精神負荷に対する自律神経応答を用いた客観的うつ病スクリーニングシステムの開発

• 研究課題/領域番号: 20K12603
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分90110:生体医工学関連
• 研究機関: 東京都立大学
• 研究代表者: 松井 岳巳 東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (50404934)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 生体医工学 / 生体情報 / ストレス

研究開始時の研究の概要

うつ病は、医師の問診により診断されるため、その技量等に影響される。本申請研究協力者は、うつ病患者と健常者では精神負荷に対する自律神経応答が異なることを報告している。
本研究では、ニューラルネットワーク等の判別アルゴリズムを用い、うつ病か健常かの判別だけではなく、それらの程度の把握を試み、主観ではなく客観的な数値による、うつ病スクリーニング法の確立を目指す。自律神経応答は指尖光電脈波や心電図より把握できるため、試作するシステムは低コストでの製作が可能である。本システムは精神科を専門としない産業医の診療補助としての使用、また在宅での使用、潜在的うつ病患者の精神科受診促進への応用が期待される。

研究成果の概要

本研究は、医師の技量や患者との関係が診断に影響してしまう「うつ病」を、主観が介在しない客観的な数値によりスクリーニングする方法の確立を目指した。音声案内のもと、計測開始から判別までを自動で行うプロトタイプ製作を行った。ランダムな数字を発声する精神負荷をかけ、取得した生体情報から心拍数変動指数を算出し、うつ病か健常かの判別するアルゴリズムを搭載した。更に高精度な判別を行うため、機械学習を用いたアルゴリズムを開発した。
実際の患者を対象としたデータ収集を行ったが、安定的な計測には至らなかった。そこで、波形計測の乱れ等の問題を、開発したアルゴリズムにより解決し、高い精度での判別を可能とした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

うつ病診断は、アンケートや医師の問診により行われるが、主観に基づくアンケートの信頼性は高くなく、また問診は医師自身の経験に大きく左右される。そこで、本研究では、うつ病患者と健常者で異なる精神負荷に対する自律神経応答から、判別を行った。個人差が大きい自律神経応答に対し、機械学習を用いたアルゴリズムを構築することで、高精度な判別を可能とした。本システムは精神科のみならず、うつ病罹患者の在宅で自身の状態確認や、専門ではない産業医の診療補助として使用が考えられる。客観的数値により、産業医の精神科専門医への受診促進、潜在的うつ病患者の受診促進への応用が期待される。

研究成果

• [雑誌論文] A medical radar system for non-contact vital sign monitoring and clinical performance evaluation in hospitalized older patients (2022)
  • 著者名/発表者名: Yen Hoang Thi、Kurosawa Masaki、Kirimoto Tetsuo、Hakozaki Yukiya、Matsui Takemi、Sun Guanghao
  • 雑誌名: Biomedical Signal Processing and Control 巻: 75 ページ: 103597-103597
  • DOI: 10.1016/j.bspc.2022.103597
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of a Novel Vital-Signs-Based Infection Screening Composite-Type Camera With Truncus Motion Removal Algorithm to Detect COVID-19 Within 10 Seconds and Its Clinical Validation (2022)
  • 著者名/発表者名: Unursaikhan B., Amarsanaa G., Sun G., Hashimoto K., Purevsuren O., Choimaa L., Matsui T.
  • 雑誌名: Frontiers in Physiology, section Computational Physiology and Medicine 巻: 13: 905931
  • DOI: 10.3389/fphys.2022.905931
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The development and clinical application of a novel schizophrenia screening system using yoga-induced autonomic nervous system responses (2022)
  • 著者名/発表者名: Inoue T, Shinba T, Itokawa M, Sun G, Nishikawa M, Miyashita M, Suzuki K, Kariya N, Arai M, Matsui T.
  • 雑誌名: Frontiers in Physiology 巻: 13 ページ: 902979-902979
  • DOI: 10.3389/fphys.2022.902979
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Remote sensing of vital signs by medical radar time-series signal using cardiac peak extraction and adaptive peak detection algorithm: Performance validation on healthy adults and application to neonatal monitoring at an NICU (2022)
  • 著者名/発表者名: Edanami K., Kurosawa M., Yen H. T., Kanazawa T., Abe Y., Kirimoto T., Yao Y., Matsui T., Sun G.
  • 雑誌名: Computer Methods and Programs in Biomedicine 巻: 226: 107163 ページ: 107163-107163
  • DOI: 10.1016/j.cmpb.2022.107163
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of a Novel Web Camera-Based Contact-Free Major Depressive Disorder Screening System Using Autonomic Nervous Responses Induced by a Mental Task and its Clinical Application (2021)
  • 著者名/発表者名: Unursaikhan B, Tanaka N, Sun G, Watanabe S, Yoshii M, Funahashi K, Sekimoto F, Hayashibara F, Yoshizawa Y, Choimaa L, Matsui T
  • 雑誌名: Frontiers in Physiology, section Computational Physiology and Medicine 巻: -
  • DOI: 10.3389/fphys.2021.642986
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Return-to-Work Screening by Linear Discriminant Analysis of Heart Rate Variability Indices in Depressed Subjects. (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinba T, Murotsu K, Usui Y, Andow Y, Terada H, Kariya N, Tatebayashi Y, Matsuda Y, Mugishima G, Shinba Y, Sun G, Matsui T.
  • 雑誌名: Sensors 巻: 21 号: 15 ページ: 5177-5177
  • DOI: 10.3390/s21155177
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Changes in Heart Rate Variability after Yoga are Dependent on Heart Rate Variability at Baseline and during Yoga: A Study Showing Normalization Effect in Yoga-Naive and Experienced Subject (2020)
  • 著者名/発表者名: Shinba, T., Inoue, T., Matsui, T., Kimura, K. K., Itokawa, M, Arai, M.
  • 雑誌名: International Journal of Yoga 巻: 13(2) 号: 2 ページ: 160-167
  • DOI: 10.4103/ijoy.ijoy_39_19
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 自律神経応答のみを用いたうつ病スクリーニング (2020)
  • 著者名/発表者名: 松井岳巳
  • 雑誌名: 日本官能評価学会 巻: 24(1) ページ: 1-4
• [雑誌論文] Contactless vital signs measurement system using RGB-thermal image sensors and its clinical screening test on patients with seasonal influenza (2020)
  • 著者名/発表者名: Negishi, T., Abe, S., Matsui, T., Liu, H., Kurosawa, M., Kirimoto, T., Sun, G.
  • 雑誌名: Sensors (Basel) 巻: 20(8) 号: 8 ページ: 2171-2171
  • DOI: 10.3390/s20082171
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Usefulness of heart rate variability indices in assessing the risk of an unsuccessful return to work after sick leave in depressed patients (2020)
  • 著者名/発表者名: Shinba, T., Murotsu, K., Usui, Y., Andow, Y., Terada, H., Takahashi, M., Takii, R., Urita, M., Sakuragawa, S., Mochizuki, M., Kariya, N., Matsuda, S., Obara, Y., Matsuda, H., Tatebayashi, Y., Matsuda, Y., Mugishima, G., Nedachi, T., Sun, G., Inoue, T., Matsui, T.
  • 雑誌名: Neuropsychopharmacology Reports 巻: 40 号: 3 ページ: 239-245
  • DOI: 10.1002/npr2.12121
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Pneumonia Screening System based on Parasympathetic Activity Monitoring in Non-contact Way using Compact Radars Beneath the Bed Mattress. (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsui, T., Kobayashi, T., Hirano, M., Kanda, M., Sun, G., Otake, Y., Okada, M., Watanabe, S., Hakozaki, Y.
  • 雑誌名: Journal of Infection 巻: 81(2) 号: 2 ページ: 142-144
  • DOI: 10.1016/j.jinf.2020.06.002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Visualization of Epidemiological Map using an Internet of Things Infectious Disease Surveillance Platform (2020)
  • 著者名/発表者名: Sun, G., Nguyen, V. T., Le, T. H., Pham, T. H., Ishibashi, K., Matsui, T.
  • 雑誌名: Critical Care 巻: 24 号: 1 ページ: 400-400
  • DOI: 10.1186/s13054-020-03132-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development and Clinical Application of a Novel Non-contact Early Airflow Limitation Screening System using an Infrared Time-of-flight Depth Image Sensor (2020)
  • 著者名/発表者名: Takamoto, H., Nishine, H., Sato, S., Sun, G., Watanabe, S., Seokjin, K., Asai, M., Mineshita, M., Matsui, T.
  • 雑誌名: Frontiers in Physiology 巻: 11 ページ: 552942-552942
  • DOI: 10.3389/fphys.2020.552942
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 心拍変動指数を用いた判別分析によるうつ病診断とシステム開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松井岳巳
  • 学会等名: 第118回日本精神神経学会学術総会
• [学会発表] 在宅高齢者看取り支援のためのチェーンストークス呼吸非接触・自動検出システムの開発と臨床応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 齋藤晶斗，神田雅大，孫光鎬，箱崎幸也，松井岳巳
  • 学会等名: 第61回日本生体医工学会大会
• [学会発表] スマートフォンカメラで求めた子猫動画視聴時の自律神経応答を用いたうつ病スクリーニングシステムの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 劉双語，井上智子，宮崎伸一，林原史明，佐藤正平，榛葉俊一，仮屋暢聡，孫光鎬，松井岳巳
  • 学会等名: 第52回人間工学会関東支部大会
• [学会発表] 精神負荷時の自律神経応答を用いたうつ病・統合失調症スクリーニング--精神負荷としてのヨーガ (2021)
  • 著者名/発表者名: 松井岳巳
  • 学会等名: 第19回日本ヨーガ療法学会研究総会沖縄大会
• [学会発表] 睡眠中の自律神経応答を用いた腕時計・24 時間・メンタルホルターの開発と治療効果推定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平塚巧真，小原右輔，仮屋暢聡，孫光縞，榛葉俊一，井上智子，松井岳巳
  • 学会等名: 第60回日本生体医工学会
• [学会発表] ヨーガ療法による自律神経応答を用いた統合失調症の新規スクリーニングシステムの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上智子，榛葉俊一，糸川昌成，孫光鎬，西川真帆，仮屋暢聡，宮下光弘，鈴木浩一，堀内泰江，鳥海和也，吉川茜，宮野康寛，石田裕昭，新井誠，松井岳巳
  • 学会等名: 第62回日本心身医学会総会
• [学会発表] 汗腺支配の交感神経バーストと末梢皮膚温に着目した腕時計型うつ病スクリーニングシステムの臨床応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 長谷川拳也，松井岳巳，小原右輔，仮屋暢聡，孫光縞，榛葉俊一，井上智子
  • 学会等名: 第117回日本精神神経学会学術総会
• [学会発表] A Non-contact Spirometer with Time-of-Flight Sensor for Assessment of Pulmonary Function (2020)
  • 著者名/発表者名: Sakamoto, H., Sun, G., Takamoto, H., Matsui, T., Kirimoto T.
  • 学会等名: The 42nd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society
• [学会発表] 独立成分分析による10GHz帯と24GHz帯域ドップラーレーダから計測された心拍・呼吸信号の分離法 (2020)
  • 著者名/発表者名: 枝並佳佑，孫光鎬，桐本哲郎，黒沢正樹，松井岳巳
  • 学会等名: 第59回 日本生体医工学会大会
• [学会発表] CCDカメラのRGB3信号を用いた非接触脈波信号の計測法 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西川真帆，孫光鎬，榛葉俊一，松井岳巳，桐本哲郎
  • 学会等名: 第59回 日本生体医工学会大会
• [学会発表] 睡眠中の自律神経応答を用いた腕時計型・24 時間メンタル・ホルターの開発とうつ病スクリーニング精度評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 平塚巧真，松井岳巳，小原右輔，仮屋暢聡，孫光縞，榛葉俊一，井上智子
  • 学会等名: 第116回日本精神神経学会学術総会
• [備考] 松井研究室ホームページ
  • URL: https://www.comp.sd.tmu.ac.jp/matsui-lab/index.html