心身科学 第 11 巻第 1 号（17 23）（2019）

心拍変動増大に最適な呼吸は圧反射感度を高めるか？（第 2 報）­LF 成分のピーク周波数にもとづいたペース呼吸の効果­榊原雅人＊１） 金田宗久＊２） 石田光男＊１）

心拍変動（HRV）バイオフィードバックは共鳴周波数をもとにしたペース呼吸を介し て心臓血管系の圧反射機能を刺激する（Lehrer et al, 2003）。HRV の低周波変動（LF）は圧反射機能に関連すると考えられるため（Berntson et al, 1997）、LF のスペクトルピークは共鳴周波数と同様の有用性をもたらすことができるかもしれない。本研究は LF スペクトルピーク周波数で行うペース呼吸が共鳴
周波数をもとにしたペースと同様に圧受容体反射感度を増加させるかどうか検討することを目的とした。健康な大学生（N = 12）がこの研究に参加し、心電図、呼吸および連続血圧（BP）データを測定した。すべての参加者は、LF スペクトルピーク周波数で実施するペース呼吸（LF 条件）と共鳴
周波数によるペース呼吸（Resonance 条件）を 7 日の間で各々をランダムな順に経験した。両日とも5 分間のベースライン測定の後、各呼吸条件を 5 分間実施した。結果として、圧受容体反射感度（ms/mmHg）は両方の条件で有意に増加したが、条件と測定期間（ベースライン・呼吸）との間に有意な交互作用は明らかでなかった。LF 振幅（ms）もペース呼吸によって有意に増加したが、条件と測定期間の交互作用は有意ではなかった。これらの結果は、HRV バイオフィードバック訓練におけるペース呼吸に HRV LF スペクトルピークはガイド周波数として使用できることを示唆している。今後、より大きなサンプルサイズで検討を継続する予定である。
キーワード：圧受容体反射感度、シーケンス法、心拍変動、自律神経活動、バイオフィードバック

介して心拍数や血管運動を調節する働きを指す。血圧

Ⅰ．

はじめに

コントロールに関わる代表的なホメオスタシス機能である。Lehrer et al.6）は継続的な HRVBF の練習によっ緩徐なペース呼吸とバイオフィードバックの手続きて心拍変動が増大し、このとき圧受容体反射感度（BRを用いて心拍変動（heart rate variability）を増大さ

sensitivity: BRS）が高まることを報告している。すせる方法を心拍変動バイオフィードバック（heart

なわち、緩徐なペース呼吸を実施する HRVBF の訓練

rate variability biofeedback: HRVBF）とよぶ。これによって BR 機能が継続的に刺激され、ホメオスタシ

まで喘息、心疾患、線維筋痛症、PTSD などストレススが向上する可能性のあることが示唆されている。

1）に関わるさまざまな症状に HRVBF が適用され 、特HRVBF では心拍変動の増大を効率よく引き起こすに、抑うつの低下 2 ）、不安の軽減 3 ）、不眠の改善 4 - 5 ）なために、最適なペースで呼吸をコントロールすることどに有用であることが知られている。HRVBF の効果が重視されている 7 ）。これについて呼吸、心拍数（心の 機 序 の ひ と つとして、この技法が圧受容体 反 射拍変動）、血圧の関係からその機序を示す。図 1 にみ（baroreﬂex: BR）に関わる自律神経機能を高めるよられるように、心拍変動は呼吸活動に強く影響を受けうに働く可能性のあることが指摘されている 1 ）。BRており、息を吸うと心拍数が上昇し吐くと心拍数が低とは、大動脈弓や頸動脈洞にある伸展受容体が血圧の下する。このような呼吸と心拍の連動は呼吸性洞性不変化を感知して孤束核にその情報を送り、自律神経を整脈（respiratory sinus arrhythmia: RSA）として知＊ 1 ）愛知学院大学心身科学部心理学科＊ 2 ）心身科学研究科心理学専攻・研究員（連絡先） 〒 470-0195 愛知県日進市岩崎町阿良池 12 愛知学院大学心身科学部心理学科 E-mail: msakaki@md.ccnw.ne.jp― 17 ―

榊原雅人，金田られている。一方、血圧にはもともと約 10 秒周期の
8）

宗久，石田

光男

該の呼吸ペースを共鳴周波数として特定し HRVBF 訓

変動（Mayer wave）が存在し 、意識的に呼吸周期

練のペース呼吸に利用する。しかしながら、この手続を 10 秒程度に整えると、呼吸によって生じる心拍変

きにはいくつかの問題がある。ひとつは個人の共鳴周動（すなわち RSA）が血圧と共変するようになる。

波数は 6.5cpm のように区切りのよいポイントでなく

この際、吸気に伴って心拍数が上昇するとそれを受け

本来は 6.23cpm のように細かな値になり得る 7 ）。もて血圧は徐々に上昇するが、血圧の反応には 5 秒程

う一つは段階的にペース呼吸を行って共鳴周波数数を度の遅延があり 9 ）、完全に血圧が上がりきるタイミン

同定するためこの手続きに一定の時間を要することでグでは呼気と重なることから、心拍変動と血圧の位相ある。心理療法セッションとして HRVBF を実施する

関係は理論的に 180 となることが指摘されている 1 ）。

場合には、より短時間で正確に共鳴周波数を特定でき

約10秒周期のペース呼吸についてこれらの関係を詳細るよう配慮が必要となろう。

呼気に伴う心拍数の

このような問題に対し、榊原・及川10）は、個人の共低下 と上述の BR によって心拍数を低下させようと鳴周波数を効率的に同定するために、安静時心拍変動する働きにみると、息を吐いたときにはが重なり合うことになり、心拍の減速方向の低周波（low frequency: LF）成分のピーク周波数にへの変化はより大きなものになると考えられる（吸気着目した。彼らは、安静時 LF ピーク周波数をもとにペーではこれらと反対の作用が起こる）。したがって、約10ス呼吸を実施したとき、従来の共鳴周波数検索法に秒のペース呼吸の下では RSA と BR の作用が重なり合

よって同定された周波数のペース呼吸よりも大きな心

1）

うことで心拍変動がより増大するといわれている 。

拍変動が現れることを見出した。安静時の心拍変動にこのような状態を引き起こすのに適切な呼吸のペー

はちょうど 0.1Hz 近傍に LF 成分のピークを観察する

7）

ス を 共 鳴 周 波 数（resonance frequency） と よ ぶ 。

ことができるが、これは上述の BR に関わる血圧変動

身長や性別などの要因から共鳴周波数には個人差のあが心拍変動に現れたものであると考えられている11）。

ることが知られており 1 ）、HRVBF 訓練の初期セッショ

彼らはこの点に着目し、LF ピーク周波数をもとにしンにおいて個人の共鳴周波数を特定する手続きが採らてペース呼吸を行うことで、心拍と血圧の共鳴が効果れている。そこでははじめに 1 分あたり 6 回のペー的に起こると仮定した。榊原・及川の知見ではこの仮ス呼吸を実施して心拍変動の出現度合いを判断し、順説に沿うように心拍変動の増大がみられているが、一次、6.5 回、5.5 回、5 回、4.5 回のペースについて同様方で BRS も増加するかどうかについては明らかにさに評価してゆく。この過程では個人に適切なペースでれていない。そこで、本研究は安静時 LF 周波数をも呼吸が行われたとき心拍変動が最も増大するので、当とにしてペース呼吸を行ったとき、従来の共鳴周波数

図１

10 秒周期呼吸における心拍・血圧変動のモデル― 18 ―

心拍変動増大と圧反射感度の評価

検索法によって導かれたペース呼吸に比べて、心拍変

クトル分析を施し、0.075 -0.108 Hz（4.5 - 6.5回 / 分）動とともに BRS が効果的に増加するかどうか検討すの範囲で最も優勢なピークを同定した。若干の休憩時

12）ることを目的とした。先回の研究（第一報）では、間をおいた後、参加者にはここで決定した周波数で上連続血圧、心拍変動、呼吸の各パラメータを測定し、下するペースメーカをコンピュータ画面中央に呈示

主に BRS の評価システムを構築した。今回はこの評し、これに合わせてペース呼吸を行うよう指示した（ 5価システムを用い健常な大学生を参加者において検討分間）。
Resonance condition

したので報告する。

この条件では従来の

7）

HRVBF プロトコル に従って、各参加者の共鳴周波

Ⅱ．方法

数を同定する手続きを実施した。すなわち、6 、6.5、5.5、5 、4.5 回 / 分の順でペース呼吸を実施した（ 2 分

日常的に喫煙をしない健常な男女大学間）。各々のペース呼吸を行ったときの心拍変動デー

生 12 名（19 〜 21 歳、女性 5 名）を対象として生理タについて FFT によるスペクトル分析を施し、最も指標（連続血圧、心電図、呼吸）を測定した。実験に

大きな LF パワーが出現したものについて当該参加者

あたり、参加者に実験内容（研究の目的および内容、の共鳴周波数として決定した。その後、休憩をおいた

プライバシーの取り扱いなど）について説明し同意書

後、共鳴周波数で上下するペースメーカを上記と同様を得た。なお、本研究は愛知学院大学心身科学部心理にコンピュータ画面中央に呈示し、このタイミングで学科研究倫理委員会の承認を受け、開示すべき利益相

ペース呼吸を行うよう教示した（ 5 分間）
。

実験参加者

分析

反はない。

記録された心電図データから R 波を検出し、動脈血圧波形は左手第 2・3

異常波の混入がないかどうか確かめながら RR 間隔を

指に脈波測定センサを装着し非観血式連続血圧計計測した。この際、RR 間隔の時系列データは水平補（CNAP500, Cnsystem）にて測定した。校正血圧を間によって 500 ミリ秒毎の等間隔データに変換した。

得る目的で左上腕にカフを装着した。心電図は CM 5

各測定条件における心拍変動の大きさの比較には心拍誘導によって時定数 0.1 秒で増幅記録した（BA1008,

変動データのスペクトル分析によって得られる低周波

デジテックス研究所）。呼吸は伸縮ベルトを配置した成分の振幅（LF amplitude）を用いた。上述の条件

ストレンゲージを上腹部に装着して計測した（ストレにしたがってペース呼吸を実施すると、当該の周波数

ンゲージ呼吸センサ , G 1 システム）。これらの生体をピークとした優勢なパワーが LF 周波数帯域に観察

信号は AD 変換ボード（ATP-32F, Contec）を介してされる。これはペース呼吸によって生ずる心拍変動増

1 kHz のサンプリング周期でパーソナルコンピュータ

大の反映である。ここではデータの歪度を減ずる目的（Compaq nx6310, HP）に保存した。

でパワーを振幅値に変換した。

装置および測定

防音シールド室にて各種センサを装着した

一 方、BRS は Parlow et al.13）の方法にしたがって

後、座位で 10 分間の順応期間をおいた。すべての参

spontaneous sequence 法によって評価した。はじめ

加者は LF スペクトルピーク周波数でペース呼吸を行に測定された血圧および心電図データから、収縮期血う条件（LF condition）と共鳴周波数で同じくペース

圧と RR 間隔が共に連続して上昇あるいは下降する系

呼吸を行う条件（Resonance condition）を約 1 週間

列（ 3 〜 7 拍）をコンピュータによって抽出した（生の間隔をおいてランダムに実施した。
両条件において、体情報収録・解析ソフトウエア Analog recorder pro

はじめに 5 分間の安静ベースライン期（Baseline）のBR, G 1 システム）12）。この際、血圧値と RR 間隔の関手続き

測定を行った後、ペース呼吸期（Breathing）の測定

係は、Parlow et al. と同様に圧反射の時間的な特徴（収を以下のように実施した。

縮期血圧の情報が迷走神経と舌因神経を介して中枢へ

LF スペクトルピーク周波数を決定

送られ RR 間隔が調節される過程）を考慮して、あるするにあたり、自発的な呼吸が LF 帯域の心拍変動に

LF condition

時点の血圧の発生からその次に起こる RR 間隔の組み影響することを避けるために、15 回 / 分（0.25 Hz）

合わせとして定義した。次に、各測定期間内の収縮期の呼吸統制を 5 分間実施した。ここでは参加者に眼血圧と RR 間隔の値が同時に 3 〜 7 連続して上昇する

前のコンピュータディスプレイに表示される呼吸ペー（または下降する）シーケンスを抽出した。これらのスメーカに吸気と呼気を合わせるよう教示した。ここ

シーケンスについて回帰係数を求め平均したものをで得られた心拍変動データに対して FFT によるスペBRS（ms/mmHg）とした。この際、血圧は 1 mmHg

― 19 ―

榊原

雅人，金田

宗久，石田

光男

以上の変化をもって上昇（または下降）とし、収縮期てやや上昇しているようにみえる。しかし、ここでは血圧と RR 間隔の相関係数が 0.85 以上の場合のシー条件に有意傾向がみられたが（条件 : F（ 1 /11）=4.58,
p <.1, 偏η 2 =.294）、交互作用は有意でなかった。

ケンスを評価の対象とした14）。
統計的分析として、条件（LF condition・Resonance

次に、LF amplitude の変化を図 3 に示した。分散

condition） 測定期間（Baseline・Breathing）の 2 要

分析の結果、測定期間に有意な主効果が認められた（測

因分散分析を実施した。

定期間 : F（ 1 /11）=69.280, p <.01, 偏η 2 =.864）。いずれのペース呼吸条件も Breathing では著しく上昇し

Ⅲ．結果ているのがわかる。一方、条件および、条件と測定期間との間の交互作用は有意ではなかった。

図 2 は LF condition と Resonance condition の

表 1 には、RR 間隔の平均値である Mean RR、RR 間

BRS の変化を示している。分散分析の結果、測定期隔の標準偏差である SDNN、LF 周波数帯域の中心周波間に有意な主効果が認められた（測定期間 : F（ 1 /11）

数 LF freq. を示している。分散分析の結果、Mean RR2=39.241, p <.01, 偏η =.781）。いずれの条件も BRSと SDNN の指標について測定期間に有意差が認められは Baseline から Breathing にかけて著しい上昇をみた（Mean RR: F （1/11）=8.196, p <.05, 偏η 2 =.427;

せ た。LF condition は Resonance condition に 比 べ

SDNN: F （ 1 /11）=57.060, p <.01, 偏η 2 =.838）
。た

図２

表１

図３

LF condition と Resonance condition
における圧受容体反射感度の変化

LF condition と Resonance condition
における LF 振幅の変化

LF condition と Resonance condition における Mean RR、SDNN、LF 中心周波数の変化― 20 ―

心拍変動増大と圧反射感度の評価

だし、これらの指標について条件、または条件と測定

動 LF ピ ー ク 周 波 数 は LF condition は .098Hz

期間の交互作用は有意でなかった。

（SD=.011）、Resonance condition は .097Hz

LF condition と Resonance condition のペース呼（SD=.009）となり、これらの条件におけるペース（呼吸を行った際の LF frequency（Hz）については条件、

吸周波数）に実際的な差がみられなかったことから、測定期間およびそれらの交互作用に有意差はみられな

LF amplitude の増大はいずれも同じ程度に留まった

かった。

ものと推測できる。
その他、RR 間隔の平均値を示す Mean RR はいずれ

Ⅳ．考察のペース呼吸条件においても延長し（心拍数が低下し）、このような緩徐な呼吸のコントロールによって迷走神

本研究は、安静状態の LF 帯域のピーク周波数を経活動が刺激されたものと考えられた。SDNN は RR

もとにして行うペース呼吸（LF condition）が共鳴間隔の時系列データの標準偏差を示し、心拍変動の大

周 波 数 を も と に し て 行 う ペ ー ス 呼 吸（Resonance

きさを反映する指標である。Baseline から Breathing

condition）と同様の効果を発揮するかどうか検討すの測定においていずれの条件も有意に増大した。緩徐るために BRS および心拍変動の各指標を比較した。

なペース呼吸によって心拍変動の LF 帯域にパワーが結 果 に み ら れ た よ う に、BRS は LF condition と優勢に出現するようになると、相対的に高周波や超低Resonance condition において有意に増加した。この周波領域のパワーの出現は少なくなることから、この際、LF condition の そ れ は Resonance condition にような SDNN の増加は上述した LF amplitude の結果

比してやや増大したようにみえたが有意な変化ではなと同様の変化を示したものと考えられた。

かった。このように共鳴周波数によるペース呼吸は以上、本実験では心拍変動の LF ピーク周波数をもBR を刺激し、その感度（BRS）が増加したことは、とにしたペース呼吸が BR を刺激し、それは共鳴周波

Lehrer et al.6）の結果に一致する。また、今回、LF数をもとにしたペース呼吸に比べさらに効率的であcondition においても BRS の増大がみられ、このことると予想した。結果にみられたように、LF condition

は少なくとも安静時の LF ピーク周波数をもとにしたにおける BRS 値は顕著に増加したものの、一方で LF

ペース呼吸が BR を刺激する可能性のあることが示さ

condition の ペ ー ス 呼 吸 と Resonance condition のれ た。 さ ら に、 有 意 な 変 化 で は な か っ た が、LF

ペース呼吸の頻度に大きな差はみられなかったことか

condition は Resonance condition よりも増大するよら、両者の差異を観察するに至らなかった。今回の実うにみえたことから、安静時 LF ピーク周波数をもと

験では、参加者が 12 名とやや少ないサインプルサイにしたペース呼吸は BR をより効率的に刺激する可能ズであったこともこのような結果に関連していると考性のあることも考えられる。今後、実験参加者数を増え、今後、さらに参加者数を増やしながら引き続き検やして検討することで、この点を確認することができ討する必要があると考えられた。

るかもしれない。

付記

次 に、LF amplitude は LF condition お よ び Resonance condition において共に増大した。このことから、
LF condition においても Resonance condition と同

本報告に示したシーケンス法を用いた圧反射感度評

様の共鳴的効果が生じていることが示唆された。榊原・価システムの構成は 2017 年度心身科学研究所研究助及川10）の結果では、LF ピーク周波数をもとにしたペー成の補助によるものである。また、システムに必要な

ス呼吸は共鳴周波数をもとにしたペース呼吸に比べ連続血圧測定装置は科研費16K04395の補助を受けた。

て、 心 拍 変 動 の 低 周 波 成 分 の 振 幅（ す な わ ち LF
amplitude）が有意に増大することが示された。彼ら

引用文献の実験では、ペース呼吸のもととなる LF ピーク周波

１）Lehrer, P.（2007）. Biofeedback training to increase

数の平均値は共鳴周波数のそれに比較して有意に低heart rate variability. In P. M. Lehrer, R. L. Woolfolk,

く、この点からペース呼吸を実施した際の心拍変動の& W. E. Sime（Eds.）, Principles and Practice of Stress

程度が高まり、結果的に LF ピークをもとにしたペーManagement（pp. 227­248）. New York: Guilford Press.

ス呼吸において LF 振幅が増加したと考察されている。

２）Karavidas, M. K., Lehrer, P.M., Vaschillo, E., Vaschillo, B.,

一方、本実験結果（表 1 ）にみられたように、心拍変Marin, H., Buyske, S., …Hassett, A.（2007）. Preliminary― 21 ―

榊原

雅人，金田

宗久，石田

光男

results of an open label study of heart rate variability

動脈圧受容器反射による上昇性および下降性の血圧調整機

biofeedback for the treatment of major depression. Applied

能は入浴時に増大する．川崎医療福祉学会誌 , 18, 129­136.

Psychophysiology and Biofeedback, 32, 19­30.
３ ）榊原雅人（2011）．心拍変動バイオフィードバック法による不安軽減効果の可能性―特性不安の高い学生の訓練経過から―．第 39 回日本バイオフィードバック学会学術総会．
４）McLay, R. N., & Spira, J. L.（2009）. Use of a portablebiofeedback device to improve insomnia in a combat zone,
a case report. Applied Psychophysiology and Biofeedback,34, 319­321.
５）Ebben, M. R., Kurbatov, V., & Pollak, C. P.（2009）.
Moderating laboratory adaptation with the use of a heartrate variability biofeedback device（StressEraser）. Applied
Psychophysiology and Biofeedback, 34, 245­249.
６ ）Lehrer, P.M., Vaschillo, E., Vaschillo, B., Lu, S.E., Eckberg,
D.L., Edelberg, R.,…Hamer, R.M.（2003）. Heart ratevariability biofeedback increases baroreﬂex gain and peak
expiratory ﬂow. Psychosomatic Medicine, 65, 796­805.
７ ）Lehrer, P., Vaschillo, B. Zucker, T., Graves, J., Katsamanis,
M., Aviles, M., & Wamboldt, F.（2013）. Protocol forHeart Rate Variability Biofeedback Training. Biofeedback,41, 98­109.
８）Julien, C.（2006）. The enigma of Mayer waves: Facts andmodels. Cardiovascular Research, 70, 12­21.
９ ）Madwed, J.B., Albrecht, P., Mark, R.G., & Cohen, R.J.
（1989）. Low-frequency oscillations in arterial pressureand heart rate, a simple computer model. American
Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology,
256, H1573­H1579.
10）榊原雅人・及川欧（2017）. 心拍変動バイオフィードバック
における共鳴周波数検索について―安静時 LF ピーク周波数を利用した手続きの検討―．バイオフィードバック研究 ,44, 21­28.
11）Task Force of the European Society of Cardiology and theNorth American Society of Pacing and Electrophysiology.
（1996）. Heart rate variability, standards of measurement,
physiological interpretation, and clinical use. European
Heart Journal, 17, 354­381.
12）榊原雅人・金田宗久・石田光男（2018）. 心拍変動増大に最適な呼吸は圧反射感度を高めるか？（第 1 報）―シーケン
ス法を用いた圧反射感度評価システムによる検討 . 心身科
学 , 10, 27­34.
13）Parlow, J., Viale, J.P., Annat, G., Hughson, R., & Quintin,
L.（1995）. Spontaneous cardiac baroreflex in humans.
Comparison with drug-induced responses. Hypertension,
25, 1058­1068.
14）奥田泰子・大槻毅・長尾光城（2008）. 心臓副交感神経系の― 22 ―（平成 30 年 12 月 25 日受理）

Journal of the Institute for Psychological and Physical Science, Vol. 11, No. 1 , 17 23, 2019

Does suitable breathing for increasing heart rate variability enhance baroreﬂex
sensitivity?（the 2nd report）: eﬀect of paced breathing at peak frequency of LF
component
Masahito SAKAKIBARA, Munehisa KANEDA, Mitsuo ISHIDA
Abstract
Heart rate variability（HRV）biofeedback stimulates baroreﬂex function of the cardiovascularsystem through paced-breathing at resonance frequency（Lehrer et al., 2003）. Spectral peak of
low-frequency（LF）in HRV can provide eﬃcacy of resonance frequency because the HRV LF
is related to baroreﬂex function（Berntson et al., 1997）. This study was designed to examine
whether paced-breathing at the HRV LF spectral peak would increase baroreflex sensitivity（BRS）similar to the increase in BRS when paced-breathing at the resonance frequency. Healthycollege students（N = 12）participated in the study.

ECG, respiration, and continuous bloodpressure（BP）were collected. All participants were examined under paced breathing at the
LF spectral peak frequency（LF condition）and paced breathing at the resonance frequency（Resonance condition）in a random order within 7 days. On both days, after a 5 -min baseline,
each of the breathing conditions was conducted（ 5 -min）. As a result, baroreﬂex sensitivity（ms/mmHg）increased signiﬁcantly during breathing period in both conditions（time: p <.001）,
although no significant interaction between condition and time was evident. LF amplitude（ms）also increased significantly during the breathing period in both conditions（time: p <.001）,
although there was no signiﬁcant eﬀect of condition or its interaction with time. These results
suggest that HRV LF spectral peak could be used as a guide frequency for paced-breathing in
HRV biofeedback training. It is suggested that future research is undertaken using larger sample
sizes.
Key words：Baroreflex sensitivity, spontaneous sequence method, heart rate variability,
autonomic nervous activity, biofeedback― 23 ―