Online publication October 8, 2010

●総説●

第 15 回医用近赤外線分光法研究会

シンポジウム近赤外線分光法による肢機能評価の意義

運動時血管機能の非侵襲的計測
木目良太郎

要村瀬 訓生勝村 俊仁

旨：近赤外線分光法（NIRS）は，機能的磁気共鳴画像法（f-MRI）や超音波ドップラー法では計測不可能な動的運動中の末梢循環動態を連続的かつ非侵襲的にモニタリングできる特徴から，早期の臨床応用が期待されている。透過光の散乱・吸収に対する個体差が非常に大きいことから，定量的な臨床応用にはまだ至っていないが，運動時における酸素動態による血管機能評価に関する研究は，これまでにかなり蓄積されてきている。固定負荷運動中に総ヘモグロビン（total-Hb）と筋組織酸素濃度が有意に増加することが確認されており，この動態は特に低強度運動時で顕著であることから，運動時における total-Hb の増加は末梢血管拡張に起因している可能性について報告されている。また，このような total-Hb の増加が糖尿病患者では確認されなかったことからも，固定負荷運動時における total-Hb の変化により，血管機能を評価できる可能性が示唆される。運動終了後の再酸素化速度は活動筋への酸素供給能力を反映すると考えられ，実際アンチエイジングや閉塞性動脈硬化症患者に対する血管機能評価指標として応用されている。最近では，多チャンネル型プローブを用いて筋酸素動態の不均一性に着目した研究も散見され，今後は末梢血行動態のスクリーニングへの応用も期待される。

（J Jpn Coll Angiol, 2010, 50: 455–460）

Key words: muscle oxygenation, heterogeneity, functional hyperemia, ageing, peripheral vascular disease

はじめに肪厚の影響を補正することで，組織酸素濃度の定量性を大幅に向上する手法についても最近報告されている1, 2）。

近赤外線分光法（NIRS）
は，近赤外線波長域（0.7〜2.5NIRS シグナルは直径 1 mm 以下の血管における変化をμm）
における光の吸収および発光に基づく分光計測法

反映しており，超音波ドップラー法では検出困難な微小で，生体内のヘモグロビン（Hb）およびミオグロビン（Mb）

血管の血行動態を測定できる特徴を有していることから，の量的変化を非侵襲的にモニタリングできる手法として運動中の筋酸素動態，健常人の末梢血管拡張能，加齢幅広く利用されている。運動生理学領域においても，現象，末梢血行動態のスクリーニングなどに幅広く臨床

NIRS 装置を用いた筋組織酸素動態の連続的測定が行わ応用されている3, 4）。本稿では，運動時における筋酸素動れ，数多くの有意義な研究成果が報告されている。

態から血管機能を評価する方法について紹介する。

NIRS は，機能的磁気共鳴画像法（f-MRI）
やポジトロン放末梢血管拡張能の非侵襲的評価法

射型横断断層撮影法（PET）
では計測不可能な動的運動中の末梢循環動態を連続的かつ非侵襲的にモニタリングで運動継続に伴う活動筋からの代謝産物（アデノシン，きる特徴があることから，早期の臨床応用が期待されての漏出により，末梢血管の拡張やH ，乳酸，CO2 など）いる。しかし，透過光の散乱・吸収に対する個体差が非capillary recruitment が惹起することはよく知られている5）。

+

常に大きいことから，定量的な臨床応用にはまだ至って運動により血管拡張物質が産生された結果，血管コンダいないが，筋酸素動態計測の主な誤差要因である皮下脂クタンスが高まり，筋組織への血流量が増加する現象は

東京医科大学健康増進スポーツ医学講座

2009 年 5 月 2 日受理

THE JOURNAL of JAPANESE COLLEGE of ANGIOLOGY Vol. 50 No. 4455

運動時血管機能の非侵襲的計測

Figure 1 Typical responses of ∆[tHb] and ∆[Oxy] to bicycle
exercise. The circle and triangle indicate ∆[tHb] and ∆[Oxy],
respectively. The area determined by dotted lines indicates theexercise period at 40% Wmax for 5 min. ∆[tHb] response ateach work rate was evaluated from the minimum values occurring
within 15 sec after the start of exercise to the maximal values
within 1 min before cessation of exercise as functional blood
volume change (f-∆[tHb]). Also, ∆[Oxy] response at each work
rate was also evaluated from the minimum value occurring
within 1 min after the start of exercise to the maximal value
within 1 min before cessation of exercise as functional oxygenation change (f-∆[Oxy]).

Figure 2 Relationship between f-∆[tHb] and f-∆[Oxy] duringexercise. Each dotted line indicates zero point of f-∆[tHb] andf-∆[Oxy], respectively. The bold solid line represents the linear
regression line (r=0.975, p<0.01).

告している（Fig. 1）
。また，運動中における Δtotal-Hb と筋組織の酸素濃度変化（∆Oxy）との間には有意な正の相関関係が確認されたことから，運動中における Δtotal-Hbの増加が末梢血管拡張に起因している可能性について報告している（Fig. 2）
。糖尿病患者では，動脈硬化が進行

運動性充血（exercise hyperemia）
または機能性充血（func-

し，末梢血管病変や歩行障害が生じることが知られていtional hyperemia）と呼ばれ，局所での血流調節に極めてる。糖尿病患者を対象として歩行運動時における Δtotal-重要な役割を果たしている。運動性充血による局所血流Hb の変化を調べた結果，顕著な増加が確認されなかっの再分布に伴い，組織血流量が均一化し6, 7），酸素需要たことからも10），固定負荷運動中における Δtotal-Hb の増増加に伴う酸素供給増加のマッチングが亢進すること加により，血管病変患者の血行動態機能を評価できるこが低下する可能性についても報告で，酸素借（O2 deficit）とが示唆される。

されている8）。
以上のように，運動性充血は筋細胞への酸素供給に多加齢に伴う酸素供給能の変化大な影響を及ぼすにもかかわらず，ヒト運動時における加齢に伴う様々な機能低下の一つに，活動筋への血流運動性充血の非侵襲的計測が非常に困難であるため，こ量の低下が挙げられる12, 13）。さらに，加齢に伴う導血管れを連続的にモニタリングした研究は極めて少ない。の機能低下に加わり，血管床の減少や血管拡張能の低PET や f-MRI9）を用いた研究も散見されるが，装置特性下により末梢組織への酸素供給能が著しく低下すると考上の問題により，最も運動性充血が起こりやすい動的運えられる14）。運動終了後における筋組織酸素濃度の回復

動時のモニタリングは未だに難しいのが現状である。

から算出された再酸素化速度は，活動筋への酸素供給能

NIRS 装置は他の装置と比べて小型かつ簡便であるたを反映すると考えられている15, 16）。Ichimura ら17）は，加齢

め運動制限が少なく，また運動時における血液量変化をに伴い活動筋の再酸素化速度が有意に低下したが，身体連続的にモニタリングできる特徴を有することから，「動活動レベルの高い群では，低い群と比べて加齢に伴う再酸的運動」
時における運動性充血を非侵襲的に計測できる素化速度の遅延が抑制されたことを報告し（Fig. 3）
，再酸可能性について報告されている10, 11）。筆者ら11）は，固定負素化速度がアンチエイジングに対する血管機能評価指標

荷運動中に総ヘモグロビン変化量（Δtotal-Hb）が有意に増として応用できる可能性についても言及している。ま加し，この動態は低強度運動時で顕著に確認されたと報た，この再酸素化速度は年齢ではなく最高酸素摂取量456

脈管学 Vol. 50, 2010

木目良太郎ほか 2 名Figure 3 Relationship between age and reoxygenation time(T1/2reoxy time) in sedentary and active groups. The slope of
age-related prolongation in T1/2reoxy time was significantly
lower in the active group than in the sedentary group (*p<0.05).

Figure 4 Relationship between VO2peak and T1/2reoxy timein middle-aged and elderly subjects. The logarithm slope ofVO2peak and T1/2reoxy time showed no significant differences
between middle-aged and elderly subjects.

（V O2peak）との間に強い相関がみられたことから（Fig. 4）
，加おいて再酸素化速度は有意に増加したと報告している。

齢に伴う全身持久力の低下には，年齢ではなく局所への酸前述したように，運動終了後の再酸素化速度は活動筋へ素供給能の低下が大きく関与しており，下肢筋の有酸素の酸素供給能力を反映することから，自転車エルゴメー能力向上がアンチエイジングに対して重要であると報告

タによる運動療法により末梢組織への血流が増加するとしている。

いう結果が得られた。さらに，腓腹筋外側頭における再酸素化速度の増加率と最大歩行距離の改善率との間に閉塞性動脈硬化症患者に対する自転車運動療法の効果は有意な正の相関がみられたことから（Fig. 5）
，自転車エルゴメータ運動療法による最大歩行距離の延長には，腓

閉塞性動脈硬化症（ASO）
は間歇性跛行を初発症状とする場合が多く，一般的に軽症例に対しては抗血小板薬や血管拡張薬などを用いた薬物療法が行われる。また，
Fontaine II 度以下の症例に対しては，歩行運動を中心とした運動療法が実施されており，その効果については多くの報告がなされている18〜20）。自転車エルゴメータ運動腹筋外側頭の血流改善効果が大きく寄与していると推察している。

安静時および運動時における筋酸素動態の部位差
大腿動脈や上腕動脈のような弾性血管レベルでは，骨は歩行運動と比較して関節への負担が小さく，転倒の危

格筋エネルギー代謝の亢進に伴い筋血流量が増大すると険性も低く，高齢者にも安全に実施できるので，中高年先行研究で報告されているが22），末梢組織レベルでは，の男性に多く発症する ASO の運動療法には最適な方法

エネルギー需要量の増大に対する血流分布が不均一でと思われるが，ASO 患者に対して自転車エルゴメータにあるとされている6, 7, 23）。このように局所レベルにおける21）よる運動療法を実施した研究は極めて少ない。Murase ら

酸素供給の不均一化が亢進するに伴い，O2 extraction がは，ASO 患者に対して自転車エルゴメータによる 6 週間より低下する可能性について報告されている8）。実際，の通院型運動療法を実施した結果，最大歩行距離に平と肺胞血流量（Q）のバランス（V A /Q）
は，肺胞換気量（V A）

均で 86％の改善が確認され，自転車エルゴメータによる健常者に比べて肺疾患患者のほうがより不均一に分布し運動療法の効果について報告している。また，外側広筋ており24），肺でのガス交換における V A /Q 分布の重要性

および腓腹筋外側頭に NIRS プローブを装着し，運動療が指摘されている25）。

法前後における再酸素化速度を比較した結果，両部位に脈管学 Vol. 50, 2010

肺と同じように筋組織においても，O2 バランスの不均457運動時血管機能の非侵襲的計測

Figure 5 Relationshipbetween improvement ratios of maximal walking
distance (MWD) and reoxygenation time in vastus lateralis (VL) and gastrocnemius (GC) muscles.

一化が運動時の筋酸素消費量に及ぼす影響についていくは，近位部に比べて遠位部の方で有意に大きく，また安つか報告されており，最近では，PET を用いた運動時に静時，運動終了時ともに近位部に比べて遠位部の方でおける筋酸素消費量および筋血流量の不均一性に関するStO2 が有意に低かったと報告している。これらの要因と報告が散見される6, 7）。しかし PET による測定は moving

しては，酸素拡散能や O2 バランス，動員される筋線維artifact の影響を強く受けるので，歩行運動や自転車運動タイプ別動員パターン，筋内圧の増加に伴う血流阻害ののようにダイナミックな運動時の測定は実質的に不可能

部位差による影響と推察される。また，6 週間の持久的である。また時間分解能も乏しいので，運動開始時などトレーニングにより，外側広筋全体にわたって運動時にといった非定常状態の変化を検出することも不可能であおける脱酸素化が顕著に亢進したことから，全身持久力のる。これに対し，NIRS は非侵襲的かつリアルタイムに組向上に対して，外側広筋全体における O2 extraction の亢織酸素濃度変化の評価が可能であり，また自転車運動時進が多大な影響を及ぼしている可能性について報告してにおける組織酸素動態のモニタリングにもこれまで数多

30）。自転車運動以外にも，前腕ハンドグリッいる（Fig. 6）

く用いられている26, 27）。われわれも最近，多チャンネル型

プ運動時31），膝伸展運動開始時32）における脱酸素化動態の近赤外連続光分光法（NIRcws）システムを用いて，自にも部位差が存在するという報告もみられることから，転車運動時における外側広筋の酸素動態不均一性につNIRS 装置を用いて筋酸素動態を評価する場合は，単一いて調べたが26），NIRcws で得られるシグナルは測定開部位のみでなく広範囲にわたって測定を行う必要がある

始時からの相対的変化であるため，安静時における組織酸と思われる。

素動態の差異が検出できない危険性がある。また NIRcws
より得られたシグナルは，濃度変化ではなく量的変化をおわりに反映しており血液量変化の影響が非常に大きい。さらに

本稿では，運動時における筋酸素動態から血管機能を最近，NIRcws より得られる情報は，皮膚血流変化によ評価する方法についていくつか紹介させていただいた。

る影響も無視できないほど大きいと報告されている28）。

今後は多チャンネル型 NIRS 装置を用いた基礎的データをは，複数の受光素一方，近赤外空間分解分光法（NIRSRS）蓄積し，将来的には ASO 患者や糖尿病患者を対象とした子より検出された受光量の空間的傾きから酸素濃度を算末梢血行動態のスクリーニングへ臨床応用されることが出することから，皮膚情報の影響を受けにくく，また組期待される。また最近では 10 万円を下回る NIRS 装置もの算出が可能である。筆者ら は，織酸素飽和度（StO2）販売されていることから，近い将来，末梢血管機能を手多チャンネル型 NIR SRS を用いて，動脈血流遮断時およ軽に評価できる時代が到来する可能性も十分考えられる。

び自転車運動時における外側広筋内の StO2 分布についそのためにも，妥当性・再現性のある運動プロトコールて検討した結果，動脈血流遮断時における StO2 低下率を構築することが喫緊の課題である。

29）

458

脈管学 Vol. 50, 2010

木目良太郎ほか 2 名Figure 6 Muscle tissue oxygen saturation (StO2) in vastus lateralis
muscle at VO2peak before and after 6 weeks endurance training. The measurement probes were attached to the left vastus lateralis muscle along
the direction of the long axis. The eight measurement probes were arranged vertically, with the most distal site being channel 1 and themost proximal site channel 8.
*: p<0.05, **: p<0.01.

なお，本研究の一部は文部科学省研究費補助金（18700536）により行われた。

9）Carlier PG, Bertoldi D, Baligand C et al: Muscle blood ﬂow
and oxygenation measured by NMR imaging and spectroscopy.
NMR Biomed, 2006, 19: 954–967.

文献10）Mohler ER 3rd, Lech G, Supple GE et al: Impaired exerciseinduced blood volume in type 2 diabetes with or without

1）Niwayama M, Yamamoto K, Kohata D et al: A 200-channel

peripheral arterial disease measured by continuous-wave

imaging system of muscle oxgenation using CW near in-near-infrared spectroscopy. Diabetes Care, 2006, 29: 1856–1859.

frared spectroscopy. IEICE Trans Inf Syst, 2002, E85-D:11）Kime R, Im J, Moser D et al: Noninvasive determination of115–123.

exercise-induced vasodilation during bicycle exercise using near2）Kek KJ, Kibe R, Niwayama M et al: Optical imaging in-infrared spectroscopy. Med Sci Monit, 2009, 15: CR89–94.

strument for muscle oxygenation based on spatial resolved12）Beere PA, Russell SD, Morey MC et al: Aerobic exercise

spectroscopy. Opt Express, 2008, 16: 18173–18187.

training can reverse age-related peripheral circulatory changes

3）McCully KK, Hamaoka T: Near-infrared spectroscopy: whatin healthy older men. Circulation, 1999, 100: 1085–1094.

can it tell us about oxygen saturation in skeletal muscle.

13）Proctor DN, Koch DW, Newcomer SC et al: Leg blood ﬂow

Exer Sports Sci Rev, 2000, 28: 123–127.
4）Shiroishi K, Kime R, Osada T et al: Decreased muscle oxygenation and increased arterial blood ﬂow in nonexercisinglimb during leg exercise. Adv Exp Med Biol, in press.
5）Delp MD, Laughlin MH: Regulation of skeletal muscle
perfusion during exercise. Acta Physiol Scand, 1998, 162:411–419.

and VO2peak during peak cycle exercise in younger and olderwomen. Med Sci Sports Exerc, 2004, 36: 623–631.
14）Bearden SE: Effects of aging on the structure and functionof skeletal muscle microvascular networks. Microcirculation,
2006, 13: 279–288.
15）McCully KK, Halber C, Posner JD: Exercise-induced changesin oxygen saturation in the calf muscles of elderly subjects6）Mizuno M, Kimura Y, Iwakawa T et al: Regional differenc-with peripheral vascular disease. J Gerontol, 1994, 49: B128–B134.

es in blood ﬂow and oxygen consumption in resting muscle16）Kutsuzawa T, Shioya S, Kurita D et al: Effects of age onand their relationship during recovery from exhaustive exer-muscle energy metabolism and oxygenation in the forearm.

cise. J Appl Physiol, 2003, 95: 2204–2210.

Med Sci Sports Exerc, 2001, 33: 901–906.

7）Kalliokoski KK, Scheede-Bergdahl C, Kjaer M et al: Muscle17）Ichimura S, Murase N, Osada T et al: Age and activity statusperfusion and metabolic heterogeneity: insights from non-affect muscle reoxygenation time after maximal cycling

invasive imaging techniques. Exer Sport Sci Rev, 2006, 34:exercise. Med Sci Sports Exerc, 2006, 38: 1277–1281.

164–170.
8）Walley KR: Heterogeneity of oxygen delivery impairs oxygen extraction by peripheral tissues: theory. J Appl Physiol,
1996, 81: 885–894.

脈管学 Vol. 50, 201018）Regensteiner JG, Steiner JF, Hiatt WR: Exercise training
improves functional status in patient with peripheral arterial
disease. J Vasc Surg, 1996, 23: 104–115.
19）Patterson RB, Pinto B, Marcus B et al: Values of a supervised459運動時血管機能の非侵襲的計測

exercise program for the therapy of arterial claudication. J
Vasc Surg, 1997, 25: 312–319.

Sci Sports Exerc, 2005, 37: 412–417.
27）Kime R, Osada T, Shiroishi K et al: Muscle oxygenation20）Wullink M, Stoffers HEJH, Kuipers H: A primary careheterogeneity in a single muscle at rest and during bicycle

walking exercise programs for patients with intermittent

exercise. Jpn J Phys Fitness Sports Med, 2006, 55 (Suppl):

claudication. Med Sci Sports Exer, 2001, 33: 1629–1634.

S19–S22.

21）Murase N, Ichimura S, Mori M et al: Effects of bicycle28）Davis SL, Fadel PJ, Cui J et al: Skin blood ﬂow inﬂuences

ergometer exercise and PGE1 injection for patients with in-near-infrared spectroscopy-derived measurements of tissue

termittent claudication. Jpn J Phys Fitness Sport Med, 2006,

oxygenation during heat stress. J Appl Physiol, 2006, 98:

55: S119–S124.

1820–1825.

22）Osada T: Muscle contraction-induced blood ﬂow variability29）木目良太郎，庭山雅嗣，曾根慎悟 他：自転車運動時におけるduring dynamic Knee extensor. Med Sci Sports Exerc, 2004,

単一筋内酸素濃度の部位差について─多チャンネル型近赤外36: 1149–1158.

空間分解分光法を用いて─．脈管学，2008，48：383–388．

23）Richardson RS, Haseler LJ, Nygren AT et al: Local perfusion30）Kime R, Niwayama M, Shiroishi K et al: Unchanged muscle

and metabolic demand during exercise: a noninvasive MRI

deoxygenation heterogeneity during bicycle exercise after 6

method of assessment. J Appl Physiol, 2001, 91: 1845–1853.

week endurance training. Adv Exp Med Biol, in press.

24）Braunwald E, Frauci AS, Kasper DL et al: Harrison’s Prin-31）Fujioka M, Kime R, Koga S et al: Comparison of muscle O2

ciples of Internal Medicine. New York: McGraw Hill, 2001.

dynamics in different site of forearm ﬂexor muscle during25）Wagner PD: Heterogeneity of skeletal muscle perfusion andincremental handgrip exercise. Adv Exp Med Biol, in press.

metabolism. J Appl Physiol, 2003, 95: 2202–2203.
26）Kime R, Im J, Moser D et al: Reduced heterogeneity ofmuscle deoxygenation during heavy bicycle exercise. Med32）Koga S, Poole DC, Ferreira LF et al: Spatial heterogeneityof quadriceps muscle deoxygenation kinetics during cycle
exercise. J Appl Physiol, 2007, 103: 2049–2056.

Noninvasive Evaluation of Microvascular Function during Exercise
Ryotaro Kime, Norio Murase, and Toshihito Katsumura
Department of Sports Medicine for Health Promotion, Tokyo Medical University, Tokyo, Japan
Key words: muscle oxygenation, heterogeneity, functional hyperemia, ageing, peripheral vascular disease

Near infrared spectroscopy (NIRS) can monitor microvascular hemodynamics noninvasively during dynamic exercise, and the NIRS device has been developed to monitor muscle oxidative function in healthy and diseased humans. The absolutevalues determined by NIRS are still difficult to apply to clinical diagnosis since subcutaneous adipose tissue thickness
greatly affects the light pathlength and makes it difficult to quantify tissue oxygenation, especially in measurements ofmuscle oxygenation from the skin surface. However, there have been several studies evaluating microvascular function via
kinetics of muscle deoxygenation during and after exercise. The total [Hb] change (∆[tHb]) and the oxygenation change(∆[Oxy]) during exercise progressively increased as a result of a dilation of the vascular bed and/or capillary recruitment at
lower constant work rates. In addition, the increase in Δ[tHb] in diabetes patients was reduced during exercise. This is likely
due to impaired vasodilation secondary to endothelial dysfunction. Further studies are needed to evaluate whether the Δ[tHb]
increase is a possible means of determining microvascular dysfunction in peripheral vascular disease patients. The reoxygenation
rate after exercise is reflected as O2 supply to the activating muscles, and the reoxygenation rate has been used to evaluate
microvascular function in aging and peripheral vascular disease patients. Recently some studies have reported muscle deoxygenation heterogeneity during exercise using a multi-channel NIRS device. Thus a multi-channel NIRS device may be a
powerful apparatus for the detection of microvascular dysfunction during exercise. (J Jpn Coll Angiol, 2010, 50: 455–460)
Online publication October 8, 2010
460

脈管学 Vol. 50, 2010