立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第26号) 2017

非拘束生体計測における嚥下障害の簡易診断システムの開発
Dysphagia Diagnosis System using Biometric Technology2151036

研究代表者

兵庫医科大学八特任講師

木直美は，日本に 1,000 万人以上いる嚥下障害者のな[研 究 の 目 的]かで，誤嚥性肺炎になる危険性が高く，治療が本研究では，人間の生存に関わる基本活動で必要な人を選別する。同時に日本に 300 万人以ある「モノを飲み込み胃に送り込む」という嚥上いる睡眠時無呼吸症候群患者も拾い出す。生下機能を，人工知能を用いて音や呼吸に関する死を分けるともいえる誤嚥の早期発見が肺炎の情報を解析し，非侵襲かつ身体的・心理的スト診断にも非常に有効になる。本システムは，人レスフリーな方法でセンシングして，嚥下障害間にとって優しく非侵襲，非拘束な嚥下診断シの簡易診断システムを開発することを目的としステムであり，X 線造影で検査不能な日中，た。現状の嚥下機能検査は，X 線造影検査が夜間を問わない日常の嚥下モニタリングを実施一般的であるが，本システムでは，計測精度をできる。患者と医療従事者双方の身体，心理的従来と同程度に維持した上で場所，時間，体負担を軽減させ，超高齢化社会の健康管理にも位・動作等の制限や拘束が少なく，さらに X役立てることで一人ひとりが安心して元気で暮線取り扱い技術が不要な，安価で簡便な検査をらすことができる社会を実現し得るという点で，実現する。それにより健康維持のため，健康管非常に独創的で社会的に大きな意味を持つと考理にも役立てられる。高齢者にもやさしく，生える。

活のリズムを乱さない診断を実現し，「人間と従来研究では，嚥下音による周波数解析等が機械の調和の促進」に貢献することを目指した。

行われているが高精度の診断には至っていない

嚥下機能が低下することを「嚥下障害」と言の が 現 状 で あ る。ま た，嚥 下 後 の 呼 気 音 のい，それによる「誤嚥」は，特に体力が衰退しウェーブレット解析で，およそ 350 Hz 以上のている老人にとっては致命傷となりうる (図1)。
誤嚥性肺炎は，咽頭，副鼻腔，歯周，口腔に常在する病原体が，嚥下障害のために唾液などの分泌物とともに気管に入り込んで，気道内に感染することによって引き起こされる。実際，食事の誤嚥よりは，細菌を含む唾液などの分泌物が夜間知らず知らずのうちに気道に入り込む不顕性誤嚥が原因になることも多い。本研究で
― 1 ―

図1

誤嚥(食物・飲料物が誤って気管に入ること)

立石科学技術振興財団

帯域における「ゆらぎ」を確認することによっ下レベル FILS より判定) とした。て，不顕性誤嚥が検出できると報告されている。

標準的な嚥下パターンは，呼息の途中で起こ

本研究では，呼気音の信号解析，音情報解析をり，嚥下中は呼吸が抑制されて無呼吸となり，組み合わせたアルゴリズムを開発した。これは嚥下後の呼吸は呼息から開始する (図 3a)。標従来の方法より精度が高い。さらに，嚥下機能準的でない嚥下パターンとは，嚥下が吸息の途を簡易診断するシステムのプロトタイプを構築中で起きる場合，および嚥下後の呼吸が吸息かした。診断結果をフィードバックすることで，ら再開する場合 (図 3b) を示す。本研究におい個人に適応したリハビリテーションプログラムて，標準的な嚥下パターン時の呼吸停止時間は，に繋げて自主的な健康管理を促すことも可能で健常者 1,441±1,152 ms (range 302-5,834 ms)ある。多職種のプロフェッショナルが関わる嚥

に対し，嚥下障害患者 2,386±2,089 ms (range

下診断の高効率化，省力化を図り，データ収集375-11,599 ms) であった。

して有効性を評価することを目的とした。

一般的には標準的な嚥下パターンで嚥下動作が起こるが，健常者において嚥下 98 回のうち[研究の内容，成果］

嚥下 4 回 (4/98=4.08%) において吸息−嚥下嚥下モニタリング装置の装着位置を図 2 に示す。呼吸情報は，「鼻腔カニューラ型フローセンサ」(Pro-Tech ProFlow cannula, Sleep LabProducts, USA) と 微 差 圧 ト ラ ン ス ミ ッ タ(KL-17，長野計器) から 1 kHz サンプリングで計測した。また音の情報は，甲状軟骨上に張り 付 け る「フ ィ ル ム 型 ピ エ ゾ セ ン サ」(10mm×30 mm 大) を用いて音波形信号を取得した。
嚥下状態を同環境下での比較解析するために，物性(固さ，凝集性等)をコントロールした 3 種(a) 標準的な嚥下パターン
呼息−嚥下−呼息 (E-SW-E) パターン類の検査食 (L0 ゼリー，L2 ゼリー，L3 ペースト)，水 3 ml を使用した。姿勢条件は，椅子座位で行った。対象者は，健常者 11 名 (男性9 名，女性 2 名，40.1±10.7 歳)，嚥下障害患者
10 名 (男性 4 名，女性 6 名，75.6±9.47 歳，嚥

(b) 標準的でない嚥下パターン
呼息−嚥下−吸息 (E-SW-I) パターン

図2装置の装着位置

図3― 2 ―呼吸と嚥下の関係 (呼吸波形は，上向き：呼息，下向き：吸息を示す) (研究成果：雑誌 1 の図 1 より引用)

Tateisi Science and Technology Foundation(I-SW) パターン，嚥下 5 回 (5/98=5.10%) において嚥下−吸息 (SW-I) パターンが観測された。それに対し，嚥下障害患者では嚥下 46回のうち嚥下 6 回 (6/46=13.04%) において吸息−嚥下 (I-SW) パターン，嚥下 5 回 (5/46=10.87%) に お い て 嚥 下−吸 息 (SW-I) パターンが観測された。健常者と嚥下障害患者との間において，カイ二乗検定より，吸息−嚥下
パ タ ー ン は P=0.019，嚥 下 吸 息 パ タ ー ン はP=0.094 の有意差が認められた (統計解析：JMP Pro, SAS Institute Inc, version 12)。
さらに，嚥下イベントによって呼吸リズムがどのようにリセットされるかを示す位相応答曲(a) 健常者

線を図 4 に示す。1 呼吸サイクルを 1 とすると，Oldphase は吸息の始まりを 0 として呼吸相のど の タ イ ミ ン グ で 嚥 下 が 起 こ っ た か を，
Cophase は嚥下の開始タイミングから次の吸息開始までの標準化した時間を表したものを表す値である。Cophase は，吸息と呼息の遷移近くで開始した嚥下の影響を受けたとみられるばらつきを生じた。また 1 以上の Oldphase は，完全な呼吸サイクルの後に嚥下が発生したことを示している。これは，嚥下の複雑な挙動によって引き起こされる嚥下の開始タイミングの遅延に起因すると考えられる。これらの検討では，健常者と嚥下障害患者との間で有意な差はみられなかった。

(b) 嚥下障害患者

図4

本研究は，兵庫医科大学 (No. 1580, 1636)，

Oldphase と Cophase の関係 (研究成果：学術論文 1の Fig8 より引用)

京都大学 (No. C819, C820)，各臨床試験実施病院での倫理審査承認済みの臨床試験プロトコル[今後の研究の方向，課題］に基づいて実施した。本助成金にて購入した解析 装 置 一 式 (64-bit Windows 8 professional-

正常な嚥下と異常な嚥下を判別するために，based computer) を用いて，MATLAB (R2014b,

本嚥下判定アルゴリズムを改善して健康な被験

Mathworks, USA) ソ フ ト ウ エ ア に て 特 異 度者および嚥下障害を有する患者からさらなる88.3% の嚥下判定アルゴリズムを開発することデータ収集が非常に重要となる。また，パターができた。また，吸息−嚥下パターンの頻度が， ン認識手法等を用いて全自動判定方法を開発し，嚥下障害を有する患者において有意に増加する有効性を検証することも課題となる。今後，呼ことを確認した。これらの結果は，本システム

吸と嚥下の非協調が，誤嚥リスクを予測できるが，誤嚥リスクの検出と同様に，嚥下機能障害かを明らかにするために，さらなる研究が必要を評価できることを示唆している。

であると考える。
― 3 ―立石科学技術振興財団〈学会発表〉［成果の発表，論文等］

1．濱口達也，高田柚乃加，松枝沙弥香，高田優，八木〈学術論文〉
1．N. Yagi, S. Nagami, M. K. Lin, T. Yabe, M. Itoda, T.
Imai, Y. Oku, “A noninvasive swallowing measurement system using a combination of respiratory
flow, swallowing sound, and laryngeal motion,”
Medical & Biological Engineering & Computing
Journal, Sep. 2016.
2．永見慎輔，八木直美，魚住龍史，山縣誉志江，田中信吾，伊藤圭子，平位知久，延原浩，森田智視，高橋良輔，栢下淳，越久仁敬，“物性調整した食品別の嚥下動態の相違と適切な嚥下調整食選択への応用”，嚥下医学，第 5 巻，第 2 号，pp. 206-213, 2016.
〈招待講演〉
1．N. Yagi, “Swallow Evaluation System,” The 6 thInternational Conference on Electronics, Communications and Networks, 2016. 12. 13.
2．N. Yagi, “Medical Signal Processing ― Medical andHealth Care,” 2016 International Conference on
Machine Learning and Cybernetics and 2016 International Conference on Wavelet Analysis andPattern Recognition, 2016. 7. 12.
3．N.

Yagi,

“Bioinformation

MeasurementforDysphagia,” 2015 International Conference on
Machine Learning and Cybernetics and 2015
International Conference on Wavelet Analysis andPattern Recognition, 2015. 7. 14.
4．N. Yagi, “Healthcare Monitoring System for
Swallowing by Wearable Sensors,” 4th International
Conference on Informatics, Electronics & Vision,2015. 6. 16.

― 4 ―直美，永見慎輔，岡田雅博，越久仁敬，“MCI 患者における嚥下機能の変化 ,”第 2 回淡路島早期認知症研究会学術集会，2016.
2．井上勝文，吉岡理文，八木直美，永見慎輔，上野博司，越久仁敬，“嚥下音・喉頭変位呼吸圧データに基づく障害判定の検討，”第 12 回日本神経筋疾患摂食・嚥下・栄養研究会，2016.
3．永見慎輔，室繁郎，佐藤篤靖，佐藤晋，八木直美，越久仁敬，“呼吸と嚥下の整合性から見た COPD 患者の嚥下機能異常，”第 24 回バイオフィジィオロ
ジー研究会，2016.
4．永見慎輔，八木直美，魚住龍史，山縣誉志江，延原浩，平位知久，伊藤圭子，田中信吾，森田智視，高橋良輔，栢下淳，越久仁敬，“物性調整した食品別の嚥下動態の相違と適切な嚥下調整食選択への応用，”第 39 回日本嚥下医学会学術講演会，2016.
5．N. Yagi, S. Nagami, H. Ueno, T. Yabe, J. Kayashita,
Meng-Kuan Lin, Y. Oke and Y. Oku, “NoninvasiveAssessments of Swallowing Function by Sound
Frequency Analysis,” the 37th Annual International
Conference of the IEEE Engineering in Medicineand Biology Society, no. 3758, 2015.
〈雑誌〉
1．越久仁敬，永見慎輔，呼吸器疾患における嚥下障害の病態生理 (Pathophysiology of impaired swallow
in respiratory Diseases)，呼 吸 器 内 科，第 29 巻，第 2 号，pp. 155-159，科学評論社，2016. (解析画
像提供：八木直美)