JP7701201B2 - Method and system for determining driver's mental and physical state - Google Patents
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Description
本発明は、鉄道車両運転中の運転者の心身状態を判定する方法及びそのシステムに関し、特に、測定される運転者の心拍及び呼吸の両データから該運転者の心身状態を判定する方法及びそのシステムに関する。 The present invention relates to a method and system for determining the mental and physical state of a driver while driving a railway vehicle, and in particular to a method and system for determining the mental and physical state of the driver from both measured heart rate and respiratory data of the driver.
人間の自律神経は、交感神経系と副交感神経系とで構成されており、これらをバランスさせて心身を正常状態に維持し、各種の日常生活に対応している。ここで、心拍変動(HRV:Heart Rate Variability)は、心身の緊張状態を反映する交感神経系の活動と、この働きを鎮静状態へと導く副交感神経系の活動とを反映する両成分を含んでいる。そこで、車両運転中の運転者の心拍の変化から該運転者の自律神経の活動状態を判定し、車両の運転制御に反映させ、又は、警報を与えようとするシステムが提案されている。 The human autonomic nervous system is composed of the sympathetic nervous system and the parasympathetic nervous system, and by balancing these, the body and mind are kept in a normal state to cope with various aspects of daily life. Here, heart rate variability (HRV) contains both components that reflect the activity of the sympathetic nervous system, which reflects the state of mental and physical tension, and the activity of the parasympathetic nervous system, which leads to a calm state. Therefore, a system has been proposed that determines the activity state of the driver's autonomic nervous system from changes in the driver's heart rate while driving a vehicle, and reflects this in the vehicle's driving control or issues a warning.
例えば、特許文献1では、運転者の心拍変化を検出し該運転者の自律神経の活動状態を判定する方法を開示している。ここでは、車両のハンドル部に設けた電極によって運転者の心拍計測を行うとともに、電極を複数設けたハンドルの把持状態を検出し、更に、運転者を撮像して姿勢を検出することで、心拍と運転者の様子とからその自律神経の活動状態、つまり、緊張感、眠気、焦燥感、疲労感、ぼんやり(注意散漫)などの車両の運転に注意を要する状態を判定できるとしている。 For example, Patent Document 1 discloses a method for detecting changes in a driver's heart rate and judging the activity state of the driver's autonomic nerves. In this method, the driver's heart rate is measured using electrodes attached to the steering wheel of the vehicle, and the grip state of the steering wheel, which is equipped with multiple electrodes, is detected. Furthermore, an image of the driver is taken to detect the driver's posture, and from the heart rate and the driver's appearance, the activity state of the autonomic nerves can be judged, that is, a state requiring caution when driving the vehicle, such as tension, drowsiness, restlessness, fatigue, or absent-mindedness (distraction).
また、呼吸についても、心拍同様に、自律神経との関係性を有するが、呼吸は人の意志によって変化させ得るため、測定される呼吸のみの生体周期情報から運転者の自律神経の活動状態を判定することは非常に難しい。 In addition, breathing, like heart rate, is related to the autonomic nervous system, but because breathing can be changed by a person's will, it is very difficult to determine the activity state of a driver's autonomic nervous system from biological cycle information measured only from breathing.
例えば、特許文献2では、呼吸の変化に合わせて運転状態の変化を測定することにより、運転者の心理的動転度合いを判定する方法を開示している。シート背部に設けた感圧センサからの体圧信号と、アクセル及びブレーキの走行状態量と、から呼吸信号を抽出するが、体圧信号にはアクセル及びブレーキの操作に基づく体圧変動が含まれるため、走行状態量によって体圧信号から体圧変動を取り除いて、正確な呼吸信号を得るとしている。 For example, Patent Document 2 discloses a method for determining the driver's level of psychological agitation by measuring changes in driving state in accordance with changes in breathing. A breathing signal is extracted from a body pressure signal from a pressure sensor attached to the back of the seat and the driving state quantities of the accelerator and brake. Since the body pressure signal contains body pressure fluctuations based on the operation of the accelerator and brake, an accurate breathing signal is obtained by removing the body pressure fluctuations from the body pressure signal using the driving state quantities.
また、特許文献3では、測定された心拍について呼吸性変動の出現を期待される拍間時間(RRI)を数値的にフィルタ処理し、RRIの変動状態が通常運転状態のものか、又は、急激な精神負荷の変動に対応する単純増加又は単純減少かを検出して、「居眠り」のような自律神経の活動状態の指標である覚醒度の判定を行う覚醒度判定方法を開示している。ここでは、通常状態であるときと、単純増加あるいは単純減少であるときで、RRIの変動に対応した基準線f(n)を変更し、この基準線f(n)に対するRRIの分散RRVnを演算して、分散RRVnに基づいた覚醒度の検出を行うとしている。 Patent Document 3 also discloses a method for determining the degree of alertness, which is an index of the activity state of the autonomic nerves such as "dozing off," by numerically filtering the beat-to-beat interval (RRI) at which respiratory fluctuations are expected to occur for the measured heart rate, and detecting whether the fluctuation state of the RRI is that of a normal driving state or a simple increase or decrease corresponding to a sudden change in mental load. Here, the reference line f(n) corresponding to the fluctuation of the RRI is changed between the normal state and when there is a simple increase or decrease, and the variance RRVn of the RRI relative to this reference line f(n) is calculated, and the degree of alertness is detected based on the variance RRVn.
測定された心拍変動HRVについて呼吸性洞性不整脈(RSA;Respiratory sinus arrhythmia)に対応した成分を抽出し、自律神経の活動状態を判定することが提案されている。ここで、測定される呼吸のみ又は心拍のみの生体周期情報から運転者の自律神経の活動状態を判定することは難しいが、心拍と同時に呼吸変動を測定して所定のフィルタ処理をしてノイズを除去することで、心拍及び呼吸の両データを合わせて解析し、車両運転中の多様な状況に対する応答に対する評価を得られることが期待される。 It has been proposed to extract a component corresponding to respiratory sinus arrhythmia (RSA) from the measured heart rate variability (HRV) and determine the activity state of the autonomic nerves. Here, it is difficult to determine the activity state of the autonomic nerves of a driver from biological cycle information of only the measured respiration or only the heart rate, but it is expected that by measuring respiration variability simultaneously with the heart rate and removing noise by performing a specified filter process, it is possible to analyze both the heart rate and respiration data together and obtain an evaluation of the response to various situations while driving a vehicle.
本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、測定される運転者の心拍及び呼吸の両データから該運転者の心身状態を判定する方法及びそのシステムを提供することにある。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to provide a method and system for determining the mental and physical state of a driver from both the measured heart rate and breathing data of the driver.
本発明による車両運転中の運転者の心身状態判定方法は、鉄道車両運転中の運転者において測定される心拍及び呼吸の時間変動を用いてこの対応から心拍の呼吸性洞性不整脈(RSA)成分としてのRSA値を算出し心身状態を判定する方法であって、緊張課題を含む模擬運転区間で前記時間変動を測定し、呼吸長及び/又は呼吸振幅、RSA値を含む生理指標について、前記運転者毎の基準となる基準RSA値とともに、基準呼吸長及び/又は基準呼吸振幅を含む各基準値を決定しておき、実運行区間で前記時間変動を測定しながら、心身状態判定のための特定位置において、RSA値が前記基準RSA値よりも低い場合に、前記生理指標の前記各基準値からの変動幅から前記運転者の緊張状態を判定することを特徴とする。 The method for determining the mental and physical state of a driver while driving a vehicle according to the present invention is a method for determining the mental and physical state of a driver while driving a railway vehicle by calculating an RSA value as a respiratory sinus arrhythmia (RSA) component of the heart rate from the correspondence using the time fluctuations of the heart rate and breathing measured in the driver while driving the railway vehicle, and by measuring the time fluctuations in the heart rate and breathing, and calculating the RSA value as the respiratory sinus arrhythmia (RSA) component of the heart rate from the correspondence. The method is characterized in that the time fluctuations are measured in a simulated driving section including a stressful task, and for physiological indices including breathing length and/or breathing amplitude and RSA value, reference values including reference breathing length and/or reference breathing amplitude are determined along with a reference RSA value that serves as a reference for each driver, and while measuring the time fluctuations in an actual driving section, if the RSA value is lower than the reference RSA value at a specific position for determining the mental and physical state, the driver's state of tension is determined from the fluctuation range of the physiological indices from the reference values.
かかる特徴によれば、測定される運転者の心拍及び呼吸の両データから運転者の心身状態をより明確に判定することができる。 This feature makes it possible to more clearly determine the driver's physical and mental state from both the measured heart rate and breathing data.
上記した発明において、前記基準RSA値とともに、前記基準呼吸長及び/又は前記基準呼吸振幅に合わせて基準心拍数を決定しておき、緊張状態の判定において、心拍数の前記基準心拍数からの変動幅及び/又はRSA値の前記基準RSA値からの変動幅を更に組合せて判定することを特徴としてもよい。 In the above-mentioned invention, a reference heart rate may be determined in accordance with the reference respiratory length and/or the reference respiratory amplitude in addition to the reference RSA value, and the state of tension may be determined by further combining the range of fluctuation of the heart rate from the reference heart rate and/or the range of fluctuation of the RSA value from the reference RSA value.
上記した発明において、前記基準値は、対応する前記生理指標の前記模擬運転区間を通しての算術平均として決定されることを特徴としてもよい。 In the above-mentioned invention, the reference value may be determined as an arithmetic average of the corresponding physiological index throughout the simulated driving section.
上記した発明において、前記緊張状態の判定において、前記模擬運転区間を通しての前記生理指標の標準偏差に対する前記変動幅の大小の判別を含むことを特徴としてもよい。 In the above-mentioned invention, the determination of the state of tension may be characterized by determining the magnitude of the fluctuation range relative to the standard deviation of the physiological index throughout the simulated driving section.
上記した発明において、前記RSA値は、前記呼吸の1呼吸に対応する前記心拍から算出することを特徴としてもよい。 In the above-mentioned invention, the RSA value may be calculated from the heart rate corresponding to one breath of the breath.
上記した発明において、心拍数、心拍数変化率、及び、呼吸長変化率をさらに含む前記生理指標から、前記呼吸長とともに前記運転者毎に1つ以上を選択して特定生理指標とし、前記特定生理指標について前記模擬運転区間での測定から各基準値を決定しておき、緊張状態の判定において、前記特定生理指標についての対応する前記基準値に対する変動幅に基づいて判定を行うことを特徴としてもよい。 The invention described above may be characterized in that, from the physiological indices further including the heart rate, the rate of change of the heart rate, and the rate of change of the respiration length, one or more are selected for each driver along with the respiration length as a specific physiological indices, and respective reference values for the specific physiological indices are determined from measurements in the simulated driving section, and the state of tension is judged based on the fluctuation range of the specific physiological indices relative to the corresponding reference value.
上記した発明において、前記模擬運転区間は非緊張課題を含み、前記非緊張課題に対応する前記生理指標から、前記呼吸長とともに前記運転者毎に1つ以上を選択して第2の特定生理指標とし、前記第2の特定生理指標について前記模擬運転区間での測定から各基準値を決定しておき、RSA値が前記基準RSA値よりも高い場合に、前記第2の特定生理指標についての対応する前記基準値に対する変動幅に基づいて前記判定を行うことを特徴としてもよい。 In the above-mentioned invention, the simulated driving section may include a non-stress task, and one or more of the physiological indices corresponding to the non-stress task may be selected for each driver along with the respiratory length as a second specific physiological indices, and reference values for the second specific physiological indices may be determined from measurements in the simulated driving section, and when the RSA value is higher than the reference RSA value, the judgment may be made based on the fluctuation range of the second specific physiological indices relative to the corresponding reference value.
上記した発明において、呼吸波形及び心拍変動波形の1呼吸にそれぞれ対応する1呼吸間呼吸波形及び1呼吸間心拍変動波形を比較して定めた補正係数を乗じることで前記基準RSA値からの変動幅を補正することを特徴としてもよい。 The above-mentioned invention may be characterized in that the fluctuation range from the reference RSA value is corrected by multiplying a correction coefficient determined by comparing the one-breath respiratory waveform and the one-breath heart rate variability waveform, which correspond to one breath of the respiratory waveform and the heart rate variability waveform, respectively.
上記した発明において、前記模擬運転区間は運転シミュレータによって与えられるものであることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、模擬運転区間での心拍及び呼吸の時間変動を簡便に測定できて、簡便に運転者の心身状態を判定することができる。 In the above-mentioned invention, the simulated driving section may be provided by a driving simulator. With this feature, the time fluctuation of the heart rate and breathing during the simulated driving section can be easily measured, and the mental and physical state of the driver can be easily determined.
上記した発明において、前記呼吸の時間変動は前記運転者の胸囲又は腹囲を測定して取得されることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、呼吸のデータを簡便に取得でき、簡便に運転者の心身状態を判定することができる。 In the above-mentioned invention, the time variation of the respiration may be obtained by measuring the chest circumference or waist circumference of the driver. With this feature, the respiration data can be easily obtained, and the mental and physical state of the driver can be easily determined.
また、本発明による車両運転中の運転者の心身状態判定システムは、鉄道車両運転中の運転者において測定される心拍及び呼吸の時間変動を用いてこの対応から心拍の呼吸性洞性不整脈(RSA)成分としてのRSA値を算出し心身状態を判定するシステムであって、前記時間変動を測定するセンサを含む測定ユニットと、前記測定ユニットで測定された前記時間変動から、呼吸長及び/又は呼吸振幅、RSA値を含む生理指標を算出する制御ユニットと、を含み、前記制御ユニットは、前記測定ユニットによって緊張課題を含む模擬運転区間で測定された前記時間変動から、前記生理指標について、前記運転者毎の基準となる、基準RSA値とともに、基準呼吸長及び/又は基準呼吸振幅の各基準値を決定するとともに、前記測定ユニットによって実運行区間で前記時間変動を測定しながら、心身状態判定のための特定位置において、RSA値が前記基準RSA値よりも低い場合に、前記生理指標の前記各基準値からの変動幅から前記運転者の緊張状態を判定することを特徴とする。 The system for determining the mental and physical state of a driver while driving a vehicle according to the present invention is a system that uses the time fluctuations of the heart rate and breathing measured in a driver while driving a railway vehicle to calculate an RSA value as a respiratory sinus arrhythmia (RSA) component of the heart rate from the correspondence and determines the mental and physical state of the driver, and includes a measurement unit including a sensor that measures the time fluctuations, and a control unit that calculates physiological indicators including breathing length and/or breathing amplitude and an RSA value from the time fluctuations measured by the measurement unit, and the control unit determines each of the reference values of the reference breathing length and/or reference breathing amplitude for the physiological indicators from the time fluctuations measured by the measurement unit in a simulated driving section including a tension task, as well as a reference RSA value that serves as a reference for each driver, and while measuring the time fluctuations in an actual driving section using the measurement unit, determines the driver's state of tension from the fluctuation range of the physiological indicators from each reference value when the RSA value is lower than the reference RSA value at a specific position for mental and physical state determination.
かかる特徴によれば、測定される運転者の心拍及び呼吸の両データから運転者の心身状態をより明確に判定することができる。 This feature makes it possible to more clearly determine the driver's physical and mental state from both the measured heart rate and breathing data.
上記した発明において、前記基準RSA値とともに、前記基準呼吸長及び/又は前記基準呼吸振幅に合わせて基準心拍数を決定しておき、前記緊張状態の判定において、心拍数の前記基準心拍数からの変動幅及び/又はRSA値の前記基準RSA値からの変動幅を更に組合せて判定することを特徴としてもよい。 In the above-mentioned invention, a reference heart rate may be determined in accordance with the reference respiratory length and/or the reference respiratory amplitude in addition to the reference RSA value, and the determination of the state of tension may be further made by combining the range of fluctuation of the heart rate from the reference heart rate and/or the range of fluctuation of the RSA value from the reference RSA value.
上記した発明において、前記制御ユニットは、心拍数、心拍数変化率、及び、呼吸長変化率をさらに含む前記生理指標から前記運転者毎に1つ以上を選択して特定生理指標として記憶させ、前記特定生理指標について前記模擬運転区間での測定から各基準値を決定するとともに、緊張状態の判定において、前記特定生理指標についての対応する前記基準値からの変動幅に基づいて判定を行うことを特徴としてもよい。 In the above-mentioned invention, the control unit may select one or more of the physiological indices, which further include the heart rate, the rate of change of the heart rate, and the rate of change of the respiratory length, for each driver and store them as specific physiological indices, determine reference values for the specific physiological indices from measurements in the simulated driving section, and make a judgment on the state of tension based on the range of fluctuation of the specific physiological indices from the corresponding reference value.
上記した発明において、前記制御ユニットは、前記測定ユニットによって非緊張課題を更に含む前記模擬運転区間で測定された前記時間変動に基づき、前記非緊張課題に対応する前記生理指標から、前記呼吸長とともに前記運転者毎に1つ以上を選択して第2の特定生理指標として記憶させ、前記第2の特定生理指標についての各基準値を決定するとともに、心身状態判定のための特定位置において、RSA値が前記基準RSA値よりも高い場合に、前記第2の特定生理指標についての対応する前記基準値からの変動幅に基づいて前記判定を行うことを特徴としてもよい。 In the above-mentioned invention, the control unit may be characterized in that, based on the time fluctuations measured by the measurement unit in the simulated driving section further including a non-stress task, the control unit selects one or more from the physiological indices corresponding to the non-stress task for each driver together with the respiratory length and stores them as second specific physiological indices, determines reference values for the second specific physiological indices, and, when the RSA value is higher than the reference RSA value at a specific position for mental and physical state judgment, makes the judgment based on the fluctuation range from the corresponding reference value for the second specific physiological indices.
以下、本発明の代表的な一例による車両運転中の運転者の心身状態を判定する方法及びそのシステムの具体的な実施態様について、図1~図5を用いて説明する。 Below, a specific embodiment of a method and system for determining the mental and physical state of a driver while driving a vehicle according to a representative example of the present invention will be described with reference to Figures 1 to 5.
図1に示すように、車両運転中の運転者の心身状態の判定システム1は、運転者の心拍と呼吸との時間変動を波形としてそれぞれ測定する波形測定ユニット10と、波形測定ユニット10からの時間変動の波形データを受信して分析する機能を含む制御ユニット20と、を含む。
As shown in FIG. 1, the system 1 for determining the mental and physical state of a driver while driving a vehicle includes a
波形測定ユニット10は、例えば運転者の胸部又は腹部に装着可能な伸縮性を有するベルト状の装着具であり、心拍を測定する心拍測定センサ11と、呼吸状態を測定する呼吸測定センサ12と、を含む。ここで、心拍測定センサ11は、複数の心電図電極等によって心拍の時間変動、すなわち心拍変動波形HRVを取得し得るものである。また、呼吸測定センサ12は、運転者の胸囲又は腹囲、すなわち、胸部又は腹部の周囲長の変化を検出する変位センサ等によって呼吸の時間変動である呼吸波形を取得できるものである。これにより、波形測定ユニット10は、例えばウエアラブルセンサとし得て、運転者の動作に制限を加えることなく、心拍と呼吸との時間変動を同時かつ近傍で測定することができる。
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制御ユニット20は、判定システム1全体の動作を制御するとともに、制御装置21、判定装置22及び記憶装置23を含む。制御装置21は、波形測定ユニット10に心拍と呼吸との時間変動の測定を指令してその波形データを受信することができる。判定装置22は、制御装置21から転送された波形データを分析して運転者の心身状態を判定することができる。記憶装置23は、判定装置22が実行するプログラムや波形測定ユニット10から受信した波形データを記憶することができる。制御ユニット20はさらにモニタなどの図示しない出力装置を備えていてもよい。
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判定装置22は、所定の判定プログラムにより、例えば波形測定ユニット10で測定された波形データにおいて、心拍及び呼吸の時間変動を測定し、RSA(呼吸性洞性不整脈)成分としてのRSA値とともに、心拍数(心拍間隔)や心拍振幅、呼吸長や呼吸振幅を生理指標として求め、これらの時間変動を用いて運転者の心身状態、特に、緊張状態、あるいは、非緊張状態を総合的に判定することができる。なお、心拍間隔は心拍数の逆数として得られる。また、これら生理指標のうち心拍振幅及び呼吸振幅については、測定方法や振幅を数値化する方法を含めて規格化しておく。例えば、これらの振幅は1呼吸あたりについて1つの値を求めることとし、運転者が最も平常状態に近い心身状態である場合の振幅を1として、これに対する相対値として各振幅を表すなどとし得る。
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ここでRSA値の相対的な大きさや変化は副交感神経系の活動状態を示すとされており、緊張状態を強くするとRSA値を相対的に低くする傾向がある。そこで、RSA値の基準値となる基準RSA値を定めておき、基準RSA値から測定されたRSA値が低下したときに緊張状態であると判定することもできる。しかし、このようなRSA値のみを指標とした判定では、高い精度で緊張状態を判定することは難しい。 The relative magnitude and change of the RSA value is said to indicate the activity state of the parasympathetic nervous system, and as the state of tension increases, the RSA value tends to become relatively lower. Therefore, a reference RSA value that serves as a benchmark for the RSA value can be set, and it can be determined that a state of tension exists when the RSA value measured drops from the reference RSA value. However, it is difficult to determine a state of tension with high accuracy using only the RSA value as an indicator.
そこで、本実施例においては、緊張状態について以下のように判定する。上記のようにRSA値は緊張状態で低下する傾向がある。よって、RSA値を基準RSA値よりも低くする場合には、運転者の心身状態を緊張状態としている蓋然性が高くなる。そこで、基準RSA値よりもRSA値を低下させたときに、呼吸成分である呼吸長及び/又は呼吸振幅によって緊張状態の相対的な強弱を判定する。緊張状態を強くすると、呼吸長及び呼吸振幅はどちらも小さくなる傾向にある。よって、呼吸長及び呼吸振幅について、予め決定しておいた基準呼吸長及び基準呼吸振幅よりも小さいときに基準となる緊張状態(基準RSA値に対応すべき緊張状態)よりも強い緊張状態である可能性が高く、その基準呼吸長及び基準呼吸振幅からの変動幅に基づき緊張状態の強弱を判定するのである。つまり、心拍に関する値であるRSA値を契機として呼吸に関する値である呼吸長や呼吸振幅で判定を行う。 In this embodiment, the state of tension is judged as follows. As described above, the RSA value tends to decrease in a state of tension. Therefore, when the RSA value is lowered below the reference RSA value, the probability that the driver's mental and physical state is in a state of tension increases. Therefore, when the RSA value is lowered below the reference RSA value, the relative strength of the state of tension is judged based on the breathing length and/or breathing amplitude, which are breathing components. When the state of tension is increased, both the breathing length and breathing amplitude tend to decrease. Therefore, when the breathing length and breathing amplitude are smaller than a predetermined reference breathing length and reference breathing amplitude, it is highly likely that the state of tension is stronger than the reference state of tension (the state of tension that should correspond to the reference RSA value), and the strength of the state of tension is judged based on the fluctuation range from the reference breathing length and reference breathing amplitude. In other words, the judgment is made based on the breathing length and breathing amplitude, which are values related to breathing, using the RSA value, which is a value related to the heart rate, as a trigger.
ここで、基準RSA値、基準呼吸長、基準呼吸振幅は、いずれも緊張を与える課題を含む模擬運転区間において心拍及び呼吸の時間変動を測定して、運転者毎に定めておく。つまり、緊張に対する心拍や呼吸の変動は運転者によって異なり、運転者個人の基準値を定めることで緊張状態の判定の精度を担保するのである。 The standard RSA value, standard respiration length, and standard respiration amplitude are all determined for each driver by measuring the time fluctuations in heart rate and respiration during a simulated driving section that includes a task that causes stress. In other words, the fluctuations in heart rate and respiration in response to stress differ from driver to driver, and by determining standard values for each individual driver, the accuracy of the assessment of the state of stress is ensured.
また、緊張状態の判定において、呼吸長や呼吸振幅の他に、心拍数、心拍振幅やRSA値を加えてもよい。例えば、心拍数についても基準心拍数を決定しておいて、基準心拍数からの心拍数の変動幅を判別して判定に組合せるのである。また、基準心拍振幅からの心拍振幅の変動幅、基準RSA値からのRSA値の変動幅についても同様に判定に組み合わせても良い。これらによって、判定精度の向上が望める。 In addition to respiratory length and respiratory amplitude, heart rate, heart rate amplitude, and RSA value may also be used in determining the state of tension. For example, a reference heart rate may also be determined for the heart rate, and the range of fluctuation of the heart rate from the reference heart rate may be determined and combined with the determination. Similarly, the range of fluctuation of the heart rate amplitude from the reference heart rate amplitude and the range of fluctuation of the RSA value from the reference RSA value may also be combined with the determination. This is expected to improve the accuracy of the determination.
なお、基準値(基準RSA値、基準呼吸長、基準呼吸振幅、基準心拍数、基準心拍振幅)の定め方についてはどのような緊張状態を判定したいかによって異なる。例えば、比較的強い緊張状態のみを判定したい場合には基準値を小さく(心拍数については大きく)設定してもよい。また、模擬運転区間の特定の課題に対応した値を基準値とすることでその特定の課題についての緊張状態と相対的に比較した緊張状態の強弱を判定することが可能となる。 The method for determining the reference values (reference RSA value, reference respiration length, reference respiration amplitude, reference heart rate, reference heart rate amplitude) varies depending on the type of tension state that is to be judged. For example, if it is desired to judge only a relatively strong state of tension, the reference value may be set small (and the heart rate large). In addition, by setting a value corresponding to a specific task in the simulated driving section as the reference value, it becomes possible to judge the strength of the tension state in comparison with the tension state for that specific task.
更に、緊張状態又は非緊張状態における、RSA値、呼吸長、呼吸振幅、心拍数、心拍振幅の各生理指標の組み合わせとの相関性は、運転者毎に異なる傾向が確認される。かかる傾向は、上記した模擬運転区間での結果から導かれ得て、相関性の強い、つまり、変化の再現傾向に基づいて、生理指標を選択してその組み合わせを決定し、これにより車両運転中の運転者の心身状態の判定をしてもよい。これによれば、より明確な状態判定が可能となるため、緊張状態だけでなく、非緊張状態における判定も同様に可能となる。 Furthermore, it has been confirmed that the correlation between the combination of physiological indices RSA value, respiration length, respiration amplitude, heart rate, and heart rate amplitude in a tense or non-tense state tends to differ for each driver. Such a tendency can be derived from the results of the simulated driving section described above, and a combination of physiological indices can be selected based on strong correlation, i.e., on the tendency to reproduce changes, and this can be used to determine the mental and physical state of the driver while driving a vehicle. This allows for a clearer state determination, making it possible to determine not only a tense state, but also a non-tense state.
次に、判定システム1を用いて実際に運転者の心身状態を判定した例について説明する。 Next, we will explain an example of actually determining the mental and physical state of a driver using the determination system 1.
ここでは、鉄道車両運転中の運転者の心身状態、特に緊張状態を判定した。そのために、上記した判定システム1を用いて、緊張を与える課題(緊張課題)を含む模擬運転区間で車両運転中の運転者について心拍及び呼吸を測定しその時間変動を求めた。 Here, we assessed the mental and physical state, particularly the state of tension, of a driver while driving a railway vehicle. To this end, we used the assessment system 1 described above to measure the heart rate and respiration of the driver while driving a vehicle in a simulated driving section that included a task that caused tension (tension task), and found the time variations in these.
模擬運転区間では、運転者の運転作業中における心拍及び呼吸を測定するために、運転シミュレータを用いた模擬運転を実施した。具体的には、大型TVモニタとワンハンドル型コントローラなどで構成した簡易鉄道運転シミュレータを用いた。模擬運転では、運転者が休憩を挟みながら走行課題を所定回数だけ繰り返し行った。走行課題として、所要時間約10分の4駅間の運転区間を設定した。走行課題には、走行している車両を所定の位置に停車させる運転動作などの緊張を与える課題が含まれた。なお、模擬運転に集中させるため、時刻表に従って規定の制限速度で運転を行うよう運転者に指示した。ここでは、一人の運転者が繰り返し行った模擬運転についての測定結果について説明する。 In the simulated driving section, a driving simulator was used to measure the heart rate and breathing of the driver while driving. Specifically, a simple railway driving simulator consisting of a large TV monitor and a one-handle controller was used. In the simulated driving, the driver repeated driving tasks a set number of times with breaks in between. A driving section between four stations, with a driving time of approximately 10 minutes, was set as the driving task. The driving tasks included stressful tasks such as the driving action of stopping a moving vehicle at a designated position. In order to allow the driver to concentrate on the simulated driving, the driver was instructed to drive at the specified speed limit according to the timetable. Here, the measurement results of the simulated driving repeatedly performed by one driver are explained.
図2に示すように、まず、測定された波形データについて、同一時間軸に心拍変動波形HRV及び呼吸波形BWを並べた。心拍変動波形HRVは、呼吸波形BWのうち呼吸開始点Sによって区切られる呼吸区間Tに対応する時間範囲ごとに切り出された。このとき、心拍変動波形HRVと呼吸区間Tとの間に同期性があった。そして、各々の呼吸区間Tにおける心拍変動波形HRVの振幅をRSA値とした。つまり、1呼吸に対応する心拍からRSA値を求めた。なお、RSA値については、各呼吸開始点Sに時間的に対応する心拍変動波形HRV上の点を結ぶ線分データを定義し、この線分データを心拍変動波形HRVから差し引く変換処理をした上で求めることが好ましい。かかる変換処理によって、交感神経と副交感神経の両方の影響を受ける血圧変動系の成分を除去できる。 As shown in FIG. 2, first, the heart rate variability waveform HRV and the respiration waveform BW were arranged on the same time axis for the measured waveform data. The heart rate variability waveform HRV was cut out for each time range corresponding to the respiration interval T separated by the respiration start point S of the respiration waveform BW. At this time, there was synchronism between the heart rate variability waveform HRV and the respiration interval T. The amplitude of the heart rate variability waveform HRV in each respiration interval T was taken as the RSA value. In other words, the RSA value was calculated from the heartbeat corresponding to one respiration. Note that the RSA value is preferably calculated after a conversion process in which line data connecting points on the heart rate variability waveform HRV that correspond in time to each respiration start point S is defined and this line data is subtracted from the heart rate variability waveform HRV. This conversion process can remove blood pressure variability system components that are affected by both the sympathetic and parasympathetic nerves.
例えば、ここでは、上記した模擬運転区間を通して得られたRSA値、心拍数、呼吸長、呼吸振幅の算術平均をそれぞれの基準値とし、呼吸振幅以外のそれぞれについてはかかる平均値からの標準偏差を求めた。基準値は、それぞれ基準RSA値、基準心拍数、基準呼吸長、基準呼吸振幅と呼ぶこととした。また、模擬運転区間の中から、停止操作中(駅での停車の直前20秒の地点)の位置及び緊張しにくい駅停車中のそれぞれ位置に対応したRSA値、心拍数、呼吸長、呼吸振幅を抜き出し、これらを比較対象として以下のように基準値と比較して得点を定めた。 For example, here, the arithmetic averages of the RSA value, heart rate, respiration length, and respiration amplitude obtained through the above-mentioned simulated operation section were used as the respective reference values, and the standard deviation from the average values was calculated for each value except for the respiration amplitude. The reference values were called the reference RSA value, reference heart rate, reference respiration length, and reference respiration amplitude, respectively. In addition, from the simulated operation section, the RSA value, heart rate, respiration length, and respiration amplitude corresponding to the positions during the stopping operation (20 seconds before the train stops at the station) and the positions during the train's stop at the station, which is less likely to cause tension, were extracted, and these were used as comparison targets and compared with the reference values to determine scores as follows.
すなわち、図3に示すように、基準RSA値に対してRSA値が標準偏差以上に大きいときに+1点、標準偏差の2倍以上大きいときに+2点、標準偏差以上に小さいときに-1点、標準偏差の2倍以上小さいときに-2点として得点を設定し、0点以外の結果を停止操作中及び駅停車中のそれぞれについて出現率で示した。つまり、基準RSA値からの変動幅について、標準偏差やその2倍の値に対するRSA値の大小を判別して得点を付けた。その結果、緊張し易い停止操作中はRSA値が小さくなる傾向にあることが判った。しかし、緊張しにくい駅停車中であってもRSA値が小さくなることも多く、RSA値のみで緊張状態を判定することは難しいことが判った。 That is, as shown in Figure 3, when the RSA value was more than a standard deviation higher than the reference RSA value, +1 point was assigned, when it was more than twice the standard deviation, +2 points were assigned, when it was more than twice the standard deviation, -1 point was assigned, and when it was more than twice the standard deviation, -2 points were assigned. Results other than 0 points were shown as the occurrence rate during stopping operations and when the train was stopped at a station. In other words, the range of variation from the reference RSA value was determined by judging whether the RSA value was large or small relative to the standard deviation or twice that value. As a result, it was found that the RSA value tends to be small during stopping operations, which are likely to cause stress. However, the RSA value often also became small even during stopping at a station, which is less likely to cause stress, and it was found that it is difficult to judge the state of stress based on the RSA value alone.
また、図4(a)に示すように、基準心拍数に対して心拍数が標準偏差以上に大きいときに+1点、標準偏差の2倍以上大きいときに+2点、標準偏差以上に小さいときに-1点、標準偏差の2倍以上小さいときに-2点として得点を設定し、0点以外の結果を停止操作中及び駅停車中のそれぞれについて出現率で示した。心拍数については、緊張し易い停止操作中に大きくなる傾向であった。 As shown in Figure 4(a), when the heart rate was higher than the reference heart rate by more than the standard deviation, +1 point was given, when it was higher than twice the standard deviation, +2 points, when it was lower than the standard deviation, -1 point, when it was lower than twice the standard deviation, -2 points, and results other than 0 points were shown as the occurrence rate during the stopping operation and while the train was stopped at the station. Heart rate tended to increase during the stopping operation, which is likely to cause stress.
図4(b)に示すように、基準呼吸長に対して呼吸長が標準偏差以上に大きいときに+1点、標準偏差の2倍以上大きいときに+2点、標準偏差以上に小さいときに-1点、標準偏差の2倍以上小さいときに-2点として得点を設定し、0点以外の結果を停止操作中及び駅停車中のそれぞれについて出現率で示した。呼吸長については、緊張し易い停止操作中に小さくなる傾向であった。 As shown in Figure 4(b), when the breathing length was larger than the reference breathing length by more than the standard deviation, +1 point was given, when it was larger than twice the standard deviation, +2 points were given, when it was smaller than the standard deviation, -1 point was given, and when it was smaller than twice the standard deviation, -2 points were given. Results other than 0 points were shown as the occurrence rate during the stopping operation and while the train was stopped at the station. Breathing length tended to be smaller during the stopping operation, which is likely to cause stress.
図4(c)に示すように、基準呼吸振幅に対して呼吸振幅が2倍以上となった場合に+1点、基準値の半分以下になった場合に-1点として得点を設定し、0点以外の結果を停止操作中及び駅停車中のそれぞれについて出現率で示した。呼吸振幅については、緊張し易い停止操作中に小さくなる傾向であった。 As shown in Figure 4 (c), a score of +1 was assigned if the respiration amplitude was more than twice the reference respiration amplitude, and a score of -1 was assigned if the respiration amplitude was less than half the reference amplitude. Results other than 0 points were shown as the occurrence rate during the stopping operation and while the train was stopped at the station. The respiration amplitude tended to be smaller during the stopping operation, which is likely to cause stress.
しかし、心拍数、呼吸長、呼吸振幅のいずれについても、単独で緊張状態を判定するには上記したRSA値による判定よりもさらに難しいことが判った。 However, it was found that determining the state of tension using heart rate, respiratory length, and respiratory amplitude alone was more difficult than using the RSA value described above.
そこで、RSA、心拍数、呼吸長、呼吸振幅のそれぞれの得点を緊張状態で生じやすい方を正とするように得点の符号を変換して、つまりRSA値、呼吸長、呼吸振幅の得点に-1を乗じて、それぞれの得点を合計し、総合判定とした。 Therefore, the signs of the scores for RSA, heart rate, respiratory length, and respiratory amplitude were changed so that the score that is more likely to occur under stress was positive; in other words, the scores for RSA value, respiratory length, and respiratory amplitude were multiplied by -1, and the individual scores were added up to determine an overall judgment.
図5に示すように、総合判定では、得点「3」の判定では、ほぼ停止操作中のものとなり、運転者の心身状態は相対的に強い緊張状態であると考えられた。一方、得点を負にする判定では停止操作中のものがほとんどなく、相対的に弱い緊張状態である可能性が非常に高いと考えらえた。 As shown in Figure 5, in the overall assessment, a score of "3" was given almost exclusively to drivers during the stopping operation, and the driver's mental and physical state was considered to be in a relatively strong state of tension. On the other hand, in the assessments that gave negative scores, there were almost no instances of drivers during the stopping operation, and it was considered very likely that the driver was in a relatively weak state of tension.
以上のように、測定される運転者の心拍及び呼吸の両データから該運転者の心身状態について、緊張状態の相対的な強弱を判定することができる。特に、基準RSA値と標準偏差を用いるなど、基準値とこれに対する所定値の隔たりによって判定を行うため、心拍変動波形及び呼吸波形において相対的な数値変化のみで判定が可能である。つまり、測定値の絶対値としての精度は要求されない。そのため、RSA値の詳細な算出方法については特に限定されず、模擬運転から運転者の心身状態の判定までを通して1つに定められていればよい。また、心拍と呼吸の両データから運転者の心身状態を判定することに意味があり、RSA値による判定の契機に呼吸長又は呼吸振幅のうちの一方の判別を組合せるだけでも少なくともRSA値のみによる判定よりも精度よく心身状態を判定し得る。また、呼吸長、呼吸振幅の両者を組合せた判定とすることが好ましく、さらには、上記したように心拍数やRSA値、そして、心拍振幅を組み合わせた判定とすることもできる。 As described above, the relative strength of tension in the mental and physical state of the driver can be determined from both the measured heart rate and respiration data. In particular, since the determination is made based on the difference between a reference value and a predetermined value relative thereto, such as using a reference RSA value and a standard deviation, the determination can be made based only on the relative numerical changes in the heart rate variability waveform and the respiration waveform. In other words, the accuracy of the absolute value of the measured value is not required. Therefore, the detailed calculation method of the RSA value is not particularly limited, and it is sufficient that one is set throughout the entire process from the simulated driving to the determination of the mental and physical state of the driver. In addition, it is meaningful to determine the mental and physical state of the driver from both the heart rate and respiration data, and the mental and physical state can be determined at least more accurately than a determination based on the RSA value alone by simply combining the determination of either the respiration length or the respiration amplitude with the trigger of the determination based on the RSA value. In addition, it is preferable to make a determination that combines both the respiration length and the respiration amplitude, and further, as described above, a determination that combines the heart rate, the RSA value, and the heart rate amplitude can also be made.
また、上記したように、測定値に絶対値としての精度を必要としないため、呼吸波形の取得については運転者の胸囲又は腹囲の変化を検出するだけの簡便な測定方法とすることができ、ウエアラブルセンサを測定に使用することができた。 In addition, as mentioned above, since the measurement does not require absolute precision, obtaining the respiratory waveform can be a simple measurement method that simply detects changes in the driver's chest or waist circumference, and a wearable sensor can be used for the measurement.
また、上記した例では、模擬運転区間の中から停止操作中及び駅停車中のRSA値、心拍数、心拍振幅、呼吸長、呼吸振幅を抜き出して判定を行ったが、模擬運転区間で得られた基準値及び標準偏差を用いることで実運行区間においても同様に運転者の心拍及び呼吸の時間変動を測定して運転者の心身状態を判定することもできる。つまり、基準RSA値、基準呼吸長、基準呼吸振幅とそれぞれの標準偏差、さらに基準心拍数、基準心拍振幅、を模擬運転において算出して、記憶装置23に記憶させておくことで、以降の実運行区間などの他の運転区間においては、特定位置においてリアルタイムで運転者の心身状態を判定可能である。特定位置とは運転者の心身状態を判定しようとする位置であり、心拍及び呼吸の時間変動を測定した時間軸上の位置であるが、運転区間内の空間上の位置と時間軸とを対応させて空間上の位置とすることもできる。特に、鉄道であれば、運行区間上の車両の走行予定が定められており、例えば、駅や踏切などの特定区間の直前においても運転者の心身状態を判定することができ、場合によってアラームを発したりすることも可能となる。なお、上記したように、これらの基準値や標準偏差は運転者の個人差を含むため、運転者毎に定めて用いられる。
In the above example, the RSA value, heart rate, heart rate amplitude, respiration length, and respiration amplitude during the stop operation and station stop were extracted from the simulated operation section and judged, but the reference value and standard deviation obtained in the simulated operation section can be used to measure the time fluctuation of the driver's heart rate and respiration in the actual operation section and judge the driver's mental and physical state. In other words, by calculating the reference RSA value, reference respiration length, reference respiration amplitude and their respective standard deviations, as well as the reference heart rate and reference heart rate amplitude in the simulated operation and storing them in the
上記した例では、基準RSA値、基準心拍数、基準心拍振幅、基準呼吸長、基準呼吸振幅について、模擬運転区間を通した算術平均として決定したが、その他によって決定してもよい。例えば、基準RSA値を模擬運転区間で取得された値の最大値に決定すると、基準RSA値はほぼ完全なリラックス状態と仮定できる。そして、基準RSA値からのRSA値の低下した変動幅で緊張状態を段階的に点数化してこれに上記と同様に呼吸長などの基準値からの変動幅の判別を組合せることで運転者の心身状態を判定することができる。 In the above example, the reference RSA value, reference heart rate, reference heart rate amplitude, reference respiration length, and reference respiration amplitude were determined as arithmetic averages over the simulated driving section, but they may be determined in other ways. For example, if the reference RSA value is determined to be the maximum value of the values obtained in the simulated driving section, the reference RSA value can be assumed to be an almost completely relaxed state. The state of tension is then scored in stages based on the range of decrease in the RSA value from the reference RSA value, and this can be combined with a determination of the range of change from the reference value, such as respiration length, in the same manner as above, to determine the driver's physical and mental state.
さらに、基準RSA値からのRSA値の変動幅を組み合わせて心身状態の判定を行う場合において、かかる変動幅を補正する方法もある。まず、1呼吸に対応する呼吸波形及び心拍変動波形のそれぞれを1呼吸間呼吸波形及び1呼吸間心拍変動波形とする。このとき、1呼吸間呼吸波形と1呼吸間心拍変動波形とを比較して、これらの相関が高いほど1に近く相関が低いほど0に近くなる補正係数を定める。このような補正係数は、例えば、1呼吸間呼吸波形と1呼吸間心拍変動波形との間の相関係数や位相差を用いて算出し得る。相関係数を用いる場合であれば、相関係数の絶対値を補正係数とし得る。位相差を用いる場合であれば、(π-位相差)/πの絶対値を補正係数とし得る。これら2つの積算値を補正係数としてもよい。その上で、基準RSA値からの変動幅にかかる補正係数を乗じて補正し、上記と同様に判定を行う。1呼吸間呼吸波形と1呼吸間心拍変動波形との相関が高いほどRSA値としての信頼度が高くなる傾向にあるため、このような補正をすることでRSA値の信頼度を反映し、精度よく運転者の心身状態の判定をすることができる。 Furthermore, when the mental and physical state is judged by combining the fluctuation range of the RSA value from the reference RSA value, there is also a method of correcting such fluctuation range. First, the respiratory waveform and the heart rate variability waveform corresponding to one breath are respectively set as the one-breath respiratory waveform and the one-breath heart rate variability waveform. At this time, the one-breath respiratory waveform and the one-breath heart rate variability waveform are compared, and a correction coefficient is determined that is closer to 1 the higher the correlation between them and closer to 0 the lower the correlation. Such a correction coefficient can be calculated, for example, using the correlation coefficient or phase difference between the one-breath respiratory waveform and the one-breath heart rate variability waveform. If the correlation coefficient is used, the absolute value of the correlation coefficient can be used as the correction coefficient. If the phase difference is used, the absolute value of (π-phase difference)/π can be used as the correction coefficient. The integrated value of these two values may be used as the correction coefficient. Then, the correction is performed by multiplying the correction coefficient by the fluctuation range from the reference RSA value, and the judgment is performed in the same manner as above. The higher the correlation between the one-breath respiratory waveform and the one-breath heart rate variability waveform, the higher the reliability of the RSA value tends to be, so by making such a correction, the reliability of the RSA value can be reflected and the driver's mental and physical state can be judged with high accuracy.
また、上記した実施例では、ある時点における緊張状態を当該時点での心拍及び呼吸の時間変動によって判定したが、時間的な前後関係に基づいて心身状態を判定することもできる。例えば、RSA値が非常に高い(例えば基準RSA値の4倍以上の)状態から、次の呼吸区間T(図2参照)で基準RSA値からの変動幅(隔たり)が標準偏差よりも大きく下回った場合に極度の緊張状態か心理的に動揺していると判定できる。また、規則的な呼吸をしているときは運転操作を行うために好ましい適度な緊張状態であるか、又は、覚醒低下状態である可能性が高い。そこで、呼吸長の基準呼吸長からの隔たりが、4回連続する呼吸区間Tのいずれにおいても10%以下であった場合に規則的な呼吸とみなし、さらに心拍数が基準心拍数よりも大きい値で一定していたり増加していたりした場合に適度な緊張と判定し、基準心拍数よりも小さい値で一定していたり減少していたりした場合にこれより弱い緊張状態(又は覚醒低下状態)と判定できる。また、呼吸振幅が基準呼吸振幅の2倍を超える場合や、呼吸長が基準呼吸長の標準偏差の2倍以上大きい場合などの大呼吸をした場合、その時間的な前後で心身状態の切替えがあったと判定することなどもできる。 In the above embodiment, the state of tension at a certain point in time was determined based on the time fluctuation of the heart rate and breathing at that point in time, but the mental and physical state can also be determined based on the temporal context. For example, if the RSA value is very high (for example, four times or more the reference RSA value) and the fluctuation range (distance) from the reference RSA value in the next breathing section T (see FIG. 2) falls significantly below the standard deviation, it can be determined that the driver is in a state of extreme tension or psychological agitation. In addition, when the driver is breathing regularly, it is highly likely that the driver is in a moderate state of tension that is favorable for driving operations, or in a state of reduced arousal. Therefore, if the distance between the breathing length and the reference breathing length is 10% or less in any of four consecutive breathing sections T, it is deemed to be regular breathing, and if the heart rate is constant or increasing at a value greater than the reference heart rate, it is determined to be moderate tension, and if the heart rate is constant or decreasing at a value less than the reference heart rate, it is determined to be a state of weaker tension (or a state of reduced arousal). In addition, if a person takes a deep breath, such as when the breathing amplitude exceeds twice the reference breathing amplitude or when the breathing length is more than twice the standard deviation of the reference breathing length, it can be determined that a change in mental and physical state has occurred around that time.
ここで、RSA値、呼吸長、心拍数、の3つの生理指標にさらに呼吸長変化率及び心拍数変化率を加えた5つの生理指標において、測定される運転者個人ごとに緊張課題に対する変化の再現傾向に差がある一方、呼吸長については運転者個人によらず、緊張課題に対する変化が一定することがわかった。そこで、呼吸長と、これに組み合わせる他の生理指標であって、運転者個人ごとに異なる緊張課題に対する変化の再現傾向の高い生理指標を用いて緊張状態を判定することで、より精度の高い判定が可能となる。 Here, it was found that in the five physiological indices, which are the three physiological indices of RSA value, respiration length, and heart rate, plus the respiration length change rate and heart rate change rate, there are differences in the tendency for changes to be reproduced in response to stressful tasks for each individual driver, while the change in respiration length in response to stressful tasks is consistent regardless of the individual driver. Therefore, by determining the state of tension using respiration length and another physiological indice in combination with it that has a high tendency to reproduce changes in response to stressful tasks that differ for each individual driver, a more accurate determination can be made.
つまり、判定システム1は、制御ユニット20において、運転者毎に、緊張課題に対応する呼吸長変化率、心拍数(心拍間隔)、心拍数変化率(心拍間隔変化率)RSA値の変化の再現傾向、つまり繰り返し同じ変化を示す生理指標の1つ以上を呼吸長とともに特定生理指標として選択し記憶させておく。かかる選択は、変化幅をあらかじめ設定して自動的にフィルタリングを行うようにしても良いし、他の公知の方法を用いてもよい。そして、運転者毎の基準となる基準RSA値及び基準呼吸長とともに、特定生理指標についての各基準値を上記したと同様に決定しておく。その上で、緊張状態の判定において、上記同様に、呼吸長を含む特定生理指標についての対応する基準値からの変動幅を組み合わせて判定するのである。
In other words, the determination system 1 selects and stores, in the
図6(a)には、複数の緊張課題及び非緊張課題を含む模擬運転において、緊張課題に対する各生理指標での非緊張傾向及び緊張傾向の出現率の一例を示した。各生理指標の棒グラフの左側は非緊張状態の傾向と判断される、つまり、緊張課題であるにもかかわらず非緊張状態と判定される誤りを示した出現率、棒グラフの右側は緊張状態傾向と判断される、つまり、正解を示した出現率である。 Figure 6(a) shows an example of the occurrence rate of non-tension and tension tendencies for each physiological index in response to tension tasks in a simulated driving session that includes multiple tension and non-tension tasks. The left side of the bar graph for each physiological index is the occurrence rate that indicates a tendency toward a non-tension state, i.e., an error in judging a state as non-tension despite the task being tension-related, and the right side of the bar graph is the occurrence rate that indicates a tendency toward a tension state, i.e., the correct answer.
なお、心拍間隔変化率及び呼吸長変化率については次のように算出し、評価した。詳細には、予め、運転者が最も平常状態に近い心身状態であると推定されるときに算出された心拍間隔を「1」として定めておく。そして、1呼吸毎に連続して4回算出した心拍間隔のうち1回目を除く2~4回目の心拍間隔の前回との差分(2回目の場合は1回目との差分)が、全て「0.25」以下の場合に心拍間隔が安定しており規則的であると評価し、これを心身状態の判定に用いる。つまり、基準心拍間隔変化率を「0.25」以下と定め、4回連続した心拍間隔の1呼吸あたりの変化率をそれぞれ評価するのである。呼吸長変化率も心拍間隔変化率と同様に算出し、評価できる。 The heartbeat interval change rate and respiration length change rate were calculated and evaluated as follows. In detail, the heartbeat interval calculated when the driver is estimated to be in the mental and physical state closest to normal is set as "1" in advance. Then, if the difference between the second to fourth heartbeat intervals excluding the first one out of the four consecutive heartbeat intervals calculated for each breath and the previous one (the difference between the first one in the case of the second one) is all "0.25" or less, the heartbeat interval is evaluated as stable and regular, and this is used to judge the mental and physical state. In other words, the standard heartbeat interval change rate is set to "0.25" or less, and the change rate per breath of four consecutive heartbeat intervals is evaluated. The respiration length change rate can be calculated and evaluated in the same way as the heartbeat interval change rate.
これによると、呼吸長とともに、心拍間隔において正解を示す傾向にある。このため、上記したように、呼吸長の基準呼吸長に対する変動幅と、呼吸長変化率の基準呼吸長変化率に対する変動幅と、を組み合わせた総合判定B(図6(b)参照)と比較して、呼吸長の基準呼吸長に対する変動幅と、心拍間隔の基準心拍間隔に対する変動幅と、を組み合わせた総合判定A(図6(b)参照)の方が緊張状態傾向を正しく示すのである。 According to this, the heart beat interval tends to indicate the correct answer along with the respiratory length. Therefore, as described above, compared to the overall judgment B (see FIG. 6(b)) which combines the fluctuation range of the respiratory length from the reference respiratory length and the fluctuation range of the respiratory length change rate from the reference respiratory length change rate, the overall judgment A (see FIG. 6(b)) which combines the fluctuation range of the respiratory length from the reference respiratory length and the fluctuation range of the heart beat interval from the reference heart beat interval more correctly indicates the tendency to be in a tense state.
なお、非緊張状態の判定は困難であったが、上記同様、運転者個人ごとに異なる非緊張課題(例えば、駅停車中)に対する変化の再現傾向の高い第2の特定生理指標についても呼吸長を含んで選択し、これらを用いてその緊張状態の判定ができるようになる。 Although it has been difficult to determine a non-stressed state, similar to the above, by selecting a second specific physiological index, including respiratory length, that has a high tendency to reproduce changes in response to non-stress tasks that differ for each individual driver (e.g., while the train is stopped at a station), it becomes possible to determine the stressed state using these.
以上、本発明による代表的な実施例について述べたが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、適宜、当業者によって変更され得る。すなわち、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。 Although the representative embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not necessarily limited to this embodiment, and may be modified as appropriate by those skilled in the art. In other words, those skilled in the art will be able to find various alternative embodiments and modifications without departing from the scope of the appended claims.
1 判定システム
10 波形測定ユニット
11 心拍測定センサ
12 呼吸測定センサ
20 制御ユニット
21 制御装置
22 判定装置
23 記憶装置
1
Claims (10)
緊張課題を含む模擬運転区間で前記時間変動を測定し、呼吸長、呼吸振幅、及びRSA値からなる生理指標について、前記運転者毎の基準となる基準RSA値とともに、基準呼吸長及び基準呼吸振幅からなる各基準値を決定しておき、
実運行区間で前記時間変動を測定しながら、心身状態判定のための特定位置において、RSA値が前記基準RSA値よりも低い場合に、前記RSA値、前記呼吸長及び前記呼吸振幅についてそれぞれ前記基準RSA値、前記基準呼吸長及び前記基準呼吸振幅からの変動幅について正負を与えて基準化し合計した値で前記運転者の停車操作前後の緊張状態を判定することを特徴とする車両運転中の運転者の心身状態判定方法。 A method for judging a mental and physical state of a driver by calculating a respiratory sinus arrhythmia (RSA) value as a RSA component of a heart rate from a correspondence between the time fluctuations of the heart rate and the respiration measured in the driver while driving a railway vehicle, comprising:
The time variation is measured in a simulated driving section including a tension task, and for physiological indices including a respiratory length, a respiratory amplitude, and an RSA value, a reference RSA value serving as a reference for each driver and each reference value including a reference respiratory length and a reference respiratory amplitude are determined;
A method for determining the mental and physical state of a driver while driving a vehicle, characterized in that while measuring the time fluctuations in an actual driving section, if the RSA value is lower than the standard RSA value at a specific position for determining the mental and physical state, the RSA value, the respiratory length and the respiratory amplitude are given positive or negative values for the fluctuation range from the standard RSA value, the standard respiratory length and the standard respiratory amplitude, respectively, and the sum of these values is standardized to determine the driver's state of tension before and after the stopping operation.
心拍数の前記基準心拍数からの変動幅、及び心拍振幅の前記基準心拍振幅からの変動幅のいずれか1つ以上について更に正負を与えて基準化し前記値に合計することを特徴とする請求項1記載の車両運転中の運転者の心身状態判定方法。 determining a reference heart rate and a reference heart rate amplitude in accordance with the reference respiratory length and the reference respiratory amplitude;
2. The method for determining the mental and physical state of a driver while driving a vehicle according to claim 1, further comprising the steps of: giving a positive or negative value to one or more of the range of fluctuation of the heart rate from the reference heart rate and the range of fluctuation of the heart rate amplitude from the reference heart rate amplitude, standardizing the range and adding the value to the range of fluctuation of the heart rate and the reference heart rate amplitude.
前記時間変動を測定するセンサを含む測定ユニットと、
前記測定ユニットで測定された前記時間変動から、呼吸長、呼吸振幅、及びRSA値からなる生理指標を算出する制御ユニットと、を含み、
前記制御ユニットは、
前記測定ユニットによって緊張課題を含む模擬運転区間で測定された前記時間変動から、前記運転者毎の基準となる、基準RSA値とともに、基準呼吸長及び基準呼吸振幅からなる各基準値を決定するとともに、
前記測定ユニットによって実運行区間で前記時間変動を測定しながら、心身状態判定のための特定位置において、RSA値が前記基準RSA値よりも低い場合に、前記RSA値、前記呼吸長及び前記呼吸振幅についてそれぞれ前記基準RSA値、前記基準呼吸長及び前記基準呼吸振幅からの変動幅について正負を与えて基準化し合計した値で前記運転者の停車操作前後の緊張状態を判定することを特徴とする車両運転中の運転者の心身状態判定システム。 A system for judging a mental and physical state of a driver by calculating a respiratory sinus arrhythmia (RSA) value as a component of a heart rate from a correspondence between the time fluctuations of a heart rate and a respiration measured in the driver while the driver is driving a railway vehicle, the system comprising:
A measurement unit including a sensor for measuring the time variation;
A control unit that calculates physiological indices including a respiratory length, a respiratory amplitude, and an RSA value from the time variation measured by the measurement unit;
The control unit
From the time variation measured by the measurement unit in the simulated driving section including the stress task, a reference RSA value is determined as a reference for each driver, along with reference values including a reference respiration length and a reference respiration amplitude;
A system for determining the mental and physical state of a driver while driving a vehicle, characterized in that while the measurement unit measures the time fluctuations in an actual driving section, if the RSA value is lower than the reference RSA value at a specific position for determining the mental and physical state, the RSA value, the respiratory length and the respiratory amplitude are standardized by giving positive or negative values to the fluctuation ranges from the reference RSA value, the reference respiratory length and the reference respiratory amplitude, respectively, and the total value is used to determine the driver's state of tension before and after the stopping operation.
心拍数の前記基準心拍数からの変動幅、心拍振幅の前記基準心拍振幅からの変動幅のいずれか1つ以上について更に正負を与えて基準化し前記値に合計することを特徴とする請求項9記載の車両運転中の運転者の心身状態判定システム。
determining a reference heart rate and a reference heart rate amplitude in accordance with the reference respiratory length and the reference respiratory amplitude;
The system for determining the mental and physical state of a driver while driving a vehicle as described in claim 9, characterized in that at least one of the range of fluctuation of the heart rate from the reference heart rate and the range of fluctuation of the heart rate amplitude from the reference heart rate amplitude is further given a positive or negative value to be standardized and summed to the value.
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