288

日呼吸誌●原7（5），2018著

感圧センサシートを用いた慢性呼吸器疾患対応在宅見守り機器開発の試み
藤本

圭作

山本

彩香

西山

隆也

要旨：既存の感圧センサシート（スリープアイ®）を改良して，在床・離床，呼吸数，呼吸パターン，体動，
SpO2，脈拍数がモニターできる機器を開発し，高齢慢性呼吸器疾患患者の在宅見守りシステムとしての有用性を検討した．呼吸数は既存の機器と良好な相関が得られ，無呼吸・低呼吸および低換気イベント，低酸素状態，体動を捉えることが可能であり，また 1 週間の連続計測から，夜間の中途離床，日中の在床時間を把握することができた．我々が開発した在宅見守りシステムは高齢慢性呼吸器疾患患者の在宅管理に有用と考えられた．
キーワード：在宅見守り，感圧センサシート，慢性呼吸器疾患，在床，離床
In-home monitoring system, Pressure sensor sheet, Chronic lung disease, In-bed,
Bed-leaving

緒言などに設置することが困難なことや，被検者の精神的負担が生じる可能性もある8）9）．以上から可能な限り簡便に，

わが国は超高齢化社会を迎え，老老介護および独居老センサを体表に装着せず無拘束で生体情報を検知する在人が増加し，2015 年の調査では 65 歳以上の高齢者のいる宅見守りシステムの開発が必要になる．また，高齢化に世帯は全世帯の 47.1％を占め，そのうち 26.3％が独居世伴い慢性閉塞性肺疾患（chronic obstructive pulmonary

帯，31.5％が高齢者夫婦のみの世帯となっている1）．高齢

disease：COPD）などの高齢者の慢性呼吸器疾患（chronic者の多くはさまざまな病気を抱えており，訪問看護や訪lung disease：CLD）患者は増加し，呼吸器疾患に特化し問リハビリテーションの需要が高まっている．一方で在た在宅での見守りシステムが必要となる．我々は以前に宅医療に供給できる医療資源は十分ではなく，医療機器

株式会社デンソーと共同して，睡眠時無呼吸症候群（sleepと ITを用いた遠隔医療支援が不可欠となる．この一環とapnea syndrome）の簡易検査機器としてスリープアイ®

して在宅での見守りシステムの開発が盛んに行われてき（株式会社デンソー，愛知県刈谷市）の開発を行い医療機た．見守りシステムは，接触型と非接触型に分類される．

器としての承認を得ている10）．このスリープアイ® を用い

接触型センサでは生体情報を計測することが可能でリアて，一部アルゴリズムを変更・追加し，在床・離床，呼ルタイムのモニタリングに適合する2）〜 4）．しかし，使い慣

吸数，呼吸パターン，体動，体位，経皮的動脈血酸素飽れない高齢者あるいは認知症の患者に日常的に装着させ，脈拍数和度（percutaneous oxygen saturation：SpO2）

ることは困難であり，センサの離脱や誤認識の可能性もがモニターできる在宅見守り機器の開発を試み，CLDをある．一方，非接触型である監視カメラ，光センサ，超対象とした在宅見守り機器としての有用性について検討

音波センサなどでは，リアルタイムに詳細な生体情報をを行った．

モニタリングすることは難しい反面，生活空間に設置することで利用者の負担を軽減でき，危険な状況が発生す

研究対象る際に有効な検知が可能となる5）〜 7）．しかし，機器が高信州大学医学部附属病院に通院加療中の高齢者 CLD価であるとともに，プライバシーに関わるトイレや浴室

患者 8 人と大学生ボランティア6 人を対象とした（Table 1）．
なお，1 週間の在床・離床記録の検討では大学生ボラン

連絡先：藤本 圭作〒 390‒8621 長野県松本市旭 3‒1‒1
信州大学医学部保健学科（E-mail: keisaku@shinshu-u.ac.jp）（Received 10 May 2018/Accepted 15 Jun 2018）

ティアの 2 人から承諾が得られず 4 人となった．高齢者
CLD 患者は同一患者 8 人で行った．CLD 患者の内訳は，
COPD 5 人，気腫合併肺線維症（combined pulmonaryﬁbrosis and emphysema：CPFE）1 人，間質性肺炎（interstitial pneumonia：IP）2 人で，7 人は在宅における長在宅見守りシステム289

期酸素療法（long-term oxygen therapy：LTOT）が施

信州大学医学部医倫理委員会の承認を得て行われた（承行されている．肺拡散能力は全例で低下を示した．LTOT

認番号：3201，承認日：2015 年 7 月 7 日）．

が施行されている CLD 患者は酸素を 2 〜 5 L/分吸入下で方

PaO2＞60 Torrが維持されていた．PaCO2 の軽度上昇を 3

法

例で認めた．本研究は，すべての対象者からインフォー

1．接触型無拘束タイプの在宅見守りシステムの構築（既ムドコンセントを書面で得て，International Conference

存の感圧センサシートの改良）

on Harmonization-Good Clinical Practice とヘルシンキ宣

既存のスリープアイ®には，呼吸波形の出力と無呼吸・言（2008 年）に従い，ヒトを対象とした臨床研究として

低呼吸検出のためのアルゴリズム，体位および体動検知が標準として装備されており，さらにオプションでパル
スオキシメーターの端末と接続し，SpO2 のモニターが可

Table 1 Characteristics and results of pulmonary function test and arterial blood gas analysis in healthy
subjects (control group) and patients with chroniclung disease (CLD group)

能となっている．すべてのデータはフラッシュメモリにControl

CLD

ラッシュメモリに記録された呼吸波形データから，1 分

6

8
5
1
2
7
76.8±3.0 (65-86)
6/2
21.6±1.172.5±8.846.3±6.3
53.6±10.0
122.9±15.0
207.8±40.8
121.3±14.6
56.9±4.6
29.6±3.373.4±5.442.6±1.826.1±0.9

Number
COPD, nCPFE, nIP, nLTOT, nAge, years of old
Sex, male/female
BMI, kg/m2
VC, ％pred
FEV1, ％pred
FEV1/FVC, ％FRC, ％pred
RV, ％pred
TLC, ％pred
RV/TLC, ％DLco, ％pred
PaO2, Torr
PaCO2, Torr
HCO3−, mmol/L

22.7±0.6 (21-24)
2/4
21.6±1.7
101.5±5.2
105.1±4.4
86.8±3.1

Values are means±SEM．COPD：chronic obstructive pulmonary disease，CPFE：combined pulmonary ﬁbrosis and emphysema，IP：interstitial pneumonia，LTOT：long-term oxygentherapy，BMI：body mass index．

て記録される．さらに以下の機能を追加した．①フラッシュメモリの記憶容量を増やし，1 週間のデータ蓄積と乾電池で 1 週間の連続記録ができるようにした． ②フ間の呼吸数を自動的に計算するアルゴリズムを実装した．
③概日リズム表示機能として，就寝に伴う在床，就寝以
外での在床（昼寝など），離床の 1 週間のトレンド表示機
能，④呼吸数，呼吸波形，体動，荷重域，SpO2，脈拍数のトレンド表示機能を追加した（Table 2）．
2．在宅見守りシステムによる夜間の呼吸数，呼吸波形，
SpO2，脈拍，体動信号検出およびトレンド表示と CLD患者における特徴の検討
信州大学医学部附属病院睡眠検査室にて，ベッドシー
ツの下に改良感圧センサシートを敷き，被検者の指にパルスオキシメーターと胸腹部に呼吸運動を検出するためのインダクタンス式呼吸プレティスモグラフ（respiratory
inductive plethysmograph：RIP）を装着し，21 時から
翌朝 6 時までの 9 時間就寝中の測定を行った．
2-1．呼吸数自動測定の妥当性の検討
改良感圧センサシートによる呼吸波形から，呼吸波形のピークを自動的に認識させ，ピーク間の時間を算出し呼吸数を求めた．ピーク間の時間に大きなズレが生じる

Table 2 Characteristics and available measurements of the newly developped apparatus for an
in-home monitoring system
Characteristics
1. Portable and non-constrictive apparatus [W 812×D 555×H 5 mm (control box: H 33 mm)，weight: 1.6 kg]
2. Non-invasive sheet-typed apparatus spread with membran-typed pressure sensors
Available measurements
1. Respiratory rate (RR)
2. Display function of respiratory wave form (RWF)
3. Respiratory disturbance index (RDI)
4. SpO2 and pulse rate (PR)
5. Display of body weight pressure distribution (BWPD)
6. Body movement (BM)7. Trend display function of RR, RWF, SpO2, PR, BWPD, and BM
8. Display function of in-bed and bed-leaving

290

日呼吸誌

7（5），2018

Fig. 1 Representative trend graph of mean respiratory rate for 5 minutes (RR) measured by sensor
sheet automatically ( □ ) and respiratory inductive plethysmograph (RIP) ( ▲ ), and of body movement( ◆ ) at night in one healthy volunteer.
The mRRs measured from the diﬀerent sensor were almost same.

場合には体動によるアーチファクトと判定し除外するス

また健常者のみならず CLD 患者でも妥当な測定ができ，ムージング処理を施した．改良感圧センサシートから計

特徴的な所見が得られたことが重要と考え，統計学的解測された呼吸数の妥当性を検討するために，胸腹部に装析は行わなかった．

着した RIP による呼吸数と比較した．

成

2-2．在宅見守りシステムによる生体信号の比較
8 人の CLD から得られた脈拍数の変動，SpO2 の変動，呼吸数の変動，睡眠呼吸障害指数（respiratory disturbance index：RDI），体動回数を学生ボランティアと比績

1．在宅見守りシステムによる自動計測呼吸数と RIP による呼吸数の比較
Fig. 1 に 1 人の学生ボランティアの夜間呼吸数の変動と較した．

体動の例を示す．呼吸数は改良感圧センサシートによる

3．在宅見守りシステムを用いた1 週間の在床・離床の比較

測定と RIP による測定とを比較したものである．呼吸数

安定期にある CLD患者 8 人と学生ボランティア 4 人に，のプロットは 5 分間の平均を示す．両者による測定はほ自宅へ改良感圧センサシートを持ち帰らせ，敷き布団とぼ一致していることがわかる．また，体動は感圧センサ

シーツの間に敷き，電源を入れたままの状態で 1 週間計からの体圧信号の変動から呼吸信号を除去し，移動時間測を行った．1 週間後に回収し，フラッシュメモリに記のアルゴリズムを含めて算出された数値であるが，1,000

録されたデータの解析を行った．

index 以上を有意な体動と判定した．これは，寝返りを4．統計

うつのはもちろん，大きな体の動きを判定する閾値に相

本文および Table の数値は平均±標準誤差（standard

当する．Fig. 2 に全対象者で検討した感圧センサシート

error of the mean：SEM）で表示した．センサシートによから自動計算された呼吸数と RIP で得られた呼吸数の相る呼吸数と RIPによる呼吸数の単回帰分析には Spearman

関を示す．相関係数が 0.988 ときわめて良好な相関が得の順位相関係数を用いた．健常学生ボランティアと CLDられた．学生ボランティアおよび CLD患者群での相関係との比較は，健常学生ボランティアの例数が少ないこと

数の平均は，各々 0.94±0.02，0.91±0.03 と両者に差はな

から，統計学的差を求めることに意味がないと判断し，くきわめて良好な相関が得られた．

在宅見守りシステム

291

Fig. 2 Relationship between mean respiratory rates (RR) for 5 minutes measured by
sensor sheet and calculated from respiratory inductive plethysmograph (RIP) (n=14).
There is a signiﬁcant correlation of RR between the diﬀerent sensors.

Fig. 3 Representative trend graph of vital signs during a part of night in one healthy volunteer by an
in-home monitoring system.
The upper panel showed the trends of wave form of respiration and mean respiratory rates for 5
minutes (RR), middle panel showed the trends of percutaneous oxygen saturation (SpO2) measured
by a pulse oximeter, body movement (BM), and load area of the body pressure, and lower panel
showed the trend of pulse rates from a pulse oximeter.

2．在宅見守りシステムによる夜間生体信号の学生ボラン

呼吸波形の振幅は，呼吸に伴う体圧の変化と，選択されティアと CLD 患者との比較た感圧センサの荷重域およびセンサの数によって自動的

Fig. 3 に 1 人の学生ボランティアの呼吸波形，呼吸数，に計算され，インデックスとして表示される．Table 3 にSpO2 値，体動，荷重域，脈拍数のトレンドグラフを示す．

8 人の CLD 患者と 6 人の学生ボランティアで得られた夜

日呼吸誌

292

7（5），2018

Table 3 Vital signs obtained from a sensor sheet in healthy subjects (control
group) and patients with chronic lung disease (CLD group)
Control

CLD

NumberMean PR, beats/minute
PRmin, beats/minute
PRmax, beats/minute
Mean SpO2, ％Lowest SpO2, ％CT90, ％
Mean RR, breaths/min (RRind)
RRmin, breaths/min (RRind)
RRmax, breaths/min (RRind)659.3±2.444.8±3.6
97.6±2.896.5±0.3
91.2±1.2
0.08±0.05
16.0±0.5 (16.8±0.5)
12.1±0.9 (14.1±0.7)
19.7±0.8 (20.3±0.9)866.1±4.0
53.0±3.1
93.9±5.3
95.5±0.788.5±1.3
1.34±0.72
19.9±1.6 (19.9±1.5)
13.5±1.9 (17.3±1.3)
24.4±2.1 (23.5±2.6)

Hypoventilation, events/night
RDI, events/hour
Body movement, events/hour07.5±1.2
15.4±3.1

21.5±1.912.6±2.827.3±3.6

Values are means±SEM．Hypoventilation was deﬁned as an event of decrease in SpO2
more than 3％ and lasting for more than 5 minutes. PR：pulse rate，PRmin：minimum
PR，PRmax：maximum PR，CT90：cumulative time with SpO2＜90％，RR：respiratory rate，RRmin：minimum RR，RRmax：maximum RR，RRind：RR calculated from
respiratory inductive plethysmograph，RDI：respiratory disturbance index．

間の生体信号の結果を示す．CLD 群において，SpO2＜

数，呼吸パターン，体動，SpO2，脈拍数がモニターでき90％を示す割合（CT90）は大きく，呼吸数の平均およびる見守り機器の開発を行い，学生ボランティアと高齢者

最大値は高値であった．学生ボランティアでは認められ

CLD患者で検証した．呼吸数は RIPで計測した呼吸数となかったが，すべての CLD患者において，SpO2 が 3％以きわめて良好な相関が得られた．健常ボランティアだけ

上緩徐に低下し，5 分間以上継続する低換気と考えられでなく高齢者 CLD 患者においても良好な記録が得られ，る所見が平均 21.5 ±1.9 回/night認められた．センサシー

CLD患者では夜間の呼吸数，無呼吸・低呼吸と低換気のトから検知された周期的な無呼吸低呼吸の指数である

回数，低酸素の占める割合および体動は学生ボランティ

RDI は CLD 患者のうち 4 人において RDI≧15 回/時間のアと比較して多く，自宅での 24 時間 1 週間連続計測では，中等度以上の睡眠呼吸障害を認めた．また夜間の体動はCLD患者において夜間在床時間が長く，夜間の途中離床

CLD 群で高値であった．

が数回認められた．また，日中の在床時間が長く，体調

3．1 週間の在床・離床記録

不良との関連も示唆された．以上から，感圧センサシー

Fig. 4 に 57 歳女性，IP患者（％ VC 37.7％）の連続 1 週間の在床・離床記録の例を示す．就寝・起床時刻は 23トを用いた在宅見守りシステムは高齢 CLD患者の在宅管理に有用と考えられた．

時から 7 〜 8 時とほぼ一定で 8 〜 9 時間の在床時間であ在宅見守りシステムの寝心地については，問題となる

る．夜間の中途離床は 0 〜 1 回で，1 日目と 5 および 6 日

ような有害事象はなく，一部の被検者でシートが硬い，

目は体調が良くないためか日中に何度も在床しているこ

凹凸を少し感じるという意見はあったが，毛布をシートとがわかる．Table 4 に CLD 患者 8 人と学生ボランティの上に敷くことで問題は解決された．センサシートを敷

ア 4 人の 1 週間の在床・離床状況の平均を示す．学生ボ

布の下に敷くだけで無拘束下で在床・離床の生活リズム

ランティアでは就寝時刻が遅く，その標準偏差が大きくを観察することが可能であった．日中の過眠の原因とし就寝時刻および在床時間の変動が大きかった．CLD患者て多いのは，睡眠時間の短縮，不規則睡眠，睡眠相前進

では夜間在床時間は長く，夜間の中途離床が平均 1.59 回

あるいは後退症候群，長時間睡眠者などがあるが，そのと多かった．日中の在床は学生ボランティアではみられ診断に睡眠日記が使用されている11）．このセンサシート

ないが，CLD患者では在床回数は多く，日中の在床時間

を用いれば，就寝時刻，起床時刻，睡眠時間が客観的にの合計の平均は 172.3 分であった．

記録され，診断および評価に用いることができる．学生

考察

既存の感圧センサシートを改良し，在床・離床，呼吸ボランティアでの 1 週間の在床・離床の記録をみると，就
寝時刻，起床時刻，睡眠時間の変動が大きく，不規則睡眠と考えられる．CLD患者の記録をみると，睡眠時間は

在宅見守りシステム

293

Fig. 4 Representative records of in-bed and bed-leaving for one week judged by a pressure
sensor sheet in one patient with interstitial pneumonia.
Interrupted in-bed at night was found sometime whereas the time in-bed and leaving frombed and the duration of in-bed at night was almost constant. The frequency and sum of timeof daytime in-bed was increased due to poor physical condition on ﬁrst, ﬁfth, and sixth day,but not found on second, third, and forth day.

Table 4 Results of one-week recording of in-bed and bed-leaving judged by apressure sensor sheet in healthy subjects (control group) and patients withchronic lung disease (CLD group)
NumberMean time for going to bed at night
SD of mean time for going to bed, minute
Wake-up time in the morning
SD of wake-up time in the morning, minute
Time duration of in-bed at night, minute
SD of time duration of in-bed at night, minute
Events of bed-leaving at night, events/night
Events of in-bed in the daytime, events/daytime
Time duration of in-bed in the daytime, minuteControl

CLD

4
1:16
62
8:03
88.7
399.4±44.0
860.18±0.12
0.00±0.00
0.00±0.00

8
21:32
43.9
7:15
41.1
577.9±31.844.5
1.59±0.47
3.30±1.02
172.3±58.1

Values are means±SEM．SD：standard deviation．

長いが，中途離床が多く，日中の在床時間が長い．このは，夜間の覚醒回数および覚醒時間との間に相関を認め，在床時間と体調不良とは関連があり，体調が悪いときは客観的な睡眠の質の評価に有用とされる13）14）．感圧セン

日中の在床時間が長い．これは慢性疾患患者の在宅でのサシートによる体動とアクチグラフィによる体動との間

体調見守りとして有効な機能となり得る．また，夜間中にはきわめて良好な相関があり（デンソー社内データ），

途離床が多い場合には，膀胱機能障害による頻尿，左心感圧センサによる体動は睡眠効率の低下を反映している不全，睡眠障害などの存在が示唆され ，その原因究明と考えられる．CLD患者では不眠，中途覚醒などの睡眠につながる．また，夜間の体動と睡眠効率との間には密障害を有する比率が高いことが示唆されており15），本研

接な関係があり，アクチグラフィを用いた体動の評価で究結果とも一致する．また，COPD においては，不眠は

12）

294

日呼吸誌

7（5），2018

Fig. 5 Representative part of records of hypoventilation (A) and periodic apnea and hypopnea (B) in patients with CLD.
The upper panel shows a gradual drop of SpO2 and the desaturation lasts for about 28 minutes, which may be due to hypoventilation (A). This patient also showed slight and periodic body movements due to periodic limb movements (PLM).
The lower panel shows periodic drops of SpO2 consistent with the periodic changes in amplitude of breathing, which
may be due to periodic apnea and hypopnea (B).
RR：respiratory rate，BM：body movement，PR：pulse rate．

COPD増悪や死亡率とも関連があると報告されている16）．

よって desaturation がみられる20）．さらに CLD の増悪時

CLD患者に特化させた在宅見守りシステムによる呼吸には desaturation が顕著となる．以上のことから，CLD

数算定のアルゴリズムは既存の RIP での呼吸数ときわめ患者の在宅での管理において，特に夜間の SpO2 のモニタて良好な相関があり，ほぼ同等であった（19.9±1.6 vs 19.9

リングは低換気および睡眠時無呼吸低呼吸（sleep apnea±1.5）が，むしろ呼吸数の変動が重要と思われる．CLD

hypopnea：SAH）の発見に重要であり，治療必要性の判の代表疾患である COPDの 10〜30％に閉塞性睡眠時無呼断にもつながる．また，両者の区別も可能であり，SAH

吸（obstructive sleep apnea：OSA）を合併し ，overlap

では周期的に変動し鋸歯状を呈するが，低換気ではなだ

syndrome と呼ばれる18）．この合併頻度は一般の popula-らかに低下していくのが特徴である．Fig. 5 に CLD 患者

tion と同様であるが，OSA を合併しない群と比較し，睡で観察された低換気の例（A）と周期性無呼吸低呼吸イ

眠中の SpO2 の低下（desaturation）および睡眠障害は顕著

ベントの例（B）を示す．今回は，低換気を SpO2 の低下でであり，増悪頻度および死亡率は有意に高く，持続性陽判断した．呼吸波形や呼吸数から低換気が判断できるの17）

圧呼吸（continuous positive airway pressure：CPAP）

かという点について，本センサシートでは，呼吸波形の治療はその死亡率を有意に軽減する19）．また，呼吸機能

振幅は，呼吸に伴う体圧の変化を感知する感圧センサの障害を有する CLD では， 特に REM 睡眠時の低換気に

荷重域および選択されたセンサの数によって自動的に変在宅見守りシステム

295

動するため一定にはならない．よって，体動があると低6）Botia JA, et al. Ambient assisted living system for

換気を判定することは困難となってしまう．今後，この

in-home monitoring of healthy independent elders.
Expert Systems with Applications 2012; 39: 8136‒48.

点を改良する必要がある．
CLDの在宅見守りとして，いかに体調不良や疾患の増悪を早期に発見し，適切な対処につなげるかが重要である．また，日常生活の活動量を維持することも重要であり，活動量の低下は増悪頻度の増加 21）や独立した生命予後不良因子 22）となる．この在宅見守りシステムを使うことによって，SpO2 の低下，体動の増加，および日中の臥床時間の増加から体調不良を検知できると考えられる．
また，日々の変動はないが毎日の平均在床時間が多い場
合には，日常活動性が低下していることを反映している可能性があり，生活指導に役立てることが可能と考えられる．さらに本機器の特徴は無拘束で患者にセンサを装着せずに呼吸のモニターおよび在床・離床といった生活パターンが把握できることであり，さらにパルスオキシ
メーターを装着すれば，低酸素の有無，脈拍数もモニターが可能である．今後は通信機能を持たせ，クラウドに集積し，遠隔で患者のデータを観察，利用できる IoT（internet of things）の構築を目指す．
謝辞：本研究の遂行にあたって，多大なるご協力をいただ
きました信州大学医学部保健学科検査技術科学専攻学生であった伊藤かえで，今井寛子，柳沢美穂および臨床検査技師の百瀬寿朗さんに心から深謝いたします．

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著者の COI（conﬂicts of interest）開示：藤本圭作；研究費・助成金（株式会社金沢村田製作所，株式会社デンソー）．
他は本論文発表内容に関して特に申告なし．

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75.
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Abstract

Development of an in-home monitoring system for elderly patientswith chronic lung disease using a pressure sensor sheet
Keisaku Fujimoto, Ayaka Yamamoto and Takaya Nishiyama

Department of Clinical Laboratory Sciences, Shinshu University School of Health Sciences
We adapted an existing pressure-sensor sheet for screening sleep apnea‒hypopnea syndrome (Sleep EYE®,
Denso Co. Ltd.) to develop an in-home monitoring system for patients with chronic lung disease (CLD) to monitor
in-bed and bed-leaving, respiratory rate (RR), breathing pattern, body movement (BM), SpO2, and pulse rate, andexamined its eﬀectiveness in 6 healthy volunteers and 8 elderly patients with CLD. When compared with the volunteers, the CLD patients experienced higher RR, increased apnea‒hypopnea and hypoventilation, more cumulative time with SpO2<90%, and increased BM at night. The measurements taken at home every day for 1 week
showed that the CLD patients experienced signiﬁcantly increased in-bed time, frequency of getting out of bed atnight, and in-bed time during the daytime when compared with the volunteers. These ﬁndings suggest that the
newly developed pressure sensor sheet system may be useful as an in-home monitoring system for elderly CLD
patients.