JP2021048961A - Sleep state estimation apparatus, sleep state estimation method and program - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、睡眠状態推定装置、睡眠状態推定方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a sleep state estimation device, a sleep state estimation method and a program.
従来、人の睡眠状態を推定する装置として、例えば特許文献1に開示された装置が知られている。この従来の装置は、ベッドに敷かれた、複数の圧電素子を含むセンサシートを備えており、このセンサにより検出された人の呼吸信号が極大から極小に変化するまでの時間が呼気時間として算出され、この呼気時間の5分間あたりの平均値を標準化し、標準化された平均値に基づいて、人の睡眠状態が推定される。また、この装置では、初期設定されたときや、個別なユーザに対しては、最初から標準化しようとすると、睡眠状態をリアルタイムに推定できないので、最初は一般的な値を平均値と比較して睡眠状態の推定を行い、数時間程度経過した段階で、標準化された値による判断に移行することが望ましいとされている。 Conventionally, as a device for estimating a person's sleep state, for example, a device disclosed in Patent Document 1 is known. This conventional device includes a sensor sheet laid on a bed containing a plurality of piezoelectric elements, and the time required for the human breathing signal detected by this sensor to change from the maximum to the minimum is calculated as the expiratory time. Then, the average value of the expiratory time per 5 minutes is standardized, and the sleep state of the person is estimated based on the standardized average value. Also, with this device, when it is initialized or for individual users, if you try to standardize from the beginning, you can not estimate the sleep state in real time, so at first compare the general value with the average value It is desirable to estimate the sleep state and shift to the standardized value judgment after several hours have passed.
このように、従来の装置では、初期設定された場合などに、一般的な値を平均値と比較して睡眠状態を推定し、睡眠開始から数時間程度経過した段階で、標準化された値による判断に移行することが望ましいとされているが、具体的にどのようなタイミングで標準化された値による判断に移行すべきかについての開示はなかった。標準化された値による判断に移行するタイミングが悪いと、標準化を適切に行うことができず、ひいては、人の睡眠状態を精度良く推定することができないおそれがある。 In this way, in the conventional device, when the initial setting is performed, the sleep state is estimated by comparing the general value with the average value, and the standardized value is used when several hours have passed from the start of sleep. It is said that it is desirable to shift to judgment, but there was no disclosure about when to shift to judgment based on standardized values. If the timing of shifting to the judgment based on the standardized value is not correct, the standardization cannot be performed properly, and as a result, the sleep state of the person may not be estimated accurately.
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、特徴量等の標準化を適切に行うことができ、それにより、標準化された特徴量等に基づいて対象の睡眠状態を精度良く推定することができる睡眠状態推定装置、睡眠状態推定方法及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to appropriately standardize the feature amount and the like, thereby accurately estimating the sleep state of the subject based on the standardized feature amount and the like. It is an object of the present invention to provide a sleep state estimation device, a sleep state estimation method, and a program capable of performing the above.
上記目的を達成するため、本発明に係る睡眠状態推定装置は、
対象の生体信号に基づく生体信号パラメータを取得する取得手段と、
前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたと判定されたときまでの前記生体信号パラメータに基づいて、標準化用パラメータを生成する生成手段と、
前記生成された標準化用パラメータに基づいて前記生体信号パラメータを標準化する標準化手段と、
前記標準化された前記生体信号パラメータに基づいて前記対象の睡眠状態を推定する推定手段と、
を備える。
In order to achieve the above object, the sleep state estimation device according to the present invention
An acquisition means for acquiring biological signal parameters based on the target biological signal, and
A determination means for determining whether or not a certain sleep state has appeared as the target sleep state, and
A generation means for generating standardization parameters based on the biological signal parameters up to the time when it is determined by the determination means that a certain sleep state has appeared as the target sleep state.
A standardization means for standardizing the biological signal parameter based on the generated standardization parameter,
An estimation means for estimating the sleep state of the subject based on the standardized biological signal parameters, and
To be equipped.
本発明によれば、特徴量等の標準化を適切に行うことができ、それにより、標準化された特徴量等に基づいて対象の睡眠状態を精度良く推定することができる。 According to the present invention, it is possible to appropriately standardize the feature amount and the like, thereby accurately estimating the sleep state of the target based on the standardized feature amount and the like.
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付す。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the figure are designated by the same reference numerals.
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係る睡眠状態推定装置100は、センサにより、対象としての人間の被験者の生体信号を取得し、取得した生体信号を用いて被験者の睡眠状態を推定する装置である。図1に示すように、睡眠状態推定装置100は、機能構成として、制御部10と、記憶部20と、センサ部30と、入力部41と、出力部42と、通信部43と、を備える。
(First Embodiment)
The sleep
制御部10は、CPU(Central Processing Unit)等で構成され、記憶部20に記憶されたプログラムを実行することにより、後述する各部(取得部11、判定部12、生成部13、標準化部14、推定部15)の機能を実現する。また、制御部10は時間を計時する機能も備えている。
The
記憶部20は、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等で構成される。ROMには、制御部10のCPUが実行するプログラム及びプログラムを実行する上で予め必要なデータが、記憶されている。RAMには、プログラム実行中に作成されたり変更されたりするデータが記憶される。
The
センサ部30は、容積脈波を検出する脈波センサ及び体動を検出する加速度センサを備え、これらのセンサは、例えば被験者の耳に装着される。脈波センサは、被験者の皮膚の表面から光を照射し、その反射光や透過光を観測することにより、血液内の酸化ヘモグロビンによる光の吸収量の変化を検出する。この光の吸収量の変化は血管の容積変化に対応するので、脈波センサにより、図2に示すように、血管の容積変化を波形としてとらえた脈波201が得られる。
The
そして、血管の容積変化は心臓の拍動に同期していると考えられるので、脈波がピークとなるタイミングを、心臓の拍動が発生した時のタイミング(以下「拍動タイミング」という)として推定することができ、また、時間軸上で互いに隣り合う脈波の2つのピークの時間間隔を、心拍間隔(R−R Interval:RRI)として推定することができる。拍動タイミングは、CPUが有するタイマ(又はクロック)や、脈波のサンプリング周波数を用いて、推定することができるが、他の適当な手法で推定してもよい。したがって、制御部10は、センサ部30で検出した脈波に基づき、心拍間隔を推定することができる。図2では、脈波201がピークとなっているタイミングが拍動タイミング201t,202t,203tに相当し、また、脈波201のピークの間隔が心拍間隔202i,203iに相当する。
Since it is considered that the change in blood vessel volume is synchronized with the heartbeat, the timing at which the pulse wave peaks is defined as the timing when the heartbeat occurs (hereinafter referred to as "beating timing"). It can be estimated, and the time interval between two peaks of pulse waves adjacent to each other on the time axis can be estimated as a heartbeat interval (RR Interval: RRI). The pulsation timing can be estimated by using the timer (or clock) of the CPU or the sampling frequency of the pulse wave, but it may be estimated by another appropriate method. Therefore, the
また、加速度センサは3軸(互いに直行するX軸、Y軸、Z軸)のそれぞれの方向における加速度を検出することにより、被験者の体動を検出する。 In addition, the acceleration sensor detects the body movement of the subject by detecting the acceleration in each of the three axes (X-axis, Y-axis, and Z-axis orthogonal to each other).
入力部41は、例えばキーボード、マウス、タッチパネル等から構成される。入力部41は、例えば、睡眠状態推定処理の開始/終了の指示等のユーザ操作を受け付けるためのインタフェースである。
The
出力部42は、例えば、LCD(Liquid Crystal Display)、EL(Electroluminescence)ディスプレイ等の表示部、スピーカ、ブザー等の音出力部、バイブレータ等の振動部等を備える。ただし、出力部42はこれらのうちの一部のみを備えていてもよい。出力部42は、例えば、睡眠状態推定装置100が推定した睡眠状態を表示する。また、睡眠状態推定装置100が目覚まし時計として使用される場合には、出力部42は、例えば、指定された時刻に音を鳴らす。
The
通信部43は、外部の他の装置とデータ等のやり取りを行う通信インタフェースである。この通信インタフェースは無線/有線を問わない。例えば、睡眠状態推定装置100は、推定した睡眠状態を、通信部43を介して、外部のサーバ等に送信することができる。
The
次に、睡眠状態推定装置100の制御部10の機能的構成について説明する。制御部10は、取得部11、判定部12、生成部13、標準化部14、推定部15、の機能を実現し、被験者の睡眠状態を推定する。なお本実施形態では、睡眠状態として、wake(覚醒状態)、REM(レム睡眠状態)、N1(ノンレム睡眠状態のうち浅い眠りの状態)、N2(ノンレム睡眠状態のうち中程度の深さの眠りの状態)、N3(ノンレム睡眠状態のうち深い眠りの状態)の5状態が存在するものとして扱う。ただし、睡眠状態に関しては、レム睡眠状態とノンレム睡眠状態とを区別しさえすればよく、ノンレム睡眠状態をいくつの状態に区別するかは任意である。
Next, the functional configuration of the
取得部11は、センサ部30が備えるセンサによって検出される生体信号(脈波、体動(加速度)等)から算出される特徴量(RRI系特徴量、体動系特徴量、呼吸系特徴量)を取得する。ここで、RRI系特徴量とは、被験者の心拍間隔に関する特徴量であり、体動系特徴量とは、被験者の体の動きに関する特徴量であり、呼吸系特徴量とは、被験者の呼吸に関する特徴量である。取得部11は、取得手段として機能する。
The
取得部11の動作についてより詳細に説明する。取得部11は、センサ部30によって得られる検出値のうち脈波センサの検出値を、あるサンプリング周波数(例えば250Hz)でサンプリングして、脈波のデータ列を取得する。そして、脈波のデータ列から振幅のピークを検出することにより、前記拍動タイミングを時系列で推定し、時間軸上で互いに隣り合う2つの拍動タイミングの時間間隔を、心拍間隔(RRI)として推定する。推定された心拍間隔を、横軸に時間、縦軸に心拍間隔(横軸の拍動タイミングとその直前の拍動タイミングとの間隔)をとって並べると、図3に示すようなグラフが得られる。
The operation of the
図3では、拍動タイミング204tと拍動タイミング205tとの間に本来あった拍動を推定できなかった場合の例が示されており、この場合、心拍間隔205iは外れ値(異常値)として除去される。外れ値を除去する方法としては、任意の方法がとれるが、簡単には、ある時間範囲に収まらない心拍間隔、例えば0.5秒未満又は2秒以上の心拍間隔はあり得ない値であるとして除去する方法が挙げられる。
FIG. 3 shows an example in which the original pulsation between the
そして、取得部11は、外れ値を除去した後の心拍間隔のデータ列を、上記のサンプリング周波数よりも低いリサンプリング周波数(例えば2Hz)でリサンプリングして、等間隔RRIのデータ列を生成し、生成したデータ列を取得する。等間隔RRIとは、心拍間隔のデータ列を補間して、時間的に等間隔にデータをリサンプリングしたものである。心拍には揺らぎがあり、心拍間隔のデータ列は時間的に等間隔には取得されないため、そのまま用いることは難しい。そこで、本実施形態では心拍間隔のデータ列から等間隔RRIのデータ列を取得し、等間隔RRIのデータ列を用いて特徴量を算出している。この等間隔RRIのデータ列の取得方法も任意の方法がとれるが、例えば、図4に示すように、外れ値除去後の心拍間隔を直線補間(スプライン補間等も可能)して点線200を求め、補間された点線200上の値を上記のリサンプリング周波数の逆数の周期(例えば0.5秒)毎に点211、点212、…、点223のようにリサンプリングしていく方法が挙げられる。
Then, the
また、取得部11は、加速度センサの検出値をあるサンプリング周波数(例えば2Hz)でサンプリングして加速度のデータ列を取得する。なお、サンプリング周波数やリサンプリング周波数は、例示した250Hzや2Hzに限定されるわけではない。特に脈波センサのサンプリング周波数の250Hzは、十分に余裕を持たせた値であり、実際には80Hz〜100Hz程度でも問題ないと考えられる。また、上で例示した心拍間隔のリサンプリング周波数と加速度のサンプリング周波数はどちらも2Hzで一致しているが、これらを一致させる必要はない。
Further, the
そして、基準時点tにおける睡眠状態を推定する際には、取得部11は、等間隔RRIのデータ列及び加速度のデータ列から、図5に示すような、基準時点tを基準とした互いに異なる時間長の複数の時間窓(窓1〜窓19)で、各時間窓に対応したあるサンプル数(512,256,128,64)のデータを抽出する。図5では、等間隔RRIのデータ列を点線231で、加速度のデータ列を一点鎖線232で、それぞれ示している。以下、等間隔RRIのデータ列から各時間窓で抽出されたデータ列をrdata[p][i]で表し、加速度のデータ列から各時間窓で抽出されたデータ列をmdata[p][i]で表す。なお、pは時間窓の番号で、iはサンプルの番号である。つまり、pは1から19までの値となり、データ列rdata[p][i]及びデータ列mdata[p][i]の抽出に用いた時間窓のサンプル数がnなら、iは1からnまでの値となる。
Then, when estimating the sleep state at the reference time point t, the
図5に示すように、窓1は、基準時点tを中心とする、例えば512サンプルの時間窓であり、また、前述したように、等間隔RRIのデータ列のリサンプリング周波数、及び、加速度センサの検出値のサンプリング周波数はいずれも2Hzであり、これらのサンプリング周期は0.5秒である。以上より、窓1でデータ列を抽出すると、各データ列から、基準時点tを中心とする、0.5秒×512=256秒=4分16秒の長さの期間の間の512サンプル分のデータが得られる。また、窓3は、基準時点tを中心とする、例えば256サンプル基準時点の時間窓であり、窓3でデータ列を抽出すると、各データ列から、基準時点tを中心とする、0.5秒×256=128秒=2分8秒の長さの期間の間の256サンプル分のデータが得られる。窓2と窓4は、例えばサンプル数は256で窓3と同じだが、中心のタイミングが例えば128サンプル(=64秒)ずつ前後にずれた時間窓なので、これらの時間窓でデータ列を抽出すると、中心のタイミングが前後に128サンプルずつずれた、256サンプル分のデータが得られる。
As shown in FIG. 5, the window 1 is, for example, a time window of 512 samples centered on the reference time point t, and as described above, the resampling frequency of the data string of the equidistant RRI and the accelerometer. The sampling frequency of each of the detected values of is 2 Hz, and the sampling period of these is 0.5 second. From the above, when the data strings are extracted from the
そして、窓5〜11は、いずれも例えば128サンプルで、図5に示すように、時間軸上で前からこの順番で並んでいる時間窓である。これらのうち一番前にある窓5は、中心のタイミングが例えば基準時点tの128+64サンプル(=96秒)前の時間窓なので、窓5でデータ列を抽出すると、各データ列から、基準時点t−96秒を中心とする、0.5秒×128=64秒=1分4秒の長さの期間の間の128サンプル分のデータが得られる。窓6〜窓11は、サンプル数は例えば128で窓5と同じだが、中心のタイミングが例えば64サンプル(=32秒)ずつずれた時間窓なので、これらの時間窓でデータ列を抽出すると、中心のタイミングが64サンプルずつずれた、128サンプル分のデータが得られる。 The windows 5 to 11 are, for example, 128 samples, and as shown in FIG. 5, are time windows arranged in this order from the front on the time axis. The window 5 at the front of these is a time window whose center timing is, for example, 128 + 64 samples (= 96 seconds) before the reference time t. Therefore, when the data string is extracted by the window 5, the reference time is extracted from each data string. Data for 128 samples can be obtained during a period of 0.5 seconds x 128 = 64 seconds = 1 minute and 4 seconds centered on t-96 seconds. The number of samples of windows 6 to 11 is 128, which is the same as that of window 5, but the center timing is shifted by, for example, 64 samples (= 32 seconds). Therefore, when the data string is extracted in these time windows, the center is obtained. Data for 128 samples can be obtained with the timing of the above shifted by 64 samples.
そして、窓12〜窓19は、いずれも例えば64サンプルで、図5に示すように、時間軸上で前からこの順番で並んでいる時間窓である。これらのうち一番前にある窓12は、中心のタイミングが例えば基準時点tの128+64+32サンプル(=112秒)前の時間窓なので、窓12でデータ列を抽出すると、各データ列から、基準時点t−112秒を中心とする、0.5秒×64=32秒の長さの期間の間の64サンプル分のデータが得られる。窓13〜窓19は、サンプル数は例えば64で窓12と同じだが、中心のタイミングが例えば64サンプル(=32秒)ずつずれた時間窓なので、これらの時間窓でデータ列を抽出すると、中心のタイミングが64サンプルずつずれた、64サンプル分のデータが得られる。
The
なお、上記の説明では、各時間窓は基準時点tを基準とした互いに異なる時間長の窓であったが、必ずしも基準時点tを基準としなくてもよい。すなわち、時間窓は、基準時点tが存在しなくても、ある期間内に互いに異なる期間で設定された複数の時間窓の組であればよい。 In the above description, each time window is a window having different time lengths based on the reference time point t, but it is not always necessary to use the reference time point t as a reference. That is, the time window may be a set of a plurality of time windows set in different periods within a certain period even if the reference time point t does not exist.
次に、取得部11は、このように、各時間窓によって抽出されたデータ列から、特徴量(RRI系特徴量、体動系特徴量、呼吸系特徴量)を、時間窓毎に算出する。上述したように、時間窓の番号(1〜19)をpで、各時間窓で抽出されたデータ列内のサンプルの番号をiで、それぞれ表すとすると、等間隔RRIのデータ列はrdata[p][i]、加速度のデータ列はmdata[p][i]として表すことができる。
Next, the
RRI系特徴量とは、等間隔RRIの時系列データから得られる特徴量であり、より詳細には、周波数系特徴量と時間系特徴量とに2分される。周波数系特徴量は、上述した時間窓で抽出された等間隔RRIのデータ列rdata[p][i]の周波数成分から得られる特徴量である。また、時間系特徴量は、等間隔RRIのデータ列rdata[p][i](時系列データ)そのものから得られる特徴量である。なお、後述する体動系特徴量も、上述した時間窓で抽出された加速度のデータ列mdata[p][i](時系列データ)そのものから得られる特徴量なので、時間系特徴量である。 The RRI feature amount is a feature amount obtained from time-series data of evenly spaced RRI, and more specifically, it is divided into a frequency system feature amount and a time system feature amount. The frequency system feature quantity is a feature quantity obtained from the frequency components of the data strings rdata [p] [i] of the equidistant RRI extracted in the above-mentioned time window. Further, the time-based feature amount is a feature amount obtained from the data sequence rdata [p] [i] (time-series data) itself of the equidistant RRI. The body movement feature amount described later is also a time system feature amount because it is a feature amount obtained from the acceleration data sequence mdata [p] [i] (time series data) itself extracted in the time window described above.
本実施形態では、周波数系特徴量として、rdata[p][i]に対してFFT(Fast Fourier Transform)を行うことなどによって、以下のvlf、lf、hf、tf、hf_lfhf、lf_hf、vlf/tf、lf/tf、hf/tfの9個の値を、時間窓毎に導出する。ただし、各値は以下のとおりである。
vlf:vlf_max(例えば0.01Hz)以下のパワースペクトル。
lf:vlf_maxより大きく、lf_max(例えば0.15Hz)以下のパワースペクトル。
hf:lf_maxより大きく、hf_max(例えば0.5Hz)以下のパワースペクトル。
tf=vlf+lf+hf
hf_lfhf=hf/(hf+lf)
lf_hf=lf/hf
時間窓毎に上記9個の値が得られ、時間窓が19個あるため、合計9×19=171個の特徴量が導出される。
In the present embodiment, the following vlf, lf, hf, tf, hf_lfhf, lf_hf, and llf / tf are performed by performing FFT (Fast Fourier Transform) on rdata [p] [i] as frequency system features. , Lf / tf, hf / tf, 9 values are derived for each time window. However, each value is as follows.
vlf: Power spectrum below vlf_max (eg 0.01 Hz).
lf: A power spectrum greater than vlf_max and less than or equal to lf_max (eg 0.15 Hz).
hf: Power spectrum greater than lf_max and less than or equal to hf_max (eg 0.5 Hz).
tf = vlf + lf + hf
hf_lfhf = hf / (hf + lf)
lf_hf = lf / hf
Since the above nine values are obtained for each time window and there are 19 time windows, a total of 9 × 19 = 171 feature quantities are derived.
また、本実施形態では、RRI系特徴量の時間系特徴量として、等間隔RRIの時系列データrdata[p][i]から、以下のmRRI、mHR、sdRRI、cvRRI、RMSSD、pNN50の6個の値を、時間窓毎に導出する。ただし、rdata[p][i]の値の単位はミリ秒とし、各値は以下のとおりである。
mRRI=rdata[p][i]の平均値
mHR=60000/mRRI
(注:ミリ秒を単位とするmRRIから、1分当たりの拍数(mHR)を求めるため、60秒×1000=60000をmRRIで割っている。)
sdRRI=rdata[p][i]の標準偏差
cvRRI=sdRRI/mRRI
RMSSD=互いに隣り合うrdata[p][i]の差の二乗の平均値の平方根
pNN50=互いに隣り合うrdata[p][i]の差が所定の時間(例えば50ミリ秒)を超える割合
(注:連続した隣接する心拍間隔の差が50ミリ秒を超える割合は、迷走神経緊張強度の指標とされているため、本実施形態では上記所定の時間として50ミリ秒を採用している。)
時間窓毎に上記6個の値が得られ、時間窓が19個あるため、合計6×19=114個の特徴量が導出される。
Further, in the present embodiment, as the time-based features of the RRI-based features, the following six mRRI, mHR, sdRRI, cvRRI, RMSSD, and pNN50 are used from the time-series data rdata [p] [i] of the equidistant RRI. The value of is derived for each time window. However, the unit of the value of rdata [p] [i] is milliseconds, and each value is as follows.
average value of mRRI = rdata [p] [i] mHR = 60000 / mRRI
(Note: In order to obtain the number of beats per minute (mHR) from mRRI in milliseconds, 60 seconds x 1000 = 60,000 is divided by mRRI.)
Standard deviation of sdRRI = rdata [p] [i] cvRRI = sdRRI / mRRI
RMSD = square root mean square of the difference between adjacent rdata [p] [i] pNN50 = ratio of the difference between adjacent rdata [p] [i] exceeding a predetermined time (for example, 50 milliseconds) (Note) : Since the rate at which the difference between consecutive adjacent heartbeat intervals exceeds 50 milliseconds is an index of vagal nerve tone intensity, 50 milliseconds is adopted as the predetermined time in this embodiment.)
Since the above 6 values are obtained for each time window and there are 19 time windows, a total of 6 × 19 = 114 feature quantities are derived.
また、体動系特徴量とは、加速度センサで得られる検出値(3軸それぞれの加速度の値)の時系列データから得られる特徴量である。本実施形態では、体動系特徴量として、上述した時間窓で抽出された加速度のデータ列mdata[p][i]から、以下のmACT、sdACT、minACT、maxACT、cvACTの5個の値を、時間窓毎に導出する。ただし、各値は以下のとおりである。
mACT=mdata[p][i]の平均値
sdACT=mdata[p][i]の標準偏差
minACT=mdata[p][i]の最小値
maxACT=mdata[p][i]の最大値
cvACT=sdACT/mACT
時間窓毎に上記5個の値が得られ、時間窓が19個あるため、合計5×19=95個の特徴量が導出される。
The body movement system feature amount is a feature amount obtained from time-series data of detected values (acceleration values of each of the three axes) obtained by the acceleration sensor. In the present embodiment, the following five values of mACT, sdACT, minACT, maxACT, and cvACT are used as the body movement system features from the acceleration data sequence mdata [p] [i] extracted in the time window described above. , Derived for each time window. However, each value is as follows.
mACT = mean value of mdata [p] [i] sdACT = standard deviation of mdata [p] [i] minACT = minimum value of mdata [p] [i] maxACT = maximum value of mdata [p] [i] cvACT = sdACT / mACT
Since the above five values are obtained for each time window and there are 19 time windows, a total of 5 × 19 = 95 feature quantities are derived.
また、呼吸系特徴量とは、呼吸に関する特徴量である。この特徴量を求めるために呼吸を検出する専用のセンサをセンサ部30に備えてもよいが、等間隔RRIの時系列データには、呼吸に依存する変動リズムである脈波呼吸性洞性不整脈(Respiratory Sinus Arrhythmia:RSA)が含まれているので、本実施形態ではこれを用いる。具体的には、等間隔RRIの時系列データを上述のサンプル数256の時間窓(窓2、窓3及び窓4)で抽出し、各時間窓(窓2、窓3及び窓4)で抽出したデータ列(rdata[2][i]、rdata[3][i]及びrdata[4][i])に対してFFTを行い、例えば0.1Hz〜0.4Hz(LF(Low Frequency)帯)の範囲でエネルギーが最大となる周波数を求め、RSA[j]とする。ただし、jは抽出に用いた時間窓に対応する(窓2:j=0、窓3:j=1、窓4:j=2)。
The respiratory feature amount is a feature amount related to respiration. A dedicated sensor for detecting respiration may be provided in the
そして、このように求めたRSA[j]から得られる以下のmRSA、sdRSA、minRSA、maxRSA、cvRSA、RSA[1]の6個の値を用いる。ただし、各値は以下のとおりである。
mRSA=RSA[j]の平均値=(RSA[0]+RSA[1]+RSA[2])/3
sdRSA=RSA[j]の標準偏差=RSA[0]、RSA[1]及びRSA[2]から得られる標準偏差
minRSA=RSA[j]の最小値=min(RSA[0],RSA[1],RSA[2])
maxRSA=RSA[j]の最大値=max(RSA[0],RSA[1],RSA[2])
cvRSA=sdRSA/mRSA(ただし、mRSA≒0なら、cvRSA=0)
RSA[1]=中央の時間窓である窓3で抽出したデータ列から得られるRSA
上述のように呼吸系特徴量については、時間窓毎に値が得られるわけではないので、上記6個の特徴量が導出される。なお、呼吸系特徴量についても、時間窓毎に値を算出することによって、多数の特徴量を導出してもよい。
Then, the following six values of mRSA, sdRSA, minRSA, maxRSA, cvRSA, and RSA [1] obtained from the RSA [j] thus obtained are used. However, each value is as follows.
mRSA = average value of RSA [j] = (RSA [0] + RSA [1] + RSA [2]) / 3
Standard deviation of sdRSA = RSA [j] = Minimum value of standard deviation minRSA = RSA [j] obtained from RSA [0], RSA [1] and RSA [2] = min (RSA [0], RSA [1]] , RSA [2])
max RSA = RSA [j] maximum value = max (RSA [0], RSA [1], RSA [2])
cvRSA = sdRSA / mRSA (However, if mRSA≈0, cvRSA = 0)
RSA [1] = RSA obtained from the data string extracted in
As described above, since the values of the respiratory system features cannot be obtained for each time window, the above six features are derived. As for the respiratory feature amount, a large number of feature amounts may be derived by calculating the value for each time window.
取得部11は、このように、生体信号(等間隔RRIや加速度)の時系列データを互いに異なる期間である複数の時間窓で抽出し、抽出した時系列データを用いて、RRI系特徴量、体動系特徴量、呼吸系特徴量等の特徴量を取得する。本実施形態では上述の基準時点tをある時間(例えば30秒)ずつ進めていくので、取得部11は、ある時間ごとにこれらの特徴量を取得する。なお、上述した特徴量は一例であり、取得部11は、上述した特徴量のうちの一部の特徴量のみを取得してもよいし、上述した特徴量以外の特徴量を取得してもよい。
In this way, the
判定部12は、被験者の睡眠状態として、被験者が入床してから1回目のレム睡眠状態が現れたか否かを判定する。ただし、通常、睡眠中は1サイクル(約90分〜120分)で、レム睡眠状態を含む全ての睡眠状態が出現する。したがって、本実施形態では判定部12は、被験者が入床してから所定の時間(例えば120分)が経過したことを理由として、1回目のレム睡眠状態が現れたと判定する。被験者の入床をどのように判定するかは任意であるが、本実施形態では、加速度センサにより被験者が一定時間以上継続して横になっていることを検出したら、当該被験者が入床したとみなし、当該被験者が横になった時刻を入床時刻(対象が入床した時刻)と判定している。判定部12は、判定手段として機能する。なお、ここで入床とは、必ずしも被験者がベッド等に横たわることに限られない。被験者が眠るために椅子に座る等、被験者が眠るための姿勢を取ることや、眠るための動作をすることが含まれる。
The
なお、判定部12は、レム睡眠状態以外のある睡眠状態(例えば、前記wake、N1、N2及びN3のいずれか)が現れたか否かを判定してもよい。上述したように、通常、睡眠中は1サイクル(約90分〜120分)で、全ての睡眠状態が出現するので、判定部12は、被験者が入床してから所定の時間(例えば120分)が経過したことを理由として、当該ある睡眠状態が現れたと判定してもよい。
The
生成部13は、被験者が入床してから、判定部12でレム睡眠状態(又はある睡眠状態)が現れたと判定されたとき(被験者の入床から2時間が経過したとき)までの生体信号を用いて取得部11で取得された特徴量(RRI系特徴量、体動系特徴量、呼吸系特徴量等)に基づいて、標準化用パラメータを生成する。本実施形態では、標準化用パラメータは、RRI系特徴量、体動系特徴量、呼吸系特徴量の各々について生成される。また、本実施形態では、標準化用パラメータとは、被験者が入床した時刻をt=t[0]、判定部12でレム睡眠状態が現れたと判定された時刻をt=t[z]とすると、t=t[0]からt=t[z]になるまでの間の特徴量の平均値及び標準偏差である。
The
具体的には、ある特徴量のデータをx[i](ただしiは1からnまでの整数。タイミングt=t[0]における特徴量はx[1]であり、t=t[z]における特徴量はx[n]である。)で表すとすると、生成部13は、以下の式(1)及び(2)により、特徴量x[i]の平均値a及び標準偏差sを、標準化用パラメータとして算出する。
Specifically, the data of a certain feature amount is x [i] (where i is an integer from 1 to n. The feature amount at the timing t = t [0] is x [1], and t = t [z]. The feature amount in (1) and (2) is expressed by (1) and (2) below, and the
生成部13は、生成手段として機能する。
The
標準化部14は、生成部13で生成(算出)された標準化用パラメータに基づいて、取得部11が取得した特徴量を(RRI系特徴量、体動系特徴量、呼吸系特徴量の各々について)標準化する。具体的には、上述のように、ある特徴量のデータをx[i]で表すとすると、以下の式(3)により、z[i]を標準化された特徴量として算出する。
z[i]=(x[i]−a)/s …(3)
このようにすることで、標準化された特徴量は、平均値が0、分散が1となる。標準化部14は、標準化手段として機能する。
Based on the standardization parameters generated (calculated) by the
z [i] = (x [i] -a) / s ... (3)
By doing so, the standardized features have an average value of 0 and a variance of 1. The
推定部15は、標準化部14で標準化された特徴量に基づいて、被験者の睡眠状態を推定する。推定部15は推定手段として機能する。この推定には、標準化された特徴量を入力すると睡眠状態(wake、REM、N1、N2、N3の5状態のうちの1つ)を表すパラメータを出力するように予め学習された「多クラス‐ロジスティック回帰」を使用する。これは、被験者の睡眠状態がwakeとそれ以外の睡眠状態とのいずれであるかを識別する2クラス識別器、REMとそれ以外の睡眠状態とのいずれであるかを識別する2クラス識別器、N1とそれ以外の睡眠状態とのいずれであるかを識別する2クラス識別器、N2とそれ以外の睡眠状態とのいずれであるかを識別する2クラス識別器、N3とそれ以外の睡眠状態とのいずれであるかを識別する2クラス識別器、の5つの2クラス識別器を用意し、これら5つの識別器にそれぞれ標準化された特徴量を入力したときに、出力値が最大となる2クラス識別器に対応する睡眠状態を被験者の睡眠状態と推定する。もし、出力値が最大となる2クラス識別器が複数生じた場合は、その中で最も直近に当該睡眠状態であると推定されていた睡眠状態を基に推定する。
The
専門家により脳波等を元に、前記基準時点tを進めるある時間(30秒)毎に、睡眠状態の正解データがラベル付与されている被験者のデータが学習用データとして用意されており、これらの識別器はこの学習用データを用いて、予め学習される。これらの識別器の学習は、何人もの被験者を用いて繰り返し行われ、各被験者について、被験者の一晩中の生体信号から特徴量を取得し、取得した特徴量から標準化用パラメータ(特徴量の平均値及び標準偏差)を求め、求めた標準化用パラメータを用いて特徴量を標準化し、標準化された特徴量を用いて識別器を学習させる。 The data of the subject to which the correct answer data of the sleeping state is labeled is prepared as the learning data at a certain time (30 seconds) for advancing the reference time point t based on the brain wave or the like by an expert. The classifier is pre-learned using this learning data. The learning of these classifiers is repeated using a number of subjects, and for each subject, the feature amount is acquired from the biological signal of the subject overnight, and the standardization parameter (mean of the feature amount) is obtained from the acquired feature amount. (Value and standard deviation) are obtained, the features are standardized using the obtained standardization parameters, and the classifier is trained using the standardized features.
以上、睡眠状態推定装置100の機能構成について説明した。次に、睡眠状態推定装置100の睡眠状態推定処理について、図6を参照して説明する。睡眠状態推定装置100は、入力部41を介してユーザから睡眠状態推定処理の開始の指示を受けると、睡眠状態推定処理を開始する。なお、睡眠状態推定装置100のユーザは、睡眠状態推定処理の被験者であってもよいし、被験者でなくてもよい。
The functional configuration of the sleep
まず、睡眠状態推定装置100の取得部11は、センサ部30が備えるセンサによって検出される生体信号(脈波、加速度等)を取得する(ステップS101)。ステップS101の最初の実行時は上述の窓1の時間以上の時間(例えば5分間)行われ、2回目以降のステップS101は、所定の時間(例えば30秒間)ずつ基準時点tを時間軸上でずらしながら行われる。すなわち、ステップS101の最初の実行時に窓1〜窓19でのデータ列抽出が行えるだけの生体信号を取得し、2回目以降は次の所定の時間(例えば30秒)分の生体信号を取得する。所定の時間が30秒の場合、この30秒間で、脈波のように例えば100Hzでサンプリングされるデータは3万個のデータ列として、加速度のように例えば2Hzでサンプリングされるデータは60個のデータ列として、それぞれ取得され、記憶部20に格納される。
First, the
次に、取得部11は、記憶部20に格納された生体信号のうち、脈波のデータ列から時系列に沿った拍間隔のデータ列を算出し、拍間隔のデータ列を例えば2Hzでリサンプリングすることによって、0.5秒ごとの等間隔RRIのデータ列(rdata[p][i])を算出する(ステップS102)。
Next, the
次に、取得部11は、記憶部20に格納された生体信号のうち、加速度のデータ列から体動データのデータ列(mdata[p][i])を生成する(ステップS103)。加速度のデータ列に含まれる各データは(AX(X軸方向の加速度),AY(Y軸方向の加速度),AZ(Z軸方向の加速度))という3つ組のデータであるが、ここで、体動データとは、この3つ組のデータ(AX,AY,AZ)から得られる加速度のノルムである。したがって、mdata[p][i]は以下の式(4)で表される。
Next, the
次に、取得部11は、等間隔RRIのデータ列(rdata[p][i])及び体動データのデータ列(mdata[p][i])から特徴量(RRI系特徴量、体動系特徴量、呼吸系特徴量の各々)を算出し、記憶部20に格納する(ステップS104)。各特徴量の算出方法は上述したとおりである。ステップS104は、取得ステップとも呼ばれる。
Next, the
次に、判定部12は、被験者の入床から所定時間である2時間が経過したか否かを判定する(ステップS105)。ステップS105は判定ステップとも呼ばれる。通常、入床から2時間が経過すれば、全ての睡眠状態が出現すると考えられるからである。被験者の入床から2時間経過していないなら(ステップS105;No)、ステップS101に戻る。被験者の入床から2時間が経過しているなら(ステップS105;Yes)、生成部13は、それまでに記憶部20に格納された特徴量に基づき、標準化用パラメータを上述したようにして生成(算出)する(ステップS106)。ステップS106は生成ステップとも呼ばれる。
Next, the
そして、標準化部14は、標準化用パラメータを用い、記憶部20に格納されている特徴量を上述したようにして標準化する(ステップS107)。ステップS107は標準化ステップとも呼ばれる。そして、推定部15は、標準化された特徴量を用いて、入床からの睡眠状態を推定する(ステップS108)。睡眠状態の推定手法は上述したとおりである。ステップS108は推定ステップとも呼ばれる。
Then, the
次に、取得部11は、センサ部30が備えるセンサによって検出される生体信号(脈波、加速度等)を取得する(ステップS109)。ステップS109も上述した2回目以降のステップS101と同様に所定の時間(例えば30秒間)ずつ基準時点tをずらしながら行われる。
Next, the
次のステップS110、ステップS111、ステップS112及びステップS113の処理は、それぞれ、ステップS102、ステップS103、ステップS104及びステップS107の処理と同様である。そして、推定部15は、標準化された特徴量を用い、上述したようにして睡眠状態を推定する(ステップS114)。
The processing of the following steps S110, step S111, step S112, and step S113 is the same as the processing of step S102, step S103, step S104, and step S107, respectively. Then, the
そして、制御部10は、終了条件を満たしたか否かを判定する(ステップS115)。終了条件は任意の条件を設定可能である。例えば、時刻が朝の7時になったら終了としても良いし、ユーザにより入力部41から終了の指示が入力されたら終了としても良いし、推定部15による推定結果が所定の状態(例えばwake)になったら終了としても良い。また、これらの条件を組み合わせたもの(例えば時刻の条件と推定結果の条件を組み合わせたもの)を終了条件としても良い。例えば被験者が目覚まし時刻として設定した時刻の前後1時間以内の時刻において推定部15による推定結果がある睡眠状態(例えばwakeまたはREM)なら終了としても良い。
Then, the
終了条件を満たしていないなら(ステップS115;No)、ステップS109に戻る。終了条件を満たしているなら(ステップS115;Yes)、睡眠状態推定処理を終了する。なお、睡眠状態推定装置100が、目覚まし時計として使用される場合は、終了条件を満たしたら、制御部10は、睡眠状態推定処理を終了する前に、出力部42から音を鳴らしたり、バイブレータを振動させたりしてもよい。
If the end condition is not satisfied (step S115; No), the process returns to step S109. If the end condition is satisfied (step S115; Yes), the sleep state estimation process is terminated. When the sleep
以上の睡眠状態推定処理により、被験者が入床してから2時間が経過した後は標準化部14により標準化された特徴量を用いて推定部15は睡眠状態を推定できるので、睡眠状態推定装置100は、被験者が睡眠中であっても睡眠状態をリアルタイムで推定することができる。そして、被験者が入床してから2時間が経過するまでの間に全ての睡眠状態(wake,REM,N1,N2,N3)が出現していると想定できるため、生成部13は全ての睡眠状態が出現した後に標準化用パラメータを生成することができ、推定部15での睡眠状態の推定精度を向上させることができる。
By the above sleep state estimation process, after 2 hours have passed since the subject entered the bed, the sleep
(変形例1)
上述の第1の実施形態に係る睡眠状態推定方法(図6)では、ステップS106で生成した標準化用パラメータをその後ずっと使い続けることになるが、取得した特徴量が増えるにしたがって、標準化用パラメータを更新することも考えられる。このような変形例1について説明する。
(Modification example 1)
In the sleep state estimation method (FIG. 6) according to the first embodiment described above, the standardization parameter generated in step S106 will continue to be used forever, but as the acquired features increase, the standardization parameter will be used. It is also possible to update. Such a modification 1 will be described.
変形例1に係る生成部13は、被験者が入床してから、判定部12でレム睡眠状態(又はある睡眠状態)が現れたと判定されたとき(被験者の入床から2時間が経過したとき)までは、第1の実施形態と同様に標準化用パラメータを生成する。しかし、変形例1に係る生成部13は、その後も、特徴量が取得されるのに応じて、それまでに取得された特徴量をすべて用いて特徴量の平均値及び標準偏差を求め直し、その求め直した平均値及び標準偏差を標準化用パラメータとする。つまり、変形例1に係る生成部13は、取得部11が特徴量を取得するのに応じて、標準化用パラメータを更新する。
The
変形例1に係る睡眠状態推定装置100の睡眠状態推定処理について、図7を参照して説明する。この処理は、第1の実施形態に係る睡眠状態推定処理(図6)と一部を除いて同様の処理であるため、異なる点を中心に説明する。
The sleep state estimation process of the sleep
ステップS101からステップS112までの処理は、第1の実施形態に係る睡眠状態推定処理(図6)と同様の処理になるので、説明を省略する。ステップS112で取得部11が特徴量を算出した後、生成部13は、それまでに得られた特徴量を用いて標準化用パラメータを更新する(ステップS121)。そして、ステップS121の後のステップS113以降の処理は、第1の実施形態に係る睡眠状態推定処理(図6)と同様の処理になるので、説明を省略する。
Since the processes from step S101 to step S112 are the same as the sleep state estimation process (FIG. 6) according to the first embodiment, the description thereof will be omitted. After the
以上の睡眠状態推定処理により、第1の実施形態に係る睡眠状態推定処理の場合と同様、被験者が睡眠中であっても睡眠状態をリアルタイムで推定することができるとともに、推定部15での睡眠状態の推定精度を向上させることができる。さらに、変形例1に係る睡眠状態推定装置100は、被験者が入床してから2時間経過後以降も標準化用パラメータを更新し続けるので、推定部15での睡眠状態の推定精度をさらに向上させることができる。
By the above sleep state estimation process, as in the case of the sleep state estimation process according to the first embodiment, the sleep state can be estimated in real time even when the subject is sleeping, and the sleep in the
(変形例2)
上述の第1の実施形態に係る睡眠状態推定方法(図6)や変形例1に係る睡眠状態推定方法(図7)では、ステップS105で、被験者の入床から2時間が経過したか否かを判定していた。これは、通常、入床から2時間が経過すれば、全ての睡眠状態が出現すると考えられるからである。しかし、例外的に、2時間経過前に全ての睡眠状態が出現することもあり得るし、2時間経過しても一部の睡眠状態が出現しないこともあり得る。しかし、通常、入床から最初のレム睡眠状態が出現するまでの間に全ての睡眠状態が出現すると考えられている。そこで、入床から2時間が経過したか否かを判定する代わりに、入床後初めてレム睡眠状態が出現したか否かを判定することも考えられる。このような変形例2について説明する。
(Modification 2)
In the sleep state estimation method (FIG. 6) according to the first embodiment and the sleep state estimation method (FIG. 7) according to the first modification, in step S105, whether or not two hours have passed since the subject entered the bed. Was judged. This is because it is usually considered that all sleep states appear 2 hours after entering the bed. However, as an exception, all sleep states may appear before the lapse of 2 hours, or some sleep states may not appear even after 2 hours have passed. However, it is usually believed that all sleep states appear between the time of bed entry and the appearance of the first REM sleep state. Therefore, instead of determining whether or not two hours have passed since entering the bed, it is conceivable to determine whether or not the REM sleep state appears for the first time after entering the bed. Such a
変形例2に係る判定部12は、特徴量を入力すると、睡眠状態がレム睡眠状態とそれ以外の睡眠状態とのいずれであるかを出力するように予め学習された2クラス識別器を用いることにより、時間(120分)の経過を用いずにレム睡眠状態が現れたか否かを判定する。この2クラス識別器は、標準化部14によって特徴量を標準化しなくてもある程度の精度で識別可能な特徴量のみを用いて識別を行う。この「特徴量を標準化しなくてもある程度の精度で識別可能な特徴量」とは、周波数系特徴量のうちの各周波数帯のパワー比率を用いる特徴量と、時間系特徴量のうちの統計量(変動係数と標準偏差)を用いる特徴量である。
The
具体的には変形例2の判定部12は、周波数系特徴量のうちの各周波数帯のパワー比率を用いる特徴量として、上述のvlf/tf、lf/tf及びhf/tfを用いる。また、変形例2の判定部12は、時間系特徴量のうちの統計量(変動係数と標準偏差)として、上述のcvACT及びsdACTを用いる。変形例2の判定部12が備える2クラス識別器の学習時も第1の実施形態の場合と同様に、脳波等を元に専門家により睡眠状態の正解データがラベル付与されている被験者のデータを学習用データとして用いる。そして、何人もの被験者を用いて繰り返し学習させる。ただし、第1の実施形態の場合とは異なり、この被験者のデータから取得した特徴量をそのまま(標準化せずに)用いて学習させる。
Specifically, the
変形例2に係る睡眠状態推定装置100の睡眠状態推定処理について、図8を参照して説明する。この処理は、第1の実施形態に係る睡眠状態推定処理(図6)や変形例1に係る睡眠状態推定処理(図7)と一部を除いて同様の処理であるため、異なる点を中心に説明する。
The sleep state estimation process of the sleep
ステップS101からステップS104までの処理は、第1の実施形態に係る睡眠状態推定処理(図6)や変形例1に係る睡眠状態推定処理(図7)と同様の処理になるので、説明を省略する。ステップS104で取得部11が特徴量を算出した後、判定部12は、レム睡眠状態が出現したか否かを判定する(ステップS131)。ステップS131も判定ステップと呼ばれる。レム睡眠状態がまだ出現していなければ(ステップS131;No)、ステップS101に戻る。レム睡眠状態が出現したら(ステップS131;Yes)、ステップS106に進み、生成部13は、それまでに記憶部20に格納された特徴量に基づき、標準化用パラメータを生成する。そして、ステップS106以降の処理は、変形例1に係る睡眠状態推定処理(図7)と同様の処理になるので、説明を省略する。
Since the processes from step S101 to step S104 are the same as the sleep state estimation process (FIG. 6) and the sleep state estimation process (FIG. 7) according to the first embodiment, the description thereof will be omitted. To do. After the
なお、図8では、変形例1(図7)と同様にステップS121で生成部13が標準化用パラメータを更新する処理を行っているが、この処理は省略して第1の実施形態(図6)と同様にステップS106で生成した標準化用パラメータを使い続けてもよい。
In FIG. 8, the
以上の睡眠状態推定処理により、被験者が入床してから最初のレム睡眠状態を推定した後は、標準化部14により標準化された特徴量を用いて、推定部15は睡眠状態を推定できるので、変形例2に係る睡眠状態推定装置100は、被験者が睡眠中であっても睡眠状態をリアルタイムで推定することができる。そして、被験者が入床してからレム睡眠状態が出現するまでの間に全ての睡眠状態(wake,REM,N1,N2,N3)が出現していると想定できるため、生成部13は全ての睡眠状態が出現した後に標準化用パラメータを生成することができ、推定部15での睡眠状態の推定精度を向上させることができる。さらに、変形例2に係る睡眠状態推定装置100は、変形例1の場合と同様、被験者が入床してからレム睡眠状態が出現した後以降も標準化用パラメータを更新し続けるので、推定部15での睡眠状態の推定精度をさらに向上させることができる。
After estimating the first REM sleep state after the subject enters the bed by the above sleep state estimation process, the
なお、変形例2に係る判定部12は、特徴量を入力するとレム睡眠状態かそれ以外の睡眠状態かを出力するように予め学習された2クラス識別器を用いた。しかし、この2クラス識別器が識別する睡眠状態はレム睡眠状態でなくてもよい。標準化部14によって特徴量を標準化しなくてもある程度の精度で識別可能な特徴量のみを用いて識別を行うことができる睡眠状態であれば、任意の睡眠状態をこの2クラス識別器で識別させることができる。この場合、判定部12は、ある睡眠状態が現れたか否かを判定する判定手段として用いることができる。
The
(変形例3)
例外的に、入床から所定時間である2時間が経過しても全ての睡眠状態が出現しないことや、レム睡眠状態が出現するまでの間に全ての睡眠状態が出現しないことも考えられる。判定部12が、「入床から2時間が経過」かつ「少なくとも1回以上レム睡眠状態が出現」を判定すれば、このような例外的な場合にも対応できる。このような変形例3について説明する。
(Modification example 3)
Exceptionally, it is conceivable that all sleep states do not appear even after 2 hours, which is a predetermined time, from entering the bed, or that all sleep states do not appear until the REM sleep state appears. If the
変形例3に係る判定部12は、入床してから2時間が経過したことの判定を行うとともに、変形例2に係る判定部12と同様に、特徴量を入力すると、睡眠状態がレム睡眠状態とそれ以外の睡眠状態とのいずれであるかを出力するように予め学習された2クラス識別器を用いることにより、レム睡眠状態が現れたか否かを判定する。そして、入床してから2時間が経過し、かつ、それまでに2クラス識別器がレム睡眠状態を少なくとも1回以上出力したときに、被験者の睡眠状態としてレム睡眠状態が現れたと判定する。
The
変形例3に係る睡眠状態推定装置100の睡眠状態推定処理は、変形例2に係る睡眠状態推定装置100の睡眠状態推定処理(図8)と、ステップS131を除いて同じである。変形例3に係る睡眠状態推定処理では、ステップS131において、判定部12が「入床してから2時間が経過し、かつ、それまでに判定部12が用いる2クラス識別器がレム睡眠状態を少なくとも1回以上出力した」か否かを判定する。入床からまだ2時間が経過していない場合とレム睡眠状態が2クラス識別器から出力されていない場合は(ステップS131;No)、ステップS101に戻る。入床から2時間が経過し、それまでの間にレム睡眠状態が1回以上出現したら(ステップS131;Yes)、ステップS106に進む。
The sleep state estimation process of the sleep
ステップS131以外の処理は、変形例2に係る睡眠状態推定処理(図8)と同様の処理になるので、説明を省略する。 Since the processes other than step S131 are the same as the sleep state estimation process (FIG. 8) according to the second modification, the description thereof will be omitted.
以上の睡眠状態推定処理により、被験者が入床してから2時間が経過し、かつ、少なくとも1回以上レム睡眠状態が推定された後に、標準化部14により標準化された特徴量を用いて、推定部15は睡眠状態を推定できるので、変形例3に係る睡眠状態推定装置100は、被験者が睡眠中であっても睡眠状態をリアルタイムで推定することができる。そして、例外的な場合であっても、被験者が入床してから2時間が経過し、かつ、2クラス識別器からレム睡眠状態が出力されるまでの間には、全ての睡眠状態(wake,REM,N1,N2,N3)が出現していると想定できるため、生成部13は全ての睡眠状態が出現した後に標準化用パラメータを生成することができ、推定部15での睡眠状態の推定精度を向上させることができる。
After 2 hours have passed since the subject entered the bed by the above sleep state estimation process and the REM sleep state was estimated at least once, the estimation was performed using the feature amount standardized by the
(その他の変形例)
上述の実施形態及び変形例では、脈波を検出するため脈波センサや体の動きを検出するための加速度センサを備えていたが、センサ部30が備えるセンサの種類はこれらに限定されない。センサ部30は、睡眠状態を推定するための生体信号を検出(取得)するセンサであれば、任意のセンサを備えることができる。また、例えば通信部43を介して外部の装置等から生体信号又は睡眠状態を推定するための特徴量を受信できる場合は、睡眠状態推定装置100は、センサ部30を備える必要はない。
(Other variants)
In the above-described embodiment and modification, the pulse wave sensor for detecting the pulse wave and the acceleration sensor for detecting the movement of the body are provided, but the type of the sensor included in the
なお、上述の実施形態及び変形例では、睡眠状態推定装置100は、生体信号として、耳に装着された脈波センサによる脈波と、耳に装着された加速度センサによる加速度とを用いていたが、生体信号はこれらに限定されない。睡眠状態推定装置100が用いることができる生体信号としては、体動(頭部、腕、胸、足、胴体等に設置した加速度センサで検出)、筋電(頭部(こめかみや鼻の周り)、腕、胸、足、胴体等に設置した筋電センサで検出)、汗(皮膚電位計や湿度センサで検出)、心拍(心電計、ベッド下に設置された圧力センサ(心弾動図波形の検出)、頭部、腕、胸、足、胴体等に設置した脈波センサ等で検出)等が含まれる。
In the above-described embodiment and modified example, the sleep
また、上述の実施形態及び変形例では、睡眠状態推定装置100は、人間の被験者の睡眠状態を推定していた。しかし、睡眠状態を推定する対象は人間に限られず、犬、猫、馬、牛、豚、鶏等、動物一般を対象とすることが可能である。これらの動物にも脈波センサや加速度センサを取り付けて、睡眠状態推定に必要な特徴量を取得することが可能だからである。
Further, in the above-described embodiment and modified example, the sleep
また、上述の実施形態及び変形例では、睡眠状態推定装置100の推定部15は、多クラス‐ロジスティック回帰を用いていたが、推定部15が用いる識別器は多クラス‐ロジスティック回帰に限定されない。例えば、推定部15は、SVC(Support Vector Machine Classification)、SVR(Support Vector Regression)等、他の識別器を用いてもよい。
Further, in the above-described embodiment and modification, the
同様に、変形例2に係る判定部12が用いる2クラス識別器(特徴量を入力すると睡眠状態がレム睡眠状態とそれ以外の睡眠状態とのいずれであるかを出力する2クラス識別器)も、2クラス‐ロジスティック回帰、SVC、SVR等、任意の識別器を用いることができる。
Similarly, a two-class classifier used by the
また、上述の実施形態及び変形例では、睡眠状態推定装置100は、睡眠推定を行うための特徴量として、RRI系特徴量、体動系特徴量、呼吸系特徴量を用いていたが、特徴量は上述の特徴量に限定されず、睡眠推定を行うための特徴量であれば、任意の特徴量を用いることができる。例えば、生体信号として、筋電、汗等も用いる場合は、これらについての検出値について、他の特徴量と同様に例えば2Hzでサンプリングして、基準時点tを基準とした複数の時間窓でデータを抽出して、特徴量を算出するようにしてもよい。
Further, in the above-described embodiment and modified example, the sleep
また、上述の実施形態及び変形例では、推定部15は、取得部11で取得した特徴量を全て用いて睡眠状態の推定を行ったが、例えばRFE(Recursive Feature Elimination)等を用いて有効な特徴量だけを抜き出し、抜き出した有効特徴量のみを用いて睡眠状態を推定するようにしてもよい。
Further, in the above-described embodiment and modification, the
また、上述の実施形態及び変形例では、生成部13は、標準化用パラメータとして、特徴量のデータ列の平均値及び標準偏差を用いていた。しかし、標準化用パラメータはこれらに限定されない。特徴量を標準化するためのパラメータであれば、任意の標準化用パラメータを用いることができる。例えばデータ列の中間値や最頻値を用いてもよい。また、「標準化」それ自身についても、一般的な標準化(データの平均値を0に、分散を1にする)に限定されない。例えば、頻出するデータの特徴量を小さくし、稀にしか出現しないデータの特徴量を大きくする等、特徴量(生体信号パラメータ)に統一的に何らかの操作を行う処理は、標準化に含められる。
Further, in the above-described embodiment and modification, the
また、上述の実施形態及び変形例では、取得部11が生体信号から算出される特徴量を取得し、生成部13が特徴量に基づいて標準化用パラメータを生成し、標準化部14が標準化用パラメータに基づいて特徴量を標準化していた。しかし、標準化の対象となるものは特徴量に限られず、生体信号そのものであってもよい。この場合、取得部11は生体信号を取得し、生成部13が生体信号に基づいて標準化用パラメータを生成し、標準化部14が標準化用パラメータに基づいて生体信号を標準化する。そして、推定部15は、標準化された生体信号から特徴量を算出し、算出された特徴量に基づいて睡眠状態を推定する。
Further, in the above-described embodiment and modification, the
さらに言えば、生体信号のうちの一部については生体信号そのものを標準化し、それ以外については特徴量を算出してから特徴量を標準化してもよい。この場合、推定部15は、標準化された特徴量と、標準化された生体信号から算出された特徴量と、に基づいて睡眠状態を推定する。このように、標準化の対象となるものは生体信号そのものであってもよいし、生体信号から算出された特徴量であってもよい。そこで、標準化の対象となるものをまとめて、生体信号パラメータと称することとする。生体信号パラメータには、生体信号そのものも、生体信号から算出された特徴量も、含まれる。
Furthermore, the biological signal itself may be standardized for a part of the biological signals, and the feature amount may be calculated and then standardized for the other parts. In this case, the
なお、上述の実施形態では、睡眠状態推定装置100は入力部41、出力部42及び通信部43を備えていたが、これらは必須の構成要素ではなく、睡眠状態推定装置100は、これらを備えなくてもよい。
In the above-described embodiment, the sleep
また、睡眠状態推定装置100の各機能は、通常のPC(Personal Computer)等のコンピュータによっても実施することができる。具体的には、上記実施形態では、睡眠状態推定装置100が行う睡眠状態推定処理等のプログラムが、記憶部20のROMに予め記憶されているものとして説明した。しかし、プログラムを、フレキシブルディスク、CD−ROM(Compact Disc Read Only Memory)、DVD(Digital Versatile Disc)、MO(Magneto−Optical Disc)、メモリカード、USB(Universal Serial Bus)メモリ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布し、そのプログラムをコンピュータに読み込んでインストールすることにより、上述の各機能を実現することができるコンピュータを構成してもよい。
Further, each function of the sleep
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明には、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲が含まれる。以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the specific embodiment, and the present invention includes the invention described in the claims and the equivalent range thereof. Is done. The inventions described in the claims of the original application of the present application are described below.
(付記1)
対象の生体信号に基づく生体信号パラメータを取得する取得手段と、
前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたと判定されたときまでの前記生体信号パラメータに基づいて、標準化用パラメータを生成する生成手段と、
前記生成された標準化用パラメータに基づいて前記生体信号パラメータを標準化する標準化手段と、
前記標準化された前記生体信号パラメータに基づいて前記対象の睡眠状態を推定する推定手段と、
を備える睡眠状態推定装置。
(Appendix 1)
An acquisition means for acquiring biological signal parameters based on the target biological signal, and
A determination means for determining whether or not a certain sleep state has appeared as the target sleep state, and
A generation means for generating standardization parameters based on the biological signal parameters up to the time when it is determined by the determination means that a certain sleep state has appeared as the target sleep state.
A standardization means for standardizing the biological signal parameter based on the generated standardization parameter,
An estimation means for estimating the sleep state of the subject based on the standardized biological signal parameters, and
A sleep state estimator equipped with.
(付記2)
前記生体信号パラメータは、前記生体信号から算出される特徴量である、
付記1に記載の睡眠状態推定装置。
(Appendix 2)
The biological signal parameter is a feature amount calculated from the biological signal.
The sleep state estimation device according to Appendix 1.
(付記3)
前記取得手段は、
前記生体信号の時系列データを互いに異なる時間長の複数の時間窓で抽出し、
前記抽出された時系列データを用いて前記特徴量を算出する、
付記2に記載の睡眠状態推定装置。
(Appendix 3)
The acquisition means
Time-series data of the biological signal is extracted in a plurality of time windows having different time lengths.
The feature amount is calculated using the extracted time series data.
The sleep state estimation device according to
(付記4)
前記判定手段は、前記対象が入床してから所定時間が経過したときに、前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたと判定する、
付記1から3のいずれか1つに記載の睡眠状態推定装置。
(Appendix 4)
The determination means determines that a certain sleep state has appeared as the sleep state of the target when a predetermined time has elapsed since the subject entered the bed.
The sleep state estimation device according to any one of Supplementary note 1 to 3.
(付記5)
前記判定手段は、前記取得された生体信号パラメータに基づいて、前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたか否かを判定する、
付記1から4のいずれか1つに記載の睡眠状態推定装置。
(Appendix 5)
The determination means determines whether or not a certain sleep state appears as the sleep state of the target based on the acquired biological signal parameters.
The sleep state estimation device according to any one of Supplementary note 1 to 4.
(付記6)
前記ある睡眠状態はレム睡眠状態である、
付記1から5のいずれか1つに記載の睡眠状態推定装置。
(Appendix 6)
The certain sleep state is REM sleep state,
The sleep state estimation device according to any one of Supplementary note 1 to 5.
(付記7)
前記生成手段は、前記判定手段により前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたと判定されたとき以降も、それまでに取得された前記生体信号パラメータに基づいて、前記標準化用パラメータを更新し、
前記標準化手段は、前記更新された標準化用パラメータに基づいて前記生体信号パラメータを標準化する、
付記1から6のいずれか1つに記載の睡眠状態推定装置。
(Appendix 7)
Even after it is determined by the determination means that a certain sleep state has appeared as the target sleep state, the generation means updates the standardization parameter based on the biological signal parameters acquired so far.
The standardization means standardizes the biological signal parameters based on the updated standardization parameters.
The sleep state estimation device according to any one of Supplementary note 1 to 6.
(付記8)
前記対象は人間であり、
前記対象の生体信号は脈波及び体動である、
付記1から7のいずれか1つに記載の睡眠状態推定装置。
(Appendix 8)
The subject is a human
The biological signals of the subject are pulse waves and body movements.
The sleep state estimation device according to any one of Supplementary note 1 to 7.
(付記9)
前記生成手段は、前記生体信号パラメータの平均値及び標準偏差を標準化用パラメータとして生成し、
前記標準化手段は、前記生体信号パラメータから前記平均値を引いた値を前記標準偏差で割ることによって前記生体信号パラメータを標準化する、
付記1から8のいずれか1つに記載の睡眠状態推定装置。
(Appendix 9)
The generation means generates the average value and standard deviation of the biological signal parameters as standardization parameters.
The standardization means standardizes the biological signal parameter by dividing the value obtained by subtracting the mean value from the biological signal parameter by the standard deviation.
The sleep state estimation device according to any one of Supplementary note 1 to 8.
(付記10)
対象の生体信号に基づく生体信号パラメータを取得する取得ステップと、
前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップにより前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたと判定されたときまでの前記生体信号パラメータに基づいて、標準化用パラメータを生成する生成ステップと、
前記生成された標準化用パラメータに基づいて前記生体信号パラメータを標準化する標準化ステップと、
前記標準化された前記生体信号パラメータに基づいて前記対象の睡眠状態を推定する推定ステップと、
を備える睡眠状態推定方法。
(Appendix 10)
The acquisition step to acquire the biological signal parameters based on the target biological signal,
A determination step for determining whether or not a certain sleep state has appeared as the target sleep state, and
A generation step of generating standardization parameters based on the biological signal parameters up to the time when it is determined that a certain sleep state has appeared as the target sleep state by the determination step.
A standardization step for standardizing the biological signal parameters based on the generated standardization parameters, and
An estimation step of estimating the sleep state of the subject based on the standardized biological signal parameters, and
A sleep state estimation method that comprises.
(付記11)
コンピュータに、
対象の生体信号に基づく生体信号パラメータを取得する取得ステップ、
前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたか否かを判定する判定ステップ、
前記判定ステップにより前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたと判定されたときまでの前記生体信号パラメータに基づいて、標準化用パラメータを生成する生成ステップ、
前記生成された標準化用パラメータに基づいて前記生体信号パラメータを標準化する標準化ステップ、及び、
前記標準化された前記生体信号パラメータに基づいて前記対象の睡眠状態を推定する推定ステップ、
を実行させるためのプログラム。
(Appendix 11)
On the computer
Acquisition step to acquire biological signal parameters based on the biological signal of the target,
A determination step for determining whether or not a certain sleep state has appeared as the target sleep state,
A generation step of generating standardization parameters based on the biological signal parameters up to the time when it is determined that a certain sleep state has appeared as the target sleep state by the determination step.
A standardization step for standardizing the biological signal parameters based on the generated standardization parameters, and
An estimation step that estimates the sleep state of the subject based on the standardized biological signal parameters.
A program to execute.
10…制御部、11…取得部、12…判定部、13…生成部、14…標準化部、15…推定部、20…記憶部、30…センサ部、41…入力部、42…出力部、43…通信部、100…睡眠状態推定装置、200,231…点線、201…脈波、202i,203i,204i,205i,206i,207i…心拍間隔、201t,202t,203t,204t,205t,206t,207t…拍動タイミング、211,212,213,214,215,216,217,218,219.220,221,222,223…点、232…一点鎖線 10 ... control unit, 11 ... acquisition unit, 12 ... judgment unit, 13 ... generation unit, 14 ... standardization unit, 15 ... estimation unit, 20 ... storage unit, 30 ... sensor unit, 41 ... input unit, 42 ... output unit, 43 ... Communication unit, 100 ... Sleep state estimation device, 200, 231 ... Dotted line, 201 ... Pulse wave, 202i, 203i, 204i, 205i, 206i, 207i ... Heart rate interval, 201t, 202t, 203t, 204t, 205t, 206t, 207t ... Beat timing, 211,212,213,214,215,216,217,218,219.220,221,222,223 ... Point, 232 ... One-dot chain line
Claims (11)
前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたと判定されたときまでの前記生体信号パラメータに基づいて、標準化用パラメータを生成する生成手段と、
前記生成された標準化用パラメータに基づいて前記生体信号パラメータを標準化する標準化手段と、
前記標準化された前記生体信号パラメータに基づいて前記対象の睡眠状態を推定する推定手段と、
を備える睡眠状態推定装置。 An acquisition means for acquiring biological signal parameters based on the target biological signal, and
A determination means for determining whether or not a certain sleep state has appeared as the target sleep state, and
A generation means for generating standardization parameters based on the biological signal parameters up to the time when it is determined by the determination means that a certain sleep state has appeared as the target sleep state.
A standardization means for standardizing the biological signal parameter based on the generated standardization parameter,
An estimation means for estimating the sleep state of the subject based on the standardized biological signal parameters, and
A sleep state estimator equipped with.
請求項1に記載の睡眠状態推定装置。 The biological signal parameter is a feature amount calculated from the biological signal.
The sleep state estimation device according to claim 1.
前記生体信号の時系列データを互いに異なる時間長の複数の時間窓で抽出し、
前記抽出された時系列データを用いて前記特徴量を算出する、
請求項2に記載の睡眠状態推定装置。 The acquisition means
Time-series data of the biological signal is extracted in a plurality of time windows having different time lengths.
The feature amount is calculated using the extracted time series data.
The sleep state estimation device according to claim 2.
請求項1から3のいずれか1項に記載の睡眠状態推定装置。 The determination means determines that a certain sleep state has appeared as the sleep state of the target when a predetermined time has elapsed since the subject entered the bed.
The sleep state estimation device according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4のいずれか1項に記載の睡眠状態推定装置。 The determination means determines whether or not a certain sleep state appears as the sleep state of the target based on the acquired biological signal parameters.
The sleep state estimation device according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から5のいずれか1項に記載の睡眠状態推定装置。 The certain sleep state is REM sleep state,
The sleep state estimation device according to any one of claims 1 to 5.
前記標準化手段は、前記更新された標準化用パラメータに基づいて前記生体信号パラメータを標準化する、
請求項1から6のいずれか1項に記載の睡眠状態推定装置。 Even after it is determined by the determination means that a certain sleep state has appeared as the target sleep state, the generation means updates the standardization parameter based on the biological signal parameters acquired so far.
The standardization means standardizes the biological signal parameters based on the updated standardization parameters.
The sleep state estimation device according to any one of claims 1 to 6.
前記対象の生体信号は脈波及び体動である、
請求項1から7のいずれか1項に記載の睡眠状態推定装置。 The subject is a human
The biological signals of the subject are pulse waves and body movements.
The sleep state estimation device according to any one of claims 1 to 7.
前記標準化手段は、前記生体信号パラメータから前記平均値を引いた値を前記標準偏差で割ることによって前記生体信号パラメータを標準化する、
請求項1から8のいずれか1項に記載の睡眠状態推定装置。 The generation means generates the average value and standard deviation of the biological signal parameters as standardization parameters.
The standardization means standardizes the biological signal parameter by dividing the value obtained by subtracting the mean value from the biological signal parameter by the standard deviation.
The sleep state estimation device according to any one of claims 1 to 8.
前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップにより前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたと判定されたときまでの前記生体信号パラメータに基づいて、標準化用パラメータを生成する生成ステップと、
前記生成された標準化用パラメータに基づいて前記生体信号パラメータを標準化する標準化ステップと、
前記標準化された前記生体信号パラメータに基づいて前記対象の睡眠状態を推定する推定ステップと、
を備える睡眠状態推定方法。 The acquisition step to acquire the biological signal parameters based on the target biological signal,
A determination step for determining whether or not a certain sleep state has appeared as the target sleep state, and
A generation step of generating standardization parameters based on the biological signal parameters up to the time when it is determined that a certain sleep state has appeared as the target sleep state by the determination step.
A standardization step for standardizing the biological signal parameters based on the generated standardization parameters, and
An estimation step of estimating the sleep state of the subject based on the standardized biological signal parameters, and
A sleep state estimation method that comprises.
対象の生体信号に基づく生体信号パラメータを取得する取得ステップ、
前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたか否かを判定する判定ステップ、
前記判定ステップにより前記対象の睡眠状態としてある睡眠状態が現れたと判定されたときまでの前記生体信号パラメータに基づいて、標準化用パラメータを生成する生成ステップ、
前記生成された標準化用パラメータに基づいて前記生体信号パラメータを標準化する標準化ステップ、及び、
前記標準化された前記生体信号パラメータに基づいて前記対象の睡眠状態を推定する推定ステップ、
を実行させるためのプログラム。 On the computer
Acquisition step to acquire biological signal parameters based on the biological signal of the target,
A determination step for determining whether or not a certain sleep state has appeared as the target sleep state,
A generation step of generating standardization parameters based on the biological signal parameters up to the time when it is determined that a certain sleep state has appeared as the target sleep state by the determination step.
A standardization step for standardizing the biological signal parameters based on the generated standardization parameters, and
An estimation step that estimates the sleep state of the subject based on the standardized biological signal parameters.
A program to execute.
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