東北脈波情報研究会

第五回東北脈波情報研究会

平成１９年７月２１日

ホテルプラザ仙台

平成１５年から開催されてきた東北脈波情報研究会も第五回を数えることになった。 東北地方における脈波情報の診断機器の臨床における普及と、精密正確な脈波診断の情報提供、ひいては定量的な脈波の診断と治療へ、一定の貢献を行ってきたと考えられる。
東北脈波情報研究会は発足の当初から東北大学病院の腎高血圧内科と、加齢研・病態計測制御分野の二つの研究室と、関連病院の先生方、市中病院・ご開 業の先生方、臨床検査技師の先生方を交え、開発に携わるエンジニアサイド、更に東北大学の看板である医工学連携を象徴するように、大学院工学研究科の先生 方にも加わっていただき、医学工学に産官学連携で活発なディスカッションを行ってきている内外に類例を見ない活発な研究会組織を形作ってきた。
この５年間は、全国で唯一の医工学分野の２１世紀ＣＯＥとして政府より指定された東北大学２１世紀ＣＯＥバイオナノテクノロジー基盤未来医工学、及 びその後継として平成１９件度に採択が決定されたグローバルＣＯＥ、更に、数十億円規模の政府予算が投入されて設立された先進医工学研究機構の歴史とも重 なっている。東北大学が、医工学領域の日本を代表する研究拠点として拡充していく歴史における象徴的な分野が、この脈波診断機器の開発及び臨床展開である とも言える。
この研究会の、もう一つの特徴が国際化であり、第１回にはロシアから脈波診断のデータ、第２回は中国から心臓移植のデータを、それぞれ講師の先生を 招聘して紹介していただき、脈波診断におけるグローバルスタンダードを目指してきた。最近、仙台市はフィンランドなどを足がかりにＥＵへの進出を計画して おり、世界標準への歩みを進めている歴史もこの５年間と重なっている。
この５年間は、また脈波情報診断における精度向上の歴史の５年間でもあった。脈波伝播速度を単純に計算するだけなら、一番簡単に計算しようと思え ば、心電図と圧センサが２つあればよく、なんら工夫は必要ないことになる。しかしながら本日ご出席の皆様方が働いている最前線の臨床現場では、理想的な計 測が、必ずしも理想的な環境で行えるとは限らない。そこで、脈波情報を精密かつ正確に定量診断・解析するための多大なノウハウと解析アルゴリズムが必須と なり、膨大な知的財産が必要となる。今後、知的財産立国を目指す日本にとって、もっとも重要と考えられる領域を具現化していることになる。
　先日、２００７年度のアメリカ高血圧学会に参加し、これまでのＣＡＶＩの国際共同研究の成果の一部を報告してきた。参加して印象的だったのは、動 脈のスティッフネスの定量評価について、実に様々な方法が幅広くトライアルされていることで、不勉強な筆者は、聞いたことがないパラメータがいくつか散見 された。 それぞれの発表者は、「俺のパラメータが一番簡単で、臨床現場に普及しやすいんだ！」と、アメリカらしく、大変強く自己主張しているのが印象的であった。 またそれらのパラメータを使って、中国が中国らしく、一気に大量の症例を用いてフォローして発表したりもしており、「彼等の方がたくさん症例を集めて今年 先にパブリッシュしてしまった・・・」と、これは、とある動脈硬化パラメータを研究していたニューヨークの研究者。この分野でも競争は熾烈である。 また産学協同も盛んである。あまり聞いたことのないアルゴリズムで循環のシステム同定を行っているので、「この数式はどうなっているんだ！」と質問する と、「もう商品化したから、あっちのベンチャーのブースで聞いてきてくれ・・・・」と、数式に詳しくないCardiologistの返答。もう少し勉強し て発表しろよ。と言いたくなる場面もあった。
メタボリックシンドロームの発表も多かったが、診断基準が確立したとはまだ思えない発表が多く、概念自体は賛成できても、まだエビデンスはこれからの段階との印象を受けた。今後の発展が望まれる。 いずれ、動脈硬化のパラメータとしては世界をサーベイしても、血圧から独立したスティッフネスパラメータのような概念はほとんど見当たらず、このような丁寧な診断基準の発明は、日本の独壇場になりえる分野ともいえる。 今後とも、臨床現場の現実から遊離しない精密な定量診断のグローバルスタンダードの創出が待たれる。
東北大学加齢医学研究所病態計測制御研究分野　山家智之

更新日時:2007/07/10 19:44:49
キーワード:[ＣＡＶＩ] [脈波伝播速度]
参照:

脈波伝播速度

脈波伝播速度＝動脈硬化の進展を定量的に診断するための、動脈の硬さを表すパラメータの一つ。
古典的には、心電図、心音図で心臓の収縮時点を計測し、頚動脈の脈波と、大腿動脈の脈波を体表から記録し、心臓の収縮から、脈波の発生までの伝播時間を計算して、速度を計算した。方法論が煩雑ではあるが、定量的な指標として研究の蓄積が行われてきた。
近年では、コーリン社や、フクダ電子社から、腕と足首の脈波から簡単に計測する機会が市販され、市場が広がっている。コーリン社の方法は、腕足首脈 波伝播速度（baPWV)、またフクダ電子社の指標は、更に血管の弾性係数そのものであるstiffness parameterβを提示するＣＡＶＩとして、提案されている。
メタボリックシンドロームの提案で、予防医学が注目される昨今では、新しい予防医学的指標として注目される。また、最近、脈波伝播速度から血管の血 圧反射機能を診断する方法論も提案され、高血圧の診断と利用に有効性が期待され、メタボリックシンドロームの早期診断や、高血圧の薬剤加療のフォローアッ プに使える新しい診断法として注目されている。

更新日時:2007/07/11 14:06:02
キーワード:[脈波伝播速度] [ＰＷＶ] [pulse wave velocity] [CAVI]

第4回東北脈波情報研究会

• 日時: 平成18年7月15日(土) 15:00 - 19:00
• 場所: ホテル仙台プラザ

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プログラム

開催挨拶

• 東北大学 大学院医学系研究所 教授 伊藤 貞嘉 先生

「動脈公開のスティフネス評価のあり方と CAVI」

• 高田 正信 先生 (富山逓信病院 院長)
  • 座長: 東北大学 情報シナジーセンター 教授 吉澤 誠 先生

「慢性腎不全患者における CAVI の検討」

• 鈴木 昌幸 先生 (山形県立中央病院)
  • 座長: 東北労災病院 勤労者予防医療センター 宗像 正徳 先生

(休憩)

「高血圧患者における CAVI の有用性」

• 大蔵 隆文 先生 (愛媛大学 医学部第二内科 助教授)
  • 座長: 東北大学 加齢医学研究所 助教授 西條 芳文 先生

パネルディスカッション「メタボリックシンドロームと脈波診断の臨床」

• 阿部 高明 先生 (東北大学 第二内科)
• 鈴木 賢二 先生 (日本労働文化協会)
• 正田 孝明 先生 (愛媛大学 医学部)
• 松尾 兼幸 先生 (松尾けんこうクリニック)
• 高田 正信 先生 (富山逓信病院)
• 鈴木 昌幸 先生 (山形県立中央病院)
• 大蔵 隆文 先生 (愛媛大学 医学部第二内科 助教授)
  • 座長: 東北大学 加齢医学研究所 教授 山家 智之 先生

閉会挨拶

• 東北大学 加齢医学研究所 教授 仁田 新一 先生

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18:00 よりホテル仙台プラザ 15F「メイプル」で意見交換会を予定しております．

東北脈波情報研究会

代表世話人 伊藤 貞嘉 / 代表世話人 山家 智之 / 代表世話人 仁田 新一

共済

東北脈波情報研究会，フクダ電子株式会社，ファイザー株式会社

人工循環制御

人工循環制御アルゴリズム開発

• 医薬品機構基礎推進事業研究プロジェクト
  • 加齢医学研究所病態計測制御分野
  • 情報シナジーセンタ先端情報技術
  • 大学院工学研究科システム制御

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人工心臓は今ではただ生命を維持するだけに用いられた時代は過ぎて、現在は患者様のＱＯＬを目標の一つにあげなくてはならない時代に入りかけてい る。全身の循環を維持できても、患者様が何か行動を起こすたびに流量の不足から心不全症状をきたすようではＱＯＬを問う段階にはないことになる。ＮＹＨＡ 分類を考えるまでもなく、軽度の労作で心不全発作をきたすようでは、患者様は重症心不全段階から軽症心不全段階に移行しただけで、完治には程遠い。
ペースメーカの歴史を振り返れば、初めはただ不整脈の発作時に心停止を予防する機能のみが求められていたが、現在は患者様の活動に合わせて心拍数を 増減させる機能を保持するものが求められている。人工心臓も、生命維持という目標がクリアできれば当然ながら次の段階が求められる。すなわち、患者様の動 きに応じた人工心臓制御が必要になる。
特に無拍動型の人工心臓ではこの問題は重要になる。
人間の血圧反射システムは、圧受容体において血圧の立ち上がりの時期に発火したシグナルが中枢機構に伝達されて制御システムが稼動することが知られ ている。しかしながら、無拍動の人工循環では、この立ち上がり部分が存在しないので制御機構が稼動することができない。そこで、無拍動循環では人工心臓側 で制御機構を完備させる必要がある。
東北大学では、以前から人工心臓自動制御機構の開発に従事してきた。空気圧駆動型補助人工心臓制御システムでは、世界で始めて最適動作点知的制御アルゴリズムの導入に成功している。
そこで、条件が最も厳しい完全無拍動両心循環の自動制御アルゴリズム開発に着手した。
世界で初めてロータリーポンプによる無拍動循環制御に成功することができた。
図に示すように全く脈がない循環で、血圧の変化の情報に伴って回転数を追従制御させることができるシステムは、世界でも初めてのものである。

Future perspective

様々な人工心臓に応用できる汎用性の高いシステムの開発を目指しており、欧米で開発されるあらゆる人工心臓にも導入可能なアルゴリズム開発により、商品化を目指している。
更に自律神経情報を駆使した新しい人工心臓制御にも挑戦しているが、このような方向性のアプローチは世界に類がない。

更新日時:2006/04/09 21:05:07
キーワード:
参照:[ナノテク応用型人工臓器の開発と臨床応用に関する研究] 

人体の脈の波形がカオス的なダイナミクスを呈する理由

血圧の脈波がカオスになる原因

心拍変動や血圧の時系列変動曲線にカオス的なダイナミクスが存在することは指摘されて久しい。
カオス的なダイナミクスは低自由度の非線形システムに発生する数学的な概念であるが、数多い制御系が関与する心臓血管系に置けるダイナミクスに発生するカオスの成因は明らかにされているとは言い難い。
そこで東北大学では血圧制御系に注目してシミュレーション実験を試みた。
ウインドケッセルモデルを用いた左心循環系の電気回路モデルに、Cavalcantiらのシミュレーション回路を元に血圧反射のフィードバック系を加えた。
フィードバック回路には人間の統計データを元に相互の相関に非線形性を加えた。
その結果、血圧反射のフィードバック回路の時間遅れが短い時には時系列は一定の値に収束し、古典的なホメオスタシスを示唆する結果となったが、時間遅れを大きくすると発振から分岐を来してカオス的なダイナミクスの発生が認められた。
この結果を基に動物実験を行った。
健康な山羊を用いて麻酔下に左開胸して人工心臓の埋め込みを行った。
麻酔から覚めた後、自動制御システムを用いて人工心臓の最適動作点制御、左右バランス制御を行ったが、時系列は一定に値に収束する定値制御系となった。
より生理的な制御を目指して、これらのベーシック制御に加えて血圧反射制御を試みたところ、カオス的なダイナミクスの発生が観察された。
従って数理解析電気回路モデルでも動物実験でも、血圧反射系がカオスを発生させている現象が観察されたことになる。
現在更に研究を進めて、ロータリーポンプによる完全無拍動循環でも、血圧反射によってゆらぎが発生することを確認している。
血圧の脈波にカオス性が存在する原因は、血圧反射に求められる可能性があることを直接的に証明する実験結果であるものと思われた。

更新日時:2006/04/10 00:52:52
キーワード:
参照:[循環器疾患に関するメディカルインフォーマティクス] [現在の研究テーマ] [PWV : Pulse Wave Velocity] 

左室収縮の時系列曲線のカオス解析

左室収縮のカオス解析による自律神経機能診断

新エネルギー産業技術総合開発機構研究プロジェクト

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臨床の現場で、糖尿病等における自律神経障害や、脳神経疾患などにおける神経機能障害の定量的診断法の一環として心拍変動のスペクトル解析が汎用さ れている1,2)。しかしながらelectromechanical dissociationの問題を持ち出すまでもなく、実際の心臓の収縮と、心電図の時系列は、完全に一致するわけではない。
心拍変動は、交感神経系、副交感神経系等の自律神経の支配により影響を受けていることが薬理学的な除神経による多くの研究などにより報告されている 2-4）。また、これら神経性の因子の影響等の他に、液性因子の関与の可能性も報告されている1-3）。更に洞結節は前負荷や後負荷の影響にも依存するの で、心拍変動は多くの因子の相互作用により決定されるものである1-6)。
また心拍変動とは独立に、末梢血管抵抗の時系列曲線にもゆらぎが観察されることが報告されており6-8)、これらの抵抗値のゆらぎは、動脈圧反射系 を介して中枢にも影響を与え、ひいては心拍変動のゆらぎにも影響している。特に 0.1 Hz前後に認められる周期性ゆらぎ成分は、この動脈圧反射系に依存している可能性が報告されている4-8)。前負荷及び後負荷の影響は、機械的に洞結節に 影響を与えるものなので、心臓の収縮動態を画像として解析することにより、より精密な計測が具現化する可能性が高い。
心臓の収縮動態の画像的な診断法としては、心臓カテーテル検査や核医学的な検査、超音波心臓診断法などがあげられる。この中で長時間の心臓の収縮動 態の解析が一般病院レベルで可能なのは、超音波を用いる手法だけである。しかしながら心臓の断面図から左室内の容量をリアルタイムで解析することは多くの 困難を伴う。
本研究では最近開発された心内膜自動解析プログラム Acoustic Quantification (AQ) 法を用い、左室の容量をリアルタイムで計測することにより、左室の収縮のゆらぎを直接計測し、循環動態のゆらぎの新しい診断法を開発することを目的として いる。

方法

この研究に用いたのはHulett-Packard 社のSonos 2500である。この装置に、AQ法による左室内容量が、時系列曲線としてリアルタイムに出力ができるように改造を加え、実験に用いた。
バックスキャッターの違いから左心室の内膜を認識し、左室の容量を計算するシステムである。心電図と左室容量の時系列曲線をデータレコーダに同時記 録した。得られた時系列曲線はADコンバータを介してパーソナルコンピュータに入力し、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いスペクトル解析を試みた。ＦＦＴ で処理する前に、時系列曲線を心拍単位のＲＲ間隔と、左室の一回拍出量に変換した。得られたデータは、点時系列データを事象間隔系列として取り扱う方法で 処理した。すなわち拍数単位の点時系列データを事象間隔系列の連続時系列曲線に変換した後、平均ＲＲ間隔でサンプリングした。

結果及び考察

スペクトル解析結果を観測すると、従来の報告と同様に心拍変動のパワースペクトルには、0.1 Hz前後の周波数領域と、0.3 Hz 前後の周波数領域に明確なピークが認められ、周期性のゆらぎ成分の存在が示唆されていた。これに対して左室の一回拍出量の時系列曲線には、0.1Hz前後 と0.3 Hzの周波数領域に同様のピークが認められ、心拍変動の影響が示唆されていた。
心拍変動と一回拍出量のピークの存在の線形性について検討するために、関連度関数の手法を用いてコヒーレンシーを計算したところ、周期性のゆらぎ成 分の存在した0.1 Hz 前後と0.3Hz前後には高い線形性が認められていた。従って左室の一回拍出量は心拍変動と同様の周期性のゆらぎ成分を持つことになるが、左室の一回拍出 量のスペクトルでは呼吸性の周期性変動が非常に強い。これは呼吸性の左房圧の変動が強く影響している可能性もある。0.1Hz前後の周期性変動は血管抵抗 の変化による後負荷の影響に依存していることが考えられるが、この変化は圧受容体反射を介して中枢にも影響しているので、心拍変動にも影響していることに なり、両方の変化の反映を示しているものと考えられた。
一回拍出量が直接計算されているので心拍変動のスペクトル解析結果や動脈圧のスペクトル解析と併せて考察を続けることにより、心臓と血管系のゆらぎ成分を独立に観察しうる可能性もあり、今後とも検討を続けていきたい。　
循環動態のゆらぎにおいては本研究で検討したような周期性のゆらぎだけではなく、カオス的なダイナミクスに依存すると思われるフラクタル的な時系列 も重要である4,9,10,11）。　図に提示するのは、正常対象者と心筋梗塞患者の左室収縮のアトラクタである。明らかに非線形力学的に違った挙動を呈 している。
このようなアプローチは全く新しいカオス理論により診断法の開発に結びつく者であり、今後とも検討を要する課題である。

文献

1. Hyndman BW, Kybernelik RI. Spontaneous rhythms in physiologic control system. Nature 233: 339-341, 1971.
2. Pomeranz B, Macaulay RJB, Caudill MA, Kutz I, Adam D, Gordon D, Barger AC, Shannon DC, Cohen RJ, Benson H. Assessment of autonomic function in man by heart rate spectral analysis. Am J Physiol 248: H151-153, 1985.
3. Akselrod S, Gordon D, Madwed JB, Snidman NC, Shannon DC, Cohen RJ. Hemodynamic regulation by spectral analysis. Am J Physiol 249: 867-875., 1985.
4. Yamamoto Y, Hughson RL: On the fractal nature of heart rate variability in humans: effects of data length and beta adrenergic blockade. Am J Physiol 266: R40-49, 1994.
5. Yambe T, Nitta S, Katahira Y, Sonobe T, Naganuma S, Kakinuma Y, Kobayashi S, Tanaka M, Fukuju T, Miura M, Mohri H, Yoshizawa M, Koide S, Takeda H. New artificial heart control method from the neurophysiological point of view. Akutsu T, Koyanagi H, eds, Artificial Heart 4, Springer-Verlag, Tokyo, 353-356, 1993.
6. Yambe T, Nitta S, Sonobe T, Naganuma S, Kakinuma Y, Kobayashi S, Nanka S, Ohsawa N, Akiho H,Tanaka M, Fukuju T, Miura M, Uchida N, Sato N, Mohri H, Koide S, Abe K, Takeda H, Yoshizawa M. Origin of the rhythmical fluctuations in the animal without natural heartbeat. Artif Organs 17: 1017-1021, 1993.
7. 山家智之、仁田新一、永沼滋、柿沼義人、小林信一、南家俊介、福寿岳雄、佐藤尚、吉沢誠、小出訓、阿部健一、自然心臓を除いた循環系にゆらぎは存在するか？自律神経 30: 370-373, 1993.
8. Yambe T, Nitta S, Sonobe T, Naganuma S, Kaknuma Y, Kobayashi S, Tanaka M, Fukuju T, Miura M, Sato N, Mohri H, Koide S, Tamura K, Yoshizawa M, Takeda H. Is there any fluctuation in the hemodynamic parameters in an animal without natural heartbeat? Artif Organs Today 3; 93, 1993
9. Mandelbrot BB: The fractal geometry of nature. Freeman WH and Company, New York, 1977
10. Yambe T, Nitta S, Sonobe T, Naganuma S, Kaknuma Y, Kobayashi S, Tanaka M, Fukuju T, Miura M, Sato N, Mohri H, Koide S, Takeda H, Yoshizawa M, Kasai T, and Hashimoto H; Chaotic hemodynamics during oscillaed blood flow. Artif Organs 18; 633, 1994
11. 山家智之、仁田新一、薗部太郎、永沼滋、柿沼義人、井筒憲司、小林信一、南下俊介、大沢上、田中元直、吉澤誠、小出訓、阿部健一、高安美佐子、高 安秀樹、阿部祐輔、鎮西恒雄、井街宏.　生体にゆらぎは必要か？　-　人工心臓による検討.　第8回生理生体工学シンポジウム論文集：81-86, 1993.

更新日時:2006/04/10 18:22:56
キーワード:
参照:[循環器疾患に関するメディカルインフォーマティクス] [現在の研究テーマ] 

移植心臓の保存に関する実験的研究

文部科学省科学研究費

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東北大学は心臓移植認定施設に選ばれようとしている段階です。
そこで、東北大学では、心臓血管外科の井口篤志助教授を中心に心臓移植プロジェクトチームを結成し、様々な研究費のサポートも受けつつ、大型動物を駆使した動物実験を精力的に展開しています。
加齢医学研究所・病態計測制御分野では、心機能計測の立場から実験の展開をサポートしています。
図にコンダクタンスカテーテルを使ったEmax計測の一例を提示いたします。
現在、更に大学院工学研究科、情報シナジーセンターのサポートを受けて、より洗練された心機能解析の方法論開発を積極的に展開しています。

更新日時:2006/04/10 00:49:56
キーワード:
参照:[循環器疾患に関するメディカルインフォーマティクス] [現在の研究テーマ]