博士（医学）杉木宏司
学位論文題名連 続wavelet変換による二葉機械弁機能不全の診断に関する研究
学位論文内容の要旨【 背景】 人工弁 閉鎖音信 号は短時 間に発 生する急 激で断 続的な周 波数の 変化を伴 う非定常
信 号 であ る た め、 定 常 信号 の 周波 数解析法 であるFFTは人 工弁音解 析には 馴染まず 、臨床検 査 法 と し て 使 用 さ れ て い な い 。 最 近 で は 時 間 周 波 数解 析 の ーつ で あ るWignerVilledistribution(WVD)
を用いた検討も報告されたが、臨床的に確立していない。一方で二葉機械弁の 弁葉の閉 鎖がお互いに非同期でsplitと呼ばれる心音の分裂像を示し、それが一´己舶毎に 変 動す る こ とは 既 に 知ら れ て いる が 、 こ れに 注 目 した 弁機能 不全診 断の報告 はない。
【目 的】本研 究では二葉人工弁閉鎖音のsplitに注目した、時間―周波数解析による弁機能検査法 の確立と その臨 床への導 入を目 的とし、まずこの目的に適った解析法の選択と解析シス
テム の開発を 試みた 。次に構 築した システムを用いて二葉機能不全弁音を解析し、人工弁音の時間周波数解析による弁機能不全の診断の可能性を検討した。
【予備検討1】【 対 象及 ぴ 方 法】 LabVIEW
対 応 信号処 理ツール (sPr)
を 信号解析 に用い て、3種類の周 波数成分 が混在す る4種類のテ スト信 号を時間一周波数共同領域解析(JTFA：短時間フーリェ変換(STFT)、Gabor変 換 、WVD及 ぴ連 続wavelet
変 換(CWT)、adaptive変換 ）と連続 w
avelet変換(CWT)で解析し、その結果を比較検討した。
【 結果1】いず れの方 法も3種類の 信号を分 離しえた 。JTFA
はい ずれも 類似した 解析結果 を
示 し たが 、 ST
FTは tradeo貞 現 象 を、 WVDは ク ロ ス項 な ど の欠点を 認めた 。一方、 CWTは高周 波数ス ケール では高い 時間分解 能を、 低周波数 スケー ルでは高 い周波 数分解能 を示した
点で JTF
Aと異な り、trade缶やクロス項などの欠点を認めなかった。以上の結果から、解析結果を判定しやすいCWTを本研究の信号解析法として選択した。
【予備検討2】【対 象及び方 法】CW
Tは、motherwavelet
により解析可能な周波数領域が異なることから、本研 究 の目 的 に 最適 な waveletを 選択す る予備検 討を行 った。人 工弁音 収集には 周波数特 陸が7k
Hzまでほば平坦なエレクトレットコンデンサマイクロホンを信号増幅器に接続した。人工弁 音 用 信 号 増 幅 器 と A/D変 換 器 の間 に 並 列に 挿 入 した 高 音 域用 バ ン ドパ ス フ ィル タ HFF（ 800〜 4，OOOHz） と 低音 域 用 バ ンド パ ス フィ ル タ L
FF（ 300〜 700Hz）からの2信 号 を、W
indowsX
P上にインストールした信号処理ソフト(Daq−WinVer.
5.
0100、エルメック社製）にて
サン プリング 周波数 lOkHzで収 録した 。信号解 析には 多数のmother w
aveletをサポートしている 石川のwavelet
解析 ソフト M
EM を用い、各種motherw
avelet(Mexicanhat、Gabor8、MOrlet原法、 及び石川 の改変に よるMorletwavelet）に ついてSJM
人工 弁による 大動脈 弁置換 術 症 例 の 同 一 の 人 工 弁 閉 鎖 音 信 号 を 解 析 し 、 splitの 検 出 し や す さ を 検 討 し た 。

【 結果 2】 各種mother w
aveletの中で、石川の 改変によるM
orletのw
aveletによるCWT(MorletCWT)が最高周波数スケール (5KHz)で最も明瞭にsplitを 検出したことから、本システムによる
MorletC
WTを二葉弁閉鎖音解析システムとした。
【本論】【対象と方法】対象は事前 にシネ検査にて弁葉の運動を観察した正常一葉弁（n＝10）、正常二葉 弁194
例 （大 動脈 弁置 換 (AVR)
群 (n=92:
SJM 88、MIRA1、 ATS2、CM1）、 僧帽 弁置 換(MVR)
群(n=86:SJM 83、ATS1、 CMl、 DM1）、 Be
ntall手 術群 くn=16:SJM 16))と10例の機能不全弁（大動脈弁n二ニ7:
SJM6、CM1）、僧帽弁n二ニ3:SJM3))である。予備検討で構成したシステムを用いて 、1例当 たり 15〜 36
心 拍 分の 閉鎖 音をデータにMo
rlet CWTを行い、splitの有無、splitの間 隔(SD及 び各 症例 内の spl
it間隔 の変 動係 数(CV)を 算 出し 、対象症例の 特徴的所見を検討し た。 群間 の比 較は M
ann―WhitneyUtestを 用い 、多 群 間の 比較にはBonferroni補正を行つた。p‑valueは全て0.
05未満で有意差ありとした。
【結果】正常一葉弁では最 も周波数の高いスケールで一本のspikeを伴う水滴様パターンを認めた。正常二葉弁の164例194弁は弁種によらず全例でsplitを示し、SIは心拍毎に変動した。
3群 の SIは AVR群 (n=92) 2.072土 1.136ms、 Bentall群 (n=ニ 16) 2.301土 1.163ms、 MVR群(n=86) 2.00
0土 1.053msで 各群 間に 有意差はなかったが、CVはAV
R群0.353土0.228、Bentall
群0.282
土 01167、MVR
群 0.507土0.25
4で 、MVR
群 で有 意 に大 きかったくそ れぞれp<0.001)。
このため、これ以後はAV
R群にB
entall群；をニルロえ、正常ハ凧群くn=108、SI2.
106
土1.
138ms、CV0.343
土 0.
221)と して 弁 位毎 に検 討す るこ とと した 。機 能不 全弁は10例中6例(AVR3、MVR3）で splitを認め なかった。残る4例（全てAVR)はsplitを認め、SIは2.
207
土0.
837ms、CVは0.1382土0.105で、 正常 AVR
群 と比 較し てCVが有 意に 低 かっ た(p=0.042)。大 動脈 弁 機能 不全の所見をsplitの消失(split
間隔：O、変動係数：O冫もしくはCVの低下としてROC解析を行つた。変動係数のカットオフ値を0.
112以下とすると、感度85.
7%、特異度86.
9Yo、精確度86.
19'oだった。
【考察】正常一葉弁では見 られないsplitとSIの変動を 正常二葉弁全例に認めた所見は弁葉の繊 細な 可動 性に よる 非同 期閉 鎖に よると考え られた。10例の機能不全弁のうち6例に認めた
splitの消失についての報告はないが、正常弁の所見と 比較して明らかに異なることから異常所 見と した 。一 方、 大動 脈弁 位の 弁機 能不 全症 例4例 で認 めた CVの 低下 はDonnersiteinらが 臨床 及び 実験 的検 討で 結論 した 、弁 葉が 自由 に可 動 する ために生じる 弁葉の閉鎖の非同期性が、pannusや血栓のた めに自由な可動が障害されて失われるために起こると考えられた。
4例 中 3例 の 再 手 術 所 見 で 血 栓 や pannusが hinge構 造 や housing ringを 超え て弁 葉 に接 触していたということはその 裏付けとなった。シネ検査は確実に二葉の開閉運動を観察でき、再手 術決 定の 根拠 とな るが 、そ の時 間分 解能 は最 大で も 17ms/lフ レー ムの ため 、CWTで確 認の 容易 な非同期閉 鎖を確認することはほば不可能である。従って高周波数 成分を高い時間分解 能 で 検 出 可 能 な CWTは シ ネ 検 査 に 比 べ て 早 期 か ら の 弁 葉の 異常 運動 検出 には 鋭 敏で あり 、特 に大 動脈 弁位 の機 能不 全検 出に つい てROC解析 の結 果、 高感 度、 高特 異度 だ った ことから、本システムによる人工弁機能不全の診断はスクリーニング検査として有効だと考えられた。

学位論文審査の要旨
主 査 教 授 松 居 喜 郎
副 査 教 授 筒 井 裕 之
副 査 教 授 白 土 博 樹

学 位 論 文題 名連 続wavelet変換による二葉機械弁機能不全の診断に関する研究
人 工弁機能不 全に対す る再弁置 換術の手 術成績は 不良であ り、その成績向上の ためには早 期診断が 重要であ ると報告 されてい る。現在 、弁機能不 全診断のた め、心エコ ー検査と レントゲ ン透視検 査が施行 されるが 、前者は人 工弁葉がパ イロライト カーボン 製でエコ ー波を反 射し観察 が困難で ある。また 後者は放射 線被爆のた めに頻回 に施行が 困難であ り、外来 では聴診 所見の変化 が診断の一 助となる場 合がある 。しかし 、この聴 診所見の 変化は記 録できず客 観性に欠＜ 。一方で、 二葉機械 弁閉鎖音 が1〜lOkHzの周波数帯域に閉鎖音の分裂(split)を 生じること が知られ ているが 、これを 元に弁機 能不全の 診断を試み た報告はな い 。本 研 究 では 二 葉弁閉 鎖音splitを検 出し弁機 能を客観 的に評価 することを 目的として 、◎人工 弁音解析 システム を構築し 、◎つい で同システ ムにより
正 常弁音の所 見を明ら かにし、 ◎最終的 に機能不 全弁閉鎖 音に特徴的 な所見を検 討した。
二 葉機械弁閉 鎖音は、 短時間で 周波数成 分が著し く変化す る非定常信号である ことから、 その解析には時間一周波数解析を必要とする。そこで、弁閉鎖音の解 析に適した 時間―周 波数解析 法を選択 する目的で5種類の解析法（短時間フーリ エ 変換 、 Gabor変 換 、Wigner―Ville分布、 adaptive変換及び 連続wavelet変換 ） にっ い て 3種 類の 信号お よぴ定型 的な二葉 弁閉鎖音 をテスト 信号とし て解析 結 果を 検 討 した 。 この 5種 類 の 解析 法 の中 で 、 連続wavelet変 換が二葉 弁のsplitお よ び その 周 波 数帯域に相 当する信 号を最も 高い時間 分解能で 検出しえた こ とか ら 、 連続 wavelet変換 を 用 いる こ とと し た。 一般に連 続wavelet変換の 解析可能な 周波数範 囲は選択 するmotherwaveletによ り異なり 、石川の改変に よ るMorletwaveletが 周波 数 の高 い splitを 最も 明瞭に 検出した 。この2つの 結果から、 本研究で は石川の 改変によ るMo
rletwav
eletを用いた連続wavelet
変 換 (Morlet CWT)を 用 い た シ ス テ ム を 構 築 す る こ と と し た 。
次に 正 常 症例 に お ける splitの Morlet CWT所 見 を明ら かにする ために2種 類の バンドパス フアルタ ーを内蔵 する自作 の信号収 集機器と サンプリン グ周波数lOkHzの A/D変 換器 に より 5種 類 の 二葉 機 械弁 の 閉 鎖音 信 号 を採 取 し、 そ れ ぞれ のMorletCWTに よる 解 析結 果 を 検討 し た。5種類 の二葉機械 弁はいず れも高周 波数 帯 域 にsplitを呈 し た。 ま た 、こ の 所見 は 同 時に 検 討 した 4種 類の一 葉機械 弁では認め られなか ったことから、正常二葉機械弁に特徴的な所見とした。
ま た、 split間 隔 の 変動 の 程度 は 変 動係 数 を用 い て 表示 し た 。大 動 脈弁位 108
例 と僧 帽 弁 位86例 の正 常 例に お い てsplit間隔 とその変動 係数を検 討したと ころ 、僧 帽 弁 位で は 、 split間隔 の 変 動係 数が 有意に高値 であった 。最後に 、この 正 常 所 見 を 参 考 に 二 葉 弁 機 能 不 全 10例 の split所 見 を 検 討し た 。10例 中6例 はMorletCWTの 結果 splitの 消 失を 認 め た。 残 る4例は 大 動 脈弁 位 で、いずれ もsplitを検 出 し たが 、 split間 隔の 変 動 係数 は いず れ も 0． 3以下 で正 常大動 脈弁 位 の split間 隔の 変 動係 数 0． 343に比ベ低 値であった 。大動脈 弁位に限っ て正 常 例 と弁 機 能 不全 例 のsplit間隔 の 変動 係 数 につ い て ROC解 析 したとこ
ろ 、感 度 85.7％、 特異度86.9％ であった 。これら の所見から 、MorletCWTを用い た閉 鎖 音 splitの 解析 に よる 弁 機 能不 全診 断法はスク リーニン グ検査と して有効 であると考 えられた 。
公 開発 表 で は、 副 査 の白 土 教授 か ら 重症 度とsplitとの 相関、変 動係数の 評価の統 計的妥当性 、解析方 法の影響 について 、筒井教 授から、 splitの消失と変動係数 との関係、 split消失のメ カニズム 、pannus、血栓 の鑑別について、主査の松 居教 授 か らは 、 ニ つの 弁 葉の 自 由 度と split消失との 関係、再 手術症例 の経過 の特 徴 、臨 床経過で の注意す べき所見 についての 質問があ った。い ずれの質
問 に対 し ても 、申請者 は本研究 の結果や これまでに 発表され た論文、 臨床成績を 引用 し 、誠 実かつ的 確に解答 し、今後 の展望とし て模擬循 環回路を 用いた実験モ デルの展開 が必要で あると結 論した。
本研 究 は非侵 襲かつ安 価であり 、主観的 な聴診所見 を客観化 すること で二葉機 械弁 機 能不 全の新た なスクリ ーニング 検査方法を 開発する 一端を担 ったもので あり 、 人工 弁機能不 全の診断 と治療成 績の向上に 重要な寄 与しうる ものであると 評価される 。
審査 員 一同は 、これら の成果を 高く評価 し、大学院 課程にお ける研鑽 や単位取 得な ど もあ わせ申請 者が博士 （医学） の学位を受 けるのに 十分な資 格を有するも のと判定し た。