LabVIE Wを用いた生体情報の計測と分析なぜLabVIEWを用いるのか 1.A/D変換ボードなどのハードウェアを多数サポート LabVIEWは，NationalInstruments製の多数のハードウェアをサポートし，計測環境の構築や，拡張，古い環境を新しい製品で置き換える，等の作業が非常に簡易であり，なおかつ確実に動作する．計測製品ベンダーとしての歴史が長く，シェアが広いので，ソフトウェアがこなれており，バグが少ない． 2.豊富なライブラリを備えているあらかじめデータの入出力，通信，計測，制御，分析等の大規模かつ高度なライブラリを備えており，自前で製作する部分を最小限に抑えられる．特に，生体情報を扱う上で重要な，フィルター関数や，周波数分析関連のライブラリが便利である． 3.グラフィカルで理解しやすいプログラミングプログラムの作成は，専用言語Gを用いて行われ，従来の文字を使った言語とは異なり，部品配置とワイヤーによる結線でほぼすべてのプログラムを行うことができる．プログラムの製作と，ユーザインタフェースの製作が一体化しているため，短時間で使いやすいソフトウェアを作成する事ができる．また，既存のライブラリは高速に動作するため，プログラムの実行速度は比較的速い． A/D変換（連続データから離散データへ）コンピュータで生体情報を処理する場合，アナログである生体情報をデジタルに変換（A/D変換）し処理を行う．A/D変換は・横方向の細かさ（サンプリングレート）・縦方向の細かさ（変換精度）の二種類によって決まる．両者ともに，細かければ細かいほどに，データの再現性は高くなるが，細かくするほどデータ量が増え，処理や保存の点では多くの手間と時間がかかるようになる．生体情報を処理する場合，一般的には，1ｋHz（１秒間に1000個）のサンプリングレート，16bit（65536段階）の変換精度があれば十分である． A/D変換プログラムデータ表示プログラムインピーダンスカーディオグラフィ－によるヘモダイナミクス分析(1) 4電極法により生体に微小高周波電流を流し，組織のインピーダンス(Z0)および血流によるインピーダンス変化分（ΔZ）を計測し，Kubicekらの理論に基づき心拍出量の算定を行う． SVを求めると，MBPおよび以下の式より生理心理１１巻２号（1993）インピーダンス・プレチスモグラフィー再訪より抜粋 MBP=CO×TPR MBP=SV×HR×TPR CO（心拍出量），TPR（全末梢抵抗）の推定が可能である．心的負荷により，心臓血管系に生じる反応は一様ではなく，刺激の質や量により影響をうける．また反応の形態には個人差があり，同様の心的負荷であっても，それにより生じるヘモダイナミクスの変化は個人間で異なる．インピーダンスカーディオグラフィ－によるヘモダイナミクス分析(2) 実験内容：二種類の心的負荷（ストレスフィルム・暗算）を行い，それにより生じるヘモダイナミクスの変化を検討する．被験者：男子大学院生刺激：ストレスフィルム（頭蓋全額部を切開する整形手術のビデオを視聴する）暗算（1000から13ずつ，連続引き算を行う．） LabVIEWによる処理：・ECG波形から，R波を検出する．・ΔZ波形から，一次微分波形ｄZ/dtを得る．・ノイズ対策のため，R波を基準にし，ｄZ/dtを50～100周期分加算平均する．・加算平均されたECG，ｄZ/dt波形から，Q点，B点，X点を検出する．・得られた値をKubicekらの式にあてはめ，SVを得る．・血圧の波形から最高血圧，最低血圧を一拍ごとに求める．・R-R間隔（すなわちHR），SV，MBPからTPRを求める．インピーダンスカーディオグラフィ－によるヘモダイナミクス分析(3) ・ECG波形から，R波を検出する．・ΔZ波形から，一次微分波形ｄZ/dtを得る．インピーダンスカーディオグラフィ－によるヘモダイナミクス分析(4) ・ノイズ対策のため，R波を基準にし，ｄZ/dtを50～100周期分加算平均する．・加算平均されたECG，ｄZ/dt波形から，Q点，B点，X点を検出する．結果1 IBI msec SV ml 1200 1150 120 1100 110 Flow ml/100g/min 20 1050 18 100 16 1000 950 90 900 80 14 12 10 850 8 70 6 800 4 60 750 2 700 0 50 安静暗算安静映像安静暗算安静映像安静暗算 CO 映像 TPR l/min mmHg 安静 dyne-seconds/cm-5 7 1400 140 6.5 120 1350 6 100 5.5 1300 80 5 60 4.5 40 4 SBP DBP 20 1250 1200 3.5 MBP 3 0 1 安静暗算安静映像 2 安静 3 4 暗算 5 6 安静 7 8 映像 1150 安静暗算安静映像結果2 msec IBI 1200 SV ml 150 1100 140 35 130 30 1050 Flow ml/100g/min 1150 120 1000 25 110 950 20 100 900 850 90 15 80 10 70 5 800 750 60 700 安静映像安静 mmHg 0 50 暗算安静映像安静映像安静暗算 TPR CO l/min 安静暗算 dyne-seconds/cm-5 900 140 9 800 120 8 700 100 600 7 80 500 6 400 60 5 40 300 SBP DBP 20 200 4 MBP 0 100 3 安静映像安静暗算 0 安静映像安静暗算安静映像安静暗算計測にあたっての第一段階 new_env すべてが入っているフォルダ acquit 計測プログラムが入っているフォルダ ②“acquit＋.vi”を開き，自分のフォルダを選択． readit 読み出しプログラムが入っているフォルダ user1 data ①“new_env”→“data”→自分用の新しいフォルダを作る user2 データが入っているフォルダ user3 user4 ユーザごとにフォルダを分けて管理する ③メニューバーの設定を開いて，自分の計測環境を設定する． [channel 1 to 16] [MIKE/PCI-6034E] 入力設定を行うチャンネルを1～8もしくは9～16で切り替える．コネクタボックスのチャンネル数に一致（注：offlineでは，0～15になっている）マシンの名前/AD変換ボードの型版・・・これが映っていないということは，認識されていないということ．有効（ON）・無効（OFF）スイッチ・・・ONにすると、このチャンネルからの入力が有効になる． [scan order] [offset] 微調整用．一部のノート用カード型AD変換ボードでは、この設定を reverseにする必要がある． [range] 1V=1と出力させるときに “1.00” とする． “normal” ・・・デスクトップ型PC 1→8chの順に読み出す．メモ欄・・・設定についての各自のメモをするところ． “reverse” ・・・ノート型PCのとき（ノートの場合，8→1の順で読み出す形式のものがあるため，逆にしておく．）例えば血圧の場合，校正波は 1V=100mmHgであるから， 5V=500とするため “500.00” とする． [input Range ] [accuracy ] [sampling rate (Hz) ] 入力電圧の幅の設定．1Vもしくは5Vの選択が可能。すなわち，±32.768で読み込む範囲の設定．使用しているAD変換ボードの変換精度を指定する．何Hzでトレンドを保存するかの設定であり，読み出し用ファイル (read＋ it) に対する設定である．ここを100にすると， read＋ itでも100でしか読めない． “±5” ・・・5V= 32.768 / -5V= -32.768 “±1” ・・・1V= 32.768 / -1V= -32.768 ↓ 血圧計の出力が，100mmHg=1Vのため， ±5に設定しておく！［設定後] 1. 【 acquit＋.vi → 設定→入力設定】 “16bit” ・・・通常はコレ．1個の計測値=16bit “12bit” ・・・古いPCは12bit しか対応できないものもある．そういう場合はこっち． ※ZCG解析用 (専用プラグラムファイル“offline”) に，これとは別に常に1kHzで保存がされている．→SVを算出するのが目的の場合は，あまり気にしなくてよい． [計測中にデータを・・・] [plug list] 全てのデータをディスクにセーブしながら実行するので動作速度が遅くなるが，計測終了時のデータ退避時間がなくなるという利点がある．マシンパワーに余裕があり、長時間の計測を行う場合はONにするとよいかも．各指標の計測値算出のためのプラグを選択．ダブルクリックでチェックをつけると，そのプラグが使用可能となる．例えば，ECGからHRを計算する場合，“HR_plug”を選択する．このプラグはまた，IBIも算出できる． HR→HR,IBI [IPアドレス・・・] BP→SBP,DBP,MBP,HRなど一秒間に10回の頻度で、ネットワーク上の別のマシンに計測中の情報を転送可能．。バイオフィードバックなどの用途に使用． PEP→PEP,HR,IBI Dummy→null(1-8) PV→Height,NPV,HR(top/bottom) Resp→Rate,Inspt,height,delay [計測後に・・・] セーブの有無の確認ダイアログについて． [label] 計測モニタに表示する際の，各チャンネルの名前を入力する．右側のボックスで波形の色を指定． [devices] [min & max] 入力設定したチャンネルと，出力設定の前画面で選択したプラグの中から，計測モニタで表示するものを決定．指標の最小値と最大値を入力．0を中心にするため，± の異なる同じ値を入力する． [ch] 右側のスライドバーを移動させ，必要な数だけ表示する． [function] “devices”でプラグを選択した際に，モニタに表示する指標を選択する．左側の● をクリックして適当なものを選ぶ． 2. 【acquit＋.vi →設定 →環境設定/出力設定】 [memo] 設定についてのメモ．モニタの表示範囲計測データの保存先が表示される． LabVIEWを起動した際に選択したフォルダが表示されるはず． [HR,BP・・・] “出力設定”の設定が表示される．計測値が実測値と同じかどうか確認．ここに全ての測定指標が表示される．計測時間の表示． 3. 【acquit＋.viの表示モニタ】 [記録開始] [終了] [event] クリックで計測開始．計測終了．イベントマーカーの挿入．プラグを導出しているチャンネル表示モニタのサイズ変更など． PEPのプラグのチャンネルは，必ず，ECGと ZCGを選択する．赤がECG 白がZCG →右図の黄色がdZ/dt ［HR_plug] ［PEP_plug] ［BP_plug] 4. 【acquit＋.vi→アプリケーション→プラグインを表示】 PEP算出の際の，B点が検出しづらい時に操作．オンラインでの確認用．［実行] ［offlineの表示モニタ] 分析対象ファイルが表示 “offset”・・・分析対象データの始発ポイント “length”・・・分析時間の長さ “length”がバーとして表示． ECG & ZCG (dZ/dt) ，BPなどの各波形フォルダ“offline”→ 実行（再生マーク）→ 目的のフォルダを選択してOK．［ファイル情報] SBP & DBP IBI,SBP,DBP,MBP,BFについて，“length”で設定した時間分の平均が表示． “add”をクリックすると，結果が図示される． “clear”しない限り，結果が追加される． “save”で保存．インピーダンスカーディオグラフィについては，値を求めてから保存する． 5. 【offline.vi】 [threshold] ECGがきちんと表示されないときに，値を変える． [datadir] [lowpass] ここに表示されたパスにデータファイルが保存されている．デジタルフィルターをかけるため,チェックを入れておく． 6. 【offline.vi】 B点，X点マニュアル操作可能． B点 X点ここにSV が表示． LabVIEWによる処理：・ECG波形から，R波を検出する．・⊿Z波形から，一次微分波形ｄZ/dtを得る．・ノイズ対策のため，R波を基準にし，ｄZ/dtを50～100周期分加算平均する．・加算平均されたECG，ｄZ/dt波形から，Q点，B点，X点を検出する．・得られた値をKubicekらの式にあてはめ，SVを得る．・血圧の波形から最高血圧，最低血圧を一拍ごとに求める．・R-R間隔（すなわちHR），SV，MBPからTPRを求める． (Kubicekの推定式) SV≒rho・(L/Z0)2・LVET・dZ/dt(max) rho (ohm･cm )・・・135 (ohm･cm) を常に用いる．定数． L (cm)・・・背側と腹側の平均．25cm以上必要．巻尺で測定． Z0 (ohm)・・・インピーダンスアンプのデジタル数値．【offline.vi】 ※インピーダンスアンプの “sensitivity” は，0.2に設定（固定）． [direction] “up”・・・BP↑を防ためのHR↓ “down”・・・BP↓を防ためのHR↑ [brs] 計算結果検出されたシーケンスの結果 ※シーケンスの数が，1ブロックあたり10以上ないとデータとして使えなそう・・・【offline.vi→オプション→BRS算出】【readit＋.vi】