JP2005218595A

JP2005218595A - 精神ストレス評価方法および装置

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Publication number: JP2005218595A
Application number: JP2004028740A
Authority: JP
Inventors: Kozo Yoshino; 公三吉野; Katsunori Matsuoka; 克典松岡
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2024-02-05
Also published as: JP4238321B2

Abstract

【課題】被験者の精神的ストレスを正確に評価する。
【解決手段】被験者の心電図又は脈波を計測する計測手段１０と、計測された心電図又は脈波から得られる時間波形のピーク間隔を算出して補間することにより心拍（ＲＲ）間隔または脈拍間隔の時間変動波形を生成する信号処理部２３と、心拍（ＲＲ）間隔または脈拍間隔の時間変動波形に基づいて心拍変動または脈拍変動に対応するパワースペクトルを生成するパワースペクトル生成手段２４と、前記パワースペクトルにおける０．２Ｈｚ以下の所定周波数帯域に対する平均パワー値および／または平均パワー周波数を算出する平均パワー算出手段２６と、前記平均パワー値および／または平均パワー周波数の変動に基づいて被験者の精神的ストレスを評価するストレス評価手段２８とを備える精神ストレス評価装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、被験者の精神的ストレス度を評価する精神ストレス評価方法および装置に関する。

人の精神的ストレスを判定する装置として、例えば特許文献１に開示された構成が知られている。この装置は、拍動の時間間隔であるＲＲＩデータを補間して規則サンプリングすることにより心拍相当データを採取し（図８（ａ）参照）、サンプリングされた各データのパワー曲線を求める（図８（ｂ）参照）。そして、所定の周波数（例えば、０．１５Ｈｚ）を境界として高周波成分と低周波成分とに分離し、高周波成分の変化量を求めることにより精神的ストレスの判定を行うように構成されている。このように、従来においては、心拍相当データの高周波成分（０．１５〜０．５Ｈｚ）が、副交感神経系活動に関連すると考えられており、精神的ストレスの指標として一般に用いられていた。
特開平１０−５１８４号公報

ところが、従来のように心拍変動の高周波成分に基づいて精神的ストレスを判定する場合、同じストレス状態であっても呼吸リズムが不安定であるほど高周波成分のパワーが低下するなど高周波成分の変化量が呼吸系の影響を強く受ける結果、精神的ストレスの判定結果にばらつきが生じやすいという問題があった。

本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであって、被験者の精神的ストレスを正確に評価することができる精神ストレス評価方法および装置の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、被験者の心電図又は脈波を計測して得られる時間波形のピーク間隔を算出して補間することにより、心拍間隔または脈拍間隔の時間変動波形を生成するステップと、前記ＲＲ間隔または脈拍間隔の時間変動波形に基づいて、心拍変動または脈拍変動に対応するパワースペクトルを生成するステップと、前記パワースペクトルにおける０．２Ｈｚ以下の所定周波数帯域に対する平均パワー値および／または平均パワー周波数を算出するステップと、前記平均パワー値および／または平均パワー周波数の変動に基づいて、被験者の精神的ストレスを評価するステップとを備える精神ストレス評価方法により達成される。

また、本発明の前記目的は、被験者の心電図又は脈波を計測する計測手段と、計測された心電図又は脈波から得られる時間波形のピーク間隔を算出して補間することにより心拍間隔または脈拍間隔の時間変動波形を生成する信号処理手段と、前記心拍間隔または脈拍間隔の時間変動波形に基づいて、心拍変動または脈拍変動に対応するパワースペクトルを生成するパワースペクトル生成手段と、前記パワースペクトルにおける０．２Ｈｚ以下の所定周波数帯域に対する平均パワー値および／または平均パワー周波数を算出する平均パワー算出手段と、前記平均パワー値および／または平均パワー周波数の変動に基づいて、被験者の精神的ストレスを評価するストレス評価手段とを備える精神ストレス評価装置により達成される。

本発明の精神ストレス評価方法および装置によれば、被験者の精神的ストレスを正確に
評価することができる。

本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る精神ストレス評価装置の概略構成図であり、図２は、そのブロック図である。図１及び図２に示すように、精神ストレス評価装置１は、計測装置１０および評価装置２０を備えている。

計測装置１０は、手の指に装着できるようにリング状に形成されており、脈波検出用の圧電センサ（図示せず）を備えている。計測装置１０は、心電図又は脈波を測定可能であれば、測定原理や装着部位は特に限定されず、例えば、光電式の耳たぶセンサや胸部心電図電極などを用いることも可能である。以下の説明では、計測装置１０から心電図又は脈波データが出力されるものとする。

評価装置２０は、装着バンド２１により手首に装着可能に構成されており、計測装置１０に有線または無線で接続されることにより、計測した心電図又は脈波データが計測装置１０から評価装置２０に送信される。評価装置２０の取り付け手段についても特に限定はないが、携帯容易であることが好ましい。

評価装置２０は、心電図又は脈波データを記憶する記憶部２２と、心電図又は脈波から得られる時間波形のピーク間隔を算出して補間することにより心拍（ＲＲ）間隔または脈拍間隔の時間変動波形を生成する信号処理部２３と、心拍又は脈拍データに基づいて心拍変動または脈拍変動に対応するパワースペクトルを生成するパワースペクトル生成部２４と、パワースペクトルの所定の周波数帯域における平均パワー値及び平均パワー周波数を算出する平均パワー算出部２６と、平均パワー値及び平均パワー周波数の変動に基づいてユーザの精神的ストレスを評価するストレス評価部２８と、ストレスの評価結果を出力する出力部３０とを備えている。

次に、上述した精神ストレス評価装置１を用いてユーザの精神的ストレスを評価する方法を説明する。計測装置１０及び評価装置２０を所定部位に装着した状態で精神ストレス評価装置１を作動させると、計測装置１０で計測された心電図又は脈波データが評価装置２０の記憶部２２に格納される。この心電図又は脈波データは、例えば図３に示す時間変動波形を有している。この心電図又は脈波データは、信号処理部２３で時間波形のピーク間隔を算出して補間することにより、図４に示すように、心拍（ＲＲ）間隔または脈拍間隔の時間変動波形に変換され、これはユーザの心拍変動または脈拍変動に対応している。パワースペクトル生成部２４は、心拍変動または脈拍変動データの波形に基づいて、図５に示す心拍変動または脈拍変動のパワースペクトルを生成する。心拍変動または脈拍変動のパワースペクトルの生成は、例えば、高速フーリエ変換（ＦFＴ）や自己回帰（ＡＲ）
スペクトル解析などの公知の手法を用いて行うことができる。

平均パワー算出部２６は、心拍変動のパワースペクトルから、０．２Ｈｚ以下の所定周波数帯域に対する平均パワー値及び平均パワー周波数を算出する。平均パワー値及び平均パワー周波数は、所定の周波数帯域により切り取られたパワースペクトルのパワーの平均値および重心位置における周波数をそれぞれ表しており、周波数帯域 fL≦f≦fH 内のパ
ワースペクトルP(f)の平均パワーＰａｖは、次の数式１で表される。

また、周波数帯域 fL≦f≦fH 内のパワースペクトルP(f)の平均パワー周波数ＰＦａｖ
は、次の数式２で表される。

所定周波数帯域を０．２Ｈｚ以下としたのは、０．２Ｈｚを超えると心拍変動のパワースペクトルが呼吸系の影響を強く受けるため、精神的なストレス度を正確に反映しないおそれがあるからである。所定周波数帯域の幅は特に限定されないが、正確な評価を行うためには帯域幅をできる限り大きくすることが好ましい。但し、周波数帯域の下限が小さすぎると、フラクタル成分が混入することと概日周期の影響が現れることによりストレス状態を正確に反映し難くなる傾向にあるため、一定の下限を設けることが好ましい。

図６は、周波数帯域の上限値を０．２Ｈｚに固定した状態で、周波数帯域の下限値を横軸にとり、ストレスの有無による評価結果の平均値の差を縦軸にとったグラフであり、（ａ）が平均パワー値による評価結果を示し、（ｂ）が平均パワー周波数による評価結果を示している。

図６（ａ）に示すように、平均パワー値については、周波数帯域の下限値が０．０１〜０．０５Ｈｚ（より好ましくは、０．０２〜０．０３Ｈｚ）の範囲において、ストレス条件下と非ストレス条件下との間で評価結果の差が大きくなっており、ストレスの有無を判別し易いことがわかる。また、図６（ｂ）に示すように、平均パワー周波数については、周波数帯域の下限値が０．０２５〜０．０６Ｈｚ（より好ましくは、０．０３５〜０．０４５Ｈｚ）の範囲において、ストレス条件下と非ストレス条件下との間で評価結果の差が大きくなっており、ストレスの有無を判別し易いことがわかる。したがって、平均パワー値及び平均パワー周波数を算出する周波数帯域の下限値を上記範囲に設定することで、精神的ストレス度の評価をより正確に行うことができる。

ストレス評価部２８は、平均パワー値及び平均パワー周波数の変動に基づいて、ユーザの精神的ストレスを評価する。平均パワー値は、ストレスが高くなると低下する傾向にある一方、平均パワー周波数は、ストレスが高くなると上昇する傾向にある。したがって、算出した平均パワー値及び平均パワー周波数が、非ストレス状態の平均パワー値及び平均パワー周波数として予め記憶されている基準値に対して所定値以上の減少または増加を生じた場合に、ストレス評価部２８においてユーザが精神的ストレスを感じていると判定し、出力部３０を介して光や音などにより通知する。こうして、ユーザは自己の精神的ストレスの有無を客観的に認識することができる。

ストレス評価部２８における評価結果は、単にストレスの有無として出力するだけでなく、ストレスの程度として多段階で出力することもできる。また、平均パワー値及び平均パワー周波数の双方を算出する代わりに、いずれか一方のみを利用する場合でもユーザのストレス評価を行うことができる。

このように、本実施形態の精神ストレス評価装置によれば、心拍変動または脈拍変動に対応するパワースペクトルについて、従来のように高周波成分の変化量を求めるのではなく、それ単独では今までストレス評価に用いられることがなかった低い周波数帯域における平均パワー値及び平均パワー周波数を算出するようにしており、これによって、呼吸系の影響を受けることなくユーザのストレス評価を正確に行うことができる。したがって、各個人に適合した精神健康管理やストレスフリーな環境創出制御技術の開発に供することができる。

被験者１３名（健常男性：１８〜２９歳）に対して、精神暗算課題をストレス課題として課して、本実施形態の精神ストレス評価方法の精度確認を行った。被験者は短い時間間隔（２秒間隔）で出題される精神暗算課題を解き、答えに該当する数字のボタンを押して解答する。これにより、軽度のパニック性の精神的ストレスを受ける。さらに、暗算課題の正答率が一定点数を超えない場合には、何度でも繰り返し課題を解くように指示されることによって、緊張性の精神的ストレスも受ける。精神暗算ストレス課題に対する対照課題として、安静に着席するだけの安静着席課題を行った。

各課題の被験者の心電図を計測し、その時間波形よりＲ波を抽出し、Ｒ波と次のＲ波との間の時間間隔（ＲＲ間隔）を心拍の時間間隔に相当する量としてもとめた。次にＲＲ間隔時系列から高速フーリエ変換（FFT）を用いることにより、周波数パワースペクトルを
推定した。そして、この周波数パワースペクトルについて、周波数帯域を０．０２〜０．２Ｈｚとしたときの平均パワー値、及び、周波数帯域を０．０３５〜０．２Ｈｚとしたときの平均パワー周波数を計算した。この結果を図７に示す。

平均パワー値は、図７（ａ）に示すように、精神暗算ストレス課題で安静着席課題と比較して統計的に有意に減少した。一方、平均パワー周波数は、図７（ｂ）に示すように、精神暗算ストレス課題で安静着席課題と比較して統計的に有意に上昇した。

本発明の一実施形態に係る精神ストレス評価装置の概略構成図である。図１に示す精神ストレス評価装置のブロック図である。心電図データの時間変動波形の一例を示す図である。心拍（ＲＲ）間隔の時間変動波形の一例を示す図である。心拍変動または脈拍変動のパワースペクトルの一例を示す図である。心拍変動または脈拍変動のパワースペクトルに対する所定周波数帯域の下限値と、ストレスの有無による評価結果の差との関係を示す図である。実施例の評価結果を示す図である。従来における精神的ストレス評価方法を説明するための図である。

符号の説明

１精神ストレス評価装置
１０計測装置
２０評価装置
２３信号処理部
２４パワースペクトル生成部
２６平均パワー算出部
２８ストレス評価部

Claims

被験者の心電図又は脈波を計測して得られる時間波形のピーク間隔を算出して補間することにより、心拍間隔または脈拍間隔の時間変動波形を生成するステップと、
前記心拍間隔または脈拍間隔の時間変動波形に基づいて、心拍変動または脈拍変動に対応するパワースペクトルを生成するステップと、
前記パワースペクトルにおける０．２Ｈｚ以下の所定周波数帯域に対する平均パワー値および／または平均パワー周波数を算出するステップと、
前記平均パワー値および／または平均パワー周波数の変動に基づいて、被験者の精神的ストレスを評価するステップとを備える精神ストレス評価方法。
前記平均パワー値を算出する前記周波数帯域の下限値は、０．０１〜０．０５Ｈｚである請求項１に記載の精神ストレス評価方法。
前記平均パワー周波数を算出する前記周波数帯域の下限値は、０．０２５〜０．０６Ｈｚである請求項１に記載の精神ストレス評価方法。
被験者の心電図又は脈波を計測する計測手段と、
計測された心電図又は脈波から得られる時間波形のピーク間隔を算出して補間することにより心拍間隔または脈拍間隔の時間変動波形を生成する信号処理手段と、
前記心拍間隔または脈拍間隔の時間変動波形に基づいて、心拍変動または脈拍変動に対応するパワースペクトルを生成するパワースペクトル生成手段と、
前記パワースペクトルにおける０．２Ｈｚ以下の所定周波数帯域に対する平均パワー値および／または平均パワー周波数を算出する平均パワー算出手段と、
前記平均パワー値および／または平均パワー周波数の変動に基づいて、被験者の精神的ストレスを評価するストレス評価手段とを備える精神ストレス評価装置。