JP2008073478A - 交換神経活動把握方法およびその把握装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 横臥した被験者の身体の下に生体信号検出手段を配置して生体信号を検出し、検出された生体信号から心拍信号を抽出してその心拍信号の強度を演算し、心拍強度信号の一定時間内のデータの分散値を算出し、前記分散値の値から交感神経の活動を把握することを特徴とする交感神経活動把握方法及びその装置。
【解決手段】 横臥した被験者の身体の下に生体信号検出部を配置した生体信号検出手段と、生体信号検出手段によって検出された生体信号から心拍信号を抽出する心拍信号抽出手段と、心拍信号の強度を演算する心拍強度演算手段と、心拍強度信号から この心拍信号検出手段を用いて就寝時の被験者から心拍信号を検出し、検出された心拍信号から心拍強度信号を算出し、算出した心拍強度信号の一定時間内のデータの分散値を算出し、その分散値の変動傾向から交感神経の活動を把握することを特徴とする交感神経活動把握方法及びその装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、交感神経系の活動をリアルタイムにかつ被験者の身体に負担をかけることなく把握する交換神経活動把握方法およびその把握装置に関する。

人間の身体活動のうち重要な心拍、呼吸などの生命を維持する生体活動は自律神経に依存している。自律神経系は交感神経系と副交換神経系とからなり、緊張時（活動時）は交感神経系が活発に活動し、弛緩時（休止時）には副交換神経系が活発に活動している。

従来の自律神経系の活動を把握するには、心拍のＲ−Ｒ間隔のデータを周波数解析することにより求めたパワースペクトル密度の分布を見ることで行ってきた。即ち、低周波領域部（ＬＦ）でパワースペクトル密度が高くなると、交感神経系が活発であり、高周波領域部（ＨＦ）でパワースペクトル密度が高くなると、副交換神経系が活発であることが分かる。

しかし、心拍のＲ−Ｒ間隔のデータからパワースペクトル密度を算出することにより交感神経系の活動を把握する方法は、複雑な演算処理を必要とし、さらにリアルタイムに把握することが困難であった。

交感神経系の活動は、基礎的な生体活動である心拍や呼吸などの動きを司る機能を有しており、交感神経系の活動を把握することにより身体の活動を的確に把握することが可能となる。その結果、身体の健康度は言うまでもなく、精神の健康度をも把握することが可能になるものであり、交感神経系の活動をリアルタイムに把握することは健康管理の上で重要である。

上述したように、従来の交感神経系の活動を把握するには、心拍信号のＲ−Ｒ間隔のデータを周波数解析することにより求めたパワースペクトル密度の分布を求めるという複雑な演算を行う必要がある。しかしこの方法では、演算に時間がかかるとともにリアルタイムに把握することが困難であるという問題がある。

本発明は上記問題を鑑み、演算処理の負荷が少なくかつリアルタイムに交感神経の活動を把握できる方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の解決手段の交感神経活動把握方法は、心拍信号検出手段を用いて被験者から心拍信号を検出し、検出された心拍信号から心拍強度信号を算出し、算出した心拍強度信号の一定時間内のデータの分散値を算出し、前記分散値の値から交感神経の活動を把握することを特徴とする。

上記の第１の解決手段によれば、交感神経系の活動は心拍強度信号の一定時間内のデータの分散値から把握することが可能であり、従来から用いられている心拍信号のＲ−Ｒ間隔のデータのパワースペクトル密度の分布を求めるという複雑な演算を行う必要がなく、かつリアルタイムに交感神経系の活動を把握することができる。なお本発明人は、心拍強度信号の一定時間内のデータの分散値の大きさが交換神経系の活発さの程度と相関が高いことを、実験において確認している。

本発明の第２の解決手段は、第１の解決手段の交感神経活動把握方法であって、交感神経の活動を把握する指標値を、心拍強度の分散値に係数を乗じて算出することを特徴とする。

本発明の第３の解決手段は、第１の解決手段の交感神経活動把握方法であって、前記心拍信号検出手段は、被験者の身体の下に配置した生体信号検出手段でもって生体信号を検出し、検出された生体信号から心拍信号を抽出することを特徴としており、就寝中の被験者の身体を拘束することなく、交感神経の活動を把握することができる。

本発明の第４の解決手段は、第３の解決手段の交感神経活動把握方法であって、前記生体信号検出手段は、微差圧センサと生体信号検出部とからなり、生体信号検出部の内部に収容されている空気の圧力変化を微差圧センサでもって検出することにより生体信号を検出することを特徴としており、簡単な構造でありながら高感度の検出を可能にしている。

本発明の第５の解決手段は、第１の解決手段の交感神経活動把握方法であって、前記心拍信号検出手段は、手首あるいは上腕部に装着する脈派計あるいは血圧計であることを特徴とする。

本発明の第６の解決手段は、第１の解決手段の交感神経活動把握方法であって、前記心拍信号の強度信号は、心拍信号検出手段で検出した信号をゲインコントロールして得られる係数の逆数として得られる信号であることを特徴とする。

本発明の第７の解決手段の交感神経活動把握装置は、被験者から心拍信号を検出する心拍信号検出手段と、検出された心拍信号から心拍強度信号を算出する心拍強度算出手段と、算出した心拍強度信号の一定時間内のデータの分散値を算出する心拍強度分散値算出手段と、上記心拍強度分散値の値から交感神経の活動を把握する交感神経活動把握手段とを備えることを特徴とする。

本発明の第８の解決手段は、第７の解決手段の交感神経活動把握装置であって、上記交感神経把握手段は心拍強度の分散値に係数を乗じて交感神経の活動の指標値を算出する交感神経活動指標値算出手段を備えることを特徴とする。

本発明の第９の解決手段は、第７の解決手段の交感神経活動把握装置であって、前記心拍信号検出手段は、被験者の身体の下に配置した生体信号検出手段でもって生体信号を検出し、検出された生体信号から心拍信号を抽出することを特徴とする。

本発明の第１０の解決手段は、第９の解決手段の交感神経活動把握装置であって、前記生体信号検出手段は、微差圧センサと生体信号検出部とからなり、生体信号検出部の内部に収容されている空気の圧力変化を微差圧センサでもって検出することにより生体信号を検出することを特徴とする。

本発明の第１１の解決手段は、第７の解決手段の交感神経活動把握装置であって、前記心拍信号検出手段は、手首あるいは上腕部に装着する脈派計あるいは血圧計であることを特徴とする。

本発明の第１２の解決手段は、第７の解決手段の交感神経活動把握装置であって、前記心拍信号強度検出手段は、心拍信号検出手段で検出した信号をゲインコントロールして得られる係数の逆数として得られる信号であることを特徴とする。

上述したように本発明の交感神経活動把握方法および把握装置は、心拍信号を検出し、その心拍信号の強度信号を算出し、一定時間内の心拍強度信号のデータの分散値を算出し、この心拍強度信号の分散値を用いて交換神経系の活動の指標値を生成するものであり、従来の心拍信号のＲ−Ｒ間隔のデータからパワースペクトル密度を算出する複雑な演算を行う必要がなく、さらにリアルタイムで交感神経の活動の指標値を得ることができる。

また、心拍信号検出手段として、被験者を拘束することのない生体信号検出手段を用いれば、被験者に身体的な負担をかけることなく交換神経系の活動を把握することが可能となる。一方、腕あるいは上腕部に装着する型式の心拍信号の検出手段を用いることにより、心拍信号の検出はより一層確実なものとなる。

発明の実施するための最良の形態

図をもって本発明の方法および装置について詳細に説明する。図１は本発明の交換神経活動把握方法およびその把握装置における交感神経の活動を示す指標値を求める工程を示すブロック図であり、図２は別の生体信号検出手段を示す平面図であり、図３は交感神経の活動を示す指標値を算出する手順を示すフロー図であり、図４は本発明の交換神経活動把握方法およびその把握装置による心拍強度の分散値の時系列データおよび交感神経系の活動状況を示すグラフである。なお、本発明は本実施例によって限定されるものではない。

図１は、本発明の交感神経系の活動を把握する方法を実施する実施例の工程を示すブロック図であり、図１（ｂ）は、矢視方向から見た一部断面図である。図１に示す生体信号検出手段１は、被験者を拘束することなく被験者の微細な生体信号を検出する検出手段であり、信号増幅整形手段２により、信号を後の処理工程で処理できるように生体検出手段１で検出された信号を増幅し、呼吸などの不要な信号をバンドパスフィルターなどにより除去する。

生体信号検出手段１は圧力センサ１ａと圧力検出チューブ１ｂとからなり、被験者を拘束しない生体信号の検出手段を構成している。圧力センサ１ａは、微小な圧力の変動を検出するセンサであり、本実施例では、低周波用のコンデンサマイクロホンタイプを使用するが、これに限るものではなく、適切な分解能とダイナミックレンジを有するものであればよい。

本実施例で使用した低周波用のコンデンサマイクロフォンは、一般の音響用マイクロフォンが低周波領域に対して配慮されていないのに引き替え、受圧面の後方にチャンバーを設けることによって低周波領域の特性を大幅に向上させたものであり、圧力検出チューブ１ｂ内の微小圧力変動を検出するのに好適なものである。また、微小な差圧を計測するのに優れており、０．２Ｐａの分解能と約５０Ｐａのダイナミックレンジを有し、通常使用されるセラミックを利用した微差圧センサと比較して数倍の性能を持つものであり、生体信号が体表面に通して圧力検出チューブ１ｂに加えた微小な圧力を検出するのに好適なものである。また周波数特性は０．１Ｈｚ〜２０Ｈｚの間でほぼ平坦な出力値を示し、心拍および呼吸数等の微少な生体信号を検出するのに適している。

圧力検出チューブ１ｂは、生体信号の圧力変動範囲に対応して内部の圧力が変動するように適度の弾力を有するものを使用する。また圧力変化を適切な応答速度で微差圧センサ１ａに伝達するために圧力検出チューブ１ｂの中空部の容積を適切に選ぶ必要がある。圧力検出チューブ１ｂが適度な弾性と中空部容積を同時に満足できない場合には、圧力検出チューブ１ｂの中空部に適切な太さの芯線をチューブ長さ全体にわたって装填し、中空部の容積を適切にとることができる。

圧力検出チューブ１ｂは寝台７上に敷かれた硬質シート８の上に配置され、その上に弾性を有するクッションシート９が敷かれており、その上には被験者が横臥する。なお、圧力検出チューブ１ｂは、クッションシート９などに組み込んだ構成にすることにより、圧力検出チューブ１ｂの位置を安定させる構造としてもよい。なおここでは、布団などの寝具については図示しない。

本実施例では、２組の生体信号検出手段１が設けられており、一方が被験者の胸部の部位の生体信号を検出し、他方が被験者の臀部の部位を検出することで、被験者の就寝の姿勢に関わらず生体信号を安定して検出するように構成されているが、胸部の部位または臀部の部位の一方のみ圧力検出チューブ１ａを配置する構成としてもよい。

生体信号検出手段１によって検出された生体信号は、人の身体から発する様々な振動が混ざりあった信号であり，その中に心拍信号を始めとして呼吸信号や寝返り等の信号が含まれている。生体信号検出手段１によって検出された生体信号を信号増幅整形手段２により増幅し、さらに明らかに異常なレベルの信号を除去するなどして適切な信号整形処理を行う。

信号増幅整形手段２の出力信号には、心拍、呼吸、体動などの生体の発する様々な信号が含まれており、心拍信号検出手段３において、バンドパスフィルターを用いて心拍信号を検出する。

心拍強度信号検出手段４は、自動利得制御手段４１と信号強度演算手段４２とから構成される。自動利得制御手段４１は、心拍信号検出手段３の出力を所定の信号レベルの範囲に入るように自動的にゲイン制御を行ういわゆるＡＧＣ回路であり、この際のゲインの値（係数）を信号強度演算手段４２に出力する。ゲイン制御は、例えば信号のピーク値が上限閾値を超えた場合に出力信号の振幅が小さくなるようにゲインを設定し、ピーク値が下限閾値を下回った場合に振幅が大きくなるようにゲインを設定している。

信号強度演算手段４２は、自動利得制御手段４１において生体信号に対して施したゲイン制御の係数から信号の強度を演算する。上述のＡＧＣ回路から得られるゲインの値は信号の大きさが大なるときには小さく、また信号の大きさが小なるときは大きく設定されるように信号強度を示す関数を設定するのがよい。

交感神経指標値算出手段５は、心拍強度の分散値の値から交感神経の活動状態を把握する指標値を算出する手段である。心拍強度分散算出手段５１において心拍強度信号検出手段４で得られた心拍強度の６０秒間のデータの分散値（標準偏差）を算出する。心拍強度のデータは１秒ごとに測定されており、その時点からさかのぼること６０秒間のデータ、即ち６０個の心拍強度データの分散値を求める。この結果心拍強度のばらつき（分散値）の１秒間隔の時系列データが得られる。ここで、分散値とは、所謂統計学上の分散を示すものであり、分散の替わりに標準偏差を用いてもよい。

心拍強度分散算出手段５１で求めたデータの分散値を用いて、指標値演算手段５２により交感神経の活動状況を示す指標値を算出し、その結果をデータ記憶・出力手段６に出力することにより図示しないモニター装置に表示あるいは印刷装置に印刷する。

上述の実施例では、生体信号検出手段として中空のチューブを用いた例で説明したが、図２に示すエアマットを検出手段として用いることも可能である。ここでは、生体信号検出手段１０ａは内部に空気を封入したエアマットであり、その一端にエアチューブ１０ｂが接続され、微差圧センサ１０ｃに接続される。微差圧センサ１０ｃは、図１に示す中空のチューブを用いた生体信号検出手段の場合で説明したものと同じセンサ、即ち微差圧センサ１ａを用いることができる。

次に交感神経の活動を把握する手順について図１、図３および図４を用いて説明する。生体検出手段１で検出された生体信号から信号増幅整形手段２において信号の増幅および整形を行い、次いで心拍信号検出手段３において呼吸などの不要な信号をバンドパスフィルターなどにより除去することにより心拍信号が検出される。検出された心拍信号は図３に示すように心拍強度信号検出手段４において自動利得制御手段（ＡＧＣ）４１でもって心拍信号のゲインを制御することによりピーク値が制御され、心拍強度演算手段４２でもってこのピーク値を用いて心拍信号強度が算出される。自動利得制御手段（ＡＧＣ）４１を用いることにより心拍強度信号の異常値が排除されることにより、データ処理の信頼性が向上する効果がある。

交感神経活動指標値算出手段５は、図３のフロー図に示すように心拍強度信号検出手段４で算出された心拍強度信号について、各々の時点からさかのぼること６０秒間の心拍強度データの分散値（標準偏差）を算出する。就寝中の被験者の心拍強度の分散値の値を連続して表示したのが図４（ａ）である。図４（ａ）は即ち心拍強度の分散値の時系列データを示している。ここで図４（ａ）の心拍強度の標準偏差の単位は、想定される最大の心拍強度の標準偏差を基準とする百分率である。

図４（ｂ）には図４（ａ）の被験者に対して同じ時刻の交感神経成分の推移の様子を示す図である。ただし、ここでは、交感神経成分の状態を明瞭に示すために、交感神経成分と副交感神経成分の比の推移を示している。副交換成分野のパワースペクトル密度に対する交換成分野のパワースペクトル密度の比にすることにより交感神経成分が実質的に活発であるか否かが明瞭に示される。図４（ａ）および図４（ｂ）から心拍強度の分散値（標準偏差）の推移と交感神経成分の推移とがよく類似した動きをとることが分かる。実際に相関を求めると高い相関（７０％超）があることが判明した。

この相関を考慮して、交感神経の活動を示す指標Ｐを次の（Ａ）式により求める。
Ｐ＝α・ｓ （Ａ）
ここでＰは、交感神経の活動を示す指標値、ｓは心拍強度の分散値（標準偏差）であり、αは、心拍強度の分散値から交感神経の活動を示す指標値を導出する係数で、心拍強度の分散値と同時期の交感神経のパワースペクトル密度の大きさから実験的に求められる。また、年齢によって心拍強度の分散値が異なる傾向を示すことが予想されるので、年齢による補正が必要と思われる。

上記のように算出された指標値は、モニタ装置あるいは印刷装置に出力される。上述のようにして求めた交感神経系の活動の指標値は、交換神経系の活動を把握するための指標値であり、被験者の身体の状態を知る上での重要な目安となるものである。この指標値の値が高い場合には、生体活動は活発な状態であり、この指標値が低い場合はリラックスしている場合を示している。即ち被験者の身体および精神状態を把握することが可能となる。

本実施例の説明では、心拍信号を検出する方法として、被験者の身体の下に敷いた生体信号検出手段で得られた生体信号から心拍信号を抽出する方法を示した。本実施例を構成する上記の生体信号検出手段は、被験者の身体を拘束する装着物およびこれらの装着物に接続される信号用コードなどが不要であり、被験者の睡眠を妨げることがない。また、タイマーなどの機能を装置に持たせることにより、電源を入れるなどの操作が不要であり、被験者が何ら操作することなく、被験者の生体信号を取得することができる。

しかし心拍信号を検出する方法は本実施例で説明した構成に限るものではなく、継続的に心拍信号あるいは心拍の信号と同等の信号が得られる検出手段であれば使用可能である。例えば身体に装着するタイプの心拍計、脈派計あるいは脈拍計であってデータを連続的に記録することが可能であれば本発明の生体信号検出手段として使用可能である。

本発明の交感神経活動把握方法及びその把握装置は、被験者の心拍信号強度を求め、その強度のばらつき（分散）から交感神経の活動状況を示す指標値を求める方法であり、被験者を拘束することなく把握することが可能であるので、日常生活において容易に使用することができる。

交感神経系の活動は生命維持活動を司る重要な神経系であり、その活動の状況を把握することは、身体的および精神的状態を把握することにつながり、総合的な健康に関する情報の基礎となる指標値と言うことが可能であり、総合的な健康管理に役立てることが期待されること大なるものがある。

本発明の交換神経活動把握方法およびその把握装置における交感神経の活動を示す指標値を求める工程を示すブロック図である。 別の生体信号検出手段を示す平面図である。 交感神経の活動を示す指標値を算出する手順を示すフロー図である。 本発明の交換神経活動把握方法およびその把握装置による心拍強度の分散値の時系列データおよび交感神経系の活動状況を示すグラフである。

符号の説明

１ 生体信号検出手段（圧力検出手段）
１ａ 微差圧センサ
１ｂ 圧力検出チューブ
２ 信号増幅整形手段
３ 心拍信号検出手段
４ 心拍強度信号検出手段
５ 交感神経指標値算出手段
６ データ記憶・出力手段
７ 寝台
８ 硬質シート
９ クッションシート
１０ 生体検出手段（圧力検出手段）
１０ａ 圧力検出手段（エアーマット）
１０ｂ エアチューブ
１０ｃ 微差圧センサ
４１ 自動利得制御（ＡＧＣ）手段
４２ 信号強度演算手段
５１ 心拍強度分散算出手段
５２ 指標値演算手段

Claims (12)

1. 心拍信号検出手段を用いて被験者から心拍信号を検出し、検出された心拍信号から心拍強度信号を算出し、算出した心拍強度信号の一定時間内のデータの分散値を算出し、前記分散値の値から交感神経の活動を把握することを特徴とする交感神経活動把握方法。
2. 交感神経の活動を把握する指標値を、心拍強度の分散値に係数を乗じて算出することを特徴とする請求項１に記載の交感神経活動把握方法。
3. 前記心拍信号検出手段は、被験者の身体の下に配置した生体信号検出手段でもって生体信号を検出し、検出された生体信号から心拍信号を抽出することを特徴とする請求項１に記載の交感神経活動把握方法。
4. 前記生体信号検出手段は、微差圧センサと生体信号検出部とからなり、生体信号検出部の内部に収容されている空気の圧力変化を微差圧センサでもって検出することにより生体信号を検出することを特徴とする請求項３に記載の交感神経活動把握方法。
5. 前記心拍信号検出手段は、手首あるいは上腕部に装着する脈派計あるいは血圧計であることを特徴とする請求項１に記載の交感神経活動把握方法。
6. 前記心拍信号の強度信号は、心拍信号検出手段で検出した信号をゲインコントロールして得られる係数の逆数として得られる信号であることを特徴とする請求項１に記載の交感神経活動把握方法。
7. 被験者から心拍信号を検出する心拍信号検出手段と、検出された心拍信号から心拍強度信号を算出する心拍強度算出手段と、算出した心拍強度信号の一定時間内のデータの分散値を算出する心拍強度分散値算出手段と、上記心拍強度分散値の値から交感神経の活動を把握する交感神経活動把握手段とを備えることを特徴とする交感神経活動把握装置。
8. 上記交感神経把握手段は心拍強度の分散値に係数を乗じて交感神経の活動の指標値を算出する交感神経活動指標値算出手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の交感神経活動把握装置。
9. 前記心拍信号検出手段は、被験者の身体の下に配置した生体信号検出手段でもって生体信号を検出し、検出された生体信号から心拍信号を抽出することを特徴とする請求項７に記載の交感神経活動把握装置。
10. 前記生体信号検出手段は、微差圧センサと生体信号検出部とからなり、生体信号検出部の内部に収容されている空気の圧力変化を微差圧センサでもって検出することにより生体信号を検出することを特徴とする請求項９に記載の交感神経活動把握装置。
11. 前記心拍信号検出手段は、手首あるいは上腕部に装着する脈派計あるいは血圧計であることを特徴とする請求項７に記載の交感神経活動把握装置。
12. 前記心拍信号強度検出手段は、心拍信号検出手段で検出した信号をゲインコントロールして得られる係数の逆数として得られる信号であることを特徴とする請求項７に記載の交感神経活動把握装置。