JP2004283523A - 自律神経リズム解析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２４時間の心拍変動に内在する自律神経リズムを検出して、自律神経系のサーカディアンリズムを決めている交感神経及び副交感神経機能の相互関係を明らかにする。
【解決手段】２４時間の心拍数やＲＲ間隔の時系列データを心拍動計測入力部１で測定し、データ分析部２でＦＦＴ及び逆ＦＦＴ処理を行って、心拍変動に内在する２４時間周期の自律神経リズムを決定し評価する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】本発明では、ヒトの心臓の拍動現象（心拍数とも）の長時間連続記録から、その心拍変動に内在する基本的なリズム、すなわち自律神経リズムを解析・抽出して、このリズムを評価することで、そのリズム形成に大きな影響を与え心拍変動を主体的に調節している自律神経系の活動状態を正確且つ詳細に把握することができる。またこの２４時間周期の自律神経リズムから、自律神経系の２つの構成要素である交感神経と副交感神経の機能状態をそれぞれ分けて評価できる点もこの自律神経リズム解析装置の大きな特色である。よって本発明の主眼は、医学分野において今後のきわめて重要な課題となるであろう「こころの病」に注目し、それを発症源とする各種疾患の増加に対処すべき一端を担うものである。特に現代病の代表といわれる「ストレス」に起因した自律神経失調症候群をはじめ自律神経機能障害を有する各種疾患の診断・治療に有益な情報を提供し役立てることができる。
【０００２】
【従来の技術】長時間の心拍変動記録から心臓の拍動リズムの異常（＝不整脈）を検査・診断する医療機器として、すでにホルター（Ｈｏｌｔｅｒ）心電図解析装置なるものがある。このホルター心電図とは、２４時間〜４８時間のヒト心電図波形を磁気テープ、磁気カード及びＩＣカードに連続記録したものである。その長時間記録の時系列心電図を解析することにより、この記録期間内に発生した心電図波形の異常（狭心症例）やリズムの異常（不整脈例）等を発生時間とともに検出し、心臓病の診断や治療効果の判定に役立っている。
【０００３】心拍変動と自律神経機能との関係を説明する指標の１つに心電図のＲＲ間隔の変動係数（ＣＶＲＲ：％）があり、安静臥床３０分後の連続１００個の心電図ＲＲ間隔の記録から容易に求めることがでる。これは特に副交感神経機能の有用な指標として利用されており、今までの研究からの参考値として若年者で５．０±１．５％、老年者で３．１±１．３％のように、加齢とともにＣＶＲＲ値は低下することが知られている（文献：自律神経機能検査（第２版），ｐｐ４２，自律神経学会編，１９９７）。またこのＣＶＲＲを上述のホルター心電図から評価することも一般化されており、２４時間内の任意の時刻の１００個の心電図からＣＶＲＲを容易に求めることができ、それをさらに長時間観察に拡大することで２４時間にわたる副交感神経活動の評価に応用されている。
【０００４】心拍変動及び血圧の長時間同時記録（２４〜４８時間記録）から、数学的なｃｏｓｉｎｅ ｆｉｔｔｉｎｇ法や統計的な最大エントロピー法を用いて、心拍数・血圧の時系列変動に内在する概日リズム及びその周期性の有無について検討した例も多い（文献：呼と循，３８：６２１−６２８，１９９０）。その結果心拍数の時系列変動には明確な１周期２４時間の概日リズムが存在することが確認された。また海外旅行時の心拍数の概日リズムの検討の結果、東回りではリズムの周期は短縮し、西回りでは延長するといった時差の影響とも考えられる明らかな概日リズム周期の変化が注目されている。
【０００５】最近の２４時間心電図のＲＲ間隔のスペクトル分析では、２４時間の心拍変動リズムを周波数領域から明らかにしようとする試みも多くある（その１つの文献：Ｈｅａｒｔ Ｒａｔｅ Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ，Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：９３，１０４３−１０６５，１９６６）。その結果、心拍変動の概日リズムには低周波変動成分（ＬＦ：０．０４〜０．１５Ｈｚ領域）と高周波変動成分（ＨＦ：０．１５〜０．４０Ｈｚ領域）の２成分が存在し、各々の成分と自律神経の機能との関係が明らかにされつつある。すなわち、ＨＦは副交感神経活動を反映する指標とされ、ＬＦは交感・副交感神経の両活動を意味する指標とされ、ＬＦをＨＦで除した値（ＬＦ／ＨＦ）は交感神経活動を反映する指標として各生理的学意義が確立されつつあるが、明確な結論には至っていない。
【０００６】一方この２４時間周期の心拍変動は一日における人間の活動状態とよく相関する面を有し、医学的には交感神経と副交感神経の両神経支配のバランスを反映している。よってその概日リズム（自律神経リズム）には、両神経系の調節結果の変動が含まれていることが重要な意味を持つことになる。すなわち心拍変動は、交感神経が優位になる（緊張が高まる）と心拍数は増加し、逆に副交感神経が優位になると（緊張が高まる）と心拍数は減少するように修飾される。このように心拍変動は交感・副交感の両神経の相反的作用を受けており、両神経のうちどちらの神経支配が優位に働くかによって心拍数の概日リズムの変動が調節される。しかし、この点に関する詳細な検討は今まで皆無といってよく、心拍数からみた自律神経の概日リズム形成に直接的に関係する交感神経及び副交感神経の各々の支配様式を分離して分析する自律神経リズム解析装置の実用化がこの特許である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】連続２４時間の心拍変動記録の時系列データから、超低周波変動成分（０．５Ｈｚ以下の変動成分）を取り出して自律神経リズムの変動曲線を求めるが、本特許請求項目の１つであるその抽出方法でこの明細書内に記載したようなＦＦＴ及びＩＦＦＴを用いたリアルタイムデジタルフィルター方式は技術的にもすでに確立している。自律神経リズムの変動曲線に内在する交感神経及び副交感神経の寄与度の分析は、本特許の他方の重要課題である。その解決策は、２４時間周期の自律神経リズム変動曲線の上に２つのクロスポイントを決め、両クロスポイント内及び外の時間を確定し、その２つの時間相を覚醒や睡眠といった生体リズムにおける昼夜の活動状態と対応させることである。その結果、昼間を交感神経優位期、夜間を副交感神経優位期と決め、この２つのクロスポイント時刻を両者の切替点と定義して２つの時刻の差から自律神経リズムの健常・異常を判断するものである。
【０００８】本発明では、２４時間周期の自律神経リズム変動曲線上における２つのクロスポイントの決定方法が本特許のキーポイントである。自律神経リズムの変動曲線の周期及び振幅値には個体差があって自律神経リズムは様々なパターンを呈するため個人毎のクロスポイントの確定が必要となる。それには各個人の変動曲線を検出し、その変動曲線上での平均値（直線）を算出して、その平均値と変動曲線との交点から２つのクロスポイントを求めるアルゴリズムが、本特許請求範囲に含まれる請求項目の１つである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明に係る自律神経リズム解析装置にあっては、上記の課題を解決するために、図１に示すように、２４時間の心拍変動記録としてアナログ及びデジタルのいずれの信号形式でも入力できる心拍動計測入力部１と、入力されたそれらの２４時間心拍変動の時系列データとその分析結果である自律神経リズム等を保存するデータ記憶部３と、２４時間の心拍変動時系列データをスペクトラム分析し、心拍変動に内在している０．５Ｈｚ以下の超低周波変動成分を抽出して自律神経リズムを決定するデータ分析部２と解析した自律神経リズムを経時的な変動曲線として出力するリズム表示部４とから構成されることを特徴とするものである。
【００１０】本発明の自律神経リズムの解析にあたるデータ分析部２における自律神経リズム変動曲線の抽出手段の信号処理アルゴリズムは、図２の検出手法のフローチャートに示すような処理構造を有することを特徴とするものである。
【００１１】
【作用】本発明においては、心拍動計測入力部１に入力される２４時間の心拍数、心電図ＲＲ間隔等の経時的変動は、データ記憶部３で原データとして記憶されると同時に、データ分析部２で２４時間を基本周期とするＦＦＴ処理７、高調波成分のカット１１、逆ＦＦＴ処理１２、正規化による概日リズム曲線の抽出１４、クロスポイントの決定１８等のデシタルフィルタ処理過程で自律神経リズムの抽出手段がリアルタイムに実行される。その結果、自律神経系の概日リズム変動曲線の評価及びクロスポイント時刻の検出を通して、１日における交感神経及び副交感神経機能の相互関係を医学的に明らかにできる。
【００１２】
【実施例】本発明の一実施例のブロック構成図を図１に示す。本実施例では、心拍動計測入力部１に入力される信号は、図３に示したような２４時間連続記録されたヒトの心拍数の時系列データであり、データ記憶部３に原データとして保存すると同時に、データ分析部２へ送られ自律神経リズムの抽出手段がなされる。
【００１３】データ分析部２での解析処理は図２のフローチャートに示した処理過程によって進められる。入力された２４時間の心拍動時系列データ５は、図３のような夜間睡眠期に比較して昼間活動期に鋭く大きな心拍数の変化を伴っていることを特徴とする心拍変動の原データある。その時系列原データを移動平均処理してデータ数を１０２４に変換処理６したものが、図４に示した２４時間の心拍変動データである。それを２４時間を基本周期（Ｔ）としてＦＦＴ解析７し、平均心拍レベルを検出８する。ＦＦＴ解析した後の周波数スペクトルは図５である。周波数スペクトル上の高調波成分の次数ｎとしその初期値９をｎ＝１１とする。次にｎより１つ減じた次数ｎ＝ｎ−１を求め１０、そのｎでの遮断周波数（＝ｎ／ＴＨｚ）以上の高周波数成分をカット１１する。そのスペクトラムを逆ＦＦＴ変換１２し、正規化処理１３した２４時間の心拍動時系列データ（変動曲線）上での最大値及び最小値から平均値を算出１４，１５し、この正規化した変動曲線と平均値（レベル）とからクロスポイントを計算１６する。そこでクロスポイント数を判断１７し、もしクロスポイント数が３以上の場合は高調波次数を減じる処理１０にもどって次数を１つ減じ、高調波成分のカット処理１１からクロスポイント検出処理１６までの処理をクロスポイント数が２になるまで繰り返す。クロスポイント数が２になった時点でクロスポイントの時刻を決定し、データ分析部２における自律神経リズムの変動曲線抽出手段の解析処理は終了する。逆ＦＦＴ変換処理１２、正規化処理１３、クロスポイントの検出処理１８、の実施例をそれぞれ図６、図７、図８に示す。
【００１４】データ分析部２で検出された２つのクロスポイントを有する自律神経リズムの変動曲線はデータ記憶部３及びリズム表示部４に送られ、リズムの保存と２４時間の自律神経リズムにおける交感神経及び副交感神経の両機能の相互関係が評価される。
【００１５】
【発明の効果】本発明の自律神経リズム解析装置は、２４時間というやや長時間ではあるが無侵襲で容易に測定できる心臓の拍動変化から、そこに内在する基本的な自律神経リズムを抽出・確定することにより、サーカディアンリズムにおける交感神経及び副交感神経機能の経時的な相互関係が明らかになり自律神経失調症などの医学的評価に大いに貢献できる。しかし、自律神経機能を被験者に負担をかけずに測定・解析する装置はきわめて少なく、特にサーカディアンリズムから交感神経及び副交感神経機能のバランスを評価するアプローチは皆無に等しい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明のリズム及びクロスポイントの検出アルゴリズムを示すフローチャートである。
【図３】２４時間心拍数の日内変動例を示す図である。
【図４】移動平均処理によりデータ数を１０２４に変換した例である。
【図５】ＦＦＴによるスペクトルの一例である。
【図６】逆ＦＦＴによる時系列データの一例である。
【図７】正規化した心拍変動例である。
【図８】クロスポイントの検出例である。
【符号の説明】
１心拍動計測入力部
２データ分析部
３データ記憶部
４リズム表示部

Claims (4)

1. 連続記録した２４時間の心拍数変動（以下、心拍変動という）の時系列データから、自律神経系が有する２４時間を一周期とする概日リズムまたはサーカディアンリズム（以下、自律神経リズムという）を抽出・確定し、その自律神経リズムの構成要素である交感神経及び副交感神経の各々の活動状態を分離して評価できる自律神経リズム解析装置。
2. ２４時間の心拍変動記録としてアナログ及びデジタルのいずれの信号形式でも入力可能な心拍動計測入力部、入力されたそれらの２４時間心拍変動の時系列原データ並びにその解析結果である自律神経リズム等を保存するデータ記憶部、２４時間の心拍変動データをスペクトラム分析して心拍変動に内在している０．５Ｈｚ以下の超低周波変動成分を求めて自律神経リズムを決定するデータ分析部、また解析した自律神経リズムを時系列変動曲線として出力するリズム表示部とから構成されることを特徴とする請求項１記載の自律神経リズム解析装置（図１）。
3. 自律神経リズム解析装置のデータ分析部における超低周波変動成分である自律神経リズムの変動曲線の検出は、高速フーリェ変換（ＦＦＴ）法によるスペクトル分析と逆高速フーリェ変換（ＩＦＦＴ）法とから成る周波数領域と時間領域の直列処理アルゴリズムを有し、スペクトル周波数成分を最高３次〜５次の高調波になるようにデジタルフィルタを最適化する手段を有した請求項１記載の自律神経リズム解析装置。
4. 自律神経リズム解析装置の心拍動計測入力部の入力データ形式としては、連続２４時間の心電図、圧脈波及び光電脈波といったアナログ信号から、２４時間の心拍数値や心電図ＲＲ間隔の変動といったデジタル信号までいずれの形式のデータも入力可能とした請求項１記載の自律神経リズム解析装置。

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