JP2010075232A - 自律神経活動計測装置及び自律神経活動の計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自律神経活動の指標を簡便に計測することが可能な自律神経活動計測装置を提供する。
【解決手段】拍動に由来する信号を時系列で検出して、所定の検出時間内で信号波を生成する検出部１２と、信号波から一拍毎の拍動間隔を時系列で算出して、拍動間隔波形を生成する波形生成部３２と、検出時間を複数の区間で分割する分割部３４と、拍動間隔波形に対して、検出時間内での第１平均波形値、及び複数の区間内それぞれでの複数の第２平均波形値を、それぞれ算出する平均算出部３６と、拍動間隔波形が第１平均波形値と交差する第１交差点、及び拍動間隔波形が第２平均波形値と交差する第２交差点をそれぞれ抽出する交差抽出部３８と、複数の区間のそれぞれについて、抽出された第１交差点の数が閾値未満であれば低周波成分区間と判定し、抽出された第２交差点が閾値以上であれば高周波成分区間と判定する判定部４０とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、脈波、心電などの生体情報を基に心拍変動解析にて得られる自律神経活動の指標を時間領域にて解析して算出する自律神経活動計測装置及び自律神経活動の計測方法に関する。

心臓血管系の自律神経の活動を計測して検査する方法として、脈波や心電などの心臓血管系に起因するパラメータを周波数解析する方法が用いられている。周波数解析では、脈波や心電から算出される脈波間隔や心拍間隔などの拍動間隔データが用いられる。これらの拍動間隔データは、時間的に不等間隔データである。そのため、周波数領域での解析においては、不等間隔データを等間隔にリサンプリングする。リサンプリングされた等間隔データに窓関数を適用して周波数領域にて自律神経活動の指標を算出している。算出される指標は低周波成分と高周波成分に分離される。低周波成分が交感神経と副交感神経の活動を反映し、高周波成分が副交感神経の活動を反映していると言われている。

周波数領域での解析には、脈波や心電などから得られる脈波間隔や心拍間隔の拍動波形に対して、直流成分のキャンセル処理、スプライン補間等によるリサンプリング処理、ハミング窓等の窓関数の適用、フーリエ解析の周波数解析手法の適用などの処理が含まれる。これらの処理においては、それぞれ積和演算や繰り返し演算などが実施される。脈波や心拍を検出する小型のセンサなどに用いられるマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）などには、それらの演算処理量を軽減することが望ましい。

心拍変動解析における時間領域での解析方法では、周波数領域での指標算出のような複雑な手続きは必要としない。時間領域での解析方法として、隣り合う二つの心拍間隔値の差分を算出し、５０ミリ秒を超えるものをカウントする方法（ＲＲ５０）、隣り合う二つの心拍間隔値の差分の二乗を算出し、所定時間内の平均を求める方法（ＭＳＳＤ）（例えば、非特許文献１参照。）などがある。しかし、これらの解析方法では、周波数領域での解析で得られる指標の中の高周波成分で表される副交感神経の活動しか取得できない（例えば、特許文献１参照。）。このように、交感神経活動および副交感神経活動の両指標をより簡便に算出することが求められている。
特開２００５−３１９２５６号公報 大島秀武ほか、運動時におけるリアルタイムでの心拍変動解析に基づく至適運動強度の決定、体力力学、２００３年、第５２巻、ｐ．２９５−３０４

本発明の目的は、自律神経活動の指標を簡便に計測することが可能な自律神経活動計測装置及び自律神経活動の計測方法を提供することである。

本願発明の一態様によれば、（イ）拍動に由来する信号を時系列で検出して、所定の検出時間内で信号波を生成する検出部と、（ロ）信号波から一拍毎の拍動間隔を時系列で算出して、拍動間隔波形を生成する波形生成部と、（ハ）検出時間を複数の区間で分割する分割部と、（ニ）拍動間隔波形に対して、検出時間内での第１平均波形値、及び複数の区間内それぞれでの複数の第２平均波形値を、それぞれ算出する平均算出部と、（ホ）拍動間隔波形が第１平均波形値と交差する第１交差点、及び拍動間隔波形が第２平均波形値と交差する第２交差点をそれぞれ抽出する交差抽出部と、（ヘ）複数の区間のそれぞれについて、抽出された第１交差点の数が閾値未満であれば低周波成分区間と判定し、抽出された第２交差点が前記閾値以上であれば高周波成分区間と判定する判定部とを備える自律神経活動計測装置が提供される。

本願発明の他の態様によれば、（イ）心臓血管系の拍動に由来する生体信号を時系列で検出して、所定の検出時間内での信号波を生成するステップと、（ロ）信号波から一拍毎の拍動間隔を算出して、時系列の拍動間隔波形を生成するステップと、（ハ）検出時間を複数の区間で分割するステップと、（ニ）拍動間隔波形に対して、検出時間内での第１平均波形値、及び複数の区間内それぞれでの複数の第２平均波形値を、それぞれ算出するステップと、（ホ）拍動間隔波形が第１及び第２平均波形値と交差する第１及び第２交差点をそれぞれ抽出するステップと、（ヘ）複数の区間のそれぞれについて、抽出された第１交差点の数が閾値未満であれば低周波成分区間と判定し、抽出された第２交差点が前記閾値以上であれば高周波成分区間と判定するステップとを含む自律神経活動の計測方法が提供される。

本発明によれば、自律神経活動の指標を簡便に計測することが可能な自律神経活動計測装置及び自律神経活動の計測方法を提供することが可能となる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施の形態に係る自律神経活動計測装置１０は、心臓血管系の自律神経の活動を計測するものであり、図１に示すように、検出部１２、処理ユニット１４、外部メモリ１６、通信器１８、出力装置２０、時計２２、電源２４を備える。検出部１２は、例えば、脈波センサ２６、加速度センサ２８を備える。処理ユニット１４は、入力部３０、波形生成部３２、分割部３４、平均算出部３６、交差抽出部３８、判定部４０、指標算出部４２、出力部４４、内部メモリ４６を備える。

実施の形態に係る自律神経活動計測装置１０は、家庭内の健康管理や簡単な医療診断に用いられる。図２に示すように、自律神経活動計測装置１０の腕時計型の本体は手首に装着され、脈波センサ２６は指に装着される。腕時計型の自律神経活動計測装置１０により、運動中でも自律神経活動の計測が可能である。

なお、自律神経活動計測装置１０は、腕時計型に限定されず、通常の筐体に実装された携帯型であってもよい。また、簡単な医療診断用として、据え置き型であってもよい。また、脈波センサ２６の装着は、手首、掌、耳朶、あるいは胸部などであってもよい。

検出部１２は、心臓血管系の拍動に由来する生体信号として末梢血管への血液の流入を時系列で検出する。例えば、検出部１２の脈波センサ２６として、光電式センサが用いられる。脈波センサ２６は、青色などの発光ダイオード（ＬＥＤ）及びフォトダイオードを備える。脈波センサ２６が装着された指の皮膚表面に光を照射し毛細血管内の血流変化に起因する反射光の変動を検知する。検出部１２は、図３に示すように、時計２２で計測される時間毎の反射光の信号を振幅とする、所定の検出時間、例えば１分内での脈波（信号波）を生成する。

加速度センサ２８は、被験者の腕などの体動を検出する。例えば、運動中の計測では、加速度センサ２８で腕の運動を検出し、腕運動の情報が重畳した血流信号から腕運動成分を差し引くことにより、脈波の測定精度を向上させる。

処理ユニット１４の入力部３０は、検出部１２で生成された検出時間内の脈波を取得する。

波形生成部３２は、脈波から一拍毎の脈波間隔（ＰＰＩ）を拍動間隔として時系列で算出する。図４に示すように、検出時間内で算出されたＰＰＩから、ＰＰＩ（拍動間隔）波形が生成される。生成されるＰＰＩ波形は、不等時間間隔データである。

分割部３４は、図５に示すように、ＰＰＩ波形において検出時間を、例えば１０秒間隔の複数の区間ＳＩａ、ＳＩｂ、ＳＩｃ、ＳＩｄ、・・・で分割する。

平均算出部３６は、図６に示すように、ＰＰＩ波形に対して、検出時間内での第１平均波形値Ａｔを算出する。また、平均算出部３６は、複数の区間ＳＩａ、ＳＩｂ、ＳＩｃ、ＳＩｄ、・・・内それぞれでの複数の第２平均波形値Ａｓを算出する。

交差抽出部３８は、図７に示すように、ＰＰＩ波形が第１及び第２平均波形値Ａｔ、Ａｓと交差する第１交差点Ｃｔ及び第２交差点Ｃｓをそれぞれ抽出する。ＰＰＩ波形に関して、交感神経及び副交感神経の活動を反映するといわれる低周波成分を０．０４Ｈｚ〜０．１５Ｈｚ、副交感神経の活動を反映するといわれる高周波成分を０．１５Ｈｚ〜０．５Ｈｚとする。図８に示すように、低周波成分が主となるＰＰＩ波形では、複数の区間ＳＩａ、ＳＩｂ、ＳＩｃ、ＳＩｄ、・・・のそれぞれでの第１及び第２交差点Ｃｔ、Ｃｓの数は３以下となる。また、図９に示すように、高周波成分が主となるＰＰＩ波形では、複数の区間ＳＩａ、ＳＩｂ、ＳＩｃ、ＳＩｄ、・・・のそれぞれでの第１及び第２交差点Ｃｔ、Ｃｓの数は３以上となる。

判定部４０は、複数の区間ＳＩａ、ＳＩｂ、ＳＩｃ、ＳＩｄ、・・・のそれぞれについて、抽出された第１交差点Ｃｔの数が閾値未満であれば低周波成分区間と判定し、抽出された第２交差点が閾値以上であれば高周波成分区間と判定する。ここで、閾値として、例えば３個が用いられる。図７に示したように、区間ＳＩｃが低周波成分区間、区間ＳＩａ、ＳＩｂ、ＳＩｃ、ＳＩｄが高周波成分区間と判定される。

指標算出部４２は、図１０に示すように、低周波成分区間毎に、第１平均波形値Ａｔと低周波成分区間の第２平均波形値Ａｓとの差分の絶対値を第１差分Ｄｌｃとして算出する。低周波成分区間の第１差分を加算して低周波成分指標値が算出される。また、指標算出部４２は、図１１に示すように、高周波成分区間毎に、高周波成分区間の第２平均波形値Ａｓ以上の波形値の第３平均波形値Ａｓｕ、高周波成分区間の第２平均波形値Ａｓ以下の波形値の第４平均波形値Ａｓｌをそれぞれ算出して、第３及び第４平均波形値Ａｓｕ、Ａｓｌの差分の絶対値を第２差分Ｄｈａ、Ｄｈｂ、Ｄｈｃ、Ｄｈｄとして算出する。高周波成分区間の第２差分を加算して高周波成分指標値が算出される。

出力部４４は、算出された低周波及び高周波指標値を出力装置２０に出力する。内部メモリ４６は、処理ユニット１４における演算において、計算途中や解析途中のデータを一時的に保存する。

処理ユニット１４は、通常のコンピュータシステムの中央処理装置（ＣＰＵ）の一部として構成すればよい。入力部３０、波形生成部３２、分割部３４、平均算出部３６、交差抽出部３８、判定部４０、指標算出部４２、及び出力部４４は、それぞれ専用のハードウェアで構成しても良く、通常のコンピュータシステムのＣＰＵを用いて、ソフトウェアで実質的に等価な機能を有していても構わない。
外部メモリ１６は、ＰＰＩ波形の生成、平均波形値の算出、交差点数の判定、及び指標値の算出などの演算を処理ユニット１４に実行させるためのプログラムを保存している。外部メモリ１６として、リードオンリーメモリなどが用いられる。

通信器１８は、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ端末）、携帯電話などとデータ通信を行う。通信器１８として、無線通信器、赤外線通信器などが用いられる。

出力装置２０は、処理ユニット１４での自律神経活動の計測結果などを表示する。出力装置２０として、液晶表示装置（ＬＣＤ）、ＬＥＤパネル、エレクトロルミネセンス（ＥＬ）パネル等が使用可能である。なお、出力装置２０に音声出力が可能なスピーカなどが含まれてもよい。

時計２２として、時間を計測するリアルタイムクロックなどが用いられる。電源２４として、検出部１２、処理ユニット１４、通信器１８、出力装置２０、時計２２などに電力を供給するバッテリである。

このように、実施の形態に係る自律神経活動計測装置では、不等時間間隔データであるＰＰＩ波形を等時間間隔データに変換することなく自律神経活動の指標値を算出することができる。したがって、自律神経活動の指標を簡便に計測することが可能となる。

次に、実施の形態に係る自律神経活動の計測方法を図１に示した自律神経活動計測装置１０、及び図１２のフローチャートを参照しながら説明する。

（イ）ステップＳ１００で、検出部１２により、心臓血管系の拍動に由来する生体信号が時系列で検出される。所定の検出時間内での信号波が生成される。例えば、検出時間は１分である。

（ロ）ステップＳ１０１で、波形生成部３２により、信号波から一拍毎の拍動間隔を算出して、時系列の拍動間隔波形が生成される。

（ハ）ステップＳ１０２で、分割部３４により、検出時間が複数の区間で分割される。例えば、区間は１０秒である。

（ニ）ステップＳ１０３で、平均算出部３６により、拍動間隔波形に対して、検出時間内での第１平均波形値、及び前記複数の区間内それぞれでの複数の第２平均波形値が、それぞれ算出される。

（ホ）ステップＳ１０４で、交差抽出部３８により、拍動間隔波形が第１平均波形値と交差する第１交差点、及び拍動間隔波形が第２平均波形値と交差する第２交差点がそれぞれ抽出される。

（ヘ）ステップＳ１０５で、判定部４０により、複数の区間のそれぞれについて、抽出された第１交差点の数が閾値未満であれば低周波成分区間と判定され、抽出された前記第２交差点が前記閾値以上であれば高周波成分区間と判定される。

（ト）ステップＳ１０６で、指標算出部４２により、低周波成分区間毎に、第１平均波形値と低周波成分区間の第２平均波形値との差分の絶対値が第１差分として算出される。低周波成分区間の第１差分を加算して低周波成分指標値が算出される。また、高周波成分区間毎に、高周波成分区間の第２平均波形値以上の波形値の第３平均波形値、高周波成分区間の第２平均波形値以下の波形値の第４平均波形値をそれぞれ算出して前記第３及び第４平均波形値の差分の絶対値が第２差分として算出される。高周波成分区間の第２差分を加算して高周波成分指標値が算出される。

このように、実施の形態に係る自律神経活動の計測方法では、不等時間間隔データであるＰＰＩ波形を等時間間隔データに変換することなく自律神経活動の指標値を算出することができる。したがって、自律神経活動の指標を簡便に計測することが可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、実施の形態では、光電式脈波センサ２６から得られる脈波を基にして拍動間隔波形を取得しているが、圧電式脈波センサから得られる圧脈波のＰＰＩ波形を用いてもよい。また、検出部１２として、心電計を用いてもよい。この場合、心電計から得られる心電位波の心拍間隔（ＲＲＩ）が拍動間隔として用いられる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る自律神経活動計測装置の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る自律神経活動計測装置の実装例を示す概略図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる脈波の一例を示す図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる脈波間隔波形の一例を示す図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる脈波間隔波形を分割する区間の一例を示す図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる脈波間隔波形の平均波形値の一例を示す図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる脈波間隔波形の交差点の一例を示す図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる低周波成分が主な脈波間隔波形の交差点の一例を示す図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる高周波成分が主な脈波間隔波形の交差点の一例を示す図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる低周波成分指標値の一例を示す図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる高周波成分指標値の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る自律神経活動の計測方法の一例を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０…自律神経活動計測装置
１２…検出部
１４…処理ユニット
３２…波形生成部
３４…分割部
３６…平均算出部
３８…交差抽出部
４０…判定部
４２…指標算出部

Claims (4)

1. 拍動に由来する信号を時系列で検出して、検出時間内で信号波を生成する検出部と、
   前記信号波から一拍毎の拍動間隔を時系列で算出して、拍動間隔波形を生成する波形生成部と、
   前記検出時間を複数の区間で分割する分割部と、
   前記拍動間隔波形に対して、前記検出時間内での第１平均波形値、及び前記複数の区間内それぞれでの複数の第２平均波形値を、それぞれ算出する平均算出部と、
   前記拍動間隔波形が前記第１平均波形値と交差する第１交差点、及び前記拍動間隔波形が前記第２平均波形値と交差する第２交差点をそれぞれ抽出する交差抽出部と、
   前記複数の区間のそれぞれについて、抽出された前記第１交差点の数が閾値未満であれば低周波成分区間と判定し、抽出された前記第２交差点が前記閾値以上であれば高周波成分区間と判定する判定部
   とを備えることを特徴とする自律神経活動計測装置。
2. 前記低周波成分区間毎に、前記第１平均波形値と前記低周波成分区間の第２平均波形値との差分の絶対値を第１差分として算出して、前記低周波成分区間の前記第１差分を加算して低周波成分指標値を算出し、前記高周波成分区間毎に、前記高周波成分区間の第２平均波形値以上の波形値の第３平均波形値、前記高周波成分区間の第２平均波形値以下の波形値の第４平均波形値をそれぞれ算出して前記第３及び第４平均波形値の差分の絶対値を第２差分として算出し、前記高周波成分区間の前記第２差分を加算して高周波成分指標値を算出する指標算出部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の自律神経活動計測装置。
3. 前記検出部が、脈波センサ及び心電計のいずれかを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の自律神経活動計測装置。
4. 拍動に由来する信号を時系列で検出して、検出時間内で信号波を生成するステップと、
   前記信号波から一拍毎の拍動間隔を算出して、時系列の拍動間隔波形を生成するステップと、
   前記検出時間を複数の区間で分割するステップと、
   前記拍動間隔波形に対して、前記検出時間内での第１平均波形値、及び前記複数の区間内それぞれでの複数の第２平均波形値を、それぞれ算出するステップと、
   前記拍動間隔波形が前記第１平均波形値と交差する第１交差点、及び前記拍動間隔波形が前記第２平均波形値と交差する第２交差点をそれぞれ抽出するステップと、
   前記複数の区間のそれぞれについて、抽出された前記第１交差点の数が閾値未満であれば低周波成分区間と判定し、抽出された前記第２交差点が前記閾値以上であれば高周波成分区間と判定するステップ
   とを含むことを特徴とする自律神経活動の計測方法。

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