カテーテル室の時計では、十秒は短い。だが大動脈弁を置き換える瞬間の十秒には、心臓、血圧、脳の電気活動が一斉に形を変える。医師が右心室へ入れた電極から毎分180回を超える刺激を送り、心臓を速く、ほとんど空打ちするように収縮させる。拍出量が落ち、大動脈の流れが静まる。その短い窓に人工弁を正確に展開する。

この操作は急速心室ペーシングと呼ばれる。経カテーテル的大動脈弁置換術、TAVIまたはTAVRでは、バルーン拡張や弁の留置を安定させるために用いられる。目的は脳を研究のために虚血へすることではない。治療に必要な循環操作が、たまたま急性の全身性低血圧と一過性脳低灌流を、秒単位で始まり終わる「自然実験」として残すのである。

東京大学医学部附属病院 麻酔科・痛みセンターの若林諒助教、内田寛治教授らは、その瞬間に前額部から記録された脳波を二つの時間周波数解析で読み直した。一つは1982年にデービッド・トムソンが体系化したマルチテーパー法。もう一つは1998年にノーデン・E・ホアンらが提案した経験的モード分解とヒルベルト解析を組み合わせるヒルベルト・ファン変換、HHTである。

大学が2026年7月24日に発表した核心は、勝者の宣言ではなかった。同じ脳波データでも、方法によって変化の「見え方」が異なり、スペクトルを一つの数字へ要約するSEF95の時間推移も異なった、という警告である。臨床モニターが描く色や線は、電極が直接見た景色ではない。アルゴリズムが選んだ窓、仮定、平滑化、分解法を通した像だ。

−30〜＋60秒急速ペーシング開始を中心にした登録上の観察窓
250 Hz前額部BIS脳波の登録上のサンプリング周波数
3秒ごと血圧など数値データの記録間隔
95%SEF95より低い周波数側に含まれる総スペクトルパワー
90人UMIN登録の目標参加者数。実解析数ではない
2つの方法HHTとマルチテーパー法で同じ波形を比較

公表資料が示す研究の輪郭

この研究は、全身麻酔下でTAVIを受け、BIS脳波モニターによる前額部脳波があり、急速心室ペーシングを経験した20歳以上の患者を対象とする観察研究としてUMIN臨床試験登録システムに登録された。脳波の欠損やアーチファクトがある例は除外する計画で、主要評価はHHTによる脳虚血検出の「特異性、迅速性、判読性」。研究費は自己調達、目標数は90人だった。

解析窓はペーシング開始30秒前から60秒後まで。血圧などの数値は3秒ごと、脳波波形は毎秒250標本で扱う。HHTでは周波数帯ごとの瞬間エネルギーを求め、同じ波形へマルチテーパー時間周波数解析を適用し、SEF95などの指標を比較する。倫理委員会承認は2023年10月2日、UMIN公開は2024年12月24日、追跡終了は2025年12月27日と記録されている。

2025年の日本麻酔科学会学術集会では、立松由香、若林諒、東星一、朝元雅明、内田寛治のチームによる「脳波ヒルベルト・ファン変換の脳虚血検出能の検討」が最優秀演題賞を受けた。国際麻酔学会議IARS/SOCCAでも英語題で発表され、リアルタイム脳虚血モニターの試作へつながる研究費課題も動いている。

現時点で分かること、分からないこと
  • 確認済み：対象手術、観察窓、250 Hz脳波、3秒間隔の数値、二つの解析法、SEF95、目標90人、観察研究であること。
  • 大学発表の結果：同じ脳波でも時間周波数像とSEF95の推移が方法により異なった。
  • 未開示：実際の組み入れ数、解析数、患者背景、除外数、効果量、信頼区間、両手法の感度・特異度、臨床転帰。
  • 未確認：一方の方法が普遍的に優れていること、脳梗塞を予防したこと、リアルタイム警報が患者転帰を改善したこと。

UMINの結果欄は最終更新時点で「未公表」で、患者数や主要結果は空欄だった。7月24日の大学発表にも査読論文へのリンクは示されていない。したがって、目標90人を実解析数として書くことも、図を見ずに「HHTの方が早い」「マルチテーパーは見逃した」と断定することもできない。本稿が詳しく説明するのは、確定した設計と発表された比較結果、そして両手法がなぜ異なり得るかという既存科学である。

一つの電圧列は、まだ「絵」ではない

脳波は、頭皮の電極間に生じる百万分の一ボルト単位の電位差を時間順に並べたものだ。主に大脳皮質の多数の錐体細胞で生じるシナプス後電位が、方向と時刻をある程度そろえた時に頭皮まで届く。一本の線はニューロン一個の発火ではなく、組織の集団活動を遠くから足し合わせた影である。

生の線を熟練者が読むことはできる。しかし手術室で何時間もの波形を凝視し、振幅、周波数、左右差、抑制、アーチファクトを同時に追うのは難しい。そこで短い区間ごとに「どの周波数へどれだけのパワーがあるか」を計算し、時間を横軸、周波数を縦軸、強さを色にしたスペクトログラムを作る。密度スペクトル配列、DSAとも呼ばれる。

ここで最初の編集が入る。何秒を一窓にするか。窓をどれだけ重ねるか。どの周波数を除くか。筋電図、電気メス、ペースメーカー、電極の浮きをどう捨てるか。色の上下限をどう置くか。選択が違えば、同じ生データから生まれる画像も違う。解析はノイズを消して「真実」を取り出す透明な作業ではなく、何を保存し何を平均するかを決める測定の続きなのである。

1875年のウサギから、1924年の人の頭皮へ

1875年、リバプールの医師リチャード・ケイトンは、ウサギとサルの露出した脳表から電気の揺れを検流計で記録した。覚醒と睡眠で変わるゆっくりした振動を見いだし、感覚刺激と脳活動を結びつけた。頭蓋を開かない人の記録を実現したのが、ドイツ・イェーナの精神科医ハンス・ベルガーである。

ベルガーは1924年7月6日に最初の人脳波を記録し、より感度の高い装置と頭皮電極で検証を重ね、1929年に公表した。目を閉じて安静にすると現れ、開眼や注意で弱まる約10 Hzの「ベルガー波」は、後にアルファ波と呼ばれた。波が意識、睡眠、麻酔、てんかん、脳損傷で変わることは、脳の状態を連続的に見守る技術の出発点になった。

1930年代には頸動脈を一時的に閉じた動物で電気活動が消えることが示され、脳波は脳循環の変化にも敏感だと分かった。頸動脈内膜剝離術や心臓手術では、血流遮断中の虚血を見つける補助として使われるようになった。ただし、麻酔薬そのものも脳波を大きく遅くし、低体温、二酸化炭素、年齢、既存脳疾患も波形を変える。「遅い波＝虚血」という一行の辞書では安全に読めない。

脳血流を測る136年の別の歴史

1890年、チャールズ・ロイとチャールズ・シェリントンは、感覚刺激や窒息で動物の脳容積と血管が変わることから、活動する脳が局所の血液供給を調節すると論じた。現在の神経血管カップリングの祖型である。1940年代、シーモア・ケティとカール・シュミットは、吸入した亜酸化窒素が動脈血と内頸静脈血へ出入りする差から、人の全脳血流と酸素消費を定量する方法を開いた。

今日では経頭蓋ドプラ、近赤外分光法、PET、MRIなどが、流速、酸素化、局所灌流を異なる時間・空間解像度で測る。しかし、脳波は血液そのものを測らない。電気活動が保たれるために必要な酸素とグルコースの供給、その結果として変わる神経集団の同期を測る。血圧低下から脳波変化までには、自動調節、側副血行、酸素抽出、代謝需要という緩衝層がある。

1975年の急性脳梗塞22例では、反対側半球の局所血流が低くても脳波周波数が正常な例が多く、両者に相関はなかった。これは脳波が血流と無関係という意味ではない。局所梗塞、測定部位、時間、神経機能、薬剤が異なるため、血流と電気は一対一の換算表にならないという教訓である。別の研究では、全身性低灌流から約10〜15秒後に定量脳波変化が現れ、循環回復後も速い周波数の復帰にはさらに時間がかかった。

血圧計は脳血流計ではなく、脳波計は血流計ではない。それでも三つを時間で結ぶと、脳が循環の揺れへどう耐え、いつ電気的に譲歩するかが見えてくる。

TAVIの数秒が、解析法を試す理由

TAVIの急速ペーシングは、通常5〜10秒、毎分180〜220回程度で行われ、収縮期血圧を50 mmHg未満へ下げることがある。心臓が十分な一回拍出量を作れず、弁を押し流す血流が弱まるから、バルーンや人工弁が安定する。ペーシング終了後、循環は速やかに戻ることが多い。

近赤外分光法で173人のTAVI患者を追った研究では、脳酸素飽和度が急速ペーシング前64%から後55%へ有意に低下した。別の小規模研究や学会報告でも同じ方向の変化が観察されている。だが酸素飽和度低下と脳梗塞は同義ではない。TAVIの神経リスクには、低血圧のほか、石灰化弁から飛ぶ微小塞栓、空気、出血、心房細動など別の経路もある。

研究上の利点は時刻が明瞭なことだ。ペーシング開始をゼロ秒にそろえれば、直前、低流量中、回復期を患者間で重ねられる。薬の投与や麻酔深度が比較的安定した短い90秒を切り出せる。急に始まって急に終わる非定常信号だからこそ、時間と周波数の解像度をどう配分するかという解析法の性格が表面へ出る。

マルチテーパー法──複数の窓で、ぶれを抑える

フーリエ解析は、複雑な波形を異なる周波数の正弦波の重なりとして表す。だが有限の短い区間を切り取ると、区間の端で波形が不自然に途切れ、本来一つの周波数にある力が周囲へ漏れる「スペクトル漏れ」が起きる。普通は窓関数を掛けて端を弱めるが、一つの窓だけでは推定のばらつきと分解能の交換条件が残る。

トムソンのマルチテーパー法は、互いに直交する複数のスレピアン窓、離散偏長回転楕円体系列を同じデータへ順に掛ける。それぞれからスペクトルを求め、平均する。独立に近い複数の見方を重ねることで、ノイズに強く、分散が小さく、漏れを抑えた安定な推定になる。

代償は平滑化である。時間窓を長くすれば周波数を細かく分けられるが、数秒の出来事がにじむ。短くすれば急変を追えるが、近い周波数を分けにくい。テーパー数と帯域幅も像を変える。マルチテーパー法が「遅い」のではなく、短い標本から再現性の高い周波数推定を得るために、どの程度平均するかを明示的に選ぶ方法だ。

HHT──波自身に、分解の形を決めさせる

HHTの第一段階、経験的モード分解EMDは、あらかじめ正弦波や固定ウェーブレットを辞書として用意しない。信号の局所的な山と谷を結び、上下の包絡線の平均を引く「ふるい分け」を繰り返す。こうして、ゼロ交差と極値の数がほぼ等しく、局所平均がゼロになる固有モード関数、IMFを速い成分から順に取り出す。

次に各IMFへヒルベルト変換を掛け、時々刻々の振幅と位相を求め、位相の時間変化から瞬間周波数を得る。結果は、エネルギーがいつ、どの周波数にあったかを鋭く示すヒルベルト・スペクトルになる。分解の基底をデータから作るため、急速ペーシングのような非線形・非定常現象を細かく追える可能性がある。

ただし「データ駆動」は「無仮定」ではない。ふるい分けの停止条件、端の延長法、IMF数、ノイズ処理で結果は変わる。離れた周波数が一つのIMFへ混ざったり、一つの振動が複数IMFへ割れたりするモード混合、記録の端で偽の振幅が生まれる端効果が知られている。HHTは顕微鏡の倍率を上げるが、レンズ固有の収差も持つ。

2023年の麻酔脳波30例の研究では、HHTのIMF1、IMF2がプロポフォール導入・覚醒時のベータからアルファへの移動を捉え、IMF2の瞬間周波数はBISと関連した。一方、SEF95は導入期のばらつきが大きく有意に変化しなかった。この先行研究はHHTの可能性を示すと同時に、同じ「麻酔深度」でも指標が一致しないことを示していた。

SEF95という一本の「水位線」

SEF95は、設定した周波数範囲の総パワーを低い方から積み上げ、95%に達する周波数である。低周波が優勢になれば線は下がり、高周波側へパワーが移れば上がる。スペクトログラム上の白線として表示され、麻酔の時間変化や左右差を一目で追える。

便利さは圧縮に由来する。何十、何百の周波数点を一つのHz値へするから、異なるスペクトルでも同じSEF95になり得る。総パワーの絶対量は直接表さず、帯域上限、フィルター、窓長、アーチファクト、スペクトル推定法に左右される。筋電図が高周波側へ混ざれば上がり、麻酔薬、低体温、高齢、睡眠、低灌流でも下がり得る。

東大研究で重要なのは、同じ生波形から計算したSEF95の軌跡が方法で異なった点だ。SEF95は自然界に一つだけ存在して電極が拾う量ではない。どのスペクトル推定を分母にしたかで変わる派生量である。モニターの線を臨床閾値へ使うなら、アルゴリズムの定義まで医療機器の仕様に含まれる。

比較点マルチテーパー法ヒルベルト・ファン変換
基本発想複数の直交窓でフーリエ・スペクトルを推定し平均。信号自身からIMFを抽出し、瞬間周波数とエネルギーを計算。
強み分散とスペクトル漏れを抑え、安定し再現性の高い像。非定常な急変を鋭く局在させ、固定基底を仮定しない。
主な交換条件時間窓、帯域幅、テーパー数による時間・周波数分解能と平滑化。ふるい分け、モード混合、端効果、ノイズへの感度。
臨床的な問い「全体として周波数分布はどちらへ動いたか」「変化はいつ起き、局所的な振動はどう変形したか」
今回の結論同じ脳波でも像とSEF95の推移が異なる。公表資料は普遍的な優劣を示していない。

なぜ二つの正しい計算が食い違うのか

第一に、短い出来事では時間と周波数を同時に無限に細かく測れない。いつ起きたかを鋭くするほど、その瞬間に含まれる周波数は広く見える。周波数を狭く分けるには、より長い時間を観察しなければならない。マルチテーパー法はこの交換条件を窓と帯域幅で管理する。HHTは局所の形へ適応して制約を別の形で扱うが、有限でノイズを含む記録から情報を増やす魔法ではない。

第二に、問いが違う。マルチテーパーの平均は、ランダムなばらつきに埋もれた安定した帯域パワーを見たい時に強い。HHTの瞬間周波数は、数秒の間に振動が滑る、割れる、消える現象を見たい時に強い。なだらかな地形図と、時々刻々の水流図のようなもので、同じ谷を描いても輪郭は一致しない。

第三に、前処理と端点が影響する。東大の観察窓は合計90秒だが、ペーシング前後をどの長さに切り、どう基準化したかで急変の位置が変わり得る。HHTではペーシング開始・終了の鋭い変化がモードへ分配され、マルチテーパーでは窓内へ平均される。SEF95はその下流にあるため、上流の差を一本の線へ持ち込む。

臨床では「二つ見る」が答えになり得る

研究の実用的な意味は、HHTへ全面的に置き換えることではない。急性低灌流の警報なら、早い変化を捉える感度と、電気メスや筋電図で鳴らない特異度の両方が要る。偽陰性は脳障害を見逃し、偽陽性は手技の中断、昇圧薬、不要な検査を招く。表示が鮮明でも、結果が患者転帰と結びつかなければ臨床モニターにはならない。

現実的には、原波形、スペクトログラム、SEF95、抑制率、左右差を同時に見て、血圧、ペーシング時刻、脳酸素飽和度、麻酔薬濃度、体温、二酸化炭素と照合する。HHTが急変の時刻を知らせ、マルチテーパーが背景の安定した周波数移動を確認するなら、両者は競合ではなく相互監査になる。

自動警報を作る次段階では、どちらか一つの美しい画像ではなく、複数施設で事前登録した閾値を検証しなければならない。TAVIだけでなく、頸動脈手術、人工心肺、集中治療のショック、心停止後、くも膜下出血などへ広げ、脳梗塞、せん妄、認知機能、死亡との関連を前向きに確かめる必要がある。

この研究がまだ証明していないこと

第一に、急速ペーシング時の全身低血圧は、局所的な血栓性脳梗塞と同じではない。前額部の限られた電極が後頭部や深部、片側の小病変を見逃す可能性もある。第二に、BIS装置から得た波形は機器固有の前処理を受ける場合があり、完全な生アンプ信号と同じとは限らない。

第三に、TAVI患者は高齢で重症大動脈弁狭窄を持つことが多い。麻酔薬、弁の種類、ペーシング回数・時間、基礎血圧、心機能、頸動脈病変、ヘモグロビンが結果を変える。単施設の観察データなら、若い患者や別の低灌流機序へ一般化する前に外部検証が要る。

第四に、公表された大学要約は、解析法で結果が異なることを示すが、どの差が臨床的に重要だったかを定量していない。査読論文、登録結果、解析コード、パラメーター、除外フローが公開されて初めて、他施設が同じデータで同じ像を再現できる。

次の研究で必要なもの
  • 実組み入れ数と解析除外を示す患者フローチャート。
  • ペーシング時間、最低平均血圧、脳酸素飽和度と脳波変化の個人別対応。
  • 窓長、帯域幅、テーパー数、EMD停止条件、端処理、フィルターの完全な開示。
  • 解析者を転帰へ盲検化し、事前に決めた検出時刻・感度・特異度を評価。
  • 頭皮多チャンネルEEG、NIRS、経頭蓋ドプラを同時測定。
  • コードと匿名化された代表波形を共有し、別施設で再現性を検証。

AI時代に、方法の名前を表示する

脳波モニターは、やがて機械学習を組み込み、「低灌流リスク68%」のような確率を表示するかもしれない。しかしAIも、入力するスペクトルや特徴量を選ぶ。HHT画像を学んだモデルと、マルチテーパー画像を学んだモデルは、同じ患者で異なる確率を出し得る。訓練データ、前処理、欠損の扱い、機器の世代が見えなければ、数字だけが精密に見えても意味は曖昧だ。

だから今回の小さく見える発見は、AI医療の大きな原則へつながる。原データ、変換法、要約指標、判断モデルを一列に分け、それぞれの不確かさを記録すること。臨床画面には警報だけでなく、使用した方法、信号品質、代替解析との一致・不一致を示すこと。不一致を故障として隠さず、医師が立ち止まる情報に変えることだ。

「どちらが本当か」から、「何が保存されたか」へ

ケイトンの検流計は、脳に電気があることを示した。ベルガーは、頭皮から人の状態を読めることを示した。ロイとシェリントン、ケティとシュミットは、活動する脳と血液供給を測定可能な問題にした。フーリエ、トムソン、ホアンの数学は、一本の揺れる線を周波数と時間の地図へ変えた。

150年の歴史を経ても、装置は脳をそのまま映す窓にはならない。むしろ精密になるほど、窓ガラスの性質を知らなければならない。東大の比較が示したのは、解析法が結果へ「影響してしまう」という欠陥ではない。解析法は、結果を作る測定系の一部だという事実である。

手術中に血流が落ちた時、医師が知りたいのは、どちらの美しいスペクトログラムが正しいかではない。神経活動の何が、いつ、どれほど変わり、循環を戻せば回復するのかだ。二つの方法が一致する部分は頑健な信号かもしれない。食い違う部分は、急変の時間尺度や不確かさを教えるかもしれない。同じ脳波が二つの物語を語った時、科学の仕事は一方を消すことではなく、なぜ違うかを測り、その差を患者の安全へ変えることである。

Sources and references

本稿は東京大学の2026年7月24日発表とUMIN登録を中心に、TAVI急速心室ペーシング、脳酸素化、脳波史、脳血流測定、マルチテーパー法、HHT、SEF95の一次論文・査読研究を参照した。公開資料にない実解析数や効果量は補っていない。