JP7141960B2 - 心身管理システム - Google Patents

Description

本発明は、心身が作業（運転、操作等）に適した状態か否かを推定できる心身管理システム等に関する。

人が行う作業の成果は、外面的な肉体状態のみならず、内面的な精神状態からも影響を受ける。例えば、ストレス状態にあるときと、リラックス状態にあるときとでは、作業成果が異なり得る。

そこで、生理的な状態（特徴量）の変化を観察・分析して、人の精神状態（心理状態）を推定することが行われている。例えば、心拍は、自律神経を構成する交感神経と副交換神経の活動バランスにより定まり、その活動バランスが心理状態に影響を及ぼすことが知られている。そこで、心電図等から得られた心拍情報を解析して、心理状態の推定がなされている。これに関連した記載が、例えば、下記の特許文献にある。

特開２０１６－１２９６２９号公報 特開２０１８－１４０１６２号公報

特許文献１では、心拍情報に基づいて、被験者が集中状態と安静状態のいずれにあるかを推定している。特許文献２では、心拍情報から求まる低周波成分（ＬＦ）と高周波成分（ＨＦ）の比（ＬＦ／ＨＦ）に基づいて、作業の適性度を推定している。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは異なる手法により、心身が作業に適した状態か否かを推定できる心身管理システム等を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、特定の指標値の増減により、心身が作業に適した状態にあるか否かを推定できることを新たに見出した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《心身管理システム》
（１）本発明は、呼吸周波数を指標する第１指標値（Ｖ１）の増減と、心拍情報から得られた心拍変動の高周波成分（ＨＦ）と低周波成分（ＬＦ）の合計に対する該低周波成分の割合（ＬＦ／ＨＦ＋ＬＦ）である第２指標値（Ｖ２）の増減とに基づいて、作業に対する心身状態の適性を推定する推定手段を備える心身管理システムである。

（２）本発明の心身管理システム（単に「システム」ともいう。）は、例えば、第１指標値が増加（ΔＶ１＞０）し、かつ第２指標値が減少（ΔＶ２＜０）するとき、心身（特に精神面）が作業に対して適正状態にあると推定する。このような心身状態（心理状態）の推定を活用することにより、作業の適確化や効率化の向上が図られる。

《その他》
（１）本発明は、装置または方法としても把握できる。例えば、本発明は、心身状態の推定装置またはその推定方法としても把握される。本明細書でいう各手段は、各ステップと読み替えることにより方法の構成要素となる。また本発明は、各ステップをコンピュータで実行するプログラムや、そのプログラムを記録した記憶媒体等としても把握され得る。

（２）変化量には、適宜、「Δ」を付して示す。ΔＶ＞０（ΔＶ：正）は、指標値（Ｖ）が増加していることを意味する。逆に、ΔＶ＜０（ΔＶ：負）は、その指標値が減少していることを意味する。なお、本明細書でいう「増減」は、特定の基準値との比較における増減でよい。その「増減」は、必ずしも、隣接する時系列間の増減（単位時間あたりの変化量の正負）でなくてもよい。

（３）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ～ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ～ｂ」のような範囲を新設し得る。また、特に断らない限り、本明細書でいう「ｘ～ｙＨｚ」はｘＨｚ～ｙＨｚを意味する。他の単位系（msec^２／Ｈｚ等）についても同様である。

実施例で行った評価試験の様子を模式的に示した説明図である。 各指標値の増減（正負）と課題成績の変化との関係を示す棒グラフの一例である。 香り成分と心身の適正状態との関係を示す棒グラフの一例である。

上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明に係るシステム、装置、方法、プログラム等に適宜該当し得る。

《心身状態の推定》
（１）第２指標値
第２指標値は、ＬＦ／（ＨＦ＋ＬＦ）により求まる。これは、ＨＦとＬＦから正規化されたＬＦ（normalizedＬＦ）に相当し、本明細書では「ＬＦnorm」という。

ＬＦnormの算出に必要なＨＦとＬＦは、心拍情報から求まる。心拍情報は、例えば、心電図や脈波から得られる。便宜上、ここでは、代表例である心電図に基づいて、ＨＦとＬＦを算出する場合について説明する。

心拍は、身体が安静な状態にあっても一定ではなく、心拍間隔は周期的に変動している。このような心拍間隔の変動を心拍変動（心拍ゆらぎ）という。

心拍間隔には、通常、心電図上に現れた最も鋭いピーク（Ｒ波）間の時間差（隣接するＲ波の間隔／RR Interval）が採用される。心電図から抽出（算出）された心拍間隔の（離散的な）時系列的な変動データ（ＲＲＩ時系列データ）が心拍変動データとなる。心拍変動データを周波数解析（スペクトル解析）すると、横軸を周波数（Ｈｚ）、縦軸をパワー（msec^２／Ｈｚ）とするパワースペクトル密度（ＰＳＤ：Power Spectral Density）が得られる。このＰＳＤ関数を、高周波数帯域（０．１５～０．５０Ｈｚ）と低周波数帯域（０．０４～０．１５Ｈｚ）でそれぞれ積分する。こうして求まる各周波数帯幅に相当する積算値（面積）が、高周波成分（ＨＦ）と低周波成分（ＬＦ）となる。

ちなみに、拍動（心拍）は、拍動を統括する心臓の洞房結節の周囲に密に分布した交感神経と副交換神経の活動バランスによりコントロールされている。交感神経は心拍を早め、副交換神経は心拍を遅らせる。一般的に、ＨＦは副交換神経の活動のみを反映するが、ＬＦは交感神経と副交換神経の両方の活動を反映する。そこで、単なるＬＦではなく、相対化（正規化）したＬＦnormが、交感神経活動指標とされる。

ＬＦnormが大きいか増加するとき、交感神経が活発で心身は緊張状態（ストレス状態）にあると考えられる。逆に、ＬＦnormが小さいか減少するとき、交感神経の活動が低下して副交換神経が活発となり、心身はリラックス状態にあると考えられる。

（２）第１指標値
第１指標値は、呼吸周波数を指標している。第１指標値は、呼吸周波数自体または呼吸周波数を直接的に指標する値でもよいし、呼吸周波数を間接的に指標する相関値でもよい。後者として、高周波成分の重心周波数（「ＨＦcentＦ」という。）がある。

ＨＦcentＦは、上述した高周波数帯域におけるＨＦの重心に対応する周波数として求まる。このため、第１指標値としてＨＦcentＦを採用すれば、呼吸情報を別に用意するまでもなく、心拍情報だけで、心身状態の推定が可能となる。なお、呼吸性洞性不整脈とも呼ばれるＨＦの周波数が呼吸周波数と強い相関があることは、例えば、文献（吉田他、心拍変動時系列からの呼吸関連パラメータの推定、生体医工学、43(3)、456-460、2005）に示されている。

ＨＦの重心は、上述した高周波数帯域のパワースペクトル密度関数の中心となる周波数である。例えば、高周波数帯域の下限側または上限側から算出した積算値（面積）が、全体（ＨＦ）の１／２になるときの周波数である。

（３）指標値の増減
指標値の増減は、基準となる指標値（基準指標値）との比較により判断する。基準指標値は、経時的に新たな指標値が算出される毎に更新されてもよいし、特定の時点で算出された指標値が所定期間維持（継続）されていてもよい。

（４）測定の期間・頻度（間隔）
第１指標値となるＨＦcentＦや第２指標値となるＬＦnormを算出するためには、自ずと、ある測定時間（期間）の心拍間隔を採取する必要がある。

この点は、第１指標値として、呼吸周波数自体またはその直接的な指標値を採用するときも同様である。このとき、例えば、測定時間内の呼吸回数をその測定時間で除した算術（相加）平均である平均呼吸周波数を第１指標値としてもよい。

なお、測定時間は、適宜設定できるが、例えば、１２０秒（２分）または１８０秒（３分）とするとよい。指標値の算出やその算出に必要となる情報（データ）の取得は、継続的に行われてもよいし、断続的に行われてもよい。

《機能性成分の放出》
心身を作業に適した状態へ誘導するために、機能性成分が放出されてもよい。このような機能性成分は種々ある。機能性成分は香りとして知覚されなくてもよい。機能性成分は、例えば、シトロネロール、リモネン、酢酸ボルニル、カンファーまたは1,8-シネオールの一種以上であるとよい。機能性成分は、適当な濃度に調整されて放出されるとよい。機能性成分は、特定の作業者のみに対して放出されてもよいし、その作業者がいる環境下（例えば室内）全体に対して放出されてもよい。

機能性成分の放出タイミングや放出時間は、適宜調整され得る。例えば、各指標値を基準指標値と比較して、少なくとも、心身が作業に対する適正状態（ΔＶ１＞０かつΔＶ２＜０）と推定されないとき（要するに、ΔＶ１≦０またはΔＶ２≧０のとき）に放出されるとよい。換言すると、第１指標値が増加（ΔＶ１＞０）しないとき、または第２指標値が減少（ΔＶ２＜０）しないときに、機能性成分が放出されるとよい。

《システム》
本システムは、推定手段や放出手段の他に、人の呼吸や心拍を直接または間接に測定する測定手段と、測定手段から得られたデータを処理または解析する解析手段を適宜備えてもよい。また、心身が適正状態にないと推定されるとき、機能性成分の放出に替えて、またはその放出と共に、音や振動等の刺激（警告）が作業者に与えられてもよい。

測定手段は、例えば、心拍情報なら心電計、脈拍計、心拍センサ等により実現される。呼吸情報なら伸縮性ひずみセンサ、圧電素子等を用いた呼吸センサ等により測定される。

解析手段や推定手段は、所定のプログラムをコンピュータで実行することにより実現される。放出手段は、例えば、機能性成分の貯留部（タンク、カートリッジ等）と、貯留部からの機能性成分の放出（量）を調整する制御部（弁等）により実現される。

本システムにより心身状態が管理される対象者（作業者）は問わない。代表例は、比較的単純な作業を長時間強いられるドライバー、パイロット等である。このとき、運転席（コックピット）の周辺（ハンドル、シート、計器板等）に配置、または直接装着した各種のセンサ（測定手段）から取得した心拍や呼吸に関連した信号を処理して、上述した心身状態の推定が可能となる。

なお、作業者が長時間の単純作業等に適した状態（例えば、リラックスと集中を両立した状態）にあるか否かが推定された結果、作業者がそのような状態にないときは、注意喚起されたり、機能性成分（香り成分）の放出等により作業者の心身を適正状態へ誘導されるとよい。

心電図を測定している被験者に、課題（作業）を繰り返し処理させる試験を行うことにより、被験者の心身状態と課題成績の相関を評価した。この具体例に基づいて、以下に本発明をさらに詳しく説明する。

《試験》
被験者に対して行った試験の様子を図１に模式的に示した。具体的には、次の通りである。

（１）被験者
無作為に抽出した被験者２０名に対して試験を行った。

（２）課題
各被験者に次の数字探索課題を処理させた。試験開始後（合図後）、着席した被験者の前にあるディスプレイの画面に１００個の数字群（０～９９）が格子状にランダムに表示される。それと同時に、その画面上部に探索対象の数字が表示される。ランダム表示された数字群から、制限時間内（１０秒内／緑色のバーが消えるまでの間）に、探索対象の数字を、被験者に探索させる。正しい数字を探索してクリックできたときは、「探索成功」とする。制限時間内に、正しい数字がクリックされなかったときは、「探索失敗」とする。こうした課題処理（以下、「タスク」という。）を３分間継続する。

３分回のタスクが終了する毎に、１分間休憩する。これらを繰り返して、１条件（環境）あたり、６回のタスク（これを「１セット」という。）を行う。

（３）条件
香り成分（機能性成分）を放出しない無臭環境下（１条件）と、図３に示した９種の香り成分を個別に放出する芳香環境下（９条件）とを併せた１０条件下で、１条件あたり１セットのタスクを被験者に課した。こうして被験者一人あたり、合計で１０セットのタスク（１０×６回のタスク）を行った。

なお、香り成分の放出は、３～６回目のタスクで行った。つまり、１～２回目のタスクは香り成分を放出せずに行った。香り成分の放出は次のように行った。先ず、各香り成分の原液を溶媒（水）で希釈した水溶液を調製した。各香り成分の希釈割合（３５～１００μＬ／水１００ｍＬ）は図３に併せて示した。各香り成分を含む水溶液を、市販のアロマディフューザー（放出手段の一例）を用いて、被験者の周囲へ放出した。このとき、サーキュレータにより、香り成分を室内全体に拡散させた。

（４）心電図
被験者の心電図を、第II誘導胸部誘導法により測定した。心電図は、本試験中、継続して測定した。心電図の測定には、Ｐｏｌｙｍａｔｅ Ｍｉｎｉ ＡＰ１０８（株式会社ミユキ技研製）を用いた。

《データ処理》
（１）指標値
心電図から得られた心電データ（心電波形）からＲ波を検出して、その時間間隔（ＲＲInterval）を心拍間隔とした。心拍間隔の時系列データである心拍変動データを周波数解析して、低周波数側（０．０４～０．１５Ｈｚ）の心拍変動成分（低周波成分：ＬＦ）と、高周波数側（０．１５～０．５０Ｈｚ）の心拍変動成分（高周波成分：ＨＦ）とを算出した。また、高周波成分の重心周波数（ＨＦcentＦ）と、ＬＦ／ＬＦ＋ＨＦ（ＬＦnorm）も算出した。なお、心拍変動データの取込、周波数解析、ＨＦ、ＬＦ、ＨＦcentＦの算出は、数値解析ソフトウェア ＭＡＴＬＡＢ（Ｍａｔｈ ｗｏｒｋｓ社製）を用いて行った。このとき、Ｒ波の検出不良を判定するための心拍間隔が適切な範囲の値であることを確認し（例：５００～１３００ｍｓ）、Ｒ波の検出不良が含まれた区間は解析から除外した。

ＬＦ、ＨＦ、ＨＦcentＦ、ＬＦnormは、６６秒を１解析区間として算出し、１秒ずつずらして指標を算出した後、各タスク（１８０秒間）毎に平均値を算出した。また、各条件下で、２回目のタスクで得られたＨＦcentＦ、ＬＦnormを基準指標値とした。そして、各条件下で、３～６回目の各タスクに関して、基準指標値に対する差分として、ΔＨＦcentＦ、ΔＬＦnormをそれぞれ算出した。例えば、３回目のタスクのΔＨＦcentＦは、３回目のタスクのＨＦcentＦから２回目のタスクのＨＦcentＦを差し引いて求めた。

（２）課題成績
各タスク毎に、探索失敗割合を算出した。例えば、１タスクあたり、２０個の数字を探索できた場合に、そのうち１個が探索失敗であったとき、探索失敗割合は１／２０＝０．０５となる。なお、探索は、その成否とは別に、所定時間内において次々になされる。

各条件下で、２回目のタスクの探索失敗割合に対する３～６回目の各タスクの探索失敗割合の差分を求めた。例えば、３回目のタスクの探索失敗割合が１／２０で、基準となる２回目のタスクの探索失敗割合が２／２０なら、その差分は－１／２０＝－０．０５となる。この差分を、探索失敗割合変化とする。

（３）多重比較
こうして得られた全タスクに係るΔＨＦcentＦ、ΔＬＦnorm、探索失敗割合変化を、ＴｕｋｅｙのＨＳＤ法による多重比較により整理した。その結果を図２に示した。なお、このときのデータ数（全タスク数）は７２３（被験者１９名×１０条件×４タスク）であった。被験者１名は心電計測に問題があったため、その被験者に係るデータは除外した。

《評価》
（１）課題成績と指標値
図２から明らかなように、ΔＨＦcentＦ＞０（正）、かつΔＬＦnorm＜０（負）のときだけ、探索失敗割合変化が減少している。つまり、そのときだけ、課題成績が向上することがわかった（ΔＨＦcentＦ＜０（負）かつΔＬＦnorm＜０（負）のとき、および、ΔＨＦcentＦ＜０（負）かつΔＬＦnorm＞０（正）のときと比べて、ｐ＜０．０１で有意に課題成績が向上したといえる）。

（２）香り成分
各条件下で、ΔＨＦcentＦ＞０（正）かつΔＬＦnorm＜０（負）（適正状態）となったタスクの回数の割合（適正状態の発生割合）を、図３にまとめて示した。例えば、香り成分を全く放出しないとき（条件ｊ：無臭）、適正状態となったタスクは、全タスク７６（被験者１９名×４タスク）に対して２０であった。このときの適正状態の発生割合は２６．３％となる。

その無臭時（条件ｊ）を基準とすると、図３から明らかなように、シトロネロール（条件ｂ）、カンファー（条件ｃ）、酢酸ボルニル（条件ｅ）、リモネン（条件ｇ）、1,8-シネオール（条件ｈ）のいずれかを放出したときに、適正状態の発生割合が向上した。

以上から明らかなように、第１指標値（例えばＨＦcentＦ）と第２指標値（ΔＬＦnorm）の各増減に基づけば、心身が作業に適した状態にあるか否かを推定できることがわかった。また、適切な機能性成分を放出すれば、心身を作業に対する適正状態へ誘導し得ることもわかった。

ＬＦnormの減少は、交感神経よりも副交換神経が活発であったことを意味し、適正状態の作業者（被験者）はリラックス状態にあったと考えられる。また、適正状態の作業者は課題成績が向上したことから、集中状態にあったといえる。従って、適正状態は、リラックス状態と集中状態が両立した心身状態と考えられる。そして、ＬＦnorm（ΔＬＦnorm）はリラックス状態の指標となり、ＨＦcentＦ（またはΔＨＦcentＦ）は集中状態の指標になるといえる。

以上の結果を踏まえると、生体情報に基づいて得られる各指標値の増減から、特定の心身状態を推定するアルゴリズムまたはプログラム（推定手段の一例）を実行する心身管理システムが完成される。本発明の心身管理システムによれば、心身が運転、操作等の各作業を適確に行える適正状態にあるか否かを適確に推測できるようになる。なお、本発明の心身管理システムは、各指標値の増減の組み合わせにより、適正状態でない非適正状態となる各場合の少なくともいずれかを推定するものでもよい。

Claims (5)

1. 呼吸周波数を指標する第１指標値（Ｖ１）の増減と、心拍情報から得られた心拍変動の高周波成分（ＨＦ）と低周波成分（ＬＦ）の合計に対する該低周波成分の割合（ＬＦ／ＨＦ＋ＬＦ）である第２指標値（Ｖ２）の増減とに基づいて、作業に対する心身状態の適性を推定する推定手段を備え、
   該推定手段は、該第１指標値が増加（ΔＶ１＞０）し、かつ該第２指標値が減少（ΔＶ２＜０）するときを作業に対する心身の適正状態と推定し、それ以外のときを作業に対する心身の非適正状態と推定する心身管理システム。
2. 前記第１指標値は、前記高周波成分の重心周波数（ＨＦcentＦ）である請求項１に記載の心身管理システム。
3. 作業に適した心身状態へ誘導する機能性成分を放出する放出手段を備える請求項１または２に記載の心身管理システム。
4. 前記機能性成分は、シトロネロール、リモネン、酢酸ボルニル、カンファーまたは1,8-シネオールの一種以上を含む請求項３に記載の心身管理システム。
5. 前記放出手段は、前記第１指標値が増加（ΔＶ１＞０）しないとき、または前記第２指標値が減少（ΔＶ２＜０）しないときに、前記機能性成分を放出する請求項３または４に記載の心身管理システム。

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