JP5521131B1 - 呼吸相判定装置、呼吸相判定方法、および呼吸相判定プログラム - Google Patents

Abstract

被測定者間の呼吸の個人差および被測定者個人の呼吸の変動に対してロバストで、かつ、キャリブレーションの必要なく呼吸相判定を行える呼吸相判定装置。この装置は、呼吸区間における第１呼吸音の特徴を表す第１区間特徴量を抽出する第１区間特徴量抽出部（１０６）と、呼吸区間における第２呼吸音の特徴を表す第２区間特徴量を抽出する第２区間特徴量抽出部（１０７）と、第１区間特徴量と第２区間特徴量とを相対化して合成特徴量を算出する特徴量相対化合成部（１０８）と、近傍に位置する２つの呼吸区間の合成特徴量を比較し、比較の結果と、予め定めた基準とに基づいて、２つの呼吸区間が吸気相または呼気相であるかを判定する呼吸相判定部（１０９）と、を備える。

Description

本発明は、呼吸音に基づいて呼吸相を判定する呼吸相判定装置、呼吸相判定方法、および呼吸相判定プログラムに関するものである。

従来、肺呼吸を行う動物の呼吸音に基づいて、呼吸相を判定する呼吸相判定装置が知られている。呼吸音は、呼吸に伴って発生する音である。また、呼吸相は、肺に空気を取り込む吸気相と、肺から空気を排出する呼気相とからなり、これら２つの相は、通常、交互に繰り返される。なお、呼吸相判定装置は、例えば、喘息に関わる検査用の肺音分析装置等に用いられる。

呼吸相判定装置の一般的な動作は、次の通りである。まず、呼吸相判定装置は、被測定者の呼吸音から、吸気と呼気の間のポーズで区切った呼吸区間と、特徴量とを抽出する。そして、呼吸相判定装置は、特徴量が所定の基準（条件式）に当てはまるか否かにより、呼吸区間が吸気相（「吸気区間」ともいう）であるか、または呼気相（「呼気区間」ともいう）であるかを判定する。この判定は、以下「呼吸相判定」という。

上記特徴量は、大別すると、以下の３つに分類できる。

１つ目は、パワーや振幅の大小を基準とする特徴量である。この特徴量は、例えば、胸部の呼吸音のパワー（非特許文献１）、頚部の呼吸音のパワー（特許文献１、非特許文献２）、頚部の呼吸音の最大振幅（特許文献１）などが知られている。

２つ目は、呼吸区間の長さの長短を基準とする特徴量である。この特徴量は、例えば、呼吸区間長（特許文献１、非特許文献２）、１／２ガウス幅（特許文献１）が知られている。

３つ目は、短時間のパワーの時間変化の緩急を基準とする特徴量である。この特徴量は、例えば、頚部の呼吸音の前半のパワー（非特許文献２）、頚部の呼吸音の前から１／３区間と後ろから１／３区間とのパワーの差（非特許文献２）、立ち上がりの傾斜角度（特許文献１）、立下りの傾斜角度（特許文献１、非特許文献２）などが知られている。

米国特許出願公開第２０１０／０２６２０３１号明細書

Z. K. Moussavi et al., "Computerised acoustical respiratory phase detection without airflow measurement", Medical & Biological Engineering & Computing 2000 Vol.38, P198-P203 Saiful Huq et al., "Acoustic breath-phase detection using tracheal breath sounds", Medical & Biological Engineering & Computing 2012 Vol.50, P297-P308

しかしながら、非特許文献１、２の呼吸相判定装置は、頚部の呼吸音または胸部の呼吸音のいずれか一方から抽出した特徴量に基づいて呼吸相判定を行うため、被測定者間の呼吸の個人差により基準が合わなかったり、被測定者個人の呼吸の変動により基準からずれたりする。このため、判定結果がロバスト性に欠けるという課題がある。

一方で、上述した各基準が被測定者間の呼吸の個人差によって基準が合わないことの対策として、キャリブレーションにより被測定者に基準を合わせる技術が知られている。例えば、特許文献１の呼吸相判定装置は、一部の測定データに対して、被測定者本人による教師信号を与え、複数の基準の中から被測定者個人によく当てはまる基準を選択する。しかしながら、キャリブレーションは手間がかかるという課題がある。

本発明の目的は、被測定者間の呼吸の個人差および被測定者個人の呼吸の変動に対してロバストで、かつ、キャリブレーションの必要なく呼吸相判定を行える呼吸相判定装置、呼吸相判定方法、および呼吸相判定プログラムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る呼吸相判定装置は、被測定者の身体の第１位置から取得された第１呼吸音、および、前記被測定者の身体の第２位置から前記第１呼吸音と同期して取得された第２呼吸音の少なくとも１つに基づいて、呼吸区間を推定する呼吸区間推定部と、前記呼吸区間における前記第１呼吸音の特徴を表す第１区間特徴量を抽出する第１区間特徴量抽出部と、前記呼吸区間における前記第２呼吸音の特徴を表す第２区間特徴量を抽出する第２区間特徴量抽出部と、前記第１区間特徴量と前記第２区間特徴量とを相対化して合成特徴量を算出する特徴量相対化合成部と、近傍に位置する２つの呼吸区間の前記合成特徴量を比較し、比較の結果と、予め定めた基準とに基づいて、前記２つの呼吸区間が吸気相であるかまたは呼気相であるかを判定する呼吸相判定部と、を備える。

本発明の一態様に係る呼吸相判定方法は、被測定者の身体の第１位置から取得された第１呼吸音、および、前記被測定者の身体の第２位置から前記第１呼吸音と同期して取得された第２呼吸音の少なくとも１つに基づいて、呼吸区間を推定するステップと、前記呼吸区間における前記第１呼吸音の特徴を表す第１区間特徴量を抽出するステップと、前記呼吸区間における前記第２呼吸音の特徴を表す第２区間特徴量を抽出するステップと、前記第１区間特徴量と前記第２区間特徴量とを相対化して合成特徴量を算出するステップと、近傍に位置する２つの呼吸区間の前記合成特徴量を比較し、比較の結果と、予め定めた基準とに基づいて、前記２つの呼吸区間が吸気相であるかまたは呼気相であるかを判定するステップと、を有する。

本発明の一態様に係る呼吸相判定プログラムは、被測定者の身体の第１位置から取得された第１呼吸音、および、前記被測定者の身体の第２位置から前記第１呼吸音と同期して取得された第２呼吸音の少なくとも１つに基づいて、呼吸区間を推定する処理と、前記呼吸区間における前記第１呼吸音の特徴を表す第１区間特徴量を抽出する処理と、前記呼吸区間における前記第２呼吸音の特徴を表す第２区間特徴量を抽出する処理と、前記第１区間特徴量と前記第２区間特徴量とを相対化して合成特徴量を算出する処理と、近傍に位置する２つの呼吸区間の前記合成特徴量を比較し、比較の結果と、予め定めた基準とに基づいて、前記２つの呼吸区間が吸気相であるかまたは呼気相であるかを判定する処理と、をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、被測定者間の呼吸の個人差および被測定者個人の呼吸の変動に対してロバストで、かつ、キャリブレーションの必要なく呼吸相判定を行うことができる。

本発明の実施の形態における呼吸相判定装置の構成例を示すブロック図 本発明の実施の形態における呼吸相判定装置の動作例を示すフローチャート 本発明の実施の形態における呼吸相判定装置をロバスト化する動作の原理を説明する図 本発明の実施の形態における呼吸相判定装置のロバスト化のデータの分布を示す図 本発明の実施の形態における呼吸相判定装置をデータによって性能評価した結果を示す図 本発明の実施の形態における呼吸相判定装置の区間のイレギュラー処理の動作原理を説明する図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

＜呼吸相判定装置の構成＞
まず、本発明の実施の形態に係る呼吸相判定装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る呼吸相判定装置の構成例を示すブロック図である。

図１において、呼吸相判定装置は、第１センサ１０１、第１呼吸音抽出部１０２、第２センサ１０３、第２呼吸音抽出部１０４、呼吸区間推定部１０５、第１区間特徴量抽出部１０６、第２区間特徴量抽出部１０７、特徴量相対化合成部１０８、呼吸相判定部１０９、および結果出力部１１０を有する。なお、本実施の形態では、第１センサ１０１と第２センサ１０３とで取得する生体音が異なる。そのため、以下では、第１センサ１０１が取得する生体音は、「第１生体音」という。また、第１生体音に含まれる呼吸音は、「第１呼吸音」という。同様に、第２センサ１０３が取得する生体音は、「第２生体音」という。また、第２生体音に含まれる呼吸音は、「第２呼吸音」という。

第１センサ１０１は、被測定者から、第１呼吸音を含む第１生体音を取得するセンサである。第１センサ１０１は、被測定者の身体において、肺胞呼吸音を取得可能な範囲（第１位置の一例）に取り付けられる。この範囲は、例えば、右鎖骨中線第２肋間や右鎖骨中線第３肋間の他に、肺胞呼吸音が聞こえる胸部または背中の所定の位置が挙げられる。第１センサ１０１は、取得した第１生体音を、第１呼吸音抽出部１０２へ通知する。

第１呼吸音抽出部１０２は、バンドパスフィルタを用いて、第１生体音から第１呼吸音を抽出する。第１呼吸音は、パワーパターンを構成する。そして、第１呼吸音抽出部１０２は、抽出した第１呼吸音を、第１区間特徴量抽出部１０６へ通知する。

第２センサ１０３は、上述した第１生体音の取得と同期して、同じ被測定者から、第２呼吸音を含む第２生体音を取得するセンサである。第２センサ１０３は、例えば、被測定者の身体において、気管呼吸音または気管支呼吸音を取得可能な範囲（第２位置の一例）に取り付けられる。この範囲は、例えば、頚部気管上や第２肋間胸骨右縁の他に、気管呼吸音または気管支呼吸音が聞こえる胸部または背中の所定の位置が挙げられる。第２センサ１０３は、取得した第２生体音を、第２呼吸音抽出部１０４へ通知する。

第２呼吸音抽出部１０４は、バンドパスフィルタを用いて、第２生体音から第２呼吸音を抽出する。第２呼吸音は、パワーパターンを構成する。そして、第２呼吸音抽出部１０４は、抽出した第２呼吸音を、呼吸区間推定部１０５および第２区間特徴量抽出部１０７へ通知する。

呼吸区間推定部１０５は、第２呼吸音のパワーパターンに基づいて、呼吸区間を推定する。呼吸区間は、上述した通り、吸気と呼気の間のポーズ（後述するポーズフレーム）で区切った区間である。１つの呼吸区間のパワーパターンは、例えば山型となり、吸気相または呼気相のいずれかに該当する。呼吸区間推定部１０５は、推定した呼吸区間を、第１区間特徴量抽出部１０６および第２区間特徴量抽出部１０７へ通知する。

第１区間特徴量抽出部１０６は、呼吸区間ごとに第１呼吸音の平均パワーを算出する。この平均パワーは、第１区間特徴量という。１つの呼吸区間のパワーパターンは、複数のフレーム（１フレームは、２０ｍｓ等の短時間に対応する）に区切られる。よって、平均パワーとは、フレーム単位のパワーを平均した値である。そして、第１区間特徴量抽出部１０６は、算出した第１区間特徴量を、特徴量相対化合成部１０８へ通知する。

第２区間特徴量抽出部１０７は、呼吸区間ごとに第２呼吸音の平均パワーを算出する。この平均パワーは、第２区間特徴量という。そして、第２区間特徴量抽出部１０７は、算出した第２区間特徴量を、特徴量相対化合成部１０８へ通知する。

特徴量相対化合成部１０８は、第１区間特徴量と第２区間特徴量を相対化して特徴量を合成する。すなわち、特徴量相対化合成部１０８は、第２区間特徴量から第１区間特徴量をデシベル単位で減算して、合成特徴量を算出する。そして、特徴量相対化合成部１０８は、算出した合成特徴量を、呼吸相判定部１０９へ通知する。

呼吸相判定部１０９は、近傍（例えば、隣接する等）に位置する２つの呼吸区間における合成特徴量を比較する。呼吸相判定部１０９は、比較の結果と、予め定められた基準とに基づいて、それぞれの呼吸区間が呼気相であるか吸気相であるかを判定する。例えば、呼吸相判定部１０９は、合成特徴量が大きい方の呼吸区間を呼気相であると判定し、合成特徴量が小さい方の呼吸区間を吸気相であると判定する。そして、呼吸相判定部１０９は、判定の結果を、結果出力部１１０へ通知する。

結果出力部１１０は、判定の結果を所定の方法（例えば、ファイル出力、画面表示等）で出力する。

以上で、本実施の形態に係る呼吸相判定装置の構成についての説明を終える。

＜呼吸相判定装置の動作＞
次に、本実施の形態に係る呼吸相判定装置の動作例について説明する。図２は、本実施の形態に係る呼吸相判定装置の動作例を示すフローチャートである。

ステップＳ２０１において、第１センサ１０１は、被測定者の第１生体音を取得する。また、第２センサ１０３は、同じ被測定者から第２生体音を取得する。第１生体音、第２生体音には、呼吸音の他に、心音や筋音など生体由来の音が含まれ、また、外来のノイズも含まれている。

ステップＳ２０２において、第１呼吸音抽出部１０２は、バンドパスフィルタを用いて第１生体音から第１呼吸音を抽出する。また、第２呼吸音抽出部１０４は、バンドパスフィルタを第２生体音から第２呼吸音を抽出する。なお、バンドパスフィルタを利用するのは、心音や高域のノイズを除くためである。

ステップＳ２０３において、呼吸区間推定部１０５は、第２呼吸音のパワーパターンに基づいて、呼吸区間を推定する。この動作は、具体的には次の通りである。まず、呼吸区間推定部１０５は、第２呼吸音のパワーパターンを区切ったフレームのうち、予め設定した閾値を下回るフレーム（以下、「ポーズフレーム」という）を抽出する。そして、呼吸区間推定部１０５は、ポーズフレームではないフレームが連続した区間を、呼吸区間候補とする。そして、呼吸区間推定部１０５は、呼吸区間候補のうち、予め定められた長さより短いものをノイズとして除外し、残ったものを呼吸区間であると推定する。推定された呼吸区間は、例えば、山型のパワーパターンである。なお、呼吸区間推定部１０５は、推定した呼吸区間に対して、予め定められた長さより長い区間は分割したり、予め定められた長さより短い区間は連結したりしてもよい。

なお、呼吸区間は、第２呼吸音から推定する方がダイナミックレンジの点で有利であるが、第１呼吸音から推定してもよいし、第１呼吸音および第２呼吸音の両方を使って推定してもよい。第２呼吸音から推定する呼吸区間と第１呼吸音から推定する呼吸区間は、呼吸動作に同期するため、概ね一致する。

ステップＳ２０４において、第１区間特徴量抽出部１０６は、推定された呼吸区間において、第１区間特徴量を抽出する。また、第２区間特徴量抽出部１０７は、推定された呼吸区間において、第２区間特徴量を抽出する。第１区間特徴量は、例えば、推定された呼吸区間における第１呼吸音の平均パワーである。また、第２区間特徴量は、例えば、推定された呼吸区間における第２呼吸音の平均パワーである。

なお、区間特徴量の信頼性を高めるために、呼吸区間における全てのフレームを使わずに、平均パワーを算出してもよい。例えば、第１区間特徴量抽出部１０６および第２区間特徴量抽出部１０７は、呼吸区間のうち帯域パワーの上位５０％の区間や上位２０％の区間に絞り、その区間のフレームに基づいて平均パワーを求めてもよい。また、例えば、第１区間特徴量抽出部１０６および第２区間特徴量抽出部１０７は、通過帯域内のノイズを低減するために、音響分析フレーム間での変動が大きい部分を外れ値処理により除いてもよい。

ステップＳ２０５において、特徴量相対化合成部１０８は、第１区間特徴量と第２区間特徴量の合成を行う。すなわち、特徴量相対化合成部１０８は、第２区間特徴量から第１区間特徴量を減算し、その結果を合成特徴量とする。第１区間特徴量は肺胞呼吸音であり、吸気相の方が呼気相よりも音が大きいという傾向（以下、「第１基準」という）がある。一方、第２区間特徴量は気管呼吸音または気管支呼吸音であり、呼気相の方が吸気相よりも大きいという傾向（以下、「第２基準」という）がある。一方で、第１区間特徴量と第２区間特徴量は同時に増減するため、相関が高く、イレギュラーにより１つの区間の呼吸音がたまたま小さければ、第１区間特徴量も第２区間特徴量も同時に小さくなる。従って、２つの区間特徴量の差を取る（第２区間特徴量から第１区間特徴量を減じる）と、基準は逆の符号を持つので、合成された区間特徴量の基準は、平均マージンが加算されるとともに、イレギュラーによる変動を相殺するということが期待できる。このポイントについては、後でさらに詳しく説明する。

ステップＳ２０６において、呼吸相判定部１０９は、呼吸相判定を行う。この呼吸相判定の動作は、次の通りである。まず、呼吸相判定部１０９は、近傍に位置する２つの呼吸区間の合成特徴量を比較する。すなわち、呼吸相判定部１０９は、所定の呼吸区間の合成特徴量と、その呼吸区間の近傍（例えば、隣接する）にある呼吸区間の合成特徴量とを比較する。そして、呼吸相判定部１０９は、比較の結果と、予め定められた基準とに基づいて、それぞれの呼吸区間が呼気相であるか吸気相であるかを判定する。ここで、呼吸相判定は、呼吸区間のペアごとに行う。しかし、通常の呼吸は、先行する吸気の換気量と後続する呼気の換気量がほぼ一致する。そのため、吸気から呼気という順に並ぶ呼吸区間のペアが抽出されるように事後的にペアを選ぶ方がよい。

ステップＳ２０７において、結果出力部１１０は、呼吸相判定の結果を出力する。この結果の出力は、例えば、呼吸区間の始端・終端および呼吸相の種類を、ファイルに出力しても良いし、または、グラフィカルにディスプレイに出力してもよい。あるいは、結果出力部１１０は、呼吸相判定の結果に基づいて、呼吸相に応じた呼吸音の分析を行った結果を出力してもよい。

以上が全体のフローであるが、各ステップの処理の基本時間単位は異なる。ステップＳ２０１は、ＡＤ変換のブロック単位である。また、ステップＳ２０２、Ｓ２０３は、音響分析の処理フレーム単位である。また、ステップＳ２０４、Ｓ２０５は、推定された呼吸区間単位である。また、ステップＳ２０６、Ｓ２０７は、複数の呼吸区間にまたがる処理となっている。そして、各ステップは、パイプライン処理として結合される。

以上で、本実施の形態に係る呼吸相判定装置の動作についての説明を終える。

次に、図３〜図５を用いて、本発明の実施の形態に係る呼吸相判定装置の特徴について、さらに詳細に説明する。

まず、図３について説明する。図３は、本実施の形態の呼吸相判定装置がロバスト化の動作を実現する原理を説明する図である。

図３Ａは、第１呼吸音のパワーの時間変化をパワーパターンにより表している。図３Ｂは、第２呼吸音のパワーの時間変化をパワーパターンにより表している。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、第１呼吸音のパワーおよび第２呼吸音のパワーは、それぞれ、第１〜第４の４つの呼吸区間（以下、「区間」という）において、山型のパワーパターンである。図３Ａにおいて、パワーパターンＡは第１区間における第１呼吸音のパワー、パワーパターンＣは第２区間における第１呼吸音のパワー、パワーパターンＥは第３区間における第１呼吸音のパワー、パワーパターンＧは第４区間における第１呼吸音のパワーを表している。また、図３Ｂにおいて、パワーパターンＢは第１区間における第２呼吸音のパワー、パワーパターンＤは第２区間における第２呼吸音のパワー、パワーパターンＦは第３区間における第２呼吸音のパワー、パワーパターンＨは第４区間における第２呼吸音のパワーを表している。また、第１区間が吸気相、第２区間が呼気相、第３区間が吸気相、第４区間が呼気相であると想定している。また、最初の２区間である第１区間と第２区間は、隣接していることから、「第１区間ペア」という。第１区間ペアは、通常の呼吸パターンを表している。また、次の２区間である第３区間と第４区間は、隣接していることから、「第２区間ペア」という。第２区間ペアは、第４区間が小さめになってしまったというイレギュラーな呼吸パターンを表している。

図３Ｃは、第１呼吸音の平均パワーの区間差を示す。平均パワーの区間差とは、２つの区間の区間特徴量の差である。下向き矢印で示す区間差ａは、パワーパターンＣの平均パワー（第１区間特徴量の一例）とパワーパターンＡの平均パワー（第１区間特徴量の一例）との差である。なお、パワーパターンＣの平均パワーとは、上述した通り、パワーパターンＣを複数のフレームに区切り、各フレームのパワーを平均した値である。同様に、パワーパターンＡの平均パワーとは、上述した通り、パワーパターンＡを複数のフレームに区切り、各フレームのパワーを平均した値である。下向き矢印で示す区間差ｂは、パワーパターンＧの平均パワー（第１区間特徴量の一例）とパワーパターンＥの平均パワー（第１区間特徴量の一例）との差である。なお、パワーパターンＧの平均パワーとは、上述した通り、パワーパターンＧを複数のフレームに区切り、各フレームのパワーを平均した値である。同様に、パワーパターンＥの平均パワーとは、上述した通り、パワーパターンＥを複数のフレームに区切り、各フレームのパワーを平均した値である。

図３Ｃにおいて、区間差ａの矢印が下向き（マイナス）を示すことから、第２区間（パワーパターンＣ）の平均パワーは第１区間（パワーパターンＡ）の平均パワーよりも小さいことになる。よって、第１基準（呼気相＜吸気相、すなわち、平均パワーが大きい方が吸気相）に照らすと、第１区間が吸気相、第２区間が呼気相と判定される。また、第１基準（下向き矢印が正解）に照らせば、その判定結果は正しいことになる。同様に、図３Ｃにおいて、区間差ｂの矢印が下向きを示すことから、第４区間（パワーパターンＧ）の平均パワーは第３区間（パワーパターンＥ）の平均パワーよりも小さいことになる。よって、第１基準に照らすと、第３区間は吸気相、第４区間が呼気相と判定され、その判定結果は正しいことになる。

図３Ｄは、第２呼吸音の平均パワーの区間差を示す。上向き矢印で示す区間差ｃは、パワーパターンＤの平均パワー（第２区間特徴量の一例）とパワーパターンＢの平均パワー（第２区間特徴量の一例）との差である。下向き矢印で示す区間差ｄは、パワーパターンＨの平均パワー（第２区間特徴量の一例）とパワーパターンＦの平均パワー（第２区間特徴量の一例）との差である。

図３Ｄにおいて、区間差ｃの矢印が上向き（プラス）を示すことから、第２区間（パワーパターンＤ）の平均パワーは第１区間（パワーパターンＢ）の平均パワーよりも大きいことになる。よって、第２基準（吸気相＜呼気相、すなわち、平均パワーが大きい方が呼気相）に照らすと、第１区間が吸気相、第２区間が呼気相と判定される。また、第２基準（上向き矢印が正解）に照らせば、その判定結果は正しいことになる。しかし、図３Ｄにおいて、区間差ｄの矢印が下向きを示すことから、第４区間（パワーパターンＨ）の平均パワーは第３区間（パワーパターンＦ）の平均パワーよりも小さいことになる。よって、第２基準に照らすと、第３区間は呼気相、第４区間は吸気相と判定され、その判定結果は不正解（誤り）となる。

このように、図３Ｄにおいて、通常の呼吸パターンである第１区間と第２区間は、呼吸相が正しく判定される一方で、イレギュラー（第４区間の平均パワーが小さめとなった場合）の呼吸パターンである第３区間と第４区間は、呼吸相が正しく判定されない。すなわち、第２区間特徴量の区間差だけに基づいて呼吸相判定を行う場合、イレギュラーな呼吸パターンがあると、正しい判定が行われないといった事態が生じうる。そこで、本実施の形態では、第１区間特徴量と第２区間特徴量とを合成した特徴量に基づいて、呼吸相判定を行うようにする。これにより、イレギュラーな呼吸パターンの場合に、正しい判定が行われないといった事態を回避できる。その詳細について、図３Ｅを用いて、以下に説明する。

図３Ｅは、第１呼吸音の平均パワーの区間差と第２呼吸音の平均パワーの区間差との相対値を示す。上向き矢印で示す相対値ｅは、区間差ａと区間差ｃとの相対値である。また、上向き矢印で示す相対値ｆは、区間差ｂと区間差ｄとの相対値である。なお、相対値ｅは、換言すれば、パワーパターンＢの平均パワーとパワーパターンＡの平均パワーとの相対値（上記合成特徴量の一例）と、パワーパターンＤの平均パワーとパワーパターンＣの平均パワーとの相対値（上記合成特徴量の一例）との区間差と言える。また、相対値ｆは、換言すれば、パワーパターンＦの平均パワーとパワーパターンＥの平均パワーとの相対値（上記合成特徴量の一例）と、パワーパターンＨの平均パワーとパワーパターンＧの平均パワーとの相対値（上記合成特徴量の一例）との区間差と言える。

図３Ｅにおいて、第１区間ペアについては、相対値ｅに示すように、第１区間から第２区間にかけて第２呼吸音の平均パワーと第１呼吸音の平均パワーの差が広がっており、第１区間が吸気相、第２区間が呼気相と正しく判定される。さらに、図３Ｅでは、区間差ａと区間差ｃとが加算されて相対値ｅとなることで、基準が強化され、個人差の影響を受けにくくなると考えられる。

また、図３Ｅにおいて、第２区間ペアについては、相対値ｆに示すように、通常の呼吸パターンとからの変動分がほぼ相殺されており、安定した区間差が得られ、正解となる。このように、個人の呼吸のイレギュラーに対してもロバストになると考えられる。

次に、図４について説明する。図４は、本発明の実施の形態における呼吸相判定装置のロバスト化のデータの分布を示す図である。

以下、図４を参照して、本実施の形態の呼吸相判定装置へ所定のデータを入力して行った検証について、説明する。この入力データは、４５名の小児の呼吸音を、呼吸フロー計の出力とともに記録したものである。また、この入力データは、呼吸区間とその呼吸相（呼気相or呼吸相）は呼吸フロー計の値から定義しており、先行する吸気区間と後続の呼気区間をペアとして組み合わせている。

図４Ａは、区間特徴量の分布を表したものである。図４Ａでは、吸気相と呼気相のペアごとに１点としてプロットしている。図４Ａにおいて、ｍ１、ｍ２、ｍ３は基準線を示す。縦軸は、第１区間特徴量である胸部呼吸音のパワーについて吸気相から呼気相を引いた値を示す。この値が０以上であれば、第１基準に当てはまる。また、横軸は、第２区間特徴量である頚部呼吸音のパワーについて呼気相から吸気相を引いた値を示す。この値が０以上であれば、第２基準に当てはまる。各軸とも、０以下の領域にプロットされる点が約１５％存在しており、それらは、各基準に対して誤りとなる。ここで、両方の基準で０以下となる領域には点が存在しない。本実施の形態の呼吸相判定装置は、この図４Ａの４５度方向の軸Ｌに沿って特徴量を合成する。原点を通る傾き−１の点線よりも右上にある点は、上述した第３基準（図３Ｅ参照）に当てはまる。上記点線よりも左下にある点はほとんど存在しないので、ほとんどの区間ペアが第３基準に当てはまることがわかる。

図４Ｂは、区間特徴量の被測定者個人の平均マージンの分布を表したものである。図４Ａでは、被測定者によらず、区間ペアごとに１としてプロットしたのに対し、図４Ｂでは、被測定者ごとに平均値を求めてプロットしている。このプロットした点が基準線（ｍ１、ｍ２、ｍ３）からどれだけ離れているかで、基準に対する個人のマージンがわかる。縦軸を見ると、０以下の領域にある点は、特徴量の個人性により、第１基準に合わない被測定者を表す。また、横軸を見ると、０以下の領域にある点は、特徴量の個人性（個人差）により、第２基準に合わない被測定者を表す。この図４Ｂを４５度方向（軸Ｌ）に見ると、本実施の形態の呼吸相判定装置によって合成された特徴量の個人性が示され、基準を満たさない被測定者が検証データの中に存在しないことがわかる。

図４Ｃは、被測定者個人の平均値からのずれの分布を表したものである。各人の平均特徴量の平均値を原点に取り、各区間ペアの値と、被測定者個人の平均値の差を原点からの直線で表している。これは、片方の呼吸相の呼吸音が大きめになったり、小さめになったりする被測定者個人の呼吸パターンの変動が起こったときに、特徴量空間でどのようにずれるのかを示しており、その分布は、強い負の相関を示すことがわかる。つまり、縦軸または横軸の１軸を基準とした場合には、大きく不利になる場合があるが、第３基準に対しては、基準線ｍ３と平行に近い方向にずれるために影響が低減されることがわかる。

以上のように検証された被測定者の呼吸の個人差および被測定者個人の呼吸の変動に対するロバスト性は、肺胞呼吸音と気管呼吸音が持つ性質を利用している。なお、ロバスト化がうまくいかない組み合わせの例として、次の場合がある。例えば、左右の２つの位置で肺胞呼吸音を収録して、同様に相対化を行っても、被測定者個人の変動分の相殺は行える。しかし、２つの基準が同種類である（どちらも吸気相の方が大きい）ので、差分を取った被測定者個人の平均マージンは、０を中心に正負の領域に分布してしまう。

次に、図５について説明する。図５は、本発明の実施の形態における呼吸相判定装置をデータによって性能評価した結果を示す図である。

図５は、図４で説明した入力データを用いて、区間ペアごとにそれらのデータと基準とが適合する割合を調べた結果を示している。基準は４つである。すなわち、図５において左から、区間長基準、頚部パワー基準、胸部パワー基準、合成基準である。区間長基準は、呼気相は吸気相よりも区間長が長いという基準である。また、頚部パワー基準は、上述した第２基準であり、呼気相は吸気相よりもパワーが大きいという基準である。また、胸部パワー基準は、上述した第１基準であり、吸気相は呼気相よりもパワーが大きいという基準である。また、合成基準は、上述した第３基準であり、胸部パワーに対する頚部パワーの相対値については呼気相が吸気相よりも大きいという基準である。

図５に示すように、データ全体での基準適合率は、それぞれ、８５．７％、８７．３％、８４．３％、９８．４％であった。本実施の形態の呼吸相判定装置は、８７．３％の適合率となる特徴量と８４．３％の適合率となる特徴量とを合成（相対化）することで、９８．４％と適合率が大幅に改善された。

また、図５は、それぞれの基準について、被測定者を年齢順に４等分して、それぞれの年齢ゾーンごとの基準適合率も示している。そして、４つの基準の中で、特に区間長基準は、年齢依存性が高く、低年齢になるほど基準適合率が低くなることがわかる。頚部パワー基準および胸部パワー基準も、区間長基準ほど極端ではないが、低年齢では基準適合率が低くなっている。このように、区間長基準、頚部パワー基準、および胸部パワー基準では、年齢によって基準適合率が低下した。これに対し、合成基準では、年齢ゾーンによらず、高い基準適合率が得られた。

なお、複数の基準を利用して多数決で呼吸相を判定する技術（例えば、非特許文献２の技術）を適用した場合、すなわち、区間長基準、頚部パワー基準、および胸部パワー基準の３つの基準のそれぞれに基づく判定結果から多数決で呼吸相判定を行った場合、基準適合率は、９４．３％であった。これに対し、合成基準に基づいて呼吸相判定を行った場合、基準適合率は、９８．４％である。したがって、非特許文献２の技術のように単に複数の基準を用いて不適合をカバーするよりも、本実施の形態の呼吸相判定装置のように合成基準を用いた方が、ロバスト化の効果が大きい。

このように、本実施の形態に係る呼吸相判定装置は、気管呼吸音と肺胞呼吸音など、吸気相と呼気相の大小関係が逆である別々の取得位置の呼吸音からそれぞれ特徴量を抽出し、抽出した２つの特徴量を合成し、合成した特徴量に基づいて呼吸相判定を行う。これにより、本実施の形態の呼吸相判定装置は、基準のマージンの増加（加算）と、イレギュラーによる特徴量のずれの軽減（相殺）とを実現できる。基準のマージンの増加は、図４Ｂに示すように、被測定者間の呼吸の個人差に対してロバストである。また、イレギュラーによる特徴量のずれの軽減は、図４Ｃに示すように、被測定者個人の呼吸の変動に対してロバストである。したがって、本実施の形態の呼吸相判定装置は、被測定者間の呼吸の個人差および被測定者個人の呼吸の変動に対してロバストで、かつ、キャリブレーションの必要なく呼吸相判定を行うことができる。

＜実施の形態の変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記説明は一例であり、種々の変形が可能である。以下、実施の形態の変形例について説明する。

例えば、本実施の形態の呼吸相判定装置は、上述した処理に加えて、以下に説明するコンフリクト対応処理を行ってもよい。ここで、コンフリクト対応処理の必要性について説明する。上述した通り、呼吸相判定の基本単位は、２つの呼吸区間である。そして、呼吸相判定装置は、２つの呼吸区間の特徴量の大小関係に基づいて、呼吸相判定を行う。ここで、呼吸相判定装置が２つの呼吸区間を連続して採った場合、奇数番目から始まる区間ペアと、偶数番目から始まる区間ペアとが考えられる。そして、呼吸相判定装置は、これらの区間ペアの全てに対して呼吸相判定を行った場合、１区間当たり、２つの判定結果を得ることができる。このとき、２つの判定結果が一致すれば問題ないが、２つの判定結果が一致しないコンフリクトが起こる場合がある。このようなコンフリクトに対応するための処理が、以下に説明するコンフリクト対応処理である。

図６は、本発明の実施の形態の呼吸相判定装置が行うコンフリクト対応処理の動作原理を説明する図である。コンフリクト対応処理は、呼吸相判定部１０９が呼吸相判定（図２のステップＳ２０６）を行う際に追加で行う。

図６Ａは、コンフリクトの第１パターンを示している。図６Ａの例は、破線部ｇ、ｈの２箇所連続でコンフリクト（判定結果Ａと判定結果Ｂの不一致）が起こっている。この場合、呼吸相判定部１０９は、コンフリクト対応処理として、破線部ｇの前と破線部ｈの後を考慮し、吸気相と呼気相が交互となる方の判定結果を残す。すなわち、図６Ａのパターン１の場合、呼吸相判定部１０９は、判定結果Ａを残す。

図６Ｂは、コンフリクトの第２パターンを示している。図６Ｂの例は、呼吸自体のイレギュラー（※二度吸い）によって吸気相が連続している部分があり、破線部ｉでコンフリクト（判定結果Ａと判定結果Ｂの不一致）が起こっている。この場合、呼吸相判定部１０９は、コンフリクト対応処理として、基準からの差（マージン）が大きい方を残す。換言すれば、呼吸相判定部１０９は、コンフリクトが起こった区間（破線部ｉ）を含む区間ペアにおける合成特徴量（例えば、矢印ｘ、矢印ｙ）を比較し、合成特徴量の大きい方の区間ペアを含む判定結果を残す。

このように、本発明の実施の形態の呼吸相判定装置は、コンフリクト対応処理を行うことで、２つの判定結果にコンフリクトが起こっても、適切な判定結果を得ることができる。

なお、上記実施の形態およびその変形例では、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明はハードウェアとの連係においてソフトウェアでも実現することも可能である。

以上、本開示の呼吸相判定装置は、被測定者の身体の第１位置から取得された第１呼吸音、および、前記被測定者の身体の第２位置から前記第１呼吸音と同期して取得された第２呼吸音の少なくとも１つに基づいて、呼吸区間を推定する呼吸区間推定部と、前記呼吸区間における前記第１呼吸音の特徴を表す第１区間特徴量を抽出する第１区間特徴量抽出部と、前記呼吸区間における前記第２呼吸音の特徴を表す第２区間特徴量を抽出する第２区間特徴量抽出部と、前記第１区間特徴量と前記第２区間特徴量とを相対化して合成特徴量を算出する特徴量相対化合成部と、近傍に位置する２つの呼吸区間の前記合成特徴量を比較し、比較の結果と、予め定めた基準とに基づいて、前記２つの呼吸区間が吸気相であるかまたは呼気相であるかを判定する呼吸相判定部と、を備える。

また、本開示の呼吸相判定装置は、前記第１呼吸音と前記第２呼吸音は、吸気相と呼気相の大小関係が逆である別々の取得位置の呼吸音である。

本開示の呼吸相判定装置は、前記呼吸相判定部が、前記判定を行ったときに、１つの呼吸区間当たり２つの判定結果を得、かつ、当該２つの判定結果に不一致があった場合、一連の呼吸区間において吸気相と呼気相が交互となる方の判定結果を採用する、または、前記基準からの差が大きい方の判定結果を採用する。

本開示の呼吸相判定装置は、前記第１位置に取り付けられ、前記第１呼吸音を含む第１生体音を取得する第１センサと、前記第２位置に取り付けられ、前記第２呼吸音を含む第２生体音を取得する第２センサと、前記第１生体音から前記第１呼吸音を抽出する第１呼吸音抽出部と、前記第２生体音から前記第２呼吸音を抽出する第２呼吸音抽出部と、をさらに備える。

本開示の呼吸相判定装置は、前記呼吸相判定部による判定結果を所定の方法で出力する結果出力部をさらに備える。

本開示の呼吸相判定装置は、前記第１呼吸音が気管呼吸音または気管支呼吸音であり、前記第２呼吸音が肺胞呼吸音である。

また、本開示の呼吸相判定方法は、被測定者の身体の第１位置から取得された第１呼吸音、および、前記被測定者の身体の第２位置から前記第１呼吸音と同期して取得された第２呼吸音の少なくとも１つに基づいて、呼吸区間を推定するステップと、前記呼吸区間における前記第１呼吸音の特徴を表す第１区間特徴量を抽出するステップと、前記呼吸区間における前記第２呼吸音の特徴を表す第２区間特徴量を抽出するステップと、前記第１区間特徴量と前記第２区間特徴量とを相対化して合成特徴量を算出するステップと、近傍に位置する２つの呼吸区間の前記合成特徴量を比較し、比較の結果と、予め定めた基準とに基づいて、前記２つの呼吸区間が吸気相であるかまたは呼気相であるかを判定するステップと、を有する。

また、本開示の呼吸相判定プログラムは、被測定者の身体の第１位置から取得された第１呼吸音、および、前記被測定者の身体の第２位置から前記第１呼吸音と同期して取得された第２呼吸音の少なくとも１つに基づいて、呼吸区間を推定する処理と、前記呼吸区間における前記第１呼吸音の特徴を表す第１区間特徴量を抽出する処理と、前記呼吸区間における前記第２呼吸音の特徴を表す第２区間特徴量を抽出する処理と、前記第１区間特徴量と前記第２区間特徴量とを相対化して合成特徴量を算出する処理と、近傍に位置する２つの呼吸区間の前記合成特徴量を比較し、比較の結果と、予め定めた基準とに基づいて、前記２つの呼吸区間が吸気相であるかまたは呼気相であるかを判定する処理と、をコンピュータに実行させる。

２０１２年１２月２８日出願の特願２０１２−２８７６１９の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

本発明にかかる呼吸相判定装置、呼吸相判定方法、および呼吸相判定プログラムは、呼吸音に基づいて呼吸相を判定する、装置、方法、およびプログラムなどに有用である。また、本発明は、呼吸相と連動したＣＧ（コンピューターグラフィックス）の制御等の用途にも応用できる。

１０１ 第１センサ
１０２ 第１呼吸音抽出部
１０３ 第２センサ
１０４ 第２呼吸音抽出部
１０５ 呼吸区間推定部
１０６ 第１区間特徴量抽出部
１０７ 第２区間特徴量抽出部
１０８ 特徴量相対化合成部
１０９ 呼吸相判定部
１１０ 結果出力部

Claims (8)

1. 被測定者の身体の第１位置から取得された第１呼吸音、および、前記被測定者の身体の第２位置から前記第１呼吸音と同期して取得された第２呼吸音の少なくとも１つに基づいて、呼吸区間を推定する呼吸区間推定部と、
   前記呼吸区間における前記第１呼吸音の特徴を表す第１区間特徴量を抽出する第１区間特徴量抽出部と、
   前記呼吸区間における前記第２呼吸音の特徴を表す第２区間特徴量を抽出する第２区間特徴量抽出部と、
   前記第１区間特徴量と前記第２区間特徴量とを相対化して合成特徴量を算出する特徴量相対化合成部と、
   近傍に位置する２つの呼吸区間の前記合成特徴量を比較し、比較の結果と、予め定めた基準とに基づいて、前記２つの呼吸区間が吸気相であるかまたは呼気相であるかを判定する呼吸相判定部と、
   を備える呼吸相判定装置。
2. 前記第１呼吸音と前記第２呼吸音は、
   吸気相と呼気相の大小関係が逆である別々の取得位置の呼吸音である、
   請求項１記載の呼吸相判定装置。
3. 前記呼吸相判定部は、
   前記判定を行ったときに、１つの呼吸区間当たり２つの判定結果を得、かつ、当該２つの判定結果に不一致があった場合、
   一連の呼吸区間において吸気相と呼気相が交互となる方の判定結果を採用する、または、前記基準からの差が大きい方の判定結果を採用する、
   請求項１記載の呼吸相判定装置。
4. 前記第１位置に取り付けられ、前記第１呼吸音を含む第１生体音を取得する第１センサと、
   前記第２位置に取り付けられ、前記第２呼吸音を含む第２生体音を取得する第２センサと、
   前記第１生体音から前記第１呼吸音を抽出する第１呼吸音抽出部と、
   前記第２生体音から前記第２呼吸音を抽出する第２呼吸音抽出部と、をさらに備える、
   請求項１記載の呼吸相判定装置。
5. 前記呼吸相判定部による判定結果を所定の方法で出力する結果出力部をさらに備える、
   請求項１記載の呼吸相判定装置。
6. 前記第１呼吸音は、気管呼吸音または気管支呼吸音であり、
   前記第２呼吸音は、肺胞呼吸音である、
   請求項１記載の呼吸相判定装置。
7. 被測定者の身体の第１位置から取得された第１呼吸音、および、前記被測定者の身体の第２位置から前記第１呼吸音と同期して取得された第２呼吸音の少なくとも１つに基づいて、呼吸区間を推定するステップと、
   前記呼吸区間における前記第１呼吸音の特徴を表す第１区間特徴量を抽出するステップと、
   前記呼吸区間における前記第２呼吸音の特徴を表す第２区間特徴量を抽出するステップと、
   前記第１区間特徴量と前記第２区間特徴量とを相対化して合成特徴量を算出するステップと、
   近傍に位置する２つの呼吸区間の前記合成特徴量を比較し、比較の結果と、予め定めた基準とに基づいて、前記２つの呼吸区間が吸気相であるかまたは呼気相であるかを判定するステップと、
   を有する呼吸相判定方法。
8. 被測定者の身体の第１位置から取得された第１呼吸音、および、前記被測定者の身体の第２位置から前記第１呼吸音と同期して取得された第２呼吸音の少なくとも１つに基づいて、呼吸区間を推定する処理と、
   前記呼吸区間における前記第１呼吸音の特徴を表す第１区間特徴量を抽出する処理と、
   前記呼吸区間における前記第２呼吸音の特徴を表す第２区間特徴量を抽出する処理と、
   前記第１区間特徴量と前記第２区間特徴量とを相対化して合成特徴量を算出する処理と、
   近傍に位置する２つの呼吸区間の前記合成特徴量を比較し、比較の結果と、予め定めた基準とに基づいて、前記２つの呼吸区間が吸気相であるかまたは呼気相であるかを判定する処理と、
   をコンピュータに実行させる呼吸相判定プログラム。
   

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