JP2570329B2

JP2570329B2 - 覚醒度判定装置

Info

Publication number: JP2570329B2
Application number: JP62290878A
Authority: JP
Inventors: 正彦伊藤; 知久吉見; 和之高田; 與作渡辺
Original assignee: 日本電装株式会社
Priority date: 1987-11-18
Filing date: 1987-11-18
Publication date: 1997-01-08
Anticipated expiration: 2012-01-08
Also published as: JPH01131648A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、車両の運転者、船舶或いは航空機の操縦
者、単純作業者等の人間の覚醒度を判定するに適した覚
醒度判定装置に関する。

（従来技術）従来、この種の覚醒度判定装置においては、例えば、
特開昭59−22537号公報に示されているように、車両の
運転者の指に入射する発光ダイオードからの光が、指内
の血管を通る血液により反射されてホトトランジスタに
より受光されたとき、この受光量が、前記血液の量の運
転者の心拍（或いは心拍に相当する脈波）に同期した変
化に応じて変化すること、及び心拍の周期の平均値と同
周期のバラツキとが共に大きくなったとき、運転者が居
眠り状態になることを利用して、この居眠り状態を判定
するようにしたものがある。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、このような構成においては、上述した
心拍の周期が、種々の外乱に起因する周期成分をも含む
ため、居眠り状態の判断に的確性を欠くという難点があ
る。

これに対し、本発明者等は次のような実験を行なっ
た。ある被験者の心電図にその心臓の鼓動毎に表われる
一連の心拍P,Q,,R,S,T,U（第２図参照）のうち、最大振
幅を有する心拍Ｒの間隔（即ち、心拍Ｒの周期Ｔ）の変
動を心拍数の最大に応じ時系列的に測定したところ、第
３図に示すようなデータとして得られた。これによれ
ば、心拍Ｒの周期Ｔは、500〜1200（ms）の範囲内にほ
ぼ収まることが分かる。

しかして、第３図のデータに対し、時系列の周波数ス
ペクトル分析を行ったところ、周波数Ｆ＝Fo≒0.1（即
ち、心拍Ｒの10拍近傍）あたりのゲインＧが、第４図に
示すごとく非常に大きくなる旨、確認できた。また、こ
れに着目して、被験者の覚醒度の低下状態を各種条件の
もとに実験してみたところ、第５図に示すような実験結
果が得られた。但し、時刻ｔ＝t1（分）のとき被験者が
覚醒状態にあり、またｔ＝t2（分）のとき被験者が許容
限界を超える覚醒度低下状態に入ったものとする。ま
た、第５図において、各直線La,Lb及びLcは、共に、時
刻ｔ＝t1からｔ＝t2への経過（即ち、覚醒度の覚醒時か
ら入眠直前までの低下）に伴うゲインＧの変動率（以
下、ゲイン変動率という）を表わす。かかる場合、直線
Laは、周波数Ｆ＝Fo近傍をパラメータとした場合を表わ
し、直線Lbは、（周期Ｒの標準偏差／周期Ｒの平均値）
パラメータとした場合を表わし、また、直線Lcは心拍Ｒ
の数をパラメータとした場合を表わす。これによれば、
各直線Lb,Lcによる場合に比べて、直線Laによる場合の
方が、ゲイン変動率の変化が著しく大きいことが分か
る。また、以上のような実験結果が、上述の一連の心拍
P,Q,R,S,T,Uの合成に相当する脈波に対しても同様に成
立することも分かった。

そこで、本発明者等は、このような実験結果を基にし
て、人間の覚醒度の低下を的確に判定できるような覚醒
度判定装置を提供しようとするものである。

（問題を解決するための手段）かかる問題の解決にあたり、本発明の構成は、第１図
にて例示するごとく、人間の心拍を順次検出する検出手
段１と、この検出手段により検出される各検出心拍の周
期を順次演算する演算手段２と、前記心拍の周波数と強
度との関係を表すスペクトル分布データを複数の前記演
算周期に基きフーリエ変換により求めるフーリエ変換手
段３と、前記スペクトル分布データに基き前記心拍の周
波数0.1近傍の前記強度のピークをサーチするサーチ手
段４と、前記サーチピーク強度を人間の覚醒度低下許容
限界に相当する所定値と比較して、前記サーチピーク強
度が前記所定値より高いとき人間の覚醒度の好ましくな
い低下と判定する判定手段５とからなるようにしたこと
にある。

（作用）このように本発明を構成したことにより、検出手段１
が人間の心拍を順次検出すれば、演算手段２が前記検出
心拍の周期を順次演算し、フーリエ変換手段３が複数の
前記演算周期に基き前記スペクトル分布データをフーリ
エ変換により求め、サーチ手段４が前記スペクトル分布
データに基き前記心拍の周波数0.1近傍の前記強度のピ
ークをサーチし、かつ判定手段５が、前記サーチピーク
強度が前記所定値より高いとき人間の覚醒度の好ましく
ない低下と判定する。これにより、前記心拍の周波数0.
1近傍のピーク強度変化を前提とし、人間の覚醒度の好
ましくない低下を的確に精度よく認識できる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面により説明すると、第
６図は、車両に適用された本発明に係る覚醒度判定装置
の一例（光電脈波法による）を示している。覚醒度判定
装置は、当該車両のステアリングハンドル10の右側把持
部11に装着したホトカプラ20と、このホトカプラ20に接
続した発光駆動回路30及び前置増幅器40を備えており、
ホトカプラ20は、第７図に示すごとく、ステアリングハ
ンドル10の右側把持部11の内周面凹所に嵌着した絶縁基
板21と、この絶縁基板21に互いに並行に間隔を付与して
嵌装した発光ダイオード22及びホトトランジスタ23とに
よって構成されている。但し、発光ダイオード22の発光
面及びホトトランジスタ23の発光面は共に絶縁基板21の
表面から外方へ露呈している。

しかして、このように構成したホトカプラ20において
は、運転者の右手の親指が、第７図に示すごとく、発光
ダイオード22の発光面及びホトトランジスタ３の受光面
を覆うように絶縁基板21の表面に接触したとき、発光ダ
イオード22から生じる光が、前記親指内の血管を通る血
液により反射されてホトトランジスタ23に入射する。ホ
トトランジスタ23は、その入射光量に対応するレベルに
て受光信号を生じる。かかる場合、ホトトランジスタ23
への入射光量は、上述した血液の量の運転者の脈波に同
期した変化に応じて変化する。

発光駆動回路30は発光ダイオード22から所定量の光を
継続的に生じさせるべく同発光ダイオード22を駆動す
る。前置増幅器40は、ホトトランジスタ23からの受光信
号を増幅し増幅信号として発生する。フィルタ50は、前
置増幅器40からの増幅信号の周波数成分中のノイズ成分
を除去し残余の成分をフィルタ信号として発生する。主
増幅器60はフィルタ50からのフィルタ信号を増幅し増幅
信号を発生する。Ａ−Ｄ変換器60aは主増幅器60からの
増幅信号をディジタル信号にディジタル変換する。マイ
クロコンピュータ70は、第８図に示すフローチャートに
従いコンピュータプログロムの実行をＡ−Ｄ変換器60a
との協働により行い、この実行中において、ブザー90に
接続したブザー駆動回路80の制御に必要な演算処理を行
う。

以上のように構成した本実施例において、運転者がそ
の両手でステアリングハンドル10を把持して当該車両の
運転走行を開始するとともに本発明装置を作動状態にお
けば、発光駆動回路30の駆動下にて発光ダイオードから
生じる所定量の光が、運転者の右手の親指（第７図参
照）内に入射し、同親指内の血管を通る血液により反射
され、この反射光がホトトランジスタ23によって受光さ
れる。このとき、ホトトランジスタ23の受光量は、前記
血液の量の運転者の各脈波（第９図参照）に同期した変
化に応じて変化する。

従って、このように変化する受光量に応じて変化する
レベルにて受光信号が、ホトトランジスタ23から生じ、
前置増幅器40により増幅信号として増幅される。つい
で、フィルタ50が前置増幅器40からの増幅信号に応答し
てフィルタ信号を発生すると、このフィルタ信号が、主
増幅器60により増幅信号として増幅され、Ａ−Ｄ変換器
60aによりディジタル信号に変換されてマイクロコンピ
ュータ70に入力する。また、このマイクロコンピュータ
70は、本発明装置の作動開始と同時に、第８図のフロー
チャートに従いステップ100aにてコンピュータプログラ
ムの実行を開始し、ステップ110にて、初期化を行う。

しかして、コンピュータプログラムがステップ120に
進むと、マイクロコンピュータ70が、Ａ−Ｄ変換器60a
からのディジタル信号の値の連続する二つのピーク値に
基き、運転者の脈波の周期Ｔを演算するとともに、この
周期Ｔの数をＮ＝１とセットする。但し、数Ｎはステッ
プ110にて「０」と初期化されているものとする。以
後、Ｎ＝No（第８図及び第９図参照）となるまで、ステ
ップ120における周期Ｔの演算及び数Ｎの加算更新、並
びにステップ130における「NO」との判別が繰返され
る。なお、符号Noは、例えば、60としてマイクロコンピ
ュータ70のROMに予め記憶されている。

然る後、ステップ130における判別が「YES」になる
と、マイクロコンピュータ70が、ステップ140にて、次
の関係式（１）に基きＮ＝No個の周期Ｔに応じフーリエ
変換を行う。

但し、０≦Ｆ≦0.5（beat^-1）とする。

この関係式（１）において、Ｐ（Ｆ）はパワースペク
トル密度関数を表わし、ａ（Ｋ）は次の関係式（２）に
おける線形予測係数を表わす。また、▲Ｓ² _Z▼（Ｎ）は
関係式（２）における残差の系列Ｚ（ｔ）の分散値を表
わす。

この関係式（２）において、脈波の時系列的な間隔、
即ち周期Ｔが（ｔ）に相当する。しかして、ステップ
140におけるフーリエ変換によって、周期Ｔの周波数ス
ペクトル密度が、平均化した形で得られ、かつ周波数ス
ペクトル（即ち、ゲインＧ）のピークの位置が良好に得
られる。なお、両関係式（１）（２）はマイクロコンピ
ュータ70のROMに予め記憶されている。

コンピュータプログラムがスペクトル150に進むと、
マイクロコンピュータ70がスペクトル140におけるフー
リエ変換データに基き周波数Ｆとの関連にてゲインＧを
サーチする。このサーチの結果、ゲインＧが所定ゲイン
Goより低いときマイクロコンピュータ70が各ステップ12
0〜160における演算を繰返す。但し、所定ゲインGoは、
Ｆ＝Fo近傍におけるゲインＧ（第４図参照）のうち運転
者の覚醒度低下許容限界のときのレベルに相当してマイ
クロコンピュータ70のROMに予め記憶されている。

然る後、ステップ160における判別が「YES」となる
と、運転者が居眠り運転状態直前にあるとの判断のもと
に、マイクロコンピュータ70がステップ170にて警報出
力信号を発生し、これに応答してブザー駆動回路80がブ
ザー90を鳴動させる。これにより、運転者は居眠り運転
状態直前にある旨警報を受ける。

なお、前記実施例においては、ステップ140における
フーリエ変換をステップ130における「YES」との判別毎
にNo個の周期Ｔに基き行ようにしたが、これに代えて、
第10図に示すように脈波毎にNo個の周期Ｔに基きステッ
プ140におけるフーリエ変換を行うようにしてもよい。

また、本発明の実施にあたっては、心電位法の活用化
にて、ホトカプラ20に代えて、第11図に示すごとく、ス
テアリングハンドル10の表面中央部に絶縁部材12を固着
し、この絶縁部材12の左側にて金属電極13をステアリン
グハンドル10の表面に固着し、一方、絶縁部材12の右側
にて金属電極14をステアリングハンドル10の表面に固着
して、運転者が両手でステアリングハンドル10を把持し
たとき、運転者の心拍Ｒに周期して両手間に生じる電位
差の変動を両金属電極13,14から検出し、この検出結果
を前置増幅器40Aにより増幅信号として増幅しフィルタ5
0に付与するようにしても前記実施例と同様の作用効果
を達成できる。かかる場合、周期Ｔは脈波のそれに代え
て心拍Ｒの周期を採用すればよい。

また、本発明の実施にあたり、警報手段としては、ブ
ザー90に限ることなく、表示手段、音声合成手段その他
の各種の報知手段を採用して実施してもよい。

また、前記実施例においては、車両の運転者の覚醒度
の判定にあたり本発明を適用した例につき説明したが、
これに限らず、船舶或いは航空機の操縦者、工場の単純
作業者、患者等の覚醒度の判定に対し本発明を適用して
実施してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は特許請求の範囲に記載の発明の構成に対する対
応図、第２図は、心拍の例示図、第３図は心拍の周期と
心拍数との関係を示すグラフ、第４図は心拍のゲインと
周波数との関係を示すスペクトル分布データを表わすグ
ラフ、第５図はゲイン変動率と覚醒度の時間的低下との
関係を示すグラフ、第６図は本発明の一実施例を示すブ
ロック図、第７図は第６図におけるホトカプラの断面
図、第８図は第６図のマイクロコンピュータの作用を示
すフローチャート、第９図は心拍Ｒの周期の加算例を示
す図、第10図は同加算例の他の例を示す図、及び第11図
は前記実施例の変形例を示す要部ブロック図である。符号の説明 12……絶縁部材、13,14……金属電極、 20……ホトカプラ、30……発光駆動回路、 70……マイクロコンピュータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡辺與作愛知県豊田市栄生町２丁目１番地豊田工業高等専門学校内 (56)参考文献特開昭53−28990（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−189830（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】人間の心拍を順次検出する検出手段と、この検出手段により検出される各検出心拍の周期を順次
演算する演算手段と、前記心拍の周波数と強度との関係を表すスペクトル分布
データを複数の前記演算周期に基づきフーリエ変換によ
り求めるフーリエ変換手段と、前記スペクトル分布データに基づき前記心拍の周波数0.
1近傍の前記強度のピークをサーチするサーチ手段と、前記サーチピーク強度を人間の覚醒度低下許容限界に相
当する所定値と比較して、前記サーチピーク強度が前記
所定値より高いとき人間の覚醒度の好ましくない低下と
判定する判定手段とからなる覚醒度判定装置。