JP6559910B2 - ウェアラブルデバイス及び被験者の皮膚電位を決定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウェアラブルデバイスと、被験者の皮膚電位を決定する対応する方法とに関する。

一般に、覚醒の生理学的状態の調整は、自律神経系（ＡＮＳ）の交感神経及び副交感神経下位系内の活動の平衡によって達成される。副交感神経系は、身体エネルギーの回復及び保存を促進するが、交感神経系は、外部からの負荷に対処する取り組むために代謝出力の増加を刺激する。したがって、交感神経活動の増加（交感神経覚醒）は、心拍数、血圧及び発汗を増加するだけでなく、運動作用に備えて腸内貯蔵器官からの血液を骨格筋、肺、心臓及び脳へと方向転換する。無髄クラスＣ神経線維からなる交感神経節後線維は、エクリン汗腺を取り囲み、それらの活動は汗分泌を調節する。汗は弱電解質及び良導体であるので、汗管の充填は、多くの低抵抗平行経路をもたらし、これにより、印加された電流のコンダクタンスが増加される。皮膚電位（ＥＤＡ）と呼ばれる表面における皮膚コンダクタンスの変化は、ＡＮＳの自律神経経路内の活動を反映し、感情、認識及び注意に関連付けられる交感神経覚醒における変化の評価の感度がよく、便利な尺度を提供する。

ストレスは、一般に、高い交感神経活性状態が伴う自律平衡の乱れと定義される。ＥＤＡは、ストレス状態では優位であるＡＮＳの交感神経枝の活動によってのみ決定されるので、緊張性ＥＤＡパラメータは、ストレスによって誘発されるＡＮＳ活動の適切な尺度と見なされる。したがって、発汗、立毛及び血管運動性変化といった皮膚の自律反応が、辺縁系におけるパペツ（Ｐａｐｅｚ）回路を介して様々な感情の状態によって引き起こされる。更に、注意力を引き付ける刺激及び注意力を求められる作業も、ＥＤＡ反応を増加させることが広く認識されている。１００年以上前の皮膚電気現象の発見から、測定器具は改良されてきているものの、この分野の研究のほとんどは、研究室環境又は人工的な臨床環境において短時間に亘って行われる観察測定に限られている。

長時間に亘って患者をモニタリングする必要性は、ウェアラブル技術、即ち、日常活動において着用でき、数週間又は数か月の期間に亘って生理学的データを収集する邪魔にならないウェアラブルデバイスにおける関心を刺激した。ＥＤＡの長期モニタリングによって、交感神経覚醒のパターンの観察と、既存研究（数分から数時間）に比べ著しく長い時間スケール（数日から数か月）での調整とが可能となり、以前は観察できなかった傾向が明らかになる可能性がある。更に、個人の自然な家庭環境において行われる長期測定は、不自然な臨床環境における短期間評価よりも当該個人の生理学的状態のよりはっきりとした全容を提供する。臨床的に、ウェアラブルＥＤＡセンサは、診断目的及び治療評価のために、精神病理学、皮膚科学及び神経学に使用することができる。

国際特許公開ＷＯ２００７／１４４８１７Ａ１は、皮膚の近くで適用する皮膚モニタリングデバイスを開示している。当該デバイスは、処理回路接続手段と、皮膚によって反射及び／又は放射された光の少なくとも１つの近似波長を検出する少なくとも１つのフォトセンサとを含み、信号受信回路が、少なくとも１つのフォトセンサからの信号を受信するために設けられている。

本発明は、改良されたウェアラブルデバイスと、より高い信頼性及び精度で被験者の皮膚電位を決定する対応する方法とを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様では、被験者の皮膚電位を決定するウェアラブルデバイスが示される。当該ウェアラブルデバイスは、
被験者の組織内に、７５０乃至９５０ｎｍの波長範囲内の赤外光を含む光を放射する光源と、
放射光の組織との相互作用後の放射光の少なくとも一部を受光する光センサと、
受光した光から皮膚電位を決定する評価ユニットと、
光源、光センサ及び評価ユニットを担持する支持体とを含み、光源及び光センサは、互いから所定距離に配置される。

本発明の別の態様では、被験者の皮膚電位を決定する対応する方法が示される。

皮膚に電流を注入することによって侵入的である最も一般的な皮膚電位（ＥＤＡ）測定方法とは対照的に、本発明によるデバイス及び方法では、測定に、光学的原理、具体的には赤外光が利用される。この原理は、皮膚内に放射される光は無害であるため、受動的である。被験者の例えば心拍数、ＳｐＯ２等のバイタルサインをモニタリングするためのこの光学的原理は、一般的に知られており、手首装着型デバイス、フィンガークリップ型デバイス等といったウェアラブルデバイスに使用される。したがって、このような既知のウェアラブルデバイスが、被験者のＥＤＡを決定可能であるように本明細書に開示されるように、具体的には、特定のスペクトル領域における赤外光を利用することによって改良される。他の実施形態では、ウェアラブルデバイスが、上記目的のためだけに構成されても、又は、他の既存ウェアラブルデバイスに、本明細書に開示される追加手段が設けられてもよい。

提案される解決策によって解決される他の欠点には、電気的活動の測定に必要な電極の摩損や、電気信号の毛との干渉が含まれる。毛は赤外光をほぼ通すので、この干渉は光学センサの場合には当てはまらない。

汗は、皮膚表面へと管を連続的に流れるわけではなく、むしろ、１２〜２１Ｈｚの拍動で脈動する。分泌腺だけでなく汗腺の管部分もらせんのように取り囲む筋上皮の律動収縮がパルス源と考えられる。

本発明によれば、赤外スペクトルの特定の部分、具体的には、７５０乃至９５０ｎｍの波長範囲が評価される。この波長範囲は、検知された光と被験者の皮膚電位との間に相関関係を示すことが分かっている。この波長範囲は、心拍パルスがあまり見えないため、測定信号と干渉しない、また更に、測定信号がノイズを蓄積しないという更なる利点を有する。

幾つかの実施形態では、光源、具体的には、非干渉性光を放射する光源（例えばＬＥＤ）、光センサ（例えばフォトダイオード）及び／又は評価ユニット（例えばプロセッサ）は、７５０乃至９５０ｎｍの波長範囲内の、具体的には７７５乃至８２５ｎｍの波長範囲内の、又は、８００ｎｍの波長の赤外光のみを放射、受光及び／又は評価する。特に、８００ｎｍ（±５０ｎｍ）の波長範囲が最良の結果をもたらすことが分かっている。

別の実施形態では、光源と光センサとは、互いから０．５ｍｍ乃至５ｍｍの範囲内、具体的には１ｍｍ乃至４ｍｍの範囲内の距離（好適にはそれらの中心間）に配置される。距離が測定の信頼性及び精度に大きな影響を及ぼすことが分かっている。ウェアラブルデバイスが被験者によって装着される場合に、好適には皮膚と接触しているように（又は少なくとも皮膚にごく近接して（即ち２ｍｍ未満））配置されている光源と光センサとの最適な距離は、４ｍｍの範囲内であることが分かっている。非常に短い距離では、所望の効果は小さ過ぎるか、或いは測定不可能である。より長い距離についても同じことが当てはまり、皮膚及び／又は組織によって散乱又は反射される光は、光センサに十分に届きもしない。

別の実施形態では、評価ユニットは、皮膚電位を決定するように、受光した光の強度を評価する。測定された信号（即ち、受光した光）の振幅がＥＤＡと相関し、したがって、好適には、被験者のＥＤＡを決定するために使用される。受信信号の振幅は、一般に、使用した色、測定の時間及びＥＤＡを生成した物理層の特性（例えば汗）に依存する。原則として、分光結果を使用して、どのような種類の汗であるかが決定され、ＥＤＡを生成する物理的環境（感情、ストレス、スポーツ等）を区別する可能性を残す。一般に、ＥＤＡの傾向が長い期間をかけて決定され、閾値を用いてＥＤＡがあるかどうかが決定される。

ウェアラブルデバイスは更に、ウェアラブルデバイスを被験者の身体において保持する保持要素を含む。保持要素の選択肢には、リストバンド、ベルト、ステッカー、バンド又はクリップが含まれるが、他の選択肢も可能である。更に、保持要素は、別箇に提供される、及び／又は、ウェアラブルデバイスに固定して配置されない外部要素であってもよい。

更に、ウェアラブルデバイスは更に、決定された皮膚電位に関する情報を発するためのユーザインターフェースを含む。このようなユーザインターフェースは、例えばディスプレイ又はスピーカを含むが、そこで発行及び／又は処理されるために、コンピュータ、ラップトップ、スマートフォン、医師のワークステーション等といった外部デバイスに出力を送信する送信器を含んでもよい。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に説明される実施形態から明らかとなり、また、当該実施形態を参照して説明される。

図１は、本発明によるウェアラブルデバイスの第１の実施形態の模式図を示す。 図２は、本発明によるウェアラブルデバイスの第２の実施形態の模式図を示す。 図３は、本発明による方法のフローチャートを示す。

図１は、被験者１の皮膚電位を決定する本発明によるウェアラブルデバイス１０の第１の実施形態の模式図を示す。ウェアラブルデバイス１０は、被験者１の組織内に、７５０乃至９５０ｎｍの波長範囲の赤外光を含む光を放射する光源１１と、放射光の組織との相互作用後の放射光の少なくとも一部を受光する光センサ１２と、受光した光から皮膚電位を決定する評価ユニット１３とを含む。ケーシング又はハウジングといった支持体１４が、光源１１、光センサ１２及び評価ユニット１３を担持するために設けられている。光源及び光センサは、互いから所定距離に配置される。

光源１１は、例えば被験者の手首又は顔における皮膚部分である被験者１の皮膚部分内に光を放射する、例えば赤外ＬＥＤである１つ（以上）のＬＥＤを含む。この放射光は、被験者１の皮膚、具体的には、組織内の脈動血液と相互作用する。放射光は、組織を通り抜ける一部もあれば、反射される一部もある。この相互作用後の放射光の少なくとも一部が、例えばフォトセンサである光センサ１２によって受光される。

受光した光に基づいて、被験者の皮膚電位に関する情報が、例えばプロセッサである評価ユニット１３内で導出される。具体的には、光センサ１２が受光した光の強度の変化が皮膚電位と相関関係がある。例えば数十秒間持続する受光信号の急な増加は、皮膚電位が急に変化すると見られる。これは、具体的には、その瞬間において蓄積された汗からの反応である。

通常、光源１１は、パルスモードで動作する、即ち、短いパルスで発光するＬＥＤを含む。これはバーストモードとも呼ばれる。ＬＥＤは、例えば８ｍｓの期間毎に０．５ｍｓ間オンといったように周期的に動作させられる。光学センサ装置の連続動作とは、具体的には、ＬＥＤをこのようなパルスモードで動作させることを指す。通常は、ＬＥＤは常にオンにされている必要はない。節電の観点から、ＬＥＤはできるだけオン状態にないことが求められる。しかし、ＬＥＤが連続モード、即ち、常にオンで動作させられることも可能である。

ウェアラブルデバイス１０の一実施形態は、図１に示されるように、手首に装着されるデバイスである。ウェアラブルデバイス１０は、好適には、手首の橈骨動脈の上方に置かれる。これは、そこでの皮膚電気反応が最大だからである。他の好適な部位は、手指及び足指の屈筋側及び前額部である。

被験者の各身体部においてウェアラブルデバイス１０を保持するために、ウェアラブルデバイス１０は更に、例えばリストバンド、ベルト、ステッカー、バンド又はクリップを含む保持要素１５を含む。

光源と光センサ（好適には、共に皮膚と接触しているか又は皮膚から５ｍｍ未満、好適には１ｍｍ未満の僅かな距離にある）との間の距離ｄ。距離ｄは、好適には、光源及び光センサの中心間の距離であり、互いから０．５ｍｍ乃至５ｍｍの範囲内、具体的には１ｍｍ乃至４ｍｍの範囲内にある。最適距離ｄは、例えば約４ｍｍである。距離が１ｍｍより短い場合、所望の効果が存在しないか十分に強くない。距離が５ｍｍより長い場合、光は皮膚内で失われ、光センサに光がほとんど届かない。

図２は、本発明によるウェアラブルデバイス１０’の第２の実施形態の模式図を示す。本実施形態によれば、汗（皮膚電位）は、単一の波長（又は波長範囲）、具体的には赤外波長によってだけでなく、少なくとも第２の波長（又は波長範囲）を介しても測定される。このために、ウェアラブルデバイス１０’は、少なくとも、例えば緑色光の波長範囲内である第２の波長（又は波長範囲）における光を放射する第２の光源１１’を含む。このようにすると、汗のスペクトルのより豊富な内容に対処することができ、塩分といった汗の追加の特性が追加的に測定される。

多色アプローチを使用することの利点は、動きアーチファクトといった様々なアーチファクトに対するロバスト性である。この場合、ウェアラブルデバイスのすべての波長チャネルが同じアーチファクトを示し、ウェアラブルデバイスは、当該データを除去するように設定される。

各光源１１、１１’から、単一の要素が提供されるだけでなく、２つ以上の同じ種類が提供されて、組織内に放射される光の量が増加される。

別の実施形態では、広い（フル）スペクトルの光を放射する単一の光源が設けられる。光センサ１２は、スペクトルの所望部分における光のみを検知する、及び／又は、評価ユニットは、スペクトルの検知された所望部分における光のみを評価する。

更に、図２に示される実施形態では、ウェアラブルデバイス１０’は更に、例えば皮膚電位の強さを示す値又は皮膚電位の強さの傾向（例えば上昇、下降、安定等）を示す指標である、決定された皮膚電位に関する情報を発するユーザインターフェース１６を含む。このようなインターフェースはディスプレイを含んでよい。他の実施形態では、情報を、例えば発行又は更なる処理のために、スマートフォン、ワークステーション、コンピュータ等である別のエンティティに送信する送信ユニットが設けられる。

ウェアラブルデバイス自体は、感情に対して汗で強く反応する皮膚の他の部分（例えば前額部又は足）に置かれてもよい。更に、ウェアラブルデバイスは、（運動選手用の）ヘルメット、ヘッドバンド、グローブ、宝石類、眼鏡（例えばグーグルグラス）、ブラジャーといった衣類又は足裏（足の底部も感情に対して汗でよく反応するため）に組み込まれてもよい。

ウェアラブルデバイスは、橈骨動脈において装着されてよい。ウェアラブルデバイスである手首装着型デバイスは、装着時にその位置が変わる場合があるため、同じ測定位置を維持するために、何らかの手段が追加的に取られる。例えば手首装着型デバイスは締め付けられる。更に、より多くセンサが橈骨動脈の周りで測定し、最適な信号が選択されるマルチセンサアプローチが適用されてもよい。この実施形態は更に、皮膚と接触するカメラを用いて拡張されてもよい。

本発明は、流体層又は皮膚の電気皮膚反応を検出しようとする。これは、皮膚の電気的特性に連続変化を引き起こす人体の特性である。従来、皮膚電位は、皮膚コンダクタンス、電気皮膚反応（ＧＳＲ）、皮膚電気反応（ＥＤＲ）、精神電流反射（ＰＧＲ）、皮膚コンダクタンス反応（ＳＣＲ）及び皮膚コンダクタンスレベル（ＳＣＬ）とも知られている。

（好適には１つ以上のＬＥＤを介して）非干渉性光が皮膚内へと放射される。光は、好適には、心拍パルスがあまり見えない赤外光の波長において選択される。好適な波長範囲は７５０乃至９５０ｎｍであり、具体的には７７５乃至８２５ｎｍの波長範囲又は８００ｎｍの波長における。この選択では、光は測定を干渉しない。信号は９００ｎｍ未満であるノイズを蓄積するので、波長は変化しない。８００ｎｍ（±５０ｎｍ）がよい選択であることが分かった。

図３は、被験者の皮膚電位を決定する本発明による方法のフローチャートを示す。第１のステップＳ１０において、７５０乃至９５０ｎｍの波長範囲内の赤外光を含む光が、被験者の組織内に放射される。第２のステップＳ１２において、放射光の組織との相互作用後の放射光の少なくとも一部が受光される。第３のステップＳ１４において、受光した光から皮膚電位が決定される。

請求項において、「含む」との用語は、他の要素又はステップを除外するものではなく、また、「ａ」又は「ａｎ」との不定冠詞も、複数形を除外するものではない。単一の要素又は他のユニットが、請求項に記載される幾つかのアイテムの機能を果たしてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されることだけで、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される光学記憶媒体又は固体媒体といった適切な非一時的媒体上に保存／分散されてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介するといった他の形式で分配されてもよい。

請求項における任意の参照符号は、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (20)

1. 被験者の皮膚電位を決定するウェアラブルデバイスであって、当該ウェアラブルデバイスは、
   前記被験者の組織内に、７５０乃至９５０ｎｍの波長範囲内の赤外光を含む放射光を放射する光源と、
   前記放射光の前記組織との相互作用後の放射光の少なくとも一部を受光する光センサと、
   受光した前記光の強度を評価して前記皮膚電位を決定する評価ユニットと、
   前記光源、前記光センサ及び前記評価ユニットを担持する支持体と、
   を含み、
   前記評価ユニットは、７５０乃至９５０ｎｍの波長範囲内の赤外光のみを評価し、
   前記光源及び前記光センサは、互いから所定距離に配置されている、ウェアラブルデバイス。
2. 前記評価ユニットは、受光した前記光の強度の変化を評価して前記皮膚電位を決定する、請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
3. 前記光源は、７５０乃至９５０ｎｍの波長範囲内の波長の赤外光のみを放射する、請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
4. 前記光センサは、７５０乃至９５０ｎｍの波長範囲内の波長の赤外光のみを受光する、請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
5. 前記光源は、７７５乃至８２５ｎｍの波長範囲内の波長の赤外光のみを放射する、請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
6. 前記光センサは、７７５乃至８２５ｎｍの波長範囲内の波長の赤外光のみを受光する、請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
7. 前記評価ユニットは、７７５乃至８２５ｎｍの波長範囲内の波長の赤外光のみを評価する、請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
8. 前記光源は、８００ｎｍの波長の赤外光のみを放射する、請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
9. 前記光センサは、８００ｎｍの波長の赤外光のみを受光する、請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
10. 前記評価ユニットは、８００ｎｍの波長の赤外光のみを評価する、請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
11. 前記光源及び前記光センサは、互いから０．５ｍｍ乃至５ｍｍの範囲内の距離に配置される、請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
12. 前記光源及び前記光センサは、互いから１ｍｍ乃至４ｍｍの範囲内の距離に配置される、請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
13. 前記ウェアラブルデバイスを前記被験者の身体において保持する保持要素を更に含む、請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
14. 前記保持要素は、リストバンド、ベルト、ステッカー、バンド又はクリップを含む、請求項１３に記載のウェアラブルデバイス。
15. 決定された前記皮膚電位に関する情報を発するためのユーザインターフェースを更に含む、請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
16. 被験者の皮膚電位を決定する方法であって、当該方法は、
    光源が、前記被験者の組織内に、７５０乃至９５０ｎｍの波長範囲内の赤外光を含む放射光を放射するステップと、
    光センサが、前記放射光の前記組織との相互作用後の放射光の少なくとも一部を受光するステップと、
    評価ユニットが、受光された前記光の強度を評価して前記皮膚電位の決定をするステップと、
    を含み、
    前記決定は、７５０乃至９５０ｎｍの波長範囲内の赤外光のみの評価に基づき、
    前記光源、前記光センサ及び前記評価ユニットは、支持体によって担持され、前記光源及び前記光センサは、互いから所定距離に配置されている、方法。
17. 前記評価ユニットは、受光した前記光の強度の変化を評価して前記皮膚電位を決定する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記決定は、７７５乃至８２５ｎｍの波長範囲内の波長の赤外光のみの評価に基づく、請求項１６に記載の方法。
19. 前記決定は、８００ｎｍの波長の赤外光のみの評価に基づく、請求項１６に記載の方法。
20. 請求項１に記載のウェアラブルデバイスに、請求項１６乃至１９の何れか一項に記載の方法のステップを実行させるプログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム。

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