JP5207641B2

JP5207641B2 - ストレス検出装置

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Publication number: JP5207641B2
Application number: JP2007053883A
Authority: JP
Inventors: 明伯堀口; 康司杉浦; 義弘下村; 哲夫勝浦; 光一岩永
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2027-03-05
Also published as: JP2008212391A

Description

本発明はストレス検出装置に関し、特に車両運転時等の運転者の精神的ストレスを検出する装置に関するものである。

運転者が車両を運転するときの精神的ストレスを検出する装置としては、運転者の手首部と指部にそれぞれ電極を装着し、手首部及び指部の皮膚電位をアンプを介して測定し、この測定値を心身状態評価指標に変換し、この心身状態評価指標を基地局側の管理装置に伝送してストレス度を算出するものがある（例えば、特許文献1参照。）。
特開平11-34688号公報

上記の特許文献1の場合には、手首部と指部にそれぞれ電極を設け、皮膚インピーダンスを計測すると記載しているが、その記載内容及び図面では、皮膚インピーダンスではなく皮膚電位の変化を検出している。皮膚インピーダンスも皮膚電位も、両方とも精神性の発汗現象を捉えたものであり、原理的にはどちらも精神的ストレス(Mental Work Load: MWL)を反映している。しかしながら、皮膚電位の計測にあたって、基準となる電位を安定して導出するためには三つの電極が必要であり、手首部と指部に跨がるような嵩張る装置を装着しなければならない。

また、ストレス指標を算出するための計算が複雑になることから、高度なCPUが必要である。

従って本発明は、運転者の運転時等の精神的ストレスをできるだけ正確で且つ小型の装置で実現したストレス検出装置を提供することを目的とする。

[1]上記の目的を達成するため、本発明に係るストレス検出装置は、測定対象者の生体抵抗値に反比例した電圧を測定する測定部と、該測定部で測定した電圧信号の短期的指標を出力する短期的指標解析部であって微分フィルタとピークホールド部との直列回路で構成されたものと、を備えたことを特徴としている。
[2]上記[1]のストレス検出装置は、測定対象者の生体抵抗値に反比例した電圧を測定して送信する送信側ストレス検出装置であって、該測定部と、該電圧を周波数信号に変換する周波数信号発生部と、該周波数信号を送信する送信部からなる送信側ストレス検出装置と、該送信側ストレス検出装置と別体の受信側ストレス検出装置であって、該送信部から送信された周波数信号を受信する受信部と、該周波数信号を、該電圧信号に逆変換する逆変換部と、該短期的指標解析部からなる受信側ストレス検出装置と、を備えることができる。
すなわち、例えば上記のストレス検出装置から測定対象者の生体抵抗値に反比例した電圧信号から変換された周波数信号を、受信部が受信したとき、この周波数信号は逆変換部によって電圧信号に戻された後、短期的指標解析部によって短期的指標（一過性の精神的ストレス）として出力される。
これによって、一過性の変動成分(P-MWL)を測定することができ、ヒヤリハットのような瞬時のストレス反応を測定することが可能となる。この場合、該短期的指標解析部は、微分フィルタとピークホールド部との直列回路で構成するので、ピークの数ではなくピークの急峻さで指標とすることができ、波形検出の失敗による影響を低減できる。また、高度なCPU等を準備する必要がなく、簡素化、省電力、省スペース化が図られる。
[3]上記の送信側ストレス検出装置は、測定対象者の皮膚に接触する相互接続された第１及び第２の電極を更に備え、該測定部は該第１及び第２の電極間の生体抵抗値に反比例した電圧を測定することができる。

すなわち本発明では、第1及び第2の電極が測定対象者の皮膚に接触することにより、これらの電極間の生体抵抗値に反比例した電圧、すなわち生体抵抗値が小さくなれば大きくなる電圧を測定部が測定する。

これにより、測定対象者の皮膚抵抗の変化、すなわち、精神性発汗に伴う精神的ストレスの変化を直接測定することが可能となる。

[4]上記のストレス検出装置においては、該電極の一方が、該測定部、該周波数信号発生部、及び該送信部並びにこれら測定部及び周波数信号発生部に対する電源を搭載することが可能である。

すなわち、この場合には、第1及び第2の電極の一方に、該測定部と該周波数信号発生部と該送信部とを搭載し、さらにはこれらの測定部及び周波数信号発生部に対する電源を搭載することにより、第1及び第2の電極に全ての装置要素を搭載することができるので、極めて小型のストレス検出装置を実現できる。

[5]上記の測定部は、例えば該生体抵抗値の基準抵抗値に対する反比例分圧電圧を測定するものである。すなわち該測定部を、生体抵抗と基準抵抗の分圧回路で構成し、該基準抵抗の電圧を測定することにより、生体抵抗に反比例した電圧を測定することができる。

[6]上記の送信部は、例えば、該周波数信号を空間に送出するアンテナコイルである。

これにより、このアンテナコイルから送信された周波数信号を受信する側では、該測定部で測定した皮膚抵抗電圧を再現することができる。

[7]上記逆変換された電圧信号の長期的指標を出力するローパスフィルタをさらに備えることができる。これにより、持続性の長期的な精神的ストレス指標が得られる。

[8]上記のストレス検出装置において、該送信部及び該受信部はアンテナコイルで構成され、該受信側ストレス検出装置は、該送信部が送信する周波数信号とは周波数が異なる所定周波数の交流電圧を該受信部のアンテナコイルに印加して、該送信側ストレス検出装置に誘導起電力を発生させる送電回路をさらに備え、該送信側ストレス検出装置は、受電コイルと、受電回路とをさらに備え、該受電回路は、該送電回路が発生させた誘導起電力を該受電コイルから入力して、該測定部及び該周波数信号発生部に電源として供給することが可能である。

すなわち、この場合には、送信側のストレス検出装置が電源を持っていない場合に備えて、送電回路がアンテナコイルに上記の周波数信号とは周波数が異なる所定数周波数の交流電圧を印加して送信信号を送ると、例えば上記の送信側のストレス検出装置がその送信信号の誘導起電力を電源として利用することが可能になる。

そして、送信側のストレス検出装置において、上記の周波数信号発生部と送信部と受電コイルと受電回路とを設け、該受電回路が、上記の送電回路のアンテナコイルによって自分の受電コイルに誘起された電力を入力して該測定部及び該周波数信号発生部に電源として供給する。これにより電源を搭載するスペースが不要となり、一層の小型化を図ることが可能となる。

以上のように本発明のストレス検出装置によれば、電極が2個でよく、運転中も確実に測定部位に接触させることができる。

また、一過性の精神的ストレス成分として、ピークの数ではなく、急峻さを指標とするので、生理信号の波形が変動して検出に失敗するということが無い。そして、急峻さを検出する毎に記録して次々と現在値とすることで、応答性に優れた精神的ストレス検出が可能となる。

また、検出できない場合は、短期的なストレスが生理的に出力されていない状態であり、誤判定することが無い。

さらに、信号処理はフィルタとフィルタ後の信号のピークホールドだけであり、高度なCPUが不要である。従って、回路を簡素化することができ、また省電力でもある。装置そのものをコンパクトにすることも容易となる。

以下、本発明に係るストレス検出装置を図面を参照して説明する。なお、本発明に係るストレス検出装置は、下記のように送信側の装置と受信側の装置とに分けて説明するが、本発明は自動車分野のみならず医療分野にも適用可能であり、それぞれ独立した装置としても提供可能なものである。歯科外来のような会話ができない場合での痛みや緊張の伝達用インタフェースとしての適用も可能で、医療分野の他にも、福祉、在宅介護、さらにはゲームへの応用もできる。

実施例(1)（電源搭載型）：図1及び図2
この実施例(1)は、ストレス検出装置において電源が搭載されているものである。

図1は、送信側のストレス検出装置の外観を示したもので、同図(1)はこのストレス検出装置を構成する第1の指輪型電極1及び第2の指輪型電極2を、それぞれ例えば運転者の薬指F1及び中指F2に嵌めた状態を拡大して示している。これらの指輪型電極1及び2は相互にコード3によって接続されている。

同図(2)は、これらの指輪型電極1及び2を指から外したときの状態を拡大して示しており、指輪型電極1は接続部4を介してコード3に接続され、このコード3はさらに送信部5に接続されている。この送信部5は指輪型電極2に接続されている。指輪型電極1及び2は全体がステンレス電極であり、外側は他の金属類等と短絡しないようにコーティングが施されている。

送信部5は、同図(3)に示すように、回路部を構成するプラスチックモールドされた電池ケース5aと、この電池ケース5aに対する蓋部5bとで構成され、電池ケース5aに電池6を搭載した後、蓋部5bを被せるようになっている。

このような図１に示した指輪型電極1及び2の回路構成が図2(1)に示されており、これは送信側のストレス検出装置を構成しており、送信部5は、図示の回路構成を全て内蔵している。

まず、指輪型電極1及び2は、図1(2)に示したように2つの指に装着することにより、両指間の生体抵抗Rsによって接続された形になる。また、指輪型電極1はコード3によって送信部5と接続され、指輪型電極2は図1(2)に示すように、送信部5に入り込んだ形で送信部5と電気的に接続されている。

送信部5は、周波数信号発生部5_1と、この周波数信号発生部5_1に接続された送信コイル5_2とで構成されている。また、周波数信号発生部5_1は、やはり送信部5に搭載された電池6によって各部に電源が供給されており、その電源電圧+Vには、コード3を経由して指輪型電極1が接続されている。また、指輪型電極2は直流増幅器51の一方の入力端子T1に接続されており、この入力端子T1は基準抵抗R0を介して接地されている。また、直流増幅器51の他方の入力端子T2は接地されている。さらに直流増幅器51の出力端子は、電圧−周波数(V-F）変換回路52に接続され、さらにコイル駆動回路53に接続されている。このコイル駆動回路53の出力端子は送信コイル5_2に接続されている。

このような図2(1)に示す送信側のストレス検出装置の動作においては、指輪型電極1及び2の間の生体抵抗Rsと送信部5における基準抵抗R0とで直列抵抗分圧回路を構成しており、直流増幅器51の入力端子T1の電圧Viは、下記の式によって与えられる。

Vi=V＊R0/(R0+Rs) ・・・式(1)
従って、直流増幅器51の出力電圧Out1は生体抵抗値Rsが低下すると、これに反比例して上昇することになる。これは、精神的ストレスMWLが大きく発汗が亢進するため生体抵抗値Rsが低下し出力電圧Out1が上昇することを示している。このときの精神的ストレスMWLの波形が図3(1)に示されている。

従って、上記の式(1)は次のように表すことができる。

Out1 ∝ MWL ・・・式(2)
直流増幅器51の出力電圧Out1は、電圧−周波数変換回路52に入力されると、出力電圧Out1に対応した周波数fsの出力パルスOut2に変換される。従って、出力パルスOut2の周波数fsは直流増幅器51の出力電圧Out1に比例するので次式のように表すことができる。

fs ∝ Out1 ・・・式(3)
なお、周波数fsは次式で表すように一定の範囲(f1〜f2)内にある。

f1 < fs < f2 ・・・式(4)
このように電圧−周波数変換回路52から出力された周波数fsのパルスOut2は、駆動回路53によって周波数fsの送信信号S1として送信コイル5_2に与えられ、ここで弱い交流電流が流れ、送信コイル5_2の近傍に信号伝達用の交流磁場を形成することになる。

このような送信部5からの送信信号S1を受信する側のストレス検出装置の構成例が図2(2)に示されている。

この受信側では、送信部5からの送信信号S1を受信するために、車両のハンドル11内にコイル12を埋設している。このコイル12の両端にはカップリングコンデンサC1及びC2が接続されており、コイル12の出力信号の直流成分を除去した後、バンドパスフィルタ(BPF)13に与えるようにしている。

バンドパスフィルタ13の出力端子は周波数−電圧(F-V)変換回路14に接続され、この周波数−電圧変換回路14の出力端子はさらにバッファ15に接続されている。バッファ15の出力端子は長期的指標解析部(LPF)16に接続されるとともに、短期的指標解析部17を構成する微分フィルタ17_1及びピークホールド回路17_2の直列回路にも接続されている。

このような受信側のストレス検出装置の動作においては、例えば図2(1)に示す送信部5から送信された送信信号S1がハンドル11内のコイル12によって受信され、さらにカップリングコンデンサC1及びC2を経由して周波数範囲f1〜f2のみを通過させるバンドパスフィルタ13によって周波数fsの交流信号Out3が抽出される。

この交流信号Out3は、周波数−電圧変換回路14によって電圧に復調され、送信部５の直流増幅器51の出力電圧Out1に対応した出力電圧Out4としてバッファ15に与えられる。すなわち、出力電圧Out4は次式に示すように、精神的ストレスMWLに比例することになる。

Out4 ≒ Out1 ∝ MWL ・・・式(5)
バッファ15の出力電圧は、ローパスフィルタ16に送られ、出力電圧Out4の基線変動成分が抽出されて電圧として出力される。この基線変動成分は、図3(2)に示す持続的な精神的ストレス成分T-MWLを示している。

また、バッファ15から短期的指標解析部17に送られた電圧は、微分フィルタ17_1において、所謂ハイパスフィルタ(HPF)による波形の高周波成分の振幅（同図(3)に示す一過性の精神的ストレスP-MWLの波形）ではなく、傾きを出力電圧Out5として出力する（なお、皮膚電気抵抗のピークについて、生理学的には振幅は発汗拍出量を示し、立ち上がりの急峻さは汗腺活動の同期性を表している）。

また、ピークホールド回路17_2には、微分フィルタ17_1の出力電圧Out5の立ち上がりをトリガとして、その振幅のピーク値を数分の長い時定数を持って維持し、電圧として出力する。すなわち、このピークホールド回路17_2の出力は、送信部5における出力電圧Out1の各ピークの立ち上がりの傾きの最大値を常に出力していることになる。ピークが一回発生する毎に次々とその急峻さを現在値とすることで、解析時間に関係なく常に最新の精神的ストレスを出力することができる。

ここで、上述した図3(1)〜(3)の波形について触れておく。

精神的ストレス(MWL)には、長期的（持続的；Tonic）と短期的（一過性；Phasic）の2面性がある。

図3(1)は、出力電圧Out1の波形であり、精神性ストレスMWLの大きさを示している。同図（2）はその内の基線変動成分をローパスフィルタで抽出したものであり、およそ10分以上をかけてゆっくりと変動する持続的な精神性ストレスT-MWLを示している。同図(3)は、一過性変動成分をハイパスフィルタで抽出したものであり、数秒から1分以内程度の一過性の精神性ストレスP-MWLを示している。

この例では、持続的な精神性ストレスT-MWLは徐々に低下しており、ストレスレベルが徐々に低下している。一方、一過性の精神性ストレスP-MWLは、この例では1分間当たり0〜3個程度の頻度で見受けられる。従来、一過性の精神性ストレスP-MWLはその発生頻度（一定時間内のピークの個数）とその高さ（ピークの高さ）がストレス指標とされていた。つまり、短期的なストレスが大きいときはピークが多数発生し、その一つ一つの振幅も大きいとされていた。

しかしながら、上記のようにハイパスフィルタで一過性の精神性ストレスを抽出する方法では、以下の問題点があった。

1．検出の失敗の問題
安静時や、人によってはピーク振幅が小さく、閾値による検出で失敗する。

2．誤判定の問題
ピークは何らかの外的な刺激がなければ発生し難いことがあり、解析に用いる単位時間（例えば1分間）が短かったり、サンプリングのタイミングがずれていたりすると、そこに含まれるピークが0個になり、短期的なストレスが0と誤判定されてしまう。

3．個人差の問題
ピークの発生頻度には個人差が大きく（1分間当たり0個の人もいれば10個の人もいる）、短期的なストレス指標としての精度を維持するには個人毎に解析時間を決めなければならない。

4．時間分解能の問題
解析時間を数分〜10分程度に長くすれば、含まれるピークの個数が増えて精度が高くなるが、時間分解能が悪くなって一過性のストレス指標とは言えなくなる。

5．システムリソースの問題
ピークの数や振幅を記憶して演算をするので、高度のCPUとメモリ装置と電力が必要。

これに対し、本発明の実施例では、微分フィルタ17_1とピークホールド回路17_2とで構成された短期的指標解析部17を設けることにより、以下のメリットが得られる。

1．検出の失敗の問題
ピークの傾きを見ているので、元波形の振幅が小さくて検出に失敗するということが無い。

2．誤判定の問題
単位時間に区切って解析するわけではないので、サンプリングタイミングを考える必要はない。

3．個人差の問題
個人差の大きなピークの発生頻度によって解析時間を設定すべき必要がない。

4．時間分解能の問題
単位時間に区切って解析するわけではないので、生理反応があった時点で最新の短期的スト
レスを出力できる。

5．システムリソースの問題
解析処理はすべてアナログ回路で実現でき、高度なCPUが不要となり、省電力が図られる。

実施例(2)(電源非搭載型)：図4及び図5
この実施例(2)は、上記の実施例(1)とは異なり、送信側のストレス検出装置に電源を搭載しないものであり、図4(1)に示すように、外見上は図1に示した実施例(1)と大きく相違はしていないが、図4(2)に示すように、第2の指輪型電極2の送信部5は、電池を内蔵していないため、比較的薄型のものに成っている。

このようなストレス検出装置の実施例が図5(1)に示されている。このストレス検出装置と、図2(1)に示した実施例(1)のストレス検出装置とは、実施例(1)において電池6が送信部5に搭載されているのに対して、実施例(2)においては、電池を搭載する代わりに受電コイル5_3と受電回路5_4とキャパシタ5_5によって周波数信号発生部5_1に対する電源を供給している点が異なっている。

このため、図5(2)に示す受信側のストレス検出装置に示すように、この実施例(2)においては、図2(2)に示した実施例(1)の受信側のストレス検出装置において、コイル12に対して送電回路18を付加した点が異なっている。

この実施例(2)の動作においては、受信側から送信側に誘導起電力が与えられる点のみが実施例(1)の動作と異なっているので、その点について以下に説明する。

まず、図5(2)に示す送電回路18からコイル12には、周波数範囲f1〜f2に無い周波数fpの交流電圧が与えられており、以てハンドル11の近傍には電力伝達用の磁場が形成されている。

従って、同図(1)に示す送信側のストレス検出装置の送信部5における受電コイル5_3がこの磁場の中に入ると（すなわち、例えばこの指輪型電極1及び2を装着した運転者がハンドル11を握ったとき）、周波数fpの交流誘導起電力が受電コイル5_3に生じる。受電回路5_4がこの誘導電流を整流し、キャパシタ5_5に蓄電する。キャパシタ5_5によって電気量を保持することができ、ハンドル11と手の位置関係等に影響されず、キャパシタ5_5から周波数信号発生部5_1に対して安定した直流電源の供給を行うことができる。

なお、コイル12には送電回路18による周波数fpの交流電流に対して、送信部5の送信コイル5_2による周波数fsの弱い誘導電流（送信信号S1）が重畳しているが、下記の式に示すように周波数fsは周波数fpよりも十分高いため周波数帯域において互いに干渉しない。

fp ≪ f1 < fs < f2 ・・・式(6)
変形例
・実施例(1)及び(2)において、各コイルを平面型にすることで、指輪型という形態に留まらず、フィルム型や、手袋や、靴下埋め込み型にすることも可能である。
・裸足であれば、靴底のソールに組み込むことも可能である。
・足の指に実施例(1)の電極を装着することも可能であり、また、実施例(2)の如く電源非搭載型も可能である。
・オートマチック車の場合、動作の少ない左足に電極を装着することで、安定した皮膚インピーダンス波形を導出することができ、より精度の高いストレス指標の算出が可能となる。
・電極は、精神性発汗を生じる箇所に対して適切な距離を置いて2つ配置することで、手指のみならず、手のひら、足指、足裏に適用することも可能である。
・実施例(2)のように、誘導電流を用いた電源非搭載型とした場合には、手指、手のひらを導出部位とした場合には、ハンドル周辺やシフトレバー周辺に、足指や足裏を導出した場合には、ペダル周り等に送電回路を配置することができる。
・実施例(1)及び(2)における受信側のコイルを複数配置して、手や足を動かした際に最も受信状況がよいコイルと選択的に送受信することで、送信器と受信器が1対1である場合に比べて、通信の断絶を減らし信頼性を確保することができる。

なお、本発明は、上記実施例によって限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づき、当業者によって種々の変更が可能なことは明らかである。

本発明に係るストレス検出装置の送信側の実施例(1)を示した外観図である。本発明に係るストレス検出装置の実施例(1)の回路構成を示したブロック図である。精神性発汗による精神的ストレスの種々の変動成分を示した波形図である。本発明に係るストレス検出装置の送信側の実施例(2)を示した外観図である。本発明に係るストレス検出装置の実施例(2)の回路構成を示したブロック図である。

符号の説明

1 第1の指輪型電極
2 第2の指輪型電極
3 コード
4 接続部
5 送信部
5_1 周波数信号発生部
5_2 送信コイル
5_3 受電コイル
5_4 受電回路
5a 電池ケース（回路部）
5b 蓋部
6 電池
11 ハンドル
12 コイル
13 バンドパスフィルタ(BPF)
14 周波数−電圧(F-V)変換回路
15 バッファ
16 ローパスフィルタ
17 短期的指標解析部
17_1 微分フィルタ
17_2 ピークホールド回路
51 直流増幅器
52 電圧−周波数(V-F)変換回路
53 コイル駆動回路
F1 薬指
F2 中指
Rs 生体抵抗
R0 基準抵抗
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims

測定対象者の生体抵抗値に反比例した電圧を測定する測定部と、
該測定部で測定した電圧信号の短期的指標を出力する短期的指標解析部であって微分フィルタとピークホールド部との直列回路で構成されたものと、を備えたことを特徴としたストレス検出装置。
請求項1において、
該測定対象者の生体抵抗値に反比例した電圧を測定して送信する送信側ストレス検出装置であって、該測定部と、該電圧を周波数信号に変換する周波数信号発生部と、該周波数信号を送信する送信部からなる送信側ストレス検出装置と、
該送信側ストレス検出装置と別体の受信側ストレス検出装置であって、該送信部から送信された周波数信号を受信する受信部と、該周波数信号を、該電圧信号に逆変換する逆変換部と、該短期的指標解析部からなる受信側ストレス検出装置と、
からなるストレス検出装置。
請求項２において、
該送信側ストレス検出装置は、測定対象者の皮膚に接触する相互接続された第１及び第２の電極を更に備え、該測定部は該第１及び第２の電極間の生体抵抗値に反比例した電圧を測定することを特徴としたストレス検出装置。
請求項３において、
該電極の一方が、該測定部、該周波数信号発生部、及び該送信部並びにこれら測定部及び周波数信号発生部に対する電源を搭載していることを特徴としたストレス検出装置。
請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
該測定部が、該生体抵抗値の基準抵抗値に対する反比例分圧電圧を測定するものであることを特徴とするストレス検出装置。
請求項２乃至５のいずれか一つにおいて、
該送信部が、該周波数信号を空間に送出するアンテナコイルであり、該受信部が、車両に埋没されたアンテナコイルであることを特徴とするストレス検出装置。
請求項２乃至６のいずれか一つにおいて、
該受信側ストレス検出装置は、該逆変換された電圧信号の長期的指標を出力するローパスフィルタをさらに備えることを特徴とするストレス検出装置。
請求項２において、
該送信部及び該受信部はアンテナコイルで構成され、
該受信側ストレス検出装置は、該送信部が送信する周波数信号とは周波数が異なる所定周波数の交流電圧を該受信部のアンテナコイルに印加して、該送信側ストレス検出装置に誘導起電力を発生させる送電回路をさらに備え、
該送信側ストレス検出装置は、受電コイルと、受電回路とをさらに備え、該受電回路は、該送電回路が発生させた誘導起電力を該受電コイルから入力して、該測定部及び該周波数信号発生部に電源として供給することを特徴とするストレス検出装置。