刺激反応評価装置

【課題】人や動物等の生体の呼吸動作を電気信号に変換し、生体の外部刺激に対する反応を測定するに際し、生体が測定されていることを意識しないような装置を提供する。
また測定結果から生体が刺激を受容しているか拒否しているかを判断し、医療や環境の調整等に利用する。
【解決手段】密閉空気式音センサを生体に密着させるか、生体の重量のかかるベッドやイスの脚などに組込み、生体が測定されていることを意識しないような状態で呼吸動作を測定する。
測定結果を電気信号に変換して分析し、生体の精神状態や生体の置かれている環境を判定する。
更に、電気信号を環境の調整機器の調整に利用する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は人や動物などの生体の呼吸の強さや、呼気，吸気の時間差に表れる自律的な乱れを電気信号として検出し、その原因を判断する装置に関する。
また検出した電気信号によって、他の機器を制御し、人や動物などの生体が現在におかれている環境を制御するため利用しようとするものである。
【背景技術】
【０００２】
生体の心拍，呼吸，血圧などが、生体に加わる物理的或いは心理的刺激によって変動することはよく知られているところである。
しかしながら、心拍や血圧の変動からこれらの刺激を検知しようとする試みは多く行われているのに関わらず、呼吸からこれを検知しようとする試みは、ほとんど行われていない。
一般に呼吸の検出は、人の場合口や鼻の近傍にサーミスタを貼り付けるか、腹部や胸部にストレンゲージ付ベルトを装着することによって行われるので、被験者が測定されていることを否応なしに意識させられるからである。
【０００３】
心拍や血圧は被験者が自由にコントロールできないので、測定されていることを意識しても、測定結果に決定的な影響は表われないのに比し、人の場合、呼吸は被験者が随意にコントロールできるので、被験者が測定されていることを意識すると、正確な結果を得られない。また動物の場合は、使い慣れた首輪や鞍などの装着体に設置しないと甚だしいストレスから落着きを失い、やはり正確な結果を得られない。
【非特許文献１】１９９２年文光堂発行「自律神経機能検査」第１版第３８頁〜４０頁。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
呼吸の測定には、以上のような問題点を有するにも関わらず、本発明が呼吸から生体情報を得ようとする目的は、人や動物が測定されていることを意識しないか、又は忘れ得るような状態で体動検出（以下無拘束生体情報検出という）を行えば、呼吸波形に表れた波形の特徴から、単なる刺激の有無や大きさだけではなく、精神的苦痛・肉体的苦痛（痛み，尿意，空腹感）などの体内刺激の有無や大きさ、更にはその刺激に対し生体がどのように反応（受容，拒絶）したかを検知することができるためである。
【０００５】
例えば、音に対する反応でもその音が被験者に対し快よい音であったか、不快な音であったかを知ろうとするものである。
また匂いに対する反応でも、その匂いが被験者の好きな匂いか、嫌いな匂いかを見分けようとするものである。
即ち、刺激や環境に対する好感，嫌悪感の測定をしようとするものである。
また好き嫌いに限らず、各種の刺激を量的にどれくらい認識したかを測定しようとするものである。
心拍や血圧の生体情報からこのような好感，嫌悪感，刺激の認識量を測定することはほとんど不可能である。
【０００６】
本発明の他の目的は、測定した結果に基づいて被験者や動物の置かれた環境条件を制御しようとするものである。
前述の音の例について説明すると、その音が被験者や動物にとって快い音であることが確認できれば、その音を引き続き継続して聞かせるとか、音を更に強くして聞かせるというような制御を行い、反対に音が被験者にとって不快なものと判定されたときはその音を止めたり、他の音に切り替えたりというような制御を行おうとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために被験者や動物の体の、呼吸による体動が良く検知できる部分に、密閉空気式音センサのような無拘束生体情報検出器を取付け、体動を電気信号に変換する。
次いで得られた電気信号から呼吸による体動成分を分離し、この信号から反応の内容を判断すると共に、必要に応じ環境制御信号に変換し、周辺機器の制御に用いるものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、生体の呼吸による体動を電気信号に変換し、その波形から生体の受ける刺激に対する感受性を知ることができる。
また、その波形を数値化して周辺機器のコントロール信号として用いることにより、生体の置かれた環境を生体にとって好ましいように改善することができる。
【０００９】
従って、本発明の利用分野としては例えば次のようなものが考えられる。
（１）人や動物の好みや、性格の判定
（２）人の対人関係や動物の異種同種動物に対する反応の判定
（３）人や動物の痛み，尿意，空腹などの体調の監視
（４）人や動物の好みや性格に合った環境の設定、例えばバックグラウンドミュージックの選定，音量の調整，照明の調整，温湿度の調整等
（５）個人データを総合することによっての集団が示す好感度の判定
例えば映画試写場の各席に設置すれば、映画の編集や、背景音楽の選択に有効な資料が得られる。
【実施例１】
【００１０】
以下図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
図１は空気圧変化により体動信号を検出する密閉空気式音センサ１の一例で、図１Ａは斜視図，図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ´線の断面図である。
図１において２は柔軟な布，プラスチック等で作られた空気袋で、必ずしも気密である必要はなく、むしろ素材表面，縫目などを通じ、多少の空気が流通する方が適している。
３はスポンジ，綿のような内部の詰めもので、空気袋２のクッション性を維持するためのものである。
４は通気管で、その端部には空気袋内の圧力を検知する圧力センサ５が取り付けられ、その出力はリード線又はアンテナ６によって外部測定器又は発信機（図示せず）を通して外部測定装置に入力されるようになっている。
【００１１】
図２Ａは、密閉空気式音センサ１を、椅子２０に取り付けた例を示す。
呼吸に伴う体動信号は生体のほとんどの部分で検知できるが、胸部又は背部で捉えるのがもっとも効率的で、椅子の場合は背もたれ２１の背中が当る場所に取り付けるのが好適である。
なお、密閉空気式音センサの取付け場所は測定の目的によって椅子以外にもベッドや便座などいろいろな場所が考えられるが、被験者の衣服などに直接取り付けることも可能である。
重要なことは被験者が測定されているということを意識しないようにすることである。
【００１２】
図２Ｂは、密閉空気式音センサ１を、人や動物に取り付けるために、ベルトに取り付けた例を示す。
図２Ｂにおいて、１は密閉空気式音センサで、６は密閉空気式音センサにより検出された信号を伝達するリード線又はアンテナである。
２２は装着用ベルトで、そのほぼ中央部には密閉空気式音センサ１が取り付けられている。取付けは、縫合或いは接着などで固着してもよいが、マジックテープ（商標）のような面ファスナーや、クリップなどで取外し自在に取付ける方がよい。
装着用ベルト２２の両端部には装着用止具２３，２４が取り付けられている。
装着用止具２３，２４は図示のマジックテープ（商標）のような面ファスナーに限らず、バックル状の金具のようなものでもよい。
装着用ベルト２２の巾や長さは取り付ける対象部位によって適宜選択が可能で、首，腹部，背部，腕，尾など環状に取り巻くようにする。
この場合も装着された人や動物が意識しないようにすることが重要で使い慣れたベルトや、首輪，鞍などが好適である。
【００１３】
図３に本発明に用いる体動信号検出装置の他の例を示す。
図３Ａは斜視図、図３Ｂはその縦断面を表している。
図３において３１は人体の乗っているベッド，椅子等の脚、３２は図1に示す袋状のものとは異なるタイプの密閉空気式音センサ、３３はその密閉空気式音センサが置かれた床である。
密閉空気式音センサ３２はゴム，プラスチック等の柔軟な素材で円筒状に作られており、上部には脚３１を挿入するくぼみ３４，内部には空洞３５を有している。
３６は空洞３５内の空気圧変化を検出するための圧力センサ、３７は圧力センサの出力を外部に導出するリード線或いはアンテナである。
【００１４】
図３の例において、ベッド，椅子上の人体の体動は、脚３１を通じて密閉空気式音センサ３２に伝えられ、空洞３４内の圧力を変化させる。
圧力センサ３５はその圧力変化を検知し外部に信号として送出するようになっている。
【００１５】
図３の例において、密閉空気式音センサ３２は、床３３上に置かれ、その上のくぼみ３４にベッド，椅子等の脚３１が乗せられるようになっているが、脚３１の取付部（図示せず）や中間部に取付けることも可能である。
また、複数の脚の一部又は全部に取付けることも可能である。
図３の実施例は、被験者が測定されていることを意識しないという効果が特に大である。
【００１６】
図４は生体に与えられる諸刺激のうち、好き，嫌い或いは受容，拒絶といような比較的単純な反応を検知する場合の回路の系統図である。
４１は、密閉空気式音センサの圧力センサの出力である。
ローパスフィルター４２は、圧力センサの出力のうちから、呼吸に伴う体動信号のように周期の大きい信号のみを通過させるように帯域を設定してある。
ローパスフィルター４２を通過した信号は振巾の最大値検出器４３および最小値検出器４４で夫々最大値，最小値を検出し、その差信号が判定部４５に入力される。
【００１７】
ローパスフィルター４２の出力波形について図５を用いて説明する。
図５Ａ，Ｂは共にローパスフィルター４２を通過した呼吸を表す信号をウェーブフォームアナライザーで表示したグラフである。
縦軸を電圧Ｖで、横軸を時間秒で表している。
電圧は零を境にプラスは吸気を表し、マイナスは呼気を表す。
図５Ａは矢示の時間に、被験者の好む匂い（刺激）を与えた場合を示し、図５Ｂは矢示の時間に被験者の嫌う匂い（刺激）を与えた場合を示す。
【００１８】
一般に生体は全く刺激がない場合は延髄の呼吸中枢で生成される一定のリズムと振巾で自発的呼吸が行われる。
図５Ａ及びＢにおいて矢示の左側部分は刺激のない期間を示し、周期及び振巾はほぼ一定に保たれている。
【００１９】
それに対し、矢示の時間で刺激が与えられると、それ以後（矢示の右側）部分で波形が変化し、その様子は図５Ａの、被験者の好きな匂いの場合と、図５Ｂの、被験者の嫌いな匂いの場合とでは大きく異なってくる。
体の外からもたらされる好きな刺激に対しては、本能的に体内環境を外部刺激に追従させようと吸気を強め、直後の呼気も強める。
しかし動物は必要以上の呼吸（酸素の取り込み）ができないように制御されているので、その後反作用で呼吸を弱める。
反対に嫌いな刺激（拒絶）に対しては体内環境を外部刺激から隔てるように吸気を弱め、直後の呼気も弱め、刺激終了後に反作用で呼吸を強める。もし刺激が継続する場合は呼吸を弱めたまま呼吸回数を上昇することによって酸素の取り込みを補う。
このことから、生体が刺激に対して感ずる好き嫌い、即ち受容や拒絶は自発呼吸の呼吸の強度（振巾）に現れることが判る。
【００２０】
従ってこれを数値化して表示して判定部４５に表示することによって、被験者の感受性を判定することができる。
安静時呼吸に対し受容で最大１６０％，拒絶で最小７０％の範囲で観察できる。
表示は瞬間値の表示の他に、一定期間の平均値の表示やトレンドを併用することによって、判定の精度を更に向上させることができる。
またこれらの数値を記録し、他の測定結果と比較検討に用いることができる。
更に、これをプログラム化して、他機器を制御するコントロール信号として利用することができる。
また図５では外部刺激として匂いを例に説明したが、外部刺激は音，映像，光，風，温湿度等の他に、人と人、動物と動物の出会い、精神的動揺であっても良いことは容易に理解できる。また刺激の内容によっては、より複雑な波形を示す場合がある。
【００２１】
図６は被験者に音楽による刺激を与えた場合の例である。
図６Ａは被験者が安静時の呼吸の波形でほぼ一定振巾一定周期を維持している。
図６Ｂはこの状態で、バックグランドミュージックとして古典音楽を流した場合、図６Ｃはロック音楽を流した場合である。
図６Ｂの場合は振巾および吸気の期間には大きな変化が見られないのに対し、呼気が停滞延長する特有な波形が表れる。
一方、図６Ｃでは振巾が極端に押さえられ、吸気及び呼気がところどころで不規則に停滞延長する特有な波形が表われる。
【００２２】
この被験者の場合は古典音楽を好み、ロック音楽は嫌っていることが予じめ判っているので、図６Ｂは好ましい音楽に対する反応で、図６Ｃは嫌いな音楽に対する反応であることが判る。
刺激の受容，拒絶は呼吸振巾の変化として明瞭に現れる。
従って、これを統計的に処理し、数値化することによって音楽に対する好みが不明な被験者の、好みを判定することができる。
また、安静時呼気時間に対し呼気が停滞延長した部分を一過性に又は統計的に処理し、数値化することによって、被験者が音楽刺激を音楽のどの部分で又は全体にどの程度認識したかを判定することができる。
一般に刺激認識による不隋意的な呼気停滞長時間は安静時呼気時間の２００％が限界のようである。
これらの数値をコントロール信号に変換し、これによって装置を制御することにより被験者の好みに合わせた音楽を提供することができるようになる。
【００２３】
図７は、仰臥位にて密閉空気式音センサを人体の腰部分に取り付けて、呼吸の体動を測定した例である。
図７の被験者は、指部に持続的疼痛を有する患者のもので、図７Ａは無痛時（安静時）の、図７Ｂは痛みが発生したときのものを示す。
図７Ａの安静時の波形は、図５Ａ，Ｂに示す被験者の安静時波形とやや異なるが、これは測定部位の相違や個人差に基づくものである。
図７Ｂの波形は図７Ａに比し、吸気時間が短く、呼気時間が長くなる傾向が伺われる。
従って、図７Ａの波形の呼気、吸気時間差を基準に図７Ｂの呼気吸気時間差を経時的、統計的に数値化することによって痛みの性質，強さ等を判定することができる。
また数値を信号化し記録することによって、患者の愁訴を把握することが可能になる。
【００２４】
図８は、図６Ｂ及びＣ，図７Ｂに示すような、刺激の認識量を分析する回路の系統図を示す。
８０１は、密閉空気式音センサの圧力センサの出力で、その出力には呼吸に伴う信号を含む諸体動信号や雑音が含まれている。
圧力センサ８０１の出力はカシプリングコンデンサー８０２によって直流分を取り除き、ローパスフィルター８０３に入力される。
ローパスフィルター８０３は、呼吸による信号がもっともよく通過するよう、帯域が選定されている。
ローパスフィルター８０３を通過した信号は比較器８０４によって方形波に整形された後、微分器８０５によって微分され、整流器８０６，８０７によって呼気，吸気の開始終了に対応した正半波，負半波に分けて整流され、ＯＮ・ＯＦＦタイマ８０８，８０９によってカウントされる。
ＯＮ・ＯＦＦタイマ８０８，８０９の差分出力は演算回路８１０によって数値化され判定部８１１に表示される。
【００２５】
判定部８１１の表示は波形の暖時値と、一定期間の平均値を表示することによって、一層正確な結果を得ることができる。
また、これを記憶装置に記録することにより、個人の過去の履歴等として利用できる。
更に数値をプログラム化した信号として周辺機器のコントロール信号として出力することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、人や動物の医療の分野に利用できる。
また人や動物にとって快適な環境を設定する装置に利用できる。
更に人や動物の好みや、性格を判定する装置などに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】密閉空気式音センサの一例
【図２Ａ】密閉空気式音センサを、取り付けた例
【図２Ｂ】密閉空気式音センサを、取り付けた例
【図３】密閉式音センサの他の例
【図４】波形分析回路の系統図
【図５】刺激を与えた場合の呼吸波形を表すグラフ
【図６】音楽による呼吸の波形
【図７】患者の呼吸の波形
【図８】波形分析回路の系統図
【符号の説明】
【００２８】
１・・・・・・・密閉空気式音センサ
２・・・・・・・空気袋
３・・・・・・・スポンジ
４・・・・・・・通気管
５・・・・・・・圧力センサ
６・・・・・・・リード線又はアンテナ
２０・・・・・・椅子
２１・・・・・・背もたれ
２２・・・・・・装着用ベルト
２３，２４・・・装着用止具
３１・・・・・・圧力センサの出力
３２・・・・・・ローパスフィルター
３３・・・・・・最大最小値検出器
４４・・・・・・最小検出器
４５・・・・・・判定部
８０１・・・・・圧力センサ
８０２・・・・・出力
８０３・・・・・ローパスフィルター
８０４・・・・・信号
８０５・・・・・微分器
８０６・・・・・整流器
８０７・・・・・整流
８０８・・・・・ＯＮ・ＯＦＦタイマ
８０９・・・・・カウント
８１０・・・・・演算回路
８１１・・・・・判定部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベッド，椅子又は衣服、ベルトなど生体に常時密着する部分に取付けられた密閉空気式音センサ、
密閉空気式音センサの出力から呼吸成分を選択的に濾波するローパスフィルター、
ローパスフィルターの出力から振巾の最大値，最小値を検出する検出器、
検出された最大値，最小値を数値化して表示する判定部、
とからなる刺激反応評価装置。
【請求項２】
ベッド，椅子又は衣服、ベルトなど生体に常時密着する部分に取付けられた密閉空気式音センサ、
密閉空気式音センサの出力から呼吸成分を選択的に濾波するローパスフィルター、
ローパスフィルターの出力から１又は複数回の呼吸周期に占める吸気時間と呼気時間の差を計算する演算回路、
計算された差時間を数値化して表示する判定部、
とからなる刺激反応評価装置。
【請求項３】
ベッドや椅子の脚に、ベッドや椅子上の生体の少なくとも一部の荷重が加わるように取付けられた密閉空気式音センサ。
密閉空気式音センサの出力から呼吸成分を選択的に濾波するローパスフィルター、
ローパスフィルターの出力から振巾の最大値，最小値を検出する検出器、
検出された最大値，最小値を数値化して表示する判定部、
とからなる刺激反応評価装置。
【請求項４】
ベッドや椅子の脚に、ベッドや椅子上の生体の少なくとも一部の荷重が加わるように取付けられた密閉空気式音センサ。
密閉空気式音センサの出力から呼吸成分を選択的に濾波するローパスフィルター、
ローパスフィルターの出力から１又は複数回の呼吸周期に占める吸気時間と呼気時間の差を計算する演算回路、
計算された差時間を数値化して表示する判定部、
とからなる刺激反応評価装置。
【請求項５】
動物の首輪，鞍などの装着具の常時動物の体に密着する部分に取り付けられた密閉空気式音センサ、
密閉空気式音センサの出力から呼吸成分を選択的に濾波するローパスフィルター、
ローパスフィルターの出力から振巾の最大値，最小値を検出する検出器，検出された最大値，最小値を数値化して表示する判定部、
とからなる刺激反応評価装置。
【請求項６】
動物の首輪，鞍などの装着具の常時動物の体に密着する部分に取り付けられた密閉空気式音センサ、
密閉空気式音センサの出力から呼吸成分を選択的に濾波するローパスフィルター、
ローパスフィルターの出力から１又は複数回の呼吸周期に占める吸気時間と呼気時間の差を計算する演算回路、
計算された差時間を数値化して表示する判定部、
とからなる刺激反応評価装置。

【図１】