JP2013521834A - 適応型ウィンドウを使用する継続的な呼吸モニタリングの方法および装置 - Google Patents

Abstract

適応型ウィンドウを使用する、被験者の継続的な呼吸モニタリングの方法および装置により、被験者の呼吸期間の継続的な推定値が、被験者の呼吸音が具体化されている呼吸信号のサンプルを継続的にバッファリングし、評価することによって提供され、当該呼吸期間の少なくとも一部に基づいてサンプリングウィンドウの長さが動的に調整される。この適応型ウィンドウ技術を通して、被験者の呼吸の癖に合わせられた、リアルタイムでのモニタリングを不当に抑制しない、呼吸モニタリング装置のメモリおよび処理リソースに不要な負荷を掛けないサンプリングウィンドウの長さが維持される。

Description

本発明は、生理学的状態の継続的なモニタリングに関する。より具体的には、本発明は、被験者の呼吸の継続的なモニタリングに関する。

慢性疾患を罹患している人々の生理学的状態の継続的なモニタリングは、慢性疾患を対処する重要な一面である。例として、継続的な呼吸モニタリングは、喘息および睡眠時無呼吸などの呼吸器疾患を対処する際に幅広く使用されている。

呼吸モニタリングアプリケーションにおいて一般にモニタされる１つの変数は、吸気の開始から呼気の終了までの呼吸周期を測定した時間である呼吸期間である。これらのアプリケーションでは、呼吸期間自体は、出力であってもよく、または、喘息が起きるか否かのような他の出力を決定する際に使用される入力であってもよい。呼吸期間を推定するために、呼吸モニタリング装置は、モニタされている人物の肺の音を含む呼吸信号のサンプルをバッファリングし、評価することが多い。ここで、全てのサンプルは、所定の長さ、すなわち、一定のサンプリングウィンドウの長さを有している。

呼吸期間を推定するために、一定のサンプリングウィンドウの長さを選択することは、困難である。ウィンドウは、モニタされている人物の少なくとも１つの完全な呼吸周期をカバーするほどに十分に長くなければならない。また、推定が高ノイズおよび不規則な呼吸パターンのような短期信号異常を克服できるようにするために、ウィンドウが複数の呼吸周期をカバーすることは有用であり得る。一方、ウィンドウが長ければ長いほど、推定は頻繁には為され得ない。これにより、リアルタイムでのモニタリングが抑制される。更に、ウィンドウの長さは、呼吸モニタリング装置のメモリおよび処理制限に適合されなければならず、これは、特に歩行用モニタリング装置において重要となり得る。

更に、人間の呼吸期間が高い頻度で異なっていることにより、一定のサンプリングウィンドウの長さの選択が複雑になっている。「典型的な」人間の呼吸期間は存在しない。ある人にとっては、平均呼吸期間は、２秒程の短い期間であり得る。一方、他の人にとっては、平均呼吸期間は、１５秒程の長い期間であり得る。これにより、従来の呼吸モニタリング装置では、決まって最長呼吸期間でさえ適応させ得る長いウィンドウを選択していた。残念なことに、極端に「長く呼吸する人」という例外的なケースに適応させるためのウィンドウの長さを選択することにより、リアルタイムでのモニタリングが不当に抑制され、呼吸モニタリング装置のメモリおよび処理リソースに対し不要な負荷が掛けられ得る。

本発明の１つの態様では、呼吸モニタリング装置は、呼吸信号を受信する受信部と、上記受信部によって受信された上記呼吸信号から、サンプリングウィンドウの長さと等しい長さを有する上記呼吸信号のサンプルを抽出する抽出部と、上記サンプルの少なくとも一部に基づいて呼吸期間を推定する推定部と、上記呼吸期間の少なくとも一部に基づいて上記サンプリングウィンドウの長さを調整する調整部とを備えている。

本発明の他の態様では、適応型ウィンドウを使用する、被験者の呼吸モニタリングの方法は、呼吸信号を受信することと、サンプリングウィンドウの長さと等しい長さを有する、上記呼吸信号のサンプルを信号バッファに格納することと、上記サンプルの少なくとも一部に基づいて呼吸期間を推定することと、上記呼吸期間の少なくとも一部に基づいて上記サンプリングウィンドウの長さを調整することとを含んでいる。

本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に簡単に説明されている図面に関連した以下の詳細な記載を参照することによって、より良く理解されるであろう。本発明が添付の請求項により特定されることは当然である。

本発明の幾つかの実施形態における呼吸モニタリング装置を示している。 本発明の幾つかの実施形態における図１の呼吸モニタリング装置による適応型ウィンドウを使用する、被験者の呼吸をモニタリングする方法を示している。 本発明の幾つかの実施形態における呼吸データ処理システムの各部を示している。

本発明は、適応型ウィンドウを使用する、被験者の呼吸を継続的にモニタリングする方法および装置を提供する。本方法および本装置は、被験者の呼吸音が具体化された呼吸信号のサンプルを継続的にバッファリングし、評価することによる被験者の呼吸期間の継続的な推定を提供し、当該呼吸期間の少なくとも一部に基づいてサンプリングウィンドウの長さを動的に調整する。この適応型ウィンドウ技術を通して、被験者の呼吸の癖に合わせられた、リアルタイムでのモニタリングを不当に抑制しない、呼吸モニタリング装置のメモリおよび処理リソースに不要な負荷を掛けないサンプリングウィンドウの長さが維持される。

図１は、本発明の幾つかの実施形態における呼吸モニタリング装置１００を示している。モニタリング装置１００は、通信可能に直列に結合されている呼吸データ取込システム１０５、呼吸データ取得システム１１０、呼吸データ処理システム１１５、および、呼吸データ出力インターフェース１２０を含んでいる。処理システム１１５は、信号バッファ１１７にも通信可能に結合されており、呼吸アプリケーションインターフェース１２５に通信可能に結合されていてもよい。

取込システム１０５は、モニタされている人物の気管、胸または背中のような検出位置において肺の音を検出し、検出された肺の音から生成された電気信号の形状にて呼吸信号を取得システム１１０に送信する。取込システム１０５は、例えば、被験者の体に配置された音響変換器を含んでいてもよい。

取得システム１１０は、取込システム１０５から受信された呼吸信号を増幅し、呼吸信号にフィルタをかけ、呼吸信号に対してアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換および自動利得制御（ＡＧＣ）を実行し、当該呼吸信号を処理システム１１５に送信する。増幅、フィルタリング、Ａ／Ｄ変換およびＡＧＣは、例えば、直列に配置された前置増幅器（プリアンプ）、バンドパスフィルタ、最終増幅器、Ａ／Ｄ変換およびＡＧＣステージによって実行されてもよい。

処理システム１１５は、ソフトウェア命令を実行するプロセッサの制御下において、モニタされている被験者の呼吸期間を継続的に推定するために呼吸信号を処理する。呼吸期間を継続的に推定するために、処理システム１１５は、信号バッファ１１７において継続的にバッファし、各サンプルの長さがサンプリングウィンドウの長さに等しい呼吸信号のサンプルを評価する。処理システム１１５は、プロセッサの制御下において、呼吸期間の少なくとも一部に基づいて生成された情報を出力インターフェース１２０に送信する。この情報は、例えば、呼吸期間、または、当該呼吸期間から生成された呼吸速度を含んでいてもよい。更に、処理システム１１５は、無呼吸モニタリングアプリケーションまたは気道開放度モニタリングアプリケーションのような他の呼吸モニタリングアプリケーションにおいて使用するために、サンプリングウィンドウの長さをアプリケーションインターフェース１２５に送信してもよい。

図３は、処理システム１１５に含まれる各部を示している。処理システム１１５は、取得システムを介して取込システムから呼吸信号を受信する受信部３０５を備えている。処理システム１１５は、サンプリングウィンドウの長さと等しい長さを有する呼吸信号のサンプルを、受信部によって受信された呼吸信号から抽出する抽出部３０６を更に備えている。続いて、抽出部３０６は、抽出された呼吸信号のサンプルを信号バッファ１１７に送信する。処理システム１１５は、信号バッファ１１７に格納されているサンプルの少なくとも一部に基づいて呼吸期間を推定する推定部３１０を更に備えている。処理システム１１５は、呼吸期間の少なくとも一部に基づいてサンプリングウィンドウを調整する調整部３１５を更に備えている。処理部１１５は、呼吸期間の少なくとも一部に基づいて生成された情報を、当該情報が表示される出力インターフェースに送信する送信部３２０を更に備えている。

幾つかの実施形態では、サンプリングウィンドウは、矩形状のウィンドウである。これらの実施形態では、ウィンドウ内部のデータには同一の重み付けが為されている。一方、ウィンドウ外部のデータには、重み付けが為されていないが、ウィンドウ外部のデータは異なるサンプルの一部として重み付けが為されてもよい。また、幾つかの実施形態では、サンプリングウィンドウは重なり合うことはない。一方、他の実施形態では、サンプリングウィンドウは、重なり合うローリングウィンドウである。何れにせよ、処理システム１１５は、以下においてより詳細に説明されているように、呼吸期間に基づいてサンプリングウィンドウの長さを動的に調整する。

出力インターフェース１２０は、呼吸期間情報または呼吸速度情報のような、呼吸期間の少なくとも一部に基づいて生成された情報であって処理システム１１５から受信した情報を表示するユーザインターフェースを備えている。また、出力インターフェース１２０は、情報を格納する、内部または外部データマネジメントシステムに対するデータマネジメントインターフェース、および／または、医療施設でのモニタリング装置のような遠隔モニタリング装置へ当該情報を送信するネットワークインターフェースを有していてもよい。

アプリケーションインターフェース１２５は、無呼吸モニタリングアプリケーションまたは気道開放度モニタリングアプリケーションのような１つ以上の呼吸モニタリングアプリケーションと相互作用している選択的なインターフェースである。当該１つ以上の呼吸モニタリングアプリケーションは、呼吸モニタリングを容易にするために、処理システム１１５から受信したサンプリングウィンドウの長さの情報を使用している。

幾つかの実施形態では、取込システム１０５、取得システム１１０、処理システム１１５、出力インターフェース１２０、および、アプリケーションインターフェース１２５（存在する場合）は、人間が日々の生活を過ごす際に人間の生理学的な健全性をリアルタイムにモニタする携帯型歩行用健康モニタリング装置の一部である。他の実施形態では、取込システム１０５、取得システム１１０、処理システム１１５、出力インターフェース１２０、および／または、アプリケーションインターフェース１２５は、有線または無線リンクを介して遠隔的に結合されている個々の装置の一部であってもよい。

図２は、本発明の幾つかの実施形態における、適応型ウィンドウを使用する、被験者の呼吸モニタリングの方法を示している。これらの実施形態では、当該方法は、ソフトウェア命令を実行するプロセッサの制御下において、処理システム１１５によって実行される。

ステップ２０５では、処理システム１１５は、サンプリングウィンドウの長さを初期値に設定する。幾つかの実施形態では、初期値は、長く呼吸する人物に対して、少なくとも１つの完全な呼吸期間が確実に取り込まれるように選択される。

ステップ２１０では、処理システム１１５は、取得システム１２０を介して取込システム１０５から受信された呼吸信号のサンプルを信号バッファ１１７に格納する。当該サンプルの長さは、最初は初期値であるサンプリングウィンドウの長さと等しい。

ステップ２１５では、処理システム１１５は、信号バッファ１１７に格納されている呼吸信号のサンプルを評価することによって呼吸期間を推定する。呼吸期間とは、吸気の開始から呼気の終了までの呼吸周期を測定した時間である。幾つかの実施形態では、サンプルが複数の呼吸周期を含んでいる場合、全周期に亘った平均呼吸期間が推定値として採用される。他の実施形態では、サンプルが複数の呼吸周期を含んでいる場合、最新の周期の呼吸期間が推定値として採用される。また、低い信号クオリティまたは基準値から大きな変位を表す呼吸周期は、推定値から除外されてもよい。

ステップ２２０では、処理システム１１５は、呼吸期間推定値に基づいて生成された情報を、ユーザスクリーンに当該情報を表示する出力インターフェース１２０に送信する。例として、送信されて表示された情報は、呼吸期間自身、呼吸期間から算出された呼吸速度、または、呼吸期間の移動平均や現行の呼吸期間および先の呼吸期間から算出された呼吸速度の移動平均であってもよい。

ステップ２２５では、処理システム１１５は、先の呼吸期間推定値が存在する場合、現行の呼吸期間推定値を直前の呼吸期間推定値と比較する。直前の推定値が存在し（すなわち、現行の推定値が初期推定値ではなく）、現行の推定値と直前の推定値との差が所定の閾値未満の場合、呼吸期間は、サンプリングウィンドウの長さの動的な調整を回避できるほど十分に安定していると見なされ、フローは直ちにステップ２１０に戻り、新しいサンプルが現行のウィンドウの長さにてバッファリングされる。一方、現行の推定値が初期推定値である場合、または、現行の推定値と直前の推定値との差が閾値を超えている場合、呼吸期間は、サンプリングウィンドウの長さの動的な調整を回避できるほど十分に安定しているとは見なされず、フローはステップ２１０に戻る代わりにステップ２３０に進む。

ステップ２３０では、処理システム１１５は、現行の呼吸期間推定値および乗数を使用してサンプリングウィンドウの長さを調整する。例として、乗数は、モニタされている人物の物理的状態（例えば、当該人物が既知の喘息患者か否か）、呼吸信号のクオリティ（信号クオリティ）、現行の呼吸期間の長さ、および／または、呼吸期間の安定性に基づいて静的にまたは動的に決定されてもよい。例えば、現行の信号クオリティが低いか、または、呼吸期間が不安定である場合、サンプリングウィンドウが多数の呼吸周期全体を取り込むように、乗数は大きな値に設定されてもよい。これにより、幾つかの周期に亘る平均を取ることによって、呼吸期間推定値の信頼性の改善が助けられ得る。一方、現行の信号クオリティが高く、呼吸期間が安定している場合、サンプリングウィンドウが少数の呼吸周期全体を取り込むように、乗数は小さな値に設定されてもよい。これにより、呼吸期間推定値の周波数が増加され、呼吸モニタリング装置のメモリおよび処理リソースに対する負荷が低減される。したがって、現行の呼吸期推定値および賢く選択された乗数によって、サンプリングウィンドウが、一方で信頼できる呼吸期間の推定という目的と、他方でリアルタイムでのモニタリングおよびメモリ／処理リソースの保存という目的との、それぞれ相反する目的の間に所望のバランスをもたらす長さに動的に調整されることになる。

ステップ２３５では、処理システム１１５は、調整されたサンプリングウィンドウの長さの情報を、アプリケーションインターフェース１２５に選択的にエクスポートする。アプリケーションインターフェース１２５は、無呼吸モニタリングアプリケーションまたは気道開放度モニタリングアプリケーションような１つ以上の呼吸モニタリングアプリケーションにおいて当該情報を使用してもよい。

本発明の幾つかの実施形態では、調整されたサンプリングウィンドウの長さにて格納ステップおよび推定ステップを繰り返すことを含む装置が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、調整ステップが呼吸期間と先の呼吸期間推定値との比較の結果に基づいて調節される装置が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、調整ステップが呼吸期間に乗数を乗じることを含む装置が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、乗数がモニタされている被験者の物理的状態の少なくとも一部に基づいて決定される装置が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、乗数が信号クオリティの少なくとも一部に基づいて決定される装置が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、乗数が呼吸期間の少なくとも一部に基づいて決定される装置が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、サンプリングウィンドウの長さを処理システムによりアプリケーションインターフェースに送信することを含む装置が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、呼吸モニタリングアプリケーションが、無呼吸モニタリングアプリケーションおよび気道開放度モニタリングアプリケーションの何れか１つを備えている装置が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、呼吸期間の少なくとも一部に基づいて生成された情報を処理システムにより呼吸データ出力インターフェースに送信すること、および、当該情報を当該出力インターフェースに表示することを含む方法が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、調整されたサンプリングウィンドウの長さにて格納ステップおよび推定ステップを繰り返すことを含む方法が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、調整ステップが呼吸期間と先の呼吸期間推定値との比較の結果に基づいて調節される方法が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、調整ステップが呼吸期間に乗数を乗じることを含む方法が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、乗数がモニタされている被験者の物理的状態の少なくとも一部に基づいて決定される方法が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、乗数が信号クオリティの少なくとも一部に基づいて決定される方法が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、乗数が呼吸期間の少なくとも一部に基づいて決定される方法が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、呼吸モニタリングアプリケーションにおいて使用されるサンプリングウィンドウの長さを、アプリケーションインターフェースに送信することを含む方法が開示されている。

本発明の幾つかの実施形態では、呼吸モニタリングアプリケーションが無呼吸モニタリングアプリケーションおよび気道開放度モニタリングアプリケーションの何れか１つを備えている方法が開示されている。

本発明は、当業者によって、本発明の精神または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態に具現化され得ることは当然である。したがって、本明細書は、全ての点において、例示的であるが限定的でないものと見なされる。本発明の範疇は、添付の請求項によって示されており、本発明と等価的な意味および範囲において為される全ての変更は、本発明に包含されるものである。

Claims (11)

1. 呼吸信号を受信する受信部と、
   上記受信部によって受信された上記呼吸信号から、サンプリングウィンドウの長さと等しい長さを有する上記呼吸信号のサンプルを抽出する抽出部と、
   上記サンプルの少なくとも一部に基づいて呼吸期間を推定する推定部と、
   上記呼吸期間の少なくとも一部に基づいて上記サンプリングウィンドウの長さを調整する調整部と、
   を備えている、
   ことを特徴とする呼吸モニタリング装置。
2. 上記調整部は調整されたサンプリングウィンドウの長さにて繰り返す、
   ことを特徴とする請求項１に記載の呼吸モニタリング装置。
3. 上記調整部は上記呼吸期間と先の呼吸期間推定値との比較の結果に基づいて上記サンプリングウィンドウの長さの調整を調節する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の呼吸モニタリング装置。
4. 上記調整部は上記呼吸期間に乗数を乗じることによって上記サンプリングウィンドウの長さを調整する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の呼吸モニタリング装置。
5. 上記乗数はモニタされている被験者の物理的状態の少なくとも一部に基づいて決定されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の呼吸モニタリング装置。
6. 上記乗数は信号クオリティの少なくとも一部に基づいて決定されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の呼吸モニタリング装置。
7. 上記乗数は上記呼吸期間の少なくとも一部に基づいて決定されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の呼吸モニタリング装置。
8. 呼吸モニタリングアプリケーションにおいて使用される上記サンプリングウィンドウの長さを、アプリケーションインターフェースに送信する送信部を更に備えている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の呼吸モニタリング装置。
9. 上記呼吸モニタリングアプリケーションは無呼吸モニタリングアプリケーションおよび気道開放度モニタリングアプリケーションの何れか１つを備えている、
   ことを特徴とする請求項８に記載の呼吸モニタリング装置。
10. 適応型ウィンドウを使用する、被験者の呼吸モニタリングの方法であって、
    呼吸信号を受信することと、
    サンプリングウィンドウの長さと等しい長さを有する、上記呼吸信号のサンプルを信号バッファに格納することと、
    上記サンプルの少なくとも一部に基づいて呼吸期間を推定することと、
    上記呼吸期間の少なくとも一部に基づいて上記サンプリングウィンドウの長さを調整することと、
    を含んでいる、
    ことを特徴とする方法。
11. 上記呼吸期間の少なくとも一部に基づいて生成された情報を、呼吸データ出力インターフェースに送信することと、
    上記情報を上記出力インターフェースに表示することと、
    を更に含んでいる、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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