JP6378105B2 - 呼吸器疾患の判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、呼吸器疾患の判定装置に関する。

呼吸器に障害のある疾患（以下、呼吸器疾患という。）として、気管支喘息や睡眠時無呼吸症候群（以下、睡眠時無呼吸症という。）、微小粒子状物質（ＰＭ２．５）等を原因とする呼吸器疾患などがある。例えば、気管支喘息の場合、環境刺激因子、寒気、運動、ストレスなどの種々の刺激により、気道の狭窄が始まり、狭窄が進むと激しい咳や痰などの発作性の症状を呈し、呼吸困難などを招くこともある。
このような発作性の症状は、症状が発現する前の段階で予め投薬することにより抑えることができる。

しかし、発現は不確定であるため、投薬による副作用を懸念して、症状が発現する前の投薬は避けられる傾向がある。このため、多くの場合、投薬は、症状が発現してから行われる。
上述した症状は、特に夜間に発現することが多い。したがって、症状が発現した場合には、その対処（投薬等）のために、被検者本人や家族等周囲の者に大きな労力（負担）を強いることになる。

これを解決するために、ピークフローメータを用いて、発作性の症状の発現を予測することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
また、睡眠時無呼吸症に対しては、ベッドの周囲音からいびきの発生を検出し、いびきが定常であるか又は非定常であるかの別に応じて、睡眠時無呼吸症を判定する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−２０４３８６号公報 特許４４０７３６５号公報

しかし、特許文献１に記載されたピークフローメータは、被検者自身が定期的に特定の姿勢下で大きく息を吐かなければならず、被検者の負担が大きい。特に、症状が発現するか否かを予測するための継続使用や判断が現実には難しいという問題がある。
一方、特許文献２の技術は、睡眠時無呼吸症の実際の症状の発現を示す一例であるいびきを検出するものであるため、既に発現した状態を検出するにすぎない。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、被検者に負担を与えることなく、呼吸器疾患の症状が発現する前の予兆の有無を判定することができる呼吸器疾患の判定装置を提供することを目的とする。

本発明は、被検者の呼吸動作に伴って発せられる超音波を検出する超音波検出器と、前記超音波検出器で検出された超音波に基づいて、前記被検者の呼吸器疾患の症状の発現の予兆の有無を判定する判定部と、を備えた呼吸器疾患の判定装置である。

本発明に係る呼吸器疾患の判定装置よれば、被検者に負担を与えることなく、呼吸器疾患の症状が発現する前の予兆の有無を判定することができる。

本発明の一実施形態である呼吸器疾患の判定装置を示す外観図である。 図１に示した判定装置の構成を示すブロック図である。 被検者が、気管支喘息の症状が発現する前の予兆として発せられる超音波の状態を示すグラフである。 超音波のバースト幅の占める割合による判定を説明する模式図である。 判定装置の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る呼吸器疾患の判定装置の実施形態について、図面を用いて説明する。

＜呼吸器疾患の判定装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態である呼吸器疾患の判定装置１を示す外観図、図２は、図１に示した判定装置１の構成を示すブロック図である。

図示の判定装置１は、例えば気管支喘息という呼吸器疾患を有する被検者が、発作性の症状を発現する前の予兆の有無を判定するものである。この判定装置１は、被検者の傍らに設置される。判定装置１は、判定装置本体３と、支持具２とを備えている。

支持具２は、判定装置本体３を立てた状態で被検者の傍に配置しておくためのものであり、例えばカメラを支持するのに用いられる三脚などを適用することができる。なお、支持具２を用いずに、判定装置本体３のケース４によって判定装置本体３自体を支持するものであってもよい。

判定装置本体３は、ケース４の他に図２に示すように、電源スイッチ（電源ＳＷ）５、超音波センサ６（超音波検出器）及び判定部１８を備えている。
電源ＳＷ５は、ケース４に設けられている。電源ＳＷ５は、判定装置本体３の作動のための電源の投入、切断を切り替える。判定装置本体３に電力を供給する電源は、本実施形態では家庭用の商用電源であるが、例えば乾電池や充電池などを電源として、判定装置本体３に内蔵させてもよい。

超音波センサ６は、例えば周波数２０［ｋＨｚ］以上の超音波を検出することができるものであればよい。なお、周波数４０［ｋＨｚ］程度を上限とするものであってもよい。超音波センサ６は、被検者の呼吸動作に伴って発せられる超音波を検出する。

判定部１８は、超音波センサ６で検出された超音波に基づいて、被検者の呼吸器疾患の症状の発現前の予兆の有無を判定する。
判定部１８は、増幅回路７、可聴帯域変換器８（周波数変換部の一例）、変換閾値設定部９、測定スイッチ（測定ＳＷ）１０、Ａ／Ｄ変換器１１、信号処理部１２、演算部１３、基準値記憶部１４、表示ランプ１５、レベル変換部１６及びイヤホン出力部１７（可聴音出力部の一例）を備えている。

増幅回路７は、超音波センサ６で検出された超音波の信号レベルを増幅する。測定ＳＷ１０は、ケース４に設けられている。測定ＳＷ１０は、判定部１８による判定処理の開始の指示を受け付ける。
可聴帯域変換器８は、超音波センサ６で検出され増幅回路７で増幅された超音波を、人間の可聴帯域の音声信号に周波数変換する。この可聴帯域変換器８による周波数変換は、例えば分周処理（例えば、１／１６の分周処理）による。

また、可聴帯域変換器８は、ノイズ信号を遮断する。ノイズ信号としては、例えば照明器具や冷蔵庫等の家電製品が発する超音波などである。変換閾値設定部９は、この可聴帯域変換器８で遮断する周波数の閾値の大きさを調整するものである。変換閾値設定部９は、例えば周波数４０［ｋＨｚ］が初期的に設定されている。
可聴帯域変換器８及び変換閾値設定部９は、予め設定された周波数以上のノイズ信号を遮断するノイズ遮断部として動作する。

これにより可聴帯域変換器８は、周波数変換の分周処理の際に、変換閾値設定部９で設定された周波数４０［ｋＨｚ］以上の超音波を分周処理の対象外とする。したがって、可聴帯域変換器８は、超音波センサ６で検出された２０［ｋＨｚ］以上の超音波のうち、４０［ｋＨｚ］以下の超音波だけを、可聴帯域の音声信号に変換する。

Ａ／Ｄ変換器１１は、可聴帯域変換器８で周波数変換して得られたアナログの音声信号を、デジタル信号に変換する。
信号処理部１２は、検出された超音波の状態に基づいて、呼吸器疾患の症状の発現前の予兆の有無を判定する。この実施形態では、超音波信号を音声信号に周波数変換しているため、信号処理自体は、周波数変換された音声信号の可聴周波数帯域で行われる。

図３は、被検者が、気管支喘息の症状を発現する前の予兆として発する超音波の状態を示すグラフである。図３において、横軸は時間、縦軸は超音波のレベル、「吸」は呼吸動作における息を吸い込むタイミングを示し、「吐」は呼吸動作における息を吐き出すタイミングを示している。
本願発明者の研究によれば、症状の発現前の予兆では、呼吸器の気道が狭くなることで、被検者は図３に示すように超音波を発することが分かった。

被検者が予兆で発する超音波は、図３に示すように、被検者の呼吸に同期している。これは狭くなった気道を呼吸の空気が通過することで、超音波が発せられるためである。
また、被検者が予兆で発する超音波は、周波数２０〜４０［ｋＨｚ］の複数の周波数の超音波（パルス波）が時間的にずれて発生することで、図３に示すようにバースト状になっている。

予兆が無いときの被検者や、呼吸器疾患を有しない被検者は、超音波をほとんど発しないが、仮に、呼吸に同期した超音波を発した場合であっても、その超音波は、図３に示すようなバースト状にはならない。つまり、本願発明者の研究によれば、超音波の状態に基づいて、予兆の有無を判定することが可能となることが分かった。

本実施形態では具体的には、信号処理部１２が、予め設定された時間における超音波のバースト幅の占める割合と超音波の周波数の高低とに基づいて、呼吸器疾患の症状の予兆の有無を判定する。ここで、バースト幅は、図３に示した超音波がバースト状にひと塊となっている期間に対応した時間である。

この実施形態では、超音波信号を音声信号に変換しているため、信号処理部１２の信号処理自体は、予め設定された時間における音声信号におけるバースト幅の占める割合と音声信号の周波数の高低とを求める。
ただし、後の演算部１３による判定では、信号処理部１２による可聴周波数帯域での信号処理結果を超音波の周波数帯域に換算して判定を行う。

図４は、超音波のバースト幅の占める割合による判定を説明する模式図である。信号処理部１２は、図４に示すように、例えば時間６０［ｓｅｃ］における超音波のバースト幅の占める合計時間（例として、３．５＋１．３＋４．１＋２．２＋１．０＋…＋２．３＋１．１＋３．５）［ｓｅｃ］を算出する。そして、６０［ｓｅｃ］に対するバースト幅の占める合計時間［ｓｅｃ］の割合［％］を算出する（バースト幅解析）。

基準値記憶部１４には、信号処理部１２で算出された割合［％］と比較される割合の基準値が記憶されている。この基準値は、例えば１０［％］である。なお、この基準値は例示であり、この数値に限定されるものではない。

そして、演算部１３は、信号処理部１２で算出された割合［％］と基準値記憶部１４に記憶された割合の基準値とを比較する。
演算部１３は、比較の結果、信号処理部１２で算出された割合［％］が基準値記憶部１４に記憶された割合の基準値より大きいときは、予兆ありと判定する。一方、演算部１３は、比較の結果、信号処理部１２で算出された割合［％］が基準値記憶部１４に記憶された割合の基準値より小さいか等しいときは、予兆なしと判定する。

また、信号処理部１２は、上述したバースト幅解析に加えて周波数解析も行う。この周波数解析は、各バースト幅の期間に含まれる超音波の周波数の平均値を算出し、上述した時間６０［ｓｅｃ］に含まれたバースト幅の期間の周波数の平均値のうち、最大値を抽出する処理である。

例えば、図４に示すように、３．５［ｓｅｃ］のバースト幅の期間に含まれる超音波の周波数の平均値が２３．５［ｋＨｚ］、１．３［ｓｅｃ］のバースト幅の期間に含まれる超音波の周波数の平均値が２４．８［ｋＨｚ］、４．１［ｓｅｃ］のバースト幅の期間に含まれる超音波の周波数の平均値が２２．６［ｋＨｚ］、２．２［ｓｅｃ］のバースト幅の期間に含まれる超音波の周波数の平均値が２６．３［ｋＨｚ］、１．０［ｓｅｃ］のバースト幅の期間に含まれる超音波の周波数の平均値が２１．５［ｋＨｚ］、…、２．３［ｓｅｃ］のバースト幅の期間に含まれる超音波の周波数の平均値が２８．８［ｋＨｚ］、１．１［ｓｅｃ］のバースト幅の期間に含まれる超音波の周波数の平均値が３４．９［ｋＨｚ］、３．５［ｓｅｃ］のバースト幅の期間に含まれる超音波の周波数の平均値が３３．４［ｋＨｚ］のとき、信号処理部１２は、最大値である平均周波数３４．９［ｋＨｚ］を抽出する。

基準値記憶部１４には、信号処理部１２で抽出された最大値である平均周波数［ｋＨｚ］と比較される周波数の基準値も記憶されている。この基準値は、例えば３０［ｋＨｚ］である。なお、この基準値は例示であり、この数値に限定されるものではない。

そして、演算部１３は、信号処理部１２で抽出された最大値である平均周波数［ｋＨｚ］と基準値記憶部１４に記憶された周波数の基準値とを比較する。

演算部１３は、比較の結果、信号処理部１２で抽出された最大値である平均周波数［ｋＨｚ］が基準値記憶部１４に記憶された周波数の基準値より大きいときは、予兆ありと判定する。一方、演算部１３は、比較の結果、信号処理部１２で抽出された最大値である平均周波数［ｋＨｚ］が基準値記憶部１４に記憶された周波数の基準値より小さいか等しいときは、予兆なしと判定する。

なお、演算部１３は、バースト幅解析による判定の結果と周波数解析による判定結果とが異なる場合（一方が予兆ありの判定結果、他方が予兆なしの判定結果のとき）は、表示ランプ１５に、予兆ありの判定結果を出力する。なお、演算部１３は、バースト幅解析による判定の結果と周波数解析による判定結果とが同じ場合は、それらの判定結果を、表示ランプ１５に出力する。

表示ランプ１５は、ケース４に設けられている。表示ランプ１５が点灯しているか消灯しているかの別は、外部から視認可能である。表示ランプ１５は、予兆ありの判定結果が入力されたときは点灯し、予兆なしの判定結果が入力されたときは点灯せずに消灯したままとなる。

レベル変換部１６は、可聴帯域変換器８から出力された音声信号が入力され、外部への出力の大きさを調整するものである。外部としては、例えば、耳に装着することで可聴音を聴くことができるイヤホン又はヘッドホンが接続されるイヤホン出力部１７が適用されている。
したがって、レベル変換部１６は、音声信号をイヤホンを通じてアナログの可聴音として出力するときの音量を調整するものとなっている。
なお、レベル変換部１６が音声信号を出力する外部としては、上述したイヤホン出力部１７の他に、スピーカを適用することもできる。

＜呼吸器疾患の判定装置の作用＞
次に、このように構成された呼吸器疾患の判定装置１の作用、効果について説明する。
図５は、判定装置１の動作を示すフローチャートである。
判定装置１は、被検者の傍に配置されて、被検者本人や家族等周囲の者などの使用者により、電源ＳＷ５が投入に切り替えられる（Ｓ１）。これにより、判定装置１に電力が供給され、超音波センサ６が超音波の検出を開始し、検出された超音波は増幅回路７が増幅する。
使用者により、変換閾値設定部９が操作されて、遮断するノイズ信号の周波数の大きさが調整される（Ｓ２）。

測定ＳＷ１０に、使用者による測定開始の指示が入力されると（Ｓ３）、可聴帯域変換器８は、増幅回路７で増幅された超音波信号を、分周により可聴帯域の音声信号に変換する。このとき、変換閾値設定部９で設定された周波数以上の超音波は変換されずに、除去される。
これにより、例えば照明器具や冷蔵庫等の家電製品が発するノイズ信号である超音波が除去される。呼吸器疾患の予兆で検出される超音波の周波数は、大部分が４０［ｋＨｚ］を下回る。したがって、変換閾値設定部９は、周波数が４０［ｋＨｚ］に調整されれば十分である。

可聴帯域変換器８により超音波を変換して得られた音声信号は、Ａ／Ｄ変換器１１に入力されるとともに、レベル変換部１６にも入力される。
Ａ／Ｄ変換器１１は、入力された音声信号をデジタル信号に変換した上で、信号処理部１２に出力する。
信号処理部１２は、Ａ／Ｄ変換器１１から入力されたデジタルの音声信号を時間６０［ｓｅｃ］分、信号処理部１２に備えられたメモリに記憶する（Ｓ４）。信号処理部１２は、メモリに記憶された音声信号に対してバースト幅解析と周波数解析とを行う（Ｓ５，Ｓ６）。

演算部１３は、信号処理部１２によるバースト幅解析と周波数解析との結果に対して、基準値記憶部１４に記憶された各基準値と比較し、呼吸器疾患の症状の予兆があるか又は予兆がないかを判定する（Ｓ７）。
演算部１３の判定が予兆ありとの判定のときは、表示ランプ１５が点灯し（Ｓ８）、使用者に予兆があることを報知する。演算部１３による判定が予兆ないとの判定のときは、ステップ４（Ｓ４）に戻って、信号処理部１２が、Ａ／Ｄ変換器１１から入力されたデジタルの音声信号を時間６０［ｓｅｃ］分、信号処理部１２に備えられたメモリに記憶する。以下、ステップ４（Ｓ４）からステップ７（Ｓ７）の処理を繰り返す。

一方、レベル変換部１６は、可聴帯域変換器８から入力された音声信号の音量の調整を行って、イヤホン出力部１７に出力する。イヤホン出力部１７は、音量の調整された音声信号を、イヤホン出力部１７に接続されたイヤホンを通じて、使用者に、可聴音として出力する。

ステップ８（Ｓ８）により表示ランプ１５が表示されているとき、又はステップ４（Ｓ４）からステップ７（Ｓ７）の処理が繰り返されているときに、測定ＳＷ１０が、測定開始の状態から測定終了の状態に切り替えられると、判定部１８の処理は終了する（Ｓ９）。その後、電源ＳＷ５が電源の遮断に切り替えられて、電力の供給が停止される（Ｓ１０）。

このように構成された本実施形態の呼吸器疾患の判定装置１によれば、使用時に、被検者に特定の姿勢や動作を強いるものではないため、被検者に負担を与えることがない。
また、本実施形態の呼吸器疾患の判定装置１によれば、被検者の呼吸器の気道が狭くなることによって発生する超音波に基づいて、被検者の呼吸器疾患の症状の発現前の予兆の有無を自動的に判定することができる。これにより、予兆がある場合にだけ、症状が実際に発現する前に、症状の発現に備えた対処（例えば、投薬。）をすることができる。
また、本実施形態の呼吸器疾患の判定装置１によれば、予兆の有無を自動的に判定するため、被検者本人や家族等周囲の者など使用者に負担を与えることがない。

また、本実施形態の呼吸器疾患の判定装置１によれば、超音波の状態、特に一定時間における超音波のバースト幅の占める割合に応じて、予兆の有無を判定することで、予兆の有無を正確に判定することができる。
また、実施形態の呼吸器疾患の判定装置１によれば、超音波の状態、特に発生するバースト状の期間における超音波の平均周波数の最大値に応じて、予兆の有無を判定することで、痰などの粘性の液体が気道に溜まって気道が狭くなることによる予兆も正確に判定することができる。

そして、粘性の液体が気道を狭くする場合は、予め設定された時間に対するバースト幅が一定以上でない場合にも起こり得る。したがって、判定部１８が、上述したバースト幅の大小と平均周波数の最大値とのうち少なくとも一方により、予兆の有無を判定することで、そのような場合にも、予兆の有無を的確に判定することができる。
なお、判定部１８による、予兆の有無の判定方法としては、上述したものに限定されず、超音波の状態に基づいて判定するものであれば他の方法によって判定するものであってもよい。

具体的には、例えば、一定時間以上のバースト幅を有する超音波が予め設定された期間内に発生する個数に応じて、予兆の有無を判定するようにしてもよい。また、例えば、バースト状の期間における超音波の平均周波数が、予め設定された閾値を超えた場合における、その閾値を超えたバースト状の期間の、予め設定された期間内での頻度に応じて、予兆の有無を判定するようにしてもよい。

また、本実施形態の呼吸器疾患の判定装置１によれば、ノイズ遮断部である可聴帯域変換器８及び変換閾値設定部９が、被検者の周囲の環境で生じている超音波を遮断することにより、判定部１８による判定の精度を向上させることができる。

本実施形態の呼吸器疾患の判定装置１は、可聴帯域変換器８を備えているが、本発明に係る呼吸器疾患の判定装置は、周波数変換部（可聴帯域変換器８）を備えなくてもよい。
ただし、可聴帯域変換器８によって超音波を音声信号の周波数帯域に変換することにより、Ａ／Ｄ変換器１１や信号処理部１２での信号処理の負荷を低減することができる。これにより、判定部１８を安価に構成することができ、呼吸器疾患の判定装置１を、一般の家庭用の民生機器としても適応させることができる。
また、可聴帯域変換器８により、超音波を音声信号の周波数帯域に変換することにより、超音波が発生したときに、被検者等の使用者に、超音波の発生を聴覚または視覚で認識させることもできる。

本実施形態の呼吸器疾患の判定装置１は、イヤホン出力部１７が、超音波を変換して得られた音声信号を出力するため、発生した超音波を使用者に聴覚で認識させることができる。これにより、使用者は、予兆の有無の認識により、判定部１８による判定結果に使用者の判断を加味して、呼吸器疾患の症状の発現前に症状の発生に備えた対処（例えば、投薬。）をすることもできる。

なお、イヤホン出力部１７に代えて、又はイヤホン出力部１７とともに、音声信号をこの音声信号に対応した可視光として出力する可視光出力部を設けてもよい。可視光出力部としては、ディスプレイや表示ランプなどを適用することができる。
このように、音声信号を可視光として出力することにより、聴覚障害者等には可視光出力部に出力された可視光を視覚的に認識させることができ、視覚により超音波の発生を報せることができる。

本実施形態の呼吸器疾患の判定装置１は、超音波センサ６と判定装置本体３とがケース４に収められた一体構造のものであるが、超音波センサ６と判定装置本体３とを別体にした構成を採用することもできる。この場合、超音波センサ６で検出された超音波を判定装置本体３に送信する送信部を超音波センサ６に設け、超音波センサ６から送信された超音波を受信する受信部を判定装置本体３に設けた構成とすればよい。送信部と受信部との間の通信は、有線であっても無線であってもよい。

このように超音波センサ６と判定装置本体３とを別体にした構成では、超音波センサ６だけを被検者の傍に配置し、判定装置本体３を被検者から離れた場所（被検者の居る部屋とは別の部屋など）に設置することもでき、多様な使用方法に適応させることができる。
超音波センサ６と判定装置本体３とを別体にした構成では、受信部と判定装置本体３とを、呼吸器疾患の判定装置として把握することもできる。
また、複数の被検者に対してそれぞれ１つの超音波センサ６を配置し、超音波センサ６ごとに別異のＩＤ番号を割り付けて、ＩＤ番号の異なる複数の超音波センサ６でそれぞれ検出された被検者ごとの超音波に基づいて、１つの判定装置本体３により、各被検者の呼吸器疾患の予兆の有無を判定するようにしてもよい。

本実施形態の呼吸器疾患の判定装置１は、気管支喘息を呼吸器疾患として説明したが、睡眠時無呼吸症の症状の発現の予兆の有無の判定や、微小粒子状物質（ＰＭ２．５）等を原因とする呼吸器疾患の症状の発現の予兆の有無の判定にも用いることができる。

１ 呼吸器疾患の判定装置
３ 判定装置本体
５ 電源ＳＷ
６ 超音波センサ
７ 増幅回路
８ 可聴帯域変換器
９ 変換閾値設定部
１０ 測定ＳＷ
１１ Ａ／Ｄ変換器
１２ 信号処理部
１３ 演算部
１４ 基準値記憶部
１５ 表示ランプ
１６ レベル変換部
１７ イヤホン出力部
１８ 判定部

Claims (5)

1. 被検者の呼吸動作に伴って発せられる超音波を検出する超音波検出器と、
   前記超音波検出器で検出された超音波に基づいて、前記被検者の呼吸器疾患の症状の発現の予兆の有無を判定する判定部と、を備えた呼吸器疾患の判定装置。
2. 前記判定部が、予め設定された時間における前記超音波のバースト幅の占める割合及び前記超音波の周波数の高低のうち少なくとも一方に基づいて、前記予兆の有無を判定する請求項１に記載の呼吸器疾患の判定装置。
3. 前記超音波検出器により検出された超音波のうち予め設定された周波数以上のノイズ信号を遮断するノイズ遮断部を備えた請求項１又は２に記載の呼吸器疾患の判定装置。
4. 前記超音波検出器で検出された超音波を、人間の可聴帯域の音声信号に変換する周波数変換部を備え、
   前記判定部は、前記可聴帯域での信号処理により、前記被検者の呼吸器疾患の発現の予兆の有無を判定する請求項１から３のうちいずれか１項に記載の呼吸器疾患の判定装置。
5. 前記周波数変換部により変換して得られた音声信号を、可聴音として出力する可聴音出力部又は前記可聴音に対応した可視光として出力する可視光出力部を備えた請求項４に記載の呼吸器疾患の判定装置。