(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体から収集した心音聴診データを解析して、心臓疾患を解析する心音解析装置であって、
前記心音聴診データから第１音及び第２音を含む１心音周期分を１周期心音データとして切り出す手段と、
前記１周期心音データをスペクトルパワー密度データに変換する手段と、
前記スペクトルパワー密度データにおいて信号強度が最大になる周波数Ｆｍａｘを求める手段と、
前記スペクトルパワー密度データにおいて、複数個の信号強度閾値ＴＨＶｉ（ｉ＝１〜ｎ）を設定して、それぞれのＴＨＶｉに対する周波数幅Ｆｗｉｄｔｈｉを求める手段と、
複数の心音周期の前記Ｆｍａｘ、ＴＨＶｉ及びＦｗｉｄｔｈｉに基づいて、心臓疾患の解析をする解析手段と、を有する
ことを特徴とする心音解析装置。
【請求項２】
前記解析手段は、サポートベクトルマシン識別学習方法を用いて心臓疾患の解析をする、
ことを特徴とする請求項１記載の心音解析装置。
【請求項３】
さらに、心音収集手段を有し、
前記心音収集手段は、人体に密着させる複数のチェストピースと、前記複数のチェストピースを固定するバンドまたはジャケットとからなり、
前記チェストピースは、前記バンドまたはジャケットを人体に装着したときに前記チェストピースが大動脈弁、肺動脈弁、三尖弁、僧帽弁のいずれかの近傍に配置されるように、前記バンドまたはジャケットに固定されている、
ことを特徴とする請求項１または２記載の心音解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体から収集した心音聴診データを周波数解析して、異常心音を識別する、心音周波数解析装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
心音データには多くの情報が含まれており、これらの情報を解析すれば、多くの心臓疾患が識別可能であることが知られている。通常は、医者が聴診器を用いて患者の心音を聞き、経験に基づいて心臓疾患などの識別を行っている。ただ、従来の方法は医者の経験に基づくものであるので、汎用性が無い。心音データをコンピュータ等により解析する方法もいくつか知られているが、心音はノイズが多く、解析するのは容易ではない。もし、心音データをコンピュータ等により解析して心臓疾患の識別ができれば、在宅医療・介護・在宅ヘルスケアなどへ応用に貢献することができる。
【０００３】
従来技術としては、特許文献１乃至３がある。
特許文献１には、心音データを周波数解析して、大動脈弁の開放時期を決定する技術が記載されている。しかしながら、特許文献１では、心音データを周波数解析しているものの、信号強度が最大になる周波数Ｆｍａｘ、複数個の信号強度閾値ＴＨＶｉ（ｉ＝１〜ｎ）、及び、それぞれのＴＨＶｉに対する周波数幅Ｆｗｉｄｔｈｉに基づいて、心臓疾患の解析をすることは記載も示唆もされていない。
特許文献２には、心音データを周波数解析することにより周波数帯域幅を求めて、この周波数帯域幅に基づいて心音成分を決定する技術が記載されている。しかしながら、特許文献２では、閾値は１つであり、その閾値に基づいて１つの周波数帯域幅を求めているだけである。また、信号強度が最大になる周波数Ｆｍａｘを心臓疾患の解析に用いていない。
特許文献３には、心音データを周波数解析して心臓疾患を解析することが記載されている。また、各区間ごとの代表周波数を求めることも記載されている（段落００１６）。しかしながら、心臓疾患の解析に、複数個の信号強度閾値ＴＨＶｉ（ｉ＝１〜ｎ）、及び、それぞれのＴＨＶｉに対する周波数幅Ｆｗｉｄｔｈｉを用いることは記載も示唆もされていない。
【特許文献１】特開２００１−２２４５６３号公報
【特許文献２】特開２００３−５５８号公報
【特許文献３】特開２００２−１５３４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように、今まで、心音データの周波数解析を効果的に行う心音周波数解析技術はなかった。本発明は、心音データを周波数解析して、自動的に異常心音や心臓疾患の解析が行うことができる、心音周波数解析装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を有する。
人体から収集した心音聴診データを解析して、心臓疾患を解析する心音解析装置であって、
前記心音聴診データから第１音及び第２音を含む１心音周期分を１周期心音データとして切り出す手段と、
前記１周期心音データをスペクトルパワー密度データに変換する手段と、
前記スペクトルパワー密度データにおいて信号強度が最大になる周波数Ｆｍａｘを求める手段と、
前記スペクトルパワー密度データにおいて、複数個の信号強度閾値ＴＨＶｉ（ｉ＝１〜ｎ）を設定して、それぞれのＴＨＶｉに対する周波数幅Ｆｗｉｄｔｈｉを求める手段と、
複数の心音周期の前記Ｆｍａｘ、ＴＨＶｉ及びＦｗｉｄｔｈｉに基づいて、心臓疾患の解析をする解析手段と、を有する
ことを特徴とする心音解析装置。
【０００６】
また、以下の好ましい実施態様がある。
前記解析手段は、サポートベクトルマシン識別学習方法を用いて心臓疾患の解析をする。
さらに、心音収集手段を有し、
前記心音収集手段は、人体に密着させる複数のチェストピースと、前記複数のチェストピースを固定するバンドまたはジャケットとからなり、
前記チェストピースは、前記バンドまたはジャケットを人体に装着したときに前記チェストピースが大動脈弁、肺動脈弁、三尖弁、僧帽弁のいずれかの近傍に配置されるように、前記バンドまたはジャケットに固定されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は上記構成を採用したことにより、心音データのスペクトルパワー密度から効率よく異常心音や心臓疾患の解析を行うことができる。特に、スペクトルパワー密度データにおいて、信号強度が最大になる周波数Ｆｍａｘと、複数個の信号強度閾値ＴＨＶｉ（ｉ＝１〜ｎ）と、それぞれのＴＨＶｉに対する周波数幅Ｆｗｉｄｔｈｉを用い、これらの多数のパラメータをサポートベクトルマシン識別学習方法のような学習型アルゴリズムを用いて、より正確に心音データから心臓疾患の解析ができる。Ｆｍａｘは第１音及び第２音の主要周波数を代表し、Ｆｗｉｄｔｈｉは心雑音を代表する。通常用いられる閾値は１個であるが、本発明では、信号強度閾値ＴＨＶｉ（ｉ＝１〜ｎ）は複数個であり、それに対応した周波数幅Ｆｗｉｄｔｈｉも複数個であるので、より多くのパラメータにより心音データを解析することができ、学習型アルゴリズムなどによる解析において精度が向上する。
また、本発明では、バンドまたはジャケットを人体に装着したときにチェストピースが大動脈弁、肺動脈弁、三尖弁、僧帽弁のいずれかの近傍に配置されるように、チェストピースをバンドまたはジャケットに固定することにより、簡単で正確に心音収集部（チェストピース）を人体の最適位置に配置できる。大動脈弁、肺動脈弁、三尖弁、僧帽弁などの位置は、熟練した医師ではないとなかなかわかりにくいが、本発明の構成により簡単にそれらの位置に心音収集部（チェストピース）を配置することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の心音解析装置のブロック図である。心音センサ１は、身体に取付けられていて、身体からの心音を収集する。心音センサ１は、身体からの心音を収集できれば何でも良いが、例えば、聴診器で用いるチェストピースなどを用いると良い。心音センサ１で得られた心音データは心音受信手段２に送られる。心音受信手段２は、例えば、マイクロフォン、Ａ／Ｄ変換器などを備えており、心音をデジタル信号に変換して出力する。心音受信手段２から出力された心音データは、ＰＣ等の演算手段３に送られる。なお、この図では、心音センサ１からの心音を直接演算手段３に取り込む例を示しているが、これに限らず、別の場所で事前に録音やデータ蓄積された心音データを演算手段３に取り込む構成にしても良い。演算手段３は、内部に、１周期心音切り出し部３１、スペクトル変換部３２、Ｆｍａｘ・Ｆｗｉｄｔｈｉ抽出部３３、心臓疾患解析部３４、サポートベクトルマシン３５などを含んでいる。演算手段３により解析された結果は、表示手段４に出力される。
【０００９】
図２は、心音センサ１を身体に取り付けるためのジャケットの例である。心音を効果的に収集するためには、心音センサ１を正確な位置に設置する必要があるが、一般の人がその位置を正確に把握するのは難しい。本実施形態では、予め心音を収集できる場所に心音センサ１を配置したジャケット５を用い、このジャケット５を着用することで、自動的に心音センサ１が身体の最適位置に配置される。心音センサ１の配置場所は、例えば、大動脈弁、肺動脈弁、三尖弁、僧帽弁の近傍などである。
【００１０】
図３は、本実施形態における心音解析アルゴリズムのフローチャートである。ステップ６１で心音受信手段２で受信された心音データを取り出し、ステップ６２で１心音周期分の１周期心音データを切り出し、ステップ６３で前記１周期心音データをスペクトルパワー密度データに変換し、ステップ６４で前記スペクトルパワー密度から信号強度が最大になる周波数Ｆｍａｘを算出し、ステップ６５でｎ個の信号強度閾値ＴＨＶｉ（ｉ＝１〜ｎ）に対する周波数幅Ｆｗｉｄｔｈｉを算出し、ステップ６６でＦｍａｘ、ＴＨＶｉ及びＦｗｉｄｔｈｉから心臓疾患の解析し、ステップ６７で解析結果を出力する。個々のステップの細かい演算方法に関しては後で説明する。
【００１１】
以下、本実施形態における心音解析原理について詳しく説明する。
図４は、主な聴診音の周波数分布を表す図である。図４から、一部異常心音の周波数は正常周波数と重なり、正常心音か異常心音か区別が難しいことがわかる。本発明はこのような場合も異常心音を識別する方法を提案するものである。
具体的には、収録した心音から第１音と第２音を１セグメントとして切り出し（図５）、それぞれのセグメントに対してスペクトルパワー密度解析を行う。その結果の最大値が１となるように正規化する（図６）。
【００１２】
図５（ａ）が正常心音の１セグメントの波形、図５（ｂ）が異常心音の１セグメントの波形である。この図からわかるように、正常心音に比べて異常心音の方が雑音成分が多い。雑音成分が多いということは、それだけ周波数帯域幅が広くなることを意味する。図６（ａ）は図５（ａ）の波形をスペクトル変換したグラフ、図６（ｂ）は図５（ｂ）の波形をスペクトル変換したグラフである。図６から、異常心音の方が周波数帯域Ｆwidthが広いことがわかる。
【００１３】
異常心音の識別に使用するパラメータとして、図６で定義される、『信号強度が最大になる周波数Ｆｍａｘ』、『信号強度閾値ＴＨＶｉ（ｉ＝１〜ｎ）』、『信号強度閾値ＴＨＶｉ（ｉ＝１〜ｎ）に対する周波数幅Ｆｗｉｄｔｈｉ』を導入する。なお、『信号強度閾値ＴＨＶｉ（ｉ＝１〜ｎ）』は、異なる値の閾値が複数個（ｎ個）設定される。Ｆｍａｘは第１音と第２音の主要周波数を表わすもの、Ｆｗｉｄｔｈｉは心雑音のパラメータとして用いる。図７（ＴＨＶが信号強度最大値の１０％）からわかるように、一般的に、正常心音の場合はＦｍａｘが５０Ｈｚ付近、Ｆｗｉｄｔｈが２００Ｈｚ付近に分布し、異常心音の場合はＦｍａｘが５０Ｈｚ以上、Ｆｗｉｄｔｈが２００Ｈｚ以上の広い範囲に分布している。
【００１４】
複数個（ｎ個）の信号強度閾値ＴＨＶｉ（ｉ＝１〜ｎ）とそれに対する周波数幅Ｆｗｉｄｔｈｉを用いることで、正常心音の周波数と異常心音の周波数とが近くても、複数個のＴＨＶの値により区別することが可能となる。図８はＴＨＶｉをそれぞれ１０％、２０％、３０％、４０％とした場合に求められたＦｍａｘとＦｗｉｄｔｈｉの分布をプロットしたものである。ここで(ＮＭ１、ＮＭ２、ＮＭ３)は健常者のサンプル、ＡＦ、ＭＳ、ＡＲはそれぞれ心房（性）細動(不整脈の一種)、僧帽弁狭窄症、大動脈弁閉鎖不全または大動脈弁逆流である。
【００１５】
異常心音の識別方法として、図８のＦｍａｘとＦｗｉｄｔｈｉ（ｉ＝１〜ｎ）の値をサポートベクターマシン（ＳＶＭ）識別学習方法によって学習し、各種心疾病によって発生する異常心音が対応するＳＶＭモジュールの境界線を決定する。ＳＶＭモジュールの境界線の一例を図９に示す。また、図１０に示すＳＶＭ識別フローチャートにおいて、まずＳＶＭ１モジュールにより正常心音を異常心音から仕分ける。次に異常心音データをＳＶＭ２ａとＳＶＭ２ｂモジュールを通し、ＡＳ（大動脈弁狭窄症）とＡＲとに仕分ける。その他のデータを次のＳＶＭ３ａとＳＶＭ３ｂモジュールに入力し、ＡＲとＡＳを識別する。必要に応じてＳＶＭ４、ＳＶＭ５と他の異常心音を判別していく。図１１にＳＶＭ識別方法を用いた識別精度（Ａｃｃｕｒａｃｙ）、敏感度（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）、特異度（ｓｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙ）を示す。図１１（ａ）は各ＳＶＭモジュールの識別精度（ＡＣＣ）を表す図、図１１（ｂ）は正常心音を正しく識別できた割合（ＳＰＥ）を表す図、図１１（ｃ）は各異常心音を正しく識別できた割合（ＳＥＮ）を表す図である。これらの図からわかるように、正常心音を正しく識別できた割合は９９．６０％、異常心音を正しく識別できた割合は９８．９０％であり、高い割合で正常と異常とを識別できていることがわかる。また、異常心音がどの心臓疾患に相当するかも比較的高い精度で識別できていることがわかる。
【００１６】
ここで、サポートベクターマシン（ＳＶＭ）について簡単に説明する。サポートベクターマシンとは、ニューラルネットワークの一種であり、学習型のクラスタリングを行うアルゴリズムの１つである。図９のように、２次元に分布しているデータを複数種類に分ける場合の境界線を学習により決定する。この際、各境界線において、できるだけマージンが大きくなるように境界線の決定を行う。境界線が学習により決定されると、そのルール（ＳＶＭモジュール）にしたがって、入力されたデータが振り分けられる。本発明においては、複数個のＴＨＶｉ（ｉ＝１〜ｎ）とそれに対応したＦｗｉｄｔｈｉを用いているため、多くのＳＶＭモジュールを定義可能であり、図１０に示すように多段階でデータの分類が可能であるので、より高い精度で心音の識別が可能である。
【００１７】
以上、本発明の実施形態の一例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において各種の変更が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態のブロック図。
【図２】心音センサを身体に配置するためのジャケットの図。
【図３】本実施形態の動作を示すフロー図。
【図４】各聴診音の周波数分布を説明する図。
【図５】正常心音と異常心音の心音波形の一例を示す図。
【図６】図５の波形をスペクトル変換した図。
【図７】正常心音と異常心音のＦmaxとＦwidthの分布の一例を示す図。
【図８】ＴＨＶを変化させた場合のＦmaxとＦwidthの分布を示す図。
【図９】各ＳＶＭモジュールの境界線を示す図。
【図１０】ＳＶＭ識別フロー図。
【図１１】本実施形態による識別結果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００１９】
１：心音センサ、
５：ジャケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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