特開 2024-66997 動物用呼気成分推定方法及び動物用呼気成分センシングシステム

(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】P2024066997

(43)【公開日】2024-05-16

(54)【発明の名称】動物用呼気成分推定方法及び動物用呼気成分センシングシステム

(51)【国際特許分類】

   A01K 29/00 20060101AFI20240509BHJP

【ＦＩ】

A01K29/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023180370

(22)【出願日】2023-10-19

(31)【優先権主張番号】P 2022176252

(32)【優先日】2022-11-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110003421

【氏名又は名称】弁理士法人フィールズ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 寿浩

(72)【発明者】

【氏名】吉岡 凛香

(72)【発明者】

【氏名】山本 道貴

(57)【要約】

【課題】簡易に動物の呼気の成分を測定することができる。
【解決手段】対象動物の呼気により、前記対象動物の口又は鼻付近に取り付けられた笛が発した音を収集する収集工程と、前記収集した音の周波数を算出し、前記算出した周波数に応じて、前記音を発したときの前記対象動物の呼気の成分を推定する推定工程と、を有する。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象動物の呼気により、前記対象動物の口又は鼻付近に取り付けられた笛が発した音を収集する収集工程と、
前記収集した音の周波数を算出し、前記算出した周波数に応じて、前記音を発したときの前記対象動物の呼気の成分を推定する推定工程と、
を有する動物用呼気成分推定方法。

【請求項2】

第１対象動物に取り付ける第１笛と、第２対象動物に取り付ける第２笛は、それぞれ異なる基本周波数を有する
請求項１記載の動物用呼気成分推定方法。

【請求項3】

前記推定工程は、前記呼気に含まれるガスの混合物の分子量を推定する工程を含む
請求項１記載の動物用呼気成分推定方法。

【請求項4】

前記ガスの混合物は、メタンと二酸化炭素が含まれる
請求項３記載の動物用呼気成分推定方法。

【請求項5】

前記笛は、第１閾値よりも優れた分子量分解能を有する
請求項１記載の動物用呼気成分推定方法。

【請求項6】

前記収集工程は、複数の対象動物に取り付けられた笛ごとに取り付けられた集音装置によって、前記笛が発した音を収集する工程を含む
請求項１記載の動物用呼気成分推定方法。

【請求項7】

前記収集工程は、前記対象動物の近傍に取り付けられた集音装置によって、複数の対象動物それぞれに取り付けられた前記笛が発した音を収集する工程を含む
請求項１記載の動物用呼気成分推定方法。

【請求項8】

笛を構成物に有する発音装置と、音を収集する集音装置と、音データを解析する判定装置を有する動物用呼気成分センシングシステムであって、
前記発音装置は、対象動物の口又は鼻付近に取り付けられ、前記対象動物の呼気により笛の音を発し、
前記集音装置は、前記発音装置が発した笛の音を収集し、音データとして前記判定装置に送信し、
前記判定装置は、前記音データを取得し、前記音データの周波数を算出し、前記算出した周波数に応じて、前記音を発したときの前記対象動物の呼気の成分を推定する
動物用呼気成分センシングシステム。

【請求項9】

対象動物の呼気により、前記対象動物の口又は鼻付近に取り付けられた２つの笛が発した音を収集する収集工程と、
前記収集した２つの音の周波数を算出し、前記２つの笛それぞれの発する音の周波数、呼気の流量、及び呼気の成分との関係に基づき、前記音を発したときの前記対象動物の呼気の成分を推定する推定工程と、
を有する動物用呼気成分推定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、動物用呼気成分推定方法及び動物用呼気成分センシングシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、温室効果ガスによる地球温暖化が問題となっている。温室効果ガスは、太陽から放出される熱を地球に閉じ込め、地表面の温度を上昇させる。温室効果ガスは、例えば、二酸化炭素やメタンなどが知られている。

【0003】

メタンは、例えば、牛などの反芻動物の胃で発生し、ゲップなどにおいて大気中に放出される。日本においては、総メタン排出量の約２７％が、牛のゲップ由来とされている。

【0004】

地球温暖化を抑制するためには、まずはメタンの排出量を把握することが必要となる。また、メタンは、例えば、国際的な排出量取引の対象となることも予想されることから、排出量の測定が求められる。

【0005】

牛の排出するメタンを測定する方法として、例えば、所定時間の間、牛の呼気を回収し、その成分を測定する方法がある。

【0006】

また、牛の排出するメタンを測定する方法として、例えば、牛の胃の中にメタンガスを検出するガスセンサを駐留させ、無線通信でメタンの濃度を取得する方法がある。

【0007】

ガスセンサや呼気の成分を測定する方法に関する技術は、例えば、以下に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特表2014-525738号公報

【特許文献2】特開2022-026622号公報

【特許文献3】特開2022-111407号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

牛の呼気を回収する場合、例えば、呼気回収用の専用の装置が必要である。しかし、呼気回収装置は、コストも高く、また、取り付け、回収に手間がかかる。

【0010】

また、牛の胃に駐留させるガスセンサは、コストも高く、メンテナンス等において胃から取り出す必要があるなど、回収が困難で手間がかかる。

【0011】

このように、従来の方法は、測定機器の設置コストが高価であったり、メンテナンス等に手間がかかったりする場合がある。

【0012】

そこで、一開示は、簡易に動物の呼気の成分を測定することができる、動物用呼気成分測定方法、及び動物用呼気成分センシングシステムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明は、対象動物の呼気により、前記対象動物の口又は鼻付近に取り付けられた笛が発した音を収集する収集工程と、前記収集した音の周波数を算出し、前記算出した周波数に応じて、前記音を発したときの前記対象動物の呼気の成分を推定する推定工程と、を有する動物用呼気成分推定方法、に関するものである。

【0014】

また、本発明は、第１対象動物に取り付ける第１笛と、第２対象動物に取り付ける第２笛は、それぞれ異なる基本周波数を有する動物用呼気成分推定方法、に関するものである。

【0015】

また、本発明は、前記推定工程が、前記呼気に含まれるガスの混合物の分子量を推定する工程を含む動物用呼気成分推定方法、に関するものである。

【0016】

また、本発明は、前記ガスの混合物が、メタンと二酸化炭素が含まれる動物用呼気成分推定方法、に関するものである。

【0017】

また、本発明は、前記笛が、第１閾値よりも優れた分子量分解能を有する動物用呼気成分推定方法、に関するものである。

【0018】

また、本発明は、前記収集工程が、複数の対象動物に取り付けられた笛ごとに取り付けられた集音装置によって、前記笛が発した音を収集する工程を含む動物用呼気成分推定方法、に関するものである。

【0019】

また、本発明は、前記収集工程が、前記対象動物の近傍に取り付けられた集音装置によって、複数の対象動物それぞれに取り付けられた前記笛が発した音を収集する工程を含む動物用呼気成分推定方法、に関するものである。

【0020】

また、本発明は、笛を構成物に有する発音装置と、音を収集する集音装置と、音データを解析する判定装置を有する動物用呼気成分センシングシステムであって、前記発音装置は、対象動物の口又は鼻付近に取り付けられ、前記対象動物の呼気により笛の音を発し、前記集音装置は、前記発音装置が発した笛の音を収集し、音データとして前記判定装置に送信し、前記判定装置は、前記音データを取得し、前記音データの周波数を算出し、前記算出した周波数に応じて、前記音を発したときの前記対象動物の呼気の成分を推定する動物用呼気成分センシングシステム、に関するものである。

【発明の効果】

【0021】

一開示は、安価で簡易に動物の呼気の成分を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、動物用呼気成分センシングシステム１０の構成例を示す図である。

【図2】図２は、動物用呼気成分判定装置１００の構成例を表す図である。

【図3】図３は、発音装置３００の例を示す図である。

【図4】図４は、発音装置３００の例を示す図である。

【図5】図５は、発音装置３００の例を示す図である。

【図6】図６は、呼気成分判定処理Ｓ１００の処理フローチャートの例を示す図である。

【図7】図７は、笛の例を示す図である。

【図8】図８は、笛の音の周波数と、１/√Ｍの関係を示すグラフの例を示す図である。

【図9】図９は、笛ごとの分子量分解能の一覧の例を示す図である。

【図10】図１０は、１/√Ｍとガス混合物の分子量との関係の例を示す図である。

【図11】図１１は、笛の取り付け方法の例を示す図である。

【図12】図１２は、測定した笛の周波数とゲインの例を示す図である。

【図13】図１３は、特性平面を用いて分子量を算出する方法の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

［第１の実施の形態］
第１の実施の形態について説明する。

【0024】

＜動物用呼気成分センシングシステム１０の構成例＞
図１は、動物用呼気成分センシングシステム１０の構成例を示す図である。動物用呼気成分センシングシステム１０は、動物用呼気成分判定装置１００、集音装置２００、及び発音装置３００－１～３を有する。動物用呼気成分センシングシステム１０は、測定対象の動物（図１においては牛）の呼気により発せられた笛の音を集音し、音の周波数から、呼気に含まれる成分を測定（推定）するシステムである。なお、判定の対象動物は、牛に限られない。また、呼気は、例えば、呼吸したときに吐く息や、ゲップを含む。

【0025】

発音装置３００－１～３（以降、発音装置３００と呼ぶ場合がある）は、例えば、笛と固定器具で構成され、動物の口又は鼻付近に設置される装置である。発音装置３００は、例えば、牛の口や鼻から放出された呼気により、笛が鳴ることで音を発する。図１において、牛Ｔ１から牛Ｔ３は、それぞれ異なる基本周波数を有する笛で構成される発音装置３００－１～３が取り付けられている。異なる基本周波数を有する笛で構成される発音装置３００を取り付ける理由は、周波数により、いずれの発音装置３００（牛）から発生された音かを識別できるようにするためである。なお、牛ごとに個別の管理を行わない場合、牛Ｔ１～Ｔ３は、それぞれ同じ笛（同じ基本周波数を有する笛）で構成される発音装置３００を取り付けられてもよい。

【0026】

なお、図１において、牛は３頭であるが、２頭以下であってもよいし、４頭以上であってもよい。取り付けられる発音装置３００の数は、牛の頭数と同じである。

【0027】

集音装置２００は、例えば、牛Ｔ１～Ｔ３を放牧している柵付近に設置され、発音装置３００が発する音を収集する装置である。集音装置２００は、例えば、マイクである。集音装置２００は、収集した音のデータ（音データ）を、動物用呼気成分判定装置１００に送信する。集音装置２００は、例えば、ＢｌｕｅＴｏｏｔｈやＷｉ-Ｆｉなどの無線や、有線で動物用呼気成分判定装置１００と接続し、通信を行う。

【0028】

なお、集音装置２００は、例えば、発音装置３００に取り付けられてもよい。発音装置３００それぞれに対して集音装置２００が取り付けられる場合、どの集音装置２００で音を収集したかによって、どの発音装置３００（牛）が笛の音を発したかを識別することができる。この場合、発音装置３００の笛は、それぞれ同じ基本周波数を有する笛であってもよい。また、この場合、隣接する発音装置３００（牛）が発した音を拾ってしまうことを考慮し、それぞれ異なる基本周波数を有する笛であってもよい。また、この場合、集音装置２００は、無線で動物用呼気成分判定装置１００と通信するための通信回路（通信機器）を有する。

【0029】

動物用呼気成分判定装置１００は、音データを集音装置２００から取得し、解析を行う装置であり、例えば、コンピュータである。動物用呼気成分判定装置１００は、音データを解析し、例えば、いずれの発音装置３００から発せられた音であるか、また、当該音データを発したときの呼気の成分などを判定（推定）する。動物用呼気成分判定装置１００は、判定した結果を、例えば、表示部に表示したり、ファイル化して出力したりする。

【0030】

＜動物用呼気成分判定装置１００の構成例＞
図２は、動物用呼気成分判定装置１００の構成例を表す図である。動物用呼気成分判定装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１０、ストレージ１２０、メモリ１３０、通信回路１４０、及びディスプレイ１５０を有する。

【0031】

ストレージ１２０は、プログラムやデータを記憶する、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、又はＳＳＤ（Solid State Drive）などの補助記憶装置である。ストレージ１２０は、対象音収集プログラム１２１及び呼気成分判定プログラム１２２を記憶する。

【0032】

メモリ１３０は、ストレージ１２０に記憶されているプログラムをロードする領域である。また、メモリ１３０は、プログラムがデータを記憶する領域としても使用されてもよい。

【0033】

通信回路１４０は、集音装置２００と接続し、通信を行う装置である。動物用呼気成分判定装置１００は、通信回路１４０を介して、集音装置２００から音データを取得する。通信回路１４０は、無線に対応するものであってもよいし、有線で接続されるものでもよい。

【0034】

ディスプレイ１５０は、判定結果などを表示する画面であり、表示部である。ディスプレイ１５０は、例えば、一体型でもよいし、外部接続されるものであってもよい。

【0035】

ＣＰＵ１１０は、ストレージ１２０に記憶されているプログラムを、メモリ１３０にロードし、ロードしたプログラムを実行し、各部を構築し、各処理を実現するプロセッサである。

【0036】

ＣＰＵ１１０は、対象音収集プログラム１２１を実行することで、収集部を構築し、対象音収集処理を行う。対象音収集処理は、集音装置２００と通信を行い、集音装置２００が収集した音データを取得する処理であり、収集工程である。

【0037】

ＣＰＵ１１０は、呼気成分判定プログラム１２２を実行することで、判定部を構築し、呼気成分判定処理を行う。呼気成分判定処理は、音データを分析し、音を発した発音装置３００を特定し、音を発したときの呼気成分を判定する処理であり、推定工程である。

【0038】

＜発音装置３００の構成例＞
図３は、発音装置３００の例を示す図である。図３（Ａ）は、発音装置３００の構成例を示す図である。

【0039】

発音装置３００は、鼻輪３０１、笛３０２、笛３０３、ジョイントホース３０４、及びジョイントホース３０５で構成される。

【0040】

鼻輪３０１は、牛の鼻に取り付ける器具である。鼻輪３０１は、例えば、金属、合成樹脂、又はゴム（合成ゴム、天然ゴムを含む）などで構成される。

【0041】

笛３０２及び笛３０３は、例えば、牛の鼻から放出される呼気により、音が鳴る装置であり、例えば、ホイッスルやリコーダーである。図３（Ａ）においては、左右に笛３０２及び笛３０３が設置されているが、１つであってもよい。また、左右に笛３０２及び笛３０３は、異なる周波数帯域の音を出す異なる笛であってもよいし、同じ笛であってもよい。

【0042】

ジョイントホース３０４及びジョイントホース３０５は、笛３０２及び笛３０３を鼻輪３０１に固定するための接続器具である。ジョイントホース３０４及びジョイントホース３０５は、例えば、合成樹脂やゴムなどで構成される。

【0043】

図３（Ｂ）は、発音装置３００を牛に取り付けている例を示す図である。発音装置３００は、例えば、笛３０２及び笛３０３の吹き込み口が、牛の鼻の穴に向くように取り付けられる。

【0044】

図４は、発音装置３００の例を示す図である。図４の発音装置３００は、図３（Ａ）の構成物に加え、取手３０６及び取手３０７を有する。発音装置３００は、取手３０６及び取手３０７を取り付けられることによって、笛３０２及び笛３０３の吹き込み口の向きや角度を調整しやすくなる。

【0045】

図５は、発音装置３００の例を示す図である。図５（Ａ）は、発音装置３００を牛に取り付けている例を示す図である。発音装置３００は、固定ベルト３１１、ガスパック３１２、及び笛３１３で構成される。

【0046】

固定ベルトは、例えば、合成樹脂、ゴム、布、又は革で構成され、牛の口や首の周辺に固定することで、接続するガスパック３１２を固定する。

【0047】

笛３１３は、例えば、ホイッスルやリコーダーであり、図３の発音装置３００と同じ笛であってもよい。

【0048】

図５（Ｂ）は、ガスパック３１２の例を示す図である。ガスパック３１２は、カバー３１２１と接触部位３１２５で構成される。

【0049】

カバー３１２１は、例えば、半球状であり、牛の呼気を収集する空間である。カバー３１２１は、例えば、合成樹脂やゴムで構成される。

【0050】

カバー３１２１は、鼻輪孔３１２２、鼻輪孔３１２３、及び笛差し込み孔３１２４を有する。鼻輪孔３１２２及び鼻輪孔３１２３は、鼻輪を通す穴であり、鼻輪を通すことでふさがる大きさや形状である。カバー３１２１が合成樹脂やゴムである場合、鼻輪孔３１２２及び鼻輪孔３１２３は、鼻輪より少し小さい大きさの穴であってもよい。

【0051】

笛差し込み孔３１２４は、笛３１３を通す穴であり、笛３１３を通すことでふさがる大きさや形状である。カバー３１２１が合成樹脂やゴムである場合、笛差し込み孔３１２４は、笛３１３の吹き込み口より少し小さい大きさの穴であってもよい。

【0052】

接触部位３１２５は、牛と接触する部分であって、例えば、合成樹脂やゴムなどで構成される。接触部位３１２５は、牛の口周辺に密着し、牛の呼気がカバー３１２１から漏れることを防ぐ。また、接触部位３１２５は、牛の口周辺に密着し、ガスパック３１２が牛の口周辺からずれてしまうことを防ぐ。

【0053】

なお、図３～図５に示す発音装置３００は、集音装置２００が取り付けられてもよい。また、図３～図５に示す発音装置３００は、集音装置２００が構成物の一つとなってもよい。集音装置２００は、例えば、笛の近くに取り付けられる。集音装置２００は、例えば、無線で動物用呼気成分判定装置１００と接続し、音データを動物用呼気成分判定装置１００に送信する。

【0054】

＜呼気成分判定処理＞
動物用呼気成分判定装置１００で実行される呼気成分判定処理について説明する。図６は、呼気成分判定処理Ｓ１００の処理フローチャートの例を示す図である。

【0055】

収集部は、集音装置２００より、音データを取得する（Ｓ１００－１）。なお、収集部は、例えば、所定量以上に小さい音量の音データを、判定対象外の音データ（雑音データ）であると判定し、破棄してもよい。

【0056】

判定部は、収集部が取得した音データに基づき、笛の識別を行う（Ｓ１００－２）。音データの周波数を算出し、当該周波数に対応する笛を識別する。笛の音は、呼気を構成する気体の成分が変化すると、周波数も変化するが、取り得る（発する可能性のある）周波数帯域は、笛の形状や材質などにより決まっている。言い換えれば、笛の音の周波数は、基本周波数から所定幅となり、取り得る範囲は決まっている。そのため、判定部は、音データの周波数を算出することで、当該音データの音が、どの笛（発音装置３００）から発せられたかを識別することができる。

【0057】

判定部は、笛を識別した結果、判定対象の笛から発せられた音ではないと判定した場合（Ｓ１００－３のＮｏ）、再度音データの取得を待ち受ける（Ｓ１００－１）。

【0058】

一方、判定部は、笛を識別した結果、判定対象の笛から発せられた音であると判定した場合（Ｓ１００－３のＹｅｓ）、音データの周波数より呼気成分を算出する（Ｓ１００－４）。

【0059】

そして、判定部は、算出した呼気成分を笛ごと（牛ごと）に保存（出力）し（Ｓ１００－５）、再度音データの取得を待ち受ける（Ｓ１００－１）。

【0060】

＜呼気成分の算出方法について＞
笛の音は、呼気を構成する気体の成分が変化すると、周波数も変化する。そのため、笛の音データの周波数を算出することで、呼気成分を推定（算出）することができる。

【0061】

笛による周波数の差異について説明する。図７は、笛の例を示す図である。例えば、笛Ａ～笛Ｄの周波数の差異について説明する。図７に示すように、笛それぞれは、材質、形状、共鳴方式、空気中での基本周波数などが異なる。笛Ａ～Ｄのそれぞれについて、呼気成分と周波数の関係について説明する。

【0062】

笛の共鳴方式は、例えば、以下の２種類に分類される。

【0063】

（１）気柱の共鳴
リコーダーなどの共鳴方式である。固有周波数（基本周波数）は、例えば、以下の式１、式２で算出できる。

【0064】

・閉管の場合 ｆ＝（２ｎ－１／４Ｌ）×ｃ ・・・式１
・開管の場合 ｆ＝（ｎ／２Ｌ）×ｃ ・・・式２
ｆは基本周波数、ｎは自然数、Ｌは管の長さ、ｃは音速を示す。

【0065】

（２）ヘルツホルム共鳴
ホイッスルなどの共鳴方式である。固有周波数は、例えば、以下の式３で算出できる。

【0066】

【数1】

πは円周率、Ｓはネック部の断面積、Ｌはネック部の長さ、Ｖは内部気体の体積を示す。

【0067】

音速ｃは、以下の式４で表すことできる。

【0068】

【数2】

ｋは比熱比、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｍは分子量を示す。

【0069】

このことから、共鳴方式がいずれであっても、固有周波数ｆは、１/√Ｍに比例することがわかる。判定部は、これを利用し、笛が有する基本周波数（固有周波数）から、気体の分子量を算出（推定）する。

【0070】

図８は、笛の音の周波数と、１/√Ｍの関係を示すグラフの例を示す図である。図８に示すグラフを用いて、音データの周波数から１/√Ｍを算出し、呼気成分を推定することができる。

【0071】

図９は、笛ごとの分子量分解能の一覧の例を示す図である。分子量分解能は、例えば、１/√Ｍの分解能を標準偏差及びグラフの傾きから算出し、１/√Ｍの分解能を換算して算出される。牛の呼気は、平常時、メタンが０．６％程度含まれる。また、ルーメン（牛の第１の胃）の内部の気体には、メタンが２０％程度含まれる。牛のゲップは、ルーメン内の気体が放出されているため、牛のゲップには、メタンが２０％程度含まれていると想定することができる。ルーメンにおいて、メタン含有量の増減を、例えば、５％単位で検出する場合、ガス混合物における１％（メタン含有率２０％に対する５％の割合）単位での増減を検出する分解能が必要となる。この分解能は、例えば、０．２８程度となる。

【0072】

メタンの増減を高精度で検出するためには、より分子量分解能が優れた笛を選択することが好ましい。例えば、笛は、分子量分解能が所定値（第１閾値）よりも優れたものが選択される。例えば、図９においては、笛Ｃが選択される。

【0073】

なお、笛Ｃの円筒の長さや断面積を変更することで、異なる基本周波数帯域を有する複数の笛を準備することが可能であるため、複数の牛の発音装置３００に異なる基本周波数帯域を有する発音装置３００を取り付けることができ、複数の牛を音データの周波数で識別することができる。また、笛Ａ～Ｄ以外に、優れた分子量分解能を有する笛があれば、その笛が選択されてもよい。

【0074】

図１０は、１/√Ｍとガス混合物の分子量との関係の例を示す図である。ガス混合物は、例えば、二酸化炭素とメタンの混合物である。なお、ガスは、例えば、室温を３００Ｋ（ケルビン）において、水、メタン、二酸化炭素のみで構成されると仮定する。また、飽和水蒸気量は、体積分率３．５％と仮定する。

【0075】

＜呼気成分判定結果の例＞
例えば、判定対象の牛が１頭で、その牛は、分子量分解能が最も優れた笛Ｃの発音装置３００を装着しているとする。判定部は、取得した音データの周波数から、図８の笛Ｃのグラフより、１/√Ｍを算出する。そして、判定部は、図１０より、１/√Ｍと対応するガスの混合物の分子量を算出する。

【0076】

例えば、音データの周波数が約３１００Ｈｚである場合、判定部は、図８のグラフより１/√Ｍを約０．１７７と算出する。そして、判定部は、図１０より、１/√Ｍの０．１７７に対応する０．７１を、メタンの二酸化炭素に対する割合（ＣＨ_４／ＣＯ_２）として算出する。そして、判定部は、０．７１に対応するガス混合物の分子量を、３１．９と算出する。また、判定部は、割合０．７１より、混合ガス中の成分をメタン４０％及び二酸化炭素５６．５％（水が存在するため、合計１００％とならない）と算出する。

【0077】

このように、動物用呼気成分センシングシステム１０は、笛の音の周波数が呼気の成分によって変化することを利用し、牛の呼気の成分を算出することができる。使用器具としては、笛やマイク、または一般的なコンピュータなどであり、比較的安価にシステムを構成することができる。また、笛も牛に取り付けるだけであり、メンテナンスも簡易に行うことができる。

【0078】

また、本実施例において、ガス混合物の成分を、二酸化炭素、メタン、既知の量の水のみであると仮定した。判定部は、メタンと二酸化炭素の混合物の分子量を算出（メタンと二酸化炭素の分子量は既知であるため算出可能）し、メタンの割合を算出することが可能である。実際の牛の呼気には、さらに他の気体が含まれる場合があるが、音を発したときの牛の状況や状態などから、他の気体の割合を想定（特定）できる場合、メタンの分子量を算出することが可能となる。

【0079】

また、ゲップが混じった呼気と、呼吸による呼気とでは、呼気成分が異なる。そのため、判定部は、ゲップの回数や長さについても計測することが可能となる。例えば、判定部は、メタンの分子量（あるいは混合物の分子量）が所定値以上であれば、ゲップであると判定してもよい。また、判定部は、音データの時間から、ゲップの長さを算出することができる。

【0080】

［第２の実施の形態］
笛は、基本周波数を有するが、吹き込まれる息の流入量のよって、周波数が異なる場合がある。笛は、例えば、流入量が多いほど、周波数も高くなる傾向がある。流入量による周波数の変化は、あまり大きな変化量ではないが、笛の音の周波数による呼気成分判定に、影響を与え得る。そこで、第２の実施の形態では、１頭の牛に異なる基本周波数を有する複数（例えば２つ）の笛を取り付ける。

【0081】

図１１は、笛の取り付け方法の例を示す図である。図１１（Ａ）は、吹き込み口５００から取り込んだ息を、並列に並べられた笛５０１と笛５０２に分散させて吹き込む方法である。また、図１１（Ｂ）は、吹き込み口５００から取り込んだ息を、笛５０１に吹き込み、さらに、笛５０１から出てくる息を、笛５０１に直列に接続された笛５０２に吹き込む方法である。第２の実施の形態では、２つの笛に吹き込まれる息の流量は、均等であることが好ましい。図１１（Ａ）では、概ね息の流量の半分が各笛に流入し、図１１（Ｂ）では、概ね息の流量と同じ流量が各笛に流入すると想定することができる。

【0082】

以下、第２の実施の形態における、呼気成分判定方法について説明する。

【0083】

＜笛の音の周波数測定＞
まず、試験者は、笛５０１及び笛５０２から発せられる音の周波数を測定する。図１２は、測定した笛の周波数とゲインの例を示す図である。図１２において、ｆ１は、笛５０１が発した音の周波数であり、ｆ２は、笛５０２が発した音の周波数である。なお、発せられた音が笛５０１と笛５０２のいずれであるかの区別は、例えば、基本周波数から判定する。

【0084】

＜関係式から分子量の算出＞
次に、笛５０１及び笛５０２に流入する気体の分子量、総流量、及び周波数の関係を示す関係式を定義（仮定）する。以下、分子量をＭ、総流量をＱ、周波数をｆと表現する場合がある。関係式は、例えば、以下の式２１とする。

【0085】

ｆ＝ａ×１／√Ｍ ＋ ｂ×Ｑ ＋ｃ ・・・式２１
ａ，ｂ，ｃは、笛ごとに異なる定数とする。

【0086】

式２１に基づき、笛５０１の周波数ｆ１及び笛５０２の周波数ｆ２は、以下の式２２及び式２３で表すことができる。

【0087】

ｆ１＝ａ１×１／√Ｍ ＋ ｂ１×Ｑ ＋ｃ１ ・・・式２２
ｆ２＝ａ２×１／√Ｍ ＋ ｂ２×Ｑ ＋ｃ２ ・・・式２３
ａ１，ｂ１，ｃ１は、笛５０１における定数であり、ａ２，ｂ２，ｃ２は、笛５０２における定数である。

【0088】

各笛から発生する音の周波数ｆ１及びｆ２は、１／√Ｍ及びＱに対して、線形に増加すると近似することができる。これにより、１／√Ｍ、Ｑ、及びｆの関係は、３次元平面であると仮定することができる。この３次元平面を、特性平面と呼ぶ場合がある。試験者は、分子量測定の前に、事前に笛５０１及び笛５０２の定数を算出しておく。

【0089】

図１３は、特性平面を用いて分子量を算出する方法の例を示す図である。図１３（Ａ）は、特性平面の例を示す図である。図１３（Ａ）のＷｈｉｓｔｌｅ１は、笛５０１を示し、Ｗｈｉｓｔｌｅ２は、笛５０２を示すものとする。

【0090】

図１３（Ｂ）は、分子量を算出するグラフの例を示す図である。試験者は、測定により取得した各笛の周波数を式２２及び式２３に代入し、Ｍ及びＱを算出する。図１３（Ｂ）におけるグラフの交点が、算出されるＭ及びＱである。

【0091】

＜第２の実施の形態の変形例＞
第２の実施の形態において、試験者は、２つの変数（Ｍ、Ｑ）を確定するために、２つの笛の周波数を測定し、２つの連立方程式を解くことで、分子量を算出した。しかし、笛の周波数が変わる要因として、流量（総流量）以外に、例えば、温度などが考えられる。温度の影響を考慮する場合、例えば、３つの笛の周波数を測定し、以下の式２４～２６を定義することで、分子量の算出が可能となる。

【0092】

ｆ１＝ａ１×１／√Ｍ ＋ ｂ１×Ｑ ＋ｃ１×√Ｔ ＋ｄ１ ・・・式２４
ｆ２＝ａ２×１／√Ｍ ＋ ｂ２×Ｑ ＋ｃ２×√Ｔ ＋ｄ２ ・・・式２５
ｆ３＝ａ３×１／√Ｍ ＋ ｂ３×Ｑ ＋ｃ３×√Ｔ ＋ｄ３ ・・・式２６
ａ１，ｂ１，ｃ１は、笛５０１における定数であり、ａ２，ｂ２，ｃ２は、笛５０２における定数であり、ａ３，ｂ３，ｃ３は、笛５０３（図示しない）の定数である。

【0093】

式２４から ２６は、周波数ｆが、１/√Ｍ、Ｑ、 √Ｔ（Ｔは温度）に対して線形に増加すると近似した式である。以下、各笛の４次元特性平面と呼ぶ場合がある。試験者は、各笛の周波数を測定し、式２４～２６に代入し、連立方程式を解くことで、Ｍ、Ｑ、及びＴを算出することができる。

【符号の説明】

【0094】

１０ ：動物用呼気成分センシングシステム
１００ ：動物用呼気成分判定装置
１１０ ：ＣＰＵ
１２０ ：ストレージ
１２１ ：対象音収集プログラム
１２２ ：呼気成分判定プログラム
１３０ ：メモリ
１４０ ：通信回路
１５０ ：ディスプレイ
２００ ：集音装置
３００ ：発音装置
３０１ ：鼻輪
３０２ ：笛
３０３ ：笛
３０４ ：ジョイントホース
３０５ ：ジョイントホース
３０６ ：取手
３０７ ：取手
３１１ ：固定ベルト
３１２ ：ガスパック
３１３ ：笛
３１２１ ：カバー
３１２２ ：鼻輪孔
３１２３ ：鼻輪孔
３１２４ ：込み孔
３１２５ ：接触部位

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】