JP5878692B2 - 対象の状態を維持するための方法及びシステム - Google Patents

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本発明は、対象の状態を維持する方法及びシステムに関する。一実施例において、本発明は、上限閾値及び下限閾値を有する感情制御システムを提供する。
医療及び安全性環境において対象の生理学的パラメータをモニタリングすることが知られている。連続的にユーザのリラクセーションのレベルを上昇させることを目的とするいくつかの製品が利用可能であるが(例えば、RESPeRATE(R), StressEraser)、あまりにリラックスし過ぎると、ユーザが寝てしまったり、危険な程低い警戒レベルに近づいてしまったりするので危険である場合がある多くの状況が存在する(例えば、危険な機械を操作すること)。これ(注意不足)は既知の問題であり、これが発生することを防止するためのアプローチが存在する(例えば、プロジェクト"AWAKE", European project IST-2000-28062, http://www.awake-eu.org/objectives.htmlを参照)。しかしながら、人々が機械だけではなく他の人とも影響し合う一般的な状況における、なお多くの場合(例えば、運転中、仕事中、飛行機のパイロット、列車の運転士、ショップの店員、銀行のカウンターの行員、地方自治体、コールセンターの人員など)、警戒態勢のままでいる(すなわち、上述のように、リラクセーションの量を制限する)ことだけでなく、あまりに緊張又は興奮することを回避することも、これが個々の能力が最適に機能することを制限するので、重要である。
上記で"RESPeRATE(R)"と呼ばれるシステム(例えば、http://www.resperate.com/参照)は、装置に導かれた呼吸によって、対象が血圧及びストレスレベルを自然に低下させるのを助ける携帯型電子デバイスである。この装置は、毎分１０呼吸未満の「治療ゾーン」に呼吸速度を低減するように、相互作用的にユーザを導く外的リズムに従う体の自然な傾向を利用する。このシステムは、速度を整えられた呼吸治療を通して血圧を下げることが臨床的に証明された唯一の医療装置であり、処方箋なしで(店頭取引(OTC)で)販売可能である。患者のストレスを低減するように動作する他の製品はStressEraserである(例えば、米国特許出願公開公報US 2005/0288601参照)。これらの製品の両方は、連続的にストレスレベルを低減することを目的とし、ストレスの下位レベルを制限するための機能を提供しない。実際、両方の製品を用いると、ユーザは眠りに落ちるのが気持ち良いだろう。
しかしながら、特定の状況では(例えば、危険な機械を操作している場合)、対象が眠りに落ちるのは望ましくない。過度にリラックスすると、ユーザが眠りに落ちる可能性があるので、危険な場合がある。これは、上述の欧州プロジェクト"AWAKE"から知られている。このプロジェクトの一つの目的は、車両のドライバーが眠りに落ちることを防止するシステムを提供することである。そのような注意不足(hypo-vigilance )の場合において、システムは、推定されたドライバーの注意不足状態に従って、そしてさらには実際の交通環境に従って、さまざまな警報レベルによって適切な警報をドライバーに提供する。このシステムは、全てのハイウェイシナリオにおいて、確実かつ効果的に動作する。
"DWS"とも呼ばれる「ドライバー警報システム」として知られる同様のシステムは、AWAKE警報の種類に従って、音響、視覚及び触覚手段を用いることができる。音響警報は、ドライバーの警戒を増加させる種々の警報音及び警報が活性化された理由を示す音声メッセージを含む。警報の視覚要素は、デモ車両のリアビューミラー又はトラックデモンストレータのダッシュボードの上の外付ボックスに配置される。これらの装置はさらに、スマートカードリーダ及びシステムのOn/Offボタンのホストをする。触覚警報は、シートベルトロックに取り付けられる振動装置に基づく。振動刺激は、シートベルト全体に沿って感知されることができる。
しかしながら、対象が過度に興奮したり過度にリラックスしたりしないように、対象の特定の状態を維持するために、対象の状態をモニタリングして対象に対処することができるシステムは存在しない。
したがって、既知の技術を改善することが本発明の目的である。
本発明の第１の態様によれば、対象の状態を維持する方法が提供され、当該方法は、対象の一つ以上の生理学的パラメータを測定し、測定されたパラメータを用いて値を計算し、計算された値が下限閾値を下回るか又は上限閾値を上回るかを決定し、計算された値が下限閾値を下回ること又は上限閾値を上回ることが決定された場合に対象に対して出力を生成する。
本発明の第２の態様によれば、対象の状態を維持するシステムが提供され、当該システムは、対象の一つ以上の生理学的パラメータを測定するように配置される一つ以上のセンサ、測定されたパラメータを用いて値を計算し、計算された値が下限閾値を下回るか又は上限閾値を上回るかを決定するように配置されるプロセッサ、及び、計算された値が下限閾値を下回ること又は上限閾値を上回ることが決定された場合に対象に対して出力を生成するように配置される１つ以上の出力装置を有する。
本発明により、対象をモニタリングして、対象が望ましい状態から十分に逸脱したとみなされる場合に、それは対象が過度に興奮したためであるのか又は過度にリラックスしたためであるのかを、対象に指示するシステムを提供することが可能である。本システム及び方法は、運転中のような状態にあるユーザが、下限閾値及び上限閾値の両方によって定められる感情状態(例えばリラクセーション又は覚醒)の領域にとどまることを援助するために提供される。本文中の例の多くは運転中のユーザのリラクセーション状態に関して示されるが、本発明が、(従来技術に関して上記で挙げられたような)多くの他の状況において、そして多くの他の感情状態(例えば恐怖、怒り、驚き、退屈、嫌気、幸福など)のために、有利に適用されることができることは明らかである。
一実施例において、出力装置は、計算された値が下限閾値を下回ることが決定された場合に第１出力を生成し、計算された値が上限閾値を上回ることが決定された場合に第２出力を生成し、第２出力は第１出力とは異なる。本システムは、対象が過度に疲労してきている場合に適切な刺激を供給することができ、同様に、対象が過度に警戒又は緊張してきている場合、異なる刺激が用いられることができる。
好ましくは、プロセッサは、対象の一つ以上の測定された生理学的パラメータをスケールにマップするように配置され、計算された値は、スケール上の値を有する。本システムが、対象の１つのパラメータ(例えば対象の心拍数)を測定するように構成される場合、計算される値は直接的な身体測定値であり、２つの閾値は、下限としての80BPM及び上限としての130BPMであることができる。本システムは、測定された心拍数がこの範囲外であるときはいつでも対象に出力を供給するように構成される。
しかしながら、複数の生理学的パラメータが測定されている場合(例えば心拍数、皮膚導電率及び頭部移動量)、これらの身体測定値は、事実上、基礎をなす身体データの解釈であるスケール(例えばリラクセーションスケール)にマップされることができる。この状態スケールは、1から10までの単純なスケールであることができ、マッピング関数は、全ての測定されたデータを利用して、このスケール上に配置される値を提供する。出力が対象に供給されるべきかどうかを決定するために使用される閾値は、このスケール上のレベルである。これは、対象に出力を供給すべきかどうかの決定プロセスにおける更なる柔軟性を可能にする。例えば、心拍数は、スケール中の上方レベルを決定するために用いられることができ、それによって、より速い心拍数は、対象が緊張していることを示す。しかしながら、測定された心拍数が例えば100BPMを下回る場合、これは(マッピング関数に従って)認識スケールにもはや入力を持たず、頭部移動量又は表情が、スケールの下方レベルを計算するために用いられることができる。
一方の閾値が第１のマップされたパラメータ(例えばリラクセーション)に関して記述されることができ、他方の閾値が第２のマップされたパラメータ(例えば怒り)によって記述されることもさらに可能である。明らかに、異なる生理学的パラメータの測定値又はパラメータのセットが、異なるマップされたパラメータを導き出すために必要とされることもさらに可能である。
好ましくは、出力装置は、直接的な身体フィードバックを対象に供給するように配置される。多くの実施の形態において、対象からの高速応答を刺激するために直接的な身体フィードバックを対象の身体に供給することが望ましい。例えば、ドライバーが警戒しているが緊張はしていない状態を維持することを保証するために提供されるシステムにおいて、出力装置は、対象の体に係合するためのベルト及びベルトの締め付けを制御するように配置される締付け装置を有することができる。これは、対象の呼吸の吸い込み及び吐き出し動作を調整するために、締付け装置の制御の下でシートベルトを締め付けること及び緩めることを利用して対象の呼吸を調整するために用いられることができる。車内の実施の形態において、出力装置は、さらにシート安全機能(例えばシートベルト)を含む対象用のシートの一部を含むことができ、及び/又は、出力装置は、対象用のステアリングホイールの一部を含むことができる。これらの出力装置は、振動あるいは熱パルスを出力するように配置されることができる。他の考えられる車内ソリューションは、空調システム及びこの空調システムを制御するように配置される制御装置を有する出力装置を含む。空調システムは、誘導された呼吸を促進するために、反復する合図(例えば、反復する空気の突風及び/又は反復する香りの放出)を生成するために用いられることができる。
本発明の実施の形態は、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明される。
対象を伴うシステムの概略図。 ２つの閾値レベルを有する図1のシステムの動作の概略表示。 自発的呼吸循環同期システムの概略図。 タイミング図。 更なるタイミング図。 図1のシステムの第２の実施の形態。
図1は、対象12の状態を維持するためのシステム10を示す。システム10は、対象12の一つ以上の生理学的パラメータを測定するように配置されるセンサ14、測定されたパラメータを用いて値を計算し、計算された値が下限閾値を下回るか又は上限閾値を上回るかを決定するように配置されるプロセッサ16、及び、計算された値が下限閾値を下回っていること又は上限閾値を上回っていることが決定された場合に対象12に対して出力を生成するように配置される１つ以上の出力装置18を有する。図は、３つの別個のセンサ14によってモニタリングされている対象12を示す。センサ14aは皮膚導電率測定装置であり、センサ14bは対象12の表情及び頭部位置をモニタリングしているカメラであり、そしてセンサ14cは対象の胸部の回りにストラップで適当な位置に保持される無線心拍数モニタである。センサ14a及び14cは、対象12の生理学的パラメータを直接測定している直接センサであると考えられることができ、そしてセンサ14bは、対象12の表情のような生理学的パラメータを測定している間接センサである。他の間接的な生理学的センサは、ユーザがユーザインタフェースと対話する態様(例えばユーザがステアリングホイールを把持する圧力)を含むことができる。出力装置18は、プロセッサ16の制御の下で対象18にオーディオ命令を出力するように配置されるスピーカである。
図2は、本発明の一つの実施の形態によるシステム10の動作の概略表示を示し、そしてシステム10が対象12の感情の状態(すなわち感情のレベル)に依存して対象12と如何に相互作用するかについて説明する。この特定の例において、感情の状態は、運転状態にあるユーザ12のリラクセーション状態に関して表される。下限閾値20は、出力が対象12に供給される前に対象12が達することができる下限値を表す。この場合には、下限閾値20は、対象12が運転中にもかかわらず、過度にリラックスして、おそらく眠りに落ちそうであることを表す。上限閾値22は、再びシステム10が対象12を落ちつかせることを試みるために介入する前に対象12が容認される、最大警戒を表す。上限閾値22の場合、この限度が一旦超えられると、安全に車両を運転するためには対象があまりにも緊張している又は怒っていることが察知される。(リラクセーションスケールとみなされることができる)スケール24は、対象12の起こりうるリラクセーション状態の感知される範囲を表し、値26は、対象12が到達したと計算される現在のレベルを示す。この値26は、センサ14からのデータを用いてプロセッサ16によって計算される。
対象12に供給される出力は多くの異なる形態をとることができ、直接的及び間接的の両方の異なる刺激の組み合わせであることができる。図1は、スピーカの可能な用途を示す。以下に記載される更なる実施の形態において、呼吸ガイダンスシステムを用いて自動車ドライバー12のリラクセーションレベルを制御するのを助けるシステムが考慮される。ユーザが受け取る出力は、すでに存在する出力の調節であることができる。この場合には、どちらかの閾値が超えられたときに、出力のレベルが変更される。例えば、ユーザが音声を聞いている場合、閾値が超えられたことをシステムが確認したときにユーザが受け取る出力は、その音声のボリュームの変更であることができる。
呼吸ガイダンスは、呼吸技術を改善する方法である。呼吸は、心拍数(HR)ひいては心拍変動(HRV)に影響を与える。HRVは、生理学及び心理学における主要な関心の項目になっている。HRVがそれぞれ心拍数を減少及び増加させる副交感神経系(PNS)と交感神経系(SNS)との間のバランスに起因しているので、それは特に興味深い。その結果として、HRVはユーザのリラクセーションレベルの測度であり、HRVがより"コヒーレント"である程(すなわち、より滑らかにHRVが時間とともに変動する程)、ユーザはリラックスしている。
瞑想を介してリラックスすることと呼吸との間の関係は、呼吸振動に関する呼吸循環同期化への瞑想の影響、及び、呼吸によって引き起こされる心拍数の変調(呼吸性洞性不整脈, RSA)に関する研究において示されている(例えば、Dirk Cysarz, Arndt Bussing, "Cardio respiratory synchronization during Zen meditation", European Journal of Applied Physiology, 95(1), pages 88 to 95, 2005を参照)。禅瞑想は、呼吸振動に関する呼吸循環相互作用及び呼吸によって引き起こされる心拍数変動(RSA)を同期させる。さらにそれは、心拍数の低頻度の変動を大幅に増加させる。自発的呼吸パターンはいかなる呼吸循環同期もほとんど示さず、そして、精神活動の間、両方のタイプの禅瞑想と比較して呼吸循環同期は減少した。さらに、上記の論文は、この種の宗教的な方法が、特別な長期トレーニングを必要とせずに、呼吸循環相互作用に対する即時の生理学的効果を持つことを示す。E. Jovanov, "On Spectral Analysis of Heart Rate Variability during Very Slow Yogic Breathing", 27th Annual International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society, IEEE-EMBS 2005, pages 2467 to 2470, 2005に示されているように、ヨガについても同様の結果が得られている。
呼吸を誘導するために、最初に刺激がユーザに与えられ、それにユーザが従う(すなわち、第１の信号の時点で息を吸い、第２の信号において息を吐く)。これを達成するための最も単純な方法は、RESPeRATE(R)装置によって供給されているように、単にゆっくりした繰り返しの信号を供給することである。より強力なアプローチは、呼吸誘導信号を他の身体信号に同調させることであり、例えば、自発的呼吸循環同期(VCRS)が開始されることができる。VCRSは、呼吸を心拍数(HR)に同期させて、それによって特定の心拍数変化(HRV)を達成する方法である。システムがユーザの感情の状態をどんな場合でもモニタリングしているので、モニタリング装置が心拍数を導き出すことができるならば、VCRSの速度を整えるためにモニタリング装置を使用することが可能である。第二に、対象は自由に呼吸するように促されることができるが、それらのHRVがどれくらいコヒーレントかについてのフィードバックが対象に提供される。これは、StressEaser装置によって、さらにHeart Math及びWild Divineによって利用されるアプローチである。
本発明のシステムは、例示的な実施の形態において、自動車又は他の車両に基づく。記載されるシステムは、３つのブロック(測定(検知)、制御及びフィードバック)を含む。第１ステップは、心拍数センシングに基づくこの例示的な実施の形態における呼吸ガイダンスセンシングであり、心拍数センシングは、以下を含む様々な態様で決定されることができる。
- ECG信号を測定する典型的なAg/Ag Cl電極による。
- 例えば静電荷感受性ベッド(SCSB)、ピエゾホイル又は椅子に組み込まれたEMFiフィルムセンサによって、心弾動図を測定すること(例えば、Junnila, S.; Akhbardeh, A.; Varri, A.; Koivistoinen, T., "An EMFi-film sensor based ballistocardiographic chair performance and cycle extraction method", IEEE Workshop on Signal Processing Systems Design and Implementation, 2005. Volume, Issue 2 to 4, pages 373 to 377, Nov. 2005参照)。
- 酸素飽和度(SPO2)を測定すること。
- 対象の指、耳又は体のどこか他の所において、(光)容積脈波PPGを測定すること。
- 非ガルバニック容量性電極を使用すること(C.J. Harland,T.D. Clark and R.J. Prance, "High resolution ambulatory electrocardiographic monitoring using wrist-mounted electric potential sensors", Meas. Sci. Technol. 14 (2003), pages 923 to 928参照)。
- 腕時計のような装置を使用すること。WO 2007/072288として公開された、ユーザの心拍数及び/又は心拍数変動をモニタリングするためのモニタリング装置、そのようなモニタリング装置を有する腕時計を参照。
- seismosomnography(SSG)を使用すること(Brink et al., "Contact-free measurement of heart rate, respiration rate, and body movements during sleep", Behavior Research methods, 38(3), pages 511 to 521, 2006参照)
- ウルトラワイドバンドレーダ
- 光Vibrocardiography(U. Morbiducci et al., "Optical Vibrocardiography: A novel tool for the Optical Monitoring of cardiac activity", Annals of biomedical engineering, Vol. 35(1), pages 45 to 58, Jan 2007参照)
- マイクロフォン(心音計)によって音響学的に。
- インテリジェント生地又は組込みセンサを有する下着。
他の実施例は、例えば、胸部ストラップ又は下着に組み込まれたひずみゲージを用いた、あるいは、上述の音響技術又はバリストカルジオグラムアプローチ(ballisto cardiogram approach)を用いた、直接的な呼吸速度検出を使用することができる。心拍数を測定する利点は、それが、(ドライバーに対する可能なフィードバック機構としてHRVにおけるコヒーレンスをモニタリングすることと同様に)対象の呼吸を誘導するために以下で詳細に説明されるVCRS方法を組み入れる選択肢を提供することである。
(必ずしも運転状況に関連しない)また更なる実施の形態において、他の感情状態に関連している他の生理学的信号が考慮されることができる。例えば、(コールセンターのような、顧客に向き合う環境におけるアプリケーションでは)ユーザのストレスのレベルを決定するために音声の分析が使用されることができ、一方、表情又は顔の動き(瞬き、眼の追跡など)の測定が、ユーザの注意のレベルを評価するために使用されることができる。
上記の測定のいずれも、ドライバーの場合において考慮されることができるが、好ましい実施の形態は、対象の生理学的パラメータの測定のドライバーコックピット領域への統合である。ここで、以下のオプションが考慮されることができる。
- シートベルトへのセンサの統合。これは、シートベルトが胸部領域全体にそして体に密接に接触して配置されるので(例えば心拍数又は呼吸の信頼性が高い測定を促進する組み合わせ)、特に好ましい。
- シートへのセンサの統合(例えば、ドライバーシートに組み込まれるEMFiフィルムセンサを有するバリストカルジオグラム)。
- ステアリングホイールへのセンサの統合(ドライバーがいつもホイールを保持しているので)。
- ドライバーの表情/顔の動きをモニタリングするカメラの使用(ドライバーが定位置にいるので比較的容易である)。
- 呼吸をモニタリングするマイクロフォンの使用(ドライバーが定位置にいるので比較的容易であり、例えば、良好なノイズキャンセルの実現を可能にする)。ここで、好ましい実施の形態は、これを「ハンドフリー」セットに組み込む。
好ましくは、この測定は目立たず、そして好ましい検知方法はアプリケーション次第である。一旦ECG又は同様の信号が分かると、Rピーク(一次心拍信号)間の時間が決定されることができ、拍動間隔(IBI)を与える。
第２ステップは、VCRSアプローチに基づくこの例示的な実施の形態におけるフィードバック制御器である。フィードバック制御器は、図2に示されるように、事前に決められた領域内にユーザの感情状態を維持するように動作する。ドライバーのケースでは、車両を運転している場合ドライバーは、VCRS態様で呼吸すれば、よりリラックスすることができる。ドライバーが過度にリラックスしていて眠りに落ちるかもしれない場合、システムは、ドライバーが呼吸速度を増加させるように促されることによってより目覚めるように、動作することができる。あるいは、システムは、ドライバーが過度に緊張してきていることに気がついた場合、リラクセーションを増加させるために呼吸速度を遅くすることができる。
以下では、VCRSアプローチのいくつかの詳細が与えられる。1964年以前は、患者の心臓を検査する間に呼吸によって誘発される変動を制御する唯一の方法は、対象又は患者が自身の呼吸を止めることであった。1964において、心電図/ベクトル心電図(ECG/VCG)における呼吸変動に対する最初の既知のソリューションは、信号の平均値算出のための技術に関してシュミットが刊行した論文に登場した(例えば、R. Patterson, A. Belalcazar, and Pu Yachuan, "Voluntary cardio-respiratory synchronization", IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, 23(6), pages 52 to 56, Nov./Dec. 2004 参照)。この論文では、対象は、彼等の心拍数の約数に同期して呼吸するように光又は音を用いて合図された。信号は、吸息信号のために例えば２拍、呼息信号のために次の３拍をカウントすることによって、ECGから生成された。呼吸サイクル中の同じ位置(すなわち１番目、２番目、３番目など)を有する拍動又はRR時間間隔の各々は、心拍と非同期に出現する雑音及び他の変動を除去するために、コンピュータで平均化された(図3及び4参照)。これは、心拍間心拍数又はRR間隔における呼吸性洞性不整脈(RSA)変動を表す非常にノイズがない信号をもたらした。非呼吸変動は、呼吸サイクル数の平方根として低減される。
図3は、対象12の心拍数を調整するために、対象12の呼吸レベルを維持するために使用されることができる自発的呼吸循環同期(VCRS)スキームの例を示す。図3のシステムは、所望であるように、上限閾値及び下限閾値の範囲内で対象12の心拍数(又は、解釈されるリラクセーションレベル)を維持するために使用されることができる。対象12は、モニタリングされて、センサで測定される彼らの心臓に関連する生理学的パラメータを持ち、センサの出力は、ECG増幅器28で受信される。
増幅されたECG信号は、拍動カウント論理回路32へとR波カウントパルスを出力するR波弁別器30に渡される。このロジック回路は、ライトドライバ34を制御し、ライトドライバ34は出力装置18を制御し、出力装置18は、対象がいつ息を吸って、そして息を吐かなければならないかを対象12に示すライトから成る。図2に示されるシステムは、例えば、対象が彼等の心拍数をモニタリングする小さいリスト装着型装置を着用している場合、対象12に対して侵入的である必要はない。対象12のリラクセーションレベルが検出され、このレベルが下限閾値又は上限閾値のどちらかを越えると、出力がライト18を介して対象12に供給される。対象12がシステムによってモニタリングされる間、データはレコーダ36で記録されることができる。
図4はVCRSタイミング図を示し、R波弁別器30の出力が図の下部に示され、呼吸信号の生成が図の最上部に示される。この呼吸信号は、対象12が彼等の呼吸を制御するために必要とする情報を対象12に通知するライト18を制御するために使用される。図3及び4のスキームは、対象12のリラクセーションレベルを制御するために出力が対象12に供給されることができる一つの態様である。ユーザが過度にリラックスしてきていることが計算され、ユーザのリラクセーションレベルがスケール上の下限閾値を下回っていることが計算された場合、ライト18は、対象12の呼吸をスピードアップするように制御されることができる。反対の意味では、対象12が過度に緊張していると考えられ、ユーザの測定されたリラクセーションレベルが上限閾値を上回っている場合、ライト18は、対象12の呼吸の速度を落とすために使用されることができる。
対象12に対する出力をいつするべきかの計算が図5に示される。pインターバルの間又はqからpへの遷移において「吸息(breath in)」制御信号が存在し、pからqへの遷移において「呼息(breath out)」制御信号が存在するように、実数値p及びqのインターバルを割り当てることが可能である。図において、各々の矢印38は心拍を示す。pインターバル及びqインターバルの間に、それぞれint(p)及びint(q)の心拍が存在する(ここで、'int'は整数演算を示す)。ここで心拍は、広い意味で考えられる。それは、ECGから直接導出されることができるが、音又はPPGからも導出されることができる。p及びqの値は、従来のVCRSのように整数に制限されない。これは、ユーザにより多くの自由度を与え、int(p)=int(q)を指示する従来技術のシステムよりさらに多くの自由度を与える。これらの値p及びqは、個別に選択されるか、又は、これが対象の一回呼吸気量及び心拍出量によって決まるので、対象に対して適応されることもできる。システム10はさらに、PPG又は他の手段を用いて呼吸をモニタリングすることによって、呼吸が指示されているように適切に実行されているかのフィードバックをユーザ12に与えることができる。
pとqとの間の過渡及びその逆は、心拍と必ずしも一致するというわけではない。これは、重要な自由度を与え、さらに、生理学的観点からより多くの意味をなす。特に、拍動「矢印」38が指PPGから導き出される場合、ECG中の関連するパルスとPPGとの間には有意な遅延が存在する。唯一の制限は、インターバルp及びqが対応する心拍活動時間軸に比例して変化し、それによって位相がロックされた状態を維持することである。最も単純な実施の形態において、p及びqは整数であり、測定されるパルス(図5の矢印38)と一致している。矢印38は心拍を示すが、インターバルpとqとの間の過渡及びその逆が心拍と必ずしも一致するというわけではない。
洗練された実施の形態において、「矢印」38の位置は、自己回帰(Auto Regressive：AR)フィルタで予測され、測定された信号が信頼できない場合には、AR関数がそれらの正しい位置(変動を含む)を予測し、これは、以前の値又は平均値を入れることよりも非常に洗練されている。対象12に彼等自身のペースで呼吸させて、例えばピエゾホイルによるECG出力を介して又はPPGから、呼吸ペースを決定することによって、p及びqの最初の値を決定する適応スキーマを使用することも可能である。それゆえに、p及びqの最初の値を容易に決定することが可能である。典型的な値はp=2, q=3であるが、開始値としてシステム10は対象12が現在使用しているp及びqの値を用いることが可能であり、そして徐々にそれらの値を増加させることが可能である。
他の実施例において、システム10は、息(Breathing)が呼吸作用(Respiration)と厳密に同期していることを必ずしも要求するというわけではないように構成されることができ、それはほぼ同期していれば十分である。弱く結合するカオス系の理論から、
|nΦH-mΦR|<ε
の場合(n及びmは整数、ΦH及びΦRはそれぞれ心臓信号及び呼吸信号の位相、εは十分小さい定数)、信号は位相がロックされているとみなされ得ることが知られている。
システム10によって実行される第３のステップは、フィードバックを対象12に適用することである。上記の実施の形態では、これは呼吸ガイダンスに基づいており、それは、人の感覚のいずれかによって、例えば音、におい、触覚又は色若しくは輝度が変化することができる光によって、引き起こされることができる。いくつかの実施の形態及びアプリケーションが以下に記載される。
- フィードバックがヘッドホンによって与えられる場合、システム10は、ボリュームによって、吸息の合図として一方のヘッドフォン（例えば左側）を変更し、呼息の合図として他方を変更する。これの変形例は、リラックスさせるイントネーションの音声を用いることができる（例えば、息を吸って、吐いて、と言う）。
- 信号がLivingColorランプに無線で送信され、LivingColorランプのカラーホイールがフィードバック制御器によって向きをかえられる。
- 動画/アニメーションがテレビジョンスクリーンに表示され、例えば、浜辺があり飛んでいるカモメがいる海が表示され、翼が上がると、対象は息を吸わなければならず、そして翼が下がると、対象は息を吐かなければならない。このアニメーションの拡張は、各自が自身のセンシング制御及びフィードバックシステム（例えば、彼等自身の翼を振る鳥）を持つ、より多くの人々が存在し、鳥は、異なる種類、色、サイズなどであることができる。特別なタイプの同期は、全ての対象が同調して翼を振ろうと試みることである。
- 他のフィードバックモダリティは、フィードバック制御器によって変調される経皮電気神経刺激(TENS)である。
- 対象12がベッドに横になっている場合、システム10は、寝入るのを補助するために用いられることができ、心臓信号及びオプションとしてさらに呼吸速度信号も、記載された方法のうちの１つによって、好ましくは、対象12が自由に移動できるように、バリストカルジオグラムによって、測定される。フィードバックは、適当なレベルでライトを変調することによって与えられることができるが、フィードバック制御器によって変調される適当な音響レベルのリラックスさせるハミング音、(合成)音楽、(例えば枕の中の)振動素子又は(例えば枕若しくはベッドシート中の)加熱素子が用いられることもできる。心臓信号又は呼吸速度信号の分析によるこの就寝補助(fall-a-sleep aid)において、システムは、人が睡眠状態に近づいているかどうかを決定することができ、睡眠コーチプロセスを最適化するために、フィードバック(例えば指示される呼吸頻度又は信号の強さ)を調整することができる。さらにシステムは、対象が実際に眠りに落ちたかどうかを決定することができる。すなわち、例えば心臓信号が特定の閾値を下回る場合、対象が眠りに落ちた可能性が非常に高い。もしそうならば、対象がフィードバックの変化によって起きないように、フィードバックのボリューム又は強度は、例えば徐々に低減される。さらに、測定された心臓信号が浅い睡眠状態又はほぼ起きている状態を示す場合、システムは、対象がより良好な睡眠状態又はより都合のよい起床経験へと導かれるように、フィードバックを増加又は変更することを決定することができる。
- スポーツ活動(例えば、ジム、ランニング及びローイング)の間、スポーツマンはフィードバックを得ることができ、特に、ランナーはしばしば、すでにHR測定装置(例えば極性ストラップ)を着用する。いくつかの活動において、バイクのステアリングホイールのような装置が触れられて、そこでECGが容易に測定されることができ、多くの他のジム装置がそのような接点を持つ。
- 病院において、患者はしばしば、SPO2クリップ又はEEG電極にすでに取り付けられており、フィードバック制御器は、容易にこれらの信号を「タップ」することができ、フィードバック装置にそれらを送信することができる。同様に、病院において、部分麻酔の間に手術されている患者は、自発的に呼吸することができる。彼等はSPO2クリップ又はEEG電極に取り付けられ、フィードバック制御器は、容易にこれらの信号を「タップ」することができ、フィードバック制御器にそれらを送信することができ、そしてVCRSを適用することによって、手術のストレスは少なくなる。対象が、例えば手術の後に機械的ベンチレーションを受ける場合、システム10は、対象の心拍数と同期するようにベンチレーションマシンのベンチレーションペースを指示することができ、この場合、自発呼吸ではないが、同期される。
- 吸息及び呼息のためのフィードバックを有する２フェーズ補助の代わりに、システムは、複数のフェーズに拡張されることができる。上述の技術と同様のフィードバック技術が用いられることができるが、最も単純な実施の形態は、４つの(カラー)LEDのテキストに対するポインティング又はどのフェーズが進行中かの可変のテキストを使用することである。例えば、Nadi Shodhana Pranayama又は交互の鼻孔呼吸として知られるヨガの特定の形態は、４つの呼吸フェーズ(吸気、内部保持(肺を満たして維持する)、呼気及び外部保持(肺を空に維持する))を含む。呼吸フェーズの継続時間は、1:2:2:1の比で心の中でカウントすることによって制御され、一般的には、上述のp及びqと同様に、p, q, r, tである。吸気及び呼気は、他方の鼻孔を閉じたままにして、有効な鼻孔を交互に切り替えることによって行われる。伝統的に、右の鼻孔は親指によって閉ざされて、左の鼻孔は薬指によって閉ざされる。例えば、第１サイクルの間、実践者は、右の鼻孔を閉じたままにして左の鼻孔を通して吸息し、両方の鼻孔を閉ざして息を吸ったまま止めて(内部保持)、右の鼻孔のみを通して呼息し、最終的に、外部保持の間、両方の鼻孔を閉じる。次のサイクルは、右の鼻孔を通して吸息することにより開始する。実践は、ゆっくりした呼吸の10のサイクルから構成される。
- 最後に、対象の心拍及び呼吸を、移動運動周波数(例えば、歩行若しくはランニングの間のステップ、又は、ローイングの間の運動など)に同期させることが可能である。
フィードバックを適用する上記方法のいずれかが考慮されることができるが、ドライバーの場合において、好ましい実施の形態は、ドライバーコックピット領域へのフィードバックの統合であることができる。図6は、フィードバック要素18に焦点を定められるそのようなシステム10の例を示す。センサ及び処理コンポーネントは図示されないが、例えば図1に関して上述したような任意の適切な形態であることができる。ここで、以下のオプションが、呼吸ガイダンスを提供するために考慮されることができる。
シートベルト18aへのフィードバックの統合。シートベルト18aが対象12の胸部領域を覆って配置され、対象の体に密接に接触するので、例えば、締付け装置40によって僅かにベルトを繰り返し締めて緩めること、規則的な触覚刺激(例えば短い振動)を適用すること、又は熱パルスを使用することによって、呼吸速度を誘導することは自然である。
シート18bへのフィードバックの統合。これは、この出力装置18bが、ドライバーシートを介して、規則的な触覚刺激(例えば短い振動)を適用すること又は熱パルスを使用することを可能にする。同様に、対象12へのフィードバックの統合は、例えば、規則的な触覚刺激(例えば短い振動)を適用することによって、又は、熱パルスを用いることによって、ステアリングホイール18cを介することができる(ドライバーは通常ホイールを握るので)。
他の可能性は、音声合図としてフィードバックを生成するための車両中のオーディオシステムの使用を含み、そして、空調システム18dは、誘導された呼吸を促進するための反復合図(例えば、繰り返される突風の生成、繰り返される香りの放出)を生成するために使用されることができる。加えて、例えばドライバーが過度にリラックスすることを阻止するために、いくつかの他の車関連フィードバック方法が適用されることができ、例えば、車の温度を変更し、さわやかな香りを供給し、空気流動を増加させ、及び/又は、対象の音楽コレクションから「パワーソング」を選択する。
車両を運転しているとき、ドライバーは、車両の椅子18bにおいてVCRS法で呼吸している場合、よりリラックスすることができ、椅子18bには、例えばEMFiフィルムセンサに基づくバリストカージオグラフィ椅子を介して、心拍数検出器が容易に組み込まれることができる(詳細は、Junnila, S.; Akhbardeh, A.; Varri, A.; Koivistoinen, T. "An EMFi-film sensor based ballistocardiographic chair performance and cycle extraction method", IEEE Workshop on Signal Processing Systems Design and Implementation, 2005. Volume, Issue 2-4, pp. 373 - 377, Nov. 2005 参照)。ドライバーが過度にリラックスしていて眠りに落ちるようである場合、システム10は、呼吸速度を増加させることによってドライバーがより目覚めるように、動作することができる。あるいは、システム10は、ドライバーが過度に緊張してきていることに気がついた場合、リラクセーションを増加させるために呼吸速度を遅くすることができる。
システム10は、人々が機械だけでなく他の人とも相互作用する一般的な状況(運転中、仕事中、飛行機のパイロット、列車の運転士、ショップ店員、カウンター労働者(銀行、地方自治体)、コールセンター人員)における多くの他の状況に適用可能であり、警戒態勢のままでいる(すなわち、リラクセーションの量を制限する)ことだけでなく、あまりに緊張又は興奮することを回避することも、これが人々の能力が最適に機能することを制限するので、重要である。
この理由のために、本発明は、下限閾値及び上限閾値の両方によって定義される感情状態(例えばリラクセーション又は覚醒)の領域にユーザがとどまることを援助するためのシステム及び方法を提供する。本文中の例は運転中のユーザのリラクセーション状態に関して示されたが、本発明が、(上記で挙げられたような)多くの他の状況において、そして多くの他の感情状態(例えば恐怖、怒り、驚き、退屈、嫌気、幸福など)のために、有利に適用されることができることは明らかである。

Claims (7)

  1. ユーザの感情の状態を維持するためのシステムであって、
    前記ユーザの１つ以上の生理学的パラメータを測定する１つ以上のセンサであって、前記１つ以上の生理学的パラメータは心拍数を少なくとも含む、センサと、
    測定されたパラメータを用いて、前記ユーザのリラクセーション状態を表す値を計算し、計算された値が下限閾値を下回るか又は上限閾値を上回るかを決定するプロセッサであって、前記下限閾値は、前記ユーザが達することができるとともに、過度にリラックスしていることを表す下限値を表し、前記上限閾値は、前記ユーザが容認されるとともに、前記ユーザがあまりにも興奮している最大警戒を表す、プロセッサと、
    前記ユーザの呼吸を誘導するための呼吸誘導信号を生成する１つ以上の出力装置であって、計算された値が前記下限閾値を下回ることが決定された場合には、呼吸速度を増加させるように促すための第１呼吸誘導信号を生成し、計算された値が前記上限閾値を上回ることが決定された場合には、呼吸速度を遅くするよう促すための第２呼吸誘導信号を生成する、１つ以上の出力装置とを有し、
    前記出力装置が、前記ユーザの体に係合するベルト及び前記ベルトの締め付けを制御する締付け装置を有する、システム。
  2. 前記出力装置が、前記ユーザのためのシートの一部を介して振動又は熱パルスを出力する、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記出力装置が、前記ユーザのためのステアリングホイールの一部を介して振動又は熱パルスを出力する、請求項１又は請求項２に記載のシステム。
  4. ユーザの感情の状態を維持するためのシステムであって、
    前記ユーザの１つ以上の生理学的パラメータを測定する１つ以上のセンサであって、前記１つ以上の生理学的パラメータは心拍数を少なくとも含む、センサと、
    測定されたパラメータを用いて、前記ユーザのリラクセーション状態を表す値を計算し、計算された値が下限閾値を下回るか又は上限閾値を上回るかを決定するプロセッサであって、前記下限閾値は、前記ユーザが達することができるとともに、過度にリラックスしていることを表す下限値を表し、前記上限閾値は、前記ユーザが容認されるとともに、前記ユーザがあまりにも興奮している最大警戒を表す、プロセッサと、
    前記ユーザの呼吸を誘導するための呼吸誘導信号を生成する１つ以上の出力装置であって、計算された値が前記下限閾値を下回ることが決定された場合には、呼吸速度を増加させるように促すための第１呼吸誘導信号を生成し、計算された値が前記上限閾値を上回ることが決定された場合には、呼吸速度を遅くするよう促すための第２呼吸誘導信号を生成する、１つ以上の出力装置とを有し、
    前記出力装置が、前記ユーザのためのシートの一部を介して振動又は熱パルスを出力する、システム。
  5. ユーザの感情の状態を維持するためのシステムであって、
    前記ユーザの１つ以上の生理学的パラメータを測定する１つ以上のセンサであって、前記１つ以上の生理学的パラメータは心拍数を少なくとも含む、センサと、
    測定されたパラメータを用いて、前記ユーザのリラクセーション状態を表す値を計算し、計算された値が下限閾値を下回るか又は上限閾値を上回るかを決定するプロセッサであって、前記下限閾値は、前記ユーザが達することができるとともに、過度にリラックスしていることを表す下限値を表し、前記上限閾値は、前記ユーザが容認されるとともに、前記ユーザがあまりにも興奮している最大警戒を表す、プロセッサと、
    前記ユーザの呼吸を誘導するための呼吸誘導信号を生成する１つ以上の出力装置であって、計算された値が前記下限閾値を下回ることが決定された場合には、呼吸速度を増加させるように促すための第１呼吸誘導信号を生成し、計算された値が前記上限閾値を上回ることが決定された場合には、呼吸速度を遅くするよう促すための第２呼吸誘導信号を生成する、１つ以上の出力装置とを有し、
    前記出力装置が、前記ユーザのためのステアリングホイールの一部を介して振動又は熱パルスを出力する、システム。
  6. 前記プロセッサが、前記ユーザの測定された前記１つ以上の生理学的パラメータをスケールにマッピングし、計算された前記値が前記スケール上の値からなる、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のシステム。
  7. 前記出力装置が、空調システム及び前記空調システムを制御する制御装置を有する、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のシステム。
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