立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (B) ］

非装着生体計測による睡眠時血圧変動モニタリングシステムの開発
Development of an unobtrusive measuring system for nocturnal blood pressure monitoring
2181903

研究代表者

筑波大学
システム情報系知能機能工学域

助 教

前田祐

佳

そのため日々の血圧モニタリングによる健康[研 究 の 目 的]状態の確認，食事や運動等の生活習慣の管理に現在，我が国の死因は，心疾患が第 2 位，脳より正常域血圧を保つことは疾患の予防となり血管疾患が第 3 位と上位を占めており，両疾患得る。現在では，カフ式の血圧計を用いた血圧を合わせて年間約 31 万人以上が亡くなってい測定が主流となっている 3)。この測定法は，上る。また，国民が介護を要する状態となった原

腕に計器を固定し，加圧により非観血的に計測因についても，両疾患を合わせた割合が全体のを行うことが可能である。特別な技術を要さな20% を超えている。心疾患や脳血管疾患等のいため，診察室だけでなく，家庭内においても循環器病は，生活習慣の改善等により一定の予自身の血圧 (家庭血圧) を測定することが可能

防が可能な疾病にもかかわらず，国民の生命ととなる。家庭血圧が高血圧の診断において，大健康にとって重大な問題となっている 。

きな役割を果たすことが高血圧治療ガイドライ1)

これらの疾患の一つの要因として動脈硬化が挙げられる 。動脈硬化とは動脈の内壁にコレ2)ン 2014 (JSH2014) で 明 記 さ れ，JSH2019 においても同様の内容が記載されている 4)。

ステロールなどの脂質が付着し，しだいに線維自律神経機能の制御不良により夜間の副交感増殖が起き硬化し，内腔が狭くなる病態のこと

優位から日中の交感神経優位の移行が正常に行であり，血液が流れている間は患者に自覚症状われないことが，心疾患・脳血管イベント因子がないまま徐々に進行する。特に血圧上昇時はである夜間高血圧や早朝高血圧の発生要因の一

血流に乱れが生じ，動脈壁が損傷を受けて脂質つとなることが報告されている 5)。

が付着しやすくなり，動脈硬化が促進される。

現在，夜間高血圧症の診断には，カフ式血圧

また逆に動脈硬化が進行すれば血管の柔軟性が計を用いた間欠的に自動測定を行う 24 時間自失われ，高血圧となる。このように高血圧は脳由行動下血圧測定法 (Ambulatory Blood Press-

血管障害，心疾患などのリスクファクターとさ

ure Monitoring, ABPM) が主に利用されている。

れる一方で，自覚症状無く進行し突然重篤な症

しかし，カフ装着による圧迫感が患者に与える状に陥るケースが多いことから「サイレントキ

ストレスや睡眠障害につながる恐れがあること，ラー」とも称される。超高齢社会を迎えた現在

15-30 分間隔の間欠測定であるため急な血圧変において，これらの患者数増加が国民の健康寿動を見落とす可能性ことが指摘されている 6)。

命低下や医療介護費増減につながり，我が国のこれらの点を考慮し，患者に与えるストレスを深刻な課題となっている。

最小限に抑えた低拘束な血圧変動モニタリング― 1 ―立石科学技術振興財団

手法が求められている。
そこで本研究は，睡眠中の非装着的な血圧変動モニタリングによる睡眠時血圧変動の簡易スクリーニングを目標に，光電脈波および心音図を用いた寝具組込型の脈波伝播速度システムの開発を行い，その血圧変動検出精度を検討した。
[計 測 原 理]
・脈波伝播速度 (Pulse Wave Velocity : PWV)

図2

脈波伝播速度とは脈波が血管を伝播する速度開発システムによる計測信号の典型例のことである。脈波伝播速度は血管の硬さに依録・精度評価を行った。心音図計測にはコンデ存し，管が硬いほど脈波は早く伝わる。この特ンサマイク (DB-C9767, Products Limited) を性から脈波伝播速度は動脈硬化の指標の 1 つと使用し，聴診器にコンデンサマイクを組み合わして用いられている。また，動脈壁の硬さは血せベッドに設置した。光電脈波計測には頸部及圧値に大きく影響を受けることから，脈波伝播び 足 首 に ピ ー ク 波 長 565 nm の 脈 波 セ ン サ

速度による血圧推定が行われている 。

(SEN-11574, SparkFun) と 圧 電 セ ン サ を ア・寝具組込型脈波伝播速度システム

レー設置し，荷重値によるセンサの選択および

7)

脈波伝播速度とは異なる 2 点間の生体信号の脈波測定を行った。

到来時間差より血管の硬度，更には血圧を推定

図 2 に開発システムによる計測信号の典型例

するものであり，従来は心電図と脈波の時間差を示す。上段から心音図 (Phonocardiography,または，二点の脈波の時間差から算出される。

PCG)，枕型の光電脈波センサアレーより収録

睡眠下の生体信号計測において，装着型の計測

し た 頸 部 脈 波 (neck Photoplethysmography,

機器は使用者の拘束感を招くだけでなく，装着

neck PPG)，足首クッションの光電脈波センサ不良による測定精度の低下・継続不可や，長時

ア レ ー よ り 収 録 し た 足 首 脈 波 (ankle Photo-間測定に伴う電池容量の問題が生じる。そこで

plethysmography, ankle PPG) であり，心音図

本研究では，心音図センサおよび脈波センサアとそれぞれの脈波において到来時間差である脈レーを用いて，非装着での生体信号の収集を実波伝播時間 (Pulse Transit Time, PTT) を求現した。図 1 に示すとおり，ベッド組み込み式

め，各センサの距離から脈波伝播速度を求めた。の心音図センサ，枕型の光電脈波センサアレー
および足首クッションの光電脈波センサアレー[開発システムの測定精度検証]

を寝具に設置した非装着型デバイスによる生体計測システムを開発し，睡眠時の生体信号の収・実験
被験者 10 名 (22.5±0.7 歳，身長 171.1±7.2cm，体重 62.9±4.8 kg) を対象に開発システムの測定精度の検証を行った。
仰臥位において 1 分間安静にした後，心音図，頸部光電脈波，足首光電脈波および胸部第Ⅱ誘導による心電図を 5 分間の計測した。以下，す図1

寝具組込型脈波伝播速度システム

べての実験において信号の収録は Labview お― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

よ び USB-DAQ (USB-6210, National Instru-・考察とまとめ
本実験では胸部第Ⅱ誘導心電図を基準として，ments) を用いてサンプリング周波数 2000 Hzにて行った。

作製したそれぞれのデバイス (心音図計，枕型・解析方法

光電脈波センサアレーおよび足首クッション型作製した各センサで計測された生体信号の計光電脈波センサアレー) で得られた波形と心電測 精 度 を 検 証 す る た め，心 電 図 の RR 間 隔

図の RR 間隔を比較し，測定精度の検証を行っ(RR interval, RRI) を真値とし，光電脈波，心た。そ の 結 果，心 音 図 は 2.2±1.2 [%]，頸 部音図のピーク間隔 (Peak to Peak interval, PPI)

光 電 脈 波 は 1.7±1.8 [%]，足 首 光 電 脈 波 はとの誤差率 ER を式(1) より求めた。

1.8±0.9 [%] の誤差率であり，最も誤差率の1   PPI (i)−RRI (i)ER  % = ×100 ( 1 )RRI (i)n 1

高い被験者においても 7.2 [%] であったことが示された。光電脈波はそれぞれの部位において一部を除いて 2% 以内の高精度にピーク検出が可能であり，ピークの誤検出などにより誤差・結果開発システムによって計測された生体信号の率が大きい被験者においても，他の信号の誤差典型例を図 3 に示した。上段より，心音図，心率が低いことが明らかとなった。これらの結果

電図，頸部光電脈波の波形である。また被験者

より，3 つの生体信号のピーク間隔を互いに補ごとに得られたそれぞれのピーク検出の誤差率

完することでより高い精度での計測が期待できと各信号の平均を表 1 に示した。

ることが示唆された。
[血圧上昇タスク実験]
・実験
被 験 者 8 名 (22.6±0.8 歳，身 長 171.8±5.5cm，体重 60.9±4.7 kg) を対象に実験を行った。
開発システムにより算出される脈波伝播速度と血圧との相関関係を検証するため，血圧上昇タスクとして昇降運動 100 回を用いた。
血圧上昇タスクの前後 5 分間に開発システム

12345678910mean

図3各生体信号の典型例

表1各生体信号の誤差率

PCG
2.80.1
2.1
0.7
1.6
3.1
1.7
4.3
1.8
3.5
2.2±1.2を用いて心音図，頸部光電脈波及び足首光電脈波を計測し，脈波伝播速度を算出した。また血Error Rate [%]neck PPG ancle PPG1.41.01.1
1.4
1.0
1.5
1.5
1.0
0.9
0.9
1.5
2.4
0.8
1.7
0.8
1.2
7.2
3.9
0.8
2.6
1.7±1.8

1.8±0.9

圧上昇タスク前の安静時と，血圧上昇タスク後の 0(s)，150(s)，300(s) 時にカフ式自動血圧計 (CNAP monitor, CNSystem) を用いて血圧を測定した。
・解析方法
血圧と脈波伝播速度との関係を検証するため，
心音図−頸部光電脈波，心音図−足首光電脈波，
頸部−足首光電脈波間において脈波伝播時間を求め，血圧上昇タスク後の 0-10(s)，145-155(s)，290-300(s) における平均脈波伝播時間を― 3 ―立石科学技術振興財団

青色，心音図−足首光電脈波を赤色，頸部−足首光電脈波を緑色で示した。各脈波伝播時間と収縮期血圧の相関係数はそれぞれ心音図−頸部
光 電 脈 波 が −0.37，頸 部−足 首 光 電 脈 波 が−0.38，心音図−足首光電脈波が −0.55 であり，心音図−足首光電脈波間で負の相関が示された。
・考察とまとめ
図4

本実験では，開発システムによる血圧変動検二次微分法による脈波ピークおよび脈波伝播時間の検出出の可能性を検討するため，血圧上昇タスク時それぞれ算出し，同時刻に測定された血圧とのの血圧変動と脈波伝播時間の関係を検証した。
心音図−足首光電脈波で最も相関が得られた関係を検証した。
脈波伝播時間は 2 点間の生体信号の到来時間要因としては，心音図−頸部光電脈波に比べ伝差より求められるが，その時間間隔の検出方法

播距離が長く，脈波伝播時間が延長したため，として，ボトム法，一次微分法，二次微分法，誤差の影響が小さくなったためと考えられる。

接線法などが挙げられる。本稿では最も精度の[今後の研究の方向，課題]

良かった二次微分法の結果を示す。
図 4 に二次微分法による脈波ピーク検出と脈波伝播時間の検出例を示す。図 4 左上段に脈波開発システムによる非装着での血圧変動検出の典型例，左下段に脈波の二次微分を示す。この可能性が示唆されたことから，夜間高血圧やの二次微分波形のピークを脈波の立ち上がり点早朝高血圧のスクリーニングへの適用が考えらとして検出する。図 4 右側に脈波伝播時間の検れる。今後は季節性変動などを考慮した，長期出例を示す。上段が脈波，下段が心音図であり，的な検証が課題となる。

心音図のピークから，二次微分法によって求めた脈波の立ち上がり点までの到来時間差を脈波[参考文献]伝播時間 (PTT) として検出した。
・結果1 ) 厚生労働省 (2018)「循環器病対策推進基本計画」，脈波伝播時間と収縮期血圧の関係を図 5 に示す。横軸を検出した脈波伝播時間，縦軸を収縮期血圧とし，心音図−頸部光電脈波間の結果をhttps : //www.mhlw.go.jp/content/000688359.pdf2)

日本動脈硬化学会，動脈硬化性疾患予防ガイドラ

イン 2017 年版，一般社団法人日本動脈硬化学会，20173 ) 小澤 利男，新しい血圧測定と脈波解析マニュア
ル，メジカルビュー社，2008
4 ) 日本高血圧学会高血圧治療ガイドライン作成委員会，高血圧治療ガイドライン 20195)

Kario K. et al., Morning surge in blood pressure asa predictor of silent and clinical cerebrovascular disease in elderly hypertensives : a prospective study,Circulation, 107(10), 1401-1406, 2003.
6 ) Paolo Verdecchia et al., Ambulatory Blood Pressure and Cardiovascular Outcome in Relation to Perceived Sleep Deprivation, Journal of American
Heart Association, 49, 777-783, 2007.
7)
図5

Z Tang et al, A chair-based unobtrusive cufflessblood pressure monitoring system based on pulse

脈波伝播時間と収縮期血圧の関係― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

arrival time, IEEE Journal of biomedical and health

Monitoring Obtained from Phonocardiography andinformatics, 21(5), 1194-1205, 2016

Photoplethysmography in a Bed, Proceedings of[成果の発表，論文等]

3．Sho Takahashi, Maeda Yuka, Wakatsuki Naoto,uHealthcare 2018, 2018-12
Mizutani Koichi : Study on Monitoring of Blood

1．Maeda Yuka, Sekine Masaki, Tamura Toshiyo,

Pressure Change using Photoplethysmography dur-Mizutani Koichi : The Fluctuation of Pulse Transit

ing Playing Brass Instrument, Proceedings ofTime in Continuous Cuff-less Blood Pressure
Monitoring, the 41st International Engineering inMedicine and Biology ConferenceuHealthcare 2018, 2018-12
4．前田 祐佳，関根 正樹，田村 俊世，水谷 孝一 : 連
続血圧モニタリングにおける脈波伝播時間の検出方

2．Fujinuma Kohei, Maeda Yuka, Wakatsuki Naoto,
Mizutani Koichi : Study of Pulse Wave Velocity― 5 ―法に関する検討，生体医工学，57，2019