JP2024074099A - Biological sound sensor system - Google Patents
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- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
Description
この発明は、雑音環境下でも耳の内部などの狭所を含む皮膚などに装着したマイクを用いて、血管音や呼吸音を測定することのできる接触式生体音センサに関するものである。 This invention relates to a contact-type biological sound sensor that can measure blood vessel sounds and respiratory sounds using a microphone attached to the skin, including narrow spaces such as the inside of the ear, even in noisy environments.
我が国の総人口に占める高齢者人口の割合は1985年に10%、2005年に20%を超え、2020年には28.7%と年々増加している。この割合はこの先も増加を続け2040年には35.3%になると見込まれている。国民医療費は1985年に16兆159億円、2018年に43兆3949億円となり、高齢者人口と比例するように年々増加している。医療費節減のためには日常生活でのセルフメディケーション(自分自身の健康に責任を持ち、軽度な体の不調は自分で手当てすること)が必要である。
セルフメディケーションの実現には、生体情報の常時計測が可能なウェアラブルデバイスの開発が望まれるが、生体情報と言っても脈拍、呼吸、血圧及び脳波等様々な種類の情報があり、計測方法や対応するデバイスも多岐にわたっている。そして、脈拍及び呼吸の同時計測が可能になれば、循環器系や呼吸器系疾患(心疾患や肺炎等)の早期発見が期待できるが、医療機関に設置されている脈拍及び呼吸を測定可能な装置は医療従事者以外の専門知識がない者にとっては取扱いが難しく、手軽に使用できるものではない。
The proportion of elderly people in Japan's total population was 10% in 1985, exceeded 20% in 2005, and is increasing year by year to 28.7% in 2020. This proportion is expected to continue to increase in the future and reach 35.3% in 2040. National medical expenses were 16.159 trillion yen in 1985 and 43.3949 trillion yen in 2018, increasing year by year in proportion to the elderly population. Self-medication in daily life (taking responsibility for one's own health and treating minor physical ailments oneself) is necessary to reduce medical expenses.
To realize self-medication, it is desirable to develop wearable devices that can constantly measure biological information, but there are various types of biological information such as pulse, respiration, blood pressure, and brain waves, and there are also a wide variety of measurement methods and corresponding devices. If it becomes possible to simultaneously measure pulse and respiration, early detection of circulatory and respiratory diseases (heart disease, pneumonia, etc.) can be expected, but the devices that can measure pulse and respiration installed in medical institutions are difficult to use for people without specialized knowledge other than medical professionals, and are not easy to use.
そこで、本発明者等は、特許文献1(特開2020-121120号公報)や特許文献2(特開2021-74464号公報)に記載されているように、外耳道の比較的深い位置に装着したマイクを用いて、骨等を伝導する血管音及び呼吸音を検知するとともに血管音と呼吸音を分離し、分離した呼吸音波形から脈拍ノイズを除去し、肺の異常状態や呼吸音を正確に検出する接触式生体音センサを開発した。
また、本発明者等は、非特許文献1(第36回ライフサポート学会大会(LIFE2020-2021)、2021年9月16-18日、pp.168-171)に記載されているように、被検者の頭部に装着した2か所のセンサ部(コンデンサマイクロホン)によって計測した生体音と雑音からなる主要入力及び雑音からなる参照入力に基づき、主要入力と参照入力の振幅スペクトログラムの2乗の差(|S(t,ω)|2-|N(t,ω)|2)によって定まる適応マージンm(t,ω)を用いる多チャネルウィナーフィルタを利用してSN比を向上できることを見出した。
さらに、特許文献3(特許第6226301号公報)には、主信号x(t)を出力する第1のマイクロホン(11)と参照信号r1(t)を出力する第2のマイクロホン(12)を有すること、主信号x(t)及び参照信号r1(t)を入力として時間領域から周波数領域に信号を変換し、主信号スペクトルX(ω)及び参照信号スペクトルR1(ω)を出力すること、主信号スペクトルX(ω)及び参照信号スペクトルR1(ω)が入力され、主信号パワースペクトルPx(ω)や第2の参照信号パワースペクトルPr2(ω)を出力すること、雑音抑圧係数算出部(108B)が雑音抑圧係数H(ω)を出力すること、Px(ω)とパワースペクトルPr1’(ω)を用いて、スペクトル比Px(ω)/Pr1’(ω)の時間平均に相当する重み係数α(ω)を算出すること等が記載されている(特に、段落0042~0054、0173~0179及び図1、2、12を参照)。
Therefore, the present inventors developed a contact-type biological sound sensor that uses a microphone attached relatively deep in the ear canal to detect vascular sounds and respiratory sounds conducted through bones, etc., separates the vascular sounds from the respiratory sounds, removes pulse noise from the separated respiratory sound waveform, and accurately detects abnormal lung conditions and respiratory sounds, as described in Patent Document 1 (JP 2020-121120 A) and Patent Document 2 (JP 2021-74464 A).
In addition, the inventors have discovered that, as described in non-patent document 1 (36th Life Support Society Conference (LIFE2020-2021), September 16-18, 2021, pp. 168-171), the signal-to-noise ratio can be improved by using a multi-channel Wiener filter that uses an adaptive margin m(t,ω) determined by the squared difference (|S(t,ω)| 2 -|N(t,ω)| 2 ) between the amplitude spectrograms of the main input and the reference input, which are composed of biological sounds and noise measured by two sensor units (condenser microphones) attached to the subject's head.
Furthermore, Patent Document 3 (Japanese Patent No. 6226301) describes the following: a first microphone (11) that outputs a main signal x(t) and a second microphone (12) that outputs a reference signal r1(t); the main signal x(t) and the reference signal r1(t) are input, and the signal is converted from the time domain to the frequency domain to output a main signal spectrum X(ω) and a reference signal spectrum R1(ω); the main signal spectrum X(ω) and the reference signal spectrum R1(ω) are input, and a main signal power spectrum Px(ω) and a second reference signal power spectrum Pr2(ω) are output; a noise suppression coefficient calculation unit (108B) outputs a noise suppression coefficient H(ω); and a weighting coefficient α(ω) corresponding to a time average of the spectral ratio Px(ω)/Pr1'(ω) is calculated using Px(ω) and the power spectrum Pr1'(ω) (see, in particular, paragraphs 0042 to 0054, 0173 to 0179, and FIGS. 1, 2, and 12).
特許文献1及び2に記載されている生体音センサは、いずれも外耳道に装着して血管音と呼吸音を同時に測定し、血管音と呼吸音を分離するものであって、雑音の除去については考慮しておらず、外耳道に装着するため被検者に不快感を与え易い。
そして、非特許文献1には2か所にあるセンサ部で計測した主要入力と参照入力に基づく雑音低減法について記載されているが、多チャネルウィナーフィルタで用いられる適応マージンm(t,ω)は、p.169の右欄末行に記載されているように、(|S(t,ω)|2-|N(t,ω)|2)によって定まる3又は100のみであることから、雑音低減能力に劣る場合が生じる。
さらに、特許文献3に記載されている雑音低減手法は、スペクトル比Px(ω)/Pr1’(ω)の時間平均に相当する重み係数α(ω)を算出しているため、演算により補正された雑音信号と入力に混入される雑音レベルに差がある場合、目的音声を抽出するための最適な重み係数α(ω)を決定することができず、十分な雑音低減効果を得られないことがある。
この発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、被検者に不快感を与えずに血管音と呼吸音を同時測定するとともに雑音低減能力を高めることを第1の目的とする。
また、主として血管音と呼吸音を測定するセンサと雑音を測定するセンサを保持し、被検者の頭部に容易に装着できる生体音センサを提供することを第2の目的とする。
The biological sound sensors described in Patent Documents 1 and 2 are both attached to the ear canal to simultaneously measure blood vessel sounds and respiratory sounds, and separate the blood vessel sounds from the respiratory sounds. However, they do not take into consideration the elimination of noise, and because they are attached to the ear canal, they are likely to cause discomfort to the subject.
Furthermore, Non-Patent Document 1 describes a noise reduction method based on a main input and a reference input measured by sensors at two locations. However, as described in the last line of the right column on p. 169, the adaptive margin m(t,ω) used in the multi-channel Wiener filter is only 3 or 100, which is determined by (|S(t,ω)| 2 -|N(t,ω)| 2 ), and therefore the noise reduction ability may be inferior.
Furthermore, since the noise reduction method described in Patent Document 3 calculates a weighting coefficient α(ω) equivalent to the time average of the spectral ratio Px(ω)/Pr1'(ω), if there is a difference between the noise level corrected by calculation and the noise level mixed into the input, it may not be possible to determine an optimal weighting coefficient α(ω) for extracting the target voice, and a sufficient noise reduction effect may not be obtained.
The present invention is intended to solve these problems, and has as its first object to simultaneously measure vascular sounds and respiratory sounds without causing discomfort to the subject, and to improve noise reduction capabilities.
A second object of the present invention is to provide a biological sound sensor which can be easily attached to the head of a subject and which has sensors for mainly measuring vascular sounds and respiratory sounds and a sensor for measuring noise.
請求項1に係る発明の生体音センサシステムは、
主として血管音と呼吸音を測定し主要入力を取得する主要入力用センサ及び主として雑音を測定し参照入力を取得する参照入力用センサからなる生体音センサと、
前記主要入力用センサで取得した主要入力及び前記参照入力用センサで取得した参照入力から設計され、主要入力から雑音低減を行うウィナーフィルタを備えており、
前記主要入力用センサは、被検者の乳様突起付近に接触させるものであり、
前記参照入力用センサは、前記主要入力用センサの上方、かつ、前記被検者の耳介の近傍に配置させるものであり、
前記ウィナーフィルタは、前記主要入力に短時間フーリエ変換を施して取得した主要入力振幅スペクトログラム、前記参照入力に短時間フーリエ変換を施して取得した参照入力振幅スペクトログラム及び調整マージンを用いる多チャネルウィナーフィルタであり、
前記調整マージンは、前記主要入力振幅スペクトログラムの2乗から前記参照入力振幅スペクトログラムの2乗を引いた値及び前記主要入力振幅スペクトログラムと前記参照入力振幅スペクトログラムとの比率に基づいて決定されることを特徴とする。
The biological sound sensor system according to claim 1 comprises:
a biological sound sensor including a main input sensor for mainly measuring vascular sounds and respiratory sounds to obtain a main input, and a reference input sensor for mainly measuring noise to obtain a reference input;
a Wiener filter designed from a primary input acquired by the primary input sensor and a reference input acquired by the reference input sensor, and performing noise reduction from the primary input;
the main input sensor is brought into contact with the subject near the mastoid process,
the reference input sensor is disposed above the main input sensor and in the vicinity of the subject's auricle;
the Wiener filter is a multi-channel Wiener filter that uses a main input amplitude spectrogram obtained by performing a short-time Fourier transform on the main input, a reference input amplitude spectrogram obtained by performing a short-time Fourier transform on the reference input, and an adjustment margin;
The adjustment margin is determined based on a value obtained by subtracting the square of the reference input amplitude spectrogram from the square of the main input amplitude spectrogram and a ratio of the main input amplitude spectrogram to the reference input amplitude spectrogram.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の生体音センサシステムにおいて、
前記生体音センサは、前記主要入力用センサを前記被検者の乳様突起付近に接触させるとともに、前記参照入力用センサを前記主要入力用センサの上方、かつ、前記被検者の耳介の近傍に配置させるために、前記被検者の頭部に対して着脱自在に装着可能な保持部及び該保持部から下方に延びる延長部を備えており、
前記主要入力用センサは、前記延長部の下方先端近傍に設置されており、
前記参照入力用センサは、前記延長部の上方近傍に設置されていることを特徴とする。
The invention according to claim 2 provides the biological sound sensor system according to claim 1,
the biological sound sensor includes a holding portion that can be detachably attached to the head of the subject and an extension portion that extends downward from the holding portion so that the primary input sensor is brought into contact with the vicinity of the mastoid process of the subject and the reference input sensor is disposed above the primary input sensor and in the vicinity of the auricle of the subject;
The primary input sensor is disposed near a lower end of the extension portion,
The reference input sensor is characterized in that it is installed near the upper portion of the extension portion.
請求項3に係る発明は、請求項1に記載の生体音センサシステムにおいて、
前記生体音センサは、前記主要入力用センサを前記被検者の乳様突起付近に接触させるとともに、前記参照入力用センサを前記主要入力用センサの上方、かつ、前記被検者の耳介の近傍に配置させるために、前記被検者の左右の耳介に対して着脱自在に装着可能な左耳掛け部及び右耳掛け部並びに前記左耳掛け部と前記右耳掛け部の後端同士を接続する接続部を備えており、
前記主要入力用センサは、前記左耳掛け部又は前記右耳掛け部の後端近傍に設置されており、
前記参照入力用センサは、前記左耳掛け部又は前記右耳掛け部の上部近傍に設置されていることを特徴とする。
The invention according to claim 3 provides the biological sound sensor system according to claim 1,
the biological sound sensor includes a left ear hook portion and a right ear hook portion that can be detachably attached to the left and right auricles of the subject, and a connecting portion that connects rear ends of the left ear hook portion and the right ear hook portion to each other, so that the main input sensor is brought into contact with the vicinity of the mastoid process of the subject and the reference input sensor is disposed above the main input sensor and in the vicinity of the auricle of the subject;
the main input sensor is disposed near a rear end of the left ear hook portion or the right ear hook portion,
The reference input sensor is characterized in that it is installed near the upper part of the left ear hook portion or the right ear hook portion.
請求項1に係る発明の生体音センサシステムによれば、主要入力用センサを被検者の乳様突起付近に接触させるので、被検者に不快感を与えずに血管音と呼吸音を測定することができる。また、主要入力から雑音低減を行うウィナーフィルタが、主要入力振幅スペクトログラム、参照入力振幅スペクトログラム及び調整マージンを用いる多チャネルウィナーフィルタであり、調整マージンは、主要入力振幅スペクトログラムの2乗から参照入力振幅スペクトログラムの2乗を引いた値及び主要入力振幅スペクトログラムと参照入力振幅スペクトログラムとの比率に基づいて決定されるので、雑音低減量を調整するパラメータである調整マージンを動的に変化させることができ、従来法に比べて良い信号対雑音比(以下「SNR」という。)が得られ、雑音低減能力を高めることができる。 According to the biosound sensor system of the invention of claim 1, the main input sensor is brought into contact with the subject's mastoid process, so that vascular sounds and respiratory sounds can be measured without causing discomfort to the subject. In addition, the Wiener filter that reduces noise from the main input is a multi-channel Wiener filter that uses a main input amplitude spectrogram, a reference input amplitude spectrogram, and an adjustment margin, and the adjustment margin is determined based on the value obtained by subtracting the square of the reference input amplitude spectrogram from the square of the main input amplitude spectrogram and the ratio between the main input amplitude spectrogram and the reference input amplitude spectrogram, so that the adjustment margin, which is a parameter that adjusts the amount of noise reduction, can be dynamically changed, and a better signal-to-noise ratio (hereinafter referred to as "SNR") can be obtained compared to conventional methods, thereby improving noise reduction capability.
請求項2に係る発明の生体音センサシステムによれば、請求項1に係る発明の効果に加え、被検者の頭部に対して着脱自在に装着可能な保持部及び該保持部から下方に延びる延長部を備えており、主要入力用センサは延長部の下方先端近傍に設置されており、参照入力用センサは延長部の上方に設置されているので、主要入力用センサ及び参照入力用センサを、被検者の頭部に容易に装着することができる。 The biological sound sensor system of the invention according to claim 2 has the effect of the invention according to claim 1, and further includes a holding part that can be detachably attached to the subject's head and an extension part that extends downward from the holding part, and the main input sensor is installed near the lower tip of the extension part, and the reference input sensor is installed above the extension part, so that the main input sensor and the reference input sensor can be easily attached to the subject's head.
請求項3に係る発明の生体音センサシステムによれば、請求項1に係る発明の効果に加え、被検者の左右の耳介に対して着脱自在に装着可能な左耳掛け部及び右耳掛け部並びに左耳掛け部と右耳掛け部の後端同士を接続する接続部を備えており、主要入力用センサは左耳掛け部又は右耳掛け部の後端近傍に設置されており、参照入力用センサは左耳掛け部又は右耳掛け部の上部近傍に設置されているので、主要入力用センサ及び参照入力用センサを、被検者の頭部に容易に装着することができる。 According to the biosound sensor system of the invention of claim 3, in addition to the effects of the invention of claim 1, the system is equipped with a left ear hook part and a right ear hook part that can be attached and detached freely to the left and right auricles of the subject, and a connection part that connects the rear ends of the left and right ear hook parts, and the main input sensor is installed near the rear end of the left ear hook part or the right ear hook part, and the reference input sensor is installed near the upper part of the left ear hook part or the right ear hook part, so that the main input sensor and the reference input sensor can be easily attached to the subject's head.
以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。 The following describes the embodiment of the present invention using examples.
図1は実施例1に係る生体音センサシステムの概念図であり、図2は実施例1の生体音センサ1を被検者の頭部に装着した様子を示す図である。
実施例1に係る生体音センサシステムは、図1に示すように、被検者の頭部に装着する生体音センサ1と、生体音センサ1で取得した生体音を処理して雑音低減を行い、被検者の血管音波形及び呼吸音波形を出力する生体音信号処理手段2を備えている。
生体音センサ1は、被検者の頭部に対して着脱自在に装着可能なU字状の弾性を有する保持部3と、保持部3から下方に延び弾性を有する2つの延長部4と、延長部4の下方先端近傍に設置されている主要入力用センサ5と、延長部4の上方近傍(図1では延長部4の上端前方)において外向きに設置されている参照入力用センサ6を有している。
そして、図2に示すように、生体音センサ1の保持部3は弾性力によって被検者の後頭部及び側頭部に固定することができ、延長部4の下方先端近傍に設置されている主要入力用センサ5は、保持部3を被検者の頭部に固定した状態において、被検者の乳様突起周辺に接触するとともに弾性力によって少し内側に押し付けられるように位置決めされる。
なお、乳様突起は、側頭骨の後下部に位置する円錐形の隆起部であり、主要入力用センサ5を乳様突起周辺に接触させることで血管音と呼吸音を同時に測定することができ、しかも、ほとんどの被検者に不快感を与えることがない。
また、被検者の頭部の大きさや乳様突起の位置は様々であるため、保持部3及び延長部4は大きさの異なるものを数種類用意し、保持部3の前方側には7~10個の穴を設け、それらの穴のいずれかに延長部4の上端部をネジ止めできるようにしてある。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a biological sound sensor system according to a first embodiment, and FIG. 2 is a diagram showing a state in which the biological sound sensor 1 of the first embodiment is attached to the head of a subject.
As shown in FIG. 1, the body sound sensor system of Example 1 includes a body sound sensor 1 that is attached to the head of a subject, and a body sound signal processing means 2 that processes the body sounds acquired by the body sound sensor 1, reduces noise, and outputs the subject's vascular sound waveform and respiratory sound waveform.
The biological sound sensor 1 has a U-shaped elastic holding portion 3 that can be attached and detached freely to the subject's head, two elastic extension portions 4 extending downward from the holding portion 3, a main input sensor 5 installed near the lower tip of the extension portion 4, and a reference input sensor 6 installed facing outward near the upper part of the extension portion 4 (in Figure 1, in front of the upper end of the extension portion 4).
As shown in Figure 2, the holding portion 3 of the biological sound sensor 1 can be fixed to the back and sides of the subject's head by elastic force, and the main input sensor 5 installed near the lower tip of the extension portion 4 is positioned so that when the holding portion 3 is fixed to the subject's head, it comes into contact with the area around the mastoid process of the subject and is pressed slightly inward by elastic force.
The mastoid process is a cone-shaped protuberance located at the lower back of the temporal bone. By contacting the main input sensor 5 with the area around the mastoid process, vascular sounds and respiratory sounds can be measured simultaneously, without causing discomfort to most subjects.
In addition, since the subjects' heads vary in size and the positions of the mastoid processes, several different sized holding parts 3 and extension parts 4 are prepared, and 7 to 10 holes are provided on the front side of the holding part 3 so that the upper end of the extension part 4 can be screwed into any of these holes.
図3は、主要入力用センサ5及び参照入力用センサ6の構造を示す断面図である。
主要入力用センサ5及び参照入力用センサ6は、いずれも図3(B)に示すエレクトレットコンデンサマイク(以下「ECM」という。)7を利用する音響センサであり、図3(A)に示すように、ECM7、ポリウレタンエラストマ製の音響伝導部8及び光硬化樹脂のケース9によって構成されている。そして、ECM7は、筐体10に収容されており、音を検出する振動板(ダイヤフラム)の表面となる受波面11等を有している。
また、筐体10は光硬化樹脂のケース9の内部に収容されるとともに、受波面11の表面及び筐体10の周囲はポリウレタンエラストマ製の音響伝導部8で覆われている。
受波面11の表面を音響伝導部8で覆うのは、ECM7を直接人体の表面に近づけて生体音を取得すると、人体とは異なる音響特性を持つ空気に生体音が伝播し、境界面で反射して減衰してしまうからである。生体音を減衰させずにECM7へ伝搬させるには、人体の表面と受波面11の表面との間を、人体と同じ音響特性を持つ媒質で埋めると良い。
そこで、実施例1では受波面11の表面を、人体の皮膚と同等の音響特性を持つポリウレタンエラストマで覆っている。こうすることにより、特に主要入力用センサ5において、乳様突起周辺から取得される生体音を精度よくECM7に伝搬させることができる。
そして、主要入力用センサ5及び参照入力用センサ6を、被検者の頭部へ図2に示すように配置すれば、主要入力用センサ5では主として血管音と呼吸音を測定することができ、参照入力用センサ6では主として雑音を測定することができる。なお、参照入力用センサ6は被検者に接触させずに利用するので、ECM7のみとしても良い。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structures of the main input sensor 5 and the reference input sensor 6. As shown in FIG.
Both the main input sensor 5 and the reference input sensor 6 are acoustic sensors that use an electret condenser microphone (hereinafter referred to as "ECM") 7 shown in Fig. 3(B), and as shown in Fig. 3(A), are composed of the ECM 7, an acoustic conductive part 8 made of polyurethane elastomer, and a case 9 made of photocurable resin. The ECM 7 is housed in a housing 10, and has a wave receiving surface 11 which is the surface of a vibration plate (diaphragm) that detects sound, etc.
The housing 10 is housed inside a case 9 made of photocurable resin, and the surface of the wave-receiving surface 11 and the periphery of the housing 10 are covered with an acoustic conductive portion 8 made of polyurethane elastomer.
The reason why the surface of the wave receiving surface 11 is covered with the acoustic conductive part 8 is that if the ECM 7 is brought directly close to the surface of the human body to acquire body sound, the body sound will propagate through the air, which has acoustic properties different from those of the human body, and will be reflected and attenuated at the boundary surface. In order to propagate the body sound to the ECM 7 without attenuating it, it is advisable to fill the space between the surface of the human body and the surface of the wave receiving surface 11 with a medium that has the same acoustic properties as the human body.
Therefore, in the first embodiment, the surface of the wave receiving surface 11 is covered with polyurethane elastomer having acoustic properties equivalent to those of human skin. This makes it possible to transmit the body sounds acquired from the mastoid process area, particularly in the main input sensor 5, to the ECM 7 with high accuracy.
2, the main input sensor 5 can mainly measure vascular sounds and respiratory sounds, and the reference input sensor 6 can mainly measure noise. Note that since the reference input sensor 6 is used without contacting the subject, only the ECM 7 may be used.
次に、生体音信号処理手段2における生体音の処理手法について説明する。
図1に示すように、まず、主要入力用センサ5で取得した主要入力の信号及び参照入力用センサ6で取得した参照入力の信号が、有線又は無線の送信手段を介して生体音信号処理手段2に対して送信される。すると、生体音信号処理手段2は、以下の手順によって主要入力の信号及び参照入力の信号を処理し、主要入力の信号から雑音低減を行った上で、従来技術による信号分離を行って、精度の高い血管音波形及び呼吸音波形を取得する。
(手順1)受信した主要入力の信号及び参照入力の信号に対して短時間フーリエ変換(以下「STFT」という。)を行い、主要入力振幅スペクトログラム(|S(t,ω)|)及び参照入力振幅スペクトログラム(|N(t,ω)|)を取得する。
(手順2)マージンを用いる多チャネルウィナーフィルタによる雑音低減手法を利用して、主要入力から雑音低減を行う。具体的には、上記手順1で取得した|S(t,ω)|及び|N(t,ω)|に加えて、ゲイン調整用の調整マージンα(t,ω)から設計された多チャネルウィナーフィルタH(t,ω)を利用する。下記の式(1)に設計した多チャネルウィナーフィルタH(t,ω)を示す。なお、(t,ω)は各時間t及び角周波数ωでの成分を示している。
H(t,ω)=|S(t,ω)|2/(|S(t,ω)|2+α(t,ω)|N(t,ω)|2)・・・・・式(1)
実施例1においては、主要入力振幅スペクトログラムの2乗から参照入力振幅スペクトログラムの2乗を引いた値(|S(t,ω)|2-|N(t,ω)|2の値)に応じて、調整マージンα(t,ω)を下記の式(2-1)、(2-2)で定義する。
|S(t,ω)|2-|N(t,ω)|2>0:α(t,ω)=10(|N(t,ω)|/|S(t,ω)|)・・・式(2-1)
|S(t,ω)|2-|N(t,ω)|2≦0:α(t,ω)=30(|N(t,ω)|/|S(t,ω)|)・・・式(2-2)
そして、式(2-1)、(2-2)で定義されたα(t,ω)を用いてH(t,ω)を設計し、H(t,ω)S(t,ω)を演算することで主要入力から雑音低減が行われ、元の生体音X(t,ω)に近似する復元生体音X’(t,ω)を得ることができる。
すなわち、雑音がそれほど混入しておらず|S(t,ω)|2-|N(t,ω)|2>0である場合、調整マージンα(t,ω)は|N(t,ω)|/|S(t,ω)|の値に比例して0≦α(t,ω)<10の範囲で変化するが(図4左側の実線を参照)、α(t,ω)は比較的小さいので主要入力の劣化を抑えながら雑音が低減される。また、雑音が混入して|S(t,ω)|2-|N(t,ω)|2≦0である場合、調整マージンα(t,ω)は|N(t,ω)|/|S(t,ω)|の値に比例して30≦α(t,ω)となるように変化するが(図4右側の実線を参照)、α(t,ω)は比較的大きいので雑音が大幅に低減される。
これに対して、非特許文献1の適応マージンm(t,ω)は、図4に点線で示すように、|S(t,ω)|2-|N(t,ω)|2>0である場合は3に固定されるため、|N(t,ω)|/|S(t,ω)|の値が1に近い場合には雑音低減が不十分になってしまう。逆に|S(t,ω)|2-|N(t,ω)|2≦0である場合は100に固定されるため、|N(t,ω)|/|S(t,ω)|の値が1に近い場合には雑音低減を行い過ぎて主要入力が劣化してしまう。
Next, a method for processing body sounds in the body sound signal processing means 2 will be described.
As shown in Fig. 1, first, a primary input signal acquired by a primary input sensor 5 and a reference input signal acquired by a reference input sensor 6 are transmitted to a biological sound signal processing means 2 via a wired or wireless transmission means. Then, the biological sound signal processing means 2 processes the primary input signal and the reference input signal in the following procedure, performs noise reduction from the primary input signal, and then performs signal separation by the conventional technology to obtain a highly accurate vascular sound waveform and respiratory sound waveform.
(Step 1) A short-time Fourier transform (hereinafter referred to as "STFT") is performed on the received main input signal and reference input signal to obtain the main input amplitude spectrogram (|S(t,ω)|) and the reference input amplitude spectrogram (|N(t,ω)|).
(Step 2) Noise is reduced from the main input using a noise reduction method with a multi-channel Wiener filter that uses a margin. Specifically, in addition to |S(t,ω)| and |N(t,ω)| obtained in step 1 above, a multi-channel Wiener filter H(t,ω) designed from an adjustment margin α(t,ω) for gain adjustment is used. The designed multi-channel Wiener filter H(t,ω) is shown in the following equation (1). Note that (t,ω) indicates the components at each time t and angular frequency ω.
H(t,ω)=|S(t,ω)| 2 / (|S(t,ω)| 2 + α(t,ω)|N(t,ω)| 2 ) ... Equation (1)
In the first embodiment, the adjustment margin α(t,ω) is defined by the following equations (2-1) and (2-2) according to the value obtained by subtracting the square of the reference input amplitude spectrogram from the square of the main input amplitude spectrogram (the value of |S(t,ω)| 2 - |N(t,ω)| 2 ).
|S(t,ω)| 2 -|N(t,ω)| 2 >0: α(t,ω)=10(|N(t,ω)|/|S(t,ω)|)・・・Equation (2-1)
|S(t,ω)| 2 -|N(t,ω)| 2 ≦0: α(t,ω)=30(|N(t,ω)|/|S(t,ω)|)・・・Equation (2-2)
Then, H(t,ω) is designed using α(t,ω) defined in equations (2-1) and (2-2), and noise is reduced from the main input by calculating H(t,ω)S(t,ω), and a restored body sound X'(t,ω) that is close to the original body sound X(t,ω) can be obtained.
That is, when there is not much noise and |S(t,ω)| 2 -|N(t,ω)| 2 > 0, the adjustment margin α(t,ω) changes in proportion to the value of |N(t,ω)|/|S(t,ω)| within the range of 0≦α(t,ω)<10 (see the solid line on the left side of Figure 4), but since α(t,ω) is relatively small, noise is reduced while suppressing degradation of the main input. Also, when noise is mixed in and |S(t,ω)| 2 -|N(t,ω)| 2 ≦0, the adjustment margin α(t,ω) changes in proportion to the value of |N(t,ω)|/|S(t,ω)| within the range of 30≦α(t,ω) (see the solid line on the right side of Figure 4), but since α(t,ω) is relatively large, noise is significantly reduced.
In contrast, the adaptive margin m(t,ω) in Non-Patent Document 1 is fixed to 3 when |S(t,ω)| 2 -|N(t,ω)| 2 > 0, as shown by the dotted line in Fig. 4, so that noise reduction becomes insufficient when the value of |N(t,ω)|/|S(t,ω)| is close to 1. Conversely, when |S(t,ω)| 2 -|N(t,ω)| 2 ≦ 0, the adaptive margin is fixed to 100, so that when the value of |N(t,ω)|/|S(t,ω)| is close to 1, excessive noise reduction is performed, resulting in degradation of the primary input.
(手順3)生体音X(t,ω)には血管音と呼吸音の両方が含まれているため、両者の周波数差に基づいて分離を行う必要がある。具体的には、血管音の周波数は75~200Hz程度であり、呼吸音の周波数は200~2000Hz程度であるので、上記手順2で取得した復元生体音X’(t,ω)に対し、低域バンドパスフィルタを用いて周波数が20~100Hzの信号のみを通過させる処理と、高域バンドパスフィルタを用いて周波数が200~2000Hzの信号のみを通過させる処理を行って、血管音と呼吸音を分離する。
(手順4)上記手順3で分離した血管音に対して、短時間フーリエ逆変換(以下「ISTFT」という。)を行って血管音波形を取得する。
(手順5)上記手順3で分離した呼吸音には音圧の違いによりわずかに血管音が残留するため、分離した呼吸音に対しては調和音打楽器音分離(HPSS:Harmonic Percussive Sound Separation)によって残留血管音を低減した後、ISTFTを行って呼吸音波形を取得する。
(手順6)取得した血管音波形及び呼吸音波形は、その後の利用目的に応じて、例えば医師等がそれらの波形をチェックする場合には波形表示手段に送信され、血管音波形や呼吸音波形として表示したり、血管音の変動、呼吸音の変動又はストレス指数(SI)を演算表示したりする。また、演算した血管音や呼吸音等に基づいて状態判定を行い、判定結果を表示する場合には血管音・呼吸音等演算表示手段に送信される。
(Step 3) Since the body sound X(t,ω) contains both vascular sounds and respiratory sounds, it is necessary to separate them based on the frequency difference between the two. Specifically, since the frequency of the vascular sounds is about 75 to 200 Hz and the frequency of the respiratory sounds is about 200 to 2000 Hz, the restored body sound X'(t,ω) obtained in step 2 above is processed using a low-pass band-pass filter to pass only signals with frequencies of 20 to 100 Hz, and using a high-pass band-pass filter to pass only signals with frequencies of 200 to 2000 Hz, thereby separating the vascular sounds and respiratory sounds.
(Step 4) The vascular sound separated in step 3 above is subjected to an inverse short-time Fourier transform (hereinafter referred to as "ISTFT") to obtain a vascular sound waveform.
(Step 5) Since slight vascular sounds remain in the respiratory sounds separated in step 3 above due to differences in sound pressure, the residual vascular sounds are reduced by harmonic percussive sound separation (HPSS) for the separated respiratory sounds, and then ISTFT is performed to obtain the respiratory sound waveform.
(Step 6) The acquired vascular sound waveform and respiratory sound waveform are sent to the waveform display means depending on the purpose of subsequent use, for example, when a doctor or the like checks the waveforms, and are displayed as vascular sound waveforms and respiratory sound waveforms, or the fluctuations in vascular sounds, the fluctuations in respiratory sounds, or the stress index (SI) are calculated and displayed. In addition, when a condition is judged based on the calculated vascular sounds, respiratory sounds, etc. and the result of the judgment is to be displayed, the waveforms are sent to the vascular sound/breath sound, etc. calculation and display means.
次に、実施例1の調整マージンα(t,ω)を用いる多チャネルウィナーフィルタによる雑音低減効果を検証する実験を行ったので、その実験手順及び結果について説明する。
この実験においては、雑音低減効果を評価するために、次に示す式(3)で定義されるSNRを使用した。
SNR=20log10[max(|s(t)|)/max(|n(t)|)]・・・・・式(3)
ただし、s(t)は生体音のみが観測される時間信号、n(t)は雑音のみが観測される時間信号である。以下、実験方法について順を追って説明する。
(実験手順1)被検者は20代~80代の10名(被検者A~J)であり、静かな環境において椅子に座った状態で、図2のように生体音センサ1を各被検者の頭部に取り付け、主要入力用センサ5で生体音を10秒間測定した。
(実験手順2)雑音低減の効果を検証するため、測定した生体音に2種類の雑音(600Hzの正弦波と男性の声)を追加した。
なお、雑音の強度は呼吸音の最大振幅に等しくなるように調整した。
(実験手順3)2種類の雑音を追加した音信号に対して、非特許文献1のように適応マージンm(t,ω)を3に固定した多チャネルウィナーフィルタ及び調整マージンα(t,ω)を用いた多チャネルウィナーフィルタによって、雑音低減処理を行った。
(実験手順4)適応マージンm(t,ω)=3による雑音低減処理後に得られた呼吸音波形及び調整マージンα(t,ω)による雑音低減処理後に得られた呼吸音波形のSNRを計算した。
なお、血管音波形については、雑音低減処理を行わなくても高いSNRが得られたため検証しなかった。
(実験手順5)被検者A~Jの生体音に2種類の雑音を追加した20パターンの音信号について、適応マージンm(t,ω)=3による雑音低減処理後に得られた呼吸音波形のSNRと調整マージンα(t,ω)による雑音低減処理後に得られた呼吸音波形のSNRを比較した。
Next, an experiment was carried out to verify the noise reduction effect of the multi-channel Wiener filter using the adjustment margin α(t,ω) of the first embodiment, and the experimental procedure and results will be described.
In this experiment, the SNR defined by the following equation (3) was used to evaluate the noise reduction effect.
SNR=20 log 10 [max(|s(t)|)/max(|n(t)|)] (3)
Here, s(t) is a time signal in which only body sounds are observed, and n(t) is a time signal in which only noise is observed. The experimental method will be explained step by step below.
(Experimental Procedure 1) The subjects were 10 people (Subjects A to J) in their 20s to 80s. They were seated in a chair in a quiet environment. The biosound sensor 1 was attached to the head of each subject as shown in Figure 2, and the biosound was measured for 10 seconds by the main input sensor 5.
(Experimental Procedure 2) To verify the effect of noise reduction, two types of noise (a 600 Hz sine wave and a male voice) were added to the measured body sounds.
The noise intensity was adjusted to be equal to the maximum amplitude of the respiratory sounds.
(Experimental procedure 3) For the sound signal to which two types of noise were added, noise reduction processing was performed using a multi-channel Wiener filter with an adaptive margin m(t, ω) fixed at 3 as in Non-Patent Document 1, and a multi-channel Wiener filter using an adjustment margin α(t, ω).
(Experimental Procedure 4) The SNRs of the respiratory sound waveform obtained after noise reduction processing using an adaptive margin m(t, ω)=3 and the respiratory sound waveform obtained after noise reduction processing using an adjustment margin α(t, ω) were calculated.
Note that vascular sound waveforms were not verified because a high SNR was obtained without noise reduction processing.
(Experimental Procedure 5) For 20 sound signal patterns in which two types of noise were added to the biological sounds of subjects A to J, the SNR of the respiratory sound waveform obtained after noise reduction processing using an adaptive margin m(t, ω) = 3 was compared with the SNR of the respiratory sound waveform obtained after noise reduction processing using an adjustment margin α(t, ω).
(実験結果)
図5(A)は、被検者A~Jの生体音に正弦波を追加した音信号について、適応マージンm(t,ω)=3による雑音低減処理後に得られた呼吸音波形のSNRと、調整マージンα(t,ω)による雑音低減処理後に得られた呼吸音波形のSNRを示す表であり、図5(B)は、被検者A~Jの生体音に男性の声を追加した音信号について、同様に処理して得られた適応マージンm(t,ω)=3のSNRと、調整マージンα(t,ω)のSNRを示す表である。
ここで、SNRは高いほど雑音の影響を受けていないことを示す値なので、SNRが高いと雑音低減効果が高い、SNRが低いと雑音低減効果が低いということができる。
図5(A)及び(B)によると、全ての被験者で適応マージンm(t,ω)=3のSNRより調整マージンα(t,ω)のSNRの方が高く、実施例1の調整マージンα(t,ω)を用いた多チャネルウィナーフィルタによる雑音低減効果は、非特許文献1の適応マージンm(t,ω)を3に固定した多チャネルウィナーフィルタによる雑音低減効果より高いことが分かる。
すなわち、実施例1の調整マージンα(t,ω)を用いることは、雑音の種類によらず多チャネルウィナーフィルタによる雑音低減に対して有効であるといえる。
(Experimental result)
FIG. 5(A) is a table showing the SNR of the respiratory sound waveform obtained after noise reduction processing with an adaptive margin m(t,ω)=3 and the SNR of the respiratory sound waveform obtained after noise reduction processing with an adjustment margin α(t,ω) for sound signals in which a sine wave has been added to the body sounds of subjects A to J. FIG. 5(B) is a table showing the SNR of the adaptive margin m(t,ω)=3 and the SNR of the adjustment margin α(t,ω) obtained by similar processing for sound signals in which a male voice has been added to the body sounds of subjects A to J.
Here, since a higher SNR indicates less noise influence, it can be said that a higher SNR indicates a higher noise reduction effect, and a lower SNR indicates a lower noise reduction effect.
5(A) and (B), the SNR with the adjustment margin α(t, ω) was higher than the SNR with the adaptation margin m(t, ω) = 3 for all subjects, and it can be seen that the noise reduction effect by the multi-channel Wiener filter using the adjustment margin α(t, ω) of Example 1 is higher than the noise reduction effect by the multi-channel Wiener filter in which the adaptation margin m(t, ω) of Non-Patent Document 1 is fixed at 3.
In other words, it can be said that using the adjustment margin α(t, ω) in the first embodiment is effective for noise reduction by a multi-channel Wiener filter regardless of the type of noise.
図6は実施例2の生体音センサ12を被検者の頭部に装着した様子を示す図である。
実施例1の生体音センサ1では、保持部3を弾性力によって被検者の後頭部及び側頭部に固定したが、実施例2の生体音センサ12では、保持部13を弾性力によって被検者の前頭部及び側頭部に固定し、保持部13から下方に延び弾性を有する延長部14の下方先端近傍に主要入力用センサ15を設置し、延長部14の上方近傍に参照入力用センサ16を外向きに設置している。
また、保持部13、延長部14、主要入力用センサ15及び参照入力用センサ16の基本的な構成は、実施例1の保持部3、延長部4、主要入力用センサ5及び参照入力用センサ6と同じなので詳しい説明は省略し、生体音信号処理手段2は実施例1と全く同じ構成なので説明を省略する。
そして、上記のとおり実施例2の保持部13は、被検者の前頭部及び側頭部に固定されるので、長髪や仰臥位の被検者に対しても使用し易いという利点がある。
FIG. 6 is a diagram showing a state in which the biological sound sensor 12 of the second embodiment is attached to the head of a subject.
In the biological sound sensor 1 of Example 1, the holding portion 3 is fixed to the occipital and temporal parts of the subject by elastic force, whereas in the biological sound sensor 12 of Example 2, the holding portion 13 is fixed to the forehead and temporal parts of the subject by elastic force, and a main input sensor 15 is installed near the lower tip of an elastic extension portion 14 that extends downward from the holding portion 13, and a reference input sensor 16 is installed facing outward near the upper part of the extension portion 14.
In addition, the basic configurations of the holding unit 13, extension unit 14, main input sensor 15 and reference input sensor 16 are the same as those of the holding unit 3, extension unit 4, main input sensor 5 and reference input sensor 6 in Example 1, so detailed explanations are omitted, and the biological sound signal processing means 2 has exactly the same configuration as in Example 1, so explanations are omitted.
As described above, the holding portion 13 of Example 2 is fixed to the frontal and temporal regions of the subject, and therefore has the advantage of being easy to use even for subjects with long hair or who are in a supine position.
図7(A)は、実施例3の生体音センサ17における左耳掛け部18、右耳掛け部19及び接続部20の外観を示す図であり、図7(B)は実施例3の生体音センサ17を被検者の頭部に装着した様子を示す図である。
実施例1の生体音センサ1及び実施例2の生体音センサ12では、保持部3、13を弾性力によって被検者の頭部に固定したが、実施例3の生体音センサ17では、左耳掛け部18、右耳掛け部19及び左耳掛け部18と右耳掛け部19の後端同士を接続する接続部20を被検者の左右の耳に掛けることによって固定することができる。そのため、実施例1、2の生体音センサ1、12に比べて装着に時間がかからず、センサの位置決めも容易なので、安定した生体音(血管音及び呼吸音)を取得することができる。
なお、主要入力用センサは左耳掛け部18又は右耳掛け部19の後端近傍に、参照入力用センサは左耳掛け部18又は右耳掛け部19の上部近傍に外向きに設置する。
また、実施例3の生体音センサ17では、主要入力用センサ及び参照入力用センサを右耳掛け部19に設置しているので、これらのセンサは図7(B)には写っていない。
さらに、実施例3で用いる主要入力用センサ及び参照入力用センサの基本的な構成は、実施例1の主要入力用センサ5及び参照入力用センサ6と同じなので詳しい説明は省略し、生体音信号処理手段2は実施例1と全く同じ構成なので説明を省略する。
FIG. 7(A) is a diagram showing the appearance of the left ear hook part 18, the right ear hook part 19, and the connection part 20 of the biological sound sensor 17 of Example 3, and FIG. 7(B) is a diagram showing the biological sound sensor 17 of Example 3 attached to the head of a subject.
In the biological sound sensor 1 of Example 1 and the biological sound sensor 12 of Example 2, the holding parts 3, 13 are fixed to the head of the subject by elastic force, but in the biological sound sensor 17 of Example 3, the left ear hook part 18, the right ear hook part 19, and the connection part 20 connecting the rear ends of the left ear hook part 18 and the right ear hook part 19 can be fixed by hanging them on the left and right ears of the subject. Therefore, it takes less time to put on the sensor compared to the biological sound sensors 1, 12 of Examples 1 and 2, and the sensor can be positioned easily, so that stable biological sounds (blood vessel sounds and respiratory sounds) can be acquired.
The main input sensor is installed near the rear end of the left ear hook part 18 or the right ear hook part 19, and the reference input sensor is installed near the upper part of the left ear hook part 18 or the right ear hook part 19 facing outward.
In addition, in the body sound sensor 17 of Example 3, the main input sensor and the reference input sensor are installed on the right ear hook portion 19, so these sensors are not shown in FIG. 7(B).
Furthermore, the basic configurations of the main input sensor and the reference input sensor used in Example 3 are the same as those of the main input sensor 5 and the reference input sensor 6 in Example 1, so detailed explanations will be omitted, and the biological sound signal processing means 2 has exactly the same configuration as in Example 1, so explanations will be omitted.
実施例1~3の生体音センサシステムに関する変形例を列記する。
(1)実施例1及び2では、被検者の頭部に対して着脱自在に装着可能なU字状の弾性を有する保持部3、13を用いたが、被検者の頭部全周に対して着脱自在に装着可能なリング状の弾性を有する保持部や周囲の長さを調整できる帽子状の保持部を用いても良い。
(2)実施例1及び2では、生体音センサ1は、保持部3の左右から下方に延び弾性を有する2つの延長部4を有していたが、延長部4は1つだけ設けても良い。
(3)実施例1及び2では、被検者の左側だけに主要入力用センサ5、15及び参照入力用センサ6、16を配置したが、右側だけ又は両側に配置しても良い。
また、実施例3では、右耳掛け部19だけに主要入力用センサ及び参照入力用センサを設置したが、左耳掛け部18だけ又は両側耳掛け部18、19に設置しても良い。
(4)実施例1及び2では、参照入力用センサ6を延長部4の上端前方において外向きに設置したが、設置位置は延長部4の上端部の後方、上、下のいずれでも良く、向きは内向き、前向き、後ろ向き、上向き、下向きのいずれでも良い。
また、実施例3では、参照入力用センサを右耳掛け部19の上部付近において外向きに設置したが、向きは内向き、前向き、後ろ向き、上向き、下向きのいずれでも良い。
Modifications of the biological sound sensor systems of the first to third embodiments will be listed below.
(1) In Examples 1 and 2, U-shaped elastic holding parts 3 and 13 that can be attached and detached to the subject's head were used, but a ring-shaped elastic holding part that can be attached and detached to the entire circumference of the subject's head or a hat-shaped holding part whose circumference can be adjusted may also be used.
(2) In the first and second embodiments, the body sound sensor 1 has two elastic extensions 4 that extend downward from the left and right sides of the holder 3. However, only one extension 4 may be provided.
(3) In the first and second embodiments, the main input sensors 5, 15 and the reference input sensors 6, 16 are disposed only on the left side of the subject, but they may be disposed only on the right side or on both sides.
In addition, in the third embodiment, the main input sensor and the reference input sensor are provided only on the right ear hook 19, but they may be provided only on the left ear hook 18 or on both ear hooks 18, 19.
(4) In Examples 1 and 2, the reference input sensor 6 is installed facing outward at the front of the upper end of the extension portion 4, but the installation position may be behind, above, or below the upper end of the extension portion 4, and the orientation may be inward, forward, backward, upward, or downward.
In addition, in the third embodiment, the reference input sensor is disposed facing outward near the upper portion of the right ear hook 19, but the orientation may be inward, forward, backward, upward, or downward.
(5)実施例1~3では、主要入力用センサ5、15及び参照入力用センサ6、16にECMを用いたが、ECMに代えて通常のコンデンサ型、可動コイル型、圧電型などのマイクロホンを用いても良い。
(6)実施例1~3では、受波面11の表面及び筐体10の周囲をポリウレタンエラストマ製の音響伝導部8で覆ったが、ポリウレタンエラストマ製に限らず、メディカルグレードシリコン製としても良く、硬化後の状態で人体の皮膚と同等の音響インピーダンス特性をもつ疎水性の樹脂であれば、適宜の弾性高分子材料を採用することができる。
(7)実施例1~3では、式(2-1)、(2-2)で定義された調整マージンα(t,ω)を用いて多チャネルウィナーフィルタH(t,ω)を設計したが、|S(t,ω)|2-|N(t,ω)|2の値を3段階以上に分ける等の方法によって、α(t,ω)の不連続性を軽減したり、α(t,ω)をシームレスにつなげたりするとより良い。
例えば、α(t,ω)を下記の式(4-1)~(4-3)で定義することが挙げられる。
1-|N(t,ω)|2/|S(t,ω)|2>0.36:α(t,ω)=10(|N(t,ω)|/|S(t,ω)|)・・・・式(4-1)
0.36≧1-|N(t,ω)|2/|S(t,ω)|2>-1.25:α(t,ω)=20(|N(t,ω)|/|S(t,ω)|)…式(4-2)
-1.25≧1-|N(t,ω)|2/|S(t,ω)|2:α(t,ω)=30(|N(t,ω)|/|S(t,ω)|)・・・・式(4-3)
(8)実施例1~3では、低域バンドパスフィルタと高域バンドパスフィルタを用いて血管音と呼吸音を分離したが、所定周波数より低い周波数の信号は全て通過させるローパスフィルタと所定周波数より高い周波数の信号は全て通過させるハイパスフィルタを用いて血管音と呼吸音を分離するようにしても良い。
(5) In the first to third embodiments, ECMs are used for the main input sensors 5, 15 and the reference input sensors 6, 16. However, instead of the ECMs, ordinary capacitor type, moving coil type, piezoelectric type, or other microphones may be used.
(6) In Examples 1 to 3, the surface of the wave receiving surface 11 and the periphery of the housing 10 are covered with an acoustic conductive section 8 made of polyurethane elastomer. However, the material is not limited to polyurethane elastomer and may be medical grade silicone. Any suitable elastic polymer material may be used as long as it is a hydrophobic resin that has acoustic impedance characteristics equivalent to those of human skin after hardening.
(7) In the first to third embodiments, the multi-channel Wiener filter H(t, ω) is designed using the adjustment margin α(t, ω) defined by equations (2-1) and ( 2-2 ). However, it would be better to reduce the discontinuity of α(t, ω) or connect α(t, ω) seamlessly by, for example, dividing the value of |S(t, ω)| 2 -|N(t, ω)| 2 into three or more stages.
For example, α(t,ω) can be defined by the following equations (4-1) to (4-3).
1-|N(t,ω)| 2 /|S(t,ω)| 2 >0.36: α(t,ω)=10(|N(t,ω)|/|S(t,ω)|)・・・・Equation (4-1)
0.36≧1-|N(t,ω)| 2 /|S(t,ω)| 2 >-1.25: α(t,ω)=20(|N(t,ω)|/|S(t,ω)|)…Equation (4-2)
-1.25 ≧ 1 - |N(t,ω)| 2 /|S(t,ω)| 2 : α(t,ω) = 30 (|N(t,ω)|/|S(t,ω)|) ... Equation (4-3)
(8) In the first to third embodiments, the vascular sounds and the respiratory sounds are separated using a low-pass band-pass filter and a high-pass band-pass filter. However, the vascular sounds and the respiratory sounds may be separated using a low-pass filter that passes all signals with frequencies lower than a predetermined frequency and a high-pass filter that passes all signals with frequencies higher than the predetermined frequency.
1 生体音センサ 2 生体音信号処理手段 3 保持部 4 延長部
5 主要入力用センサ 6 参照入力用センサ 7 ECM
8 音響伝導部 9 ケース 10 筐体 11 受波面
12 生体音センサ 13 保持部 14 延長部
15 主要入力用センサ 16 参照入力用センサ
17 生体音センサ 18 左耳掛け部 19 右耳掛け部 20 接続部
ECM エレクトレットコンデンサマイク HPSS 調和音打楽器音分離
ISTFT 短時間フーリエ逆変換 SNR 信号対雑音比
SI ストレス指数 STFT 短時間フーリエ変換 t 時間
ω 角周波数 α(t,ω) 調整マージン H(t,ω) 多チャネルウィナーフィルタ
m(t,ω) 適応マージン |N(t,ω)| 参照入力振幅スペクトログラム
|S(t,ω)| 主要入力振幅スペクトログラム
X(t,ω) 生体音 X’(t,ω) 復元生体音
REFERENCE SIGNS LIST 1 Body sound sensor 2 Body sound signal processing means 3 Holding portion 4 Extension portion 5 Primary input sensor 6 Reference input sensor 7 ECM
8 Acoustic conduction section 9 Case 10 Housing 11 Receiving surface 12 Body sound sensor 13 Holding section 14 Extension section 15 Primary input sensor 16 Reference input sensor 17 Body sound sensor 18 Left ear hook section 19 Right ear hook section 20 Connection section ECM Electret condenser microphone HPSS Harmonic percussion sound separation ISTFT Inverse short-time Fourier transform SNR Signal-to-noise ratio SI Stress index STFT Short-time Fourier transform t Time ω Angular frequency α(t,ω) Adjustment margin H(t,ω) Multi-channel Wiener filter
m(t,ω) Adaptation margin |N(t,ω)| Reference input magnitude spectrogram
|S(t,ω)| Primary input amplitude spectrogram
X(t,ω) Body sound X'(t,ω) Reconstructed body sound
Claims (3)
前記主要入力用センサで取得した主要入力及び前記参照入力用センサで取得した参照入力から設計され、主要入力から雑音低減を行うウィナーフィルタを備えており、
前記主要入力用センサは、被検者の乳様突起付近に接触させるものであり、
前記参照入力用センサは、前記主要入力用センサの上方、かつ、前記被検者の耳介の近傍に配置させるものであり、
前記ウィナーフィルタは、前記主要入力に短時間フーリエ変換を施して取得した主要入力振幅スペクトログラム、前記参照入力に短時間フーリエ変換を施して取得した参照入力振幅スペクトログラム及び調整マージンを用いる多チャネルウィナーフィルタであり、
前記調整マージンは、前記主要入力振幅スペクトログラムの2乗から前記参照入力振幅スペクトログラムの2乗を引いた値及び前記主要入力振幅スペクトログラムと前記参照入力振幅スペクトログラムとの比率に基づいて決定される
ことを特徴とする生体音センサシステム。 a biological sound sensor including a main input sensor for mainly measuring vascular sounds and respiratory sounds to obtain a main input, and a reference input sensor for mainly measuring noise to obtain a reference input;
a Wiener filter designed from a primary input acquired by the primary input sensor and a reference input acquired by the reference input sensor, and performing noise reduction from the primary input;
the main input sensor is brought into contact with the subject near the mastoid process,
the reference input sensor is disposed above the main input sensor and in the vicinity of the subject's auricle;
the Wiener filter is a multi-channel Wiener filter that uses a main input amplitude spectrogram obtained by performing a short-time Fourier transform on the main input, a reference input amplitude spectrogram obtained by performing a short-time Fourier transform on the reference input, and an adjustment margin;
the adjustment margin is determined based on a value obtained by subtracting the square of the reference input amplitude spectrogram from the square of the main input amplitude spectrogram and a ratio of the main input amplitude spectrogram to the reference input amplitude spectrogram.
前記主要入力用センサは、前記延長部の下方先端近傍に設置されており、
前記参照入力用センサは、前記延長部の上方近傍に設置されている
ことを特徴とする請求項1に記載の生体音センサシステム。 the biological sound sensor includes a holding portion that can be detachably attached to the head of the subject and an extension portion that extends downward from the holding portion so that the primary input sensor is brought into contact with the vicinity of the mastoid process of the subject and the reference input sensor is disposed above the primary input sensor and in the vicinity of the auricle of the subject;
The primary input sensor is disposed near a lower end of the extension portion,
The biological sound sensor system according to claim 1 , wherein the reference input sensor is disposed in the vicinity of an upper portion of the extension portion.
前記主要入力用センサは、前記左耳掛け部又は前記右耳掛け部の後端近傍に設置されており、
前記参照入力用センサは、前記左耳掛け部又は前記右耳掛け部の上部近傍に設置されている
ことを特徴とする請求項1に記載の生体音センサシステム。 the biological sound sensor includes a left ear hook portion and a right ear hook portion that can be detachably attached to the left and right auricles of the subject, and a connecting portion that connects rear ends of the left ear hook portion and the right ear hook portion to each other, so that the main input sensor is brought into contact with the vicinity of the mastoid process of the subject and the reference input sensor is disposed above the main input sensor and in the vicinity of the auricle of the subject;
the main input sensor is disposed near a rear end of the left ear hook portion or the right ear hook portion,
2. The body sound sensor system according to claim 1, wherein the reference input sensor is disposed near an upper portion of the left ear hook part or the right ear hook part.
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