JP5571234B2

JP5571234B2 - 自律神経活動計測装置

Info

Publication number: JP5571234B2
Application number: JP2013133585A
Authority: JP
Inventors: 嘉伸斧; 武小島; 良介牛島
Original assignee: Nihon Kohden Corp
Current assignee: Nihon Kohden Corp
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2028-01-31
Also published as: JP2013215609A

Description

この発明は生体に電気刺激を与え、自律神経（交感神経や副交感神経）による末梢血管の収縮を反映した脈波信号から自律神経活動を計測する自律神経活動計測装置に関するものである。

皮膚血流量、心電図波形等は自律神経系の計測を行うための代表的生体情報であり、心拍や血圧、また指尖容量脈波の周波数解析やカオス解析、更に、指尖容量脈波の加速度脈波などから自律神経の状態、交感神経と副交感神経のいずれが優性であるかというバランスと機能性を評価する試みが従来よりなされている。

例えば加速度脈波のａ−ａ（収縮初期陽性波）時間から自律神経機能を評価するもの（特許文献２参照）や、２０秒ほどの脈波を測定し一拍毎のピーク・ボトム時間の分布から自律神経失調症を判定するものが知られている（特許文献３、特に「実施例２」参照）。

しかし、自律神経の定性的な評価・解析を行うことはできても、自律神経の評価には視覚や聴覚、臭覚などの外乱が影響し、交感神経と副交感神経の機能を選択的に評価することは困難なものであった。

一般的に計測時間が短ければ、診断に必要な情報が不足したり、誤差が大きくなる。一方、心拍変動が周期性を有することに鑑みれば、単純に計測時間が長ければ、上記外乱の影響を受けやすく有利とは言えない。つまり、計測時間をどの程度とすることが誤差のない自律神経活動計測につながるのか定量的に求められるものではない。

上記のような事情をバックグランドとしながらも、音響信号や画像信号により刺激を与えてバイタルサインの変動から自律神経の応答時間や復元能力を把握し、自律神経の状態の客観的診断が行われている（特許文献１、特に００３３参照）。しかし、視聴覚機能が健常である者にしか適用できないという問題が残り、より優れた自律神経活動計測を行う装置及び方法の実現が求められているのが現状である。

さらに、一般的に生体の呼吸における吸気は交感神経、呼気は副交感神経に由来するとされている。よって呼吸と交感神経の関連性から、呼吸が交感神経計測の外乱要因となる。

特開２００５−３２９１４８号公報特開２００４−３５８０２２号公報特開２００７−６１５７２号公報

本発明は上記のような自律神経活動計測における現状に鑑みてなされたもので、その目的は、従来より以上に自律神経活動計測を行うことが可能な自律神経活動計測装置を提供することである。

さらに、本発明は呼吸に由来する外乱を排除し、交感神経の性状を判断できる装置を提供することである。

本発明に係る自律神経活動計測装置は、生体から光電容量脈波、圧脈波、血流及び血圧の少なくとも一つ以上の脈波信号を取り出す脈波取出手段と、所定操作により生体に電気刺激を与え、痛みによる神経インパルスを誘発させる電気刺激手段と、前記脈波取出手段より得られる電気刺激前後の脈波信号を比較する比較手段と、前記比較手段により得られた結果を解析する解析手段と、生体の呼吸信号を検出する呼吸検出手段とを具備し、前記電気刺激手段は、前記呼吸検出手段により検出された呼吸信号をもとに呼気相又は吸気相のいずれかで電気刺激を行うことを特徴とする。

本発明に係る自律神経活動計測装置では、前記比較手段は、複数の異なる強度の電気刺激を与えた際の脈波信号を比較することを特徴とする。

本発明に係る自律神経活動計測装置では、前記異なる刺激は、生体が感じない弱い電気刺激と生体が感じる強い電気刺激とを含むことを特徴とする。

本発明に係る自律神経活動計測装置では、前記脈波信号は、Ｐ波の振幅、Ｔ波の振幅、Ｄ波の振幅、速度脈波の振幅、加速度脈波の振幅、脈波振幅比、速度脈波振幅比、加速度脈波振幅比、脈波周波数解析により得られる各波長のパワーの変動パターン、弾性係数のいずれか一つ以上であることを特徴とする。

本発明に係る自律神経活動計測装置では、前記脈波振幅比は、Ｐ波とＤ波の比を含むことを特徴とする。

本発明に係る自律神経活動計測装置では、前記加速度脈波振幅比は、ｂ波とｄ波の比を含むことを特徴とする。

本発明に係る自律神経活動計測装置では、前記呼吸検出手段は、呼吸フロー、サーミスタ（温度）、呼吸圧、CO2、インピーダンス、光電式のいずれか一つにより検出することを特徴とする。

本発明に係る自律神経活動計測装置では、前記呼吸信号は、呼気又は吸気のいずれか一つ以上であることを特徴とする。

本発明では、電気刺激に対しての痛みによる神経インパルスを誘発し、その反射として現れる末梢血管の収縮に由来する脈波信号を測定することで、交感神経の性状評価を可能となる。さらに、交感神経の恒常性の応答異常を簡便に検出することも可能となる。また、音や光と異なる電気刺激により脈波信号の応答を早く得ることができる。脈波振幅比や加速度脈波振幅比により反応を際立たせて見せることができ、また、周波数成分によりレンジを広くして計測結果を提供して分析評価を行い易くできる。更に、呼吸の呼気若しくは吸気の相のタイミングで電気刺激することで、呼吸による交感神経計測の外乱要因を軽減することが可能となる。

また、脈波振幅比はＰ波とＤ波の比を含み、加速度脈波にはｂ波とｄ波の比が含まれるので、これらの比により反応を際立たせて見せることができる効果がある。

また、呼吸による外乱の影響を排除し、高精度の交感神経の性状評価が可能となる。

また、神経機能の検査だけでなく、糖尿病による痛覚異常やパーキンソン病による交感神経麻痺などの評価等の分野への応用も可能性が高い。

本発明に係る自律神経活動計測装置の実施例の構成図。脈波と加速度脈波における各部の名称を説明するための図。本発明に係る自律神経活動計測装置の実施例により得られた脈波と加速度脈波のトレンドを示す図。本発明に係る自律神経活動計測装置の実施例により得られた電気刺激なしの場合における健常者の脈波振幅比のトレンドを示す図。本発明に係る自律神経活動計測装置の実施例により得られた１１パルス目に電気刺激を行った場合における健常者の脈波振幅比のトレンドを示す図。本発明に係る自律神経活動計測装置の実施例により得られた電気刺激なしの場合における健常者の加速度脈波振幅比のトレンドを示す図。本発明に係る自律神経活動計測装置の実施例により得られた１１パルス目に電気刺激を行った場合における健常者の加速度脈波振幅比のトレンドを示す図。本発明に係る自律神経活動計測装置の実施例により得られた１１パルス目に電気刺激を行った場合における非健常者の脈波振幅比のトレンドを示す図。本発明に係る自律神経活動計測装置の実施例により得られた１１パルス目に電気刺激を行った場合における非健常者の加速度脈波振幅比のトレンドを示す図。本発明に係る自律神経活動計測装置の実施例により得られた健常被検者の電気刺激装置による刺激付与なしの場合における１４番目のパルス前後の周波数分布を示す図。本発明に係る自律神経活動計測装置の実施例により得られた健常被検者の電気刺激装置による刺激付与を行った場合における１４番目のパルス前後の周波数分布を示す図。本発明に係る自律神経活動計測装置の実施例により得られた非健常被検者の電気刺激装置による刺激付与を行った場合における１４番目のパルス前後の周波数分布を示す図。本発明に係る呼吸による外乱の影響を排除する機構を設けた自律神経活動計測装置の実施例の構成図。

以下、添付図面を参照して本発明係る自律神経活動計測装置の実施例を説明する。図１には、自律神経活動計測装置の実施例の構成図が示されている。脈波センサ１１を用いて脈波信号を得て、脈波アンプ１２により所定のゲインで増幅し、中央制御部２０へ与える。脈波センサ１１は、受光素子と発光素子を用いて構成した特開２００１−７８９９０号に示されるセンサなどを用いることができる。

脈波センサ１１と脈波アンプ１２は、生体から脈波信号を取り出す脈波取出手段であり、脈波取出手段は、光電容量脈波、圧脈波、血流及び血圧の少なくとも一つ以上を計測できる構成であれば良い。

中央制御部２０には、生体に貼着される電極を含む刺激発生部１３及びトリガ発生部１４が接続されている。刺激発生部１３及びトリガ発生部１４は、所定操作により生体に電気刺激を与える電気刺激装置を構成してもよい。刺激発生部１３からの電気刺激の発生によりトリガ発生部１４はトリガ信号を発生させ、中央制御部２０にトリガ信号を送る。

中央制御部２０には、操作部１５が接続されている。操作部１５には、刺激発生部１３から発生させる電圧値、周波数などを設定可能とするキーなどが設けられていてもよい。このキーやトリガ発生部１４が上記刺激発生部１３に接続され、電気刺激装置を構成するものであっても良い。また、操作部１５には、中央制御部２０に与えるコマンドやデータなどを入力するためのキーも設けられている。

中央制御部２０は、ＣＰＵなどにより構成されるもので、脈波取出手段により取り出された脈波信号と前記トリガ信号とを用いて比較する比較手段や比較結果を解析する解析手段を有している。

中央制御部２０には、ＬＣＤなどの表示部１６、プリンタなどの記録部１７、各種メモリにより構成される記憶部１８が接続されている。表示部１６や記録部１７からは、中央制御部２０が有する比較手段や解析手段により解析された結果などが出力される。特に、トリガ信号に基づく電気刺激前後においての脈波信号の比較・解析や、異なる刺激強度に基づく脈波信号の比較・解析による結果を得て出力する出力手段を構成する。記憶部１８には、得られた脈波信号や結果などが記憶される。ここに、「トリガ信号に基づく電気刺激前後においても」とは、電気刺激装置による刺激付与を行わない場合を含み、また、電気刺激装置による刺激付与を行った場合には、その前とそれ以降を独立に解析結果を得ることを含む。更に、電気刺激装置による刺激付与のタイミングを含む刺激前後に跨った結果を得る場合を含むものである。

比較手段及び解析手段による演算を説明する。脈波信号とは、下記に説明する脈波に由来する信号の総称である。具体的には、脈波信号は、Ｐ波の振幅、Ｔ波の振幅、Ｄ波の振幅、速度脈波の振幅、加速度脈波の振幅、脈波振幅比、速度脈波振幅比、加速度脈波振幅比、脈波周波数解析により得られる各波長のパワーの変動パターン、弾性係数のいずれか一つ以上である。

まず一周期分の脈波は、図２（ａ）に示されるようであり、この脈波の一次微分を速度脈波、さらに二次微分を比較手段が演算して図２（ｂ）に示す加速度脈波を得る。一周期分の脈波における最初のピークがPercussion waveと呼ばれるＰ波である。一周期分の脈波における二番目のピークがTidal Waveと呼ばれるＴ波である。一周期分の脈波における三番目のピークがDicrotic waveと呼ばれるＤ波である。また、弾性係数とはPercussion Wave（Ｐ波）とTidal Wave(Ｔ波)の２つの波の高さの比である。
前記比較手段は、例えばＰ波とＤ波のトレンドと共に、Ｐ波とＤ波の比を含む脈波振幅比（Ｐ／Ｄ、Ｄ／Ｐ）のトレンドを得る演算を行う。

また、別の例として、図２（ｂ）に示す加速度脈波において、最初の極大点を有する陽性波はａ波（収縮初期陽性波）と称され、ａ波に続く陰性波はｂ波（収縮初期陰性波）と称され、以下、ｃ波（収縮中期再上昇波）、ｄ波（収縮後期再下降波）、ｅ波（拡張初期陽性波）と称されている。前記比較手段は、加速度脈波振幅比として、ここでは、ｂ／ａ、ｃ／ａ、ｄ／ａ、ｅ／ａ、ｂ／ｄのトレンドを得る演算を行ってもよい。

更に、別の例として、前記比較手段は、脈波に関し周波数分解を行い、周波数を軸とするヒストグラムを作成する演算を行ってもよい。

上記各演算は、電気刺激装置による刺激前後や、異なる刺激を与えた際においても行われ、脈波振幅比（Ｐ／Ｄ、Ｄ／Ｐ）のトレンドカーブ、加速度脈波振幅比（ｂ／ａ、ｃ／ａ、ｄ／ａ、ｅ／ａ、ｂ／ｄ）のトレンドカーブ、脈波周波数成分分布などの脈波信号を比較した結果が求められる。さらに解析手段が比較結果をもとに刺激の有無や刺激強度の相違による脈波信号に現れた変化より交感神経の性状を評価する。これを表示部１６や記録部１７から出力してもよい。

本実施例の装置による測定結果を示す。図３（ａ）は電気刺激装置による生体が電気刺激を感じない極めて弱い強度（強度がなくても良い）の電気刺激を付与した場合の脈波及び加速度脈波であり、図３（ｂ）は電気刺激装置による生体が電気刺激を感じる強い強度の電気刺激（ここでは持続0.5ms、0.4mAの矩形波電流とし、間隔5.0msで５発の連続刺激）を付与した場合の脈波及び加速度脈波であり、トリガ信号が時刻ｔにおいてそれぞれ刺激を加えたものを示す。図３（ａ）から弱い強度の電気刺激により交感神経はほとんど反応せず脈波に変化が発生していないことがわかる。一方、図３（ｂ）から強い強度の電気刺激により交感神経が反応し、末梢血管の収縮が発生し、脈波波形や加速度脈波波形に変化が発生している。

更に図４〜図７に、本実施例の装置による測定結果を示す。図４は健常被検者の電気刺激装置による弱い強度の刺激を付与した場合の脈波振幅トレンドであり、図５は健常被検者の電気刺激装置による強い強度の刺激を付与した場合の脈波振幅トレンドであり、図６は健常被検者の電気刺激装置による弱い強度の刺激付した場合の加速度脈波振幅トレンドであり、図７は健常被検者の電気刺激装置による強い強度の刺激付与をした場合の加速度脈波振幅トレンドである。横軸は脈波のパルスが何番目（何周期目）かを示し、左横の縦軸は振幅の値を示し、右横の縦軸は振幅比の値を示す。この例では、１１番目のパルスのときに生体が感じる強い電気刺激を付与した場合に、１４番目のパルスのときに大きく変化が生じていることが図５から明らかである。つまり、電気刺激付与に対する応答が、比を得る本実施例の演算結果により顕著となっている。同様に加速度脈波においてはｂ波とｄ波の比において顕著な変化を計測することが図７より確認できる。

更に図８、図９に、本実施例の装置による測定結果を示す。図８は自律神経に関する非健常被検者（以下、単に非健常者）の電気刺激装置による強い強度の刺激付与を行った場合の脈波振幅トレンドであり、図９は非健常被検者の電気刺激装置による強い強度の刺激付与を行った場合の加速度脈波振幅トレンドである。

図８は図５と対応し、図９は図７と対応している。健常者と同じ電気刺激を１１番目のパルスのときに付与しているが、非健常者の場合いずれにおいても電気刺激以降の脈波や加速度脈波において変化が見られず、１４番目のパルスのときに変化が生じている健常者の脈波に対する演算結果と大きな対比をなしている。即ち、電気的刺激に対して痛みによる神経インパルスが誘発され、その反射としての交感神経状態の計測がなされていると思料され、交感神経の応答異常を簡便に測定可能となる効果を奏する。

また、図１０〜図１２に、本実施例の装置による測定結果を示す。図１０は健常被検者の電気刺激装置による生体が感じない極めて弱い強度の電気刺激を付与した場合における１１番目のパルス前後の周波数分布である。横軸に周波数をとり、縦軸にパワーをとっている。この結果からは、１１番目のパルスより前の脈波を構成する周波数分布ｂｅと、１１番目のパルス以降の脈波を構成する周波数分布ａｆとは、脈波信号がほとんど変わらないことが判る。

図１１は健常被検者の電気刺激装置による生体が感じる電気刺激を付与した場合における１１番目のパルス前後の周波数分布であり、横軸に周波数をとり、縦軸にパワーをとっている。この結果からは、１１番目のパルスより前の脈波を構成する周波数分布ｂｅに比べて、１１番目のパルス以降の脈波を構成する周波数分布ａｆにおいては、末梢血管の収縮により動脈内容積が減少し、低い周波数成分が増大することが判る。

図１２は非健常被検者の電気刺激装置による刺激付与を行った場合における１１番目のパルス前後の周波数分布であり、横軸に周波数をとり、縦軸に度数（相対値）をとっている。この結果からは、電気刺激を付与したにも拘らず、１１番目のパルスより前の脈波を構成する周波数分布ｂｅと、１１番目のパルス以降の脈波を構成する周波数分布ａｆとは、ほとんど変わらないことが判り、強い電気刺激を与えても交感神経が適切に作用せず、末梢血管の収縮が発生していないものと解される。つまり、交感神経の応答異常が確認できる。

上記実施例は、神経機能の検査はもちろん、糖尿病による痛覚異常やパーキンソン病による交感神経麻痺などの評価等への応用も可能と解する。

さらに、呼吸による外乱の影響を排除する実施例を図１３にて説明する。呼吸検出手段１９以外の構成は図１における実施例のものと変わらない。前記呼吸検出手段１９は呼吸フロー、サーミスタ（温度）、呼吸圧、ＣＯ２、インピーダンス、光電式の少なくとも１種類を含む。

前記呼吸検出手段１９は、生体の呼吸信号、例えば呼気や吸気を検出するものである。呼気や吸気が検出されると、前記呼吸検出手段１９は前記中央制御部２０へ通知し、通知を受けた前記中央制御部２０は呼吸の呼気の相若しくは吸気の相で、電気刺激発生部１３へ刺激付与を指示する。

呼吸の呼気若しくは吸気の相のタイミングで電気刺激することで、呼吸による交感神経計測の外乱要因を軽減することが可能となる。

１１脈波センサ
１２脈波アンプ
１３刺激発生部
１４トリガ発生部
１５操作部
１６表示部
１７記録部
１８記憶部
１９呼吸検出手段
２０中央制御部

Claims

生体から光電容量脈波、圧脈波、血流及び血圧の少なくとも一つ以上の脈波信号を取り出す脈波取出手段と、
所定操作により生体に電気刺激を与え、痛みによる神経インパルスを誘発させる電気刺激手段と、
前記脈波取出手段より得られる電気刺激前後の脈波信号を比較する比較手段と、
前記比較手段により得られた結果を解析する解析手段と、
生体の呼吸信号を検出する呼吸検出手段と
を具備し、
前記電気刺激手段は、前記呼吸検出手段により検出された呼吸信号をもとに呼気相又は吸気相のいずれかで電気刺激を行うことを特徴とする自律神経活動計測装置。
前記比較手段は、複数の異なる強度の電気刺激を与えた際の脈波信号を比較すること
を特徴とする請求項１に記載の自律神経活動計測装置。
前記異なる刺激は、生体が感じない弱い電気刺激と生体が感じる強い電気刺激とを含むこと
を特徴とする請求項２に記載の自律神経活動計測装置。
前記脈波信号は、Ｐ波の振幅、Ｔ波の振幅、Ｄ波の振幅、速度脈波の振幅、加速度脈波の振幅、脈波振幅比、速度脈波振幅比、加速度脈波振幅比、脈波周波数解析により得られる各波長のパワーの変動パターン、弾性係数のいずれか一つ以上であること
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の自律神経活動計測装置。
前記脈波振幅比は、Ｐ波とＤ波の比を含むこと
を特徴とする請求項４に記載の自律神経活動計測装置。
前記加速度脈波振幅比は、ｂ波とｄ波の比を含むこと
を特徴とする請求項４に記載の自律神経活動計測装置。
前記呼吸検出手段は、呼吸フロー、サーミスタ（温度）、呼吸圧、CO2、インピーダンス、光電式のいずれか一つにより検出すること
を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の自律神経活動計測装置。
前記呼吸信号は、呼気又は吸気のいずれか一つ以上であること
を特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の自律神経活動計測装置。