JP6825716B2 - 生体情報提示システムおよび訓練方法 - Google Patents
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Description
また、脳波から重要な生理情報を得ることができるが、それだけでは、具体的なメンタル状態を十分評価することは難しい。また、本特許は、作業者に満足感の状態をフィードバックすることができるが、それを知った作業者が自らの意思で自分の状態を変化させて、その効果を把握し、自分のメンタル状態をコントロールすることができるような訓練システムではない。
[1] 被験者の心電情報から得られる、拍動間隔と副交感神経系活動の指標を、直交座標系の各々の座標軸に取り、生体情報を二次元的に図示することにより被験者の心理・生理学状態を表示することを特徴とする生体情報提示システム。
[2] 被験者の心電情報から得られる、拍動間隔と交感神経系活動の指標を、直交座標系の各々の座標軸に取り、生体情報を二次元的に図示することにより被験者の心理・生理学状態を表示することを特徴とする生体情報提示システム。
[3] 前記拍動間隔として、心電信号におけるR波とR波との間隔であるRRIを用いる[1]または[2]に記載の生体情報提示システム。
[4] 拍動間隔を周波数スペクトル変換するステップを含んで得たパワースペクトルを周波数Lf1からLf2まで定積分した値であるLFと、前記パワースペクトルを周波数Hf1からHf2まで定積分した値であるHFを算出するステップを有し、前記副交感神経系活動の指標としてHFを、前記交感神経系活動の指標として(LF/HF)を用いることを特徴とする[1]または[2]に記載の生体情報提示システム。
なお、ここで、Hf1>Lf1、Hf2>Lf2である。
[5] 前記心電情報の取得が衣服型の生体情報計測装置によることを特徴とする[1]〜[4]のいずれかに記載の生体情報提示システム。
[6] 前記衣服型の生体情報計測装置が
20N以下の20%伸張応力を有する生地を少なくとも用いており、
衣服圧が0.1kPa以上1.5kPa以下であり、
衣服圧が0.3kPa以上となる部分に皮膚接触型電極を有する
事を特徴とする[1]〜[5]のいずれかに記載の生体情報提示システム。
[7] 前記皮膚接触型電極が、導電性ファブリックを用いた電極である事を特徴とする[6]に記載の生体情報提示システム。
[8] 前記皮膚接触型電極が、伸縮性導体組成物を用いた電極である事を特徴とする[6]に記載の生体情報提示システム。
[9] 前記皮膚接触型電極が、導電性ゲルを用いた電極である事を特徴とする[6]に記載の生体情報提示システム。
[10] 前記表示された被験者の心理・生理学状態に応じて、あらかじめケースバイケースに準備された行動指示を被験者に伝える手段を有する事を特徴とする[1]〜[9]のいずれかに記載の生体情報提示システム。
[11] 前記[1]〜[10]のいずれかに記載の生体情報提示システムを用いて、作業訓練を行う事を特徴とする訓練方法。
[12] 前記作業がスポーツである事を特徴とする[10]または[11]に記載の訓練方法。
[13] 前記作業が楽器演奏であることを特徴とする[10]または[11]に記載の訓練方法。
[14] 前記作業が機械操作である事を特徴とする[10]または[11]に記載の訓練方法。
[15] 前記[4]または[5]に記載の衣服型の生体情報計測装置が、伸縮性導電材料からなる配線を有することを特徴とする生体情報提示システム。
[16] 前記伸縮性導電材料として、伸縮性の導体組成物の層(フィルム、シート、メンブレン)を用いる事を特徴とする生体情報提示システム。
[17] 前記伸縮性導電材料として、ジグザグステッチにて生地に縫い込んだ導電性糸を用いる事を特徴とする生体情報提示システム。
[18] 前記伸縮性導電材料として、ニット編み地に組み込んだ導電糸を用いる事をT句チュとする生体情報提示システム。
[19] 前記伸縮性導電材料として、冗長性を持って配置された電線ないし金属箔パターン等を用いる事を特徴とする生体情報提示システム。
[20] 被験者の心電情報から得られる、拍動間隔と副交感神経系活動の指標を、直交座標系の各々の座標軸に取り、二次元的に図示した生体情報と、拍動間隔と交感神経系活動の指標を、直交座標系の各々の座標軸に取り、二次元的に図示した生体情報の両方を同時に提示することを特徴とする[3]〜[10]、[15]〜[19]のいずれかに記載の生体情報提示システムおよび[11]〜[14]のいずれかに記載の訓練方法。
かかるシステムを利用して訓練を行う事により、交感神経活動、副交感神経活動を意識的にコントロールすることができるようになる。かかる訓練を繰り返すことにより、本試合時に必要以上に緊張したり、あるいは弛緩しすぎていたりすることがないように矯正することができるようになる。さらに、あらかじめ個人の特性に応じて、被験者の心理・生理学状態に応じた行動指示をストックしておき、提示された生体情報に応じてかかる指示を自動的に、ないしは被験者の操作により出す仕組みを取り入れておけば、さらに自律的な訓練が可能となり、試合時などコーチの指示を受けることが出来ない場合にも、本システムを有効に用いる事ができる。
心電情報は電気信号として取得できる。これらは生体接触型電極を介して経時的に電圧測定を行えば良い。
拍動間隔とは心拍あるいは脈拍の間隔を指す(単位:ms)。心拍間隔は、心電図からR波とR波の間隔を読み取ること、あるいは隣り合う心拍同士の間隔を計測することにより取得する。脈拍間隔は、隣り合う脈拍同士の間隔を計測することにより取得する。拍動間隔またはその揺動は、精神神経の状態を示しているといわれている。拍動間隔またはその搖動は、身体的・精神的ストレスの指標になるといわれており、自律神経系である交感神経・副交感神経の精神神経状態のバランスを反映している。
第1のパワースペクトルF2を用いて計算されるLF、HFの単位はms2である。周波数スペクトル変換の方法としては、例えば高速フーリエ変換(FFT)、ウェーブレット解析、最大エントロピー法などを用いることができる。なお、本明細書においては、FFTを用いた場合を例として説明するが、もちろん他の方法を用いることも可能である。
本発明では衣服圧が0.3kPa以上となる部分に皮膚接触型電極を配置する。一般に皮膚接触型電極は、確実なコンタクトを欲するために、必要以上の圧力で身体に接触させることが多い。しかしながら、そのような配置では被験者から違和感を取り除くことはできず、有効な生体情報を取得することはできない。
好ましくは、経時変化がわかるように、X軸に心電情報のRRIを、Y軸に副交感神経活動の指標と交感神経活動の指標をとり、単位時間当たり(たとえば1秒毎)の値をプロットし続ける。時間経過を分かりやすくするために、色の濃度を経時的に変える、あるいは、1分毎に色を変える、などの方法をとると望ましい。長時間訓練するときは、表示間隔を1秒ではなく、もっと間隔を長くして結果を表示することも可能である。
上記導電糸とは、繊維長1cmあたりの抵抗値が100Ω以下の糸が好ましい。上記導電糸とは、導電性繊維、導電性繊維の繊維束、導電性繊維を含む繊維から得られる撚糸、組み糸、紡績糸、混紡糸、金属線を極細に延伸した極細金属線、フィルムを極細の繊維状に切断した極細フィルムの総称である。
上記導電性繊維としては、例えば、金属で被覆された化学繊維または天然繊維、導電性金属酸化物で被覆された化学繊維または天然繊維、グラファイト、カーボン、カーボンナノチューブ、グラフェンなどのカーボン系導電性材料で被覆された化学繊維または天然繊維、導電性高分子で被覆された化学繊維または天然繊維などが挙げられる。
また、上記導電性繊維として、例えば、金属、導電性金属酸化物、カーボン系導電性材料、および導電性高分子よりなる群から選ばれる少なくとも1種の導電性材料を含む高分子材料を紡糸して得られた繊維を用いることができる。
上記導電性繊維の繊維束としては、例えば、上記導電性繊維のマイクロファイバーやナノファイバーなどからなる繊維束に、導電性フィラーや導電性高分子等を担持、含浸させて得られたものを用いることができる。
上記導電性繊維、上記導電性繊維の繊維束、上記導電性繊維を含む繊維から得られる撚糸、組み糸、紡績糸、混紡糸、上記極細金属線の平均直径は、250μm以下が好ましく、より好ましくは120μm以下、更に好ましくは80μm以下、特に好ましくは50μm以下である。
上記導電糸には、フィルムを極細の繊維状に切断した極細フィルムも包含され、上記極細フィルムとは、金属、導電性金属酸化物、カーボン系導電性材料、および導電性高分子よりなる群から選ばれる少なくとも1種の導電性材料を被覆した高分子フィルムを幅800μm以下に切断して得られた繊維状フィルムを意味する。
上記導電糸のなかでも、金属で被覆された化学繊維、導電性高分子を担持、含浸させた導電性繊維の繊維束、および平均直径が50μm以下の極細金属線よりなる群から選ばれる少なくとも1種を用いることが好ましい。
上記導電性高分子としては、例えば、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)とポリスチレンスルホン酸とを含む混合物を好ましく用いることができる。
上記導電糸を含む繊維としては、合成繊維マルチフィラメントが好ましく、該合成繊維マルチフィラメントの少なくとも一部が、繊度が30dtex未満の極細フィラメントであるか、或いは、繊度が400dtexを超え、かつ単糸繊度が0.2dtex以下の合成繊維マルチフィラメントであることが好ましい。
上記導電性ファブリックが、導電糸を含む繊維で構成された織物であるか、編み物である場合は、目付けは50g/m2未満が好ましく、導電性高分子の脱落を防止できる。また、目付けは300g/m2を超えることが好ましく、充分な導電性を確保できる。
破断伸度は、導電性ペーストを離型シート上に所定の膜厚に塗布し、乾燥後に剥離し、引張試験を行って測定できる。
上記伸縮性導体層は、引張弾性率が10〜500MPaであることが好ましい。
上記伸縮性導体層の平均厚さは、例えば20μm以上が好ましく、50μm以下が好ましい。平均厚さは、より好ましくは500μm以下、更に好ましくは250μm以下、特に好ましくは90μm以下である。
導電性ペーストは、少なくとも(i)導電性粒子、(ii)柔軟性樹脂、および(iii)溶剤を含むものである。
上記導電性粒子とは、比抵抗が1×10-1Ωcm以下の粒子を意味する。
上記比抵抗が1×10-1Ωcm以下の粒子としては、例えば、金属粒子、合金粒子、カーボン粒子、カーボンナノチューブ粒子、ドーピングされた半導体粒子、導電性高分子粒子、ハイブリッド粒子などが挙げられる。
上記金属粒子としては、例えば、銀粒子、金粒子、白金粒子、パラジウム粒子、銅粒子、ニッケル粒子、アルミニウム粒子、亜鉛粒子、鉛粒子、錫粒子などが挙げられる。
上記合金粒子としては、例えば、黄銅粒子、青銅粒子、白銅粒子、半田粒子などが挙げられる。上記ドーピングされた半導体粒子としては、例えば、錫の酸化物、インジウムと錫の複合酸化物などが挙げられる。上記導電性高分子粒子としては、例えば、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)とポリスチレンスルホン酸とを含む混合物からなる粒子や、金属被覆した高分子粒子が挙げられる。上記ハイブリッド粒子としては、例えば、金属被覆した金属粒子、金属被覆したガラス粒子、金属被覆したセラミック粒子などが挙げられる。上記金属被覆した金属粒子としては、例えば、銀被覆銅粒子が挙げられる。
上記フレーク状粉の平均粒子径は、動的光散乱法により測定した平均粒子径(50%D)が、例えば、0.5〜20μmであるものが好ましい。平均粒子径が0.5μm未満では、粒子同士が接触できないことがあり、導電性が悪化するおそれがある。平均粒子径は、より好ましくは3μm以上、更に好ましくは5μm以上である。しかし、平均粒子径が20μmを超えると、微細な配線の形成が困難になることがある。また、スクリーン印刷などを行うと、目詰まりすることがある。平均粒子径は、より好ましくは15μm以下、更に好ましくは12μm以下である。
上記不定形凝集粉の平均粒子径は、光錯乱法により測定した平均粒子径(50%D)が、例えば、1〜20μmであるものが好ましい。平均粒子径が1μm未満では、凝集粉としての効果が失われ、導電性を維持できないことがある。平均粒子径は、より好ましくは3μm以上、更に好ましくは5μm以上である。しかし、平均粒子径が20μmを超えると、溶剤への分散性が低下し、ペースト化が難しくなる。平均粒子径は、より好ましくは15μm以下、更に好ましくは12μm以下である。
上記柔軟性樹脂とは、弾性率が1〜1000MPaの熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ゴムなどを用いることができる。膜の伸縮性を発現させるために、ゴムを用いることが好ましい。上記弾性率は、好ましくは3MPa以上、より好ましくは10MPa以上、更に好ましくは30MPa以上である。上記弾性率は、好ましくは600MPa以下、より好ましく500MPa以下、更に好ましくは300MPa以下である。
上記熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリエステルなどを用いることができる。上記熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂などを用いることができる。
上記ニトリル基含有ゴムは、ニトリル基を含有するゴムやエラストマーであれば特に限定されず、例えば、ニトリルゴムと水素化ニトリルゴムが好ましい。ニトリルゴムはブタジエンとアクリロニトリルの共重合体であり、結合アクリロニトリル量が多いと金属との親和性が増加するが、伸縮性に寄与するゴム弾性は逆に減少する。従って、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体ゴム中の結合アクリロニトリル量は18〜50質量%が好ましく、より好ましくは40〜50質量%である。
上記溶剤は特に限定されず、公知の有機溶媒または水系溶媒を用いることができる。
上記電極の表面、即ち、装着者の肌に接触する側には、電極表面層を有することが好ましい。一方、上記電極と上記布帛部との境界には、絶縁性を高めるために、下地層を有することが好ましい。
上記電極表面層としては、例えば、貴金属メッキ層、不動態形成により酸化しにくい金属層、耐食性合金層、カーボン層、伸縮性導電層などが挙げられ、単独で、あるいは2種以上を積層して設けてもよい。
上記貴金属メッキ層としては、例えば、金、銀、白金、ロジウム、およびルテニウムよりなる群から選ばれる少なくとも1種の層が挙げられる。
上記不動態形成により酸化しにくい金属層としては、例えば、クロム、モリブデン、タングステン、およびニッケルよりなる群から選ばれる1種の層が挙げられる。
上記耐食性合金層としては、例えば、モネル合金などの層が挙げられる。
上記カーボン層は、上記電極の表面に、例えば、カーボンペーストなどを印刷して層を形成することが好ましい。
上記伸縮性導電層としては、例えば、導電性フィラーと柔軟性樹脂などを含む伸縮性導電組成物を用いて層を形成することが好ましい。
バインダとして、三洋化成工業株式会社製コートロンKYU−1(ガラス転移温度−35℃)、銀粒子として三井金属鉱業株式会社製微小径銀粉SPH02J(平均粒子径1.2μm)、カーボン粒子としてライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製ケッチェンブラックEC600JD、溶剤としてブチルカルビトールアセテートを用い、バインダ10質量部、銀粒子70質量部、カーボン粒子1質量部、溶剤19質量部の配合において伸縮性導体形成用の導電ペーストを調整した。 まず、所定の溶剤量の半分量の溶剤にバインダ樹脂を溶解し、得られた溶液に金属系粒子、炭素系粒子を添加して予備混合の後、三本ロールミルにて分散することによりペースト化した。
得られた伸縮性導体形成用ペーストを厚さが25μmとなるようにスクリーン印刷し、100度にて20分間乾燥して得られた伸縮性導体層(伸縮性導体シート)は、初期の比抵抗が250μΩ・cmであり20%伸張を100回繰り返した後も導電性を維持するストレッチャビリティを有していた。
表2に示す組成により、電極保護層用のカーボンペーストを調整した。
ガラス転移温度が−19℃のニトリルブタジエンゴム樹脂を40質量部、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製ケッチェンブラックEC300Jを20質量部、溶剤としてエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート50質量部を予備核酸の後三本ロールミルにて分散化し、伸縮性カーボンペーストを得た。
得られた離型シート上に形成された電極と配線は、衣服用の生地に両面ホットメルトシート側が触れるように重ね、ホットプレスにより加熱加圧することにより電極と配線を絶縁下地層、絶縁カバー層とともに電極支持部に転写することができる。
20%伸張応力が7Nの生地を用いたスポーツシャツの胸部分に20%伸張応力が0.5Nである伸縮性導体組成物からなる心電情報計測用電極、同じ素材を用いて腕回りに筋電分布測定電極(左右の腕の各々に各8点を配置)を取り付け、さらに20%伸張応力が1.2Nである伸縮性キャパシタを胸回りに設置し、電極電位と伸縮性キャパシタの容量変化を検出し、携帯端末に送信するための電子ユニット取り付けて、心電情報、筋電分布情報、呼吸情報を同時測定することができる衣服型の生体情報計測装置を作成した。得られた生体情報計測装置を被験者に着用させたところ、最大衣服圧は0.6kPa、心電情報計測用電極設置部の衣服圧は0.4kPa、筋電測定電極設置部の衣服圧は0.6kPaであった。なお伸縮性導体組成物による電極は先に得られた、離型シート上に形成された電極と配線をホットプレスにより転写することにより作製した。前記電子ユニットには温度計、GPSによる位置情報、XYZ各軸への加速度センサが搭載されており、同様に携帯端末に情報送信が可能である。
衣服型生体情報計測装置を被験者に着用させ、タブレットをトレーナーが観察するようにした。被験者は自動車レースのドライバーである。非乗車時(待機中)、イメトレ時(イメージトレーニング中)、乗車時(本戦レース中)の被験者の基本的パラメータ:心電(心拍)、呼吸、筋電、体表面温度を検出し、心電情報からRRI、交感神経活動の指標、副交感神経活動の指標を算出し被験者の緊張・リラックス度合いをタブレット端末にて監督者であるトレーナーが観測しつつ、適宜指示を出しながら訓練および、本戦レース競技を行った。
結果、被験者のメンタル状態、生理学状態(疲労状態など)をもとに神経集中しつつも、過度に緊張しない状態に誘導するように指示をだすことができた。
20%伸張応力が5Nの生地を用いたスポーツブラジャーのアンダーバスト部分に導電性ファブリックからなる心電情報計測用電極と、20%伸張応力が1.2Nである伸縮性キャパシタを設置し、電極電位と伸縮性キャパシタの容量変化を検出し、携帯端末に送信するための電子ユニット取り付けて、心電情報と呼吸情報を同時測定することができる衣服型の生体情報計測装置を作成した。得られた生体情報計測装置を被験者に着用させたところ、最大衣服圧は0.85kPa、心電情報計測用電極設置部の衣服圧は0.8kPaであった。
実施例1と同様に、得られた心電情報から、RRI、副交感神経系活動の指標、交感神経活動の指標を求め、RRIと副交感神経活動の指標をそれぞれXY軸に用いたチャート、およびRRIと交感神経活動の指標をそれぞれXY軸に用いたチャートを描画し、タブレット端末に表示するようにして生体情報提示システムを得た。
衣服型生体情報計測装置を被験者に着用させ、タブレットをトレーナーが観察するようにして、被験者のトレーニングを行った、被験者は声楽家である。実施例1と同様に被験者の各種パラメータを練習時、リハーサル時、ゲネプロ時、リサイタル(本番)時に取得し、本番舞台に向かう際のイメージトレーニングに活用した結果、リサイタル時にも必要以上に緊張することなく、伸びやかな芸術表現が行えるようになった。
本発明は、男性、女性を問わず広範囲に適用することができ、たとえば球技、体操、水泳、射撃、弓道、アーチェリー、投擲競技、格闘技などなどの各種スポーツ訓練に、また
自動車、船舶、飛行機、土木用重機、などの運転訓練に、さらに木工作業、鉄工作業、彫金、縫製作業、歯科技工、医療手術、料理などの技能訓練に、あるいは管楽器、弦楽器、打楽器、声楽などの演奏訓練、書道、カリグラフ、彫刻、刺繍、絵画、などの芸術訓練に幅広く利用することができる。
1:生体情報検出手段
2:信号処理手段
3:評価手段
4:評価結果の提示手段
5:行動提示手段
Claims (14)
- 被験者の心電情報から得られる拍動間隔を周波数スペクトル変換するステップを含んで得たパワースペクトルを定積分してLFおよびHFを算出し、
前記拍動間隔と、副交感神経系活動の指標であるLFとHFの少なくともいずれか一方とを、直交座標系の各々の座標軸に取り、生体情報を二次元的に図示することにより被験者の心理・生理学状態を表示することを特徴とする生体情報提示システム。 - 前記副交感神経系活動の指標としてHFを用いることを特徴とする請求項1に記載の生体情報提示システム。
- 被験者の心電情報から得られる拍動間隔を周波数スペクトル変換するステップを含んで得たパワースペクトルを定積分してLFおよびHFを算出し、
前記拍動間隔と、交感神経系活動の指標である(LF/HF)とを、直交座標系の各々の座標軸に取り、生体情報を二次元的に図示することにより被験者の心理・生理学状態を表示することを特徴とする生体情報提示システム。 - 前記拍動間隔として、心電信号におけるR波とR波との間隔であるRRIを用いる請求項1〜請求項3のいずれかに記載の生体情報提示システム。
- 前記心電情報を取得するための衣服型の生体情報計測装置を有することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の生体情報提示システム。
- 前記衣服型の生体情報計測装置が
20N以下の20%伸張応力を有する生地を少なくとも用いており、
衣服圧が0.1kPa以上1.5kPa以下であり、
衣服圧が0.3kPa以上となる部分に皮膚接触型電極を有する
ことを特徴とする請求項5に記載の生体情報提示システム。 - 前記皮膚接触型電極が、導電性ファブリックを用いた電極であることを特徴とする請求項6に記載の生体情報提示システム。
- 前記皮膚接触型電極が、伸縮性導体組成物を用いた電極であることを特徴とする請求項6に記載の生体情報提示システム。
- 前記皮膚接触型電極が、導電性ゲルを用いた電極であることを特徴とする請求項6に記載の生体情報提示システム。
- 前記表示された被験者の心理・生理学状態に応じて、あらかじめケースバイケースに準備された行動指示を被験者に伝える手段を有することを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれかに記載の生体情報提示システム。
- 請求項1〜請求項10のいずれかに記載の生体情報提示システムを用いて、作業の訓練を行うことを特徴とする訓練方法。
- 前記作業がスポーツであることを特徴とする請求項11に記載の訓練方法。
- 前記作業が楽器演奏であることを特徴とする請求項11に記載の訓練方法。
- 前記作業が機械操作であることを特徴とする請求項11に記載の訓練方法。
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