(57)【要約】【課題】  医療用断層撮影装置あるいは癌治療用放射線機器に対して呼吸に同期してピーク時刻到来前にトリガ信号を出力する。【解決手段】  記憶手段１と、未知数演算部２と、ピーク時刻演算部３と、時刻管理タイマー４と、判断部５で構成され、人または動物の呼吸曲線を最小２乗法による放物線近似を行って軸値からピーク時相を予測することで、呼吸ピーク時刻到来の所定時間前にトリガ信号を出力する呼吸同期トリガ信号発生装置。【選択図】図１
2014204932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人または動物の呼吸状態を検出するセンサから順次供給される呼吸信号Ｓ（ｔ）を入力として所定時間間隔Δｔで最新の測定データを所定個数ｎ個だけ保持する記憶手段１と、記憶手段１が保持するｎ個の測定データの供給を受けて所定時間間隔Δｔを時間単位とする放物線を示す２次関数Ｓ（ｔ）＝ａｔ２＋ｂｔ＋ｃを確定する３つの未知数ａ，ｂ，ｃを最小２乗法に基づいて決定する未知数演算部２と、未知数演算部２より供給される未知数ａとｂの供給を受けて放物線の軸値ｔ＝−ｂ／２ａを演算して呼吸のピーク時刻を予測するピーク時刻演算部３と、現在時刻を出力する時刻管理タイマー４と、未知数演算部２より供給される未知数ａの符号とピーク時刻演算部３より供給されるピーク予測時刻と時刻管理タイマー４から供給される現在時刻と外部より供給される相対時間を入力として未知数ａの符号に基づいて呼吸ピークが吸気または排気のいずれのタイミングであるか判断を行うとともに入力される現在時刻とピーク予測時刻と相対時間に基づいてピーク予測時刻を基準とする任意の相対時刻の時相で吸気または排気に対応するタイミング信号を出力する判断部５により構成され、呼吸曲線を放物線近似可能な時間幅の複数の測定データから最小２乗法に基づいた放物線近似を行い、推定できる２次関数の３つの未知数ａ，ｂ，ｃのうち、ａとｂを用いて放物線のピーク時刻は放物線の軸値に一致するという性質からピーク時刻の推定を行い、現在時刻がピーク時相に対して入力された相対時間だけ前になったときにトリガ信号を出力することができることを特徴とする呼吸同期トリガ信号発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、人または動物の呼吸状態を検出するセンサの信号に基づいて、呼吸の吸気ピークまたは排気ピーク時相を検出してピーク時相に対して相対的に任意の時相でトリガ信号を発生する呼吸同期トリガ信号発生装置に関しており、さらに詳細に説明すると、Ｘ線断層撮影装置、核磁気共鳴断層撮影装置、超音波断層撮影装置等の画像診断装置にトリガ信号を供給することで呼吸の吸気ピークまたは排気ピークの時相を基準とした相対的時刻を設定した断層像の撮影を可能とすること、また、癌治療のためのガンマ線、Ｘ線、アルファ線、ベータ線、または重粒子線などの照射装置にトリガ信号を供給することで呼吸の吸気ピークまたは排気ピークの時相を基準とした相対的時刻を設定した照射を行い生体の正常組織に対するダメージを最小限度に抑えた癌治療を実現することを目的とした呼吸同期トリガ信号発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、Ｘ線断層撮影装置、核磁気共鳴断層撮影装置、超音波断層撮影装置等の画像診断装置は改良が続けられ、その空間分解能とともに撮影時間分解能も向上を遂げており、人または動物の脳神経、各部の関節、筋肉、腹部の内臓の医療用診断に威力を発揮しているが、その診断対象のうち意識的に停止させることが困難である部位が呼吸器と循環器である。【０００３】  循環器に関しては、心電計で測定される心電図のＲ波時相を基準として相対的に時間をずらして撮影する心電同期トリガ法が使用され、心臓の心拍動を停止させることなく、鮮明な断層撮影を行うことができる。【０００４】  これに対して、呼吸運動では横隔膜や胸骨の位置が１ｃｍ以上動くため、肺に近い臓器の断層撮影を鮮明に行うための障害要因となっている。一般に短時間であれば意識して止めることが可能であると考えられることが多いが、実際には吸気または排気ピークで呼吸を止めようとすると呼吸に関係する筋肉に力が加わり、微小な痙攣を伴うため、成人でも呼吸を意識的に停止させた撮影は困難を伴う。さらに幼児や乳児では撮影者の指示の意味を理解して行動することが困難または不可能であるので呼吸に同期させた断層撮影は行えないという問題が存在している。【０００５】  また、ガンマ線や重粒子線を使った癌組織に対する放射線治療は効果が期待できるが、呼吸器および呼吸器に隣接した臓器の癌治療では、呼吸運動に伴って肺の収縮運動が起き、横隔膜や胸骨の位置も大きく変わるため、周囲の臓器の位置も頻繁に位置を変えてしまう。このため治療部位に効果的に放射線を当て続けることが困難であり、効果を上げようと放射線のスポットを大きく設定すると健常な周囲組織まで放射線によるダメージを受けてしまうという不具合が存在している。【０００６】  前述したように、呼吸に伴う臓器の位置の変動の影響を受けることなく、画像診断や癌の放射線治療を行うために、呼吸の吸気ピークまたは排気ピークの時相に対して相対的に任意の時刻に同期させる技術的手段が強く求められている。【０００７】  呼吸運動自体の検出技術に関しては以下に列挙するように既に数多くの技術的手段が存在している。特許文献１「無呼吸低呼吸自動検出装置、検出方法、プログラム及び記録媒体」は温度によって電気抵抗値が変化するサーミスタを鼻孔付近に置いて外気温と体内で暖められた呼気による温度変化で呼吸を検出する技術手段であり、特許文献２「心肺のパラメーターを決定する非侵入的医学的装置」は頸部と腹部間に微弱な交流電流を通流して体表面に出現する交流電圧振幅の変化を測定することで呼吸を検出する技術手段であり、特許文献３「呼吸検出用エアバッグ検出部」は胸部または腹部の呼吸に伴ってエアバッグ内の空気圧が変動し、圧力変化を静電容量の変化として検出する技術手段であり、特許文献４「無呼吸症候群判定装置」は身体の下に配置したピエゾ圧電素子ケーブルによって呼吸に伴う圧力変化を捉えて呼吸を検出する技術手段である。非特許文献１は本件発明者の一人である上田智章の考案した呼吸を検出する技術手段であり、赤外線レーザープロジェクタと赤外線カメラによって構成される深度カメラで得られる深度情報を基に人物の大胸筋と深度カメラ間の呼吸に伴う距離変動を５０ミクロン精度で精密に測定することによって非接触で呼吸を検出することができる。以上のように呼吸を検出する技術的手段は既に多く考案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４６４２６２６号公報
【特許文献２】特許第２８７５１３７号公報
【特許文献３】特公平２−２６９６３
【特許文献４】特開２００５−１６０６５０
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ＣＱ出版株式会社インターフェース２０１３年１月号  特集「研究  人間センシング」『第６章  研究！非接触でヒトの息づかいを測る』、ｐ．９８〜ｐ．１０５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  上述したように、特許文献１から特許文献４までの先行技術に見られるように、呼吸を検出する技術的手段そのものは数多く考案されている。しかしながら、呼吸は排気または吸気される空気量は毎回異なり、吸気または排気の時間間隔も安定しておらず、このため上述の技術的手段で得られる呼吸信号の変動幅、ピーク値、ピーク時相は大きくばらつくのである。それ故、しきい値を設定して呼吸のピーク時相を検出することや、前回のピーク時間間隔を参考に呼吸のピーク時相を推定することができないという問題が存在している。【００１１】  これに加えて、測定時間間隔を短くして呼吸の吸気ピークまたは排気ピーク時刻そのものは検出することができるのであるが、呼吸が停止している時間幅は１００ミリ秒程度の時間間隔しかないため、既にピーク時刻検出時では呼吸が停止し始めてから５０ミリ秒が経過しており、ピーク検出時点でトリガ信号を出力しても、画像診断装置の時間分解能は１００ミリ秒程度であるため、実際に診断装置が撮影を始めても５０ミリ秒程で呼吸運動が次のピークに向かって移行する時相に突入してしまい、鮮明な画像撮影を行うことができないのである。つまり、ピーク時刻を検出してから画像診断装置にトリガ信号を出力しても遅いのである。【００１２】  すなわち、本発明の解決するべき課題は、呼吸信号の観測からピーク時刻を予測して、ピーク時刻の少なくとも５０ミリ秒より前の時相でトリガ信号を出力する技術手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】  本発明による呼吸同期トリガ信号発生装置は、人または動物の呼吸状態を検出するセンサから順次供給される呼吸信号Ｓ（ｔ）を入力として所定時間間隔Δｔで最新の測定データを所定個数ｎ個だけ保持する記憶手段１と、記憶手段１が保持するｎ個の測定データの供給を受けて所定時間間隔Δｔを時間単位とする放物線を示す２次関数Ｓ（ｔ）＝ａｔ２＋ｂｔ＋ｃを確定する３つの未知数ａ，ｂ，ｃを最小２乗法に基づいて決定する未知数演算部２と、未知数演算部２より供給される未知数ａとｂの供給を受けて放物線の軸値ｔ＝−ｂ／２ａを演算して呼吸のピーク時刻を予測するピーク時刻演算部３と、現在時刻を出力する時刻管理タイマー４と、未知数演算部２より供給される未知数ａの符号とピーク時刻演算部３より供給されるピーク予測時刻と時刻管理タイマー４から供給される現在時刻と外部より供給される相対時間を入力として未知数ａの符号に基づいて呼吸ピークが吸気または排気のいずれのタイミングであるか判断を行うとともに入力される現在時刻とピーク予測時刻と相対時間に基づいてピーク予測時刻を基準とする任意の相対時刻の時相で吸気または排気に対応するタイミング信号を出力する判断部５により構成され、呼吸曲線を放物線近似可能な時間幅の複数の測定データから最小２乗法に基づいた放物線近似を行い、推定できる２次関数の３つの未知数ａ，ｂ，ｃのうち、ａとｂを用いて放物線のピーク時刻は放物線の軸値に一致するという性質からピーク時刻の推定を行い、現在時刻がピーク時相に対して入力された相対時間だけ前になったときにトリガ信号を出力することができることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】  本発明の呼吸同期トリガ信号発生装置は、記憶手段１に人または動物の呼吸状態を検出する公知のセンサから順次供給される呼吸信号を所定時間間隔Δｔで最新の測定データを所定個数ｎ個だけ保持することができ、未知数演算部２は記憶手段１が保持するｎ個の測定データの供給を受けて呼吸曲線を最小２乗法を用いて２次関数Ｓ（ｔ）＝ａｔ２＋ｂｔ＋ｃとする近似を行い、３つの未知数ａ，ｂ，ｃを演算することができ、ピーク時刻演算部３は未知数演算部２より供給される未知数ａとｂの供給を受けて放物線の軸値ｔ＝−ｂ／２ａを演算して呼吸のピーク時刻を予測することができ、判断部５は時刻管理タイマー４が出力する現在時刻と外部より供給される相対時間を入力として未知数ａの符号に基づいて呼吸ピークが吸気または排気のいずれのタイミングであるか判断を行うとともに入力される現在時刻とピーク予測時刻と相対時間に基づいてピーク予測時刻を基準とする任意の相対時刻の時相で吸気または排気に対応するタイミング信号を出力することができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本件発明の呼吸同期トリガ信号発生装置の構成を示す説明図である。
【図２】呼吸状態検出する公知の呼吸センサで観測した人の呼吸曲線の一例である。
【図３】本発明の実施例の記憶手段１の内部構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例の未知数演算部２における処理の流れを示す図である。
【図５】本発明の実施例における呼吸曲線予測結果の１例である。
【図６】最小２乗法における各未知数と評価関数Ｅの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】  以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１７】  図１は本件発明の呼吸同期トリガ信号発生装置の構成を示す説明図である。図１における構成要素の番号は請求項１の構成要素の番号に一致している。１は人または動物の呼吸状態を検出するセンサから順次供給される呼吸信号Ｓ（ｔ）を入力として所定時間間隔Δｔで最新の測定データを所定個数ｎ個だけ保持する記憶手段である。２は記憶手段１が保持するｎ個の測定データの供給を受けて所定時間間隔Δｔを時間単位とする放物線を示す２次関数Ｓ（ｔ）＝ａｔ２＋ｂｔ＋ｃを確定する３つの未知数ａ，ｂ，ｃを最小２乗法に基づいて決定する未知数演算部である。３は未知数演算部２より供給される未知数ａとｂの供給を受けて放物線の軸値ｔ＝−ｂ／２ａを演算して呼吸のピーク時刻を予測するピーク時刻演算部である。４は現在時刻を出力する時刻管理タイマーである。５は未知数演算部２より供給される未知数ａの符号とピーク時刻演算部３より供給されるピーク予測時刻と時刻管理タイマー４から供給される現在時刻と外部より供給される相対時間を入力として未知数ａの符号に基づいて呼吸ピークが吸気または排気のいずれのタイミングであるか判断を行うとともに入力される現在時刻とピーク予測時刻と相対時間に基づいてピーク予測時刻を基準とする任意の相対時刻の時相で吸気または排気に対応するタイミング信号を出力する判断部である。【００１８】  図２は、非特許文献１に示される技術手段によって深度カメラと人物の大胸筋間の距離を５０ミクロン精度で精密に測定を行い、呼吸に伴う距離変動を観測することで呼吸を測定した事例である。図２に示されるように呼吸曲線は周期も振幅も不規則な信号である。しかしながら、呼吸数の正常値は、成人で１６〜２０回／分、学童で２０〜２５回／分、幼児で２０〜３５回／分、乳児で３０〜４０回／分、新生児で４０〜５０回／分であることから、短時間の観測においては放物線で近似することができる。【００１９】  例えば、成人であれば大旨３秒間に１周期であるので０．５秒から１秒間程度の短い時間の観測では、呼吸曲線Ｓ（ｔ）をａｔ２＋ｂｔ＋ｃと２次関数で近似することができる。呼吸の観測を所定時間幅Δｔで行い、現在時刻ｔを時刻原点、すなわちｔ＝０とし、時間の単位をΔｔとすることにより、放物線近似を行う問題は次のように簡素化することができる。【００２０】  現在時刻を時刻原点として最新のｎ個の測定値を古い順からＳ−（ｎ−１）、・・・、Ｓ−３、Ｓ−２、Ｓ−１、Ｓ０とすると、各測定値の測定時刻は、所定時間幅Δｔを時間の単位とするので、−（ｎ−１）、・・・、−３、−２、−１、０と整数になる。【００２１】  上記のように条件を決めると、人または動物の呼吸状態を検出するセンサから順次供給される呼吸信号Ｓ（ｔ）を入力として所定時間間隔Δｔで最新の測定データを所定個数ｎ個だけ保持する記憶手段１は図３に示すようにｎ個の遅延手段であるレジスタ１０１、１０２、１０３、・・・・、１０ｎを直列に接続して構成され、すべてのレジスタのクロックとして図示しないクロック発信器から供給される周期Δｔのクロック信号の立ち上がりのタイミングで前段のレジスタの保持する状態を保持する記憶素子で構成することができる。各段の遅延素子が保持する測定値が出力されており、遅延素子による遅延段数の多い信号がより古い測定値を示し、反対に遅延素子による遅延段数の少ない信号がってより新しい測定値を示している。レジスタ１０１はＳ０、レジスタ１０２はＳ−１、レジスタ１０３はＳ−２、レジスタ１０ｎはＳ−（ｎ−１）を出力している。【００２２】  未知数演算部２では、記憶手段１が保持するｎ個の測定データＳ−（ｎ−１）・・・、Ｓ−３、Ｓ−２、Ｓ−１、Ｓ０の供給を受けて所定時間間隔Δｔを時間単位、最新データの測定時刻を時刻原点ｔ＝０とする放物線を示す２次関数として呼吸曲線Ｓ（ｔ）を３つの未知数ａ，ｂ，ｃを持った放物線として数式１で近似する演算を行う。この近似演算には最小２乗法が利用されている。数式１の放物線の軸の時刻は数式２で、放物線のピーク値は数式３で与えられる。図５にｎ個の測定値と放物線Ｏ（ｔ）の関係を例示する。
【数１】
2014204932.tif 000003
【数２】
2014204932.tif 000004
【数３】
2014204932.tif 000005
【００２３】  時刻ｔｊ｛ｊ＝０、−１、−２、−３、・・・、−（ｎ−１）｝における測定データは、Ｓｊで表記され、３つの未知数ａ、ｂ、ｃを用いた近似値Ｏｊ＝ａｔｊ２＋ｂｔｊ＋ｃとの誤差ｅｊはＳｊ−Ｏｊで求められるので、最小２乗法ではｎ個の測定値に関して誤差の２乗の総和を推定誤差の評価関数Ｅとして取り扱う。数式４は３つの未知数のうちａに関して整理した場合を示している。ここで、Ａは数式５で、Ｂは数式６で、Ｃは数式７で与えられる。数式４の最終形から明らかであるように、評価関数Ｅは未知数ａに関して常に放物線の形状であることがわかる。図６に示すように、未知数ｂと評価関数Ｅ、未知数ｃと評価関数Ｅの場合でも同様の性質を持っている。
【数４】
2014204932.tif 000006
【数５】
2014204932.tif 000007
【数６】
2014204932.tif 000008
【数７】
2014204932.tif 000009
【００２４】  図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように最小２乗法においては評価関数Ｅはどの未知数（ａまたはｂまたはｃ）に対しても常に放物線の形状を取っているので、未知数がどのような状態にあっても、未知数を放物線の軸値であるＢ／Ａに変更することで誤差評価値Ｅをより小さな値にすることができる。未知数ａに関して数式を整理すると数式８が得られる。
【数８】
2014204932.tif 000010
【００２５】  同様にして数式９、数式１０、数式１１に示すように未知数ａ、ｂ、ｃを推定する漸化式が得られる。この３つの漸化式を順番に繰り返すだけでｎ個の呼吸測定データに基づく放物線近似を行うことができる。
【数９】
2014204932.tif 000011
【数１０】
2014204932.tif 000012
【数１１】
2014204932.tif 000013
【００２６】  ここで、測定時間間隔Δｔを時間単位とし、最新データの測定時刻をｔ＝０としたために、数式９、１０、１１の第２項の分母の値は変化することがない。それ故、最初に１回だけ数式１２、１３、１４で与えられる係数Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃを求めておくことで演算負荷を著しく軽減することができる。
【数１２】
2014204932.tif 000014
【数１３】
2014204932.tif 000015
【数１４】
2014204932.tif 000016
【００２７】  前記の演算原理により、未知数演算部２における処理の流れは図４に示す通りとなる。初期化処理時のみステップ▲１▼とステップ▲２▼を実行する。ステップ▲１▼は放物線推定のための演算負荷を軽減するために数式１２、数式１３、数式１４を演算するステップである。ステップ▲２▼は未知数の初期値を与えるステップである。時間間隔Δｔごとに新しい呼吸測定データが入力される。その度にステップ▲３▼を実行する。ステップ▲３▼−１、ステップ▲３▼−２は数式９、数式１０、数式１１の右辺第二項の分子部分を演算するステップである。ステップ▲３▼−３は各未知数を演算するステップである。なお、▲３▼−１、▲３▼−２、▲３▼−３のステップを３回以上、１０回程度まで繰り返すことによって、未知数推定精度を向上させることができる。【００２８】  以上のように、未知数演算部２では最小２乗法を用いて、ｎ個の最新呼吸測定値に基づく放物線近似処理を高速に演算することができる。最小２乗法を用いているため、呼吸測定値にノイズが混入していても誤差の２乗平均が最小となる近似を行うことができる。未知数ｃは時刻ｔ＝０の値を示しているので、ｎ個の最新呼吸測定値を用いてノイズ除去処理された値として使うことができる。【００２９】  ピーク時刻演算部３では、未知数演算部２より供給される未知数ａとｂの供給を受けて放物線の軸値ｔ＝−ｂ／２ａを演算して呼吸のピーク時刻を予測している。予測された時刻が正値の場合、ピーク時刻が現在時刻よりも未来であることを示しており、反対に予測された時刻が負値の場合には、既にピーク時刻が過ぎ去っていることを示している。【００３０】  時刻管理タイマー４は現在時刻を出力している。判断部５は、未知数演算部２より供給される未知数ａの符号とピーク時刻演算部３より供給されるピーク予測時刻と時刻管理タイマー４から供給される現在時刻と外部より供給される相対時間を入力としている。未知数ａの符号ｆが正値であれば放物線が下に凸であることを示し、反対に符号ｆが負値であれば上に凸であることを示すので、到来したピークが呼吸の吸気ピークであるのか排気ピークであるのか判断することができる。なお、正値が吸気側なのか排気側なのかは呼吸を計測するセンサの動作原理や回路構成によっても変わるので、設計時に検討する必要がある。判断部５はピーク時刻演算部３が予測したピーク時刻を基準として外部より与えられた相対時刻ｔｏｆｆｓｅｔだけずれた時相を現在時刻が超える状態を検出したとき、吸気または排気に対応するタイミング信号、すなわちトリガ信号Ｏ１またはＯ２を出力する。【００３１】  以上のように、本件発明の呼吸同期トリガ信号発生装置は、呼吸曲線をｎ個の最新呼吸測定値に基づいて最小２乗法による放物線近似を行い、放物線の軸値から呼吸ピーク時刻を予想して相対的にずれた任意の時相に外部機器に対してトリガ信号を発生・供給することができるという特有の効果を奏する。さらに、放物線の未知数ｃをノイズ除去後のデータとして使うことができる。これは本件発明の優位性を示している。【００３２】  また、本発明は、以上述べた実施例のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である���
【符号の説明】
【００３３】  １  記憶手段
２  未知数演算部
３  ピーク時刻演算部
４  時刻管理タイマー
５  判断部
１０１、１０２、１０３、・・・、１０ｎ  遅延素子またはレジスタ
【図１】
2014204932.tif 000017
【図２】
2014204932.tif 000018
【図３】
2014204932.tif 000019
【図４】
2014204932.tif 000020
【図５】
2014204932.tif 000021
【図６】
2014204932.tif 000022