JP5408751B2 - 自律神経機能測定装置 - Google Patents
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Description
心臓を支配する自律神経は心臓交感神経、心臓副交感神経と呼ばれ、それぞれ心臓の興奮や収縮に対して促進性、抑制性に働く。つまり、心臓交感神経の活動によってノルアドレナリンが神経伝達物質として分泌され、心臓側のアドレナリン作動性受容体に作用して心収縮率を上昇させたり、心筋収縮性や弛緩速度を増加させたりする。一方、心臓副交感神経が活動する場合はアセチルコリンが分泌され、コリン作動性受容体に作用して心収縮率を減少させる。
(1)心拍数変動を用いた自律神経機能測定
(2)脈波を用いた自律神経機能測定
(3)心拍数および血圧変動を用いた自律神経機能測定
そして、(1)では心臓の交感神経・副交感神経の機能(図13:中枢から心臓に至る101→102および103→104の経路の機能)、(2)では血管系の交感神経の機能(図13:中枢から血管に至る101→105の経路の機能)が、(3)では圧受容器の反射機能(図13:(1)の経路に加え、106→107→中枢に至る経路の機能)、それぞれ測定されるものと考えられる。
(1)心拍数変動を用いた自律神経機能測定
心拍数変動に着目した自律神経機能の測定には、例えばCVRR(coefficient of variation of R-R intervals)のような、時間領域での心拍数変動に基づくものと、例えばLF/HFのような心拍数変動の周波数解析に基づくものが知られている。
CVRRはおよそ100拍程度のRRIから計算され、RRIの標準偏差から平均値を除することで得られる副交感神経機能の指標であり、以下の式で表される。
CVRR=(RRI標準偏差/RRI平均値)×100
また、約10秒の周期をもつ0.04-0.15Hzの成分(低周波(LF:low-frequency)成分と呼ぶ)は、血圧の第3級変動、あるいはMayer波と呼ばれ、HF成分とは反対に、立位時に増加する傾向があることが知られている。
なお、Mayer波は、さらに0.05Hz付近と0.10Hz付近の周波数成分に分けられ、前者は末梢血管抵抗の変動に起因する体温調節リズムと言われているのに対し、後者は圧反射系の応答に関連があると言われ、LF成分のうち、0.08-0.15Hzの成分を中間周波数(MF:mid-frequency)成分として取り扱うこともある。
しかしながら、近年では、LF/HFは交感神経活動と副交感神経活動のバランスを示唆する指標であって、交感神経の機能そのものを表す指標ではないという見方が強くなっている。
心電図や血圧を計測せずに自律神経機能を測定する方法として、脈波、特に光電容積脈波(PPG:photoplethysmography)から自律神経機能を評価する方法が提案されている(非特許文献1)。この方法は、CVRRにおけるRRIの代わりにPPG波形の振幅値(wh:wave height)の変動の大きさを自律神経機能の評価値として算出するものである。
CVwh=(wh標準偏差/wh平均値)×100
CVwhは主として受容体を介した交感神経機能の指標であると考えられているが、PPG波形の振幅は血流量以外の影響、例えば皮膚の厚みの差による影響を受ける。wh平均値は、変動の大きさに依存するwh標準偏差を変動の大きさに依存しないwh平均値で規格化するものであり、血流量以外の影響を排除できているかどうかについては疑問が残る。
上述の通り、自律神経は、血圧が変化した際に交感神経と副交感神経を介して心拍出量と末梢血管抵抗を調節し、血圧を一定に保とうとする。そのため、血圧の変化に対するRRI(またはHR)の変化のしやすさは、自律神経機能のうち、圧受容器反射感受性(BRS:baroreflex sensitivity)を表すものと考えられる。
厳密には、血圧を人工的に大きく変化させる必要があり、心臓血管作動性の昇圧剤や降圧剤等の薬剤を静脈注射するなど、侵襲性を要すものが多く、被験者には大きな負荷となる。従って、安静状態において非侵襲的にBRSを推定する方法が提案されている。
αLF=√(SRRI/SSBP)
ここで、SRRI、SSBPはそれぞれ、パワースペクトル密度(PSD:Power Spectral Density)から得られるRRIおよび収縮期血圧のLF成分のパワーを表す。
(a,bは予め定めた定数である)
を、圧受容器反射感受性の指標として求める指標算出手段と、を有することを特徴とする自律神経機能測定装置によっても達成される。
(Nはサンプリングされたデータ数である)
を、圧受容器反射感受性の指標として求める指標算出手段と、を有することを特徴とする自律神経機能測定装置によっても達成される。
●(第1の実施形態)
(装置の構成)
図1は、本発明の一実施形態に係る自律神経機能測定装置の一例としての生体情報測定装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態では、容積脈波のみから得られる、血管系の交感神経機能の指標μPAを提案する。ここでは、容積脈波として、光電容積脈波(PPG)を用いるものとする。
図2(a)に示すように、光電容積脈波は動脈の拍動による血流量の変化を表すため、心拍数に対応した周期的な波形となる。しかしながら、一般的に縦軸は電気的な信号の大きさをボルト単位で表すことが多く、血流量の絶対的な値に対応付けることはできない。なお、図2(a)においてPAは、振幅(pulsatile amplitude)の定義を示している。
まず、測定データを記録するために、年齢、性別、身長、体重等、患者の個人情報を入力/指示部90を用いて入力したり、保存部80から読み出すなどして設定する。
そして、発光部25aおよび受光部25bを有する光電容積脈波センサを被検者の測定部位(例えば指尖)に装着する。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態は、容積脈波と脈波伝播時間(PTT:pulse transmission time)とを用いて、従来のαLFと同様の指標を算出することを特徴とする。
心電図:BIOPAC System社製のECG100C(アンプ)+フクダ電子(株)製のエーカークリップ
連続血圧:TNO-TPD Biomedical Instrumentation社製のPORTAPRES
光電容積脈波:BIOPAC System社製のPPG100C(アンプ)+COVIDIEN社製のNellcor DS-100A
測定した生体信号はBIOPAC System社製16-bit A/D コンバーターMP100によってサンプリング周波数は1000Hzでサンプリングした。
ln(SSBP)=a×ln(SPTT)+b
∴ SSBP=exp(b)×(SPTT)a
なお、式(2)における定数a,bは図6(b)における回帰直線から得られる(a=0.4281,b=4.1935)。この定数は、都度決定する必要はなく、あらかじめ設定しておくことができる。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
上述したρmaxは、血圧と心拍数変動のMayer波帯域における最大相互相関係数で表され、圧受容器反射機能(血管血圧反射機能)の感受性の度合を表す指標として提案された。
ρmaxは時間分解能を高めた指標であり、従来、経時変化を見ることで映像刺激などの外部因子が自律神経活動に与える影響を評価するために多く用いられてきた。しかしながら、安静状態下における自律神経機能そのものに着目する場合、経時変化はむしろ排除されるべき要因であり、必ずしも時間分解能が高い指標である必要はない。そこで本実施形態では、ρmaxの考え方を踏襲しつつ、安静状態下における自律神経機能の評価指標を提案する。
測定したECGとPPGとから、演算制御部10は、以下のようにして位相コヒーレンスλLFを算出することができる。
ECGとPPGからPTTを一拍毎に計算する。
HRV、PTTそれぞれを3次のスプライン補間によって再サンプリングする。この際、サンプリング周波数は0.5Hz以上とする。
ψ(t)=φHR(t)-φPTT(t)+2nπ (-π≦ψ≦π) (4)
ここで、nは-π≦ψ≦πとなるような適当な整数とする。
最後に、上述の第1-第3の実施形態で提案した指標μPA、αPTT、およびλLFの評価方法とその結果について説明する。
自律神経機能は真値を測定することが困難なため、指標の有効性の定量化は容易でないが、その値が真値に近い値であることを示す尺度を示す正確性と、複数回の測定で得られた値での互いのばらつきの小ささを表す尺度である再現性(または信頼性)の2つの観点から、従来の指標と性能を比較することを試みた。
効果量の指標は使用する検定法によって異なり、データの特性に合わせた最適な効果量の指標を用いることが必要となる。自律神経機能の異なる2群間の比較を行うため、スチューデントのt検定を用いることが考えられるが、スチューデントのt検定はパラメトリックな手法であり、また、提案する指標全てが正規分布に従った分布を示すかどうかは不明である。そこで、スチューデントのt検定と同時にノンパラメトリックな手法であるマン・ホイットニーのU検定についての効果量も算出した。
・Cohen's d
Cohen's dは、スチューデントのt 検定における効果量の指標であり、2群間の平均値の差が標準偏差の何倍であるかを示す指標であり、正の値で与えられる。以下の式(6)によって表される。
effect size rはマン・ホイットニーのU検定における効果量の指標であり、以下の式(8)によって計算される。
r=Z/(√N) (8)
ここでZはマン・ホイットニーのU検定における検定統計量をZに変換したもの、Nはサンプル数を表す。Cohen's dと同様、effect size rについても正の値で与えられる。
ICCは大きく分けて3つのCaseに分類することができる(今井樹,潮見泰藏,「理学療法研究における”評価の信頼性”の検査法」,理学療法科学 19(3): 261-265, 2004)。ここでは、検者の効果は考慮しないため、被験者の効果のみを考慮するCase 1(ICC(1,1))についてのみ述べる。従って、以下、ICCと表記する場合はICC(1,1)の意味で用いる。n人の被験者に対して、k回測定を繰り返し行った場合を考える。このとき、被験者の効果のみを考慮した単一の測定値に対する信頼性ICC(1,1)は以下の式(9)で与えられる。
ICC(1,1)=(BMS-WMS)/(BMS+(k-1)WMS) (9)
(A)CVRR
RRIの変動係数であるCVRRは、
CVRR=(RRI標準偏差/RRI平均値)×100
を用いて算出する。単位は%である。
(B)LF/HF
LF=HFは、心拍数のパワースペクトルを求めて算出する。周波数は、LF成分が0.04-0.15Hz、HF成分が0.15-0.40Hzとした。
(C)ρmax
心拍数と血圧変動の最大相互相関係数によって表されるρmaxは、経時的に求められる指標である。ここでは、血圧の時系列値を求める代わりにPTTを用いた方法で算出する。また、単一のデータとするために以下の処理を行った。
まず従来と同じように、ある時刻t[s]に対し、その前後60秒分、合計120秒間のデータに対し、ρmaxを算出する。その後、時刻を1秒ずつずらしながら3分間のデータにわたって経時的なρmaxを算出する。最後に、この経時的な値を時間平均することにより単一のρmaxを得る。なお、Mayer波帯域は0.04-0.15Hzとした。
(D)BRSseq
BRSseqはRRIと収縮期血圧の変動から、対応するsequence を抽出して算出する。単位はms/mmHgである。ここでは、RRIと収縮期血圧の相関係数が0.8以上となるsequenceのみを対象とし、sequenceの最小数の制限は設けない方法を用いた。対応するsequence が存在しなかったデータに関しては値を算出しなかった。
(E)αLF
αLFはRRIと収縮期血圧のパワースペクトルを求めた後、
αLF=√(SRRI/SSBP)
を用いて算出する。単位はms/mmHgであり、LF成分は0.04-0.15Hzとした。なお、コヒーレンス関数の閾値は設定しない。
(F)CVwh
PPG波形の振幅値whの変動係数であるCVwhは、
CVwh=(wh標準偏差/wh平均値)×100
を用いて算出する。whは、PAと同じものとした。
(G)μPA
第1の実施形態で説明したように算出した。なお、Mayer波帯域は0.08-0.15Hz(MF成分)とした。
(H)αPTT
第2の実施形態で説明したように算出した。定数a、bは図6(b)の回帰直線から求めた値(a=0.428,b=4.19)を用いた。
(I)λLF
第3の実施形態で説明したように算出した。なお、Mayer波帯域は0.04-0.15Hzとした。
また、PPGの振幅変動を用いて末梢の交感神経機能を評価するCVwhとμPAの比較では、再現性の観点からμPAの方が優れていると考えられる。
自律神経機能の観点から各指標を比較すると、いずれの提案指標においても従来指標より有用性が高いという結果が得られた。
Claims (12)
- 脈波を取得する取得手段と、
前記脈波の振幅変動のパワースペクトル密度を算出するパワー算出手段と、
前記パワースペクトル密度のうち、予め定められた低周波領域の積分値LFPAと、予め定められた高周波領域の積分値HFPAとを算出する積分手段と、
前記予め定められた低周波領域の積分値LFPAと、前記予め定められた高周波領域の積分値HFPAとの比の対数、
μPA=ln(LFPA/HFPA)
を、血管系の交感神経機能の指標として求める指標算出手段と、
を有することを特徴とする自律神経機能測定装置。 - 脈波および心電図を取得する取得手段と、
前記脈波を用いて脈波伝播時間を算出する脈波伝播時間算出手段と、
前記心電図における心拍間隔の変動および、前記脈波伝播時間の変動について、パワースペクトル密度を算出するパワー算出手段と、
前記心電図における心拍間隔の変動のパワースペクトル密度および、前記脈波伝播時間の変動のパワースペクトル密度について、予め定められた低周波領域の積分値SRRIおよびSPTTを算出する積分手段と、
前記予め定められた低周波領域の積分値SRRIおよびSPTTとを用いて、
(a,bは予め定めた定数である)
を、圧受容器反射感受性の指標として求める指標算出手段と、
を有することを特徴とする自律神経機能測定装置。 - 前記脈波伝播時間算出手段が、心音または前記心電図と、前記脈波とを用いて前記脈波伝播時間を算出することを特徴とする請求項2記載の自律神経機能測定装置。
- 前記パワー算出手段が、さらに、前記脈波の振幅変動のパワースペクトル密度を算出し、
前記積分手段が、さらに、前記脈波の振幅変動のパワースペクトル密度のうち、予め定められた低周波領域の積分値LFPAと、予め定められた高周波領域の積分値HFPAとを算出し、
前記指標算出手段が、さらに、前記予め定められた低周波領域の積分値LFPAと、前記予め定められた高周波領域の積分値HFPAとの比の対数、
μPA=ln(LFPA/HFPA)
を、血管系の交感神経機能の指標として求めることを特徴とする請求項2または請求項3記載の自律神経機能測定装置。 - 脈波および心拍数を取得する取得手段と、
前記脈波を用いて脈波伝播時間を算出する脈波伝播時間算出手段と、
前記心拍数および前記脈波伝播時間の時系列データをそれぞれ補間して生成した信号をサンプリングし、予め定められた低周波領域成分を抽出する抽出手段と、
前記心拍数について抽出された前記予め定められた低周波領域成分と、前記脈波伝播時間について抽出された前記予め定められた低周波領域成分の瞬時位相の差ψ(t)を算出する瞬時位相差算出手段と、
前記瞬時位相の差ψ(t)を用いて、
(Nは前記サンプリングされたデータ数である)
を、圧受容器反射感受性の指標として求める指標算出手段と、
を有することを特徴とする自律神経機能測定装置。 - 前記取得手段が心音または心電図をさらに取得し、
前記脈波伝播時間算出手段が、前記心音または前記心電図と、前記脈波とを用いて前記脈波伝播時間を算出することを特徴とする請求項5記載の自律神経機能測定装置。 - 前記取得手段が心電図から前記心拍数を取得し、
前記脈波伝播時間算出手段が、前記心電図と前記脈波とを用いて前記脈波伝播時間を算出することを特徴とする請求項5記載の自律神経機能測定装置。 - 前記心電図における心拍間隔の変動および、前記脈波伝播時間の変動について、パワースペクトル密度を算出するパワー算出手段と、
前記心電図における心拍間隔の変動のパワースペクトル密度および、前記脈波伝播時間の変動のパワースペクトル密度について、予め定められた低周波領域の積分値SRRIおよびSPTTを算出する積分手段とをさらに有し、
前記指標算出手段が、さらに、
前記予め定められた低周波領域の積分値SRRIおよびSPTTとを用いて、
(a,bは予め定めた定数である)
を、前記λLFとは異なる圧受容器反射感受性の指標として求めることを特徴とする請求項7記載の自律神経機能測定装置。 - 前記予め定められた高周波領域が0.15−0.4Hzであることを特徴とする請求項1または請求項4記載の自律神経機能測定装置。
- 前記予め定められた低周波領域が0.04−0.15Hzであることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の自律神経機能測定装置。
- 前記予め定められた低周波領域が0.08−0.15Hzであることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の自律神経機能測定装置。
- コンピュータを、請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の自律神経機能測定装置の各手段として機能させるためのプログラム。
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