JP6075972B2 - 呼吸状態判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、被験者の呼吸に基づき、睡眠障害の症状として知られる吸気フローリミテーションの有無や無呼吸低呼吸状態の種類を判定する装置に関する。

この種の装置としては、被験者の呼吸状態に対応する信号波形を終夜にわたって取得し、当該信号波形の形状から吸気フローリミテーションの有無を目視で判断するものが知られている（例えば特許文献１参照）。

また特許文献２に記載のように、さらに胸や腹にバンド状の歪みゲージを巻き付けてこれらの部位の動きを検出し、その結果を呼吸状態に対応する信号波形と照らし合わせて睡眠中の無呼吸低呼吸状態の検出、およびその種類を判定するようにしている。無呼吸低呼吸状態の種類は、気道閉塞状態で呼吸努力が継続される閉塞性無呼吸低呼吸と、呼吸努力そのものが停止して換気が停止する中枢性無呼吸低呼吸の二つに大別される。なお吸気フローリミテーションは、閉塞性無呼吸低呼吸状態を示す指標とされる。

米国特許７３２５５４５号公報 日本国特許４５８８４６１号公報

睡眠時における無呼吸低呼吸状態を検出するために多種多様のセンサを身体に装着することは、被験者にとって大きな負担である。一方、終夜にわたり測定された被験者の呼吸により得られる膨大な数の測定信号波形から目視で吸気フローリミテーションの有無を判断し、無呼吸低呼吸状態の種類を判定する作業は診断を行なう者にとって極めて大きな負担である。また目視観察による判断の場合、観察者の主観や経験による判断結果の相違を排除することは困難である。

よって本発明は、被験者の煩わしさや負担を軽減しつつ、正確かつ容易に睡眠中の吸気フローリミテーションの有無、および無呼吸低呼吸状態の種類を判断可能な技術を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明がとりうる一態様は、呼吸状態判定装置であって、
被験者の呼吸流量に対応する信号波形を取得する信号取得部と、
前記信号波形を微分した微分波形を取得する微分演算部と、
前記信号波形における被験者の吸気に対応する部分において前記微分波形が所定の条件を充足するとき、当該被験者に吸気フローリミテーションが発生していると判定する第１判定部とを備える。

このような構成によれば、測定波形の目視観察に拠ることなく、吸気フローリミテーションの有無を画一的に判断することができる。

前記微分演算部は、前記信号波形を２次微分した２次微分波形を前記微分波形として取得し、前記第１判定部は、前記２次微分波形の振幅が所定の閾値を下回る時間に基づいて、当該被験者に吸気フローリミテーションが発生していると判定する構成としてもよい。

このような構成によれば、吸気時の呼吸圧に対応する信号波形において現れる、上に凸の部分がある程度大きなものを検出することができ、もって吸気フローリミテーションの発生を確実に判定することができる。また個人差等を考慮して閾値を設定することにより、判定精度を向上させることができる。例えば、幾つかの段階的な閾値を設定することにより、吸気フローリミテーションの強さの程度を判定することができる。

例えば前記閾値を０とし、前記第１判定部は、前記２次微分波形の振幅が負の値をとる時間に基づいて、当該被験者に吸気フローリミテーションが発生していると判定する構成としてもよい。

前記第１判定部は、前記信号波形の勾配に基づいて吸気初期と吸気終期を特定し、当該吸気初期と吸気終期を除く領域において前記時間に基づく判断を行なう構成としてもよい。

この場合、正常吸気との区別がつきにくい吸気初期と吸気終期の波形を解析の対象から除外し、より確実に吸気フローリミテーションの有無を判定することができる。

過去の所定期間における前記信号波形の振幅の平均値に基づいて、被験者の無呼吸低呼吸状態を判定する第２判定部と、
前記第１判定部が判定した前記吸気フローリミテーションの有無と、前記第２判定部が判定した前記無呼吸低呼吸状態とに基づいて、当該無呼吸低呼吸状態の種類が閉塞性であるか中枢性であるかを判定する第３判定部とをさらに備える構成としてもよい。

このような構成によれば、測定波形の目視観察に拠ることなく、被験者の無呼吸低呼吸状態およびその種類を画一的に判断することができる。

前記信号波形を表示する表示部と、
前記第１判定部が判定した前記吸気フローリミテーションの有無を示す指標と、前記第２判定部が判定した前記無呼吸低呼吸状態を示す指標と、前記第３判定部が判定した前記無呼吸低呼吸状態の種類を示す指標の少なくとも１つを、前記信号波形とともに前記表示部に表示する表示制御部とをさらに備える構成としてもよい。

このような構成によれば、膨大な呼吸信号波形の中から、吸気フローリミテーションが発生している時間帯、無呼吸低呼吸状態が発生している時間帯および当該無呼吸低呼吸状態の種類を一見して特定することができ、観察者の主観に拠らない正確な診断が可能となる。

被験者の呼吸圧を測定する圧力センサをさらに備え、前記信号取得部は、前記圧力センサが出力する呼吸圧に基づいて前記信号波形を取得する構成としてもよい。

この場合、被験者の呼吸流量を測定する場合と比較して簡易な測定が可能となる。

さらに信号取得部が前記測定波形を平方根補正して前記信号波形を取得することにより、精度のよい呼吸流量の近似値が得られる。

被験者に装着される鼻カニューラをさらに備え、前記信号取得部は、前記鼻カニューラを通じて導入される呼吸気に基づいて前記信号波形を取得する構成としてもよい。

この場合、多種多様のセンサを身体に装着する必要がないため、被験者が感じる煩わしさや負担を軽減することができる。特に鼻カニューラは比較的軽量であるため、睡眠の妨げを抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るモニタ装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１のモニタ装置が行なう信号処理を説明するための図である。 図１のモニタ装置の表示部に表示される信号波形の例を示す図である。

本発明の実施形態を添付の図面を参照しつつ以下詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る呼吸状態判定装置としてのモニタ装置１０の構成を示す機能ブロック図である。モニタ装置１０は、信号取得部１１、高周波フィルタ１２、制御部１３、および表示部１４を備えている。

鼻カニューラ２１は、一対の管部を被験者の鼻孔に挿入し、チューブ２２を介して被験者の鼻呼吸気を圧力センサ２３に導くための器具である。圧力センサ２３は、被験者の呼吸により生ずる圧力変化を測定するセンサであり、被験者の呼吸状態（呼吸圧）に対応する波形を有する測定信号（以降の説明においては、単に測定波形と称する）を出力する。

被験者の呼吸状態は、本来呼吸流量の測定を通じて判断することが望ましいが、呼吸気のリーク対策等が必要になる。一方、呼吸圧の値に所定の定数を乗じて平方根の値をとることによって呼吸流量のよい近似値が得られることが知られており、この演算処理を平方根補正と称する。本実施形態では測定をより容易にするために、信号取得部１１において圧力センサ２３より入力された測定波形を平方根補正した信号波形Ｓ１を取得する。取得された信号波形Ｓ１の例を図２の（ａ）に示す。

高周波フィルタ１２は、信号取得部１１が平方根補正により取得した信号波形Ｓ１の高周波成分を除去する電気的なフィルタである。所定の周波数を上回る成分を除去することにより信号波形が滑らかとなり、後述する演算処理の正確性が向上する。図２の（ｂ）は、図２の（ａ）の信号波形Ｓ１に含まれる高周波成分が除去された信号波形Ｓ２を示す。

吸気フローリミテーションは、吸気時に気道が閉塞することにより発生する現象であり、息を吸おうとしても吸えない状態に対応する。図２の（ａ）に破線で示すように、正常な状態であれば、吸気に伴い呼吸圧が低下（負圧が増加）する。同図の信号波形Ｓ１は吸気フローリミテーションが発生している状態を示すものであり、気道閉塞により吸気が阻害される結果、本来呼吸圧が低下すべき箇所において低下せず、むしろ上昇するという現象が起こる。

したがって呼吸圧の測定波形としては、吸気を示す領域では本来下に凸の波形が得られるところ、上に凸となる部分が現れる。本実施形態のモニタ装置１０では、取得した信号波形Ｓ２から当該凸部分の存在を検出することにより、吸気フローリミテーションの有無を判断するようにしている。

制御部１３は、図２の（ｂ）に示す信号波形Ｓ２において被験者の吸気に対応する領域を抽出する。呼吸圧が負圧となる領域を抽出すればよいので、制御部１３は、信号波形Ｓ２の振幅が正の値から負の値に替わる時点ｔ１、および負の値から正の値に替わる時点ｔ４を特定する。

次に制御部１３は、時刻ｔ１から時刻ｔ４に向かって信号波形Ｓ２の勾配の値を取得する。このとき勾配の値は最大値をとった後に減少していく。制御部１３は、勾配の値が最大値の所定割合以下となる時点ｔ２を特定する。また制御部１３は、時刻ｔ４から時刻ｔ１に向かって同様に信号波形Ｓ２の勾配の値を取得する。この場合も勾配の値は最大値をとった後に減少していく。制御部１３は、勾配の値が最大値の所定割合以下となる時点ｔ３を特定する。これにより、時刻ｔ１からｔ２の間の区間が吸気初期とみなされ、時刻ｔ３からｔ４の間の区間が吸気終期とみなされる。本実施形態においては、上記所定割合の値は、いずれも２０％以下とされる。これは正常吸気時との区別がつきにくい吸気初期と吸気終期の波形を解析の対象から除外し、吸気フローリミテーションの発生が顕著に現れる波形領域を抽出するためである。このとき制御部１３は、本発明の微分演算部として機能し、信号波形Ｓ２の勾配すなわち１次微分の値に基づいて上記の処理を実行する。

さらに微分演算部としての制御部１３は、図２の（ｃ）に示すように、高周波フィルタ１２により高周波成分が除去された信号波形Ｓ２を２次微分した波形を本発明の微分波形として取得する。以降の説明においては、当該微分波形を２次微分波形Ｓ３と称する。

そして制御部１３は本発明の第１判定部として機能し、図２の（ｃ）に斜線で示す２次微分波形Ｓ３の振幅が負の値となる時間に基づいて吸気フローリミテーションの発生を判定する。具体的には、閾値を０とし、２次微分波形Ｓ３の振幅が負の値となる時間の、信号波形Ｓ２における被験者の吸気に対応する部分の継続時間（時点ｔ１とｔ４の間の区間）に占める割合が所定値以上であるとき、吸気フローリミテーションが発生していると判定する。なお当該閾値や当該所定値は、被験者による個人差や使用施設における運用基準を考慮し、使用者により適宜に設定することができる。例えば、幾つかの段階的な閾値を設定することにより、吸気フローリミテーションの強さの程度を判定することもできる。

すなわち本実施形態においては、第１判定部としての制御部１３が、信号波形Ｓ２における被験者の吸気に対応する部分において微分波形が所定の条件を充足するとき、当該被験者に吸気フローリミテーションが発生していると判断するように構成されている。したがって測定波形の目視観察に拠ることなく、吸気フローリミテーションの有無を画一的に判断することができる。

また微分演算部としての制御部１３が信号波形Ｓ２より２次微分波形Ｓ３を取得し、第１判定部としての制御部１３は、２次微分波形Ｓ３の振幅が負の値をとる時間の、信号波形Ｓ２における被験者の吸気に対応する部分の継続時間に占める割合が所定値以上であるときに吸気フローリミテーションが発生していると判断するように構成されている。よって吸気時の呼吸圧に対応する信号波形において現れる、上に凸の部分がある程度大きなものを検出することができ、もって吸気フローリミテーションの発生を確実に判定することができる。

また微分演算部としての制御部１３が信号波形Ｓ２の勾配（１次微分値）を取得し、第１判定部としての制御部１３は、前記信号波形の勾配に基づいて被験者の吸気初期と吸気終期を特定し、当該吸気初期と吸気終期を除く領域において２次微分波形Ｓ３が負の値をとる時間を取得するように構成されている。したがって正常吸気との区別がつきにくい吸気初期と吸気終期の波形を解析の対象から除外し、より確実に吸気フローリミテーションの有無を判定することができる。

さらに制御部１３は本発明の表示制御部として機能し、図３に示すように、ディスプレイ装置を備える表示部１４に信号波形Ｓ２をリアルタイムに表示させる。また表示制御部としての制御部１３は、上記の処理を通じて検出された吸気フローリミテーションの有無を示す指標を表示部１４に表示させる。具体的には、吸気フローリミテーションが発生していると判定された吸気を示す信号波形Ｓ２の上方にドット指標Ｄが表示される。したがって膨大な数の呼吸信号波形の中から吸気フローリミテーションが発生している波形を一見して特定することができ、観察者の主観に拠らない正確な診断が可能となる。

一方、制御部１３は本発明の第２判定部として機能し、過去の所定期間における信号波形Ｓ２の振幅の平均値に基づいて、周知の手法により被験者の無呼吸低呼吸状態を判定する。ここで過去の所定期間とは、例えば解析対象となる時刻から数分前の期間などとされることが望ましい。

さらに制御部１３は本発明の第３判定部として機能し、第１判定部として判定した吸気フローリミテーションの有無と、第２判定部として判定した無呼吸低呼吸状態の有無とに基づいて、当該無呼吸低呼吸状態の種類が閉塞性であるか中枢性であるかを判定する。具体的には、無呼吸または低呼吸状態にあると判定された信号波形Ｓ２において、またはその前後の一定呼吸周期内の信号波形Ｓ２において吸気フローリミテーションの発生が検出されていれば、閉塞性であると判定する。吸気フローリミテーションの発生は呼吸努力の存在を意味するためである。一方、無呼吸または低呼吸状態にあると判定された信号波形Ｓ２またはその前後の一定呼吸周期内の信号波形Ｓ２において吸気フローリミテーションの発生が検出されていなければ、呼吸努力のない中枢性であると判定する。

表示制御部としての制御部１３は、第２判定部として判定した無呼吸低呼吸状態の有無を示す指標を表示部１４に表示させる。図３に示す例においては、低呼吸状態と判定された時間帯を示すバー指標Ｂ１が表示されている。無呼吸状態と判定された時間帯については異なる色のバー指標が表示される。したがって膨大な数の呼吸信号波形の中から無呼吸低呼吸状態が発生している時間帯を一見して特定することができ、観察者の主観に拠らない正確な診断が可能となる。

表示制御部としての制御部１３は、第３判定部として判定した無呼吸低呼吸状態の種類を示す指標を表示部１４に表示させる。図３に示す例においては、低呼吸状態が判定されてかつ吸気フローリミテーションが発生している時間帯において閉塞性を示すバー指標Ｂ２が表示されている。

本実施形態においては、閉塞性の無呼吸低呼吸状態と判断された箇所にバー指標Ｂ２を表示する構成とされている。低呼吸状態が判定されてかつ吸気フローリミテーションが検出されていない時間帯において閉塞性を示すバー指標Ｂ２が表示されていないのはそのためである。

本実施形態においては、閉塞性の無呼吸低呼吸状態には上記バー指標Ｂ２が表示され、中枢性無呼吸低呼吸状態には上記バー指標Ｂ２は表示されない。したがって無呼吸低呼吸状態の種類を一見して特定することができ、観察者の主観に拠らない正確な診断が可能となる。

また上記の一連の処理を通じた診断は、被験者の呼吸圧を測定するのみで行なうことができる。多種多様のセンサを身体に装着する必要がないため、被験者が感じる煩わしさや負担を軽減することができる。特に本実施形態において被験者に装着されているのは、比較的軽量で小型の鼻カニューラのみであるため、睡眠の妨げを抑制することができる。

上記において説明した制御部１３の微分演算部、第１判定部、第２判定部、第３判定部、および表示制御部としての機能は、制御部１３を構成する回路素子等のハードウェアの動作、演算素子に格納されたプログラム等のソフトウェアの動作、あるいはこれらの組合せにより実現されうる。

上記の実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであって、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更・改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは明らかである。

制御部１３が本発明の第１判定部として機能する場合、必ずしも２次微分波形Ｓ３の振幅が負の値となる時間に基づいて吸気フローリミテーションの発生を判断することを要しない。２次微分波形Ｓ３の振幅が所定の閾値を下回る時間の、信号波形Ｓ２における被験者の呼気に対応する部分の継続時間に占める割合が所定値以上であるときに、吸気フローリミテーションが発生していると判定する構成としてもよい。例えば個人差等を考慮して閾値を設定することにより、判定精度を向上させることができる。また、幾つかの段階的な閾値に基づいて検出することにより、吸気フローリミテーションの強さの程度を判定することもできる。

圧力センサ２３は、必ずしもモニタ装置１０の本体の外部に設けられることを要しない。信号取得部１１の一部を構成するものとしてモニタ装置１０に内蔵される構成としてもよい。

被験者の呼吸状態に対応する信号波形を測定できるものであれば、圧力センサ２３に代えて呼吸流量センサや温度センサを用いてもよい。

信号取得部１１に入力される被験者の呼吸状態に対応する信号波形は、必ずしも被験者の呼吸圧の測定波形であることを要しない。被験者の呼吸流量の測定波形が信号取得部１１に直接入力される構成としてもよい。この場合、信号取得部１１における平方根補正処理は不要となる。

被験者の呼吸気を圧力センサ２３またはモニタ装置１０に導く器具は鼻カニューラ２１に限られない。これに加えてあるいは代えて、被験者の口を覆うマスクを用いてもよい。

表示部１４は、必ずしもモニタ装置１０の一部として設けられることを要しない。モニタ装置１０の外部に設置され、制御部１３と通信可能に接続されたディスプレイ装置を表示部１４として機能させる構成としてもよい。

吸気フローリミテーションの有無、無呼吸低呼吸状態の有無、無呼吸低呼吸状態の種類を示す指標の表示部１４における表示態様は、図３に示した例に限られるものではない。例えば吸気フローリミテーションの有無は、離散的なドット指標Ｄによる表示に加えてあるいは代えて、吸気フローリミテーションが頻発する時間帯を示すバー指標を表示してもよい。吸気フローリミテーションの有無、無呼吸低呼吸状態の有無、無呼吸低呼吸状態の種類を示す指標はその少なくとも１つが信号波形Ｓ２とともに表示される構成とすることができる。

１０：モニタ装置、１１：信号取得部、１３：制御部、１４：表示部、Ｂ１：低呼吸状態を示すバー指標、Ｂ２：閉塞性無呼吸低呼吸状態を示すバー指標、Ｄ：吸気フローリミテーションの発生を示すドット指標、Ｓ１：信号取得部１１により取得された信号波形、Ｓ２：高周波成分が除去された信号波形、Ｓ３：２次微分波形

Claims (7)

1. 被験者の呼吸流量に対応する信号波形を取得する信号取得部と、
   前記信号波形を２次微分した２次微分波形を取得する微分演算部と、
   前記信号波形の勾配に基づいて当該信号波形における被験者の吸気初期と吸気終期に対応する部分を特定し、当該信号波形における当該吸気初期と吸気終期に対応する部分を除く領域において前記２次微分波形の振幅が所定の閾値を下回る時間に基づいて、当該被験者に吸気フローリミテーションが発生していると判定する第１判定部とを備える、呼吸状態判定装置。
2. 前記第１判定部は、前記２次微分波形の振幅が負の値をとる時間に基づいて、当該被験者に吸気フローリミテーションが発生していると判定する、請求項１に記載の呼吸状態判定装置。
3. 過去の所定期間における前記信号波形の振幅の平均値に基づいて、被験者の無呼吸低呼吸状態を判定する第２判定部と、
   前記第１判定部が判定した前記吸気フローリミテーションの有無と、前記第２判定部が判定した前記無呼吸低呼吸状態とに基づいて、当該無呼吸低呼吸状態の種類が閉塞性であるか中枢性であるかを判定する第３判定部とをさらに備える、請求項１または２に記載の呼吸状態判定装置。
4. 前記信号波形を表示する表示部と、
   前記第１判定部が判定した前記吸気フローリミテーションの有無を示す指標と、前記第２判定部が判定した前記無呼吸低呼吸状態を示す指標と、前記第３判定部が判定した前記無呼吸低呼吸状態の種類を示す指標の少なくとも１つを、前記信号波形とともに前記表示部に表示する表示制御部とをさらに備える、請求項３に記載の呼吸状態判定装置。
5. 被験者の呼吸圧を測定する圧力センサをさらに備え、
   前記信号取得部は、前記圧力センサが出力する呼吸圧に基づいて前記信号波形を取得する、請求項１から４のいずれか一項に記載の呼吸状態判定装置。
6. 前記信号取得部は、前記測定波形を平方根補正して前記信号波形を取得する、請求項５に記載の呼吸状態判定装置。
7. 被験者に装着される鼻カニューラをさらに備え、
   前記信号取得部は、前記鼻カニューラを通じて導入される呼吸気に基づいて前記信号波形を取得する、請求項１から６のいずれか一項に記載の呼吸状態判定装置。

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