JP2628690B2 - 呼吸数モニタ装置 - Google Patents

呼吸数モニタ装置

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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、外部からのノイズや干渉の影響を受けない
呼吸数モニタ装置に関するものである。
従来技術とその問題点 従来から、患者の呼吸数を比較的長い期間にわたって
監視することが望まれている。特に、乳幼児の突然死症
候群(SIDS;Sudden Infant Death Syndrome)に罹り易
いと思われる患者の場合には、呼吸数を正確にモニタす
ることが肝要となる。したがって、SIDSに罹る危険性が
高いと思われる幼児に対しては、種々の呼吸数モニタ装
置を用いることにより無呼吸状態あるいは呼吸の中止状
態を検出することが行われている。
上記のような無呼吸状態の検出器で最も一般的に量産
されているものの一つとして、インピーダンスニューモ
グラフに基づくモニタ装置が挙げられる。このようなモ
ニタ装置は、胸部に取り付けられた複数の電極間に交流
信号を印加させることにより作動されるようになってお
り、電極が取り付けられた胸部が拡張する毎にそれら電
極間のインピーダンスの変化を測定することにより、呼
吸が検出されるのである。詳しくは、前記電極間で測定
されたインピーダンスと静止する被測定者内の胸郭の容
量変動との間の関係に基づいて作動されるものであり、
被測定者の測定部位における動作によって、検出された
交流信号の振幅に影響が与えられる。しかしながら、か
かる従来のモニタ装置においては、呼吸をしていない状
態の被測定者がいくらか動いた場合には、呼吸波形に類
似した波形の信号が発生させられて、検出結果の精度が
充分に得られないという不都合があった。
また、被測定者の胸部と背部とにそれぞれ取り付けら
れた電極間の距離に関係して呼吸を検出する磁力計に基
づいたモニタ装置も提供されている。かかるモニタ装置
を呼吸の検出に用いることは可能であるが、このモニタ
装置は所謂モーションアーチファクトや誤った信号によ
る誤った呼吸検出に対して非常に敏感に反応してしま
う。
さらに、上記2つの形式のモニタ装置においては、実
際の空気の流れを妨げる妨害物があるにも拘わらず被測
定者が呼吸しようとして胸郭を拡張させることによっ
て、誤った呼吸の表示が行われてしまうという問題があ
る。
これに対して、近年、被測定者の呼吸音に基づいて呼
吸数を検出する形式の呼吸数モニタ装置が考えられてい
るが、かかるモニタ装置によっても、呼吸音と呼吸とは
無関係の音とを識別する点において問題があった。それ
ら呼吸とは無関係の他の音とは、被測定者自身に起因す
るノイズ(たとえば会話、いびき、腹部音、筋肉音、お
よび心音など)あるいは外部からのノイズ(機械ノイ
ズ、被測定者以外の者の会話、テレビやラジオの音声、
足音やドアを閉める音)によるものである。被測定者に
起因して発生するノイズは主に心音によるものである
が、このようなノイズから呼吸音だけを取り出すことは
困難であった。
問題点を解決するための手段 本発明は、以上の事情を背景として為されたものであ
り、その要旨とするところは、生体の呼吸数を検出する
モニタ装置であって、(a)前記生体から発生する音響
エネルギーを検出するとともに、その音響エネルギーに
応答して呼吸音に対応する第1成分と心音に対応する第
2成分と外部ノイズに対応する第3成分とを含む第1出
力信号を発生させる第1出力信号供給手段と、(b)予
め設定された周波数帯域の信号成分を濾波することによ
り、前記第1出力信号から前記第2成分および前記第3
成分を除去するとともに、前記呼吸音のみに対応する第
2出力信号を発生させる第2出力信号発生手段と、
(c)前記第2出力信号の二乗平均平方根値を算出する
手段を含み、前記第2出力信号のエネルギーに対応する
交流のエネルギー信号を発生させるエネルギー信号発生
手段と、(d)予め定められた帯域幅内の前記エネルギ
ー信号における零交差を識別するとともに、それら零交
差を前記生体の呼吸数と関連させる零交差識別手段と、
を含むことにある。
作用および発明の効果 このようにすれば、第2出力信号発生手段において、
予め設定された周波数帯域の信号成分を濾波することに
より、第1出力信号発生手段から発生された生体の音響
エネルギーに対応する第1出力信号から、心音に対応す
る第2成分と外部ノイズに対応する第3成分とが除去さ
れるとともに、呼吸音に対応する第1成分のみを含む第
2出力信号がエネルギー信号発生手段によりその二乗平
均平方根値を算出することにより交流のエネルギー信号
に変更され、零交差識別手段によって、そのエネルギー
信号内における零交差が識別されるとともに呼吸数と関
連づけられるのである。
したがって、本発明の呼吸数モニタ装置によれば、呼
吸音のみに対応する第2出力信号に基づいて呼吸数が検
出されるので、生体の心音や外部からのノイズによる影
響を受けることがなく、装置の検出精度が向上されると
いう効果が得られる。
なお、前記第2出力信号発生手段は、好適には、300
乃至600Hzの通過許容範囲を備えたバンドパスフィルタ
を含むものである。
実施例 以下に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。
第1図は、本実施例の呼吸数モニタ装置10の構成を示
すブロック線図である。なお、A/D変換器18から表示器4
4までの間の一部若しくは全部は所謂マイクロコンピュ
ータによって構成され得る。
呼吸音センサ12は、たとえばマイクロフォンなどから
構成されており、予め定められた帯域幅内の音響エネル
ギー(すなわち被測定者の呼吸音)に対して感応するよ
うに周波数特性が設定されている。なお、呼吸音センサ
12としては、マイクロフォンや圧電センサなどの、種々
の形式のセンサが用いられ得る。呼吸音センサ12から
は、被測定者の呼吸音に関連した成分,被測定者の心音
に関連した成分,および被測定者による生理的なノイズ
および外部からのノイズに関連した成分をそれぞれ含む
波形に対応する電気的な出力信号が発生されるようにな
っている。したがって、呼吸音センサ12が本実施例の第
1出力信号供給手段として機能する。この出力信号は、
増幅器14において増幅されるとともに、信号の通過許容
範囲が0.1Hz〜1000Hzに設定されたバンドパスフィルタ1
6により濾波された後、A/D変換器18によりデジタル化さ
れる。なお、A/D変換器18においては、信号のサンプリ
ングは約4000Hzに対応した周期にて行われる。第2図に
示すように、A/D変換器18から出力された正常な出力信
号の波形20においては、比較的高い振幅の第1成分21が
被測定者の心臓から発生する音響信号を表し、比較的低
い振幅の第2成分22が、被測定者の呼吸音と被測定者の
生理的要因および外的要因に起因して発生される複数の
他の信号成分とを表している。
上記波形20から呼吸数を求めるに際しては、前記被測
定者の呼吸音と前記他の信号成分とを表す第2成分22を
増幅するとともに、心音に対応する第1成分21や他の信
号成分を除去するのである。このとき、信号はアナログ
状態よりもデジタル状態である方が、信号の通過許容範
囲がより正確に得られる。また、信号は高い周波数にお
いてサンプリングされることが望ましい。以上のような
ことから、A/D変換器18からの出力信号は、信号の通過
許容範囲が300〜600Hzに予め設定されたバンドパスフィ
ルタ24において濾波されることにより、その通過許容範
囲を外れる心音を表す第1成分21と前記他の信号成分と
が除去された後、データ数減少モジュール26において2
対1の割合で第2成分22のデータ数が減少される。この
状態における出力信号の波形27においては、第3図に示
すように、第1成分21および前記他の信号成分は除去さ
れているとともに、呼吸音を表す第2成分22に対応する
信号は増幅されている。
波形27において呼吸音を識別するためには、予め定め
られた時間幅の可動ウィンドウ28(第1図に示す)を用
いて、波形27中の連続する大きな信号エネルギーの塊を
検出するのである。すなわち、可動ウィンドウ28の時間
幅内における波形27の二乗平均平方根値を次式(1)を
用いて順次算出して、エネルギー信号y(n)を求める
のである。
但し、 nおよびj:信号のインデックス (1)式において、可動ウィンドウ28の時間幅は変数
Nによって決定されるものであり、本実施例においては
その時間幅は0.125秒である。
次に、平滑フィルタ30において、次式(2)からエネ
ルギー信号y(n)の平均値がたとえば0.5秒の予め定
められた時間幅毎に算出される。
(2)式においては、上記時間幅は変数Mによって決定
される。以上のようにエネルギー信号y(n)の平均値
を求めて平滑化することにより信号y′(n)が得られ
て、実質的にはローパスフィルタを用いたのと同じ効果
が得られる。
続いて、直流成分除去モジュール34において、たとえ
ば4秒の予め定められた時間幅毎に前記エネルギー信号
y′(n)の平均値が次式(3)に示すように減じられ
ることにより、信号y′(n)から直流成分が除去され
る。
この直流成分除去モジュール34は、実質的には、遮断周
波数が(3)式の数値Lであるハイパスフィルタとして
作動する。この結果、エネルギー信号y′(n)は、第
4図に示す波形35を有する交流の信号y″(n)に変化
させられる。したがって、本実施例においては、可動ウ
ィンドウ28,平滑フィルタ30,および直流成分除去モジュ
ール34が、エネルギー信号発生手段を構成する。
波形35には、複数の頂点と谷部とが含まれており、そ
れら頂点は吸気音あるいは呼気音を表している。波形35
は、帯域内零交差検出器38により処理されるのである
が、以下にこの作動を第4図aに示す波形40を用いて説
明する。波形40には、波形35と同様に複数の頂点および
谷部が含まれている。各頂点40aおよび40a′は、それぞ
れ吸気音或いは呼気音を表しており、また谷部40bは呼
吸音の無いことを表す。このような波形40から呼吸音を
求めるためには、波形40内において「大きく且つ正方向
に向かう」零交差を決定しなければならない。この零交
差は、零軸を中心として予め設定された+Zから−Zま
での帯域を基準として決定されるものであり、本実施例
においては、Zは50に設定されている。すなわち、波形
40が前記帯域内から下限を通過した後に再び帯域内に戻
ってその上限を通過したときにおいて零軸と交差する点
が1点であるときに、その点が零交差であると決定され
るのである。たとえば、第4図aにおいては、40c,40d,
40eのいずれの点も零交差であるとは認められないが、
点41は上記の条件を充たしているので、零交差として決
定される。
第4図の波形35においては、帯域内零交差検出器38に
よって、第5図に示すように吸気および呼気の発生を表
す一連のマークが決定される。そして、それらマークの
発生時間から演算器42において呼吸数が算出されて、そ
の呼吸数が表示器44において表示されるのである。した
がって、本実施例においては、帯域内零交差検出器38お
よび演算器42が零交差識別手段を構成する。なお、演算
器42において採用されている処理ルーチンは、周知の種
々の演算技術から構成されている。
以上のように、本実施例においては、外部からのノイ
ズや干渉からの影響を受けることなく、被測定者の呼吸
音から効率良く呼吸数を決定することができるのであ
る。
なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であ
り、本発明はその精神を逸脱しない範囲において種々変
更が加えられ得るものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例である呼吸数モニタ装置の構
成を示すブロック線図である。第2図は生物学用トラン
スジューサから得られた正常な呼吸音データを表すグラ
フである。第3図は、第2図に示す信号から心音が除去
された結果残った信号波形を示すグラフである。第4図
は、第3図に示す信号波形が平滑化され且つハイパスフ
ィルタにより濾波された後のエネルギー信号の波形を表
すグラフである。第4図aは、帯域零交差検出器の作動
を説明するためのグラフである。第5図は、第4図に示
す波形が帯域零交差検出器により処理されたことにより
得られた呼吸数データを表すグラフである。 10:呼吸数モニタ装置 12:呼吸音センサ(第1出力信号発生手段) 24:バンドパスフィルタ 28:可動ウィンドウ(エネルギー信号発生手段) 30:平滑フィルタ(エネルギー信号発生手段) 34:直流成分除去モジュール(エネルギー信号発生手
段) 38:帯域内零交差検出器(零交差識別手段) 42:演算器(零交差識別手段)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】生体の呼吸数を検出するモニタ装置であっ
    て、 前記生体から発生する音響エネルギーを検出するととも
    に、その音響エネルギーに応答して呼吸音に対応する第
    1成分と心音に対応する第2成分と外部ノイズに対応す
    る第3成分とを含む第1出力信号を発生させる第1出力
    信号供給手段と、 予め設定された周波数帯域の信号成分を濾波することに
    より、前記第1出力信号から前記第2成分および前記第
    3成分を除去するとともに、前記呼吸音のみに対応する
    第2出力信号を発生させる第2出力信号発生手段と、 前記第2出力信号の二乗平均平方根値を算出する手段を
    含み、前記第2出力信号のエネルギーに対応する交流の
    エネルギー信号を発生させるエネルギー信号発生手段
    と、 予め定められた帯域幅内の前記エネルギー信号における
    零交差を識別するとともに、その零交差を前記生体の呼
    吸数と関連させる零交差識別手段と、 を含むことを特徴とする呼吸数モニタ装置。
  2. 【請求項2】前記第2出力信号発生手段は、300乃至600
    Hzの通過許容帯域を備えたバンドパスフィルタを含むも
    のである第1請求項に記載の呼吸数モニタ装置。
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