JP2003190110A - 心音図に基づく自律神経系機能インジケータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価で使用が容易な自律神経系の状態評価手
段を提供すること。 【解決手段】心拍数の変化（ＨＲＶ）を計測する方法と
装置に関する発明である。心音記録をコンピュータ処理
し、これを解析してＨＲＶを特徴付ける種々の成分を得
る。患者に取付け容易なマイクロフォンや聴診に用いら
れる聴音装置により容易に収集できる心音信号に基づい
てＨＲＶ変化を測定するために、迅速な診断と情報伝達
を行うことができる。生じる可能性のある診断結果が軽
減され、従って患者の存命率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自律神経系統をモニタ
リングする方法と装置に関し、特に心音記録（心音図）
に基づいて心拍数の変化（ＨＲＶ）を測定する方法と装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術とその課題】自律神経系統（ＡＮＳ）は各
器官の機能ならびに心脈拍、消化吸収、呼吸および血流
等の生体恒常性を制御しており、多くの場合随意にこれ
らを制御していない。このような不随意動作は自律神経
系統の二つの部分、すなわち−交感神経部と副交感神経
部の相反作用によって制御されている。多くの器官は通
常の環境においてはこれら両部門からの刺激を受けて適
正な器官機能を果たし生命の要求に適合している。自律
神経系の均衡が崩れると、例えば冠状動脈性心疾患、高
血圧症、消化不全、さらには突然死等の問題を生じる。

【０００３】自律神経系の状態評価には幾多の技法が開
発され好結果を示している。この中には深呼吸に伴う心
拍数変化、Ｖａｌｓａｖａ試験に対する応答、発汗運動
機能、起立性血圧記録、冷圧試験および生化学試験等が
含まれる。しかしながらこれらの技法は殆ど侵襲的であ
り、高価な診断機器を用いるものである。従ってこれら
の技法は一般に適用するのには適していない。

【０００４】心拍の変調パターンは自律神経系の変調と
密接に関連するものと信じられている。心拍変調（ＨＲ
Ｖ）は自律神経系の機能指標として開発されてきた。Ｈ
ＲＶは心拍における鼓動間隔の変化に関連している。各
々の前胸部呼吸と共に心臓が加速又は減速するため、Ｈ
ＲＶは鼓動時間間隔の変化を測るメジャーとなる。種々
の自律神経系評価技法の中で、ＨＲＶはこれが非侵襲性
であるため一つの重要で、画期的な開発であり、さらに
この技法に用いる機器は安価であるため、広範に応用で
きる。更に、動物ならびに臨床上の研究によるとＨＲＶ
は交感神経と副交感神経の動作とバランスとを正確に反
映している。

【０００５】安息状態の成人では毎分約７０回の心拍鼓
動がある。このリズミカルな鼓動は心筋層細胞、結節細
胞および伝導細胞を含む心筋細胞間の電気的な事象の結
合によって生じる。心臓は自律神経系統の交感神経部と
副交感神経部の双方から刺激を受け、それらは正常の状
態で適宜の機能を果たすべく共同動作している。しかし
ながら、身体にストレスがかかると交感神経系が支配的
となり心拍数と血圧の上昇を招く。緊急事態が通り過ぎ
ると副交感神経系が支配して心拍数を低下させる。心拍
数は頻繁且つ詳細な神経系制御によって維持され、複雑
な動的フィードバックが行われている。従って健康な個
体の心拍数は１０秒ごとあるいは３秒ごとに発生する周
期的変動がごく僅かである。

【０００６】最近の電気工学における進歩により、心電
図（ＥＣＧ）から得られるデータの数学的な処理に基づ
く周波数領域の解析によって心拍数の変化を評価するこ
とが可能となった。図１は心柏数変化の評価における従
来の手法を例示するフローダイアグラムである。図１に
示すように、まず被検者から心電図（ＥＣＧ）を撮る。
ＥＣＧ信号はその後増幅され、濾過され、デジタル化さ
れる。そしてＨＲＶ解析用コンピュータプログラムを用
いてＥＣＧ信号を処理する。コンピュータはまず全ての
デジタルＥＣＧ信号のピークを検出し、２個のピークの
間隔を予想する。周波数領域の計測値を高速フーリエ変
換（ＦＦＴ）の非変数法を用いて更に計量する。

【０００７】研究者等は周波数解析に基づいてＨＲＶを
高周波数（ＨＦ）成分と低周波数（ＬＦ）成分の二つの
主な成分に特徴づけすることができることを見出した。
高周波数成分は呼吸洞性不整脈と均等であり、心拍数に
関する迷走神経性の制御の影響を表すものと考えられて
いる。低周波数成分の正確な起源は不明であるが、血管
の作用或は圧力反射（ｂａｒｏｒｅｆｌｅｘ）に関係す
るものと考えられている。更にある研究者等はこの低周
波数成分を低周波数成分と極めて低い周波数成分とに分
割している。

【０００８】ＨＲＶが臨床上有効で多くの生理学的な機
能反映に有意義なことは十分に報告されている。多くの
研究者は、高周波数成分または全出力（ＴＰ）が心拍数
の副自律神経系による制御を表すものであり、ＬＦ／Ｈ
Ｆ比は自律迷走神経系の均衡あるいは自律神経系変調を
反映するものと考えている。低ＨＲＶ値は頭蓋内圧増加
の指標とみなされ、老化に関連するものである。糖尿性
神経障害ではＨＦ値は減少し、他方でＬＦ／ＨＦ比は体
位変換および精神的窮迫に対して敏感である。人体につ
いての研究では、ＬＦは脳死状態で消滅するため集中治
療室における患者の容態予告用の予後手段としても使用
可能であることが示されている。更にＦｒａｍｉｎｇｈ
ａｍの最近の研究によると、老齢者のＨＲＶ値が一つの
標準偏差値だけ加齢低下するものとすると、死に近い個
体ではＨＲＶ値が正常人よりも約１．７倍低下する。

【０００９】ＨＲＶはあらゆる病理学的状態の予測に有
望であるが、依然として未解決な問題のある計測手法で
ある。ＥＣＧ信号の周波数解析によって決定される心拍
数の周期的変化は、自律神経系を間接的に評価し得るも
のではあるが、ＥＣＧ信号を取得するのは簡単ではな
い。ＨＲＶに関する情報を得るためには、患者にＥＣＧ
モジュールを装着して心拍鼓動間隔を求め、この値から
心拍数の変化を測定する必要がある。心電信号を得るた
めにはさらに身体の種々の部分に多数の電極を装着する
必要がある。

【００１０】ＨＲＶ変化は、患者に容易に適用可能な方
法と装置を備えた例えば冠状動脈性心疾患や高血圧患者
等の、多くの一般的ではあるが死に到るような病気に対
して反応すると共に、迅速な診断と情報の伝達ができる
ため、生じる可能性のある診断結果が軽減され、この結
果患者の存命率が向上する。

【課題を解決するための手段】

【００１１】従ってこの発明は心拍数の変化（ＨＲＶ）
の測定によって自律神経系をモニタリングする方法と装
置を提供するものであり、心臓の鼓動信号をより簡便且
つ容易に評価することができる。

【００１２】それ故にこの発明は操作が簡単で携帯可能
且つ使用者が簡便に利用可能な心拍数変化モニタリング
装置を提供する。この発明のＨＲＶ測定装置は心臓の音
声信号を収集するマイクロフォンを備え、更に増幅器、
濾過器および音声信号を処理してデジタル化するための
Ａ／Ｄ変換装置を備えている。装置は音声信号を解析し
有意義な生理学的ならびに臨床上の結果を生成するコン
ピュータも備えている。解析結果は検査中に使用者によ
ってオンラインで見ることもでき、また検査終了後にオ
フラインでの確証のために別のコンピュータシステムに
伝送することも可能である。

【００１３】この発明は対象のＨＲＶの計測方法を提供
するもので、対象の心臓の近傍にマイクロフォンを置い
て心音を３〜５分間収集する。心音信号を増幅し、濾過
し、Ａ／Ｄ変換器に伝送する。

【００１４】デジタル音声信号をコンピュータを用いて
解析して鼓動間隔を決定する。振幅や全ピーク値の持続
時間等のパラメータを求め、それらの平均値と標準偏差
を算出してこれらを標準パターン（複数）として後続の
心拍数について個々に標準と比較する。さらに高速フー
リエ変換（ＦＦＴ）に基づいてスペクトル強度密度を推
定し、引き続いて低周波数（ＬＦ）、高周波数（Ｈ
Ｆ）、全出力値およびＬＦ／ＨＦを含む標準周波数領域
内の積分値からこれを計量する。得られたパラメータは
指数変換される。

【００１５】この発明のＨＲＶは患者にマイクロフォン
を装着することによって容易に得られる心音図に基づく
ものであるから、患者の病理学的状態が容易に評価でき
診断可能である。さらに、心音図と対応するＨＲＶ値は
たとえ患者の自宅で収集されたとしても検査後にオフラ
イン確証のためにコンピュータシステムに伝送できる。
迅速な診断と情報の伝送ができるため、生じる可能性の
ある診断結果が軽減され患者の存命率が向上する。

【００１６】前述の一般的な記述ならびに以下の詳細な
説明は例示のためであり、請求の範囲の発明を更に説明
するものと理解されたい。

【発明の実施の形態】

【００１７】図２は本発明による心拍数変化（ＨＲＶ）
を評価する手法を示すフローダイアグラムである。この
発明のＨＲＶは心音の記録（心音図）から得られる。図
２に示すように、マイクロフォンを用いて３分間又は５
分間心臓音信号を収集する。マイクロフォンは計測対象
個体の例えば左胸部に装着される。聴診に使用される聴
音装置を心音信号の収集に用いることも可能である。心
音信号は増幅され、帯域フィルタで濾過され、処理され
た信号は更に１０２４Ｈｚまたは２０４８Ｈｚのサンプ
リングレートでＡ／Ｄ変換される。データの取得と以降
の解析はポータブルコンピュータ、パーソナル型デジタ
ル機器、携帯電話器や腕時計等に用いるマイクロチップ
類を含むコンピュータ装置によって行う。コンピュータ
システムはマイクロプロセッサと適当な記憶装置も備え
ていなければならない。デジタル化された心音信号は、
検査の間オンライン解析が可能であり、同時に検査終了
後のオフライン検証のために、取り出し可能なハードデ
ィスクに記憶しておくことができる。

【００１８】さらに図２を参照すると、デジタル化され
た心音信号を解析して鼓動間隔を予測する。全てのデジ
タル心音波形のピークを検出するために尖突部（スパイ
ク）検出アルゴリズムが適用される。各鼓動のピーク時
は鼓動発生時点として定義され、２個のピークの時間間
隔は現在と次の鼓動の間の鼓動間隔時間として算定され
る。振幅、全ピークの持続時間のようなパラメータが測
定され、それらの平均値と標準偏差値を算出して標準パ
ターンとする。各々の鼓動を標準と比較し確定する。ピ
ーク間隔値の内でいずれかの値が標準偏差値の３倍以上
になれば、その測定値はエラーとみなして除外する。図
３は本発明の方法に従って被検者を５分間検査した場合
の心音図および対応する心臓鼓動間隔を示す図である。
心音図上の点線は自動的にコンピュータシステムによっ
て同定されたもので、心拍のピークを示している。図４
も本発明の方法に従って対象を５分間検査した場合の心
音図および対応する心臓鼓動間隔を示す図である。心音
図上の点線は自動的にコンピュータシステムによって同
定されたもので、心拍のピークを示している。

【００１９】再び図２に戻って説明する。有効なピーク
間隔時間値を引続き再度７．１１Ｈｚのレートでサンプ
リングして挿入し時間領域での連続性を持たせる。その
後に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて周波数領域で
の解析を行う。信号の直流成分を省き、Ｈａｍｍｉｎｇ
ｗｉｎｄｏｗを用いて漏洩効果を減衰させる。２８８
秒毎または２０４８データポイント毎に高速フーリエ変
換に基づいて信号出力スペクトル分布を算定する。得ら
れた信号出力スペクトルについて、サンプリングとＨａ
ｍｍｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗに起因する減衰成分を補正す
る。

【００２０】心音信号出力スペクトルは、低周波数（Ｌ
Ｆ ０．０４ 〜０．１５ Ｈｚ）および高周波数（Ｈ
Ｆ ０．１５〜０．４０ Ｈｚ）、全出力（ＴＰ）およ
び、低周波数の高周波数に対する比率（ＬＦ／ＨＦ比
率）を含む標準周波数領域パラメータについて積分する
ことにより計量される。ＬＦ，ＨＦ，ＴＰならびにＬＦ
／ＨＦ比率は指数変換により分布の斜行性を修正する。
図５に、図４に示された情報の解析に基づいて得られる
ＨＲＶの特徴となる種々の周波数領域パラメータを示し
ている。図５に示すように、臨床被検者の５分間心音図
の圧縮軌跡、対応する鼓動間隔時間、信号出力密度、Ｈ
Ｆ，ＬＦ，ＨＦ／ＬＦが例示されている。図６は１０人
の臨床被検者について、ＨＲＶの特徴となる種々の周波
数領域パラメータを、本発明の方法に従って求めた場合
と従来の方法で求めた場合との相関を示す図である。全
てのパラメータが好ましい相関を示しており、相関係数
（ｒ）は０．９３よりも大きい。

【００２１】

【発明の効果】本発明のＨＲＶは患者にマイクロフォン
を装着することによって容易に得られる心音図から求め
られるため、患者の病理学的状態が容易に評価、診断で
きる。さらに、心音図とこれに対応するＨＲＶ値は、た
とえ患者の自宅で収集されたとしても、検査後にオフラ
イン確証のためにコンピュータシステムに伝送できる。
迅速な診断と情報の伝送ができるため、生じる可能性の
ある診断結果が軽減され患者の存命率が向上する。

【００２２】本発明の構成に対して種々の修正および改
変が発明の焦点および精神から逸脱することなしに可能
であることは、当該技術に熟練した人々にとって明らか
であろう。前述の観点から、本発明は以下に記述する特
許請求の範囲ならびにそれと均等な範囲内における本発
明の修正、改変を網羅するものである。

【００２３】

【図面の簡単な説明】

ここに添付する図面は本発明をよりよく理解するための
ものであり、明細書の一部を形成し包含されている。こ
れらの図面は本発明の態様を例示しており、明細書の記
載と共に発明の原理を説明するためのものである。

【図１】図１は心拍数の変化を評価する従来の手法を示
すフローダイアグラムである。

【図２】図２は本発明による心拍数変化の評価手法を示
すフローダイアグラムである。

【図３】図３は本発明の方法に従って対象を５分間検査
した場合の心音図および対応する心臓鼓動間隔を示す図
である。図においてコンピュータで自動的に同定された
心拍ピークを点線で示す。

【図４】図４は本発明の方法に従って対象を５分間検査
した場合の心音図および対応する心臓鼓動間隔を示す図
である。図においてコンピュータで自動的に同定された
心拍ピークを点線で示す。

【図５】図５は図４に示された情報の解析に基づくＨＲ
Ｖの特徴となる種々の周波数領域パラメータを示す図で
ある。

【図６】図６は１０個の制御個体について、ＨＲＶの特
徴となる種々の周波数領域パラメータを、本発明の方法
に従って求めた場合と従来の方法で求めた場合との相関
を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4C017 AA02 AA04 AB04 BB01 BC14 BC16 4C038 PP03 PS00

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 心音信号を収集し、それらの高周波数の
   音波と低周波数の振動とを電気信号に変換する聴音装置
   と、 前記心音信号の電気信号を解析して前記電気信号に関す
   る周波数領域パラメータを計量し、心拍数の変化を特徴
   付けるコンピュータシステムとを具備することを特徴と
   する心拍数変化（ＨＲＶ）計測装置。
2. 【請求項２】 心臓の収縮に起因する心音信号を収集
   し、 収集された心音信号をデジタル化し、 デジタル化された心音信号に基づいて鼓動間隔を算定
   し、 鼓動間隔を周波数スペクトルに変換し、及び心拍数変化
   に関する周波数分布成分を計量することを特徴とする自
   律神経系モニタリング方法。
3. 【請求項３】 デジタル化された心音信号に基づいて鼓
   動間隔を算定する工程が、 デジタル化された心音信号スペクトル波形の全ての尖突
   部（スパイク）についての振幅と持続時間とを計測する
   工程、 計測された振幅と持続時間について平均値と標準偏差値
   とを算出して周波数スペクトル波形の基準とする工程、 デジタル化された心音信号の各スパイクの振幅と持続時
   間とを前記基準値と比較する工程、及び比較されたスパ
   イクの内で振幅と持続時間とが基準値の３倍を超える
   時、このスパイクを除外する工程を有することを特徴と
   する第２請求項記載の自律神経モニタリング方法。