设备4确定用户的状况或当前状态（S卩，站起、行走、跌倒等)。这 与常规系统形成对比，所述常规系统利用仅仅能够检测用户离床的压敏垫或红外射束检测 器（即，它们不提供任何其他监测或检测功能)。而且，一旦用户已经离床，这些常规系统不 能够提供对用护的状态或状况的任何指示。最后，为了达到离床检测的目的，它们需要由医 院人员进行安装，导致额外的负担。
[0059] 设备4中的处理器8分析或处理来自加速度计6的测量结果，以确定用户是否正 在或即将离床。
[0060] 所述设备4还包括警报单元10 (其可以包括扬声器)，如果检测到离床，能够由处 理器8触发所述警报单元，以便为用户寻求帮助。然而，应当注意，设备4中的警报单元10 的存在是任选的。
[0061] 所述设备4还包括存储器模块12,其被连接到处理器8,并且其能够存储在由处理 器8处理测量结果之前、期间或之后的来自加速度计6的测量结果。存储器模块12也能够 存储由处理器8执行的处理结果。另外，存储器模块12可以存储涉及由处理器8执行的处 理步骤的计算机代码或程序指令，以便确定是否发生或将要发生离床，这能够根据需要由 处理器8检索和执行。
[0062] 所述设备4还包括发射机（TX)或收发机（TRX)电路16和相关天线18,其能够用 于将加速度计测量结果或处理的结果(其能够包括警报信号)发射至基本单元18。例如，所 述基本单元18可以位于靠近用户的床，或例如，其可以是在护士站的计算机终端。在其他 实施例中，可以存在位于靠近用户的床的基本单元18,其接收来自设备4的测量结果或处 理的结果，并且将所述信息发射至另一单元，诸如位于护士站的计算机终端。
[0063] 所述基本单元18包括相应的接收器（RX)或收发机（TRX)电路20和天线20,其用 于接收来自设备4的发射(诸如加速度计测量结果、处理结果和/或警报信号)，并且处理器 24用于控制基本单元18的操作。所述基本单元18可以使用TRX电路20来向设备4发射 设置或配置信息。尽管未图示，基本单元18也可以包括显示器，其用于图示处理的结果(例 如，呼吸和/或脉搏率)。
[0064] 基本单元18也任选地包括存储器模块26,其用于存储从设备4接收的信息，以及 涉及由处理器24执行的处理步骤的计算机代码或程序指令，以便控制基本单元18的操作。
[0065] 所述基本单元28也包括警报单元(其可以包括扬声器)，如果检测到离床，能够由 处理器24触发所述警报单元。
[0066] 尽管在本文中描述的本发明的实施例中，所述处理器8执行加速度计测量结果的 处理，以确定用户是否正在或即将离床，应当注意，在本发明的备选实施例中，设备4中的 处理器8能够经由收发机电路14简单地将加速度计测量结果发射至基本单元18,并且基本 单元18的处理器24能够执行加速度计测量结果的处理，以确定用户是否正在或即将离床。 [0067] 在又一备选方案中，在向基本单元18发射结果之前，设备4中的处理器8可以执 行对加速度计测量结果的初始处理步骤中的一些，例如，所述基本单元18完成处理并且确 定用户是否正在离床。
[0068] 简言之，处理来自加速度计6的测量结果，以便确定用户是否正在离床。如下文更 详细地描述的，该处理目的在于识别与用户正在离床一致的移动和/或姿势。例如，通常的 离床将涉及用户翻身至其一侧，使得他们面对床的边缘(假设他们开始处于俯卧或仰卧位 置)，坐起，并且然后站起直立。由此，能够处理加速度计测量结果，以识别与用户正在离床 一致的移动、移动模式、身体姿势变化、取向变化和/或高度变化中的任何一个或多个。尽 管有可能处理测量结果来识别仅仅一个姿势或仅仅高度变化，以确定用户是否正在离床， 应当注意，通过识别多个姿势连同来自测量结果的高度变化能够减少生成误警的风险。而 且，通过确定是否以离床的正确时间顺序发生姿势和高度变化，能够进一步减少误警的风 险。
[0069] 图2 (a)和图2(b)示出了当人离床时来自加速度计6的信号的典型范例。在图2 (a)中，用户初始平躺处于仰卧位置。线32、34和36分别表示沿着加速度计6的z-、y-和 X-轴的加速度的测量结果。通常设备4和加速度计6被取向，使得大体垂直于用户的身体 对齐Z-轴（即，其垂直于在朝向用户前面的用户背部皮肤的平面，使得当用户躺仰卧或俯 卧时，通过该轴测量重力)，大体垂直沿着用户身体从地面向上对齐y_轴，并且X-轴正交于 y-轴和Z-轴。在生物力学角度，Z-轴处于后前方向上，y轴是从底部到顶部垂直的，并且 X-轴处于内外方向上(其中X-、y-和Z-轴正交，右旋)。线38表示加速度信号的范数，当 不存在其他加速度时其等于重力的尺寸。在该图中，设备4的取向使得沿着x-、y_和Z-轴 中的每个找到对应于重力的加速度分量。
[0070] 然后，用户翻转到其一侧，面对床的边缘，并且起身站立。图2 (b)示出了以角度 测量的倾斜，当用户朝床的边缘弯曲时，所述倾斜上升，并且在用户站起之前，甚至假设向 前弯曲姿势。倾斜信号的端部对应于直立姿势。理想地，（即如果将加速度计6正确地取向 在用户上)，根据在Z-轴方向上观察的重力，当用户正在站起时倾斜将是90度。
[0071] 从卧姿到坐姿直立(或向前倾斜的坐姿)的姿势次序是能够由离床监测系统2检测 到的特征。在另一实施例中，能够分析发生在姿势转换中的中间姿势步骤，以增加检测的可 靠性。例如，如果同时地检测到在向前和侧向方向上的躯干移动(可能另外检测到躯干的高 度变化)，这意味着对象通过对象在仰卧位置上将其自己拉向床的边缘并且然后将他们的 腿悬在床外以获得地板接触，从而试图离床。
[0072] 通过使用滤波器以估计加速度的垂直分量(例如，通过计算加速度信号的范数）并 且移除对应于来自加速度计信号的重力的加速度，通过对(经滤波的）加速度计信号进行二 次积分，能够测量躯干的上升（即，离床之后从卧姿或坐姿位置到站起直立)。这个上升提供 能够在检测离床中使用的另一特征。在图3中示出了在图2 (a)中示出的从加速度信号中 计算的高度上升。
[0073] 在一些实施例中，所述设备4能够包括一个或多个额外的传感器30、32和/或34， 所述传感器30、32和/或34能够提供除加速度计测量结果以外的测量结果，所述测量结果 能够用于补充对加速度计测量结果的处理，并且从而允许检测其他移动或姿势，并且由此 增加离床检测的可靠性。
[0074] 例如，所述设备4还可以包括提供气压测量结果的气压传感器30,能够处理所述 气压测量结果，以确定设备4的高度或海拔。图4示出了表示从气压传感器信号中得到的 海波或高度的信号，在离床期间从气压传感器30获得所述气压感应信号。
[0075] 图4图示了对气压传感器信号与加速度计测量结果的分析的组合的愿望。尤其， 这个组合可能从由高度导致的物理变化中区分气压的环境变化。在另一方面，当使用加速 度计信号以确定高度差时，气压传感器信号的使用允许由设备4的运动导致的明显高度变 化区分于实际高度变化。例如，如果不再恰当地校准加速度计6,设备4的旋转可以导致测 量到的重力的量值的变化，其能够被解释为由移动导致的加速度并且由此将导致明显的高 度变化。
[0076] 另外，由于难以使用加速度计6来围绕垂直线测量旋转，所述设备4也可以或备选 地包括磁力计32或回转仪34,其提供用于确定设备4在水平面上的取向的测量结果（即， 确定用户围绕垂直重力场的旋转或前进)。由于在床缘的边缘处坐起也通常涉及用户侧转， (即，用户执行围绕垂直轴的旋转)，增加磁力计32或回转仪34能够改善离床检测。
[0077] 除了检测用户是否将要离床之外，应当注意，有可能处理传感器测量结果，以确定 用户是否已经实际离床。例如，能够处理测量结果，以确定用户是否已经站起或已经正在站 立或行走。根据检测到给出的高度增加和/或特征性移动模式(例如，仅仅在高度增加之 前躯干后前摆动)，能够确定站起。根据检测到直立躯干姿势和轻微摇动(其区分于坐姿直 立)，可以确定站起。根据同时检测到直立躯干姿势和增加移动水平(例如，在加速度计信号 中的能量或变型方面)，可以确定行走。
[0078] 图5是图示了根据本发明的实施例的方法中的一些范例性步骤的流程图。在步骤 101 (其为任选的）中，在将以上描述的设备4附接至用户期间或之后，校准设备4。该校准 涉及校准设备4,使得来自加速度计6的测量结果能够被转换为用户的参考系，从而允许使 用测量结果来更准确地确定用户的姿势。应当注意，可以在使用设备4期间周期性地执行 校准步骤，并且可以与方法中的后续步骤平行执行所述校准步骤。
[0079] 在步骤103中，从加速度计6获得作用于设备4上的加速度的测量结果。
[0080] 在方法的以下步骤中，如参考步骤105至111图示的，处理加速度计测量结果，以 便确定用户是否即将或正在离床。应当注意，能够以与以下图示和描述的不同顺序执行步 骤105至111，和/或如果前述步骤的结果与已经发生离床一致，可以仅仅执行步骤中的一 些。
[0081] 尤其，在步骤105中，从加速度计测量结果中估计设备4的随时间变化的高度或高 度变化。
[0082] 在设备4不包括除加速度计6之外的任何额外的传感器的情况下，从加速度计测 量结果中能够唯一地确定设备4的高度或高度变化，例如，如在欧洲专利申请号61/524813 (U. S?专利申请)标题为"Estimating velocity in a horizontal or vertical direction from acceleration measurements"中描述的，其以皇家飞利浦电子的名义在61/524813 (U.S.专利申请)中申请，在此通过引用将其全文并入。在该说明书的结尾处的附录中列举 并且在图11至图21中图示在所述专利申请中描述的用于估计速度和高度或高度变化的技 术。
[0083] 备选地，在所述设备4包括高度传感器(诸如气压传感器30)的情况下，例如通过 使用传感器融合技术，气压传感器能够用于确定高度或高度变化，替代或连同加速度计测 量结果。在所述设备4包括又一传感器(诸如磁力计32或回转仪34)的情况下，来自这些 传感器的测量结果能够连同来自加速度计6的测量结果用于识别加速度的垂直分量，并且 由此辅助确定设备4的高度或高度变化。
[0084] 之后，将估计的高度或高度变化与阈值(步骤107)进行比较，以确定高度或高度变 化是否与用户离床一致。能够基于多种因素设置阈值，包括设备4在用户上的位置、用户的 高度、床的高度等。在一些实施方式中，阈值可以被设置为成比例地对应于当用户躺下和用 户站起直立时的腰部的高度差。由此，在床相当高和/或在用户相对矮的情况下，阈值将被 设置为相对低值。例如，在所述设备4被附接至用户的腰部的情况下，高度变化的适当阈值 能够是4厘米（0.04米)。
[0085] 如果估计的高度或高度变化超过阈值，所述方法转到步骤111。如果估计的高度或 高度变化不超过阈值，所述方法回到步骤103 (S卩，针对当前测量结果不执行后续步骤）并 且重复加速度测量结果的新的集合。
[0086] 除了在步骤105中估计高度变化之外，处理器8估计在许多时间瞬间的用户的姿 势(步骤109)。
[0087] 正如上述高度变化估计，以下更详细地描述仅仅使用来自加速度计6的测量结果 能够完成姿势估计。备选地，从加速度计测量结果连同来自又一传感器(诸如磁力计32或 回转仪34)的测量能够估计姿势。来自磁力计32或回转仪34的测量结果允许提高对设备 4的取向的估计。
[0088] 在步骤111中，在该实施例中，在高于阈值的高度或高度变化的肯定的确定之后 发生步骤111，确定估计的高度变化和估计的姿势是否与离床一致。以下更详细地描述该 步骤。在一个实施例中，确定高度超过阈值的时刻发生在用户处于卧姿(仰卧、俯卧或侧卧） 位置和处于直立位置之间。如果不是，则确定测量到的高度变化和移动不对应于用户离床， 并且所述方法返回步骤103。
[0089] 如果高度超过阈值的时刻或在高度变化超过阈值期间的时间周期发生在从卧姿 位置至直立位置的过渡期间，确定已经发生离床或试图离床(步骤113)。在这种情况下，能 够触发警报(步骤115)。
[0090] 现在将更详细地描述在图5中示出的方法的步骤中执行的处理。在下文中，假设 所述设备4被附接至用户的腰部。
[0091] 柃准
[0092] 如上所述，由于设备4的精确取向以及由此加速度计6关于用户的参考系是未知 的，因此期望执行涉及校准设备4的校准步骤，使得来自加速度计6的测量结果能够被转换 为用户的参考系，从而允许使用测量结果，以更准确地确定设备4的高度变化和/或用户的 姿势。
[0093] 如上所述，设备4的形式因素/形状(尤其外壳）能够被设计使得例如当附接至用 户的腰部区域时，大体垂直于用户的身体对齐加速度计6的Z-轴（S卩，其垂直于在用户背部 的皮肤的平面)，大体穿过用户身体垂直向下朝向地面对齐y-轴（即，当设备4被附接至腰 部时，其指向用户的腿)，并且X-轴正交于y-轴和Z-轴（即，其指向侧向方向）。设备4可 以在设备4的外壳具有标记，当其被附接至用户时，所述标记指示优选取向，或其可以是针 对用户身体的特定部位的人体工程学形状，使得当被附接至用户时，设备4假设大体正确 的取向。
[0094] 当设备4与用户参考系大体对齐时，由于重力将作用于y_方向，当用户处于站起 直立时，在该方向上感应的加速度应当具有加速度的最大分量(假设不存在过多移动，否则 "DC"分量将沿着y-方向上是最大的)。y-轴向下对齐，当用户站起直立时，对应于重力的 加速度将具有正号。类似地，当用户仰卧（即，背部朝下卧倒)，对应于重力的加速度将导致 沿着Z-轴上最大的信号(也具有正号)。当用户侧卧时，沿着X-轴的信号将是最大的(记号 取决于用户躺在右侧或左侧)。
[0095] 有可能，以加速度计6的测量轴足够紧密地对齐用户的参考系的方式将设备4附 接至用户，能够省略校准步骤。
[0096] 在范例性实施例中，使用在图6中以方框形式图示的算法，能够执行校准步骤。这 个算法试图提高对在用户在床上、离床期间和/或离床时发生的主要姿势中的两个或三个 的检测的可靠性。本领域技术人员应当意识到，以下描述的备选技术可以用于实现校准设 备的步骤。
[0097] 校准过程操作如下。首先，在方框52中，由低通滤波器对3D加速度信号的三个分 量(S卩，X-轴、y-轴和Z-轴信号）进行平滑。在该方框52中能够使用的低计算复杂性过滤 器是移动平均（M)过滤器，其通过对该采样及其附近采样（S卩，紧邻当前采样之前和之后的 采样）的平均值取代三个测量信号中的每个的每个采样。尽管应当意识到能够使用其他的 窗口尺寸，MA过滤器的典型半窗尺寸是1. 6秒。
[0098] 随后，在标准化方框54中，对低通滤波信号进行标准化。尤其，每个3D采样（即， 在特定时间瞬间的x、y和z值）被认为是3维矢量，并且被标准化为单位长度。执行该标 准化，以启动下述阈值步骤。然而，本领域技术人员应当意识到，在不具有首先标准化信号 的情况下，能够备选地实现下述阈值步骤。
[0099] 在方框56中，针对用户处于第一姿势的第一时间周期(第一组采样)和用户处于第 二(不同)姿势的至少第二时间周期搜索标准化信号。例如，方框56能够搜索针对用户处于 仰卧的周期的标准化信号，并且尤其，针对Z-分量超过阈值的连续时间周期搜索标准化信 号。连续时间周期能够短至1秒，但是被认为"连续"的经识别的时间周期的典型初始最小 持续时间是15秒。要求被识别的最小持续时间越长，算法的可靠性越好。
[0100] 标准化信号具有在范围[1，-1]的值，并且当用户正躺下时，Z-分量应当最大。阈 值的典型初始值(当信号被标准化时以及能够如以下描述修改阈值时)是0.6。如果不使用 下述阈值修改，阈值的典型值会是〇. 8。如果识别连续时间周期，该周期被认为是当用户正 躺仰卧时的时间周期。
[0101] 优选地，所述算法还包括阈值修改方框58,其被配置为如果搜索方框56找到连续 时间跨度的末端（即，如果搜索中的先前采样在阈值以上，以及当前采样在阈值以下)，并且 当前时间跨度的长度超过最后使用的时间跨度的长度(最后使用时间跨度是Z-分量超过 阈值的最后连续时间周期)，则修改阈值。在一个实施例中，方框58被配置为将阈值设置为 在最后使用的时间跨度中的(标准化信号的)z分量的均值。另外，更新参数"最后使的用时 间跨度的长度"，以反映刚刚结束的连续时间跨度的长度。
[0102] 显然，能够以若干种方式精化以上算法。例如，在使用10分钟之后，或已经更新一 定数量的次数(例如仅仅一次）之后，例如可以停止(冻结）信号搜索和阈值修改。
[0103] 应当意识到，通过针对(优选标准化信号的)y_分量在阈值以上的连续周期进行搜 索，信号搜索方框56能够识别用户何时处于坐姿或站起直立。初始阈值能够是如上述针 对仰卧姿势指示的阈值(即，〇. 6)，但是针对连续期的初始最小持续时间将更短，通常为2-5 秒。
[0104] 同样地，通过针对(优选标准化信号的)x_分量的量值在阈值以上的连续周期进行 搜索，信号搜索方框56能够识别用户何时处于侧卧。对于确定用户躺在左侧或右侧，阈值 将不同。
[0105] 为了将加速度计6的测量轴与用户的参考系对齐，对于两个识别姿势(例如，在图 6中经识别的"仰卧"姿势和经识别的"直立"姿势)，在经识别的时间周期中的每个上计算 全部三维标准化信号的三维均值。通过图6中的矢量平均方框60执行该过程。应当意识 至IJ，对于每个测量轴(例如，对经识别的时间周期中的加速度信号的X-分量取平均值，以给 出针对三维均值的X-分量的值)，通过对经识别的时间周期中信号值取平均值来计算三维 均值(其是矢量)。
[0106] 然后在标准化方框62中对这些均值进行标准化。"仰卧"时间周期的标准化均值产 生(现在校准）"离体"（"z"）方向i z。"直立"时间周期的标准化均值产生(现在校准）"自 下而上"（"y"）方向iy。
[0107] 考虑到这两个校准方向，"侧向"（"x")方向被定义为垂直于这两个：ix=cr 〇SS (iy， iz)，其由矢量乘法方框64计算。还对侧向方向进行标准化(但是如果仁和iz已经得到标 准化，则是所述情况)。应当注意，在所述校准之后，^和iy可以不正交的。
[0108] 在伪（MatLab)代码中，使用如下代码能够实现方框60和62 :
[0109] -for d=l:3, iz (d) =mean (accNormalized (kSupO: kSupl, d)) ; end
[0110] -accSz=norm(iz, 2);
[0111] -iz=iz/accSz;
[0112] 其中，accNormalized是（3D)加速度计信号，所述加速度计信号中的每个采样已 经被标准化，kSupO:kSupl指示采样范围(通过方框56的(最后）时间周期)，d是维度（x，y, z)，i z是得到的三维均值(三个分量的矢量)。除以accSz使该iz标准化。以相同的方式计 算i y (但是由iy取代iz并且由kUprO:kUprl取代kSupO:kSupl (对于从找到直立期的采 样)。ix由矢量叉积iyxiz产生(方框64)。
[0113] 得到的ix、iy、和12用于后续处理中，以确定高度变化，并且估计用户的(一个或多 个）姿势。如果省略该校准步骤，代替使用i x= (l，〇,〇)，iy= (〇，1，〇)，和、=(〇,〇，1)。
[0114] 本领域技术人员应当意识到，经过对矢量平均方框60和矢量乘法方框64的操作 的适当的更改，能够省略或更改上述标准化操作中的一个或两个。备选地，或额外地，应当 意识到，矢量平均方框60不必计算三维(标准化）加速度矢量的均值，但是能够确定在经识 别的时间周期中的每个的三维加速度矢量的平均值的备选量度。
[0115] 姿势估计
[0116] 在优选实施例中，如图7中的方框形式图示的，使用算法执行估计姿势步骤109。 所述算法目的在于确定发生在加速度计信号中的离床期间的三个主要姿势的存在，即，仰 臣卜、侧卧的离床和站起直立。
[0117] 算法的第一部分对应于上述校准算法。尤其，在方框82中，由低通滤波器对3D加 速度信号的三个分量(即x-，y-和Z-轴信号，记作A)进行平滑(经滤波的信号被记作A lpf)。 能够在该方框82中使用的低计算复杂性的滤波器是移动平均（M)滤波器。尽管应当意识 到能够使用其他窗口尺寸，MA过滤器的典型半窗尺寸是1. 6秒。标准化方框84对低通滤 波信号进行标准化。标准化低通滤波信号被记作^pf。应当意识到，该算法可以利用如图6 中所示的相同的低通滤波方框和标准化方框。
[0118] 在对低通滤波信号进行标准化之后，从低通滤波信号和针对姿势：躺仰卧、侧卧和 站起直立中的每个的(经校准的）轴矢量i x、iy和iz中计算信号。
[0119] 具体地，提供矢量点乘方框86,其接收标准化低通滤波信号^lpf和(经校准的)轴矢 量,并且针对每个采样k计算点乘如下：

【权利要求】
1. 一种用于监测用户并且确定所述用户何时已经离床的离床监测装置，所述装置包 括： 处理器，其被配置为： 接收作用于被附接至所述用户的设备上的三维加速度的测量结果；以及 处理所述测量结果，以确定所述用户是否已经离床。
2. 根据权利要求1所述的离床监测装置，其中，所述处理器被配置为处理所述测量结 果，以估计所述用户的随时间变化的姿势，并且如果估计的姿势从卧姿或坐姿姿势变化为 直立姿势，则确定所述用户已经离床。
3. 根据权利要求1所述的离床监测装置，其中，所述处理器被配置为处理所述测量结 果，以从加速度的所述测量结果中估计所述设备的随时间变化的高度变化，并且如果所述 设备的所述高度变化超过阈值，则确定所述用户已经离床。
4. 根据权利要求1所述的离床监测装置，其中，所述处理器被配置为处理所述测量结 果，以通过如下操作确定所述用户是否已经离床： 从加速度的所述测量结果中确定所述设备的随时间变化的高度变化； 估计所述用户的随时间变化的所述姿势；以及 如果高度变化大于发生在估计的卧姿或坐姿姿势和估计的直立姿势之间的阈值，则确 定所述用户已经离床。
5. 根据权利要求1所述的离床监测装置，其中，所述处理器还被配置为接收所述设备 处的气压的测量结果；以及 其中，所述处理器被配置为通过如下操作确定所述用户是否已经离床： 处理所述气压测量结果，以确定所述设备的随时间变化的高度变化； 处理加速度的所述测量结果，以估计所述用户的随时间变化的所述姿势；以及 如果高度变化大于发生在估计的卧姿或坐姿姿势和估计的直立姿势之间的阈值，则确 定所述用户已经离床。
6. 根据权利要求2、3、4或5所述的离床监测装置，其中，所述处理器还被配置为： 接收所述设备的取向的测量结果；以及 使用所述设备的所述取向的所述测量结果与加速度的所述测量结果，以估计所述用户 的随时间变化的所述姿势。
7. 根据任何一项前述权利要求所述的离床监测装置，其中，所述处理器被配置为处理 加速度的所述测量结果，以通过如下操作来估计所述用户的随时间变化的所述姿势： 确定从加速度的所述测量结果中得到的加速度矢量和对应于所述用户的参考系的轴 的一个或多个参考矢量的在方向上的对应的量度，所述加速度矢量和每个参考矢量的在方 向上的所述对应的所述量度的绝对值或量值指示加速度的所述测量结果与所述用户的特 定姿势的所述对应。
8. 根据权利要求7所述的离床监测装置，其中， 所述参考矢量分别对应于：处于后前方向上的所述用户的所述参考系的z-轴、从底部 到顶部垂直的所述用户的所述参考系的y-轴以及处于内外方向上的所述用户的所述参考 系的X-轴； 所述加速度矢量和针对所述用户的所述参考系的所述z-轴的所述参考矢量的在方向 上的所述对应的所述量度指示加速度的所述测量结果与所述用户的俯卧或仰卧姿势的所 述对应； 所述加速度矢量和针对所述用户的所述参考系的所述y-轴的所述参考矢量的在方向 上的所述对应的所述量度指示加速度的所述测量结果与所述用户的直立姿势的所述对应； 以及 所述加速度矢量和针对所述用户的所述参考系的所述X-轴的所述参考矢量的在方向 上的所述对应的所述量度指示加速度的所述测量结果与所述用户正在侧卧的姿势的所述 对应。
9. 根据权利要求7或8所述的离床监测装置，其中，所述处理器还被配置为在确定所述 用户是否已经离床之前执行校准过程，在所述校准过程中，确定对应于所述用户的所述参 考系的所述轴的参考矢量，所述校准过程包括： 搜索从所述用户处于第一姿势的第一时间周期和所述用户处于第二不同姿势的第二 时间周期内的加速度的所述测量结果中得到的加速度矢量的集合； 对所述第一时间周期和第二时间周期的每个中的所述加速度矢量取平均值，以给出针 对所述第一时间周期和第二时间周期的每个的相应的第一平均矢量和第二平均矢量，所述 第一矢量和第二矢量分别被认为是针对所述用户的所述参考系的第一轴和第二轴的参考 矢量；以及 将用作针对所述用户的所述参考系的第三轴的参考矢量的第三矢量确定为正交于所 述第一矢量和第二矢量的矢量。
10. 根据权利要求9所述的离床监测装置，其中，所述处理器被配置为搜索在加速度的 特定分量超过阈值的时间周期内的加速度矢量的所述集合。
11. 根据权利要求10所述的离床监测装置，其中，所述处理器还被配置为将所述阈值 设置为在加速度的所述特定分量超过所述阈值的先前识别时间周期中的所述特定分量的 所述平均值。
12. -种被配置为由用户佩戴的设备，所述设备包括： 加速度计，其测量在三个维度上作用于所述设备的所述加速度；以及 根据权利要求1至11中的任一项所述的装置。
13. -种离床监测系统，所述系统包括： 设备，其被配置为由用户佩戴，所述设备包括加速度计，所述加速度计测量在三个维度 上作用于所述设备的所述加速度；以及 基本单元，其被配置为与所述设备通信，并且其包括根据权利要求1至11中的任一项 所述的装置。
14. 一种监测用户并且确定所述用户何时已经离床的方法，所述方法包括： 测量作用于被附接至所述用户的设备的所述三维加速度；以及 处理所述测量结果，以确定所述用户是否已经离床。
15. -种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括其中包含计算机程序代码的计算 机可读介质，所述计算机程序代码被配置为使得当由计算机或处理器执行所述计算机程序 代码时，所述计算机或处理器执行根据权利要求14所述的方法。
【文档编号】A61B5/11GK104244821SQ201280042058
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年8月14日 优先权日:2011年9月2日
【发明者】W·R·T·坦卡特, H·杜里克, T·范登赫费尔, J·埃斯皮纳佩雷斯, A·宾德苏斯, H·格赖纳 申请人:皇家飞利浦有限公司