JP6349613B2 - 呼吸機能検出システム及びその検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、呼吸機能検出システム及びその検出方法に関するものであって、特に被検体の呼気操作によって産生された超音波を利用する呼吸機能検出システム及びその検出方法に関するものである。

現在、市場でよく見られる肺活量計は主にプラスチックインピーダンス圧力式及びタビーンである。プラスチックインピーダンス圧力式の肺活量計は、肺活量計に吹き込まれて産生された風圧によって肺活量計の端末又は側辺のセンサーを連動して対応する呼気信号を生成し、このような肺活量計は構造が簡単であるが、呼気期間に呼気信号を持続に検出することはできない。タビーンは、肺活量計に吹き込まれて産生された風圧によって肺活量計内の羽扇を連動して電流を生成するか又は赤外線技術によって羽扇の回転回数及び回転速度を計算し、さらに羽扇の回転回数及び回転速度を利用して一回の呼気期間の肺活量データを計算する。

従来の技術に存在する問題を解決するために、本発明は呼吸機能検出技術が既存の肺活量計と異なる呼吸機能検出システム及びその検出方法を提供する。

本発明に係わる呼吸機能検出システムは、気体変換装置、音声受信装置及び運算装置を備える。気体変換装置は、予め設定された期間に呼気気体を持続に受け取り且つ受け取った呼気気体によって全帯域音声信号を生成し、全帯域音声信号は少なくとも超音波信号を含む。音声受信装置は気体変換装置によって生成された全帯域音声信号を受信して記録する。運算装置は音声受信装置に通信接続されて音声受信装置が記録した全帯域音声信号を受信し、その中の超音波信号に対して運算してから呼吸機能パラメーターを生成する。

本発明に係わる呼吸機能検出方法は、上述した呼吸機能検出システムに適用され、予め設定された期間に呼気気体を持続に受け取り且つ受け取った呼気気体によって全帯域音声信号を生成し、全帯域音声信号は少なくとも超音波信号を含むステップと、全帯域音声信号を受信して記録するステップと、全帯域音声信号の中の超音波信号を計算して対応する呼吸機能パラメーターを生成するステップと、を備える。

本発明に係わる呼吸機能検出システム及びその検出方法において、被検体の呼気操作によって超音波信号を生成する気体変換装置を採用し、音声受信装置が音声を受信することにより呼気の持続時間を記録し、運算装置によってこの呼気の持続時間内に被検体の呼気操作によって産生された超音波信号を計算して対応する呼気機能パラメーターを獲得する。

本発明の実施例に係わる呼吸機能検出システムを示す図である。 本発明の実施例に係わる全帯域音声信号の曲線図である。 本発明の実施例に係わる音圧値−時間の曲線図である。 本発明の実施例に係わる流速−時間の曲線図である。 本発明の実施例に係わる体積−時間の曲線図である。 本発明の実施例に係わる呼吸機能検出方法のフローチャートである。

図１は本発明の実施例に係わる呼吸機能検出システムを示す図である。図１に示されたように、呼吸機能検出システム１００は、気体変換装置１０、音声受信装置１１及び運算装置１２を備える。気体変換装置１０は、予め設定された期間に呼気気体を持続に受け取り且つ受け取った呼気気体によって全帯域音声信号を生成し、全帯域音声信号は少なくとも超音波信号を含む。本実施例において、予め設定された期間は、例えば、被検体が気体変換装置１０に持続に呼気する時間である。音声受信装置１１は、気体変換装置１０によって生成された全帯域音声信号を受信して記録する。本実施例において、気体変換装置１０は被検体の呼気操作によって全帯域音声信号を生成し、全帯域音声信号がカバーする周波数は２０ＫＨｚ以上のバンドを含み、音声受信装置１１は上記した予め設定された期間に全帯域音声信号を持続に受信し、被検体の呼吸機能の差異によって異なる被検体の呼気持続時間は異なるが、本発明に係わる呼吸機能検出システム１００によって呼気期間の呼吸機能を持続に検出することができる。

本実施例において、音声受信装置１１は、例えば微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭＳ）又はマイクであり、特に全帯域音声信号を受信することができる高感度マイクであり、無指向性（Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）マイク、単一指向性（Ｃａｒｄｉｏｉｄ）マイク、鋭指向性（Ｈｙｐｅｒｃａｒｄｉｏｉｄ）マイク、ショットガン（Ｓｈｏｔｇｕｎ）マイク及び双指向性（Ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）マイクからなる群から選択される。マイクは、音声受信機能が敏感であるので、全帯域音声信号を受信して記録するために用いられ、且つ記録された全帯域音声信号をオーディオファイルとして保存し、オーディオファイルのオーディオ長さは上記した予め設定された期間である。運算装置１２は、音声受信装置１１に通信接続されて音声受信装置１１が記録した全帯域音声信号を受信し、その中の超音波信号に対して運算することにより呼吸機能パラメーターを生成する。運算装置１２は、ブルートゥース（登録商標）又は無線ネットワーク（ｗｉｒｅｌｅｓｓ）によって音声受信装置１１に通信接続されるがそれに限定されるものではなく、この通信接続によって音声受信装置１１が保存したオーディオファイルを受信する。運算装置１２は、スマートフォン、ダブレット又は他の類似する運算機能を有する電子装置であることができるが、それに限定されるものではない。

本発明の実施例において、気体変換装置１０は１つ又は複数のサイレントホイッスル（ｓｉｌｅｎｔ ｗｈｉｓｔｌｅ）又はゴルトンホイッスル（Ｇａｌｔｏｎ’ｓ ｗｈｉｓｔｌｅ）を備えるので、被検体が気体変換装置１０に向かって呼気すると、サイレントホイッスル又はゴルトンホイッスルは被検体の呼気操作によって超音波信号を生成する。気体変換装置１０はサイレントホイッスル又はゴルトンホイッスル以外の他の超音波生成装置を備えることもでき、被検体の呼気操作によって超音波信号を生成することができる装置は全て本発明の保護範囲に属する。

図２は、本発明の実施例に係わる全帯域音声信号の曲線図である。運算装置１２が音声受信装置１１から全帯域音声信号（図２を参照してください）のオーディオファイルを受信してから、ユーザーは運算装置１２にインストールされたアプリケーションプログラムによって特定の周波数を選択して運算することができ、特定の周波数を選択する目的は環境の背景音声による干渉を減少することにより運算の精確性を高めるためである。だから、運算装置１２は超音波信号の予め設定された周波数に対応する音圧値を捕獲するために用いられ、予め設定された周波数はアプリケーションプログラムによって自動的に設定されか又はユーザーによって設定され、音圧値は音波信号のボリューム大きさであり、ボリュームユニットはデシベル（ｄＢ）又は高速フーリエ変換パラメーター（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＦＦＴ）であり、異なる周波数によって音圧値も異なることができるので、周波数を選択することにより、呼気量が小さい被検体が呼気する場合、適当な周波数を選択して運算すると、優れる運算結果を獲得することができる。

図３は、本発明の実施例に係わる音圧値−時間の曲線図である。図３に示されたように、運算装置１２が１つの特定の周波数を選択してから、曲線Ａは同じ被検体の０〜３秒の呼気に対応する音圧値を示し、横軸は時間（ｓｅｃｏｎｄ）を示し、縦軸は音圧値（ｄＢ）を示す。上述したように、運算装置１２は音声受信装置１１が保存した全帯域音声信号の中の超音波のオーディオファイルに対して変換運算を行って呼吸機能パラメーターを生成し、呼吸機能パラメーターはピーク呼気流量（ＰＥＦ）情報、１秒間強制呼気容量（ＦＥＶ１）情報及び強制肺活量（ＦＶＣ）情報を含む。

具体的に説明すると、回帰式（ｙ＝ａｘ＋ｂ、ｙ＝ａｘ^２＋ｂｘ＋ｃ）によって、米国食品と薬品管理局（ＦＤＡ）が認証通過した肺活量計とともに本発明に係わる呼吸機能検出システム１００が音圧値を得る曲線図を検証し、ｙは現在のＦＤＡが認証通過した肺活量計の検出数値であり、ｘは本発明に係わる呼吸機能検出システム１００の検出数値であり、上記の方程式によって音圧値（図３を参照してください）を流速−時間の曲線図（図４を参照してください）に変換することができる。図４に示されたように、ピーク呼気流量情報は予め設定された時間内の最大呼気流量であり、即ち約０．２２秒の時間に対応する最大流速は約６１４．７８Ｌ/ｍｉｎである。

図５を参照すると、流速−時間の曲線図（図４を参照してください）の曲線Ｂがカバーする領域を、例えば、台形公式面積積分法によって累積して体積−時間の曲線図（図５を参照してください）に変換し、１秒間強制呼気容量は被検体が１秒呼気する時の全ての呼気量であり、図５で説明すると、１秒の時間に対応する数値である。強制肺活量情報は被検体が０〜３秒呼気する時の全ての呼気量であり、呼気機能を一回検出する時に予め設定された期間の総呼気量であり、即ち３秒の時間に対応する数値である。

ピーク呼気流量情報、１秒間強制呼気容量情報及び強制肺活量情報を全て計算してから、予め設定された標準値に基づいて、各々の被検体の呼吸機能が正常であるか否かを判断することができ、例えば、正常人のピーク呼気流量は標準値の８０％以上であり、強制肺活量と１秒間強制呼気容量の比（ＦＶＣ/ＦＥＶ１）は標準値の７０％以上である。喘息患者にとって、ピーク呼気流量情報の差異率が２０％以下であると、治療状況が優れることを示し、差異率が２０％〜３０％であると、治療の薬用量を増加することを必要とすることを示し、差異率が３０％以上であると、喘息の増悪を示し、すぐ治療して薬を改めて調整することを必要とする。差異率（％）は（毎日最高ピーク呼気流量−毎日最低ピーク呼気流量）/（毎日最高ピーク呼気流量＋毎日最低ピーク呼気流量）×１００％である。

図６は、本発明の実施例に係わる呼吸機能検出方法のフローチャートである。上述の説明を整理すると、呼吸機能検出方法を帰納することができ、図６に示されたように、この呼吸機能検出方法は上述した呼吸機能検出システムに適用され、ステップ４０１〜４０３を備える。ステップ４０１：予め設定された期間に呼気気体を持続に受け取り且つ受け取った呼気気体によって全帯域音声信号を生成し、全帯域音声信号は少なくとも超音波信号を含む。ステップ４０２：全帯域音声信号を受信して記録する。ステップ４０３：超音波信号を計算して対応する呼吸機能パラメーターを生成する。

以下の表１は、本発明に係わる呼吸機能検出システム及び米国食品と薬品管理局（ＦＤＡ）が認証通過した肺活量計（比較例）が得るピーク呼気流量（ＰＥＦ）を示し、１３位の被検体が全て本発明及び比較例の製品に向かってそれぞれに三回呼気するテストを行って、テスト結果を統計すると、本発明の製品と比較例の製品との間の誤差率は７％以下である。だから、本発明に係わる呼吸機能検出システムの精確度は米国食品と薬品管理局（ＦＤＡ）が認証通過した肺活量計と匹敵することができる。

表１、本発明と比較例のピーク呼気流量の比較

上述したように、本発明に係わる呼吸機能検出システム及び呼吸機能検出方法は、被検体の呼気操作によって超音波信号を生成する気体変換装置、超音波信号を受信して記録する音声受信装置及びデータ運算機能を有する運算装置を利用して、被検体の呼気操作によって産生された超音波信号を対応する呼吸機能パラメーターに変換することにより、被検体の呼吸機能が正常であるか否かを判断することができる。

以上実施例に基づいて本発明を具体的に説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない限り、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内に含まれる種々の変更や類似の構成は、すべて最も広い解釈によって本発明の保護範囲内に含まれる。

１０ 気体変換装置
１１ 音声受信装置
１２ 運算装置
１００ 呼吸機能検出システム
４０１，４０２，４０３ ステップ
Ａ 音圧値−時間曲線
Ｂ 流速−時間曲線

Claims (6)

1. 予め設定された期間に呼気気体を持続に受け取り且つ受け取った呼気気体によって全帯域音声信号を生成し、前記全帯域音声信号は少なくとも超音波信号を含む気体変換装置と、
   前記全帯域音声信号を受信して記録する音声受信装置と、
   前記音声受信装置に通信接続されて前記音声受信装置が記録した全帯域音声信号を受信し、その中の超音波信号に対して運算してから呼吸機能パラメーターを生成し、前記超音波信号の予め設定された周波数に対応する音圧値を捕獲するために用いられるとともに、前記予め設定された周波数に対応する前記音圧値は背景で産生される背景音を区分するために用いられる運算装置と、を備え、
   前記超音波信号がカバーする周波数は２０ＫＨｚ以上のバンドを含み、
   前記呼気機能パラメーターはピーク呼気流量情報、１秒間強制呼気容量情報及び強制肺活量情報を含み、前記運算装置は捕獲した音圧値で運算してから前記ピーク呼気流量情報、前記１秒間強制呼気容量情報及び前記強制肺活量情報を別々に生成する
   ことを特徴とする呼吸機能検出システム。
2. 前記気体変換装置はサイレントホイッスル又はゴルトンホイッスルを備えることを特徴とする請求項１に記載の呼吸機能検出システム。
3. 前記音声受信装置は微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭＳ）又はマイクを備え、前記マイクは無指向性マイク、単一指向性マイク、鋭指向性マイク、ショットガンマイク及び双指向性マイクからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の呼吸機能検出システム。
4. 気体変換装置、音声受信装置及び運算装置を備える呼吸機能検出システムに適用される呼吸機能検出方法であって、
   予め設定された期間に呼気気体を持続に受け取り且つ受け取った呼気気体によって全帯域音声信号を生成し、前記全帯域音声信号は少なくとも超音波信号を含むステップと、
   前記全帯域音声信号を受信して記録するステップと、
   前記全帯域音声信号の中の前記超音波信号を計算して対応する呼吸機能パラメーターを生成するとともに、前記超音波信号の予め設定された周波数に対応する音圧値を捕獲するステップと、を備え、
   前記超音波信号がカバーする周波数は２０ＫＨｚ以上のバンドを含み、
   前記呼気機能パラメーターはピーク呼気流量情報、１秒間強制呼気容量情報及び強制肺活量情報を含み、前記運算装置によって前記音圧値を捕獲し且つ運算してから前記ピーク呼気流量情報、前記１秒間強制呼気容量情報及び前記強制肺活量情報を別々に生成する
   ことを特徴とする呼吸機能検出方法。
5. 前記気体変換装置はサイレントホイッスル又はゴルトンホイッスルを備え、これを利用して呼気気体によって前記全帯域音声信号を生成することを特徴とする請求項４に記載の呼吸機能検出方法。
6. 前記音声受信装置は微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭＳ）又はマイクを備え、これによって前記全帯域音声信号を受信して記録することを特徴とする請求項４に記載の呼吸機能検出方法。
   

Images