JP4494985B2 - 心拍および呼吸情報の収集装置 - Google Patents

Description

この発明は心拍および呼吸情報の収集装置に関し、特にたとえば、自動車運転や看護業務などの実場面でドライバや看護士の状態を推定するための心拍および呼吸情報を収集する、心拍および呼吸情報収集装置に関する。

瞬時心拍の変化は、心臓交感神経系と副交感神経系の活動のバランスを反映し、覚醒、緊張、驚きなどによって上昇する。また、心拍変動には呼吸性成分、および約１０秒周期の血圧変動に由来する成分があり、身体的・精神的負担や注意集中の指標として用いられる（非特許文献１）。呼吸は、緊張や注意集中によって、浅く速い呼吸となったり、一過性の大きな呼吸や一時的な息こらえが生じる、単調・倦怠で遅い一過性の大きな呼吸が増えるなどの特徴がある。また、呼吸性心拍変動成分の変化の解釈にも呼吸情報は欠かせない。

心拍・呼吸情報は、自動車運転中のヒヤリ・ハットや緊張の生じる苦手場面の検出（非特許文献２）、自動車運転以外にもプラントのオペレータや機械作業者の作業負担の評価、医療業務を行っている看護士の作業分析やヒヤリ・ハット検出にも利用される（非特許文献３）。

データ収集を目的とする場合には、心拍は使い捨て電極などを用いた心電図計測により、また呼吸は胸部腹部の周囲長変化を検出するセンサや鼻部につけた温度センサにより、比較的容易に計測できるが、長時間計測や日常場面での計測となると、計測に伴う被測定者の負担のさらなる軽減が望まれる。自動車運転では、ハンドルや座席、シートベルトなどセンサを組み込んだ計測方法が開発されている（特許文献１および２）。

ただし、これらの従来技術や特許文献１および特許文献２の従来技術では、いずれも、心拍と呼吸の情報を同時に取得することはできない。したがって、もし、心拍情報と呼吸情報とを同時に取得しようとすると、それぞれ別々のセンサ等を使用する必要があり、嵩張り大型になり、被験者に装着に大きな負担を与える。

これに対して、特許文献３には、手首に巻いた脈拍センサからの脈拍数と最高血圧値とによって、呼吸数を計算で推定する方法が開示されている。この特許文献３のものでは、脈拍を検出し、脈拍数と呼吸数とを１つの脈拍センサで推定することができる。
大須賀美恵子「特集インタフェースと生理計測−心的状態の指標としての心拍・心拍変動」ヒューマンインタフェース学会誌、Ｖｏｌ．６ Ｎｏ．１ ｐｐ．９−１４ ２００４ 栗谷川幸代、大須賀美恵子、景山一郎「運転支援システム構築のための基礎的研究−心拍を用いた危険・苦手場面検出について−」日本人間工学会第４５回大会講演集、Ｖｏｌ．４０ ｐｐ．３６４−３６５ ２００４ 桑原教彰、萩田紀博、小暮潔、野間春生、鉄谷信二、伊関洋「ウェアラブルセンサによる看護業務の自動行動計測手法」情報処理学会論文誌、Ｖｏｌ．４４ Ｎｏ．１１ ｐｐ．２６３８−２６４８ ２００３ 特開２００２−１０２１８８号［A61B5/0245 0408 0478 0492 18］ 特開平８−１４０９５０号［A61B 5/0245 B60R 22/12 48］ 特開平６−１４２０８２号［A61B 5/08］

特許文献３の従来技術では、脈拍センサを手首に装着するだけでよいので、被験者の装着の負担を軽減することはできる。しかしながら、この従来技術では、呼吸数の計算のために最高血圧値の情報を用いるが、それはあくまで推定値であること、そして１拍ごとの血圧を測定する必要があって負担が大きいという問題がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、被験者の負担を最小にしてしかも正確な心拍情報と呼吸情報とを同時に収集できる、心拍および呼吸情報収集装置を提供することである。

請求項１の発明は、被験者の所定部位の体表面上に、軟弾性材料を介して、装着される機械‐電気変換マイクロフォン、機械‐電気変換マイクロフォンの出力信号を増幅するマイクアンプ、マイクアンプの出力信号から心拍情報を抽出する第１抽出手段、およびマイクアンプの出力信号から呼吸情報を抽出する第２抽出手段を備え、機械‐電気変換マイクロフォンの出力レベルが所定以上のとき第１抽出手段および第２抽出手段を不能動化する、心拍および呼吸情報の収集装置である。

請求項１の発明では、たとえばＮＡＭマイクロフォン（１０:実施例で対応する部分またはコンポーネントを示す参照符号。以下、同様。）を用い、機械‐電気変換マイクロフォン（１４）がたとえばソフトシリコーンのような軟弾性材料を介して、被験者の体表面上に装着される。コンデンサマイクロフォンには被験者の筋肉や結合組織などの軟部組織を通して、調音呼気音の振動が伝達される。軟弾性材料の音響インピーダンスは、被験者の軟部組織の音響インピーダンスとほぼ等しいため、被験者の軟部組織から体表面を介して伝導する調音呼気音の反射がなく、調音呼気音がほぼそのまま機械‐電気変換マイクロフォンに到達する。したがって、機械‐電気変換マイクロフォンで効率よく、調音呼気音を電気信号に変換することができる。この調音呼気音の波形には、被験者の呼吸音や心臓の拍動に関連した波形変化も重畳されている事実を、発明者等が実験の過程で発見した。したがって、機械‐電気変換マイクロフォンの出力信号から第１抽出手段および第２抽出手段によって、心拍情報および呼吸情報を抽出することができる。
請求項１の発明では、さらに、たとえばＮＡＭ採取用のマイクアンプ（３２）の出力信号がレベル検知器（３４）によって検知される。そして、マイクアンプ（３２）すなわちコンデンサマイクロフォン（１４）の出力信号レベルが所定以上であるときは、本来のＮＡＭ採取のために調音呼気音を利用しようとしているときなので、このときには、たとえばレベル検知器（３４）は、たとえば、ＮＡＭマイクロフォン（１０）と重畳波形取出し用のマイクアンプ（２２）との間に介挿されているスイッチ（３６）をオフする。そうすると、重畳波形信号が第１抽出手段や第２抽出手段に送られなくなるので、第１抽出手段や第２抽出手段による心拍情報抽出および呼吸情報抽出が不能動化される。そのため、誤った心拍情報や呼吸情報が抽出されてしまうのを防止できる。

請求項１の発明では、被験者には機械‐電気変換マイクロフォンを軟弾性材料を介して装着するだけでよく、装着の負担は極めて小さくなる。一方、第１抽出手段および第２抽出手段から取り出される心拍情報および呼吸情報は、いずれも、被験者のそのときの実際の心臓拍動や呼吸に基づくものであるため、非常に正確である。しかも、誤った心拍情報や呼吸情報が抽出されてしまうのを防止できる。

請求項２の発明は、第１抽出手段は第１所定周波数以下の信号成分を通過する第１フィルタを含む、請求項１記載の心拍および呼吸情報の収集装置である。

請求項２の発明では、調音呼気音に重畳する心拍に関連した信号の主成分がたとえば１００Ｈｚ以下であることに鑑み、第１抽出手段をたとえば１００Ｈｚのような第１所定周波数以下の信号成分を通過させる第１フィルタで構成することとした。

請求項３の発明は、第２抽出手段は第２所定周波数以上の信号成分を通過する第２フィルタを含む、請求項１または２記載の心拍および呼吸情報の収集装置である。

請求項３の発明では、調音呼気音に重畳する呼吸に対応した成分は、吸気ではたとえば１５０Ｈｚ以上２００Ｈｚ近辺で優勢で、呼気ではこの成分に加えたとえば５００Ｈｚ以上の高い成分まで広く分布するので、第２抽出手段を、たとえば１５０Ｈｚのような第２所定周波数以上の信号を通過できる第２フィルタで構成することとした。

請求項４の発明は、機械‐電気変換マイクロフォンはコンデンサマイクロフォンである、請求項１ないし３のいずれかに記載の心拍および呼吸情報収集装置である。

機械‐電気変換マイクロフォンとしてコンデンサマイクロフォンを用いれば、小型で高感度の心拍および呼吸情報収集装置が得られる。

請求項５の発明は、軟弾性材料は、被験者の体表面における音響インピーダンスと等しいかほぼ等しい音響インピーダンスを有する材料である、請求項１ないし４のいずれかに記載の心拍および呼吸情報収集装置である。

請求項５の発明では、被験者の体表面と軟弾性樹脂との間で音響インピーダンスがマッチングするため、調音呼気音が体表面と軟弾性樹脂との界面で反射しないので、調音呼気音が効率よく、機械‐電気変換マイクロフォンに伝導される。

この発明によれば、被験者の所定部位にコンデンサマイクロフォンを装着するだけでよく、したがって、被験者の負担を最小にして、心拍および呼吸情報が同時に収集できる。しかも、すべて実測値であるので、正確な心拍および呼吸情報が得られる。したがって、これらの心拍情報および呼吸情報を用いれば、自動車運転や看護業務などの実場面でドライバや看護士の状態を比較的正確に推定することができる。

この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１はこの発明の実施例で用いるＮＡＭマイクロフォン１０を被験者に装着した状態を示す図解図である。ただし、この図１の実施例では、この実施例の効果を検証するためだけに必要なセンサも同時に図示している。

つまり、被験者１の左胸部心臓付近に吸着補助具（図示せず）を用いてマイクロフォン２を接着し、このマイクロフォン２で被験者の心音を計測する。また、心電図は、３つの使い捨て電極３を用いて胸部（ＣＭ５）誘導で計測する。頸動脈上に光電式反射型脈波センサ４を装着し、そのセンサ４で脈波を計測する。本来的には、圧脈波を計測すべきところであるが、末梢血管（耳朶や指尖）用のセンサで代用した。伸縮により電気抵抗が変化するセンサ（伸縮性可変抵抗素子）５を胸部に装着し、呼吸に伴って変化する周囲長を計測することによって、呼吸を検出する。

これらのセンサまたはコンポーネント２，３，４および５は、この発明には本来不要であるが、この実施例によって、ＮＡＭマイクロフォン１０を用いて心拍および呼吸情報が収集できることを実証するために利用される。

つづいて、図１実施例で用いられるＮＡＭマイクロフォン１０について説明する。ＮＡＭマイクロフォンとは、本件発明者等が、非可聴つぶやき（ＮＡＭ：Non-Audible Murmur）を利用した音声入力インタフェースの実現をめざして開発したものである。ここで、「非可聴つぶやき（ＮＡＭ）」の語は、周囲の人が内容を聴取することが困難な、口の中で自己処理的に行う発話行動を指す、発明者等が提唱した造語である。これを音響学的にいえば、声帯振動を伴わない無声呼気音が発話器官の運動による音響的フィルタ特性変化により調音されて、人体頭部の主に軟部組織を伝導したもの、と定義できる。したがって、ＮＡＭマイクロフォンとは、一般的に表現すれば、声帯の振動を伴わない調音呼気音（ＮＡＭ）の体内伝導を収集するために、体表面に接着または装着するマイクロフォンのことである。しかしながら、ここでは、便宜上、この種のマイクロフォンを「ＮＡＭマイクロフォン」と呼ぶことにする。ただし、この「ＮＡＭマイクロフォン」の語は、特定の形状や構成のマイクロフォンを意味するものではなく、調音呼気音の体内伝導を採取できるマイクロフォンをすべて包含するものと解釈されたい。

ＮＡＭマイクロフォンを用いれば、調音呼気音の体内伝導を収集できるので、周囲雑音の存在下でも音声認識が可能となるばかりか、調音呼気音は第三者に聞こえないので、衆目環境での有性発話の心理的障壁や情報漏洩に対処することができる。ただし、この実施例ではこのようなＮＡＭマイクロフォンを用いてはいるが、その目的は、ＮＡＭを収集するためではない。

発明者等のＮＡＭ採取の実験の過程で、ＮＡＭマイクロフォンを特定部位に接着ないし装着することによって、被験者の呼吸音や心臓の拍動に関連した波形変化が調音呼気音に重畳されることを確認した。ＮＡＭ採取の観点からは、呼吸音や心臓の拍動に関連した波形変化は除去する必要があるが、一方では、心拍や呼吸情報は人の身体的および／または精神的状態を推定するのに有用な情報である。そこで、この発明は、ＮＡＭマイクロフォンから得られる調音呼気音に呼吸音や心臓の拍動に関連した波形変化が重畳されるという、確認した事実に基づいて、新規な構成で、心拍や呼吸の情報を収集せんとするものである。荷物の積み下ろしなどの動きの多いドライバ（運転手）や看護や患者の監視などのため激しい動作をする看護士などの作業場面では、装着の負担が可及的小さいことが要求されるので、このような小型のＮＡＭマイクロフォン１０を装着するだけでよいこの発明は特に有用である。

つづいて、この発明の理解に必要な範囲でＮＡＭマイクロフォンについて、図２および図３を参照して説明する。

図２に示すＮＡＭマイクロフォン１０は、軟弾性材料、たとえばソフトシリコーンのような樹脂からなる截頭円錐形（頂部を切り取った形の円錐形）の装着部１２を有し、この装着部１２の截頭部上端面にコンデンサマイクロフォン（Electret Condenser Microphone）１４を接着する。このコンデンサマイクロフォン１４は、よく知られているように、適宜の間隔を隔てた２枚の電極１６を有し、電極間容量の変化で音声振動を検知するものである。つまり、ソフトシリコーンからなる装着部１２が被験者の特定部位の体表面１Ａに接着または装着され、この装着部１２を介して伝播する調音呼気音（それに重畳した呼吸音や心臓の拍動に関連した波形変化も含む）による振動に応じて、２つの電極１６の間の容量が変化するので、その容量変化を電気信号として取り出すことによって、調音呼気音およびそれに重畳している波形の電気信号が得られる。この波形信号（電気信号）が端子１８から取り出される。なお、外部雑音を遮断するために、装着部１２の上方に、コンデンサマイクロフォン１４を囲繞するように、ケース２０が設けられる。このケース２０は金属もしくは樹脂で形成され得る。

図３に示すＮＡＭマイクロフォン１０も、図２のものと同様に、たとえばソフトシリコーンのような軟弾性材料からなる截頭円錐形の装着部１２を有するが、この例では、コンデンサマイクロフォン１４は、図２の例とは異なり、装着部１２の材料中に埋め込まれる。そして、装着部１２が被験者の特定部位の体表面１Ａに接着または装着され、図２の場合と同様に、調音呼気音の波形およびそれに重畳した呼吸音や心臓の拍動に関連した波形の電気信号を端子１８から取り出す。なお、この図３の例でも、外部雑音を遮断するために、装着部１２の上方に、装着部１２を全体的に囲繞するように、金属または樹脂のケース２０が設けられる。図２ではコンデンサマイクロフォン１４が装着部１２から露出しているのに対し、図３のＮＡＭマイクロフォン１０では、コンデンサマイクロフォン１４は装着部１４の軟弾性材料内に完全に埋め込まれている。この構造によれば、コンデンサマイクロフォン１４の裏面や側背部から外部ノイズが浸透する領域と、体表面から伝わる振動音が伝達される領域とを隔離し易く、人体の肉内にコンデンサマイクロフォンを直接埋め込んだと同様の効果が期待できる。

なお、装着部１２の素材としては、松風株式会社製の歯科複模型用シリコーン印象剤「デュプリコーン（DUPLICONE: vinyl polysiloxane）」を用いた。

ＮＡＭマイクロフォンについては、発明者等による別の論文に詳しいので、ここでは参考のためにその論文を引用する。

(1) 中島淑貴，柏岡秀紀，キャンベルニック「非可聴つぶやき認識」電子情報通信学会論文誌Ｄ−ＩＩ，Ｖｏｌ．Ｊ８７−Ｄ−ＩＩ,ＮＯ．９，ｐｐ．１７５７−１７６４，２００４
(2) 鹿野清宏，中島淑貴，竹苗浩司，柏岡秀紀，鹿野清宏，キャンベルニック「NAM Interface Communication」情処研報，Ｖｏｌ．２００４,Ｎｏ．７４，ｐｐ．３３−４０，２００４
図１の実施例では、図２または図３に示すＮＡＭマイクロフォン１０を被験者１の所定部位、耳介後下方部に装着する。詳しく説明すると、頭蓋底の耳孔のすぐ後ろに乳様突起と呼ばれる骨の突起がある。これは首の筋肉（胸鎖乳突筋）と頭蓋骨とをつなぐ起始部となる部位である。この乳様突起に振動版の上部が一部かかる位置にＮＡＭマイクロフォン１０を装着する。このように装着することで、固定板が乳様突起という骨の先端に一部かかるので、ＮＡＭマイクロフォン１０がしっかりと当該部位に固定される。ただし、振動板の中心は筋肉の上にある。解剖学的にみると、この筋肉の部分は、調音器官である声道を、上は頭蓋底、左右は下顎骨と頸椎とに挟まれた骨の窓を通して、斜め後ろ側から水平に眺めた形になる。骨などの音響的障害物なしに、筋肉や結合組織などのほぼ同じ音響インピーダンスの軟部組織だけを通して直線的に見渡せる構造となっており、調音器官の共鳴による音響フィルタ特性を捕らえるのに適している。この実施例では、本来のＮＡＭ採取も兼ねているので、調音器官の共鳴による調音呼気音を効率的にピックアップできる位置にＮＡＭマイクロフォン１０を装着した。しかしながら、もし、ＮＡＭ採取が必要なく、ただ心拍情報や呼吸情報だけを取得するためには、上で説明した位置とは異なる位置にＮＡＭマイクロフォン１０を装着するようにしてもよい。

このような部位の体表面１Ａ上に、図２または図３のＮＡＭマイクロフォン１０を取り付けると、装着部１２が軟弾性材料であり、その軟弾性材料の音響インピーダンスは、被験者の上記軟部組織の音響インピーダンスと等しいかほぼ等しいため、その軟部組織から体表面を経て伝導する調音呼気音（それに重畳した呼吸音や心臓の拍動に関連した波形変化も含む）の体表面１Ａと装着部１２との界面での反射が少なく、その調音呼気音による振動がほぼそのままＮＡＭマイクロフォン１０内のコンデンサマイクロフォン１４に到達する。したがって、コンデンサマイクロフォン１４で効率よく、調音呼気音やそれに重畳した呼吸音や心臓の拍動に関連した波形変化を電気信号に変換することができる。

なお、実験では、ＮＡＭマイクロフォン１０を被験者の耳介後下方部に装着するために、カチューシャ(Ｃ字状に丸く曲げて弾力を持たせたプラスチックなどからなるヘアバンド)状の装着具を用いたが、このＮＡＭマイクロフォン１０の装着または接着方法は、外れたりずれたりしなければ、テープで止めるなど任意でよい。

ここで、実際の被験者を対象にした実験の結果について説明する。被験者はインフォームドコンセントを得た２０歳代前半の健常な大学生１０名である。ＮＡＭマイクロフォン１０や他のセンサまたはコンポーネント２−５は、図１に示すように、各被験者に装着した。そして、計測条件は、呼吸を止めているときと、普通に呼吸しているときの２条件とした。

実験では、図１のＮＡＭマイクロフォン１０からの信号や各センサ２−５からの信号は、それぞれ５ｋＨｚでＡ／Ｄ変換（サンプリング）して、コンピュータ（図示せず）に取り込んで評価することにした。ただし、呼吸センサ５からの信号は５０Ｈｚで、心電図センサ３からの信号および脈波センサ４からの信号はともに１ｋＨｚでリサンプリングした。なお、ＮＡＭ採取が目的の場合には、ＮＡＭマイクロフォン１０の出力信号（マイクアンプ２２の出力信号）は１６ｋＨｚでサンプリングするが、この実施例では、マイクアンプ２２の出力信号は５ｋＨｚサンプリングとした。予備的な検討で、心拍および呼吸に対応した情報は１ｋＨｚ以下に多く含まれていることを確認し、データ量削減と、本来のＮＡＭや有声音との分離のため、低周波領域に着目することにしたためである。

心電図データにＲ波強調フィルタ（参照：大須賀美恵子「健常者の心理的状態評価への応用を目的とした心電図ＱＲＳの検出について」医用電子と生体工学，Ｖｏｌ.３０，Ｎｏ．２，２７−３５，１９９２）をかけてＲ波のピークを検出し、これをトリガとして前０．２ｓｅｃ、後１ｓｅｃ分の心電図、ｈ−ＮＡＭ（心音センサ２で計測した信号）、ｃ−ＮＡＭ（実施例のＮＡＭマイクロフォン１０で取り出した信号）、および脈波データを切り出してコンピュータ画面に重畳表示し、同時に加算平均波形を求め、心拍情報について検討した。さらに、低周波成分をハイパスフィルタで除去した後に、１フレーム１０２４点（０．２０４８ｓｅｃ）でＨａｎｎｉｎｇ Ｗｉｎｄｏｗ使用、１/２フレームオーバラップしたスペクトルアレイや、これを用いた種々のバンドパスフィルタ出力を求め、心拍、呼吸に関連した信号が優勢に見られる周波数帯域を定めて、その帯域の平均パワーの時系列変化を求め、心拍や呼吸曲線と比較検討した。
［実験結果］
図４に普通に呼吸をしているときの計測結果の例を示す。図４では、上段から順に、呼吸、心電図、ｈ−ＮＡＭ、ｃ−ＮＡＭ、脈波の波形を示し、それぞれ２０ｓｅｃ分を表示している。この図４からわかるように、ＮＡＭマイクロフォン１０の出力に基づくデータｃ−ＮＡＭ（図４の４段目）にも１拍ごとに、心音図（ｈ−ＮＡＭ：図４の３段目）の第I音、第II音と同じような特徴的な２つの信号が観察される。

しかし、ｃ-ＮＡＭの中のこれらの２つの信号の波形や生起タイミング（各信号のピーク潜時）は心音図のものと同等でなく、個人差が大きい。そこで、個人の条件別に、Ｒ波ピークをトリガとした重畳表示（図５）と加算平均波形（図６）をもとに詳細に検討を加えた。図５および図６のいずれも、上段から順に、心電図、ｈ−ＮＡＭ、ｃ−ＮＡＭ、脈波の波形を示している。

図５および図６から、ＲＲ間隔、ＰＴＴ（Ｒ波から脈波基点までの時間）の変動が小さく、ｈ−ＮＡＭ、ｃ−ＮＡＭの波形も安定していることがわかる。このデータは呼吸を止めているときのものであるが、普通に呼吸をしているときでも、波形や潜時の変動がやや大きくなるものの、同様の成分が安定して見られることを確認した。

ｈ−ＮＡＭでは心音図の第I音、第II音が見られる。心音図の第I音は４成分あり、その終了時と脈波の基点、第II音と脈波のノッチ（dichotic notch）（計測方法の問題からノッチが不鮮明の場合も多い）がほぼ一致しており（参照：金井泉「臨床検査法提要」金井正光（編）ｐｐ．８５８−８８１ 金原出版１９８３）、妥当なデータが得られているといえる。

ｃ−ＮＡＭでは、第II音については、ｈ−ＮＡＭの第II音と類似の波形が見られることが多く、潜時は約０．０４ｓｅｃである。これに対し、ｃ-ＮＡＭの第I音の波形はｈ−ＮＡＭの第I音から大きくくずれており、前半部分が小さく後半が大きい波形になっていることが多い。１０名中８名でこのような現象が見られ、２名では第Ｉ音も比較的ｈ−ＮＡＭに近い波形が見られた。図７および図８に一例を示す。図７は特定の１人について、Ｒ波ピークをトリガにした重畳波形を示し、図８はそれの加算平均波形を示す。ただし、いずれにおいても、上段より心電図、ｈ−ＮＡＭ、ｃ−ＮＡＭ、脈波を示す。

ＮＡＭマイクロフォン１０の接着（装着）部位を変えると、波形や大きさが変化するものの、この２通りのパターンは、個人内では比較的安定である。このパターンの違いが意味することについては定かではないが、ＮＡＭマイクロフォン１０の出力信号から抽出した心拍情報ｃ−ＮＡＭで見られる心臓の拍動に関連した信号は、潜時から考えて、少なくとも、単純に心音が人体軟組織を伝導した音を採集しているのではなく、主に、拍動によって生じた波動が動脈を伝わって発生した脈音を肉伝導で捉えているのではないかと考えられる。

図９に普通に呼吸をしているときの計測データの周波数解析の結果の一例を示す。図９では、上から順に、呼吸曲線、ｃ−ＮＡＭ、ｃ−ＮＡＭの１５０Ｈｚ以上の成分、これに対するスペクトラム、ｃ−ＮＡＭの５０−１００Ｈｚ帯域成分、ｃ−ＮＡＭの１５０−２５０Ｈｚ帯域成分、ｃ−ＮＡＭの４００−５００Ｈｚ帯域成分を示す。ただし、下２段のデータは、５点（１．０２４ｓｅｃ）の移動平均をかけたものである。それぞれ１０ｓｅｃ分を表示している。この図９から、上で説明したように、ｃ−ＮＡＭの心拍に関連した信号は１００Ｈｚ以下の成分が主であること、呼吸に対応した成分は吸気では１５０Ｈｚ以上２００Ｈｚ近辺で優勢で、呼気ではこの成分に加え５００Ｈｚ以上の高い成分まで広く分布することがわかった。図９の下３段に、３種のバンドパスフィルタ（図１０のＢＰＦ１、ＢＰＦ２、ＢＰＦ３）出力を示す。第１ＢＰＦ２４の５０−１００Ｈｚの帯域成分の平均パワーの変化から心拍数の大まかな変化を捉えられる可能性が伺える。第２ＢＰＦ２６ａの１５０−２５０Ｈｚの帯域で、吸気／呼気に対応したパワーの増減、第３ＢＰＦ２６ｂの４００−５００Ｈｚ帯域で呼気に対応した増減が見られることがわかり、これらの組み合わせで呼吸に関する情報が得られる可能性が見出された。

図９の中央に「Frequency」のラベルを付した幅広の黒領域が描かれている。これは、それより上の３つの信号波形の周波数スペクトラムを示すものではあるが、単に、周波数成分は０‐２０００Ｈｚの間に存在することを示すだけである。

次に、このような発明者等の実験の結果に基づいて構成したこの発明の実施例を説明する。

図１０は図１実施例のＮＡＭマイクロフォン１０からの出力信号を処理して、心拍情報および呼吸情報を抽出するための具体的構成を示すブロック図である。ＮＡＭマイクロフォン１０すなわちコンデンサマイクロフォン１４からの出力信号は、端子１８（図２、図３）からマイクアンプ２２に入力される。ただし、このマイクアンプ２２からコンデンサマイクロフォン１４（図２、図３）に、必要な電源が供給される。マイクアンプ２２は、ＮＡＭマイクロフォン１０の出力信号、すなわち、調音呼気音やそれに重畳した呼吸音や心臓の拍動に関連した波形変化の電気信号（波形信号）を増幅し、出力する。

マイクアンプ２２の出力は、第１抽出手段を構成する第１帯域通過フィルタ（ＢＰＦ１）２４に与えられるとともに、第２抽出手段を構成する第２帯域通過フィルタ（ＢＰＦ２）２６ａおよび第３帯域通過フィルタ（ＢＰＦ３）２６ｂに入力される。第１ＢＰＦ２４はたとえば１００Ｈｚ以下、たとえば５０−１００Ｈｚの信号を通過させる。これは、先に説明したように、実験の結果、心拍に関連した信号の主成分が１００Ｈｚ以下であることが判明したからである。したがって、この第１ＢＰＦ２４は、たとえば１００Ｈｚ以下の通過帯域を有する低域通過フィルタ（ＬＰＦ）に代えられてもよい。つまり、第１抽出手段を構成する第１フィルタは、１００Ｈｚ以下の信号成分を通過させるフィルタであればよい。２つの帯域通過フィルタ２６ａおよび２６ｂは、それぞれが同じ入力信号を受ける。第２帯域通過フィルタ（ＢＰＦ２）２６ａの通過帯域は１５０−２５０Ｈｚとし、第３帯域通過フィルタ（ＢＰＦ３）２６ｂの通過帯域は４００−５００Ｈｚとした。これも、実験の結果、呼吸に対応した成分は、吸気では１５０Ｈｚ以上２００Ｈｚ近辺で優勢で、呼気ではこの成分に加え５００Ｈｚ以上の高い成分まで広く分布することがわかったからである。この２つのＢＰＦ２６ａおよび２６ｂが第２フィルタであり、第２フィルタは１５０Ｈｚ以上の信号を通過できるフィルタであればよい。

ＢＰＦ２４およびＢＰＦ２６ａならびにＢＰＦ２６ｂの出力は、すべて信号処理回路２８に入力される。この信号処理回路２８は、たとえば積分回路を含み、それぞれのフィルタの出力を積分してそれぞれの通過帯域成分のパワーを求める。ＢＰＦ（またはＬＰＦ）２４の出力である５０−１００Ｈｚの帯域成分の平均パワーの変化から心拍情報（たとえば心拍数の大まかな変化）が得られる。ここで抽出される心拍情報は、たとえば図６および図８の第３段目や図９の下から３段目に示すような信号であり、それによれば図４の心電図や心音マイク信号と同様に、Ｉ音とII音とを明瞭に識別できる心拍情報である。

第２ＢＰＦ２６ａの出力である１５０−２５０Ｈｚの帯域で、吸気／呼気に対応したパワーの増減が見られ、第３ＢＰＦ２６ｂの出力である４００−５００Ｈｚの帯域で呼気に対応した増減が見られる。したがって、これら２つのＢＰＦ２６ａおよび２６ｂの出力のパワーの組み合わせで呼吸情報が得られる。ここで得られる呼吸情報は、たとえば図１や図９の第１段目に示すように呼気および吸気を明瞭に識別できるものとなる。

図１１はこの発明の他の実施例を示すブロック図である。この実施例は、図１０の実施例では心拍情報および呼吸情報を取得するのに、帯域通過フィルタ２４および２６ａ，２６ｂと信号処理回路（積分回路）２８とを用いて、５０−１００Ｈｚの帯域のパワー変化、１５０−２５０Ｈｚの帯域のパワー変化および４００−５００Ｈｚの帯域のパワー変化を得た。これに対して、この図１１の実施例では、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のスペクトルアナライザ３０を用いる。このスペクトルアナライザ３０を用いることによって、任意の周波数帯でのパワー変化を自在に取り出すことができる。したがって、このスペクトルアナライザ３０から、心拍情報および呼吸情報の両方を収集することができる。したがって、スペクトルアナライザ３０が第１および第２抽出手段として動作する。

発明者等の実験によれば、ＮＡＭマイクロフォン１０の出力信号に含まれる調音呼気音のレベルと、それに重畳した呼吸音や心臓の拍動に関連した波形変化のレベルとでは、前者の方が後者より非常に大きい。したがって、もし、被験者がＮＡＭ採取の目的で無音発声を行っていれば、呼吸音や心臓の拍動に関連した波形変化はこの本来のＮＡＭレベルに埋没してしまう。したがって、その状態では心拍情報および呼吸情報を収集することはできない。そこで、図１２の実施例では、ＮＡＭマイクロフォン１０の出力信号レベルが一定以上のときには、心拍情報および呼吸情報を収集を中止し、心拍情報抽出や呼吸情報抽出の誤動作を防止できるようにしている。

図１２を参照して、ＮＡＭマイクロフォン１０の出力は、上述のマイクアンプ２２に入力されるとともに、別のマイクアンプ３２にも入力される。本来のＮＡＭの信号レベルは非常に大きいので、このマイクアンプ３２の増幅度は、重畳信号増幅用のマイクアンプ２２の増幅度に比べて非常に小さく設定される。逆に言えば、重畳波形信号を増幅するマイクアンプ２２の増幅度は、ＮＡＭ採取用のマイクアンプ３２の増幅度に比べてかなり大きく設定される。そして、マイクアンプ３２の出力信号は、たとえば音声認識のためのＮＡＭとして出力される。

そして、マイクアンプ３２の出力信号がまた、レベル検知器３４によって検知され、マイクアンプ３２の出力信号レベルが所定以上かどうか、判別する。この信号レベルが所定以上であるときは、本来のＮＡＭ採取のために調音呼気音を利用しようとしているときなので、このときには、レベル検知器３４は、スイッチ３６をオフする。このスイッチ３６は、たとえば、ＮＡＭマイクロフォン１０とマイクアンプ２２との間に介挿されているので、もし、スイッチ３６がオフされると、マイクアンプ２２にＮＡＭマイクロフォン１０からの出力信号が与えられなくなり、図１０の実施例で説明した第１ＢＰＦ２４や第２、第３ＢＰＦ２６ａ，２６ｂへ信号が伝達されなくなる。したがって、これら第１ＢＰＦ２４および第２、第３ＢＰＦ２６ａ，２６ｂ（または図１１実施例のスペクトルアナライザ３０）、すなわち第１抽出手段による心拍情報抽出および第２抽出手段による呼吸情報抽出が不能動化される。そのため、誤った心拍情報や呼吸情報が抽出されてしまうのを防止できる。

さらに、図１０の実施例や図１１の実施例では、第１および第２抽出手段として個別のフィルタや回路（ハードウエア）を利用した。しかしながら、先に実験の結果を評価したように、すべての信号処理をコンピュータによって実行することも可能である。

図１３はこの発明のさらに他の実施例を示すブロック図である。この実施例では、マイクアンプ２２の出力信号は、Ａ／Ｄ変換器３８でサンプリングして、コンピュータ４０に取り込む。このときのサンプリングレートは本来のＮＡＭ採取の場合（１６ｋＨｚ）とは異なり、５ｋＨｚとした。したがって、コンピュータ４０にはＮＡＭマイクロフォン１０の調音呼気音に重畳した波形信号のデータが入力されるので、コンピュータ４０は、この波形信号データをディジタルフィルタで処理したり、もしくはＦＦＴ処理をしたりして、図１０の実施例と同様に心拍情報や呼吸情報を収集する。ただし、図１０や図１１の実施例に基づいて、それらと同様の結果を得るための処理をコンピュータ４０に行わせることは専門家なら簡単にできるので、ここではこれ以上の詳細は説明しない。

なお、上述の実施例では、ＮＡＭマイクロフォン１０の出力をフィルタやコンピュータに入力するために有線方式を採用したが、無線方式を採用してもよい。電波を使用する場合でも、赤外線を使用する場合でも、マイクアンプ２２の出力信号を電波や赤外線に重畳（変調）して送信するようにすればよい。当然、電波を使用する場合にはＲＦトランシーバが必要で、赤外線を使用する場合には、ＩＲ送受光器が必要である。このような無線化ができれば、看護士など運動の激しい作業場面での計測に特に有利になる。

また、上述の実施例では、コンデンサマイクロフォンを内蔵したＮＡＭマイクロフォン１０を用いた。しかしながら、たとえば、ボイスコイル式のマイクロフォン、圧電（ピエゾ）式のマイクロフォンなど他の種類の機械‐電気変換マイクロフォンが用いられてもよい。ただし、コンデンサマイクロフォンを用いる場合には、コンデンサマイクロフォンは小型化できかつ高感度であるので、被験者の装着の負担を最小にできるし、心拍および呼吸情報抽出装置を全体として小型で高感度のものにできるという利点がある。

さらに、実施例では、第１抽出手段は１００Ｈｚ以下（第１所定周波数以下）の周波数成分を通過するフィルタを含み、第２抽出手段は１５０Ｈｚ以上（第２所定周波数以上）の周波数成分を通過するフィルタを含むものとした。第１所定周波数と第２所定周波数は基本的には異なるが同じかあるいは近時していてもよく、さらには、これらのフィルタのフィルタ特性（周波数帯域を含む）は、この装置を適用する各個人について、各個人の状態やデータに合わせて適応的に変更することができる。

図１はこの発明の一実施例においてＮＡＭマイクロフォンを装着した状態を、参照のための他のセンサの装着状態とともに示す図解図である。 図２は図１の実施例に使用するＮＡＭマイクロフォンの一例を示す断面図解図である。 図３は図１の実施例に使用するＮＡＭマイクロフォンの他の例を示す断面図解図である。 図４は図１のＮＡＭマイクロフォンや各種センサからのデータを示し、上段から順に、呼吸、心電図、ｈ−ＮＡＭ、ｃ−ＮＡＭ、脈波の波形である。 図５は図４の各データをＲ波ピークをトリガとした重畳表示した波形であり、上段から順に、心電図、ｈ−ＮＡＭ、ｃ−ＮＡＭ、脈波の波形を示す。 図６は図５の波形の加算平均波形であり、上段から順に、心電図、ｈ−ＮＡＭ、ｃ−ＮＡＭ、脈波の波形を示す。 図７は被験者の特定の１人についてＲ波ピークをトリガにした重畳波形であり、上段より心電図、ｈ−ＮＡＭ、ｃ−ＮＡＭ、脈波を示す。 図８は図７の波形の加算平均波形であり、上段より心電図、ｈ−ＮＡＭ、ｃ−ＮＡＭ、脈波を示す。 図９は周波数解析の結果の一例を示す波形であり、上から順に、呼吸曲線、ｃ−ＮＡＭ、ｃ−ＮＡＭの１５０Ｈｚ以上の成分、これに対するスペクトラム、ｃ−ＮＡＭの５０−１００Ｈｚ帯域成分、ｃ−ＮＡＭの１５０−２５０Ｈｚ帯域成分、ｃ−ＮＡＭの４００−５００Ｈｚ帯域成分を示す。 図１０はこの実施例の構成を示すブロック図である。 図１１はこの発明の他の実施例を示すブロック図である。 図１２はこの発明のさらに他の実施例を示すブロック図である。 図１３はこの発明のその他の実施例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ …ＮＡＭマイクロフォン
１２ …装着部
１４ …コンデンサマイクロフォン
１６ …電極
２２ …マイクアンプ
２４ …第１帯域通過フィルタ（ＢＰＦ１）
２６ａ …第２帯域通過フィルタ（ＢＰＦ２）
２６ｂ …第３帯域通過フィルタ（ＢＰＦ３）
２８ …信号処理回路
３０ …スペクトルアナライザ
３４ …レベル検知器
３６ …スイッチ
３８ …Ａ／Ｄ変換器
４０ …コンピュータ

Claims (5)

1. 被験者の所定部位の体表面上に、軟弾性材料を介して、装着される機械‐電気変換マイクロフォン、
   前記機械‐電気変換マイクロフォンの出力信号を増幅するマイクアンプ、
   前記マイクアンプの出力信号から心拍情報を抽出する第１抽出手段、および
   前記マイクアンプの出力信号から呼吸情報を抽出する第２抽出手段を備え、
   前記機械‐電気変換マイクロフォンの出力レベルが所定以上のとき前記第１抽出手段および前記第２抽出手段を不能動化する、心拍および呼吸情報の収集装置。
2. 前記第１抽出手段は第１所定周波数以下の信号成分を通過する第１フィルタを含む、請求項１記載の心拍および呼吸情報の収集装置。
3. 前記第２抽出手段は第２所定周波数以上の信号成分を通過する第２フィルタを含む、請求項１または２記載の心拍および呼吸情報の収集装置。
4. 前記機械‐電気変換マイクロフォンはコンデンサマイクロフォンである、請求項１ないし３のいずれかに記載の心拍および呼吸情報収集装置。
5. 前記軟弾性材料は、被験者の体表面における音響インピーダンスと等しいかほぼ等しい音響インピーダンスを有する材料である、請求項１ないし４のいずれかに記載の心拍および呼吸情報収集装置。

Images