JP7256936B2 - STRESS MEASUREMENT DEVICE, STRESS MEASUREMENT METHOD AND PROGRAM - Google Patents

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Description

発明の詳細な説明Detailed description of the invention

本発明は、動物の生体情報から抽出された心拍波形及び呼吸パターンから算出された位相コヒーレンスと呼吸数によって動物のストレスを測定する装置又は方法に関する。
さらには、椅子に装着されたシート状の圧電センサから、ヒトの心拍波形及び呼吸波形を抽出して位相コヒーレンスと呼吸数を算出して動物のストレスを測定する装置又は方法に関する。
The present invention relates to an apparatus or method for measuring animal stress based on phase coherence and respiratory rate calculated from heartbeat waveforms and respiratory patterns extracted from animal biological information.
Furthermore, the present invention relates to an apparatus or method for measuring animal stress by extracting a human heartbeat waveform and respiratory waveform from a sheet-like piezoelectric sensor attached to a chair and calculating phase coherence and respiratory rate.

社会の高度化によってもたらされるストレス、あるいは少子高齢化が益々進展する中で、呼吸器・循環器疾患患者が増加しつつあり、呼吸・循環機能の把握やその疾患の予防はますます重要になりつつある。
従来、ストレス評価法は、問診による主観的評価、血圧、心拍数、皮膚温、発汗などの生理指標、カテコールアミンやコルチゾールなどの液性ストレスマーカーの計測など、医療機関での計測が主であり、個人が計測できる指標ではなかった。
The number of patients with respiratory and circulatory diseases is increasing due to the stress caused by the sophistication of society and the declining birthrate and aging population. It's getting
Conventionally, stress assessment methods have mainly been conducted at medical institutions, including subjective assessment through interviews, physiological indicators such as blood pressure, heart rate, skin temperature, and perspiration, and measurements of humoral stress markers such as catecholamines and cortisol. It was not an indicator that an individual could measure.

このような問題に応える技術として、特許文献1には、心拍波形及び呼吸パターンから算出された位相コヒーレンスがストレスの指標となり得ることが開示されている。
すなわち、ベッドのシーツの下に敷いたシート型圧電センサから、少なくとも動物の心拍に関する情報及び呼吸に関する情報の両方を含む生体情報を取得し、前記生体情報から呼吸パターンを抽出し、前記生体情報から心拍間隔の変動を算出し、前記呼吸パターンと前記心拍間隔の変動との間の瞬時位相差の位相コヒーレンスを算出することが可能であることが開示されている。
また、位相コヒーレンスは、0~1の値をとり、心拍間隔の変動と呼吸パターンの瞬時位相差が一定の関係に近いほど1に近づき、瞬時位相差がランダムになるほど0に近づく。安静リラックス時には位相コヒーレンスが1に近く、ストレスがかかると位相コヒーレンスが低下するので、ストレスを位相コヒーレンスによって推定することが可能となることが開示されている。
As a technique for solving such problems, Patent Literature 1 discloses that phase coherence calculated from a heartbeat waveform and a breathing pattern can serve as an index of stress.
That is, from a sheet-type piezoelectric sensor placed under a bed sheet, biometric information including at least information about heartbeat and respiration of an animal is obtained, a breathing pattern is extracted from the biometric information, and a breathing pattern is extracted from the biometric information. It is disclosed that the beat-to-beat variability can be calculated and the phase coherence of the instantaneous phase difference between the breathing pattern and the beat-to-beat variability can be calculated.
The phase coherence takes a value between 0 and 1, approaches 1 as the instantaneous phase difference between heartbeat intervals and the respiratory pattern approaches a constant relationship, and approaches 0 as the instantaneous phase difference becomes random. It is disclosed that the phase coherence is close to 1 during quiet relaxation, and the phase coherence decreases when stress is applied, so that stress can be estimated by the phase coherence.

再表2017/141976Re-table 2017/141976

発明が解決しようとする課題Problems to be Solved by the Invention

しかしながら、ストレス状態において位相コヒーレンスが低下することが示されているものの、位相コヒーレンスが0に近ければストレス状態であり、位相コヒーレンスが1に近ければリラックス状態であるという必然性はない。
例えば、食事中は消化管に血液を送る必要性から心臓交感神経活動が亢進し心拍数が増加するという生理反応が見られる。その結果、ストレスがかかっていないのにもかかわらず位相コヒーレンス(λ)が低下し、位相コヒーレンス(λ)の低下をもってストレス状態下にあるとは必ずしも断定できないという問題があった。
また、シート型圧電センサを椅子に設置して椅子に坐したまま仕事をする被験者のストレスを測定しようとしても、心拍や呼吸に関する生体情報信号に、体動信号が混入し、有用な心拍情報や呼吸情報を取得できず、位相コヒーレンスを算出できないという問題があった。
本発明者は、このような問題を解決するために鋭意研究を進めて、ストレスを表す指標として、自律神経活動を反映する指標である位相コヒーレンス(λ)に高位中枢の影響を受ける呼吸数を加えて、位相コヒーレンスと呼吸数を組み合わせてストレスを測定する手段を考案した。
また、シート型圧電センサを椅子に設置して得られる心弾動信号(BCG)のように、体動信号が多く混入する生体振動信号から、その体動信号に心拍情報や呼吸情報が埋もれる部分を選別する手段を開発した。
However, although it has been shown that the phase coherence decreases in the stress state, it is not necessary that the phase coherence close to 0 indicates the stress state and the phase coherence close to 1 indicates the relaxed state.
For example, during a meal, the need to send blood to the gastrointestinal tract increases cardiac sympathetic nerve activity and increases the heart rate, which is a physiological response. As a result, there is a problem that the phase coherence (λ) is lowered even though no stress is applied, and it cannot necessarily be concluded that the device is under stress condition from the decrease in phase coherence (λ).
In addition, even if we try to measure the stress of a subject who works while sitting on a chair with a sheet-type piezoelectric sensor installed, the body movement signal is mixed with the biological information signal related to heartbeat and respiration, resulting in useful heartbeat information and There was a problem that respiration information could not be acquired and phase coherence could not be calculated.
In order to solve such problems, the present inventors have conducted intensive research, and as an index representing stress, the phase coherence (λ), which is an index that reflects autonomic nerve activity, is combined with the respiratory rate affected by the higher central nervous system. In addition, we devised a means to measure stress by combining phase coherence and respiratory rate.
In addition, from a biovibration signal that contains many body motion signals, such as the ballistocardiographic signal (BCG) obtained by installing a sheet-type piezoelectric sensor on a chair, there is a portion where heartbeat information and respiratory information are buried in the body motion signal. developed a means of selecting

課題を解決するための手段Means to solve problems

前記課題を解決するために、本発明に関わるストレス測定装置は、動物から取得した呼吸由来の心拍間隔の変動の瞬時位相と、前記呼吸由来の心拍間隔の変動と同一時系列における前記動物の呼吸パターンの瞬時位相との間の瞬時位相差に基づいて瞬時位相差の位相コヒーレンスを算出する位相コヒーレンス算出手段と、前記呼吸パターンから呼吸数を算出する呼吸数算出手段と、前記位相コヒーレンスと前記呼吸数からストレス指標を生成するストレス指標生成手段とを備える。
前記ストレス指標は、前記位相コヒーレンスと前記呼吸数からなる二次元データまたは、前記位相コヒーレンスと前記呼吸数のそれぞれに所定の重み付けをして加算した数値であってよい。
また、心拍情報、呼吸情報および体動信号を含む生体振動信号から、前記心拍情報や前記呼吸情報が前記体動信号に埋もれる部分を選別し、その部分の心拍数、呼吸数を補完する手段を備えてもよい。
In order to solve the above-mentioned problems, a stress measuring device according to the present invention comprises: an instantaneous phase of a heartbeat interval variation derived from respiration obtained from an animal; phase coherence calculating means for calculating phase coherence of the instantaneous phase difference based on the instantaneous phase difference between the instantaneous phase of the pattern; respiratory rate calculating means for calculating the respiratory rate from the respiratory pattern; and the phase coherence and the respiratory a stress index generating means for generating a stress index from the number.
The stress index may be two-dimensional data consisting of the phase coherence and the respiration rate, or a numerical value obtained by adding predetermined weights to the phase coherence and the respiration rate.
Further, means for selecting a portion where the heartbeat information or the respiratory information is buried in the body motion signal from the biological vibration signal including the heartbeat information, the respiratory information, and the body motion signal, and interpolating the heart rate and the respiratory rate of the portion. You may prepare.

発明の効果Effect of the invention

位相コヒーレンスが0に近い状態がストレス状態なのか鬱状態(depress状態)なのか、位相コヒーレンスが1に近い状態が、アクティブ状態(active状態)なのかリラックス状態(relax状態)なのか、ストレスを精密に測定することができる。
また、被験者が、勤務時間中に椅子に座って仕事をしている状態でも、被験者を拘束することなく、ストレスを継続して測定することができる。
本発明によれば、λ-RR平面の表示点を見るだけで、被験者は自己のストレスの状態、すなわちstress、depress、activeまたはrelaxのどの状態であるかを知ることができる。
位相コヒーレンス(λ)が低い場合、仕事がハードでstress状態なのか、やる気が起きない仕事でdepress状態なのかの判断材料になる。
また、位相コヒーレンス(λ)が高い場合、心身ともにrelax状態なのか、適度の運動をしてactive状態なのか等を判断することができる。
また、数値的な表現をすれば、被験者は自己のストレス状態の経緯をstress indexのグラフとして把握することができる。
これを、同一時系列の他の生体情報と並べることによって、お互いの関連を知ることができる。
さらには、座位BCG信号のように、体動信号が多く、心拍や呼吸に関わる情報が体動信号に埋もれることが多い場合でも、有効な心拍情報や呼吸情報を抽出してストレスを測定することが可能となる。
例えば、労働時間(8時間)における個人のストレスのリズムをその個人を拘束することなく、継続的に把握することができ、照明制御技術・音響技術・香料技術等を組み合わせて、最適な労働環境を提供することに寄与できる。
A state in which the phase coherence is close to 0 is a stress state or a depressed state, and a state in which the phase coherence is close to 1 is an active state or a relaxed state. can be measured to
Moreover, even when the subject is working while sitting on a chair during working hours, the stress can be continuously measured without restraining the subject.
According to the present invention, the subject can know his or her own stress state, namely which state of stress, depress, active or relax, just by looking at the display points on the λ-RR plane.
If the phase coherence (λ) is low, it can be used as a basis for determining whether the work is hard and stressful or unmotivated and depressed.
Also, when the phase coherence (λ) is high, it can be determined whether the body and mind are in a relaxed state, or whether they are in an active state after moderate exercise.
Moreover, if expressed numerically, the subject can comprehend the course of his/her own stress state as a stress index graph.
By arranging this with other biometric information in the same time series, mutual relationships can be known.
Furthermore, even when there are many body motion signals such as a sitting BCG signal and information related to heartbeat and respiration is often buried in the body motion signals, effective heartbeat information and respiration information can be extracted to measure stress. becomes possible.
For example, it is possible to continuously grasp the rhythm of an individual's stress during working hours (8 hours) without restricting the individual. can contribute to providing

ストレス測定装置の概略ブロック図Schematic block diagram of the stress measurement device ストレス測定装置の一実施形態An embodiment of a stress measuring device 暗算課題をランダムに課した事例A case of randomly assigning a mental arithmetic task 暗算課題をランダムに課した事例におけるλ-RR分布λ-RR distribution in the case of randomly assigned mental arithmetic tasks 50問正解暗算課題を課した事例A case of imposing a 50-question correct mental arithmetic task 50問正解暗算課題を課した事例におけるλ-RR分布λ-RR distribution in a case of imposing a 50-question correct mental arithmetic task 50問正解暗算課題を課した事例におけるλ-RR分布(状態別)λ-RR distribution (by state) in case of imposing 50 correct answer mental arithmetic tasks 運動時のストレス測定におけるλ-RR分布(被験者A)λ-RR distribution in stress measurement during exercise (subject A) 運動時のストレス測定におけるλ-RR分布(被験者B)λ-RR distribution in stress measurement during exercise (subject B) λ-RR平面を16分割したときの重み付Weighting when the λ-RR plane is divided into 16 心弾動信号のACRが明確な事例A case in which the ACR of the ballistocardiographic signal is clear 心弾動信号のACRが不明確な事例A case where the ACR of the ballistocardiographic signal is unclear 座位状態の生体振動信号から算出したλ、Stress indexλ calculated from biological vibration signals in a sitting position, Stress index

位相コヒーレンスを利用したストレス測定装置1は、図1に示すように、少なくとも情報取得部2及び情報処理部3を備えている。さらにストレス定装置1は、操作部4、出力部5及び記憶部6を備えていてもよい。 A stress measurement device 1 using phase coherence includes at least an information acquisition unit 2 and an information processing unit 3, as shown in FIG. Furthermore, the stress constant device 1 may include an operation section 4 , an output section 5 and a storage section 6 .

情報取得部2は、位相コヒーレンスの算出に必要な情報を取得するものであり、動物を計測するためのセンサ及びセンサの情報を有線又は無線で入力する入力部を含む構成であってもよいし、すでに計測済みの情報が記録された他の記録媒体からの情報を有線又は無線で入力可能な入力部を含む構成であってもよい。
すなわち、情報取得部2は、少なくとも情報を入力する入力部を備えており、場合によっては入力部と有線又は無線で接続された生体情報を計測するためのセンサを備えていてもよい。センサで生体情報を計測する場合、サンプリング周波数は100Hz以上であることが好ましい。
The information acquisition unit 2 acquires information necessary for calculating phase coherence, and may include a sensor for measuring an animal and an input unit for inputting sensor information by wire or wirelessly. Alternatively, the configuration may include an input unit capable of inputting information from another recording medium on which already measured information is recorded, by wire or wirelessly.
That is, the information acquisition unit 2 includes at least an input unit for inputting information, and in some cases may include a sensor for measuring biological information connected to the input unit by wire or wirelessly. When measuring biological information with a sensor, the sampling frequency is preferably 100 Hz or higher.

情報処理部3は、入力された情報を処理するものであり、例えば、コンピュータのCPU(中央処理装置)の演算処理機能を利用することができる。また、情報処理の中には、デジタル回路ではなくアナログ回路で実現することも可能である。
例えば、情報処理として周波数フィルタは、コンデンサや抵抗及びオペアンプ等で構成されたローパスフィルタ(LPF)やハイパスフィルタ(HPF)のアナログフィルタで実現してもよいし、CPUの演算処理機能によってフィルタリングを行なうデジタルフィルタで実現してもよい。
情報処理部3は、情報処理の種類に応じて、デジタル回路とアナログ回路の両方を含んでいてもよいし、入力される情報がアナログであれば、アナログ-デジタル変換回路によってデジタル信号に変換してもよい。
情報処理部3は、入力される情報によって必要となる機能又は処理が異なるが、少なくとも心拍間隔の変動の瞬時位相と呼吸パターンの瞬時位相との瞬時位相差を用いて位相コヒーレンスを算出する位相コヒーレンス算出機能を有している。
さらに、情報処理部3は、算出した位相コヒーレンスと呼吸数に基づいて、ストレス指標を生成するストレス指標生成機能を有する。
ストレス指標は、λ-RRの時系列の二次元データおよび、その二次元データに重み付けをして数値化した時系列の数値データ(stress index)である。
The information processing section 3 processes input information, and can use, for example, the arithmetic processing function of a CPU (Central Processing Unit) of a computer. Further, some information processing can be realized by analog circuits instead of digital circuits.
For example, as information processing, the frequency filter may be realized by analog filters such as a low-pass filter (LPF) or a high-pass filter (HPF) composed of capacitors, resistors, operational amplifiers, etc., or filtering is performed by the arithmetic processing function of the CPU. It may be realized by a digital filter.
The information processing section 3 may include both a digital circuit and an analog circuit depending on the type of information processing. may
The information processing unit 3 has different functions or processes depending on the input information. It has a calculation function.
Further, the information processing section 3 has a stress index generation function for generating a stress index based on the calculated phase coherence and respiration rate.
The stress index is time-series two-dimensional data of λ-RR and time-series numerical data (stress index) obtained by weighting and quantifying the two-dimensional data.

操作部4は、使用者がストレス測定装置1を操作するためのスイッチ、タッチパネル、ボタン、つまみ、キーボード、マウス、音声入力用マイク等の操作端子が設けられている。
また操作部4には、操作内容等を表示するディスプレイが設けられていてもよい。
出力部5は、算出した位相コヒーレンスやストレス指標を出力してもよいし、位相コヒーレンス以外の生体情報を出力してもよい。
例えば、結果を画像で表示するディスプレイ、結果を紙で出力するプリンター、結果を音声で出力するスピーカー、結果を電子情報で出力する有線又は無線の出力端子などを使用することができる。なお、出力部5としてのディスプレイを操作部4におけるタッチパネルや操作内容等を表示するディスプレイと兼用させる構成であってもよい。
記憶部6は、情報取得部2で取得した情報や、情報処理部3で算出した位相コヒーレンスやストレス指標などを記憶することができる。
The operation unit 4 is provided with operation terminals such as switches, a touch panel, buttons, knobs, a keyboard, a mouse, and a voice input microphone for the user to operate the stress measurement device 1 .
Further, the operation unit 4 may be provided with a display for displaying operation contents and the like.
The output unit 5 may output the calculated phase coherence or stress index, or may output biological information other than the phase coherence.
For example, a display that displays the results as an image, a printer that outputs the results on paper, a speaker that outputs the results by voice, a wired or wireless output terminal that outputs the results as electronic information, and the like can be used. The display as the output unit 5 may also be used as a touch panel in the operation unit 4 or a display for displaying operation contents.
The storage unit 6 can store the information acquired by the information acquisition unit 2, the phase coherence calculated by the information processing unit 3, the stress index, and the like.

図2は、ストレス測定装置1の一例である。ストレス測定装置1は、センサ21、アナログ-デジタル変換回路31、有効生体振動信号選別手段32、心拍抽出手段33、心拍間隔算出手段34、呼吸波形抽出手段36、ヒルベルト変換フィルタ35、37、瞬時位相差算出手段39、位相コヒーレンス算出手段40、呼吸数算出手段38、ストレス指標生成手段41、操作ボタン51、タッチパネル52、音声入力用マイク53、表示ディスプレイ54、無線通信手段55、スピーカー56、記録装置57を有している。 FIG. 2 shows an example of the stress measuring device 1. As shown in FIG. The stress measurement device 1 includes a sensor 21, an analog-digital conversion circuit 31, an effective biological vibration signal selection means 32, a heartbeat extraction means 33, a heartbeat interval calculation means 34, a respiratory waveform extraction means 36, Hilbert transform filters 35 and 37, an instantaneous position Phase difference calculation means 39, phase coherence calculation means 40, respiratory rate calculation means 38, stress index generation means 41, operation buttons 51, touch panel 52, voice input microphone 53, display 54, wireless communication means 55, speaker 56, recording device 57.

センサ21は、心拍に関する情報を含んだ生体情報及び呼吸に関する情報を含んだ生体情報を検出するものである。
例えば、心拍に関する情報を含んだ生体情報を検出するものとして心電図計測用センサ、心音図センサ、脈波センサ又は心拍動に伴う振動を計測するセンサなどがあり、呼吸に関する情報を含んだ生体情報を検出するものとして呼吸流速計測用センサ、呼気の熱流を計測するセンサ、又は呼吸運動に伴う胸郭の振動を計測するセンサなどがある。
The sensor 21 detects biological information including information about heartbeat and biological information including information about respiration.
For example, there are electrocardiogram sensors, phonocardiogram sensors, pulse wave sensors, and sensors that measure vibrations associated with heartbeats that detect biological information including information about heartbeats. Detectors include a sensor for measuring respiratory flow velocity, a sensor for measuring the heat flow of exhaled air, a sensor for measuring vibration of the thorax associated with respiratory motion, and the like.

また、振動を計測するセンサは、接触式でも非接触式でもよく、接触型の振動を計測するセンサの場合は、動物に直接又は間接的に接触させて配置することによって、心弾動図波形又は生体振動信号を検出することができる。心弾動図波形又は生体振動信号を検出するための接触型のセンサは、振動を発生する種々の生物に直接又は近傍に配置され、生物からの振動を検出し電気信号として出力する。
振動を計測するセンサとしては、圧電センサとしてピエゾ素子が好適に用いられるが、その他のセンサ、例えば高分子圧電体(ポリオレフィン系材料)を用いてもよい。
圧電センサとしては、フィルム状であることが好ましい。
さらに、圧電センサの場合、動物を拘束せずに心弾動図波形又は生体振動信号を取得することが可能であり、ストレスフリーで測定できるので好ましい。
ただし、圧電センサは、リストバンド、ベルト、腕時計、指輪、ヘッドバンド等に取り付けて、動物に装着してウェアラブルセンサとして利用することもできる。
また、その他の種類の振動を計測するセンサとして、例えば、高感度の加速度センサを用いて、腕時計、携帯端末のように体と接触させて、あるいはベッド、椅子等の一部に加速度センサを設置して心弾動図波形又は生体振動信号を取得してもよいし、チューブ内の空気圧又は液体圧の変化を圧力センサ等で検知して、心弾動図波形又は生体振動信号を取得してもよい。
さらに、振動を計測するセンサとして、マイクロ波等を用いた信号受発信により、心弾動図波形又は生体振動信号を取得できる非接触式のセンサを利用してもよい。
In addition, the sensor for measuring vibration may be of a contact type or a non-contact type. In the case of a sensor that measures contact type vibration, by placing it in direct or indirect contact with the animal, the ballistocardiogram waveform can be obtained. Alternatively, a biological vibration signal can be detected. Contact-type sensors for detecting ballistocardiogram waveforms or biological vibration signals are placed directly on or in the vicinity of various living organisms that generate vibrations, and detect vibrations from the living organisms and output them as electrical signals.
As a sensor for measuring vibration, a piezo element is preferably used as a piezoelectric sensor, but other sensors such as polymer piezoelectric material (polyolefin material) may be used.
The piezoelectric sensor is preferably film-shaped.
Furthermore, in the case of a piezoelectric sensor, it is possible to obtain a ballistocardiogram waveform or a biological vibration signal without restraining the animal, and stress-free measurement is possible, which is preferable.
However, the piezoelectric sensor can also be attached to a wristband, belt, wristwatch, ring, headband, or the like, and attached to an animal to be used as a wearable sensor.
In addition, as a sensor for measuring other types of vibration, for example, using a high-sensitivity acceleration sensor, the acceleration sensor is placed in contact with the body such as a wristwatch or a mobile terminal, or a part of a bed, chair, etc. A ballistocardiogram waveform or biological vibration signal may be obtained by detecting a change in air pressure or liquid pressure in the tube with a pressure sensor or the like to obtain a ballistocardiogram waveform or biological vibration signal. good too.
Furthermore, as a sensor for measuring vibration, a non-contact sensor that can acquire a ballistocardiogram waveform or a biological vibration signal by receiving and transmitting signals using microwaves or the like may be used.

センサ21で検出した信号は、有線又は無線でストレス測定装置1のアナログ-デジタル変換回路31に入力される。
アナログ-デジタル変換回路31は、センサ21からのアナログ信号をデジタル信号に変換する回路である。センサ21内にアナログ-デジタル変換回路31を設けてもよいし、センサ21がデジタル信号を検出できる場合には設けなくてもよい。
また、センサ21からのアナログ信号をフィルタリング等の処理を行った後にアナログ-デジタル変換回路31によってデジタル信号に変換してもよい。
A signal detected by the sensor 21 is input to the analog-digital conversion circuit 31 of the stress measurement device 1 by wire or wirelessly.
The analog-digital conversion circuit 31 is a circuit that converts an analog signal from the sensor 21 into a digital signal. The analog-to-digital conversion circuit 31 may be provided within the sensor 21, or may be omitted if the sensor 21 can detect digital signals.
Further, the analog signal from the sensor 21 may be converted into a digital signal by the analog-digital conversion circuit 31 after being subjected to processing such as filtering.

アナログ-デジタル変換回路31の出力は有効生体振動信号選別手段32に入力される。
有効生体振動信号選別手段32は、例えば、心拍情報や呼吸情報を抽出することができる部分を有効な生体振動信号と、心拍情報や呼吸情報が体動信号(BM信号)に埋もれてしまって有効でない生体振動信号を選別する。さらには、有効でない生体振動信号に対応する心拍情報や呼吸情報を補完する機能を備えてもよい。
例えば、10秒の時間窓中に体動がある場合(生体振動信号が3V以上は体動とみなす)または無信号の場合は、その窓のデータを補完信号で置き換える。
また、生体振動信号から抽出された心弾動信号(BCG信号)に体動信号が混入した信号をバンドパスフィルタを通した後全波整流積分し、その自己相関関数(ACR)を算出して、自己相関関数(ACR)の振動が明確な部分を有効な心弾動信号(BCG信号)として選別する。
自己相関関数(ACR)の振動が明確な部分とは、10秒の窓に自己相関関数(ACR)のピークが少なくとも5個以上ある部分をいう。5個以上は、心拍周期が最長でも2秒を超えないことに基づいている。
または、自己相関関数(ACR)の振動振幅が閾値(0.2~0.5)以上ある部分をいうが、これらの要件は、生体振動信号の状態に応じて適宜変更しても構わない。
すなわち、心弾動信号(BCG信号)を5~15Hzのバンドパスフィルタを通し、絶対値をとり、0.1Hz~3.0Hzのバンドパスフィルタを通して得られた心拍成分の包絡線を取得し、その自己相関関数(ACR)を計算し、その振動が上記の要件を満たす部分を有効な生体振動信号として選別する。生体振動信号の有効でない部分については、補完する等の処理をすることも可能である。
この手段によって、椅子の上に設置したシート状の圧電センサによって得られた生体振動信号に大きな体動信号が混入した場合でも、生体振動信号の有効部を選別し、心拍間隔(BBI)等の計算をし、位相コヒーレンス(λ)を求めることが可能になる。
The output of the analog-digital conversion circuit 31 is input to the effective biological vibration signal selection means 32 .
The effective biological vibration signal selection means 32 selects, for example, a part from which heartbeat information and breathing information can be extracted as a valid biological vibration signal, and a part where heartbeat information and breathing information are buried in a body motion signal (BM signal). Select the bio-vibration signals that are not Furthermore, a function of complementing heartbeat information and respiration information corresponding to ineffective bio-vibration signals may be provided.
For example, if there is body motion within a time window of 10 seconds (a biovibration signal of 3 V or higher is considered to be body motion) or if there is no signal, the window data is replaced with the complementary signal.
In addition, the ballistocardiographic signal (BCG signal) extracted from the biological vibration signal mixed with the body motion signal is passed through a band-pass filter and then subjected to full-wave rectification integration to calculate the autocorrelation function (ACR). , select those parts of the autocorrelation function (ACR) with clear oscillations as valid ballistocardiographic signals (BCG signals).
A portion where the oscillation of the autocorrelation function (ACR) is clear means a portion where there are at least 5 or more peaks of the autocorrelation function (ACR) in a window of 10 seconds. 5 or more is based on a heartbeat period of no more than 2 seconds.
Alternatively, it refers to a portion where the vibration amplitude of the autocorrelation function (ACR) is equal to or greater than the threshold value (0.2 to 0.5), but these requirements may be appropriately changed according to the state of the biological vibration signal.
That is, a ballistocardiographic signal (BCG signal) is passed through a 5-15 Hz band-pass filter, the absolute value is taken, and an envelope curve of the heartbeat component obtained through a 0.1-3.0 Hz band-pass filter is obtained, Its autocorrelation function (ACR) is calculated, and the portions whose vibrations satisfy the above requirements are selected as valid biological vibration signals. It is also possible to perform processing such as complementation for the ineffective portion of the biological vibration signal.
By this means, even when a large body motion signal is mixed in the bio-vibration signal obtained by the sheet-like piezoelectric sensor installed on the chair, the effective portion of the bio-vibration signal is selected, and the heartbeat interval (BBI) is determined. It is possible to do the calculations and determine the phase coherence (λ).

心拍抽出手段33は、センサ21で検出した信号から心拍に関する信号を抽出する手段であり、センサの種類又は入力される信号に応じて適宜適当な処理が選択される。
心電図波形や心弾動図波形が入力された場合、通常、心電図波形や心弾動図波形は呼吸の影響を受けているため、呼吸の成分を取り除くための処理を行うことが好ましいが、心拍間隔の算出に問題がなければ心拍抽出手段33を使用しなくてもよい。
また、生体振動信号が入力された場合、通常、生体振動信号には、心臓の拍動による心弾動だけではなく、呼吸による振動や、体動、発声、外部環境等に基づく振動も含まれる場合があり、これらのノイズを除去する処理を行うことが好ましい。
かかる処理としては、例えば、心電図波形や振動信号の強度をn乗(nは2以上の整数であり、nが奇数の場合は絶対値を取る)して強調処理した後、バンドパスフィルタ(BPF)を通過させてもよい。
心拍抽出手段33のBPFは、通過域の下限周波数が0.5Hz以上、0.6Hz以上、0.7Hz以上、0.8Hz以上、0.9Hz又は1Hz以上であることが好ましく、上限周波数が10Hz以下、8Hz以下、6Hz以下、5Hz以下、3Hz以下であることが好ましく、これらの下限周波数の何れかと上限周波数の何れかを組み合わせた通過域を持つことが好ましい。
The heartbeat extracting means 33 is a means for extracting a heartbeat-related signal from the signals detected by the sensor 21, and suitable processing is appropriately selected according to the type of sensor or the input signal.
When an electrocardiogram waveform or a ballistocardiogram waveform is input, it is usually affected by respiration. If there is no problem in calculating the intervals, the heart rate extracting means 33 may not be used.
When a bio-vibration signal is input, the bio-vibration signal usually includes not only the ballistic motion caused by the heartbeat, but also the vibration caused by breathing, body movement, vocalization, vibration based on the external environment, and the like. In some cases, it is preferable to perform processing to remove these noises.
As such processing, for example, after emphasizing the strength of the electrocardiogram waveform or vibration signal to the nth power (n is an integer of 2 or more, and when n is an odd number, the absolute value is taken), a bandpass filter (BPF ) may be passed through.
The BPF of the heartbeat extracting means 33 preferably has a lower limit frequency of 0.5 Hz or more, 0.6 Hz or more, 0.7 Hz or more, 0.8 Hz or more, 0.9 Hz or 1 Hz or more, and an upper limit frequency of 10 Hz. Below, it is preferably 8 Hz or less, 6 Hz or less, 5 Hz or less, or 3 Hz or less, and preferably has a passband combining any of these lower limit frequencies and any of the upper limit frequencies.

さらに、心弾動図波形から心拍間隔を算出する方法として、心弾動図波形を心拍の周波数よりも高い周波数を下限周波数とするハイパスフィルタ(HPF)を通過させ、HPF後の信号について絶対値をとることにより、利用したHPFを通過した信号の包絡線信号から、心弾動図波形の各心拍動の山を得ることができ、そのピーク値または心拍動の山の開始時点から心拍間隔を求めることができる。
通常の心拍の周波数は最大でも3Hz程度であるが、このハイパスフィルタの下限周波数は、5Hz以上であることが好ましく、10Hz、20Hz、30Hz、40Hzであってもよい。
Furthermore, as a method of calculating the heartbeat interval from the ballistocardiogram waveform, the ballistocardiogram waveform is passed through a high-pass filter (HPF) whose lower limit frequency is higher than the frequency of the heartbeat, and the absolute value of the post-HPF signal is By taking the envelope signal of the signal that has passed through the HPF used, each heartbeat peak of the ballistocardiogram waveform can be obtained. can ask.
The normal heartbeat frequency is about 3 Hz at maximum, but the lower limit frequency of this high-pass filter is preferably 5 Hz or higher, and may be 10 Hz, 20 Hz, 30 Hz, or 40 Hz.

呼吸波形抽出手段36は、センサ21で検出した信号から呼吸パターンに関する信号を抽出する手段であり、センサの種類又は入力される信号に応じて適当な処理が選択さる。
センサ21の一部に呼吸センサを使用し、呼吸センサによって呼吸パターンが実測される場合には、呼吸波形抽出手段36を設けなくてもよいし、呼吸波形抽出手段36でノイズとなる信号を除去する処理を行ってもよい。
心電図波形、心弾動図波形又は生体振動信号から呼吸パターンに関する信号を抽出する場合には、かかる処理としては、例えば、心電図波形や振動信号の強度をn乗(nは2以上の整数であり、nが奇数の場合は絶対値を取る)して強調処理した後、0.5Hz以下の周波数範囲の通過域を有するローパスフィルタ(LPF)を通過させてもよい。
呼吸波形抽出手段36のLPFの遮断周波数は、0.3Hz、0.4Hz、0.6Hz、0.7Hz、0.8Hzであってもよい。
また、LPFの代わりにBPFを通過させても良く、この場合、BPFの下限周波数は十分低い周波数であれば足り、例えば0.1Hzに設定してもよい。
The respiratory waveform extracting means 36 is means for extracting a signal relating to a respiratory pattern from the signals detected by the sensor 21, and appropriate processing is selected according to the type of sensor or the input signal.
When a respiratory sensor is used as part of the sensor 21 and the respiratory pattern is actually measured by the respiratory sensor, the respiratory waveform extracting means 36 may not be provided, and the respiratory waveform extracting means 36 may remove signals that become noise. You may perform processing to do.
When extracting a signal related to a respiratory pattern from an electrocardiogram waveform, a ballistocardiogram waveform, or a biological vibration signal, such processing includes, for example, increasing the strength of the electrocardiogram waveform or vibration signal to the power of n (where n is an integer of 2 or more). , the absolute value is taken if n is an odd number), and then passed through a low-pass filter (LPF) having a passband in the frequency range of 0.5 Hz or less.
The cutoff frequency of the LPF of the respiratory waveform extraction means 36 may be 0.3 Hz, 0.4 Hz, 0.6 Hz, 0.7 Hz and 0.8 Hz.
Also, instead of the LPF, the BPF may be passed through. In this case, the lower limit frequency of the BPF may be set to a sufficiently low frequency, for example, 0.1 Hz.

心拍間隔算出手段34は、心拍抽出手段33からの信号が入力され、心拍の間隔を算出する。心拍の間隔は、例えば心電図のP波、R波、T波又はU波の間隔、特にR波が鋭いピークを有するので、R波から次のR波までの間隔を計測することが好ましい。
心弾動図波形や生体振動信号から抽出された心拍に関する信号の場合も、鋭いピークのR波に相当する波形の間隔を計測することが好ましい。
The heartbeat interval calculation means 34 receives the signal from the heartbeat extraction means 33 and calculates the heartbeat interval. The heartbeat interval is preferably measured, for example, between P, R, T, or U waves in an electrocardiogram, especially the interval from one R wave to the next R wave, since the R wave has a sharp peak.
Also in the case of a heartbeat-related signal extracted from a ballistocardiogram waveform or a biological vibration signal, it is preferable to measure the interval of the waveform corresponding to the sharp peak of the R wave.

ヒルベルト変換フィルタ35は、心拍間隔の変動について瞬時位相と瞬時振幅を出力するものであり、ヒルベルト変換フィルタ37は、呼吸パターンについて瞬時位相と瞬時振幅を出力するものである。
ヒルベルト変換は、アナログ回路で90度位相差分波器を実現しても良いし、有限インパルス応答型のデジタルフィルタで構成しても良い。
ヒルベルト変換した信号と実信号を加えて解析信号を得て、解析信号の実部と虚部の比から瞬時位相を求めることができる。
The Hilbert transform filter 35 outputs the instantaneous phase and the instantaneous amplitude of the heartbeat interval variation, and the Hilbert transform filter 37 outputs the instantaneous phase and the instantaneous amplitude of the breathing pattern.
For the Hilbert transform, a 90-degree phase difference wave generator may be realized by an analog circuit, or a finite impulse response type digital filter may be used.
An analytic signal is obtained by adding the Hilbert-transformed signal and the real signal, and the instantaneous phase can be obtained from the ratio between the real part and the imaginary part of the analytic signal.

瞬時位相差算出手段39は、心拍間隔の変動の瞬時位相と呼吸パターンの瞬時位相との瞬時位相差を算出し、結果を位相コヒーレンス算出手段40に出力する。
位相コヒーレンス算出手段40では、上記の心拍間隔の変動の瞬時位相と呼吸パターンの瞬時位相との瞬時位相差を用いて位相コヒーレンスを算出する。
位相コヒーレンスを求める際のデータは最低でも呼吸1周期の窓長で計算する。
The instantaneous phase difference calculating means 39 calculates the instantaneous phase difference between the instantaneous phase of the heartbeat interval variation and the instantaneous phase of the breathing pattern, and outputs the result to the phase coherence calculating means 40 .
The phase coherence calculating means 40 calculates the phase coherence using the instantaneous phase difference between the instantaneous phase of the heartbeat interval variation and the instantaneous phase of the breathing pattern.
The data for obtaining the phase coherence is calculated with a window length of at least one respiratory cycle.

呼吸数算出手段38は、呼吸波形抽出手段36の出力である呼吸パターンを入力して、そのパワースペクトル求め、そのパワースペクトルのピークの周波数の逆数として呼吸数を算出する。 Respiration rate calculation means 38 receives the respiration pattern output from respiration waveform extraction means 36, obtains its power spectrum, and calculates the respiration rate as the reciprocal of the peak frequency of the power spectrum.

ストレス指標生成手段41について説明する。
位相コヒーレンス(λ)は0~1を示し、0に近いほど心臓交感神経活動が高まっているストレス状態であり、1に近いほど副交感神経活動が高まりリラックスした状態である。しかし、位相コヒーレンス(λ)が0に近いほどストレス度が高いとは言えない。なぜなら心臓交感神経活動の亢進は運動時や摂食行動などにおいても生じ、位相コヒーレンス(λ)がストレス度を特異的には反映していないからである。しかし、解答時間に制限を設けた計算課題で心理ストレスを課すとほとんどの場合位相コヒーレンス(λ)の低下に伴って呼吸数が上昇することを見出した。
そこで、位相コヒーレンス(λ)に加えて呼吸数を追加して、二次元表示でのストレス評価を考えた。
[呼吸数の採用]
表1は、19人の被験者に計算課題を課したときの心肺変数の変動を示すが、計算課題負荷時に血圧の上昇や心拍数および呼吸数の増加が見られる。それらの変数の中でも呼吸数は標準誤差が小さく、指標としての個人差が少ないと判断できる。そこで、ストレスを測定するための第2の指標として呼吸数を採用した。

Figure 0007256936000001
計算課題の遂行は認識努力と集中力を要し、切迫感などにより高位中枢が刺激される。高位中枢からの下行神経回路により呼吸中枢にある呼吸リズム発生器が影響を受け、呼吸数が増加するものと推察される。また、鬱病患者では安静時の位相コヒーレンス(λ)は健常者に比べて低く、呼吸数も低下する傾向があることが報告されている。位相コヒーレンス(λ)と呼吸数を用いて二次元で表現すると、例えば、図6に示すように、位相コヒーレンス(λ)が低い領域でも呼吸数が高いstress状態と、呼吸数が低いdepress状態があることが見えてくる。The stress index generating means 41 will be described.
The phase coherence (λ) ranges from 0 to 1. The closer the value is to 0, the more stressful the cardiac sympathetic nerve activity is, and the closer to 1 is, the more relaxed the parasympathetic nerve activity is. However, it cannot be said that the closer the phase coherence (λ) is to 0, the higher the degree of stress. This is because the enhancement of cardiac sympathetic nerve activity also occurs during exercise and eating behavior, and the phase coherence (λ) does not specifically reflect the degree of stress. However, we found that the respiration rate increased with a decrease in the phase coherence (λ) in most cases when psychological stress was imposed on computational tasks with a limited answer time.
Therefore, in addition to the phase coherence (λ), we added the respiration rate and considered stress evaluation in a two-dimensional display.
[Adoption of respiratory rate]
Table 1 shows changes in cardiopulmonary variables when 19 subjects were subjected to a computational task. Increases in blood pressure, heart rate, and respiratory rate were observed during the computational task. Among these variables, the respiratory rate has a small standard error, and it can be judged that there are few individual differences as an index. Therefore, respiratory rate was adopted as a second index for measuring stress.
Figure 0007256936000001
Performing computational tasks requires cognitive effort and concentration, and a sense of urgency stimulates the higher brain. It is presumed that the respiratory rhythm generator in the respiratory center is affected by the descending neural circuit from the higher center, and the respiratory rate increases. It has also been reported that depressed patients have a lower resting phase coherence (λ) than healthy subjects, and their respiratory rate tends to decrease. When expressed in two dimensions using phase coherence (λ) and respiratory rate, for example, as shown in FIG. I can see something.

[λ-RRデータ生成]
位相コヒーレンス算出手段40が算出した位相コヒーレンス(λ)と、呼吸数算出手段38が算出した呼吸数であって前記位相コヒーレンス(λ)と同一時刻の呼吸数から、λ-RRの二次元のストレス指標を時系列データとして生成する。
そして、このストレス指標を、横軸が位相コヒーレンス、縦軸が呼吸数である2次元平面(λ-RR平面)に表示する。
例えば、図4に示すλ-RR平面は、λ軸が0~1、RR軸が10~30(回/分)であり、λ軸は0.2刻み、RR軸は5刻みとしている。
図4において、ストレスが二次元のλ-RR平面に表示されているが、これを見ていろいろな解釈をすることができる。
λが低い左半分は、自律神経(交感神経・副交感神経)活動が交感神経優位な状態、λが高い右半分は、副交感神経活動が優位な状態である。右下がリラックス状態、右側の上半分がactive状態、左上がストレス状態、左下がdepress状態であると推測される。
例えば、active状態とは、軽い運動などをしている場合で呼吸数は多いものの、自律神経活動が副交感神経優位の状態であり、depress状態とは呼吸数は少ないものの動機付が弱い(やる気がない)状態であろうと推測することができる。
このように、ストレスをλ-RR平面で表現することによって、被験者のストレスがλ-RR平面のどこに位置するのかを容易に知ることができる。被験者は、例えば、自分のストレスがλ-RR平面のstress状態にあれば休息をとる、depress状態にあれば、やる気が出ることに切り替える等の対応をすることができるようになる。
[λ-RR data generation]
From the phase coherence (λ) calculated by the phase coherence calculation means 40 and the respiration rate calculated by the respiration rate calculation means 38 at the same time as the phase coherence (λ), the two-dimensional stress of λ-RR Generate indicators as time series data.
Then, this stress index is displayed on a two-dimensional plane (λ-RR plane) in which the horizontal axis is the phase coherence and the vertical axis is the respiration rate.
For example, in the λ-RR plane shown in FIG. 4, the λ axis is 0 to 1, the RR axis is 10 to 30 (times/minute), and the λ axis is incremented by 0.2 and the RR axis is incremented by 5.
In FIG. 4, the stress is displayed on the two-dimensional λ-RR plane, which can be interpreted in various ways.
The left half with a low λ indicates a state in which the autonomic nerve (sympathetic nerve/parasympathetic nerve) activity is dominant, and the right half with a high λ indicates a state in which the parasympathetic nerve activity is dominant. It is assumed that the lower right is the relaxed state, the upper right half is the active state, the upper left is the stress state, and the lower left is the depress state.
For example, the active state is a state in which the respiration rate is high during light exercise, but autonomic nerve activity is dominated by the parasympathetic nerves. not).
By expressing the stress on the λ-RR plane in this way, it is possible to easily know where the subject's stress is located on the λ-RR plane. For example, if the subject's stress is in the stress state of the λ-RR plane, he/she will be able to take a rest, and if he/she is in the depress state, he/she will be able to take measures such as switching to being motivated.

[λ-RRデータの時系列数値化]
例えば、図10に示すように、λ-RR平面を16分割し、λ軸方向は2点刻みの重みづけ、RR軸方向は1点刻みの重みづけをして、16分割されたλ-RR平面の各領域を数値化する。この数値化されたストレス指標をstress indexというが、数値そのものに生理学的な根拠があるわけではない。安静relax時には位相コヒーレンス(λ)が高くてRRが小さく、ストレス下では位相コヒーレンス(λ)が低くRRが大きくなる方向へ数値が大きくなるように重みづけし、ストレス度を定量化しようとしているものである。
例えば、図3の最下段のStress indexように、被験者のストレスが、時間の経過とともに変化する様子を、時系列的な数値グラフとして表現することができる。ストレスは0~9まで10段階で評価し、例えば、0~3:リラックス状態、4~6:軽いストレス状態、7~9:ストレス状態というように判断することができる。
このように、ストレスを時系列データとして表現すると、同一時系列の他の生体情報と並べることによって、お互いの関連を知ることができ、ストレスを細かく知ることができるようになる。
また、労働時間(例えば8時間)においてstress indexをグラフ化すると、被験者のストレス状態のリズムを把握でき、例えば、照明制御技術・温度調節技術を組み合わせて、適切な労働環境を提供して、労働者のメンタルヘルスに寄与することが可能になる。
[Time series digitization of λ-RR data]
For example, as shown in FIG. 10, the λ-RR plane is divided into 16, the λ-axis direction is weighted in 2-point increments, and the RR-axis direction is weighted in 1-point increments. Numericalize each region of the plane. This quantified stress index is called a stress index, but the numerical value itself does not have a physiological basis. At rest, the phase coherence (λ) is high and the RR is small, and under stress, the phase coherence (λ) is low and the RR is large, which is weighted so that the numerical value increases, and the degree of stress is quantified. is.
For example, like the stress index at the bottom of FIG. 3, it is possible to express how the subject's stress changes over time as a time-series numerical graph. Stress is evaluated on a 10-grade scale from 0 to 9. For example, 0 to 3: relaxed state, 4 to 6: mild stress state, 7 to 9: stress state.
In this way, when stress is expressed as time-series data, by arranging it with other biological information in the same time series, it is possible to know the mutual relationship and to know the stress in detail.
In addition, by graphing the stress index for working hours (e.g. 8 hours), it is possible to grasp the rhythm of the subject's stress state. It becomes possible to contribute to the mental health of people.

操作ボタン51、タッチパネル52、音声入力用マイク53は、使用者がストレス測定装置1を操作するための入力手段であり、ストレス測定装置1を作動させたり、必要な情報を出力させたりすることができる。
表示ディスプレイ54、スピーカー56は、心拍、呼吸パターン、呼吸性不整脈、位相コヒーレンス(λ)や、位相コヒーレンス(λ)と呼吸数から生成されるストレス指標などを出力する出力手段として利用することができる。
無線通信手段55は、算出した位相コヒーレンス(λ)や位相コヒーレンス(λ)と呼吸数から生成されるストレス指標などの出力手段に利用してもよいし、センサ21からの信号を入力する入力手段として使用してもよい。または、音声でストレス指標などを出力してもよい。
記録装置57は、入力された情報、各種手段のプログラム、位相コヒーレンスやストレス指標等の測定結果などが記録される。
The operation button 51, the touch panel 52, and the voice input microphone 53 are input means for the user to operate the stress measurement device 1, and can operate the stress measurement device 1 and output necessary information. can.
The display 54 and the speaker 56 can be used as output means for outputting heartbeat, respiratory pattern, respiratory arrhythmia, phase coherence (λ), stress index generated from phase coherence (λ) and respiration rate, and the like. .
The wireless communication means 55 may be used as an output means such as the calculated phase coherence (λ) or a stress index generated from the phase coherence (λ) and the respiration rate, or as an input means for inputting a signal from the sensor 21. may be used as Alternatively, the stress index or the like may be output by voice.
The recording device 57 records input information, programs of various means, measurement results of phase coherence, stress index, and the like.

[暗算テストを課したときのストレスの測定]
図3は、被験者に、暗算課題をランダムに課す計算テストを行ったときの例である。
椅子の座面に設置したシート状の圧電センサで生体振動信号を取得し、それを処理することによって、心拍数(HR),呼吸数(RR),位相コヒーレンス(λ),Stress indexを得た。
図3の最上段が心拍数(HR)、2段目が呼吸数(RR)、3段目が位相コヒーレンス(λ)である。心拍数(HR)、呼吸数(RR)、位相コヒーレンス(λ)のそれぞれの矩形信号の凸部が暗算課題をランダムに課した時間帯であり、心理ストレスがかかっている時間帯である。
最下段は、Stress indexであるが、暗算課題実施中に、位相コヒーレンス(λ)は0に近づき、Stress indexは高くなっていることが分かる。
また、9人の被験者の結果をまとめて、λ-RR平面にプロットした結果を図4に示すが、λが低いエリアでも呼吸数が高いエリアと低いエリアがある。呼吸数が低いエリアはdepress状態、呼吸数が高いエリアは暗算課題をランダムに行ったことによりstress状態にあると推測される。
[Measurement of stress when imposing a mental arithmetic test]
FIG. 3 shows an example of a calculation test in which subjects were randomly given mental arithmetic tasks.
A sheet-shaped piezoelectric sensor installed on the seat surface of a chair acquires a biological vibration signal and processes it to obtain a heart rate (HR), a respiration rate (RR), a phase coherence (λ), and a stress index. .
The top row in FIG. 3 is the heart rate (HR), the second row is the respiratory rate (RR), and the third row is the phase coherence (λ). The convex portions of the rectangular signals of heart rate (HR), respiration rate (RR), and phase coherence (λ) are time periods in which mental arithmetic tasks were randomly imposed, and are periods of psychological stress.
The bottom row is the stress index, and it can be seen that the phase coherence (λ) approaches 0 and the stress index increases during the mental arithmetic task.
FIG. 4 shows the results obtained by collecting the results of nine subjects and plotting them on the λ-RR plane. Even in areas where λ is low, there are areas where the respiration rate is high and areas where the respiration rate is low. Areas with a low respiratory rate are assumed to be in a depressed state, and areas with a high respiratory rate are assumed to be in a stressed state due to random mental arithmetic tasks.

[50問正解暗算テストを課したときのストレスの測定]
図5は、被験者に、暗算課題を50問正解するまで課すことを続ける計算テストを行った場合の例である。生体振動信号の取得や、その処理方法は暗算課題をランダムに課す図3の場合と同様である。
図5の1~3段に出ている矩形状の信号の凸部が、50問正解暗算テストが課されている時間帯であり、心理ストレスがかかっている時間帯であって、その時間帯で位相コヒーレンス(λ)が低く、Stress indexが高いことが見られる。
また、7人の被験者の結果をまとめて、λ-RR平面にプロットした結果を図6に示すが、λが低いエリアでも呼吸数が高いエリアと低いエリアがある。図4と比較すると、λが小さい時の呼吸数のバラツキが大きい。
さらに、50問正解暗算テストのデータを状態別に表示すると図7のようになる。○(Rest)が休息している状態、×(Arithmetic)が暗算テストをしている状態、□(Recovery)が暗算テストを終了して休息に向かう状態である。
呼吸数が低いエリアは計算課題を遂行する前の状態で多く見受けられ、計算課題を課されることに対する被験者の憂鬱感などが反映されているものと推測される。
また、(λ高、RR低)→(λ低、RR高)へ移行する人と、(λ低、RR低)→(λ低、RR高)へ移行する人がいる等を読み取ることができる。
[Measurement of stress when imposing a 50-question correct mental arithmetic test]
FIG. 5 shows an example of a calculation test in which subjects are continuously given mental arithmetic tasks until they answer 50 questions correctly. Acquisition of the biological vibration signal and its processing method are the same as in the case of FIG. 3 in which the mental arithmetic task is randomly imposed.
The convex portions of the rectangular signals appearing in rows 1 to 3 of FIG. It can be seen that the phase coherence (λ) is low and the stress index is high at .
FIG. 6 shows the results of summarizing the results of seven subjects and plotting them on the λ-RR plane. Even in areas where λ is low, there are areas where the respiration rate is high and areas where it is low. Compared with FIG. 4, the variation in respiration rate is large when λ is small.
Furthermore, when the data of the 50-question correct mental arithmetic test is displayed according to the status, it becomes as shown in FIG. ○ (Rest) is the state of resting, × (Arithmetic) is the state of doing a mental arithmetic test, and □ (Recovery) is the state of finishing the mental arithmetic test and going to rest.
Many areas with low respiratory rate were seen before the computational task was performed, and it is presumed that this reflected the subject's depressive feelings about the computational task.
In addition, it can be read that there are people who shift from (λ high, RR low) → (λ low, RR high) and people who shift from (λ low, RR low) → (λ low, RR high). .

[運動時のストレス測定]
呼吸は自律性と随意性の両面の性質を持ち合わせており、運動時に運動リズムにあわせて呼吸を行い、呼吸数が増加する場合がある。呼吸数の増加は無意識の反射反応ではなく、随意的に呼吸を調節した結果である。したがって位相コヒーレンス(λ)が1に近くても必ずしも安静relax状態であるとは断定できない。
被験者Aの運動時のストレス測定結果に基づくλ-RR分布を図8に、被験者Bの運動時のストレス測定結果に基づくλ-RR分布を図9に示す。いずれも、胸部双極誘導による心電図から心拍間隔を計測し、呼吸流速計が接続されたフェイスマスクを被験者が装着することにより呼吸波形を計測して、暗算テストの場合と同様の処理を行った。運動プロトコルは自転車運動で3分間は据え置き型の自転車に座ったまま安静にしているRest状態、その後1分毎に20Wずつ負荷を上げていく漸増負荷自転車運動であり、ペダル回転数は50~60回転/分とした。
図8は、被験者Aのλ-RR分布である。○はRest状態、■は20-140W(軽~中等度)の負荷をかけた状態、×は140-240W(強運動)の負荷をかけた状態である。安静時から軽~中等度の運動負荷ではλが変化せず、RRだけが上昇し、強運動負荷ではλが低下するとともにRRも上昇しているのが分かる。
図9は、被験者Bのλ-RR分布である。安静時から軽~中等度の運動負荷ではλもRRもあまり変化せず、強運動負荷ではλが低下するとともにRRも上昇しているのが分かる。
一般に、運動負荷に対する身体ストレスは被験者の身体能力、すなわち有酸素代謝能力に依存し、有酸素代謝能力を超える強運動負荷では被験者Aおよび被験者Bともにλが低下するとともにRRが増加してストレス状態になっていることが伺える。
また、運動時には活動筋の酸素需要に見合うように肺での酸素摂取量を増やす必要があり、分時換気量が増す。分時換気量は分時呼吸数(RR)と一回換気量の積で表され、軽~中等度の運動では被験者AはRRの増加で分時換気量を増やし、被験者Bでは一回換気量の増加で分時換気量を増やしていることがわかる。運動時にRRを増やすか一回換気量を増やすかは被験者個人の運動に対する呼吸の適応であるが、λは被験者Aおよび被験者Bともに安静時と比較して差異が見られず、軽~中等度の運動負荷ではまだ副交感神経活動が優位であると推察される。
安静時は、図8のλ-RR分布、図9のλ-RR分布ともに、λが高く呼吸数が低いエリアに○が分布し、被験者A、Bともに、心身ともにリラックスした副交感神経が優位なRelax状態にあると言える。
[Stress measurement during exercise]
Breathing has both autonomic and voluntary characteristics, and during exercise, breathing is performed in accordance with the movement rhythm, and the breathing rate may increase. The increased respiratory rate is not an involuntary reflex response, but the result of voluntary breathing control. Therefore, even if the phase coherence (λ) is close to 1, it cannot necessarily be concluded that the state is in a resting relaxed state.
FIG. 8 shows the λ-RR distribution based on the stress measurement results during exercise for subject A, and FIG. 9 shows the λ-RR distribution based on the stress measurement results for subject B during exercise. In both cases, heartbeat intervals were measured from an electrocardiogram obtained by chest bipolar leads, and respiratory waveforms were measured by the subject wearing a face mask connected to a pneumotachograph, and processed in the same manner as in the mental arithmetic test. The exercise protocol consisted of a resting state in which the subject sat on a stationary bicycle for 3 minutes, and then gradually increased the load by 20 W every minute, and pedal rotation was 50-60. Rotation/minute.
FIG. 8 shows the λ-RR distribution of subject A. FIG. ◯ is the rest state, ▪ is the state of applying a load of 20-140 W (light to moderate), and × is the state of applying a load of 140-240 W (strong exercise). It can be seen that λ does not change from rest to light to moderate exercise load and only RR increases, while λ decreases and RR increases under strong exercise load.
FIG. 9 is the λ-RR distribution of Subject B. FIG. It can be seen that both λ and RR do not change much under light to moderate exercise load from the resting state, and that λ decreases and RR increases under strong exercise load.
In general, the physical stress caused by exercise load depends on the physical ability of the subject, that is, the aerobic metabolic capacity, and under a strong exercise load that exceeds the aerobic metabolic capacity, λ decreases and RR increases in both subjects A and B, resulting in a stress state. It can be seen that
Also, during exercise, oxygen uptake in the lungs must be increased to meet the oxygen demand of active muscles, increasing minute ventilation. Minute ventilation is expressed as the product of minute respiratory rate (RR) and tidal volume. It can be seen that the minute ventilation is increased by the increase in volume. Whether the RR is increased or the tidal volume is increased during exercise depends on the adaptation of respiration to the exercise of the individual subject. It is inferred that the parasympathetic nerve activity is still dominant in the exercise load of .
At rest, both the λ-RR distribution in FIG. 8 and the λ-RR distribution in FIG. It can be said that it is in a relaxed state.

[生体振動信号の有効部の選別例]
自己相関関数(ACR)の振動振幅が大きいので、心拍間隔(BBI)を正しく算出できる例を図11に示す。1段目の下側が圧電センサによって取得された生体振動信号から抽出された心弾動信号(BCG信号)、1段目の上側がその5~15Hzの成分である。2段目は、1段目の5~15Hzの成分を全波整流して積分した信号(ピークに○を付した信号)とその瞬時位相である。その全波整流して積分した信号の自己相関関数(ACR)は、3段目に示すように明確である。このような場合、心拍間隔(BBI)は問題なく算出される。
一方、生体振動信号に体動信号が混入しているために自己相関関数(ACR)の振動振幅が小さくて、心拍間隔(BBI)を正しく算出できない例を図12に示す。1段目の下側が圧電センサによって取得された生体振動信号から抽出された心弾動信号(BCG信号)であり、上側がその5~15Hzの成分であるが、周期性が明確でない。このような場合、2段目に示す、全波整流して積分した信号(ピークに○を付した信号)とその瞬時位相の周期性も乱れ、3段目に示す自己相関関数(ACR)の振動振幅も小さくなる。
なお、自己相関関数(ACR)の振動振幅が小さくなるのは、生体振動信号に体動信号の混入する場合の他に、心拍成分が不明瞭な場合、体動信号の混入と心拍成分が不明瞭なことの両方に起因する場合がある。
[Example of selection of effective part of biological vibration signal]
FIG. 11 shows an example in which the heartbeat interval (BBI) can be calculated correctly because the oscillation amplitude of the autocorrelation function (ACR) is large. The lower side of the first row is the ballistocardiographic signal (BCG signal) extracted from the biological vibration signal acquired by the piezoelectric sensor, and the upper side of the first row is its 5 to 15 Hz component. The second row shows the signal obtained by full-wave rectifying and integrating the 5 to 15 Hz component in the first row (the signal with the peak circled) and its instantaneous phase. The autocorrelation function (ACR) of the full wave rectified and integrated signal is well defined as shown in the third row. In such cases, the beat-to-beat interval (BBI) is calculated without problems.
On the other hand, FIG. 12 shows an example in which the heartbeat interval (BBI) cannot be calculated correctly because the vibration amplitude of the autocorrelation function (ACR) is small because the body motion signal is mixed in the biological vibration signal. The lower side of the first row is the ballistocardiographic signal (BCG signal) extracted from the biological vibration signal acquired by the piezoelectric sensor, and the upper side is its 5 to 15 Hz component, but the periodicity is not clear. In such a case, the periodicity of the signal obtained by full-wave rectification and integration (signal with a circle at the peak) and its instantaneous phase shown in the second row is also disturbed, and the autocorrelation function (ACR) shown in the third row is The vibration amplitude also becomes smaller.
The vibration amplitude of the autocorrelation function (ACR) becomes smaller not only when the body motion signal is mixed with the biovibration signal, but also when the heartbeat component is unclear. It can be attributed to both obvious things.

[座位生体振動信号に基づく測定例]
体動信号が混入する部分、心拍成分が不明瞭な部分が存在する場合でも、有効生体振動信号選別手段32によってその有効部を選別して、位相コヒーレンス(λ)を求め、stress indexを求めた事例を図13に示す。
被験者は、シート状圧電センサを座面に設置した椅子に座り、普通の事務作業を行いながら、生体振動信号を取得した。
椅子に座った状態で事務作業を行っていると、少しの振り向き程度の動きであっても、生体振動信号に体動信号が混入し、心拍や呼吸に関する情報が体動信号に埋もれる。そこで、生体振動信号から抽出した心弾動信号の自己相関関数(ACR)を10秒の時間窓で計算し、時間窓を5秒ずつシフトさせながらACRの振動振幅の平均値が0.4以上の部分を選別した。図13の10:30の少し前に、データを補完している部分(信号の変化が少ない部分)があるが、この部分が自己相関関数(ACR)の振動振幅が小さい部分で、計測データを選択しなかった部分である。
[Measurement example based on sitting bio-vibration signals]
Even if there are portions where body motion signals are mixed and heartbeat components are unclear, the effective biological vibration signal selection means 32 selects the effective portions, obtains the phase coherence (λ), and obtains the stress index. An example is shown in FIG.
A subject sat on a chair with a sheet-like piezoelectric sensor installed on the seat surface, and acquired a biovibration signal while performing normal office work.
When doing office work while sitting on a chair, body motion signals are mixed in with bio-vibration signals, even if the person turns around a little, and information about heartbeat and respiration is buried in the body motion signals. Therefore, the autocorrelation function (ACR) of the ballistocardiographic signal extracted from the biological vibration signal is calculated with a time window of 10 seconds, and the average value of the vibration amplitude of the ACR is 0.4 or more while shifting the time window by 5 seconds. part was selected. A little before 10:30 in FIG. 13, there is a part where the data is complemented (a part where the signal changes little), but this part is a part where the vibration amplitude of the autocorrelation function (ACR) is small, and the measurement data is This is the part that was not selected.

図13の一段目は、心拍数(HR)であり、センサ21で取得した生体振動信号に基づいて、心拍間隔算出手段34が算出したものである。
2段目は、呼吸数(RR)であり、センサ21で取得した生体振動信号に基づいて呼吸数算出手段38が算出したものである。
3段目は、位相コヒーレンス(λ)である。心拍間隔算出手段34が算出した心拍間隔の変動の瞬時位相と、呼吸波形抽出手段36が抽出した呼吸由来の心拍間隔の変動と同一時系列における呼吸パターンの瞬時位相に基づいて、瞬時位相差算出手段39が瞬時位相差を算出する。その瞬時位相差に基づいて、位相コヒーレンス算出手段40が位相コヒーレンスを算出する。
4段目はStress indexであり、位相コヒーレンスと呼吸数に基づいて、ストレス指標生成手段41が算出したものである。
このように、本発明によれば、椅子に座ったまま仕事をしている状態であっても、被験者の普段通りの活動を阻害することもなく、ストレス指標を継続的に測定することができる。
The first row in FIG. 13 shows the heart rate (HR), which is calculated by the heartbeat interval calculator 34 based on the biological vibration signal acquired by the sensor 21 .
The second row shows the respiration rate (RR), which is calculated by the respiration rate calculator 38 based on the biological vibration signal acquired by the sensor 21 .
The third level is the phase coherence (λ). Calculating an instantaneous phase difference based on the instantaneous phase of the heartbeat interval fluctuation calculated by the heartbeat interval calculating means 34 and the instantaneous phase of the breathing pattern in the same time series as the heartbeat interval fluctuation derived from breathing extracted by the respiratory waveform extracting means 36 A means 39 calculates the instantaneous phase difference. The phase coherence calculator 40 calculates the phase coherence based on the instantaneous phase difference.
The fourth row shows the stress index, which is calculated by the stress index generating means 41 based on the phase coherence and the respiration rate.
As described above, according to the present invention, the stress index can be continuously measured without disturbing the subject's usual activities even when the subject is working while sitting on a chair. .

1 ストレス測定装置
2 情報取得部
3 情報処理部
4 操作部
5 出力部
6 記憶部
21 センサ
31 アナログ-デジタル変換回路
32 有効生体振動信号選別手段
33 心拍抽出手段
34 心拍間隔算出手段
35、37 ヒルベルト変換フィルタ
36 呼吸波形抽出手段
38 呼吸数算出手段
39 瞬時位相差算出手段
40 位相コヒーレンス算出手段
41 ストレス指標生成手段
51 操作ボタン
52 タッチパネル
53 音声入力用マイク
54 表示ディスプレイ
55 無線通信手段
56 スピーカー
57 記録装置
1 stress measurement device 2 information acquisition unit 3 information processing unit 4 operation unit 5 output unit 6 storage unit 21 sensor 31 analog-digital conversion circuit 32 effective biological vibration signal selection means 33 heartbeat extraction means 34 heartbeat interval calculation means 35, 37 Hilbert transform Filter 36 Respiratory waveform extracting means 38 Respiratory rate calculating means 39 Instantaneous phase difference calculating means 40 Phase coherence calculating means 41 Stress index generating means 51 Operation button 52 Touch panel 53 Voice input microphone 54 Display display 55 Wireless communication means 56 Speaker 57 Recording device

Claims (6)

動物から取得した呼吸由来の心拍間隔の変動の瞬時位相と、前記呼吸由来の心拍間隔の変動と同一時系列における前記動物の呼吸パターンの瞬時位相との間の瞬時位相差に基づいて瞬時位相差の位相コヒーレンスを算出する位相コヒーレンス算出手段と、前記呼吸パターンから呼吸数を算出する呼吸数算出手段と、前記位相コヒーレンスと前記呼吸数からストレス指標を生成するストレス指標生成手段とを備えたことを特徴とする動物のストレス測定装置。 An instantaneous phase difference based on an instantaneous phase difference between an instantaneous phase of a respiration-derived beat-to-beat interval variation obtained from an animal and an instantaneous phase of the animal's breathing pattern in the same time series as the respiration-derived beat-to-beat variation. a phase coherence calculating means for calculating the phase coherence of the respiratory rate, a respiratory rate calculating means for calculating a respiratory rate from the respiratory pattern, and a stress index generating means for generating a stress index from the phase coherence and the respiratory rate. An animal stress measuring device characterized by: 前記ストレス指標は、前記位相コヒーレンスと前記呼吸数からなる二次元データであることを特徴とする請求項1に記載の動物のストレス測定装置。 2. The animal stress measuring apparatus according to claim 1, wherein said stress index is two-dimensional data consisting of said phase coherence and said respiration rate. 前記ストレス指標は、前記位相コヒーレンスと前記呼吸数からなる二次元平面を分割した各領域のそれぞれに所定の重み付けをした数値であることを特徴とする請求項1に記載の動物のストレス測定装置。 2. The animal stress measuring apparatus according to claim 1, wherein the stress index is a numerical value obtained by giving a predetermined weight to each region obtained by dividing a two-dimensional plane composed of the phase coherence and the respiration rate. 心拍情報、呼吸情報および体動信号を含む生体振動信号から、前記心拍情報や前記呼吸情報が前記体動信号に埋もれる部分を選択し、その部分の前記心拍情報や前記呼吸情報を補完する手段を含むことを特徴とする請求項1~請求項3のいずれかに記載の動物のストレス測定装置。 A means for selecting a portion in which the heartbeat information or the respiratory information is buried in the body motion signal from the biological vibration signal including the heartbeat information, the respiratory information, and the body motion signal, and complementing the heartbeat information or the respiratory information in that portion. 4. The animal stress measuring device according to any one of claims 1 to 3, comprising: 動物から取得した呼吸由来の心拍間隔の変動の瞬時位相と、前記呼吸由来の心拍間隔の変動と同一時系列における前記動物の呼吸パターンの瞬時位相との間の瞬時位相差に基づいて瞬時位相差の位相コヒーレンスを算出するステップと、前記呼吸パターンから呼吸数を算出するステップと、前記位相コヒーレンスと前記呼吸数からストレス指標を生成するステップとを備えたことを特徴とする動物のストレス測定方法。 An instantaneous phase difference based on an instantaneous phase difference between an instantaneous phase of a respiration-derived beat-to-beat interval variation obtained from an animal and an instantaneous phase of the animal's breathing pattern in the same time series as the respiration-derived beat-to-beat variation. calculating a phase coherence of said breathing pattern; calculating a breathing rate from said breathing pattern; and generating a stress index from said phase coherence and said breathing rate. 動物から取得した呼吸由来の心拍間隔の変動の瞬時位相と、前記呼吸由来の心拍間隔の変動と同一時系列における前記動物の呼吸パターンの瞬時位相との間の瞬時位相差に基づいて瞬時位相差の位相コヒーレンスを算出するステップと、前記呼吸パターンから呼吸数を算出するステップと、前記位相コヒーレンスと前記呼吸数からストレス指標を生成するステップとをコンピュータに実行させるプログラム。 An instantaneous phase difference based on an instantaneous phase difference between an instantaneous phase of a respiration-derived beat-to-beat interval variation obtained from an animal and an instantaneous phase of the animal's breathing pattern in the same time series as the respiration-derived beat-to-beat variation. calculating a phase coherence of , calculating a respiratory rate from the respiratory pattern, and generating a stress index from the phase coherence and the respiratory rate.
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