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2022 年度 実施状況報告書

生体音のモデル構築と分離ベクトルの最適化による生体音抽出システム

研究課題

研究課題/領域番号 22K18778
研究機関東京大学

研究代表者

伊藤 寿浩  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (80262111)

研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2024-03-31
キーワード生体音 / 体導音 / 非接触計測 / 非侵襲計測 / マイクロフォンアレイ
研究実績の概要

生体音の1つである心音のモデル構築および心音抽出システムの開発を行うとともに,計測用デバイスの開発を行った.
心音のモデル構築については,心音の主要成分であるⅡ音のモデル化を行った.具体的には,既存の弁音モデルを拡張(心臓の解剖学的・生理学的要因に起因する制約条件を課して重畳)させることで,大動脈弁音と肺動脈弁音という2つの弁音から構成されるⅡ音を,4個のパラメータ(各弁音の主要周波数および発生タイミング)をもつ時間信号モデルで表現することに成功した.
心音抽出システムの開発については,Ⅱ音のパラメータと分離ベクトルを同時に最適化することで,計測音からⅡ音を抽出するシステムを開発した.具体的には,マイクロフォンアレイによるmチャネルの計測音に対し,4個のⅡ音パラメータと要素数mの分離ベクトルを,出力音とモデル音の誤差を損失関数として同時に最適化(計測音に含まれる音のうち最もⅡ音モデルに近い音を探索)する,という信号処理フローを確立した.
計測デバイスの開発については,16チャネルの同時計測が可能なマイクロフォンアレイデバイスを作製した.さらに,モニタリング対象を人間だけでなく伴侶動物にまで広げるため,首輪型の体導音計測デバイスも作製した.首輪での体導音計測に際し,被毛による体導音の流出および環境音(ノイズ)の流入という課題が明らかとなった.これに対し,被毛越しでも体導音を計測可能なマイクロフォン(体導音マイク)を開発した.試作した体導音マイクは大きく2つの構造(中間体と密閉空気室)から成り,中間体では,動物の体表に対して音響インピーダンスを整合させることで体導音を体表から中間体へ効率良く伝播(4 dB増幅)させるとともに,ノイズである空気伝播音を26 dB減衰でき,密閉空気室では,聴診器に似た空間的構造により,中間体まで伝播した体導音をさらに19 dB増幅できた.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初計画通り,心音の時間的特徴および周波数的特徴を基に心音のⅡ音のモデル構築を実施したが,心音のもう一つの主要成分であるⅠ音を含む心音全体のモデルおよび他の生体音のモデル構築については次年度も継続した取り組みが必要である.一方で,次年度に取り組む予定であった分離ベクトルの最適化手法に関しては基本となる信号処理フローの開発を終えているほか,実環境での実証実験用デバイスの開発も終えることができており,全体としてはおおむね順調に進展していると判断する.

今後の研究の推進方策

本年度に構築したⅡ音モデルをさらに拡張し,僧帽弁音と三尖弁音から成るⅠ音を含む心音全体のモデル化を行う.心音全体のモデルには,15~20個のパラメータが必要と考えているが,これはⅡ音モデルの4倍以上である.そのため,心音モデルパラメータと分離ベクトルの同時最適化にかかる処理時間の急増や局所解問題に陥ることが予想される.これに対し,differential evolution等の大域的最適化手法を活用・改良し,心音モデルに適した最適化アルゴリズムを検討し,実用的な心音抽出システムの開発を推進する.

次年度使用額が生じた理由

当初計画ではデータロガーと計算機から成る計測系の試作を予定していたが,これには構築した生体音モデルに適した設計が必要である.そのため,Ⅰ音を含む心音全体のモデル構築および他の生体音のモデル構築を次年度に繰り越したことに伴い,本計測系の試作を次年度に繰り越した.

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] 体導音マイクを用いた犬の掻破行動の強度推定2023

    • 著者名/発表者名
      村松駿,平瑛美,桃井康行,山本道貴,高松誠一,伊藤寿浩
    • 雑誌名

      電気学会論文誌E

      巻: 143 ページ: -

    • 査読あり
  • [学会発表] 非接触心音計測における独立成分分析の適用の検討(第3報)―マイクロフォンアレイの構成が心音抽出性能に与える影響―2023

    • 著者名/発表者名
      村松駿,山本道貴,高松誠一,伊藤寿浩
    • 学会等名
      2023年度精密工学会春季大会学術講演会
  • [学会発表] Cone-Shaped Air Chamber for the Wearable Scratching-Sound Sensing Device2022

    • 著者名/発表者名
      Shun Muramatsu, Yuki Kohata, Emi Hira, Yasuyuki Momoi, Michitaka Yamamoto, Seiichi Takamatsu, and Toshihiro Itoh
    • 学会等名
      The 13th Japan-China-Korea Joint Conference on MEMS/NEMS
    • 国際学会
  • [学会発表] Wearable Scratching-Sound Sensing Device for Animal Healthcare2022

    • 著者名/発表者名
      Shun Muramatsu, Emi Hira, Yasuyuki Momoi, Michitaka Yamamoto, Seiichi Takamatsu, and Toshihiro Itoh
    • 学会等名
      2022 IEEE Sensors
    • 国際学会
  • [学会発表] 犬の掻破音計測用首輪型デバイスのための体導音マイクの開発2022

    • 著者名/発表者名
      村松駿,平瑛美,桃井康行,山本道貴,高松誠一,伊藤寿浩
    • 学会等名
      第39回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム

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公開日: 2023-12-25  

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