JP6460560B2 - 音・振動情報収集機構及び音・振動情報センシングシステム - Google Patents
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Description
また、例えば、自動車のディーゼルエンジンでは、所定周波数以下、例えば、数百Hz以下、特に200Hz以下、さらには、100Hz以下の周波数帯の音・振動情報が生じる。従って、このような低周波領域の音・振動情報を正確に検出できれば、エンジンの不具合の判断に役立つ。この点は、ディーゼルエンジンに限らず、その他の機械、装置においても同様である。
前記検出対象が生体であり、前記音・振動情報が生体信号であることが好ましい。
前記生体信号が、心臓・血管系の音・振動情報であり、前記固有振動子の固有振動数が、前記心臓・血管系の音・振動情報に含まれる心音I音又は心音II音の周波数を含む周波数帯域内であることが好ましい。
前記生体の体幹背部側に配置され、前記心臓・血管系の音・振動情報に含まれる心音I音又は心音II音を、10〜40Hzの周波数帯域に減衰された音・振動情報として検出する構成であることが好ましい。
前記固有振動子の固有振動数が、20〜30Hzであることが好ましい。
さらに、前記第二層を挟んで前記第一層の反対側に配置され、外部から入力される音・振動を減衰させる第三層が一体に設けられてなることが好ましい。
前記第三層は、前記固有振動子の固有振動数に対応しない周波数の音・振動を減衰させる特性を有することが好ましい。
前記第二層の共鳴用の筐体が、ビーズ発泡体を用いて形成されたものであることが好ましい。
前記第二層の固有振動子及び前記第一層が、立体布帛からなることが好ましい。
前記第三層が、立体布帛からなることが好ましい。
前記立体布帛が、三次元立体編物であることが好ましい。
前記第一層のばね定数、及び前記第二層の固有振動子のばね定数が、人体の筋肉のばね定数に近似していることが好ましい。
前記第一層のばね定数、及び前記第二層の固有振動子のばね定数が、人体の筋肉のばね定数に近似しており、前記第三層のばね定数が、前記第一層及び前記第二層の固有振動子のばね定数よりも高いことが好ましい。
前記第二層は、その機械的フィルタとしての遮断周波数が収集対象の前記生体信号の周波数の2倍以上に設定されていることが好ましい。
人の体幹を支持する人体支持手段に付設されて用いられることが好ましい。
前記フィルタリング手段は、所定の通過帯域幅のバンドパスフィルタであり、前記音・振動情報収集機構による検出対象が生体であって、収集対象の音・振動情報が心臓・血管系の音・振動情報である場合、その中心周波数が20〜30Hzの範囲内に設定されていることが好ましい。
前記演算手段は、前記フィルタリング手段によってフィルタリングされた前記共鳴搬送波の信号波形を用いて、検出対象の状態を解析する状態解析手段を備えることが好ましい。
前記音・振動情報収集機構による検出対象が生体であって、収集対象の音・振動情報が心臓・血管系の音・振動情報である場合、前記状態解析手段は、前記フィルタリング手段によってフィルタリングされた前記共鳴搬送波の信号波形を検波によって整流し、自律神経機能を反映する5Hz以下の低周波の生体信号を求める手段を含むことが好ましい。
前記状態解析手段は、前記5Hz以下の低周波の生体信号を求めた後、その生体信号の時系列波形を、0.1〜1Hzの通過帯域幅のバンドパスフィルタでフィルタリングする手段をさらに有することが好ましい。
前記音・振動情報収集機構の共鳴層において生成される共鳴搬送波、又は、前記フィルタリング手段によりフィルタリングされた前記共鳴搬送波を、可聴音として再生する可聴音再生部をさらに有する構成とすることが好ましい。この場合、前記共鳴搬送波に対し、所定の振幅の閾値を設定し、閾値以上の波形成分をカットする整形処理を行い、整形処理した波形にハイパスフィルタを施し、このハイパスフィルタにより処理した波形を用いて、前記可聴音再生部により再生することが好ましい。
前記コンピュータに、前記フィルタリング手順の実行によってフィルタリングされた前記共鳴搬送波の信号波形を用いて、さらに検出対象の状態を解析する状態解析手順を実行させることが好ましい。
前記音・振動情報収集機構による検出対象が生体であって、収集対象の音・振動情報が心臓・血管系の音・振動情報である場合、前記状態解析手順は、前記フィルタリング手順によってフィルタリングされた前記共鳴搬送波の信号波形を検波によって整流し、自律神経機能を反映する5Hz以下の低周波の生体信号を求める手順を前記コンピュータに実行させることが好ましい。
前記状態解析手順は、前記5Hz以下の低周波の生体信号を求めた後、その生体信号の時系列波形を、0.1〜1Hzの通過帯域幅のバンドパスフィルタでフィルタリングする手順をさらに前記コンピュータに実行させることが好ましい。
(a) 製品番号:49013D(住江織物(株)製)、厚さ10mm
材質:
表側のグランド編地・・・450デシテックス/108fのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸の2本の撚り糸
裏側のグランド編地・・・450デシテックス/108fのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸の2本の撚り糸
連結糸・・・・・・・・・350デシテックス/1fのポリトリメチレンテレフタレートモノフィラメント
(b)製品番号:AKE70042(旭化成(株)製)、厚さ7mm
(c)製品番号:T28019C8G(旭化成(株)製)、厚さ7mm
(n=1,2,3・・・、lは弦構造体の弦の長さ(10mm)、Tは弦構造体の張力(0.9〜1.6kg)、ρ=弦の線密度(0.2×10−6kg/m))
(γ:比熱比(1.4)、PO:圧力(0.101325MPa)、S:断面積(0.35×102 )、m:空気の密度(1.293kg/m3 )×V0、V0:容積(5.95×10−6m3))
本実施形態の音・振動情報センシングシステム1を用い、ストレスの少ない環境下で、心音、心電図、指尖容積脈波、共鳴搬送波(RC)、APWを計測して比較した。なお、音・振動情報センシングシステム1は、図16(a)に示したようなアンプ及びスピーカーを備えた可聴音再生部(例えば、BOSE Corporation製、Companion 5 multimedia speaker syastem)を備えた構成とすることができる。それにより、共鳴搬送波(RC)をアンプに入力して増幅させ、スピーカーから出力させることで、可聴音として計測できる。アンプに入力される共鳴搬送波(RC)は、マイクロフォンセンサ14の出力信号であるRCを用いてもよいが、フィルタリング手段210によりフィルタリングされて得られたRC1、RC2を用いると、より可聴しやすい音となる。
但し、共鳴搬送波をそのままアンプ、スピーカーからなる可聴音再生部で再生した場合には、人の胸部側から可聴した25〜50Hzを主体とする心音と比較すると、RC0,RC1,RC2のいずれを用いても、体幹の筋肉、体液などにより減衰された20Hz主体の音となるため、音がぼやけた感じとなり、通常可聴する心音とは別の音と把握される可能性がある。低音域を再生できるより高性能なアンプ、スピーカーを用いれば可聴しやすくなるが、再生した音がぼやけた感じになることにあまり変わりはない。
そこで、図16(b)に示したように、共鳴搬送波(RC0,RC1又はRC2)に波形の整形処理とハイパスフィルタをかける処理を施す。波形の整形処理は、好ましくは共鳴搬送波を増幅回路にて増幅させて増幅波形を求め、この増幅波形に対して施す。具体的には、増幅波形の振幅の正負両側に閾値を適宜に設定し、振幅のピークを中心とした閾値以上の波形を切り取る。共鳴搬送波は20Hz主体の連続入力の波形であるため、ピーク付近をカットすると、カットされた波形成分間で高周波の波形成分が生成される。20Hzを主体とする共鳴搬送波の場合、その約2倍の約40Hz以上の高周波成分がのることになり、20Hz主体の波形と40Hz以上の波形の合成波となる。この合成波にハイパスフィルタをかける。ハイパスフィルタは、遮断周波数を例えば40Hzに設定し、40Hz未満の低周波数成分をカットし、40Hz以上の高周波成分を主体とする波形(心音再生波形)とする。図16(b)から明らかなように、この心音再生波形(図16(b)の最下図の破線)は、心音(図16(b)の実線)の周期が一致している。そしてこの心音再生波形を、図16(a)に示したようなアンプとスピーカーから構成される可聴音再生部で再生すると、擬似心音が可聴できる。擬似心音は、40Hz以上の周波数成分が主体であるため、胸部側から聞いた心音に近いクリアな音として把握できる。また、40Hz以上の周波数成分が主体であるため、20Hz主体の波形を音として再生する場合と比較して、アンプ、スピーカーとして高性能なものを用いる必要がない。
(1)静的・動的環境下における座位姿勢での実験(活性状態)
音・振動情報収集機構10を(株)デルタツーリング製の6軸加振機上にセットされた自動車用シートのシートバック部に取り付けて被験者を着座させ、被験者の体幹背部から生体信号である音・振動情報の計測を行った。音・振動情報収集機構10がノイズに強いことを検証するために、静的環境下及び動的環境下で測定する。動的環境下では、山陽自動車道を普通車で80〜100km/hで走行したときのシート取り付け部のフロアに発生する上下方向加速度波形を加振機の励振波形とした。図17(a),(b)に、励振波形時系列信号と周波数解析結果を示す。体幹背部からの音・振動情報は、音・振動情報収集機構10に内蔵されたマイクロフォンセンサ14の出力を用いて、図15のブロック図で示した信号処理を行って捉える。被験者は健常な20歳代から40歳代の健常な男性である。
生体状態を判定する簡易スクリーニング用の装置としての有用性を検証するため、被験者をベッドに仰臥状態で寝かせ、本実施形態の音・振動情報収集機構10を背部に当接するように用いて、静かな環境下で、体幹背部から生体信号を検出した。また、生体信号の検出結果を、上記座位姿勢の場合と同様に、心音、心電図、指尖容積脈波と比較した。各生体信号は、サンプリング周波数200Hzにて5分間データロガーに記録した。S/N比は、音・振動情報収集機構10に内蔵されたマイクロフォンセンサ14の部位にかかる圧力値に相当する錘を載せた状態と、被験者を仰臥させた状態との比較で求めた。被験者は20歳代から30歳代の健常な男性被験者15名である。なお、被験者15名の身長、体重、BMIは次のとおりであった。
被験者B・・・身長:1.72m、体重:59kg、BMI:19.9
被験者C・・・身長:1.74m、体重:70kg、BMI:23.1
被験者D・・・身長:1.74m、体重:65kg、BMI:21.5
被験者E・・・身長:1.75m、体重:78kg、BMI:25.5
被験者F・・・身長:1.74m、体重:60kg、BMI:19.8
被験者G・・・身長:1.67m、体重:64kg、BMI:22.9
被験者H・・・身長:1.73m、体重:70kg、BMI:23.4
被験者I・・・身長:1.70m、体重:63kg、BMI:21.8
被験者J・・・身長:1.71m、体重:57kg、BMI:19.5
被験者K・・・身長:1.70m、体重:55kg、BMI:19.0
被験者L・・・身長:1.69m、体重:60kg、BMI:21.0
被験者M・・・身長:1.67m、体重:58kg、BMI:20.8
被験者N・・・身長:1.79m、体重:69kg、BMI:21.5
被験者O・・・身長:1.65m、体重:75kg、BMI:27.5
(1)静的・動的環境下における座位姿勢での実験(活性状態)
図18及び図19は、図15に示したブロック図の各段階で出力される時系列信号を示す。このうち、図18は、静的環境下における時系列信号を示し、図19は、動的環境下における時系列信号を示す。図20〜図22は、時系列信号を周波数解析した結果を示す。
外乱の入りにくい安静臥位状態での計測結果の代表例を図25に示す。音・振動情報収集機構10の出力波形を演算手段20のフィルタリング手段210によって10〜30HzのバンドパスフィルタをかけたRC1の時系列波形(図25(b))は、心音センサで採取した心音のI音、II音の波形(図25(a))と同期していることがわかった。フィルタリング手段210によって処理されたRC1を、さらに演算手段20の状態解析手段220によって全波整流、検波によって演算処理し、APWの波形を求めたのが図25(c)である。得られたAPWの波形は1Hz近傍の波形であり、心臓、血管の動きである心弾動(BCG)に近似するものである。なお、図25(a)の矢印Aは期外収縮と考えられる波形であるが、その波形の出現時点は、図25(b)の符号B、図25(c)の符号Cで示したように、RC1の波形及びAPWの波形の双方で変化が生じていた。なお、このRC1の出力信号は、図16に示したアンプ及びスピーカーを介して72.8dBの音として出力することができた。
上記「静的・動的環境下における座位姿勢での実験(活性状態)」に関し、動的環境における加振機の励振条件を上記と異ならせた実験を行って比較した。すなわち、米国ミシガン州のフリーウェイ走行を模擬した、衝撃性振動の発生する振動加速度レベルの高い励振波形を加振機で再現した。図30は、静的環境下、2つの動的環境下の実験結果を比較して示した図であり、図30(a)〜(d)において、いずれも、左側のグラフが、静的環境下(Static)での実験結果を、中央のグラフが、山陽自動車道を普通車で80〜100km/hで走行したときのシート取り付け部のフロアに発生する上下方向加速度波形で励振したとき(State 1)の実験結果を、右側のグラフが、米国ミシガン州のフリーウェイ走行を模擬した波形で励振したとき(State 2)の実験結果を示す。
(共鳴搬送波を用いたAPWの臥位状態での検出、及び心音との相関に関する解析)
20歳代から30歳代の健常な男性被験者13名について、臥位状態で15分間の計測を行った。音・振動情報収集機構10は背部に当接し、比較指標として、被験者の胸部より心音の計測を行った。心音センサ・心音脈波アンプは日本光電工業(株)製TA-701T、AS-101Dである。
(I(i,j)=APWのピーク間時間、T(i,J)=心音I音のピーク間時間)
(共鳴搬送波を用いたヒヤリハットに関する解析事例)
まず、20歳代から30歳代の男性被験者17名について、安静仰臥位にて解析事例1と同様に、フィルタリング手段210を構成する10〜30Hzのバンドパスフィルタでフィルタリングされた共鳴搬送波RC1のデータからAPWの波形を求め、これを、心電図(日本光電工業(株)製BSM-2301 )から算出したR−R間隔(以下、「RRI」)との相関を確認した。
ゼロクロス傾き時系列波形が「減衰」傾向:18例
ゼロクロス傾き時系列波形が「増大又は変化無し」:1例
(2)ピーク傾き時系列波形について「減衰」の傾向を示す場合
ゼロクロス傾き時系列波形が「減衰」傾向:3例
ゼロクロス傾き時系列波形が「増大又は変化無し」:0
(共鳴搬送波を用いた覚醒状態と睡眠状態との判別法に関する解析事例)
覚醒状態と睡眠状態の生体信号を計測するために、安静仰臥位で1時間の睡眠実験を行った。被験者の背部に音・振動情報収集機構10を設置し、共鳴搬送波RC1からAPWの波形を求めた。同時に脳波と主観評価を計測した。被験者には測定開始から30分間は眠らないように指示をし、30分経過後は寝てもよいと指示をした。主観評価は測定開始30分の間に行い、5分経過ごとに眠気の度合いを評価した。被験者は20歳代から30歳代の健常な男性13名(年齢28.31±2.81歳)である。また、Rechtschaffen & Kales によって標準化された睡眠段階判定法に基づいて、覚醒状態は、覚醒の状態が合計70%かつ最も割合が多い18.9分間、睡眠段階はノンレム睡眠の第1〜4段階の状態が60%以上かつ最も割合が多い18.9分間と定義した。共鳴搬送波RC1から得られたAPWについて、ピーク検出法及びゼロクロス検出法((前田慎一郎他: 「非拘束センサによるドライバの状態推定技術の開発」,日本機械学会第11 回「運動と振動の制御」シンポジウム講演論文集,No.09-30,2009)を用い、ゼロクロス点とピーク点それぞれの脈拍数を算出した。その脈拍数の3分間の変化度合いの時系列波形をそれぞれゼロクロス点の傾き時系列波形とピーク点の傾き時系列波形として算出した。結果を図44に示す。
10 音・振動情報収集機構
11 第一層
12 第二層
121 ビーズ発泡体
122 三次元立体編物
123 フィルム
13 外部振動伝播層
14 マイクロフォンセンサ
20 演算手段
210 フィルタリング手段
220 状態解析手段
Claims (22)
- 固有振動数が、検出対象から収集する所定周波数以下の低周波の音・振動情報の周波数帯域内である固有振動子を備え、この固有振動子により前記音・振動情報を強調して共鳴搬送波を生成する共鳴層と、前記共鳴搬送波を検出するセンサとを有する音・振動情報収集機構であって、
前記検出対象側に配置され、前記音・振動情報が伝播される第一層と、
前記第一層に積層され、前記固有振動子及び前記センサを配置可能な孔部又は溝部からなる配置用スペースが形成された共鳴用の筐体と、前記配置用スペースを被覆するフィルムとを備え、前記共鳴層として機能する第二層と
を有してなる音・振動情報収集機構。 - 前記検出対象が生体であり、前記音・振動情報が生体信号である請求項1記載の音・振動情報収集機構。
- 前記生体信号が、心臓・血管系の音・振動情報であり、前記固有振動子の固有振動数が、前記心臓・血管系の音・振動情報に含まれる心音I音又は心音II音の周波数を含む周波数帯域内である請求項2記載の音・振動情報収集機構。
- 前記生体の体幹背部側に配置され、前記心臓・血管系の音・振動情報に含まれる心音I音又は心音II音を、10〜40Hzの周波数帯域に減衰された音・振動情報として検出する請求項3記載の音・振動情報収集機構。
- 前記固有振動子の固有振動数が、20〜30Hzである請求項4記載の音・振動情報収集機構。
- 前記第一層が、前記生体の体幹背部側に配置され、人体支持手段に設けられる外部から入力される音・振動を減衰させる支持層に、前記第二層側が支持されるものである請求項2〜5のいずれか1に記載の音・振動情報収集機構。
- さらに、前記第二層を挟んで前記第一層の反対側に配置され、外部から入力される音・振動を減衰させる第三層が一体に設けられてなる請求項2〜6のいずれか1に記載の音・振動情報収集機構。
- 前記第三層は、前記固有振動子の固有振動数に対応しない周波数の音・振動を減衰させる特性を有する請求項7記載の音・振動情報収集機構。
- 前記第三層が、立体布帛からなる請求項7又は8記載の音・振動情報収集機構。
- 前記第二層の共鳴用の筐体が、ビーズ発泡体を用いて形成されたものである請求項1〜9のいずれか1に記載の音・振動情報収集機構。
- 前記第二層の固有振動子及び前記第一層が、立体布帛からなる請求項1〜10のいずれか1に記載の音・振動情報収集機構。
- 前記第一層のばね定数、及び前記第二層の固有振動子のばね定数が、人体の筋肉のばね定数に近似している請求項6記載の音・振動情報収集機構。
- 前記第一層のばね定数、及び前記第二層の固有振動子のばね定数が、人体の筋肉のばね定数に近似しており、
前記第三層のばね定数が、前記第一層及び前記第二層の固有振動子のばね定数よりも高い請求項7又は8記載の音・振動情報収集機構。 - 前記第二層は、その機械的フィルタとしての遮断周波数が収集対象の前記生体信号の周波数の2倍以上に設定されている請求項6〜8のいずれか1に記載の音・振動情報収集機構。
- 検出対象から所定周波数以下の低周波の音・振動情報を収集して解析する音・振動情報センシングシステムであって、
請求項1〜14のいずれか1に記載の音・振動情報収集機構と、
前記音・振動情報収集機構の共鳴層において生成される共鳴搬送波を、前記音・振動情報収集機構に付設されたセンサを介して受信し、受信した前記共鳴搬送波を所定のフィルタリング周波数でフィルタリングするフィルタリング手段を有してなる演算手段と
を備えることを特徴とする音・振動情報センシングシステム。 - 前記演算手段に設定される前記フィルタリング手段は、前記音・振動情報収集機構における固有振動子の固有振動数を通過帯域幅内に含む遮断周波数に設定されている請求項15記載の音・振動情報センシングシステム。
- 前記フィルタリング手段は、所定の通過帯域幅のバンドパスフィルタであり、前記音・振動情報収集機構による検出対象が生体であって、収集対象の音・振動情報が心臓・血管系の音・振動情報である場合、その中心周波数が20〜30Hzの範囲内に設定されている請求項16記載の音・振動情報センシングシステム。
- 前記演算手段は、前記フィルタリング手段によってフィルタリングされた前記共鳴搬送波の信号波形を用いて、検出対象の状態を解析する状態解析手段を備える請求項15〜17のいずれか1に記載の音・振動情報センシングシステム。
- 前記音・振動情報収集機構による検出対象が生体であって、収集対象の音・振動情報が心臓・血管系の音・振動情報である場合、前記状態解析手段は、前記フィルタリング手段によってフィルタリングされた前記共鳴搬送波の信号波形を検波によって整流し、自律神経機能を反映する5Hz以下の低周波の生体信号を求める手段を含む請求項18記載の音・振動情報センシングシステム。
- 前記状態解析手段は、前記5Hz以下の低周波の生体信号を求めた後、その生体信号の時系列波形を、0.1〜1Hzの通過帯域幅のバンドパスフィルタでフィルタリングする手段をさらに有する請求項19記載の音・振動情報センシングシステム。
- 前記音・振動情報収集機構の共鳴層において生成される共鳴搬送波、又は、前記フィルタリング手段によりフィルタリングされた前記共鳴搬送波を、可聴音として再生する可聴音再生部をさらに有する請求項20記載の音・振動情報センシングシステム。
- 前記共鳴搬送波に対し、所定の振幅の閾値を設定し、閾値以上の波形成分をカットする整形処理を行い、整形処理した波形にハイパスフィルタを施し、このハイパスフィルタにより処理した波形を用いて、前記共鳴搬送波を前記可聴音として前記可聴音再生部により再生する請求項21記載の音・振動情報センシングシステム。
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