JP2003190109A

JP2003190109A - 自律神経系機能評価方法およびそのシステム

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Publication number: JP2003190109A
Application number: JP2001400040A
Authority: JP
Inventors: Hakusho Kaku; 博昭郭
Original assignee: Leadtek Research Inc
Current assignee: Leadtek Research Inc
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2003-07-08

Abstract

(57)【要約】【課題】心拍の信号の計測が低コストで利用者に都合
良く容易に使用し得るようにする。【解決手段】心拍変異性（ＨＲＶ）を評価するための自
動化された遠隔制御の方法。利用者の心拍を明らかにす
る信号が、クライアント／サーバシステムのクライアン
トで収集されてデジタル化される。デジタル化された信
号はネットワークシステムを通してサーバに送られ、デ
ジタル化された信号は、自律神経の指標を与えるため
に、自動化されたＡＮＳ機能分析システムでもってオン
ラインで分析される。指標は、利用者（クライアント）
および／または更なる確認および助けのために医療専門
家に送られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自律神経系の機能
を評価するための方法およびシステム、特に、心拍変異
性(Heart Rate Variability)を計測するための、自動化
された遠隔制御の方法およびシステムに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】自律神経系（ＡＮＳ）は２つの部分、交
感および副交感の部分からなる。ほとんどの器官は、両
部分および通常環境下から活動電位を受け、両部分は、
生命の要求への適合および好ましい器官機能のために協
調する。慢性および急性の病気双方を含む問題は、自律
神経系がバランスから外れたときに起こる。例えば冠血
管心臓病、高血圧症および突然死。動悸、消化不良、呼
吸困難および不眠症などの危険の小さい状態でさえ、こ
れらの状態は自律神経系の平衡失調と関連があると考え
られている。

【０００３】自律神経系の機能を評価するために数多く
の技術が首尾良く開発されている。これらの技術は、深
呼吸を伴う心拍変化、ヴァルサルヴァ(Valsalva)反応、
汗(sudomotor) 機能、起立性血圧記録、コールド昇圧試
験および生化学試験などを含む。しかし、これらの技術
は、ほとんどが侵入型であり、高価な診断機器を必要と
する。従って、これらの技術は、一般用途には適さな
い。

【０００４】近年のコンピュータハードウエアおよびソ
フトウエアの洗練された進歩が自律神経系の機能を診断
するための各種技術の発展に導いている。心拍における
ビート−ビート間の変化の測定である心拍変異性（ＨＲ
Ｖ）が、自律神経系のための機能指標として開発され
た。ＨＲＶは、この技術が非侵入型であることから重要
な進展である。ＨＲＶ調査で患者または関係者に何らか
の不適切なことが及ぶのが防止される。また、この技術
に対するハードウエアは高価ではなく、そして広く適用
される。さらに、正確にＨＲＶを確かめる動物および臨
床研究は、交感および副交感の活動並びにそれらのバラ
ンスを反映する。

【０００５】成人で、安静時、１分間につき約７０の心
拍動がある。これら律動的な心拍動は心筋細胞間の電気
的なイベント結合から生じる。心臓は自律神経系の交感
および副交感の部分の双方から活動電位を受け、それら
は体の恒常性制御のために通常協調する。しかし、体が
ストレスを受けたならば、心拍および血圧の上昇がもと
で交感神経系が支配的となる。その緊急事態を超える
と、副交感系が取って代わり、心拍が減少する。

【０００６】安静状態下でさえ、健康体の心拍は周期変
動を示す。これらの周期変動は、速く、遅く、規則正し
くまたは不規則になり得る。また、これらの変動の振幅
はやや小さく、結果として、従来の分析方法をもって検
出することが困難である。しかし、電子工学の分野から
の分析ツールにおける近年の進歩した開発をもって、周
波数領域分析によるＨＲＶのより良い評価（これはＥＣ
Ｇ誘導データで行われた算術操作に基づく）が、提供さ
れる。

【０００７】研究者は、周波数分析に基づいて、ＨＲＶ
は、２つの主要成分：高周波（ＨＦ）成分および低周波
（ＬＦ）成分に特徴付けられ得ることを発見した。高周
波成分は、呼吸と同期しそして健康体では３秒毎に発生
することが知られている。低周波成分の正確な起源はま
だ研究中である。それは、おそらく血管の活動または圧
反射に関連し、約１０秒毎に発生する。さらに、ある研
究者は、低周波成分を狭義の低周波成分と超低周波成分
とに区分する。ＬＦ／ＨＦ比が交感迷走神経(sympathov
agal) バランスを映す、あるいは交感変調を反映する
（Akselrod等，１９８１； Malliani等，１９９１）と
考えられるのに対し、現在、研究者は、高周波（ＨＦ）
または総出力（ＴＰ）が心拍の副交感制御を示している
ことに同意する。自律神経系の機能の指示であるという
ことのほかに、ＨＲＶは他の病理学的な状態を反映する
ということに証拠が提供されている。

【０００８】低減したＨＲＶは、頭蓋内圧力の上昇のし
るしであるようである（Lowensohn等，１９７７）。さ
らに、他の研究は、年輩のＨＲＶがある標準の偏差によ
って下げられるならば、その運動性の率は通常の個体よ
りも１．７倍高いと指摘する（Tsjui 等，１９９４）。
出願人による以前の研究は、脳死でＬＦが消去されるこ
とを明示した（Kuo 等，１９９７）。また、加齢および
性差の効果は、心拍の交感および副交感制御に影響する
ことが明示されている（Kuo 等，１９９９）。婦人科の
分野において、妊婦は、上昇した交感機能を持つと報告
されている。心拍のより小さい有効な副交感およびより
大きい優性の交感は、子癇前症の妊娠において上がるこ
とが明示されている（Yang等，２０００）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】自律神経系（ＡＮＳ）
機能は、多くの生理状態の意味のある反射を与え、心拍
変異性（ＨＲＶ）を計測することによるＡＮＳ機能の情
報の獲得は、従来のＨＲＶ技術をもって利用者に都合良
く提供されていない。現在、ＡＮＳ機能の情報を得るた
めには、利用者は、心電図（ＥＣＧ）モジュールが利用
可能である設備にいる必要がある。さらに、ＥＣＧ信号
の獲得には、体の各所に複数の電極を正しい所に当てる
必要がある。また、心電信号は、意味のあるＡＮＳ指標
を与えるため、訓練を受けた技術者によって処理および
分析される必要がある。そのような技術はユーザフレン
ドリーでなく、患者に容易に使用し得ないので、従来技
術の応用は、広く適用され得ない。

【００１０】そこで、本発明は、心拍変異性を計測する
ことにより自律神経系指標を獲得するためのものであっ
て、心拍の信号の計測が低コストで利用者に都合良く容
易に使用し得る方法およびシステムを提供する。

【００１１】また、意味のある結果が、利用者、および
／または更なる確認および助けのため医療専門家に迅速
に提供され、潜在的な不利な結果が縮約され、そして利
用者の残存力が高められる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、自律神経系の
機能を評価する方法を提供し、心周期を明らかにする生
理信号が第１端で収集される。デジタル化された生理信
号がネットワークシステムを通じて第２端に送られ、自
律神経系指標を与えるように、デジタル化された生理信
号が自動的に分析される。さらに、その方法は、分析さ
れた結果をネットワークシステムを通じて利用者および
／または医療専門家に提供する。また、本発明による第
１端で収集された心周期を明らかにする生理信号は、現
存する生理機能監視システム、低廉なパーソナルコンピ
ュータ、ＰＤＳ、携帯電話またはマイクロチップを使用
することによる、ＥＣＧ信号、血圧信号、血流信号、局
部的な血液量信号、局部的な酸素飽和度信号および心音
信号を含む。

【００１３】本発明は、自律神経系の機能を評価するた
めの自動化された遠隔制御のシステムを提供する。自動
化された遠隔制御のシステムは、心拍信号を収集する心
拍信号獲得システムと、心拍信号を分析して自律神経系
機能の指標を与える診断システムとを備える。さらに、
自動化された遠隔制御のシステムは、心拍信号獲得シス
テムから診断システムに心拍信号を伝送し、診断システ
ムから心拍信号獲得システムに自律神経系機能の指標を
伝送するネットワークシステムを含む。

【００１４】従って、心周期を明らかにする生理信号の
獲得は、第１端で収集される一方、意味のある指標を得
るための生理信号の分析は、自動的に第２端で実行され
る。このように、生理信号の収集は利用者によって容易
にそして安価に行われる。言い換えると、この心拍変異
性技術は、患者または通常の被験者にでさえ容易に利用
可能である。結果として、自律神経系のデータが、心拍
変異性と各種病理学的な状態との間の機能的な関係につ
いての探求の進歩を促進するように大量に提出される。
また、利用者は、不利な結果を予防するように、自己の
健康状態に直ぐに注意がいくようにされ得る。

【００１５】上記一般的な記述および以下の詳細な記述
の双方は典型的であり、本発明の更なる説明を行う。

【００１６】

【発明の実施の形態】現在、商品化された生理機能監視
装置の大多数、例えば、血圧、血流、局部的な血液量、
局部的な酸素飽和度および心音を監視するための装置
は、既にデジタル化信号を供給している。これら各種の
型の信号は、心拍変異性を決定するために使用可能であ
る心周期の情報を運ぶ。インターネット技術の進歩によ
り、インターネットは、クライアント−サーバシステム
で転送される情報のために使用可能である。心拍の情報
提供可能な器具がクライアントとみなされ、サーバは、
前に開発された自動化ＨＲＶ分析技術（Kuo 等，１９９
９）を利用することによって、（ＥＣＧ、血圧、血流、
局部的な血液量、局部的な酸素飽和度および心音を含
む）生の生理信号を、意味のある自律神経系指標に瞬間
的に変換するサービスを提供する。結果として、ＡＮＳ
機能のデータが、ＨＲＶと各種生理状態との間の機能的
な関係の探求の進展を促進するように大量に提出され得
る。さらに、ＨＲＶ技術は、広く使用されそしてどこで
でも患者または通常の被検者にでさえ容易に利用可能と
なり得る。

【００１７】一般に、心拍変異性は、心筋の収縮の電気
的な記録であるＥＣＧ（心電図）から引き出される。Ｅ
ＣＧのほかには、血圧信号、血流信号、局部的な血液量
信号、局部的な酸素飽和度信号、心音信号、および心周
期の情報をも含む上記信号から引き出される２次的な信
号がある。これらの生理信号は、従来ＨＲＶを決定する
ために使用されるのではないが、ＨＲＶ技術のより広い
応用を拡大するべく、ＨＲＶの情報源として使用可能で
ある。

【００１８】図１は本発明による自律神経系の機能を診
断する方法を示すフロー図である。図１に示されるよう
に、心電図、または血圧、血流、局部的な血液量、局部
的な酸素飽和度および心音などの信号の流れが、例えば
５分間、電極、トランスデューサまたはマイクロフォン
によって収集される（ステップ１００）。続いて、５分
間の生理信号は増幅され帯域フィルタでろ波される（ス
テップ１０２）。さらに、処理された信号は、標本化率
が２５６−２０４８ＨｚのＡ／Ｄ変換器に伝送される
（ステップ１０４）。データの標本化は、少なくともマ
イクロプロセッサおよび十分なメモリを含む計算装置と
ともに実行される。この後、デジタル化された信号は、
圧縮され（ステップ１０６）、そしてオンライン分析の
ためにネットワークを通じてサーバに送られる。

【００１９】クライアントからサーバに伝送される情報
は、ケーブル、光ファイバまたは電波を経由してローカ
ルエリアネットワークまたはインターネットのいずれか
を通る（ステップ１０８）。

【００２０】サーバがＥＣＧ、血圧、血流、局部的な血
液量、局部的な酸素飽和度および心音などのデジタル化
された生理信号を受けた後、そのデジタル化された信号
は、まず伸張され（ステップ１１０）、そして続いて心
拍変異性を見積もるために分析される。スパイク検出ア
ルゴリズム（Kuo およびChan，１９９２）がデジタル化
された生理信号のピーク全てを検出するために使用され
る。各心拍動のピークがその心拍動の時点として規定さ
れ（ステップ１１２）、そして２つのピーク間の間隔が
現在および後の心拍動間のビート−ビート間隔として見
積もられる（ステップ１１４）。全てのピークの期間お
よび振幅などのパラメータが、それらの平均および標準
偏差が標準テンプレートとして計算され得るように計測
される。続いて、各心拍動は標準テンプレートをもって
比較され有効にされる。もしピーク間隔値のいずれかの
標準スコアが３を上回るならば、誤りがあるとされて拒
絶される。

【００２１】続いて、有効にされたピーク間隔値は、再
標本化され、時間領域で連続するように７．１１Ｈｚの
レートで補間される（ステップ１１６）。その後、周波
数領域分析がＦＦＴ(fast Fourier transform)を使用し
ながら実行される（ステップ１１８）。信号のＤＣ成分
が検出され、そしてハミングウインドウが漏れ効果を減
じるために使用される。各２８８秒または２０４８デー
タ点の間、パワースペクトル密度がＦＦＴに基づいて見
積もられる。その結果のパワースペクトルは、標本化お
よびハミングウインドウからの減衰結果に対して補正さ
れる。続いて、パワースペクトルは、低周波（ＬＦ０．
０４−０．１５Ｈｚ）および高周波（ＨＦ０．１５−
０．４０Ｈｚ）、トータルパワー（ＴＰ）および高周波
に対する低周波の比（ＬＦ／ＨＦ）を含む標準の周波数
領域パラメータへの統合の手段によって定量化される
（ステップ１２０）。

【００２２】各種ＡＮＳ指標、周波数スペクトルおよび
推奨を含む分析された結果は、上記ネットワークを通し
てクライアントに送られる（ステップ１２２）。

【００２３】利用者は、自己の健康状態に直ぐに注意が
いくようにされる。交感および／または副交感機能にお
ける、それらがあまりにも高いかあまりにも低い機能障
害の場合、サーバは、その利用者に迅速な助けを与える
べく医師または他の医療専門家に自動的に通知するよう
に図ることができる。本実施形態によれば、素早い診断
および情報転送、並びに利用者へのＨＲＶ測定の容易な
使用可能性をもって、潜在的な不利な結果が縮約され、
そして利用者の残存力が高められる。

【００２４】図２から図４は本発明による自動化された
遠隔制御のＡＮＳ機能診断システムのためのＷｅｂサイ
トの表示を示す図である。図２から図４に示されるよう
に、クライアントのコンピュータシステムは、ＥＣＧ信
号の収集後、サーバのＷｅｂサイトに接続される。続い
て、ＥＣＧ信号を含むコンピュータファイルがそのサー
バに送られる。数秒間以内に、サーバは、副交感系の機
能用のＨＦおよび交感系の機能用のＬＦ／ＨＦを含むＡ
ＮＳ指標をもって応答する。さらに、サーバは、オフラ
イン検証用にＨＲＶを特徴付けるパラメータの生の周波
数スペクトルをクライアントに提供する。

【００２５】多くの現存する生理機能監視装置は、生理
信号、例えばＥＣＧ、血圧、血流、局部的な血液量、局
部的な酸素飽和度および心音をデジタル化し、そしてこ
れらデジタル化された信号を処理して過渡的または平均
の心拍の情報を利用者に供給する機能を既に提供してい
る。もしこれらデジタル化された信号が、インターネッ
トを通して、自動化された遠隔制御のＡＮＳ機能診断サ
ーバに送られるとするならば、利用者のＡＮＳ機能が数
秒間以内に容易に利用可能である。上記心拍関連信号を
計測するためのデジタル生理機能監視装置は、自動化さ
れた遠隔制御のＡＮＳ機能診断システムとして使用可能
であり、これらの装置がネットワーク入出力能力を含む
以外は、追加ソフトウエアの設計をもつことなく提供さ
れる。

【００２６】図６および図７に、生理信号として心電図
信号を使用し、ＡＮＳ機能を診断する従来の方法と本実
施形態の方法との間の比較を示す。図６および図７に示
されるように、クライアントはデータ獲得およびデータ
の出力に責任があるだけである。データの分析はクライ
アントでは要求されない。従って、廉価なハードウエ
ア、例えば生理機能監視システム、パーソナルコンピュ
ータ、ＰＤＡ(personaldigital assistant)、携帯電話
またはマイクロチップだけがクライアントに要求され
る。結果として、ＡＮＳ機能に関するデータが、ＨＲＶ
と各種病理学的な状態との間の機能的な関係の探求の進
展を促進するように大量に提出され得る。さらに、その
方法は、広く使用され、そしてどこででも患者または通
常の被検者にでさえ容易に利用可能となり得る。

【００２７】図７において、サーバは、例えば自動化さ
れた心拍分析アルゴリズム（Kuo 等，１９９９）に従う
高速コンピュータを使用することにより、迅速なデータ
分析を提供するように設計される。生の病理学的な信号
から変換された各種ＡＮＳ指標をクライアントに送るこ
とによって、正確で迅速なサービスが利用者に提供され
るそれ故に、現存する生理監視装置が自律神経系の機能
を診断するための追加機能を備える。結果として、本実
施形態の自動化された遠隔制御の自律神経系機能診断シ
ステムがかなり縮小される。

【００２８】また、本実施形態の心拍信号が、血圧、血
流、局部的な血液量、局部的な酸素飽和度、心音、およ
びＥＣＧを含む測定から引き出されるので、ＨＲＶ技術
がより広く適用され得る。実際は、これら測定の幾つか
は、データ獲得のために、パーソナルコンピュータ、Ｐ
ＤＡ、マイクロチップなどの廉価なハードウエアを使用
するだけで、利用者の自宅で利用者（クライアント）に
よって簡単に実行可能である。このように、ＡＮＳ機能
を診断することは、非常に低コストで容易に利用可能で
あり、そして利用者に便利である。また、本実施形態
は、ネットワークシステムを通して利用者から心拍信号
を受けて分析し、そして意味のあるＡＮＳ指標を利用者
に迅速に提供するために、自動化されたＨＲＶ機能分析
システム（サーバ）を提供する。利用者は、自己の健康
状態に直ぐに注意を向けることができる。サーバはその
利用者に助けを与えるべく医師または他の医療専門家に
自動的に通知するように設計可能であるので、交感およ
び／または副交感機能に機能障害が示される場合、潜在
的な不利な結果が縮約され、そして利用者の残存力が高
められる。

【００２９】本発明の範囲および思想から逸脱すること
なく各種変更および変形が本発明の構成になされ得るこ
とは当業者には明らかである。上記を考慮して、本発明
の範囲内にあることを条件に、本発明はこの発明の変更
および変形を含むものである。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、心拍変異性を計測する
ことにより自律神経系指標を獲得し、心拍の信号の計測
が低コストで利用者に都合良く容易に使用し得る方法お
よびシステムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態による自律神経系の機能を診
断する方法を示すフロー図である。

【図２】本発明による自動化された遠隔制御のＡＮＳ機
能診断システムのためのＷｅｂサイトの表示を示す図で
ある。

【図３】本発明による自動化された遠隔制御のＡＮＳ機
能診断システムのためのＷｅｂサイトの表示を示す図で
ある。

【図４】本発明による自動化された遠隔制御のＡＮＳ機
能診断システムのためのＷｅｂサイトの表示を示す図で
ある。

【図５】心拍変異性を特徴付ける各種パラメータの周波
数スペクトルの例を示す図である。

【図６】生理信号として心電図信号を使用し、ＡＮＳ機
能を診断する従来の方法の説明図である。

【図７】生理信号として心電図信号を使用し、ＡＮＳ機
能を診断する本実施形態の説明図である。

【符号の説明】

１００ＥＣＧ１０２増幅およびろ波１０４Ａ／Ｄ変換器１０６圧縮１１０伸張１１２心拍動識別１１４ビート−ビート間隔の見積もり１１６サンプル＆ホールド１１８ＦＦＴ１２０ＡＮＳ指標

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１端で心拍を明らかにする生理信号を
収集し、ネットワークシステムを通して前記生理信号を第２端に
送り、前記第２端で前記生理信号を分析して、心拍変異性を特
徴付けるように前記生理信号の周波数領域パラメータを
自動的に定量化することを特徴とする自律神経系機能評
価方法。
【請求項２】前記第２端で、デジタル化された生理信
号を分析することは、自動化された心拍変異性分析アル
ゴリズムを実行することを含み、前記デジタル化された生理信号に基づいてビート−ビー
ト間隔値を見積もり、前記間隔値を周波数スペクトルに変換し、前記心拍変異性の周波数分布の成分を定量化することを
特徴とする請求項１記載の自律神経系機能評価方法。
【請求項３】自動化された遠隔制御の自律神経系機能
評価システムであって、心拍信号を収集する心拍信号獲得システムと、前記心拍信号を分析するものであって、前記心拍信号の
周波数領域パラメータが自律神経系機能の指標を提供す
るように定量化される診断システムと、オンライン分析のため前記心拍信号獲得システムから前
記診断システムに前記心拍信号を伝送し、前記診断シス
テムから前記心拍信号獲得システムに前記自律神経系機
能の指標を伝送するネットワークシステムとを備えるこ
とを特徴とする自律神経系機能評価システム。
【請求項４】前記診断システムは、現在および後の心
拍動間のビート−ビート間隔値を自動的に見積もり、前
記間隔値を周波数スペクトルに変換し、心拍変異性の周
波数分布の成分を定量化する自動化されたＡＮＳ機能分
析システムを備えることを特徴とする請求項３記載の自
律神経系機能評価システム。