呼吸音の同調による覚醒を考慮した
在宅医療機器の快音設計
Comfortable Sound Design for Home Medical Equipmentin Consideration of Arousal
Due to Synchronization of Respiratory Sound
精密工学専攻はじめにCPAP 呼吸音の特徴把握

CPAP の機器本体およびマスクから発生する音をそれぞれ測定し，各周波数帯の各部品音圧寄与について把握する．また，CPAP 着用時の呼吸音の特徴を把握する．
2.1 CPAP 各部品における周波数帯ごとの音圧寄与
2.1.1 測定条件
CPAP 機器本体から発生する音（以下，機械音成分），および CPAP マスクリークポートより発生する音（以下，気流音成分）を，マイクロホンを用いてそれぞれ測定する．
本測定では，A 特性音圧レベルの周波数重みづけがされた指標を用いる．これは，人間の聴覚の特性として，同じ音圧であっても周波数の違いにより実際に耳で感じる音の大きさは異なる特性を考慮した指標である．また，測定環境は，外部の音を遮音し，内部の音を反射しない無響室とする．そして，機器本体の測定時はマスクを無響室外に，マスクの測定時は機器本体を無響室外に設置し，測定点は各部品から10.0 cm 地点とする．また，測定周波数帯域を 100～800 Hz,1000～2000 Hz，2000～4000 Hz，4000～10000 Hz の 4 帯域に区分し，それぞれを B1, B2, B3, B4 とする．
2.1.2 測定結果および考察
Fig. 1 に示す機器本体，およびマスクにおける各帯域の A
特性音圧レベルより，B1 から B4 にかけて機械音成分が低下するのに対し，気流音成分が上昇することがわかる．
したがって，B1, B2 の低周波数域では機械音成分が，B3，B4 の高周波数域では気流音成分が多く含まれることがわかる．また，設定圧の上昇に伴い，B4 の高周波数域音に占めるマスクの割合が増加し，気流音成分が目立つ．
2.2 CPAP 着用の有無における呼吸音の周波数特性比較

A-weighted SPL dBA

Gradual increase mask soundDevice
Mask
B1 B2 B3 B4
B1 B2 B3 B4
B1 B2 B3 B4
10.0
20.0
4.0
Setting pressure cmH2O
Fig. 1 A-weighted SPL of CPAP device and mask

0.0

A-weighted SPL dBA
In Ex

In Ex

-1010000

20

In Ex

In Ex

Hz10000

In-Ex：4.45 dBA

Frequency

2.

80.0

Frequency Hz

近年，睡眠時無呼吸症候群の患者数は 500 万人といわれ，持続陽圧呼吸療法（CPAP）の使用者数が増加している．しかし，医療機器の動作音に対しては低騒音化が取り組まれる中，マスクから発生する呼吸に伴い変動する気流音（以下，呼吸音）が相対的に目立つ(1)．また，先行研究では呼吸音が非使用者の覚醒度上昇に影響を及ぼすことがわかっている(2)．
そこで本研究では，呼吸音における時間的変化，および周波数的変化に着目し，それらが非使用者の覚醒に及ぼす影響を把握する．まず，CPAP 呼吸音の特徴を把握するため CPAP着用時，および未着用時の周波数特性を比較する．そして，時間的な変化として呼吸数を変化させた場合において呼吸同調が発生するのか，また，覚醒度に影響するのかについて把握する．最後に周波数特性上，眠りやすい音質に寄与する周波数帯を抽出し，在宅医療機器の音に対する不快感軽減を目指し快音設計を提案する(3)．
なお，本研究のすべての評価実験は，被験者に対し十分なインフォームド・コンセントを行った上で実施している．

10000

1000

300

A-weighted SPL dBA

1.

13 号 大林 葵
Aoi Obayashi

40

300
010010Time sTime s(a) Condition A(b) Condition B
Fig. 2 Spectrogram of respiratory soundRespiratory soundAir flow sound+ 13.4 dBA

20Condition ACondition B
Low5001000HighMid20004000

10000

Frequency Hz
Fig. 3 1/3 octave band level of inhalation
本測定では CPAP 未着用時（条件 A）および CPAP 着用時（条件 B）の呼吸音を測定し，周波数特性の変化を把握する．
2.2.1 測定条件
本測定では，条件 A にて鼻呼吸音を，条件 B にて CPAP マ

CPAP 使用時，使用者の呼吸音は，機器を介して音圧が増幅した状態で非使用者に聞こえる状態となる．したがって，使用者の平常時の呼吸数が非使用者よりも多い場合，または少ない場合に非使用者の呼吸リズムが使用者に同調する現象（以下，呼吸同調）が生じることが想定される．
また，使用者および非使用者の呼吸数大小関係が使用者＜非使用者の場合は，呼吸同調による非使用者の呼吸数の減少に伴い，リラックス状態となり，覚醒度が低下することが想定される．一方，使用者＞非使用者の場合は，非使用者の呼吸数の増加に伴い，緊張状態となり，覚醒度が上昇することが想定される．ここで，本実験では提示する呼吸音を使用者の呼吸音と仮定し，被験者を非使用者と仮定し，音源提示時の覚醒度変化，および呼吸数変化を把握する．
3.1 実験条件
評価方法は主観評価，および脳波と呼吸測定による客観評価を行う．リラックス度の把握は，疲労・覚醒主観評価指標
RAS を用いる．RAS は「眠気」「リラックス」「全般的活性」「緊張」の感情尺度からなる．また，覚醒度把握は，式（1）より算出される AAC（α波減衰係数）を用いる．ただし，式（1）にて用いる値は閉眼と開眼を交換反復する AAT 動作時のα波の値とする．また，AAC は睡眠，覚醒などの条件によ

Sound

RR-RR

Normal-30%

RR

RR+

NormalNormal+30 %Image

RAS average score

4.0

RR –RR
RR +

0.0

-4.0
Sleepiness

Relax.

Activation

StrainEvaluation item
Fig. 4 Results of RAS
1.5Increase the most

AAC

0.0

Decrease the most-3.0
RR-RR

RR+

Evaluation sounds
Fig. 5 Results of AAC
80%

3. 呼吸数変化音源提示時の覚醒度変化および呼吸数変化把握

Table 1 Evaluation sounds (Respiratory rate change)

RR change

スクリークポートより発生する呼吸音を無響室で測定する．
また，両条件ともに同一被験者とし，着座状態にて測定する．
そして，測定点を被験者の鼻先から 20 cm 地点とする．
2.2.2 実験結果および考察
まず，各周波数帯の音圧レベルの総和をとった合成レベルを表す OA 値について各条件下で比較する．条件 B の吸気音
は条件 A と比較して約 9.1 dBA 高い．これは，条件 B では呼吸に合わせて多くの空気が気道に送り込まれ，マスクリークポートより流体音が広い周波数帯域にわたって発生する（以下，広帯域音）ためと考えられる．
次に，Fig. 2（a），（b）に示す各条件下の時間-周波数特性より，各条件下の呼気音（Ex）および吸気音（In）の A 特性音圧レベル差に着目する．条件 A：0.24 dBA, 条件 B：4.45dBA であり，条件 B にて大きな差が生じる．これは，CPAP から常に息を吸う方向に空気が流れ込み，呼気時よりも流速が速くなることが起因していると考えられる．
ここで，Fig. 3 に示す条件 A，条件 B の吸気音におけるある周波数を中心として上限と下限の周波数比がオクターブとなる帯域を 1/3 に分割した帯域ごとの音圧レベルを示す
1/3 オクターブバンドレベルに着目する．呼吸音は，広帯域に分布しているため帯域を中心周波数（以下，Fm）Fm 500 Hz1000 Hz の低周波数域，Fm 1000 Hz-4000 Hz の中周波数域，Fm 4000 Hz-10000 Hz の高周波数域の 3 帯域に区分する．条件 A の吸気音は主に中周波数域内の 1500-2000 Hz を含み，条件 B では低周波数域内の 800 Hz-1000 Hz を含む．したがって，吸気音の周波数主成分が条件 A から条件 B にかけて低周波数域に推移していることがわかる．これは，条件 B ではマスクで鼻が覆われた状態となるため中周波数域の音が伝播しにくいことが起因していると推察される．また，条件 B
では気流音成分が多いことより呼気音，吸気音ともに高周波数域を多く含む．
以上より，CPAP 着用時の呼吸音の特徴を踏まえ，ある周波数範囲内の全域における音の強さを一定としたホワイトノ
イズに対し，呼気音と吸気音の周波数特性をフィルタリングした 2 音源を組み合わせて呼吸音を作成し，第 3 章以降の実験に用いる．

0-80

RR-RR

RR+

Evaluation sounds
Fig. 6 Results of respiratory rate of change
りα波の出現量が異なる特徴から算出され，AAC の値が大きいほど覚醒度が高いことを意味する．
AAC =𝑃𝑐
𝑃𝑜⋯ (1)

𝑃𝑐：Alpha wave power with eye closure
𝑃𝑜：Alpha wave power with eye opening
一方，被験者の呼吸数把握は呼吸ベルトを用いて測定する．

Table 2 Evaluation sounds

Table 1 に示す呼吸音は，各被験者の平常時の呼吸数より30%とした音源 RR-，同数の音源とした音源 RR, +30%とした音源 RR+の 3 音源とする．実験手順は音刺激のない状態を 2分間測定後，閉眼と開眼を交換反復する AAT 動作を 3 分間行った後，主観評価を行う．これを音源提示時も同様の流れを繰り返す．また，被験者は 20 代 5 名である．
3.2 実験結果および考察
Fig. 4 に RAS（主観評価）の評価平均得点， Fig. 5 に AAC（客観評価）の平均変化量，Fig. 6 に呼吸数の平均変化率を示す．各評価結果はすべて音刺激なし（以下，平常時）を基準値とした変化量でありエラーバーは標準偏差を示す．また，
AAC は個人ごとの変動を考慮し，標準化を行った上で評価する．式(2)に示す各条件下で得られた AAC 測定値と複数回測定した平常時の平均値の差を，標準偏差で除した値を標準化した AAC 値とする．

𝑍𝐴𝐴𝐶 ：Standardized AAC value
μ：Averaged AAC valueSound state Low frequency Hz High frequency Hz
Steady (Ex)Steady (Ex)Steady (Ex)Steady (Ex)Steady (In)
Steady (In)
Steady (In)
Steady (In)

1000
1000
2000
2000
1000
1000
2000
2000

4000
8000
4000
8000
4000
8000
4000
8000

F1
F2
F3
F4

Fluctuation
Fluctuation
Fluctuation
Fluctuation

1000
1000
2000
2000

4000
8000
4000
8000

3.0

*⋯ (2)

X：Measured AAC value
𝜎：Standard deviation

まず，RAS（主観評価）のリラックス感については，RR-および RR+では減少がみられ，RR では増加がみられる．次に AACの平均変化量については，RR+, RR-, RR の順に高い傾向がみられる．そして，呼吸数の平均変化率については，RR では変化がみられず，RR-では減少，RR+では増加がみられる．
以上の結果より RR は，提示音と被験者の呼吸数間にほとんどずれがないため，条件間で最もリラックス状態にあり覚醒度が低下すると推察される．一方，RR+では呼吸同調による呼吸数の増加に伴い主観的なリラックス感が低下し，覚醒度が上昇すると推察される．また，RR-は呼吸同調による呼吸数の低下によりリラックス感は上昇するが，呼吸数のずれに違和感をもち，覚醒度がやや上昇すると考えられる．
したがって，使用者の平常時の呼吸数が非使用者よりも多い場合，呼吸同調による呼吸数の増加に伴い主観的なリラックス感が低下し，覚醒度が上昇することが示唆される．しかし，CPAP 使用者の呼吸数を制御することはできないため，次章では呼吸音の音質に着目する．

Average score

X−μ𝜎0.0
Improve1000 Hz, 8000 Hz down
-3.0

* : p<0.05
SE1/SI1/F1

広帯域音である呼吸音を Fm 1000 Hz-8000 Hz の 4 帯域に区分し，眠りやすい音質に寄与する周波数帯を抽出する．
4.1 実験条件
評価方法は 7 段階の評定尺度法を用いて相対評価で行う．
評価項目は眠りやすさとし，評価音源は呼気音のみ，または吸気音のみの定常的な気流音，および呼吸音の 3 種とする．
また，Table 2 に示す，低周波数域 Fm 1000 Hz または 2000
Hz, および高周波数域 Fm 4000 Hz または 8000 Hz の 2 つの帯域を組み合わせ，-10 dBA 音圧低下させた 12 音源とする．
また，本実験ではラウドネス値という人の聴覚にあった音のレベルを示す指標を用いる．呼気音のラウドネス値を 3.0sone，吸気音を 4.0 sone に統一している．被験者は 20 代 8名である．
4.2 実験結果および考察
Fig. 7 に定常的な気流音の呼気音（SE）のみ，吸気音（SI）のみ，および呼吸音（F）に関する音質変更に対する評価平均得点を示す．SE の場合 SE1, SE2 間および SE3, SE4 間において有意水準 5 %の有意差が確認できる．また，SI の場合も有意差はみられないが音源 SI2, SI4 の得点が高い傾向がみ

SE2/SI2/F2

Steady (Ex)Steady (In)
Fluctuation

SE3/SI3/F3

SE4/SI4/F4

Symbol of evaluation sounds
Fig. 7 Results of subjective evaluation
2.0

F4 F2 SE4 SE2

SI40.0

Steady (Ex)Steady (In)
Fluctuation

F3SI2Standard

SI3
Fm 8000 Hz down

SI1
F12.4

SE1SE3
WorsenImprove-2.0

4. 呼吸音における睡眠に影響する周波数帯の抽出**

Average score𝑍𝐴𝐴𝐶 =Sound
symbolSE1SE2SE3SE4SI1SI2SI3SI43.2

Sharpness acum

3.8

Fig. 8 Relationship between sharpness andsubjective evaluation
られる．したがって，SE, SI の両条件で Fm 8000 Hz を含む高周波数域の音圧低下が眠りやすい音質に寄与していることが推察される．また，音源 F1, F2 間において有意水準5 %の有意差が確認できる．SE, SI の評価結果と同様，
Fm 8000
Hz を含む高周波数域の音圧低下が眠りやすい音質に寄与すると推察される．
次に，Fig. 8 に音の甲高さを示す心理指標であるシャープネス値と RAS の評価平均得点の関係を示す．シャープネス値
約 3.2 acum を境に RAS の評価傾向が異なることがわかる．
また，先行研究においても 3 acum 以上で覚醒効果があることが明らかとされ(4)，3.2 acum 以下の音源は眠気をもたらしやすいことがいえる．そして，評価得点の高い音源は，Fm8000 Hz を音圧低下した音源であることがわかる．しかし，
Fm 8000 Hz を含む郡内で SI4 のみ得点がやや低い．これは，第 2 章より CPAP 着用時は Fm 1000 Hz にて吸気音の主成分を含むことが起因していると考えられる．また，この帯域にてTable 3 About CPAP leak ports

呼気音と吸気音の音圧差が顕著にみられる．
したがって，覚醒に影響する Fm 8000 Hz の高周波数域および呼吸変動による音圧差が大きい Fm 1000 Hz の低周波数域を組み合わせて音圧低下することにより，音質改善につながると推察される．

𝐴[%] =ℎ× 𝑛 × 100𝑠

⋯ (3)23Hole diameter
mm0.812

Number of holes

226. 研究成果(1) 機器を介して音圧が増幅された使用者の呼吸音により，非使用者に対して呼吸同調が生じ，非使用者の呼吸数の増加に伴い，主観的なリラックス度が低下することで，覚醒度が上昇する傾向を確認した．
(2) 呼吸音の音質評価にてシャープネス値が約 3.2 acum を境に評価傾向が異なることより，主に眠りやすい音質に寄与する周波数帯は Fm 8000 Hz の高周波数域であることを示した．
(3) 眠りやすい音質に寄与する Fm 8000 Hz, および呼気音と吸気音の周波数変動が大きい Fm 1000 Hz の音圧低下が音質改善に寄与し，効果的であることを示した．
(4) リークポートの開口率とシャープネス値の関係に着目し，CPAP の性能維持可能な快音化への各指標を示した．

56

1-2 corner
8

Aperture ratio %

5.5

3.1

12.5

Sharpnessacum

3.0

2.6

3.3

Filter3.22.8

2.84+Non4+Felt
woven

No. 1
No. 5
No. 6
No. 1→No. 5
2.7 dBA down

Low-107.8No40500

MidHigh10000

40001000

Frequency Hz
Fig. 9 Frequency spectrum of each leak port

𝐴：Aperture ratio ℎ：Area of hole𝑠：Area of ellipse 𝑛：Number of holes

Worsen3.8Sharpness acum

先行研究より，穴径が 3 mm 以上の場合，リーク量が多く，陽圧を維持することができない(5)．ここで，Fig. 8 の No. 2,No. 3 より，穴径を 0.5 倍にすると，開口率が約 0.25 倍，シャープネス値が 0.8 倍に低下する．しかし，開口率が 5.5 %を下回るとリーク量が基準値を満たさない．また，No. 1 にフィルタを付加した場合もリーク量が大きく減少する．一方，No. 3 のような穴径の拡大によりリーク量，圧は基準値を満たすが，シャープネス値が 3.2 acum を超え，音質的に睡眠を妨げることが考えられる．ここで，リーク量，圧ともに基準値を満たす No. 4 のような対角線上の穴径の拡大，フィルタの吸音効果によりシャープネス値が 0.4 acum 低下する．
したがって，対角線上の穴径の拡大により乱流の発生を抑制し，また，リーク量増加による音圧上昇を防ぐため不織布素材のフィルタの設置により，開口率を約 5.5 %，シャープネス値を 3.2 acum 以下に抑えることで快音化の可能性が示
唆される．

4Image

3.2

No. 3
No. 4
“With filter”
0.4 acum down

No. 1(Standard)

Improve

第 4 章を踏まえ，CPAP マスクリークポートに着目した快音設計について検討する．
5.1 実験条件
穴径，および穴数を変更したリークポートを Table 3 に示す．No. 1 を基準とし，3D プリンターにて作成した No. 2No. 4 のうち No. 4 に不織布またはフェルトを用い，リークポートに付加した No. 5, 6 の計 6 種を設置時の気流音を測定する．測定点は，リークポートから 10 cm 地点とする．
5.2 実験結果および考察
まず，Fig. 9 に示す No. 1，No. 5，No. 6 の周波数特性より，No. 6 にて 4000 Hz 以上の高周波数域の音圧が，基準となる No. 1 と比較して約 2.7 dBA 低下する．
さらに，Fig. 10 に各リークポートの開口率とシャープネス値の関係を示す．開口率𝐴は，リークポート全体の楕円面積を𝑠，穴の面積をℎ，穴の数を𝑛とすると，式（3）より算出される．

Specification change

1A-weighted SPL dBA

5. 快音設計要件の検討

StandardNo.

No. 2Worsen

2.40

3.1

No. 5
No. 6
Performance maintenance
5.5

7.8

12.5

Aperture ratio %Fig. 10 Relationship between sharpness
and aperture ratio
参考文献(1) 大林葵，島峰徹也，金澤立哉，戸井武司，高流量経鼻酸素療法による動作音の使用者および非使用者の快音化，第 32 回日本臨床工学技士会会誌，（2022）p.151．
(2) 大林葵，島峰徹也，戸井武司，医療機器の呼吸変動音が覚醒に及ぼす影響把握，日本音響学会講演論文集（春）（2023）pp.1005-1006．
(3) 大林葵，島峰徹也，戸井武司，呼吸変動音の同調による覚醒を考慮した在宅医療機器の快音化，日本音響学会講演論文集（春）1-9-16（2024）．
(4) 星野博之，戸井武司，音源のシャープネス値と感情極性値に基づく快適覚醒音刺激に関する考察，ヒューマンインタフェース学会論文誌，19-3（2017）pp.231-242．
(5) 関口純也，島峰徹也，安部花純，大林葵，戸井武司，持続陽圧呼吸療法マスクの呼気ポートにおける気流音特性分析と快音化にむけての取り組み，第 6 回神奈川県臨床工学会抄録集（2023）p.40．