立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (A) ］

ウェアラブル腸音計測・解析システムの開発
Wearable Bowel Sound Measurement/ Analysis System2191011

研究代表者

東京理科大学工学部 電気工学科

教 授

阪田治

振動板として空気を振動させて可聴音とし，そ[研 究 の 目 的]

れを直接人間の鼓膜またはマイクロフォンで捉
長時間腸音モニタリングシステムは，小腸のえるものである。現在の医療現場における用途

消化活動における運動 (蠕動運動等) の活性度では，そのような簡単なつくりの器具で十分なを長時間連続的かつリアルタイムに定量評価す聴診を行うことができる。しかし，我々が目指ることが可能である。これまでにいくつもの臨すものは長時間の連続的な聴診であり，まず人床研究が行われ，その有効性が確認されてきた力で腹部に聴診ヘッドを当て続けての聴診またが，適用範囲は集中治療室や手術室の不動かつは録音を長時間行うことは不可能である。それ意識のない患者に限られていた。これは装置のでも，被計測対象が動かずに安静状態であれば，仕様・性能に起因するものであり，被計測対象聴診ヘッドを腹部表面に強力に貼付し続けるこが体動を起こす場合には長時間連続の安定的なとで長時間の聴診を可能にできる。従来型の長高精度測定ができない。そこで，本研究では，

時間腸音モニタリングシステムはそのような仕長時間腸音モニタリングの適用範囲を，日常生様である。しかし我々は，完全に不動の患者の活レベルで動き回る人にまで広げるための技術

みを被計測対象とせず，ベッドで起き上がり，研究開発に取り組む。具体的には，ウェアラブ院内さらには屋外を動き回る患者に対する長時ルシステムとするためのセンサデバイスの開発

間連続聴診の実現を目指しているため，従来型および強ノイズ下における高精度の腸音検出技の聴診ヘッドを貼付しつづけるという方式では術の開発である。本稿ではその要素技術研究にその要求を満足することはできない。そこで，ついて紹介する。

本研究では，長時間にわたって腹部表面に確実に装着可能で，かつ様々な種類のノイズ混入に対して頑強なセンサデバイスの仕組みについて[研究の内容，成果]検討を行った。腸音検出システムの多くは，音1．新しい腸音センサデバイスのための要素技

響用マイクを使用している。音響用マイクはど

術研究

うしても雑音の影響を受けるため，我々は圧電

一般に臨床現場で行われている腹部聴診では，素子を使ってこの弱点を補うシステムを提案す空気伝導式の聴診器や伝音管を用いない電子聴る (図 1)。まず下腹部を覆う程度の振動板を診器が使用される。いずれのものも，腹腔内で下腹部に貼り，その表面上に 3 つの小型マイク発生して体表面まで伝わった振動が体表皮膚をと圧電素子を貼る。

― 1 ―立石科学技術振興財団

図1

ハイブリッド型腸音センサの概念図

図4

ハイブリッド型腸音センサ実験システムする状態を再現するために，人の肌のように柔らかくて厚いゲル (人肌ゲル ®) を音源とプラ

図 2 提案デバイスの模式図スチック板の間に挟んだ。実際の実験システム構成も図 4 に示す。PC から腸音のテンプレー
トを 30 秒間再生して，マイクと圧電素子で計測する。腸音は非常に小さい音であるため，アンプで信号を増幅させてからレコーダーで記録する。腸音の計測は極めて静かな部屋で行う。
計測装置の横には，雑音を発生して混入させるための大型スピーカーを設置した。
測定装置の横に置いた大型スピーカーで病院内 (ベッドサイド) の環境雑音を再生しながら，
図 5(a) の音データを振動スピーカーで再生す

図3

ハイブリッド型腸音センサ実験模式図る。そしてマイクと圧電素子で計測した腸音信

腸音は小腸のどこで発生するか予測がしにく号波形を図 5 に示す。これより，概ね腸音信号い (音源がランダムに現れる)。従って，いくをよく記録できていることがわかるが，同時につかのマイクで集音することで，取りこぼしなマイクと圧電素子ともに雑音を拾っている。こく腸音の計測が可能となる。圧電素子は振動板

れが腸音測定精度にどの程度影響を与えるのかの表面上に 1 つ添付して計測する。

を調べるために，両素子の腸音検出数の違いを

図 1 の断面図を示したものが図 2 である。小
腸内のどこかで腸音がランダムに発生して，そ調べた。30 秒あたりの腸音検出回数を算出した結果を表 1 に示す。

れが体表面に伝わる。体表面上に貼った振動板

図 5 の信号における腸音検出回数は 70 [回/は，その振動を取りこぼしなく捉える役割を担30 秒]であった。これを基準に両素子による計う。それをマイクと圧電素子のそれぞれで記録

測信号中の腸音検出回数を比較し，相対誤差をする。

求めた。まず，大スピーカーからのノイズ音量これを模擬した実験装置を図 3 のように組んをゼロとした際の腸音検出回数は，ともに 58だ。小型マイクと圧電素子を用いて腸音を同時[回/30 秒]であり，相対誤差は 17.1 [%]であっに計測した。今回は，実際に人間の腸音を計測た。次に，ノイズ混入ありの場合の計測信号を― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

曝されるウェアラブル使用において効果を発揮するものと思われる。
2．着衣下の腸音計測におけるノイズ対策
腸音計測におけるノイズ対策については過去に多くの試みが行われてきたが，それらはいずれも安静状態かつ短時間計測を前提とするものであった。我々は，この 2 条件がともに成立していない腸音計測である，ウェアラブル式の腸音計測システムの開発を目指している。そのため，体に常時装着して音響信号計測をする際にセンサに混入するあらゆる種類のノイズへの対策を考えなければならない。
実験は，図 6 のように腹部 2 か所にマイクロ(a) 振動スピーカーの出力波形(b) シリコンマイクロフォンの計測波形(c) 圧電素子 (ピエゾフィルム) の計測波形

図5

フォン式の従来型腸音センサを装着し，その上に 3 種類の着衣 (図 7) をしながら採音を行っ腸音波形

た。なお，腸音検出の基本的な流れは我々の先表 1 マイクロフォンとピエゾフィルムの腸音検出数の差異
Mic Piezo
Quiet
environment

Number of detections
58[times/30 s]
Relative error［%］ 17.1

Noisy
environment

Number of detections
41[times/30 s]
Relative error [%] 41.4

Templatesound

5870

17.1−

5670

20.0−

行研究で提案した図 8 の方法とし，本研究では
図 8 中の Denoising の部分で工夫を加えた。
図 6 左において，腸音マイクを腹部表面から離した状態で服の擦れ音のみを記録した波形を
図 9 下に示す。一方，着衣無しの状態 (図 6右) で記録した腸音波形を図 9 上に示す。

解析すると，マイクで計測した信号の腸音検出
回数は 41 [回/30 秒]であり，相対誤差は 41.1[%]であった。圧電素子で計測した信号の腸音検出回数は 56 [回/30 秒]であり，相対誤差は20.0 [%]であった。これより，騒音環境では圧電素子よりもマイクの方が腸音計測精度が劣化することが言える。しかしながら，マイクロ

図 6 着衣腸音計測の様子

フォンとピエゾフィルムは，それぞれ検知可能な腸音が一致しているわけではなく，片方が検出できた腸音であってももう一方では検出できていないものが存在する。つまり，両素子の少なくともいずれか一方で検出が可能であればよいとすることにより，検出精度を向上させることができる。さらに，両素子はそれぞれ耐性をもつノイズの種類が大きくことなるため，体動(左 : ポリエステル 65%，レーヨン 35%，中 : 綿 100%，右 : ポリエステル 66%，綿 34%)や環境雑音といった全く異なる種類のノイズに
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図7

実験に使用した衣服

立石科学技術振興財団

図 11

服擦れ音を重畳させた腸音波形 2 例(左 : 腸音とノイズの重なりが小さい例，右 : 腸音とノイズの重なりが大きい例)

図 12

図 8 基本的な腸音検出処理の流れ

提案法による腸音検出例①

ノッチフィルタによる狭帯域ノイズ除去②

ローパスフィルタによる重低音除去③ウェーブレットによる周波数フィルタ④

周波数スペクトル上の形状特徴に基づく
腸音と服擦れ音の区別①②については，常に腸音検出精度を下げることにはならないため，問題なく実施する。③については，ドベシィのマザーウェーブレットによる多重解像度フィルタで，ユニバーサル閾値採用し，周波数分解レベルを 14 まで展開した。④は，さらに 2 段階に分かれる。腸音のスペクトルが高々 2, 3 個のピークを持つのに対
図9

して，服擦れ音はその倍以上のピークを持つ。

腸音波形および服の擦れ音波形の 2 例

また，腸音が 200 Hz 付近と 600 Hz 付近の両方またはいずれかに比較的大きな独立ピークを持ちやすいのに対して，福擦れ音はそのような特徴を有しないことを利用した区別を行う。
①〜④のルールによる腸音検出結果例を図図 1012 に示す。服擦れ音が混入していても腸音が腸音と服擦れ音のスペクトル形状特徴の違い検出できている (図中緑▽印)。

実験用音響データとして，図 9, 10 に示す腸[今後の研究の方向，課題]

音波形と福擦れ音波形を重畳させた信号波形を生成した (図 11)。

本プロジェクトでは，ウェアラブル長時間腸腸音検出処理における服擦れ音対策として，次の方法を提案した。

音モニタリングシステムのための要素技術につ― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

いて基礎研究を実施したが，腸音検出のためのノイズ採択ソフトウェアについては好ましい結[成果の発表，論文等][1]

Yoshiyuki Yamada, Osamu Sakata, Yasuyuki

果が得られているものの，採音センサデバイス

Satoh, Hybrid Bowel Sound Measurement System

については，まだ実用を見込めるだけの成果がCombining Microphones and a Vibration Sensor.

得られなかった。しかし，本年 3 月の研究期間終了後にも継続的に研究を進めており，本報告で紹介した結果よりも数倍〜数十倍の精度の基礎技術開発の見通しが立ってきたところである。
ソフトウェア研究とともに実用化までもっていきたい。

― 5 ―Proc. The 9th International Conference on Intelligent Computing and Applications, pp. 175-179, 2020.