an 嚥下音・呼気音のwavelet解析
研究報告
Mllllllll川111111111Mlllllllll嚥下音・呼気音のwavelet解析の試み
一頸部聴診法の応用一
Wavelet analysis of swallowing and expiratory sounds －application of cervical auscultation一一 久保 高明1）3），内藤 正美2）※），湯ノロ万友2）王鋼2），木村隆1）
KUBO Takaaki ’） 3）， NAITO Masayoshi 2） “）， YUNOKUCHI Kazutomo 2） WANG Gang 2）， KIMURA Takashi i） 要 旨 【目的1：頸部聴診法は臨床上簡便な誤嚥のスクリーニングとして行われている検査である．その嚥下時お よび呼気時産生音の時間一周波数解析には，短時間フーリエ変換（STFT）を用いたサウンドスペクトル解 析が主流となっている．しかしながら，STFTは一定長の窓関数を用いるために非定常信号の時間分解能 には限界がある．したがって今研究の目的は，wavelet解析により非定常信号である嚥下時産生音の周波 数特性や，呼気時産生音の周波数帯域別での周波数特性を明らかにすることで，頸部聴診法の診断精度を 向上させることにある． 【対象と方法】：対象は健常成人5名および脳血管障害患者3名である．5ml水を嚥下させその嚥下時およ び呼気時産生音を頸部より検出した（サンプリング周波数は11KHz）． 前者に関しては一次元連続wavelet変換をし，後者に関しては一次元離散wavelet変換による信号の多重 レベル分解により解析した．解析には，MATLAB Wavelet Toolbox（Mathworks社）を使用した．なお， mother waveletはDaubechiesを用いた． 【結果】：嚥下時産生音について，健常人は低周波から高周波帯域にかけての嚥下クリック音と解釈できる 所見の存在がみられ，異常嚥下では，嚥下クリック音と解釈できる所見の欠如に合わせ，300～600Hzを 主とした泡立ち音と解釈できる所見が認められた．また，湿性呼気音においては，およそ350Hz以上の帯 域における「揺らぎ」と解釈できる所見が認められた． 【考察】：時間一周波数解析を行うことで，嚥下時産生音に関しては，泡立ち音の存在を認める時期が断定 でき，誤嚥の時期やその原因を推定できる可能性が示唆された．．そして，silent aspiration例の場合でも， 呼気時産生音の検出により「揺らぎ」の存在を客観的に確認できれば，頸部聴診法における誤嚥の判定精 度の向上に寄与できるものと思われた． key wo劃1s：頸部聴診法， wavdet解析，時間一周波数解析，嚥下時産生音，呼気時産生音 ＜所属＞ 1）鹿児島医療技術専門学校 2）鹿児島大学工学部 3）鹿児島大学大学院理工学研究科 1 ） Kagoshima Medical Technology College 2 ） Faculty of Engineering， Kagoshima University 3 ） Graduate School of Science and Engineering， Kagoshirna University 〈連絡先〉 〒8910133鹿児島市平川町字宇都口5417－1 鹿児島医療技術専門学校 久保 高明 TEL 099－261－6161 FA］XI 099－262－5252 e－mail address ： rpt．t．kubo＠harada－gakuen．com ※現所属）東京女子大学文理学部日摂食嚥下リハ会誌 8（1）：64－68，2004 65 緒 言 摂食・嚥下領域における誤嚥の有無の検査は，嚥下造 影検査（videofluorography：VF）が主流であり，客観的 に誤嚥の診断が可能であるが，放射線被曝の問題や， VFの施行に際し，患者および複数の医療職がVF装置の 設置場所へ行かなければならないなどの物理的・時間的 な問題も有している．頸部聴診は，聴診器のみを用いて 行う臨床上簡便な誤嚥のスクリーニングとして行われて いる検査法1）であるが，より精密な検査としての確立 が期待されている．現在，頸部聴診による検出音の音響 分析は，フーリエ変換（町：Fourier Transform）を用い た音圧での解析や短時間フーリエ変換（STFT：Short Time Fourier Transfo㎜）を用いたサウンドスペクトル 解析2－7）が主流となっている． しかしながら，Mでは時間軸上での周波数情報は得 られず8＞，STFTの場合は，一定長の窓関数を用いるた めに解析を要する時間長は常に一定となり，周波数が急 激に変化するような非定常信号の時間分解能には限界が ある9ン．そこで今回，頸部聴診法における誤嚥の診断精 度の向上を目的として，wavelet変換10－m）を嚥下時産生 音と呼気時産生音にて行い，時間一周波数解析を試み たので報告する．なお，wavelet変i換とは， mother waveletレ（κ）を伸縮（1ん）し，平行移動（b）させた w（x－b／a）と解析信号f（x）とでコンボリューション積分 （解析信号f（x）に別の関数8（x）を掛け合わせ，（f＊g）（x） と定義する関数の積分）を行い，係数値を求める手法で ある（図1）．また，離散wavelet変換は前述の（1／a， b） を（2吸，2ノ）と置いて離散化した後に積分し係数値を求 めるものである． （wレf）（猷・）一
mレ（≒わ）！（κ）ぬ
図1 Wavelet変換の定義 対象と方法 対象 対象は，誤嚥ありと判断した脳血管障害者3名（表1） および明らかな脳血管障害の無い健常成人5名（22～ 32歳）であった． 表1脳血管障害者プロフィール 症例1 症例2 症例3 診断名 脳出血 脳梗塞 脳梗塞 障害名 左片麻痺 左片麻痺 左片麻痺 年齢・性別 79歳・男性 72歳・女性 80歳・女性 意識 清明 清明 清明 食形態 とろみ食 とろみ食 とろみ食 嚥下機能評価 ロ唇の閉じ、舌 ﾌ動きが不十 ｪで、流誕が多 ｢．嚥下反射 ﾍ認められるも ﾌの、嚥下後 ﾉむせが出現 ｷる． ロ唇は閉じられ’ 驍ｪ、舌の動き ｪ弱く、送り込 ﾝが困難であ 驕D喉頭挙上は ﾂ能であるが、 級ｺ反射の出 ｻに時間的な xれがある， uFで誤嚥が確 Fされている． ロ唇およびロ o、喉頭挙上 ﾉ問題は無い． 級ｺ反射も認 ﾟられるが、嚥 ｺ後にはむせ ｪ出現する， 方法 30。ベッドアップ位において，コップまたはスプー ンを使用して，5ml水を口腔内に入れた後，自由嚥下を 行わせた（各被検者5回ずつ）．そして，嚥下後は自発 呼吸を行わせ，その際にTakahashi et al 2）の推奨する部 位よりコンデンサーマイクロフォン（SONY ECM－T145） を用いてサンプリング周波数11KHzにて嚥下時および 呼気時産生音を検出し，パソコン（NEC LavieJ LJ700／4） に取り込んだ（取り込み時のソフトはThe Meditron Analyzer 3．0．2［ウェルチ・アレン・ジャパン社］）．その 後，MATLAB Ver6．5 Wavelet Toolbox（Mathworks社） でDaubechies2のmother waveletを用いてwavelet denoisingを行い，嚥下時周波数の瞬時変化を抽出する ために一次元連続wavelet変換を，また呼気音に関して は，周波数帯域別の時間軸上での周波数特性をつかむた めに，信号の多重レベル分解が可能な一次元離散wavelet 変換によって解析を行った（分解レベルは5）． なお，障害者のうち1名についてはVFと同時に音の 検出を行い，VF所見で誤嚥を認めた際の嚥下を，他の 2名は嚥下後にむせを認めた際の嚥下を異常嚥下とし分 析の対象とした．また，呼気音については，前述の異常 嚥下が起こった後の呼気を分析の対象とした．そして本 論文では，異常嚥下のなかで，「ゴボゴボ」という検出 音を泡立ち音工3），またgargling soundを思わせる呼気を 湿性呼気音として取り扱った．bo 嚥下音・呼気音のwavelet解析 結 果 1．嚥下時産生音について 1）健常成人すべてについて，嚥下時産生音の連続 wavelet変換では全周波数帯域において同時かつ短時 間に産生される嚥下クリック音（パソコンでマウスを 操作する際の「カチッ」というような短時間の音）と 解釈できる所見を確認できた．（図2） サロ こロ ほぐねぎ ロ
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100Hx“ 20DHxee ，gOOHz n 600Hz g lmmRt s 7000H21 1ooHz et 200H2禰 ，moHn 2i GCIOHz e 1（K）VHs fi 70（X）Hz 1 ’n一・・一x m皇一 e．Oleee…一…
謔kl o．oI鰍・ 図2 正常嚥下の所見 嚥下クリック音と解釈できる短時間の全周波数帯域に 亘る嵩係数域（○印）を示している（a．32歳男性、 b．24歳女性1縦軸は上段が係数値、下段はスケールす なわち周波数、横軸は時間） 2）脳血管障害者すべてについて，泡立ち音を検出し た際には，嚥下クリック音と解釈できる所見の欠如に 加え，300～600Hz帯域において泡立ち音の発生時に それと解釈できる所見を確認できた．（図3）また，VF と同期した聴診については，嚥下試料の咽頭通過時に 泡立ち音が検出され，その後，誤嚥を認めた．（図4） ミのしけゆロ リユゆ 〇．1臨 モ さニコ り1ト榊蝋騨縄
欄 ｛鵬 図69 ㈲ ●o騨 10DH罵‘■ ㎜弓頓8＝脚り
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轟嘱 解露“鵬 ．v塒 、 隔 一 噌 「 〔 叶を。～噂働図4VFでの誤嚥の所見とその嚥下時生産音の連続
wavelet変換 （○印＝VF所見時の検出音、その前には泡立ち音と解 釈できる所見が認められる） ll．呼気時産生音について 健常呼気の場合は，すべて全周波数帯域に亘る定常的 な波形を示すが，湿性呼気音の場合，健常成人の呼気時 産生音のような定常性はなくなり，およそ350Hz以上の 帯域に離散的な波形すなわち「揺らぎ」6）と解釈できる 所見が確認できた．（図5） か臓 c蹴 R馳 T㎜ o㎜M
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a 卜＿＿＿→ 0撫 図5 正常及び湿性呼気音の所見 （○で囲んだ部分が「揺らぎ」を示す所見、a．32歳健 常男性、b．72歳脳梗塞女性、 d4からdlが350Hz以 上の帯域） 蝋・一嚇・轡爾卿・栂・fwwwve．w ．」
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b 卜＿＿＿l eosrec 200Hzzz 3c）oHz GouHz ｝ ICX）DHI． 7eOoHz t出撫
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異常嚥下音の所見 （○で囲んだ部分が泡立ち音と解釈できる所見、a．80 歳脳梗塞女性、b．72歳脳梗塞女性＝縦軸は上段が係 数値、下段はスケールすなわち周波数、横軸は時間） 考 察 従来，嚥下時産生音や呼気時産生音に関しては，PT， による音圧での解析やSTFTによるサウンドスペクトル 解析が主であった．FTは信号（関数）を定常とみなし た上で各周波数成分に振り分け，STFrは一定長の窓関 数を用いて切り取った信号のフーリエ級数展開をする9） ものであり，後者は時間一周波数解析の手法に含まれて いる．しかし，STFTは時間分解能に限界があるため， 信号のwavelet変換を行い時間一周波数解析を試みた． この解析により，嚥下時に泡立ち音が産生された場合日摂食嚥下リハ会誌 8（1） 64－68，2004 67 には，その所見を描出できる結果となったが，このこと は，wavelet変換が，嚥下時産生音という非定常的な音 響における周波数特性を明らかにできることで，誤嚥の 種類（嚥下前や嚥下中，嚥下後の誤嚥）やその原因の推 定心血能になるものと思われた．ただし，嚥下時産生音 の産生メカニズムは依然明らかになっていない6）点も あり，300～600Hz帯域の泡立ち音と解釈できる所見に ついては，嚥下障害者が嚥下時産生音の減弱やバブリン グ音の聴取を認めること6）から考えると，食塊の咽頭 通過に必要な，喉頭の前上方への移動や咽頭の収縮・食 道入口部の開大の不全，喉頭の量的・質的な閉鎖不全が， 食塊（水）の咽頭通過に際して，その流れを阻害した結 果と考えられるが，今後泡立ち音のモデル解析によって 検討していきたいと考える． VFと同時に検出した嚥下時産生音においては咽頭通 過時に泡立ち音が検出されているが，VFにおいては誤 嚥を起こしている状況は認められていない．しかしなが ら食塊の咽頭通過直後にVFにて誤嚥の所見が認められ， このことから，仮にVFのみで誤嚥の所見が認められな かったとしても，VFに頸部聴診を組み合わせることで， 誤嚥予備軍の早期発見が可能になるものと思われた． また，離散的な波形である湿性呼気時の「揺らぎ」に ついては，依然その定義が確立されていないが，中枢の 気道（気管）では末梢の気道（気管以遠の気管支や細気 管支など）に比して，気流速度が大きく，乱流成分も多 く14），呼気の産生時に喉頭部や気管壁に液体が存在する と，液体の周りで渦流が発生し，また液体そのものも気 流により振動させられることでおよそ350Hz以上の帯域 においてその揺れが反映されているものと思われた。 今回は自発呼吸についての解析を行ったが，臨床にお いては，呼吸機能が減弱している症例も多いことから強 制呼気により呼気時産生音の検出を行う必要は当然ある と思われる． 頸部聴診法の弱点はsilent aspiration例であり，誤嚥 を示す音響の存在が無い場合，嚥下時産生音のみでは誤 嚥の判定に苦慮するが，宇山ら3）の方法のように嚥下 後に呼気を排出させることでsilent aspiration例であっ ても湿性呼気音が主観的にも客観的にも認められれば誤 嚥の判定は可能であると考えられる． 現在，頸部聴診については，頭頸部腫瘍術後の患者を 対象としたものではあるが，嚥下時産生音の音響特性に よる誤嚥の判定精度は80％以上という報告があり3）， さらに呼気時産生音の聴感実験の結果でも呼気時流生白 の主観的な評価により嚥下障害の判定が可能15）である ということも含めると，今後の課題としては，リハビリ テーションの対象疾患として代表的な脳血管障害の患者 を中心として前述の判定精度を獲得できるのか否か，ま た今回数名で試みたwavelet解析については，今後多数 の症例を集めての検討の余地があり，さらにVFと同期 した検出音のwavelet解析結果も蓄積することや，音 圧・周波数3’15）・嚥下時間・嚥下回数・嚥下開始時間な ど種々のパラメータを組み合わせての統計学的検討も行 うことで，誤嚥の診断精度の向上に寄与できると思われ る． さらに，数値解析に関しては，微分形式の解析手法で
ある，動的周波数解析法（MARS：Movable Auto
Regressive System）8）も，信号の時間分解能に優れるた め嚥下時産生音の周波数特性の解明に応用できると思わ れる． 本論文は，検出音の解析結果を，実際の聴診器を用い ての頸部聴診に還元することで誤嚥の診断精度の向上に つながることを目的としているが，将来的には誤嚥の判 別が可能となりうるような簡便な装置の開発にまで発展 できればと考える． 結 論 頸部聴診法の応用として嚥下時産生音・呼気時産生音 のwavelet解析を試みた．嚥下時産生音に関しては一次 元連続wavelet変換を，呼気時産生音に関しては一次元 離散wavelet変換を行った． その結果， 1）健常嚥下音については，嚥下クリック音と解釈で きる所見． 2）泡立ち音の含まれる嚥下時産生音については， 300～600Hzの帯域で時間軸上にそれと解釈でき る所見． 3）湿性呼気音については，およそ350Hz以上の帯域 で「揺らぎ」と解釈できる所見． を確認できた。 嚥下音という非定常的な音響および湿性呼気音の周波 数特性を明らかにできることで，今後更なる頸部聴診法 の判定精度の向上に寄与するものと思われた． 本論文の一部は第9回日本摂食・嚥下リハビリテーシ ョン学術大会（平成15年9月，福岡）にて発表した． 謝 辞 本研究を遂行するにあたり，ご協力をいただきました 出水郡医師会立阿久根市民病院医療法人橋口医院，特 別養護老人ホーム徳光苑の各関係者ならびにご助言等をca 嚥下音・呼気音のwavelet解析 賜りました吉備国際大学保健学部の加藤浩先生に深謝申 し上げます． 文 献 1）高橋浩二：頸部聴診法，金子芳洋・千野直一監修，摂食・ 嚥下リハビリテーション，医歯薬出版，1998，171～175． 2） K．Takahashi， Michael E．Groher，Ken一 ichi Michi，et al： Syrnmetry and reproducibMty of swallowing sounds， Dy＄phagia 9： 10s一 IB， 1994 3）宇山理沙，高橋浩二，道健一他：嚥下音，呼気音の音響特 性を利用した嚥下障害の客観的評価の試み，口科誌，46（2）： 147 ’hv 1ss， 1997 4）平野薫，高橋浩二，宇山理沙他：頸部聴診法による嚥下時 産生音の評価の指標に関する検討嚥下後の呼気音の聴覚的評 価と嚥下透視所見および音響特性との関連について一，口科誌， so （2）：sa 一一 89， 2001 5） Julie AY．Cichero， Bruce E．Murdoch： Detection of swallowirig sounds： MethodolQgy revisited， Dysphagia 17： 40一 49， 20（X］ 6）千坂洋巳，野坂康夫，佐伯覚他：頸部聴診と音響解析，臨 床リハ，11（9）：816～819，20Q2 7） Julie A． Y． Cichero， Bspthy， Bruce E．Murdoch： Acoustic signature of the normal swallow：characterization by agqgender，and bolus volume： Ann Otlo Rhinol LaryngoL 111： 623 一一 632， 2002 8）南茂夫監修，河田聡編集：科学計測のためのデータ処理入 門，39～69，CQ出版社，20C2 9）金井浩著：音・振動のスペクトル解析，297～300，コロナ 社，2001 10）榊原進著：ウェーブレットビギナーズガイド，東京大学出 版局，1995 11）中野広毅，山本鎭男，吉田靖夫著：ウェーブレットによる 信号処理と画像処理，共立出版，1999 12）加藤浩，神宮司誠也，宮崎明雄他：廃用性筋萎縮の表面筋 電図周波数解析一FFTからwavelet解析へ一，総合リハ，30 （11）二1G25～1（B6，2002 13＞高橋浩二監修：ビデオ版頸部聴診による嚥下障害診断法一 手技・判定法・診断精度一，医歯薬出版，2002 14）米丸亮，櫻井利江編：ナースのためのCDによる呼吸音聴 診トレーニング，26～29，南江堂，2001 15）平野薫，高橋浩二，道健一他：頸部聴診法による嚥下障害 の判定に関与する聴覚心理因子の検討，口科誌，50（4）：242 Av 248，2001
