JP2012000375A - Sleep state determining device - Google Patents

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Masaaki Makikawa
方昭 牧川
Shima Okada
志麻 岡田
Shinya Furushima
慎也 古島
Hajime Fukumura
肇 福村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sleep state determining device capable of determining the sleep state of a person with high accuracy in spite of no restraints.SOLUTION: The sleep state determining device includes body motion amount computing means for computing the time-series waveform data of the amount of body motion based on data obtained by detecting the body motion of a subject 5 during sleep by a video camera 2; body motion extracting means for extracting large body motion continuously made for a predetermined time or longer from the computed time-series waveform data of the body motion, and eliminating body motion in a body motion restrained section where the large body motion is restrained; and determining means for computing the stillness duration (t) of the large body motion every body motion restrained section to extract the time intervals of the large body motion, and determining which of multiple stages of sleep depth the sleep state of the subject is classified in, based on the time intervals of the large body motion and the body motion amount of the large body motion.

Description

本発明は、人の睡眠時の体動に基づいてその睡眠状態が複数段階の睡眠深度のいずれかに分類されるのかを判定する睡眠状態判定装置に関する。   The present invention relates to a sleep state determination device that determines whether a sleep state is classified into one of a plurality of stages of sleep depth based on body movements during human sleep.

睡眠は人間にとって必要不可欠なものであり、脳と身体機能を維持するために重要である。しかし、近年、高ストレス化社会の進行に伴って睡眠に悩む人が急増している。貧弱な睡眠や睡眠障害は、起床時の気分や機嫌の悪さの原因ともなり、高齢者では意欲の低下や抑うつ状態を引き起こし、社会的な活動を低下させる原因となることが知られており、社会問題の1つとなっている。また、発達期の小児においては、睡眠の質や量の低下に伴い、記憶や集中力の障害による学習機能の低下、感情コントロール機能の低下、運動能力の低下、不規則な生活習慣の定着などを引き起こすため、慢性的な不眠に陥る前に、睡眠障害を発見して治療を行う必要がある。そのためには、自己の日常的な睡眠状態をよく把握し、日々の睡眠を管理することにより、長期的に睡眠を改善していく必要がある。   Sleep is essential for humans and is important for maintaining brain and body function. However, in recent years, the number of people who suffer from sleep is rapidly increasing with the progress of highly stressed society. Poor sleep and sleep disturbances are known to cause mood and mood when waking up, and to reduce motivation and depression in older people, causing social activity to decline. It is one of the social problems. In developing children, as the quality and quantity of sleep decline, the learning function declines due to memory and concentration problems, the emotional control function declines, the motor ability declines, and irregular lifestyles become established. It is necessary to find and treat sleep disorders before falling into chronic insomnia. To that end, it is necessary to improve sleep in the long term by grasping one's daily sleep state well and managing daily sleep.

睡眠は、一般的に、眠りの浅いレム睡眠と、眠りの深いノンレム睡眠とに大別されるが、さらに詳しくは複数の睡眠深度によって定義されており、国際基準(レヒトシャッフェン(A.Rechtschaffen)&カレス(A.Kales)の基準)では、睡眠深度を、入床してから入眠するまでの覚醒、レム睡眠、深度1〜4の6つの状態で定義している。ここで、深度1〜4とは、ノンレム睡眠がさらに4つの段階に分けられたものであり、ノンレム睡眠のなかでは、深度1が最も眠りが浅く、深度4が最も深い。   Sleep is generally divided into shallow REM sleep and deep non-REM sleep, but more specifically, it is defined by multiple sleep depths. ) & Cares (A.Kales)), the sleep depth is defined by six states of awakening from entering the bed to falling asleep, REM sleep, and depths 1 to 4. Here, the depths 1 to 4 are obtained by further dividing the non-REM sleep into four stages. Among the non-REM sleeps, the depth 1 is the shallowest and the depth 4 is the deepest.

人は、入床すると、その睡眠状態は、覚醒の状態から浅い眠りの状態へ移行し、その後、浅い眠りの状態から深い眠りの状態へ移行する。そして、再び浅い眠りの状態へと移行するのが一般的である。この睡眠時の睡眠深度の遷移を調べることにより、人の睡眠状態を把握することが可能である。   When the person enters the floor, the sleep state shifts from the awake state to the light sleep state, and then shifts from the light sleep state to the deep sleep state. And it is common to shift to the state of shallow sleep again. By examining the transition of the sleep depth during sleep, it is possible to grasp the sleep state of the person.

そこで、従来から、人の睡眠状態を検出することが種々試みられており、例えば脳波、眼球運動、顎筋電、心電などを同時に測定し、これらの測定データを分析して睡眠深度を判定することで、睡眠状態を評価する睡眠ポリグラフ(PSG)法が知られている(例えば特許文献1,2参照)。この睡眠ポリグラフ法は、測定データの種類が多く、測定精度も高いので、評価の信頼性が高いものとなっている。   Therefore, various attempts have been made to detect a person's sleep state. For example, brain waves, eye movements, jaw electromyograms, electrocardiograms, etc. are measured simultaneously, and the measurement data is analyzed to determine the sleep depth. Thus, a sleep polygraph (PSG) method for evaluating a sleep state is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Since this polysomnography method has many types of measurement data and high measurement accuracy, it has high reliability of evaluation.

特許第2950038号公報Japanese Patent No. 2950038 特開2004−305258号公報JP 2004-305258 A

しかしながら、上記した睡眠ポリグラフ法による測定は、複数のセンサを測定対象者に装着して睡眠の状態を把握するものであるから、装置が大がかりとなるうえ、測定するにあたっては、病院や研究室など、専門設備を備えた場所でしか利用できないために、健康機器のように家庭で手軽に日常的に使用するには不向きである。また、複数の電極を被験者に装着しなければならないため、被験者にとっての負担が大きく、その拘束感から被験者の睡眠を妨げることも多いうえ、新規体験に対する抵抗感の大きい小児にとっては大きなストレスとなるので、正確な睡眠状態を測定することは難しいという問題もある。   However, since the measurement by the polysomnography method described above is to grasp the state of sleep by attaching a plurality of sensors to the measurement subject, the apparatus becomes large, and in measuring, hospitals, laboratories, etc. Since it can only be used in places with specialized equipment, it is not suitable for daily use at home as a health device. In addition, since multiple electrodes must be attached to the subject, the burden on the subject is great, the subject's sense of restraint often hinders the subject's sleep, and it is a great stress for children who are highly resistant to new experiences. Therefore, there is also a problem that it is difficult to measure an accurate sleep state.

さらに、睡眠ポリグラフ法は、医師などの専門家によらなければ、被験者の睡眠状態を正確に評価することができないため、装置さえあればよいと言う訳にもいかない。   Furthermore, the polysomnographic method cannot accurately evaluate the sleep state of the subject unless it is by a doctor or other specialist, so that it is not necessary to have only an apparatus.

本発明は、上記した問題に着目してなされたもので、人の睡眠状態を無拘束ながらも高精度で判定することができる睡眠状態判定装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to the above-described problem, and an object of the present invention is to provide a sleep state determination device that can determine a person's sleep state with high accuracy while being unconstrained.

本発明の前記目的は、被験者の睡眠時の体動に基づいてその睡眠状態を判定する睡眠状態判定装置であって、被験者の睡眠時の体動を検出して得られるデータに基づき、体動の大きさに関する情報である体動量の時系列波形データを算出する体動量算出手段と、算出した前記体動量の時系列波形データから、継続して所定時間以上行われる大きな体動を抽出するとともに、この大きな体動が抑制されている体動抑制区間の体動を除去する体動抽出手段と、前記体動抑制区間ごとに前記大きな体動の静止持続時間tを算出して前記大きな体動の時間間隔を抽出し、前記大きな体動の時間間隔および前記大きな体動の体動量に基づいて、被験者の睡眠状態が複数段階の睡眠深度のいずれかに分類されるのかを判定する判定手段とを備える睡眠状態判定装置により達成される。   The object of the present invention is a sleep state determination apparatus for determining a sleep state based on a body movement at the time of sleep of a subject, and based on data obtained by detecting the body movement at the time of sleep of the subject. A body movement amount calculating means for calculating time series waveform data of body movement amount as information relating to the size of the body, and extracting a large body movement continuously performed for a predetermined time or more from the calculated time series waveform data of the body movement amount , Body motion extracting means for removing the body motion in the body motion suppression section in which the large body motion is suppressed, and the large body motion by calculating the stationary duration t of the large body motion for each body motion suppression section. And determining means for determining whether the sleep state of the subject is classified into one of a plurality of stages of sleep depth based on the time interval of the large body motion and the amount of body motion of the large body motion Sleep state with It is accomplished by a constant system.

本発明の好ましい実施態様においては、前記判定手段は、睡眠時間の任意の単位時刻ごとに、体動静止持続時間として、前記体動抑制区間外にあるときには0を、前記体動抑制区間内にあるときにはその静止持続時間tを、それぞれ設定し、前記単位時刻ごとの前記体動静止持続時間および体動量に基づいて、睡眠状態が複数段階の睡眠深度のいずれかに分類されるのかを判定することを特徴としている。   In a preferred embodiment of the present invention, the determination means sets 0 as the body movement stationary duration at any unit time of sleep time when it is outside the body movement suppression section, and within the body movement suppression section. In some cases, the rest duration t is set, and based on the body motion rest duration and the body motion amount for each unit time, it is determined whether the sleep state is classified into one of a plurality of stages of sleep depth. It is characterized by that.

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記判定手段は、前記単位時刻ごとの体動量として、前記単位時刻の所定時間前の時刻までの各時刻の体動量の平均を求め、この平均体動量および前記体動静止持続時間に基づいて、睡眠状態が複数段階の睡眠深度のいずれかに分類されるのかを判定することを特徴としている。   In a further preferred embodiment of the present invention, the determination means obtains an average of the body movement amount at each time up to a predetermined time before the unit time as the body movement amount for each unit time, and the average body movement amount and It is characterized in that it is determined whether the sleep state is classified into any one of a plurality of stages of sleep depth based on the body motion stationary duration.

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記判定手段は、前記単位時刻ごとの睡眠状態がいずれの睡眠深度に分類されるのかを判定する手法として判別分析を用いることを特徴としている。   In a further preferred embodiment of the present invention, the determination means uses discriminant analysis as a method for determining to which sleep depth the sleep state for each unit time is classified.

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記体動量算出手段は、睡眠時の人の体動の撮像を行うための撮像手段によって得られる動画像を所定数の静止画像に変換する変換手段と、前記動画像を構成する各静止画像を差分処理することにより、被験者の体動に伴う画像内の濃度値の変化を検出する検出手段と、前記濃度値の変化により被験者の体動の中心位置座標を算出する中心位置算出手段と、前記被験者の体動の中心位置座標の位置変化により前記体動量を算出する体動量算出手段とを備えることを特徴としている。   In a further preferred embodiment of the present invention, the body motion amount calculating means includes a converting means for converting a moving image obtained by an imaging means for imaging a human body motion during sleep into a predetermined number of still images, Detection means for detecting a change in density value in the image accompanying the body movement of the subject by performing differential processing on each still image constituting the moving image, and a center position coordinate of the body movement of the subject by the change in the density value And a body movement amount calculating means for calculating the body movement amount according to a change in the position of the center position coordinate of the body movement of the subject.

本発明によれば、人の睡眠状態を無拘束ながらも高精度で判定することが可能な睡眠状態判定装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the sleep state determination apparatus which can determine a person's sleep state with high precision, without restraint can be provided.

本発明の一実施形態に係る睡眠状態判定装置の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the sleep state determination apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 情報処理部の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of an information processing part. 睡眠状態判定部の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of a sleep state determination part. 被験者Aの情報処理部による体動量測定データと睡眠ポリグラフ法による睡眠深度の実測データを比較したグラフである。It is the graph which compared the body movement amount measurement data by the information processing part of the test subject A, and the actual measurement data of the sleep depth by the sleep polygraph method. 被験者Bの情報処理部による体動量測定データと睡眠ポリグラフ法による睡眠深度の実測データを比較したグラフである。It is the graph which compared the body movement amount measurement data by the information processing part of the test subject B, and the actual measurement data of the sleep depth by the sleep polygraph method. 被験者Cの情報処理部による体動量測定データと睡眠ポリグラフ法による睡眠深度の実測データを比較したグラフである。It is the graph which compared the body movement amount measurement data by the information processing part of the test subject C, and the actual measurement data of the sleep depth by the sleep polygraph method. 被験者Dの情報処理部による体動量測定データと睡眠ポリグラフ法による睡眠深度の実測データを比較したグラフである。It is the graph which compared the body movement amount measurement data by the information processing part of the test subject D, and the actual measurement data of the sleep depth by the sleep polygraph method. 被験者Eの情報処理部による体動量測定データと睡眠ポリグラフ法による睡眠深度の実測データを比較したグラフである。It is the graph which compared the body movement amount measurement data by the information processing part of the test subject E, and the actual measurement data of the sleep depth by the sleep polygraph method. 被験者Fの情報処理部による体動量測定データと睡眠ポリグラフ法による睡眠深度の実測データを比較したグラフである。It is the graph which compared the body movement amount measurement data by the information processing part of the test subject F, and the measurement data of the sleep depth by the sleep polygraph method. 被験者Gの情報処理部による体動量測定データと睡眠ポリグラフ法による睡眠深度の実測データを比較したグラフである。It is the graph which compared the body movement amount measurement data by the information processing part of the test subject G, and the actual measurement data of the sleep depth by the sleep polygraph method. 被験者Hの情報処理部による体動量測定データと睡眠ポリグラフ法による睡眠深度の実測データを比較したグラフである。It is the graph which compared the body movement amount measurement data by the information processing part of the test subject H, and the actual measurement data of the sleep depth by the sleep polygraph method. 体動静止持続時間を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating a body movement stationary duration. 本実施形態に係る睡眠状態判定装置による睡眠深度の判定結果と睡眠ポリグラフ法による睡眠深度の実測データを比較したグラフである。It is the graph which compared the determination result of the sleep depth by the sleep state determination apparatus which concerns on this embodiment, and the measurement data of the sleep depth by the sleep polygraph method. 本実施形態に係る睡眠状態判定装置による睡眠深度の判定結果と睡眠ポリグラフ法による睡眠深度の実測データを比較したグラフである。It is the graph which compared the determination result of the sleep depth by the sleep state determination apparatus which concerns on this embodiment, and the measurement data of the sleep depth by the sleep polygraph method. 体動回数を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the frequency | count of body movement. 他の実施形態に係る睡眠状態判定装置による睡眠深度の判定結果と睡眠ポリグラフ法による睡眠深度の実測データを比較したグラフである。It is the graph which compared the determination result of the sleep depth by the sleep state determination apparatus which concerns on other embodiment, and the measurement data of the sleep depth by the sleep polygraph method.

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る睡眠状態判定装置1の概略構成を示す。図1に示すように、睡眠状態判定装置1は、ビデオカメラ2に接続されている。ビデオカメラ2は三脚で固定され、例えばベッド10上に横たわっている被験者5の全身がフレーム内に入るように設置されている。このビデオカメラ2は、睡眠時の被験者5の動画像を撮影し、撮影した動画像を睡眠状態判定装置1に出力する。出力された動画像は睡眠状態判定装置1に格納される。なお、ビデオカメラ2は、夜間や暗闇においてもビデオ撮影することが可能な赤外線撮影機能を備えていることが好ましい。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a sleep state determination apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the sleep state determination device 1 is connected to a video camera 2. The video camera 2 is fixed by a tripod, and is installed so that, for example, the whole body of the subject 5 lying on the bed 10 enters the frame. The video camera 2 captures a moving image of the subject 5 during sleep, and outputs the captured moving image to the sleep state determination device 1. The output moving image is stored in the sleep state determination apparatus 1. Note that the video camera 2 preferably has an infrared photographing function capable of photographing a video at night or in the dark.

睡眠状態判定装置1は、ビデオカメラ2からの動画像に基づき、被験者5の睡眠時の体の動き(体動)の大きさに関する情報である体動量の時系列波形データを算出する体動量算出手段35を含む情報処理部3(図2に示す)と、前記体動量の時系列波形データ(体動量データ)に基づいて、被験者5の睡眠時の睡眠状態を判定する睡眠状態判定部4(図3に示す)とを備えており、例えば、携帯型のコンピュータにより構成することができる。   The sleep state determination apparatus 1 calculates body movement amount time series waveform data of body movement amount, which is information related to the magnitude of body movement (body movement) during sleep of the subject 5 based on a moving image from the video camera 2. A sleep state determination unit 4 (determining a sleep state of the subject 5 during sleep based on the information processing unit 3 (shown in FIG. 2) including the means 35 and the time-series waveform data (body movement amount data) of the body movement amount. 3), and can be configured by a portable computer, for example.

情報処理部3は、ビデオカメラ2から入力される動画像の差分処理を行うことにより、被験者が体動に伴い、睡眠時にどれくらいの大きさで動作をしたかを検出する。差分処理とは、連続する画像の差分を計算することにより、対象物の動きを検出する処理である。本実施形態では、動画像の差分処理により、被験者の睡眠時の体動量データを検出することで、被験者からセンサ類を切り離した完全な無拘束状態で睡眠の状態を判定することが可能となっている。以下、時系列ごとの体動量を算出する方法を具体的に説明する。   The information processing unit 3 detects the magnitude of the movement of the subject during sleep due to body movement by performing a difference process of moving images input from the video camera 2. The difference process is a process for detecting a motion of an object by calculating a difference between successive images. In this embodiment, it is possible to determine the sleep state in a completely unconstrained state in which the sensors are separated from the subject by detecting the body motion amount data during the sleep of the subject by the difference processing of the moving image. ing. Hereinafter, a method of calculating the amount of body movement for each time series will be specifically described.

この情報処理部3は、図2に示すように、静止画変換手段30と、ROI設定手段31と、グレースケール変換手段32と、濃度値変化検出手段33と、中心位置座標算出手段34と、体動量算出手段35とを備えている。   As shown in FIG. 2, the information processing unit 3 includes a still image conversion unit 30, an ROI setting unit 31, a gray scale conversion unit 32, a density value change detection unit 33, a center position coordinate calculation unit 34, Body movement amount calculating means 35.

静止画変換手段30は、ビデオカメラ2から入力される動画像を、動画像を構成する所定数のフレーム毎の静止画像(例えば、BMP形式の静止画像)に変換する。なお、本実施形態では、ビデオカメラ2から入力された動画像のフレームレート(例えば30[fps])を、1[fps]にリサンプリングしている。これは、睡眠時においては、被験者の体動による動きは少なく、被験者の動きを捕らえるためには、1[fps]は十分なサンプリングレートであると考えられるからである。これにより、睡眠状態判定装置1に記憶される情報量を減らすことが可能となっている。   The still image conversion means 30 converts the moving image input from the video camera 2 into a still image (for example, a BMP format still image) for each predetermined number of frames constituting the moving image. In the present embodiment, the frame rate (for example, 30 [fps]) of the moving image input from the video camera 2 is resampled to 1 [fps]. This is because during sleep, the subject's movement due to body movement is small, and 1 [fps] is considered to be a sufficient sampling rate to capture the subject's movement. Thereby, the amount of information stored in the sleep state determination device 1 can be reduced.

ROI設定手段31は、静止画変換手段30から出力されるBMP形式の静止画像を連続的に読み込み、処理の高速化のためにROI(Region of Interest)を設定する。ROIとは、関心領域のことを指し、各静止画像の全体から関心のある、つまり、処理に必要な領域を設定して切り出す。ROI処理を行うことにより、余分なノイズの除去や、静止画像の画像サイズを小さくすることによる処理の高速化が可能となる。   The ROI setting unit 31 continuously reads BMP format still images output from the still image conversion unit 30 and sets an ROI (Region of Interest) for speeding up the processing. ROI refers to a region of interest, and a region of interest, that is, a region necessary for processing is set and cut out from the entire still image. By performing the ROI process, it is possible to remove excess noise and speed up the process by reducing the image size of the still image.

グレースケール変換手段32は、ROI処理がなされた各静止画像に対して、画像のグレースケール化を行い、差分処理によりフレーム間の画像の濃淡の変化を検出できるようにする。   The gray scale conversion unit 32 converts the gray scale of each still image that has been subjected to the ROI processing, and can detect a change in the shading of the image between frames by differential processing.

ビデオカメラ2から入力される動画像は、被験者の体動による動きに伴い、画像内の各ピクセルの濃度値が変化する。濃度値変化検出手段33は、この画像内の各ピクセルの濃度値の変化を、隣り合う2枚のフレームの差分を取ることによって検出する。具体的には、グレースケール化された各フレームの静止画像のそれぞれに対して、全ピクセルの濃度値の時間微分を計算し、各ピクセルの濃度値の変化を検出する。静止画像の画像サイズは、x方向へn個(1,2,…,n)、y方向へm個(1,2,…,m)の合計n×m個(例えば、340(幅)×240(高さ))のピクセルで構成されるため、時刻tにおける各フレームの濃度行列式をD(t)とすると、濃度行列式D(t)、および、濃度行列式D(t)の時間微分行列D´(t)は、以下の数式(1),(2)によってそれぞれ算出される。ある座標位置(x,y)にあるピクセルの濃度変化は、d´xy(t)で表現される。 In the moving image input from the video camera 2, the density value of each pixel in the image changes with the movement of the subject due to the body movement. The density value change detecting means 33 detects a change in density value of each pixel in the image by taking a difference between two adjacent frames. Specifically, for each still image of each frame that has been grayscaled, a time derivative of the density value of all the pixels is calculated, and a change in the density value of each pixel is detected. The image size of the still image is n (1, 2,..., N) in the x direction and m (1, 2,..., M) in the y direction. 240 (height)) pixels, and if the density determinant of each frame at time t is D (t), the density determinant D (t) and the time of the density determinant D (t) The differential matrix D ′ (t) is calculated by the following mathematical formulas (1) and (2), respectively. A change in density of a pixel at a certain coordinate position (x, y) is expressed by d ′ xy (t).

Figure 2012000375
Figure 2012000375

こうして得られた各ピクセルの濃度値の変化は、中心位置座標算出手段34に入力される。中心位置座標算出手段34は、この濃度値の変化から被験者の睡眠時の体動の動きの中心位置座標を推定する。具体的には、差分画像において被験者が体動により動けば、動く前の座標では濃度値が減少し、動いた後の座標では濃度値が増加することから、まず、各ピクセルにおける濃度値の変化d´xy(t)を定数εを用いて、下記の3つの状態に分類する。なお、下記条件式における定数εは許容誤差である。 The thus obtained change in the density value of each pixel is input to the center position coordinate calculation means 34. The center position coordinate calculation means 34 estimates the center position coordinates of the movement of the body during sleep of the subject from the change in the concentration value. Specifically, if the subject moves due to body movement in the difference image, the density value decreases at the coordinates before the movement and the density value increases at the coordinates after the movement. d ′ xy (t) is classified into the following three states using a constant ε. In addition, the constant ε in the following conditional expression is an allowable error.

(1)濃度値が増加
|d´xy(t)|>ε かつ d´xy(t)<0
(2)濃度値が減少
|d´xy(t)|>ε かつ d´xy(t)>0
(3)濃度値に変化なし
|d´xy(t)|≦ε
(1) Concentration value increases | d ′ xy (t) |> ε and d ′ xy (t) <0
(2) Density value decreases | d ′ xy (t) |> ε and d ′ xy (t)> 0
(3) No change in density value | d ′ xy (t) | ≦ ε

次に、(1)濃度値が増加した全てのピクセルの座標位置の平均値(p,p)と、(2)濃度値が減少した全てのピクセルの座標位置の平均値(q,q)とを算出する。そして、座標(p,p)を濃度値が増加したピクセルの集合体の中心座標、座標(q,q)を濃度値が減少したピクセルの集合体の中心座標とし、座標(p,p)および座標(q,q)の中心座標を算出することで、被験者の睡眠時の体動の中心位置座標を算出する。x方向およびy方向それぞれの被験者の体動の中心位置座標(x,y)は、以下の数式(3),(4)によってそれぞれ算出される。 Next, (1) the average value (p x , p y ) of the coordinate positions of all the pixels whose density values have increased, and (2) the average value (q x , q y ). Then, the coordinates (p x , p y ) are the center coordinates of the aggregate of the pixels having the increased density value, the coordinates (q x , q y ) are the center coordinates of the aggregate of the pixels having the decreased density value, and the coordinates (p By calculating the center coordinates of x , p y ) and coordinates (q x , q y ), the center position coordinates of body movement during sleep of the subject are calculated. The center position coordinates (x, y) of the body movement of the subject in each of the x direction and the y direction are calculated by the following mathematical formulas (3) and (4), respectively.

Figure 2012000375
Figure 2012000375

こうして得られた体動の中心位置座標(x,y)は、体動量算出手段35に入力される。体動量算出手段35は、被験者の体動の中心位置座標(x,y)の位置の時系列変化から、時刻tにおいて、画像内で被験者が睡眠時に体動により動いた距離に相当する値L(t)を下記式(5)より算出する。   The body movement center position coordinates (x, y) thus obtained are input to the body movement amount calculation means 35. The body motion amount calculation means 35 calculates a value L corresponding to the distance that the subject moved by body motion during sleep in the image at time t from the time-series change in the position of the center position coordinate (x, y) of the subject's body motion. (T) is calculated from the following equation (5).

Figure 2012000375
Figure 2012000375

次に、移動距離の時間微分は速度を表すので、被験者が睡眠時に体動により動いた速度に相当する値v(t)を、以下の数式(6)により算出する。   Next, since the time differentiation of the movement distance represents the speed, a value v (t) corresponding to the speed at which the subject moved due to body movement during sleep is calculated by the following formula (6).

Figure 2012000375
Figure 2012000375

こうして得られた速度v(t)を用いて、体動量算出手段35は、睡眠時の時刻tにおける体動量p(t)を算出する。時刻tにおける体動量p(t)は、速度v(t)と被験者の重さmの積、つまり、p(t)=m×v(t)で算出され、これにより、被験者の睡眠時の体動量の時系列波形データが測定される。   Using the speed v (t) thus obtained, the body movement amount calculating means 35 calculates the body movement amount p (t) at the time t during sleep. The body motion amount p (t) at time t is calculated by the product of the velocity v (t) and the weight m of the subject, that is, p (t) = m × v (t). Time series waveform data of body movement is measured.

図4〜図11に、被験者として健常未就学児8名(男女含む)A〜Hの、前記情報処理部3により測定された睡眠時の体動量の時系列波形データ(下段)を示す。図4〜図11において、横軸が測定時間[sec]、縦軸が体動量[pic]である。なお、図4〜図11には、睡眠深度の比較のために、これら被験者A〜Hに対して、睡眠ポリグラフ法により測定した睡眠深度の実測データ(上段)も示している。   4 to 11 show time series waveform data (lower part) of body movement amount during sleep measured by the information processing unit 3 of 8 healthy preschool children (including men and women) A to H as subjects. 4 to 11, the horizontal axis represents the measurement time [sec] and the vertical axis represents the amount of body movement [pic]. In addition, in FIG. 4 to FIG. 11, actual measurement data (upper stage) of the sleep depth measured by the polysomnography method for these subjects A to H is also shown for comparison of the sleep depth.

次に、睡眠状態判定部4は、情報処理部3により測定された前記体動量の時系列波形データに基づいて被験者の睡眠時の睡眠状態が、複数段階の睡眠深度のいずれかに分類されるのかを判定するものであり、図3に示すように、GMs抽出手段40と、体動静止持続時間抽出手段41と、平均体動量抽出手段42と、睡眠深度判別手段43と、睡眠深度遷移軌跡生成手段44とを備えている。   Next, the sleep state determination unit 4 classifies the sleep state of the subject during sleep based on the time series waveform data of the body movement measured by the information processing unit 3 into one of a plurality of stages of sleep depth. As shown in FIG. 3, GMs extraction means 40, body movement stationary duration extraction means 41, average body movement amount extraction means 42, sleep depth determination means 43, and sleep depth transition locus Generating means 44.

人の睡眠時の体動には、寝返りなどの大きな体動(粗体動)と、細かい体動(細体動)とがある。ここで、持続が2秒以上の体動を、Gross Movements(GMs)と分類すると、このようなGMsは、覚醒状態(Wake)に最も多い頻度で起こる一方、眠りが深くなるにつれて、すなわち、レム睡眠、ノンレム睡眠(深度1〜深度4)と続くにつれて出現頻度が低下する。本発明者らは、このGMsに着目することにより、睡眠時の睡眠状態を複数の段階(睡眠深度)に判別することが可能であることを見出した。   There are two types of body movements when sleeping: large body movements (coarse body movements) such as turning over and fine body movements (fine body movements). Here, when body movements with a duration of 2 seconds or more are classified as Gross Movements (GMs), such GMs occur most frequently in the awake state (Wake), while the sleep becomes deeper, that is, REM. The frequency of appearance decreases as sleep and non-REM sleep (depth 1 to depth 4) continue. The present inventors have found that it is possible to discriminate the sleep state during sleep into a plurality of stages (sleep depth) by paying attention to the GMs.

つまり、上述したとおり、睡眠状態が深度3および深度4の深い眠りの状態にあるSWS(Slow Wave Sleep)時には、GMsは抑制状態にあり、GMsが発生する時間間隔は大きい値をとると考えられる。従って、GMsが抑制されている区間を抽出して、その体動が静止している持続時間(体動静止持続時間)を検出することで、睡眠中のSWSの抽出が可能であることを本発明者らは見出した。さらに、睡眠状態が覚醒状態(Wake)にある時には、GMsは非抑制状態にあり、体動により大きく動くことから、体動量が大きい値をとると考えられる。従って、GMs時の体動の大きさ(体動量)を考慮することで、睡眠中のWakeの抽出が可能であることを本発明者らは見出した。   That is, as described above, when SWS (Slow Wave Sleep) in which the sleep state is deep sleep at depth 3 and depth 4, GMs are in a suppressed state, and the time interval at which GMs occurs takes a large value. . Therefore, it is possible to extract the SWS during sleep by extracting a section in which GMs are suppressed and detecting the duration in which the body motion is stationary (body motion stationary duration). The inventors have found. Furthermore, when the sleep state is in the awake state (Wake), the GMs are in the non-suppressed state and move greatly due to body movement, so it is considered that the body movement amount takes a large value. Therefore, the present inventors have found that Wake during sleep can be extracted by taking into account the magnitude of body movement (body movement amount) during GMs.

このように、本実施形態では、GMsの時間間隔およびGMs時の体動の大きさ(体動量)が睡眠状態に大きく関係があることに鑑みて、被験者の睡眠時の体動量の時系列波形データから、各時刻データtそれぞれについて、睡眠深度と関係性の強い体動に関する2つの変数である「体動静止持続時間」および「体動量」を抽出することで、睡眠中の睡眠状態について、覚醒状態(Wake)、Light&REM(レム睡眠、深度1,2)、およびSWS(深度3,4)の少なくとも3段階の睡眠深度による判別が可能となっている。以下、睡眠状態を判定する方法について具体的に説明する。   Thus, in the present embodiment, in view of the fact that the time interval of GMs and the magnitude of body movement (body movement amount) during GMs are greatly related to the sleep state, the time series waveform of the body movement amount during sleep of the subject For each time data t, for each time data t, by extracting “body motion stationary duration” and “body motion amount” which are two variables related to body motion having a strong relationship with sleep depth, about the sleep state during sleep, It is possible to discriminate by at least three levels of sleep depths: awake state (Wake), Light & REM (REM sleep, depth 1, 2), and SWS (depth 3, 4). Hereinafter, a method for determining the sleep state will be specifically described.

まず、GMs抽出手段40は、情報処理部3により測定された各被験者の睡眠時の体動量の時系列波形データについて、体動が継続して2秒以上行われるGMsのみを抽出するために、持続時間が2秒以下の体動を除去して、補正した体動量の時系列波形データ(補正体動量データ)を作成する。こうして得られた補正体動量データは、体動静止持続時間算出手段41および平均体動量算出手段42に、それぞれ入力される。   First, the GMs extracting means 40 extracts only GMs in which body movement continues for 2 seconds or more from the time series waveform data of the body movement amount during sleep of each subject measured by the information processing unit 3. The body movement with a duration of 2 seconds or less is removed, and corrected body movement amount time-series waveform data (corrected body movement amount data) is created. The corrected body movement amount data thus obtained is input to the body movement stationary duration calculation means 41 and the average body movement amount calculation means 42, respectively.

体動静止持続時間抽出手段41は、入力された上記補正体動量データから、各時刻データtにおける「体動静止持続時間」を抽出する。まず、この補正体動量データに対して、「体動のセクション」を定義する。体動のセクションとは、図12に示すように、体動が抑制されている状態から体動が起こり始め、再び体動が抑制されるまでの区間を指す。各セクション内において、体動が抑制された時刻をt、体動が抑制された状態から体動が起こり始める時刻をtMTin、体動が再び抑制された時刻をtMTout、とそれぞれ設定すると、各セクション内の時刻tにおける体動静止持続時間MTrestは、以下の数式(7)で表される。 The body motion stationary duration extracting means 41 extracts “body motion stationary duration” at each time data t from the inputted corrected body motion amount data. First, a “body motion section” is defined for the corrected body motion amount data. As shown in FIG. 12, the body motion section refers to a section from when the body motion starts to be suppressed in a state where the body motion is suppressed until the body motion is suppressed again. Within each section, the time at which the body movement is suppressed t 0, the body movement occurs body movement from the state is suppressed start time and t MTin, the time at which the body movement is suppressed again t MTout, and by setting each The body movement stationary duration MT rest at time t in each section is expressed by the following mathematical formula (7).

Figure 2012000375
Figure 2012000375

次に、平均体動量算出手段42は、入力された上記補正体動量データから、各時刻データtにおける「体動量」を抽出する。ここで、本実施形態では、平均体動量算出手段41は、各時刻データtにおける体動量として「平均体動量」を抽出する。「平均体動量」とは、対象となる時刻から所定時間(本実施形態では60[sec])前の時刻までの各時刻の体動量の単純平均値を求めたものである。このように、各時刻データtの直前の60秒間の体動量の単純平均値を各時刻データtにおける体動量として抽出したのは、各時刻データtにおける睡眠深度は、それより直前に行われている体動に依存するという知見に基づくものである。また、単純平均値の参照範囲を60[sec] としたのは、比較対象として、被験者の睡眠深度を判定した睡眠ポリグラフ法における睡眠深度の計測エポックが30[sec]であり、少なくとも1つのエポックをまるごと含むように参照範囲を設定したためである。   Next, the average body movement amount calculating means 42 extracts the “body movement amount” at each time data t from the input corrected body movement amount data. Here, in the present embodiment, the average body motion amount calculation unit 41 extracts “average body motion amount” as the body motion amount in each time data t. The “average body movement amount” is a simple average value of body movement amounts at each time from a target time to a time before a predetermined time (60 [sec] in the present embodiment). In this way, the simple average value of the body movement amount for 60 seconds immediately before each time data t is extracted as the body movement amount in each time data t because the sleep depth in each time data t is performed immediately before that. It is based on the knowledge that it depends on the body movement. In addition, the reference range of the simple average value is set to 60 [sec] as a comparison target. The sleep epoch measurement epoch in the polysomnography method in which the sleep depth of the subject is determined is 30 [sec], and at least one epoch is used. This is because the reference range is set to include the whole.

こうして得られた各時刻データtについての「体動静止持続時間」および「平均体動量」は、睡眠深度判別手段43に入力される。睡眠深度判別手段43は、入力された各時刻データtにおける「体動静止持続時間」および「平均体動量」に基づいて、被験者の睡眠状態について、時系列ごとの睡眠深度を判別する。本実施形態では、睡眠深度を判別するアルゴリズムとして線形判別分析を用いている。   The “body motion stationary duration” and “average body motion amount” for each time data t obtained in this way are input to the sleep depth determination means 43. The sleep depth discrimination means 43 discriminates the sleep depth for each time series for the sleep state of the subject based on the “body motion stationary duration” and the “average body motion amount” in each input time data t. In this embodiment, linear discriminant analysis is used as an algorithm for discriminating the sleep depth.

線形判別分析とは、データ群を判別対象となる2つ以上のグループ(判別群)に判別するためのアルゴリズムであり、本実施形態では、独立変数として、上記した「体動静止持続時間」および「平均体動量」を用い、この「体動静止持続時間」と「平均体動量」とにより各時刻データtの散布図を描いたときに、各時刻データtを、覚醒状態(Wake)、浅い眠りの状態(Light&REM)、および、深い眠りの状態(SWS)の3つの判別群に分割するのに最適な関数(線形判別関数)をそれぞれ求める。そして、未知データが入力された際に、その未知データがどのグループ群に属するかを線形判別関数を基準にして決定することで、睡眠中の時系列ごとの睡眠深度を判別している。以下、この判別分析関数を求める方法について説明する。   Linear discriminant analysis is an algorithm for discriminating a data group into two or more groups (discriminant group) to be discriminated. In this embodiment, the above-mentioned “body motion stationary duration” and When a scatter diagram of each time data t is drawn using the “average body movement amount” and the “body movement stationary duration” and “average body movement amount”, each time data t is expressed as awake state (Wake), shallow. The optimal functions (linear discriminant functions) for dividing into three discriminant groups of sleep state (Light & REM) and deep sleep state (SWS) are obtained. And when unknown data is input, the sleep depth for every time series during sleep is discriminated by determining which group group the unknown data belongs to based on a linear discriminant function. Hereinafter, a method for obtaining the discriminant analysis function will be described.

睡眠深度判別手段43は、まず、測定した被験者A〜Hの体動量データ(図4〜図11)のうち、判別分析関数を決定するための教師データとして、例えば、被験者B,C,D,E,G,Hの体動量データを選択する。これら教師データとして選択された体動量データについて、前記体動静止持続時間抽出手段41および平均体動量算出手段42により抽出された各時刻データtについての「体動静止持続時間」および「平均体動量」を独立変数とし、また、睡眠深度の比較のために、これら被験者B,C,D,E,G,Hに対して睡眠ポリグラフ法により測定した時系列ごとの睡眠深度の実測データに基づいて抽出された各時刻データtについての「睡眠深度(覚醒状態(Wake)、Light&REM、SWS)」を目的変数として、下記式(8),(9)で表される線形判別式を算出する。この線形判別式の演算値Z1,Z2はそれぞれ判別得点を示し、Z1,Z2の正負によってグループ分けが行われる。   The sleep depth discriminating means 43 first includes, as teacher data for determining a discriminant analysis function among the measured body movement data (FIGS. 4 to 11) of the subjects A to H, for example, subjects B, C, D, Select E, G, H body movement data. With respect to the body motion amount data selected as the teacher data, the “body motion rest duration” and “average body motion amount” for each time data t extracted by the body motion rest duration extracting means 41 and the average body motion calculating means 42. ”As an independent variable, and for comparison of sleep depth, based on the measured data of sleep depth for each subject B, C, D, E, G, H measured by the polysomnographic method for each time series A linear discriminant represented by the following formulas (8) and (9) is calculated with “sleep depth (wake state (Wake), Light & REM, SWS)” for each extracted time data t as an objective variable. The calculated values Z1 and Z2 of this linear discriminant indicate discrimination scores, respectively, and grouping is performed according to whether Z1 and Z2 are positive or negative.

Z1=a+a+C1・・・(8)
Z2=a+a+C2・・・(9)
Z1 = a 1 x 1 + a 2 x 2 + C1 (8)
Z2 = a 3 x 1 + a 4 x 2 + C2 ··· (9)

まず、式(8)が判別群Wake(覚醒状態)とそれ以外の判別群(Light&REMおよびSWS)とを判別する線形判別関数であるとすると、この線形判別関数は、2群から最も遠い位置に引かれる必要があり、2群から最も遠い位置に引かれることにより、この線形判別関数は、2群を区分けする最も良い基準線となる。2群を最もよく分けるには、判別群全ての判別得点Z1とその平均Z1allとの差の2乗和S(「全変動」という。)と、判別群Wakeの判別得点Z1とその平均Z1wakeとの差の2乗和Swake(「グループ間変動」という。)との相関比F1(=Swake÷S)を最大にするようにする。 First, assuming that the equation (8) is a linear discriminant function for discriminating the discriminant group Wake (wake state) and the other discriminant groups (Light & REM and SWS), the linear discriminant function is located at a position farthest from the second group. This linear discriminant function is the best reference line that separates the two groups by being drawn and being drawn farthest from the second group. In order to best divide the two groups, the sum of squares S T (referred to as “total variation”) of the difference between the discrimination score Z1 i of all the discrimination groups and the average Z1 all, and the discrimination score Z1 j of the discrimination group Wake The correlation ratio F1 (= S wake ÷ S T ) with the square sum S wake (referred to as “variation between groups”) of the difference from the average Z1 wake is maximized.

そこで、まず、全変動Sおよびグループ間変動Swakeを、下記式(10),(11)をそれぞれ用いて算出する。なお、下記式(10),(11)において、nallは判別群全ての判別得点の個数を示し,nwakeは判別群Wakeの判別得点の個数を示している。 Therefore, first, the total variation S T and group variability S wake, the following equation (10), is calculated by using respectively (11). In the following formulas (10) and (11), n all indicates the number of discrimination scores of all discrimination groups, and n wake indicates the number of discrimination scores of the discrimination group Wake.

Figure 2012000375
Figure 2012000375

次に、相関比F1(a,a)を算出した後、判別群Wakeとそれ以外の判別群とを最適に分けるために、相関比F1(a,a)が最大になるようなa,aを求める、すなわち、下記式(12),(13)に示すように、F1(a,a)をそれぞれa,aで偏微分した値が0になるようなa,aを求める。 Then, after calculating the correlation ratio F1 (a 1, a 2), to separate and determine group Wake and other discrimination group optimally, correlation ratio F1 (a 1, a 2) so that is maximized A 1 and a 2 , that is, as shown in the following formulas (12) and (13), F1 (a 1 and a 2 ) are partially differentiated by a 1 and a 2 , respectively, so that the values become 0 Obtain a 1 and a 2 .

∂F1(a,a)/∂a=0・・・(12)
∂F1(a,a)/∂a=0・・・(13)
∂F1 (a 1 , a 2 ) / ∂a 1 = 0 (12)
∂F1 (a 1 , a 2 ) / ∂a 2 = 0 (13)

次に、定数項C1を算出するために、判別群全てについての体動静止持続時間と平均体動量のそれぞれの平均値XおよびXを算出する。線形判別関数は、判別群Wakeの中心と、それ以外の判別群の中心とを2つに分ける位置に引く必要があるため、この判別群Wakeの中心およびそれ以外の判別群の中心を2つに分ける判別群全体の中心(X,X)を通る必要がある。線形判別関数Z1=a+a+C1)が判別群全体の中心(X,X)を通過するときは、0=a+a+C1が成立するので、これより、C1が算出される結果、覚醒状態(Wake)とそれ以外の判別群(Light&REMおよびSWS)とを判別する線形判別関数Z1が得られる。 Next, to calculate the constant term C1, it calculates the respective average values X 1 and X 2 of the body movement quiescent time duration and the average body motion amount for all discrimination group. Since the linear discriminant function needs to draw the center of the discriminant group Wake and the center of the other discriminant group into two, the center of the discriminant group Wake and the center of the other discriminant group are divided into two. It is necessary to pass through the center (X 1 , X 2 ) of the entire discriminant group. When the linear discriminant function Z1 = a 1 x 1 + a 2 x 2 + C1) passes through the center (X 1 , X 2 ) of the entire discriminant group, 0 = a 1 X 1 + a 2 X 2 + C1 holds. Thus, as a result of calculating C1, a linear discriminant function Z1 for discriminating the awake state (Wake) from the other discriminant groups (Light & REM and SWS) is obtained.

次に、上記式(9)が判別群SWSとそれ以外の判別群(Light&REMおよびWake)とを判別する線形判別関数であるとすると、同様に、この線形判別関数Z2は、この2群から最も遠い位置に引かれる必要があり、2群から最も遠い位置に引かれることにより、この線形判別関数Z2は、2群を区分けする最も良い基準線となる。よって、2群を最もよく分ける線形判別関数Z2を算出するために、全変動Sと、判別群SWSの判別得点Z2とその平均Z2SWSとの差の2乗和SSWS(「グループ間変動」という。)との相関比F2(=SSWS÷S)が最大となるような、a,aを算出する。 Next, assuming that the above equation (9) is a linear discriminant function for discriminating between the discriminant group SWS and the other discriminant groups (Light & REM and Wake), the linear discriminant function Z2 is the most from the two groups. This linear discriminant function Z2 becomes the best reference line for dividing the two groups by being drawn to a far position and being drawn to the farthest position from the second group. Therefore, in order to calculate the linear discriminant function Z2 that best separates the two groups, and the total variation S T, between the sum of squares S SWS ( "Group of the difference between the discriminant score Z2 k discrimination group SWS and its average Z2 SWS A 3 and a 4 are calculated so that the correlation ratio F2 (= S SWS ÷ S T ) with respect to “variation”) is maximized.

また、同様にして、線形判別関数Z2の定数項C2を算出することで、判別群SWSとそれ以外の判別群(Light&REMおよびWake)とを判別する線形判別関数Z2が得られる。   Similarly, by calculating the constant term C2 of the linear discriminant function Z2, a linear discriminant function Z2 for discriminating the discriminant group SWS from the other discriminant groups (Light & REM and Wake) is obtained.

睡眠深度判別手段43は、こうして得られた線形判別関数Z1およびZ2に基づき、睡眠深度を判別しようとする被験者の睡眠時の体動量データについて、各時刻データtの「体動静止持続時間」および「平均体動量」を上記式(8),(9)式のx,xにそれぞれ入力して判別得点Z1,Z2を算出し、まず、判別得点Z1を判別しきい値「0」と比較して、各時刻データtが判別群Wakeに属するのか、それ以外の判別群(Light&REMおよびSWS)に属するのかを判別する。そして、Light&REMおよびSWSの判別群に判別された各時刻データtについて、判別得点Z2を判別しきい値「0」と比較して、各時刻データtが判別群SWSに属するのか、それ以外の判別群Light&REMに属するのかを判別する。これにより、被験者の睡眠中の睡眠状態が、「覚醒状態(Wake)」、「浅い眠りの状態(Light&REM)」、および、「深い眠りの状態(SWS)のいずれであるかを判定することが可能である。 Based on the linear discriminant functions Z1 and Z2 obtained in this way, the sleep depth discriminating means 43 uses the “body motion stationary duration” of each time data t and the body motion amount data during sleep of the subject who wants to discriminate the sleep depth and The “average body movement amount” is input to x 1 and x 2 in the above formulas (8) and (9) to calculate discrimination scores Z1 and Z2, respectively. First, the discrimination score Z1 is set to the discrimination threshold “0”. In comparison, it is determined whether each time data t belongs to the discrimination group Wake or other discrimination groups (Light & REM and SWS). Then, for each time data t discriminated in the discrimination group of Light & REM and SWS, the discrimination score Z2 is compared with the discrimination threshold “0” to determine whether each time data t belongs to the discrimination group SWS. It is determined whether it belongs to the group Light & REM. This makes it possible to determine whether the sleep state of the subject during sleep is “wake state (Wake)”, “light sleep state (Light & REM)”, or “deep sleep state (SWS)”. Is possible.

こうして得られた睡眠深度の判別データは、睡眠深度遷移軌跡生成手段44に入力される。睡眠深度遷移軌跡生成手段44により、睡眠深度の時間遷移の軌跡が生成されて、モニタなどに出力される。   The sleep depth discrimination data thus obtained is input to the sleep depth transition locus generating means 44. The sleep depth transition trajectory generating means 44 generates a time transition trajectory of the sleep depth and outputs it to a monitor or the like.

図13および図14は、被験者Aおよび被験者Fについて、本実施形態に係る睡眠状態判定装置1によって判定した睡眠状態の判定結果(下段)と、睡眠ポリグラフ法により測定した睡眠深度の実測データ(上段)との比較を表している。図13および図14を参照すると、図13の26000[sec] 付近と図14の12000[sec] 付近、および、各部で短い区間でWakeに誤判別が見られることを除けば、睡眠深度の判定値と実測値とは、極めて近似した変動を示しており、これによって、本発明の睡眠深度判定装置1が、おおよその睡眠深度の推移を判定できているといえ、睡眠深度が精度よく再現されていることが確認される。   FIG. 13 and FIG. 14 show the sleep state determination result (lower stage) determined by the sleep state determination apparatus 1 according to the present embodiment and the sleep depth measurement data (upper stage) measured by the polysomnography method for the test subject A and the test subject F. ). Referring to FIGS. 13 and 14, the sleep depth is determined except for the fact that Wake misidentifies in the vicinity of 26000 [sec] in FIG. 13 and 12000 [sec] in FIG. 14 and in a short section in each part. The value and the actual measurement value show extremely approximate fluctuations, and thus it can be said that the sleep depth determination device 1 of the present invention can determine the transition of the approximate sleep depth, and the sleep depth is accurately reproduced. It is confirmed that

このように、本発明に係る睡眠深度判定装置1によれば、ビデオカメラ2により検出した被験者の睡眠時の体動データから、その睡眠状態を判定しているので、装置が大がかりとなることがないので、一般の家庭における睡眠深度判定装置として好適である。また、被験者をセンサ類で拘束することのない完全な無拘束状態で、睡眠状態の判定ができるので、被験者にとって何ら負担がなく、正確な睡眠状態を測定することができる。   As described above, according to the sleep depth determination device 1 according to the present invention, the sleep state is determined from the body movement data of the test subject detected by the video camera 2, so that the device becomes a large scale. Therefore, it is suitable as a sleep depth determination device in a general home. In addition, since the sleep state can be determined in a completely unconstrained state in which the subject is not restrained by sensors, the subject can be measured with no burden and an accurate sleep state can be measured.

なお、本実施形態では、被験者の睡眠状態について、睡眠深度判別手段43による時系列ごとの睡眠深度を判別するアルゴリズムとして線形判別分析を用いているが、必ずしもこれに限られるものではなく、その他の手法(マハラノビス汎距離のような非線形の判別分析、重判別分析、正準判別分析など)による判別分析を用いてもよい。また、本実施形態では、ビデオカメラ2により睡眠時の被験者を撮影した動画像から被験者の睡眠時の体動データを検出することで、被験者にとって無拘束な状態で体動データを計測するようにしているが、被験者の体動データを無拘束で計測する方法としては必ずしもこれに限られるものではない。例えば、ベッドの敷布団の下に圧力振動センサを敷き、この圧力振動センサの出力値から、被験者の体動データを無拘束で計測するように構成することも可能であり、その他、被験者の体動データを無拘束で計測可能なものであれば、種々の方法を採用することもできる。   In the present embodiment, linear discriminant analysis is used as an algorithm for discriminating the sleep depth of each time series by the sleep depth discriminating means 43 with respect to the sleep state of the subject. Discriminant analysis by a method (nonlinear discriminant analysis such as Mahalanobis pan-distance, multiple discriminant analysis, canonical discriminant analysis, etc.) may be used. Further, in the present embodiment, body motion data is measured in an unconstrained state for the subject by detecting the body motion data during sleep of the subject from a moving image obtained by photographing the subject during sleep with the video camera 2. However, the method for measuring the body movement data of the subject without restriction is not necessarily limited thereto. For example, a pressure vibration sensor may be laid under the bed mattress, and the body motion data of the subject may be measured without restriction from the output value of the pressure vibration sensor. Various methods can be adopted as long as the data can be measured without restriction.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、被験者の睡眠時の睡眠状態を、覚醒状態(Wake)、眠りに浅い状態(Light&REM)、および、眠りの深い状態(SWS)の3つの段階(睡眠深度)で判別しているが、これに加えて、眠りに浅い状態(Light&REM)を、レム睡眠の状態(REM)と軽睡眠の状態(Light、深度1および深度2のノンレム睡眠)にさらに判別するように構成することもできる。   As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the specific aspect of this invention is not limited to the said embodiment. For example, in this embodiment, the sleep state of the subject during sleep is determined in three stages (sleep depth): an awake state (Wake), a shallow sleep state (Light & REM), and a deep sleep state (SWS). In addition to this, it is configured to further distinguish the light sleep state (Light & REM) into a REM sleep state (REM) and a light sleep state (Light, depth 1 and depth 2 non-REM sleep). You can also.

人の睡眠において、レム睡眠の状態(REM)では、骨格筋の筋緊張が抑制されるため、大きな体動は少なくなる。ここで、この大きな体動というのは、持続時間が0.5秒を超えるLocalized Movements(LMs)やGMsのことを指す。逆に、持続時間が0.5秒以下のTwitch Movements(TMs)は、特に、レム睡眠の状態(REM)において群発出現することが知られている。また、レム睡眠の状態(REM)のGMsの特徴としては、軽睡眠の状態(Light)と比べると、体動静止持続時間が長く、寝がえりを伴うような大きな動作の体動がよくみられる。   In human sleep, in the REM sleep state (REM), muscle tone of skeletal muscles is suppressed, and thus large body movements are reduced. Here, this large body movement refers to Localized Movements (LMs) and GMs whose duration exceeds 0.5 seconds. On the other hand, Twitch Movements (TMs) having a duration of 0.5 seconds or less are known to appear swarms particularly in the REM sleep state (REM). In addition, GMs in the REM sleep state (REM) are characterized by a long movement of the body movement and a large movement with a sleeping collar compared to the light sleep state (Light). It is done.

このように、睡眠状態がレム睡眠の状態(REM)にあるときには、GMsは軽睡眠の状態(Light)と比べると抑制状態にあり、GMsが発生する時間間隔は大きい値をとる。また、TMsが非抑制状態にあるので、体動回数は大きい値をとる。このような知見の下、本発明者らは、Light&REMと判別された各時刻データtに対し、体動データからLightとREMとを判別するのに関係性の強い「体動静止持続時間」および「体動回数」を独立変数として抽出し、睡眠ポリグラフ法で得た睡眠深度を目的変数とした判別分析を行うことによって、Light&REMと判別された各時刻データtを、LightとREMとに判別できるのではないかと考えた。なお、「体動回数」としては、本実施形態では、図15に示すように、ある時刻tから、直前の60秒間の体動データを抽出し、体動のピーク数をカウントすることで、この総和を時刻tにおける体動回数としている(図示例では、3回)。   Thus, when the sleep state is in the REM sleep state (REM), the GMs are in a suppressed state compared to the light sleep state (Light), and the time interval at which the GMs occurs takes a large value. Further, since TMs is in an unsuppressed state, the number of body movements takes a large value. Under such knowledge, the present inventors, for each time data t discriminated as Light & REM, the “body motion stationary duration” which is strongly related to discriminating Light and REM from body motion data and By extracting “the number of body movements” as an independent variable and performing discriminant analysis using the sleep depth obtained by the polysomnography method as a target variable, each time data t discriminated as Light & REM can be discriminated as Light and REM. I thought that. As the “number of body movements”, in this embodiment, as shown in FIG. 15, body movement data for the previous 60 seconds is extracted from a certain time t, and the number of body movement peaks is counted. This sum is used as the number of body movements at time t (three times in the illustrated example).

そこで、Light&REMと判別された各時刻データtに対し、体動データから「体動静止持続時間」および「体動回数」を抽出し、この2つのパラメータを用いて、マハラノビスの距離による判別分析により、各時刻データtを、軽睡眠の状態(Light)およびレム睡眠の状態(REM)の2つの判別群(睡眠深度)に分割するのに最適な判別分析関数を構築した。   Therefore, for each time data t discriminated as Light & REM, “body motion stationary duration” and “number of body motions” are extracted from the body motion data, and discriminant analysis based on Mahalanobis distance using these two parameters. A discriminant analysis function optimal for dividing each time data t into two discriminant groups (sleep depth) of a light sleep state (Light) and a REM sleep state (REM) was constructed.

図16のグラフは、ある被験者について、本発明の睡眠状態判定装置1により、睡眠状態を3つの睡眠深度に判別した後、上記したマハラノビスの距離による判別分析によって判別した睡眠深度の判定値(下段)と、睡眠ポリグラフ法による睡眠深度の実測値(上段)との比較を表わしている。図示の如く、体動から判別した本実施形態の睡眠深度の判定値は、睡眠ポリグラフ法による実測値と、極めて近似した変動を示していることが確認された。   The graph of FIG. 16 shows a sleep depth determination value (lower row) determined by the above-described discriminant analysis based on the Mahalanobis distance after the sleep state is determined to three sleep depths by the sleep state determination device 1 of the present invention. ) And a measured value of sleep depth by the polysomnographic method (upper stage). As shown in the figure, it was confirmed that the determination value of the sleep depth according to the present embodiment determined from the body movement shows a variation that is very close to the actual measurement value obtained by the sleep polygraph method.

1 睡眠状態判定装置
2 ビデオカメラ
3 情報処理部
4 睡眠状態判定部
30 静止画変換手段
31 ROI設定手段
32 グレースケール変換手段
33 濃度値変化検出手段
34 中心位置座標算出手段
35 体動量算出手段
40 GMs抽出手段
41 体動静止持続時間抽出手段
42 平均体動量抽出手段
43 睡眠深度判別手段
44 睡眠深度遷移軌跡生成手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sleep state determination apparatus 2 Video camera 3 Information processing part 4 Sleep state determination part 30 Still image conversion means 31 ROI setting means 32 Gray scale conversion means 33 Density value change detection means 34 Center position coordinate calculation means 35 Body movement amount calculation means 40 GMs Extraction means 41 Body movement stationary duration extraction means 42 Average body movement amount extraction means 43 Sleep depth determination means 44 Sleep depth transition locus generation means

Claims (5)

被験者の睡眠時の体動に基づいてその睡眠状態を判定する睡眠状態判定装置であって、
被験者の睡眠時の体動を検出して得られるデータに基づき、体動の大きさに関する情報である体動量の時系列波形データを算出する体動量算出手段と、
算出した前記体動量の時系列波形データから、継続して所定時間以上行われる大きな体動を抽出するとともに、この大きな体動が抑制されている体動抑制区間の体動を除去する体動抽出手段と、
前記体動抑制区間ごとに前記大きな体動の静止持続時間tを算出して前記大きな体動の時間間隔を抽出し、前記大きな体動の時間間隔および前記大きな体動の体動量に基づいて、被験者の睡眠状態が複数段階の睡眠深度のいずれかに分類されるのかを判定する判定手段とを備える睡眠状態判定装置。
A sleep state determination device that determines a sleep state based on a body movement during sleep of a subject,
Body motion amount calculating means for calculating time series waveform data of body motion amount, which is information related to the size of the body motion, based on data obtained by detecting body motion during sleep of the subject;
Body motion extraction for extracting a large body motion continuously performed for a predetermined time or more from the calculated time series waveform data of the body motion amount and removing a body motion in a body motion suppression section in which the large body motion is suppressed. Means,
For each body motion suppression section, the stationary duration t of the large body motion is calculated to extract the time interval of the large body motion, and based on the time interval of the large body motion and the body motion amount of the large body motion, A sleep state determination apparatus comprising: determination means for determining whether a subject's sleep state is classified into one of a plurality of stages of sleep depth.
前記判定手段は、睡眠時間の任意の単位時刻ごとに、体動静止持続時間として、前記体動抑制区間外にあるときには0を、前記体動抑制区間内にあるときにはその静止持続時間tを、それぞれ設定し、
前記単位時刻ごとの前記体動静止持続時間および体動量に基づいて、睡眠状態が複数段階の睡眠深度のいずれかに分類されるのかを判定する請求項1に記載の睡眠状態判定装置。
For each unit time of the sleep time, the determination means sets the body movement stationary duration as 0 when it is outside the body movement suppression section, and when it is within the body movement suppression section, its rest duration t. Set each one
The sleep state determination apparatus according to claim 1, wherein the sleep state determination device determines whether the sleep state is classified into one of a plurality of stages of sleep depth based on the body movement stationary duration and the amount of body movement for each unit time.
前記判定手段は、前記単位時刻ごとの体動量として、前記単位時刻の所定時間前の時刻までの各時刻の体動量の平均を求め、この平均体動量および前記体動静止持続時間に基づいて、睡眠状態が複数段階の睡眠深度のいずれかに分類されるのかを判定することを特徴とする請求項2に記載の睡眠状態判定装置。   The determination means obtains an average of the body movement amount at each time up to a time before the predetermined time as the body movement amount for each unit time, and based on the average body movement amount and the body movement stationary duration, The sleep state determination apparatus according to claim 2, wherein the sleep state is determined as one of a plurality of stages of sleep depth. 前記判定手段は、前記単位時刻ごとの睡眠状態がいずれの睡眠深度に分類されるのかを判定する手法として判別分析を用いることを特徴とする請求項2または3に記載の睡眠状態判定装置。   The sleep state determination apparatus according to claim 2 or 3, wherein the determination unit uses discriminant analysis as a method of determining to which sleep depth the sleep state for each unit time is classified. 前記体動量算出手段は、睡眠時の人の体動の撮像を行うための撮像手段によって得られる動画像を所定数の静止画像に変換する変換手段と、前記動画像を構成する各静止画像を差分処理することにより、被験者の体動に伴う画像内の濃度値の変化を検出する検出手段と、前記濃度値の変化により被験者の体動の中心位置座標を算出する中心位置算出手段と、前記被験者の体動の中心位置座標の位置変化により前記体動量を算出する体動量算出手段とを備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の睡眠状態判定装置。   The body motion amount calculating means includes a converting means for converting a moving image obtained by an imaging means for capturing a human body motion during sleep into a predetermined number of still images, and each still image constituting the moving image. By performing difference processing, a detection unit that detects a change in density value in the image accompanying the body movement of the subject, a center position calculation unit that calculates a center position coordinate of the body movement of the subject by the change in the density value, The sleep state determination apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising body movement amount calculation means for calculating the body movement amount based on a change in a central position coordinate of body movement of the subject.
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