JPH0542129A

JPH0542129A - 覚醒度判定装置

Info

Publication number: JPH0542129A
Application number: JP3223549A
Authority: JP
Inventors: Bunji Atsumi; 文治渥美
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1993-02-23

Abstract

(57)【要約】【目的】個人差に対処でき、小サンプル数で判定でき
る覚醒度判定装置を提供すること。【構成】心拍の拍間時間の呼吸性変動を検出し、覚醒
度を判定する装置であって、心拍数を検出する手段と、
呼吸数を検出する手段と、これら手段から信号を受ける
制御器とを含む。制御器は、検出した心拍数の周期λ₁
と検出した呼吸数の周期λ₂ とからサンプル数ｎ＝λ₂
／λ₁ を求め、サンプル数ｎによる拍間時間の分散を求
め、この分散に一定値α（α＞１）を乗じて判定値を求
める。その後、走行中の心拍数の周期と呼吸数の周期と
から走行中のサンプル数を求め、走行中のサンプル数に
よる拍間時間の分散を求め、走行中の分散と前記判定値
とを比較する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、覚醒度判定装置に関
し、特に、車両の走行中、船の航行中、航空機の飛行中
などのような乗物の運行中に、乗物の運転者の覚醒度が
低下した状態、すなわち居眠り状態を判定する装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、車両の運転者が、走行中に不
意に居眠り状態になることによる危険を避けるため、運
転者の覚醒度を判定し、居眠り状態になったとき、運転
者に警報を発するものとして、高速フーリェ変換（ＦＦ
Ｔ）による分析を使用したものがある（特開平1-131648
号公報）。これは、心拍間隔の時系列データをＦＦＴ分
析し、0.1[1/beat] 近傍のピークの大きさを覚醒度判定
の指標とし、この指標が初期値よりも一定以上大きくな
ったとき、居眠り状態であると判断するものである。

【０００３】前記ＦＦＴ分析の場合、通常数十拍、少な
くとも十数拍のデータを用いないと、前記0.1[1/beat]
近傍のピークを検出できないことから、この拍数よりも
短い瞬間的な意識低下に対処できない。そこで、より少
ない拍数で覚醒度を判定する方法が開発され、別途特許
出願された（特願平2-41730 号）。

【０００４】前記開発に係る覚醒度の判定方法は、心拍
のＲ波間の拍間時間（R-RInterval:以下、ＲＲＩという
こともある。）の周波数スペクトルに、安静時に呼吸性
変動と血圧性変動とが現れるという事実と、ＲＲＩのス
ペクトルの標準偏差の２乗の値である分散が、サンプル
数を少なくした場合、低周波の振動の影響を実質的に受
けない、という発明者の知見とに基づく。

【０００５】横軸を心拍数の逆数である心拍周波数[1/b
eat]で、また縦軸を心拍のＲＲＩの変動強度を示す振幅
比[%/max] で示した、図９ないし図１１のスペクトルを
参照するに、図９および図１０には、図１１に現れてい
ないピークが現れている。すなわち、図９では、心拍周
波数が0.2[1/beat] の近傍に、また図１０では、0.25[1
/beat]の近傍にピークが現れているのに対し、図１１に
はこのようなピークは現れていない。

【０００６】前記ピークは、被測定者の心身の状態、す
なわち安静状態であるか、緊張状態であるかに関連し
て、現れたり、現れなかったりするもので、呼吸性変動
と呼ばれる。この呼吸性変動は、安静状態に現れるが、
覚醒度の低下した状態は安静状態であるから、呼吸性変
動を検出すれば、覚醒度が低下しているか否かを判定で
きる。

【０００７】図１０には、さらに、0.1[1/beat] 近傍に
ピークが現れている。このピークは血圧性変動と呼ばれ
る。血圧性変動もまた、安静状態である覚醒度の低下し
た状態のとき現れるが、これは呼吸性変動に比べれば、
現れ方が少ないことが確認されている。

【０００８】前記スペクトルは、図１２ａのように図示
的に表すことができる。この図における呼吸性変動の周
波数ｆ₁ を検出するのに、次の統計的手法を用いる。

【０００９】変動の大きさの指標である分散ＲＲＶは、
ＲＲＩをデータとすると、

【式１】で表される。ここで、ｎはサンプル数である。

【００１０】ＲＲＩデータには、図１３に示すように、
呼吸に基づく低周波の振動と、心拍に基づく高周波の振
動とが混じっているところ、サンプル数ｎが多い場合、
ＲＲＩの変動の平均値が、低周波振動の振幅の平均値と
なることから、低周波の変動の影響が、分散結果に混入
する。これに対して、サンプル数ｎが少ない場合、ＲＲ
Ｉの変動の平均値が、低周波振動の振幅の影響を受けに
くくなるため、低周波の変動の影響が分散結果に入らな
くなり、図１３ｃに示すような、あたかもハイパスフィ
ルタを通した波形の分散を求めたものと同じ結果になる
ことが期待される。

【００１１】そこで、模擬ＲＲＩデータをコンピュータ
で作成し、分散の演算サンプル数ｎを、３、４、１６と
変化させて特性を調べたところ、図１２ｂのようになっ
た。これは、サンプル数ｎに応じてカットオフ周波数が
変化するハイパスフィルタの特性と同じである。そし
て、それぞれのサンプル数における分散を図示したとこ
ろ、たとえば、サンプル数３の分散は図１２ｃのように
なり、カットオフ周波数ｆ₁ を抽出することが確認でき
た。

【００１２】前記事実と知見とに基づいて開発された前
記覚醒度判定方法は、サンプル数を定めること、このサ
ンプル数による拍間時間の分散を求めること、分散に基
づいて判定値を求めること、前記サンプル数による拍間
時間の走行中の分散を求めること、走行中の分散と前記
判定値とを比較することを含む。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前記判定方法では、サ
ンプル数を適当に定めるが、呼吸性変動および（また
は）血圧性変動は、個人差によって出現する周波数領域
が多少ずれているため、覚醒度を正確に判定できない場
合が生じうる。

【００１４】図１４に示すように、たとえば、呼吸性変
動のピークがｆ₂にあるとき、ｆ₁に対応するサンプル数
ｎ₁ を選定してしまった場合、ｎ₁ の分散ＲＲＶ（ｎ
₁ ）は、ｂの面積に比例した値となってしまい、呼吸性
変動をうまく抽出できない。次に、覚醒度が低下し、ｃ
のように、呼吸性変動が増加したとき、サンプル数ｎが
ずれていると、抽出した結果はｄのようになり、結果と
して、ＲＲＶ（ｎ₁ ）の値はわずかに増加するだけであ
る。そのため、実際には覚醒度が低下し、ほぼ居眠り状
態であっても、これを見逃してしまうことになる。

【００１５】したがって、本発明の目的は、個人差に対
処でき、小サンプル数で判定できる覚醒度判定装置を提
供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、心拍の拍間時
間の呼吸性変動を検出し、覚醒度を判定する装置であっ
て、心拍数を検出する手段と、呼吸数を検出する手段
と、これら手段から信号を受ける制御器とを含む。制御
器は、ａ）検出した心拍数と検出した呼吸数とに基づい
てサンプル数を求めること、ｂ）該サンプル数による拍
間時間の分散を求めること、ｃ）該分散に基づいて判定
値を求めること、ｄ）前記心拍数の検出手段によって運
行中の心拍数を検出すること、ｅ）前記呼吸数の検出手
段によって運行中の呼吸数を検出すること、ｆ）前記運
行中の心拍数と前記運行中の呼吸数とに基づいて運行中
のサンプル数を求めること、ｇ）該サンプル数による拍
間時間の運行中の分散を求めること、ｈ）該運行中の分
散と前記判定値とを比較すること、前記ｄ）からｈ）を
繰り返すことを特徴とする。

【００１７】

【作用および効果】図１に示すように、心拍数（ａ）
は、１分当り50〜80拍程度であるのに対し、呼吸数
（ｂ）は、緊張しない状態のとき、１分当り15〜25回程
度、血圧の大きなうねり（ｃ）は１分当り 5〜 7回程度
生ずる。したがって、呼吸性変動の周波数領域は、心拍
2〜 5拍周期（周波数0.5 〜0.2[1/beat] ）程度にばら
つくことが予想されるところ、制御器は、検出した心拍
数と検出した呼吸数とに基づいてサンプル数を定めるた
め、個人差によるばらつきがあっても、適切なサンプル
数を選定できる。

【００１８】さらに、制御器は、運行中に検出する心拍
数と呼吸数とによってサンプル数を常に更新するため、
これらの運行中の変動があっても、適切なサンプル数を
選定できる。これは、適切な分散を求めることであり、
これによって判定値との比較が正確になる。制御器は、
運行中の分散が判定値以上になったとき、覚醒度が低下
したと判断し、ブザーのような覚醒手段に信号を出力す
る。

【００１９】心拍の拍間時間の分散を求め、これを判定
値と比較するものであるため、小サンプル数で覚醒度を
判定でき、瞬間的な覚醒度の低下にも対処できる。

【００２０】心拍数と呼吸数とに基づいて選定したサン
プル数による分散を求めて判定値を設定し、一方、運行
中サンプル数を更新することから、確実かつ正確な判定
が可能である。

【００２１】

【実施例】覚醒度判定装置は、心拍の拍間時間の呼吸性
変動を検出し、覚醒度を判定するものであって、図２に
示すように、心拍数を検出する手段１０と、呼吸数を検
出する手段１２と、これら手段から信号を受ける制御器
１４とを含む。覚醒度判定装置は、図示の実施例では、
車両に搭載され、運転者の覚醒度を判定している。

【００２２】図２に示す実施例では、心拍数を検出する
手段１０の出力は、アンプ１６で増幅され、フィルタ１
８によって雑音を除いた後、コンパレータ２０でパルス
信号に変換され、マイコンからなる制御器１４に入力し
ている。制御器１４は、覚醒度が低下したと判定する
と、ブザーその他の覚醒手段２２に信号を出力する。

【００２３】心拍数を検出する手段１０は、図示の実施
例では、発振器２４の出力の心臓での反射派（脈動）を
出力する超音波センサであり、シート２６に内蔵されて
いる。心拍数を検出する手段１０は、シート内蔵型の超
音波センサに限らず、公知の心拍または脈波検出手段を
使用できる。

【００２４】呼吸数を検出する手段１２は、シートベル
ト２８内に組み込まれた呼吸センサで、車両の走行中の
運転者の呼吸による胸の動きを計測して呼吸を計る。歪
ゲージ、圧力センサなどにより実現できる。

【００２５】図示の実施例では、さらに、連続式血圧セ
ンサ３０が設けられている。これは、車両のインパネな
どに取り付けるもので、運転者が指先を挿入することに
よって、連続的な血圧変化を計測できる。

【００２６】制御器１４は、図３に示すような制御をす
る。初期化（１００）の後、心拍数検出手段１０および
呼吸数検出手段１２から、心拍数と呼吸数との初期値を
入力し（１０１）、検出した心拍数と検出した呼吸数と
に基づいてサンプル数ｎ₁ を求める（１０２）。

【００２７】既に述べたように、呼吸性変動は心拍数と
呼吸数との比に対応した周波数に現れる。図１に示すよ
うに、心拍および呼吸がそれぞれ変動しているとき、心
拍の１周期の時間（波長）をλ₁ 、呼吸のそれをλ₂ と
すれば、呼吸性変動の周期＝λ₂ ／λ₁ [beat]（周波数＝λ₁ ／λ₂ [1/beat]）にピークが現れる。そこで、ｎ₁ ＝（λ₂ ／λ₁ ）ｋのように、サンプル数ｎ₁ を設定する。ここで、ｋは定
数であって、たとえば、0.8 程度に定める。また、サン
プル数ｎ₁ は整数でなければならないから、小数部は四
捨五入する。

【００２８】サンプル数ｎ₁ を求めた後、式により、
サンプル数ｎ₁ による拍間時間の分散を求め（１０
３）、この分散に基づいて判定値を求める（１０４）。
ここで、判定値は、得られた分散に一定値α（α＞１）
を乗じて得る。

【００２９】車両の走行中、心拍数の検出手段１０によ
って心拍数を検出し、また呼吸数の検出手段１２によっ
て呼吸数を検出し、それぞれを入力する（１０５）。そ
して、式により、走行中の心拍数と呼吸数とに基づい
て走行中のサンプル数を求め（１０６）、新たなサンプ
ル数ｎ₁ による拍間時間の走行中の分散を求める（１０
７）。

【００３０】判定値と直前に求めた分散とを比較し（１
０８）、直前の分散が判定値以下であるとき、心拍数と
呼吸数との入力、サンプル数の演算などを、心拍の１拍
づつ移動させて繰り返す（１０５〜１０８）。そして、
直前の分散が判定値より大きくなったとき、覚醒手段２
２に信号を出力し（１０９）、運転者を覚醒させる。

【００３１】図４に示す実施例では、呼吸性変動と血圧
性変動とを検出し、覚醒度を判定している。初期化（１
１０）の後、心拍数検出手段１０から心拍数の初期値を
入力し（１１１）、呼吸数検出手段１２および血圧セン
サ３０からそれぞれ、呼吸数と血圧とを入力し（１１
２）、検出した心拍数と検出した呼吸数とに基づいてサ
ンプル数ｎ₁ を、また検出した心拍数と検出した血圧と
に基づいてサンプル数ｎ₂ を求める（１１３）。

【００３２】ここで、サンプル数ｎ₁ は式から求める
ことができる。血圧の大きなうねりは、１分当り 5〜 7
回程度あり、このうねりによる血圧性変動は、心拍と血
圧のうねりとの比に対応した周波数に現れる。図１に示
すように、心拍および血圧がそれぞれ変動していると
き、心拍の１周期の時間（波長）をλ₁ 、血圧のうねり
のそれをλ₃ とすれば、血圧性変動の周期＝λ₃ ／λ₁ [beat]（周波数＝λ₁ ／λ₃ [1/beat]）にピークが現れる。そこで、ｎ₂ ＝（λ₃ ／λ₁ ）ｋのように、サンプル数ｎ₂ を設定する。ここで、ｋはサ
ンプル数ｎ₁ と同じ定数であり、サンプル数ｎ₂ も整数
である。そして、サンプル数ｎ₂ はサンプル数ｎ₁ より
大きい。

【００３３】サンプル数ｎ₁ 、ｎ₂ を求めた後、式に
より、サンプル数ｎ₁ による拍間時間の分散ＲＲＶ（ｎ
₁ ）を求め（１１４）、サンプル数ｎ₂ による拍間時間
の分散ＲＲＶ（ｎ₂ ）を求める（１１５）。そして、サ
ンプル数ｎ₂ による分散からサンプル数ｎ₁ による分散
を引いて差の分散ＲＲＶＢを求める（１１６）。

【００３４】差の分散ＲＲＶＢの特性は、図５ａに示す
ようなものとなり、これを図示すると、同図ｂとなる。
すなわち、差の分散では、サンプル数ｎ₂のカットオフ
周波数ｆ₂ を抽出することが分る。

【００３５】サンプル数ｎ₁ 、ｎ₂ の分散と、差の分散
とを求めた後、サンプル数ｎ₁ の分散に基づいて判定値
を求める（１１７）。ここで、判定値は、得られたサン
プル数ｎ₁ の分散に一定値α（α＞１）を乗じて得る。

【００３６】車両の走行中、心拍数の検出手段１０によ
って心拍数を検出し、また呼吸数の検出手段１２によっ
て呼吸数を検出し、それぞれを入力する（１１８）。そ
して、式により、走行中の心拍数と呼吸数とに基づい
て走行中のサンプル数を求め（１１９）、新たなサンプ
ル数ｎ₁ による拍間時間の走行中の分散ＲＲＶ（ｎ₁）
を求める（１２０）。ここで、血圧の大きなうねりによ
り定まるサンプル数ｎ ₂ は、当初に設定したままである
ため、それによる分散ＲＲＶ（ｎ₂ ）には変化がない
が、サンプル数ｎ₁ による分散が異なっていることか
ら、走行中の差の分散ＲＲＶＢを求める。

【００３７】判定値と直前に求めた分散ＲＲＶ（ｎ₁ ）
とを比較し（１２１）、直前の分散が判定値以下である
とき、心拍数と呼吸数との入力、サンプル数ｎ₁ の演算
などを、心拍の１拍づつ移動させて繰り返す（１１８〜
１２１）。直前の分散ＲＲＶ（ｎ₁ ）が判定値より大き
くなっととき、差の分散ＲＲＶＢと判定値とを比較し
（１２２）、差の分散が判定値以下であるとき、心拍数
と呼吸数との入力、サンプル数ｎ₁ の演算などを、心拍
の１拍づつ移動させて繰り返す（１１８〜１２２）。そ
して、差の分散が判定値より大きくなったとき、覚醒手
段２２に信号を出力し（１２３）、運転者を覚醒させ
る。

【００３８】次に、本発明によって得られる効果につ
き、図を参照して説明する。

【００３９】図６に示すように、呼吸性変動３０１が瞬
時に出現した場合、本発明においては、比較的少ない心
拍数によって呼吸性変動を抽出できるため、現実の呼吸
性変動３００に追従できる。これに対して、ＦＦＴ分析
のもの４００では、比較的多くの心拍数の平均値を求め
ていたため、判定値５００を同じ値に設定しても、瞬時
に出現する呼吸性変動を検出できないおそれがある。

【００４０】図７に示すように、運転者の意識が徐々に
低下していく場合、すなわち、呼吸性変動が徐々に出現
していく場合、呼吸性変動が危険なレベルである判定値
５００に達する時、ＦＦＴ分析によるもの４１０では、
本発明によるもの３１０よりも遅れΔｔが生じ、それだ
け、運転者を覚醒させるのが遅れる。

【００４１】車両運転時に意識低下が起こっても、事故
などにつながらない安全な時間は、走行距離が車速に比
例し、かつ慣性力が車速の２乗に比例することから、図
８に示すように、車速または車速の２乗に反比例すると
考えられる。したがって、ＦＦＴ分析による長い時間遅
れａでは、高速走行の場合に危険であるが、本発明によ
る短い時間遅れｂによれば、早期の覚醒が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】心拍、呼吸数および血圧の周期的な変動を示す
図式図で、ａは心拍を、ｂは呼吸を、そしてｃは心拍
と、血圧のうねりとを示す。

【図２】本発明に係る覚醒度判定装置の概略図。

【図３】本発明に係る覚醒度判定装置に設けられる制御
器が、制御のために実行するフローチャート。

【図４】制御の別の実施例のフローチャート。

【図５】呼吸性変動と血圧性変動とが現れる場合の特性
図で、ａは周波数と分散比との関係を、ｂは分散を示
す。

【図６】本発明に係る覚醒度判定装置の効果を示す図式
図である。

【図７】本発明に係る覚醒度判定装置の別の効果を示す
図式図である。

【図８】本発明に係る覚醒度判定相違値のさらに別の効
果を示す図式図である。

【図９】安静時のＲＲＩ変動強度の一例の周波数スペク
トル図である。

【図１０】安静時のＲＲＩ変動強度の別の例の周波数ス
ペクトル図である。

【図１１】緊張時のＲＲＩ変動強度の一例の周波数スペ
クトル図である。

【図１２】本発明の先願に係る覚醒度判定方法において
呼吸性変動を抽出する原理を示す図式図で、ａは周波数
とＲＲＩの変動強度とのスペクトルを、ｂは周波数と分
散比との特性を、そしてｃは分散を示す。

【図１３】サンプル数と分散との関係を示す図式図で、
ａはサンプル数が多い場合を、ｂはサンプル数が少ない
場合を、そしてｃは高周波波形を示す。

【図１４】本発明の先願に係る覚醒度判定方法において
生じうる判定の誤差を示す図式図で、ａは周波数とＲＲ
Ｉの変動強度とのスペクトルを、ｂはａのスペクトルの
分散を、ｃは覚醒度が低下した場合の周波数とＲＲＩの
変動強度とのスペクトルを、そしてｄはｃのスペクトル
の分散を示す。

【符号の説明】

１０心拍検出手段１２呼吸数検出手段１４制御器２２覚醒手段３０血圧センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】心拍の拍間時間の呼吸性変動を検出し、
覚醒度を判定する装置であって、心拍数を検出する手段
と、呼吸数を検出する手段と、これら手段から信号を受
ける制御器とを含み、該制御器は、ａ）検出した心拍数
と検出した呼吸数とに基づいてサンプル数を求めるこ
と、ｂ）該サンプル数による拍間時間の分散を求めるこ
と、ｃ）該分散に基づいて判定値を求めること、ｄ）前
記心拍数の検出手段によって運行中の心拍数を検出する
こと、ｅ）前記呼吸数の検出手段によって運行中の呼吸
数を検出すること、ｆ）前記運行中の心拍数と前記運行
中の呼吸数とに基づいて運行中のサンプル数を求めるこ
と、ｇ）該サンプル数による拍間時間の運行中の分散を
求めること、ｈ）該運行中の分散と前記判定値とを比較
すること、前記ｄ）からｈ）を繰り返すことを特徴とす
る、覚醒度判定装置。