WO2021182249A1

WO2021182249A1 - 信号処理システム、センサシステム、生体管理システム、環境制御システム、信号処理方法、及びプログラム

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Publication number: WO2021182249A1
Application number: PCT/JP2021/008238
Authority: WO
Inventors: 裕子鈴鹿
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2021-09-16
Also published as: TW202143909A; US20230136560A1; EP4119052A4; JPWO2021182249A1; EP4119052A1; CN115209802A

Abstract

本発明の課題は、システムの汎用性を向上させて、人の自律神経の状態を判断できる信号処理システム、センサシステム、生体管理システム、環境制御システム、信号処理方法、及びプログラムを提供することである。信号処理システム（２）は、呼気情報取得部（２１）と、神経判断部（２３）と、を備える。呼気情報取得部（２１）は、人（Ｈ１）の呼気量に関係する生体情報である呼気情報を取得する。神経判断部（２３）は、呼気情報のばらつきに基づいて、人（Ｈ１）の自律神経の状態を判断する。

Description

信号処理システム、センサシステム、生体管理システム、環境制御システム、信号処理方法、及びプログラム

　本開示は、信号処理システム、センサシステム、生体管理システム、環境制御システム、信号処理方法、及びプログラムに関する。

　従来、心拍間隔データの周波数解析結果が交感神経系の活動度と副交感神経系の活動度に相関があることを利用して、人間の精神活動を判定する精神活動判定装置がある（例えば、特許文献１参照）。精神活動判定装置は、心拍間隔を検出し、検出した心拍間隔データの分散、及び心拍間隔又は心拍数の平均値を演算する。精神活動判定装置は、心拍間隔の分散と平均心拍間隔又は平均心拍数とに基づいて被験者の精神活動を判定する。

　精神活動判定装置は、心拍間隔を検出するために、被験者の心電図信号を測定する心電図検出器を用いる。この場合、被験者は電位信号を検出するための電極を装着する。あるいは、脈波センサを被験者の耳または手に取り付けて脈波を検出する。

　しかしながら、上述の精神活動判定装置のように被験者（人）の心拍間隔を検出するには、心電図検出器などの高精度の心拍センサが必須となり、システムの汎用性が低かった。

特開平８－２８０６３７号公報

　そこで、本開示の目的は、システムの汎用性を向上させて、人の自律神経の状態を判断できる信号処理システム、センサシステム、生体管理システム、環境制御システム、信号処理方法、及びプログラムを提供することにある。

　本開示の一態様に係る信号処理システムは、人の呼気量に関係する生体情報である呼気情報を取得する呼気情報取得部と、前記呼気情報のばらつきに基づいて、前記人の自律神経の状態を判断する神経判断部と、を備える。

　本開示の一態様に係るセンサシステムは、上述の信号処理システムと、前記呼気情報を検出して、前記信号処理システムへ出力する生体センサと、を備える。

　本開示の一態様に係る生体管理システムは、上述のセンサシステムと、前記神経判断部の判断結果に基づいて、前記人の身体及び精神の少なくとも一方の状態を生体状態として判定する生体状態判定部と、を備える。

　本開示の一態様に係る環境制御システムは、上述の生体管理システムと、前記生体状態判定部の判定結果に基づいて、前記人が存在する空間内の環境を変化させる機器を制御する機器コントローラと、を備える。

　本開示の一態様に係る信号処理方法は、人の呼気量に関係する生体情報である呼気情報を取得する呼気情報取得ステップと、前記呼気情報のばらつきに基づいて、前記人の自律神経の状態を判断する神経判断ステップと、を備える。

　本開示の一態様に係るプログラムは、コンピュータシステムに、上述の信号処理方法を実行させる。

図１は、実施形態の信号処理システムを備えるセンサシステムを示すブロック図である。図２は、同上のセンサシステムの第１例を示すブロック図である。図３は、同上のセンサシステムの第２例を示すブロック図である。図４は、同上のセンサシステムの第３例を示すブロック図である。図５は、同上のＬＦ／ＨＦの予測値とＬＦ／ＨＦの実測値との決定係数を示すグラフである。図６は、実施形態の生体管理システムを示すブロック図である。図７は、実施形態の環境制御システムを示すブロック図である。図８は、同上の機器の配置例を示す斜視図である。図９は、実施形態の信号処理方法を示すフローチャートである。

　以下の実施形態は、信号処理システム、センサシステム、生体管理システム、環境制御システム、信号処理方法、及びプログラムに関する。より詳細には、人の自律神経の状態を判断する信号処理システム、センサシステム、生体管理システム、環境制御システム、信号処理方法、及びプログラムに関する。

　なお、以下に説明する実施形態は、本開示の実施形態の一例にすぎない。本開示は、以下の実施形態に限定されず、本開示の効果を奏することができれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

　（実施形態）
　（１）センサシステムの概略
　従来、人の身体及び精神の少なくとも一方の状態を生体状態として判定するために、人の自律神経の状態を判断することが有用であることは、よく知られている。

　具体的に、人の自律神経の状態の指標として、ＬＦ／ＨＦが用いられる。ＬＦ／ＨＦは、ＲＲＩ（RR Interval）の時系列データから求められる。ＲＲＩは、人の心電図の波形のＲ波と次のＲ波との時間間隔、すなわち人の心拍間隔である。そして、ＲＲＩは変動しており、ＲＲＩの時系列データに基づいて、ＲＲＩの変動周波数の分布をパワースペクトルとして算出することができる。パワースペクトルにおいて、低周波領域（例えば０．０５～０．１５Ｈｚ）の信号強度の積分値がＬＦであり、高周波領域（例えば０．１５～０．４０Ｈｚ）の信号強度の積分値がＨＦである。そして、人の自律神経が交感神経優位であるときのＬＦ／ＨＦは、人の自律神経が副交感神経優位であるときのＬＦ／ＨＦに比べて、大きくなる。例えば、人が感じているストレスが大きいほどＬＦ／ＨＦは大きくなり、リラックスしているほどＬＦ／ＨＦは小さくなる。

　しかしながら、ＲＲＩを求めるためには、人の心拍を高分解能かつ高精度に検出する必要がある。現在実用化されている高分解能及び高精度の心拍センサには、例えば心電評価式又は光学評価式の接触式センサがある。しかしながら、心拍情報を必須で用いることなく、人の自律神経の状態を判断することが可能になれば、センサの選択範囲がより広くなり、システムの汎用性が向上する。

　そこで、発明者らは、実験によって、人の呼気終末二酸化炭素分圧（ＥＴＣＯ_２：End Tidal CO₂）のばらつきとＬＦ／ＨＦとの間の相関が高くなることを見出した。この実験では、ＬＦ／ＨＦが大きく、人が感じているストレスが大きくなると、ＥＴＣＯ_２のばらつきが大きくなる傾向にあることが示唆された。

　上記のような実験によって、発明者らは、人の呼気のばらつきとＬＦ／ＨＦとの間に高い相関があるという知見を得た。具体的には、人の呼気のばらつきが大きいほど、ＬＦ／ＨＦが大きくなり、人の呼気のばらつきが小さいほど、ＬＦ／ＨＦが小さくなる。言い換えると、人の呼気のばらつきが大きいほど、人の自律神経はより交感神経優位になり、人の呼気のばらつきが小さいほど、人の自律神経はより副交感神経優位になる。

　以下、上記知見に基づいて人の自律神経の状態を判断するセンサシステムについて説明する。

　図１は、実施形態のセンサシステムＺ０の構成を示す。センサシステムＺ０は、生体センサ１、及び信号処理システム２を備える。

　生体センサ１は、人Ｈ１の呼気量に関係する生体情報である呼気情報を検出する。生体センサ１は、呼気情報を含む呼気センサ信号Ｙ１を出力する。

　信号処理システム２は、呼気情報取得部２１、及び神経判断部２３を備える。

　呼気情報取得部２１は、生体センサ１から呼気情報を含む呼気センサ信号Ｙ１を取得する。生体センサ１と呼気情報取得部２１との間の通信は、無線通信及び有線通信のいずれでもよい。無線通信は、無線ＬＡＮ、Bluetooth（登録商標）、又はZigBee（登録商標）などの規格に準拠していることが好ましい。有線通信は、イーサネット（Ethernet）（登録商標）などの有線ＬＡＮ（Local Area Network）の規格に準拠していることが好ましい。なお、無線通信及び有線通信のいずれも、信号処理システム２の専用の通信規格であってもよい。

　神経判断部２３は、呼気情報のばらつきを人の自律神経の状態の指標として求める。神経判断部２３は、呼気情報のばらつきに基づいて、人Ｈ１の自律神経が交感神経優位及び副交感神経優位のいずれであるかを判断し、更には交感神経又は副交感神経の優位の程度を判断する。呼気情報のばらつきは、呼気情報の偏差、分散、及び標準偏差の少なくとも１つであることが好ましい。

　上述の信号処理システム２は、人Ｈ１の呼気情報を用いるので、人の心拍間隔の情報は必須ではない。したがって、信号処理システム２は、システムの汎用性を向上させて、人Ｈ１の自律神経の状態を判断できる。また、信号処理システム２は、人Ｈ１の自律神経の状態を判断する際に、呼気情報のばらつきを用いるので、人Ｈ１の自律神経の状態を高精度に判断できる。

　なお、信号処理システム２は、コンピュータシステムを具備しており、コンピュータシステムは、ハードウェアとしてのプロセッサ及びメモリを主構成とする。そして、メモリに記録されたプログラムをプロセッサが実行することによって、信号処理システム２の機能の一部又は全部が実現される。プログラムは、コンピュータシステムのメモリに予め記録されていてもよいが、電気通信回線を通じて提供されてもよいし、コンピュータシステムで読み取り可能なメモリカード、光学ディスク、ハードディスクドライブ等の非一時的記録媒体に記録されて提供されてもよい。コンピュータシステムのプロセッサは、半導体集積回路（ＩＣ）又は大規模集積回路（ＬＳＩ）を含む１乃至複数の電子回路で構成される。複数の電子回路は、１つのチップに集約されていてもよいし、複数のチップに分散して設けられていてもよい。複数のチップは、１つの装置に集約されていてもよいし、複数の装置に分散して設けられていてもよい。

　（２）センサシステムの第１例
　センサシステムＺ０の第１例として、図２のセンサシステムＺ１について説明する。

　上述のように、発明者らは、人Ｈ１の呼気に含まれる二酸化炭素の量のばらつきとＲＲＩの変動との間に高い相関があるとの知見を得ている。そこで、センサシステムＺ１は、生体センサ１としてカプノメータ１Ａ、及び信号処理システム２として信号処理システム２Ａを備える。

　（２．１）生体センサ
　生体センサ１としては、人Ｈ１の呼気に含まれる二酸化炭素の量を呼気情報として検出するＣＯ_２センサを用いることが好ましい。呼気に含まれる二酸化炭素の量は、人Ｈ１の呼気量が多いほど大きくなる。特に、ＣＯ_２センサとしては、人Ｈ１のＥＴＣＯ_２を検出する図２のカプノメータ（Capnometer）１Ａであることが好ましい。カプノメータ１Ａは、人Ｈ１の気管からチューブを介して送られた呼気から、人Ｈ１のＥＴＣＯ_２を検出（測定）する。ＥＴＣＯ_２は、人Ｈ１の呼気に含まれる二酸化炭素の量（濃度）に相当する。二酸化炭素の濃度の時間積分値が二酸化炭素の量となる。カプノメータ１Ａは、ＥＴＣＯ_２の検出結果を呼気センサ信号Ｙ１Ａとして出力する。

　（２．２）信号処理システム
　信号処理システム２Ａは、図２に示すように、呼気情報取得部２１として呼気情報取得部２１Ａ、及び神経判断部２３として神経判断部２３Ａを備える。信号処理システム２Ａは、前処理部２２Ａ、及び出力部２４Ａを更に備えることが好ましい。

　呼気情報取得部２１Ａは、カプノメータ１Ａから、人Ｈ１のＥＴＣＯ_２の情報を含む呼気センサ信号Ｙ１Ａを呼気情報として取得する。

　前処理部２２Ａは、呼気センサ信号Ｙ１Ａを増幅する増幅機能、及びデジタル信号に変換するＡＤ変換機能を有する。前処理部２２Ａは、所定のサンプリング周波数で生成されたＥＴＣＯ_２の多数のサンプル値（ＥＴＣＯ_２の測定値）を含むデジタルの呼気センサ信号を生成する。なお、カプノメータ１Ａが、前処理部２２Ａの機能を備えてもよい。

　神経判断部２３Ａは、前処理部２２Ａからデジタルの呼気センサ信号を受け取り、ＥＴＣＯ_２の多数のサンプル値に基づいて、ＥＴＣＯ_２量の時系列データを生成する。神経判断部２３Ａは、ＥＴＣＯ_２量の時系列データに基づいて、ＥＴＣＯ_２量のばらつき（人の自律神経の状態の指標）を求める。具体的に、神経判断部２３Ａは、第１期間に亘るＥＴＣＯ_２の各サンプル値から、第１期間におけるＥＴＣＯ_２の積分値を求め、この積分値をＥＴＣＯ_２量とする。そして、神経判断部２３Ａは、ＥＴＣＯ_２量の偏差、分散、及び標準偏差の少なくとも１つを、ＥＴＣＯ_２量のばらつきとして求める。神経判断部２３Ａは、ＥＴＣＯ_２量のばらつきが大きいほど、人の自律神経はより交感神経優位であると判断する。また、神経判断部２３Ａは、ＥＴＣＯ_２量のばらつきが小さいほど、人の自律神経はより副交感神経優位であると判断する。なお、上述の第１期間は、例えば５分間程度であることが好ましいが、特定の値に限定されない。また、ＥＴＣＯ_２量の時系列データのサンプル周期は、１秒以下であることが好ましい。

　また、神経判断部２３Ａは、第１期間より長い第２期間に亘ってＥＴＣＯ_２量のばらつきを周期的に求め、第２期間におけるＥＴＣＯ_２量のばらつきの平均値を基準値とすることが好ましい。この場合、神経判断部２３Ａは、ＥＴＣＯ_２量のばらつきが基準値より大きいほど、人の自律神経はより交感神経優位であると判断する。また、神経判断部２３Ａは、ＥＴＣＯ_２量のばらつきが基準値より小さいほど、人の自律神経はより副交感神経優位であると判断する。なお、第２期間は、例えば２４時間程度であることが好ましいが、特定の値に限定されない。

　また、神経判断部２３Ａは、第１期間より長い第３期間に亘ってＥＴＣＯ_２量のばらつきを周期的に求め、第３期間におけるＥＴＣＯ_２量のばらつきの最大値と最小値との差分を、差分値として求めてもよい。この場合、神経判断部２３Ａは、差分値の大小に基づいて、人Ｈ１の認知機能の評価を行うことも可能である。人Ｈ１の認知機能の評価とは、ＭＣＩ（Mild Cognitive Impairment：軽度認知機能障害）の程度の評価、及び認知機能障害の程度の評価などである。例えば、神経判断部２３Ａは、差分値が正常範囲よりも小さければ、認知機能の低下が生じている可能性があると判断できる。

　出力部２４Ａは、神経判断部２３Ａの判断結果を報知システム３へ出力する。出力部２４Ａと報知システム３との間の通信は、無線通信及び有線通信のいずれでもよい。無線通信は、無線ＬＡＮ、Bluetooth、又はZigBeeなどの規格に準拠していることが好ましい。有線通信は、イーサネットなどの有線ＬＡＮの規格に準拠していることが好ましい。なお、無線通信及び有線通信のいずれも、信号処理システム２Ａの専用の通信規格であってもよい。

　報知システム３は、表示装置及び音響装置などの少なくとも１つを備える。表示装置は、液晶ディスプレイ又は有機ＥＬディスプレイなどであり、神経判断部２３Ａの判断結果を表示する。音響装置は、スピーカを備え、神経判断部２３Ａの判断結果を音声で出力する。報知システム３は、例えば管理者が用いるパーソナルコンピュータ、タブレット端末、スマートフォン、又はスピーカなどであることが好ましい。

　上述の信号処理システム２Ａは、カプノメータ１Ａを用いることで、システムの汎用性を向上させて、人の自律神経の状態を判断できる。また、信号処理システム２Ａは、人Ｈ１の自律神経の状態を判断する際に、ＬＦ／ＨＦとの間に高い相関があるＥＴＣＯ_２などの二酸化炭素の量を用いるので、人Ｈ１の自律神経の状態を高精度に判断できる。

　（３）センサシステムの第２例
　センサシステムＺ０の第２例として、図３のセンサシステムＺ２について説明する。

　上述のように、発明者らは、人Ｈ１の呼気に含まれる二酸化炭素の量のばらつきとＲＲＩの変動との間に高い相関があるとの知見を得ている。そこで、センサシステムＺ２では、人Ｈ１の呼気に含まれる二酸化炭素の量との間に高い相関がある人Ｈ１の体動を検出する。センサシステムＺ２は、人Ｈ１の体動として、人Ｈ１の胴体の変位を検出する。特に、センサシステムＺ２は、人Ｈ１の胴体の変位として、人Ｈ１の胸部、腹部、及び背中の少なくとも１つの変位を検出することが好ましい。

　そこで、センサシステムＺ２は、生体センサ１として電波センサ１Ｂ、及び信号処理システム２として信号処理システム２Ｂを備える。

　（３．１）生体センサ
　センサシステムＺ２は、生体センサ１として電波センサ１Ｂを用いる。

　電波センサ１Ｂは、照射エリア内の人Ｈ１に電波を送信波として出力し、人Ｈ１で反射した電波を受信波として受信して、電波センサ１Ｂと人Ｈ１との間の距離の情報を含む呼気センサ信号Ｙ１Ｂを出力する。人Ｈ１までの距離は、人Ｈ１の体動によって変化する。例えば、距離の情報を含む呼気センサ信号Ｙ１Ｂに信号処理を施すことで、人Ｈ１の生体情報として、呼吸、心拍、及び脈拍などの体動の情報を得ることができる。

　電波センサ１Ｂは、人Ｈ１までの距離を測定可能な電波センサであればよい。電波センサ１Ｂは、例えばＦＭＣＷ（Frequency-Modulated Continuous-Wave）方式、及び２周波ＦＳＫ（Frequency shift keying）方式などのいずれの方式の電波センサであってもよい。また、測定対象が単一の測定対象であれば、電波センサ１Ｂは、Ｉ／Ｑデータを生成するドップラ方式の電波センサであってもよい。Ｉ／Ｑデータを生成するドップラ方式の電波センサは、人Ｈ１の胴体の変位速度及び変位方向を検出できる。

　電波センサ１Ｂの送信波は、マイクロ波であることが好ましい。特に、送信波の周波数は、２４ＧＨｚ帯又は４８ＧＨｚ帯であることが好ましい。但し、送信波は、マイクロ波に限らず、ミリ波であってもよく、送信波の周波数は特定の値に限定されない。

　例えば、センサシステムＺ２は、人Ｈ１の胸部及び腹部の少なくとも一方の変位を、人Ｈ１の胸腹部の変位として検出する。具体的に、センサシステムＺ２では、電波センサ１Ｂは、人Ｈ１の胸腹部に向かって人Ｈ１の正面から送信波を出力する。送信波は人Ｈ１の胸腹部で反射する。人Ｈ１の胸腹部側を前とし、人Ｈ１の背中側を後とすると、人Ｈ１の胸腹部は、人Ｈ１の呼吸の周期に合わせて前後方向に動く。そして、人Ｈ１の吸気量が多い程、人Ｈ１の胸腹部は前方に動き、人Ｈ１の呼気量が多い程、人Ｈ１の胸腹部は後方に動く。そして、人Ｈ１の呼気量が多い程、人Ｈ１の呼気に含まれる二酸化炭素の量は多くなる。したがって、人Ｈ１が息を吐くときの胸腹部の変位が大きいほど、人Ｈ１の呼気に含まれる二酸化炭素の量は多く、人Ｈ１が息を吐くときの胸腹部の変位が小さいほど、人Ｈ１の呼気に含まれる二酸化炭素の量は少なくなる。そこで、呼気センサ信号Ｙ１Ｂに含まれる電波センサ１Ｂと人Ｈ１の胸腹部との間の距離の情報を、人Ｈ１の胸腹部の変位の情報として用いる。すなわち、呼気センサ信号Ｙ１Ｂには、ＬＦ／ＨＦとの間に高い相関がある二酸化炭素の量の情報が含まれている。

　（３．２）信号処理システム
　信号処理システム２Ｂは、図３に示すように、呼気情報取得部２１として呼気情報取得部２１Ｂ、及び神経判断部２３として神経判断部２３Ｂを備える。信号処理システム２Ｂは、前処理部２２Ｂ、及び出力部２４Ｂを更に備えることが好ましい。

　呼気情報取得部２１Ｂは、電波センサ１Ｂから、人Ｈ１までの距離の情報を含む呼気センサ信号Ｙ１Ｂを呼気情報として取得する。

　前処理部２２Ｂは、呼気センサ信号Ｙ１Ｂを増幅する増幅機能、デジタル信号に変換するＡＤ変換機能を有する。前処理部２２Ｂは、所定のサンプリング周波数で生成された距離の多数のサンプル値（距離の測定値）を含むデジタルの呼気センサ信号を生成する。なお、電波センサ１Ｂが、前処理部２２Ｂの機能を備えてもよい。

　神経判断部２３Ｂは、前処理部２２Ｂからデジタルの呼気センサ信号を受け取り、距離の多数のサンプル値に基づいて、人Ｈ１が息を吐くときの胸腹部の変位の時系列データを生成する。具体的に、神経判断部２３Ｂは、距離の極小値（息を吸った時の距離）から距離の極大値（息を吐いた時の距離）を引いた差分を、人Ｈ１の胸腹部の変位とする。そして、神経判断部２３Ｂは、第１１期間における胸腹部の変位の偏差、分散、及び標準偏差の少なくとも１つを、胸腹部の変位のばらつき（人の自律神経の状態の指標））として求める。神経判断部２３Ｂは、胸腹部の変位のばらつきが大きいほど、人の自律神経はより交感神経優位であると判断する。また、神経判断部２３Ｂは、胸腹部の変位のばらつきが小さいほど、人の自律神経はより副交感神経優位であると判断する。なお、上述の第１１期間は、例えば５分間程度であることが好ましいが、特定の値に限定されない。また、胸腹部の変位の時系列データのサンプル周期は、１秒以下であることが好ましい。

　また、神経判断部２３Ｂは、第１１期間より長い第１２期間に亘って胸腹部の変位のばらつきを周期的に求め、第１２期間における胸腹部の変位のばらつきの平均値を基準値とすることが好ましい。この場合、神経判断部２３Ｂは、胸腹部の変位のばらつきが基準値より大きいほど、人の自律神経はより交感神経優位であると判断する。また、神経判断部２３Ｂは、胸腹部の変位のばらつきが基準値より小さいほど、人の自律神経はより副交感神経優位であると判断する。なお、第１２期間は、例えば２４時間程度であることが好ましいが、特定の値に限定されない。

　また、神経判断部２３Ｂは、第１１期間より長い第１３期間に亘って胸腹部の変位のばらつきを周期的に求め、第１３期間における胸腹部の変位のばらつきの最大値と最小値との差分を、差分値として求めてもよい。この場合、神経判断部２３Ｂは、差分値の大小に基づいて、人Ｈ１の認知機能の評価を行うことも可能である。

　出力部２４Ｂは、神経判断部２３Ｂの判断結果を報知システム３へ出力する。出力部２４Ｂと報知システム３との間の通信は、無線通信及び有線通信のいずれでもよい。無線通信は、無線ＬＡＮ、Bluetooth、又はZigBeeなどの規格に準拠していることが好ましい。有線通信は、イーサネットなどの有線ＬＡＮの規格に準拠していることが好ましい。なお、無線通信及び有線通信のいずれも、信号処理システム２Ｂの専用の通信規格であってもよい。

　報知システム３は、表示装置及び音響装置などの少なくとも１つを備えて、神経判断部２３Ａの判断結果を通知する。

　上述の信号処理システム２Ｂは、電波センサ１Ｂを用いることで、システムの汎用性を向上させて、人の自律神経の状態を判断できる。また、信号処理システム２Ｂは、人Ｈ１の自律神経の状態を判断する際に、ＬＦ／ＨＦとの間に高い相関がある胸腹部の変位を用いるので、人Ｈ１の自律神経の状態を高精度に判断できる。

　また、神経判断部２３Ｂは、前処理部２２Ｂから受け取ったデジタルの呼気センサ信号から、更に人Ｈ１の心拍を検出することが好ましい。呼気センサ信号には、人Ｈ１の呼吸による胸腹部の変位だけでなく、人Ｈ１の心拍による変位の情報も含まれており、電波センサ１Ｂは、人Ｈ１の呼気情報を検出する生体センサとして機能するだけでなく、人Ｈ１の心拍を検出する心拍センサとしても機能する。神経判断部２３Ｂは、呼気センサ信号から、人Ｈ１の胸腹部の変位の時系列データだけでなく、人Ｈ１の心拍の時系列データも生成する。そして、神経判断部２３Ｂは、胸腹部の変位のばらつき及び所定時間当たりの心拍数のばらつきに基づいて、人Ｈ１の自律神経が交感神経優位及び副交感神経優位のいずれであるかを判断し、更には交感神経又は副交感神経の優位の程度を判断する。所定時間当たりの心拍数は、例えば１分当たりの心拍数であるが、所定時間は１分以外であってもよい。

　例えば、胸腹部の変位のばらつき及び心拍数のばらつきをそれぞれ説明変数とし、ＬＦ／ＨＦを基準変数として重回帰分析を行うことで、胸腹部の変位のばらつき及び心拍数のばらつきからＬＦ／ＨＦを予測する予測式を求めることができる。神経判断部２３Ｂは、この予測式に胸腹部の変位のばらつき及び心拍数のばらつきを代入することで、ＬＦ／ＨＦの予測値を求める。この場合、神経判断部２３Ｂは、ＬＦ／ＨＦの予測値に基づいて、人Ｈ１の自律神経が交感神経優位及び副交感神経優位のいずれであるかを判断し、更には交感神経又は副交感神経の優位の程度を判断する。

　上述のように、胸腹部の変位のばらつき及び心拍数のばらつきの両方を用いて人Ｈ１の自律神経の状態を判断するので、より高精度な判断処理を実現できる。

　なお、センサシステムＺ２では、人Ｈ１の胴体の変位として、人Ｈ１の背中の変位を検出するのであれば、電波センサ１Ｂは、人Ｈ１の背中に向かって人Ｈ１の背面から送信波を出力する。

　（４）センサシステムの第３例
　センサシステムＺ０の第３例として、図４のセンサシステムＺ３について説明する。

　センサシステムＺ３は、カプノメータ１Ａ、心拍センサ１０、及び信号処理システム２として信号処理システム２Ｃを備える。信号処理システム２Ｃは、センサシステムＺ１の呼気情報取得部２１Ａ及び前処理部２２Ａに加えて、神経判断部２３Ｃ、出力部２４Ｃ、心拍情報取得部２５、及び前処理部２６を備える。

　（４．１）心拍センサ
　心拍センサ１０は、心電評価式又は光学評価式の接触式センサなどであり、人Ｈ１の胸部又は手首などに装着される。心拍センサ１０は、人Ｈ１の心拍の検出結果として、心拍波形の情報を含む心拍センサ信号Ｙ２として出力する。

　（４．２）信号処理システム
　心拍情報取得部２５は、心拍センサ１０から心拍センサ信号Ｙ２を取得する。心拍センサ１０と心拍情報取得部２５との間の通信は、無線通信及び有線通信のいずれでもよい。無線通信は、無線ＬＡＮ、Bluetooth、又はZigBeeなどの規格に準拠していることが好ましい。有線通信は、イーサネットなどの有線ＬＡＮの規格に準拠していることが好ましい。なお、無線通信及び有線通信のいずれも、センサシステムＺ３の専用の通信規格であってもよい。

　前処理部２６は、心拍センサ信号Ｙ２を増幅する増幅機能、及びデジタル信号に変換するＡＤ変換機能を有する。前処理部２６は、所定のサンプリング周波数で生成された心拍波形の多数のサンプル値（心拍波形の強度）を含むデジタルの心拍センサ信号を生成する。なお、心拍センサ１０が、前処理部２６の機能を備えてもよい。

　神経判断部２３Ｃは、前処理部２２Ａからデジタルの呼気センサ信号を受け取り、前処理部２６からデジタルの心拍センサ信号を受け取る。神経判断部２３Ｃは、呼気センサ信号から人Ｈ１のＥＴＣＯ_２量の時系列データを生成し、心拍センサ信号から人Ｈ１の心拍の時系列データも生成する。そして、神経判断部２３Ｃは、ＥＴＣＯ_２量のばらつき及び所定時間当たりの心拍数のばらつき（人の自律神経の状態の指標）に基づいて、人Ｈ１の自律神経が交感神経優位及び副交感神経優位のいずれであるかを判断し、更には交感神経又は副交感神経の優位の程度を判断する。

　例えば、ＥＴＣＯ_２量のばらつき及び心拍数のばらつきをそれぞれ説明変数とし、ＬＦ／ＨＦを基準変数として重回帰分析を行うことで、ＥＴＣＯ_２量のばらつき及び心拍数のばらつきからＬＦ／ＨＦを予測する予測式を求めることができる。ＥＴＣＯ_２量のばらつきを標準偏差σ１、心拍数のばらつきを標準偏差σ２とすると、予測式は例えば以下の式１のように表される。
ＬＦ／ＨＦ＝２．１３５５・σ１＋２３２．６１８４・σ２－１１．０７８１…（式１）
　神経判断部２３Ｃは、式１の予測式を用いて、ＬＦ／ＨＦの予測値を求める。この場合、神経判断部２３Ｃは、ＬＦ／ＨＦの予測値に基づいて、人Ｈ１の自律神経が交感神経優位及び副交感神経優位のいずれであるかを判断し、更には交感神経又は副交感神経の優位の程度を判断する。

　出力部２４Ｃは、神経判断部２３Ｃの判断結果を報知システム３へ出力する。出力部２４Ｃと報知システム３との間の通信は、無線通信及び有線通信のいずれでもよい。無線通信は、無線ＬＡＮ、Bluetooth、又はZigBeeなどの規格に準拠していることが好ましい。有線通信は、イーサネットなどの有線ＬＡＮの規格に準拠していることが好ましい。なお、無線通信及び有線通信のいずれも、信号処理システム２Ｃの専用の通信規格であってもよい。

　センサシステムＺ３は、胸腹部の変位のばらつき及び心拍数のばらつきの両方を用いて人Ｈ１の自律神経の状態を判断するので、より高精度な判断処理を実現できる。

　発明者らは、人Ｈ１の周囲環境を第１環境Ｅ１、第２環境Ｅ２、及び第３環境Ｅ３に順次切り替えて、各環境下での人Ｈ１のＬＦ／ＨＦの予測値を式１を用いて求めた。そして、各環境下でのＬＦ／ＨＦの予測値と各環境下でのＬＦ／ＨＦの実測値との決定係数Ｒ２を図５に示す。第１環境Ｅ１は、暗闇で人Ｈ１が目を閉じている状態である。第２環境Ｅ２は、ポップス音楽が流れて、白色光が人Ｈ１に照射されている状態である。第３環境Ｅ３は、暗闇の中でクラシック音楽が流れている状態である。図５に示すように、各環境下での決定係数Ｒ２は、０．５～０．９の範囲に収まっており、式１によるＬＦ／ＨＦの予測値は、ＬＦ／ＨＦの実測値との相関が高く、式１の精度が比較的高いことがわかる。

　なお、図３のセンサシステムＺ２においても、電波センサ１Ｂとは別に心拍センサ１０を備えて、胸腹部の変位のばらつき及び心拍数のばらつきの両方を用いて人Ｈ１の自律神経の状態を判断してもよい。

　（５）生体管理システム
　図６は、生体管理システム４の構成を示す。生体管理システム４は、上述のセンサシステムＺ０（センサシステムＺ１～Ｚ３を含む）と、生体状態判定部４１と、を含む。

　生体状態判定部４１は、センサシステムＺ０の神経判断部２３（神経判断部２３Ａ～２３Ｃを含む）の判断結果を受け取る。生体状態判定部４１は、神経判断部２３の判断結果に基づいて、人Ｈ１の身体及び精神の少なくとも一方の状態を生体状態として判定する。

　なお、生体状態判定部４１は、センサシステムＺ０と同じコンピュータシステムによって構成されてもよいし、センサシステムＺ０とは異なるコンピュータシステムで構成されてもよい。

　神経判断部２３の判断結果は、人Ｈ１の自律神経における交感神経又は副交感神経の優位の程度の判断結果を含む。そこで、生体状態判定部４１は、神経判断部２３の判断結果に基づいて、人Ｈ１が感じているストレスの程度を生体状態として判定できる。生体状態判定部４１は、交感神経の優位の程度が大きいほど、人Ｈ１が感じているストレスはより大きいと判定する。生体状態判定部４１は、副交感神経の優位の程度が大きいほど、人Ｈ１が感じているストレスはより小さいと判定する。生体状態判定部４１は、人Ｈ１が感じているストレスの程度以外に、人Ｈ１の認知機能の程度について判定してもよい。

　生体状態判定部４１は、上述の判定結果を報知システム３へ送信する。報知システム３は、生体状態判定部４１の判定結果を管理者などへ報知する。報知システム３は、例えば管理者が用いるパーソナルコンピュータ、タブレット端末、又はスマートフォンなどであることが好ましい。

　また、生体管理システム４は、人Ｈ１が操作する移動体に設置されてもよい。移動体は、例えば車両、飛行機、又は船舶などであり、人Ｈ１の操作によって移動する。この場合、生体状態判定部４１は、神経判断部２３の判断結果に基づいて人Ｈ１の覚醒度を判定することで、人Ｈ１の居眠り、注意力の程度、及び疲労の程度などの少なくとも１つを生体状態として判定する。この場合、報知システム３は、移動体内の表示装置及び音響装置であり、表示及び音によって人Ｈ１の覚醒度を向上させる。

　（６）環境制御システム
　図７は、環境制御システム５の構成を示す。環境制御システム５は、上述の生体管理システム４と、機器コントローラ５１と、を含む。

　機器コントローラ５１は、生体管理システム４の生体状態判定部４１の判定結果を受け取る。機器コントローラ５１は、生体状態判定部４１の判定結果に基づいて、人Ｈ１が存在する空間７内の環境を変化させる機器６を制御する。なお、機器コントローラ５１は、生体管理システム４と同じコンピュータシステムによって構成されてもよいし、生体管理システム４とは異なるコンピュータシステムで構成されてもよい。

　生体状態判定部４１の判定結果は、人Ｈ１が感じているストレスの程度、人Ｈ１の認知機能の程度、人Ｈ１の覚醒度などの少なくとも１つの判定結果を含む。そこで、機器コントローラ５１は、生体状態判定部４１の判定結果に基づいて、空間７内の環境を変化させる機器６を制御する。機器６は、例えば空調機器、送風機器、照明機器、音響機器、アロマ発生器、ディスプレイ機器、換気装置、及び外光調整装置などの少なくとも１つであり、機器６が動作することで、空間７内の温度、湿度、風速、照度、照明光の色、ＢＧＭ（background music）、香り、動画、二酸化炭素濃度、及び外光などの少なくとも１つを調整できる。

　したがって、機器コントローラ５１は、生体状態判定部４１の判定結果に基づいて機器６を制御することで、人Ｈ１が感じているストレスの低減、人Ｈ１の認知機能の向上、又は人Ｈ１の覚醒度の向上などを図ることができる。

　図８は、環境制御システム５によって環境を制御される空間７の一例として、人Ｈ１が存在する部屋７１を示す。

　部屋７１には、機器６として、空調機器６１、送風機器６２、照明機器６３、音響機器６４、アロマ発生器６５、ディスプレイ機器６６、換気装置６７、及び外光調整装置６８が配置されている。空調機器６１は、部屋７１内の温度及び湿度を調整する。送風機器６２は、部屋７１内の空気の流れを調整する。照明機器６３は、部屋７１内の照度及び光色を調整する。音響機器６４は、部屋７１内のＢＧＭとして、音楽、環境音（例えば雨音、風の音、波の音、小鳥のさえずり、虫の鳴声など）などを出力する。アロマ発生器６５は、部屋７１内の香りを調整する。ディスプレイ機器６６は、環境映像（例えば山、海、川などの自然の映像）などを表示する。換気装置６７は、部屋７１の換気によって部屋７１内の二酸化炭素濃度を調整する。外光調整装置６８は、例えば電動ブラインド又は電動カーテンなどであり、部屋７１内に入射する外光の量を調整する。環境制御システム５は、生体状態判定部４１の判定結果に基づいて機器６を制御することで、部屋７１内の人Ｈ１が感じる視覚、聴覚、嗅覚、触覚、温度、湿度などを調整し、人Ｈ１が感じているストレスの低減、人Ｈ１の認知機能の向上、又は人Ｈ１の覚醒度の向上などを図る。

　特に、環境制御システム５は、空調機器６１を制御して、部屋７１内の温度及び湿度の少なくとも一方を調整することで、人Ｈ１の自律神経の調整を効果的に行うことができる。

　（７）信号処理方法
　本実施形態の信号処理方法をまとめると、信号処理方法は図９のフローチャートで表される。

　図９の信号処理方法は、呼気情報取得ステップＳ１、及び神経判断ステップＳ２を備える。

　呼気情報取得ステップＳ１では、呼気情報取得部２１が、人Ｈ１の呼気量に関係する生体情報である呼気情報を取得する。

　神経判断ステップＳ２では、神経判断部２３が、呼気情報のばらつきに基づいて、人Ｈ１の自律神経の状態を判断する。

　コンピュータシステムのメモリに記録されているプログラムは、プロセッサに上述の信号処理方法を実行させることが好ましい。

　上述の信号処理方法及びプログラムも、システムの汎用性を向上させて、人の自律神経の状態を判断できる。また、信号処理方法及びプログラムは、人Ｈ１の自律神経の状態を判断する際に、呼気情報のばらつきを用いるので、人Ｈ１の自律神経の状態を高精度に判断できる。

　（８）まとめ
　以上のように、実施形態に係る第１の態様の信号処理システム（２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）は、呼気情報取得部（２１、２１Ａ、２１Ｂ）と、神経判断部（２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ）と、を備える。呼気情報取得部（２１、２１Ａ、２１Ｂ）は、人（Ｈ１）の呼気量に関係する生体情報である呼気情報を取得する。神経判断部（２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ）は、呼気情報のばらつきに基づいて、人（Ｈ１）の自律神経の状態を判断する。

　上述の信号処理システム（２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）は、システムの汎用性を向上させて、人（Ｈ１）の自律神経の状態を判断できる。また、信号処理システム（２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）は、人（Ｈ１）の自律神経の状態を判断する際に、呼気情報のばらつきを用いるので、人（Ｈ１）の自律神経の状態を高精度に判断できる。

　実施形態に係る第２の態様の信号処理システム（２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）では、第１の態様において、神経判断部（２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ）は、ばらつきとして、偏差、分散、及び標準偏差の少なくとも１つを用いることが好ましい。

　上述の信号処理システム（２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）は、人（Ｈ１）の自律神経の状態を高精度に判断できる。

　実施形態に係る第３の態様のセンサシステム（Ｚ０、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）は、第１又は第２の態様の信号処理システム（２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）と、呼気情報を検出して、信号処理システム（２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）へ出力する生体センサ（１、１Ａ、１Ｂ）と、を備える。

　上述のセンサシステム（Ｚ０、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）は、システムの汎用性を向上させて、人（Ｈ１）の自律神経の状態を判断できる。

　実施形態に係る第４の態様のセンサシステム（Ｚ１）では、第３の態様において、生体センサ（１Ａ）は、呼気情報として、人（Ｈ１）の呼気に含まれる二酸化炭素の量を検出することが好ましい。

　上述のセンサシステム（Ｚ１）は、ＬＦ／ＨＦとの間に高い相関がある二酸化炭素の量を用いるので、人（Ｈ１）の自律神経の状態を高精度に判断できる。

　実施形態に係る第５の態様のセンサシステム（Ｚ１）では、第４の態様において、生体センサ（１Ａ）は、二酸化炭素の量として、呼気終末二酸化炭素分圧を検出することが好ましい。

　上述のセンサシステム（Ｚ１）は、ＬＦ／ＨＦとの間に高い相関がある呼気終末二酸化炭素分圧を用いるので、人（Ｈ１）の自律神経の状態を高精度に判断できる。

　実施形態に係る第６の態様のセンサシステム（Ｚ２）では、第３の態様において、生体センサ（１Ｂ）は、呼気情報として、人（Ｈ１）の体動を検出することが好ましい。

　上述のセンサシステム（Ｚ２）は、ＬＦ／ＨＦとの間に高い相関がある体動を用いるので、人（Ｈ１）の自律神経の状態を高精度に判断できる。

　実施形態に係る第７の態様のセンサシステム（Ｚ２）では、第６の態様において、生体センサ（１Ｂ）は、呼気情報として、人（Ｈ１）の胴体の変位を検出することが好ましい。

　上述のセンサシステム（Ｚ２）は、ＬＦ／ＨＦとの間に高い相関がある人（Ｈ１）の胴体の変位を用いるので、人（Ｈ１）の自律神経の状態を高精度に判断できる。

　実施形態に係る第８の態様のセンサシステム（Ｚ２）では、第６又は第７の態様において、生体センサ（１Ｂ）は、人（Ｈ１）で反射した電波を受信する電波センサであることが好ましい。

　上述のセンサシステム（Ｚ２）は、人（Ｈ１）の体動を容易に検出することができる。

　実施形態に係る第９の態様のセンサシステム（Ｚ２、Ｚ３）は、第３乃至第８のいずれか１つの態様において、人（Ｈ１）の心拍を検出する心拍センサ（１Ｂ、１０）を更に備えることが好ましい。神経判断部（２３Ｃ）は、呼気情報のばらつき及び所定期間における心拍の数に基づいて、人（Ｈ１）の自律神経の状態を判断する。

　上述のセンサシステム（Ｚ２、Ｚ３）は、より高精度な判断処理を実現できる。

　実施形態に係る第１０の態様の生体管理システム（４）は、第３乃至第９のいずれか１つのセンサシステム（Ｚ０、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）と、神経判断部（２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ）の判断結果に基づいて、人（Ｈ１）の身体及び精神の少なくとも一方の状態を生体状態として判定する生体状態判定部（４１）と、を備える。

　上述の生体管理システム（４）は、システムの汎用性を向上させて、人（Ｈ１）の自律神経の状態を判断でき、更には人（Ｈ１）の生体状態も判定できる。

　実施形態に係る第１１の態様の生体管理システム（４）では、第１０の態様において、生体状態判定部（４１）は、生体状態として、人（Ｈ１）のストレスの程度を判定することが好ましい。

　上述の生体管理システム（４）は、人（Ｈ１）のストレスの程度を容易に判定することができる。

　実施形態に係る第１２の態様の生体管理システム（４）では、第１０の態様において、生体状態判定部（４１）は、移動体を操作している人（Ｈ１）の生体状態を判定することが好ましい。

　上述の生体管理システム（４）は、移動体を操作している人（Ｈ１）の覚醒度を容易に判定することができる。

　実施形態に係る第１３の態様の環境制御システム（５）は、第１０乃至第１２の態様のいずれか１つの生体管理システム（４）と、生体状態判定部（４１）の判定結果に基づいて、人（Ｈ１）が存在する空間（７）内の環境を変化させる機器（６）を制御する機器コントローラ（５１）と、を備える。

　上述の環境制御システム（５）は、システムの汎用性を向上させて、人（Ｈ１）の自律神経の状態を判断でき、更には人（Ｈ１）の生体状態を調整できる。

　実施形態に係る第１４の態様の環境制御システム（５）では、第１３の態様において、機器コントローラ（５１）は、機器（６）として少なくとも空調機器（６１）を制御することで、空間（７）内の温度及び湿度の少なくとも一方を変化させることが好ましい。

　上述の環境制御システム（５）は、人（Ｈ１）の自律神経の調整を効果的に行うことができる。

　実施形態に係る第１５の態様の信号処理方法は、呼気情報取得ステップ（Ｓ１）と、神経判断ステップ（Ｓ２）と、を備える。呼気情報取得ステップ（Ｓ１）は、人（Ｈ１）の呼気量に関係する生体情報である呼気情報を取得する。神経判断ステップ（Ｓ２）は、呼気情報のばらつきに基づいて、人（Ｈ１）の自律神経の状態を判断する。

　上述の信号処理方法は、システムの汎用性を向上させて、人（Ｈ１）の自律神経の状態を判断できる。

　実施形態に係る第１６の態様のプログラムは、コンピュータシステムに、第１５の態様の信号処理方法を実行させる。

　上述のプログラムは、システムの汎用性を向上させて、人（Ｈ１）の自律神経の状態を判断できる。

　実施形態に係る第１７の態様の信号処理方法は、呼気情報取得ステップと、指標導出ステップと、を備える。呼気情報取得ステップは、人（Ｈ１）の呼気量に関係する生体情報である呼気情報を取得する。指標導出ステップは、呼気情報のばらつきを、人（Ｈ１）の自律神経の状態の指標として求める。

　上述の信号処理方法は、システムの汎用性を向上させて、人（Ｈ１）の自律神経の状態を判断するための指標を求めることができる。

　１　生体センサ
　１Ａ　カプノメータ（生体センサ）
　１Ｂ　電波センサ（生体センサ）（心拍センサ）
　２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ　信号処理システム
　２１、２１Ａ、２１Ｂ　呼気情報取得部
　２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ　神経判断部
　４　生体管理システム
　４１　生体状態判定部
　５　環境制御システム
　５１　機器コントローラ
　６　機器
　６１　空調機器
　７　空間
　１０　心拍センサ
　Ｈ１　人
　Ｚ０、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３　センサシステム
　Ｓ１　呼気情報取得ステップ
　Ｓ２　神経判断ステップ

Claims

　人の呼気量に関係する生体情報である呼気情報を取得する呼気情報取得部と、
　前記呼気情報のばらつきに基づいて、前記人の自律神経の状態を判断する神経判断部と、を備える
　信号処理システム。
　前記神経判断部は、前記ばらつきとして、偏差、分散、及び標準偏差の少なくとも１つを用いる
　請求項１の信号処理システム。
　請求項１又は２の信号処理システムと、
　前記呼気情報を検出して、前記信号処理システムへ出力する生体センサと、を備える
　センサシステム。
　前記生体センサは、前記呼気情報として、前記人の呼気に含まれる二酸化炭素の量を検出する
　請求項３のセンサシステム。
　前記生体センサは、前記二酸化炭素の量として、呼気終末二酸化炭素分圧を検出する
　請求項４のセンサシステム。
　前記生体センサは、前記呼気情報として、前記人の体動を検出する
　請求項３のセンサシステム。
　前記生体センサは、前記呼気情報として、前記人の胴体の変位を検出する
　請求項６のセンサシステム。
　前記生体センサは、前記人で反射した電波を受信する電波センサである
　請求項６又は７のセンサシステム。
　前記人の心拍を検出する心拍センサを更に備え、
　前記神経判断部は、前記呼気情報のばらつき及び所定期間における前記心拍の数に基づいて、前記人の自律神経の状態を判断する
　請求項３乃至８のいずれか１つのセンサシステム。
　請求項３乃至９のいずれか１つのセンサシステムと、
　前記神経判断部の判断結果に基づいて、前記人の身体及び精神の少なくとも一方の状態を生体状態として判定する生体状態判定部と、を備える
　生体管理システム。
　前記生体状態判定部は、前記生体状態として、前記人のストレスの程度を判定する
　請求項１０の生体管理システム。
　前記生体状態判定部は、移動体を操作している前記人の前記生体状態を判定する
　請求項１０の生体管理システム。
　請求項１０乃至１２のいずれか１つの生体管理システムと、
　前記生体状態判定部の判定結果に基づいて、前記人が存在する空間内の環境を変化させる機器を制御する機器コントローラと、を備える
　環境制御システム。
　前記機器コントローラは、前記機器として少なくとも空調機器を制御することで、前記空間内の温度及び湿度の少なくとも一方を変化させる
　請求項１３の環境制御システム。
　人の呼気量に関係する生体情報である呼気情報を取得する呼気情報取得ステップと、
　前記呼気情報のばらつきに基づいて、前記人の自律神経の状態を判断する神経判断ステップと、を備える
　信号処理方法。
　コンピュータシステムに、請求項１５の信号処理方法を実行させる
　プログラム。