ド ーム天井型マイクロフォンを用いた呼吸音の検出
西田佳史, 堀俊夫, 末廣尚士, 平井成興
通産省 工業技術院 電子技術総合研究所 知能システム部〒 305-8568 茨城県つくば市梅園 1-1-4

Phone:+81-298-61-5156, Fax:+81-298-61-5971, Email:ynishida@etl.go.jp
あらまし 呼吸の有無を調べるための方法に, サーミスタを口・鼻周辺に装着させ, 呼吸に伴う温度変化を利用する方法が用いられているが, この方法では, センサの脱着が必要であり, 被験者が無意識的にセンサを外してしまうことがしばしばあるといった問題点がある. 本研究では, このような問題点を解決する計測手法として, 正常呼吸音の周波数特性を利用することで, 呼吸音を用いて呼吸の有無を測定する手法を提案する. また, 本研究では, 呼吸音検出機能を通常の生活環境において実現することを目的に, 一種のパラボラ型指向性マイクロフォンである「ド ーム天井型マイクロフォン」を試作した. これを用いた実験により提案手法の有効性を検証した.
キーワード

呼吸音

呼吸計測

無呼吸症候群

指向性マイクロフォン

Detection of Breathing Sound by Ceiling Dome
Microphone
Yoshifumi NISHIDA, Toshio HORI, Takashi SUEHIRO, and Shigeoki HIRAIIntelligent Systems Division, Electrotechnical Laboratory
1-1-4 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 305-8568 Japan
Phone:+81-298-61-5156, Fax:+81-298-61-5971, Email:ynishida@etl.go.jp

Abstract
In order to solve the problem of a conventional breath monitor in which a thermistor must be attachednear a person’s nose or mouse, this paper proposes a new method for monitoring breath by detecting normal breathing sounds. Features of normal breathing sounds are clariﬁed by frequency analysis. This paper also describes “aceiling dome microphone” which is a kind of a parabolic sound concentrator. It can detect normal breathing soundswith high sensitivity while keeping a room’s appearance natural. Experimental results proved the eﬀectiveness of theprinciple of the proposed method.

Keywords

breathing sound, breath monitor, sleep apnea syndrome, directional microphone

電子情報通信学会技術研究報告 ME とバイオサイバネティックス MBE2000-47, 2000

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緒論

2

呼吸音の分析

正常呼吸音の周波数成分を調べるために, できる限り機器の電源を切った状態で (騒音レベル 38.5[dB(A)] の環境), 正常呼吸音を測定した. 図 1 は , 正常呼吸音と, それ以外の暗雑音を比較した図である. 呼吸音は, 顔から10[cm] の位置で測定した. この図から, 呼吸音が可聴音域の全域にわたって周波数成分を持つことが分かる.
図 2は, 図 1に家庭で使用している代表的な電気機器の発する雑音を重ねた図である. 代表的な機器として , 空気清浄器, 計算機, 冷蔵庫, クーラー, テレビ (スタンバイ状態), 電話 (通話していない状態) 1を選んだ. 図中各機器による雑音は白色で表されている. 機器から発する音は,いずれも機器から 10[cm] の位置で測定した. この図から,これらの機器から発する音は, 可聴音域の低い周波数に集中していること, 高い周波数成分を持っていたとしても,限られた範囲の成分しか持たないことが分かる. したがって, このような暗雑音からなる環境では, これらの機器からの雑音が少ない 5∼15[kHz] の範囲の呼吸音を検出することで, S/N 比を高められることが分かる.
1 スピーカが付属している家電製品では, 電源が入っているだけで音を発している.

Sound Pressure Level [dB]

BreathNone908070605040302010002468101214161820

Frequency [kHz]

図 1: 正常呼吸音の周波数成分 (0-20[kHz])100

Sound Pressure Level [dB]

呼吸の有無を調べるための方法に, サーミスタを口・鼻周辺に装着させ, 呼吸に伴う温度変化を利用する方法が広く用いられているが, この方法では, センサの脱着が必要であるため, 検査者, 被検査者ともに負担が大きい. また, 適切に装着されている間は確実に計測できるが, 実用上は, 被検査者が無意識的にセンサを外してしまい計測不能に陥ることがしばしばあるといった問題点がある.
我々が医療施設と共同で行った臨床試験では, 呼吸状態の判定に必要な多数のセンサを使用した場合, 約 48[%]の症例 (43 症例中 21 例) でセンサが外れる, 適切に装着されていない等の理由で診断に必要な十分なデータが得られないことがあった. このことは, 正確な診断が必要な医療施設といえども, 安易に接触型センサを使用するのではなく, 装着の必要のない無拘束型のセンサの使用を検討すべきであることを示している. 在宅での長期間にわたる呼吸状態のモニタリングを考えた場合は, その必要性はさらに大きい [1].
本稿の目的は, 上述した問題点を解決する計測手法として, 正常呼吸音を用いて呼吸の有無を測定する手法を提案することにある. ここでの正常呼吸音とは, 異常呼吸音である鼾などの比較的大きな呼吸音ではなく, 健常な人が行っている吸気音, 呼気音からなる呼吸音をさす.
また, 本研究では, 就寝中の正常呼吸音検出機能を通常の生活環境において実現することを目的に, パラボラ型指向性マイクロフォンである「ド ーム天井型マイクロフォン」を試作した. これを用いた実験により提案手法の実現可能性を検証する.

100Breath
Air Purifier
PC/ATRefrigerator
Air Conditioner
TVPhoneNone

908070605040302010002468101214161820

Frequency [kHz]図 2: 正常呼吸音と暗雑音の比較 (0-20[kHz])
図 3は, 正常呼吸音, 深呼吸時の呼吸音, それ以外の暗雑音の周波数成分を比較した図である. 図より, 深呼吸時には, その周波数成分が 50[kHz] 程度の超音波領域に達することが分かる. なお, 28[kHz], 56[kHz] 付近で見られる
約 40[dB] の雑音は, 計算機からの雑音である.

Sound Pressure Level [dB]1100
Breath(deep)
Breath(normal)
Air Purifier
PC/ATRefrigerator
Air Conditioner
None90807060504030201000102030405060708090100

Frequency [kHz]図 3: 正常呼吸音, 深呼吸時の呼吸音と暗雑音の比較(0-100[kHz])
以上の分析に基づいて, 正常呼吸音を計測する手法を

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検討する.
一般に, 自由空間におかれた音源の音圧レベルは, 音源からの距離の 2 乗に反比例して小さくなる. 音源である
鼻／口からの距離が 10[cm] の地点で高々30[dB] の音圧レベルしか持たない正常呼吸音を, 例えば , 音源から 1[m]離れた位置で計測すると, 音圧レベルは 20[dB] 低くなるので, 雑音レベルと同じになり検出不能になる. 正常呼吸音を検出するためには, 十分近くから計測するか, 離れた位置から指向性のマイクロフォンで計測する必要がある.
以下, 本稿では, 指向性のマイクロフォンを利用することで, 離れた位置から呼吸音を検出する手法を検討する.

割と, 収音装置としての機能を実現している. 使用したマイクロフォンは, 20[kHz] までの周波数に対して平坦な特性を持つコンデンサー型の半球全指向性マイクロフォンであり, ド ーム天井からの反射音をとらえるようにドーム天井の聴覚焦点位置に上向きに取りつけられている. ド ーム
天井型マイクロフォンが部屋に設置された様子を図 4に,その拡大図を図 5に示す. ド ーム部は曲率半径が 775[mm]の球面で, 開口部の円の半径は, 450[mm] である. マイク
ロフォンの出力を AD を介し , 40[kHz] のサンプリング周波数で計算機に取り込み信号処理を行っている.

ceiling dome

3 ド ーム天井型マイクロフォン
ある特定の方向から来る微小な音を受音するためのマイクロフォンとしては, 反射鏡形, ライン形, アレー形の超指向性マイクロフォンなどがある [2, 3]. 概して, ど の収音原理でも, 同程度のサイズでは同程度の収音効果が期待できるが , 本研究では, 複雑な信号処理を必要とせず,システム化が容易な反射鏡形マイクロフォンを使用して,呼吸音を検出することを検討する.
反射鏡形のマイクロフォンには, 放物回転体を利用したパラボラ形, 楕円の反射面を利用したミラー型がある
が [4], 収音効果に大きな差は無い. 一方, 市販されている
ド ーム天井では, 球面のものが多く, 入手しやすい. そこで, 本研究では, ド ーム天井の球形反射面により収音することを検討する. 以下, システム構成, システムの収音効
果とその理論的考察について述べる.

3.1

システム構成図 4: 部屋に設置されたド ーム天井型マイクロフォン
試作したド ーム天井型マイクロフォンは , ド ーム天井,マイクロフォン, 照明装置からなり, 間接照明としての役

microphone

900mm

図 5: ド ーム天井型マイクロフォン

3.2

収音効果の理論的考察

3.2.1

収音効果の理論値の導出

図 6は, 球面の反射体による反射波の様子を示している. 図中の球面の大きさ, 球面と音源の距離は, 試作した
ド ーム天井とその使用条件に合せて描いてある. 音源からの発生している音線が球面によって集まっていく様子が分かる. この図で示すような幾何的な反射モデルでは ,音波の伝達経路の差による位相差の影響を考慮しておらず, 本当に図の焦点位置と見える位置で音圧レベルが高くなっているのか不明である. また, 音の周波数による収音効果の違いを考察することができない. そこで, 球面の反射体球面の反射体による収音効果を, 波動的な取り扱いにより理論的に解析する.
図 7のように反射体, 音源の位置関係をモデル化した.
音源 (呼吸音) は , 点音源, 反射体は, 球を円形に切り取った球面 concave からなるとする. 反射体における反射は,完全反射を仮定する.
反射体が無い場合, 点音源から r の位置 (図の点 Ps ) における速度ポテンシャル Φ̇s , 粒子速度 V̇s は, 式 (1)(2) のように表現できる. 点音源の体積速度を U0 , 波数を k とすると,

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spherical reflector

は静止しているとして , dS 部分の振動による速度ポテン
シャルを求め, つぎにその速度ポテンシャルを dS について全反射体にわたって積分すると, 反射体全体による反射波による速度ポテンシャルが求められる.
微小部分 dS を点音源と考え, これが体積速度 −Vs · dS
で, 半無限空間に対して音を放射する場合, 点音源からの距離 r1 における速度ポテンシャル dΦ̇r は , 以下のようになる [5, 6].

2000
1800
1600
1400
center[mm]12001000dΦ̇r = −800

V̇s e−jkr1dS2πr1

よって, 反射体全体による放射波の速度ポテンシャル Φ̇rは, 以下のようになる.
V̇s e−jkr1Φ̇r =dΦ̇r = −dS(3)2πr1

600400200式 (2),(3) より,

sound source

0-400-2000200400Φ̇r = −[mm]となる. よって, この時の反射体による音圧 Ṗr は , 角速度を ω, 空気の密度を ρ とすると, 以下のようになる.

図 6: 球面による反射波

Ṗr-Vs dSdS

Pssp
her icalΦr

Rsθr1と置き, 式 (4) を数値計算のために離散表現すると,

P

∆Sr

Ṗr
Φ0= Rs2 sin θ∆ξ∆θkρωU0 R2s   e−jk(ri +r1i )=sin θ∆ξ∆θ8π 2ri · r1iとなる. ∆ξ∆θ は一定だとすると, 以下のようになる.
  sin θkρωU0 R2 ∆ξ∆θyx|Ṗr |sound sources=8π 2(  sin θV̇sU0 −jkre4πr
jkU0 −jkr= jk Φ̇s =e4πr=

ri · r1icos(k(ri + r1i )))2sin(k(ri + r1i )))2
ri · r1i−→−−→(ri = |Ps |, r1i = |Ps P |)+(図 7: 球面反射モデルΦ̇s(4)Ps = (Rs sin θ cos ξ, Rs sin θ sin ξ, Rs cos θ + Zc )wave(0,0,Zc)

zjωρΦ̇rkρωU0 e−jk(r+r1 )dS
8π 2 r · r1

音源位置を原点にとり, 反射体上の点 Ps を,R
Ps==ξ

spherical reflector

jkU0 e−jk(r+r1 )dS
8π 2 r · r1

3.2.2

(5)

数値計算結果と考察(1)(2)

この音場に, 反射体を置くと式 (2) の粒子速度は, 0 になるが , それによって生じる反射波は, もとの音源を止めてこの反射体が −V̇s で振動する時（一種の音源）の放射波に等しいと考えてよい.
反射体の微小部分 dS だけが , V̇s で振動し , 他の部分

図 8は, 球の半径 Rs = 0.775[m], 球の開口円半径
R = 0.450[m], マイクロフォンの位置を (0, 0, 1.56)[m](音源を 原点とし ている. 球の中心から , z 軸正の方向に0.295[m] の地点. ) とした時の音圧 P1 と , 自由空間内において, 音源からの距離が 1.56[m] である位置の音圧
1P0 を , 20 log PP0 [dB] で表現し , 収音効果の周波数特性を示したものである. P1 の計算に式 (5) を用いた. 実線が理論値, 各点が実測値を示している.

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800

800

600

600

theoretical value

Gain [dB]z [mm]

30z [mm]

40400

400

20
measured value

102000200

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0-4500450-450x [mm]-104500x [mm]

800

800

600

600

Frequency [Hz]z [mm]-30z [mm]-20400200200

図 8: ド ーム天井型マイクロフォンの収音効果の周波数特性 (理論値と実測値の比較)

00-4500-450800

600600z [mm]z [mm]

4500x [mm]800

40020040020000-4500450-450x [mm]4500x [mm]図 9: 500[Hz], 1[kHz], 2[kHz], 5[kHz], 20[kHz], 40[kHz]の時の音場の様子
8006004002000-4500450x [mm]4 ド ーム天井型マイクロフォンを用いた呼吸検出実験
図 11は, 試作したド ーム天井型マイクロフォンを用いて呼吸音を測定した結果である. 結果に示した実験の計測は, 46.5[dB(A)] の騒音環境である実験室において, ベッ
ド に横たわる人の顔から 2040[mm] 離れたド ーム天井を用いて行われたものである. 呼吸音の周波数特性の知見に基づいて 5∼15[kHz] の範囲で測定音のパワースペクトルの積分値をとり, その他の雑音レベルと比較した図である. 図より試作したド ーム天井型マイクロフォンによって, 吸気音, 呼気音からなる正常呼吸音が測定可能であることを示している.

450x [mm]z [mm]図 8から, 実測値が理論値よりもやや下まわりながら,理論値にしたがって変化していることが確認できる. このことは, 本稿で扱ったド ーム天井では, 境界条件が単純であるため, 前述したような古典的な音響理論によっても,うまく収音効果が推定可能であることを示していると考えられる. また, 図中の実測値から, 6∼20[kHz] の広範囲にわたって, 20[dB] 以上の収音効果があることが確認できる. 正常呼吸音の S/N 比が 5∼15[kHz] の周波数範囲で高いことから, 天井ド ームを利用した収音により正常呼吸音が検出可能であると考えられる.
図 9は, 500[Hz] ∼ 40[kHz] のドーム付近の音場を式 (5)により数値計算して示したものである. 図の縦軸は, 球の中心の高さを 0 としている. 図より焦点位置が周波数が高くなるにつれて紙面下向きに移動していくことが分かる. この焦点位置は, 20[kHz] 以下の可聴域の音波を, ここで考えている大きさのド ーム天井で収音した場合, 幾何音響学的な焦点位置に一致しないが, 周波数が高くなるにつれて図 10に示す幾何音響学的な焦点位置に漸近していくことが確認できる.

400

図 10: 幾何音響学的に求めた音場の様子

5

結論

本研究では, 正常呼吸音, 日常環境における雑音を計測することで, 1) 呼吸音が可聴域全域にわたる広い周波数成分から構成されていること, 2) 多くの家電製品の周波数は, 5[kHz] 程度までの可聴域の低い周波数帯域に集中していること, 3) 5-15[kHz] の範囲で呼吸音の S/N 比が高くなることを明らかにした.
また, 微小な正常呼吸音を音源位置から離れた場所で計測するための装置として, ド ーム天井型マイクロフォンを試作し , 実現された性能を報告した. 球形のド ーム天井を理論的に考察し , 実現できる収音効果, その周波数特性

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Integral of Power Spectrum
from 5 to 15 [kHz]exhalation soundone breath

inhalation soundbreathing sound010203040

Time [s]room noise

図 11: 呼吸音検出実験の結果が, 数値計算により容易に推定可能であることを示した.
さらに, 試作したド ーム天井型マイクロフォンを用いて正常呼吸音検出実験を行うことで, 正常呼吸音を用いた呼吸の有無判定の測定原理を検証した.
今後の課題としては, 1) 被験者を増やし , 鼻の穴の大きさ, 呼吸量など個人差による検出性能の違いの評価をすること, 2) 寝ている被験者の位置が大きく変化した際に,聴覚焦点位置へのマイクを移動させる機構の追加などがあげられる.

謝辞
本研究を進めるにあたり, 音響学的考察に助言を頂いた電子技術総合研究所基礎計測部の佐藤宗純氏に感謝致します. 本研究の一部は科学技術庁流動促進研究費 (平成10-12 年度 環境感覚を用いた人間の生理情報の蓄積とその応用に関する研究 ) により実施された.

参考文献[1] 戸川:”無拘束計測の展望, ” BME, Vol. 4, No. 8, pp.
1-6, 1990[2] 古井著: ”音響・音声工学,” 電子・情報工学入門シリー
ズ 2, 近代科学社, 1992
[3] 金田 豊: “アダプ ティブ マイクロフォンアレー,” 電子情報通信学会論文誌, B-II, Vol. J75-B-II, No.11,
pp742-748, 1992
[4] 時田監修: “音の環境と制御技術 I 基礎技術,” フジテ
クノシステム, pp937-940, 2000
[5] 実吉, 菊地, 熊本監修: ”超音波技術便覧 (新訂版),” 日刊工業新聞社, 1978
[6] J. W. S. Rayleigh: “The Theory of Sound,” Vol.2,
Dover Publications (New York), pp107, (original)1877, (reprint)1945

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