JP2007283041A - 集中度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象者の集中度を安定して確実に計測するとともに、計測時の状況と合わせて計測対象者の集中度を判断することが可能な集中度計測装置を提供することである。
【解決手段】計測対象者の脈波を計測する脈波センサ４と、計測対象者の動きを計測する加速度センサ２２と、脈波センサ４の計測結果から自律神経活性度を、加速度センサ２２の計測結果から動き活性度を算出するとともに、自律神経活性度及び動き活性度から集中度を算出する演算手段２３と、演算手段２３により算出された計測対象者の集中度を記録する記録手段２４とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、人間の集中度を計測する集中度計測装置に関する。

従来、人間の集中度を計測する装置としては、例えば、下記特許文献１に提示されている集中度推定装置が挙げられる。この集中度推定装置では、被計測生体（人間）から複数の生体情報、特に複数の神経系の活動から複数の生体情報を計測して計測生体情報を得るとともに、計測生体情報に関して複数の神経系における活動状態と集中状態とを対応付けた集中度ルール設定情報を設定した上、計測生体情報及び集中度を推定して集中度推定情報を得るようにしている。

また、人間の覚醒度を判定するための覚醒度判定装置が提案されている（下記、特許文献２参照）。覚醒とは、一般的には目を覚ますことをいうが、中枢神経系の興奮が増大し注意が喚起された意識の状態、という意味もあり、この意味で覚醒度の判定は集中度の判定と似ていると考えられる。この覚醒度判定装置では、人間の心拍を検出し、心拍の周期と強度との関係からスペクトル分布データを求め、このデータに基づいて強度のピークをサーチし、このピークにおける強度が所定の値よりも高いときに人間の覚醒度の好ましくない低下であると判断する。
特許第３０４８９１８号公報 特許第２５７０３２９号公報

しかしながら、上述の特許文献１における提案では、日中の生体計測で課題となる種々の外乱、例えば、食事による消化活動、メンタルストレス、運動や外部からの五感刺激を除去することについては触れられておらず、集中度の計測の正確性に欠ける面がある。

また、特許文献２における提案では、サーチによって求められる強度のピークは、心拍の周波数が０．１Ｈｚ近傍のものだけであるが、集中度を計測する場合には、さらに心拍の周波数が０．３Ｈｚ付近の強度も利用することが好ましいと考えられる。

また、集中度を計測する方法として、例えば、脳波を計測してα波のパワーから集中度を求める方法や、心電図を解析する方法等も挙げることができる。しかし、これらの方法による計測は、通常設備が整い、かつ専門的な医療検査技師のいる病院等でなければ行うことはできず、簡易に集中度を計測することはできない。また、データを採取すると同時に解析まで行う実時間の解析が行えなかったため計測結果を用いる場面が限られていた。さらには、計測の状況に対応させて記録できなかったため、集中度の上昇或いは下降の原因を特定することが困難であった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、計測対象者の集中度を安定して確実に計測するとともに、計測時の状況と対応させて計測対象者の集中度を判断することが可能な集中度計測装置を提供することである。

本発明の実施の形態に係る特徴は、集中度計測装置において、計測対象者の脈波を計測する脈波センサと、計測対象者の体動を計測する加速度センサと、脈波センサの計測結果から自律神経活性度を、加速度センサの計測結果から動き活性度を算出するとともに、自律神経活性度及び動き活性度から集中度を算出する演算手段と、演算手段により算出された計測対象者の集中度を記録する記録手段とを備える。

本発明によれば、計測対象者の集中度を安定して確実に計測するとともに、計測時の状況と対応させて計測対象者の集中度を判断することが可能な集中度計測装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態における集中度計測装置１は、手首に装着した例を示す図１に示すように、計測装置本体２と、この計測装置本体２を腕時計のように手首に装着するために使用するベルト３と、指に装着して脈波を測定する脈波センサ４とを備える。図１においては、この脈波センサ４を小指に装着した例を示しているが、いずれの指に装着しても良い。

図２は、計測装置本体２を示す模式図であり、その表面には表示画面５と、集中度計測装置１が通電状態にあるか否かを示すインジケータ６とを備える。この集中度計測装置１は、例えば計測対象者が日中に勉強や読書、会議を行う場合、或いは乗り物等を運転する場合の集中度を計測するために使用される。

図３はこの計測装置本体２の内部構成を示すブロック図であり、計測装置本体２は脈波センサ４からの計測された脈波のデータを受信する脈波データ受信手段２１と、体動を計測する加速度センサ２２と、計測された脈波のデータ及び体動のデータから演算を行い集中度を判定する演算手段２３と、この判定結果を記録する記録手段２４と、判定結果を表示する表示手段２５とから構成される。

脈波データ受信手段２１は、本発明の実施の形態においては図１に示されるように計測対象者の左手小指に装着された脈波センサ４によって計測された脈波のデータを受信する。そのため、計測装置本体２と脈波センサ４との間はケーブルで接続されている。なお、計測装置本体２内に通信手段を設けて脈波センサ４からの脈波データを無線で授受しても良い。

加速度センサ２２は、計測装置本体２が装着された腕の動きから体動に関するデータを計測する。この「体動」に関するデータは、加速度センサ２２によって計測された加速度データに対して時間微分を行い、３軸方向それぞれの加速度の微係数を算出する。そして、この微係数の二乗和の平方根を算出し、この値から脈拍間隔内の体動データの変動量の平均である体動量を求めることにより得る。なお、本発明の実施の形態においては加速度センサ２２は、計測装置本体２の中に設けられているが、脈波センサ４と同様、計測装置本体２の外に設けられ、計測したデータが計測装置本体２に入力されるようにされていても良い。

計測された脈波のデータ及び体動のデータは演算手段２３に入力される。演算手段２３では、入力された脈波のデータから自律神経活性度を、また、体動のデータから動き活性度をそれぞれ算出し、さらに集中度を算出する。

記録手段２４では、演算手段２３において算出された集中度を記録する。また、この集中度だけではなく、例えば、自律神経活性度や動き活性度、或いは、計測対象者の日中のスケジュール等も記録することが可能である。なお、外部からのデータ入力は、計測装置本体２に設けられている図示されていない入出力端子に外部機器を接続することで行うことができる。

次に、集中度の算出、すなわち、集中度の判定手法について、図４のフローチャート及び図５のグラフを利用して説明する。図４のフローチャートにおいては、自律神経活性度を算出する流れと動き活性度を算出する流れが別に表わされているが、いずれも同時に計測されている。

自律神経活性度を算出するためには、まず、脈波センサ４によって計測された脈波のデータを脈波データ受信手段２１にて受信する（ＳＴ１）。演算手段２３では、この計測された脈波のデータから心拍の間隔を、例えば、計測された脈波のピーク間の時間から算出する（ＳＴ２）。図５（ａ）のグラフは、心拍の変動を模式的に示したグラフである。このグラフにおいて、例えば光で脈を検知する光電脈波センサを使用した場合には、縦軸は光の強度を表わし、横軸は時間を表わしている。

図５（ａ）のグラフに示す「Ｒ」は心電図の波形で最も大きく検出されるＲ波のことであり、このＲ波と次に現われるＲ波までの間隔が心拍間隔（以下、適宜「ＲＲＩ」と表わす。）である。そして、演算手段２３でこのＲＲＩの変動を周波数解析し（ＳＴ３）、波形のピークを把握する（ＳＴ４）。ここで、周波数解析によりスペクトル変換した結果を模式的に示したグラフが図５（ｂ）である。図５（ｂ）のグラフにおいて縦軸はパワースペクトルを示し、横軸は周波数を示す。このグラフを見ると、０．１Ｈｚ前後及び０．３Ｈｚ前後において波形が大きくなる。０．１Ｈｚ前後は低周波成分でありＬＦ（Low Frequency component）と表わされ、主に交感神経の活動を反映している。また、０．３Ｈｚ前後は高周波成分でありＨＦ（High Frequency component）と表わされ、主に副交感神経の活動を反映している。演算手段２３では、さらに把握されたＬＦとＨＦとを比較して（ＳＴ５）、その比率から自律神経活性度を算出する（ＳＴ６）。

一方、体動は、上述した方法を用いて加速度センサ２２によって計測され（ＳＴ７）、演算手段２３にそのデータが入力され（ＳＴ８）、そのデータから演算手段２３において計測対象者の動き活性度が算出される（ＳＴ９）。加速度センサ２２では、例えば、０．０１Ｇ（Ｇは重力加速度を表わす。）以上の体動が１分間に何回生じたかというデータを計測する。

そして、それぞれ求められた自律神経活性度及び動き活性度に基づいて計測対象者の集中度を判定する（ＳＴ１０）。ここで、自律神経活性度は計測対象者に対する様々な外乱、特に動き（体動）の影響を受ける。そのため、自律神経活性度のみを用いて集中度を判定すると正確な判定ができない可能性が高い。そこで本発明の実施の形態においては、自律神経活性度のデータを基本としつつも、自律神経活性度に動き活性度も加味して集中度判定の指標とし、計測された動き活性度のデータがある閾値を超えた場合には、その動き活性度が計測された時間の自律神経活性度のデータを使用せず、外乱の影響を受けた時間の前後に計測された自律神経活性度を補完の指標として使用し集中度を判定する。

自律神経活性度のデータを集中度判定の指標として利用する方法の１つとして自律神経活性度が表わす状態を利用することが考えられる。すなわち、自律神経活性度に関しては、計測対象者によって差異はあるが、一般的にＨＦに比べてＬＦがやや優位なときが最も計測対象者が集中していると判断できる。一方、ＬＦの比率が高い場合は緊張状態、反対にＨＦの比率が高い場合はよりリラックスした状態であると判断できる。

そこで、例えば、ＬＦのパワースペクトルの値がＨＦのパワースペクトルの値に比して２５％以上大きい時を緊張した状態、一方ＨＦがＬＦに比して２５％以上大きい時をぼんやり（リラックス）した状態とし、ＬＦとＨＦの比率がこれら以外の場合を集中度が保たれた状態であると定義することで客観的に集中度を計測することが可能となる。なお、本発明の実施の形態においては２５％を境にして緊張した状態或いはリラックスした状態と判定することとしたが、計測対象者の状態等を勘案してこの数値は任意に設定することが可能である。

また、自律神経活性度のデータを集中度判定の指標として利用する方法については、計測を開始したときの計測対象者の状態をニュートラルな状態と規定して、この状態からの差異を演算することで集中度を判定する方法も挙げることができる。すなわち、計測を開始してから、任意に設定することができる所定の時間、例えば計測開始後３分間におけるＬＦ或いはＨＦの値の平均値を初期値として使用する方法である。この場合、各初期値（それぞれＬＦ０、ＨＦ０とする。）に比して所定時間経過後のＬＦまたはＨＦの値が互いにどのような関係にあるのか、すなわち、ＬＦ／ＬＦ０の値とＨＦ／ＨＦ０との値の大小を比較することによって緊張状態或いはリラックスの状態を求め、計測対象者の集中度を判定する。ＬＦ／ＬＦ０の値とＨＦ／ＨＦ０の値はそれぞれの初期値からの変化を比で表わした値であることから、ＬＦ／ＬＦ０の値が大きい、或いはＨＦ／ＨＦ０の値が小さい場合は計測対象者が緊張した状態にあると判定することができる。一方、ＬＦ／ＬＦ０の値が小さい、或いはＨＦ／ＨＦ０の値が大きい場合はリラックスした状態にあると判定することができる。

さらに自律神経活性度のデータを集中度判定の指標として利用する方法として、集中度を判定する方法として心拍間隔（ＲＲＩ）の分散値を用いる方法も挙げられる。この分散値は以下に記載する数１を用いて求める。なお、数１の分母ｎは計測して算出されたＲＲＩのサンプルの個数を示す。

この数式によって求められた分散値（以下、ＲＲＶと言う。）は、周囲の状況に大きな変動がなく心理的にもほぼ同一の状況では、別途求めるＲＲＶの初期値と比較した場合に、ＲＲＶが上がると集中度が下がり、ＲＲＶが下がると集中度が上がることが知られている。ＲＲＶの初期値は、計測開始当初の、例えば脈波センサ４により計測された１分間の脈波データに基づいて演算手段２３においてＲＲＩを算出し、この値の分散値を求めることにより得る。

そこで、このＲＲＶがＲＲＶの初期値に比べて３０％以上下がった場合には集中している状態であると判定し、一方、それ以外の状態は集中していないと判定する。なお、本発明の実施の形態においては３０％を境にして集中の有無を判定することとしたが、計測対象者の状態等を勘案してこの数値は任意に設定することが可能である。

以上のような方法により求められた自律神経活性度及び動き活性度を指標として判定された集中度は、例えば、図６に示すような例のように表示手段２５において表示することができる。この例では、向かって左側にＬＦが優位な場合、すなわち緊張状態にある場合が表示され、向かって右側がＨＦが優位な場合であるリラックスした状態を示している。ＬＦとＨＦとの比率によって中央に設けられているバーＡが左右に動き、このバーＡがどの位置にあるかによって計測対象者の集中度を表わすことができる。

このように自律神経活性度及び動き活性度を用いることで、計測対象者の集中度を安定して確実に計測するとともに、計測時の状況と対応させて計測対象者の集中度を判断することが可能な集中度計測装置を提供することができる。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施形態について説明する。

第２の実施の形態では、計測装置本体２内の記録手段２４内に予め計測対象者の集中度を計測する時間のスケジュールが記録されている。演算手段２３による計測対象者の集中度の判定とともにこの判定がなされた時間も合わせて記録手段２４に記録し、表示させることで、計測対象者のスケジュールと集中度を比較することができる。また、このスケジュールがより細かく記録されていることにより、計測対象者の置かれた状態に合わせてきめ細かく集中度を判断することが可能となる。

このようにすることで、計測対象者の集中度を安定して確実に計測するとともに、計測時の状況と対応させて計測対象者の集中度を判断することが可能な集中度計測装置を提供することができる。

（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施形態について説明する。

第３の実施の形態においては、計測対象者の睡眠状態が集中度の変化に大きく影響することに着目して、集中度の計測を行う日中に直近の睡眠状態を計測し、その計測結果を集中度の判定に反映させることを特徴とする。

本発明の実施の形態においては、集中度の計測を行うために、集中度計測装置１の脈波センサ４及び加速度センサ２２（加速度センサ）を利用している。そこで、計測対象者の睡眠状態を計測する場合にもこれら脈波センサ４及び加速度センサ２２を利用する。図７（ａ）は交感神経活動と副交感神経活動による自律神経リズムを表わす波形である。また、図７（ｂ）は、人間（計測対象者）の睡眠パターンを示したグラフ（睡眠ステージ）を表したものである。横軸には時間（図７（ｂ）においては、２３時に就寝し７時３０分に起床する例を示している。）が表わされ、縦軸を覚醒と睡眠深度とし、縦軸の上（覚醒）から下（ノンレム睡眠のステージ４）に向けてより深い睡眠であることを表わしている。

一般的に、副交感神経の活動が交感神経の活動に比べて優位であると、睡眠状態は深くなり、反対に交感神経の活動が副交感神経の活動よりも優位であると睡眠状態は浅くなる傾向がある。そこで、計測した自律神経リズムと睡眠ステージを対応させて計測対象者の睡眠パターンを判断し、日中計測された集中度を判定する際の情報として反映させる。その結果、例えば、睡眠パターンから計測対象者の眠りが浅いということが読み取れれば、集中度が低下した理由を推測することができる。

このようにすることで、脈波センサ及び加速度センサによって計測された脈波及び体動のデータから自律神経のリズムを検出し、この自律神経リズムから睡眠ステージを作成するとともに、この睡眠ステージから判断される計測対象者の前日の睡眠パターンを反映させてよりきめ細かく計測対象者の集中度を判断することが可能な集中度計測装置を提供することができる。

なお、この発明は、上述実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施の形態に係る集中度計測装置を計測対象者の手首に装着した例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る集中度計測装置本体を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る集中度計測装置本体の内部構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る集中度を計測する流れを示したフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る自律神経活性度の算出手順を説明するための説明図であり、（ａ）は心拍の変動を模式的に示したグラフ、（ｂ）は周波数解析によりスペクトル変換した結果を模式的に示したグラフである。 本発明の実施の形態に係る集中度計測装置によって計測された集中度の表示例を示す図である。 （ａ）は本発明の実施の形態に係る集中度計測装置によって睡眠中に計測された交感神経活動と副交感神経活動による自律神経リズムを表わす波形図であり、（ｂ）は、計測対象者の睡眠パターンを示したグラフである。

符号の説明

１ 集中度計測装置
２ 集中度計測装置本体
３ ベルト
４ 脈波センサ
５ 表示画面
２１ 脈波データ受信手段
２２ 加速度センサ
２３ 演算手段
２４ 記録手段
２５ 表示手段

Claims (5)

1. 計測対象者の脈波を計測する脈波センサと、
   前記計測対象者の体動を計測する加速度センサと、
   前記脈波センサの計測結果から自律神経活性度を、前記加速度センサの計測結果から動き活性度を算出するとともに、前記自律神経活性度及び前記動き活性度から前記計測対象者の集中度を算出する演算手段と、
   前記演算手段により算出された前記集中度を記録する記録手段と、
   を備えることを特徴とする集中度計測装置。
2. 前記記録手段には、前記計測対象者の状況も共に記録されていることを特徴とする請求項１に記載の集中度計測装置。
3. 前記脈波センサ及び加速度センサが計測した就寝中の計測対象者の脈波及び体動を前記演算手段による前記集中度の算出に反映させることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の集中度計測装置。
4. 前記演算手段による演算結果を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の集中度計測装置。
5. 前記演算手段による演算結果を外部の表示手段に表示させるために、前記演算結果の情報を送信する通信手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の集中度計測装置。
   
   
   
   
   
   

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