JPH0542129A - 覚醒度判定装置 - Google Patents

覚醒度判定装置

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JPH0542129A
JPH0542129A JP3223549A JP22354991A JPH0542129A JP H0542129 A JPH0542129 A JP H0542129A JP 3223549 A JP3223549 A JP 3223549A JP 22354991 A JP22354991 A JP 22354991A JP H0542129 A JPH0542129 A JP H0542129A
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JP
Japan
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variance
samples
heart rate
rate
beat
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JP3223549A
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Inventor
Bunji Atsumi
文治 渥美
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Publication date
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  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

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
1 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
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 (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
JP3223549A 1991-08-09 1991-08-09 覚醒度判定装置 Pending JPH0542129A (ja)

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