JPH07222802A

JPH07222802A - 覚醒維持装置

Info

Publication number: JPH07222802A
Application number: JP6037492A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ishida; 健二石田; Atsuhide Kishi; 篤秀岸
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1994-02-14
Filing date: 1994-02-14
Publication date: 1995-08-22
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: JP2500378B2

Abstract

(57)【要約】【目的】有意性のある覚醒リズム周期を応用して人間の
覚醒低下を防止する。【構成】継続刺激制御装置は、ステップＳ２１で、覚醒
リズム周期計測装置にて計測した覚醒リズムを入力し、
ステップＳ２２で、覚醒リズムの半周期を計算する。そ
して、ステップＳ２３では、継続刺激制御装置がステッ
プＳ２２にて算出した周期をもとに、刺激発生装置が、
人間に断続的に提示する刺激の時間間隔を算出する。そ
の結果、刺激発生装置は、ステップＳ２４で、人間に対
する刺激として、例えば、ＣＤプレーヤからの音楽を断
続的に発生することで、作業者の覚醒の低下を防止して
覚醒状態を維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は人間の覚醒リズム周期
を利用して覚醒低下を防止する覚醒維持装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】人間は、単調な作業を長時間に渡り続け
ていると覚醒低下（注意力低下）を引き起こし、しばら
くするとまた覚醒状態に回復する。このような覚醒と低
覚醒状態を繰り返す覚醒のリズムについては、感覚的に
漠然と自覚できても定量的に計測する方法は明らかにさ
れていない。そして、原子力発電所の監視作業や工場の
検査作業、長距離運転など、長時間の単調な作業におけ
る監視員や運転者の覚醒低下は、操作ミスや判断ミスに
つながり、重大な事故を誘発する可能性がある。特に原
子炉の監視ミスは、多くの死傷者を出した経緯もあり、
社会的に早急な解決が望まれている。

【０００３】このように、人間には、注意作業におい
て、ある周期で覚醒度の低下状態と正常状態を繰り返す
覚醒リズムがあることから、人間に周期的かつ断続的な
刺激を提示することで、この覚醒リズムを消失させ、人
間が覚醒低下状態に陥るのを抑制して、正常な覚醒状態
を維持できるようにする技術、すなわち、覚醒リズムの
周期に同期させて刺激を提示することで、覚醒維持効果
を達成しようとするものが提案されている（例えば、特
願平３−２８５６９号公報）。

【０００４】上記の提案では、主に脳波等の生理量を検
出し、覚醒度を推定してその覚醒度に応じて刺激を付加
することで、目標とする覚醒状態を維持するものであ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の覚醒維持方法では、覚醒維持のための刺激として、
例えば、覚醒リズムに同期させて音刺激を提示した場
合、却って覚醒低下が促進され、リズムの振幅が大きく
なることがあるため、覚醒維持の効果が薄いという問題
がある。

【０００６】また、覚醒リズムを万人固有の周期として
用いるためには、多くの被験者を対象とした周波数分析
データが必要になり、一般には、人間は複数のリズム周
期を有するので、万人固有のリズム周期を統計的に明確
にする手法が、現在のところ存在しないという問題もあ
る。本発明は、上述の課題に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、有意性のある覚醒リズム周期を
求め、その周期を応用して人間の覚醒低下を防止する覚
醒維持装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの手段として、本発明は、人間の覚醒リズムの周期を
計測する手段と、前記周期の半周期を算出する手段と、
所定の覚醒刺激を生成する手段と、前記覚醒刺激の提示
時間を算出する手段と、前記半周期以下の周期にて、前
記覚醒刺激を前記提示時間断続的に提示することで、人
間の覚醒状態を維持する維持手段とを備える。

【０００８】

【作用】以上の構成において、覚醒度の維持を図るよう
機能する。

【０００９】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明に係る好
適な実施例を詳細に説明する。＜覚醒リズムの発生メカニズム＞人間の生体特性の１つ
である覚醒リズムについて、その発生メカニズムを、大
脳生理学の視点から説明する。

【００１０】大脳の覚醒状態は、図１に示すように、感
覚神経あるいは視床下部（自律神経系）から脳幹網様体
を賦活し、大脳皮質の覚醒度を高くするアクセル系と、
縫線核の働きにより覚醒度を低くするブレーキ系により
制御されている。本実施例では、覚醒リズムが、視床下
部から脳幹網様体を賦活するアクセル系と、縫線核によ
るブレーキ系の働きのバランスに起因すると仮定して説
明を進める。

【００１１】覚醒リズムという現象は、上記の系のバラ
ンスが崩れ始める覚醒低下状態において生じ、例えば、
単調な刺激が続くと脳幹網様体の賦活作用が低下する。
そこで、覚醒メカニズムの観点から、覚醒維持のために
は、上記の平衡状態をアクセル系が優位になる状態に変
え、覚醒リズム現象を抑制することが望ましいと考ええ
られる。

【００１２】すなわち、感覚神経に入力される刺激の質
・量の制御、意味性の強い音楽等の刺激による大脳皮質
の直接的な刺激により、脳幹網様体を間接的に刺激する
ことで、大脳の覚醒状態のバランスを復帰させることが
できる。このように、覚醒リズムは、その存在が実験的
にも示され、また、大脳生理学の点からも説明できるの
で、万人固有の生理現象と考えることができる。＜覚醒リズムの計測方法＞図２は、覚醒リズム周期を検
出するための覚醒リズム周期計測装置の構成を示すブロ
ック図である。具体的には、被験者に、図３に示すよう
な選択反応作業を行なわせて選択反応時間を計測し、そ
の反応時間から覚醒リズムを検出する。

【００１３】図２に示すＣＲＴ１からは、被験者（人）
に対して刺激の提示が行なわれる。つまり、被験者は、
図３に示すように、ＣＲＴ１上に表示される色に応じ
て、画面に表示される３種類の円（これを反応円とい
う）の色に合わせて、左右に分けて設けた２つのスイッ
チ５ａ，５ｂ（図２の入力装置に相当）を押し分ける作
業を行なわせる。

【００１４】選択反応時間とは、反応円が表示されてか
ら被験者がスイッチを押下するまでの時間であり、ここ
では、それを最大２秒まで計測する。そして、この反応
時間内に反応がない場合には、被験者の見逃しとする。
反応円は、青、黄、赤の３種類の何れかで、５〜２０秒
毎のタイミングでランダムに画面中央に２秒間、表示さ
れる。被験者へは、表示される反応円の色に合わせて、
「青なら左のスイッチを押す」、「赤なら右のスイッチ
を押す」、また、「黄なら両方のスイッチを押す」とい
う動作を正確に、かつ、できるだけ速く押すように教示
する。

【００１５】入力装置３にて得られた反応時間のデータ
は、コンピュータ２に入力され、そこで、図４に示す特
性を有するバンドパスフィルタを介して、Ｆ１（Ｈｚ）
〜Ｆ２（Ｈｚ）の周波数帯域に対してフィルタリングを
行なう。ここで、ｆ１＝7.1×10^-4（Ｈｚ），ｆ２＝2.4
×10^-3（Ｈｚ）であり、扱う信号の特性上、フィルタ
の減衰特性は、１２〜２４ｄＢ／ｏｃｔでなければなら
ない。

【００１６】コンピュータ２は、得られた時系列データ
に対して最大エントロピー法（ＭＥＭ）を適用し、図５
に示すような急峻なスペクトルのピークを有する覚醒リ
ズム周期を得る。すなわち、図５からも明らかなよう
に、反応時間の時間的な変化に周期が存在し、反応時間
は、覚醒低下が生じると遅れ、覚醒状態になると速くな
ることにより、反応時間は覚醒度に対応する。このこと
から、覚醒リズム周期計測装置にて検出された反応時間
の周期は、被験者の覚醒周期、つまり、覚醒リズムであ
ると言える。

【００１７】ただし、図５に示す特性は、選択反応時間
の移動平均から１次回帰直線を差し引いて、選択反応時
間データ自体に含まれる単調増加傾向の覚醒低下成分
（これを、基線変動成分という）を除去したものにＭＥ
Ｍ解析を施して得られた特性である。また、図６は、実
際に多くの被験者（ここでは、２０名）について覚醒リ
ズムを計測し、その周期の発生頻度をヒストグラムにて
表わした図である。同図によれば、横軸である周期の１
０〜１５分に覚醒のピーク（図中の分布１）が存在し、
これは、上述のように万人固有の覚醒リズムであること
が分かる。

【００１８】さらに、本実施例では、被験者に上記の選
択反応作業を課しつつ、同時に、図７に示す構成を有す
る覚醒リズム周期計測装置にて被験者の脳波を計測す
る。つまり、図７に示す脳波センサ１０にて被験者（人
間）の脳波を採取し、その結果をコンピュータ１２に取
り込むため、Ａ／Ｄ変換器１１にてＡ／Ｄ変換を施す。
そして、コンピュータ１２は、計測された脳波の時間デ
ータに対してα帯域（８〜１３Ｈｚ）のバンドパスフィ
ルタをかけ、その２乗値（電力）の時系列データに対し
て、ノイズ除去のために移動平均を施した後、周波数分
析（ＭＥＭ）を施す。

【００１９】このような、一連の処理にて得られた脳波
のスペクトルに現われるピークから、上記のような反応
時間を用いた場合と同様に、覚醒リズムの周期を求め
る。図８は、本実施例における覚醒リズム周期の計測手
順を示すフローチャートである。同図のステップＳ１で
は、データ収集のための実験回数Ｎを設定し、ステップ
Ｓ２，Ｓ３で、それぞれ、上記の反応時間の計測、平滑
化処理を実行する。ステップＳ４では等間隔化処理を実
行し、続くステップＳ５ではトレンドの除去、つまり、
バンドパスフィルタによる、反応時間データに対する低
周波数部分による影響を除去する。この処理により、目
的とする覚醒リズムよりもはるかに緩やかな変動を取り
除くことができ、急峻で強度の大きいピークの検出が可
能となる。

【００２０】ステップＳ６では、上述のＭＥＭによる周
波数分析を行ない、ステップＳ７で、振幅強度に対する
しきい値の設定、ステップＳ８で、このしきい値に基づ
くピーク周期の検出を行なう。そして、ステップＳ９で
は、ステップＳ１で設定した回数分のピーク周期データ
が収集できたか否かの判定を行ない、できていなけれ
ば、再度、ステップＳ２の処理に戻る。しかし、データ
収集が完了していると判断されれば、ステップＳ１０に
て、後述するクラスター分析、すなわち、統計的に分布
構造を明確にする手法により、平均リズム周期の計算を
実行する。

【００２１】ステップＳ１１では、得られたピーク周期
データをもとに、図６に示すようなヒストグラムを作成
し、リズム周期の先鋭度とピークの大小関係を検討す
る。さらに、次のステップＳ１２では、ステップＳ１１
で作成したヒストグラムとステップＳ１０で計算したリ
ズムの平均周期とを比較・検証し、最終的には、ステッ
プＳ１３で、固有リズム周期の抽出を行なう。

【００２２】このような処理にて、ここでは、周波数解
析の高精度化、及びデータ収集のための計測を複数回数
実行することによるリズム周期データの信頼性の向上が
可能となる。図９は、上記の処理において用いたクラス
ター分析にて覚醒リズム周期を求めた結果を示す図であ
る。このクラスター分析は、複数の人について検出して
得られたピーク値を統計的に処理し、固有の周期を見い
出すための多変量解析の１つであり、図９に示されるよ
うに、リズム周期には、１１分（分布１）と３１分（分
布２）の２群が存在する。

【００２３】また、図６に示すヒストグラムでは、１０
分（分布１）と３０分（分布２）にピークが存在する
が、１０分のピークの方が３０分のピークよりも急峻で
あり、上記のクラスター分析にて得られた結果と、この
ヒストグラムの併用により、固有性の強いリズムは１１
分であると統計的に有意に検出でき、これを覚醒リズム
に活用できる。＜覚醒維持装置の説明＞従来技術の問題点として、先
に、覚醒維持のための刺激として、覚醒リズムに同期さ
せて、例えば、音刺激を提示した場合、却って覚醒低下
が促進され、リズムの振幅が大きくなることを指摘した
が、これは、脳の信号伝達系に遅れ要素や減衰要素等が
存在するためであり、覚醒維持のためには、単純な刺激
提示ではなく、適当な刺激提示周期を求める必要がある
ことを意味するものである。

【００２４】図１０は、本実施例に係る覚醒維持装置全
体の構成を示すブロツク図である。同図に示す覚醒維持
装置では、継続刺激制御装置２２が、図２，図７にその
構成を示す覚醒リズム周期計測装置２１からの覚醒リズ
ムを入力し、そのリズムに基づいて刺激発生装置２３を
駆動する。そして、刺激発生装置２３からの刺激は人間
に与えられるが、覚醒度計測装置２４は、後述する方法
で人間の覚醒状態を判定し、その結果を覚醒リズム周期
計測装置２１へフィードバックする。

【００２５】図１１は、図１０に示す、本実施例に係る
覚醒維持装置における覚醒維持制御手順を示すフローチ
ャートである。図１１のステップＳ２１で、継続刺激制
御装置２２は、覚醒リズム周期計測装置２１にて計測し
た覚醒リズムを入力し、ステップＳ２２で、覚醒リズム
の半周期を計算する。そして、ステップＳ２３では、継
続刺激制御装置２２がステップＳ２２にて算出した周期
をもとに、刺激発生装置２３が、人間に断続的に提示す
る刺激の時間間隔を算出する。その結果、刺激発生装置
２３は、ステップＳ２４で、人間に対する刺激として、
例えば、不図示のＣＤプレーヤからの音楽を断続的に発
生する。

【００２６】ここで、刺激提示間隔について具体的に説
明する。覚醒維持のための有効な周期的刺激提示間隔Ｔ
については、覚醒リズム周期計測装置２１にて計測した
覚醒リズム周期をＴｒ、係数をａ（＝0.1 〜1.0 ）とす
ると、Ｔ＝ａ・Ｔｒにて表現できる。また、断続的な刺
激の提示時間長Ｔｓは、５秒〜３分の範囲にあることが
効果的である（図１２参照）。

【００２７】そして、上述のように、覚醒リズムについ
て固有性の強い値は１１分であることが確認できたの
で、本実施例では、上記の係数ａを０．５とした場合、
つまり、図１２に示すように、覚醒リズム周期１１分の
半周期である５．５分以内を１周期とした間隔で覚醒刺
激を断続的に提示する。その結果、図１２において点線
で示された無刺激時での覚醒リズムに比べて、刺激を覚
醒リズム周期の半周期で提示した場合（図中の実線）の
方が反応時間の低下が顕著である、換言すれば、覚醒維
持が図られたことが読み取れる。

【００２８】なお、図１２に示すように、本実施例で
は、最初の刺激提示の後、覚醒周期の半周期内で断続的
に刺激を提示して、覚醒低下を起こす前に覚醒低下抑止
を行なっている。また、図１３は、刺激として音楽を断
続的に提示した場合の効果を示す図であり、音楽を連続
的に刺激として提示するよりも、断続的に提示する方が
覚醒維持の効果が大きいことが分かる。

【００２９】さらに、図１４は、被験者に断続的に刺激
を提示する場合、断続提示の間隔に最適な値が存在する
ことを示す図である。同図からも明らかなように、刺激
の断続提示間隔周期は、それが１分〜５．５分の間にあ
る場合の方が、連続的に刺激を提示する、あるいは無刺
激の場合に比べて覚醒低下を防止する効果が大きく、特
に刺激を１分提示して１分休止するパターンが最も覚醒
維持効果が大きい。＜覚醒度の計測方法＞次に、本実施例における、覚醒リ
ズムを応用した覚醒度の計測方法について説明する。

【００３０】覚醒リズムの出現現象については、図１５
の時系列データに示すように、以下の４段階の進展過程
に分類できる。すなわち、段階１は、覚醒リズムが現わ
れない覚醒状態の段階であり、覚醒度は、直線的に緩や
か変動を示す。この段階では、人間（作業者）は、正常
な覚醒状態を維持して作業に集中できている。段階２
は、作業への集中度が落ち、覚醒低下の傾向が現われ始
める準覚醒低下状態である。このときに覚醒リズムが現
われ、図１５において緩やかで周期的な波で示されるよ
うに、覚醒度は周期的な変動をし始める。この段階で
は、人間はややボヤッとした感じを持つが、眠いという
顕著な自覚症状は、まだ現われない。

【００３１】段階３では覚醒低下が顕著となり、人間に
は、はっきりとした眠いという自覚症状が生じる。この
とき、明らかな覚醒リズムが現われ、その振幅は、段階
２における覚醒リズムよりも大きく、全体として基線
は、低下方向の勾配を持って上昇していく。そして、段
階４では睡眠の第１段階に至り、場合によっては、瞬間
的に睡眠に陥る。ここでは、完全に居眠り状態が生じて
いる。

【００３２】図１０に示す覚醒度計測装置２４では、人
間の脳波を用いて覚醒度を検出する。具体的には、脳波
のα波帯（８〜１３Ｈｚ）にバンドパスフィルタによる
フィルタリングを行ない、得られたα波帯の２乗（電
力）を計算して、その時系列波形に移動平均を施すか、
あるいは、ノイズ除去用のバンドパスフィルタを通す。
こうして得られた信号（α波パワー）に高速フーリエ変
換（ＦＦＴ）あるいはＭＥＭを施してリアルタイムの周
波数分析を行ない、そのピークを得る。このピーク値が
覚醒リズムの周波数（言うまでもなく、その逆数が周
期）になる。

【００３３】ここで使用するバンドパスフィルタは、覚
醒リズムが現われる１１分近辺の周波数に絞り込んだフ
ィルタである。そして、覚醒リズムが発生すると覚醒度
の振幅が大きくなり、周期的な変動が生じたことが分か
るので、α波パワーに対しての時間平均あるいは平滑化
処理を施して得られた値から、覚醒リズムの出現現象が
どの程度進展したかを見ることができる。

【００３４】また、本実施例に係る覚醒度計測装置２４
では、上記のα波パワーに対して周波数解析を施して得
られたスペクトルの変化から、覚醒がどの段階にあるの
かを判定する。つまり、図１６に示すように、覚醒低下
が進む程、スペクトルのピークが高くなることを利用し
て、正常な覚醒状態のときのスペクトルのベース値と、
覚醒低下が進展して、リズムが最も顕著に現われる状態
でのスペクトル値とに基づいて覚醒低下判定境界値を設
ける。そして、実際のスペクトル値と、この境界値との
比較にて、覚醒段階を判定する。

【００３５】なお、覚醒低下が進展して段階４に入った
ときには、覚醒リズムはなくなってα波パワーが増大す
るので、このα波パワーが、ある値よりも大きくなった
ならば、覚醒段階が段階４に至ったとする。一方、監視
作業のようなストレスの多い状況下では、作業を継続す
るとホルモン分泌のバランスが崩れ、神経や臓器等の代
謝悪化が進行する。つまり、視床下部からのストレス緩
和のための代謝促進を目的とするホルモン分泌と、関連
臓器の過度の活動を抑えるためのホルモン分泌量の抑制
とのバランスが崩れ、代謝悪化による疲労状態が生じ
る。そして、人間には、この疲労からの生体保護を目的
とした脳幹網様体の活動低下による覚醒低下が生じるこ
とになる。

【００３６】そこで、覚醒度計測装置２４は、上記の手
法で推定された覚醒段階が、図１５，図１６に示す段階
２あるいは段階３になったときを、作業者に疲労状態が
生じたと判断して、それを覚醒リズム周期計測装置２１
に通知する。覚醒リズム周期計測装置２１は、その結果
を受けて、覚醒段階が段階２あるいは段階３になったと
きを、本実施例に係る覚醒維持装置の起動タイミングと
して、作業者に対して所定の警報を発生する。これによ
り、作業者に注意を促す。

【００３７】以上説明したように、本実施例によれば、
万人固有の有意性のある覚醒リズムを見い出し、その覚
醒リズム周期の半周期にて断続的に覚醒刺激の提示を行
なうことで、長時間作業における作業者の覚醒の低下を
防止して覚醒状態を維持し、作業の安全を確保すること
が可能となる。なお、上記実施例では、物理刺激として
音楽を提示しているが、本発明はこれに限定されず、振
動、温熱、香り、光、マッサージ、磁力等でもよい。ま
た、刺激としての音楽には、大脳皮質を賦活する人の
声、小川のせせらぎ音等、人間にとって意味性の高い刺
激を用いてもよい。

【００３８】さらに、刺激の提示方法としては、上記の
刺激の内の１つだけを選択して提示する「単一刺激」、
あるいは、複数の刺激を同時に提示する「複合刺激」の
何れを採用してもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
覚醒リズム周期の半周期以下の周期で断続的に覚醒刺激
を提示することで、効果的な覚醒度の維持及び覚醒の低
下防止を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】脳活動からみた覚醒メカニズムを説明するため
の図である。

【図２】覚醒リズム周期を検出するための覚醒リズム周
期計測装置の構成を示すブロック図である。

【図３】選択反応作業による選択反応時間の計測状況を
示す図である。

【図４】反応時間のデータに対して用いるバンドパスフ
ィルタの特性図である。

【図５】反応時間のＭＥＭによる処理結果を示す図であ
る。

【図６】覚醒リズム周期の度数分布を示す図である。

【図７】実施例に係る覚醒リズム周期計測装置の構成を
示すブロック図である。

【図８】実施例における覚醒リズム周期の計測手順を示
すフローチャートである。

【図９】覚醒リズム周期のクラスター分析の結果を示す
図である。

【図１０】実施例に係る覚醒維持装置全体の構成を示す
ブロツク図である。

【図１１】実施例に係る覚醒維持装置における覚醒維持
制御手順を示すフローチャートである。

【図１２】実施例に係る覚醒維持のための刺激提示の方
法を示す図である。

【図１３】音楽の断続提示による覚醒維持効果を示す図
である。

【図１４】刺激の断続提示の間隔に最適な値が存在する
ことを示す図である。

【図１５】覚醒リズムの出現現象についての段階的な進
展過程を示す図である。

【図１６】覚醒リズムの出現現象についての段階的な進
展過程を示す図である。

【符号の説明】

１ＣＲＴ２コンピュータ３入力装置４ディスク２１覚醒リズム周期計測装置２２継続刺激制御装置２３刺激発生装置２４覚醒度計測装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】人間の覚醒リズムの周期を計測する手段
と、前記周期の半周期を算出する手段と、所定の覚醒刺激を生成する手段と、前記覚醒刺激の提示時間を算出する手段と、前記半周期以下の周期にて、前記覚醒刺激を前記提示時
間断続的に提示することで、人間の覚醒状態を維持する
維持手段とを備えることを特徴とする覚醒維持装置。
【請求項２】さらに、前記覚醒リズムの周期の振幅に
基づいて人間の覚醒段階を検出する手段を備え、前記覚醒段階が所定の覚醒低下段階に入ったタイミング
で、前記維持手段による覚醒維持を開始することを特徴
とする請求項１に記載の覚醒維持装置。
【請求項３】さらに、前記覚醒リズムの周期の振幅に
基づいて人間の疲労の度合いを検知する手段を備え、前記疲労の度合いが所定値になったタイミングで、所定
の警告を出すことを特徴とする請求項１に記載の覚醒維
持装置。
【請求項４】前記覚醒リズムの周期及び前記覚醒リズ
ムの周期の振幅を、脳波をもとに計測することを特徴と
する請求項２または３に記載の覚醒維持装置。
【請求項５】前記覚醒リズムの周期を１１分とするこ
とを特徴とする請求項１に記載の覚醒維持装置。
【請求項６】前記半周期以下の周期は、３０秒乃至
５．５分であることを特徴とする請求項１に記載の覚醒
維持装置。
【請求項７】前記覚醒刺激の提示時間は、５秒乃至３
分の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の覚
醒維持装置。
【請求項８】前記覚醒刺激には、音楽、振動、温熱、
香り、光、マッサージ、磁力が含まれることを特徴とす
る請求項１に記載の覚醒維持装置。