JP2009522002A - 呼吸バイオフィードバック装置 - Google Patents

Abstract

ユーザーの呼吸の音を取得するよう構成されたマイクロホンと、通信可能な状態でマイクロホンに接続され、マイクロホンにより取得された信号を処理して出力信号を生成するコントローラと、コントローラに接続されかつ出力信号をユーザーに伝達するよう構成された一対のイヤホンとをもち、コントローラが信号を処理し、これによって、まず、音声検波回路で処理できる電圧レベルまでマイクロホン信号が前置増幅され、次に検波信号がコントローラのアナログ−ディジタル変換入力に供給されて、コントローラが入力ボリュームレベルを絶えずサンプリングすることを可能にし、次にコントローラがヘッドホンに供給される出力ボリュームレベルをディジタル制御式の可変利得増幅器を用いて制御し、出力信号がボリュームを除くいかなる様式においても元の入力から変更されない、呼吸バイオフィードバック装置。

Description

関連出願の相互参照
本願は、参照によりその開示内容が全て本明細書に組み入れられる、2005年12月28日に提出された米国特許仮出願第60/754,824号の恩典を主張する。

発明の背景
本発明は電子式の呼吸バイオフィードバック装置に関する。具体的には、本発明は、覚醒中または睡眠中に呼吸音のレベルおよびパターンを修正および制御することを学習することを目的とした、自己充足式の着用可能なバイオフィードバック装置に関する。

一般的な呼吸音の記録は公知である可能性がある。例えば、米国特許第6,261,238号（特許文献1）は複数のセンサーを用いて呼吸音を解析する。この特許の焦点は、初期スクリーニング、検出、定義、および検証のプロセスにあると思われる。しかしこの装置は、教育、修正、および訓練の目的で呼吸音を患者／クライエントにフィードバックすることはない。

米国特許第4,924,876号（特許文献2）は、呼吸音を患者／クライエントにフィードバックする鼻呼吸モニターである。しかしこの装置は、呼吸音を鼻からのみ検出する。この特許は、フィードバックを提供するための信号ボリュームの解析は備えていない。

米国特許第5,477,867号（特許文献3）はいびきを抑制するための装置である。この装置のフィードバックは、しだいにより不快になる一連のトーンを用いる。トーンの使用は不快である可能性があり、呼吸パターンに変化を起こさせるための手段として意識を高めることはない。

したがって、前述およびその他の欠点に煩わされない呼吸バイオフィードバック装置の必要性が存在する。

米国特許第6,261,238号 米国特許第4,924,876号 米国特許第5,477,867号

発明の概要
本発明は、ユーザーの呼吸の音を取得するよう構成されたマイクロホンと、通信可能な状態でマイクロホンに接続され、マイクロホンにより取得された信号を処理して出力信号を生成するコントローラと、コントローラに接続されかつ出力信号をユーザーに伝達するよう構成された一対のイヤホンとをもち、コントローラが信号を処理し、これによって、まず、音声検波回路で処理できる電圧レベルまでマイクロホン信号が前置増幅され、次に検波信号がコントローラのアナログ−ディジタル変換入力に供給されて、コントローラが入力ボリュームレベルを絶えずサンプリングすることを可能にし、次にコントローラが、ヘッドホンに供給される出力ボリュームレベルをディジタル制御式の可変利得増幅器を用いて制御し、出力信号がボリュームを除くいかなる様式においても元の入力から変更されない、呼吸バイオフィードバック装置に関する。イヤホンは、好ましくは、ユーザーの着座中、横臥中、動作中、および睡眠中に、物理的に所定の位置に留まるよう構成される。

本発明の性質および利点をさらに理解するには、添付の図面と併せて以下の説明が参照されるべきである。

発明の詳細な説明
本発明は、覚醒中または睡眠中に呼吸音のレベルおよびパターンを修正および制御することを学習することを目的とした、自己充足式の着用可能なバイオフィードバック装置に関する。

図1に、本発明に基づく呼吸バイオフィードバック装置の1つの態様の例示的な回路図100を示す。図1に示すように、同装置は、ユーザーの呼吸音を受け取るための入力装置として使用されるマイクロホン102を含む。 マイクロホン102は前置増幅器104を介して可変利得増幅器106に接続される。前置増幅器の1つの出力は音声検波器108に供給される。音声検波器108の出力は、可変利得増幅器106の利得を設定できるコントローラに供給される。可変利得増幅器106の出力は、スピーカーまたはイヤホン112に供給される。同装置はまた、ユーザーと対話するよう構成されたディスプレイをもつユーザーインターフェース114も含む。同装置はまた、適切な電源116も含む。

1つの実施形態において、呼吸バイオフィードバック装置は、快適な様式で（ヘッドバンドを用いて）ユーザーの頭部に部分的に着用される、電池式の小型の装置であってもよい。ヘッドバンドから、設定を実施および閲覧できるディスプレイまで、接続が存在していてもよい。設定を変更するためのリモートコントロールも存在していてもよい。前述のように、呼吸バイオフィードバック装置は種々のサブコンポーネントを含んでいてもよい。これらには、入力装置、出力装置、ディスプレイユニット、コントローラまたはプロセッサ、および、ディスプレイユニットに表示されかつユーザーまたは着用者が対話するユーザーインターフェースなどがある。さらに同装置は、プロセッサの演算を補助するため、ならびに受信または処理された種々の信号または情報を保存および削除するために用いられてもよい記憶装置を含んでいてもよい。

図2に、本発明に基づく呼吸バイオフィードバック装置の別の態様の例示的なブロック図200を示す。図2に示す装置の態様は、装置に対する制御機能を行うディジタル信号プロセッサ（DSP）202を含む。マイクロホン204が、コーデック206を介して、作動可能な状態でコントローラ202に接続される。入力コーデック206は音声入力および割込み信号をコントローラ202に提供する。プロセッサ202はまた、USB 208および／またはRS232シリアルポート210を介してI/Oを交換してもよい。コントローラ202はまた、ユーザーインターフェースボタン212も含んでいてもよい。コントローラ202は、種々の入力信号を受け取り、それらを処理し、かつ出力コーデック216を介してイヤホンに出力音声信号を提供する。コントローラ202はまた、1つの態様においてLCDディスプレイであってもよいディスプレイユニット218で表示するために種々の出力信号を提供する。

コントローラ202はTI 5509A DSPであってもよい。コントローラ202は入力バッファ222をもつ。入力バッファ222は音声入力から入力を受け取り、かつバイパス224、音声処理226、および呼吸状態機械228と通信する。呼吸状態機械228、音声処理226、およびバイパス224の出力は、出力バッファ、イヤホン214、およびディスプレイ装置218に供給される。

前述のように、同装置は、リアルタイムかつ対話的な呼吸の音声バイオフィードバックを提供する、自己充足式の着用可能な装置であってもよい。この装置の1つの目的は、呼吸パターンを調節および修正し、かつ呼吸練習の学習および実行を支持することである。呼吸パターンが健康および病気に大きく寄与することは公知である。呼吸認識および呼吸練習は、医学分野および心理学分野において、ならびに一般的な健康福祉のために用いられている。呼吸練習は非常に有益であるが、正しく学習および実行することは困難であり得る。本発明の態様に基づく装置は、呼吸をリアルタイムでユーザーに聞こえるようにする。呼吸を聞くことにより、呼吸調節を支持するような神経学的連絡がつくられる。呼吸を聞くことは、呼吸練習の学習および実行を容易にする、より多くの感覚入力を提供する。

1つの態様において、本発明の態様に基づく装置は、各呼吸を検出し、かつクリーンでかつ一貫した音声フィードバックを提供するのに必要な調整を行うために、ディジタル信号音声処理および呼吸状態機械を用いてもよい。加えて、本発明の装置はまた、異なる用途のための専用モード、および呼吸の音質を向上させるためのエフェクトプロセッサも含んでいてもよい。本装置およびそのサブパーツのさらなる詳細を以下に説明する。

1つの局面において、装置は、マイクロホンおよび快適な様式でユーザーの頭部にフィットするステレオイヤホン（またはヘッドホン）を備えた、電池式、充電式、またはプラグ接続式の小型の装置であってもよい。装置は画面表示能力をもつ。装置は独立型であってもよく、または、移動型の個人用装置、コンピュータ、バイオフィードバック機器、医療機器、および練習用機器に組み込まれていてもよい。

入力装置：
入力装置は単一の音響マイクロホンを含んでいてもよい。マイクロホンはユーザーの呼吸の音を取得する。このマイクロホンは、（口および鼻を通る）呼吸の音に対する感度を最大にしかつ不要な環境音を拒絶するような（例えば信号対雑音比を最大にするような）状態で物理的に取り付けられていてもよい。マイクロホンはワイヤレスであってもよく、または他端でヘッドバンドに取り付けられていてもよい。装置は、呼吸音を拾うのに十分な感度のマイクロホンを用いる。これは表面聴診マイクロホン、可変容量マイクロホン、またはその他任意の最新式マイクロホンであってもよい。マイクロホンは、呼吸音に対する感度を最大にしかつ不要な環境音を拒絶するような（例えば信号対雑音比を最大にするような）状態で位置決めされてもよい。入力装置は、口、鼻、喉、胸部、頭部、またはその他の部位の近くに置かれてもよい。

出力装置：
出力装置は両耳用イヤホンを含んでいてもよい。イヤホンは、出力信号をユーザーに伝達しかつ望ましくない音響フィードバックを起こし得る音漏れを防ぐように構成される。イヤホンは、快適でありかつユーザーの着座中、横臥中、動作中、および睡眠中に物理的に所定の位置に留まるよう構成される。特定の用途に対してその他の頭部用部品も利用可能である。

ディスプレイユニット：
ディスプレイユニットは、PDA、ラップトップ、もしくはPC、または同等のインテリジェントホストデバイスであってもよい。ソフトウェアプログラムがヘッドバンドユニットとのインターフェースを提供する。ディスプレイユニットはまた、別個のスピーカーも含んでいてもよい。1つの態様において、ディスプレイユニットは、DXVUメーターまたはその他同等のメーターを備えたVGA LCDスクリーンを含む。ディスプレイは基本的な設定情報、状態、およびメニューを表示してもよい。DXVUメーターは周波数応答の視覚的表示を提供してもよい。DXVUメーターは、マイクロホン、CD ROMなどの記録源として構成された任意の音声装置をモニターし、かつモニターされた音声レベルを標準的なVU計のようにまたはオシロスコープとして表示できる、ActiveXコントロールである。

電源のための選択肢には乾電池およびリチウムイオン充電池が含まれ得る。すべてのユニットはACアダプタ電源を含む。

リモートコントロールユニット：
ユーザーがボリューム、設定、およびタイマーなどを手動で調整できるよう、装置とともにリモートコントロールユニットを用いてもよい。

ユーザーインターフェース：
ユーザーインターフェースは、入力を受け取るよう、および操作情報をユーザーに提供するように構成される。ユーザーインターフェースは、ディスプレイ（例えばLCDディスプレイ）および押しボタンなどと相互作用する能力を含め、種々のパラメータおよび機能を提供する。ユーザーインターフェースおよび装置は、オン／オフスイッチ、ボリュームレベルコントロール、モード選択ボタンおよびインジケータのための機能を含む。モードおよびそれらの利用可能な選択肢には以下のものが含まれる：ボリューム出力レベル−ベースライン、閾値ボリューム、フィードバックへの反応の時間間隔、ピッチ−ボリューム比／限界、統計解析（後述を参照）の設定を伴ういびき／睡眠時無呼吸モード；ボリューム出力レベル、ピッチ +/-、特殊効果、残響（すなわちスタジアムプリセット）、周波数操作を伴う呼吸トレーニングモード；および、心地よいアラームをもつタイマー。

1つの局面において、装置のユーザーインターフェースは以下のコントロールをユーザーに提供する：オン／オフスイッチ、ボリュームコントロールダイヤル、種々のメニューボタン、およびナビゲーションコントロール。ユーザーインターフェースのメニューは、設定オプション、モード選択、および機能へのアクセスをユーザーに与えるように構成されていてもよい。設定機能は、マイクロホンの種類、イヤホンの種類、呼吸キャリブレーション時間、および個人用設定オプションを含んでいてもよい。モード選択機能は、基本モード、ストレス軽減／リラクセーションモード、いびき防止モード、およびフィットネストレーニング／心臓モードを含んでいてもよい。機能設定はエフェクトプロセッサおよびタイマーを含んでいてもよい。

ユーザーインターフェースディスプレイとしての、装置の出力ディスプレイは、装置がその複数の状態のうち1つで作動している間に集めた情報をユーザーに提供する。1つの態様において、状態には、呼吸キャリブレーション、呼吸サイクルの持続時間、ボリューム／周波数の平均およびピーク、ならびに出力ボリュームが含まれる。このデータは装置のメモリに保存されてもよい；ユーザーは必要に応じて情報を消去できる。

前述のように、本発明の態様に基づく装置は、基本モード、ストレス軽減／リラクセーションモード、いびき防止モード、およびフィットネストレーニング／心臓モードを含む複数のモードのうち1つで機能できる。これらモードの各々の機能について以下にさらに詳しく説明する。

基本モードは呼吸の調節およびトレーニングのすべての用途に使用できる。このモードにおいて、ユーザーは、出力ボリュームを設定できるとともに、エフェクトプリセット（リバーブなど）を選択できる。

いびき防止モードはいびきの周波数およびボリュームを検出できる。このモードでは、睡眠中の人に呼吸が聞こえるようにするため、入力ボリュームの増加に伴って出力ボリュームが段階的に増加する。（その人が完全に目覚めることはないが）呼吸は可聴となり、ユーザーがより静かに呼吸するためのキューとして作用する。入力される呼吸がより静かになり正常な呼吸により近くなると、音声フィードバックが、その新しいより柔らかなボリュームをより柔らかな出力ボリュームにマッチさせ、かつ基本モードに戻る。

ストレス軽減／リラクセーションモードは、水音、自然音、音楽、または持続低音など、他の音をユーザーの呼吸に追加する。これらの音を追加することにより、リラックスした呼吸パターンが増強される。このモードにおいて、ユーザーは、プリプログラムされた選択肢の中から背景音を選択できる。

フィットネストレーニングまたは心臓モードは、ユーザーの呼吸に合わせてパルスの音を追加する。パルスは、ユーザーが特定のレートまたはテンポで呼吸するためのキューとして作用し、心臓プログラムおよび心拍変動トレーニングをサポートする。ユーザーはパルスのレートおよびボリュームを設定できる。

信号処理：
1つの態様において、信号処理は、リアルタイムかつマイクロコントローラ式のサンプリングおよびコントロールをもつアナログ式の処理であってもよい。マイクロコントローラは、入ってくるマイクロホン信号を処理し、かつ、種々のアルゴリズムに基づいて望ましい出力レベルを計算することができる。1つの例示的な音声信号の処理において、マイクロホン信号はまず、音声検波回路で処理できる電圧レベルまで前置増幅される。この回路は、この場合約100 Hzである、予測される最低の音声入力周波数よりわずかに長い時定数を伴う、ピーク検出器を含む。次に検波信号はマイクロコントローラのアナログ−ディジタル変換入力に供給されて、マイクロコントローラが入力ボリュームレベルを絶えずサンプリングすることを可能にする。次にマイクロコントローラは、ヘッドホンに供給される最終的な出力ボリュームレベルをディジタル制御式の可変利得増幅器を用いて制御する。1つの態様において、最終的な出力信号は、ボリュームを除くいかなる様式においても元の入力から変更されない。

マイクロコントローラは、出力ボリュームの制御に加えて、ユーザーの成績の経時的な向上または後退を示す種々の統計パラメータを測定、追跡、および表示できる。統計解析は、ピークボリューム、最低ボリューム、および平均ボリュームをモニターできる。ピークボリュームおよび最低ボリュームについて、そのボリュームにおける時間の長さおよび閾値を上回るエピソードの数などのパラメータを追跡できる。

さらに、装置はまた、呼吸セッションをディジタル的に記録しかつディスプレイユニットのスピーカーを介して再生できるよう、再生機能も含む。

別の態様において、本発明の新規の呼吸バイオフィードバック装置は、DSPを用いて音声出力を修正および増強する。DSPはまた、ユーザーインターフェースと通信するとともにディスプレイの制御も行う。前述および図2に示すように、DSPコントローラは音声処理および呼吸状態機械を可能にするように構成される。

DSP音声処理は、利得制御、等化、周波数偏移、およびエフェクト処理によって音声バッファを修正できる。音声プロセッサは出力ボリュームをクリッピングできる。周波数が異なると知覚されるボリュームが異なるため、異なる周波数帯域が独立にクリッピングされてもよい。

図3に、呼吸状態機械の1つの態様の例示的なブロック図300を示す。この状態機械は音声プロセッサの変数を制御する。状態機械はまず、入ってくる呼吸に対して装置をキャリブレートし、次に、キャリブレーションのデータを用いて、入ってくる呼吸をカウントするとともに必要に応じて利得および周波数の制御変数を修正する。呼吸状態機械の状態は以下のとおりである：アイドル（IDLE）302、キャリブレート（CALIBRATE）304、ピーク検出（PEAK_DETECT）（またはハイの様相）306、トラフ検出（TROUGH_DETECT）（またはローの様相）308、呼吸発見（BREATH_FOUND）310、および呼吸発見されず（BREATH_NOT_FOUND）312。これら状態の各々について以下にさらに詳しく説明する。

アイドル状態は、いくつかの状態パラメータをリセットする。キャリブレート状態はいくらかの時間（例えば10秒間）にわたってループし、その間、最小および最大のバッファの平均値を追跡しつづける。キャリブレーション時間の終了時、この情報を用いて、呼吸検出状態のための低い閾値および高い閾値が計算される。それはまた、利得制御変数のリセットも行う。

呼吸検出状態は、ピーク検出、トラフ検出、ピーク検出2、トラフ検出2を含む4つの呼吸検出状態を含んでいてもよい。これら4つの状態は呼吸自体の検出に用いられる。これは、各バッファが入ってくる際にその平均を取り、それを「キャリブレート」状態で確立された閾値と比較することによって行われる。吸息および呼息を含む1回の呼吸サイクルには、2つの高いピークおよび2つの低いトラフがある。2つのピークおよび2つのトラフが検出された後、「呼吸発見」状態に入る。タイムアウトまでの時間内に閾値に達しなかった場合は「呼吸発見されず」状態に入る。

呼吸発見状態は、閾値を再計算し、呼吸カウンタを増加させ、表示を更新し、利得制御を設定し、かつ（必要に応じて）等化器パラメータを変更するように構成されていてもよい。この状態の後、呼吸検出状態は、次の呼吸サイクルのためピーク検出に戻る。

呼吸発見されず状態：
呼吸が発見されない場合、装置は自身を再キャリブレートする。状態機械はアイドルに戻ってリセットし、すべての処理が再度開始される。

この状態機械のバリエーションをいびき防止モードにおいて用いてもよく、これにより装置は、いびきを検出しかつ必要に応じて等化器および利得制御を変更することができる。いびき防止モード（いびき検出器314）がエネイブルにされているとき、呼吸状態機械はいびきを自動的に検出していびきモードに入る。いびきが止まると、状態機械は自動的に基本モード402または非いびき防止モードに戻る。いびきモードから統合ディジタルボイスレコーダー316が用いられて、呼吸音が記録される。

図4に、呼吸状態機械のいびきモードの1つの態様の例示的なブロック図400を示す。図4に示すように、いびきモードは基本モード402において開始してもよい。基本モードから、いったんいびきが発見または感知されると404、利得制御がリセットされる。コントロールがいびき検出に移り、いびき音のピークボリュームおよび／または周波数を検出する。ピークが検出されるまでこれが継続される。ピークが検出されない場合、処理はタイムアウトになり、状態は「いびき発見されず」状態408に戻り、次に基本モード402に戻る。いびきのピークが検出された場合は、低点のボリュームおよび／または周波数が検索される410。トラフが発見されると、コントロールはいびき発見状態404に渡される。時間内にトラフが発見されなかった場合、処理はタイムアウトになり、状態は「いびき発見されず」状態408に戻り、次に基本モード402に戻る。前述のように、いびき防止モードはいびきの周波数およびボリュームを検出できる。このモードでは、睡眠中の人に呼吸が聞こえるようにするため、入力ボリュームの増加に伴って出力ボリュームが段階的に増加する。（その人が完全に目覚めることはないが）呼吸は可聴となり、ユーザーがより静かに呼吸するためのキューとして作用する。入力される呼吸がより静かになり正常な呼吸により近くなると、音声フィードバックが、より柔らかな新しい音をより柔らかな出力ボリュームにマッチさせ、かつ基本モードに戻る。

以上において参照されたすべての特許および刊行物は参照により本明細書に組み入れられる。

当業者に理解されるように、本発明は、その本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化され得る。当業者は、本明細書に説明された本発明の特定の態様に対する多数の同等物を認識し、またはせいぜい日常的な実験を用いるのみで同等物を確認できると思われる。そのような同等物は添付の特許請求の範囲に包含されるものと意図される。

本発明に基づく呼吸バイオフィードバック装置の1つの態様の例示的な回路図である。 本発明に基づく呼吸バイオフィードバック装置の別の態様の例示的なブロック図である。 図2のブロック図に対応する呼吸状態機械の1つの態様の例示的なブロック図である。 図3の呼吸状態機械のいびきモードの1つの態様の例示的なブロック図である。

Claims (14)

1. ユーザーの呼吸の音を取得するよう構成されたマイクロホンと；
   通信可能な状態でマイクロホンに接続され、マイクロホンにより取得された信号を処理して出力信号を生成するコントローラと；
   コントローラに接続されかつ出力信号をユーザーに伝達するよう構成された一対のイヤホンとを含み、
   コントローラが信号を処理し、これによってまず、音声検波回路で処理できる電圧レベルまでマイクロホン信号が前置増幅され、次に検波信号がコントローラのアナログ−ディジタル変換入力に供給されて、コントローラが入力ボリュームレベルを絶えずサンプリングすることを可能にし、次にコントローラが、ヘッドホンに供給されるユーザーの呼吸の音に対応する出力ボリュームレベルを、ディジタル制御式の可変利得増幅器を用いて制御し、
   出力信号がボリュームを除くいかなる様式においても元の入力から変更されない、
   呼吸バイオフィードバック装置。
2. 作動可能な状態で前記コントローラに接続されたディスプレイ装置をさらに含む、請求項1記載の装置。
3. 前記ディスプレイに表示されるよう構成されたユーザーインターフェースをさらに含む、請求項2記載の装置。
4. ディスプレイに表示されるユーザー選択可能なメニューをさらに含み、かつ
   基本モード、ストレス軽減モード、呼吸キャリブレーションモード、およびオプション設定モードからなる群より選択可能なモードで装置が作動することを可能にするよう構成される、
   請求項3記載の装置。
5. コントローラが音声信号プロセッサおよび呼吸状態機械を含むよう構成され、
   該呼吸状態機械が、ユーザーに出力信号を提供するため、各呼吸を検出しかつ音声信号プロセッサに調整を行うよう構成されている、
   請求項1記載の装置。
6. コントローラが、基本モード、いびき防止モード、ストレス軽減モード、およびフィットネストレーニングモードを含む複数の機能モードのうち1つで作動するよう構成されている、請求項1記載の装置。
7. 基本モードにおいて、ユーザーが出力ボリュームおよびエフェクトプリセットのうち少なくとも1つを設定することが可能である、請求項6記載の装置。
8. いびき防止モードにおいて、いびきの周波数およびボリュームを検出するよう構成されている、請求項6記載の装置。
9. いびき防止モードにおいて、睡眠中の人に呼吸が聞こえるようにするため、入力ボリュームの増加に伴って出力ボリュームが段階的に増加し、かつ、
   入力される呼吸が正常な呼吸により近くなると、音声フィードバックがその新しいより柔らかなボリュームをより柔らかな出力ボリュームにマッチさせる、
   請求項8記載の装置。
10. ストレス軽減モードにおいて、ユーザーの呼吸に背景音を追加するよう構成されている、請求項6記載の装置。
11. 背景音が、プリプログラムされた選択肢の中からユーザーにより選択可能である、請求項10記載の装置。
12. 背景音が、水音、自然音、音楽、持続低音、およびそれらの組合せからなる群よりユーザーにより選択可能である、請求項10記載の装置。
13. フィットネストレーニングモードにおいて、ユーザーの呼吸に合わせてパルスの音を追加するよう構成されている、請求項6記載の装置。パルスは、ユーザーが特定のレートまたはテンポで呼吸するためのキューとして作用し、心臓プログラムおよび心拍変動トレーニングをサポートする。
14. パルスのレートおよび音レベルがユーザーにより選択可能である、請求項13記載の装置。

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