宇宙航空環境医学 Vol. 43, No. 1

原著

心電図記録時における調節呼吸が心臓自律神経日内変動に及ぼす影響

白 優覧¹，山崎 健²，西村 正広³，小野寺 昇⁴

¹川崎医療福祉大学大学院医療技術学研究科健康科学専攻
²川崎医療福祉大学大学院医療技術学研究科健康体育学専攻
³鳥取大学医学部病態運動学講座
⁴川崎医療福祉大学医療技術学部健康体育学科

The Effects of Controlled Frequency Breathing on Cardiac Autonomic Nervous System Modulation of Daily Rhythms during Recorded Electrocardiograms

Wooram Baik¹, Ken Yamasaki², Mashahiro Nishimura³, Sho Onodera⁴

¹Graduate School of Health Science, Kawasaki University of Medical Welfare
²Graduate School of Health and Sports Science, Kawasaki University of Medical Welfare
³Division of Medical Science in Sports and Exercise, Tottori University Faculty of Medicine
⁴Department of Health and Sports Sciences, Kawasaki University of Medical Welfare

ABSTRACT
　Analysis of heart rate variability (HRV) has been widely used as an estimation of cardiac autonomic nervous system modulation. As cardiac autonomic nervous system modulation influences respiratory frequency, analysis of heart rate variability paces breathing for only a short time. However, it is difficult to analyze cardiac autonomic nervous modulation of daily rhythms to paced breathing for 24 hours. Analysis of cardiac autonomic nervous modulation of daily rhythms has used spontaneous breathing. A recent study shows that healthy subjects had a significant circadian rhythm of normalized units of high-frequency (HF ) power of HRV with higher values during sleep and that no significant circadian rhythms in any of the normalized spectral components of HRV were observed in patients with coronary artery disease. Therefore, we studied the effects of controlled frequency breathing on cardiac autonomic nervous modulation of daily rhythms on the hypothesis that autonomic nervous modulation of daily rhythms valued more high spontaneous breathing than controlled frequency breathing. Subjects were six healthy men (23.7±1.9 years old). Informed written consent was obtained from all subjects. We measured oral temperature and modulation of the autonomic nervous system from the morning (0700) to the next morning (0700). Sleep was allowed for 8 hours from 2300 to 0700. We measured several physiological indexes at 0700, 0900, 1100, 1300, 1500, 1700, 1900, 2100, 2300, 0200, 0500, 0700 (next morning). Oral temperature was measured after 20 minute rest periods in the supine position. Heart rate variability was measured during 5-min periods of spontaneous breathing and controlled frequency breathing (15 breaths/min) in the supine position. Cardiac autonomic nervous modulation was estimated with the power spectrum analysis of heart rate variability by using the Fast Fourier Transformation. The high-frequency (HF : 0.15-0.4 Hz) component was used as an index of cardiac parasympathetic modulation. The ratio of low frequency (LF ) to high frequency (HF ) was used as an index of cardiac sympathetic modulation. Those values were showed logarithmically (Log HF and Log LF /HF ). The Oral temperature significantly changed during 24 hours (p <0.01). Heart rate and Log HF component significantly changed in controlled frequency breathing and spontaneous breathing during 24 hours (p <0.01). Log LF /HF ratio insignificantly changed in controlled frequency breathing and spontaneous breathing during 24 hours (NS). Log HF component of spontaneous breathing at base time (0700) was significantly higher than the next morning (0500) (p <0.01), however, the Log HF component of controlled frequency breathing at base time (0700) showed no significant difference from the next morning (0500). Daily rhythms of oral temperature, heart rate and cardiac parasympathetic modulation were observed. These results suggest the amplitude of daily rhythms on cardiac vagal activity is higher, for spontaneous breathing than controlled frequency breathing.

(Received: 9 February, 2006 Accepted: 27 March, 2006)

Key words: cardiac autonomic nervous modulation, controlled frequency breathing, spontaneous breathing, daily rhythms

I. まえがき
　心臓迷走神経活動支配による心拍調節は，日内変動を有するとされる^4,16,23)。最新の研究報告は，心臓自律神経調節の評価について，調節呼吸下の評価が妥当であることを指摘している^5,6,8,9)。心臓迷走神経調節の指標であるHF (high frequency: 0.15-0.40 Hz）成分は，呼吸数や1回換気量などに強く影響を受けるものと考えられている。多くの先行研究は，このことを支持している^5,6)。
　心臓迷走神経調節を交感神経調節から分離して評価するためには，HF 成分の周波数を交感神経の伝達可能周波数限界である0.15 Hz以上（呼吸数9回/分以上）に保つ必要がある。Hayanoら^7,8) は，ヒトを被験者として静脈にプロプラノロール（0.2 mg/kg body weight）を投与することによって心臓交感神経調節を遮断後，分時換気量を一定に維持しながら呼吸周期を3〜6秒まで変化させた時の心拍変動を検討した。その結果，HF 成分の振幅が呼吸周期の延長によって増加し，呼吸数との間に直線的な負の相関を示すことを明らかにした。このことは，HF 成分が心臓迷走神経調節とは独立に呼吸数の影響を受けることを示唆する。またGrossmanら^5,6) は，呼吸数や1回換気量の変化が心拍変動解析による心臓迷走神経調節評価に影響を与えることを示した。従って一定条件下の心臓自律神経調節の評価においては，調節呼吸の妥当性が示唆される。
　一方，24時間あるいは48時間連続して呼吸を調節することは困難であるため，先行研究では，自然呼吸下での心臓自律神経調節を評価し，日内変動することを明らかにしている^10,15,16)。Huikuriら¹⁰⁾ は，自然呼吸下における冠動脈疾患者と健常者の24時間心拍変動を比較し，健常者のHF 成分及びLF 成分が冠動脈疾患者より有意に大きい変動幅を有していることを報告した。また，KimとYum¹¹⁾ は，鬱血性心不全患者においても同様の変化を示すことを報告している。これらのことから自然呼吸下での評価は，調節呼吸下の評価に比較し，日内変動の変動幅が大きい可能性が示唆される。 そこで，心臓自律神経調節の日内変動において自然呼吸下における変動幅が調節呼吸下における変動幅より大きい変動幅を有するものと仮説を立て，調節呼吸が心臓自律神経調節における日内変動に及ぼす影響を明らかにした。
　
II. 方法
　A. 対象
　対象は，健康な成人男性6名とした。年齢は23.7±1.9歳（mean±SD），身長は170.1±5.2 cm，体重は63.8±7.7 kg，体脂肪率19.6±3.8% であった。被験者には，研究の趣旨，方法，得られる成果等十分なインフォームドコンセントを行い，参加の同意を得た。
　
　B. 測定条件及び測定手順
　測定は，大学の実験室で行った（室内温度: 24〜26度）。被験者は，実験に先立ち2回以上実験室に宿泊し，測定条件と測定手順を理解した。睡眠は，実験室に設置されている暗室でとった。被験者に同一の食事を3回（朝食: 8時・昼食: 12時・夕食: 18時）摂取させた。被験者は完食した。飲料水としてお茶（500 ml×2本）を摂取させた。被験者を本実験の前日から実験室に宿泊させ，前日の23時から翌日の7時まで睡眠させた。評価当日の起床直後の7時をbase timeとし，7時の測定値をそれぞれの測定項目の基準値とした。測定以外の時間は，実験室の中で読書あるいは座業をするように指示した。7時，9時，11時，13時，15時，17時，19時，21時，23時，翌日2時，5時，7時に口腔温，心拍数及び心臓自律神経調節を測定した。心臓自律神経調節の評価については，自然呼吸条件と調節呼吸条件を設定した。23時から翌日の7時までを睡眠とした。睡眠中の2時と5時に起床させ，3項目を測定した。
　被験者に仰臥位20分間の安静を保持させ，口腔温を口腔温計（OMRON電子体温計: MC-107BW）を用いて測定した。心臓自律神経調節の評価は，自然呼吸条件，調節呼吸条件の順序で測定した。胸部双極誘導法テレメーター（WT-714R，日本光電）を用いて自然呼吸下で心電図を5分間記録した（自然呼吸条件）。メトロノームのリズム（0.25 Hz）に合わせて呼吸数を毎分15回に設定し，5分間心電図を記録した（調節呼吸条件）。胸部双極誘導から導出された心電図信号を1,000 HzのサンプリングレイトでA/D変換器（AD instruments Mac Lab/400）を用いてデジタル変換し，高速フーリエ解析を行った。低周波帯域（Low frequency: 0.04-0.15 Hz）のパワーの積分値（LF ）及び高周波帯域（High frequency: 0.15-0.4 Hz）のパワーの積分値（HF ）を算出した。HF成分を心臓迷走神経調節の指標，LF /HF を心臓交感神経調節の指標とした。分布に正規性を得るためそれぞれを対数化（Log HF , Log LF /HF ）した¹⁸⁾。
　
　C. 統計処理
　測定項目の指標は，平均値±標準誤差（Mean±SE）で示した。日内変動の検定はStatView 5.0を用いて反復測定分散分析（repeated measured ANOVA）を行った。有意変動が認められた場合，FisherのPLSDを用いて各時間の有意差検定を行った。有意水準は，それぞれ5 % 未満とした。7時の値を基準値として表し，基準値からの差を変動幅とした。基準値に対する変動幅の統計的な有意性を確認することとした。両条件における変動幅を変動係数を用いて比較した。
　
III. 結果
　図1に口腔温変化を示した。口腔温は，7時を基点に上昇し，19時に最大値を示した。有意な変動であった（p <0.01）。基準値に比較し，11時から23時までの各測定時の値は，有意な上昇であった（p <0.01）。

Fig. 1.	Changes of oral temperature during 24 hours (p <0.01). Values are Mean±SE. (Base line is 7 am. *p <0.05, **p <0.01 vs base line）

図2に心臓自律神経調節の変化及び心拍数の変化を示した。図2 A-1（自然呼吸条件）及びA-2（調節呼吸条件）にLog HF の変化を示した。自然呼吸条件と調節呼吸条件におけるLog HF の基準値は，2.72±0.19ms²（自然呼吸条件)及び2.82±0.19 ms²(調節呼吸条件）であった。Log HF の変化は，両条件において有意な変動であった（自然呼吸条件p <0.01，調節呼吸条件p <0.01）。また，基準値と比較し，自然呼吸条件において13時と21時が有意に低く（p <0.05），翌日の5時が有意に高い変化を示した（p <0.01）。一方，調節呼吸条件においては9時，13時，21時が有意に低い値を示したが（p <0.05），翌日2時と翌日5時に有意な差は認められなかった。両条件における変動係数は，7.0（自然呼吸条件）及び5.0（調節呼吸条件）であった。
　図2 B-1（自然呼吸条件）及びB-2（調節呼吸条件）にLog LF の変化を示した。Log LF の基準値は，2.55±0.12 ms²（自然呼吸条件）及び2.36±0.19 ms²（調節呼吸条件）であった。Log LF の変化は，自然呼吸条件において有意な変動を示した（p <0.01）。しかしながら調節呼吸条件の，有意な変動は認められなかった。基準値と比較し，自然呼吸条件の17時，翌日の5時及び翌日7時に有意な上昇が認められ，（17時，翌日7時: p <0.05，翌日5時: p <0.01），21時に有意な減少が認められた（p <0.05）。両条件における変動係数は，8.2（自然呼吸条件）及び5.6（調節呼吸条件）であった。
　図2 C-1（自然呼吸条件）及びC-2（調節呼吸条件）にLog LF /HF の変化を示した。Log LF /HF の基準値は，0.99±0.30（自然呼吸条件）及び0.57±0.22(調節呼吸条件)であった。Log LF /HF の変化は，両条件ともに有意な変動を示さなかった。両条件における変動係数は，20.4（自然呼吸条件）及び0.1（調節呼吸条件）であった。
　図2 D-1（自然呼吸条件）及びD-2（調節呼吸条件）に心拍数の変化を示した。心拍数の変化は，自然呼吸条件と調節呼吸条件共に有意な変動を示した（自然呼吸条件p<0.01, 調節呼吸条件p <0.01）。基準値（自然呼吸条件: 53±2 bpm，調節呼吸条件: 52±1 bpm）に比較し，自然呼吸条件の9時，13時，15時，19時，21時，23時に有意な上昇を認めた（p <0.01）。翌日の5時に有意な減少を認めた（p <0.05）。調節呼吸条件の9時，13時，15時，19時，21時，23時に有意な上昇を認めた（p <0.01）。両条件における変動係数は，7.4（自然呼吸条件）及び5.6（調節呼吸条件）であった。

IV. 考察
　日内変動に関する先行研究^4,10,15) は，ホルター心電図計を使用し，対象者の日常生活と同様の活動を実験当日も指示している。今回は安静時の心臓自律神経調節の評価に焦点を絞ったため，生活活動強度を生活活動強度I (低い)（1.3 BMR: Basal Metabolic Rate)¹⁷⁾ に設定した。この設定により心臓自律神経調節に及ぼす身体活動の影響を最少限とした。
　体温の日内変動は，サーカディアン変動の型が安定していると考えられる¹⁹⁾。本実験の口腔温は，有意な変動を示すと同様に先行研究の結果と同様の変動の型を示した^1,14)。このことは，今回の対象者がいわゆる日内変動を有する対象であることを示す結果であると考える。 心拍数は，両条件共に口腔温と同様に日内変動を示した。心拍数は，主に心臓迷走神経調節と心臓交感神経調節の影響を受けており，安静時には心臓迷走神経調節の影響を強く受けている。本実験で観察された心拍数の日内変動は心臓迷走神経調節の影響によるものと考えられた。
　心臓迷走神経調節の指標であるLog HF 成分は，両条件において有意な変動を示した。変動係数を用いて比較した自然呼吸条件における変動幅は，調節呼吸条件より大きかった。このことは本研究の仮説を支持するものと考えられた。 自然呼吸条件におけるLog HF 成分から求めた心臓迷走神経調節の変動は，日内変動の先行研究^2,10,16) と一致するものであった。
　自然呼吸条件のLog HF は，基準値に比較し，翌日2時から5時にかけて有意に高い値を示した。一方，調節呼吸条件では，同時刻において有意な差を認めなかった。今回得られた結果は，調節呼吸条件における心臓迷走神経調節が自然呼吸条件におけるそれよりも著明な亢進ではないことを示唆する。先行研究は，睡眠の段階の違いが，自律神経調節の変化に影響を及ぼすことを報告している^22,24)。すなわち，調節呼吸条件においては，睡眠時においても呼吸調節を行うために覚醒状態で測定したことが有意な変動を示さなかった要因であると考えられた。一方，自然呼吸条件における翌日2時と5時における有意な高値は，心臓迷走神経調節へ影響を及ぼす呼吸数等の要因の加算効果である可能性も考えられた。
　Log LF 成分は，心臓迷走神経調節と交感神経調節の両者によって媒介されると考えられている^12,21)。しかし，安静時にアトロピンを投与するとLF 成分とHF 成分のピークは，共にほぼ消失する^3,13,20,21)。このことは，安静時の両成分が，主として心臓迷走神経調節を反映することを示唆する。従ってLog LF とLog HF の最高値がほぼ同じ時間に観察されたことは，Log LF 成分にLog HF 成分が混入したためであると考えられる。
　心臓交感神経調節の指標として使用されているLog LF /HF においては，両条件共に有意な変動は，認められなかった。大塚¹⁹⁾ によると心拍変動解析は，主として心臓迷走神経調節の評価に優れた指標であるが，心臓交感神経調節の評価を試みる場合の妥当性は低いことを指摘している。交感神経と副交感神経は，拮抗的な作用をしているが，安静時においては主に心臓迷走神経調節が著明であり，内因性心拍数以下になる。したがって，Log LF /HF に有意な変動が認めなかったことは，安静時においては交感神経調節が有意に変化するほど亢進しなかったことを示すものと考えられた。
　本実験における口腔温と両条件の心拍数の最大値の出現時刻がほぼ一致することから口腔温と心拍数は同じ位相で推移したものと考えられる。夜間においては自然呼吸下の方が調節呼吸下より心拍数が低かった。心臓迷走神経調節の指標であるLog HF においても夜間において自然呼吸下の方が呼吸調節下より高かった。Log LF においては自然呼吸下で有意な変動が認められた。これらのことから自然呼吸下における評価から得られた変動は，調節呼吸下において得られた評価よりも変動幅が大きいことを示唆するものであると考えられた。今後の課題としてホルター心電図計を用いた自然呼吸下での24時間連続記録心電図からの心拍変動解析が必要であると考えられた。
　
V. まとめ
  1. 口腔温は，基準値と比較し11時，13時，15時，17時，19時，21時，23時に有意な上昇を示した（p <0.01）。
  2. Log HF 成分は，調節呼吸下において基準値と比較し9時（p <0.05），13時（p <0.05），21時（p <0.01）に有意な減少を示した。自然呼吸下において基準値と比較し13時と21時に有意に低く，翌日の5時に有意に高い変化を示した（p <0.05）。両条件における変動係数は，7.0（自然呼吸条件）及び5.0（調節呼吸条件）であった。
  3. Log LF 成分は，自然呼吸下において基準値と比較し17時（p <0.05），翌日5時（p <0.01）及び7時（p <0.05）に有意な上昇，21時に有意な減少を示した（p <0.05）。両条件における変動係数は，8.2（自然呼吸条件）及び5.6（調節呼吸条件）であった。
  4. Log LF /HF は，自然呼吸下及び調節呼吸下共に有意な変動を示さなかった。両条件における変動係数は，20.4（自然呼吸条件）及び0.1（調節呼吸条件）であった。
  5. 心拍数は，調節呼吸下においては基準値に比較し9時，13時，15時，19時，21時，23時に有意な上昇を示した（p <0.01）。自然呼吸下において基準値に比較し9時，13時，15時，19時，21時，23時に有意な上昇を認めた（p <0.01）。翌日の5時には基準値に比較し有意に減少した（p <0.05）。両条件における変動係数は，7.4（自然呼吸条件）及び5.6（調節呼吸条件）であった。
　これらのことから，自然呼吸下の評価が調節呼吸下の評価より変動幅が大きいことが明らかになった。

連絡先: 小野寺 昇
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川崎医療福祉大学医療技術学部健康体育学科
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