呼吸計測方法および装置

• 青木 広宙
• 古川 亮
• 佐川 立昌
• 川崎 洋

• 公立大学法人広島市立大学
• 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 国立大学法人鹿児島大学

運動負荷試験とは、運動中の心拍応答や血圧あるいは心電図など、医学的な側面から身体の生理学的な変化を確認し、より安全に効果的な運動を行なうために実施される体力測定・運動能力測定である。

運動負荷試験において算定される指標のひとつとして、嫌気性作業閾値（ＡＴ：Ａｎａｅｒｏｂｉｃ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）が知られている。ＡＴは最大酸素摂取量と同様に全身持久力（スタミナ）の体力指標として用いられ、最大限までの運動を実施しなくても算定可能であることから、健康づくりや生活習慣病の予防・改善を目的とした運動における強度の目安として広く利用されている。ＡＴにおける運動強度は、最大運動の５０～６０％程度の運動強度に相当し、かつ、キツさを感じない程度の無理なく実施可能な運動である。血液中の乳酸が急増しないため運動を長時間持続でき、息切れを起こさない、心臓への負担が少ないという利点がある。

このＡＴは概念的な指標であることから、より具体的な指標として、換気性作業閾値（ＶＴ：Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）や乳酸性作業閾値（ＬＴ：Ｌａｃｔａｔｅ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）が、指標として利用されている（非特許文献１）

運動負荷試験では、呼気ガス分析装置を併用することで、非侵襲的に全身持久性体力や運動の安全限界などを客観的に測定できる。特に、直線的漸増負荷法（ランプ負荷法）は、安全性と効果の両面で有効とされるＶＴを測定する上で有効な方法と考えられている。ランプ負荷法は、自転車エルゴメータを用いて行われるのが一般的であり、ランプ負荷法による測定の利点として、運動の強度を定量化できること、また、負荷を細かく設定できることが挙げられる。

ＶＴは、筋肉への酸素供給が十分に足りている状態から不足が生じる状態に移行する変化点となる運動強度であり、この変化点は、運動負荷の漸増に伴い、以下の生理現象として現れる。

１）酸素摂取量の増加に対して二酸化炭素排出量の増加が上回る。

２）換気量の増加割合が上昇する。

ＶＴ算定において用いられる呼気ガス分析装置は、流量計、酸素濃度計、二酸化炭素濃度計からなる測定部分と、それらの測定値からＶＯ２、ＶＣＯ２、ＶＥなどの基本的パラメータを計算する演算部、さらにこれらのデータに心拍数や血圧などを加えてモニター画面に表示したり、ＡＴなどを決定するための解析部からなる。ガス分析器と流量計の組合せによる測定モードとしてはＢｒｅａｔｈ－ｂｙ－ｂｒｅａｔｈ法が広く用いられている。Ｂｒｅａｔｈ－ｂｙ－ｂｒｅａｔｈ法においては、呼気と吸気のガス濃度の差からＶＯ２、ＶＣＯ２を求める方法である。他にも、Ｍｉｘｉｎｇ ｃｈａｍｂｅｒ法と呼ばれる方法が知られているが、非定常状態では誤差が大きく測定値の信頼性が極めて低下することから、漸増負荷試験にはＢｒｅａｔｈ－ｂｙ－ｂｒｅａｔｈ法が適していると考えられている（非特許文献２）。

しかし、一般に、呼気ガス分析装置は大変に高価であるため、医療機関や研究機関でしか利用されていないのが現状であり、スポーツクラブなどで気軽に利用することはできない。呼気ガス分析装置による測定時には、口鼻を覆う形でマスクを着用する必要があるため、運動中の呼吸が自然な状態であるとは言い難い。また、測定終了後にマスクの洗浄が必要である。このため、拘束感が少なく簡便な測定が実施しにくいといった欠点を持つ。

本発明の発明者の内のひとりは、ＶＴが運動負荷の漸増に伴い換気量の増加割合が上昇する点として現れることに着目し、画像工学技術を応用した非接触呼吸計測方法を応用したＶＴ算定方法について提案している（非特許文献３）。この非接触呼吸計測方法は、胸腹部に投影しパターン光を撮影し、動画像解析することにより非接触での呼吸計測を実現するものであり、本発明の発明者の内のひとりによってなされた発明（特許文献１）に示された非接触呼吸計測方法に基づくものである。

非特許文献３においては、リカベント型自転車エルゴメータによるペダルこぎ運動中の非接触呼吸計測が実現できることが明らかとなり、さらに、ＶＴ算定が高い精度で実施可能であることが示されている。非特許文献３に示された非接触呼吸計測方法を応用したＶＴ算定方法について以下に説明する。

図１０および図１１にシステム構成の概要を示す。図１０にはリカンベント型自転車エルゴメータを用いる場合の構成が、図１１にはアップライト型自転車エルゴメータを用いる場合の構成が、それぞれ記されている。

システムにおいては、パターン光投影装置１０１および撮像装置１０２が、自転車エルゴメータ１０３でペダルこぎ運動を行う被験者１０４の正面に設置される。そして、パターン光投影装置１０１から被験者１０４の胸腹部にパターン光１０５が投影される。パターン光は撮像装置１０２により撮影され、画像処理装置１０６に動画像として取り込まれる。撮影される画像には、被験者の胸部、腹部、足の付け根が撮影される。被験者は、測定中、ペダルこぎ運動を行う。

三角測量の原理に基づき、パターン光の画像中での座標は、実空間においてパターン光が投影されている座標と対応する。すなわち、画像中でのパターン光の分布は、被験者の胸腹部の三次元形状を反映している。当該手法はパターン光を投影しその分布を画像解析することで三次元形状を復元するアクティブステレオ法の一種であると言える。

被験者の胸腹部の距離変化、すなわち、呼吸の上下動に伴い、動画像中のパターン光は画像中を周期的に移動する。動画像中のパターン光が移動する方向は、パターン光投影装置と撮像装置とを結ぶ方向である。図１２に示す光学配置において被験者１２１の胸郭部の上下動ΔＺと撮像素子１２２上（すなわち画像中）でのそれぞれのパターン光１２３の移動量ΔＰとの間には次の数式の関係が成り立つ。

【数１】
（省略）

（１）

ここで、Ｌはパターン光投影装置のレンズ中心１２４と撮像装置のレンズ中心１２５との距離、Ｚはパターン光が投影された部位１２６と線分Ｌとの距離、ΔＺはパターン光が投影された部位１２６の変動距離、デルタＰは画像中におけるパターン光１２３の移動距離をそれぞれ示している。前記数式（１）は、三角測量の原理に基づくものである。Ｚ＞＞ΔＺであるから、画像中でのパターン光１２３の移動距離は、パターン光が投影された部位１２６の動きの大きさ、すなわち、被験者の動きの大きさと、比例関係にあると言える。

呼吸を測定するために、まず、パターンのフレーム間移動量を算出する。そして、各パターンのフレーム間移動量を、全パターンについて総和を算出する。前記の通り、パターンのフレーム間移動量は三角測量の原理に基づき体表面と撮像装置との距離変化に相当することから、パターンのフレーム間移動量の総和は体積変化に相当する量である。

被験者がペダルこぎ運動をせずにじっとしている状態（安静状態）においては、胸腹部に表れる動きは呼吸によるものである。したがって、パターンのフレーム間移動量の総和を時系列に並べることで呼吸波形が得られる。波形の正負符号は呼吸の状態を示し、呼気状態と吸気状態では符号が逆転する。

前述の通り、当該手法は三角測量の原理に基づく測定法であることから、呼吸波形の積分値は、呼吸に伴う胸腹部の体積変動に相当する量である。それぞれの積分値の値を準一回換気量（ＱＴＶ）と定義する。このＱＴＶは実際の呼吸流量である一回換気量ＴＶに準ずることから、ＱＴＶと1分間当りの呼吸数との積は、分時換気量（ＶＥ）に相当するものと考えることができる。ここで、ＱＴＶと1分間当りの呼吸数の積を、準分時換気量（ＱＶＥ）と呼ぶこととする。当該手法においては、運動強度漸増に伴うＱＶＥの増加率が変化する点に対応する運動強度をＶＴとして算定するものである。

被験者がペダルこぎをしている状態では、胸腹部には呼吸による動き以外にペダルこぎによる動きが含まれるため、フレーム間移動量を時系列に並べて得られる波形は呼吸運動とペダルこぎ運動の合成波形である。上記のＱＶＥの算出においては、ペダルこぎ運動成分はノイズ成分となるため、ペダルこぎ運動成分を除去する必要がある。

当該手法では、被験者のペダルこぎのペダル回転数を、自転車エルゴメータによる運動で一般的に利用されるペダル回転数である６０回転／分（１Ｈｚ）と定めることとした。被験者がペダルこぎを行っている状態で算出される波形から、ペダル回転数に対応する周波数（１Ｈｚ）よりも高い周波数成分を、ローパスフィルタ処理によりカットすることで、呼吸運動の周波数成分のみを抽出する。ローパスフィルタ処理によって抽出された呼吸運動成分波形は、呼吸の周期変動を示す。一般に自転車エルゴメータでは、ペダル回転数がメトロノーム音によって管理されるが、実際には誤差が含まれるため呼吸周波数以上の周波数成分をカットする。

図１３のグラフ中の細線は、運動強度１００～１４０Ｗ時に実測された波形である。この測定波形から０．９１６Ｈｚ以下の低周波成分を抽出することで細線に示すような呼吸運動成分のみを抽出することが可能である。

図１４はランプ負荷法における当該非接触呼吸計測手法のＱＶＥ算定結果について示したグラフである。図１４（１）はリカベント型自転車エルゴメータによる結果、図１４（２）はアップライト型自転車エルゴメータによる結果をそれぞれ示している。同時計測結果として、呼気ガス分析装置による直接計測により得られたＶＥを併せて示している。この結果より、運動強度の漸増にともなうＱＶＥとＶＥの変化は傾向として一致していることがわかる。すなわち、この結果は、当該非接触呼吸計測手法においても、呼気ガス分析装置と同様に運動強度漸増に伴う呼気量の変化を捉えることができていることを示している。

一方で、部分的に両者の値に乖離が見られ、運動強度が増加するに連れて乖離が大きくなっていることがわかる。特に、アップライト型自転車エルゴメータにおいては、乖離の度合いが大きい。これは、運動強度の増加に伴い体動が大きくなるため、非接触呼吸計測手法において体動成分のカットが正確に行われていないためと考えられた。

このため、正確なＶＴ算定のためには、より正確な運動中の非接触呼吸計測を実現する必要があるものと考えられた。

本発明は、自転車エルゴメータによるペダルこぎ運動中の呼吸を非接触で計測する呼吸計測方法および装置に関するものである。

• A61B   5/113     呼吸中に起るもの
• A61B   5/103     診断目的のため，身体またはその部分の形，型，大きさまたは動きを検査するための測定用装置
• A61B   5/22      筋肉の仕事量の測定；筋肉の強さまたは筋肉による打撃力の測定

• 4C038SS08 呼吸数
• 4C038SV01 体動，体型変化の測定
• 4C038VA04 人体の特定部位の測定（動きの測定も含む）
• 4C038VB31 体動
• 4C038VC05 写真撮影、ビデオ録画など