JP2021524958A - 呼吸器系の音に基づく呼吸状態の管理 - Google Patents
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Abstract
Description
1.プロセッサ(例えば、信号サンプリングユニット)は、聴診ツールを使用して呼吸音信号を記録する。呼吸信号は、パルスコード変調(pulse ocde modulation:PCM)によりデジタル化され、信号サンプリングユニットにおける記録デバイスによりPCMフォーマットで記憶される。
2.プロセッサ(例えば、問診票サブシステム)は、定期的な健康問診票又は診断的健康問診票の質問を対象者に提示し、質問に対する回答を受信、分析する。
3.プロセッサ(例えば、オーディオ事前処理サブシステム)は、ノイズ抑制、周波数フィルタリング、及びメルスペクトログラムを計算することによる周波数−時間表現チャート化を実行する。
4.プロセッサ(例えば、呼吸音自動分類サブシステム)は、ニューラルネットワーク又は他の機械学習アルゴリズムを含む機械学習モデルを使用して呼吸音を分類する。分類モデルは、5つの呼吸音分類:正常呼吸、喘鳴、類鼾音、捻髪音、及び水泡音のそれぞれ並びに心拍、膜皮膚摩擦、及び干渉を含むアーチファクトの分類に呼吸音を正確に分類する確率を表す値を生成する。
5.幾つかの実施態様では、プロセッサ(例えば、呼吸フェーズ判定サブシステム)は呼吸信号を、吸気フェーズ、呼気フェーズ、及び特定の呼吸分類(喘鳴等)の呼吸音が記録された期間にセグメント化するが、幾つかの実施態様では、そのような工程は必要ないか、又は有用ではない場合もある。
6.専門家システム(入力はサブシステムの出力に接続される)は、呼吸音分類、診断的問診票及び定期的な問診票に対する回答、並びに吸気フェーズ及び呼気フェーズの持続時間に基づいて呼吸状態を判定する。
7.専門家システム動作の判定についての情報は、デバイス(例えば、情報出力及び表示ユニット)のユーザインターフェースを通じて提示される。
1.信号サンプリングユニットを使用して、聴診ツールにより検知された呼吸音オーディオ信号を記録し、パルスコード変調(PCM)によりデジタル化されたオーディオ信号は記録され、PCMフォーマットで信号サンプリングユニットにおける記録デバイスに記憶される。
2.問診票サブシステムを使用して、定期的又は診断的健康問診票の質問に対する回答が編成され格付けされる。
3.オーディオ事前処理サブシステムを使用して、ノイズ抑制、周波数フィルタリング、及び周波数−時間表現視覚化が、メルスペクトル及びメル周波数ケプストラム係数を計算することにより実行される。
4.呼吸音自動分類サブシステムを使用して、呼吸音の分類評価が、ニューラルネットワーク機械学習アルゴリズムを使用して実行され、これにより、呼吸音を5つの分類:例えば、正常呼吸、喘鳴、類鼾音、水泡音、及び捻髪音の1つ並びに心拍、膜皮膚摩擦、及び干渉を含むアーチファクトの分類に割り当てる確率が生成される。
5.幾つかの実施態様では、呼吸フェーズ判定サブシステムを使用して、ソース信号は吸気フェーズ、呼気フェーズ、及び喘鳴等の特徴的な呼吸音が記録された期間に分割される。
6.専門家システムを使用して、患者の呼吸器健全性ステータスの最終的な評価が、呼吸音の分類評価並びに診断的及び定期的な問診票の質問に対する回答を考慮に入れて生成される。
1.オーディオ信号事前処理、すなわち、ノイズ抑制及び周波数−時間表現チャート化、特に、機械学習アルゴリズムへの入力オーディオ信号の準備及び事前処理済みデータの増強に有用であるメルスペクトル及びメル周波数ケプストラム係数並びに画像ファイルでのそれらの表現を計算する段階。
2.常に必要とされるわけではなく、したがって、任意選択であるが、呼吸フェーズ(欧州特許出願の図はアルゴリズムの一例を示す)を判定する工程は、呼吸のフェーズ(吸気及び呼気)及びこれらのフェーズにおいて検出された喘鳴(喘鳴が生じた場合)に従って振幅−時間特徴をマークすることを含む。これは、例えば、以下のように実行される。
a.元のオーディオ信号がパルスコード変調形態(振幅−時間表現)で取得される。仮定は、波形の窪みが吸気と呼気との間の区切りに対応するというものである。
b.元のオーディオ信号は数桁圧縮される(212,000ポイントから約2,500ポイントに)。
c.生成された圧縮オーディオ信号は、小さな窪みが平滑化され除去されて近似される。
d.次に、閾値未満の全ての窪みがマークされる(例えば、0.02クオンタイル、すなわち、図上のポイントの2%のみ)。
e.セグメント及びフェーズの平均幅の30%未満の全てを含め、短いセグメント及びフェーズは除去される。
f.残りの間隔は、吸気の後に呼気が続くという仮定に基づいて呼吸フェーズと見なされる。
近似アルゴリズムは広く知られている:工程a〜fの結果は、マークアップとともに図29に図示され、吸気、呼気、及び喘鳴が検出されたタイムライン上のエリアを強調表示できるようにする。記録された音の振幅−周波数特徴も示される。
3.呼吸音を、例えば、喘鳴分類又は健康呼吸分類(喘鳴なし)の1つに正確に割り当てる確率を生成する、ニューラルネットワーク機械学習アルゴリズムを使用した呼吸音の分類評価段階(音分類を判定する)。
4.分類の結果及び受信した定期的問診票に対する回答を使用する専門家システムの動作の工程。専門家システムは、呼吸音の自動分類及び問診票回答、並びに恐らくは他のことを考慮に入れて、患者の健康状態又は他の呼吸状態の最終的な評価を与えるように設計される。
COPDの臨床診断を有する患者が、診断的問診票に回答する:
回答から、患者について以下のことを学習する:
−疾患は咳から始まる
−体温は上がらない
−咳は湿性であり、永続的であり、数年にわたり続いている
−多くの痰がある
−呼吸困難が生じることがある
−脱力感はない
−胸痛はない
−悪寒又は発汗はない
−胃の問題はない
−血液検査はここ数日行わなかった
−長期にわたり喫煙している
−花粉及び埃にアレルギーがある
Claims (56)
- マシンベースの方法であって、
聴診によって取得された対象者の呼吸音を表す音記録を受信する工程と、
マシンにより、前記受信した音記録を時間−周波数領域グラフィカル表現に変換する工程と、
マシンにより、前記時間−周波数領域グラフィカル表現を分類器モデルに適用して、前記対象者の前記呼吸音の音分類を判定する工程と、
マシンにより、前記分類器モデルにより判定された前記音分類に基づいて少なくとも前記対象者の呼吸状態を推測する工程と
を有する方法。 - 請求項1記載の方法において、前記時間−周波数領域グラフィカル表現は、メルスペクトログラムを含む方法。
- 請求項2記載の方法において、前記時間−周波数領域グラフィカル表現は、カラーメルスペクトログラムを含む方法。
- 請求項1記載の方法において、前記分類器モデルは、ニューラルネットワークモデルを含む方法。
- 請求項1記載の方法において、前記分類器モデルにより判定された前記音分類に少なくとも基づいて前記対象者の呼吸状態を推測する工程に専門家システムを使用する工程を有する方法。
- 請求項5記載の方法において、前記専門家システムは、前記対象者についての他の情報にも基づいて前記対象者の前記呼吸状態を推測する方法。
- 請求項6記載の方法において、前記対象者についての前記他の情報は、問診票に応答して前記対象者から受信される方法。
- 請求項6記載の方法において、前記対象者についての前記他の情報は、人口統計学的情報を含む方法。
- 請求項6記載の方法において、前記対象者についての前記他の情報は、呼吸状態についての情報を含む方法。
- 請求項1記載の方法において、デバイスのユーザインターフェースを通じて前記推測された呼吸状態についての情報を提示する工程を有する方法。
- 請求項10記載の方法において、前記ユーザインターフェースを通じて提示される情報は、その期間中の前記音記録のグラフィカル表現を含む方法。
- 請求項11記載の方法において、前記音記録の前記グラフィカル表現は、音分類に従って配色される方法。
- 請求項10記載の方法において、前記ユーザインターフェースを通じて提示される前記推測された呼吸状態についての前記情報は、呼吸状態の管理についての情報を含む方法。
- 請求項1記載の方法において、前記対象者の異なる音取得ポイントにおいて測定された複数の音記録を受信する工程を有する方法。
- 請求項14記載の方法において、前記音取得ポイントは、前記呼吸状態に基づいてアルゴリズム的に判定され、モバイルデバイスのユーザインターフェースを通じて前記対象者に提示される方法。
- 請求項1記載の方法において、前記対象者の特定の音取得ポイントで測定された複数の音記録を受信する工程を有する方法。
- 請求項16記載の方法において、マシンにより、前記複数の音記録に対して主成分分析又は他の相関分析若しくは多次元分析を実行する工程を有する方法。
- 請求項1記載の方法において、前記音記録は低下した品質を有する方法。
- 請求項18記載の方法において、前記低下した品質は、ノイズ、不適切な聴診、又はそれらの組合せに基づく方法。
- マシンベースの方法であって、
第1の数の音記録を受信する工程であって、前記音記録のそれぞれは聴診によって取得された対象者の呼吸音を表し、前記音記録のそれぞれは、1人若しくはそれ以上の専門家により判定された既知の音分類を有するものである、前記受信する工程と、
音記録に必ずしも関連しない第2の数の既知のスペクトログラムを使用して、ニューラルネットワークの初期畳み込み層を事前トレーニングする工程と、
前記事前トレーニング後、前記第1の数の音記録及び前記既知の音分類を使用して前記ニューラルネットワークの前記初期畳み込み層をトレーニングする工程であって、前記第2の数の音記録は、前記第1の数の音記録よりも少なくとも1桁大きいものである、前記トレーニングする工程と、
前記音分類が判定されていない音記録を受信する工程と、
前記受信した音記録を前記ニューラルネットワークに適用して前記音記録の音分類を判定する工程と
を有する方法。 - 請求項20記載の方法において、前記音記録におけるアーチファクトの検出及び削除、異なる分類の音記録の区別、又は前記1つ若しくはそれ以上の専門家により判定される既知の音分類を有する新しい音記録に基づいた新しい音分類の追加のうちの1つ若しくはそれ以上により前記ニューラルネットワークの動作を強化する工程を有する方法。
- 請求項20記載の方法において、前記ニューラルネットワークは切断モデルを含む方法。
- 請求項22記載の方法において、前記切断モデルはSqueezeNETモデルを含む方法。
- 請求項22記載の方法において、前記切断モデルはモバイルデバイスで実行される方法。
- 請求項22記載の方法において、前記切断モデルはARMプロセッサで実行される方法。
- 請求項20記載の方法において、前記判定された音分類を使用して前記音記録に対して専門家システムを実行し、前記対象者の呼吸状態を推測する工程を有する方法。
- 請求項26記載の方法において、前記デバイスのユーザインターフェースを通じて前記推測された呼吸状態についての情報を提示する工程を有する方法。
- 請求項20記載の方法において、前記受信した音記録を前記ニューラルネットワークに適用して前記音記録の音分類を判定する工程は、前記音記録が取得された場所から遠隔のサーバで実行される方法。
- 請求項20記載の方法において、前記受信した音記録を前記ニューラルネットワークに適用して前記音記録の音分類を判定する工程は、モバイルデバイスで実行される方法。
- 請求項20記載の方法において、前記受信した音記録を前記ニューラルネットワークに適用して前記音記録の音分類を判定する工程は、モバイルデバイスと当該モバイルデバイスから遠隔のサーバとの組合せで実行される方法。
- 請求項20記載の方法において、前記受信した音記録を前記ニューラルネットワークに適用して前記音記録の音分類を判定する工程は、前記受信した音記録のメルスペクトログラムを生成する工程を含む方法。
- 請求項20記載の方法において、前記受信した音記録を前記ニューラルネットワークに適用して前記音記録の音分類を判定する工程は、前記音記録のそれぞれのキー値対を判定する工程であって、前記キーは前記対象者における前記音取得ポイントを含み、前記値は前記音分類を含むものである、判定する工程を含む方法。
- 請求項20記載の方法において、前記音分類は、正常音、喘鳴、類鼾音、捻髪音、水泡音、皮膚摩擦アーチファクト、干渉アーチファクト、及び心拍アーチファクトのうちの少なくとも1つを含む方法。
- マシンベースの方法であって、
対象者のモバイルデバイスで実行中のアプリケーションから、前記対象者の1つ若しくはそれ以上の呼吸状態に関連する情報を受信する工程であって、前記情報は聴診によって前記対象者から取得された呼吸音を含むものである、受信する工程と、
サーバにおいて前記情報を処理する工程と、
デバイスのユーザインターフェースを通じて医療提供者に、前記対象者の前記1つ若しくはそれ以上の呼吸状態に関連する、前記モバイルデバイスで実行中のアプリケーションから受信された情報を提示する工程と、
前記サーバにおいて前記医療提供者から前記1つ若しくはそれ以上の呼吸状態の管理についての判定を受信する工程と
を有する方法。 - 請求項34記載の方法において、前記モバイルデバイスで実行中のアプリケーションから受信される情報は、前記モバイルデバイスのユーザインターフェースを通じて前記対象者により入力された情報を含む方法。
- 請求項34記載の方法において、前記サーバにおいて前記情報を処理する工程は、前記呼吸音を分類モデルに適用して前記呼吸音の音分類を判定する工程を含む方法。
- 請求項34記載の方法において、前記サーバにおいて前記情報を処理する工程は、前記対象者の1つ若しくはそれ以上の呼吸状態を推測する工程を含む方法。
- 請求項37記載の方法において、前記対象者の前記1つ若しくはそれ以上の呼吸状態を推測する工程は、前記呼吸音及び前記モバイルデバイスを通じて前記対象者から受信される他の情報に基づく方法。
- 請求項34記載の方法において、前記モバイルデバイスを通じて前記対象者に前記1つ若しくはそれ以上の呼吸状態の管理についての前記医療提供者の前記判定を提示する工程を有する方法。
- 請求項34記載の方法において、前記1つ若しくはそれ以上の呼吸状態の管理についての前記判定は、診断、治療の処方、訓練、指針、又は質問のうちの1つ若しくはそれ以上を含む方法。
- 請求項34記載の方法において、前記1つ若しくはそれ以上の呼吸状態の管理についての前記判定はバイナリ判定を含み、前記方法は、モバイルデバイスを通じて前記バイナリ判定を対象者に提示する工程を有する方法。
- 請求項41記載の方法において、前記対象者に提示される前記バイナリ判定は、前記呼吸状態が危険であるか否かの判定又は前記対象者が受診すべきか否かの判定を含む方法。
- マシンベースの方法であって、
対象者のデバイスから、前記対象者についての1つ若しくはそれ以上の質問に対する回答を受信する工程と、
サーバにおいて、前記回答を専門家システムに適用して前記対象者の呼吸状態を推測する工程であって、前記専門家システムは、前記対象者の聴診によって取得された音記録にも基づいて前記対象者の前記呼吸状態を推測するものである、推測する工程と
を有する方法。 - 請求項43記載の方法において、前記質問は、診断的な問診票又は定期的な問診票の一部である方法。
- 請求項44記載の方法において、前記診断問的な診票又は定期的な問診票は、特定の呼吸状態に関連するものである方法。
- 請求項44記載の方法において、前記対象者の聴診によって取得された前記音記録は、前記対象者の前記デバイスからも受信される方法。
- マシンベースの方法であって、
対象者のモバイルデバイスにおいて、前記対象者の前記1つ若しくはそれ以上の音取得ポイントにおける聴診によって取得された音記録を受信する工程であって、前記音記録は或る期間にわたり連続した時間で取得されたものである、受信する工程と、
前記連続した時間で取得された前記音記録に基づいて、前記対象者の呼吸状態の変化を推測する工程と、
前記モバイルデバイスを通じて前記対象者の前記呼吸状態の前記変化についての情報を提示する工程と
を有する方法。 - 請求項47記載の方法において、前記対象者の前記呼吸状態の変化を推測する工程は、前記連続した時間のそれぞれにおける前記対象者の前記呼吸状態を推測する工程と、前記推測された呼吸状態を比較する工程とを含む方法。
- 請求項48記載の方法において、前記連続した時間のそれぞれにおける前記対象者の前記呼吸状態を推測する工程は、1つ若しくはそれ以上の音分類を表すものとして前記音記録の少なくとも1つを分類する工程を含む方法。
- 請求項49記載の方法において、前記連続した時間のそれぞれにおける前記対象者の前記呼吸状態を推測する工程は、専門家システムを前記1つ若しくはそれ以上の音分類に適用する工程を含む方法。
- 請求項47記載の方法において、前記呼吸状態の前記変化を推測する工程は、少なくとも部分的に前記モバイルデバイスにおいて実行される方法。
- 請求項47記載の方法において、前記呼吸状態の前記変化を推測する工程は、少なくとも部分的にサーバにおいて実行される方法。
- 請求項47記載の方法において、前記呼吸状態は慢性呼吸状態を含む方法。
- 請求項53記載の方法において、前記慢性呼吸状態はCOPDを含む方法。
- 請求項47記載の方法において、前記対象者の前記呼吸状態の前記推測される変化は、増悪を含む方法。
- 請求項47記載の方法において、デバイスのユーザインターフェースを通じて、前記対象者の前記呼吸状態の前記変化についての情報を医療提供者に提示する工程を有する方法。
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