JP6410303B2 - 脈波測定装置、自律神経活動評価装置、コンピュータプログラム及び記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、脈波間隔の測定及び自律神経活動の評価に用いる脈波測定装置、自律神経活動評価装置、コンピュータプログラム及び記録媒体に関する。

自律神経系の活動を強く反映しているのは心拍リズムであることが知られており、なかでも心電図のＲ波間隔を利用して心拍一泊ごとの時間間隔（心拍間隔）のゆらぎをスペクトル解析する心拍変動解析は、心・血管系自律神経活動評価法として一般的である。近年は、心拍間隔の代替として脈波一拍ごとの時間間隔（脈波間隔）を利用し、これをスペクトル解析して自律神経活動の評価に用いることも行われている。

特許文献１及び２は、１Ｈｚ近傍の自律神経機能を反映する振動波形（特許文献１及び２において「心部揺動波（Aortic Pulse Wave（ＡＰＷ））」と称している）を、背部の体表面に生じる振動（体表脈波）として捉え、その時系列波形から周波数の時系列波形を求め、さらに、周波数傾きの時系列波形、周波数変動の時系列波形を求めてこれらを周波数解析して人の状態を判定する手段を開示している。背部の体表脈波（心部揺動波（ＡＰＷ））を非拘束で検出できるため、乗物用シートに適用することで、運転者の運転中の生体情報を得る手段として優れており、運転者の入眠予兆現象、切迫睡眠現象等を検出することも提案されている。

また、特許文献３では、生体信号検出センサが配設された三次元立体編物をビーズ発泡体に形成した孔部内に配置し、三次元立体編物の弦振動を利用すると共に、さらにビーズ発泡体を三次元立体編物の片面又は両面に積層してその膜振動も併用して生体信号を増幅させ、生体信号をより高感度で検出する生体信号測定装置が提案されている。特許文献３では、この生体信号測定装置を、人体を支持する寝具（ベッド、ふとんなど）、座席構造（乗物用シート、事務用椅子など）などに組み込むことによって、非拘束で生体信号を採取できることも開示されている。

ＷＯ２０１０／１２３１２５号公報 ＷＯ２０１１／００７８８６号公報 特開２０１１−１５２２４２号公報

体表脈波（心部揺動波（ＡＰＷ））は、自律神経機能を反映する生体信号であるが、体表脈波は脈拍成分だけでなく呼吸成分などの複数種類の生体情報を含んだ複合波である。そこで、自律神経活動の評価をより高精度で行うためには、生体信号検出装置により検出される複合波の中から脈波間隔をできるだけ正確に特定することが望ましい。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、生体信号測定装置によって採取された複数種類の生体情報の複合波である体表脈波から、脈波間隔をより高い精度で検出できる脈波測定装置を提供すると共に、この脈波測定装置により検出した精度の高い脈波間隔の情報を用いることで自律神経活動の評価をより正確に行うことができる自律神経活動評価装置を提供することを課題とする。また、本発明はコンピュータを上記の脈波測定装置又は自律神経活動評価装置として機能させるためのコンピュータプログラム及び記録媒体を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の脈波測定装置は、生体信号測定装置により測定される複数種類の生体情報の複合波である体表脈波の時系列波形から、脈拍成分を主体とする周波数帯域の時系列波形を基準波として抽出する基準波抽出手段と、前記体表脈波の時系列波形から、前記脈拍成分を主体とする周波数帯域とそれよりも高周波の周波数成分を含む、より広域の周波数帯域の時系列波形を強調波として抽出する強調波抽出手段と、前記基準波抽出手段により得られた基準波のピーク出現時間を含む所定の時間範囲内における、前記強調波抽出手段により得られた強調波のピーク出現時間を、脈拍成分の出現時間として特定し、特定された脈拍成分の出現時間の間隔を脈波間隔として求める脈波間隔演算手段とを有することを特徴とする。

前記体表脈波の時系列波形を微分して脈拍成分の変動を強調する微分手段と、前記微分手段により得られる微分波形を整流する整流手段とを備えた前処理手段を有し、前記前処理手段により処理された時系列波形を前記基準波抽出手段又は前記強調波抽出手段により処理させることが好ましい。
前記微分手段は、前記体表脈波の時系列波形に１階微分を施す手段であり、前記整流手段は、前記微分手段により得られる１階微分波形を半波整流する手段であることが好ましい。

前記基準波抽出手段において設定される前記脈拍成分を主体とする周波数帯域は、下限周波数が０．３〜０．８Ｈｚの範囲のいずれかの値で設定され、上限周波数が１〜２Ｈｚの範囲のいずれかの値で設定されていることが好ましい。
前記強調波抽出手段において設定される所定の周波数帯域が、上限周波数１５Ｈｚまでの範囲において、前記脈拍成分を主体とする周波数帯域及びそれよりも高周波の周波数成分を含む、より広域に設定されたものであることが好ましい。
前記強調波抽出手段は、前記上限周波数までの範囲において前記所定の周波数帯域を調整可能に設けられていることが好ましい。
前記生体信号測定装置により測定される体表脈波が、被験者の背部より採取された背部体表脈波であることが好ましい。

また、本発明の自律神経活動評価装置は、前記脈波測定装置と、前記脈波測定装置から得られる脈波間隔を用いて自律神経活動の評価を行う解析手段とを備えたことを特徴とする。
前記解析手段は、前記脈波間隔からＬＦ、ＨＦ，ＬＦ／ＨＦのパワースペクトル密度を求めて自律神経活動の評価を行う手段であることが好ましい。

本発明のコンピュータプログラムは、コンピュータに、生体信号測定装置により測定される複数種類の生体情報の複合波からなる体表脈波の時系列波形から、脈拍成分を主体とする周波数帯域の時系列波形を基準波として抽出する基準波抽出手順と、前記体表脈波の時系列波形から、前記脈拍成分を主体とする周波数帯域を含む、より広域の所定の周波数帯域の時系列波形を強調波として抽出する強調波抽出手順と、前記基準波抽出手順の実行により得られた基準波のピーク出現時間を含む所定の時間範囲内における、前記強調波抽出手段の実行により得られた強調波のピーク出現時間を、脈拍成分の出現時間として特定し、特定された脈拍成分の出現時間の間隔を脈波間隔として求める脈波間隔演算手順とを実行させることを特徴とする。
前処理手順として、前記体表脈波の時系列波形を微分して脈拍成分の変動を強調する微分手順と、前記微分手順の実行より得られる微分波形を整流する整流手順とを実行させ、前記前処理手順の実行により得られる時系列波形を用いて前記基準波抽出手順又は前記強調波抽出手順を実行させることが好ましい。
前記微分手順は、前記体表脈波の時系列波形に１階微分を施す手順であり、前記整流手順は、前記微分手順の実行により得られる１階微分波形を半波整流する手順であることが好ましい。
前記脈波間隔演算手順の実行により得られる脈波間隔を用いて自律神経活動の評価を行う解析手順をさらに実行させることが好ましい。

また、本発明のコンピュータ読み取り可能の記録媒体は、前記コンピュータプログラムを記録したことを特徴とする。

本発明は、生体信号測定装置により測定される体表脈波の時系列波形から、脈拍成分を主体とする周波数帯域の時系列波形を基準波として抽出する基準波抽出手段と、この基準波の抽出とは別途に、体表脈波の時系列波形から、脈拍成分を主体とする周波数帯域とそれよりも高周波の周波数成分を含む、より広域の周波数帯域の時系列波形を強調波として抽出する強調波抽出手段とを有している。基準波抽出手段により抽出される基準波は、脈拍成分を主体とする低周波の帯域幅でフィルタリングされたものであり、波形がなだらかになりそのピークが脈拍成分の出現時間と必ず一致するとは限らない。そのため、基準波のピーク間隔を求めてもそれが脈波間隔を正確に抽出したものとは言えない場合がある。しかしながら、本発明は、基準波の周波数帯域よりも高周波の周波数成分を含んだより広域の周波数帯域でフィルタリングした強調波を求める手段を併有し、基準波よりも尖鋭化した形で出現する強調波のピーク出現時間と基準波のピーク出現時間との両方を考慮して脈拍成分の出現時間を特定する。そのため、脈拍成分の出現時間から求められる脈波間隔の特定精度を高めることができ、かつ、脈波間隔の特定精度が向上するため、それを用いた自律神経活動評価の精度も高くなる。

図１は、本発明の一の実施形態において用いた生体信号測定装置の一例を示した斜視図である。 図２は、図１に示した生体信号測定装置の分解斜視図である。 図３は、図１に示した生体信号測定装置の要部断面図である。 図４は、本発明の一の実施形態に係る脈波測定装置及び自律神経活動評価装置の構成を模式的に示した図である。 図５（ａ）は、生体信号測定装置から得られた原波形（計測波形）の一例を示し、図５（ｂ）は、１階微分波形の一例を示し、図５（ｃ）は、半波整流波形の一例を示し、図５（ｄ）は、基準波の一例を示し、図５（ｅ）は、強調波の一例を示した図である。 図６は、本実施形態の脈波測定装置の脈波間隔演算手段によって脈波間隔を求める方法を説明するための図である。 図７（ａ）〜（ｊ）は、「強調波のバンドパスフィルタの帯域検証実験」における被験者Ａの体表脈波及びその処理波形を示した図である。 図８（ａ）〜（ｆ）は、図７の体表脈波及びその処理波形と心電図ＲＲ間隔及びその処理波形との関係を示した図である。 図９（ａ）〜（ｈ）は、図７の体表脈波及びその処理波形と心電図ＲＲ間隔及びその処理波形との相関係数及び二乗平均誤差を示した図である。 図１０（ａ）〜（ｇ）は、「短期睡眠時自律神経活動評価実験」において測定された脳波信号、脳波から算出したスペクトル信号、生体信号測定装置から計測された原波形、脈波測定装置により得られた脈波間隔の時系列波形、自律神経活動評価装置ら得られたＬＦ、ＨＦ及びＬＦ／ＨＦの各時系列波形を示した図である。 図１１（ａ）は、図１０（ｆ）のＨＦの時系列波形の正規化した平均値を示した図であり、図１１（ｂ）は、図１０（ｇ）のＬＦ／ＨＦの時系列波形の正規化した平均値を示した図である。

以下、図面に示した本発明の実施形態に基づき、本発明をさらに詳細に説明するが、まず、本発明の一の実施形態に係る脈波測定装置１００及び自律神経活動評価装置１００Ａの分析対象である体表脈波（本実施形態では、体幹の背部から採取される体表脈波）の検出に適する生体信号測定装置１の概略を図１〜図３に基づいて説明する。なお、脈波測定装置１００及び自律神経活動評価装置１００Ａの分析対象である体表脈波を採取する生体信号測定装置は図１〜図３に限定されるものではないことはもちろんであるが、図１〜図３に示したものによれば、寝具に付設することにより仰臥状態で非拘束で体表脈波を採取でき、寝たきりの人等からの生体情報の採取に適している。また、睡眠に関する分析の用途にも適している。さらに、座席構造の背部に付設することにより着座しただけで生体情報を得ることができるため、リラックスした状態での生体情報を得ることができると共に、運転などの着座姿勢での作業中の生体情報を得ることができる点でも好ましい。

具体的には、本実施形態で用いた生体信号測定装置１は、図２及び図３に示したように、コアパッド１１、スペーサパッド１２、センサ１３、フロントフィルム１４、リアフィルム１５を有して構成される。

コアパッド１１は、例えば板状に成形され、脊柱に対応する部位を挟んで対称位置に、縦長の貫通孔１１ａ，１１ａが２つ形成されている。コアパッド１１は、板状に形成されたポリプロピレンのビーズ発泡体から構成することが好ましい。コアパッド１１をビーズ発泡体から構成する場合、発泡倍率は２５〜５０倍の範囲で、厚さがビーズの平均直径以下に形成されていることが好ましい。例えば、３０倍発泡のビーズの平均直径が４〜６ｍｍ程度の場合では、コアパッド１１の厚さは３〜５ｍｍ程度にスライスカットする。

スペーサパッド１２は、コアパッド１１の貫通孔１１ａ，１１ａ内に装填される。スペーサパッド１２は、三次元立体編物から形成することが好ましい。三次元立体編物は、例えば、特開２００２−３３１６０３号公報、特開２００３−１８２４２７号公報等に開示されているように、互いに離間して配置された一対のグランド編地と、該一対のグランド編地間を往復して両者を結合する多数の連結糸とを有する立体的な三次元構造となった編地である。三次元立体編物が人の背によって押圧されることにより、三次元立体編物の連結糸が圧縮され、連結糸に張力が生じ、生体信号に伴う人の筋肉を介した体表面の振動が伝播される。また、コアパッド１１よりも、三次元立体編物からなるスペーサパッド１２の方が厚いものを用いることが好ましい。これにより、フロントフィルム１４及びリアフィルム１５の周縁部を貫通孔１１ａ，１１ａの周縁部に貼着すると、三次元立体編物からなるスペーサパッド１２が厚み方向に押圧されるため、フロントフィルム１４及びリアフィルム１５の反力による張力が発生し、該フロントフィルム１４及びリアフィルム１５に固体振動（膜振動）が生じやすくなる。一方、三次元立体編物からなるスペーサパッド１２にも予備圧縮が生じ、三次元立体編物の厚み方向の形態を保持する連結糸にも反力による張力が生じて弦振動が生じやすくなる。

センサ１３は、上記したフロントフィルム１４及びリアフィルム１５を積層する前に、いずれか一方のスペーサパッド１２に固着して配設される。スペーサパッド１２を構成する三次元立体編物は上記したように一対のグランド編地と連結糸とから構成されるが、各連結糸の弦振動がグランド編地との節点を介してフロントフィルム１４及びリアフィルム１５に伝達されるため、センサ１３はスペーサパッド１２の表面（グランド編地の表面）に固着することが好ましい。センサ１３としては、マイクロフォンセンサ、中でも、コンデンサ型マイクロフォンセンサを用いることが好ましい。

次に、本実施形態の脈波測定装置１００及び自律神経活動評価装置１００Ａの構成について図４に基づいて説明する。脈波測定装置１００は、基準波抽出手段１１０、強調波抽出手段１２０及び脈波間隔演算手段１３０を有している。自律神経活動評価装置１００Ａは、脈波測定装置１００を構成する基準波抽出手段１１０、強調波抽出手段１２０及び脈波間隔演算手段１３０に加えて、自律神経活動の評価を行う解析手段１４０を有している。脈波測定装置１００及び自律神経活動評価装置１００Ａはいずれもコンピュータから構成され、コンピュータにインストールされるコンピュータプログラムによって脈波測定装置１００として機能し、あるいは、自律神経活動評価装置１００Ａとして機能する。脈波測定装置１００及び自律神経活動評価装置１００Ａは物理的に一つのコンピュータで構成してもよいし、それぞれ別途のコンピュータから専用の装置として構成してもよい。なお、コンピュータとしては、デスクトップ型やノート型のＰＣのほか、タブレットやスマートフォンなどの携帯型端末あるいはウェアラブル端末などいずれのタイプであってもよいことはもちろんである。

また、コンピュータプログラムは、コンピュータに基準波抽出手順、強調波抽出手順及び脈波間隔演算手順を実行させることで、コンピュータを上記の基準波抽出手段１１０、強調波抽出手段１２０及び脈波間隔演算手段１３０として機能させ、脈波測定装置１００としての機能を実現させ、さらに、解析手順を実行させることで上記の解析手段１４０として機能させ、自律神経活動評価装置１００Ａとしての機能を実現させる。なお、コンピュータプログラムは、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ（光磁気ディスク）、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体へ記憶させて提供することもできるし、通信回線を通じて伝送することも可能である。

基準波抽出手段１１０は、生体信号測定装置１により測定される上記の体表脈波の時系列波形から、脈拍成分を主体とする周波数帯域の時系列波形を基準波として抽出する（図５（ｄ）参照）。体表脈波、本実施形態では背部から検出される体表脈波には、脈拍成分のほか、呼吸成分、体動成分などの複数種類の生体情報を含んでいる。本実施形態の脈波測定装置１００は、心電図の各Ｒ波間の時間（ＲＲ間隔）に相当する脈波間隔を測定するものであるため、脈波間隔を直接的に抽出すべく、脈拍成分を多く含む周波数帯域の時系列波形を抽出し、これを基準となる波形（基準波）としたものである。

脈拍成分を主体とする周波数帯域としては、下限周波数を０．３〜０．８Ｈｚの範囲のいずれかの値で設定し、上限周波数を１〜２Ｈｚの範囲のいずれかの値で設定することが好ましい。安静状態の人の脈拍数は個人差がありまた年齢等によっても異なるが、１分間で６０回前後が標準的であるとされているため、０．５〜１．５Ｈｚの周波数帯域を有するバンドパスフィルタで抽出することが好ましい。

強調波抽出手段１２０は、生体信号測定装置１により測定される体表脈波の時系列波形から、上記の基準波抽出手段１１０とは別途に、脈拍成分を主体とする周波数帯域（上記の例では０．５〜１．５Ｈｚ）とそれよりも高周波の周波数成分を含む、より広域の周波数帯域の時系列波形を抽出し、この時系列波形を、脈拍の生じたタイミングを強調する波形（強調波）として用いる（図５（ｅ）参照）。基準波抽出手段１１０により抽出した基準波は、脈拍成分を主体とする周波数帯域（上記の例では０．５〜１．５Ｈｚ）を直接的にターゲットとしたものであり、低周波の狭い周波数帯域であるため、波形がなだらかな近似的な曲線として出力され、波形がなまる傾向にある（図５（ｄ）及び図６参照）。基準波が、脈拍成分を主体とした周波数帯域を抜き出した波形であったとしても、ピーク付近がなだらかな近似的な曲線となってしまうため、その中のピークが、真の脈拍成分の出現時間と必ずしも一致しているとは限らない。これに対し、脈拍成分を主体とする周波数帯域（上記の例では０．５〜１．５Ｈｚ）よりも高周波の周波数成分を含んだより広域の周波数帯域によってフィルタリングした強調波は、脈拍成分以外の生体情報も含むが、基準波と比較して、各生体情報に対応する波形が尖鋭化して出現する（図５（ｅ）及び図６参照）。但し、複数の生体情報を含んでいるため、逆にいずれのピークが脈拍成分であるか判別し難い場合がある。

そこで、本実施形態では、生体信号測定装置１により測定される体表脈波の時系列波形から、上記のようにそれぞれ別途に、基準波抽出手段１１０によって上記の基準波を抽出し、強調波抽出手段１２０によって上記の強調波を抽出して、脈波間隔演算手段１３０によって両者を突き合わせることで、より正確な脈拍成分の出現時間を特定するものである（図６参照）。ここで、強調波抽出手段１２０において設定する周波数帯域は、上限周波数１５Ｈｚまでの範囲において、上記の脈拍成分を主体とする周波数帯域（上記の例では０．５〜１．５Ｈｚ）及びそれよりも高周波の周波数成分を含む、より広域に設定されたものとすることが好ましい。上限周波数１５Ｈｚを超える場合には、ノイズの含有率が高くなる。そこで、例えば０．５〜３Ｈｚ、０．５〜６Ｈｚ、０．５〜９Ｈｚ、０．５〜１２Ｈｚ、０．５〜１５Ｈｚといった範囲のバンドパスフィルタで強調波を抽出することが好ましい。この強調波の好ましい周波数帯域は、年齢、性別等により感度の違いがあるため、脈波測定装置１００において個人毎に調整可能な設定項目として設けることも可能である。

脈波間隔演算手段１３０は、脈拍成分の出現時間を特定し、脈波間隔を求める。図６を参照すると、まず、基準波抽出手段１１０により得られた基準波のピーク（基準波ピーク）を特定する。次に、特定した基準波ピークの出現時間を含む所定の時間範囲内において、強調波抽出手段１２０により得られた強調波のピーク（強調波ピーク）の出現時間を照らし合わせる。そして、基準波ピークを含む所定の時間範囲内に存在する強調波ピークの出現時間を、脈拍成分の出現時間として特定する。さらに、特定された各脈拍成分の出現時間同士の間隔を脈波間隔として求める。ここで、基準波ピークの出現時間を含む所定の時間範囲は広すぎると、その範囲に含まれる強調波ピークの数が多くなりすぎ特定し難くなるため、基準波ピークを中心とした前後数十ｍｓ（例えば１０ｍｓ）で設定することが好ましい。個人毎にその範囲を設定可能な構成とすることも可能である。また、基準波ピークを中心とした所定の時間範囲内に相当する強調波ピークが複数存在する場合には、その範囲内で最も振幅が高いものを脈拍成分として選択することが好ましい。

ここで、上記した基準波抽出手段１１０及び強調波抽出手段１２０で処理される体表脈波の時系列波形は、生体信号測定装置１から検出した後、コンピュータプログラムによって前処理手順を実行させることにより前処理手段１５０を施したものであることが好ましい。本実施形態の前処理手段１５０は、微分手順の実行による微分手段１５１、整流手順の実行による整流手段１５２を施すものである。微分手段１５１は、生体信号測定装置１から得られた体表脈波の時系列波形（図５（ａ）の計測波形）を微分して脈拍成分の変動を強調する手段であり、好ましくは１階微分が用いられ、図５（ａ）の計測波形を１階微分した波形が図５（ｂ）に示した波形である。整流手段１５２は、微分手段１５１により得られた微分波形を整流するもので、好ましくは半波整流による整流手段が用いられる。図５（ｃ）が図５（ｂ）の１階微分波形を半波整流した波形である。１階微分波形を半波整流することにより、微分波形の負成分に現れる脈拍の反動成分などの影響を除去できる。

解析手段１４０は、脈波間隔演算手段１３０により得られた心電図のＲＲ間隔に相当する脈波間隔を用いて自律神経活動の評価を行う。解析手段１４０は、脈波間隔を用いて例えば最大エントロピー法によりスペクトル解析するものであり、典型的には、ＬＦ（０．０４〜０．１５Ｈｚ）、ＨＦ（０．１５〜０．４０Ｈｚ）、ＬＦ／ＨＦのパワースペクトル密度を求めてこれらを自律神経活動の指標として出力する手段とすることができる。ＬＦが交感神経及び副交感神経活動を、ＨＦが副交感神経活動を、ＬＦ／ＨＦが交感神経活動を反映するからである。

本実施形態によれば、生体信号測定装置１から得られる図５（ａ）に示した体表脈波（計測波形）、好ましくは、微分手段１５１及び整流手段１５２を含む前処理手段１５０によって図５（ｂ）の１階微分波形、図５（ｃ）の半波整流波形となるように前処理した時系列波形を、基準波抽出手段１１０及び強調波抽出手段１２０によって処理し、図５（ｄ）に示した基準波及び図５（ｅ）に示した強調波を求める。そして、図６に示したように、脈波間隔演算手段１３０によって、基準波ピークと強調波ピークを求め、さらに両者の一致する時間を特定し、それを脈拍成分の出現時間として特定する。脈拍成分を主体とする周波数帯域でフィルタリングして求められる基準波のみからでは正確な脈拍成分の出現時間を判定し難いが、本実施形態によれば、強調波を組み合わせることで脈拍成分の出現時間の特定精度、すなわち脈波測定装置１００の出力結果である脈波間隔の精度が向上する。脈波間隔の演算精度が高まるため、解析手段１４０による自律神経活動の評価指標の精度、すなわち自律神経活動評価装置１００Ａの出力結果である評価指標の精度も向上する。

以下、強調波を求めるための好ましい周波数帯域に関して行った実験と自律神経活動評価を行った実験について説明する。

１．実験条件
（１）強調波のバンドパスフィルタの帯域検証実験
強調波抽出手段１２０においてバンドパスフィルタを設定して抽出する周波数帯域（バンド幅）の適切な帯域を検証する実験を行った。実験は、被験者として健常男性７名（年齢標準偏差：２３．０±０．８歳）を対象に行った。精度検証のため、生体情報モニタ（BP-608 Evolution II CS，OMRON COLIN Co．）を用いて胸部３点誘導法で心電図を同時計測した。計測信号はサンプリング周波数１ｋＨｚでＡＤ変換器（CSI−3601169，Interface）を介してＰＣに保存した。適切なバンドパスフィルタ帯域を検証するため、強調波の帯域制限条件を０．５〜３Ｈｚ、０．５〜６Ｈｚ、０．５〜９Ｈｚ、０．５〜１２Ｈｚ、０．５〜１５Ｈｚの５条件で行い、それぞれの波形から脈波間隔を抽出した。各条件で抽出された脈波間隔及び各脈波間隔から求めた自律神経活動変化と、心電図ＲＲ間隔及び心電図ＲＲ間隔から求めた自律神経活動変化との相関係数、２乗平均誤差を算出して比較した。なお、統計処理はＴｕｋｅｙ法による多重比較を行い、有意水準は５％とした。

（２）短期睡眠時自律神経活動評価実験
被験者をマットレス上に仰臥位姿勢として睡眠実験を行った。一般的に、脳波の特徴により睡眠は６段階に分類できることが報告されており、睡眠導入から時間の経過とともにノンレム睡眠とレム睡眠が交互に起こり、ノンレム睡眠時には睡眠段階がＳｔａｇｅ１からＳｔａｇｅ４ へ変化する。ノンレム睡眠からレム睡眠を介し再びノンレム睡眠に回帰するまでのサイクルが２回以内においては、ノンレム睡眠時の睡眠強度が深まるごとに副交感神経が亢進し交感神経が抑制されることが知られている。そこで、睡眠第１周期のＳｔａｇｅＷからＳｔａｇｅ２までの睡眠段階向上に伴う自律神経活動変化の評価を行なった。本実験では被験者に図１〜図３に示した生体信号測定装置１を埋設したマットレス上に仰臥位で寝かせ、被験者の背部から体表脈波を計測した。本実験において、自律神経活動評価装置１００Ａを構成する解析手段１４０としては、最大エントロピー法による心拍変動解析ソフト（MemCalc／Win，GMS Co．）を用いた。変動解析条件は窓幅２５秒、オーバーラップ２４秒とし、１秒ごとに自律神経活動変化を算出し窓終了時間にて評価した。被験者は健常な男性４名（年齢標準偏差：２０．５±１．８歳）であった。睡眠状態の判定のため、多チャネルテレメータ（WEB−7000，Nihon Kohden）を用いて国際１０−２０電極配置法に基づくＦｐ_１から脳波の同時計測を行なった。計測信号はサンプリング周波数１ｋＨｚでＡＤ変換器（TNS-6851B, Interface）を介してＰＣに保存した。

睡眠段階の判定は計測した脳波から３０秒の判定区間ごとに脳波の特徴を確認し、ＳｔａｇｅＷからＳｔａｇｅ２までの睡眠段階推移を評価した。睡眠段階の向上に伴う自律神経系の活動変化を評価するため、ＨＦ及びＬＦ／ＨＦの各睡眠段階の平均値をＳｔａｇｅＷ時の平均値で正規化して比較した。統計処理はＴｕｋｅｙ法による多重比較を行い、有意水準は５％とした。

２．実験結果・考察
（１）強調波のバンドパスフィルタの帯域検証実験
図７（ａ）〜（ｊ）は、生体信号測定装置１によって計測された体表脈波及びその処理波形であり、７名の被験者のうちの一人（被験者Ａ）のデータである。このうち、図７（ｄ）が基準波であり、図７（ｆ）〜（ｊ）は、それぞれ、生体信号測定装置１からの原波形（図７（ａ））を１階微分して１階微分波形とした後（図７（ｂ））、さらに半波整流波（図７（ｃ））とし、その半波整流波に対して、０．５〜３Ｈｚ、０．５〜６Ｈｚ、０．５〜９Ｈｚ、０．５〜１２Ｈｚ、０．５〜１５Ｈｚの各周波数帯域でバンドパスフィルタをかけて求めた強調波の時系列波形である。

そして、図７（ｆ）〜（ｊ）のそれぞれについて、基準波（図７（ｄ））のピーク出現時間を基準として、その前後１０ｍｓの時間範囲内におけるピークを突き合わせ、上記したように脈波間隔演算手段１３０によって脈拍成分の出現時間を特定し、それから求られる隣接するピーク間の時間に相当する脈波間隔を求めた。

図８（ａ）は心電図ＲＲ間隔から求めたＬＦ、ＨＦ、ＬＦ／ＨＦの時系列変化であり、図８（ｂ）〜（ｆ）は、強調波のバンドパスフィルタを０．５〜３Ｈｚ（図８（ｂ））、０．５〜６Ｈｚ（図８（ｃ））、０．５〜９Ｈｚ（図８（ｄ））、０．５〜１２Ｈｚ（図８（ｅ））、０．５〜１５Ｈｚ（図８（ｆ））として求めたＬＦ、ＨＦ、ＬＦ／ＨＦの時系列変化である。これらを比較すると強調波のバンドパスフィルタの周波数帯域がいずれの場合であっても、心電図ＲＲ間隔から求めた時系列変化とほぼ同様の傾向を示している。

図９（ａ），（ｂ）は、心電図ＲＲ間隔と、上記の５種のバンドパスフィルタで帯域制限をそれぞれ適用して本実施形態の脈波測定装置１００の脈波間隔演算手段１３０により得られる脈波間隔との相関係数（図９（ａ））と二乗平均（図９（ｂ））を示し、図９（ｃ），（ｄ）は、心電図ＲＲ間隔から求めたＬＦと、上記の５種のバンドパスフィルタで帯域制限をそれぞれ適用して得られた上記脈波間隔演算手段１３０の脈波間隔を用いて本実施形態の自律神経活動評価装置１００Ａから求めたＬＦの値との相関係数（図９（ｃ））と二乗平均（図９（ｄ））を示し、図９（ｅ），（ｆ）は、心電図ＲＲ間隔から求めたＨＦと、上記の５種のバンドパスフィルタで帯域制限をそれぞれ適用して得られた上記脈波間隔演算手段１３０の脈波間隔を用いて本実施形態の自律神経活動評価装置１００Ａから求めたＨＦの値との相関係数（図９（ｅ））と二乗平均（図９（ｆ））を示し、図９（ｇ），（ｈ）は、心電図ＲＲ間隔から求めたＬＦ／ＨＦと、上記の５種のバンドパスフィルタで帯域制限をそれぞれ適用して得られた上記脈波間隔演算手段１３０の脈波間隔を用いて本実施形態の自律神経活動評価装置１００Ａから求めたＬＦ／ＨＦの値との相関係数（図９（ｇ））と二乗平均（図９（ｈ））を示した図である。

図９から、上記の５種のバンドパスフィルタを適用した各脈波間隔、各ＬＦ、各ＨＦ及び各ＬＦ／ＨＦのうち、いずれか１つのバンドパスフィルタを施したものが、他の４種のバンドパスフィルタを施したもの全てに対して有意な差を示すものはなかった。但し、図９（ｃ）のＬＦ及び図９（ｇ）のＬＦ／ＨＦの相関係数に注目すると、０．５〜９Ｈｚと０．５〜３Ｈｚとの間に有意な差を確認でき（すべての相関係数：ｐ＜０．０５）、二乗平均誤差では図９（ｂ）の脈波間隔及び図９（ｆ）のＨＦにおいて０．５〜９Ｈｚと０．５〜３Ｈｚとの間に有意な差を確認できた（脈波間隔：ｐ＜０．０１、ＨＦ：ｐ＜０．０５）。

表１にバンドパスフィルタの周波数帯域を０．５〜９Ｈｚで設定して本実施形態の脈波測定装置１００により求めた脈波間隔及び自律神経活動評価装置１００Ａから得られたＬＦ、ＨＦ及びＬＦ／ＨＦと、心電図ＲＲ間隔及び心電図ＲＲ間隔から求めたＬＦ、ＨＦ及びＬＦ／ＨＦとの全被験者の相関係数を示す。

表１より、全ての指標において全被験者で０．９以上の相関を確認した。このことから、上記実験例で設定した５種のバンドパスフィルタの中では、０．５〜９Ｈｚが強調波抽出手段１２０で用いる周波数帯域として最も汎用性が高いと言える。但し、被験者によって脈波の周期が異なることから、被験者の条件（年齢、性別など）を考慮して、上記のように、個人毎に強調波抽出手段１２０で用いる周波数帯域を設定可能とすることが好ましい。

以上より、本実施形態の脈波測定装置１００により得られる脈波間隔は、心電ＲＲ間隔と同等の生体情報として抽出でき、それを用いた自律神経活動評価装置１００Ａの出力も、心電ＲＲ間隔を用いた自律神経活動の評価結果と同等のものとして扱うことができる。

（２）短期睡眠時自律神経活動評価実験
図１０は、被験者Ａから計測された脳波信号（図１０（ａ））、脳波から算出したスペクトル信号（図１０（ｂ））、生体信号測定装置１から計測された原波形（図１０（ｃ））、本実施形態の脈波測定装置１００により得られた脈波間隔の時系列波形（図１０（ｄ））、本実施形態の自律神経活動評価装置１００Ａから得られたＬＦの時系列波形（図１０（ｅ））、ＨＦの時系列波形（図１０（ｆ））及びＬＦ／ＨＦの時系列波形（図１０（ｇ））を示す。図１０（ｃ）〜（ｇ）に示した斜線を付した範囲のうち、約２７０秒から約５８０秒までの間が睡眠段階のＳｔａｇｅ１であり、約５８０秒以降が睡眠段階のＳｔａｇｅ２である。図１０（ｂ）より、脳波は、０秒から減衰し６９０秒からは１２〜１４Ｈｚのパワースペクトルが高くなっている。これは、睡眠段階のＳｔａｇｅＷ、Ｓｔａｇｅ１、Ｓｔａｇｅ２で観察されるα波や紡錘波の典型的な特徴であり、このことから、被験者Ａの睡眠深度が時間と共に徐々に深くなっていることが確認される。そして、睡眠段階の向上に伴い、図１０（ｆ）に示した副交感神経活動を反映するＨＦが増加傾向を示している。

図１１は、各睡眠段階でのＨＦ及びＬＦ／ＨＦの正規化した平均値を示す。図１１（ａ）より、正規化したＨＦはＳｔａｇｅ２と他の睡眠段階との間で有意な差を示した（いずれもｐ＜０．０１）。図１１（ｂ）のＬＦ／ＨＦは各睡眠段階の間に有意な差は確認できなかった。これは、被験者Ａが、十分な安静時間をとり実験を開始したため、交感神経活動に関しては、覚醒時と睡眠時で顕著な差が見られなかったものと推定される。

一方、脳波、生体信号測定装置１によって検出された体表脈波、脈波測定装置１００により得られた脈波間隔の各波形にはスパイクが確認された。これは実験時における被験者Ａの体動によるものである。なお、ＬＦ、ＨＦ、ＬＦ／ＨＦの各波形では、スパイクの影響を除外する外れ値除去処理を行っているため、一部に計算結果が出力されていない。ＬＦ／ＨＦに関しては、上記のように各睡眠段階の間に有意な差が見られないものの、図１０（ｇ）を見ると、Ｓｔａｇｅ１の方がＳｔａｇｅ２よりも振幅が大きい傾向にあり、Ｓｔａｇｅ２の方が振幅が小さくて安定している傾向にある。これはＳｔａｇｅ１において、体動により一時的に交感神経が亢進したためと考えられる。

これらのことから、本実施形態の自律神経活動評価装置１００Ａから得られるＨＦ、ＬＦ／ＨＦの時系列波形を用いることで、自律神経活動の評価、睡眠状態の評価を行うことが可能であることがわかる。

本発明は、ベッドなどの寝具に生体信号測定装置１を付設して体表脈波を測定することで、寝たきり状態の人であっても非接触で容易に脈波間隔の測定、自律神経活動の評価を行うことができる。また、生体信号測定装置１を椅子に設置して、簡易的な健康状態のスクリーニング装置として用いることもできる。また、自動車などの乗物用シートに生体信号測定装置１を付設することで、運転者その他の乗員の乗車中の体調状態を分析する装置として利用することも可能である。

１ 生体信号測定装置
１００ 脈波測定装置
１００Ａ 自律神経活動評価装置
１１０ 基準波抽出手段
１２０ 強調波抽出手段
１３０ 脈波間隔演算手段
１４０ 解析手段
１５０ 前処理手段
１５１ 微分手段
１５２ 整流手段

Claims (12)

1. 生体信号測定装置により測定される複数種類の生体情報の複合波である体表脈波の時系列波形から、脈拍成分を主体とする周波数帯域の時系列波形を基準波として抽出する基準波抽出手段と、
   前記体表脈波の時系列波形から、前記脈拍成分を主体とする周波数帯域とそれよりも高周波の周波数成分を含む、より広域の周波数帯域の時系列波形を強調波として抽出する強調波抽出手段と、
   前記基準波抽出手段により得られた基準波のピーク出現時間を含む所定の時間範囲内における、前記強調波抽出手段により得られた強調波のピーク出現時間を、脈拍成分の出現時間として特定し、特定された脈拍成分の出現時間の間隔を脈波間隔として求める脈波間隔演算手段と
   を有する脈波測定装置であって、
   さらに、前記体表脈波の時系列波形を微分して脈拍成分の変動を強調する微分手段と、前記微分手段により得られる微分波形を整流する整流手段とを備えた前処理手段を有し、
   前記基準波抽出手段又は前記強調波抽出手段は、前記前処理手段により処理された前記体表脈波の時系列波形を処理することを特徴とする脈波測定装置。
2. 前記微分手段は、前記体表脈波の時系列波形に１階微分を施す手段であり、前記整流手段は、前記微分手段により得られる１階微分波形を半波整流する手段である請求項１記載の脈波測定装置。
3. 前記基準波抽出手段において設定される前記脈拍成分を主体とする周波数帯域は、下限周波数が０．３〜０．８Ｈｚの範囲のいずれかの値で設定され、上限周波数が１〜２Ｈｚの範囲のいずれかの値で設定されている請求項１又は２記載の脈波測定装置。
4. 前記強調波抽出手段において設定される所定の周波数帯域が、上限周波数１５Ｈｚまでの範囲において、前記脈拍成分を主体とする周波数帯域及びそれよりも高周波の周波数成分を含む、より広域に設定されたものである請求項３記載の脈波測定装置。
5. 前記強調波抽出手段は、前記上限周波数までの範囲において前記所定の周波数帯域を調整可能に設けられている請求項４記載の脈波測定装置。
6. 前記生体信号測定装置により測定される体表脈波が、被験者の背部より採取された背部体表脈波である請求項１〜５のいずれか１に記載の脈波測定装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１に記載の脈波測定装置と、
   前記脈波測定装置から得られる脈波間隔を用いて自律神経活動の評価を行う解析手段と
   を備えたことを特徴とする自律神経活動評価装置。
8. 前記解析手段は、前記脈波間隔からＬＦ、ＨＦ，ＬＦ／ＨＦのパワースペクトル密度を求めて自律神経活動の評価を行う手段である請求項７記載の自律神経活動評価装置。
9. コンピュータに、
   生体信号測定装置により測定される複数種類の生体情報の複合波からなる体表脈波の時系列波形から、脈拍成分を主体とする周波数帯域の時系列波形を基準波として抽出する基準波抽出手順と、
   前記体表脈波の時系列波形から、前記脈拍成分を主体とする周波数帯域を含む、より広域の所定の周波数帯域の時系列波形を強調波として抽出する強調波抽出手順と、
   前記基準波抽出手順の実行により得られた基準波のピーク出現時間を含む所定の時間範囲内における、前記強調波抽出手段の実行により得られた強調波のピーク出現時間を、脈拍成分の出現時間として特定し、特定された脈拍成分の出現時間の間隔を脈波間隔として求める脈波間隔演算手順と
   を実行させるコンピュータプログラムであって、
   前処理手順として、前記体表脈波の時系列波形を微分して脈拍成分の変動を強調する微分手順と、前記微分手順の実行より得られる微分波形を整流する整流手順とを実行させ、前記前処理手順の実行により得られる時系列波形を用いて前記基準波抽出手順又は前記強調波抽出手順を実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
10. 前記微分手順は、前記体表脈波の時系列波形に１階微分を施す手順であり、前記整流手順は、前記微分手順の実行により得られる１階微分波形を半波整流する手順である請求項９記載のコンピュータプログラム。
11. 前記脈波間隔演算手順の実行により得られる脈波間隔を用いて自律神経活動の評価を行う解析手順をさらに実行させる請求項９又は１０記載のコンピュータプログラム。
12. 請求項９〜１１のいずれか１に記載のコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。