JP2012125367A - 呼吸信号処理装置およびその処理方法ならびにプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】パルス性成分検出部130は計測呼吸信号からパルス性成分を検出する。パルス性成分除去部140は検出されたパルス性成分を計測呼吸信号から除去する。時間周波数変換部150はパルス性成分が除去された呼吸信号を時間周波数変換する。トーン性成分検出部160は時間周波数スペクトルからトーン性成分を検出する。トーン性成分除去部170は検出されたトーン性成分を時間周波数スペクトルから除去する。周波数時間変換部180はトーン性成分が除去された時間周波数スペクトルに対して周波数時間変換を施す。これにより、計測呼吸信号からパルス性成分およびトーン性成分が検出され、除去される。
【選択図】図6
Description
1.第1の実施の形態(呼吸音からパルス性またはトーン性成分を抽出して除去する例)
2.第2の実施の形態(心拍波形から心拍音を推定して呼吸音から除去する例)
[呼吸状態表示システムの構成]
図1は、本発明の第1の実施の形態における呼吸状態表示システムの一構成例を示す図である。この呼吸状態表示システムは、呼吸音計測器10と、雑音低減器20と、呼吸状態分析装置30と、表示装置40とを備えている。
図3は、本発明の実施の形態における呼吸音計測器10の一構成例を示す図である。図3(a)は、生体に接する正面から見た呼吸音計測器10の外形図の例である。図3(b)は、呼吸音計測器10の側面の断面図である。この呼吸音計測器10は、マイクロフォン210と、スポンジ膜220と、柔弾性体230と、硬質ケース240とを備えている。皮膚への密着を考慮すると、全体で直径数ミリメートルから数十ミリメートル程度の大きさとなるのが望ましい。
図6は、本発明の第1の実施の形態における雑音低減器20の一構成例を示す図である。この第1の実施の形態における雑音低減器20は、パルス性成分検出部130と、パルス性成分除去部140と、時間周波数変換部150と、トーン性成分検出部160と、トーン性成分除去部170と、周波数時間変換部180とを備えている。
パルス性成分検出部130は、パルス性成分候補検出部131と、パルス性スコア計算部132と、パルス性判定部133とを備えている。パルス性成分候補検出部131は、呼吸音計測器10によって計測された計測呼吸信号における極大値を含む区間をパルス性成分候補区間として検出するものである。パルス性スコア計算部132は、パルス性成分候補検出部131によって検出されたパルス性成分候補区間について「パルスらしさのスコア」を計算するものである。なお、このパルス性スコア計算部132は、特許請求の範囲に記載のスコア計算部の一例である。パルス性判定部133は、パルス性スコア計算部132によって計算されたパルスらしさのスコアが所定の閾値を満たすパルス性成分候補区間を検出区間として、その検出区間に含まれる信号をパルス性成分として判定するものである。
J(w)=Σk(zk − Sigm(Sk))2
なお、上式において総和Σの範囲は、全サンプルデータである。
S≧T; パルス性雑音
S<T; 非パルス性雑音
パルス性成分除去部140は、信号低減部141と、波形合成部142と、波形加算部143とを備えている。信号低減部141は、パルス性成分検出部130によって検出された検出区間のパルス性成分の信号を計測呼吸信号において低減するものである。波形合成部142は、検出区間の近傍の信号から合成波形を生成するものである。波形加算部143は、波形合成部142によって生成された合成波形を計測呼吸信号に加算するものである。
時間周波数変換部150は、パルス性成分除去部140から供給された呼吸信号を時間周波数変換して、時間周波数信号X(t,k)として生成する。ここで、時間周波数変換としては、短時間フーリエ変換を用いることができる。これは、振幅成分と位相成分に分離して表現される。
トーン性成分検出部160は、時間周波数スペクトルの時間毎のピーク値(極大値)を追跡することにより、トーン性成分を検出する。トーン性成分検出部160は、スペクトルピーク検出部161と、スペクトルピーク追跡部162と、トーン性判定部163とを備えている。
トーン性成分除去部170は、トーン性成分検出部160によって検出されたトーン性成分を時間周波数スペクトルから除去する。検出されたトーン性成分は図12の太線にて示すものであり、簡単には、各時刻において図13のようなトーン性成分の周波数を除去する特定周波数成分除去フィルタにより、該当する周波数成分のみを除去もしくは低減することができる。
周波数時間変換部180は、トーン性成分除去部170によってトーン性成分が除去された時間周波数スペクトルに対して周波数時間変換を施す。これは、例えば短時間逆フーリエ変換により実現することができる。これにより、当初の計測呼吸信号からトーン性成分が除去された信号が得られる。
図14は、本発明の第1の実施の形態における雑音低減器20の全体処理の流れを示すフローチャートの一例である。まず、呼吸音計測器10によって計測された計測呼吸信号が取得される(ステップS811)。そして、パルス性成分検出部130によってパルス性成分が検出され(ステップS820)、その検出されたパルス性成分がパルス性成分除去部140によって除去される(ステップS830)。
[呼吸状態表示システムの構成]
図18は、本発明の第2の実施の形態における呼吸状態表示システムの一構成例を示す図である。この第2の実施の形態における呼吸状態表示システムは、呼吸音計測器10と、雑音低減器20と、呼吸状態分析装置30と、表示装置40と、心拍波形計測器50とを備えている。すなわち、第1の実施の形態における呼吸状態表示システムに心拍波形計測器50を加えた構成となっている。呼吸音計測器10、呼吸状態分析装置30および表示装置40については、第1の実施の形態において説明したものと同様のものであるため、説明を省略する。
図19は、本発明の第2の実施の形態における雑音低減器20の一構成例を示す図である。この雑音低減器20は、時間同期バッファ330と、時間同期器340と、心拍音推定器350と、減算器360と、心拍区間検出器370と、呼吸区間検出器380と、係数更新器390とを備えている。信号線19には呼吸音計測器10からの計測呼吸信号が入力される。信号線59には心拍波形計測器50からの計測心拍信号が入力される。
f(n+1)=f(n)+μe(n)x(n−k)
ここで、μは収束定数であり、経験的に定数を定めてもよく、また、学習同定法を用いて入力信号の状態に合わせて変化させるようにしてもよい。また、x(n−k)は呼吸音のない心拍音である。生体において呼吸を意識的に数秒程度止めることにより、呼吸音を含まない心拍音信号を採取可能であり、これを初期値としてフィルタ係数を生成することができる。
図20は、本発明の第2の実施の形態における雑音低減器20の処理の概要を示す図である。
図21は、本発明の第2の実施の形態における時間同期器340の一構成例を示す図である。この時間同期器340は、絶対値生成部341および342と、ローパスフィルタ343および344と、可変遅延部345と、減算器346と、最小値探索部347とを備えている。
図22は、本発明の第2の実施の形態における時間同期バッファ330の一構成例を示す図である。この時間同期バッファ330は、複数段のFIFOバッファ331と、選択器338とを備える。
図23は、本発明の第2の実施の形態における心拍区間検出器370の一構成例を示す図である。この心拍区間検出器370は、絶対値生成部372と、ローパスフィルタ373と、区間検出部374とを備えている。
図24は、本発明の第2の実施の形態における呼吸区間検出器380の一構成例を示す図である。この呼吸区間検出器380は、バンドパスフィルタ381と、絶対値生成部382と、ローパスフィルタ383と、区間検出部384とを備えている。
図25は、本発明の第2の実施の形態における雑音低減器20の全体処理の流れを示すフローチャートの一例である。まず、呼吸音計測器10によって計測された計測呼吸信号が取得される(ステップS911)。また、心拍波形計測器50によって計測された計測心拍信号が取得される(ステップS912)。そして、時間同期バッファ330および時間同期器340によって、計測呼吸信号と計測心拍信号とが時間同期化される(ステップS913)。
20 雑音低減器
30 呼吸状態分析装置
40 表示装置
50 心拍波形計測器
130 パルス性成分検出部
131 パルス性成分候補検出部
132 パルス性スコア計算部
133 パルス性判定部
140 パルス性成分除去部
141 信号低減部
142 波形合成部
143 波形加算部
150 時間周波数変換部
160 トーン性成分検出部
161 スペクトルピーク検出部
162 スペクトルピーク追跡部
163 トーン性判定部
170 トーン性成分除去部
180 周波数時間変換部
210 マイクロフォン
220 スポンジ膜
230 柔弾性体
240 硬質ケース
250 コネクタ
270 膜
280 減圧ピストン
330 時間同期バッファ
331 FIFOバッファ
338 選択器
340 時間同期器
341、342、372、382 絶対値生成部
343、344、373、383 ローパスフィルタ
345 可変遅延部
346 減算器
347 最小値探索部
350 心拍音推定器
360 減算器
370 心拍区間検出器
374、384 区間検出部
380 呼吸区間検出器
381 バンドパスフィルタ
390 係数更新器
Claims (14)
- 生体から取得された第1の信号からパルス性成分を検出するパルス性成分検出部と、
生体から取得された呼吸音を含む第2の信号から前記検出されたパルス性成分を除去するパルス性成分除去部と
を具備する呼吸信号処理装置。 - 前記第1および第2の信号は同一の呼吸音を計測した計測呼吸信号であり、
前記パルス性成分検出部は、
前記第1の信号における極大値を含む区間をパルス性成分候補区間として検出するパルス性成分候補検出部と、
前記パルス性成分候補区間についてパルスらしさのスコアを計算するスコア計算部と、
前記パルスらしさのスコアが所定の閾値を満たす前記パルス性成分候補区間を検出区間として当該検出区間に含まれる信号を前記パルス性成分として判定するパルス性判定部とを備える
請求項1記載の呼吸信号処理装置。 - 前記パルス性成分除去部は、
前記検出されたパルス性成分を前記第1の信号において低減させる信号低減部と、
前記検出区間の近傍の信号から合成波形を生成する波形合成部と、
前記合成波形を前記第1の信号に加算する波形加算部とを備える
請求項2記載の呼吸信号処理装置。 - 前記第1の信号は生体の心拍波形を計測した計測心拍信号であり、
前記第2の信号は生体の呼吸音を計測した計測呼吸信号であり、
前記計測呼吸信号と前記計測心拍信号とを同期させる時間同期部をさらに具備し、
前記パルス性成分検出部は、前記計測心拍信号から心拍音を推定することにより前記パルス性成分を検出し、
前記パルス性成分除去部は、前記同期した計測呼吸信号から前記推定された心拍音を除去することにより前記パルス性成分を除去する
請求項1記載の呼吸信号処理装置。 - 前記心拍音推定部は有限インパルス応答フィルタであり、
前記心拍音が除去された計測呼吸信号に基づいて呼吸区間を検出する呼吸区間検出部と、
前記計測心拍信号に基づいて心拍区間を検出する心拍区間検出部と、
前記呼吸区間に該当せず且つ前記心拍区間に該当する期間において前記有限インパルス応答フィルタにおけるフィルタ係数を更新する係数更新部と
をさらに具備する
請求項4記載の呼吸信号処理装置。 - 前記パルス性成分が除去された第2の信号を変換して時間毎の周波数スペクトル信号を生成する時間周波数変換部と、
前記周波数スペクトル信号からトーン性成分を検出するトーン性成分検出部と、
前記周波数スペクトル信号から前記検出されたトーン性成分を除去するトーン性成分除去部と、
前記トーン性成分が除去された周波数スペクトル信号を逆変換する周波数時間変換部と
をさらに具備する請求項1記載の呼吸信号処理装置。 - 前記トーン性成分検出部は、
前記周波数スペクトル信号における時間毎のピークを検出するスペクトルピーク検出部と、
前記周波数スペクトル信号における時間毎のピークを時間にまたがって追跡するスペクトルピーク追跡部と、
前記ピークの追跡結果に応じて前記トーン性成分の存在の有無を判定するトーン性判定部とを備える
請求項6記載の呼吸信号処理装置。 - 生体の呼吸音を計測した計測呼吸信号を変換して時間毎の周波数スペクトル信号を生成する時間周波数変換部と、
前記周波数スペクトル信号からトーン性成分を検出するトーン性成分検出部と、
前記周波数スペクトル信号から前記検出されたトーン性成分を除去するトーン性成分除去部と、
前記トーン性成分が除去された周波数スペクトル信号を逆変換する周波数時間変換部と
を具備する呼吸信号処理装置。 - 生体の呼吸音を計測した計測呼吸信号における極大値を含む区間をパルス性成分候補区間として検出するパルス性成分候補検出手順と、
前記パルス性成分候補区間についてパルスらしさのスコアを計算するスコア計算手順と、
前記パルスらしさのスコアが所定の閾値を満たす前記パルス性成分候補区間を検出区間として当該検出区間に含まれる信号を前記パルス性成分として判定するパルス性判定手順と、
前記計測呼吸信号において前記検出されたパルス性成分を低減させる信号低減手順と、
前記検出区間の近傍の信号から合成波形を生成する波形合成手順と、
前記合成波形を前記計測呼吸信号に加算することにより前記検出されたパルス性成分を除去する波形加算手順と
を具備する呼吸信号処理方法。 - 生体の呼吸音を計測した計測呼吸信号を変換して時間毎の周波数スペクトル信号を生成する時間周波数変換手順と、
前記周波数スペクトル信号からトーン性成分を検出するトーン性成分検出手順と、
前記周波数スペクトル信号から前記検出されたトーン性成分を除去するトーン性成分除去手順と、
前記トーン性成分が除去された周波数スペクトル信号を逆変換する周波数時間変換手順と
を具備する呼吸信号処理方法。 - 生体の呼吸音を計測した計測呼吸信号と生体の心拍波形を計測した計測心拍信号とを同期させる時間同期手順と、
前記計測心拍信号から心拍音を推定する心拍音推定手順と、
前記同期した計測呼吸信号から前記推定された心拍音を除去する心拍音除去手順と
を具備する呼吸信号処理方法。 - 生体の呼吸音を計測した計測呼吸信号における極大値を含む区間をパルス性成分候補区間として検出するパルス性成分候補検出手順と、
前記パルス性成分候補区間についてパルスらしさのスコアを計算するスコア計算手順と、
前記パルスらしさのスコアが所定の閾値を満たす前記パルス性成分候補区間を検出区間として当該検出区間に含まれる信号を前記パルス性成分として判定するパルス性判定手順と、
前記計測呼吸信号において前記検出されたパルス性成分を低減させる信号低減手順と、
前記検出区間の近傍の信号から合成波形を生成する波形合成手順と、
前記合成波形を前記計測呼吸信号に加算することにより前記検出されたパルス性成分を除去する波形加算手順と
をコンピュータに実行させるためのプログラム。 - 生体の呼吸音を計測した計測呼吸信号を変換して時間毎の周波数スペクトル信号を生成する時間周波数変換手順と、
前記周波数スペクトル信号からトーン性成分を検出するトーン性成分検出手順と、
前記周波数スペクトル信号から前記検出されたトーン性成分を除去するトーン性成分除去手順と、
前記トーン性成分が除去された周波数スペクトル信号を逆変換する周波数時間変換手順と
をコンピュータに実行させるためのプログラム。 - 生体の呼吸音を計測した計測呼吸信号と生体の心拍波形を計測した計測心拍信号とを同期させる時間同期手順と、
前記計測心拍信号から心拍音を推定する心拍音推定手順と、
前記同期した計測呼吸信号から前記推定された心拍音を除去する心拍音除去手順と
をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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