JP2007167091A

JP2007167091A - 精神的ストレス検査装置

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Publication number: JP2007167091A
Application number: JP2005364432A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kikuchi; 誠菊池
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】副交感神経と交感神経の両方の変化から、精神的ストレスを正確に検出する。
【解決手段】精神的ストレス検査装置は、心拍間隔（ＲＲ間隔）の変動からストレスを検出する。精神的ストレス検査装置は、所定時間における心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と、特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を検出するパワースペクトル検出部１と、このパワースペクトル検出部１で検出された、ＨＦpowerと、ＬＦpower／ＨＦpowerをストレスを示すストレス指数に変換する変換部２と、ＨＦpowerから換算されたストレス指数と、ＬＦpower／ＨＦpowerから換算されたストレス指数とを加算する加算部３と、加算部３で加算されたストレス値からストレス度を表示する表示部４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、心拍間隔の揺らぎを検出して精神的なストレスを判定する精神的ストレス検査装置に関する。

心拍間隔のゆらぎで精神的ストレスを検査する装置は開発されている。（特許文献１〜４参照）

特許文献１〜３の装置は、拍動の時間間隔である心拍間隔（ＲＲ間隔）を検出して、心拍間隔が変動するパワースペクトルを検出する。パワースペクトルを、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、高周波帯域の積分値（ＨＦpower）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。この装置は、パワースペクトルの高周波成分（０．１５〜０．５Ｈｚ）が、副交感神経系活動に関連し、精神的ストレスの指標として使用できることに基づいている。

しかしながら、心拍間隔（ＲＲ間隔）の変動から演算される、パワースペクトルの高周波帯域の変化量のみでメンタルストレスを判定する装置は、検出される精神的ストレスが時間や精神状態で変動しやすく、被験者の精神的ストレスを正確に検出できない欠点がある。

さらに、この特許文献１は、定常的ストレスとしてのメンタルストレスを客観的に判定するために、被験者に一時的ストレスを与えて、ストレス状態とストレスを与えないレスト状態の両方から、メンタルストレスを判定する。ストレス状態は、たとえば罫線で記入位置を特定した用紙に、できるだけ多くの丸印を書き込む作業をする状態とする。レスト状態は、中断する状態でする。ストレスとレストとを所定時間交互に与えながら、ＲＲＩ検出回路でもって、被験者の心拍間隔（ＲＲ間隔）を検出する。ＲＲＩ検出回路は、心拍間隔（ＲＲ間隔）を検出して、交感副交感神経活動度算出回路に出力する。交感副交感神経活動度算出回路は、タスク状態とレスト状態における心拍間隔（ＲＲ間隔）のばらつきの程度を算出し、タスク状態およびレスト状態でのデータを２次元平面上における分布エリアとして求める。これにより、メンタルストレス判定回路は、タスク状態またはレスト状態の各分布エリアの重なり状態から、メンタルストレスの有無を判定する。この方法によると、メンタルストレスの小さい被験者は、タスク状態とレスト状態における分布エリアが離れて重ならない。メンタルストレスの大きい被験者は分布エリアが重なるので、分布エリアの重なり状態でメンタルストレスを判定する。

この方式は、定常的ストレスとしてのメンタルストレスを客観的に判定できるとしても、被験者がタスクとレストを繰り返し行うので、簡単に、しかも楽にストレスを検出できない欠点がある。

さらに、特許文献４は、要約に以下のように記載している。
精神的ストレス検査装置は、被験者の心拍を計測する計測手段と、計測された心拍から心拍間隔（ＲＲ間隔）または心拍間隔の時間変動波形を生成する信号処理部と、心拍間隔（ＲＲ間隔）または心拍間隔の時間変動波形に基づいて、心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、この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、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。

この精神的ストレス検査装置は、０．２Ｈｚ以下のパワースペクトルのみで精神的ストレスを検査するので、ストレスで変動する０．２Ｈｚ以上のパワースペクトルが精神的ストレスの判別に反映されない。とくに、０．１５Ｈｚ以上のパワースペクトルは、副交感神経の変化を示すことから、０．２Ｈｚ以下のパワースペクトルのみでストレスを判定すると、副交感神経の変化をも考慮しながら、正確に精神的ストレスを検査できなくなる。

特開平１０−５１８４号公報特開平１１−１５５８４５号公報特開平１０−１３７２２８号公報特開２００５−２１８５９５号公報

本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、副交感神経と交感神経の両方の変化から、精神的ストレスを正確に検出できる精神的ストレス検査装置を提供することにある。

本発明の精神的ストレス検査装置は、心拍間隔（ＲＲ間隔）の変動からストレスを検出する。この精神的ストレス検査装置は、所定時間における心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と、特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を検出するパワースペクトル検出部１と、このパワースペクトル検出部１で検出された、ＨＦpowerと、ＬＦpower／ＨＦpowerをストレスを示すストレス指数に変換する変換部２と、ＨＦpowerから換算されたストレス指数と、ＬＦpower／ＨＦpowerから換算されたストレス指数とを加算する加算部３と、加算部３で加算されたストレス値からストレス度を表示する表示部４とを備える。

本発明の精神的ストレス検査装置は、定周波数を０．１５Ｈｚとすることができる。また、変換部２は、ＬＦpower／ＨＦpowerの比率をストレス指数に変換することができる。さらに、変換部２は、ＨＦpowerが小さくなるにしたがってストレス指数を大きくし、かつＬＦpower／ＨＦpowerの比率が大きくなるとストレス指数を大きくすることからできる。

また、変換部２は、ＨＦpowerに対するストレス指数をテーブルとして記憶しており、このテーブルを参照して、ＨＦpowerをストレス指数に変換することができる。さらに、変換部２は、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率に対するストレス指数をテーブルとして記憶しており、このテーブルを参照して、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率をストレス指数に変換することができる。

さらに、変換部２は、ＨＦpowerに対するストレス指数を示す関数を記憶しており、この関数に基づいて、ＨＦpowerをストレス指数に変換することができる。さらにまた、変換部２は、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率に対するストレス指数を示す関数を記憶しており、この関数に基づいて、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率をストレス指数に変換することができる。

本発明の精神的ストレス検査装置は、副交感神経と交感神経の両方の変化から、精神的ストレスを正確に検出できる特徴がある。それは、本発明の精神的ストレス検査装置が、心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と、特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を検出し、検出されたＨＦpowerと、ＬＦpower／ＨＦpowerをストレスを示すストレス指数に変換し、変換されたストレス指数を加算してストレス度としてこれを表示するからである。

とくに、本発明の精神的ストレス検査装置は、ＨＦpowerをストレス指数に変換ると共に、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率もストレス指数に変換し、両ストレス指数を加算して被験者のストレス度を検出するので、被験者の精神的ストレスをより正確に検査できる。それは、ＨＦpowerによる副交感神経と、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率による交感神経の両方を特定の割合で考慮しながら、被験者の精神的ストレスを検査できるからである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための精神的ストレス検査装置を例示するものであって、本発明は精神的ストレス検査装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１に示す精神的ストレス検査装置は、心拍間隔（ＲＲ間隔）の変動からストレスを検出する。この図の精神的ストレス検査装置は、所定時間における心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と、特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を検出するパワースペクトル検出部１と、このパワースペクトル検出部１で検出された、ＨＦpowerと、ＬＦpower／ＨＦpowerをストレスを示すストレス指数に変換する変換部２と、ＨＦpowerから換算されたストレス指数と、ＬＦpower／ＨＦpowerで換算されたストレス指数とを加算する加算部３と、加算部３で加算されたストレス指数からストレス度を表示する表示部４とを備える。

パワースペクトル検出部１は、心拍信号を検出するセンサー部５と、センサー部５で検出される心拍信号から心拍間隔（ＲＲ間隔）を検出する検出部６と、検出部６で検出された心拍間隔の変動をフーリエ変換してパワースペクトルを演算する演算部７と、演算部７で得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と、特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を検出する積算部８とを備える。

センサー部５は、心臓の鼓動を検出できる全ての回路が使用できる。センサー部５は、心臓の鼓動で発生する心電位を電極で検出し、あるいは、心臓の鼓動に同期して流れる血液の脈動を光で検出し、あるいはまた、心臓の鼓動で発生する音をマイクで検出して、心臓の鼓動を検出する。

図２は、手足に誘導される心電位を一対の電極で検出するセンサー部が検出する心電位のグラフである。この図は、横軸を時間、縦軸を手足の電極に誘導される心電位としている。一対の電極は、右手と左足に電気接続して装着される。一対の電極は、胸部と手足に電気接続して、心電位を検出することもできる。電極に検出される心電位は、心拍に同期する信号である。心電位は、ピークのＲＲ間隔を検出して心拍間隔を検出することができる。

図３は、血液の脈動を光で検出するセンサー部が心拍を検出する波形を示すグラフである。このセンサー部は、体表面に光を照射する光源と、光源から照射される光の反射光を検出する光センサーとを備える。光源はＬＥＤである。ＬＥＤは小さくて、集束した特定波長の光を体表面に連続して照射する。光源は、ヘモグロビンの吸収率の高い青色光が適している。光センサーは、体表面の反射光を受光して、図３に示す血液の脈動に対応する信号を出力する。図３は、横軸を時間、縦軸を光センサーの出力信号としている。光源は、指先に光を照射し、光センサーは光源の反射光を受光するように指先に装着される。光源と、光センサーは、外光の影響を受けないように、光を遮断するカバーで被覆して、指先に装着される。ただ、光源と光センサーは、必ずしも指先に装着する必要はなく、血流で光の反射が変動する全ての部位とすることができる。光センサーの出力信号は、心臓の鼓動、すなわち心拍に同期する信号である。この信号は、ピークの間隔を検出して心拍間隔を検出することができる。

検出部６は、センサー部５から出力され信号のピークを検出して、心拍間隔を検出する。信号のピーク間隔は心拍間隔となるからである。検出部６は、センサー部５から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、Ａ／Ｄコンバータから出力されるデジタル信号からピーク時間を検出するピーク検出回路を備える。Ａ／Ｄコンバータは、所定のサンプリング周期でアナログ信号をデジタル信号に変換する。ピーク検出回路は、所定の周期で入力されるデジタル信号を前回の信号に比較し、また指定のレベル信号に比較し、さらに信号の上昇勾配や低下勾配からピーク時間を検出する。

演算部７は、検出部６で検出された図４の心拍間隔の変動をフーリエ変換して、図５に示すパワースペクトルを演算する。図４は、横軸を時間（ｓｅｃ）、縦軸を心拍変動時間（ｍｓｅｃ）としている。図５は、横軸を周波数（Ｈｚ）とし、縦軸を周波数成分のパワー（ｍｓｅｃ^２／Ｈｚ）としている。演算部７が、心拍間隔の変動をフーリエ変換する検出時間は、好ましくは３分以上、好ましくは４分以上、さらに好ましくは５分以上とする。検出時間を長くすると、検出される心拍数が増加して、検出精度を高くできる。ただ、検出時間が長すぎると被験者にストレスを与える影響もあるので、検出時間はたとえば１０分以内、好ましくは８分以内とする。

積算部８は、図５のパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と、特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を演算する。特定周波数は０．１５Ｈｚとする。ただし、特定周波数は、たとえば０．１３Ｈｚ〜０．１７Ｈｚ、好ましくは０．１４Ｈｚ〜０．１６Ｈｚとすることもできる。ＬＦpowerは、好ましくは、０．０３Ｈｚ〜０．０４Ｈｚから特定周波数までのパワースペクトルの積分値とする。

変換部２は、ＨＦpowerと、ＬＦpower／ＨＦpowerの比率をストレス指数に変換する。この変換部２は、図６に示すテーブルに基づいて、ＨＦpowerとＬＦpower／ＨＦpowerをストレス指数に変換する。この図のテーブルは、ＨＦpowerが小さくなるにしたがってストレス指数を大きくする。また、ＬＦpower／ＨＦpowerの比率が大きくなるとストレス指数を大きくする。ＨＦpowerは副交感神経の興奮を示し、副交感神経が興奮すると、ＨＦpowerは小さくなる。ＬＦpower／ＨＦpowerは交感神経の興奮を示し、交感神経が興奮するとＬＦpower／ＨＦpowerの比率は高くなる。副交感神経と交感神経は、図７に示すように互いにきっこう的に働き、交感神経が興奮するにしたがって、副交感神経の興奮は低下する。

変換部２は、ＨＦpowerに対するストレス指数を、図８に示す関数として記憶し、この関数に基づいて、ＨＦpowerからストレス指数に変換することもできる。図８は、横軸をＨＦpower、縦軸をストレス指数とする。図８の関数は、Ｙ＝−８×ｌｏｇ（Ｘ）＋２６としてストレス指数を演算する。この関数において、Ｙはストレス指数、ＸはＨＦpowerである。変換部２は、この関数に基づいてＨＦpowerをストレス指数に変換できる。また、変換部２は、ＬＦpowerとＨＦpowerに対するストレス指数を、図９に示す関数として記憶し、この関数に基づいて、ＬＦpower／ＨＦpowerの比率をストレス指数に変換することもできる。図９の関数は、ｙ＝０．６ｘ^２＋０．５ｘ＋０．９としてストレス指数を演算する。この関数において、ｙはストレス指数、ｘはＬＦpower／ＨＦpowerである。図９は、横軸をＬＦpower／ＨＦpower、縦軸をストレス指数としている。さらに、変換部２は、ＬＦpower／ＨＦpowerの逆数のＨＦpower／ＬＦpowerを、図１０に示す関数として記憶し、この関数に基づいて、ＨＦpower／ＬＦpowerをストレス指数に変換することもできる。図１０の関数は、ｙ＝０．６ｘ^−２＋０．５ｘ^−１＋０．９としてストレス指数を演算する。この関数において、ｙはストレス指数、ｘはＨＦpower／ＬＦpowerである。テーブルに基づいてＬＦpowerとＨＦpowerの比率をストレス指数に変換する変換部も、ＨＦpower／ＬＦpowerに対するストレス指数をテーブルに記憶することもできる。

加算部３は、ＨＦpowerから得られるストレス指数と、ＬＦpowerとＬＦpower／ＨＦpowerの比率から得られるストレス指数とを加算して、被験者の精神的ストレス値を演算する。

表示部４は、精神的ストレス値を数字で表示し、あるいは色や文字で表示する。たとえば、被験者は、図１１に示すように、被験者の精神的ストレスを１１段階に表示する。表示部は、精神的ストレスを必ずしも１１段階に表示する必要はなく、１１段階よりも少ない区分で、あるいは１２段階よりも多い区分で表示することができる。さらに、表示部は、被験者の精神的ストレスを光源の発光色で表示し、あるいは点灯させるパイロットランプの個数で表示することもできる。

以上の精神的ストレス検査装置を使用して、複数の被験者のストレスを測定した結果を表１に示す。
ただし、この測定結果は、各被験者から検出した心電位から心拍間隔を検出し、この心拍間隔の変動のパワースペクトルを積算したＨＦpowerとＬＦpower／ＨＦpowerの比率とを図６のテーブルに基づいてストレス指数に変換し、さらに、変換されたストレス指数を加算したストレス値を図１１の区分表に基づいて評価したものである。なお、各被験者の心電位の検出は、５分間隔で４回〜６回行っている。

以上の測定結果から、被験者Ａ〜Ｅのストレス評価は３〜６であり、ストレスが少しあるといえる。また、被験者Ｆ及びＧについては、ストレス評価が６〜８であり、ストレスがやや強くあると判定できる。さらに、被験者Ｈ及びＩについては、ストレス評価が８〜１０であり、ストレスがかなり強く影響していると判定できる。

本発明の一実施例にかかる精神的ストレス検査装置のブロック図である。センサー部が検出する心電位の一例を示すグラフである。センサー部が検出する血液の脈動の波形の一例を示すグラフである。検出部で検出された心拍間隔の一例を示すグラフである。心拍間隔の変動をフーリエ変換したパワースペクトルの一例を示すグラフである。ＨＦpowerとＬＦpower／ＨＦpowerの比率をストレス指数に変換するテーブルの一例を示す表である。副交感神経と交感神経の相関関係を示すグラフである。ＨＦpowerをストレス指数に変換する関数の一例を示すグラフである。ＬＦpower／ＨＦpowerの比率をストレス指数に変換する関数の一例を示すグラフである。ＨＦpower／ＬＦpowerの比率をストレス指数に変換する関数の一例を示すグラフである。表示部で表示する精神的ストレス値の区分の一例を示す表である。

符号の説明

１…パワースペクトル検出部
２…変換部
３…加算部
４…表示部
５…センサー部
６…検出部
７…演算部
８…積算部

Claims

心拍間隔の変動からストレスを検出する精神的ストレス検査装置であって、
所定時間における心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と、特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を検出するパワースペクトル検出部(1)と、このパワースペクトル検出部(1)で検出された、ＨＦpowerと、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率を、ストレスを示すストレス指数に変換する変換部(2)と、ＨＦpowerから換算されたストレス指数と、ＬＦpower／ＨＦpowerから換算されたストレス指数とを加算する加算部(3)と、加算部(3)で加算されたストレス値からストレス度を表示する表示部(4)とを備える精神的ストレス検査装置。
特定周波数が０．１５Ｈｚである請求項１に記載される精神的ストレス検査装置。
変換部(2)がＬＦpower／ＨＦpowerの比率をストレス指数に変換する請求項１に記載される精神的ストレス検査装置。
変換部(2)が、ＨＦpowerが小さくなるにしたがってストレス指数を大きくし、かつＬＦpower／ＨＦpowerの比率が大きくなるとストレス指数を大きくする請求項１に記載される精神的ストレス検査装置。
変換部(2)が、ＨＦpowerに対するストレス指数をテーブルとして記憶しており、このテーブルを参照して、ＨＦpowerをストレス指数に変換する請求項１に記載される精神的ストレス検査装置。
変換部(2)が、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率に対するストレス指数をテーブルとして記憶しており、このテーブルを参照して、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率をストレス指数に変換する請求項１に記載される精神的ストレス検査装置。
変換部(2)が、ＨＦpowerに対するストレス指数を示す関数を記憶しており、この関数に基づいて、ＨＦpowerをストレス指数に変換する請求項１に記載される精神的ストレス検査装置。
変換部(2)が、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率に対するストレス指数を示す関数を記憶しており、この関数に基づいて、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率をストレス指数に変換する請求項１に記載される精神的ストレス検査装置。