JP2014073237A - Sleep monitoring system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sleep monitoring system which increases estimation accuracy of a sleep state, using peak intervals of respiration.SOLUTION: A sleep monitoring system extracts respiratory information from biological information of an object person detected by biological information detection means, and estimates a sleep state from the respiratory information of the object person. The sleep monitoring system calculates peak intervals from peaks in respiration, interpolates time series data of the peak intervals to convert discrete data of the peak intervals into continuous data CD, resamples the continuous data CD in an arbitrary time period to acquire the peak intervals I, I, I, ... in the period, calculates feature quantities of the respiration on the basis of the peak intervals I, I, I, ..., and estimates a sleep state of the object person on the basis of the feature quantities of the respiration.

Description

本発明は、対象者の呼吸から睡眠状態を推定する睡眠モニタリングシステムに関する。   The present invention relates to a sleep monitoring system that estimates a sleep state from a subject's breathing.

睡眠時における対象者の呼吸から睡眠状態を推定するシステムが各種提案されている。例えば、特許文献1には、生体情報センサの出力信号から呼吸信号を抽出し、呼吸信号からピーク及びピーク間隔を算出し、ピークとピーク間隔に基づいて睡眠状態を推定する装置が開示されている。この生体情報センサとして呼気バンドを適用しており、ストレインゲージのついた弾力性のある呼吸バンドを人体の胸部や腹部に巻き付け、人体の呼吸運動によるストレインゲージの伸縮に応じた電圧変化を測定している。また、ピークやピーク間隔の算出では、正の閾値と負の閾値を設け、呼吸信号(電圧変化のデータ)が正の閾値を超えてから負の閾値に達するまでの間の最大値を正のピークとして算出し、その算出されたピーク間の時間をピーク間隔として算出している。   Various systems for estimating a sleep state from a subject's breathing during sleep have been proposed. For example, Patent Document 1 discloses an apparatus that extracts a respiratory signal from an output signal of a biological information sensor, calculates a peak and a peak interval from the respiratory signal, and estimates a sleep state based on the peak and the peak interval. . An exhalation band is applied as this biological information sensor, and an elastic breathing band with a strain gauge is wrapped around the chest and abdomen of the human body, and the voltage change according to the expansion and contraction of the strain gauge due to the breathing movement of the human body is measured. ing. In calculating the peak and peak interval, a positive threshold value and a negative threshold value are provided, and the maximum value from when the respiratory signal (voltage change data) exceeds the positive threshold value until reaching the negative threshold value is positive. It is calculated as a peak, and the time between the calculated peaks is calculated as a peak interval.

特許第3733133号公報Japanese Patent No. 3733133 国際公開第09/150744号パンフレットWO09 / 150744 pamphlet 国際公開第09/150765号パンフレットInternational Publication No. 09/150765 Pamphlet 特開2011−115188号公報JP 2011-115188 A

上記のように、呼吸のピークを検出するためには、ストレインゲージ等の出力に対する不感帯対策として閾値を設けてフィルタ処理を行っている。このようなフィルタ処理を行った場合、対象者の動き(寝返り)やストレインゲージの取り付け位置等によって伸縮が想定以上に小さくなると、測定される電圧が閾値を超えないことがある。このような場合、ピークを抽出できず、ピーク間隔も得られないので、睡眠状態の推定精度が低下する。したがって、呼吸のピークやピーク間隔を用いて睡眠状態を推定する場合、推定精度の面で改善の余地がある。   As described above, in order to detect the peak of respiration, a threshold is provided as a dead zone countermeasure for the output of a strain gauge or the like, and filtering is performed. When such a filtering process is performed, the measured voltage may not exceed the threshold if the expansion / contraction becomes smaller than expected due to the movement of the subject (turning over), the attachment position of the strain gauge, or the like. In such a case, since the peak cannot be extracted and the peak interval cannot be obtained, the estimation accuracy of the sleep state decreases. Therefore, when the sleep state is estimated using the breathing peak or peak interval, there is room for improvement in terms of estimation accuracy.

そこで、本発明は、呼吸のピーク間隔を用いた睡眠状態の推定精度を向上させた睡眠モニタリングシステムを提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the sleep monitoring system which improved the estimation precision of the sleep state using the peak space | interval of respiration.

本発明に係る睡眠モニタリングシステムは、生体情報検出手段によって検出した対象者の生体情報から呼吸情報を抽出し、呼吸情報から対象者の睡眠状態を推定する睡眠モニタリングシステムであって、対象者の呼吸情報から呼吸のピークのピーク間隔を算出するピーク間隔算出手段と、ピーク間隔算出手段で算出したピーク間隔の時系列データを補間してピーク間隔の離散データを連続データに変換し、連続データを任意の時間間隔でリサンプリングして任意の時間におけるピーク間隔を取得するピーク間隔取得手段と、ピーク間隔取得手段で取得した任意の時間におけるピーク間隔に基づいて対象者の睡眠状態を推定する睡眠状態推定手段とを備えることを特徴とする。   The sleep monitoring system according to the present invention is a sleep monitoring system that extracts respiratory information from the biological information of the subject detected by the biological information detection means, and estimates the sleep state of the subject from the respiratory information. Peak interval calculation means for calculating the peak interval of respiratory peaks from information, and time-series data of peak intervals calculated by the peak interval calculation means are interpolated to convert discrete data of peak intervals into continuous data, and continuous data can be arbitrarily selected A peak interval acquisition means for re-sampling at a time interval and acquiring a peak interval at an arbitrary time, and a sleep state estimation for estimating a sleep state of the subject based on the peak interval at an arbitrary time acquired by the peak interval acquisition means Means.

この睡眠モニタリングシステムでは、生体情報検出手段によって対象者の生体情報を検出し、その生体情報から対象者の呼吸情報を抽出する。そして、睡眠モニタリングシステムでは、ピーク間隔算出手段によって、その対象者の呼吸情報から呼吸のピークを抽出して、連続するピーク同士のピーク間隔を算出する。さらに、睡眠モニタリングシステムでは、ピーク間隔取得手段によって、そのピーク間隔の時系列データ(離散データ)を補間して連続データに変換し、その連続データを任意の時間間隔でリサンプリングして任意の時間におけるピーク間隔を取得する。このように、対象者に対する実際の検出によって得られたピーク間隔の離散データを連続データに変換しておくことにより、ピークのない任意の時間でも、その連続データから任意の時間におけるピーク間隔を得ることができる。また、対象者に対する実際の検出によってピークやピーク間隔が得られない場合でも、その連続データから任意の時間におけるピーク間隔を得ることができる。そして、睡眠モニタリングシステムでは、睡眠状態推定手段によって、連続データからリサンプリングして取得した任意の時間におけるピーク間隔に基づいて対象者の睡眠状態(睡眠段階、睡眠深度等)を推定する。この睡眠モニタリングシステムでは、ピーク間隔の離散データを補間して連続データに変換し、その連続データをリサンプリングすることにより、任意の時間におけるピーク間隔を得ることができ、このピーク間隔を用いて睡眠状態の推定精度を向上させることができる。特に、ピークのない任意の時間でのピーク間隔を得ることができるので、推定の時間分解能を向上できる。生体情報検出手段によって対象者の生体情報から実際に検出してピーク間隔を取得する場合にはピークを少なくとも2回抽出できる時間が必要となるが、そのような時間間隔を必要とせず、任意の時間におけるピーク間隔を得ることができるので、推定の時間分解能を上げることができる。また、生体情報検出手段によって対象者の生体情報から対象者の呼吸のピークを抽出できない場合(ひいては、ピーク間隔を取得できない場合)でも、ピーク間隔を得ることができる。   In this sleep monitoring system, the biological information of the subject is detected by the biological information detection means, and the respiratory information of the subject is extracted from the biological information. In the sleep monitoring system, the peak interval calculation means extracts the respiration peak from the respiration information of the subject and calculates the peak interval between successive peaks. Furthermore, in the sleep monitoring system, the time interval data (discrete data) of the peak interval is interpolated and converted into continuous data by the peak interval acquisition means, and the continuous data is resampled at an arbitrary time interval for an arbitrary time. Get the peak interval at. In this way, by converting the discrete data of the peak interval obtained by actual detection of the subject into continuous data, the peak interval at an arbitrary time is obtained from the continuous data even at an arbitrary time without a peak. be able to. Even if the peak or peak interval cannot be obtained by actual detection of the subject, the peak interval at an arbitrary time can be obtained from the continuous data. In the sleep monitoring system, the sleep state (sleep stage, sleep depth, etc.) of the subject is estimated based on the peak interval at an arbitrary time obtained by resampling from the continuous data by the sleep state estimation means. In this sleep monitoring system, discrete data of peak intervals are interpolated and converted into continuous data, and the continuous data is resampled to obtain a peak interval at an arbitrary time. The state estimation accuracy can be improved. In particular, since the peak interval at any time without a peak can be obtained, the time resolution of estimation can be improved. In the case where the peak interval is acquired by actually detecting from the biological information of the subject by the biological information detection means, it is necessary to have time to extract the peak at least twice. Since the peak interval in time can be obtained, the time resolution of estimation can be increased. Further, even when the respiration peak of the subject cannot be extracted from the subject's biometric information by the biometric information detection means (and thus the peak interval cannot be obtained), the peak interval can be obtained.

本発明の上記睡眠モニタリングシステムは、対象者の呼吸情報における吸気から呼気に変わるタイミングで呼吸のピークを抽出するピーク抽出手段を備え、ピーク間隔算出手段は、ピーク抽出手段で抽出したピークを用いてピーク間隔を算出すると好適である。   The sleep monitoring system of the present invention includes a peak extraction unit that extracts a breathing peak at a timing when the inspiration of the subject changes from inspiration to expiration, and the peak interval calculation unit uses the peak extracted by the peak extraction unit. It is preferable to calculate the peak interval.

この睡眠モニタリングシステムでは、ピーク抽出手段によって、対象者の呼吸情報から得られる吸気から呼気に変わるタイミングでピークを抽出する。例えば、呼吸情報(呼吸波形)の微分値が0となるところや変曲点になるところを抽出することによって、吸気から呼気に変わるタイミングを抽出できる。そして、睡眠モニタリングシステムでは、ピーク間隔算出手段によって、その抽出された連続するピーク同士のピーク間隔を算出する。この睡眠モニタリングシステムでは、呼吸情報における吸気から呼気に変わるタイミングをピークとして抽出することにより、呼吸のピークを高精度に検出できる。   In this sleep monitoring system, the peak is extracted by the peak extraction means at the timing when the inspiration obtained from the breath information of the subject changes to the expiration. For example, by extracting the place where the differential value of the breathing information (breathing waveform) becomes 0 or the inflection point, the timing at which the inspiration changes to the expiration can be extracted. In the sleep monitoring system, the peak interval between the extracted continuous peaks is calculated by the peak interval calculation means. In this sleep monitoring system, the peak of respiration can be detected with high accuracy by extracting the timing at which breathing information changes from inspiration to expiration as a peak.

本発明の上記睡眠モニタリングシステムは、ピーク間隔取得手段で取得した任意の時間におけるピーク間隔を用いて呼吸の特徴量を算出する特徴量算出手段を備え、睡眠状態推定手段は、特徴量算出手段で算出した呼吸の特徴量に基づいて対象者の睡眠状態を推定すると好適である。   The sleep monitoring system of the present invention includes a feature amount calculating unit that calculates a respiratory feature amount using a peak interval at an arbitrary time acquired by a peak interval acquiring unit, and the sleep state estimating unit is a feature amount calculating unit. It is preferable to estimate the sleep state of the subject based on the calculated feature amount of respiration.

この睡眠モニタリングシステムでは、特徴量算出手段によって、連続データからリサンプリングして取得した任意の時間におけるピーク間隔から呼吸の特徴量を算出する。この特徴量としては、睡眠状態を推定できる特徴量であり、例えば、呼吸数(平均値、標準偏差、変動係数等)、呼吸時間(平均値、標準偏差、変動係数等)がある。そして、睡眠モニタリングシステムでは、睡眠状態推定手段によって、その呼吸の特徴量に基づいて対象者の睡眠状態を推定する。この睡眠モニタリングシステムでは、呼吸のピーク間隔から呼吸の特徴量を導出することにより、呼吸の特徴量を用いて睡眠状態を高精度に推定できる。   In this sleep monitoring system, the feature quantity calculation means calculates the feature quantity of respiration from the peak interval at an arbitrary time acquired by resampling from the continuous data. This feature quantity is a feature quantity capable of estimating a sleep state, and includes, for example, a respiratory rate (average value, standard deviation, variation coefficient, etc.) and a breathing time (average value, standard deviation, variation coefficient, etc.). In the sleep monitoring system, the sleep state of the subject is estimated by the sleep state estimation means based on the feature amount of the breath. In this sleep monitoring system, the sleep state can be estimated with high accuracy using the respiration feature amount by deriving the respiration feature amount from the respiration peak interval.

本発明の上記睡眠モニタリングシステムは、対象者の体動を検出する体動検出手段を備え、睡眠状態推定手段は、体動検出手段での体動の検出結果を加味して対象者の睡眠状態を推定すると好適である。   The sleep monitoring system according to the present invention includes a body motion detection unit that detects the body motion of the subject, and the sleep state estimation unit takes into account the detection result of the body motion in the body motion detection unit, and the sleep state of the subject Is preferably estimated.

この睡眠モニタリングシステムでは、体動検出手段によって対象者の体動を検出する。対象者に体動がある場合、対象者が起きているかあるいは眠りが浅い状態であり、特に、所定の体動(会話等)のときには対象者が明らかに起きている。そこで、睡眠モニタリングシステムでは、睡眠状態推定手段によって、対象者の体動の検出結果を加味して対象者の睡眠状態を推定する。この睡眠モニタリングシステムでは、対象者の体動を加味して睡眠状態を推定することにより、睡眠状態を高精度に推定できる。   In this sleep monitoring system, the body motion of the subject is detected by the body motion detection means. When the subject has a body motion, the subject is awake or sleeps poorly, and in particular, the subject is clearly awake during a predetermined body motion (such as conversation). Therefore, in the sleep monitoring system, the sleep state of the subject is estimated by the sleep state estimation means in consideration of the detection result of the subject's body movement. In this sleep monitoring system, the sleep state can be estimated with high accuracy by estimating the sleep state in consideration of the body movement of the subject.

本発明の上記睡眠モニタリングシステムは、睡眠状態推定手段で推定した睡眠状態の時系列データに基づいて対象者の睡眠の質を推定する睡眠質推定手段を備える構成としてもよい。この睡眠モニタリングシステムは、高精度に推定した睡眠状態を用いて、対象者の睡眠の質も高精度に推定できる。   The sleep monitoring system of the present invention may include a sleep quality estimation unit that estimates the sleep quality of the subject based on the time series data of the sleep state estimated by the sleep state estimation unit. This sleep monitoring system can estimate the sleep quality of the subject with high accuracy using the sleep state estimated with high accuracy.

本発明によれば、ピーク間隔の離散データを補間して連続データに変換し、その連続データをリサンプリングすることにより、任意の時間におけるピーク間隔を得ることができ、睡眠状態の推定精度を向上させることができる。   According to the present invention, the discrete data of the peak interval is interpolated and converted into continuous data, and the continuous data is resampled, whereby the peak interval at an arbitrary time can be obtained and the sleep state estimation accuracy is improved. Can be made.

本実施の形態に係る睡眠モニタリングシステムの構成図である。It is a block diagram of the sleep monitoring system which concerns on this Embodiment. ピーク間隔のリンサンプリング方法の説明図であり、(a)が呼吸センサの出力信号(呼吸信号)であり、(b)が呼吸信号の所定区間であり、(c)が呼吸信号から軸変換して補間した連続データであり、(d)が連続データをリサンプリングしたものがある。It is explanatory drawing of the phosphorus sampling method of a peak space | interval, (a) is an output signal (respiration signal) of a respiration sensor, (b) is a predetermined area | region of a respiration signal, (c) is axis-converted from a respiration signal. (D) is obtained by resampling the continuous data. サポートベクタマシンの説明図である。It is explanatory drawing of a support vector machine. 呼吸のピークの抽出方法の説明図である。It is explanatory drawing of the extraction method of the peak of respiration. 体動フィルタによる体動の分類表である。It is a classification table of body movement by a body movement filter. 特徴量の選定方法の説明図であり、(a)が特徴量候補であり(8個の場合の例)、(b)が主成分分析で抽出された4個の特徴量であり、(c)が新たに1個追加された5個の特徴量であり、(d)が新たに1個追加された6個の特徴量である。It is explanatory drawing of the selection method of a feature-value, (a) is a feature-value candidate (example in the case of eight), (b) is four feature-values extracted by the principal component analysis, (c ) Is the five feature quantities newly added, and (d) is the six feature quantities newly added. パラメータの最適化の説明図である。It is explanatory drawing of parameter optimization. 特徴量選定とパラメータ最適化の結果の一例であり、(a)が特徴量数に対する正答率のグラフであり、(b)が特徴量数、正答率、最適パラメータを示す表である。It is an example of the result of feature quantity selection and parameter optimization, (a) is a graph of the correct answer rate with respect to the number of feature quantities, and (b) is a table showing the feature quantity number, correct answer rate, and optimum parameters. 睡眠段階の時間変化の一例である。It is an example of the time change of a sleep stage. 標準的な睡眠リズムモデルにおけるδ波の出現確率の一例である。It is an example of the appearance probability of a δ wave in a standard sleep rhythm model. 図1の睡眠段階推定部4における睡眠段階推定処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the sleep stage estimation process in the sleep stage estimation part 4 of FIG. 図1の睡眠段階推定部4における学習処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the learning process in the sleep stage estimation part 4 of FIG.

以下、図面を参照して、本発明に係る睡眠モニタリングシステムの実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of a sleep monitoring system according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the element which is the same or it corresponds in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本実施の形態に係る睡眠モニタリングシステムは、ユーザ(対象者)の呼吸情報を検出し、ユーザの呼吸情報から睡眠段階(睡眠状態)を推定するシステムである。ユーザは、特に限定されず、例えば、日常生活で睡眠をとる一般の人、居眠り防止を目的として車両等の乗り物の運転者である。本実施の形態に係る睡眠モニタリングシステムは、学習ベースモデルとしてサポートベクタマシン(SVM[Support Vector Machine])を用いてユーザに対する個人フィッティングの学習を行いつつ睡眠段階の推定し、所定期間の睡眠段階の推定データを用いて睡眠の質も推定する。本実施の形態に係る睡眠モニタリングシステムには、事前にSVMによって多数の被験者のデータを用いて学習されたスタンダードモデルが組み込まれており、ユーザ使用開始後にはユーザのデータを用いて学習し、スタンダードモデルからユーザ用に個人フィッティングする。なお、呼吸は、覚醒時には随意的(意識的)であるが、睡眠に入ると不随意(無意識)になることから、ドラスティックに変化し、素性が良い。また、計測のロバスト性を鑑みると、S/Nが良いことから、メンテナンス性も良い。   The sleep monitoring system according to the present embodiment is a system that detects respiratory information of a user (subject) and estimates a sleep stage (sleep state) from the respiratory information of the user. The user is not particularly limited, and is, for example, a general person who sleeps in daily life or a driver of a vehicle such as a vehicle for the purpose of preventing a dozing. The sleep monitoring system according to the present embodiment estimates a sleep stage while learning a personal fitting for a user using a support vector machine (SVM [Support Vector Machine]) as a learning base model. The quality of sleep is also estimated using the estimated data. The sleep monitoring system according to the present embodiment incorporates a standard model learned in advance using data of a large number of subjects by SVM, and learns using the user's data after the start of user use. Personal fitting for the user from the model. In addition, although breathing is voluntary (conscious) at the time of awakening, it becomes involuntary (unconscious) when sleeping, so it changes drastically and has a good feature. Also, considering the robustness of measurement, since the S / N is good, the maintainability is also good.

図1〜図10を参照して、本実施の形態に係る睡眠モニタリングシステム1について説明する。図1は、本実施の形態に係る睡眠モニタリングシステムの構成図である。図2は、ピーク間隔のリンサンプリング方法の説明図である。図3は、サポートベクタマシンの説明図である。図4は、呼吸のピークの抽出方法の説明図である。図5は、体動フィルタによる体動の分類表である。図6は、特徴量の選定方法の説明図である。図7は、パラメータの最適化の説明図である。図8は、特徴量選定とパラメータ最適化の結果の一例である。図9は、睡眠段階の時間変化の一例である。図10は、標準的な睡眠リズムモデルにおけるδ波の出現確率の一例である。   With reference to FIGS. 1-10, the sleep monitoring system 1 which concerns on this Embodiment is demonstrated. FIG. 1 is a configuration diagram of a sleep monitoring system according to the present embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram of a phosphorus sampling method for peak intervals. FIG. 3 is an explanatory diagram of the support vector machine. FIG. 4 is an explanatory diagram of a method for extracting a respiration peak. FIG. 5 is a classification table of body movements by the body movement filter. FIG. 6 is an explanatory diagram of a feature amount selection method. FIG. 7 is an explanatory diagram of parameter optimization. FIG. 8 is an example of the result of feature quantity selection and parameter optimization. FIG. 9 is an example of a time change in the sleep stage. FIG. 10 is an example of the appearance probability of a δ wave in a standard sleep rhythm model.

睡眠モニタリングシステム1は、ユーザの呼吸信号(呼吸波形)から呼吸の特徴量を算出し、呼吸の特徴量に基づいて睡眠段階(睡眠深度)を推定する。この特徴量としては、少なくとも呼吸のピーク間隔から得られる特徴量を用いる。特に、睡眠モニタリングシステム1は、ピーク間隔を常時得られるようにするために、ユーザからの実際の検出で得られたピーク間隔の離散データを補間して連続データに変換し、その連続データをリサンプリングする。   The sleep monitoring system 1 calculates a respiration feature amount from the user's respiration signal (respiration waveform), and estimates a sleep stage (sleep depth) based on the respiration feature amount. As the feature amount, a feature amount obtained from at least the peak interval of respiration is used. In particular, the sleep monitoring system 1 interpolates the discrete data of the peak interval obtained by actual detection from the user and converts it into continuous data so that the peak interval can be obtained at all times. Sampling.

睡眠モニタリングシステム1は、呼吸センサ2、生体情報処理部3、睡眠段階推定部4、睡眠質推定部5、出力部6を備えている。このような構成の睡眠モニタリングシステム1は、システム形態としてはどのような構成でもよく、例えば、睡眠段階を推定するための専用システムでもよいし、呼吸センサによる出力信号を入力するとともにアプリケーションプログラムをインストールすることによって汎用コンピュータ(パソコン、タブレット端末、スマートフォン等)を利用するシステムでもよいし、車両等に搭載されるシステムでもよい。   The sleep monitoring system 1 includes a respiratory sensor 2, a biological information processing unit 3, a sleep stage estimation unit 4, a sleep quality estimation unit 5, and an output unit 6. The sleep monitoring system 1 having such a configuration may have any configuration as a system form. For example, the sleep monitoring system 1 may be a dedicated system for estimating a sleep stage, or input an output signal from a respiratory sensor and install an application program. By doing so, a system using a general-purpose computer (such as a personal computer, a tablet terminal, or a smartphone) may be used, or a system mounted on a vehicle or the like may be used.

なお、本実施の形態では、呼吸センサ2が特許請求の範囲に記載する生体情報検出手段に相当し、呼吸センサ2及び生体情報処理部3、睡眠段階推定部4の処理が特許請求の範囲に記載する体動検出手段に相当し、睡眠段階推定部4の各処理が特許請求の範囲に記載するピーク抽出手段、ピーク間隔算出手段、ピーク間隔取得手段、特徴量算出手段、睡眠状態推定手段に相当し、睡眠質推定部5の処理が特許請求の範囲に記載する睡眠質推定手段に相当する。   In the present embodiment, the respiration sensor 2 corresponds to the biological information detection means described in the claims, and the processing of the respiration sensor 2, the biological information processing unit 3, and the sleep stage estimation unit 4 is included in the claims. It corresponds to the body movement detection means described, and each process of the sleep stage estimation unit 4 is applied to the peak extraction means, the peak interval calculation means, the peak interval acquisition means, the feature amount calculation means, and the sleep state estimation means described in the claims. The processing of the sleep quality estimation unit 5 corresponds to the sleep quality estimation means described in the claims.

呼吸センサ2は、周知の呼吸センサを適用でき、例えば、圧電素子から構成されるセンサである。呼吸センサ2は、ユーザの胸部又は/及び腹部の被服に装着され、ユーザの地肌に対して非接触のセンサである。呼吸センサ2は、ユーザの胸部又は/及び腹部の動作である呼吸波形を電圧の変化として出力する。図2(a)には、呼吸センサ2の出力信号の一例を示している。   The respiration sensor 2 can be a well-known respiration sensor, and is a sensor composed of a piezoelectric element, for example. The respiration sensor 2 is a sensor that is attached to the user's chest or / and abdominal clothing and is not in contact with the user's background. The respiration sensor 2 outputs a respiration waveform, which is an operation of the user's chest or / and abdomen, as a voltage change. FIG. 2A shows an example of the output signal of the respiration sensor 2.

生体情報処理部3は、呼吸センサ2の出力信号から呼吸信号を抽出する前処理を行う。前処理としては、例えば、フィルタ処理でノイズを除去したり、アナログの電圧信号をデジタルの電圧信号に変換する。この前処理後の呼吸信号(呼吸波形)は、所定時間分バッファリングされる。なお、呼吸センサ2の出力信号をそのまま呼吸信号として利用できる場合には、生体情報処理部3が無い構成としてもよい。   The biological information processing unit 3 performs preprocessing for extracting a respiratory signal from the output signal of the respiratory sensor 2. As preprocessing, for example, noise is removed by filtering, or an analog voltage signal is converted into a digital voltage signal. The preprocessed respiration signal (respiration waveform) is buffered for a predetermined time. In addition, when the output signal of the respiration sensor 2 can be used as it is as a respiration signal, the biometric information processing unit 3 may be omitted.

なお、図2(b)に示すように、呼吸信号(呼吸波形)BWからは、呼吸のピークP,P(この例では、正のピーク)、その連続するピークPとPとの時間間隔であるピーク間隔(呼吸の1周期分であり、呼吸時間)、連続する正のピークと負のピークとの大きさの差(電圧差)である振幅、平均値等を抽出することができる。これらの各値から呼吸の特徴量を得ることができる。 As shown in FIG. 2 (b), from the respiration signal (respiration waveform) BW, respiration peaks P 1 and P 2 (in this example, positive peaks), continuous peaks P 1 and P 2, and Extracting the peak interval (respiration time for one cycle of breathing), the amplitude that is the difference (voltage difference) between the continuous positive peak and negative peak, the average value, etc. Can do. A feature value of respiration can be obtained from each of these values.

睡眠段階推定部4は、CPU[CentralProcessing Unit]、ROM[Read Only Memory]、RAM[Random Access Memory]等を備えたコンピュータに構成され、コンピュータ上で睡眠段階推定用プログラムを実行することによって実現される。睡眠段階推定部4には、サポートベクタマシン推定器(以下、SVM推定器と記載)が構築される。睡眠段階推定部4では、バッファリングされた所定時間分の呼吸信号からピークを抽出し、そのピークの間隔の離散データを補間して連続データに変換し、その連続データをリサンプリングして任意の時間におけるピーク間隔を取得する。連続データからリサンプリングでピーク間隔が取得できるようになると(起動後の所定時間経過後)、睡眠段階推定部4では、その取得したピーク間隔や呼吸信号自体から呼吸の特徴量を算出するとともに、呼吸信号からユーザの体動を検出する。そして、睡眠段階推定部4では、その呼吸の特徴量及び体動を用いて、ユーザの睡眠段階(眠りが深い、眠りが浅い、覚醒の3段階)を推定する。また、睡眠段階推定部4では、所定期間分の呼吸の特徴量及びユーザの実際の睡眠段階(正解値)を用いて、睡眠段階推定に用いる個人フィッティングの特徴量の選定及びその特徴量を用いた場合のパラメータの最適値を学習する。   The sleep stage estimation unit 4 is configured by a computer including a CPU [Central Processing Unit], a ROM [Read Only Memory], a RAM [Random Access Memory], and the like, and is realized by executing a sleep stage estimation program on the computer. The In the sleep stage estimation unit 4, a support vector machine estimator (hereinafter referred to as an SVM estimator) is constructed. The sleep stage estimation unit 4 extracts a peak from the buffered respiration signal for a predetermined time, interpolates discrete data at intervals of the peak to convert it into continuous data, resamples the continuous data, and performs arbitrary sampling Get peak interval in time. When the peak interval can be acquired by re-sampling from the continuous data (after a predetermined time has elapsed after activation), the sleep stage estimation unit 4 calculates the feature amount of respiration from the acquired peak interval and the respiratory signal itself, The user's body movement is detected from the respiration signal. Then, the sleep stage estimation unit 4 estimates the user's sleep stage (three stages of deep sleep, light sleep, and arousal) using the feature amount and body movement of the breath. The sleep stage estimation unit 4 uses the feature quantity of breathing for a predetermined period and the user's actual sleep stage (correct answer value) to select and use the feature quantity of personal fitting used for sleep stage estimation. Learns the optimal values of parameters.

なお、睡眠モニタリングシステム1には、ユーザの実際の睡眠段階(正解値)を得るための手段を備えている。例えば、ユーザが起きたとき(目覚まし時計のアラームが鳴ったとき等)の状態をユーザ自身が入力する手段があり、「すっきりした目覚めである(すなわち、浅い眠りから起きた場合)」、「すっきりしない目覚めである(すなわち、深い眠りから起きた場合)」、「起きていた(すなわち、覚醒の場合)」を入力するためのボタン等であり、この入力値から睡眠段階の正解値を得る。また、簡易的な脳波センサがあり、この脳波センサで検出したユーザの脳波から睡眠段階の正解値を得る。   The sleep monitoring system 1 includes means for obtaining the user's actual sleep stage (correct answer value). For example, there is a means for the user himself / herself to input the state when the user woke up (such as when an alarm clock alarm sounded), and “a clean wake-up (that is, when waking up from a light sleep)”, “a clean-up” This is a button or the like for inputting “not awake (that is, when waking up from deep sleep)” or “was awake (ie, when awakening)”, and the correct value of the sleep stage is obtained from this input value. Moreover, there is a simple electroencephalogram sensor, and the correct value of the sleep stage is obtained from the user's electroencephalogram detected by the electroencephalogram sensor.

図3を参照して、サポートベクタマシン(SVM)について簡単に説明しておく。SVMは、統計的学習理論の枠組みで提案された学習機械の識別手法の一つであり、2クラスのパターン識別器である。SVMは、学習に用いなかった未知のデータをうまく分類できるという特徴があり、汎用能力が高い。SVMには、カーネルトリックといわれる数学上の技巧が利用されており、このカーネルには“線形”、“多項式”、“Gaussian”等があり、睡眠モニタリングシステム1ではGaussianカーネルを用いている。図3は、判り易くするために、2個の特徴量(2次元)の学習データを用いた場合であり、学習データの中でサポートベクトルと呼ばれるクラス境界近傍に位置する訓練点T1,T2,T3を基準として、その距離Lが最も大きくなる(マージン最大)ように識別境界Bを設定する。この識別境界の規定するためのパラメータ(C(ソフトマージンコスト)、γ(ガウスカーネル))の最適値を決定する。睡眠段階推定部4では、眠りの深いとその他(浅い、覚醒)の2クラスを分ける識別境界のパラメータと、眠りの浅いと覚醒の2クラスを分ける識別境界のパラメータを決定する。   A support vector machine (SVM) will be briefly described with reference to FIG. SVM is one of the learning machine identification methods proposed in the framework of statistical learning theory, and is a two-class pattern classifier. SVM is characterized by the ability to classify unknown data that has not been used for learning, and has high general-purpose capabilities. The SVM uses a mathematical technique called a kernel trick. The kernel includes “linear”, “polynomial”, “Gaussian”, and the like, and the sleep monitoring system 1 uses a Gaussian kernel. FIG. 3 shows a case where learning data of two feature quantities (two-dimensional) is used for easy understanding, and training points T1, T2, which are located in the vicinity of a class boundary called a support vector in the learning data. With reference to T3, the identification boundary B is set so that the distance L becomes the largest (margin maximum). The optimum values of parameters (C (soft margin cost), γ (Gauss kernel)) for defining the identification boundary are determined. The sleep stage estimation unit 4 determines identification boundary parameters that divide the two classes of deep sleep and others (shallow, awakening) and identification boundary parameters that separate the two classes of shallow sleep and wakefulness.

図4を参照して、呼吸信号からのピークの抽出処理について説明する。睡眠段階推定部4では、図4の右側の呼吸波形のように、呼吸波形BWの吸気(電圧が増加部分)から吸気(電圧の減少部分)へ変わるタイミング(呼吸波形の頂点)を検出し、そのタイミングを呼吸のピークとして抽出する。この呼吸波形の頂点の検出方法としては、呼吸信号の微分が0になるところや変曲点になるところを探索する。しかし、呼吸波形が乱れると、1回の呼吸にもかかわらず、図4の左側の呼吸波形のように、2つの頂点ができる場合がある。このような頂点をそれぞれピークとして抽出すると、正確なピーク間隔が得られない。   With reference to FIG. 4, the extraction process of the peak from a respiration signal is demonstrated. The sleep stage estimation unit 4 detects the timing (the apex of the respiration waveform) when the respiration waveform BW changes from inspiration (voltage increasing portion) to inspiration (voltage decreasing portion), as in the right respiration waveform of FIG. The timing is extracted as a respiration peak. As a method of detecting the apex of the respiration waveform, a search is made for a place where the differentiation of the respiration signal becomes 0 or an inflection point. However, when the respiration waveform is disturbed, there are cases where two vertices are formed as in the respiration waveform on the left side of FIG. If such vertices are extracted as peaks, accurate peak intervals cannot be obtained.

そこで、睡眠段階推定部4では、呼吸波形から頂点を検出する毎に、今回検出された頂点の時間tから前回検出された頂点の時間ti−1の時間差(t−ti−1)を算出し、時間差(t−ti−1)が閾値THより大きいか否かを判定する。閾値THは、平均的な呼吸のピーク間隔を考慮して予め設定される。睡眠段階推定部4では、時間差(t−ti−1)が閾値THより大きい場合、今回検出された頂点を呼吸のピークとして抽出する。また、睡眠段階推定部4では、時間差(t−ti−1)が閾値TH以下の場合、今回検出された頂点の時間tと前回検出された頂点の時間ti−1との中間点(t−ti−1)/2をピークとして抽出する。図4の例の場合、時間tと時間tとの2つの頂点については、(t−t)が閾値TH以下となるので、(t−t)/2の時間が今回のピークとして抽出される(図4には、呼吸波形が乱れなかったと仮定した場合の時間tのピークも示している)。この今回のピークの時間(t−t)/2と次回検出された頂点の時間tn+1との時間差は閾値THより大きいので、時間tn+1に検出された頂点がそのままピークとして抽出される。 Accordingly, the sleep stage estimation unit 4, each for detecting the vertex from the respiratory waveform, the time difference between the time t i-1 of the vertices detected last from the time t i of the current peaks detected (t i -t i-1 ) Is calculated, and it is determined whether or not the time difference (t i −t i−1 ) is greater than the threshold value TH. The threshold value TH is set in advance in consideration of an average respiration peak interval. When the time difference (t i −t i−1 ) is larger than the threshold value TH, the sleep stage estimation unit 4 extracts the vertex detected this time as a respiration peak. Further, in the sleep stage estimation unit 4, when the time difference (t i -t i-1 ) is equal to or smaller than the threshold value TH, an intermediate between the currently detected vertex time t i and the previously detected vertex time t i-1. The point (t i -t i-1 ) / 2 is extracted as a peak. In the case of the example in FIG. 4, (t 2 −t 1 ) is less than or equal to the threshold value TH for the two vertices of time t 1 and time t 2 , so the time of (t 2 −t 1 ) / 2 is the current time. (FIG. 4 also shows a peak at time t n when it is assumed that the respiration waveform has not been disturbed). Since the time difference between the current peak time (t 2 −t 1 ) / 2 and the next detected vertex time t n + 1 is larger than the threshold value TH, the vertex detected at time t n + 1 is directly extracted as a peak. .

呼吸信号から抽出されたピーク間隔の算出処理について説明する。睡眠段階推定部4では、抽出された連続するピークの組み合わせ毎に、i番目のピークの時間Pと次のピークの時間Pi+1との時間差(Pi+1−P)を算出し、その時間差(Pi+1−P)をピーク間隔とする。このピーク間隔は、1周期分の呼吸時間である。ピーク間隔は2つのピークから得られる値なので、ピーク間隔の時系列データは離散データである。 Processing for calculating the peak interval extracted from the respiratory signal will be described. In sleep stage estimation unit 4, for each combination of the extracted successive peaks, it calculates the i-th time difference between the time P i + 1 of the time P i and the next peak of the (P i + 1 -P i), the time difference Let (P i + 1 −P i ) be the peak interval. This peak interval is the breathing time for one cycle. Since the peak interval is a value obtained from two peaks, the time series data of the peak interval is discrete data.

ピーク間隔の離散データから連続データへの変換処理について説明する。睡眠段階推定部4では、ピークの時間とピーク間隔の時系列データを用いて、2次元の直交座標系(例えば、x軸、y軸からなるxy平面の座標系とする)において、x座標をi番目のピークの時間Pとし、y座標をその次のi+1番目のピークの時間Pi+1とする(P,Pi+1)の各座標点を生成する。例えば、図2(c)に示すように、1番目のピークの時間Pをx座標とし、2番目のピークの時間Pをy座標とする座標点(P,P)、2番目のピークの時間Pをx座標とし、3番目のピークの時間Pをy座標とする座標点(P,P)とする。このように、図2(b)から図2(c)のように、x軸(横軸)方向の値で示されていたピーク間隔がy軸(縦軸)方向の値で示されることになり、軸変換される。さらに、2次元の直交座標系上の座標点(ピーク間隔を示す時系列の離散データ)間をスプラインや直線等で補間し、図2(c)に示すように、連続データCDとする。例えば、3次自然スプライン補間で滑らかに離散データを繋ぐ。 The conversion process from discrete data of peak intervals to continuous data will be described. The sleep stage estimation unit 4 uses the time series data of the peak time and the peak interval to calculate the x coordinate in a two-dimensional orthogonal coordinate system (for example, the coordinate system of the xy plane including the x axis and the y axis). i-th and time P i of the peak, generates each coordinate point of the y-coordinate and the time P i + 1 of the next (i + 1) -th peak (P i, P i + 1). For example, as shown in FIG. 2C, the coordinate point (P 1 , P 2 ), the second peak time P 1 is the x coordinate, and the second peak time P 2 is the y coordinate. A coordinate point (P 2 , P 3 ) with the peak time P 2 as the x coordinate and the third peak time P 3 as the y coordinate. Thus, as shown in FIGS. 2B to 2C, the peak interval indicated by the value in the x-axis (horizontal axis) direction is indicated by the value in the y-axis (vertical axis) direction. The axis is converted. Further, interpolated between coordinate points on the two-dimensional orthogonal coordinate system (time-series discrete data indicating the peak interval) with splines, straight lines, etc., to obtain continuous data CD as shown in FIG. For example, discrete data are smoothly connected by cubic natural spline interpolation.

なお、この連続データについては、起動後の所定時間分バッファリングされた呼吸信号を用いて連続データを1回だけ生成してもよいし、あるいは、起動後の所定時間経過後も検出される新たな呼吸信号を順次用いて連続データを順次更新してもよい。この連続データを得るための所定時間は、呼吸のピークを十分な個数検出できて、ピーク間隔の離散データから高精度な連続データ(滑らかな補間が可能)が得られる時間とし、実験等で予め設定される。   As for the continuous data, the continuous data may be generated only once using a respiration signal buffered for a predetermined time after activation, or new data that is detected even after a predetermined time has elapsed after activation. The continuous data may be updated sequentially using the respiration signals. The predetermined time for obtaining this continuous data is a time at which a sufficient number of respiration peaks can be detected and high-accuracy continuous data (smooth interpolation is possible) can be obtained from discrete data at peak intervals. Is set.

連続データからのリサンプリング処理について説明する。睡眠段階推定部4では、図2(d)に示すように、連続データCDを一定の間隔でリサンプリングすることによって、任意の時間におけるピーク間隔I,I,I,・・・を算出する。リサンプリングするための一定の時間間隔は、任意の時間に設定してよい。このように、実際のピーク間隔の時系列データを軸変換して、離散データから連続データを生成しておくことにより、その連続データをリサンプリングすることによって任意の時間のピーク間隔を得ることができる。 A resampling process from continuous data will be described. As shown in FIG. 2D, the sleep stage estimation unit 4 resamples the continuous data CD at a constant interval, thereby obtaining peak intervals I 1 , I 2 , I 3 ,... At an arbitrary time. calculate. The fixed time interval for resampling may be set to an arbitrary time. In this way, by converting the time-series data of actual peak intervals into axes and generating continuous data from discrete data, it is possible to obtain peak intervals of arbitrary time by resampling the continuous data. it can.

図5を参照して、体動の検出処理について説明する。睡眠段階推定部4では、呼吸信号(呼吸波形)に対するパターン解析等によって体動を検出(推定)する。体動も用いることにより、睡眠段階の推定の精度を向上させる。例えば、覚醒状態を示す体動があるのに睡眠が深いと推定することを防止したり、寝返りを示す体動があるのに覚醒と推定することを防止する。体動の検出方法としては、呼吸波形から周期(ピーク間隔に相当)、振幅、自己相関(呼吸波形を任意の時間だけずらした波形と元の呼吸波形との同一性)、再現性(呼吸波形の周期毎の最低値のゆらぎ)等を検出し、それらの各値が予め設定した所定の各閾値を超える場合にユーザの体動として検出する。例えば、図5に示すような体動フィルタを用いて、呼吸波形の周期、振幅、自己相関及び再現性を組み合わせて利用することで体動を検出する。人が座り直すときは、呼吸波形の振幅、自己相関及び再現性に変化が現れる。人が手を上方に伸ばすときは、呼吸波形の振幅及び再現性に変化が現れる。人が会話するときは、呼吸波形の自己相関及び再現性に変化が現れる。人が深呼吸するときは、呼吸波形の周期及び振幅に変化が現れる。これらの他にも、脚を組み替える、欠伸をするなどの体動も、呼吸波形の周期、振幅、自己相関及び再現性を組み合わせて利用することで検出することができる。なお、この体動検出の詳細については、国際特許出願番号PCT/JP2010/069847に開示されている。   The body movement detection process will be described with reference to FIG. The sleep stage estimation unit 4 detects (estimates) body movement by pattern analysis or the like with respect to a respiratory signal (respiration waveform). By using body movement, the accuracy of sleep stage estimation is improved. For example, it is prevented to estimate that sleep is deep even though there is a body motion indicating an awake state, or to estimate that it is awake even though there is a body motion indicating a rollover. The body motion detection method includes the period (corresponding to the peak interval), amplitude, autocorrelation (identity between the waveform obtained by shifting the respiratory waveform by an arbitrary time and the original respiratory waveform), and reproducibility (respiratory waveform). Fluctuations of the minimum value for each period of time) and the like are detected, and when each of these values exceeds a predetermined threshold value set in advance, it is detected as a user's body movement. For example, using a body motion filter as shown in FIG. 5, body motion is detected by combining the period, amplitude, autocorrelation and reproducibility of the respiratory waveform. When a person sits back, changes appear in the amplitude, autocorrelation and reproducibility of the respiratory waveform. When a person extends his hand upwards, changes appear in the amplitude and reproducibility of the respiratory waveform. When people talk, changes appear in the autocorrelation and reproducibility of the respiratory waveform. When a person takes a deep breath, changes appear in the period and amplitude of the respiration waveform. In addition to these, body movements such as rearrangement of leg or lack of extension can be detected by using a combination of the period, amplitude, autocorrelation and reproducibility of the respiratory waveform. Details of this body motion detection are disclosed in International Patent Application No. PCT / JP2010 / 0669847.

体動の検出方法としては、呼吸を利用する以外にも、他の方法で検出してもよい。例えば、ユーザが睡眠をとる環境側(ベット、運転席等)に対して加速度センサを設け、その加速度センサで検出される加速度波形に対するパターン解析等によって体動を検出(推定)したり、あるいは、ユーザをカメラで撮像し、その撮像画像を解析して体動を検出する。   As a method for detecting body movement, in addition to using breathing, another method may be used. For example, an acceleration sensor is provided on the environment side where the user sleeps (bet, driver's seat, etc.), and body movement is detected (estimated) by pattern analysis for the acceleration waveform detected by the acceleration sensor, or A user is imaged with a camera, and the captured image is analyzed to detect body movement.

特徴量の算出処理について説明する。睡眠段階推定部4では、連続データをリサンプリングすることによって得られるピーク間隔を用いて、呼吸の特徴量を算出する。ピーク間隔から得られる特徴量としては、例えば、呼吸数、呼吸時間についての平均値、変化率、標準偏差、変動係数がある。この算出方法としては、例えば、呼吸数の平均値の場合、単位時間(例えば、1分間)のピーク間隔(呼吸時間)の逆数の平均を算出する。呼吸時間の平均値の場合、単位時間のピーク間隔の平均を算出する。呼吸時間の変化率の場合、任意の時間間隔(例えば、数10秒〜60秒単位)での平均呼吸時間の変化率(差分)を算出する。呼吸数の標準偏差の場合、ピーク間隔の逆数の標準偏差を算出する。呼吸時間の標準偏差の場合、ピーク間隔の標準偏差を算出する。呼吸数の変動係数の場合、ピーク間隔の逆数の単位時間あたりの平均値をその区間における標準偏差で除算して算出する。呼吸時間の変動係数の場合、ピーク間隔の単位時間あたりの平均値をその区間における標準偏差で除算して算出する。睡眠段階推定部4では、呼吸信号(呼吸波形)から、ピーク間隔を用いない呼吸の特徴量を算出する。この特徴量としては、例えば、吸気量、呼気量、呼気量/吸気量についての平均値、標準偏差、変化係数がある。ここで挙げた呼吸の特徴量は、一例であり、他の特徴量を用いてもよい。   The feature amount calculation process will be described. The sleep stage estimation unit 4 calculates a feature amount of respiration using a peak interval obtained by resampling continuous data. Examples of the feature quantity obtained from the peak interval include the respiratory rate, the average value for the breathing time, the rate of change, the standard deviation, and the coefficient of variation. As this calculation method, for example, in the case of the average value of respiration rate, the average of the reciprocal of the peak interval (respiration time) of unit time (for example, 1 minute) is calculated. In the case of the average value of respiration time, the average of the peak interval of unit time is calculated. In the case of the change rate of the breathing time, the change rate (difference) of the average breathing time at an arbitrary time interval (for example, several tens of seconds to 60 seconds) is calculated. In the case of the standard deviation of the respiratory rate, the standard deviation of the reciprocal of the peak interval is calculated. In the case of standard deviation of breathing time, the standard deviation of peak interval is calculated. In the case of the coefficient of variation of the respiratory rate, the average value per unit time of the reciprocal of the peak interval is divided by the standard deviation in that interval. In the case of the coefficient of variation of the breathing time, the average value per unit time of the peak interval is divided by the standard deviation in that section. The sleep stage estimation unit 4 calculates a feature quantity of respiration without using a peak interval from a respiration signal (respiration waveform). Examples of the feature amount include an inspiratory amount, an expiratory amount, an average value for the expiratory amount / inspired amount, a standard deviation, and a change coefficient. The feature quantity of respiration mentioned here is an example, and other feature quantities may be used.

睡眠段階の推定処理について説明する。睡眠段階推定部4(SVM推定器)では、呼吸の特徴量から睡眠段階を識別する。特に、浅い/覚醒の識別については、体動の検出結果も加味して識別する。具体的には、まず、睡眠段階推定部4では、深い/その他を識別するためのパラメータの最適値(このパラメータ(C,γ)の最適値で識別境界が規定される)を用いて、深い/その他を識別するために選定されている各特徴量についての値(上記の特徴量算出処理で算出されている特徴量の値)が、深い眠りのクラスかあるいはその他のクラスに入るかを識別する。深い眠りのクラスと識別した場合、睡眠段階推定部4では、今回の睡眠段階を眠りが深い状態と推定する。その他のクラスと識別した場合、睡眠段階推定部4では、体動の検出結果から起きていることを示す体動の場合には、今回の睡眠段階を覚醒状態と推定する。それ以外の体動の場合あるいは体動が検出されていない場合、睡眠段階推定部4では、浅い/覚醒を識別するためのパラメータの最適値を用いて、浅い/覚醒を識別するために選定されている各特徴量についての値が、浅い眠りのクラスかあるいは覚醒のクラスに入るかを識別する。浅い眠りのクラスと識別した場合、睡眠段階推定部4では、今回の睡眠段階を浅い状態と推定する。覚醒のクラスと識別した場合、睡眠段階推定部4では、今回の睡眠段階を覚醒状態と推定する。   The sleep stage estimation process will be described. The sleep stage estimation unit 4 (SVM estimator) identifies the sleep stage from the respiratory feature amount. In particular, for the discrimination of shallow / wakefulness, the detection is also performed in consideration of the detection result of body movement. Specifically, first, the sleep stage estimation unit 4 uses the optimum value of the parameter for identifying deep / others (the identification boundary is defined by the optimum value of this parameter (C, γ)), / Identifies whether the value for each feature quantity selected to identify others (the feature quantity value calculated in the feature quantity calculation process above) is in the deep sleep class or other class To do. When it is identified as a deep sleep class, the sleep stage estimation unit 4 estimates that this sleep stage is a deep sleep state. When discriminating from other classes, the sleep stage estimation unit 4 estimates the current sleep stage as an arousal state in the case of body movement indicating that it is occurring from the detection result of the body movement. In the case of other body motions or when no body motion is detected, the sleep stage estimation unit 4 is selected to identify shallow / wakefulness using the optimum value of the parameter for identifying shallow / wakefulness. It is identified whether the value for each feature value falls into the shallow sleep class or the awakening class. If the sleep class is identified as a shallow sleep class, the sleep stage estimation unit 4 estimates the current sleep stage as a shallow state. When it is identified as the awakening class, the sleep stage estimation unit 4 estimates the current sleep stage as the awakening state.

なお、パラメータの最適値は、最初はスタンダードモデルのパラメータの最適値が用いられるが、下記の学習処理で更新されるとユーザに対する個人フィッティングのパラメータの最適値が用いられる。また、識別に用いために選定された特徴量数とその各特徴量の種類は、最初はスタンダードモデルの特徴量数とその各特徴量が用いられるが、下記の学習処理で更新されるとユーザに対する個人フィッティングの特徴量数とその各特徴量が用いられる。   Note that the optimum value of the parameter is initially the optimum value of the parameter of the standard model, but when updated by the following learning process, the optimum value of the parameter for personal fitting for the user is used. The number of feature quantities selected for use in identification and the type of each feature quantity are initially the number of feature quantities and their respective feature quantities used in the standard model. The number of individual fitting features and their respective features are used.

学習処理について説明する。睡眠段階推定部4では、ユーザに対する個人フィッティングのために、SVM推定器を用いて、特徴量の選定とパラメータの最適化を行う。この特徴量の選定とパラメータの最適化は、眠りの深いとその他とを識別するためのもの及び眠りの浅いと覚醒とを識別するためのものについてそれぞれ行う。   The learning process will be described. The sleep stage estimation unit 4 performs feature selection and parameter optimization using an SVM estimator for personal fitting to the user. The selection of the feature amount and the optimization of the parameters are performed respectively for identifying deep sleep and others and for identifying shallow sleep and awakening.

ここでは、学習データと評価データとしては、ユーザから検出した呼吸波形から得た全ての特徴量(特に、起きる前の所定時間分(例えば、60分、90分)の全ての特徴量)の各値及び入力手段でユーザによって入力された睡眠段階の正解値を用いる。学習は、このようなデータが所定量(例えば、一週間分、一か月分)収集できた時点で行う。また、選定対象の特徴量候補は、上記に示した特徴量の中から選んでおく。この学習データ/評価データと特徴量候補の特徴量を用いて、SVM推定器を学習により作成する。   Here, as the learning data and the evaluation data, all feature amounts obtained from the respiration waveform detected from the user (particularly, all feature amounts for a predetermined time (eg, 60 minutes, 90 minutes) before waking up) are obtained. The correct value of the sleep stage input by the user with the value and input means is used. Learning is performed when a predetermined amount (such as one week or one month) of such data can be collected. Further, the feature quantity candidates to be selected are selected from the feature quantities shown above. An SVM estimator is created by learning using the learning data / evaluation data and the feature quantity of the feature quantity candidate.

図6を参照して、特徴量の選定方法について説明する。この選定方法では、Cross Validation(交差検定)を用いて、特徴量候補の中から最初に幾つかの特徴量を抽出し、残りの特徴量候補を解析して1個ずつ追加していく。事前に、呼吸の特徴量の中から、特徴量の候補を用意しておく。図6の例では、特徴量候補を8個としており、特徴量候補として特徴量A〜特徴量Hがある。   A feature amount selection method will be described with reference to FIG. In this selection method, several feature quantities are first extracted from the feature quantity candidates using cross validation, and the remaining feature quantity candidates are analyzed and added one by one. In advance, feature quantity candidates are prepared from the respiratory feature quantities. In the example of FIG. 6, the number of feature amount candidates is 8, and feature amount candidates include feature amount A to feature amount H.

まず、主成分分析によって、最初に4つの特徴量を抽出(選定)する。4次元の特徴量から学習をスタートする。4次元以外の次元からスタートしてもよい。図6の例では、図6(b)に示すように、最初に、特徴量A、特徴量B、特徴量C、特徴量Dが抽出される。そして、残りの特徴量候補の中から推定に利用できる特徴量を1個ずつ選定していく。   First, four feature quantities are first extracted (selected) by principal component analysis. Start learning from 4D features. You may start from a dimension other than the 4th dimension. In the example of FIG. 6, as shown in FIG. 6B, first, a feature quantity A, a feature quantity B, a feature quantity C, and a feature quantity D are extracted. Then, feature quantities that can be used for estimation are selected one by one from the remaining feature quantity candidates.

新たな特徴量を選定する毎に(最初の4つの特徴量を抽出した場合や1個ずつ特徴量を追加した場合)、SVM推定器では、残りの特徴量候補の中から1個ずつ特徴量を抽出する。そして、SVM推定器では、学習データと評価データを用いてその選定済みの複数の特徴量と抽出した1個の特徴量の各値を用いて睡眠段階を推定するとともにその推定した睡眠段階と睡眠段階の正解値とを比較し、正答率を算出する。この際、以下に記載するパラメータ最適化処理で、識別境界のパラメータ(C、γ)を順次変更しながら上記の処理を行い、正答率が最も高くなるパラメータ(最適値)が選定される。SVM推定器では、上記処理を残りの特徴量候補について順次入れ替えながら行う。そして、SVM推定器では、残りの特徴量候補の中で最も正答率の高い特徴量候補を新たな特徴量として選定(追加)する。このように、特徴量を順次追加し、特徴量の次元を増やしていく。図6の例の場合、図6(c)では新たに特徴量Fが追加されて特徴量が5次元となり、図6(d)では新たに特徴量Eが追加されて特徴量が6次元となる。   Each time a new feature value is selected (when the first four feature values are extracted or one feature value is added one by one), the SVM estimator uses the remaining feature value candidates one by one. To extract. The SVM estimator uses the learning data and the evaluation data to estimate the sleep stage using each of the selected feature quantities and each extracted feature quantity, and the estimated sleep stage and sleep The correct answer value of the stage is compared to calculate the correct answer rate. At this time, in the parameter optimization processing described below, the above processing is performed while sequentially changing the parameters (C, γ) of the identification boundary, and the parameter (optimum value) with the highest correct answer rate is selected. The SVM estimator performs the above processing while sequentially replacing the remaining feature amount candidates. Then, the SVM estimator selects (adds) a feature quantity candidate having the highest correct answer rate among the remaining feature quantity candidates as a new feature quantity. In this way, feature quantities are sequentially added to increase the dimension of the feature quantity. In the case of the example in FIG. 6, the feature amount F is newly added in FIG. 6C to make the feature amount five-dimensional, and in FIG. 6D, the feature amount E is newly added to make the feature amount six-dimensional. Become.

特徴量を追加する毎に、SVM推定器では、正答率が飽和していないかあるいは低下していないかを判定する。特徴量を追加すると正答率が飽和あるいは低下している場合、SVM推定器では、特徴量の追加を停止し、選定されている特徴量を確定する。   Each time a feature amount is added, the SVM estimator determines whether the correct answer rate is not saturated or decreased. If the correct answer rate is saturated or decreased when the feature amount is added, the SVM estimator stops adding the feature amount and determines the selected feature amount.

図7を参照して、パラメータの最適化方法について説明する。上記処理における残りの特徴量候補の中から1個ずつ特徴量を抽出する毎に、SVM推定器では、識別境界のパラメータ(C,γ)を順次変更し、その変更したパラメータに基づいて学習データと評価データを用いて選定済みの複数の特徴量と抽出した1個の特徴量の各値を用いて睡眠段階を推定するとともにその推定した睡眠段階と睡眠段階の正解値とをそれぞれ比較し、正答率を算出する。そして、SVM推定器では、正答率の最も高くなる場合のパラメータのC値とγ値を、その選定済みの複数の特徴量と抽出した1個の特徴量での識別能力と定義し、パラメータの最適値として選定する。なお、パラメータを変更する際に、Cの範囲を2−5,2−4,・・・,215とし、γの範囲を2−15,2−14,・・・,2とする。 A parameter optimization method will be described with reference to FIG. Each time feature values are extracted one by one from the remaining feature value candidates in the above processing, the SVM estimator sequentially changes the identification boundary parameters (C, γ), and learning data based on the changed parameters. And using the evaluation data to estimate the sleep stage using each extracted feature value and each extracted feature value, and compare the estimated sleep stage and the correct value of the sleep stage, Calculate the correct answer rate. In the SVM estimator, the C value and γ value of the parameter when the correct answer rate is the highest are defined as the discriminating ability of the selected feature quantity and the extracted one feature quantity, and the parameter Select the optimum value. Incidentally, when changing the parameters, 2 -5 range of C, 2 -4, · · ·, and 2 15, the range of the gamma 2 -15, 2 -14, · · ·, and 2 3.

図7に示す例は、事前の学習の場合であり、多数の被験者から収集した標本(近似母集団)がある。その標本の中から、例えば、サンプルセット(100個)を10セット用意し、そのうち9セットで学習し、残りの1セットでパラメータを変更しながら正答率の算出を10回繰り返す。そして、その正答率の平均値が最も高いパラメータを最適値とする。睡眠段階推定部4におけるユーザに対する個人フィッティングの場合、学習データや評価データとしてはユーザから収集された一週間分、一か月分などの所定量のデータを用いて、SVM推定器による学習を実施する。   The example shown in FIG. 7 is a case of prior learning, and there are samples (approximate population) collected from many subjects. For example, 10 sample sets (100) are prepared from the specimens, 9 of which are learned, and the calculation of the correct answer rate is repeated 10 times while changing the parameters of the remaining 1 set. Then, the parameter having the highest average value of correct answers is set as the optimum value. In the case of personal fitting for the user in the sleep stage estimation unit 4, learning is performed by the SVM estimator using a predetermined amount of data collected from the user as one week or one month as learning data or evaluation data. To do.

なお、事前の学習でスタンダードモデルを生成する場合、多数の被験者(男性/女性、各年齢層)から睡眠中に呼吸センサで呼吸波形を検出し、各被験者の呼吸波形から呼吸の特徴量を取得するとともに、睡眠中に高精度の脳波センサで脳波波形を検出し、各被験者の脳波波形から睡眠段階(眠りが深い、睡眠が浅い、覚醒の3段階)の正解値を取得する。そして、これらのデータによって図7に示すような多数の被験者についての標本を生成し、標本の中から学習データと評価データを用意し、その学習データと評価データを用いて上記と同様の学習処理を行う。そして、スタンダードモデルとしての深い/その他及び浅い/覚醒をそれぞれ識別するために選定された特徴量(特徴量数とその数の各特徴量)と、その選定された各特徴量を用いた場合の深い/その他及び浅い/覚醒を識別するための識別境界を規定するためのパラメータ(C、γ)の最適値を得る。   In addition, when generating a standard model by prior learning, the respiratory waveform is detected by a respiratory sensor during sleep from a large number of subjects (male / female, each age group), and respiratory feature values are obtained from the respiratory waveform of each subject. In addition, an electroencephalogram waveform is detected by a high-precision electroencephalogram sensor during sleep, and the correct answer value of the sleep stage (three stages of deep sleep, shallow sleep, and awakening) is acquired from the electroencephalogram waveform of each subject. Then, a sample for a large number of subjects as shown in FIG. 7 is generated from these data, learning data and evaluation data are prepared from the sample, and learning processing similar to the above is performed using the learning data and evaluation data. I do. Then, the feature quantity (number of feature quantities and each feature quantity) selected to identify deep / other and shallow / wakefulness as the standard model and the selected feature quantities are used. Obtain the optimal values of the parameters (C, γ) for defining the discrimination boundary for discriminating deep / other and shallow / wakefulness.

図8には、事前の学習での特徴量の選定とパラメータ最適化の結果を示している。この図8の例では、特徴量候補が16個であり、主成分分析で抽出した4個の特徴量から特徴量を順次追加していった。図8(a)、(b)から判るように、特徴量の数が13個までは正答率が増加あるいは維持されているが、14個目の特徴量を追加すると正答率が低下した。そこで、最終的には13個の特徴量が選定され、13次元の特徴量の場合のパラメータの最適値はC値が1であり、γ値が0.5であった。   FIG. 8 shows the result of selection of feature amounts and parameter optimization in advance learning. In the example of FIG. 8, there are 16 feature quantity candidates, and feature quantities are sequentially added from the 4 feature quantities extracted by the principal component analysis. As can be seen from FIGS. 8A and 8B, the correct answer rate is increased or maintained until the number of feature quantities is 13, but when the 14th feature quantity is added, the correct answer rate decreases. Accordingly, 13 feature values are finally selected, and the optimum value of the parameter in the case of the 13-dimensional feature value is C value 1 and γ value 0.5.

睡眠質推定部5は、CPU、ROM、RAM等を備えたコンピュータにおいて構成され、コンピュータ上で睡眠質推定用プログラムを実行することによって実現される。睡眠質推定部5では、睡眠段階推定部4で推定された所定区間分(例えば、一日分、一週間分、一か月分)の睡眠段階の時系列データを用いて、ユーザの睡眠の質を推定する。   The sleep quality estimation unit 5 is configured by a computer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and is realized by executing a sleep quality estimation program on the computer. The sleep quality estimation unit 5 uses the time series data of the sleep stages for a predetermined interval (for example, one day, one week, one month) estimated by the sleep stage estimation unit 4 to determine the sleep quality of the user. Estimate quality.

図9及び図10を参照して、睡眠質の推定処理について説明する。この推定では、睡眠中に推定された睡眠段階のうちの眠りが深いときの滞留時間から睡眠の質を推定する。つまり、深い睡眠(深い眠り)の滞留時間を基に、睡眠リズムモデルからδ波の含有率を確率的に求め、睡眠の質を推定する。睡眠の質に大きくかかわるδ波は、その出現が深い睡眠と相関が高いことが解ってきている。   The sleep quality estimation process will be described with reference to FIGS. 9 and 10. In this estimation, the quality of sleep is estimated from the residence time when sleep is deep in the sleep stages estimated during sleep. That is, based on the dwell time of deep sleep (deep sleep), the content rate of δ waves is obtained probabilistically from the sleep rhythm model, and the quality of sleep is estimated. It has been found that the δ wave, which greatly affects the quality of sleep, has a high correlation with the deep sleep.

主に終夜睡眠において観測した時間と睡眠の深さが、図9に示すような形状になったとする。各々の睡眠サイクルC1,C2,・・・に出現する深い睡眠の滞留時間をt1,t2,・・・とする。図10には、各サイクルにおける人間の生態イズムであるウルトラディアンリズムは、約90分で1周期のため、深い睡眠段階に滞在している時間でδ波の出現確率が変動すると仮定する。つまり、睡眠の質Qは、下記の式(1)に示すモデルで記述できる。式(1)におけるpは、任意の定数(ゲイン)である。

Figure 2014073237
Assume that the time and depth of sleep observed mainly in overnight sleep have a shape as shown in FIG. The deep sleep residence time appearing in each sleep cycle C1, C2,. In FIG. 10, it is assumed that the appearance probability of the δ wave fluctuates in the time of staying in the deep sleep stage because the Ultradian rhythm, which is the human ecologicalism in each cycle, is one cycle in about 90 minutes. That is, the sleep quality Q can be described by the model shown in the following equation (1). P in Formula (1) is an arbitrary constant (gain).
Figure 2014073237

睡眠質推定部5では、睡眠段階推定部4で推定された睡眠段階の時系列データを用いて、各睡眠サイクルにおける深い睡眠段階の滞在時間をそれぞれ抽出し、δ波出現率t1,t2,・・・をそれぞれ算出する。そして、睡眠質推定部5では、そのδ波出現率t1,t2,・・・を用いて、式(1)により睡眠の質Qを算出する。なお、この睡眠質の推定の詳細については、国際特許出願番号PCT/JP2012/054661に開示されている。   The sleep quality estimation unit 5 uses the time series data of the sleep stage estimated by the sleep stage estimation unit 4 to extract the stay time of the deep sleep stage in each sleep cycle, and the δ wave appearance rate t1, t2,.・ ・ Calculate each. And the sleep quality estimation part 5 calculates the sleep quality Q by Formula (1) using the (delta) wave appearance rate t1, t2, .... The details of the sleep quality estimation are disclosed in International Patent Application No. PCT / JP2012 / 054661.

出力部6は、睡眠段階の推定結果や睡眠質の推定結果を出力する。出力部6としては、例えば、推定結果を表示するディスプレイ、推定結果を印刷出力するプリンタが用いられる。   The output unit 6 outputs a sleep stage estimation result and a sleep quality estimation result. As the output unit 6, for example, a display for displaying the estimation result and a printer for printing out the estimation result are used.

上記構成の睡眠モニタリングシステム1の動作について説明する。特に、睡眠段階推定部4における睡眠段階推定処理について図11のフローチャートに沿って説明し、学習処理について図12のフローチャートに沿って説明する。図11は、睡眠段階推定部4における睡眠段階推定処理の流れを示すフローチャートである。図12は、睡眠段階推定部4における学習処理の流れを示すフローチャートである。   Operation | movement of the sleep monitoring system 1 of the said structure is demonstrated. In particular, the sleep stage estimation process in the sleep stage estimation unit 4 will be described along the flowchart of FIG. 11, and the learning process will be described along the flowchart of FIG. 12. FIG. 11 is a flowchart showing the flow of the sleep stage estimation process in the sleep stage estimation unit 4. FIG. 12 is a flowchart showing the flow of the learning process in the sleep stage estimation unit 4.

ユーザによって、睡眠モニタリングシステム1が起動される。呼吸センサ2では、ユーザの呼吸を検出し、呼吸の変化を電圧の変化(出力信号)として出力する。生体情報処理部3では、呼吸センサ2からの出力信号を前処理し、後処理で処理可能な呼吸信号を抽出する。   The sleep monitoring system 1 is activated by the user. The respiration sensor 2 detects a user's respiration and outputs a change in respiration as a voltage change (output signal). The biological information processing unit 3 pre-processes the output signal from the respiration sensor 2 and extracts a respiration signal that can be processed by post-processing.

睡眠段階推定部4では、所定時間分の呼吸信号(呼吸波形)から呼吸のピーク(特に、ピークの時間)を抽出する。そして、睡眠段階推定部4では、抽出した連続するピーク同士毎に、各ピークの時間を用いてピーク間隔を算出する。さらに、睡眠段階推定部4では、その各ピークの時間及びピーク間隔の時系列データを用いてピーク間隔に対する軸変換を行い、その軸変換したピーク間隔の離散データを補間して連続データとする。   The sleep stage estimation unit 4 extracts a respiration peak (particularly, peak time) from a respiration signal (respiration waveform) for a predetermined time. And the sleep stage estimation part 4 calculates a peak space | interval using the time of each peak for every extracted continuous peaks. Furthermore, the sleep stage estimation unit 4 performs axis conversion on the peak interval using the time series data of the time and peak interval of each peak, and interpolates the discrete data of the converted peak interval to obtain continuous data.

睡眠段階推定部4では、その連続データを所定の時間間隔でリサンプリングし、任意の時間のピーク間隔を取得する。睡眠段階推定部4では、この取得したピーク間隔の時系列データを用いて、複数の呼吸の特徴量をそれぞれ算出する(S10)。また、睡眠段階推定部4では、呼吸信号(呼吸波形)から、複数の他の呼吸の特徴量(ピーク間隔を用いない特徴量)をそれぞれ算出する(S10)。睡眠段階推定部4では、呼吸の特徴量を用いて、体動フィルタによりユーザの体動を検出する(S11)。なお、算出される各特徴量のデータは、学習に用いられるので、蓄積される。学習には推定に用いる特徴量以外の特徴量のデータも用いるので、特徴量候補の全ての特徴量が算出される。   The sleep stage estimation unit 4 resamples the continuous data at a predetermined time interval, and acquires a peak interval at an arbitrary time. The sleep stage estimation unit 4 calculates a plurality of respiratory feature quantities using the acquired time-series data of peak intervals (S10). Further, the sleep stage estimation unit 4 calculates a plurality of other respiratory feature quantities (feature quantities not using peak intervals) from the respiratory signal (respiration waveform) (S10). The sleep stage estimation unit 4 detects the user's body movement by the body movement filter using the feature quantity of respiration (S11). Note that the calculated feature amount data is accumulated because it is used for learning. Since learning also uses feature amount data other than the feature amount used for estimation, all feature amounts of the feature amount candidates are calculated.

睡眠段階推定部4では、識別用に選定されている各特徴量の値を用いて、深い/その他を識別するためのパラメータの最適値による識別境界により、眠りが深いか否かを識別する(S12)。S12にて眠りが深いと識別した場合、睡眠段階推定部4では、ユーザの今回の睡眠段階を深い状態と推定する(S14)。S12にて眠りが深くないと識別した場合、睡眠段階推定部4では、体動の検出結果に基づいて覚醒しているか否かを識別する(S13)。体動から覚醒と識別した場合、睡眠段階推定部4では、ユーザの今回の睡眠段階を覚醒状態と推定する(S16)。体動から覚醒と識別できない場合、睡眠段階推定部4では、識別用に選定されている各特徴量の値を用いて、浅い/覚醒を識別するためのパラメータの最適値による識別境界により、眠りが浅いかあるいは覚醒かを識別する(S13)。S13にて眠りが浅いと識別した場合、睡眠段階推定部4では、ユーザの今回の睡眠段階を浅い状態と推定する(S15)。S13にて覚醒と識別した場合、睡眠段階推定部4では、ユーザの今回の睡眠段階を覚醒状態と推定する(S16)。   The sleep stage estimation unit 4 uses the feature value selected for identification to identify whether the sleep is deep or not based on the identification boundary based on the optimum value of the parameter for identifying deep / others ( S12). When it is identified that the sleep is deep in S12, the sleep stage estimation unit 4 estimates the current sleep stage of the user as a deep state (S14). When it is identified that the sleep is not deep in S12, the sleep stage estimation unit 4 identifies whether or not the user is awake based on the detection result of the body movement (S13). When the awakening is identified from the body movement, the sleep stage estimation unit 4 estimates the current sleep stage of the user as the awakening state (S16). When it is not possible to discriminate from wakefulness from body movement, the sleep stage estimation unit 4 uses the value of each feature quantity selected for discrimination to sleep based on the discrimination boundary based on the optimum value of the parameter for discriminating shallow / wakefulness. Is shallow or awake (S13). When it is identified that the sleep is shallow in S13, the sleep stage estimation unit 4 estimates the current sleep stage of the user as a shallow state (S15). When it is identified as awakening in S13, the sleep stage estimation unit 4 estimates the current sleep stage of the user as the awakening state (S16).

睡眠段階推定部4では、上記のリサンプリングによるピーク間隔の取得、特徴量の算出、体動の検出、睡眠段階の推定を、ユーザの睡眠中は一定時間毎に繰り返し行う。出力部6では、この睡眠中に推定された睡眠段階のデータを出力する。なお、ユーザが起きたときには、ユーザによって起きたときの状態(睡眠段階の正解値)が入力される。この睡眠段階の正解値は、学習に用いられるので、上記の各特徴量のデータに対応付けられて蓄積される。また、推定された睡眠段階のデータは、睡眠質の推定で用いられるので、蓄積される。   The sleep stage estimation unit 4 repeats the acquisition of the peak interval, the calculation of the feature amount, the detection of the body movement, and the estimation of the sleep stage by the re-sampling at regular intervals during the user's sleep. The output unit 6 outputs sleep stage data estimated during the sleep. When the user wakes up, the state when the user wakes up (the correct value of the sleep stage) is input. Since the correct answer value of this sleep stage is used for learning, it is stored in association with the data of each feature amount described above. The estimated sleep stage data is accumulated because it is used for sleep quality estimation.

上記した睡眠段階のデータが所定期間分蓄積されると、睡眠質推定部5では、その睡眠段階のデータを用いて、各睡眠サイクルにおける深い睡眠段階の滞在時間をそれぞれ抽出して、δ波出現率をそれぞれ算出する。そして、睡眠質推定部5では、そのδ波出現率を用いて、式(1)により睡眠の質Qを算出する。出力部6では、この推定された睡眠質を出力する。   When the above sleep stage data is accumulated for a predetermined period, the sleep quality estimation unit 5 extracts the stay time of the deep sleep stage in each sleep cycle using the sleep stage data, and the δ wave appears. Each rate is calculated. Then, the sleep quality estimation unit 5 calculates the sleep quality Q according to the equation (1) using the δ wave appearance rate. The output unit 6 outputs the estimated sleep quality.

また、上記した各特徴量及び睡眠段階の正解値のデータが所定期間分蓄積されると、睡眠段階推定部4では、その蓄積データから学習データと評価データを抽出する(S20)。睡眠段階推定部4では、特徴量候補の中から主成分分析によって4個の特徴量を抽出する(S21)。   Further, when the above-described feature amount and correct value data of the sleep stage are accumulated for a predetermined period, the sleep stage estimation unit 4 extracts learning data and evaluation data from the accumulated data (S20). The sleep stage estimation unit 4 extracts four feature amounts from the feature amount candidates by principal component analysis (S21).

S21で4個の特徴量が抽出あるいは1個の特徴量が追加される毎に、睡眠段階推定部4では、現在選定済みの特徴量と残りの特徴量候補中の任意の特徴量成分によるSVM推定器を作成する(S22)。残りの特徴量候補から1個の特徴量を抽出する毎に、睡眠段階推定部4では、パラメータを順次変更し、学習データと評価データを用いてその選定済みの複数の特徴量と抽出した1個の特徴量の各値を用いて睡眠段階を推定するとともにその推定した睡眠段階と睡眠段階の正解値とを比較し、各パラメータについての正答率を算出し、正答率の最も高いときのパラメータ(最適値)を選定する(S23)。そして、睡眠段階推定部4では、残りの特徴量候補の各特徴量の正答率を比較評価し、最も正答率の高い特徴量を選択する(S24)。そして、睡眠段階推定部4では、その最も正答率の高い特徴量を新たに追加する(S25)。   Each time four feature values are extracted or one feature value is added in S21, the sleep stage estimation unit 4 uses the currently selected feature value and the SVM based on any feature value component in the remaining feature value candidates. An estimator is created (S22). Each time one feature amount is extracted from the remaining feature amount candidates, the sleep stage estimation unit 4 sequentially changes the parameters, and extracts the plurality of selected feature amounts using learning data and evaluation data. Estimate the sleep stage using each value of each feature quantity, compare the estimated sleep stage and the correct answer value of the sleep stage, calculate the correct answer rate for each parameter, the parameter when the correct answer rate is the highest (Optimum value) is selected (S23). And the sleep stage estimation part 4 compares and evaluates the correct answer rate of each feature-value of the remaining feature-value candidates, and selects the feature-value with the highest correct answer rate (S24). And the sleep stage estimation part 4 adds the feature-value with the highest correct answer rate newly (S25).

睡眠段階推定部4では、新たに追加した特徴量の正答率を前回までの正答率と比較し、新たに特徴量を追加してよいか否かを評価する(S26)。S26で追加してよいと評価した場合には、睡眠段階推定部4では、S22の処理に戻る。S26で追加しなくてよいと評価した場合には、睡眠段階推定部4では、前回処理で追加した特徴量までを選定対象の特徴量とし、この選定対象の特徴量とその特徴量によるパラメータ(最適値)を学習結果とする。睡眠段階推定部4では、次回の睡眠段階推定からこの学習で得られた選定対象の特徴量とパラメータ(最適値)を用いて推定を行う。なお、この学習は、眠り深い/その他の識別用及び眠り浅い/覚醒の識別用についてそれぞれ行う。   The sleep stage estimation unit 4 compares the correct answer rate of the newly added feature amount with the previous correct answer rate, and evaluates whether or not a new feature amount may be added (S26). When it is evaluated that it may be added in S26, the sleep stage estimation unit 4 returns to the process of S22. When it is evaluated that it is not necessary to add in S26, the sleep stage estimation unit 4 uses the feature amount added in the previous process as the feature amount of the selection target, and the parameter (( (Optimum value) as a learning result. The sleep stage estimation unit 4 performs estimation using the feature quantity and parameter (optimum value) of the selection target obtained by this learning from the next sleep stage estimation. This learning is performed for sleepy / other identification and for sleep / awake identification.

この睡眠モニタリングシステム1によれば、実際に検出したピーク間隔の離散データを補間して連続データに変換し、その連続データをリサンプリングすることにより、任意の時間におけるピーク間隔を得ることができ、その常時得られるピーク間隔を用いて睡眠段階の推定精度を向上させることができる。つまり、ピーク間隔の取得できない状況を防止できるので、モレのないピーク間隔を用いて睡眠段階を推定でき、推定精度も向上する。特に、ピーク間隔を得るために、実際の呼吸のピークを少なくとも2回抽出するための時間を必要とせず、ピークのない任意の時間のピーク間隔を得ることができ、そのピーク間隔から呼吸の特徴量を導出することができ、推定の時間分解能を向上できる。ちなみに、心拍などの他の情報も加味して睡眠段階を推定する場合、その他の情報が得られる間隔が呼吸のピーク間隔よりも短くても、その他の情報が得られる短い間隔に合わせてピーク間隔を得ることができ、睡眠段階を推定できる。また、呼吸センサ2による実際の検出でユーザの呼吸のピークを抽出できない場合でも、ピーク間隔を得ることができる。   According to this sleep monitoring system 1, by converting discrete data of actually detected peak intervals into continuous data and re-sampling the continuous data, a peak interval at an arbitrary time can be obtained, The estimation accuracy of the sleep stage can be improved by using the peak interval that is always obtained. That is, since a situation in which the peak interval cannot be acquired can be prevented, the sleep stage can be estimated using the peak interval without leakage, and the estimation accuracy is improved. In particular, it does not require time to extract the actual breathing peak at least twice in order to obtain the peak interval, and the peak interval of any time without a peak can be obtained, and the respiration characteristics can be obtained from the peak interval. The quantity can be derived and the time resolution of estimation can be improved. By the way, when the sleep stage is estimated by taking into account other information such as heart rate, even if the interval for obtaining other information is shorter than the peak interval for breathing, the peak interval is adjusted to the short interval for obtaining other information. And the sleep stage can be estimated. Even when the user's respiration peak cannot be extracted by actual detection by the respiration sensor 2, the peak interval can be obtained.

また、睡眠モニタリングシステム1によれば、呼吸波形のおける吸気から呼気に変わるタイミングをピークとして抽出することにより、呼吸のピークを高精度に検出できる。さらに、睡眠モニタリングシステム1によれば、呼吸波形が乱れた場合(例えば、非常に短い間隔で呼吸波形の頂点が現れるような場合)でも、頂点同士の時間間隔を評価することにより、呼吸のピークを高精度に検出できる。   Moreover, according to the sleep monitoring system 1, the peak of respiration can be detected with high accuracy by extracting the timing at which the breathing waveform changes from inspiration to expiration as a peak. Furthermore, according to the sleep monitoring system 1, even when the respiratory waveform is disturbed (for example, when the apex of the respiration waveform appears at a very short interval), the peak of respiration is evaluated by evaluating the time interval between the apexes. Can be detected with high accuracy.

また、睡眠モニタリングシステム1によれば、呼吸のピーク間隔から呼吸の特徴量を導出することにより、呼吸の特徴量を用いて睡眠段階を高精度に推定できる。また、この睡眠モニタリングシステムで1は、ユーザの体動を加味して睡眠段階を推定することにより、睡眠段階を高精度に推定できる。また、睡眠モニタリングシステム1によれば、高精度に推定された睡眠段階を用いて、ユーザの睡眠の質も高精度に推定できる。   Moreover, according to the sleep monitoring system 1, the sleep stage can be estimated with high accuracy using the respiration feature amount by deriving the respiration feature amount from the respiration peak interval. Moreover, 1 can estimate a sleep stage with high precision by 1 in this sleep monitoring system by estimating a sleep stage in consideration of a user's body movement. Moreover, according to the sleep monitoring system 1, the quality of a user's sleep can be estimated with high precision using the sleep stage estimated with high precision.

また、睡眠モニタリングシステム1によれば、SVM推定器を適用することにより、睡眠段階の識別を高精度に行うことができるとともに、識別するための特徴量選定及びパラメータの最適化の学習を行うことができる。特に、事前の学習に用いなかった未知のデータ(ユーザから取得したデータ)を活用して学習ができ、ユーザに対する個人フィッティングの特徴量選定及びパラメータの最適化が可能である。   Further, according to the sleep monitoring system 1, by applying the SVM estimator, the sleep stage can be identified with high accuracy, and the feature amount selection for identification and the optimization of the parameter are learned. Can do. In particular, learning can be performed using unknown data (data acquired from the user) that has not been used for prior learning, and it is possible to select a feature amount for personal fitting and optimize parameters for the user.

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。   As mentioned above, although embodiment which concerns on this invention was described, this invention is implemented in various forms, without being limited to the said embodiment.

例えば、本実施の形態では生体情報検出手段として呼吸センサを適用したが、呼吸センサ以外のバイタルセンサを適用し、そのバイタルセンサの出力信号から呼吸信号を抽出するようにしてもよい。   For example, in the present embodiment, a respiration sensor is applied as the biological information detection means, but a vital sensor other than the respiration sensor may be applied and a respiration signal may be extracted from the output signal of the vital sensor.

また、本実施の形態では体動フィルタを用いて体動を検出して、体動も加味して睡眠段階を推定する構成としたが、体動を加味しないで睡眠段階を推定してもよい。また、本実施の形態では睡眠の質も推定する構成としたが、睡眠の質を推定しない構成としてもよい。また、本実施の形態では学習も行う構成としたが、学習を行わない構成としてもよい。   In this embodiment, the body motion is detected using a body motion filter, and the sleep stage is estimated by taking the body motion into account. However, the sleep stage may be estimated without taking the body motion into account. . In the present embodiment, the sleep quality is also estimated. However, the sleep quality may not be estimated. Further, in the present embodiment, the learning is also performed. However, the learning may not be performed.

また、本実施の形態では学習ベースモデルのSVMを用いて睡眠段階の推定及び学習を行う構成としたが、条件確率モデル等の他の手法を用いて睡眠段階の推定や学習を行う構成としてもよい。また、本実施の形態では睡眠質の推定方法の一例を示したが、その他の方法を用いて睡眠質を推定してもよい。   In this embodiment, the sleep stage estimation and learning are performed using the learning-based model SVM. However, the sleep stage estimation and learning may be performed using other methods such as a conditional probability model. Good. Moreover, although an example of the sleep quality estimation method has been described in the present embodiment, the sleep quality may be estimated using other methods.

また、本実施の形態では対象者の呼吸情報から睡眠段階を推定する構成としたが、呼吸情報に加えて他の生体情報(例えば、心拍)等も加味して睡眠段階を推定してもよい。   In this embodiment, the sleep stage is estimated from the respiratory information of the subject. However, the sleep stage may be estimated in consideration of other biological information (for example, heartbeat) in addition to the respiratory information. .

また、本実施の形態では睡眠段階として深い、浅い、覚醒の3段階を推定する構成としたが、睡眠段階(睡眠深度)としては4段階以上としてもよいし、覚醒/睡眠の2段階でもよい。例えば、Rechtschaffen & Kales 睡眠段階分類の国際基準を用いる。   Further, in this embodiment, the sleep stage is configured to estimate three stages of deep, shallow, and awakening, but the sleep stage (sleep depth) may be four or more stages, or two stages of awakening / sleeping. . For example, use the international standard of Rechtschaffen & Kales sleep stage classification.

また、本実施の形態ではピーク間隔から得られる呼吸の特徴量、ピーク間隔を用いない呼吸の特徴量の一例を示したが、呼吸の特徴量について他の様々な特徴量が適用可能である。また、本実施の形態ではピーク間隔等から特徴量を算出し、特徴量に基づいて睡眠段階を推定する構成としたが、特徴量を求めずに、ピーク間隔等から睡眠段階を直接推定してもよい。   In the present embodiment, an example of the respiration feature value obtained from the peak interval and the respiration feature value not using the peak interval has been shown, but various other feature values can be applied to the respiration feature value. In the present embodiment, the feature amount is calculated from the peak interval and the sleep stage is estimated based on the feature amount. However, the sleep step is directly estimated from the peak interval and the like without obtaining the feature amount. Also good.

1…睡眠モニタリングシステム、2…呼吸センサ、3…生体情報処理部、4…睡眠段階推定部、5…睡眠質推定部、6…出力部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sleep monitoring system, 2 ... Respiration sensor, 3 ... Biological information processing part, 4 ... Sleep stage estimation part, 5 ... Sleep quality estimation part, 6 ... Output part.

Claims (5)

生体情報検出手段によって検出した対象者の生体情報から呼吸情報を抽出し、呼吸情報から対象者の睡眠状態を推定する睡眠モニタリングシステムであって、
前記対象者の呼吸情報から呼吸のピークのピーク間隔を算出するピーク間隔算出手段と、
前記ピーク間隔算出手段で算出したピーク間隔の時系列データを補間してピーク間隔の離散データを連続データに変換し、前記連続データを任意の時間間隔でリサンプリングして任意の時間におけるピーク間隔を取得するピーク間隔取得手段と、
前記ピーク間隔取得手段で取得した任意の時間におけるピーク間隔に基づいて対象者の睡眠状態を推定する睡眠状態推定手段と、
を備えることを特徴とする睡眠モニタリングシステム。
A sleep monitoring system that extracts respiratory information from the biological information of the subject detected by the biological information detection means and estimates the sleep state of the subject from the respiratory information,
A peak interval calculating means for calculating a peak interval of a respiration peak from the respiration information of the subject;
The peak interval time-series data calculated by the peak interval calculation means is interpolated to convert the peak interval discrete data into continuous data, and the continuous data is resampled at an arbitrary time interval to obtain a peak interval at an arbitrary time. A peak interval acquisition means for acquiring;
Sleep state estimation means for estimating the sleep state of the subject based on the peak interval at an arbitrary time acquired by the peak interval acquisition means;
A sleep monitoring system comprising:
前記対象者の呼吸情報における吸気から呼気に変わるタイミングで呼吸のピークを抽出するピーク抽出手段を備え、
前記ピーク間隔算出手段は、前記ピーク抽出手段で抽出したピークを用いてピーク間隔を算出することを特徴とする請求項1に記載の睡眠モニタリングシステム。
Peak extraction means for extracting a breathing peak at a timing when the inspiration of the subject changes from inspiration to expiration,
The sleep monitoring system according to claim 1, wherein the peak interval calculation unit calculates a peak interval using the peak extracted by the peak extraction unit.
前記ピーク間隔取得手段で取得した任意の時間におけるピーク間隔を用いて呼吸の特徴量を算出する特徴量算出手段を備え、
前記睡眠状態推定手段は、前記特徴量算出手段で算出した呼吸の特徴量に基づいて対象者の睡眠状態を推定することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の睡眠モニタリングシステム。
A feature amount calculating means for calculating a respiration feature amount using a peak interval at an arbitrary time acquired by the peak interval acquiring means;
The sleep monitoring system according to claim 1, wherein the sleep state estimation unit estimates a sleep state of the subject based on a feature amount of respiration calculated by the feature amount calculation unit.
対象者の体動を検出する体動検出手段を備え、
前記睡眠状態推定手段は、前記体動検出手段での体動の検出結果を加味して対象者の睡眠状態を推定することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の睡眠モニタリングシステム。
A body motion detecting means for detecting the body motion of the subject person,
The said sleep state estimation means estimates a subject's sleep state in consideration of the detection result of the body movement in the said body movement detection means, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Sleep monitoring system.
前記睡眠状態推定手段で推定した睡眠状態の時系列データに基づいて対象者の睡眠の質を推定する睡眠質推定手段を備えることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の睡眠モニタリングシステム。   5. The apparatus according to claim 1, further comprising a sleep quality estimation unit configured to estimate a sleep quality of the subject based on the time series data of the sleep state estimated by the sleep state estimation unit. The sleep monitoring system described.
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