JP2014193349A - 生理状態を監視するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生理状態を監視するための装置および方法を提供する。
【解決手段】装置は、信号取得ユニット１１と、膨張・収縮ユニット１２と、信号取得ユニットおよび膨張・収縮ユニットに電気的に接続された中央処理システム１３と、を備える。信号取得ユニットは、生体の特定の部分において第１の標準パルス信号と第１の反応性充血パルス信号とを取得するために用いられる。膨張・収縮ユニットは、上記特定の部分を選択的に膨張および収縮させるために用いられる。中央処理システムは、非定常・非線形伝達関数をそれぞれ用いて、第１の標準パルス信号を第２の標準パルス信号に変換し、第１の反応性充血パルス信号を第２の反応性充血パルス信号に変換することで、第２の標準パルス信号および第２の反応性充血パルス信号に応じて内皮機能係数を求めることが可能であり、これにより生体の生理状態を解析する。
【選択図】図１

Description

本発明は、生理状態を監視するための装置に関し、より具体的には、非定常・非線形伝達関数を用いて血圧測定信号を変換することにより、生理状態を監視するための装置および方法に関するものである。

心血管疾患は、死因のトップ１０の３０パーセントを占めており、このように人間の主要な死亡原因になっている。心血管疾患の危険因子は、糖尿病、高血圧、高脂血症、喫煙などである。また、多くの研究報告で、心血管疾患に先んじて勃起障害（ＥＤ：Ｅｒｅｃｔｉｌｅ Ｄｙｓｆｕｎｃｔｉｏｎ）が起こることが多いと指摘されている。
しかしながら、文化的背景や伝統的な観念から、男性患者は、医師の診察を受けることをためらう場合があり、これによって、心血管疾患の早期診断と予防の機会を失う。米国立衛生研究所によると、性交に十分な勃起硬度を得ること、または持続することができなくなった人がＥＤを発症する。

ＥＤと心血管疾患は、どちらも血管内皮機能障害に起因する血管疾患に属し、従って、内皮機能に関する評価は、先行指標とみなすことができる。つまり、内皮機能障害は、血管疾患の初期兆候を示している可能性がある。また、最近の研究報告によると、自律神経機能障害は、疾患のもう１つの兆候となり得る。これらは、両方とも生理系において重要な役割を果たしている。ただし、因子の重みを明らかにするためには、さらなる研究と議論が必要に違いない。

簡単に言えば、血管内皮機能は、血管拡張の程度に直接影響を及ぼし得るので、血管拡張の程度を測定することにより、血管内皮機能を間接的に反映させることができる。

現在のところ、血管内皮機能を評価する標準的な方法は、依然として超音波またはＥｎｄｏ‐ＰＡＴ２０００装置を使用することであり、一方、自律神経機能の評価は、心拍変動（ＨＲＶ：Ｈｅａｒｔ Ｒａｔｅ Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ）、圧反射感受性（ＢＲＳ：ＢａｒｏＲｅｆｌｅｘ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）、または筋交感神経活動の装置に頼らなければならない。
血管内皮機能障害は、血管疾患の初期兆候とみなされてきたが、これら２つの標準的な装置は、非常に高価で、使い勝手が悪いため、学術研究においてのみ使用される。従って、現時点では、病院は、内皮機能と自律神経機能を評価するために、それぞれ別々の装置を用いなければならない。これは、被検者にとっては非常に不便である。家庭測定に適した測定装置ならびに評価指標が開発されれば、被検者は、進んで測定するようになり、これによって、治療よりも優れた予防の効果が得られる。

本発明の１つの目的は、生理状態を監視するための装置および方法を提供することであり、これにより家庭測定を実現する。

上記目的を達成するため、本発明は以下の技術手段を採用する。

本発明の一態様によれば、発明は、生理状態を監視するための装置を提供し、これは、信号取得ユニットと、膨張・収縮ユニットと、中央処理システムと、を備える。
信号取得ユニットは、生体の特定の部分において、第１の標準パルス信号および第１の反応性充血パルス信号を取得するために用いられる。膨張・収縮ユニットは、生体の特定の部分を選択的に膨張および収縮させるために用いられる。中央処理システムは、信号取得ユニットおよび膨張・収縮ユニットに、電気的に接続されている。
中央処理システムは、非定常・非線形伝達関数をそれぞれ用いて、第１の標準パルス信号を第２の標準パルス信号に変換し、第１の反応性充血パルス信号を第２の反応性充血パルス信号に変換することで、第２の標準パルス信号および第２の反応性充血パルス信号に応じて、生体の内皮機能係数を求めることが可能であり、これにより生体の生理状態を解析する。

本発明の別の態様によれば、発明は、生理状態を監視する方法を提供する。
該方法は、以下のステップを含む。信号取得ユニットを用いて、生体の特定の部分において第１の標準パルス信号を取得することと、膨張・収縮ユニットを用いて、特定の時間、生体の特定の部分を閉塞圧に膨張させることと、膨張・収縮ユニットにより生体の特定の部分を収縮させた後に、信号取得ユニットを用いて、生体の特定の部分において第１の反応性充血パルス信号を取得することと、中央処理システムを用いて、非定常・非線形伝達関数をそれぞれ用いて、第１の標準パルス信号を第２の標準パルス信号に変換し、第１の反応性充血パルス信号を第２の反応性充血パルス信号に変換することと、中央処理システムを用いて、第２の標準パルス信号および第２の反応性充血パルス信号に応じて、内皮機能係数を求めることであって、これにより生体の生理状態を解析すること。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、ならびに効果は、以下の説明、添付の請求項、および添付の図面に関して、より良く理解されることになるであろう。

本発明の一実施形態により、生理状態を監視するための装置のブロック図である。 本発明の一実施形態による、反応性充血の前と後の腕パルス信号の振幅変動の模式図である。 本発明の一実施形態による、血管拡張の変動傾向の成分の模式図である。 本発明の一実施形態による、腕血圧パルス信号の時間間隔の計算についての模式図である。 本発明の一実施形態による、腕パルス信号の一連の連続的な時間間隔の模式図である。 本発明の一実施形態による、エネルギースペクトルの変化の模式図である。 本発明の一実施形態により、生理状態を監視する方法のフローチャートである。

目下のところ、生理学的異常には、ＥＤ、睡眠時無呼吸、高血圧、動脈硬化などが含まれる。これらのほとんどは、心血管疾患に属する。早期予防は多方面で実施されるべきであり、これにより、予防医学を実際に草の根で実践することができる。
本発明により提供される装置は、血管内皮機能および自律神経機能の測定を支援することができる。また、それは、血圧計の使用と似た方法で用いることができ、小型かつ低コストであるという利点がある。従って、これは家庭測定に適している。

図１は、本発明の一実施形態により、生理状態を監視するための装置のブロック図である。図１では、生理状態を監視するための装置１０は、主として、信号取得ユニット１１と、膨張・収縮ユニット１２と、中央処理システム１３と、表示ユニット１４と、を備える。信号取得ユニット１１は、生体２０の特定の部分に直接または間接的に接触し、生体２０の特定の部分において第１の標準パルス信号および第１の反応性充血パルス信号を取得するために用いられる。膨張・収縮ユニット１２は、生体２０の特定の部分に直接または間接的に接触し、生体２０の特定の部分を選択的に膨張および収縮させるために用いられる。
信号取得ユニット１１および膨張・収縮ユニット１２は、一般的な電子血圧計の使用と似た方法で用いることができる。つまり、ユーザ（生体２０）は、膨張・収縮ユニット１２を用いて腕を基準圧（４０±３ｍｍＨｇ）に膨張させたときに、信号取得ユニット１１によって第１の標準パルス信号を取得する。その後、膨張・収縮ユニット１２により、基準圧とユーザ（生体２０）の収縮期血圧との和とである閉塞圧に腕を膨張させる。膨張・収縮ユニット１２により腕を基準圧に収縮させたときに、信号取得ユニット１１によって第１の反応性充血パルス信号を取得する。

中央処理システム１３は、信号取得ユニット１１および膨張・収縮ユニット１２に、電気的に接続されている。中央処理システム１３は、中央処理装置１３１と、メモリおよび周辺装置１３２と、ソフトウェア・ユニット１３３とを有し、非定常・非線形伝達関数をそれぞれ用いて、第１の標準パルス信号を第２の標準パルス信号に変換し、第１の反応性充血パルス信号を第２の反応性充血パルス信号に変換することで、第２の標準パルス信号および第２の反応性充血パルス信号に応じて、ユーザ（生体２０）の内皮機能係数を求め、これによりユーザ（生体２０）の生理状態を解析および表示する。

また、生理状態を監視するための装置１０は、さらに、生体２０の特定の部分（腕）の周囲に配置されるカフ１５を備える。信号取得ユニット１１および膨張・収縮ユニット１２は、生体２０の特定の部分（腕）において第１の標準パルス信号および第１の反応性充血パルス信号を取得し、生体２０の特定の部分（腕）を選択的に膨張および収縮させるために、カフ１５に配置されている。

図２は、本発明の一実施形態による、反応性充血の前と後の腕パルス信号の振幅変動の模式図である。図２では、指標は、主に、血管内皮機能（内皮機能係数）の解析における静的および動的観点から定量化される。静的指標としては、流量依存性拡張（ＦＭＤ：Ｆｌｏｗ‐Ｍｅｄｉａｔｅｄ Ｄｉｌａｔｉｏｎ）理論に基づいて、拡張指数（ＤＩ：Ｄｉｌａｔａｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ）が定義される。
本実施形態における生理状態を監視するための装置は、腕を膨張させる前と後に、パルス信号の連続的な変化を取得することができる。反応性充血（ＲＨ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｈｙｐｅｒｅｍｉａ）期の２分目から開始して１分間の平均パルス振幅を、基準期の平均パルス振幅で除算し、得られた値の自然対数を計算することで、ＤＩを得る。ＤＩが大きいほど、内皮機能は良好である。

腕を閉塞圧から収縮させた後に反応性充血が起きると、内皮細胞は、一酸化窒素（ＮＯ）を産生および放出し得るので、これによって、血管は拡張することが可能である。
人間は、実際には動的な複雑系である。従って、臨床研究において静的指標の感度および精度は良好であることが証明されているものの、静的指標のみを用いて内皮機能を定量化すると、陰に潜む微妙な生理現象の多くを見逃すことがある。例えば、被検者ごとに異なる量の一酸化窒素を放出するので、内皮細胞が閉塞圧により刺激されたときに血管が最大限に拡張する反応速度および持続時間は、被検者によって異なり得る。

図３は、本発明の一実施形態による、血管拡張の変動傾向の成分の模式図である。この場合、指標は、動的観点から定量化される。図３では、非定常・非線形伝達関数を用いて、本実施形態における内皮機能を動的に評価する。非定常・非線形伝達関数は、ヒルベルト・ホアン変換（ＨＨＴ：Ｈｉｌｂｅｒｔ‐Ｈｕａｎｇ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）アルゴリズムとすることができる。特に、ＨＨＴアルゴリズムの経験的モード分解（ＥＭＤ：Ｅｍｐｉｒｉｃａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、第１の標準パルス信号を第２の標準パルス信号に変換し、第１の反応性充血パルス信号を第２の反応性充血パルス信号に変換し、そして内皮機能を動的に解析する。
ＥＭＤでは、信号の瞬時変動スケールをエネルギーとみなし、それを直接分解する。詳細には、原信号を複数の固有モード関数（ＩＭＦ：Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｍｏｄｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）に分解し、各ＩＭＦは、原信号のベースとみなされる。従って、解析される信号は、非線形または非定常であることが可能であり、このようにして、ベースは、原信号の物理的特性を完全に示すことができる。
閉塞期の前の基準期における波の振幅（すなわち、第２の標準パルス信号）は、全体の変動傾向の水平閾値として平均化され、第２の反応性充血パルス信号の位置Ａ、Ｂ、Ｐでの時間（秒）および振幅（ミリボルト）が、それぞれ閾線を用いて計算される。さらに、位置Ａから位置Ｂまで（第１のセクション）の上昇勾配および時間差（Ｔ１）が計算され、位置Ｂから位置Ｐまで（第２のセクション）の下降勾配および時間差（Ｔ２）が計算される。上昇勾配は、内皮細胞が一酸化窒素を放出してから血管が最大限に拡張するまでの上昇速度および時間と定義され、また、下降勾配は、血管が最大限に拡張してから血管が常態に回復するまでの回復速度および時間と定義される。
血管内皮細胞が一酸化窒素を放出した後の血管拡張の動的変動は、上昇勾配と下降勾配を計算することによって評価することができる。このような動的指標は、陰茎の弛緩から完全な勃起までの時間および勃起の持続時間など、生体の生理状態を評価するために用いることができる。その後、静的および動的観点から指標を定量化することによって、内皮機能の変動の程度を完全に提示することができる。従って、内皮機能係数は、上昇勾配および下降勾配に応じて求めることができる。

本発明は、内皮機能を評価し、指標を定量化するための革新的な異なる方法を提案している。しかし、さらに自律神経機能の指標を定量化することができれば、ＥＤおよび心血管疾患の評価ならびに予防は、最適な効果を得ることができる。
本発明では、ヒルベルト・ホアン変換（ＨＨＴ）アルゴリズムで、特にＨＨＴアルゴリズムの経験的モード分解（ＥＭＤ）およびヒルベルト変換（ＨＴ）とすることができる非定常・非線形伝達関数を用いて、自律神経機能を評価する。詳細には、標準自律神経パラメータを、第１の標準パルス信号に応じて得ることができ、反応性充血自律神経パラメータを、第１の反応性充血パルス信号に応じて得ることができる。さらに、標準自律神経パラメータおよび反応性充血自律神経パラメータに応じて、生体の自律神経機能を特定することができる。

図４は、本発明の一実施形態による、腕血圧パルス信号の時間間隔の計算についての模式図である。図４では、本実施形態における自律神経機能を評価するため、図２の基準期およびＲＨ期における血圧パルス信号の各々を記録して、隣接する２つのパルス信号のピーク時間差を計算し、時間‐周波数解析のために、時系列Ｔ＝｛Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，．．．，Ｔｎ｝として表す。

図５は、本発明の一実施形態による、腕パルス信号の一連の連続的な時間間隔の模式図である。図５では、信号の非定常性によって、時系列の不規則性の程度が増加し得ることで、スペクトル解析の精度に影響を及ぼし、このため、スペクトル変換の際には、スペクトル解析の正確な結果を得るように、ＨＨＴアルゴリズムのＥＭＤを用いて、この傾向を最初に時系列データから取り除く。

図６は、本発明の一実施形態による、エネルギースペクトルの変化の模式図である。図６では、ＥＭＤを用いて分解された信号が、ＨＴを用いて変換された後に、各周波数帯域のエネルギー変化を得ることができる。例えば、高周波数帯域における正常心拍間隔の分散を示し、副交感神経活動の指標を表す高周波数帯（ＨＦ）パワーは、０．１５〜０．４Ｈｚの範囲であり、低周波数帯域における正常心拍間隔の分散を示し、交感神経活動または交感神経と副交感神経との相互作用の指標を表す低周波数帯（ＬＦ）パワーは、０．０４〜０．１５Ｈｚの範囲であり、超低周波数帯域における正常心拍間隔の分散を示す超低周波数帯（ＶＬＦ）パワーは、０．００３〜０．０４Ｈｚの範囲である。従って、閉塞圧の前と後の交感神経活動と副交感神経活動のバランス状態を観測することができる。

血管内皮機能と自律神経機能は、生理系の働きにおいて協調するので、血管内皮機能障害と自律神経機能障害は、どちらもＥＤおよび血管疾患の初期兆候とみなされている。本発明は、血管内皮機能および自律神経機能を随時測定するための装置を提供し、将来の疾患の発生リスクを大幅に低下させることができると考えられる。

図７は、本発明の一実施形態により、生理状態を監視する方法のフローチャートである。図７では、本実施形態における生理状態を監視する方法は、以下のステップを含んでいる。
第１に、信号取得ユニット１１を用いて、生体２０の特定の部分において第１の標準パルス信号を取得する（ステップＳ１０）。第１の標準パルス信号は、膨張・収縮ユニット１２により生体２０の特定の部分を基準圧に膨張させているときに、信号取得ユニット１１を用いて取得することができる。
第２に、膨張・収縮ユニット１２を用いて、特定の時間（約２分）、生体２０の特定の部分を閉塞圧に膨張させる（ステップＳ１１）。閉塞圧は、基準圧と生体２０の収縮期血圧との和とすることができる。膨張・収縮ユニット１２により生体２０の特定の部分を基準圧に収縮させた後に、信号取得ユニット１１を用いて、生体２０の特定の部分において第１の反応性充血パルス信号を取得する（ステップＳ１２）。第１の反応性充血パルス信号は、膨張・収縮ユニット１２により生体２０の特定の部分を基準圧に収縮させているときに、信号取得ユニット１１を用いて取得することができる。中央処理システム１３を用いて、非定常・非線形伝達関数をそれぞれ用いて、第１の標準パルス信号は第２の標準パルス信号に変換され、第１の反応性充血パルス信号は第２の反応性充血パルス信号に変換される（ステップＳ１３）。非定常・非線形伝達関数は、ＨＨＴアルゴリズム、特にＨＨＴアルゴリズムのＥＭＤとすることができる。最後に、中央処理システム１３を用いて、第２の標準パルス信号および第２の反応性充血パルス信号に応じて、生体２０の内皮機能係数を求め、これにより生体２０の生理状態を解析する（ステップＳ１４）。

なお、信号取得ユニット１１および膨張・収縮ユニット１２は、カフ１５に配置することができ、カフ１５は、生体２０の特定の部分の周囲に配置して使用される。

また、生理状態を監視する方法では、第２の反応性充血パルス信号を、さらに第１のセクションと第２のセクションとに分けることができる。第１のセクションの上昇勾配と、第２のセクションの下降勾配を、それぞれ得る。上昇勾配および下降勾配は、内皮機能係数を求めるために用いられる。上昇勾配は、内皮細胞が一酸化窒素を放出してから血管が最大限に拡張するまでの上昇速度および時間と定義され、また、下降勾配は、血管が最大限に拡張してから血管が常態に回復するまでの回復速度および時間と定義される。

生理状態を監視する方法は、さらに、非定常・非線形伝達関数をそれぞれ用いて、第１の標準パルス信号に応じて標準自律神経パラメータを取得するステップと、第１の反応性充血パルス信号に応じて反応性充血自律神経パラメータを取得するステップとを含み、これにより、標準自律神経パラメータおよび反応性充血自律神経パラメータに応じて、生体の自律神経機能を特定する。非定常・非線形伝達関数は、ＨＨＴアルゴリズム、特にＨＨＴアルゴリズムのＥＭＤおよびＨＴとすることができる。

本発明について、そのいくつかの好ましい実施形態を参照して、かなり詳細に説明したが、本開示は、発明の範囲を限定するためのものではない。当業者であれば、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、種々の変形および変更を実施することができる。従って、添付の請求項の範囲は、上記の好ましい実施形態の記載に限定されるべきではない。

Claims (6)

1. 生理状態を監視するための装置であって、
   生体の特定の部分において第１の標準パルス信号と、第１の反応性充血パルス信号とを取得するための信号取得ユニットと、
   前記生体の特定の部分を選択的に膨張および収縮させるための膨張・収縮ユニットと、
   前記信号取得ユニットおよび前記膨張・収縮ユニットに電気的に接続された中央処理システムと、を備え、
   該中央処理システムは、非定常・非線形伝達関数をそれぞれ用いて、前記第１の標準パルス信号を第２の標準パルス信号に変換し、前記第１の反応性充血パルス信号を第２の反応性充血パルス信号に変換することで、前記第２の標準パルス信号および前記第２の反応性充血パルス信号に応じて、前記生体の内皮機能係数を求めることが可能であり、これにより前記生体の生理状態を解析する、
   装置。
2. 生理状態を監視する方法であって、
   信号取得ユニットを用いて、生体の特定の部分において第１の標準パルス信号を取得するステップと、
   膨張・収縮ユニットを用いて、特定の時間、前記生体の特定の部分を閉塞圧に膨張させるステップと、
   前記膨張・収縮ユニットにより前記生体の特定の部分を収縮させた後に、前記信号取得ユニットを用いて、前記生体の特定の部分において第１の反応性充血パルス信号を取得するステップと、
   中央処理システムを用いて、非定常・非線形伝達関数をそれぞれ用いて、前記第１の標準パルス信号を第２の標準パルス信号に変換し、前記第１の反応性充血パルス信号を第２の反応性充血パルス信号に変換するステップと、
   前記中央処理システムを用いて、前記第２の標準パルス信号および前記第２の反応性充血パルス信号に応じて、内皮機能係数を求めるステップであって、これにより前記生体の生理状態を解析するステップと、を含む、
   方法。
3. 前記膨張・収縮ユニットにより前記生体の特定の部分を基準圧に収縮させているときに、前記信号取得ユニットを用いて前記第１の反応性充血パルス信号を取得する、請求項２に記載の、生理状態を監視する方法。
4. 前記第２の反応性充血パルス信号は、第１のセクションと第２のセクションとに分けることが可能であり、前記第１のセクションの上昇勾配と前記第２のセクションの下降勾配とをそれぞれ得て、前記内皮機能係数を求めるために前記上昇勾配および前記下降勾配を用いる、請求項２に記載の、生理状態を監視する方法。
5. 前記第１の標準パルス信号に応じて標準自律神経パラメータを取得するステップと、前記第１の反応性充血パルス信号に応じて反応性充血自律神経パラメータを取得するステップとをさらに含み、これにより、前記標準自律神経パラメータおよび前記反応性充血自律神経パラメータに応じて、前記生体の自律神経機能を特定する、請求項２に記載の、生理状態を監視する方法。
6. 非定常・非線形伝達関数をそれぞれ用いて、前記第１の標準パルス信号に応じて前記標準自律神経パラメータを取得するステップと、前記第１の反応性充血パルス信号に応じて前記反応性充血自律神経パラメータを取得するステップとをさらに含む、請求項５に記載の、生理状態を監視する方法。