JP2007144070A - 光ファイバを用いた睡眠時無呼吸センサー - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、睡眠時の呼吸時における寝具への圧力変化を寝具の上と人体との間に敷きつめられた光ファイバにより検知し、無呼吸睡眠状態などの測定を迅速簡便に行なう健康管理器具に関するものである。
【解決手段】そのために、本発明では光ファイバに加わる側圧により発生する過剰損失による伝送信号光の変化または反射光の変化を計測する。さらには、この側圧により発生する過剰損失による伝送信号光の変化または反射光の変化がより大きくなる光ファイバとしてプラスチック光ファイバを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、睡眠時の呼吸における寝具への圧力変化を寝具の上と人体との間に敷きつめられた光ファイバにより検知し、データロガーやパソコン等で光ファイバへの側圧変化に起因する信号を収録し、無呼吸睡眠状態を検知し健康管理を迅速に行なう健康管理器具に関するものである。

睡眠時無呼吸症候群（Ｓｌｅｅｐ Ａｐｎｅａ Ｓｙｎｄｒｏｍｅ：ＳＡＳ）とは睡眠中に１０秒以上の呼吸が停止もしくは、気道が狭くなり呼吸が細くなること（１０秒以上換気量が５０％以上低下すること）が５回以上繰り返される病気である。起床時の頭痛，日中の眠気などの症状が現れる。また，高血圧を引き起こす原因となり，心筋梗塞・脳卒中などの合併率も高くなる。その他にも夜間頻尿やインポテンツ、頭重感や口渇などの症状がある。また、中高年の男性にみられることが多いが，近年子どもにも増えてきているといわれている。また、睡眠時無呼吸症候群の患者では眠気が強いと居眠り運転をして交通事故や産業事故を起こしやすく、電車の運転手などでこのような病気の者が運転に携わることは社会的に極めて危険なことである。２００３年の新幹線居眠り運転などで一躍注目を集めるようになったＳＡＳは潜在的な患者数が、全国人口の２％、数にして２４０万人とも言われている。従って本発明のような家庭で簡単に診断できる健康管理器具は大いに有用なものであると言える。

本発明は、寝具特にシーツや敷布団等に設置した光ファイバへの睡眠の際の呼吸時と無呼吸時の応力付加変化による過剰損失の変化を測定し、データロガーやパソコンで一晩睡眠時の経時変化を測定し記録する。光ファイバの中でもプラスチック光ファイバは、曲げに強く、安価なため、家庭用に普及させるには適している。さらに、低価格なＬＥＤを光源とすることで低コスト化が可能である。一般にプラスチック光ファイバは変形しやすく、応力付加によりプラスチック光ファイバの形状は変化する。その形状変化により、導波構造が乱れ、プラスチック光ファイバの伝送損失に過剰損失が発生する。この側圧によるセンシング機能を活かし、プラスチック光ファイバを用いた睡眠時無呼吸センサを提供するものである。より大きな側圧がかかる場合は、石英系光ファイバやプラスチッククラッド−石英系コア形の光ファイバを用いる睡眠時無呼吸センサを提供する。

現在主に行われているＳＡＳの診断には、一晩の入院により行う［終夜睡眠ポリグラフ検査］や、自宅にて携帯用装置を用いて行う［睡眠検査］がある。しかしながら、これらの検査は、入院や検査後に、技師による解析が必要であり、手間・時間、そして高い費用がかかっていた。従来の睡眠時無呼吸センサは口元や鼻の近くにサーミスタを配置するものなど、自然な睡眠を妨げるものであった。また、敷布団の上に特殊マットを置き、呼吸によるマットの高低の変化を気圧の変化（高度の変化による気圧の変化）で捉えるという極めてＳ／Ｎの悪い、即ち、脈拍や寝返りと呼吸による区別を特殊な数学的信号解析から行なう手法で信頼性に問題がある手法が開発されていた。

本発明は、以上の点を解決するために、光ファイバ（特に安全なプラスチックファイバ）を寝具、特にシーツなどの下に敷きつめるなり、織り込むなどして、自然な睡眠を妨げないようにし、また側圧の大きさによる伝送損失の変化で呼吸状態、無呼吸状態を捉える睡眠時無呼吸センサを提供しようというものである。

そのために、本発明では光ファイバに加わる側圧により発生する過剰損失による伝送信号光の変化または反射光の変化を計測する。さらには、この側圧により発生する過剰損失による伝送信号光の変化または反射光の変化がより大きくなる光ファイバとしてプラスチック光ファイバを用いることを特徴とする。より大きな側圧がかかる場合は、石英系光ファイバやプラスチッククラッド−石英系コア形の光ファイバを用いる

本発明は次のような効果を奏する。光ファイバを用いることにより、睡眠時無呼吸状態を自然な睡眠を妨げない状態で日常、自宅でいつもの睡眠時に測定可能となる。即ち非侵襲性の健康管理器具を提供するものである。また、摩擦による静電気等の電気的雑音の影響を受けないために、誤作が少ない。また、荷重の大きさ、寝返りによる信号と呼吸による信号を完全に判別できるという特徴がある。また、脈拍による信号は検知しないという感度の特性も持っている。特にプラスチック光ファイバを用いると１０ｇの１点荷重に対しても測定可能な過剰損失を与えるほど、側圧に敏感であり、極めて感度の良い、睡眠時無呼吸センサーの提供が可能である。

発明を実施するための裁量形態

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

図１に開発した睡眠時無呼吸センサーの構成図を示す。本センサは呼吸により敷布団やシーツなどの寝具に付加される応力を配置されたプラスチック光ファイバやより大きな側圧がかかる場合は、石英系光ファイバやプラスチッククラッド−石英系コア形の光ファイバを用いることにより検知し、データロガー等で側圧変化に起因する信号（光ファイバの出射光パワーの変化）をデータロガーやパソコンに収録し、睡眠時の無呼吸状態を検知するものである。以下にその１例を示す。

出射光変化測定系は、Ｈｅ−Ｎｅレーザを光源とし、フォトダイオードを受光器として図１に示すように構成し、ロックインアンプを用いてロックイン検出を行った。プラスチック光ファイバを図１に示すようにベッドのシーツの下にジグザグに配置し、接着テープで固定した。このジグザグの配置に垂直な縦方向にファイバを重ねて織り込むと感度はさらに向上した。このシーツの上に体重７６ｋｇ身長１７１ｃｍの平均的な体格の大人が横たわり、▲１▼呼吸を通常どうり行なった状態、▲２▼息を吐いた後に呼吸を停止した状態、▲３▼息を吸った後呼吸を停止した状態、▲４▼寝返りをうった場合、▲５▼起き上がった場合の５種類の状態での側圧変化に起因する信号（光ファイバの伝送損失変化：過剰損失）を測定した。

図２に本睡眠時無呼吸センサーを用いて測定した結果を示す。▲１▼の領域は無呼吸睡眠センサの上に横たわって呼吸を通常どうり行なった状態、▲２▼の領域は息を吐いた後に呼吸を停止した状態であるが、明らかに▲１▼の領域では呼吸による出射光パワーの上下の変化があり、▲２▼の領域では信号は一定で、再び呼吸を開始した▲１▼‘の領域では呼吸による出射光パワーの上下の変化が観測されている。

図３に実施例１で示した本発明の睡眠時無呼吸センサーを用いて、再度条件を変えて測定した結果を示す。▲１▼の領域は無呼吸睡眠センサの上に横たわって呼吸を通常どうり行なった状態、▲３▼の領域は息を吸った後に呼吸を停止した状態、▲２▼の領域は息を吐いた後に呼吸を停止した状態、▲１▼’、▲１▼“の領域は呼吸を通常どうり再開した状態であるが、明らかに▲１▼の領域では呼吸による出射光パワーの上下の変化があり、▲３▼、▲２▼の領域では信号は一定で、再び呼吸を開始した▲１▼’、▲１▼”の領域では呼吸による出射光パワーの上下の変化が観測されている。また、息を吸って呼吸を止めた▲３▼と息を吐いて呼吸を止めた▲２▼の領域では明らかに出射光パワーレベルが異なっており、側圧の強さが反映した結果である。

図４に実施例１で示した本発明の睡眠時無呼吸センサーを用いて、再再度条件を変えて測定した結果を示す。▲１▼の領域は実施例１で示した本発明の無呼吸睡眠センサの上に横たわって呼吸を通常どうり行なった状態、▲４▼、▲４▼’、▲４▼”、▲４▼”’の箇所は寝返りをうった瞬間、▲１▼’，▲１▼”、▲１▼”’、▲１▼””、▲１▼””’の領域は呼吸を通常どうり再開した状態であり、▲２▼、▲２▼’の領域は息を吸った後に呼吸を止めた状態であるが、寝返りによる大きな側圧変化に対応した大きな出射光変化が捉えられた。出射光パワーそのものの変化でも呼吸時▲１▼と無呼吸時▲２▼で明らかな信号波形の違いが捉えられていることが分かる。

参考データとしてプラスチック光ファイバに一定側圧を加える実験も図５に示す方法で行った。一般に過剰損失Ｌ_０は、初期出力をＰ_０とし、側圧付加後の出力値をＰ_１とすると、以下の式（１）で求められる。

図６に示すようにプラスチック光ファイバは１０ｇの１点荷重に対しても測定可能な過剰損失を与えるほど、側圧に敏感である。このように、プラスチック光ファイバは睡眠時無呼吸センサーとして極めて有望である。また、石英系光ファイバやプラスチッククラッド−石英系コア形光ファイバでも同様の効果が得られる。これらはより大きな側圧がかかる場合に有望である。但し、曲げに弱いことから直線的な配線応用に適している。一方、プラスチック光ファイバは狭い箇所や曲げの多い場所で有効である。より大きな側圧が加わる場合は、側圧により発生する弾性光学効果による局部的屈折率変化に起因する微小な反射光をＯＴＤＲ（光時間領域反射測定器）やＯＬＣＲ（光低コヒーレンス反射測定器）により捉えて睡眠時無呼吸の検知が可能である。この場合はファイバの光入射端側で計測可能となり、システム構成が簡単になるメリットがある。

図７は本発明の睡眠時無呼吸センサーの実施形態の小型化の例である。光源に赤色ＬＥＤあるいはＬＤ（半導体レーザ）を用い、光ファイバとしてはプラスチックファイバを用い、受光素子にＰＤ（フォトダイオード）を用いて測定を行った。実施例１の測定の場合は昼夜を問わず可能であるが、本小型化睡眠時無呼吸センサーの場合は夜間、照明のない室内での睡眠時に迷光の影響の少ない環境で極めて有効で安価なセンサであることが明らかとなった。

睡眠時無呼吸センサーの構成図である。 睡眠時無呼吸センサーの測定例である。 条件を変えた睡眠時無呼吸センサーの測定例である。 寝返りを加えた睡眠時無呼吸センサーの測定例である。 光ファイバの側圧による過剰損失の測定系の構成図である。 側圧に対するプラスチック光ファイバの過剰損失測定例である。 小型化／廉価睡眠時無呼吸センサーの例である。

符号の説明

１００ Ｈｅ−Ｎｅレーザ
１０１ 光チョッパー
１０２ 集光レンズ
１０３ プラスチック光ファイバ
１０４ ファイバホルダー
１０５ ベッド
１０６ 接着テープ
１０７ フォトダイオード（受光器）
１０８ ロックインアンプ
１０９ データロガー
１１０ 出力調整回路
１１１ パソコン
１１２ ＬＥＤ光源またはＬＤ光源
１１３ フォトセンサアンプ

Claims (6)

1. 光ファイバに加わる側圧により発生する過剰損失による伝送信号光の変化または反射光の変化を計測することを特徴とする睡眠時無呼吸センサー。
2. 前記請求項１の光ファイバが石英系光ファイバであることを特徴とする睡眠時無呼吸センサー。
3. 前記請求項１の光ファイバがプラスチック光ファイバであることを特徴とする睡眠時無呼吸センサー。
4. 前記請求項１の光ファイバがプラスチッククラッド−石英系コア形の光ファイバであることを特徴とする睡眠時無呼吸センサー。
5. 前記請求項１の睡眠時無呼吸センサにおいて、光ファイバをベッドの上に敷きつめることを特徴とする睡眠時無呼吸センサー。
6. 前記請求項１の睡眠時無呼吸センサーにおいて、光ファイバをベッドの上に敷きつめる際に、ジグザグに配置し、さらに縦糸と横糸が重なるように配置したことを特徴とする睡眠時無呼吸センサー。