(57)【要約】【課題】一つのセンサから得られる音声信号と体動信号を用いることで、患者に負担を与えることなく簡便に嚥下の測定を行うとともに、精度よく咳の測定を行うこと。【解決手段】生体の振動信号を一つのセンサで採取し、得られた振動信号を体動信号と音声信号に分離し、各々の信号から被験者の状態を検出することで、被験者に負担を与えずに簡便かつ精度よく嚥下や咳などの被験者の状態を検出することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の振動信号を採取する採取手段と、
前記振動信号を体動信号と音声信号に分離する分離手段と、
前記体動信号と前記音声信号とから被験者の状態を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする状態検出装置。
【請求項２】
前記体動信号は前記振動信号に含まれる低周波成分の信号であり、
前記音声信号は前記振動信号に含まれる高周波成分の信号であることを特徴とする請求項１に記載の状態検出装置。
【請求項３】
前記状態は嚥下または咳であることを特徴とする請求項１または２に記載の状態検出装置。
【請求項４】
前記検出手段は前記音声信号から検出される嚥下音と、前記体動信号から検出される喉部の嚥下運動とに基づいて被験者の嚥下を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の状態検出装置。
【請求項５】
前記検出手段は、音声信号から検出される咳音と、前記体動信号から検出される腹部の咳運動に基づいて、被験者の咳を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の状態検出装置。
【請求項６】
前記低周波成分の信号は２０Ｈｚ未満の周波数からなる信号であり、前記高周波成分の信号は２０Ｈｚ以上の周波数からなる信号であることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、嚥下または咳を検出する状態検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
日本をはじめ多くの先進国は高齢化社会を迎えており、高齢化に伴う疾病が増大している。医療機関においては、患者の病名、疾病の程度、疾病の原因などを知って治療方針を立てる一助とするため、疾病に伴う人体各部の障害の有無を、日常検診や初期検診において簡便に検知しうる評価方法が望まれている。中でも疾病に伴って、患者の嚥下や咳の動作に障害が発生する場合があることから、嚥下や咳の検出手段の開発が活発に行われている。
【０００３】
従来、嚥下の検出は、咽頭部のレントゲン投影を行いながら、患者が造影剤を嚥下する状況を観察するというものであった。しかし、レントゲン投影においては、Ｘ線が使用されており、長時間人体をＸ線に晒すことは好ましくない。また、レントゲン投影装置は高価であり、さらにその扱いには特別の資格を要し、また放射線物質の管理等を必要とし、医療現場において簡便に使用できるものではない。そこで、レントゲン投影に比較して簡便で安全な方法として、喉の動きを捉える加速度センサ、嚥下の音を捉えるマイクロフォン、咽頭部周辺の表面筋電図測定用電極など、複数のセンサを人体に取り付ける方法が提案されてきた（特許文献１参照）。
【０００４】
また、従来、咳の検出は、咳の音を捉えるマイクロフォンを咽部に取り付け、咳に伴って発せられる音声を検出し、その時間波形信号を解析することで状態を検出する方法が提案され、採用されて来た（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００５−３０４８９０号公報
【特許文献２】特開１９９６−３８４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
嚥下の測定に使用されるこれらのセンサは決して小さいものではないことから、多くのセンサを患者の喉付近に集中して取り付けると患者に与える負担が大きくなってしまう。すると、安静を保つことが難しくなり、患者の状態を精度よく検出することが妨げられる。さらには症状の悪化を招くことに通ずる。
【０００６】
また、咳の測定においては、音声信号のみを用いて測定されているが、音声信号の中に含まれる会話や叫び声との明確な分離が難しく、精度よく咳の検出を行うことは難しかった。そこで、本発明では、一つのセンサから得られる音声信号と体動信号を用いることで、患者に負担を与えることなく、簡便かつ精度よく嚥下や咳の検出を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的は、下記に記載する発明により達成される。
【０００８】
１．生体の振動信号を採取する採取手段と、
前記振動信号を体動信号と音声信号に分離する分離手段と、
前記体動信号と前記音声信号とから被験者の状態を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする状態検出装置。
【０００９】
２．前記体動信号は前記振動信号に含まれる低周波成分の信号であり、
前記音声信号は前記振動信号に含まれる高周波成分の信号であることを特徴とする前記１に記載の状態検出装置。
【００１０】
３．前記状態は嚥下または咳であることを特徴とする前記１または２に記載の状態検出装置。
【００１１】
４．前記検出手段は前記音声信号から検出される嚥下音と、前記体動信号から検出される喉部の嚥下運動とに基づいて被験者の嚥下を検出することを特徴とする前記１から３のいずれかに記載の状態検出装置。
【００１２】
５．前記検出手段は、音声信号から検出される咳音と、前記体動信号から検出される腹部の咳運動に基づいて、被験者の咳を検出することを特徴とする前記１から３のいずれかに記載の状態検出装置。
【００１３】
６．前記低周波成分の信号は２０Ｈｚ未満の周波数からなる信号であり、前記高周波成分の信号は２０Ｈｚ以上の周波数からなる信号であることを特徴とする前記２から５のいずれかに記載の状態検出装置。
【発明の効果】
【００１４】
咳や嚥下の発生に伴って生じる音声信号と体動信号とを得、得られた音声信号と体動信号を用いて患者の状態を検出することで、一つのセンサで患者の状態を検出できるので患者に負担を与えずに簡便に患者の状態を検出できるとともに、二つの信号から総合的に状態を検出するので、精度よく患者の状態を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。
【００１６】
［装置構成］
本発明における嚥下とは、飲食物を口腔で食塊として形成し、その食塊及び口咽腔の分泌物を咽頭と食道を通じて胃まで送る運動である。
【００１７】
また、咳とは、咽喉部や気管、気管支、胸膜に異物がついた場合に、異物を体外に吐き出して肺を守るために生じる呼吸筋や気管支平滑筋の運動を言う。
【００１８】
喉部の運動である嚥下を検出する場合には、図１に示すようにマイクロフォン１０を喉部に取り付け、咳を検出する場合には、図２に示すようにマイクロフォン１０を腹部に取り付ける。喉部は嚥下の際に特徴的な動きを示し、腹部は咳の際に特徴的な動きを示すからである。咳を検出する場合、特に横隔膜下の周辺に取り付けると感度が高く微弱な咳についても検出できるので好ましい。また、咳を検出するに際し、腹部に取り付けた場合には、喉に取り付けた場合と比べて誤検出を生じる要因が少なく、精度良く咳の検出を行うことができる。喉部は例えば日常通常に行われる首を動かす動作や飲み下し動作等により動きが生じるが、腹部は元来動きが少ない部位であり意図的に体を捻ったりしない限りあまり動きを生じないからである。
【００１９】
マイクロフォン１０は、皮膚に感さ性の少ない接着剤が塗布された両面テープ等により直接又は間接的に人体に貼り付けることが好ましい。また、マイクロフォン１０の周囲にノイズ防止用のカバー材やクッション材を設けることが好ましい。
【００２０】
図３は、状態検出装置の構成図である。状態検出装置１は、状態測定部２０及び状態検出部３０から構成され、状態測定部２０は、通信媒体Ｌを介して状態検出部３０に接続されている。この通信媒体Ｌは、有線であっても無線であってもよい。無線により接続すれば、有線の場合のように状態測定部２０に用いられているセンサに線を介して不要な振動やリード線が体や衣服に触れて生体音に類似するノイズを与えてしまう機会を減らすことができる。そのため、誤検出がほとんどなく、精度の高い検出を行うことができる。また、被検者の行動の制約を少なくすることができる。
【００２１】
次に嚥下や咳が発生した場合に、嚥下や咳の信号を得る方法について説明する。嚥下や咳の動作が生じると、可聴域の音（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）が発生するとともに、嚥下運動や咳運動は、体の一部が動く動作であることから接する空気を振動させる。このようにして発生した空気の振動の周波数は、周波数発生源が人体の一部の動作によるものであるので、低い周波数であり、不可聴域の周波数（〜２０Ｈｚ）となる。従って、マイクロフォンが検出した空気振動の信号には、嚥下や咳の発生に伴って人間の耳に聞こえる可聴域の周波数の信号と、不可聴域の周波数の信号とが含まれる。
【００２２】
ここで、嚥下や咳に伴って発生する可聴域の信号を音声信号と称し、嚥下や咳の発生に伴って、体の一部が動いて空気を振動させて生じた信号を体動信号と称する。
【００２３】
体動信号と音声信号とは一つのマイクロフォン１０で検出するので、同一の電気信号に含まれることから、別々に利用するためには分離する必要がある。体動信号と音声信号とを分離する手法としては、各々の周波数が相違することを利用し、境界の周波数で分離できる周波数フィルタを用いる。具体的にはローパスフィルタを用いて高周波音声信号をカット低周波数の体動信号を得、ハイパスフィルタを用いて低周波の体動信号をカットして高周波数の音声信号を得る。体動信号は前述のように不可聴域である２０Ｈｚ以下の信号であるので、ローパスフィルタのカットオフ周波数は２０Ｈｚとする。また、音声信号は可聴域である２０Ｈｚ以上の信号であるので、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を２０Ｈｚとする。
【００２４】
状態測定部２０は、マイクロフォン１０により変換された音声信号から所定周波数以下の低周波成分のみ検出するローパスフィルタ回路２２Ｌ及び所定周波数以上の高周波成分を検出するハイパスフィルタ回路２２Ｈ、低周波成分を増幅する増幅回路２３Ｌ、高周波成分を増幅する増幅回路２３Ｈ、増幅された低周波をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路２４Ｌ、増幅された高周波をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路２４Ｈ、Ａ／Ｄ変換された信号を状態検出部３０に送信するＩ／Ｆ２５から構成されている。所定周波数としては前述のように２０Ｈｚが好ましい。
【００２５】
低周波信号と高周波信号は、各々を１チャンネルの信号ラインを用いて伝達させて処理するので、２チャンネルのステレオ信号として扱うことが好ましい。
【００２６】
状態検出部３０は、状態測定部２０からのデータを受信するＩ／Ｆ２５、Ｉ／Ｆ２５で受信された体動データをプログラムに従って処理するＣＰＵ３１、ＣＰＵ３１での処理に必要なプログラムやデータ等を記憶するＲＯＭ３２、ＣＰＵ３１での処理に必要なプログラムやデータ等を一時的に記憶するＲＡＭ３３、ＣＰＵ３１での処理結果等をハードディスク、ＤＶＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ等に保存する外部記憶装置３４、状態検出部３０に被検者ＩＤ等の必要情報等のデータを入力する状態検出装置１本体上の入力部３５、及びＣＰＵ３１での処理結果等を表示する表示部３６から構成されている。
【００２７】
状態検出部３０は、専用の情報処理装置で構成されていてもよいし、汎用のパーソナルコンピュータで構成されていてもよい。パーソナルコンピュータであれば、持ち運びが容易にできる携帯情報端末（ＰＤＡ）であることが好ましい。
【００２８】
なお、状態測定部２０は図４に示すように、マイクロフォン１０の出力をＡ／Ｄ変換回路４１に入力してからローパスフィルタ回路４２Ｌ、ハイパスフィルタ回路４２Ｈに入力し、Ｉ／Ｆ２５を通じて状態検出部３０へ出力するという構成を採用してもよい。このような構成にすると、Ａ／Ｄ変換回路４１から下流の処理をコンピューター内で行えるためハードウェアとしてのローパスフィルタ回路２２Ｌ、ハイパスフィルタ回路２２Ｈ、増幅回路２３Ｌ及び増幅回路２３Ｈを用意する必要はなく簡便に処理できる。一方、前述の図３の構成を採用すれば、ローパスフィルタ回路２２Ｌ、ハイパスフィルタ回路２２Ｈの出力をＡ／Ｄ変換してコンピューターに取り込むので、音声信号と体動信号を別個にＡ／Ｄ変換することから、各々の信号のダイナミックレンジを大きくとることができ、信号を精密に解析することができる。
【００２９】
次に嚥下や咳が生じた場合に、マイクロフォン１０を用いて得られ、音声信号と体動信号に分離する以前の電気信号の例を示す。図５は嚥下が生じた場合にマイクロフォン１０から得られた電気信号であり、図６は咳が生じた場合にマイクロフォン１０から得られた電気信号である。図５には強度の大きい波形の集まった波形群が二つ測定されており、各々の波形群が嚥下を表している。嚥下は１秒程度の現象であることが分かる。また、図６には強度の大きい波形の集まった波形群が二つ測定されており、各々の波形群が咳を表している。図中左側の波形群は咳が連続して発生した場合であり、図中右側の波形群は咳が一回発生した場合である。一回のみ発生した咳は、嚥下に比較して発生時間は短く、０．３秒程度であることが分かる。
【００３０】
次に、嚥下の場合にマイクロフォン１０を用いて得られた原信号、原信号に対して２０Ｈｚ未満の周波数を通過させるローパスフィルタ処理を施して得た低周波数成分の信号、及び原信号に対して２０Ｈｚ以上の周波数を通過させるハイパスフィルタ処理を施して得た高周波数成分の信号の例を図７に示す。
【００３１】
同図に示すように、低周波成分は原信号から振動周波数の大きい成分を取り除いた信号波形であり、嚥下に伴う体動を取り出せている。高周波成分は振動周波数の小さい成分を取り除いた信号波形であり、人間の耳で聴きとることができる嚥下音を取り出せている。
【００３２】
なお、咳の場合にも同様にマイクロフォン１０を用いて原信号を得、ローパスフィルタ処理を施して咳に伴う体動を検出でき、ハイパスフィルタ処理を施して咳音を得ることができる。
【００３３】
［嚥下と咳測定処理］
次に嚥下や咳が生じた場合にマイクロフォン１０で音声信号と体動信号とをデータとして採取する状態測定について説明する。図８は、本実施形態に係る状態測定フローを表す図である。この状態測定フローは、ＲＯＭ３２内の状態測定プログラムに基づいて、ＣＰＵ３１により実行されるフローである。予め入力部３５により被検者を特定するＩＤ等は入力されているものとする。
【００３４】
まず、ＣＰＵ３１は、入力部３５から状態測定の開始が指示されたか否かを判断する（ステップＳ１０）。状態測定の開始が指示されたと判断すると（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、ＣＰＵ３１は、状態測定部２０からの音声信号と体動信号の測定データを、ＲＡＭ３３を経由して外部記憶装置３４に保存する動作を開始させる（ステップＳ１１）。このとき、被検者のＩＤ及び時刻に対応付けて測定データは保存される。状態測定の開始が指示されていないと判断すると（ステップＳ１０；Ｎｏ）、ステップＳ１０に戻り状態測定の開始が指示されるまで待機する。
【００３５】
次に、ＣＰＵ３１は、状態測定の終了が指示されたか否かを判断する（ステップＳ１２）。状態測定の終了が指示されたと判断すると（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、ＣＰＵ３１は、状態測定部２０からの測定データをＲＡＭ３３を経由して外部記憶装置３４に保存する動作を終了させる（ステップＳ１３）。状態測定の終了が指示されていないと判断すると（ステップＳ１２；Ｎｏ）、ステップＳ１２に戻り、状態測定の終了が指示されるまで待機する。
【００３６】
次に得られた音声信号と体動信号とから、咳や嚥下を検出する検出処理の概念と検出フローについて図９、図１０及び図１１を用いて説明する。図９は、本実施形態に係る状態検出フローを表す図である。
【００３７】
この状態検出フローは、ＲＯＭ３２内の状態検出プログラムに基づいて、ＣＰＵ３１により実行されるフローである。
【００３８】
まず、ＣＰＵ３１は、入力部３５から状態検出の開始が指示されたか否かを判断する（ステップＳ２０）。状態測定の開始が指示されたと判断すると（ステップＳ２０；Ｙｅｓ）ＣＰＵ３１は、外部記憶装置３４に保存された測定データをＲＡＭ３３に呼び出して展開しつつ、嚥下の検出処理を行う（ステップＳ２１）。
【００３９】
嚥下や咳の検出処理の概念はサンプリング窓内の体動信号と音声信号の分散値を算出し、その分散値を基に嚥下や咳の有無を判断するものである。
【００４０】
図１０は、本実施形態の状態検出処理における嚥下の体動信号のサンプリングの概念を示す概念図であり、横軸に経過時間ｔを、縦軸にデータレベルを示している。
【００４１】
図中には、複数のサンプリング窓Ｗが示されている。すなわち、サンプリング窓とは所定時間分のデータを採取するための検出時間幅であり、本実施形態においては各サンプリング窓Ｗ内に存在するデータを１群のデータとして取り扱う。サンプリング窓Ｗは、検出漏れが無いように、隣り合うサンプリング窓との間で、例えば約半分の領域が重複するように設ける。
【００４２】
図１１は、本実施形態の状態検出処理の概念を示す概念図である。図１１（ｂ）は、データであり、横軸に経過時間ｔを、縦軸にデータレベルを示している。図１１（ａ）は、図１１（ｂ）のデータにおける各サンプリング窓の分散値Ｖを示しており、分散値Ｖに対する閾値Ｖｔｈを合わせて示している。
【００４３】
閾値Ｖｔｈよりも分散値Ｖの大きいサンプリング窓を嚥下として検出する。図１１（ａ）の例では、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つの嚥下が検出される。閾値Ｖｔｈよりも分散値Ｖの大きい窓が連続している部分は、連続している部分を１つの嚥下としてカウントする。例えば、図１１（ａ）におけるＣの部分については、閾値Ｖｔｈよりも分散値Ｖの大きい窓Ｃ１〜Ｃ４が４つ連続している。この場合、当該４つの窓の部分を１つの嚥下としてカウントする。また、嚥下の強度として、例えば、分散値Ｖの値を用いることができる。図１１（ａ）におけるＣの部分については、例えば、連続するＣ１〜Ｃ４の４つの分散値Ｖを加算した値を嚥下の強度として用いることができる。精度向上のため、さらに特定の周波数帯域を抽出してから、分散を求めてもよい。
【００４４】
このようにステップＳ２１において嚥下の検出処理を行い、その結果を受け、ステップＳ２２にて嚥下が検出されないと判断した場合、この状態検出フローは終了する。ステップＳ２２にて嚥下を検出したと判断した場合、ステップＳ２３に移る。
【００４５】
ステップＳ２３においては、高周波数の嚥下の音声信号からも同様の方法で嚥下の有無を検出する。ただし、嚥下の体動信号と音声信号とでは信号の強度が異なることから、閾値Ｖｔｈの大きさを変更して用いる。このようにステップＳ２３において嚥下の検出処理を行い、その結果を受け、ステップＳ２４にて嚥下が検出されないと判断した場合、この状態検出フローは終了する。なお、低周波数で嚥下を検出でき、高周波数で嚥下を検出できない場合とは、被験者が動いたときに皮膚が動き、マイクがその低周波成分を拾うような場合がある。ステップＳ２４にて嚥下を検出したと判断した場合、ステップＳ２５に移る。
【００４６】
ステップＳ２５において、ＣＰＵ３１は、検出結果をＲＡＭ３３を経由して外部記憶装置３４に保存する動作を行う。
【００４７】
咳を検出する場合にも同様のフローで検出することができる。ただし、体動信号と音声信号におけるＶｔｈの値には、咳の検出に適する値を採用する。
【００４８】
以上のように、一つのマイクロフォンを使い、体動信号と音声信号との両方を用いて嚥下や咳を検知することで、簡便かつ精度よく嚥下や咳を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】マイクロフォンを喉部に取り付けた状況を示す概要図である。
【図２】マイクロフォンを腹部に取り付けた状況を示す概要図である。
【図３】状態検出装置の構成図である。
【図４】状態測定部の構成図である。
【図５】嚥下が生じた場合にマイクロフォンから得られた電気信号の例である。
【図６】咳が生じた場合にマイクロフォンから得られた電気信号の例である。
【図７】嚥下の原信号、低周波数成分及び高周波数成分の例である。
【図８】本実施形態に係る状態測定フローを表すフロー図である。
【図９】本実施形態に係る状態検出フローを表すフロー図である。
【図１０】嚥下の体動信号のサンプリングの概念を示す概念図である。
【図１１】本実施形態の状態検出処理の概念を示す概念図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  マイクロフォン
２０  状態測定部
３０  状態検出部
２２Ｌ、４２Ｌ  ローパスフィルタ回路
２２Ｈ、４２Ｈ  ハイパスフィルタ回路
２３Ｌ、２３Ｈ  増幅回路
２４Ｌ、２４Ｈ、４１  Ａ／Ｄ変換回路
２５  Ｉ／Ｆ
３１  ＣＰＵ
３２  ＲＯＭ
３３  ＲＡＭ
３４  外部記憶装置
３５  入力部
３６  表示部
【図１】
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【図２】
2009279122.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2009279122.tif 000008
【図７】
2009279122.tif 000009
【図８】
2009279122.tif 000010
【図９】
2009279122.tif 000011
【図１０】
2009279122.tif 000012
【図１１】
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