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研究所訪問 脈波の形状を読み取ることで一人一人の生理情報を科学する -- セイコーエプソン

脈波の形状を読み取ることで一人一人の生理情報を科学する

セイコーエプソンが基礎研究を進めているPULSENSE

 ネイチャーインタフェイス研究所訪問の第一日目は、セイコーエプソン(株)基盤技術研究所の行っている脈波の情報処理により、生態・生理の状態を評価する研究と、その臨床面での有用性、および生態情報評価機器の可能性について探ってみた。その共同研究を行っている東京医科大学第二内科・高沢謙二先生、福岡大学体育学部・向野義人先生のそれぞれの研究内容を紹介しながら、末梢における脈波研究の最先端の状況を報告し、その上で基盤技術研究の開発しようとしている機器『PULSENSE』の開発目標などを報告する。

〜セイコーエプソン株式会社基盤技術研究所〜

―研究所訪問@−

日常の中で脈波を科学する必要性を問う

脈波を定量化するニーズ

 セイコーエプソン(株)基盤技術研究所天野主任研究員に脳波の情報処理について説明していていただき、脈波の有用性について、東京医科大学の高沢先生からは、“収縮期血圧”の研究に基づいた末梢の脈波の重要性についてお話をうかがった。また、福岡大学の向野先生からは多関節・多軸の“動き”と脈波との関連性からの研究についてうかがった。

 脈波、心臓から拍出する血液にする血管の振動現象により発生する波形だが、脈波で生体・生理の状態を評価できるのか、その可能性についての研究である。

「高沢先生は循環器系の臨床研究に関して多数の論文を発表しており、向野先生は経路テストによる治療法の分野でユニークな研究をなさっています。お二人とも研究活動の中で脈波という共通項を持ちながら、一方で診断者事ごとに差異が出てしまうという現実も指摘されているわけです。」

 脈波測定というものの、治療価値を、つまり再現性をどれだけ高められるのかといったニーズが出てくる。

 「私は脈診中の動脈及びに周辺組織を可視化して、その物理的な現象と指先の感覚による主観的な評価との関係を明らかにしました。次に、東洋医学の脈診診断名(滑脈、平脈、弦脈)を脈波形状から体を推定する研究をしてきました(図1、図2)。」

ウェアラブル機器〜PULSENSE

末梢の血流の脈波、血流の容積量が、時間的、年齢的にどう変化するかという情報を、私たちが提供して、その情報をさらに研究活動に利用する。現代医学でEBM(エビデンス・ベースド・メディスン=多施設、多症例に基づく診断・治療の方針)といわれている領域で、医師であり研究者であるお二方が同じ脳波の形状というものに、その価値を定量化のための手段として、装置を用いようと考えています。

そこでウェラブルかどうかという問題が浮上してくる。

「高沢先生もいっていましたが、末梢を診ることで中枢(心臓)の状態を推定する。測定の条件としては、ニュートラルな状態で診てほしいとも言っていました。日常生活の中で、そういう状態を意図的に作るだけではなくて、運動後のリラックスしている状態とか、就寝中でも体につけて測れるというような状況になれば理想的でしょう。つまり我々は、“腕にある(装着する)必然性”“意識せずに測れる”ということをリスト機器づくりの基本としているのです。これはセイコーエプソンの先人たちがこれまで積み上げてきた時計づくりの基本中の基本なのです。そのためにウェアラブルということが、開発の重要なキーになります」

 これが現在、セイコーエプソンが基礎研究を進めている「PULSENSE」の設計概念。図3はその研究計画である。

 24時間装着可能で、しかも脈波が、生体情報とした定量化された価値をもって測定できる―だからウェアラブル、意識せずに付けるということが原則になるわけだ。

 「しかも脈波が生体情報として、誰にでも適用できる、同時に世界レベルで通用しなければならないわけです。向野先生や高沢先生の、脈波に対する研究成果一つ一つの集積が、実際に臨床の場で応用してみようということのきっかけになる。つまり臨床のデータを積み上げるだけではなくて、その基になるような研究をしてきました。」

 脈波には、生体情報としてはどんな価値があるかということ、例えば高沢先生の研究である循環動態という循環器の問題と、向野先生の研究である自律神経という神経系の問題と、今後その2方向の研究成果が重なり合って『PULSENSE』を創り出す、それが目標となっている。

心臓、循環器系の状況を脈波の形状から読む

『たかが末梢、されど末梢』の意味

脈波研究で数々の世界的な論文を発表している高沢先生。その研究内容の概要と、医療における現代的な価値を語ってもらった。

 「脈波を見ていく時、心臓が血液を送り出す大動脈を出たばかりの波形と、末梢である指波形は、見た目では全く違いますが、それを同時に記録してみると、中枢と末梢には関係がる、ということがわかるんです。それは『親のまねをする子供のように』といえます。最初の波形は違うけれども、挙動には類似性がる。波形そのものは、全く違う格好をしているけれども、変化率をある基準で記録すると、それが種々の変化に対応して動いているんです」

 高沢先生は、当初、末梢では(指)では、きちんとした波形のデータは取れないのではないかと思っていたそうだ。

 「(末梢は)自律神経系の影響を受けやすい場所ですから。測定を繰り返す内に、安静閉眼時といった条件下では、再現性が高いということもわかってきたんです。しかも大動脈始部での波形との関係もはっきりしてきた。」

 高沢先生の言を借りれば、循環器系にとって『たかが末梢、されど末梢』ということがいえるわけだ。

 「心臓が血液を送り出すと血管は収縮と膨張を繰り返しますが、それまでは中枢の心臓を出た直後の波形の解析は、主に動脈インピーダンス法という方法で行っていました。非常に高価なカテーテルを使って、中枢の血流と血圧を周波数解析して、拍動抵抗が強い、または弱いといった評価をしてきたのですが、実は末梢でも、中枢と同様に収縮期前方成分と収縮期後方成分という、収縮期の圧波は二つの成分で成り立っているということも判明しまた。つまり末梢形から中枢の状態が見えるわけです」

収縮期血圧の二成分

 「最初の“駆動圧波/収縮期前方成分“というのは、心臓が自分で血液を出すために、あるいは出した結果として出た血圧だから、生命活動にとっては必要欠くべからざる圧波ともいえます。二番目の“反射圧波/収縮期後方成分”というのは反射して戻ってくるものですから、どっちかというと高くないほうがいい。

 例えば、動脈硬化が起こっていたり、あるいは血管の内腔が狭くなっている、硬くなっていると、脈波の伝搬速度が速くなりますから、早く反射が戻ってきてしまう。押し出した血圧に対して反射が強くなっているので、心臓に負担をかけるということになります。その結果“反射圧波/収縮期後方成分”が上昇するという計測結果がでます。」

 図4は、大動脈起始部(中枢)における駆動右派と反射圧波の関係を示した概念図である。

血管年齢を読む

 血管は脈動する事で、全身に酸素と栄養素を供給するが、これが何かの影響によって柔軟性や弾力を失う。また内腔が狭くなり、血管の機能低下をもたらし、いわゆる「血管の老化」が始まるといわれている。

 つまり血管の年齢が、指の脈波反応を計測する事でわかるそうだ。ところで循環器専門の高沢先生が脈波の研究を始めたきっかけはなんだったのだろう。

 「私がこの研究を始めたきっかけは、血圧について非常に興味を持ったことです。今、血圧は、収縮血圧と拡張血圧だけの値で評価していますよね。ところが、脈波を見ていくと、収縮血圧と拡張血圧との間にも波形があり、いろいろな動きがあるんです。そこに気がつきました。」

Look Between the Lines

現在、血圧の測定は、「上がいくつ、下がいくつ」といった測定値だけが知らされる。つまり収縮血管と拡張血管という、血圧の値だけで見ると、心臓に負担がかかっていても、かかっていない状態と全く同じ測定値を示す事があるというわけだ。

 「これは重要な問題で、『Look between the lines』 というこいとを良くいうんですが、血圧の上と下だけを見ているのは、実際の身体の状態を見ていることにはならないんです。血圧の上と下の行動を見るということが一番重要な点。

 これは、血圧測定に加えて脈波を記録することで補えるわけです。脈波というのは、まさに収縮血圧と拡張血圧の間でうごめいている身体の、心臓の、循環器系の状態そのものなのです。

 そのために末梢の脈波を計測する機器が必要になってくるわけですが、先にも言ったとおり、血圧測定は、今、収縮血圧と拡張血圧の測定をするのが主流です。医療の場から日常生活にわたって脈波を正確に測る機器がまだないというのが現状でしょう」

 そこで高沢先生は、セイコーエプソンとの共同研究を行っている。

未病と脈波

 ヘルスケアや未病の大切さがいわれている今、脈波の日常的な測定は、特に生活習慣病の予防に非常に役立つはずだ。

 「昔は成人病と呼ばれていた、生活習慣病は、本当はまだよくわかっていないんですよ。

 その生活習慣病が、ある時心筋梗塞といった病気を発症させる。現在、その発症してしまった場合の治療は進んでいるけれども、無症状で進んでいる病気の状況を知るということについては明確な判断基準ができていない」

 高沢先生の研究している「血管年齢」が、その判断基準のひとつ。

通常、加齢に伴って、血管が硬くなる、血管の内腔が狭くなる、すると血液の伝達速度が速くなり、これらは動脈硬化とか、高脂血症に付随した所見で血液年齢指数としては指数が高いことを示す。

 「生活習慣という観点から見ると、例えば25歳なのに、60歳の血管年齢指数を示すという場合がある。その原因は何か。実際に器質的に血管そのものが硬いのか、あるいは機能的に交感神経の緊張が強いために、一時的な素材の硬さを表しているのかを識別しますが、血管年齢の測定=指に装着した脈波センサにより検出した容積脈波波形を2次微分する事で、脈波の形状をかなり正確に得られます。波形の変化で血管が実際に硬いのか、それとも緊張によって硬くなってしまっているのかといったことが読み取れます」

 これは日常生活の中で、(検査を受ける人が)ニュートラルな状態で、器質的な血管年齢指数を測定し、同時に日常的な血管の機能的変化を測ることで、特に血管年齢指数の高さが病因による場合、正確なデータとして抽出できる。

 「その結果、高圧薬の投与、つまり血圧を下げる高血圧の治療の判定に有効ですし、高脂血症や糖尿病、動脈硬化症といった疾患の場合には、食事療法、生活習慣の改善の指針を提示することにも役立ちます。」長期的に測定する事で得られたデータは、EBM(エビデンス・ベースド・メディスン)に役立っていく。

高沢健二…たかざわけんじ

1979年東京医科大学第二内科(循環器)入局、現在、同大講師。血圧評価の問題点と脈波記録の意義についての研究を主としている。

【論文】

(1) Kenji Takazawa, Nobuhiro Tanaka, Masami Fujita, Osamu Matsuoka, Tokuyu Saiki, Masaru Akikawa, Aibu Tamura, Chiharu Ibukiyama: Assessment of Vasoactive Agents and Vascular Aging by the Second Derivative of Photoplethysmogram Waveform, Hypertension. 32, 365〜370 (1998)

(2) 高澤健二、黒須富士夫、斉木徳祐、安藤寿章、奥鍬勝彦、Ranject S Baral、 田中信大、伊吹山千春:加速度脈波による血管年齢の推定、動脈硬化、26、11・12、313〜319(1998)

●特別インタビュー●

『脈診の再発見』

多関節・多軸にわたる“動き”に着目

 人の“動き”の基礎となるのは骨格を構成する206の骨と約600もの筋肉である。これらはさまざまな関節を形成することで機能している。スポーツ医学において東洋医学的なアプローチを展開してきた、福岡大学スポーツ科学学部の向野義人教授は、多関節・多軸わたる“動き”のアンバランスを基盤にさまざまな症状の分析や治療を臨床的に行ってきた、数少ない医師の一人だ。

 「人の身体の動きと病気が、素の症状も含めて、密接に関連しています。西洋医学は患部だけを診ていくんですが、肩だけとか首だけとかいった具合に発症した部位だけを診察し治療する。ところが東洋医学では人の身体を一体としとして診ていくという考え方をしています。心身一如という概念から診ていくというわけです」

経路テストとは

 「東洋医学でいうところの経絡経穴系の生体反応を診ると、身体の異常が“動き”のなかで表現されていることがわかります。

 私は、経路テストという負荷テストを考案して、治療に際して実践しているのですが、その経路テストを行うと、原因のわからないめまいとか、しびれ、肩が痛いといった症状が、経穴を連結しながら身体を長軸に走るルート(経路)を“動き”として見直すことで身体の異常として発見できるのです。

 ところが、病院に行ったらどんな検査をされるかというと、肩のレントゲンを撮り、肩を詳しく調べる。また、めまいの症状に対しては、場合によっては耳鼻科で調べる。個々に検査を受けるわけですね。それなりに年齢的な特徴を示唆する所見は出ると思いますが、解決策にはならないという事が多いのも現実でしょう。

 “動き“を診ると、身体の異常が経絡の異常に過ぎないと、簡単に判断できるんです。ですからこの動きのバランスを本来の姿に戻せば、手がしびれる、肩が痛い、めまいがするという症状が改善するというわけす」

さまざまな症状に応用可能な“動き”の分析

 向野教授は、現在、その仕組みは、運動機能の問題だけではなく、内臓疾患も含めて、連動しているという臨床結果が出ているという。

 「不定愁訴や、例えばぜんそく発作にも応用がききます。ぜんそく発作は、西洋医学では原因もその予防もはっきりとしていますが、個々人に適応させようとしたときに、実際にはなぜ発作を起こすのかということがわからない場合が多い。発作が起こるときと起こらないときのことはよくわかっているけれど、何がトリガーとなるのかは意外とわかっていない。ところが患者の日常を詳しく調べ、同時に、“動き”の負荷テストをすると、“動き”のバランスの悪い時に発作が起こっているらしいということがわかってくる。どうも西洋医学的に考えていたものにプラスして、何がトリガーになるのかというのは、日常生活と非常に関わりがある。その日常的な“動き”を分析すると発症の引き金が判明します。そういったことが循環動態ならびに、自律神経活動と明らかに関係あるだろうということも考えていました」

 東洋医学には、望診、聞診、問診、切診という4診と呼ばれる診察法がある。そのうちのひとつ、切診は、脈診と触診を指すが、向野教授の専門領域はもともと内科であり、同時に現在、多関節・多軸にわたる“動き”のバランスを診ることで診断をしている中で、脈波の解析も今後の研究テーマにしようと、セイコーエプソンとの共同研究プロジェクトに参加しているという。

“動き”こそ、西洋医学と東洋医学の共通言語

 つまり“動き”の評価法として経絡テストがあり、一方で循環動態や自律神経反射を見る手段として、脈波の解析をそこに組み合わせていくことで、より適切な治療が行われたかどうかを客観的に評価し、やがては、日常生活の中で“動き”のアンバランスを連続的な脈波の解析から診ていくということだ。

「多関節・多軸にわたる“動き”というのは、私にとっては西洋医学と東洋医学の共通語だと思っています。内科医を30年以上やってきて、並行して人の“動き”を診てきた。そうすると婦人科から泌尿器科、さらには脳外科の患者さんが治療にやってくる。西洋学といわれる人たちとのディスカッションに“動き”という言葉が非常に有効に働くわけです。個々の患者さんにとってどういった治療法がベストなのか、特にキュアからケアへといわれる時代にあって西洋医学も東洋医学も共通の判断基準を持つということは重要でしょう。

キーパーソンによる100本の論文を世界に発信する

最後に基盤技術研究所の天野氏に再び登場していただき、日本医科大学・高沢先生や福岡大学・向野教授の研究をどのように成果として発表していくかを質問した。

テクノロジー・プラットフォームを創造するために

 「今、世界中のこの分野でのキーパーソンによる100本の論文を提示しようとしています。つまり先の方向だけでなく、100方向の研究成果を装置づくりに活かそうとしているわけです。脈波を中心テーマにしてもらいながら、フォーカスはそれぞれの研究者の立場で決めていただいて、誰にでも適用できる、かつ世界レベルで通用する脈波、生体情報とは何かを私たちがシステム化しています。脈波が臨床的にどう使えるかということを見つけるためのパートナーとして先生方にご協力いただき、そのための装置を提供するということ、それが私たちの使命でありそのための開発活動を行っています」

 現在段階では、脈波の何が最も生体情報として役に立つ情報なのかということを、100の方向から検証する、その装置を開発しているセイコ―エプソン基盤技術研究所(SECBTRC)。テクノロジー・プラットフォームを創造することが我々研究員の使命です。これまで血圧、心電図といったものから生体情報を得ていたが、この開発計画は、医療現場に脈波という、古くて新しい循環器系全体の総合的な状態を示す指標を提示するという意味を持つ。

 テクノロジーのプラットフォームを創造すること、それが基盤研究所研究員たちの使命である。

 「100の論文を提示するその共通の物語というのは、高沢先生もおっしゃっていましたが、『見ようとする気持ちがなかったら、何も見えてこない』ということです。その見ようとする対象が『脈波』だったというわけです。

 私も同じ研究者として、開発者として(生体を)観察するということが、この装置によって可能かどうか、非常に重要なことです。われわれは日常生活の中で自分自身の状態を、観察したいという人間としての意識も意思も本来ならば持っていますよね。最近、調子が悪いとか、心臓の具合が良くないとか、抑うつ状態であるとか自分なりの分析や解釈をしています。それをどうやって、客観視できるのかっていう素朴な欲求にも実はつながっていて、それは医者に行けばわかるのかというと、現代の(西洋)医学の検査項目の中では発見できないことも多い。私たちは、痛みや不安感を取り除きたいとき、自分の健康状態に定量性を持たせたい思い、医者に行きます。例えば抑うつ状態なら精神科に相談したとしても、カウンセリングはしてくれても、なかなか治ったという納得した状態にはなりにくい

バイオフィードバックという言葉があります。自分の定量化された生体・生理情報を確認して、『やはり今日は調子が悪いんだ』と納得することによって、改善策が自己決定できるわけです。

 そのために東洋医学でいう脈を診ることが非常に有効であると思います。脈波は医師であり研究者である人たちにとって重要な情報になるだろう事が、今、予見できます。

 やがて本来人に備わっている体調を総合的に判断して行動できるようになった時、この装置を腕からはずしてほしいのです」

 シリーズ研究所訪問・第1回は、セイコーエプソンの基盤技術研究所を訪ねた。これからもネイチャーインタフェイス誌では、ウェラブル機器研究。開発の最先端をレポートする。

基礎研究開発所

住所:富士見事業所

   デバイズ開発棟内(長野県諏訪郡富士見町)

所長:工学博士 下田 達也

研究分野等:本社部門である研究開発本部に属し、会社に誇る将来の基盤技術全般の研究開発を担当する研究所である。特にテクノロジー・プラットフォームとなりうる低エネルギー薄膜形成技術、低温ポリシリコンTFT技術、新しいデバイズ開発、ディスプレイ開発などに注力した開発を行っている。

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