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心電図を用いた呼吸検出方法

会津大学 コンピュータ理工学部

コンピュータ理工学科 上級准教授 朱 欣

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背景（１）睡眠時無呼吸症候群について

睡眠時無呼吸症候群（Sleep Apnea Syndrome, SASは近年注目されてきた疾患であり、世界的な有病率は30-60歳の男性の4%、女性の2%と報告されており、ほぼ喘息と同程度の頻度と考えられています。

循環器領域における睡眠呼吸障害の診断・治療に関するガイドライン2010より

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（２）睡眠時無呼吸症候群と心疾患の関連性

2010年には日本循環器学会において、『循環器領域における

睡眠呼吸障害の診断・治療に関するガイドライン』も発表されました。ガイドラインでは、心不全におけるSAS合併率は76％に

及び、すべての心不全患者さんにおける睡眠呼吸障害のスクリーニングを推奨しています。

循環器領域における睡眠呼吸障害の診断・治療に関するガイドライン2010より

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終夜睡眠ポリグラフ検査 （精密検査）

夜間19時-21時頃より、検査装置を装着します(脳波,心電図,鼻流計,顎筋電図等)。終夜睡眠ポリグラフ検査装置のセットに約30分程度を要します。

当日夜間は普通に就寝して頂き、寝返りやポータブルトイレの利用も可能ですが、検査のケーブルの範囲の行動制限があります。

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簡易呼吸監視装置

• 簡易型検査装置によるスクリーニング検査を行います。多くは鼻口気流、気管音、SpO2を記録するものですが、呼吸運動や体動、心電図など測定できる項目が多い装置もあります。

循環器領域における睡眠呼吸障害の診断・治療に関するガイドライン2010より

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従来技術とその問題点

長時間呼吸計測については、既に実用化されているものには、終夜睡眠ポリグラフ検査、簡易呼吸監視装置等があるが、

終夜睡眠ポリグラフ検査は入院検査が必要、日常生活に於ける呼吸計測は不可能。

従来の簡易睡眠解析装置でも、2-3チャンネルのデータ計測が必要、特に呼吸計測センサ（ベルトセンサ、サーミスタセンサ）は計測精度、計測快適度は欠ける。

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新技術の特徴

• 心電図から心電図信号を完全に除去し、呼吸筋の活動量を示す筋電図を導出する。

• 本技術の適用により、心臓病、呼吸器のモニタリングを同時に行うことができる。

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（１）電極装着位置：主に胸部のCC5誘導を使用

正常安静呼吸では、吸気は主に横隔膜の収縮によって行われ、また外肋間筋も使用される。呼気は筋肉を用いず、伸展された肺の受動的反跳（ふくらんだ肺が自然にもとに戻ろうとする力）によって行われる。https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%91%BC%E5%90%B8

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（２）信号処理方法

心電図A1

PQRST波区分点を検出A2

P波終点、QRS波始点

のデータを用い、ノイズレベルを測定A3

PQRST波のテンプレートを作成A4

心電図からPQRST波を除去A5

PQRST波を除去した残存信号のQRS波始点、終点の間

に、ノイズレベルを超えた信号を検出、median filterで除

去するA6

残存信号は筋電図のみを視て、Hilbert変換又は差

分積分法によって、呼吸波を推定するA7

推定した呼吸波から呼吸数を測定A8

推定した筋電図、心電図の基線動揺からSASを測

定A9

心電図A1

心電図からPQRST波を除去A5

ノイズレベルを超えた信号を検出、median filterで除去するA6

呼吸波を推定するA7

A7の差分、整流

呼吸波の反転

実際に計測した呼吸信号

検証結果：１９人に対し、３０分の心電図を計測し、呼吸波形を推定した。実の呼吸信号と比べ、感度：９３．１% 特異度：９４．５％

実の呼吸信号

推定した呼吸波形

呼吸特徴点

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（３）OSASのシミュレーション

呼気障害のシミュレーション呼吸筋訓練器(スレショルド)

PEP(呼気用)で呼気負荷をかける

吸気障害のシミュレーション呼吸筋訓練器(スレショルド)

IMT(吸気用)で吸気負荷をかける

上気道は、吸気時の陰圧により容易に閉塞する

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通常呼吸の際に （呼吸筋訓練器を使用せず）

赤線：抽出した筋電図の差分信号黒い線：推定した呼吸信号

深呼吸の際に（呼吸筋訓練器を使用せず）

呼気

吸気

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中枢型睡眠時無呼吸症候群のシミュレーション：有意に呼吸を止める

呼吸を止め始める

呼吸を止め終る

赤線：抽出した筋電図の差分信号黒い線：推定した呼吸信号

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閉塞型睡眠時無呼吸症候群のシミュレーションＩ：努力呼吸によって、吸気困難（負荷値は、29 cm H2O）

赤線：抽出した筋電図の差分信号黒い線：推定した呼吸信号

心電図の基線動揺は現れ

負荷吸気の際に、筋電図増加

負荷吸気を始める

青線：ＣＣ５心電図生波形緑線：ベルトセンサの呼吸信号

呼気

上気道は吸気時に閉塞すると、肋間筋などは吸気できるように更に活動を増やし、胸腔内圧は更に増える。

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閉塞型睡眠時無呼吸症候群のシミュレーションＩＩ：努力呼吸（負荷最小値）によって呼気。 負荷値は、最小値の5 cm H2O

赤線：抽出した筋電図の差分信号黒い線：推定した呼吸信号

吸気を始める

青線：ＣＣ５心電図生波形緑線：ベルトセンサの呼吸信号

負荷呼気を始める

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閉塞型睡眠時無呼吸症候群のシミュレーションＩＩＩ：努力呼吸（負荷中間値）によって呼気少し困難。負荷値は、約15 cm H2O

赤線：抽出した筋電図の差分信号黒い線：推定した呼吸信号

青線：ＣＣ５心電図生波形緑線：ベルトセンサの呼吸信号

吸気を始める 負荷呼気を始める

空気は膨らむときに筋電図最大

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閉塞型睡眠時無呼吸症候群のシミュレーションＩV：努力呼吸（負荷最大値）によって、呼気困難。負荷値は、最大値の20 cm H2O

赤線：抽出した筋電図の差分信号黒い線：推定した呼吸信号

青線：ＣＣ５心電図生波形緑線：ベルトセンサの呼吸信号

吸気を始める 負荷呼気を始める

呼気する際に呼吸補助筋は活発になり、筋電図増加

呼気負荷は持続すると、呼吸補助筋は疲労が現れ、筋電図の振幅は弱くなる。

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従来技術との比較

• 従来技術の問題点であった、長期計測が困難、計測センサーの装着不快などを解決。

• 心電図から心電図信号を完全に除去し、呼吸筋の活動量を示す筋電図を導出する。

• 本技術の適用により、心疾患、呼吸疾患のモニタリングを同時に行うことができる。

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想定される用途

• 長時間の呼吸監視システム。

• 日常生活においてウェアラブル装置を用いた呼吸モニタリング。

• 睡眠時無呼吸症候群のスクリニング、慢性閉塞性肺疾患、喘息などの疾患のモニタリング。

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実用化に向けた課題

• 現在、学生などの若い被験者を用い検証しているが、お年寄りや患者の臨床検証も行うべきである。

• 日常生活の呼吸監視の他に、呼吸負荷の計測、睡眠時無呼吸症候群の診断における有用性を検証すべきである。

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企業への期待

• 本アルゴリズムを心電図を計測できるスマートフォン、ウェアラブル健康装置に実装し、日常の応用を実現して欲しい。

• また、ウェアラブル健康装置を開発中の企業、医療・ヘルスケア分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：呼吸検出装置、呼吸検出方法および呼吸検出用プログラム

• 出願番号 ：特願2016-126337

• 出願人 ：公立大学法人会津大学

• 発明者 ：朱 欣、陳 文西

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産学連携の経歴

2013年-2015年 うつくしま次世代医療産業集積プロジェクトに採用され、アサヒ電子（社）共同研究実施

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お問い合わせ先

会津大学

産学官連携コーディネーター 石橋 史朗

ＴＥＬ ０２４２－３７ －２７７６

ＦＡＸ ０２４２－３７ －２７７８

e-mail ubic-adm@ubic-u-aizu