(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室；
室内外が遮断されている、上記第一室と独立した第二室；
上記第一室の内部の気圧と上記第二室の内部の気圧との気圧差を経時的に測定する差圧センサ；および
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する呼吸波形情報生成部
を備えており、
上記第一室には、該第一室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該第一室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記第一室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記第一室の換気量を調整する抵抗が設けられており、
上記第二室の容積は、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように決定されている、
被験体の呼吸波形情報を取得するためのシステム。
【請求項２】
生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室；
室内外が遮断されている、上記第一室と独立した第二室；
上記第一室の内部の気圧と上記第二室の内部の気圧との気圧差を経時的に測定する差圧センサ；および
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する呼吸波形情報生成部
を備えており、
上記第一室には、該第一室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該第一室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記第一室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記第一室の換気量を調整する抵抗が設けられており、
上記第二室は、容積が可変である、
被験体の呼吸波形情報を取得するためのシステム。
【請求項３】
生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室；
室内外が遮断されている、上記第一室と独立した第二室；
上記第一室の内部の気圧と上記第二室の内部の気圧との気圧差を経時的に測定する差圧センサ；および
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する呼吸波形情報生成部
を備えており、
上記第一室には、該第一室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該第一室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記第一室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記第一室の換気量を調整する抵抗が設けられており、
上記差圧センサを介して上記第一室と上記第二室との間を気体が流れ得る、
被験体の呼吸波形情報を取得するためのシステム。
【請求項４】
生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室；
室内外が遮断されている、上記第一室と独立した第二室；
上記第一室の内部の気圧と上記第二室の内部の気圧との気圧差を経時的に測定する差圧センサ；
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する呼吸波形情報生成部；および
生成された呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成する睡眠覚醒情報生成部
を備えており、
上記第一室には、該第一室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該第一室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記第一室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記
第一室の換気量を調整する抵抗が設けられており、
上記第二室の容積は、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように決定されている、
被験体の睡眠覚醒情報を取得するためのシステム。
【請求項５】
生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室；
室内外が遮断されている、上記第一室と独立した第二室；
上記第一室の内部の気圧と上記第二室の内部の気圧との気圧差を経時的に測定する差圧センサ；
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する呼吸波形情報生成部；および
生成された呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成する睡眠覚醒情報生成部
を備えており、
上記第一室には、該第一室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該第一室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記第一室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記
第一室の換気量を調整する抵抗が設けられており、
上記第二室は、容積が可変である、
被験体の睡眠覚醒情報を取得するためのシステム。
【請求項６】
生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室；
室内外が遮断されている、上記第一室と独立した第二室；
上記第一室の内部の気圧と上記第二室の内部の気圧との気圧差を経時的に測定する差圧センサ；
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する呼吸波形情報生成部；および
生成された呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成する睡眠覚醒情報生成部
を備えており、
上記第一室には、該第一室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該第一室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記第一室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記
第一室の換気量を調整する抵抗が設けられており、
上記差圧センサを介して上記第一室と上記第二室との間を気体が流れ得る、
被験体の睡眠覚醒情報を取得するためのシステム。
【請求項７】
前記睡眠覚醒情報生成部は、生成された呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒判定を行うことによって睡眠覚醒情報を生成する、請求項４〜６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
生成された情報を記録する記録部；および
生成された情報を表示する表示部
をさらに備えている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記気圧差が２４時間以上にわたって測定される、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室の内部の気圧と、室内外が遮断されている、前記第一室と独立した第二室の内部の気圧との気圧差を、差圧センサを用いて経時的に測定する工程；および
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する工程
を包含し、
上記第一室には、該第一室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該第一室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記第一室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記第一室の換気量を調整する抵抗が設けられており、
上記第二室の容積は、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように決定されている、
被験体の呼吸波形情報を取得する方法。
【請求項１１】
生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室の内部の気圧と、室内外が遮断されている、前記第一室と独立した第二室の内部の気圧との気圧差を経時的に測定する工程；および
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する工程
を包含し、
上記第一室には、該第一室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該第一室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記第一室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記第一室の換気量を調整する抵抗が設けられており、
上記第二室は、容積が可変である、
被験体の呼吸波形情報を取得する方法。
【請求項１２】
生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室の内部の気圧と、室内外が遮断されている、前記第一室と独立した第二室の内部の気圧との気圧差を、差圧センサを用いて経時的に測定する工程；および
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する工程
を包含し、
上記第一室には、該第一室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該第一室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記第一室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記第一室の換気量を調整する抵抗が設けられており、
上記差圧センサを介して上記第一室と上記第二室との間を気体が流れ得る、
被験体の呼吸波形情報を取得する方法。
【請求項１３】
生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室の内部の気圧と、室内外が遮断されている、前記第一室と独立した第二室の内部の気圧との気圧差を、差圧センサを用いて経時的に測定する工程；
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する工程；および
生成された呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成する工程
を包含し、
上記第一室には、該第一室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該第一室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記第一室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記第一室の換気量を調整する抵抗が設けられており、
上記第二室の容積は、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように決定されている、
被験体の睡眠覚醒情報を取得する方法。
【請求項１４】
生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室の内部の気圧と、室内外が遮断されている、前記第一室と独立した第二室の内部の気圧との気圧差を経時的に測定する工程；
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する工程；および
生成された呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成する工程
を包含し、
上記第一室には、該第一室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該第一室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記第一室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記第一室の換気量を調整する抵抗が設けられており、
上記第二室は、容積が可変である、
被験体の睡眠覚醒情報を取得する方法。
【請求項１５】
生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室の内部の気圧と、室内外が遮断されている、前記第一室と独立した第二室の内部の気圧との気圧差を、差圧センサを用いて経時的に測定する工程；
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する工程；および
生成された呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成する工程
を包含し、
上記第一室には、該第一室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該第一室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記第一室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記第一室の換気量を調整する抵抗が設けられており、
上記差圧センサを介して上記第一室と上記第二室との間を気体が流れ得る、
被験体の睡眠覚醒情報を取得する方法。
【請求項１６】
生成された呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒判定を行う工程をさらに包含する、請求項１３〜１５の何れか１項に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１〜３の何れか１項に記載のシステムを用いて取得した被験体の呼吸波形情報に基づいて前記被験体の睡眠覚醒判定を行う睡眠覚醒判定装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、
上記呼吸波形情報が示す呼吸波形をセグメントに区切り、各セグメントのパワースペクトラムをフーリエ変換により算出する算出手段；
算出された各セグメントのパワースペクトラムの主成分を主成分分析により抽出する抽出手段；および
抽出された各セグメントのパワースペクトラムの主成分を用いて、呼吸波形の各セグメントを相異なる睡眠覚醒状態に対応する複数の群にクラスタリングするクラスタリング手段
として上記コンピュータを機能させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、呼吸波形情報を取得するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
呼吸波形を表示するには、呼吸波形の生成に必要な情報を経時的に測定することが必要である。マウスのような非ヒト小動物の呼吸を非侵襲的に測定する方法として最も普及している手法はＷＢＰである。現在商業的に入手可能なＷＢＰシステムとしては、例えばＥＭＭＳ社（非特許文献１）、Ｂｕｘｃｏ社（非特許文献２）、ＤＳＩ社（非特許文献３）のシステムが挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１７２１９７（平成２１年８月６日公開）
【特許文献２】特開２００４−２５４８２７（平成１６年９月１６日公開）
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】http://www.electromedsys.com/wbp.html
【非特許文献２】http://www.buxco.com/Pulmonary.aspx?Page=UWBP
【非特許文献３】http://www.datasci.com/products/hardware/plethysmography_ chambers.asp
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらのシステムは、マウスを密閉容器に収容し、容器内外の圧力差を検出することによってマウスの呼吸流量を間接的に測定する装置である。マウスの呼吸流量を感度よく検出するには、密閉容器の容積が小さいほど有利であるため、上に挙げたシステムはいずれもマウス１匹をかろうじて収容し得る程度の大きさの容器を用いている。つまり、現在商業的に入手可能なＷＢＰシステムでは、マウスの呼吸の検出感度をあげるために密閉容器の容積を可能な限り小さくしている。そのため、マウスは身動きを取ることができない状態に近い。このような状態はマウスにとって生理的条件下といえず、このような条件下では、マウスを長期間にわたって飼育することができないばかりか、生理的な状態での呼吸波形を生成することができない。
【０００６】
本発明は、被験体の呼吸波形の生成に必要な情報を、長期間にわたって非侵襲的に測定／記録する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明のシステムは、被験体の呼吸波形情報を取得するために、生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する収容室；上記収容室の内部の気圧と上記収容室の外部の気圧との気圧差を経時的に測定する差圧センサ；および、測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する呼吸波形情報生成部を備えており、上記収容室には、該収容室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該収容室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、上記収容室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、第一室の換気量を調整する抵抗が設けられていることを特徴としている。本発明のシステムは、上記気圧差を前記センサの検出範囲内に調整するように、前記抵抗の抵抗量が決定されていることが好ましい。
【０００８】
また、本発明のシステムは、被験体の睡眠覚醒情報を取得するために、生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する収容室；上記収容室の内部の気圧と上記収容室の外部の気圧との気圧差を経時的に測定する差圧センサ；測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する呼吸波形情報生成部；および生成された呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成する睡眠覚醒情報生成部を備えており、上記収容室には、該収容室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該収容室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、上記収容室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、第一室の換気量を調整する抵抗が設けられていることを特徴としている。本発明のシステムは、上記気圧差を前記センサの検出範囲内に調整するように、前記抵抗の抵抗量が決定されていることが好ましい。
【０００９】
本発明の方法は、被験体の呼吸波形情報を取得するために、生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する収容室の内部の気圧と外部の気圧との気圧差を経時的に測定する工程；および測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する工程を包含し、上記収容室には、該収容室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該収容室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、上記収容室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記収容室の換気量を調整する抵抗が設けられていることを特徴としている。本発明の方法は、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように上記抵抗の抵抗量を決定する工程をさらに包含することが好ましい。また、室内外が遮断された、上記収容室と独立して備えられた第二室の内部の気圧を、上記収容室の外部の気圧として用いて前記気圧差を測定する工程をさらに包含することが好ましく、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように第二室の容積を決定する工程をさらに包含することがより好ましい。
【００１０】
また、本発明の方法は、被験体の睡眠覚醒情報を取得するために、生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する収容室の内部の気圧と外部の気圧との気圧差を経時的に測定する工程；測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する工程；および生成された呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成する工程を包含し、上記収容室には、該収容室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該収容室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、上記収容室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記収容室の換気量を調整する抵抗が設けられていることを特徴としている。本発明の方法は、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように上記抵抗の抵抗量を決定する工程をさらに包含することが好ましい。また、室内外が遮断された、上記収容室と独立して備えられた第二室の内部の気圧を、上記収容室の外部の気圧として用いて前記気圧差を測定する工程をさらに包含することが好ましく、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように第二室の容積を決定する工程をさらに包含することがより好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明を用いれば、生理的条件下に近い状態で、測定期間にわたって非拘束にて被験体を収容することが可能となり、被験体の呼吸を生理的条件下に近い状態で長期間にわたって測定し、呼吸波形の生成に必要な情報や、被験体の睡眠覚醒状態を知るための情報を、経時的に取得することができる。また、換気量を調整するために抵抗の抵抗量を変動させることによって、さらに上記気圧差が差圧センサの検出範囲内に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態にかかるシステムの一部の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるシステムの機能ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるシステムの機能ブロック図である。
【図４ａ】本発明の一実施形態における、収容室の容積と動物の換気量との関係を示す図である。
【図４ｂ】本発明の一実施形態を電気回路として示した図である。
【図５ａ】本発明の一実施形態をシュミレーションした結果を示す図である。
【図５ｂ】本発明の一実施形態をシュミレーションした結果を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態にて取得した呼吸波形情報を出力した結果を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態にて取得した睡眠覚醒情報を出力した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
〔Ｉ：第一のシステムおよび方法〕
本発明は、被験体の呼吸波形情報を取得するためのシステム（第一のシステム）を提供する。本発明の第一のシステムは、呼吸波形の生成に必要な情報を簡便かつ非侵襲的に高感度にて経時的に測定し、必要に応じて、呼吸波形の生成に必要な情報の記録および呼吸波形の表示を行うシステムであり、具体的にはWhole body plethysmograph（ＷＢＰ）を行い、被験体の呼吸波形の生成に必要な情報を、長期間（少なくとも２４時間以上、好ましくは７日間以上）にわたって非侵襲的に測定／記録するシステムである。
【００１４】
本発明の第一のシステムは、生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容するための収容室（第一室ともいう。）を備えている。第一室は、長期間にわたって被験体の生理機能を測定するために、被験体の生理的な行動を妨げることなく、生理的条件下に近い状態で、測定期間にわたって非拘束にて被験体を収容することができる。すなわち、第一室は、被験体の生理的な行動を妨げない空間を提供し、生理的条件下に近い状態で、測定期間にわたって非拘束にて被験体を収容するためのものである。
【００１５】
本発明の第一のシステムは、このような第一室を備えているので、被験体の生理的条件下での生活に必要な居住空間が確保されている。これにより、被験体の呼吸を生理的条件下に近い状態で長期間にわたって測定し、呼吸波形の生成に必要な情報を経時的に取得することができる。なお、本発明の第一のシステムにおける第一室には、被験体の長期生活に必要な給水部および給餌部が設けられていることが好ましい。
【００１６】
本発明の第一のシステムはさらに、第一室の内部の気圧と外部の気圧との気圧差を経時的に測定する差圧センサ、および、測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する呼吸波形情報生成部を備えている。本発明の第一のシステムでは、差圧センサが、第一室内外の気圧差を測定し、呼吸波形情報生成部が、測定された気圧差に基づいて第一室内の被験体の呼吸流量（すなわち呼吸波形情報）を生成する。本発明の第一のシステムはまた、必要に応じて、生成された呼吸波形情報を記録する記録部、および生成／記録された情報を呼吸波形として表示する表示部を備えていてもよい。
【００１７】
第一室には、その内外の空気を換気する吸気部および排気部が、第一室に形成された開口（それぞれ吸気口および排気口）を介して設けられている。吸気部にて、第一室外から第一室内へ、差圧センサによる測定を妨げない範囲内での所定量の空気が連続的に流入し、排気部にて、第一室内から第一室外へ所定量の空気を連続的に流出する。このように、吸気部および排気部によって、第一室の必要最低限の換気が行われ、被験体を収容した後の第一室は、吸気部および排気部を除いて収容室の室内外を遮断されて、実質的に密封されている。なお、吸気口および排気口がそれぞれ吸気部および排気部でもあり得る。吸気部および排気部にて空気を所定量にて連続的に入出させるために、吸気部および排気部の少なくとも一方に、一定量の空気を吸気部から第一室内へ連続的に流入させるエアポンプが連結されていることが好ましい。また、吸気部および排気部はいずれも単一であっても複数であってもよく、設けられる位置は第一室の上方であっても下方であってもよい。
【００１８】
本明細書中で用いられる場合、「実質的に密封」された状態は、密封が意図されている室内空間が吸気口および排気口を除いて外部と遮断されており、吸気口および排気口にて、差圧センサによる測定を妨げない範囲内での所定量の空気が行われることによって上記室内が一定の気圧に保たれており、吸気口および排気口では、上記所定量の空気以外の入出が行われない状態をいう。また、「所定量の空気」は、差圧センサによる測定を妨げることがない量の空気をいい、用いる差圧センサに応じて適宜設定されればよい。
【００１９】
本発明の第一のシステムにおいて、吸気口および排気口の少なくとも一方、あるいは吸気部における換気路および排気部における換気路の少なくとも一方には、換気量を調整する抵抗（第一フィルタともいう。）が設けられており、第一フィルタの抵抗量を変動させることによって、第一室の換気量が調整され、さらに上記気圧差が差圧センサの検出範囲内に調整されている。このように、本発明の第一のシステムには、吸気部および排気部における換気路の少なくとも一方に、上記気圧差を上記センサの検出範囲内に調整するための抵抗が設けられており、上記気圧差を上記センサの検出範囲内に調整するように、第一フィルタの抵抗量が決定されているといえる。
【００２０】
上述したように、本発明の第一のシステムは、被験体の長期生活に必要な居住空間である第一室を備えている。本発明の第一のシステムに用いられる第一室は、上述したように実質的に密封され得る限り、その材質および形状等は限定されない。マウスが被験体として用いられる場合、本発明の第一のシステムにおける第一室は、ＮＩＨが定めるマウス１匹あたりの居住空間の規定を満たしており、従来のＷＢＰシステムにおける密閉容器と比較してはるかに大きな容積を有している。現在商業的に入手可能なＷＢＰシステムでは、密閉容器の容積を大きくすると、収容されているマウスの呼吸による微弱な圧変化が、システムに設けられているセンサの検出限界よりも小さくなってしまう。上記の第一室を用いてＷＢＰを行う本発明の第一のシステムでは、第一室の換気量を調整する第一フィルタが、第一室の開口、または吸気部および排気部の少なくとも一方における換気路に設けられており、本発明の第一のシステムではこれが上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するための部材として機能している。これにより、差圧センサにて測定されるべき気圧差を差圧センサの検出範囲内に調整することが可能となり、被験体の生理的な行動を妨げない程度に広い容積を有する第一室にて生活する被験体から、呼吸波形の生成に必要な情報を首尾よく検知することができる。すなわち、上記抵抗の抵抗量は、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように決定されているといえる。
【００２１】
本発明の第一のシステムは、差圧センサにて測定されるべき気圧差を差圧センサの検出範囲内に調整するためのさらなる手段を備えていてもよい。室内外が遮断されている第二室が、第一室と独立して第一室外に設けられていることが好ましく、この場合、第二室内の気圧が、第一室外の気圧として用いられ、第二室の室内容積を変動させることによって、上記気圧差が差圧センサの検出範囲内に調整されている。すなわち、本発明の第一のシステムは、生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室；室内外が遮断されている、第一室と独立した第二室；第一室の内部の気圧と第二室の内部の気圧との気圧差を経時的に測定する差圧センサ；および、測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する呼吸波形情報生成部を備えており、第一室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように、第二室の容積が決定されており、上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、第一室の換気量を調整する抵抗が設けられているといえる。
【００２２】
差圧センサにて測定されるべき気圧差を差圧センサの検出範囲内に調整するためのよりさらなる手段として、抵抗（第二フィルタともいう。）が差圧センサの検出部に設けられていてもよい。第二フィルタが設けられる検出部としては、差圧センサが第一室内の気圧を検出する第一検出部、および差圧センサが第二室内の気圧を検出する第二検出部の少なくとも一方であればよく、好ましくは第二検出部であり、少なくとも第二検出部に設けられていることが好ましい。第二フィルタの抵抗量を変動させることによって、上記気圧差が差圧センサの検出範囲内に調整されている。
【００２３】
本発明の第一のシステムは、第一室に収容された被験体の行動を感知する赤外線センサをさらに備えていてもよい。これにより被験体の行動量を測定することができ、本発明の第一のシステムによって生成された情報と被験体の行動量との相関を調べることができる。なお、赤外線センサによって被験体の行動を感知するために、第一室は赤外線透過ガラスから構成されていることが好ましいが、少なくとも赤外線センサからの赤外線の通路上が赤外線透過ガラスから構成されていればよい。
【００２４】
このように、本発明の第一のシステムは、上述した第一室、差圧センサ、呼吸波形情報生成部を備え、第一室に設けられた吸気部および排気部の少なくとも一方に第一フィルタが設けられていればよいといえ、第二室および／または第二フィルタ、記録部、表示部および赤外線センサがさらに設けられていてもよい。このようなシステムを構成する各部材が、「ＣＰＵなどの演算手段がＲＯＭやＲＡＭなどの記録媒体に格納されたプログラムコードを実行することによって実現される機能ブロックである」場合を例に挙げて、本発明を実行する一実施形態を以下に説明する。
【００２５】
図１は、第一のシステム１００の一部を模式的に示す図である。図１に示すように、第一のシステム１００は、収容部（第一室）１０、補助部（第二室）１０’、差圧センサ１１を備えており、第一室１０に設けられた吸気部２１および排気部２２には第一フィルタ３１が設けられており、吸気部２１にはポンプ２３が接続されている。ポンプ２３は、差圧センサによる測定を妨げない範囲内での所定量の空気を、吸気部２１から第一室１０の室内へ送り込んでおり、対応する量の空気が排気部２２から排出されることによって、第一室１０の内部は一定の気圧に保たれ、実質的に密封されている。そして、吸気部２１および排気部２２の換気路には、抵抗として第一フィルタ３１が設けられている。また、差圧センサ１１の第一検出部および第二検出部には第二フィルタ３２が設けられており、第二フィルタ３２は第二室１０’とともに差圧センサ１１による測定を補助している。
【００２６】
図２は第一のシステムの機能ブロック図である。第一のシステム１００は、図２に示すように、その機能ブロックとして、差圧センサ１１、記録部１２、情報生成部（ＣＰＵ）１３、および表示部１４を備えている。差圧センサ１１は、被験体が収容された第一室１０の内側の気圧と第二室１０’の内側の気圧との差圧を測定する機能を有しており、ＣＰＵ１３は、呼吸波形情報を生成するための演算部（呼吸波形情報生成部）１３ａとしての機能を有しており、記録部１２は、演算部１３ａが処理するための、差圧センサ１１によって得られた情報（差圧情報）、および演算部１３ａが生成した呼吸波形情報を保存する機能を有しており、表示部１４は、演算部１３ａによって生成された呼吸波形情報を呼吸波形として表示する機能を有している。
【００２７】
なお、この機能ブロックは、ＣＰＵ１３が記録部１２に格納された、呼吸波形情報を生成するためのプログラムを実行し、明示しない入出力回路などの周辺回路を制御することによって実現される。これらの機能ブロックは、全てＣＰＵ１３の制御を受けており、その具体的な構成、機能等は特に限定されるものではない。また、第一室１０が実質的に密封されていることが確認された後に上記プログラムが実行されるが、ＣＰＵ１３は、上記プログラムを実行して第一室１０が実質的に密封されているか否かを確認してもよく、あるいは周辺回路を制御して第一室１０を実質的に密封してもよい。
【００２８】
一実施形態において、第一のシステム１００では、第一室１０の室内に被験体が収容され、第一室１０が実質的に密封された後に、差圧センサ１１が、被験体が収容された第一室１０の内側の気圧と補助部１０’の内側の気圧との差圧を測定する。第一のシステム１００に第二室１０’が備えられていない場合、差圧センサ１１は、第一室１０の内側の気圧と外側の気圧との差圧を測定する。ＣＰＵ１３は、測定された差圧を差圧情報として一旦記録部１２へ記録し、測定期間中または測定終了後に、記録部１２に記録された差圧情報を取り出し、被験体の呼吸波形情報を生成する。あるいは、ＣＰＵ１３は、測定された差圧情報を、記録部１２へ記録することなく直接用いて、被験体の呼吸波形情報を生成する。ＣＰＵ１３は、生成した呼吸波形情報を、一旦記録部１２へ記録しても、表示部１４へ直接出力して呼吸波形として表示してもよい。差圧情報に基づいて呼吸波形情報を生成するためのプログラムは、当該分野にて公知の種々のプラグラムが利用可能である。なお、後述する実施例では、差圧センサにて測定したアナログ電位（差圧情報）をアンプで増強し、これを、ＡＤ変換器を介してデジタル信号に変換することによって呼吸波形情報を生成しており、差圧情報を呼吸波形情報として用いているともいえる。また、差圧センサの抵抗を一定に保つことによって、呼吸波形情報は第一室から流出する気体流量に比例する。
【００２９】
吸気部２１および排気部２２に設けられている第一フィルタ３１の抵抗量は、後述する手順に従って予め決定されているが、ＣＰＵ１３は、上記プログラムの実行中に、測定された差圧情報を表示部１４へ直接出力して表示してもよく、使用者は表示された差圧情報に基づいて、第一フィルタ３１の抵抗量を変更してもよい。あるいは、ＣＰＵ１３は、周辺回路を制御して第一フィルタ３１の抵抗量を変更してもよい。
【００３０】
また、第二室１０’の室内容積は、後述する手順に従って予め決定されているが、ＣＰＵ１３は、上記プログラムの実行中に、測定された差圧情報を表示部１４へ直接出力して表示してもよく、使用者は表示された差圧情報に基づいて、第二室１０’の室内容積を変更してもよい。あるいは、ＣＰＵ１３は、周辺回路を制御して第二室１０’の室内容積を変更してもよい。
【００３１】
このように、本発明の第一のシステムを実行する方法もまた、本発明の範囲内である。すなわち、本発明はまた、被験体の呼吸波形情報を取得する方法（第一の方法）を提供する。本発明の第一の方法によって、生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって配置した収容室の内外の気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報が生成される。すなわち、本発明の第一の方法は、被験体を長期間にわたって収容する収容室の内外の気圧差を経時的に測定する工程；および、測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する工程、を包含すればよく、その前段階として、上記収容室の内部に、上記被験体を配置する工程をさらに包含してもよく、さらに、上記収容室を設置する工程や、被験体の長期生活に必要な給水部および給餌部を上記収容室の内部に設ける工程を包含してもよい。
【００３２】
本発明の第一の方法において用いられる収容室は、上述した、生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する第一室であり、具体的には、第一室外から第一室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、第一室内から第一室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、上記被験体を配置した後に、上記吸気部および上記排気部を除いて上記収容室の室内外が遮断される。すなわち、本発明の第一の方法は、上記被験体を配置した後に、上記吸気部および上記排気部を除いて上記収容室の室内外を遮断する工程をさらに包含してもよい。また、所定量の空気を上記吸気部から上記収容室内へ連続的に流入させるエアポンプを上記吸気部および上記排気部の少なくとも一方に連結する工程や、該エアポンプを作動して所定量の空気を上記吸気部から上記収容室内へ連続的に流入させる工程をさらに包含してもよい。
【００３３】
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方には抵抗（第一フィルタ）が設けられており、第一室の換気量が調整され、さらに上記気圧差が差圧センサの検出範囲内に調整されている。このように、第一フィルタの抵抗量は、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように決定されているともいえる。すなわち、本発明の第一の方法は、吸気部および排気部における換気路の少なくとも一方に、第一室の換気量を調整する第一フィルタを設ける工程をさらに包含してもよく、さらに、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するために、第一フィルタの抵抗量を決定する工程を包含してもよい。
【００３４】
差圧センサにて測定されるべき気圧差を差圧センサの検出範囲内に調整するためのさらなる手段として、室内外が遮断されている第二室が第一室と独立して第一室外に設けられてもよく、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように、第二室の室内容積が決定されている。このように、本発明の第一の方法は、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するために、第二室の室内容積を決定する工程をさらに包含してもよい。
【００３５】
差圧センサにて測定されるべき気圧差を差圧センサの検出範囲内に調整するための手段として、差圧センサが第一室内の気圧を検出する第一検出部、および差圧センサが第二室内の気圧を検出する第二検出部の少なくとも一方に、さらなる抵抗（第二フィルタ）が設けられてもよく、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように、第二フィルタの抵抗量が決定されている。このように、本発明の第一の方法は、上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するために、第二フィルタの抵抗量を決定する工程をさらに包含してもよい。
【００３６】
また、生成した呼吸波形情報を利用するために、本発明の第一の方法は、上記呼吸波形情報を記録する工程や、上記呼吸波形情報に基づいて呼吸波形を表示する工程をさらに包含することが好ましい。
【００３７】
本発明の第一のシステムおよび方法を用いれば、被験体の呼吸波形の生成に必要な情報を、簡便、低コストかつ非侵襲的に測定／記録し、必要に応じて呼吸波形を表示することができる。なお、本発明を用いれば、第一室の容積を被験体の換気量の１００００倍以上に設計することが可能である。また、第一室の容積が被験体の換気量の１５０００倍以上、２００００倍以下であっても本発明を実現し得る。
【００３８】
〔２：第二のシステムおよび方法〕
本発明はまた、被験体の睡眠覚醒情報を取得するためのシステム（第二のシステム）を提供する。
【００３９】
哺乳動物の睡眠覚醒情報を取得する方法として最も普及しているものは脳波・筋電図法である。脳波は、主に大脳から検出される小さな電位を経時的に記録したものであり、筋電図は、骨格筋の電位を経時的に記録したものである。脳波・筋電図法を用いて、哺乳類の睡眠覚醒状態をＮＲＥＭ睡眠、ＲＥＭ睡眠、覚醒の３つの状態に分けることができる。
【００４０】
脳波・筋電図法を用いる場合、動物の頭部に電極を留置することが必要である。しかし、マウスのような小動物では、大脳が発する電位が小さいために電極を頭蓋骨に留置することが必要となり、難易度が極めて高い手術を必要とする。そして、頭蓋骨に電極を留置するような大手術をうけた動物の行動パターンは、その動物本来の行動パターンと異なることが知られており、実際に観察したい状態を観察できない可能性がある。また、脳波・筋電図法は、微弱な脳波や筋電図を増幅することが必要となるために、ノイズ対策や高性能アンプが必要となり、コストが極めて高くなる。さらに、脳波・筋電図法に基づいて睡眠覚醒状態を判定するための解析が自動化できていないために、最終的に人間の目で睡眠覚醒状態を判定することになり、限られたリソースの中で大量のデータを処理するには不適切である。
【００４１】
本発明の第二のシステムは、睡眠覚醒状態を判定するための情報を被験体から簡便かつ非侵襲的に高感度にて経時的に測定し、必要に応じて、睡眠覚醒状態を判定するための情報の記録および表示を行うシステムであり、具体的にはWhole body plethysmograph（ＷＢＰ）を行い、被験体の睡眠覚醒状態の判定に必要な情報を、長期間（少なくとも２４時間以上、好ましくは７日間以上）にわたって非侵襲的に測定／記録するシステムである。
【００４２】
本発明の第二のシステムによって、生理機能を長期間にわたって測定されるべき被験体を配置した収容室の内外の気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報が生成され、生成された呼吸波形情報に基づいて睡眠覚醒情報がさらに生成される。すなわち、本発明の第二のシステムは、被験体の呼吸波形情報を取得し、取得した呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成するシステムである。本発明の第二のシステムにおいて、被験体の呼吸波形情報を取得するための構成は、上述した第一のシステムに準じていればよい。すなわち、本発明の第二のシステムは、第一のシステムにて説明した第一室、第一フィルタ、差圧センサおよび呼吸波形情報生成部、ならびに、取得した呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成する睡眠覚醒情報生成部を備えていればよく、第一のシステムにて説明した第二室および／または第二フィルタ、記録部、表示部および赤外線センサがさらに設けられていてもよい。
【００４３】
図３は第二のシステムの機能ブロック図である。機能ブロック以外の構成については第一のシステムと同様であり、上述した第一のシステムについての説明および図１を参照のこと。第二のシステム１０１は、図３に示すように、その機能ブロックとして、差圧センサ１１、記録部１２、情報生成部（ＣＰＵ）１３、および表示部１４を備えている。差圧センサ１１は、被験体が収容された第一室１０の内側の気圧と第二室１０’の内側の気圧との差圧を測定する機能を有しており、ＣＰＵ１３は、呼吸波形情報を生成するための演算部（呼吸波形情報生成部）１３ａ、および、睡眠覚醒情報を生成するための演算部（睡眠覚醒情報生成部）１３ｂとしての機能を有しており、記録部１２は、演算部１３ａが処理するための、差圧センサ１１によって得られた情報（差圧情報）、および演算部１３ａが生成した呼吸波形情報、ならびに、演算部１３ｂが生成した睡眠覚醒情報を保存する機能を有しており、表示部１４は、演算部１３ａによって生成された呼吸波形情報を呼吸波形として表示する機能、および演算部１３ｂによって生成された睡眠覚醒情報を表示する機能を有している。
【００４４】
なお、この機能ブロックは、ＣＰＵ１３が記録部１２に格納された、呼吸波形情報および／または睡眠覚醒情報を生成するためのプログラムを実行し、第一のシステムと同様に明示しない入出力回路などの周辺回路を制御することによって実現される。
【００４５】
第二のシステム１０１では、第一のシステムに準じて生成された呼吸波形情報を用いる。ＣＰＵ１３は、生成した呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を直接生成するか、あるいは、測定期間中または測定終了後に、記録部１２に記録された呼吸波形情報を取り出し、被験体の睡眠覚醒情報を生成する。ＣＰＵ１３は、生成した睡眠覚醒情報を、一旦記録部１２へ記録しても、表示部１４へ直接出力して表示してもよい。なお、後述する実施例において、ＣＰＵ１３は、以下の手順に従って呼吸波形情報に基づいて睡眠覚醒情報を生成しているが、睡眠覚醒情報の生成手順はこれに限定されず、本明細書を読んだ当業者によって適宜設計され得る。
【００４６】
［１］呼吸波形のサンプリング
呼吸波形のサンプリングをｆ＝２５０［Ｈｚ］で行う。呼吸頻度の低い動物種ではさらにサンプリングレートが低くてもよい。
【００４７】
［２］時系列呼吸波形のフィルタリング
解析法によっては時系列データを移動平均やガウスフィルターを用いて平滑化する必要がある。具体的には呼吸数や呼吸長を用いる解析の場合にはフィルタリングが必要となる。まずフィルタ幅２０点、平均０、標準偏差２のガウスフィルターをかけることによって高周波成分を除去し、さらにフィルタ幅４０点、平均０、標準偏差２０のガウスフィルターで得られた時系列データを元データから差し引くことによって、基線の揺れを取り除くことができる。
【００４８】
［３］時系列呼吸波形のパワースペクトラムの算出
上記［２］で得られた時系列データを，睡眠覚醒判定を行いたい長さで区切り（１セグメント）、セグメントごとにフーリエ変換を行い、パワースペクトラムを算出する。なおパワースペクトラムを求める際にセグメントごとに線形トレンドを除去し、窓関数としてはハニングウィンドウを用いている。たとえばＬ［秒］の時系列データを取得し、セグメント長をｋ［秒］で解析を行う場合、ｋｆ×Ｌ／ｋの行列を用いて上の計算を行う。後述する実施例では８秒間毎のパワースペクトラムを算出して用いている。
【００４９】
［４］呼吸波形パワースペクトラムの主成分分析
上記［３］で求められたＬ／ｋ個のセグメント毎に求められたＬ／ｋ個のパワースペクトラムのベクトルに対して主成分分析を行い、主成分を抽出する。
【００５０】
［５］呼吸波形パワースペクトラムの第１主成分および第２主成分を用いてＰＤＦクラスタリング
上記［４］で求められた呼吸波形の、セグメント毎のパワースペクトラムの主成分を用いてクラスタリングを行う。クラスタリングはＡｚｚａｌｉｎｉらが提唱した（Stat Comput.,2007）ノンパラメトリック密度推定法を用いてコアとなるクラスタを同定し、残された点はコアクラスタとの距離によってクラスタリングを行う。
【００５１】
［６］クラスタの平均パワースペクトラムを求め「睡眠」あるいは「覚醒」に分類
上記［５］でクラスタリングされた２群を睡眠または覚醒に分類する。哺乳類では呼吸数の大小に大きな違いがあることが知られているので、２群で呼吸数を比較し呼吸数が多い方を覚醒、少ない方を睡眠とする。
【００５２】
このように、本発明では、呼吸波形を周波数領域に変換した後に主成分分析を行う。これにより、動物種に依存することなく最も特徴的な周波数領域におけるパターンを有した２軸に情報を要約することができる。よって、例えばＮＲＥＭ睡眠における呼吸のパターンが異なる場合であっても、ＮＲＥＭと覚醒との間でパターンに差異があれば２群に分けることができる。すなわち、公知技術と比較して事前に必要とされる情報（例えば、どの周波数領域が睡眠に特徴的であるかなど）の種類を極めて低減することができる。
【００５３】
ヒトの睡眠覚醒に関し、特許文献１（特開２００９−１７２１９７）は、接触性の体動検知センサから検出した呼吸信号に基づいてヒトの睡眠状態を判定する技術を開示しており、特許文献２（特開２００４−２５４８２７）は、取得した生体情報に基づいてヒトの睡眠状態を判定する技術を開示している。特許文献１の技術は、被験者にセンサを取り付けないと測定することができない。これに対して、本発明は、被験体の呼吸を非接触性に測定している。特許文献２の技術が用いる生体情報は、皮膚温、体温、脈拍、心拍、血圧、呼吸、発汗および体動などであり、極めて複雑である。これに対して、本発明は、生体情報として呼吸のみを用いるので極めて簡易である。また、特許文献１には、呼吸波形を解析すると基本波、第二高調波、第三高調波の周波数成分が得られ、これらの検出結果に応じて睡眠状態を判定する旨が記載されているが、このような判定を実現するためには、判定基準を生成するために膨大な情報量が事前に必要とされる。これに対して、本発明は、どの周波数ピークが重要であるかなどという情報を事前に必要とすることなく、被験体の状態を睡眠と覚醒の２群に分けることができる。
【００５４】
なお、上述したように、呼吸波形の周期に基づいて睡眠と覚醒に分類することを説明したが、呼吸の変動（例えば、周波数領域でのピークの分散や、呼吸長の分布などのような周波数領域における分布の時間変化）に基づいてＲＥＭ睡眠とその他（例えばＮＲＥＭ睡眠）を区別することができる。
【００５５】
このように、本発明の第二のシステムを実行する方法もまた、本発明の範囲内である。すなわち、本発明はまた、被験体の睡眠覚醒情報を取得する方法（第二の方法）を提供する。本発明の第二の方法によって、生理機能を長期間にわたって測定されるべき被験体を配置した収容室の内外の気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報が生成され、生成された呼吸波形情報に基づいて睡眠覚醒情報がさらに生成される。すなわち、本発明の第二の方法は、被験体の呼吸波形情報を取得し、取得した呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成する方法である。本発明の第二の方法において、被験体の呼吸波形情報を取得する段階は、上述した第一の方法に準じて行われればよく、本発明の第二の方法は、上述した第一の方法に、取得した呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成する工程をさらに包含すればよい。
【００５６】
生成した呼吸波形情報および睡眠覚醒情報を利用するために、本発明の第二の方法は、上記呼吸波形情報および／または睡眠覚醒情報を記録する工程や、上記呼吸波形情報に基づいて呼吸波形を表示する工程、生成した睡眠覚醒情報を表示する工程をさらに包含することが好ましい。
【００５７】
本発明の第二のシステムおよび方法を用いれば、簡便、低コストかつ非侵襲的に被験体の睡眠覚醒状態を判定することができ、手術が困難な被験体にも適用可能である。また、本発明は完全な自動化が可能であるため、従来の脳波・筋電図法にて不可欠な目視による状態確認も不要である。また、マウスのような小動物において、呼吸に基づいて睡眠覚醒状態を判定する技術はこれまでに存在しない。本発明の被験体として非ヒト小動物（例えばマウスまたはラット）を用いる場合、薬剤のスクリーニング等に好適に利用される。
【００５８】
〔３：システムおよび方法の最適化〕
本発明は、対象とする被験体の呼吸の特徴に応じて用いられればよく、本発明のシステムおよび方法を実行するにあたり、第一室の容積、差圧センサの感度、第一室の換気路における抵抗、および第二室の容積を最適化することが重要である。動物は種固有の周波数領域における呼吸ピークおよび換気量を有しているので、以下の手順に従えば、本発明のシステムにおける収容室の容積および差圧センサの感度に基づいて、換気路抵抗（第一フィルタおよび／または第二フィルタ）および第二室の容積を最適化することができる。また、以下の手順を適宜改変すれば、本発明のシステムに用いる収容室および差圧センサを、利用可能な換気路抵抗および第二室に基づいて設定することができる。これにより、特定の呼吸の周波数ピークや換気量を増幅して首尾よく検出することができる。つまり、被験体としてマウスを例に挙げて本発明を説明しているが、本発明の対象とする被験体は、マウスのような非ヒト小動物に限定されず、本発明がヒトに対しても適用可能であることを、本明細書を読んだ当業者は容易に理解する。
【００５９】
〔１〕第一室の容積
第一室の容積をＶ０［ｍＬ］、動物の１回換気量をΔＶ［ｍＬ］、呼気時の第一室内圧をＰ０［ｃｍＨ２Ｏ］、吸気時の第一室内圧をＰ１［ｃｍＨ２Ｏ］、第一室内の温度をＴｏｕｔ［Ｋ］、マウスの体温をＴｉｎ［Ｋ］とすると、吸気時と呼気時との圧差ΔＰは、
【００６０】
【数１】
0005995053.tif 000002
となる。収容室内での動物の居住性を考慮するとＶ０は大きいほど好ましいが、Ｖ０が大きくなるにつれてΔＰが小さくなるので、予想されるΔＰを検出し得る差圧センサが必要となる。マウスの１回換気量をΔＶ＝０．２［ｍＬ］、大気圧をＰ０＝１０１３２５［Ｐａ］］、Ｔｉｎ＝３１０［Ｋ］、Ｔｏｕｔ＝２９３［Ｋ］とすると、ΔＰとＶ０の関係は図４ａのようになる。
【００６１】
ＮＩＨが定めるマウス１匹あたりの居住空間は、床面積が９６．７ｃｍ２以上、高さが１２．７ｃｍ以上となっているため、最低でも１２２８ｃｍ３以上の空間容積が必要となる。このため第一室内の容積を１２２８ｃｍ３とした場合、０．００９０［ｃｍＨ２Ｏ］以下の圧力を検出し得る差圧センサを用意することが必要になる。一方で、動物の居住性や飼育の長期化を考慮すると第一室内の容積は大きいほど好ましい。そこで、第一室内の容積を３０００［ｍＬ］、差圧センサの感度を−０．００８〜０．００８［ｃｍＨ２Ｏ］とした場合の検討を以下に示す。
【００６２】
〔２〕呼吸波形情報取得システムの流路
呼吸波形情報取得システムにおける流路を等価の電気回路に置換すると、図４ｂのようになる。Ｒ１は換気路抵抗［ｃｍＨ２Ｏ・ｓｅｃ／ｍＬ］、Ｒ２は差圧センサ抵抗［ｃｍＨ２Ｏ・ｓｅｃ／ｍＬ］、Ｃ１は第一室容積［ｍＬ／ｃｍＨ２Ｏ］、Ｃ２は第二室容積［ｍＬ／ｃｍＨ２Ｏ］を表している。
第一室および差圧センサのインピーダンスをそれぞれＧ１、Ｇ２として次のように表すことができる。
【００６３】
【数２】
0005995053.tif 000003
【００６４】
【数３】
0005995053.tif 000004
このとき、第一室、差圧センサの各々に流入する単位時間あたりの気体体積をｉ１、ｉ２とすると、差圧センサにて検出される圧力Ｖｓ［ｃｍＨ２Ｏ］は
【００６５】
【数４】
0005995053.tif 000005
となり、
【００６６】
【数５】
0005995053.tif 000006
すなわち、
【００６７】
【数６】
0005995053.tif 000007
が回路内の単位時間あたりの気体容積から差圧センサで検出される圧力への伝達関数となり、これはＲ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２が与えられれば一義的に定まる。なお、上述した第一室内の容積および差圧センサの感度に基づいて、後述する実施例では、Ｃ１＝１．７７ｍＬ／ｃｍＨ２Ｏ、Ｒ２＝１．５５ｃｍＨ２Ｏ・ｓｅｃ／ｍＬを用いた。
【００６８】
〔３〕第一室の換気路における抵抗の抵抗量
換気路抵抗Ｒ１を変動させた場合のＧのシミュレーション結果を図５ａに示す。Ｒ１を小さくすることでピークのゲインを下げることなく低い周波数領域をカットすることができる。マウスの生理的な呼吸は１〜１０Ｈｚにおさまるため、今回の実施例ではＲ１＝０．４［ｃｍＨ２Ｏ・ｓｅｃ／ｍＬ］程度が適切であることがわかる。
【００６９】
〔４〕第二室の容積
第二室容積を変化させた際のシミュレーションによって得られたＧを図５ｂに示す。第二室容積を大きくするほどゲインを増加し得ることがわかる。例えば、今回の実施例では、マウスの１回換気量は０．２［ｍＬ］であり呼吸を１０［Ｈｚ］だとすると、肺容積は、０．１ｓｉｎ（２π・１０ｔ）［ｍＬ］と近似することができ、実際の呼吸流量はＴｏｕｔ＝２９３［Ｋ］およびＴｉｎ＝３１０［Ｋ］の際に最大で０．２７５ｃｏｓ（２π・１０ｔ）［ｍＬ／ｓｅｃ］となる。第二室容積を５［ｍＬ］すなわち、Ｃ２＝０．００２９５［ｍＬ／ｃｍＨ２Ｏ］とすると、１０Ｈｚ付近のＧ＝０．０３７［ｃｍＨ２Ｏ／ｓｅｃ／ｍＬ］であり、０．２７５＊０．０３７＝０．０１０２［ｃｍＨ２Ｏ］の振幅の圧波形が差圧センサで得られることになる。実施例で用いている差圧センサの感度が−０．００８〜０．００８［ｃｍＨ２Ｏ］であるため、第二室容積は５ｍＬで十分であることがわかる。
【００７０】
以下に実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。また、本明細書中に記載された文献の全てが、本明細書中において参考として援用される。
【００７１】
なお、本発明のシステムを構成する各部材が、「ＣＰＵなどの演算手段がＲＯＭやＲＡＭなどの記録媒体に格納されたプログラムコードを実行することによって実現される機能ブロックである」場合を例にして説明したが、同様の処理を行うハードウェアによって実現してもよい。また、処理の一部を行うハードウェアと、当該ハードウェアの制御や残余の処理を行うプログラムコードを実行する上記演算手段とを組み合わせて実現することもできる。さらに、上記各部材のうち、ハードウェアとして説明した部材であっても、処理の一部を行うハードウェアと、当該ハードウェアの制御や残余の処理を行うプログラムコードを実行する上記演算手段とを組み合わせて実現することもできる。なお、上記演算手段は、単体であってもよいし、装置内部のバスや種々の通信路を介して接続された複数の演算手段が共同してプログラムコードを実行してもよい。
【実施例】
【００７２】
被験体（マウス）を収容する第一室（容積３０００  ｍＬ）、第一室外の気圧を提供する第二室（容積５  ｍＬ）、第一室と第二室の室内圧の差を測定する差圧センサ（感度−０．００８〜０．００８  ｃｍＨ２Ｏ）、第一室の換気量を調整する抵抗（換気路抵抗）（０．４  ｃｍＨ２Ｏ・ｓｅｃ／ｍＬ）、差圧センサ抵抗（第二抵抗）（１．５５  ｃｍＨ２Ｏ・ｓｅｃ／ｍＬ）、差圧センサからの情報を処理するコンピュータを備えたシステムを構築した。
【００７３】
マウスを収容した後の第一室を実質的に密封し、３日間にわたって呼吸波形を測定しかつ記録した。呼吸波形の測定および記録を異なる２個体について行った。差圧センサにて測定したアナログ電位をアンプで増強し、これを、ＡＤ変換器を介してデジタル信号に変換したものを呼吸波形として出力した。結果を図６に示す。
【００７４】
統計解析環境Ｒを用いて、［１］得られた呼吸波形のサンプリング、［２］時系列呼吸波形のフィルタリング、［３］時系列呼吸波形のパワースペクトラムの算出、［４］呼吸波形パワースペクトラムの主成分分析、［５］呼吸波形パワースペクトラムの第１主成分と第２主成分を用いたＰＤＦクラスタリング、を行った。図７には、［６］クラスタの平均パワースペクトラムを求めて「睡眠」あるいは「覚醒」に分類した結果を示す。なお、上記［２］〜［６］を実行する際の、統計解析環境Ｒにおけるソースコードは以下のとおりである：
【００７５】
【数７】
0005995053.tif 000008
【００７６】
【数８】
0005995053.tif 000009
【００７７】
【数９】
0005995053.tif 000010
【００７８】
【数１０】
0005995053.tif 000011
【００７９】
【数１１】
0005995053.tif 000012
クラスタの平均パワースペクトラムに基づいて「睡眠」あるいは「覚醒」に分類したところ、マウス１において感度９８．５％、特異度８８．５％、マウス２において感度９６．７％、特異度９６．７％にて、８秒間毎の睡眠状態を判定することができた。
【００８０】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００８１】
すなわち、本発明は以下の態様であり得る。
１．生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する収容室；
上記収容室の内部の気圧と上記収容室の外部の気圧との気圧差を経時的に測定する差圧センサ；および
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する呼吸波形情報生成部
を備えており、
上記収容室には、該収容室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該収容室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記収容室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、第一室の換気量を調整する抵抗が設けられている、被験体の呼吸波形情報を取得するためのシステム。
２．前記気圧差を前記センサの検出範囲内に調整するように、前記抵抗の抵抗量が決定されている、１のシステム。
３．生成された呼吸波形情報を記録する記録部；および
生成された呼吸波形を表示する表示部
をさらに備えている、１または２のシステム。
４．生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する収容室；
上記収容室の内部の気圧と上記収容室の外部の気圧との気圧差を経時的に測定する差圧センサ；
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する呼吸波形情報生成部；および
生成された呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成する睡眠覚醒情報生成部
を備えており、
上記収容室には、該収容室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該収容室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記収容室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、第一室の換気量を調整する抵抗が設けられている、被験体の睡眠覚醒情報を取得するためのシステム。
５．前記気圧差を前記センサの検出範囲内に調整するように、前記抵抗の抵抗量が決定されている、４のシステム。
６．生成された呼吸波形情報および／または睡眠覚醒情報を記録する記録部；および
生成された呼吸波形および／または睡眠覚醒情報を表示する表示部
をさらに備えている、４または５のシステム。
７．室内外が遮断されている、前記収容室と独立した第二室をさらに備えており、
前記差圧センサは、第二室内の気圧を前記収容室外の気圧として用いて前記気圧差を測定し、
上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように、第二室の容積が決定されている、１〜６のシステム。
８．前記差圧センサが収容室内の気圧を検出する第一検出部、および／または前記差圧センサが収容室外の気圧を検出する第二検出部に、第二抵抗がさらに設けられており、
上記気圧差を上記差圧センサの検出範囲内に調整するように、第二抵抗の抵抗量が決定されている、１〜７のシステム。
９．前記被験体が２４時間以上にわたって収容される、１〜８のシステム。
１０．前記気圧差が２４時間以上にわたって測定される、１〜９のシステム。
１１．給水部および給餌部が第一室内に備えられている、１〜１０のシステム。
１２．前記被験体が非ヒト小動物である、１〜１１のシステム。
１３．前記非ヒト小動物がマウスまたはラットである、１２のシステム。
１４．前記所定量の空気を前記吸気部から前記収容室内へ連続的に流入させるエアポンプが、上記吸気部および上記排気部の少なくとも一方に連結されている、１〜１３のシステム。
１５．生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する収容室の内部の気圧と外部の気圧との気圧差を経時的に測定する工程；および
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する工程
を包含し、
上記収容室には、該収容室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該収容室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記収容室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記収容室の換気量を調整する抵抗が設けられている、被験体の呼吸波形情報を取得する方法。
１６．生成された呼吸波形情報を記録する工程をさらに包含する、１４のシステム。
１７．生成された呼吸波形を表示する工程をさらに包含する、１４または１５のシステム。
１８．生理機能を測定されるべき被験体を長期間にわたって収容する収容室の内部の気圧と外部の気圧との気圧差を経時的に測定する工程； 
測定された気圧差に基づいて被験体の呼吸波形情報を生成する工程；および
生成された呼吸波形情報に基づいて被験体の睡眠覚醒情報を生成する工程
を包含し、
上記収容室には、該収容室の室外から室内へ所定量の空気を連続的に流入させる吸気部、および、該収容室の室内から室外へ所定量の空気を連続的に流出させる排気部が設けられており、
上記収容室は、上記被験体が収容された後に、上記吸気部および上記排気部を除いて室内外が遮断されており、
上記吸気部における換気路および上記排気部における換気路の少なくとも一方に、上記収容室の換気量を調整する抵抗が設けられている、被験体の睡眠覚醒情報を取得する方法。
１９．生成された呼吸波形情報および／または睡眠覚醒情報を記録する工程をさらに包含する、１８の方法。
２０．生成された呼吸波形および／または睡眠覚醒情報を表示する工程をさらに包含する、１８または１９の方法。
２１．前記抵抗を、前記吸気部における換気路および前記排気部における換気路の少なくとも一方に設ける工程をさらに包含する、１８〜２０の方法。
２２．前記気圧差を前記センサの検出範囲内に調整するように、第一室の換気量を調整する抵抗の抵抗量を決定する工程をさらに包含する、１８〜２１の方法。
２３．室内外が遮断された、前記収容室と独立して備えられた第二室の内部の気圧を、前記収容室の外部の気圧として用いて前記気圧差を測定する工程をさらに包含する、１８〜２２の方法。
２４．前記気圧差を前記差圧センサの検出範囲内に調整するように第二室の容積を決定する工程をさらに包含する、２３の方法。
２５．前記気圧差を前記差圧センサの検出範囲内に調整するように、前記差圧センサが収容室内の気圧を検出する第一検出部、および／または前記差圧センサが収容室外の気圧を検出する第二検出部に設けられた第二抵抗の抵抗量を決定する工程をさらに包含する、１８〜２４の方法。
２６．前記被験体が２４時間以上にわたって収容される、１８〜２５の方法。
２７．前記測定する工程が２４時間以上にわたって行われる、１８〜２６の方法。
２８．給水部および給餌部を第一室内に備える工程をさらに包含する、１８〜２７の方法。
２９．前記被験体が非ヒト小動物である、１８〜２８の方法。
３０．前記非ヒト小動物がマウスまたはラットである、２９の方法。
３１．前記所定量の空気を前記吸気部から前記収容室内へ連続的に流入させるエアポンプを、上記吸気部および上記排気部の少なくとも一方に連結する工程をさらに包含する、１８〜３０の方法。
３２．前記被験体の生理機能を長期間にわたって測定するための収容室の内部に、測定されるべき被験体を配置する工程をさらに包含する、１８〜３１の方法。
３３．前記被験体の生理機能を長期間にわたって測定するための収容室を設置する工程をさらに包含する、１８〜３２の方法。
３４．前記被験体を配置した後に、前記吸気部および前記排気部を除いて前記収容室の室内外を遮断する工程をさらに包含する、１８〜３３の方法。
【００８２】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
被験体の睡眠覚醒状態を把握することによって、被験体の健康管理が可能になる。これにより、被験体にとっての好ましい生活リズムを提案したり、診断時の有力な補助データを提供したりすることができるので、本発明はあらゆる産業に貢献する。
【符号の説明】
【００８４】
１０      収容部（第一室）
１０’    補助部（第二室）
１１      差圧センサ
１２      記録部
１３      情報生成部（ＣＰＵ）
１３ａ    呼吸波形情報生成部
１３ｂ    睡眠覚醒情報生成部
１４      表示部
２１      吸気部
２２      排気部
２３      ポンプ
３１      抵抗（第一フィルタ）
３２      抵抗（第二フィルタ）
１００      第一のシステム
１０１      第二のシステム
【図１】
0005995053.tif 000013
【図２】
0005995053.tif 000014
【図３】
0005995053.tif 000015
【図４ａ】
0005995053.tif 000016
【図４ｂ】
0005995053.tif 000017
【図５ａ】
0005995053.tif 000018
【図５ｂ】
0005995053.tif 000019
【図６】
0005995053.tif 000020
【図７】
0005995053.tif 000021