JP6528058B2

JP6528058B2 - 嚥下時間の計測装置、計測方法

Info

Publication number: JP6528058B2
Application number: JP2015115998A
Authority: JP
Inventors: 洋靖三輪
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2035-06-08
Also published as: JP2017000324A

Description

本発明は、嚥下音の計測に関し、より具体的には、嚥下音を含む体内音から嚥下時間を計測するための装置、方法、及びコンピュータ・プログラムに関する。

加齢にともなう嚥下機能の低下や障害は、誤嚥性肺炎の原因となること等から早期にそれらの症状を発見して診断及び対処を行うことが望ましい。従来から嚥下音はそうした症状の発見／診断のために利用されている。また、最近はビールや炭酸入り清涼飲料等の喉越し(飲み応え)を把握する上で嚥下音を利用しようとする動きがある。

しかし、従来の嚥下音計測、特に嚥下音からの嚥下時間の計測は目視で行われることが多く、また、装置を用いた計測では自動的に精度良く嚥下音から嚥下時間を計測することが難しかった。

例えば、特許文献１では、嚥下音と鼻孔音をマイクで測定し、鼻孔音無し(無呼吸に相当)の時の嚥下音データを採取する方法を提示している。しかし、この方法は嚥下音のみから自動的に嚥下時間を計測するものではない。

また、特許文献２では、嚥下音の特徴である喉頭蓋の閉音、喉頭蓋の開音、および食物が食道入口部を通過する時の通過音を捕捉可能なセンサ(加速度センサ)を用い、数値情報に変換したセンサ出力を時間周波数分析して各音を識別する嚥下音解析システムを提示している。しかし、このシステムも、嚥下音のみから自動的に嚥下時間を計測するものではない。

特開２０１５−０５１１５９号公報特開２００６−２６３２９９号公報

本発明の目的は、測定された嚥下音を含む体内音から嚥下時間を自動的に計測することができる装置、方法を提供することである。

本発明は、嚥下時間を計測するための装置を提供する。その装置は、嚥下音を含む体内音を測定する手段と、測定された体内音の信号をデジタル信号に変換する手段と、嚥下音に対応するデジタル信号を周波数解析して得られる時間毎の周波数成分の和に所定の閾値を適用して嚥下時間を算出する手段と、を含む。

本発明の装置によれば、嚥下音を含む体内音のデジタル信号を時間周波数解析して得られる時間毎の周波数成分の和に変換することにより、嚥下音とその他の音との識別を容易にし(Ｓ／Ｎ比向上)、かつその周波数成分の和に所定の閾値を適宜適用することにより、嚥下音の開始から終了までの嚥下時間を精度良く計測することが可能となる。

本発明の一態様では、算出する手段は、デジタル信号の所定時間範囲毎の分散に所定の閾値を適用して嚥下音に対応するデジタル信号の嚥下範囲を特定する。

本発明の一態様によれば、嚥下音を含む体内音のデジタル信号から嚥下音に対応するデジタル信号の区間(時間範囲)を予め特定することにより、その区間についてのみその後の時間周波数解析等を適用することができるので、嚥下時間計測処理を効率的かつ効果的におこなうことが可能となる。

本発明の一態様では、時間周波数解析は、デジタル信号をWavelet変換してWavelet係数を求めることを含む。

本発明の一態様によれば、時間周波数解析としてWavelet変換を用いることにより、嚥下音を含む体内音のデジタル信号を比較的幅広い周波数範囲で周波数解析精度を向上させることができ、その結果、嚥下音及び嚥下時間の抽出精度を向上させることが可能となる。

本発明は、嚥下時間を計測するための方法を提供する。その方法は、嚥下音を含む体内音を測定するステップと、測定された体内音の信号をデジタル信号に変換するステップと、そのデジタル信号を時間周波数解析して時間毎の周波数成分を求めるステップと、時間毎の周波数成分の和に所定の閾値を適用して嚥下時間を算出するステップと、を含む。

本発明の方法によれば、嚥下音を含む体内音のデジタル信号を時間周波数解析して得られる時間毎の周波数成分の和に変換することにより、嚥下音とその他の音との識別を容易にし(Ｓ／Ｎ比向上)、かつその周波数成分の和に所定の閾値を適宜適用することにより、嚥下音の開始から終了までの嚥下時間を精度良く計測することが可能となる。

本発明は、コンピュータを用いて嚥下時間を求めるためのコンピュータ・プログラムを提供する。そのプログラムは、コンピュータに、入力された嚥下音を含む体内音のデジタル信号を時間周波数解析して時間毎の周波数成分を求めるステップと、時間毎の周波数成分の和に所定の閾値を適用して嚥下時間を算出するステップと、を実行させる。

本発明のコンピュータ・プログラムによれば、嚥下音を含む体内音のデジタル信号を時間周波数解析して得られる時間毎の周波数成分の和に変換することにより、嚥下音とその他の音との識別を容易にし(Ｓ／Ｎ比向上)、かつその周波数成分の和に所定の閾値を適宜適用することにより、嚥下音の開始から終了までの嚥下時間を精度良く計測することが可能となる。

本発明の一実施形態の装置の構成を示す図である。本発明の一実施形態の体内音測定手段の構成(外観)を示す図である。本発明の一実施形態の嚥下時間算出手段の構成を示す図である。本発明の一実施形態の方法のフローを示す図である。本発明の一実施形態の嚥下音を含む体内音の測定結果を示す図である。本発明の一実施形態の分散処理結果を示す図である。本発明の一実施形態の時間周波数解析結果を示す図である。本発明の一実施形態の疑似スペクトルパワーを示す図である。本発明の一実施形態の閾値の組み合わせによる嚥下時間の一致率を示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態の嚥下時間の計測装置の構成を示す図である。計測装置は、人体１の頸部に付けて使用する嚥下音を含む体内音を測定する手段２と、測定された体内音の信号をデジタル信号に変換する手段３と、デジタル信号を時間周波数解析して得られる時間毎の周波数成分の和に所定の閾値を適用して嚥下時間を算出する手段４を含む。各手段は電気的信号により通信可能に接続される。なお、デジタル信号に変換する手段３は、嚥下時間を算出する手段４の一部として一体的に構成することもできる。

図２に体内音を測定する手段２の一実施形態の概観を示す。図２の体内音を測定する手段２は、小型の聴診器部２０と、アンプ付きマイク部２２を含む。聴診器部２０は、その集音部が喉頭***の側部にベルトで固定される。聴診器部２０は、嚥下音を含む体内音を拾い(集音し)、アンプ付きマイク部２２はその拾われた音をアナログの音声信号として増幅して出力する。デジタル信号に変換する手段３は、いわゆるＡ／Ｄコンバータ回路を含み、アンプ付きマイク部２２から出力される音声信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換して出力する。嚥下時間を算出する手段４は、演算機能を備える、例えばいわゆるコンピュータ(ＰＣ等)からなる。コンピュータは、所定のソフトウェア(プログラム)を実行して、Ａ／Ｄコンバータ回路から出力される音声信号(デジタル信号)を後述する演算処理(例えば、図４のステップＳ３〜Ｓ７の処理)して嚥下時間を算出する。

図３は、本発明の嚥下時間を算出する手段４として機能するコンピュータ(PC)の構成例を示すブロック図である。PC4は、バス４２を介して相互に接続された演算処理装置(CPU)４０、記憶手段４１、各種I/F４３を含む。各種I/F４３は、入力I/F、出力I/F、外部記憶I/F、外部通信I/F等を含む総称として用いられる。各I/Fは、それぞれ対応するキーボード、マウス、通信ポート等の入出力手段４４、CRT、LCD等の表示手段４５、USB接続の半導体メモリやHDD等の外部記憶手段４６等に接続する。記憶手段４１は、RAM、ROM等の半導体メモリ、HDD等を含むことができる。

図４は、本発明の一実施形態の方法のフローを示す図である。ステップＳ１において、嚥下音を含む体内音を測定する。具体的には、例えば図２に例示した体内音を測定する手段２の聴診器部２０を人の頸部に当てて、より具体的には、集音部を喉頭***の側部にベルトで固定して嚥下音を含む体内音を測定する。図５に本発明の一実施形態の嚥下音を含む体内音の測定結果を示す。図５では、時間(ｓ)に対する音圧レベルとして示してある。ここで、音圧レベルとは、音圧の大きさを基準値との比によって表現した量(レベル)である。図５に例示されるような、喉頭***の側部で計測した体内音には、嚥下音のみではなく、心拍由来の音や呼吸由来の音、あるいは周囲の環境音などのノイズが含まれている。本発明の一実施形態の方法／計測装置では、以下に述べるように、コンピュータ(PC等)による統計処理、時間周波数解析と閾値処理により、体内音に含まれている嚥下音以外の成分を減少させ、嚥下音の開始時刻、終了時刻、発生時間(嚥下時間)を算出する。

図４のステップＳ２において、測定された体内音の信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換する。具体的には、デジタル信号に変換する手段３(Ａ／Ｄコンバータ回路)を用いて、測定された体内音の信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換する。次のステップＳ３において、得られたデジタル信号の所定時間範囲毎の分散を求める。具体的には、例えば、最初に、データサンプル長Ｎ、サンプリングレートｆ_sでデジタル信号(列)に変換された嚥下音を含む頸部体内音を一定の窓サイズ(データサンプル長)Ｎ_wでセクションに分割し、Ｎ_s個のセクションを得る。データサンプル長Ｎは、例えば16bitとすることができ、サンプリングレートｆ_sは、例えば44.1Hzとすることができる。次に、Ｎ_s個のセクションの各々に含まれるＮ_w個のデータに関する標準偏差σ_n(ｎ＝１，２，...，Ｎ_s)を求める。図６に本発明の一実施形態の分散処理結果を示す。図６では、各セクションに対する標準偏差が示されている。なお、音信号は正弦波の組み合わせで構成されるので、同じ周波数でも振幅が大きいほど信号のばらつきが大きくなり、振幅が小さいほど信号のばらつきは小さくなる。

ステップＳ４において、得られた分散処理結果に所定の閾値を適用して嚥下音に対応するデジタル信号の嚥下範囲を特定する。具体的には、例えば、図６に示されるように、ステップＳ３で得られた標準偏差σ_nについて閾値Ｔ_σを設定し、閾値Ｔ_σより大きい標準偏差σ_nを持つセクション領域Ａ、Ｂ、Ｃで何らかの体内音が生じていると推定する。嚥下音は連続した音になるので、連続したセクションにおいて閾値Ｔ_σを超えると考え、最も長時間に渡って連続して閾値Ｔ_σを超えたセクション領域Ｃを嚥下セクション領域として特定する。嚥下セクション領域は、嚥下音が発生していると推定される区間を意味する。

ステップＳ５において、特定された嚥下範囲のデジタル信号に対して時間周波数解析をおこなう。具体的には、例えば、ステップＳ４において特定された嚥下音セクション領域(区間)Ｃにおける嚥下音を含む頸部体内音に対して、時間周波数分析をするために、下記の式(１)で示される連続Wavelet変換を適用してWavelet係数Ｗを求める。その際、マザーWaveletには下記の式(２)で示される複素Morletウェーブレットを使用する。一例として、図７に図５の体内音にWavelet変換を適用した結果を示す。

Ｗ：Wavelet係数
ｆ(t) ：嚥下音を含む頸部体内音信号
ａ：スケール(Scale(a> 0))
ｂ：シフト(Shift)
ｔ：時間
Ψ(ｔ)：マザーWavelet

ステップＳ６において、ステップＳ５で得られた時間周波数解析の結果から信号パワーを求める。具体的には、例えば、時刻ごとにWavelet係数の合計を求めることで、擬似的な信号パワーＰ_i (ｉ＝０，１，．．．Ｎ)を算出する．これにより、全周波数帯域に関する信号パワーの変化を求めることができる。一例として、図８に図７のWavelet係数から得られた疑似信号パワー(Wavelet係数の合計値)を示す。

ステップＳ７において、ステップＳ６で得られた擬似信号パワーに所定の閾値を適用して得られる嚥下音開始時間と嚥下音終了時間との差から嚥下時間を算出する。具体的には、例えば、図８において、ステップＳ４で得られた嚥下セクション領域の中で、最初に閾値Ｔ_Pを越えた時刻を嚥下開始時刻Ｔ_s、最後に閾値Ｔ_Pを越えた時刻を嚥下終了時刻Ｔ_eとする。そして、嚥下終了時刻Ｔ_eと嚥下開始時刻Ｔ_sの差から嚥下音発生時間ΔＴ_dを求める。

次に、ステップＳ３の閾値Ｔ_σ、ステップＳ７の閾値Ｔ_Pの決め方の一実施形態(概要)について説明する。複数の体内音に対して閾値Ｔ_σ、閾値Ｔ_Pを一定の範囲で変化させながら、ステップＳ３からステップＳ７を実行し、もっとも高精度に嚥下音時間を算出できた閾値Ｔ_σ、閾値Ｔ_Pの組み合わせを使用する。具体的には、例えば、４種類の試料について、１２人から合計２４０試行の試料摂取中の体内音を計測し、１５通りの組み合わせの閾値Ｔ_σ、閾値Ｔ_Pを用いて嚥下時間と、目視による計測との一致率を算出した。その結果を図９に示す。図９において、最も一致率が高い組み合わせとなる領域Ｒ(８５〜９５％の白枠内)に含まれる閾値Ｔ_σ＝2.0、閾値Ｔ_P＝5.0を一例として用いることにした。なお、閾値として例えば領域Ｒ内の他の値(組み合わせ)を選択することもできる。

上述した図１、図２に例示される装置及び図３に例示される方法フローを用いて、下記に示す嚥下音の計測実験を行った。
＜実験１＞
１２名の被験者(男性、平均年齢２２.８歳)に対して、４種類の試料(強炭酸水，弱炭酸水，水，トロミ付き水)を５回ずつ摂取してもらい、喉頭***側部の嚥下音を計測した。なお、摂取量は２０ccで固定した。得られた嚥下音から嚥下時間の抽出を目視と上述した本発明の方法の両方で実施し、目視による計測との一致率を算出した。その結果、合計２４０試行中２１０試行で一致し、一致率８７.５％が得られた。
＜実験２＞
実験１と同等の計測装置を用い、摂取量を固定せず、日常生活レベル以上の雑音が含まれる環境で実験１と同様の計測を行った。被験者数は１０名であった。その結果、約９０％の割合で実験結果が目視と一致しており、耐雑音性能としても十分な性能が得られていることを確認した。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

本発明の嚥下時間を計測するための方法／装置は、嚥下機能計測システム、喉越しセンサ、嚥下による食の満足度評価システム等として利用、応用することができる。

１：人体
２：嚥下音を含む体内音の測定手段
３：デジタル信号変換手段(Ａ／Ｄコンバータ回路)
４：嚥下時間算出手段(コンピュータ)
２０：聴診器部
２２：アンプ付きマイク部
４２：バス

Claims

嚥下時間を計測するための装置であって、
嚥下音を含む体内音を測定する手段と、
測定された前記体内音の信号をデジタル信号に変換する手段と、
前記デジタル信号の所定時間範囲毎の分散に所定の閾値を適用して前記嚥下音に対応する前記デジタル信号の嚥下範囲を特定し、当該嚥下範囲のデジタル信号を時間周波数解析して得られる時間毎の周波数成分の和に所定の閾値を適用して嚥下時間を算出する手段と、を含む装置。
前記算出する手段は、前記時間毎の周波数成分の和に所定の閾値を適用して得られる嚥下音開始時間と嚥下音終了時間との差から前記嚥下時間を算出する、請求項１に記載の装置。
前記算出する手段は、前記嚥下範囲のデジタル信号をWavelet変換してWavelet係数を求め、時間毎の前記Wavelet係数の和に所定の閾値を適用して嚥下時間を算出することを含む、請求項１に記載の装置。
嚥下時間を計測するための方法であって、
嚥下音を含む体内音を測定するステップと、
測定された前記体内音の信号をデジタル信号に変換するステップと、
前記デジタル信号の所定時間範囲毎の分散に所定の閾値を適用して前記嚥下音に対応する前記デジタル信号の嚥下範囲を特定するステップと、
前記嚥下範囲のデジタル信号を時間周波数解析して時間毎の周波数成分を求めるステップと、
前記時間毎の周波数成分の和に所定の閾値を適用して嚥下時間を算出するステップと、を含む方法。
前記嚥下時間を算出するステップは、前記時間毎の周波数成分の和に所定の閾値を適用して得られる嚥下音開始時間と嚥下音終了時間との差から前記嚥下時間を算出するステップを含む、請求項４に記載の方法。
前記周波数成分を求めるステップは、前記嚥下範囲のデジタル信号をWavelet変換してWavelet係数を求めることを含み、
前記嚥下時間を算出するステップは、時間毎の前記Wavelet係数の和に所定の閾値を適用して嚥下時間を算出することを含む、請求項４に記載の方法。
コンピュータを用いて嚥下時間を求めるためのコンピュータ・プログラムであって、コンピュータに、
入力された嚥下音を含む体内音のデジタル信号の所定時間範囲毎の分散に所定の閾値を適用して前記嚥下音に対応する前記デジタル信号の嚥下範囲を特定するステップと、
前記嚥下範囲のデジタル信号を時間周波数解析して時間毎の周波数成分を求めるステップと、
前記時間毎の周波数成分の和に所定の閾値を適用して嚥下時間を算出するステップと、を実行させる、コンピュータ・プログラム。
前記嚥下時間を算出するステップは、前記時間毎の周波数成分の和に所定の閾値を適用して得られる嚥下音開始時間と嚥下音終了時間との差から前記嚥下時間を算出するステップを含む、請求項７に記載のコンピュータ・プログラム。
前記周波数成分を求めるステップは、前記嚥下範囲のデジタル信号をWavelet変換してWavelet係数を求めることを含み、
前記嚥下時間を算出するステップは、時間毎の前記Wavelet係数の和に所定の閾値を適用して嚥下時間を算出することを含む、請求項７に記載のコンピュータ・プログラム。