2014年 発行 『別府大学紀要』第55号 心肺運動 負荷試験 にお ける 自律神経 の経 時的変化 の特徴 ― heart rate variabilityを 用 いた検討一 天田浩司 釘宮基泰 米持英俊 保科早苗 源美智子 菊池 博 松 田貴雄 森 照明 ヨem灘、〆 Bcρ ρυυレNsS4χ ι b m■タ 文 心肺運 動負荷試験 にお ける 自律神経 の経時的変化 の特徴 一 heart rate variabilityを 用 いた検討一 要 【 天 田浩司 1 米持英俊 2 源美智子 1 松 田貫雄 1 釘宮基泰 1 保科早苗 l 菊池 1 森 照明 3 博 旨】 、 心肺運動負荷試験 での 自律神経活動 をリアル タイム′ 亡 拍 変動 (HRV)解 析 に よ り経 時的 に観 察 した。直線 的漸 増 負 荷 法 (ラ ン プ 負 荷 )で の 最 高 酸 素 摂 取 量 (peakV0 2)は 交感神経活動 の指標 であ る LF/HF比 と正 の相 関 (R=0.61,p< 0.01)を 、副 交 感神 経 活動 の 指標 で あ る HFの 無 酸 素 代 謝 閾値 (AT:anaerobた threshold)ま での総和 と負荷終了 までの総 和 の比率 は 無酸素代謝 閾値 と正 の相 関 (R=0.57,p<0.01)を 示 した。 この結果は増大す る負荷 に応 じた酸素代謝 と最高 酸素摂取 の調節反応に 自律神経が深 く関与することを示唆す る。 【キーワー ド】 自律神経、心拍変動解析、心肺運動負荷試験、最高酸素摂取量、無酸素代謝闘値 1.緒 言 無酸素代謝閾値 (AT)は 全身持久力 と関連が強 く、有酸素運動能力 の指標 と言 える。マ ラソ ン選手な どの長距離 ラ ンナーは有酸素運動能力が高 く、副交感神経活動 も高 くなるため安静時に しば しば徐脈 となる。最高酸素摂取量 (peakV0 2)は 文字通 り個人 の運動能力 の高 さを表す。 トレーニ ング効果など比較的長 い 間隔での 自律神経活動 の変化 はよ く知 られて い るが 1)2317(S,、 運動負荷 中な ど短時間での 自律神経変化 をリアルタイムに観察 した報告 は少ない119)。 _ ヽ 亡 直線的漸増負荷法 (ラ ンプ負荷 )を 用 い た′ 肺運動負荷試験 は緩徐 に負荷量 が増大 し、急激な 、 亡 自律神経 の 変化 を来た さな い ため、′ 拍変動 を リア ル タイム に観察す るのに有利 で あ る516′ 。 我 々は リアルタイム (2秒 毎 )の 心拍変動 HRVが 計測可能な解析 ソフ ト(Memcalc/Tarawa)を 用 いて 、心肺運動負荷 試験 での心 拍数 (HR)、 副交感神経活動指標 (HF)、 交感神経活動指標 (LF/HF)を 計測 し、それ らの指標 と最高酸素摂取量 peakV02と 無酸素代謝閾値 ATと の 関連 l lfl立 病院機構西別府病院 2別 府大学 食物栄養科学部食物栄養学科 3大 分 岡病 院 -119- 「 別府大学紀 要 第55号 (2014年 ) を検言 寸した。 2.方 法 対象 は西別府病院を受診 した各種 アス リー トお よび慢性心不全患者 を含む37名 (平 均年齢43.3 ±24.0歳 ,男 性20名 女性 17名 )で 、サ イクルエ ル ゴメーター を用 いた直線的漸増負荷法での心 肺運動負荷試験 を施行 した。運 動負荷試験 中の心電図 R― R間 隔 を用 いて、 2秒 毎 に30秒 間の心 拍変動 を計淑1し た。パ ワースペ ク トル解析 は最大 エ ン トロ ピー 法 を用 い た解析 ソフ トで あ る MemCalc/Tarawa(GMS)を 使用 した。 ラ ンプ負荷 での心肺運動負荷試験 によ り最高酸素摂取 量 peakV0 2、 無酸素代謝闘値 ATを 計潰1し た。サ イクルエ ル ゴメーターによる心肺運動 負荷試 験 のプ ロ トコールは以下 の通 りである。 ① ② 定常負荷 (10W)に よる 3分 間のウォー ミングアップ ランプ負荷 (10W/分 ,15W/分 ,ま たは20W/分 ):負 荷 の終了時点 は個人の症候限界 (呼 吸困難、下肢疲労)ま たは最大心拍数 (220-年 齢 )の 85%∼ 90%に 達 した時 とした。 C 負荷終了後、再 び定常負荷 (10W)で の 3分 間の クール ダウ ン 呼気 ガス分析 はI呼 吸代謝 モ ニ ター システム (AE-3100Sミ ナ ト医科学)を 用 い、無酸素代謝 閾値 ATお よび最高酸素摂取量 peakV0 2は 呼吸代謝デ ー タか ら (AT windowデ ー タ解析 ソフ ト :ミ ナ ト医科学)計 涸1し た。無酸素代謝 閾値 ATに ついては V一 s10pe法 または Time― Trend によ り求 めた。 10CO 14CO 1 2CO 1030 単 ［ ∞りＥ Ｄ一工ｏ０ ｏ一Ｅ ゆ一￡ｏｏ ≡ 寺 Ｅ８ ８ εい〓 ８ ０一Ｅ∞一〓一一 〓 導 要 と 卜”Ｅ劇一 〓ｏ０ 一ＮＥ”一工一〇 ００ＥＮ〓 一ｏ ３ ＥＮ〓 ８ ∽一Ｅ 〓 〓一〇 つＯＥ 〓 二一⇔ 高 ｇ 一〓８ 等 ｇ ︶Ｅ８ Ｒ ｔ８ ぎ ０ Ｒ Ｅ８ ６ 一 Ｎ一Ｅｏｏ〓ｏｏ 一一Ｅ∞０共こ Ｏ∞Ｅ∞０三〇〇 ｃ８ き ０ 零´ ∞モ ト一ぎ ｏ ”ゆＥ０〇三一〇 卜∞ＥＯ〇二ＯＯ ゆＯＥＯｏ共あ ８ Ｅ一２ ８ ０一Ｅい一三一〇 零 ξ ｏ〓 ８ 〓 Ｅ８ き ０ ０ＮＥ ∞０三〇⇔ ０りＥ 一９ ● ０ ０ゆＥ Ｎｏ〓ｏｏ Ｎ一Ｅ Ｎ一一一ｏ .、 ８ ＥＳ さ ０ Ｓ Ｅ一 ｏぎ ｏ ”一Ｅ 一０工Ｏｏ 零 ｇ Ｏ‘８ l●ぶヽミミ ttふ じ ↓ :,11。 ■￨∴ 」 =ご 図 1.典 型例 の 直線 的漸増 運動 負荷 法 に よ る 自律 神経 活 動 の 経 時的変化 横軸 :時 間経 過 (min,Sec)縦 軸 :HFパ ワー (ms2/Hz),LF/HF,HR(/min) HR:心 拍 数 、 HF:HRVの 高 周波 成分 、 LF:HRVの 低 周波成 分、 WU:ウ ォー ミングア ッ プ開始 時 EX:負 荷 開始 時 、 AT:無 酸素 代謝閾値 時点、 RC:呼 吸性 代償期 時点 、 END:最 大 負荷終 了時点 CD:ク ール ダ ウ ン終 了時点 - 120 - し を ivetti″ 畿s ο fBepp′ 」 "120■ `oη り 3,結 果 、 ′ 亡 肺運動負荷試験 の典型例 (30歳 、女性 )を 図 1に 示す。副交感神経活動 の指標 で ある心拍変 動 の HF成 分 はウォー ミングア ップ開始時に低下後 にほぼ定常状態 とな り、運動負荷 開始 で徐 々 に低下 して無酸素代謝閾値 を超 えると急激 に低値 となる。低下状態が最高酸素摂取量 (peakVO 2)に 達す る負荷終了 まで持続 す る.ク ール ダウ ンによ りHF成 分 は再上昇 して負荷前の レベ ル まで回復 した。 最 高 酸素 擾 取 量 PeakY02 酸嚢摂 取量 ＼ 図2 運動負荷での酸素摂取量 と自律神経活動の関連 ォー ミ ン グア ップ開始時、EX:負 荷 開始時、A丁 :無 酸素代謝聞値時点、RC:呼 吸性代償期時点、END:最 大負荷終了時点、peakV02:最 高酸 素摂取量 HR:心 拍数、HF:高 周波成分、LF(低 周波成分)/HF、 WU:ウ 一 方 、交 感神経 活動 の 指標 の LF/HFは ウ ォー ミングア ップで一 過性 に上 昇 し、そ の 後 は負 荷 の増大 とと もにほぼ直線 的 に上昇 し続 けた。負荷終 了時 に頂 点 に達 し、そ の 後急激 に低 下 して負 荷前 の レベ ルに復 した。心拍 数 は負荷増大 につ れて徐 々 に増加 し、 AT後 も上 昇 し続 け て 負荷 終 ヽ 亡 しヽ 拍 数 は徐 々 に 回復 し、安静時 レベ ルに復 した。 拍 数 は ピー クに達 した。終了後 に′ 了時 に′ 図 2に 自律 神経 活動 の 経 時 的変化 と酸素摂 取量 との 関係 を示 す 。酸 素 摂 取 量 は ウ ォー ミン グ ア ップで軽 度増加 した後 に定常状態 となる。 負荷 開始 と同時 に上昇 し始 め、 ラ ンプ負荷 量 の増大 図 3.自 律神経活動 の評価指標 A:LF/HFの 負荷開始 か ら終了 までの総和 B:HFの CiHFの 無酸素代謝閾値 か ら負荷終了 までの総和 - 121 - 負荷開始 か ら無酸素代謝闘値 までの総和 別府大学紀 要 第55号 (2014年 ) ０ ０ ＾ り ¨ ０ 30 ‐ 抑 5ゝ t19ユ l-6 25 ０ ４ いく ０ ３ 15 10 ０ ２ 銀６こＦ 〓●Ｃ自 20 レ０ ０ １ 0 2000 4000 LHrIIF:Ⅸ ―END 0 6000 1 1.5 HF:EX‐ ATrEX― END 図 5.無 酸 素代 謝 聞値 (A丁 )と 副 交 感 神 経活動 の関連 .HF:EX― AT/EX― END:負 荷開始 か ら A丁 までの総 和 /ATか ら負荷終 了 までの総和 ) 図 4.最 高酸素摂取 と交感神経活動の関連 LF/HF:EX― END:負 荷 開 始 か ら負 荷 終 了 ま で HFの 総 和、 peakV02:最 大 酸 素 摂取量 に応 じて増加 し、負荷終了 0.5 (END)後 短時間で ピー クに達 し、その後下降す る。 運動負荷 に対す る身体反応 の酸素摂取量 と交感神経神経活動 の 関係 を明 らかにす るために、 LF/HF:EX― END(負 荷 開始時 か ら負荷 終了時 までの LF/HFの 総和 ,図 3の 上 図 ;面 積 A)を 算 出 した。図 4に 示す よ うに最高酸素摂取量 との 間 には明 らかな相 関が認 め られた (R=0.61, p<0.01)。 一方、HF成 分 と最高酸素摂取量 とには相関 は認め られなかった。 次に ATと HFの 関連 を検討 した。HF成 分は負荷開始 と同時に低下 を始めるが ATを 超 える と急激 に低 下す る。直線的漸増運動負荷 開始 か ら ATま での HF成 分 の総和 HF:EX― AT(図 3 下図 B)と 負荷開始 か ら負荷終 了 までの総和 HF:EX― END((図 3下 図 BttC)か ら、その比であ る HF:EX― AT/EX― END(B/BttC)を 算 出 した。ATと HF:EX― AT/EX― ENDは 有 意 な正 の 相関を示 した (図 5、 R=0.57,p<0.01)。 負荷 開始か ら ATま での HF成 分 の総和 HF:EX― AT 弓い相 関が認 め られた (図 6、 R=0.39,p<0.05)。 (図 3:B)と ATに も野 図 6.無 酸 素 代謝 闘値 (AT)￨こ 至 る ま で の副交感神経活動 と AT値 の相関 AT 無 酸 素 代 謝 閾 値、HF:EX― AT 負 荷開始 か ら無酸 素 代 謝 閾値 に至 る までの HF成 分 の総和 . 4.考 案 運動、各種 スポ ー ツにお い て最高 のパ フォーマ ンス を発揮す るためには交感神経が十分 に活 性化 されなければな らない。 しか し、過度の トレーニ ングによる身体的なス トレスや精神的なス - 122 - Mmarrs〆 晩 "′ わN筑熱 、 こ "の Iり トレスによ リオーバー トレーニ ング症候群 のように自律神経活動 に乱れをアス リー トにお いて も 生 じる ことがあるЫ。無酸素代謝閾値 ATを 超 えない有酸素運動 は過度の交感神経 の克進 を来た さず安全に実施 で き、慢性心不全患者 などの心臓 リハ ビリテー シ ョンや健康運動 におい て も推奨 されてい る。14)b 心肺機能が高 い各種 アス リー トか ら低下 してい る慢性心不全患者が対象 の本研究 で,個 人の最 大運動能力 の指標 である最高酸素摂取量 と交感神経活動指標 LF/HF間 に正の 関連 が認め られた (図 4)。 この結果 は心肺機能 の程度に依存す ることな く,最 高酸素摂取量 は交感神経活動 と強 く関連 して い ることを示唆す るものであ る。運動 によ り生 じた代謝産物は筋内の化学受容器 を刺 激 し、有髄神経や無髄神経 か らなる求心線維 を経 て脊髄 を上行 し、呼吸中枢や心血管運動中枢 を 刺激す る。その結果、交感神経 は緊張 し、血液の酸素化が進み、筋血流 は増大す る。持続的な交 感神経緊張 の充進 に よ り末梢組織 か ら求ぷ 性刺激 が増加 し、圧受容体反射 の感受性低 下が起 こ ・ る 詢。運動 に伴 う一連 の交感神経活動が酸素摂取量 に及ぼす作用 に関す るこれまでの報告 と今 1ゆ 回の結果 は一致 してい る 。 一方、運動 と自律神経、特に副交感神経 との関係 では運動療法 は求ぷ 性刺激 を減 じ、圧受容体 の感受性 を改善す ることが報告 されているわ。運動療法により心疾患患者 にお いて も安静時 ノル エ ピネフリンの減少 や筋交感神経活動 の低下で示 される交感神 経緊張 の低下 と副交感神経活動 の ・ )“ 本研究 では運動開始 か ら終 了 まで の HFパ ワーの総和 は最大酸素摂 増加 が報告 されてい る ￨。 取量ではな くAT値 と相関 を認 めた (図 6)。 今回我 々は、副交感神経活動 の評価指標 として負 荷開始 か ら負荷終了 までの HF成 分 の総和 を ATま で と負荷終了 までに分 けて,そ の比 を算出 し た (HF:EX― AT/EX― END)。 この指標 は負荷 開始か ら ATま での HF成 分 の総和 よ り AT値 と よ り強い正の相関を示 した (図 5)。 この結果 は運動負荷 の直線的な増大 に対する身体反応 で AT に至 るまで と,そ の後 の 自律神経、特 に副交感神経活動 の ダイナ ミックな動態 が AT値 あ るい は有酸素運動能 と関連す ることを示唆 している。 過度 のス トレスや加齢、慢1生 `さ 不全 などの病的状態 により交感神経活動 の持続的緊張 と副交感 神経活動 の低下 をきた し、スポーツのみ な いず、 日常 の 身体活動 にお いて もパ フォーマ ンスの低 下 を引 き起 こすunぃ 。近年、加齢や ス トレス な どの原 因で低下 した副 交感神経活動 を活 性化す る ことの重要性が注 目されてい るけ。今回の検討 では有酸素運動時 の 副交感神経活性 それ 自体が有 酸素運動能力 と密接 な関係がある ことが示 された。 い わゆる「 有酸素運動」が、種 々の原因 によ り低下 した副交感神経 活性 を回復 させ る手段 であ るか否か は今後 の検討課題 であ る。 5.文 献 1.心 臓 リハ ビ リテ ー シ ョンにおけ る イ ン ターバ ル トレー ニ ン グ と持 久 トレー ニ ング 中 の 自律 神経 活 動 の比 較検 討 花 田智 関根 正樹 田村俊 世 新 地友和 上 田美香 藤本登 四郎 生 体 医工 学 (1347-443X)49巻 6号 p977-981(201112) 定期的運動習慣 の有無 が間欠性無酸素性運動後 FHJ復 期 の心 臓 自律神経活動 に及 ぼす影響 史 小野 くみ子 理学療法学 (0289-3770)37巻 5号・p349-355(2010.08) 小川真 人 北垣和 414 ヽ 亡 心臓 副交感神経系ヨ J節 との 関連 西 中高齢者の 自転車 エ ルゴメー ター運動後のfrp臥 位浸水 と′ 拍数お よび′ 村一樹 吉岡哲 小野寺昇 川崎医療福祉学会誌 (0917-4605)19巻 2オ p291-295(201001) 4. 漸増負荷運動 における呼気延長呼吸が呼吸循環応答 と 自律神経活動 に与 える影響 水良祐 米澤隆介 石井玲 14た ,2う 計p363-368 山本周平 原美弥子 饗庭尚子 松永篤彦 増 田卓 松本卓也 堀 田一樹 心臓 リハ ビ リテー シヨン (2009.06) Ｆ０ Autonomic control of heart rate during exercise studied by heart rate variability spectral analysis Y - 123 - 清 別府大学紀要 第55号 (2014年 ) ・ Yarnamoto,RL Hughson,C Peterson」 ourna1 0f Physlology Septemberl,1991 vo1 71 no.31136-1142 6 Autonomic control of heart rate during physical exercise and fractal dirnension of heart rate variability Y Nakamtlra Y.Yamamoto,I.Muraoka」 ournal of Applied Physiology Feb l1993,vo1 74■ o.2875-881 7. ELfect of endurttce exercise on autonorrlic contt01 of heart rate James B Carter,Eric lヽ 「Banister and An― drew P.Blaber Sports Med 9_003;33(1):33-46 8. Effect of endurance exercise training on heart rate variability at rest h healthy yollng and older rnen ヽ Vayne C.Levy, ンlauelD.Cerqueira, GeorgeD. Harp. К レビ1-Arne Joharmessen, ItamarB Abrass, RoberS Schwartz`」 ohn R Stratton The American Journal of Cardiolo野 Vol.82,Issue10,15 November 1998,p1236- 1241 9 Wavelet法 を用 い た心拍 変 動 ス ペ ク トル解 析 に よる運動 時 の 自律 神経応 答 の 検討 北 野貴 美子 LE中 公 二 安 東啓 司 塩谷英 之 日本臨 床生 理学雑 誌 (02銘 -7052)33巻 4号 p219-225(豹 03.08) 10 運動 時 の 自律 神 経 応 答 lξ 彦 イ 1 (0452-3458)33Z讐 11 特 に副 交 感神 経 活 動 の 関与 につ い て ‐ 11写 p1317-1321 スポー ッ現 場 に生 かす運動 生理 学 ・ 生化 学 12.循 環器疾患 と自律神経 機能 第 2版 13 14 白律 神経 機能検 査 第 4版 編集 樋 I:1満 編著 井上博 日本 自律 神経学 会編 木松 正邦 .伊 藤芳 久 ,小 竹 親 夫 、他 呼吸 と 市村 出版 医学吉 院 文光堂 体力 とは何 か ―運動処 方 のその 前 に 一 長 澤純 一 編 127-132.ナ ップ 2007 15.オ ーバ ー トレー ニ ング症候 群 にお け る呼 吸 ・循 環機 能 長 嶋 淳 三 臨 床 スポー ツ医 学 :Vo123,No 8(200608) 16.心 疾患 にお け る リハ ビ リテ ー シ ョンに関す る ガイ ドライ ン (Ю 12年 改訂版 ) 日本循環 器学 会 HP 循環 器病 の診断と治療に関するガイドライン (2011年 度合同研究班報告)httpブ /wwwj― circ.or」 p/guideline/ 17_「 ゆっくり動く」と人生が変わる 小林弘幸 PHP文 庫 Abstract VVe investigated the relation of atltononlic nerve activity with peakV0 2 and anaerobic thresh‐ old(AT)dllring cardiopulmonary exercise test using heart rate variability(HRV)analySiS_LF/ HF,which is an index of sympathetic nerve activity,is pOsit市 ely correlated with peakV0 2 (R =0.61,p<001).Ratio of EX― AT/EX一 END(calculated by sum Start― AT/Start― End HF power,an index of parasympathetic nerve activity)had a positive correlation with AT(R= 0_57,p<0.01).The present results demonsLated the involvement of autonorrlic nerve system in physical and metabolic response to increase of physical 10ad - 124 -
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