JP6272308B2 - 音ベースの肺活量測定のデバイス、システムおよび方法 - Google Patents
音ベースの肺活量測定のデバイス、システムおよび方法 Download PDFInfo
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Description
本出願は、2012年5月10日に出願された米国仮出願第61/645,176号の利益を主張する。上記文献は、参照することによって本明細書において援用される。
肺活量測定は、最も広範に採用されている肺機能の客観的測定値であって、喘息、慢性閉塞性肺疾患(COPD)、および嚢胞性線維症等の慢性肺疾患の診断ならびに管理の中心となっている。既存の肺活量測定試験の間、患者は、瞬間流量および累積呼息容量を測定する、流量監視デバイス(例えば、チューブまたはマウスピースを通して)を通して、強制的に呼息する。肺活量測定は、典型的には、従来の肺活量計を使用して、診療所および医院において行われる。しかしながら、携帯用デバイスを使用して行われる肺活量測定が、徐々に受け入れられつつある。携帯用デバイスを用いて行われる肺活量測定は、患者および/または医師が、傾向に関して患者の肺機能をより定期的に監視し、評価および/または治療を必要とし得る、肺機能の変化を検出することを可能にする。携帯用デバイスを用いて行われる肺活量測定は、損なわれた肺機能の早期診断につながり得、それによって、増悪の早期治療、より急速な回復、医療費の削減、および/または転帰の改善をもたらし得る。
音ベースの肺活量測定デバイス、システム、および方法が、提供される。多くの実施形態では、被検体の肺活量測定呼気操作音のデジタルオーディオファイルが、処理され、被検体の肺機能を査定するために使用される、呼気流量ベースの肺機能データを生成する。多くの実施形態では、デジタルオーディオファイルは、被検体が、被検体の口から離れた距離に保持されたマイクロホンに向かって、被検体の全肺活量を呼息することによって作成される。本明細書に開示される音ベースの流量率推定は、例えば、マイクロホンを有する既存の携帯用デバイス(例えば、スマートフォン)を使用して、遠隔肺活量測定試験を可能にする。故に、そのような遠隔肺活量測定試験は、肺の機能不全の早期診断を可能にし、それによって、早期の関連付けられた治療を可能にすることができる。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
呼気流量ベースの肺機能データを生成するように構成されたモバイルデバイスであって、前記モバイルデバイスは、
被検体の強制呼気操作音をデジタルデータファイルに変換するように動作可能なマイクロホンと、
前記マイクロホンと動作可能に結合されたプロセッサと、
前記プロセッサと動作可能に結合されたデータ記憶デバイスであって、前記データ記憶デバイスは、命令を記憶し、前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに、前記デジタルデータファイルを処理し、前記被検体の肺機能を査定するための呼気流量ベースの肺機能データを生成させる、データ記憶デバイスと
を備える、モバイルデバイス。
(項目2)
前記被検体の強制呼気操作音は、前記被検体の口と前記モバイルデバイスとの間の接触を伴わずに、前記デジタルデータファイルに変換される、項目1に記載のモバイルデバイス。
(項目3)
前記被検体は、前記被検体の強制呼気操作の間、マウスピースを通して呼息し、前記被検体の強制呼気操作音は、前記マウスピースと前記モバイルデバイスとの間の接触を伴わずに、前記デジタルデータファイルに変換される、項目2に記載のモバイルデバイス。
(項目4)
前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)強制肺活量(FVC)、(2)1秒間強制呼気容量(FEV 1 )、(3)FEV 1 /FVC、(4)ピーク呼気流量(PEF)、および(5)FVCの25〜75%の強制呼気流量(FEF(25−75))から成る群から選択される少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定パラメータを含む、項目1に記載のモバイルデバイス。
(項目5)
前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)FVC、(2)FEV 1 、(3)PEF、および(4)FEF(25−75)から成る群のうちの少なくとも1つに基づく少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定計量を含む、項目4に記載のモバイルデバイス。
(項目6)
前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)流量対時間(FT)、(2)容量対時間(VT)、および(3)流量対容量(FV)から成る群から選択される少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定関係を含む、項目1に記載のモバイルデバイス。
(項目7)
前記デジタルデータファイルを処理することは、前記強制呼気操作の気流によって生成される余剰音をモデル化および除去することを含む、項目1に記載のモバイルデバイス。
(項目8)
前記余剰音は、(1)前記被検体の声道、(2)前記被検体の口、および(3)前記被検体の周囲環境から成る群のうちの少なくとも1つを通して、前記強制呼気操作の気流によって生成される、項目7に記載のモバイルデバイス。
(項目9)
前記デジタルデータファイルを処理することは、前記強制呼気操作の気流に関連する少なくとも1つの音を単離し、前記単離された少なくとも1つの音の強度を査定することを含む、項目1に記載のモバイルデバイス。
(項目10)
前記単離された少なくとも1つの音は、(1)ウィンドシア、(2)声道共鳴、(3)ウィーズ、および(4)鼻腔共鳴から成る群のうちの少なくとも1つからの音を含む、項目9に記載のモバイルデバイス。
(項目11)
前記デジタルデータファイルを処理することは、(1)前記被検体と前記マイクロホンとの間の距離にわたって持続される推定される圧力損失を補償すること、および(2)前記強制呼気操作音の反響および反射のうちの少なくとも1つを補償することから成る群のうちの少なくとも1つを含む、項目1に記載のモバイルデバイス。
(項目12)
前記デジタルデータファイルを処理することは、逆放射モデル化を使用して、(1)前記被検体と前記マイクロホンとの間の距離にわたって持続される推定される圧力損失を補償すること、および(2)前記強制呼気操作音の反響および反射のうちの少なくとも1つを補償することから成る群のうちの少なくとも1つを行うことを含む、項目11に記載のモバイルデバイス。
(項目13)
前記デジタルデータファイルを処理することは、(1)信号パワー、(2)周波数特性、および(3)前記被検体の声道のモデルから成る群のうちの少なくとも1つを使用することによって、AC結合の影響を除去することを含む、項目1に記載のモバイルデバイス。
(項目14)
前記デジタルデータファイルを処理することは、前記デジタルデータファイルに基づいて、少なくとも2つの流量近似値を組み合わせることによって、非線形性を除去することを含む、項目1に記載のモバイルデバイス。
(項目15)
前記デジタルデータファイルを処理することは、異なる強制呼気操作の間に記録された音の複数のデジタルデータファイルに基づくグローバルモデルを使用することを含む、項目1に記載のモバイルデバイス。
(項目16)
前記デジタルデータファイルを処理することは、異なる呼気操作のピーク呼気流量(PEF)率のグローバルモデルを使用することによって、PEFを生成することを含む、項目15に記載のモバイルデバイス。
(項目17)
前記デジタルデータファイルを処理することは、異なる呼気操作の強制肺活量(FVC)値のグローバルモデルを使用することによって、FVCを生成することを含む、項目15に記載のモバイルデバイス。
(項目18)
前記デジタルデータファイルを処理することは、異なる呼気操作の1秒間強制呼気容量(FEV 1 )値のグローバルモデルを使用することによって、FEV 1 を生成することを含む、項目15に記載のモバイルデバイス。
(項目19)
前記デジタルデータファイルを処理することは、前記被検体の口を通る流速および前記被検体の口の流量面積を推定することによって、前記被検体の口を通して排出された流量体積を計算することを含む、項目1に記載のモバイルデバイス。
(項目20)
前記デジタルデータファイルを処理することは、特定の被検体に対して前記モバイルデバイスによって生成された呼気流量ベースの肺機能データを、別のデバイスによって生成される前記特定の被検体に対する呼気流量ベースの肺機能データに対して較正することによって作成される、前記特定の被検体に対する個人化モデルを使用することを含む、項目1に記載のモバイルデバイス。
(項目21)
呼気流量ベースの肺機能データを生成する方法であって、前記方法は、
被検体の強制呼気操作音のデジタルデータファイルを受信することと、
前記デジタルデータファイルを処理し、前記被検体の肺機能を査定するための呼気流量ベースの肺機能データを生成することと
を含む、方法。
(項目22)
前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)強制肺活量(FVC)、(2)1秒間強制呼気容量(FEV 1 )、(3)FEV 1 /FVC、(4)ピーク呼気流量(PEF)、および(5)FVCの25〜75%の強制呼気流量(FEF(25−75))から成る群から選択される少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定パラメータを含む、項目21に記載の方法。
(項目23)
前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)流量対時間(FT)、(2)容量対時間(VT)、および(3)流量対容量(FV)から成る群から選択される少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定関係を含む、項目21に記載の方法。
(項目24)
呼気流量ベースの肺機能データを遠隔で生成するためのシステムであって、前記システムは、通信ネットワークと通信可能に結合されたサーバを備え、前記サーバは、プロセッサと、前記プロセッサと動作可能に結合されたデータ記憶デバイスとを含み、前記データ記憶デバイスは、命令を記憶し、前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに、被検体の強制呼気操作によって生成される音のデジタルデータファイルを処理させ、前記デジタルデータファイルは、前記サーバによって、前記通信ネットワークを介して受信され、前記デジタルデータファイルは、前記被検体の肺機能を査定するための呼気流量ベースの肺機能データを生成するように処理される、システム。
(項目25)
前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)強制肺活量(FVC)、(2)1秒間強制呼気容量(FEV 1 )、(3)FEV 1 /FVC、(4)ピーク呼気流量(PEF)、および(5)FVCの25〜75%の強制呼気流量(FEF(25−75))から成る群から選択される少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定パラメータを含む、項目24に記載のシステム。
(項目26)
前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)流量対時間(FT)、(2)容量対時間(VT)、および(3)流量対容量(FV)から成る群から選択される少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定関係を含む、項目24に記載のシステム。
(項目27)
前記呼気流量ベースの肺機能データは、前記遠隔デバイス上に表示するために、前記通信ネットワークを経由して、遠隔デバイスに伝送される、項目24に記載のシステム。
(項目28)
前記呼気流量ベースの肺機能データは、ウェブサイトを介して閲覧される、項目24に記載のシステム。
本明細書で記述される全ての出版物、特許、および特許出願は、各個別出版物、特許、または特許出願が、参照することにより組み込まれるように特異的かつ個別に示された場合と同程度に、本明細書に組み込まれる。
多くの実施形態では、その全肺容量を強制的に呼息する患者の音を記録することによって生成されたデジタル化されたオーディオファイルが、処理され、被検体の肺機能を査定するために使用されることができる、呼気流量ベースの肺機能データを生成する。本明細書で使用されるように、呼気流量ベースの肺機能データは、肺活量測定プロットおよび/または肺活量測定パラメータ(例えば、呼気の流量対時間(FT)、容量対時間(VT)、および/または流量対容量(FV)プロット;強制肺活量(FVC);1秒間強制呼気容量(FEV1);FEV1/FVC;ピーク呼気流量(PEF))等、被検体の肺機能を査定するために使用されることができる、任意の好適な呼気流量ベースのデータおよび/または情報、ならびに前述の肺活量測定プロットおよび/または肺活量測定パラメータに基づく任意の好適な計量等の任意の好適な呼気流量ベースの計量を含むことができる。マイクロホンを含む、携帯用デバイス等の任意の好適なデバイスが、デジタル化されたオーディオファイルを生成するために使用されることができる。例えば、携帯用デバイスは、スマートフォンの内蔵マイクロホンを使用して、肺機能を測定するように構成される、スマートフォンであることができる。多くの実施形態では、携帯用デバイスは、プロセッサと、デジタル化されたオーディオファイルを処理し、肺活量測定プロットおよび/または肺活量測定パラメータを生成するために、プロセッサによって実行可能な命令を記憶する、メモリとを含む。多くの実施形態では、デジタル化されたオーディオファイルは、通信ネットワークを経由して転送され、プロセッサと、デジタル化されたオーディオファイルを処理し、肺活量測定プロットおよび/または肺活量測定パラメータを生成するために、プロセッサによって実行可能な命令を記憶する、メモリとを含む、サーバ等の好適に構成されたシステムによって、携帯用デバイスから遠隔で処理される。サーバによって遠隔で生成された結果として生じる肺活量測定プロットおよび/または肺活量測定パラメータは、(1)ユーザに表示するために、通信ネットワークを経由して、携帯用デバイスに逆転送される、(2)評価のために、医療専門家(任意の好適な様式において、例えば、通信ネットワークを経由して)に通信される、および(3)例えば、将来の参考のために、および/または類似デジタルオーディオファイルを処理する際に使用するために、メモリ内に記憶される、のうちの少なくとも1つが行われることができる。
いくつかのスケーリング定数が、式(1)および(2)のそれぞれから除去され、式は、比例的にすぎない。スケーリング定数は、p(t)が較正されないため、除去され、したがって、ulips(t)は、実際の流量率のみに比例する。さらに、これらの式(1)および(2)が、近似値Darm、Chead、およびrlipsを使用するとき、どのように機能し、マイクロホンにおける非線形性が、逆モデル化にどのような影響を及ぼすかは不明である。したがって、多くの実施形態では、各測定値p(t)、plips(t)、およびulips(t)は、特徴抽出のために使用され、回帰が、どの特徴が最も安定するかを判定するために使用される。
肺機能測定値の推定
Claims (28)
- 呼気流量ベースの肺機能データを生成するように構成されたモバイルデバイスであって、前記モバイルデバイスは、
被検体の強制呼気操作音をデジタルデータファイルに変換するように動作可能なマイクロホンであって、前記被検体の強制呼気操作音は、前記被検体の強制呼気操作の間において前記被検体の口から出される音を含む、マイクロホンと、
前記マイクロホンと動作可能に結合されたプロセッサと、
前記プロセッサと動作可能に結合されたデータ記憶デバイスであって、前記データ記憶デバイスは、命令を記憶し、前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに、前記デジタルデータファイルを処理させて、前記被検体の肺機能を査定するための呼気流量ベースの肺機能データを生成させ、前記呼気流量ベースの肺機能データを生成することは、前記被検体の声道の推定されたモデルと、前記被検体の頭部の周囲の音の推定された反響とに基づいて少なくとも1つの流量率を計算することを含む、データ記憶デバイスと
を備え、
前記デジタルデータファイルを処理することは、前記被検体と前記マイクロホンとの間の距離にわたって持続される推定された圧力損失を補償することを含む、モバイルデバイス。 - 前記被検体の強制呼気操作音は、前記被検体の口と前記モバイルデバイスとの間の接触を伴わずに、前記デジタルデータファイルに変換される、請求項1に記載のモバイルデバイス。
- 前記被検体は、前記被検体の強制呼気操作の間、マウスピースを通して呼息し、前記被検体の強制呼気操作音は、前記マウスピースと前記モバイルデバイスとの間の接触を伴わずに、前記デジタルデータファイルに変換される、請求項2に記載のモバイルデバイス。
- 前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)強制肺活量(FVC)、(2)1秒間強制呼気容量(FEV1)、(3)FEV1/FVC、(4)ピーク呼気流量(PEF)、および(5)FVCの25%〜75%の強制呼気流量(FEF(25−75))から成る群から選択される少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定パラメータを含む、請求項1に記載のモバイルデバイス。
- 前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)FVC、(2)FEV1、(3)PEF、および(4)FEF(25−75)から成る群のうちの少なくとも1つに基づく少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定計量を含む、請求項4に記載のモバイルデバイス。
- 前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)流量対時間(FT)、(2)容量対時間(VT)、および(3)流量対容量(FV)から成る群から選択される少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定関係を含む、請求項1に記載のモバイルデバイス。
- 前記デジタルデータファイルを処理することは、前記強制呼気操作の気流によって生成される余剰音をモデル化および除去することを含む、請求項1に記載のモバイルデバイス。
- 前記余剰音は、(1)前記被検体の声道、(2)前記被検体の口、および(3)前記被検体の周囲環境から成る群のうちの少なくとも1つを通して、前記強制呼気操作の気流によって生成される、請求項7に記載のモバイルデバイス。
- 前記デジタルデータファイルを処理することは、前記強制呼気操作の気流に関連する少なくとも1つの音を単離し、前記単離された少なくとも1つの音の強度を査定することを含む、請求項1に記載のモバイルデバイス。
- 前記単離された少なくとも1つの音は、(1)ウィンドシア、(2)声道共鳴、(3)ウィーズ、および(4)鼻腔共鳴から成る群のうちの少なくとも1つからの音を含む、請求項9に記載のモバイルデバイス。
- 前記デジタルデータファイルを処理することは、前記強制呼気操作音の反響および反射のうちの少なくとも1つを補償することを含む、請求項1に記載のモバイルデバイス。
- 前記デジタルデータファイルを処理することは、逆放射モデル化を使用して、(1)前記被検体と前記マイクロホンとの間の距離にわたって持続される推定された圧力損失を補償すること、および(2)前記強制呼気操作音の反響および反射のうちの少なくとも1つを補償することから成る群のうちの少なくとも1つを行うことを含む、請求項1に記載のモバイルデバイス。
- 前記デジタルデータファイルを処理することは、(1)信号パワー、(2)周波数特性、および(3)前記被検体の声道のモデルから成る群のうちの少なくとも1つを使用することによって、AC結合の影響を除去することを含む、請求項1に記載のモバイルデバイス。
- 前記デジタルデータファイルを処理することは、前記デジタルデータファイルに基づいて、少なくとも2つの流量近似値を組み合わせることによって、非線形性を除去することを含む、請求項1に記載のモバイルデバイス。
- 前記デジタルデータファイルを処理することは、異なる強制呼気操作の間に記録された音の複数のデジタルデータファイルに基づくグローバルモデルを使用することを含む、請求項1に記載のモバイルデバイス。
- 前記デジタルデータファイルを処理することは、異なる呼気操作のピーク呼気流量(PEF)率のグローバルモデルを使用することによって、PEFを生成することを含む、請求項15に記載のモバイルデバイス。
- 前記デジタルデータファイルを処理することは、異なる呼気操作の強制肺活量(FVC)値のグローバルモデルを使用することによって、FVCを生成することを含む、請求項15に記載のモバイルデバイス。
- 前記デジタルデータファイルを処理することは、異なる呼気操作の1秒間強制呼気容量(FEV1)値のグローバルモデルを使用することによって、FEV1を生成することを含む、請求項15に記載のモバイルデバイス。
- 前記デジタルデータファイルを処理することは、前記被検体の口を通る流速および前記被検体の口の流量面積を推定することによって、前記被検体の口を通して排出された流量体積を計算することを含む、請求項1に記載のモバイルデバイス。
- 前記デジタルデータファイルを処理することは、特定の被検体に対して前記モバイルデバイスによって生成された呼気流量ベースの肺機能データを、別のデバイスによって生成される前記特定の被検体に対する呼気流量ベースの肺機能データに対して較正することによって作成される、前記特定の被検体に対する個人化モデルを使用することを含む、請求項1に記載のモバイルデバイス。
- 呼気流量ベースの肺機能データを生成する方法であって、前記方法は、
モバイルデバイスを介して被検体の強制呼気操作音のデジタルデータファイルを受信することであって、前記被検体の強制呼気操作音は、前記被検体の強制呼気操作の間において前記被検体の口から出される音を含む、ことと、
前記デジタルデータファイルを処理して、前記被検体の肺機能を査定するための呼気流量ベースの肺機能データを生成することであって、前記呼気流量ベースの肺機能データを生成することは、前記被検体の声道の推定されたモデルと、前記被検体の頭部の周囲の音の推定された反響とに基づいて少なくとも1つの流量率を計算することを含む、ことと
を含み、
前記デジタルデータファイルを処理することは、前記被検体と前記モバイルデバイスのマイクロホンとの間の距離にわたって持続される推定された圧力損失を補償することを含む、方法。 - 前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)強制肺活量(FVC)、(2)1秒間強制呼気容量(FEV1)、(3)FEV1/FVC、(4)ピーク呼気流量(PEF)、および(5)FVCの25%〜75%の強制呼気流量(FEF(25−75))から成る群から選択される少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定パラメータを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)流量対時間(FT)、(2)容量対時間(VT)、および(3)流量対容量(FV)から成る群から選択される少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定関係を含む、請求項21に記載の方法。
- 呼気流量ベースの肺機能データを遠隔で生成するためのシステムであって、前記システムは、通信ネットワークと通信可能に結合されたサーバを備え、前記サーバは、プロセッサと、モバイルデバイスのマイクロホンと動作可能に結合された前記プロセッサと動作可能に結合されたデータ記憶デバイスとを含み、前記データ記憶デバイスは、命令を記憶し、前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに、被検体の強制呼気操作によって生成される音のデジタルデータファイルを処理させ、前記被検体の強制呼気操作音は、前記被検体の強制呼気操作の間において前記被検体の口から出される音を含み、前記デジタルデータファイルは、前記サーバによって、前記通信ネットワークを介して受信され、前記デジタルデータファイルは、前記被検体の肺機能を査定するための呼気流量ベースの肺機能データを生成するように処理され、前記呼気流量ベースの肺機能データを生成することは、前記被検体の声道の推定されたモデルと、前記被検体の頭部の周囲の音の推定された反響とに基づいて少なくとも1つの流量率を計算することを含み、前記デジタルデータファイルが処理されることは、前記被検体と前記マイクロホンとの間の距離にわたって持続される推定された圧力損失を補償することを含む、システム。
- 前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)強制肺活量(FVC)、(2)1秒間強制呼気容量(FEV1)、(3)FEV1/FVC、(4)ピーク呼気流量(PEF)、および(5)FVCの25%〜75%の強制呼気流量(FEF(25−75))から成る群から選択される少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定パラメータを含む、請求項24に記載のシステム。
- 前記呼気流量ベースの肺機能データは、(1)流量対時間(FT)、(2)容量対時間(VT)、および(3)流量対容量(FV)から成る群から選択される少なくとも1つの呼気流量ベースの肺機能査定関係を含む、請求項24に記載のシステム。
- 前記呼気流量ベースの肺機能データは、遠隔デバイス上に表示するために、前記通信ネットワークを経由して、前記遠隔デバイスに伝送される、請求項24に記載のシステム。
- 前記呼気流量ベースの肺機能データは、ウェブサイトを介して閲覧される、請求項24に記載のシステム。
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