特開 2023-37230 信号処理装置、及び、信号処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023037230

(43)【公開日】2023-03-15

(54)【発明の名称】信号処理装置、及び、信号処理方法

(51)【国際特許分類】

   A61B 7/04 20060101AFI20230308BHJP

【ＦＩ】

A61B7/04 L

A61B7/04 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021143854

(22)【出願日】2021-09-03

(71)【出願人】

【識別番号】720009479

【氏名又は名称】オンキヨー株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504143441

【氏名又は名称】国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学

(72)【発明者】

【氏名】吉田 誠

(72)【発明者】

【氏名】安本 慶一

(72)【発明者】

【氏名】諏訪 博彦

(72)【発明者】

【氏名】藤本 まなと

(72)【発明者】

【氏名】馬越 圭介

(72)【発明者】

【氏名】三崎 慎也

(57)【要約】

【課題】簡易な構成で、複数の信号を処理可能とすること。
【解決手段】信号処理装置は、１つのセンサにより検出された、ゲインの異なる複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数をシフトし、周波数をシフトした複数の信号を重畳する。また、信号処理装置は、複数のセンサにより検出された複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数をシフトし、周波数をシフトした複数の信号を重畳する。また、信号処理装置は、複数の信号に対して、所定の周波数以下の成分を抽出するローパスフィルタ処理を行い、ローパスフィルタ処理を行った複数の信号において、周波数をシフトする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

１つのセンサにより検出された、ゲインの異なる複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数をシフトし、
周波数をシフトした複数の信号を重畳することを特徴とする信号処理装置。

【請求項2】

複数のセンサにより検出された複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数をシフトし、
周波数をシフトした複数の信号を重畳することを特徴とする信号処理装置。

【請求項3】

複数の信号に対して、所定の周波数以下の成分を抽出するローパスフィルタ処理を行い、
ローパスフィルタ処理を行った複数の信号において、周波数をシフトすることを特徴とする請求項１又は２に記載の信号処理装置。

【請求項4】

信号に対して所定の発信周波数の信号を乗算することで、信号の周波数をシフトすることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の信号処理装置。

【請求項5】

周波数をシフトした複数の信号にバンドパスフィルタ処理を行い、
バンドパスフィルタ処理を行った複数の信号を加算することで、複数の信号を重畳することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の信号処理装置。

【請求項6】

複数の信号を重畳した重畳信号をＡ／Ｄ変換することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の信号処理装置。

【請求項7】

複数の信号を重畳した重畳信号から１つの信号を取り出し、
取り出した１つの信号から、信号のピーク位置を算出し、
算出したピーク位置に基づいて、信号の切り取り位置を決定し、
決定した切り取り位置で、複数の信号を重畳した重畳信号を切り取ることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の信号処理装置。

【請求項8】

複数の信号を重畳した重畳信号に対してバンドパスフィルタ処理を行うことで、複数の信号を重畳した重畳信号から１つの信号を取り出すことを特徴とする請求項７に記載の信号処理装置。

【請求項9】

前記複数のセンサは、聴診器に含まれることを特徴とする請求項２に記載の信号処理装置。

【請求項10】

１つのセンサにより検出された、ゲインの異なる複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数をシフトし、
周波数をシフトした複数の信号を重畳することを特徴とする信号処理方法。

【請求項11】

複数のセンサにより検出された複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数をシフトし、
周波数をシフトした複数の信号を重畳することを特徴とする信号処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の信号を処理する信号処理装置、及び、信号処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

聴診器の中には、マイク等のセンサにより電子的に心音等の音を採取し、採取した音を増幅し、増幅した音を医師等に聴取させる、いわゆる電子聴診器と呼ばれるものがある（例えば、特許文献１参照。）。電子聴診器の中には、複数のセンサにより、電子的に心音等の音を採取するものも存在する。例えば、４つのセンサにより、心臓の右心房、右心室、左心房、左心室の振動信号を取り出すことが考えられる。この例の場合、４つのセンサによって取り出された信号の相関関係が重要となり、また、センサにはダイナミックレンジが必要であり、さらに、複数のセンサにおいて、ゲインが異なる。

【0003】

特許文献２に記載の発明は、センサのダイナミックレンジが必要であり、ゲイン違いの複数のチャンネルを記録するものであり、以下のような背景で発明されている。すなわち、信号レベルが極端に小さいときと、大きいときと、があるようなセンシング対象に対して、増幅度の設定が難しい場合がある。例えば、センサ信号の振幅の大小の幅が大きい場合、小さい信号にあわせて増幅度を決定すると、大きい信号が発生したとき、波形がクリップするという問題があり、また、大きい信号に合わせて増幅度を決定すると、小さい信号は、信号レベルが下がり、ノイズにうもれてしまうという問題もある。

【0004】

特許文献２に記載の発明では、上記のような問題に対して、ダイナミックレンジを広げることで対応しようとしている。例として、増幅度が異なるアンプを設け、同時に複数のＡ／Ｄコンバーター（ＡＤＣ）で、記録している一つのセンサから分岐して、異なる前処理を行ったものを、それぞれ記録していることが、特許文献２に記載の発明の特徴である。

【0005】

要約には、以下のとおり記載されている。すなわち、「センサの検出信号を処理する信号処理装置を提供する。信号処理装置は、センサの検出信号を複数の経路に分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する。例えば、前記センサの検出信号を第１の感度に適合するように増幅した第１の感度の信号をＡＤ変換する第１の経路と、前記第１の感度の信号を減衰して前記第１の感度よりも低い第２の感度の信号をＡＤ変換する第２の経路を含み、感度が異なる検出信号を生成する。あるいは、前記第１の感度の信号のオフセットを経路毎に変更して、計測範囲が異なる複数の検出信号を生成する。」。

【0006】

また、請求項１には、以下のとおり記載されている。すなわち、「センサの検出信号を複数の経路に分岐して、経路毎にＡＤ変換前に異なる前処理を行って複数の検出信号を生成する信号処理部を具備する、信号処理装置。」。上述のとおり、特徴は、一つのセンサ信号を分岐して異なる前処理をし、収集するということである。

【0007】

特許文献２に記載の発明では、一つのセンサをそれぞれ前処理が異なる毎にＡＤＣを用意して記録しているため、複数のＡＤＣが必要になり、回路が大規模になるという問題がある。また、複数チャンネルにおけるＡＤＣを同期する仕組みも必要となる。さらに、複数チャンネルの信号は、それぞれ、独立したファイルとなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００４－２４２８４９号公報

【特許文献2】国際公開２０１９／０３９１５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上述したように、特許文献２に記載の発明では、複数のＡＤＣが必要となり、回路が大規模となるという問題等がある。

【0010】

本発明の目的は、簡易な構成で、複数の信号を処理可能とすることである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

第１の発明の信号処理装置は、１つのセンサにより検出された、ゲインの異なる複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数をシフトし、周波数をシフトした複数の信号を重畳することを特徴とする。

【0012】

本発明では、１つのセンサにより検出された、ゲインの異なる複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数がシフトされる。そして、周波数がシフトされた複数の信号が重畳される。これにより、１つのＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）により、重畳されたアナログ信号をデジタル信号に変換することができるため、簡易な構成（１つのＡＤＣ）で、複数の信号を処理することができる。

【0013】

第２の発明の信号処理装置は、複数のセンサにより検出された複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数をシフトし、周波数をシフトした複数の信号を重畳することを特徴とする。

【0014】

本発明では、複数のセンサにより検出された複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数がシフトされる。そして、周波数がシフトされた複数の信号が重畳される。これにより、１つのＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）により、重畳されたアナログ信号をデジタル信号に変換することができるため、簡易な構成（１つのＡＤＣ）で、複数の信号を処理することができる。

【0015】

第３の発明の信号処理装置は、第１又は第２の発明の信号処理装置において、複数の信号に対して、所定の周波数以下の成分を抽出するローパスフィルタ処理を行い、ローパスフィルタ処理を行った複数の信号において、周波数をシフトすることを特徴とする。

【0016】

第４の発明の信号処理装置は、第１～第３のいずれかの発明の信号処理装置において、信号に対して所定の発信周波数の信号を乗算することで、信号の周波数をシフトすることを特徴とする。

【0017】

第５の発明の信号処理装置は、第１～第４のいずれかの発明の信号処理装置において、周波数をシフトした複数の信号にバンドパスフィルタ処理を行い、バンドパスフィルタ処理を行った複数の信号を加算することで、複数の信号を重畳することを特徴とする。

【0018】

第６の発明の信号処理装置は、第１～第５のいずれかの発明の信号処理装置において、 複数の信号を重畳した重畳信号をＡ／Ｄ変換することを特徴とする。

【0019】

第７の発明の信号処理装置は、第１～第５のいずれかの発明の信号処理装置において、複数の信号を重畳した重畳信号から１つの信号を取り出し、取り出した１つの信号から、信号のピーク位置を算出し、算出したピーク位置に基づいて、信号の切り取り位置を決定し、決定した切り取り位置で、複数の信号を重畳した重畳信号を切り取ることを特徴とする。

【0020】

第８の発明の信号処理装置は、第７の発明の信号処理装置において、複数の信号を重畳した重畳信号に対してバンドパスフィルタ処理を行うことで、複数の信号を重畳した重畳信号から１つの信号を取り出すことを特徴とする。

【0021】

第９の発明の信号処理装置は、第２の発明の信号処理装置において、前記複数のセンサは、聴診器に含まれることを特徴とする。

【0022】

第１０の発明の信号処理方法は、１つのセンサにより検出された、ゲインの異なる複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数をシフトし、周波数をシフトした複数の信号を重畳することを特徴とする。

【0023】

第１１の発明の信号処理方法は、複数のセンサにより検出された複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数をシフトし、周波数をシフトした複数の信号を重畳することを特徴とする。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、簡易な構成で、複数の信号を処理することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の第１実施形態に係る信号処理を説明するための図である。

【図2】本発明の第２実施形態に係る信号処理を説明するための図である。

【図3】ＣＨ１～ＣＨ４の信号を示す図である。

【図4】ＣＨ１～ＣＨ４の信号が重畳された重畳信号を示す図である。

【図5】信号の切り取り処理を示すフローチャートである。

【図6】変形例に係る信号処理を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る信号処理装置は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）によって構成される。

【0027】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る信号処理を説明するための図である。図１に示すように、第１実施形態では、１つのセンサで検出された複数の信号に対して、信号処理が行われる。１つのセンサで検出された複数の信号は、ＣＨ１（チャンネル１）、ＣＨ２（チャンネル２）、・・・、ＣＨｎ（チャンネルｎ）に振り分けられる。複数の信号は、ゲイン１、ゲイン２、・・・、ゲインｎというように、ゲインが異なる。

【0028】

１つのセンサで検出されたゲイン１～ゲインｎの信号は、それぞれ、ＣＨ１～ＣＨｎに振り分けられる。ＣＨ１～ＣＨｎの信号に対して、所定の周波数以下の成分を抽出するローパスフィルタ（ＬＰＦ）処理が行われる。本実施形態では、例えば、所定の周波数ｆ_１＝１ｋＨｚ以下の成分が抽出される。ＬＰＦ処理が行われたＣＨ２～ＣＨｎの信号に、所定の発信周波数の信号が乗算される。ＣＨ２の場合、所定の発信周波数は、例えば、ｆｘ_１＝ｋ_１×ｆ_１［Ｈｚ］である。また、ＣＨｎの場合、所定の発信周波数は、ｆｘ_ｎ＝ｋ_ｎ×ｆ_１［Ｈｚ］である。これにより、ＣＨ２～ＣＨｎの信号は、ＣＨ１の信号の周波数帯域と重複しないように、周波数がシフトされる。

【0029】

ＣＨ２～ＣＨｎの信号に対して、所定の周波数帯域の成分を抽出するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）処理が行われる。加算器によって、ＣＨ１の信号と、周波数がシフトされ、ＢＰＦ処理が行われたＣＨ２～ＣＨｎの信号と、が加算される。これにより、ＣＨ１～ＣＨｎの信号と、が重畳される。重畳されたＣＨ１～ＣＨｎの信号（重畳信号）に対して、Ａ／Ｄコンバーター（ＡＤＣ）により、Ａ／Ｄ変換が行われる。

【0030】

なお、センサ信号（帯域ｆ_１）に周波数をシフトする発振器信号（例えば、ｆｘ_１＝k・ｆ１）を掛け合わせると、（ｆ_１＋ｋ・ｆ_１)（ＬＳＢ）の信号と、（ｆ_１－ｋ・ｆ_１）（ＵＳＢ）の両方の信号ができるが、本実施形態では、－側（ＬＳＢ）のみが使用されている。

【0031】

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る信号処理を説明するための図である。図２に示すように、第２実施形態では、複数のセンサで検出された複数の信号に対して、信号処理が行われる。複数のセンサで検出された複数の信号は、ＣＨ１、ＣＨ２、・・・、ＣＨｎに振り分けられる。複数のセンサは、例えば、聴診器に含まれる。この場合、複数のセンサで同時に信号が検出され、検出された信号には、相関関係がある。この後の処理は、第１実施形態に係る信号処理と同様であるため、説明を省略する。

【0032】

第１実施形態では、ゲインが異なる信号が、ＣＨ１～ＣＨｎ等に振り分けられた後、ＣＨ１～ＣＨｎの信号のうち、ＣＨ１の信号を除いて、帯域が重複しないように、周波数がシフトされる。そして、これらの信号が多重化され、デジタルデータ化される。

【0033】

第２実施形態では、複数のセンサによって信号が同時に検出され、ＣＨ１～ＣＨｎに振り分けられた後、ＣＨ１～ＣＨｎの信号のうち、ＣＨ１の信号を除いて、帯域が重複しないように、周波数がシフトされる。そして、これらの信号が多重化され、デジタルデータ化される。

【0034】

このように、信号を多重化することのメリットは以下のとおりである。すなわち、多重化したデータをソフトウェアで分解して、機械学習を行う（通常の使用方法）ことができ、また、多重化したままの各センサの相関情報（同期情報）も含めて、機械学習などの応用ができる。これにより、複数のセンサ間の同期を特別な同期回路を用いることなく、実現することができる。

【0035】

次に、機械学習における取り込んだセンサデータの処理について説明する。従来、時系列の複数の信号に対して、相関関係も特徴量となるようなデータに対して、通常データ取得時に、別途、同期のための仕組みが必要になり、また、それぞれのデータが別のファイルとなるため、例えば、聴診音の場合、ピークの切り出しをそれぞれのファイルに行わなくてはならない。本実施形態によれば、複数の信号を多重化して同時に取得することができるため、別途、同期回路を設ける必要がない。このように、複数の信号が、収録時点で同期されるため、図３に示すような、ピーク周辺の切り出し処理を行うときに、切り出し処理の負荷が軽くなるメリットがある。図３では、例えば、心音の各ＣＨ（チャンネル）（右心房、右心室、左心房、左心室）をピーク検出後、同期して切り出し処理している。

【0036】

一方、異なる周波数に信号を重畳させたファイルについては、ピークの切り出しは、１つのファイルで行うことができる（図４参照。）。また、機械学習時、信号が重畳されていても、特徴量は保存されているため、機械学習にはそのまま使用することも可能であり、また、それぞれ後処理で分離したい場合、帯域制限フィルタ処理で取り出すことも可能である。

【0037】

図５は、信号の切り出し処理を示すフローチャートである。ここでは、４つの信号（ＣＨ１～ＣＨ４）の信号が重畳された重畳データ（重畳信号）の切り取り処理について説明する。まず、ＣＨ１～ＣＨ４の信号が重畳された重畳データが取り込まれる（Ｓ１）。次に、ＬＰＦ処理が行われ、ＣＨ1のデータのみが取り出される（Ｓ２）。次に、取り出されたＣＨ１のデータに基づいて、信号のピーク位置が算出される（Ｓ３）。次に、信号の切り取り位置が決定され、決定された切り取り位置が保存される（Ｓ４）。

【0038】

次に、ＣＨ１～ＣＨ４の信号が重畳された重畳データが再読み込みされる（Ｓ５）。次に、保存された切り取り位置で、ＣＨ１～ＣＨ４の信号が重畳された重畳データが切り取られる（Ｓ６）。

【0039】

以上説明したように、第１実施形態では、１つのセンサにより検出された、ゲインの異なる複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数がシフトされる。そして、周波数がシフトされた複数の信号が重畳される。これにより、１つのＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）により、重畳されたアナログ信号をデジタル信号に変換することができるため、簡易な構成（１つのＡＤＣ）で、複数の信号を処理することができる。

【0040】

また、第２実施形態では、複数のセンサにより検出された複数の信号において、周波数帯域が重複しないように、周波数がシフトされる。そして、周波数がシフトされた複数の信号が重畳される。これにより、１つのＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）により、重畳されたアナログ信号をデジタル信号に変換することができるため、簡易な構成（１つのＡＤＣ）で、複数の信号を処理することができる。

【0041】

なお、複数の信号において、周波数のシフトは、全ての信号に行われてもよいし、１つの信号を除いた、複数の信号において、周波数のシフトが行われてもよい。

【0042】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明を適用可能な形態は、上述の実施形態には限られるものではなく、以下に例示するように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることが可能である。

【0043】

図６は、変形例に係る信号処理を説明するための図である。図６に示す変形例では、実線で、「ａ．異なるダイナミックレンジ信号を取る場合」が示されており、破線で、「ｂ．異なるセンサ信号を取る場合」が示されている。その他は、第１実施形態、第２実施形態と同様である。

【産業上の利用可能性】

【0044】

本発明は、複数の信号を処理する信号処理装置、及び、信号処理方法に好適に採用され得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】