JP6019659B2 - 無呼吸状態判定装置,無呼吸状態判定方法,及び無呼吸状態判定プログラム - Google Patents
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Description
睡眠中の音響信号から、呼吸音を含むとみなされる呼吸区間と、呼吸区間の間に存在す
る中途区間とを検出する区間検出部と、
前記中途区間に含まれる背景雑音成分と前記背景雑音成分以外の信号成分に基づく音響特徴量を算出する算出部と、
前記音響特徴量が所定条件に合致する場合に、前記中途区間を無呼吸状態と判定する判定部と、
を備える無呼吸状態判定装置である。
例えば、マイクとは反対の方向に向いている等の被験者の姿勢によって録音される呼吸音の音量が小さい場合には、音量を判定基準として、呼吸と呼吸との間の中途区間が呼吸音を含んでいない、すなわち、無呼吸状態である、と判定することは困難である。そこで、第1実施形態では、信号成分に基づく音響特徴量を用いて、無呼吸状態を検出する。
図2は、無呼吸状態判定装置のハードウェア構成例を示す図である。無呼吸状態判定装置は、例えば、携帯電話端末,スマートフォン,携帯情報端末,タブレット型のコンピュータ,ノート型のパーソナルコンピュータ,ゲーム装置等の情報処理装置である。
を収集する。マイクロフォン108aは、収集された音響の電気信号をアンプ108bに出力する。以降、音響の電気信号を「音響信号」と呼ぶ。
サ101は、補助記憶装置105又は可搬記録媒体に保持されたOSや様々なアプリケーションプログラムを主記憶装置102にロードして実行することによって、様々な処理を実行する。プロセッサ101は、1つに限られず、複数備えられてもよい。
記憶装置105に格納されていてもよいし、可搬記録媒体110に記録されていてもよいし、ネットワークを通じてネットワークインタフェース107から入力されてもよい。
無呼吸検出部2は、呼吸検出部21,音量算出部22,中途区間分析部23,及び無呼吸判定部24を含む。
の呼吸区間は呼吸(k)と表わされる。図4に示されるように、呼吸(k−1)と呼吸(k)との間には中途区間が存在する。
フレームfにおける雑音の大きさ(電力)N(f)は、以下の(式2)で推定される。
雑音の大きさの更新は、以下の(式3)のように、フレームfの音量S(f)と1つ前のフレームf−1の雑音電力N(f−1)との比に基づいて行ってもよい。
(条件1) 呼吸間隔閾値1≦呼吸間隔≦呼吸間隔閾値2
(条件2) 中途区間のSN比<中途区間SN比閾値
図6A及び図6Bは、無呼吸状態判定装置100の処理のフローチャートの一例である。図6A及び図6Bのフローチャートは、例えば、並行して実行される。図6Aは、無呼吸状態判定装置100が各フレームに対して実行する処理のフローチャートの一例である。図6Aに示されるフローチャートは、例えば、音響信号の入力に応じてフレーム単位で繰り返し実行されてもよいし(リアルタイム処理)、所定期間バッファされた音響信号に対して実行されてもよい(バッチ処理)。所定期間は、例えば、数分から数十分である。以下、いずれのフローチャートについても、プロセッサ101が補助記憶装置105に格納される無呼吸状態判定プログラムを実行する場合について説明する。
第1実施形態の無呼吸状態判定装置100は、中途区間における雑音の影響の度合いを示す中途区間のSN比を算出し、中途区間のSN比が中途区間SN比閾値よりも小さい場合に中途区間が無呼吸状態であることを判定する。したがって、背景雑音及び呼吸音の音量に関わらず、精度良く無呼吸状態を検出することができる。また、第1実施形態では、SN比の算出に用いられる雑音電力は、各フレームについての雑音推定により算出される。そのため、SN比は、背景雑音の性質の変化を反映した値となり、第1実施形態の無呼吸判定装置100は、背景雑音が変動する場合でも、より精度良く無呼吸状態を検出することができる。
第2実施形態では、無呼吸判定装置は、中途区間に加えて、中途区間の前後の呼吸区間についても分析を行う。より具体的には、第2実施形態では、前後の呼吸区間に呼吸音が含まれるか否かを分析する。これによって、呼吸区間に呼吸音が含まれるか否かをより精度良く判定することができ、中途区間が無呼吸状態であることをより精度良く判定するこ
とができる。第2実施形態では、第1実施形態と共通する説明は省略される。
(条件1) 呼吸間隔閾値1≦呼吸間隔≦呼吸間隔閾値2
(条件2) 中途区間のSN比<中途区間SN比閾値
(条件3) 直前呼吸区間の累積音量>累積音量閾値
(条件4) 直前呼吸区間の呼吸長>呼吸長閾値
(条件5) 直後呼吸区間の累積音量>累積音量閾値
(条件6) 直後呼吸区間の呼吸長>呼吸長閾値
図9は、無呼吸状態判定装置100bが各区間について実行する処理のフローチャートの一例である。第2実施形態においても、無呼吸状態判定装置100bは、第1実施形態と同様に図6Aの各フレームに対する処理を実行する。図9に示される処理は、図6Aのフローチャートの実行結果を受けて、逐次繰り返し実行されてもよいし(リアルタイム処理)、所定期間バッファされた音響信号について処理が終わるまで繰り返し実行されてもよい(バッチ処理)。
第2実施形態の無呼吸状態判定装置100bは、中途区間の分析に加えて、前後の呼吸区間を分析し、前後の呼吸区間に含まれる音響信号が呼吸音である可能性が高いことを無呼吸判定の条件に加える。無呼吸状態は、呼吸と呼吸との間に現れるため、前後の呼吸区間に呼吸音が含まれるか否かを判定することによって、中途区間の無呼吸状態をより精度良く検出することができる。
第3実施形態では、無呼吸状態判定装置は、背景雑音成分と背景雑音成分以外の信号成分に基づく音響特徴量として、中途区間と前後の呼吸区間との相関を用いる。具体的には、無呼吸状態判定装置は、中途区間と前後の呼吸区間とのスペクトル距離を算出し、中途区間が無呼吸状態であることを検出する。第3実施形態では、第1実施形態、第2実施形態と共通する説明は省略される。
パワースペクトルと中途区間のパワースペクトルとは、その形状が似通っておらず、スペクトル間の距離が離れており、相関が低い。
なお、第3実施形態ではFFTが用いられるが、これに限られず、DCT(離散コサイン変換:Discrete Cosine Transform),MDCT(修正離散コサイン変換:Modified Discrete Cosine Transform)等の他の直交変換が用いられてもよい。
ペクトルである。
(条件A) 呼吸間隔閾値1≦呼吸間隔≦呼吸間隔閾値2
(条件B) 直前中途区間スペクトル距離>直前中途区間スペクトル距離閾値
(条件C) 中途直後区間スペクトル距離>中途直後区間スペクトル距離閾値
図13A及び図13Bは、無呼吸状態判定装置100cの処理のフローチャートの一例である。図13A及び図13Bのフローチャートは、並行して実行される。図13Aは、無呼吸状態判定装置100cが、各フレームに対して実行する処理のフローチャートの一例である。図13Aに示されるフローチャートは、例えば、音響信号の入力に応じてフレーム単位で繰り返し実行されてもよいし(リアルタイム処理)、所定期間バッファされた音響信号に対して実行されてもよい(バッチ処理)。所定期間は、例えば、数分から数十分である。以下、フローチャートについては、プロセッサ101が補助記憶装置105に格納される無呼吸状態判定プログラムを実行する場合について説明する。
第3実施形態の無呼吸状態判定装置100cは、中途区間と前後の呼吸区間とのスペクトル距離を算出し、これらのスペクトル距離がそれぞれの閾値よりも大きい場合に中途区間が無呼吸状態であることを判定する。前後の呼吸区間に呼吸音が含まれている場合には、中途区間と前後の呼吸区間との相関は低くなり、スペクトル距離がそれぞれの閾値よりも大きくなる。また、雑音の性質が一定でないとしても、中途区間とその直前又は直後の呼吸区間とに含まれる雑音間の相関は高いことが考えられる。第3実施形態では、中途区間とその直前又は直後の呼吸区間とのスペクトル距離を算出するので、音響信号に背景雑音が含まれていても、呼吸音が含まれる前後の呼吸区間と呼吸音が含まれない中途区間との相関は低くなる。したがって、第3実施形態の無呼吸判定装置100cは、背景雑音の性質が一定でなくとも、より精度良く無呼吸状態を検出することができる。なお、第3実施形態では、各フレームに対してフーリエ変換を行ってパワースペクトルを算出し、各区間に含まれるフレームのパワースペクトルの平均値を各区間のパワースペクトルとしたが、これに限られない。例えば、各区間に含まれるフレームに対して一括してフーリエ変換を行い、パワースペクトルを算出して、区間のパワースペクトルとしてもよい。
第4実施形態では、無呼吸判定装置は、中途区間に加えて、中途区間の前後の呼吸区間についても分析を行う。また、中途区間と前後の呼吸区間とのスペクトル距離に加えて中途区間のSN比も算出し、中途区間の無呼吸状態の判定条件に用いる。これによって、呼吸区間に呼吸音が含まれるか否かをより精度良く判定することができ、中途区間が無呼吸状態であることをより精度良く判定することができる。第4実施形態では、第1実施形態−第3実施形態と共通する説明は省略される。
前後区間分析部25dの詳細は以下の通りである。
様の処理を行う。スペクトル算出部234,スペクトル距離算出部235は、第3実施形態と同様の処理を行う。すなわち、呼吸間隔推定部231は、呼吸間隔を算出し出力する。SN比算出部233は、中途区間のSN比を算出して出力する。スペクトル距離算出部235は、直前中途区間スペクトル距離と中途直後区間スペクトル距離とを出力する。
(条件A) 呼吸間隔閾値1≦呼吸間隔≦呼吸間隔閾値2
(条件B) 直前中途区間スペクトル距離>直前中途区間スペクトル距離閾値
(条件C) 中途直後区間スペクトル距離>中途直後区間スペクトル距離閾値
(条件D) 直前直後区間スペクトル距離<直前直後区間スペクトル距離閾値
(条件E) 中途区間のSN比<中途区間SN比閾値
(条件F) 中途区間の累積音量<中途区間の累積音量閾値
(条件G) 直前呼吸区間の累積音量>累積音量閾値
(条件H) 直後呼吸区間の累積音量>累積音量閾値
(条件I) 前後の呼吸区間の累積音量差<前後の呼吸区間の累積音量差閾値
図17A及び図17Bは、無呼吸状態判定装置100dの処理のフローチャートの一例である。図17A及び図17Bのフローチャートは、並行して実行される。図17Aは、無呼吸状態判定装置100dが、各フレームに対して実行する処理のフローチャートの一例である。図17Aに示されるフローチャートは、例えば、音響信号の入力に応じてフレーム単位で繰り返し実行されてもよいし(リアルタイム処理)、所定期間バッファされた音響信号に対して実行されてもよい(バッチ処理)。所定期間は、例えば、数分から数十分である。以下、フローチャートについては、プロセッサ101が補助記憶装置105に格納される無呼吸状態判定プログラムを実行する場合について説明する。
第4実施形態の無呼吸状態判定装置100dは、中途区間の分析に加えて、前後の呼吸区間を分析し、前後の呼吸区間に含まれる音響信号が呼吸音である可能性が高いことを無呼吸判定の条件に加える。無呼吸状態は、呼吸と呼吸との間に現れるため、前後の呼吸区間に呼吸音が含まれるか否かを判定することによって、中途区間の無呼吸状態をより精度良く検出することができる。また、第4実施形態では、中途区間と前後の呼吸区間とのスペクトル距離に加えて、中途区間のSN比も用いて、中途区間の無呼吸状態を判定する。これによって、背景雑音の性質が変化した場合でも、より正確に無呼吸状態を検出することができる。
2,2b,2c,2d 無呼吸検出部
3 出力処理部
21 呼吸検出部
22 音量算出部
23,23c,23d 中途区間分析部
24,24b,24c,24d 無呼吸判定部
25,25d 前後区間分析部
26 FFT処理部
231 呼吸間隔推定部
232 雑音推定部
233 SN比算出部
234,253 スペクトル算出部
235,254 スペクトル距離算出部
236,251 累積音量算出部
252 呼吸長推定部
255 累積音量差算出部
100,100b,100c,100d 無呼吸状態判定装置
Claims (16)
- 睡眠中の音響信号を所定の時間長のフレームに分割する分割部と、
音量が所定値以上の連続するフレームを含む呼吸区間と、呼吸区間の間に存在する中途区間とを検出する区間検出部と、
前記中途区間に含まれる各フレームについて、前記フレームに含まれる音響信号の電力を前記フレームに含まれる雑音信号の電力で割った値を算出する算出部と、
前記中途区間に含まれる各フレームの前記値が所定閾値より小さいことを含む所定条件が満たされた場合に、前記中途区間を無呼吸状態と判定する判定部と、
を備える無呼吸状態判定装置。 - 各フレームについて、雑音信号の電力を、該フレームの1つ前のフレームの雑音信号の電力と、該フレームに含まれる音響信号の電力とから、推定する推定部をさらに含み、
前記算出部は、前記推定部によって推定された各フレームに含まれる雑音信号の電力に基づいて、前記中途区間に含まれる各フレームについて、前記値を算出する、
請求項1に記載の無呼吸状態判定装置。 - 前記推定部は、各フレームについて、雑音信号の電力を、該フレームに含まれる音響信号の電力の、該フレームの1つ前のフレームに含まれる音響信号の電力からの変化量が所定値未満の場合に、前記1つ前のフレームに含まれる雑音信号の電力に第1の係数を乗じた値に、該フレームに含まれる音響信号の電力に第2の係数を乗じた値を加算して得られる値として推定し、前記変化量が所定以上の場合に、前記1つ前のフレームの雑音信号の電力と同じ値として推定する、
請求項2に記載の無呼吸状態判定装置。 - 前記推定部は、各フレームについて、雑音信号の電力を、該フレームに含まれる音響信号を該フレームの1つ前のフレームに含まれる雑音信号の電力で割った値が所定値未満の場合に、前記1つ前のフレームに含まれる雑音信号の電力に第1の係数を乗じた値に、該フレームに含まれる音響信号の電力に第2の係数を乗じた値を加算して得られる値として推定し、前記変化量が所定以上の場合に、前記1つ前のフレームの雑音信号の電力と同じ
値として推定する、
請求項2に記載の無呼吸状態判定装置。 - 睡眠中の音響信号を所定の時間長のフレームに分割する分割部と、
音量が所定値以上の連続するフレームを含む呼吸区間と、呼吸区間の間に存在する中途区間とを検出する区間検出部と、
前記中途区間の直前又は直後の呼吸区間における音響信号の少なくともいずれか一方と、前記中途区間における音響信号と、の相関量を求める算出部と、
前記相関量が所定閾値より小さいことを含む所定条件が満たされた場合に、前記中途区間を無呼吸状態と判定する、
無呼吸状態判定装置。 - 前記算出部は、前記相関量を、前記中途区間の直前又は直後の呼吸区間における音響信号の少なくともいずれか前記一方と、前記中途区間における音響信号と、のパワースペクトルの差分に基づいて算出する、
請求項5に記載の無呼吸状態判定装置。 - 前記算出部は、前記中途区間の時間長を求める呼吸間隔算出部を備え、
前記所定条件には、前記中途区間の時間長が所定範囲に含まれることがさらに含まれる、
請求項1から6のいずれか一項に記載の無呼吸状態判定装置。 - 前記中途区間の直前又は直後の呼吸区間における音響信号の少なくともいずれか一方の時間長を算出する第2の算出部をさらに備え、
前記所定条件には、前記時間長が所定閾値より長いことがさらに含まれる、
請求項1から7のいずれか一項に記載の無呼吸状態判定装置。 - 前記中途区間の直前又は直後の呼吸区間における音響信号の少なくともいずれか一方の累積音量を算出する第3の算出部をさらに備え、
前記所定条件には、前記累積音量が所定閾値より大きいことがさらに含まれる、
請求項1から8のいずれか一項に記載の無呼吸状態判定装置。 - 前記中途区間の直前及び直後の呼吸区間における音響信号の累積音量の差分を算出する第4の算出部をさらに備え、
前記所定条件には、前記累積音量の差分が所定閾値より大きいことがさらに含まれる、請求項1から9のいずれか一項に記載の無呼吸状態判定装置。 - 前記中途区間の直前及び直後の呼吸区間における音響信号のスペクトル距離を算出する第5の算出部をさらに備え、
前記所定条件には、前記スペクトル距離が所定閾値より大きいことがさらに含まれる、請求項1から10のいずれか一項に記載の無呼吸状態判定装置。 - 前記中途区間に含まれる各フレームについて、前記フレームに含まれる音響信号の電力を前記フレームに含まれる雑音信号の電力で割った値を算出する第6の算出部をさらに備え、
前記所定条件には、前記中途区間に含まれる各フレームの前記値が所定閾値より小さいことがさらに含まれる、
請求項5又は6に記載の無呼吸状態判定装置。 - コンピュータが、
睡眠中の音響信号を所定の時間長のフレームに分割し、
音量が所定値以上の連続するフレームを含む呼吸区間と、呼吸区間の間に存在する中途区間とを検出し、
前記中途区間に含まれる各フレームについて、前記フレームに含まれる音響信号の電力を前記フレームに含まれる雑音信号の電力で割った値を算出し、
前記中途区間に含まれる各フレームの前記値が所定閾値より小さいことを含む所定条件が満たされた場合に、前記中途区間を無呼吸状態と判定する、
無呼吸状態判定方法。 - コンピュータに、
睡眠中の音響信号を所定の時間長のフレームに分割させ、
音量が所定値以上の連続するフレームを含む呼吸区間と、呼吸区間の間に存在する中途区間とを検出させ、
前記中途区間に含まれる各フレームについて、前記フレームに含まれる音響信号の電力を前記フレームに含まれる雑音信号の電力で割った値を算出させ、
前記中途区間に含まれる各フレームの前記値が所定閾値より小さいことを含む所定条件が満たされた場合に、前記中途区間を無呼吸状態と判定させる、
ための無呼吸状態判定プログラム。 - コンピュータが、
睡眠中の音響信号を所定の時間長のフレームに分割し、
音量が所定値以上の連続するフレームを含む呼吸区間と、呼吸区間の間に存在する中途区間とを検出し、
前記中途区間の直前又は直後の呼吸区間における音響信号の少なくともいずれか一方と、前記中途区間における音響信号と、の相関量を求め、
前記相関量が所定閾値より小さいことを含む所定条件が満たされた場合に、前記中途区間を無呼吸状態と判定する、
無呼吸状態判定方法。 - コンピュータに、
睡眠中の音響信号を所定の時間長のフレームに分割させ、
音量が所定値以上の連続するフレームを含む呼吸区間と、呼吸区間の間に存在する中途区間とを検出させ、
前記中途区間の直前又は直後の呼吸区間における音響信号の少なくともいずれか一方と、前記中途区間における音響信号と、の相関量を求めさせ、
前記相関量が所定閾値より小さいことを含む所定条件が満たされた場合に、前記中途区間を無呼吸状態と判定させる、
ための無呼吸状態判定プログラム。
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