JP6076364B2 - 聴診のために心音を処理する装置及び方法 - Google Patents

Description

下記は、聴診のための支援の領域に属する。

聴診は、心臓疾患を有する、又はその疑いがある患者を検査する診察の重要な部分を成す。心音におけるパターンの自動的な識別は、診断の支援に対して有用である。心臓の拍動サイクルの心拍間隔はあらゆる個体において変化し、周期的な内容、例えば、収縮期間及び対応する心雑音も同様に変化する。心音は、しばしば、例えば周囲雑音及び呼吸雑音を含む雑音により重ね合わせされる。より効率的な聴診のため、又は心音の自動的な解析のため、より良好な診断を目的として非周期的雑音と周期的信号とを識別することが重要である。呼吸雑音自体は、より正確な診断に至ることにおいて有用な場合があり、適切な量の周囲雑音の存在は、医師による信号の感知を向上させることができる。

心音信号の電子的処理は、いくつかの形式のフィルタリングに依存して信号全体における雑音のエネルギーを削減する。例えば、心音信号が基本的に２００Ｈｚの下方にあるとしても、いくつかの成分はなおこの周波数の上方にある。したがって、ローパスフィルタを用いて心音の信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させることが、望ましい方法ではない場合がある。

文献ＵＳ２００８／０２７３７０９−Ａ１が心音信号を処理する装置について述べており、上記文献において解析ツールが相互作用チューナ、処理チューナ、及び出力チューナを含む。相互作用チューナは、プリセットのチューニング・セレクタとダイナミックレンジのチューニング・セレクタとを含む。処理チューナは、バンドパスフィルタと、電気的な心臓の信号に抽出アルゴリズムを適用し、それらをセグメント化し、関心のある信号を抽出するアルゴリズム的抽出エンジンとを含む。

フィルタリングにより信号のいかなる成分も除去することなく、心音信号の成分を独立して制御可能に増幅又は減衰させる装置及び方法を有することが望まれる。上記装置を用いると、情報を伝達するすべての信号成分がなお利用可能であり、ユーザにとって有用となりうる。しかしながら、フィルタリングは、心音にまったく関連しない、関心のある信号と比較して非常に高周波の信号に対して適用されてよい。

心音を表す信号を処理する上記装置は、心音を表す信号を個々の心音周期群にセグメント化するセグメンタと、テンプレートとして周期を選択するセレクタであり、上記選択は上記周期の信号雑音比に基づく、セレクタと、周期から上記テンプレートを減算して抽出された成分を取得する差分生成器と、独立してゲインを制御し、上記抽出された信号の連結された逆フーリエ変換と上記テンプレートの逆フーリエ変換とを増幅するための独立した増幅制御手段を有する増幅手段を有する増幅器と、上記の増幅された信号を結合して結合された信号を出力する結合器と、を含む。

上記装置は、信号の２つの成分を分離する。上記２つの成分を、次いで、独立して増幅又は減衰させ、同期してリプレイすることができる。必要に応じて、成分のうちいずれか一方を完全に消去することができ、他方を将来の利用のために要求されるレベルまで増幅させることができる。したがって、処理された信号は、診断のために臨床医が使用することができ、あるいは自動的な診断のために自動化された装置に送ることができる。

ここで、上述の装置は、用途又は必要性に依存して、リアルタイムの信号若しくはメモリ内に記憶された信号又は双方を処理するように構成できることに留意しなければならない。さらに、信号を減衰させるとき、１（unity）より小さい増幅係数を用いて増幅されたと見なすことができるため、増幅という用語は減衰も意味し得ることに留意しなければならない。

さらに、本明細書において、対象者の心音信号を処理する方法が開示される。上記方法は、心拍信号の単一の周期をセグメント化するセグメント化ステップと、上記周期のフーリエ変換を実行するフーリエ変換ステップと、上記周期の信号雑音比を決定する信号雑音比決定ステップと、最大の信号雑音比を有する信号をテンプレートとして選択する選択ステップと、単一の周期信号から上記テンプレートを減算して上記周期の雑音成分を取得する減算ステップと、上記の個々の周期群と上記テンプレートとの逆フーリエ変換を取得する復元ステップと、個々に各成分を制御可能に増幅する増幅ステップと、上記成分を加算して結合された信号を出力する合計ステップと、を含む。

装置の種々の実施形態と方法の変形とを、以下の図面を参照しながら以降に詳細に説明する。

装置の種々の実施形態と方法の変形とを、以下の図面を参照しながら以降に詳細に説明する。
開示の装置の一実施形態の略ブロック図である。 追加的にＥＣＧ信号を取得することができる、開示の装置の一実施形態の略ブロック図である。 開示の装置の一実施形態の方法の略図である。

図１は、本願開示装置の一実施形態の略ブロック図を示す。心音センサ１０１が、対象者の胸部の表面から心音を感知する。アナログ・デジタル・コンバータ（Analog to Digital Converter；ＡＤＣ）１０３が、上記の信号をデジタル信号へと変換する。心音は、セグメンタ１０５により個々の心臓周期へとセグメント化される。各個々の心臓周期の離散フーリエ変換（Discrete Fourier Transform；ＤＣＴ）を生成し、メモリ（図示せず）内に記憶することができる。テンプレートセレクタ１０７が、最大のＳＮＲを有する周期をテンプレートとして選択する。

本願開示を目的として、所定周波数を含め上記所定周波数を下回る周期のエネルギー含量と上記所定周波数を上回る周期のエネルギー含量との比をＳＮＲとして扱うことに、留意すべきである。心音が主として０〜２００Ｈｚの範囲内にあるとしても、クリック音及び心雑音などのいくらかの心音はより高い周波数範囲内に位置する。しかしながら、本願説明を目的として、例えば２００Ｈｚを閾値周波数として指定することができる。フィルタリングの場合とは異なり、閾値のいずれかの側にある信号が失われるものではないため、閾値としていかなる他の所定周波数を選択してもよい。さらに、閾値周波数をユーザ選択可能とすることも可能である。

いったんテンプレートが選択されると、差分生成器１０９が、上記テンプレートのＤＦＴを、残りの周期の各々のＤＦＴから差し引く。上記減算は、各周期の成分のＤＦＴを生み出す。上記各周期の成分のＤＦＴを、以降、抽出された成分と呼ぶ。したがって、各周期の信号は、テンプレートのＤＦＴと抽出された成分のＤＦＴとの合計である。

逆フーリエ変換生成器１１１Ａが、テンプレートのＤＦＴの逆フーリエ変換を生成し、逆フーリエ変換生成器１１１Ｂが、抽出された成分のＤＦＴの逆フーリエ変換を生成する。テンプレートのＤＦＴの逆フーリエ変換は、各周期の抽出された成分のＤＦＴの連結された逆フーリエ変換に同期して、周期ごとに反復的にリプレイされる。これらの信号は、増幅器１１３Ａ及び１１３Ｂを通じてそれぞれ増幅される。２つの増幅器は、別個の、独立してユーザ制御可能な増幅制御を有する。これらは、ユーザがリプレイ中に成分の各々の増幅又は減衰を設定することを可能にする。

結合器１１５が、ユーザによる使用向けに結合された出力１１６を出力する。結合された信号は、電力増幅器（図示せず）により電力増幅されて一組のヘッドフォンを駆動させ、又はユーザに音を聞かせるなどをすることができる。次いで、ユーザは、ユーザ自身の必要性に合わせて上記の成分の各々の増幅を変化させることができる。代替的に、もしあれば、リプレイされた信号は、信号を解析し心臓の病変を決定する診断支援装置に伝達することができる。

独立した増幅器１１１Ａ及び１１１Ｂ並びに結合器１１５は略図及び説明において異なるブロックとして示されており、それらのすべては、入力に接続された独立して可変のインピーダンスを有する加算増幅器などの、あるいは入力信号の振幅が可変電圧分配器により変化し、一定ゲインを有する加算増幅器により加算されるところの単一ブロックに統合することができることが、理解されるべきである。すべての上記の変形は、上述の装置の変形として扱われるべきである。

この信号から何であれいかなる方法でも心音に関連しない高周波雑音を消去するために、ローシェルフフィルタ（シェルビングフィルタ）をさらに使用することができる。これは、聴診又は診断支援において有用な信号がまったく存在せず、心音に関連しない単なるランダム性が存在する周波数において信号を単にカットオフするものである。これらには、家具若しくはドアのヒンジからの甲高い雑音又は患者監視装置のビープ音を含むことができる。

本説明はこれまで、心音が最初に記録され、次いで上述のとおりに処理されるところの、オフライン又は非リアルタイム装置向けであった。しかしながら、心音は同様にしてリアルタイムにおいて処理することができ、それを以下に簡潔に説明していく。

事前に記録又は記憶された心音において動作する装置において、周期の各々のＳＮＲが最初に計算され、次いでそれが残りの周期において動作するために使用される。リアルタイム装置の場合、所定閾値を超えるＳＮＲを有する周期に直面したとき、それがテンプレートとして指定され、減算の処理がリアルタイムで取得される後続の周期において実行される。しかしながら、取得された周期の各々のＳＮＲがさらに計算される。現在のテンプレート（現テンプレート）を超えるＳＮＲを有する周期に直面したときはいつでも、現テンプレートが破棄され、新しい周期がテンプレートとして使用される。これは、診断医が記録すべき所定数の周期を待つ必要なく対象者の胸部にセンサを置いたときすぐに聴診を開始することができるという利点を有するであろう。さらに、時間が経過するにつれて、出力の信号品質は、より高いＳＮＲを有するより新しい周期に直面するため、向上する可能性がある。さらに、心音の所定数の周期を記憶するために要するメモリが必要とされないという利点を有するであろう。

開示装置の一実施形態２００において、集合的に２１９として示す心電図（ＥＣＧ）電極が対象者のＥＣＧ信号を感知し、さらにＥＣＧ受信器２０４により心音を同時に取得される。ＥＣＧ信号を使用して心音を個々の周期へとセグメント化する。周期はＥＣＧ信号の支援なしでセグメント化することができるが、ＥＣＧ信号を用いてそれを行うことはより容易である。これは、セグメンテーションに要する処理時間をより少なくするという利点を有するであろうし、信号がリアルタイムにおいて処理されているときに有利であろう。

いずれの実施形態においても、リアルタイム、又は事前に記憶された信号のいずれかにおいて信号を処理し、後のプレイバックのためにメモリ内に結果を記憶することが可能である。上記プレイバックは、例えば、セカンド・オピニオンのための別の専門家に対してなされ、自動化された診断支援装置に対してなされ、あるいは音をプレイバックして聴診を教える教育支援としてなされる。

さらなる特徴は、装置がリズミカルな心拍の音を全体で抑制することにより、呼吸音、クリック音、及び心雑音などの音だけをユーザが聞くことが可能になるということである。

本説明を明りょうかつ簡潔にするために、装置の新規の特徴だけが説明されていることが理解されるべきである。当業者は、開示装置を構築するために必要な他の詳細に気付くであろうし、それらを満たす地位にいるであろう。しかしながら、上記の他の詳細は、以下に、完全性の目的で説明される。

心音のためのセンサはいかなる種類でもよく、すなわち、いかなる種類のマイクロフォン、圧電センサ、及び類似のものでもよい。セグメンタ１０５は、心音信号を個々の周期にセグメント化するいかなる方法も使用することができる。ＥＣＧ信号は心音信号に先行し上記心音信号を生じさせる信号であるため、追加的に感知されたＥＣＧ信号を使用して音をセグメント化することは有利であろう。心臓周期の長さは周期ごとに変化することが知られている。したがって、選択されたテンプレートと個々の心臓の拍動サイクルとは、異なる周期長を有する。これは、差分生成器が減算することを可能にするために、テンプレート又は各周期の信号を再サンプリングすることを必要とする。さらに、連結され抽出された信号と反復的に再生されるテンプレートとをリプレイする前に、抽出された信号は元の周期期間に復元される必要があり、テンプレートの時間期間は適切に再サンプリングすることにより抽出された信号の時間期間とマッチする必要がある。それらを達成するために必要とされるこれらのステップ及び装置ブロックは、当業者がいったん開示発明の他の詳細を備えると実施方法がわかるであろう既知の手法であるため、詳細に説明されていない。

さらに、心臓信号を処理する方法３００を本明細書において開示する。上記方法は、既知の方法において、例えばマイクロフォン又は圧電トランスデューサなどを用いることにより心音が取得された後の、続きのステップを含む。上記方法の一変形において、取得された信号は、サンプリング後にメモリ内にデジタル形式において、又はハイファイのアナログ記録として記憶される。

セグメンテーションステップ３２１において、心音信号の単一の（single）周期がセグメント化される。次いで、フーリエ変換ステップ３２３において、各セグメントのＤＦＴが取得され、記憶される。信号雑音比決定ステップ３２５において、ＤＦＴが解析されて周期の各々のＳＮＲが決定される。０〜２００Ｈｚの周波数範囲における音が最大の心音エネルギーを有するため、本開示を目的として、上記範囲の音を「信号」であると見なし、その残りを「雑音」と見なす。しかしながら、異なる閾値を選択してよく、本発明は選択される閾値から独立している。したがって、ＳＮＲは２００Ｈｚを下回る周波数のスペクトルのエネルギーと２００Ｈｚを上回るエネルギーとの比である。選択ステップにおいて、最大のＳＮＲを有する周期がテンプレートとして選択される。ここで、用語ＳＮＲは閾値を上回る信号成分と下回る信号成分とを表すために使用されるが雑音は消去されないことが、明確にされなければならない。心音信号、心臓の「ドクンドクン」という音は、主として０〜２００Ｈｚの周波数範囲内にあり、他の心音並びに他の関連する音及び関連しない音は、２００Ｈｚを上回る範囲内にあるであろう。これらの他の音は、心音でもある心臓のクリック音、振戦、及び心雑音である可能性があり、呼吸音、並びに一般に病院内で聞かれる家具からの甲高い雑音、ドアのヒンジからのきしみの雑音、及び監視機器のビープ音などの外部雑音などである可能性がある。

抽出ステップ３２７において、テンプレートのＤＦＴが周期の各々のＤＦＴから減算される。これは、心音を２つの部分、すなわち、テンプレートと、テンプレートにマッチしない周波数成分を有し、したがってより高音の雑音である抽出された成分とに分離する。いずれかの周期のテンプレートのＤＦＴと抽出された成分のＤＦＴとが加算される場合、元の周期が生じることに留意すべきである。したがって、各周期は、テンプレート及び抽出された信号のＤＦＴの合計である。

復元ステップ３２９において、抽出された成分とテンプレートとの各々の逆フーリエ変換が得られる。したがって、フーリエ変換ステップ３２３から復元ステップ３２９まで、本方法は周波数領域において実行される。さらに、復元ステップ３２９において、抽出された信号の逆フーリエ変換を連結し、テンプレートを反復的にテンプレート自体と連結する。これは、上記の２つが同期してリプレイされるとき、元の心音信号をもたらす。増幅ステップ３３１において、２つの連結された信号がユーザ制御可能又はユーザ選択可能な増幅係数を用いて増幅される。２つの増幅された信号が合計ステップ３３３において合わせて加算され、診断のために出ユーザ又は聞き手に対して力される。

上記方法の有益な変形４００において、個々の心臓の拍動サイクルのセグメンテーションが、ＥＣＧ信号処理ステップ４３５において処理されるＥＣＧ信号により支援される。この変形において、心拍音信号の周期は、基準としてＥＣＧ信号に依存してセグメント化される。

開示された方法の顕著な特徴を明らかにするために、特定ステップの詳細は本説明から除外されていることに留意すべきである。しかしながら、開示された方法を実施するために実行が必要なステップを以下に簡潔に説明する。

セグメンテーションステップ３２１において、心音信号を個々の周期へとセグメント化するいかなる既知の方法も使用することができる。ＥＣＧ信号は心拍、したがって心音に先行しそれを生じさせる信号であるため、ＥＣＧ信号を使用して音をセグメント化することは有利であろう。心臓周期の長さは、周期ごとに変化することが知られている。したがって、選択されたテンプレートと個々の心臓の拍動サイクルとは、異なる周期長を有する。これは、抽出ステップ３２７を実行するために、テンプレート又は各周期の信号を再サンプリングすることを必要とする場合がある。さらに、抽出された信号とテンプレート信号との逆フーリエ変換の、復元ステップにおいて、抽出された信号は元の周期期間に復元される必要があり、テンプレートの時間期間は適切に再サンプリングにより抽出された信号の時間期間と同一の周期期間を有する必要がある。上記を達成するために必要とされるこれらのステップは、当業者がいったん開示発明の他の詳細を備えると実施方法がわかるであろうから、詳細に説明されていない。

開示された実施形態に対する他の変形が、当業者により、請求された発明を実施する際、図面、開示、及び別記の請求項の調査から考えられうる。すべてのそうした変形は、開示された装置及び方法の変形であると見なされるべきである。請求項において、単語「含む（“comprising”）」は言及されているもの以外の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ある（“a”、“an”）」は複数を除外するものではない。単一の回路ブロック又は他のユニットが請求項に列挙されるいくつかの項目の機能を満たすことができる。特定の手段が互いに異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを使用しても利点を得られないことを示すものではない。

Claims (9)

1. 心音を表す信号を処理する装置であって、
   心音を表す信号を個々の心音周期群にセグメント化するセグメンタであり、該セグメンタは各個々の心臓周期のフーリエ変換を実行する、セグメンタと、
   テンプレートとして周期を選択するセレクタであり、前記選択は前記信号において最大の信号雑音比を有する周期に基づく、セレクタと、
   周期から前記テンプレートを減算して抽出された成分を取得する差分生成器であり、前記テンプレートのフーリエ変換が前記周期のフーリエ変換から減算されて前記抽出された成分が取得される、差分生成器と、
   独立してゲインを制御するための独立した増幅制御手段を有する増幅手段を有する増幅器であり、該増幅器は前記テンプレートのフーリエ変換と前記抽出された成分のフーリエ変換との逆フーリエ変換を生成する逆フーリエ変換生成器を含み、前記増幅器は前記抽出された成分の連結された逆フーリエ変換と前記テンプレートの逆フーリエ変換とを増幅させる、増幅器と、
   前記テンプレートのフーリエ変換の前記の増幅された逆フーリエ変換と前記抽出された成分の前記の増幅され連結された逆フーリエ変換とを結合して結合された信号を出力する結合器と、
   を含む装置。
2. 前記セグメンタが心音を表す前記信号を個々の心音周期群にセグメント化することを支援するための、心電図信号受信器を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記セレクタは、メモリ内に記憶されたすべての周期群から、前記周期群の中で最大の信号雑音比を有し、かつ所定閾値より大きい信号雑音比を有する周期を選択する、請求項１に記載の装置。
4. 前記セレクタは、連続的に受信する信号から所定閾値信号雑音比を上回る信号雑音比を有する第１の周期を現テンプレートとして選択し、前記現テンプレートを新たな現テンプレートに置換し、前記新たな現テンプレートは、前記現テンプレートより大きな信号雑音比を有する後続の周期である、請求項１に記載の装置。
5. 対象者の心音信号を処理する方法であって、
   心音信号の単一の周期をセグメント化するセグメント化ステップと、
   前記周期のフーリエ変換を実行するフーリエ変換ステップと、
   前記周期の信号雑音比を決定する信号雑音比決定ステップと、
   最大の信号雑音比を有する信号をテンプレートとして選択する選択ステップと、
   前記テンプレートのフーリエ変換を、前記テンプレート以外の周期群のフーリエ変換の各々から減算して抽出された成分を取得する減算ステップと、
   前記抽出された成分のフーリエ変換の各々と前記テンプレートのフーリエ変換との逆フーリエ変換を取得する復元ステップと、
   前記抽出された成分のフーリエ変換の逆フーリエ変換の各々と前記テンプレートのフーリエ変換の逆フーリエ変換とを制御可能に増幅する増幅ステップと、
   前記テンプレートのフーリエ変換の前記の増幅された逆フーリエ変換と前記抽出された成分の前記逆フーリエ変換の各々とを加算して結合された信号を出力する合計ステップと、
   を含む方法。
6. 前記の単一の心音周期は心電図信号に基づいて決定される、請求項５に記載の方法。
7. 前記信号雑音比は、所定周波数を下回る周期のエネルギーと前記所定周波数を上回る周期のエネルギーとの比により決定される、請求項５に記載の方法。
8. 前記心音信号は、メモリから検索され、又はリアルタイムで前記対象者から連続的に取得される、請求項５に記載の方法。
9. 前記心音信号がメモリから検索される場合、前記心音信号の単一の周期は増幅前に連結され、連続的なループにおいて出力される、請求項５に記載の方法。

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