JP2017169972A - 生体情報計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定者が睡眠しているときの自立神経の活動を計測する。少ない消費電力で自律神経の活動を計測できる生体情報計測装置を提供する。【解決手段】小型の生体情報計測装置１０は、被計測者の手首に装着し睡眠が開始されてから終了するまでの期間においてその装置を継続して動作させる。被計測者の脈波情報を検出する脈波検出部２０と、被計測者の睡眠周期に基づいて脈波検出部２０の動作を制御する自律神経計測部３０とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は自律神経の活動を計測する生体情報計測装置に関する。

人の健康状態が自律神経の活動に反映されることが知られている。例えば、非特許文献１は、慢性疲労症候群の患者について測定した覚醒中および睡眠中の自律神経の活動と健常者について測定した覚醒中および睡眠中の自律神経の活動との間に有意な違いが現れることを開示している。

Kouzi Yamaguchi, Seiki Tajima, Hirohiko Kuratsune, "Autonomic dysfunction in chronic fatigue syndrome", Advances in Neuroimmune Biology, 2013年, Vol.4, No.4, p.281-289

例えば、被測定者が睡眠しているときの自律神経の活動を計測する方法として、小型の生体情報計測装置を被計測者の手首に装着し、睡眠が開始されてから終了するまでの期間においてその装置を継続して動作させる方法が知られている。ただし、生体情報計測装置に搭載される電源の容量が小さいため、長時間の睡眠における自律神経の活動を計測することが難しい。

本発明の目的は、少ない消費電力で自律神経の活動を計測できる生体情報計測装置を提供することである。

本発明に従う生体情報計測装置の一形態は、被計測者の脈波情報を検出する脈波検出部と、前記被計測者の睡眠周期に基づいて前記脈波検出部の動作を制御する自律神経計測部とを備える。

上記生体情報計測装置は、少ない消費電力で自律神経の活動を計測できる。

実施の形態１の生体情報計測装置の正面図。 腕に装着された図１の生体情報計測装置の正面図。 図１の生体情報計測装置の背面図。 図１の生体情報計測装置の構成を示すブロック図。 活動量計測処理の内容を示すフローチャート。 図４の出力部の表示の一例を示す図。 睡眠の深さおよび自律神経の活動量の変化の一例を示すグラフ。 実施の形態２の活動量計測処理を示すフローチャート。

（生体情報計測装置が取り得る形態の一例）
〔１〕本発明に従う生体情報計測装置の一形態は、被計測者の脈波情報を検出する脈波検出部と、前記被計測者の睡眠周期に基づいて前記脈波検出部の動作を制御する自律神経計測部とを備える。

被計測者の状態が睡眠状態である場合、自律神経の活動は睡眠の深さと同期して変化する傾向が強い。このため、睡眠の深さが特徴的な値を取る複数の時刻のそれぞれにおける自律神経の活動量に基づいて算出される活動量の代表値は、睡眠状態の全時間帯における活動量をおおよそ正確に代表した値を取る。一方、睡眠の深さの特徴的な値は睡眠周期に基づいて特定することができる。このため、睡眠周期に基づいて脈波検出部の動作を制御することにより、睡眠の深さに特徴が現れる時刻における脈波情報を検出できる。この方法によれば、睡眠状態の全時間帯において短い周期で多数の脈波情報を検出する場合と比較して、脈波検出部が動作する時間が短い。このため、生体情報計測装置が消費する電力が削減される。

〔２〕前記生体情報計測装置の一例によれば、前記自律神経計測部は、前記被計測者に関する情報に基づいて、前記脈波検出部の動作を制御するために用いる前記被計測者の睡眠周期を算出する。

〔３〕前記生体情報計測装置の一例によれば、前記自律神経計測部は、前記被計測者の睡眠の深さを算出し、算出した前記睡眠の深さに基づいて前記被計測者の睡眠周期を算出する。

〔４〕前記生体情報計測装置の一例によれば、前記自律神経計測部は、前記被計測者の睡眠の深さが極小値または極大値を示す時刻に基づいて前記被計測者の睡眠周期を算出する。

〔５〕前記生体情報計測装置の一例によれば、前記自律神経計測部は、前記被計測者の睡眠の深さが予め定められた値を示す時刻に基づいて、前記被計測者の睡眠周期を算出する。

〔６〕前記生体情報計測装置の一例によれば、前記自律神経計測部は、前記被計測者の睡眠の深さが単調減少および単調増加する時間帯に基づいて前記被計測者の睡眠周期を算出する。

〔７〕前記生体情報計測装置の一例によれば、前記自律神経計測部は、前記被計測者が睡眠する時間帯のうちの一部の時間帯を除いた時間帯に前記脈波検出部を動作させる。
（実施の形態１）
図１〜図３を参照して、生体情報計測装置１０の構成について説明する。

図１に示されるように、生体情報計測装置１０は、本体１１、入力部１２、出力部１３、装着部１４、脈波検出部２０、および、自律神経計測部３０を備える。自律神経計測部３０は、被計測者の自律神経の活動を計測する機能を備えたコンピュータである。本体１１は、入力部１２等をはじめとして生体情報計測装置１０を構成する各種の要素を支持または収容する。

入力部１２は、被計測者に関する情報を自律神経計測部３０に入力するために被計測者または計測者（以下では「ユーザー」）により操作される。入力部１２の一例は、ユーザーが操作できるように本体１１に設けられる操作ボタン、または、外部機器からの情報を受信できるように本体１１に設けられる無線受信部である。外部機器の一例は、スマートフォン等の携帯情報端末、タブレット型の情報端末、および、携帯型または据え置き型のパーソナルコンピュータ等である。入力部１２に入力される被計測者に関する情報は、性別、年齢、身長、体重、睡眠疾患の有無、疾患名、睡眠周期、および、睡眠周期に関する標準偏差等を含む。

出力部１３は自律神経計測部３０により計測された自律神経の活動等を出力する。出力部１３の一例は、ユーザーが視認できるように本体１１に設けられる表示装置、または、携帯情報端末に情報を送信できるように本体１１に設けられる無線送信部である。

装着部１４は本体１１を被計測者の腕に固定する。装着部１４の一例はベルトである。図２は装着部１４が腕に巻かれることにより本体１１が被計測者の腕に装着された状態を示している。なお、生体情報計測装置１０を身体に装着するための構成は任意に変更可能である。例えば、被計測者の指、足首、額、胸、肩、または、耳に装着できるように生体情報計測装置１０を構成することもできる。

図３に示されるように、脈波検出部２０は、発光部２１および受光部２２を備え、受光部２２から出力される受光信号に基づいて被計測者の脈波の時系列データである脈波情報を算出する。発光部２１および受光部２２は、本体１１の背面１１Ｂに設けられる。発光部２１の一例は緑色光の発光ダイオードである。受光部２２の一例はフォトダイオードである。発光部２１から身体に向けて緑色光が反射された場合、その一部が反射され受光部２２により受光される。受光部２２は受光した緑色光の強さに応じて変化する受光信号を出力する。反射される緑色光の強さは被計測者の脈波の状態に応じて異なる。このため、受光部２２の受光信号に基づいて被計測者の脈波を算出することができる。

図４に示されるように、生体情報計測装置１０は電波センサ１５および自律神経計測部３０をさらに備える。電波センサ１５は、被計測者に向けて電波を発し、被計測者により反射された電波である反射波を捉えることができるように本体１１に設けられる。電波センサ１５が反射波を捉えた場合、反射波の変動成分が分離され、呼吸および体動が計測される。計測されたこれらの情報は被計測者の睡眠状態を判定するために用いられる。また、生体情報計測装置１０は、電波センサ１５に替えて加速度センサを本体１１に備えてもよい。例えば、加速度センサが検出する加速度が基準値以下であり、その状態が基準時間以上継続したときに睡眠状態と判定することもできる。

自律神経計測部３０は処理部３１およびメモリ３２を備える。処理部３１は自律神経計測部３０に設けられる電子回路、または、自律神経計測部３０に設けられるＣＰＵにより実行されるソフトウェアである。メモリ３２は、処理部３１により実行される処理に必要な一時データおよび計算結果等を格納する。メモリ３２の一例は不揮発性メモリである。入力部１２に入力された被計測者に関する情報、脈波検出部２０の計測結果、および、電波センサ１５の計測結果は処理部３１に入力され、さらにメモリ３２に格納される。

処理部３１は、被計測者の状態が睡眠状態である場合に被計測者の自律神経の活動量を計測する処理（以下では「活動量計測処理」）を実行する。活動量計測処理は、第１の計測処理、第２の計測処理、および、第３の計測処理を含む。第１の計測処理は、被計測者の状態が睡眠状態である場合に脈波検出部２０を動作させる時刻（以下では「動作時刻」）を決める処理である。第２の計測処理は、被計測者の状態が睡眠状態であることを検出する処理である。第３の処理は、脈波検出部２０の計測結果に基づいて、自律神経の活動量の指標の一例であるエントロピーＥを算出する処理である。

第１の計測処理では、次の手順により動作時刻が決められる。
最初に、入力部１２に入力された被計測者に関する情報に基づいて、自律神経の活動量の計測に用いる被計測者の睡眠周期（以下では「計測用睡眠周期」）が算出される。第１の例では、睡眠周期データベースおよび入力された被計測者に関する情報に基づいて、計測用睡眠周期が算出される。睡眠周期データベースは、性別、年齢、身長、体重、睡眠疾患の有無、および、疾患名の少なくとも１つと、標準的な睡眠周期との関係を規定したデータベースであり、メモリ３２に予め格納されている。第２の例では、被計測者の睡眠周期を含む情報が入力部１２に入力された場合、入力された睡眠周期を計測用睡眠周期として決定する。

次に、被計測者の状態が睡眠状態であることが判定された後において、睡眠の深さの特徴的な値が最初に現れる時刻が１番目の動作時刻として設定される。次に、１番目の動作時刻から計測用睡眠周期が経過したときの時刻が２番目の動作時刻として設定される。２番目以降の動作時刻についても同様に、睡眠周期が経過したときの時刻が次の動作時刻として設定される。睡眠の深さの特徴的な値の例としては、睡眠の深さの極小値、睡眠の深さの極大値、予め規定された睡眠の深さ、および、２次微分値が０となる睡眠の深さが挙げられる。

睡眠の深さの特徴的な値を用いて動作時刻を設定する方法に代えて、睡眠の深さに関する特徴的な時間帯に含まれる任意の時刻を動作時刻として設定することもできる。特徴的な時間帯の一例としては、睡眠の深さの２次微分値が０となる時刻から１次微分値が０となる時刻までの時間帯、睡眠の深さが単調増加している時間帯、および、睡眠の深さが単調減少している時間帯が挙げられる。

第１の計測処理では、睡眠状態における一部の時間帯を除いて動作時刻を設定する処理を付加することもできる。一部の時間帯の一例としては、覚醒状態から睡眠状態に変化した直後のように、睡眠の深さの変化が不安定になりやすいことが想定される時間帯が挙げられる。このような時間帯を除いて動作時刻が設定されることにより、脈波情報がより正確に計測される。

第２の計測処理では、次の手順により睡眠状態が判定される。
最初に、電波センサ１５が検出した呼吸および体動、ならびに、睡眠関数に基づいて、被計測者の睡眠の深さが算出される。睡眠関数は、呼吸および体動と睡眠の深さとの関係を規定した関数であり、メモリ３２に予め格納されている。なお、睡眠の深さを算出するための方法は睡眠関数を用いる方法に限られない。別の方法の一例として、多変量解析等の統計的手法を用いる方法が挙げられる。

次に、算出された睡眠の深さと基準値とが比較される。睡眠の深さが基準値以上のとき、被計測者の状態が睡眠状態であると判定され、睡眠の深さが基準未満のとき、被計測者の状態が覚醒状態であると判定される。睡眠の深さに関する判定結果は時刻と関連付けられ、メモリ３２に格納される。

第３の処理では、次の手順によりエントロピーＥが算出される。
最初に、受光部２２により得られる受光信号の時系列データにおいて隣り合う極大値間の時間が心拍間隔ＰＰとして算出される。次に、心拍間隔ＰＰの変化を百分率で示した値であるＰＩ（Percentage Index）が下記［１］式から算出される。［１］式のＰＰ_ｉはｉ番目に測定された心拍間隔ＰＰを示す。次に、Ｓｈａｎｎｏｎの平均情報量の式である下記［２］式からエントロピーＥが算出される。［２］式に示されるｐは［１］式により求められたＰＩが生じる確率を示す。

ここでは、自律神経の活動量を表す指標としてエントロピーＥを用いた評価方法を例示しているが、エントロピーＥとは別の指標を用いて自律神経の活動量を算出することもできる。別の指標の一例は、周波数解析法により得られるＬＦ（Low Frequency）成分とＨＦ（High Frequency）成分との比（ＬＦ／ＨＦ）、または、副交感神経の活動度である。

図５は、自律神経計測部３０により実行される活動量計測処理のフローチャートの一例である。ステップＳ１では、入力部１２の操作により入力された被計測者に関する情報が取得される。取得された情報はメモリ３２に格納され、さらに例えば図６に示されるように出力部１３の表示装置に表示される。ステップＳ２では、被計測者に関する情報に基づいて睡眠周期が算出され、その睡眠周期に基づいて動作時刻が算出される。

ステップＳ３では、被計測者の状態が睡眠状態か否かが判定される。肯定判定の場合、ステップＳ４の処理が実行される。否定判定の場合、肯定判定されるまでステップＳ３の処理が一定の周期毎に実行される。ステップＳ４では、現在の時刻が動作時刻か否かが判定される。肯定判定の場合、ステップＳ５の処理が実行される。否定判定の場合、ステップＳ７の処理が実行される。

ステップＳ５では、処理部３１の指令に基づいて脈波検出部２０が動作する。脈波検出部２０が動作することにより被計測者の脈波情報が計測され、計測された脈波情報が処理部３１に送信される。送信された情報はメモリ３２に格納される。

ステップＳ６では、脈波情報に基づいてエントロピーＥが算出される。ステップＳ７では、被計測者の状態が覚醒状態であり、かつ、覚醒状態が継続した時間が所定の時間以上であるか否かが判定される。肯定判定の場合、活動量計測処理が終了する。否定判定の場合、ステップＳ４の処理が再び実行される。なお、ステップＳ７の判定条件は任意に変更可能である。例えば、覚醒状態であることが検出された回数が所定の回数以上であるか否かという条件に置換できる。

図７は睡眠の深さおよび自律神経の活動量の変化の一例を示す。時刻ｔ０は被計測者の状態が睡眠状態に変化した時刻である。図７（ａ）に示されるように、一例では睡眠の深さは次のように変化する。睡眠の深さは時刻ｔ０から単調減少し、時刻ｔ１において最初の極小値を取り、時刻ｔ１以降において単調増加に転じ、時刻ｔ２において最初の極大値を取り、時刻ｔ２以降において再び単調減少に転じ、時刻ｔ３において２番目の極小値を取る。以降は時刻ｔ０〜ｔ３における周期的な変化と同様の変化が繰り返される。図７（ｂ）に示されるように、自律神経の活動量は睡眠の深さと同期して変化する。

自律神経計測部３０はこのような睡眠の深さおよび自律神経の活動量の関係を踏まえ、睡眠の深さが極大値および極小値を取る時刻において脈波情報を検出し、その脈波情報に基づいて各時刻における自律神経の活動量を算出し、算出した複数の活動量の平均値を算出する。睡眠の深さおよび自律神経の活動量が上述のような関係を有するため、自律神経計測部３０により算出された活動量の平均値は、睡眠状態の全時間帯において睡眠周期よりも十分に短い周期で脈波情報を検出し、その脈波情報に基づいて算出された自律神経の活動量の平均値をおおよそ同じ値を取る。このため、睡眠周期よりも十分に短い周期で脈波情報を検出する場合と異なり、脈波検出部２０の動作時間が短く、生体情報計測装置１０の消費電力が削減される。

（実施の形態２）
実施の形態２の生体情報計測装置１０は、実施の形態１の活動量計測処理の一部を変更した構成を備える。実施の形態１の活動量計測処理では、自律神経の活動量の計測開始から計測終了まで同じ動作スケジュールに従って計測を実施する。実施の形態２の活動量計測処理では、自律神経の活動量の計測中における被計測者の状態の変化が検出されたとき、動作スケジュールを再設定し、再設定した動作スケジュールに従って活動量の計測を再開する。被計測者の状態の変化とは、動作スケジュールに規定された睡眠周期と実際の睡眠周期との間に大きなずれを生じさせる可能性がある状態の変化を指す。その一例として、被計測者の状態が睡眠状態から睡眠状態と覚醒状態との間の状態（以下では「中間状態」）に変化した場合が挙げられる。

被計測者が中間状態を取る場合、ステップＳ７（図５参照）において覚醒状態と判定されないため、動作スケジュールに基づく自律神経の活動量の計測が継続される。ただし、睡眠状態から脱していることにより、動作スケジュールに規定された睡眠周期と実際の睡眠周期との間に大きなずれが生じ、そうした状況において自律神経の活動量の計測されることにより、不正確な計測結果が得られるおそれがある。このため、実施の形態２の活動量計測処理では上記のとおり動作スケジュールを再設定する。

図８は実施の形態２の活動量計測処理の一部である。自律神経計測部３０は、ステップＳ６の処理（図５参照）を実行した後にステップＳ８の処理を実行する。ステップＳ８では、処理部３１が、再設定条件が満たされたか否かを判定する。再設定条件の一例は、被計測者の状態が睡眠状態から中間状態に変化したことである。肯定判定の場合、ステップＳ９の処理が実行される。否定判定の場合、ステップＳ７の処理（図５参照）が実行される。ステップＳ９では、脈波検出部２０の動作時刻を再設定する。ステップＳ９の処理が実施された後、ステップＳ４の処理（図５参照）が再び実行される。

（実施の形態３）
実施の形態３の生体情報計測装置１０は、実施の形態１の活動量計測処理の一部を変更した構成を備える。実施の形態１の活動量計測処理では、活動量の計測開始から計測終了まで同じ動作スケジュールに従って計測を実施する。実施の形態３の活動量計測処理では、自律神経の活動量の計測中において被計測者の睡眠周期の変化が検出されたとき、動作スケジュールを再設定し、再設定した動作スケジュールに従って活動量の計測を再開する。被計測者が睡眠状態を取る場合において、被計測者の睡眠状態が継続された時間（以下では「睡眠継続時間」）が増加するにつれて睡眠周期が変化することがある。このため、睡眠状態の全時間帯において自律神経の活動量の計測開始前に設定された動作スケジュールに従って計測が実施された場合、不正確な計測結果が得られるおそれがある。実施の形態３の生体情報計測装置１０は、脈波検出部２０の動作スケジュールを変更することにより、睡眠周期の変動に応じた正確な自律神経の活動量を算出できる。

なお、上記各実施の形態に関する説明は本発明に従う生体情報計測装置が取り得る形態の例示であり、その形態を制限することを意図していない。本発明に従う生体情報計測装置は例えば各実施の形態の一部を変更した別の形態を取り得る。

本発明の一形態に従う生体情報計測装置は、医療機関および家庭等の様々な場面において被計測者の自律神経の活動を計測するために用いることができる。

１０：生体情報計測装置
２０：脈波検出部
３０：自律神経計測部
ｔ０：時刻
ｔ１：時刻
ｔ２：時刻
ｔ３：時刻
ｔ４：時刻
ｔ５：時刻

Claims (7)

1. 被計測者の脈波情報を検出する脈波検出部と、
   前記被計測者の睡眠周期に基づいて前記脈波検出部の動作を制御する自律神経計測部とを備える
   生体情報計測装置。
2. 前記自律神経計測部は、前記被計測者に関する情報に基づいて、前記脈波検出部の動作を制御するために用いる前記被計測者の睡眠周期を算出する
   請求項１に記載の生体情報計測装置。
3. 前記自律神経計測部は、前記被計測者の睡眠の深さを算出し、算出した前記睡眠の深さに基づいて前記被計測者の睡眠周期を算出する
   請求項１に記載の生体情報計測装置。
4. 前記自律神経計測部は、前記被計測者の睡眠の深さが極小値または極大値を示す時刻に基づいて前記被計測者の睡眠周期を算出する
   請求項３に記載の生体情報計測装置。
5. 前記自律神経計測部は、前記被計測者の睡眠の深さが予め定められた値を示す時刻に基づいて前記被計測者の睡眠周期を算出する
   請求項３または４に記載の生体情報計測装置。
6. 前記自律神経計測部は、前記被計測者の睡眠の深さが単調減少および単調増加する時間帯に基づいて前記被計測者の睡眠周期を算出する
   請求項３〜５のいずれか一項に記載の生体情報計測装置。
7. 前記自律神経計測部は、前記被計測者が睡眠する時間帯のうちの一部の時間帯を除いた時間帯に前記脈波検出部を動作させる
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の生体情報計測装置。