精神ストレス評価とそれを用いた装置と精神ストレス評価方法とそのプログラム
【課題】心拍のゆらぎと呼吸情報を組み合わせて解析することによって、
被測定者のストレス状況を短時間にしかも精度よく計測する装置を開発する。
【解決手段】被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測部５と、この生体情報計測部５から計測した心拍周期と呼吸周期から，平均心拍周期と平均呼吸周期を求める平均周期解析部９と、心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析部１０と、平均呼吸周期の平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正部１２を有し，補正を行った後の座標点の集合に対して，定量処理を施すことで被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価部１１とを有する。
被測定者のストレス状況を短時間にしかも精度よく計測する装置を開発する。
【解決手段】被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測部５と、この生体情報計測部５から計測した心拍周期と呼吸周期から，平均心拍周期と平均呼吸周期を求める平均周期解析部９と、心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析部１０と、平均呼吸周期の平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正部１２を有し，補正を行った後の座標点の集合に対して，定量処理を施すことで被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価部１１とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被験者の精神的ストレス度を評価する精神ストレス評価ユニットとそれを用いた装置と精神ストレス評価方法とそのプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ストレスが多い現代社会においてストレスによる疲労を自覚している人は、国民の半数以上といわれている。人間がストレスを感じると不安、怒り、悲しみなど感情の反応が起こり、これらの心の状態はうつ病を代表とする心の病気になるだけでなく、疲労、食欲不振、発熱、不眠など身体状態にも影響を及ぼす。ストレスは、様々な疾病の一要因となっているばかりでなく、生活習慣病の遠因とも言われている。
このような背景から、近年では、メンタルヘルスの重要性が認識され、自身のストレス状況を認識し、ストレスコントロールを支援する機器へのニーズが高まっている。
一般に、人の精神ストレスは交感神経と副交感神経の亢進状態によって評価される。通常、交感神経と副交感神経のバランスはとれているが、精神ストレスによって自律神経が緊張してくると交感神経と副交感神経のバランスが乱れ、心拍のゆらぎに影響を与える。
心拍のゆらぎを用いて、身体状態の違いを可視化する手法のひとつにポアンカレ（ローレンツ）プロットがあり、広く知られている。
図２２、図２３は、心拍周期を計測する手段のひとつとして、心電図から心拍周期を計測し、ポアンカレプロットを生成する方法を示した図である。図２２の符号４０に示すような心電図波形が収集されると、まず、心拍と同期して発生するR波の位置が同定され、R波同士の間隔であるRR間隔、つまり、瞬時的な心拍周期が算出される。R波とは、心臓の収縮期と同期して発生する特徴的な波形で、RR間隔（RR(k)）とは、R波のｋ拍目（ｋは任意の整数）と、その一つ前のR波、つまり、ｋ−１拍目の拍動間隔をいう。図２２に示すように、ｋ拍目の時刻をt(k)と表記すると、ｋ拍目のRR間隔RR(k)は次式で表される。RR間隔は、瞬時的な心拍間隔を求めたもので、瞬時的な心拍周期は、心電図以外の心音や脈波、血流などから計測することもできる。
【０００３】
【数１】
【０００４】
（１）式にて算出されたR-R間隔に基づいて、図２３に示す２次元グラフ領域に、j番目の心拍周期RR(j)を横軸に、そのひとつ後j+1番目の心拍周期RR(j+1)を縦軸にプロットする。以降、j+1番目の心拍周期RR(j+1)を横軸に、j+2番目の心拍周期RR(j+2)を縦軸にプロットする。このような処理を連続するRR間隔に対して順次行うことで、ポアンカレプロットが生成される。
このようなポアンカレプロットを利用した装置としては、例えば特許文献１，２，３に開示された構成が知られている。特許文献１，２では、該当ポアンカレプロットを心電図波形の測定と並行してリアルタイムに表示させることで、被測定者がその場で心拍のゆらぎを把握できるリアルタイム拍動モニタが提案されている。特許文献３では、リアルタイムの表示に加えて呼吸のタイミングを指示することで自律神経の緊張を緩和させる機能を持った、ゆらぎ測定装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２１２０９５号公報
【特許文献２】特開２００１−２１２０８９号公報
【特許文献３】特開２００８−３６２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
心拍周期の変動は、自律神経における交感神経、副交感神経のバランス、血流や血圧、呼吸性洞性不整脈(RSA：Respiratory Sinus Arrhythmia)と呼ばれる呼吸リズムに同期した変動など、様々な生体活動に対して複雑に影響を受けて変化することが知られている。一方、ポアンカレプロットは、隣り合う心拍周期のばらつきを視覚的に表すことで、身体状態の変化を捉えることを目的としたものであるものの、呼吸動作によって生じる影響については考慮されていない。心拍周期の変動は、前述のとおり、自律神経における交感神経、副交感神経のバランス等によって生じるものであるが、生きている限り必要な通常の呼吸による影響が最も大きい。呼吸は自律神経に支配されているものの、意識によっても変動させることができる。このため、同じストレス状況でも呼吸の周期によって、違いが出にくい場合も多く、現状のポアンカレプロットだけでは、正確な精神ストレスの測定が難しかった。このようなことから、特許文献１乃至３に開示される発明においては、心拍変動の統計解析手法による指標、周波数解析手法による指標や、アンケートなどの定性的な指標を、医師をはじめとする専門家が総合的に判断する必要があった。すなわち、従来の技術においては、呼吸動作の影響を含めて心拍周期の変動に伴う精神状態を評価したものがなかった。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決すべくなされたものであって、被測定者のストレス状況を短時間にしかも自動的に、精度良く計測できる精神ストレス評価ユニットとそれを用いた装置と精神ストレス評価方法とそのプログラムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である精神ストレス評価ユニットは、被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測部と、この生体情報計測部から計測した心拍周期と呼吸周期から，予め定めた所定時間内の平均心拍周期と平均呼吸周期を求める平均周期解析部と、前記心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析部と、前記平均呼吸周期の前記平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正部を有し，前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，定量処理を施すことで前記被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価部と、を有することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、生体情報計測部が心拍周期と呼吸周期を計測し、平均周期解析部が平均心拍周期と平均呼吸周期を解析し、心拍ゆらぎ解析部では、心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算して２次元座標軸に座標点として入力するように作用する。さらに、精神ストレス評価部は、平均周期解析部で解析された平均心拍周期と平均呼吸周期の比ｒを演算し、これを用いて心拍ゆらぎ解析部で解析された心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）のｋとｒとして補正して２次元座標軸に対して座標点として入力し、さらにこのようにして得られた座標点の集合に対して定量値を得るための定量処理を施すことで、被測定者のストレスを評価するように作用する。
【０００９】
また、請求項２に記載される発明は、請求項１記載の精神ストレス評価ユニットにおいて、前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その外周囲の面積を演算し，この外周囲の面積を前記被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、請求項１に記載の発明の作用に加えて、精神ストレス評価部が定量処理として補正後の座標点の集合に対してその外周囲の面積を演算して被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価するように作用する。
【００１０】
請求項３に記載される発明は、請求項２記載の精神ストレス評価ユニットにおいて、 前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その外周囲の面積を演算し，この外周囲の面積を前記被測定者の生体情報に関する定量値とし，この定量値に関する前記被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、請求項２に記載の発明の作用に加えて、精神ストレス評価部が被測定者の生体情報に関する定量値を用いてストレス評価するに加えて、定量値に関する被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価するように作用する。
【００１１】
請求項４に記載される発明は、請求項１記載の精神ストレス評価ユニットにおいて、 前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その重心座標点と前記２次元座標軸の原点から前記重心座標点までの距離を演算し，この距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、請求項１に記載の発明の作用に加えて、精神ストレス評価部が定量処理として補正後の座標点の集合に対してその重心座標点と前記２次元座標軸の原点から前記重心座標点までの距離を演算して被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価するように作用する。
【００１２】
請求項５に記載される発明は、請求項４記載の精神ストレス評価ユニットにおいて、 前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その重心座標点と前記２次元座標軸の原点から前記重心座標点までの距離を演算し，この距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値とし，この定量値に関する前記被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、請求項４に記載の発明の作用に加えて、精神ストレス評価部が被測定者の生体情報に関する定量値を用いてストレス評価するに加えて、定量値に関する被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価するように作用する。
【００１３】
請求項６に記載される発明は、請求項１記載の精神ストレス評価ユニットにおいて、 前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合（座標点がｎ個存在するとする）に対して，ＫＬ展開（Karhunen-Loeve expansion）を用いn個の主成分を抽出し，このn個の主成分の平均値ベクトルとその分散共分散行列を求めて，これを基準ベクトルとし，この基準ベクトルとのマハラノビス距離を演算し，このマハラノビス距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、請求項１に記載の発明の作用に加えて、精神ストレス評価部が定量処理として補正後の座標点の集合に対してＫＬ展開（Karhunen-Loeve expansion）を用いn個の主成分を抽出し，このn個の主成分の平均値ベクトルとその分散共分散行列を求めて，これを基準ベクトルとし，この基準ベクトルとのマハラノビス距離を演算して被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価するように作用する。
【００１４】
請求項７に記載される発明は、請求項６記載の精神ストレス評価ユニットにおいて、 前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合（座標点がｎ個存在するとする）に対して，ＫＬ展開（Karhunen-Loeve expansion）を用いn個の主成分を抽出し，このn個の主成分の平均値ベクトルとその分散共分散行列を求めて，これを基準ベクトルとし，この基準ベクトルとのマハラノビス距離を演算し，このマハラノビス距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値とし，この定量値に関する前記被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、請求項６に記載の発明の作用に加えて、精神ストレス評価部が被測定者の生体情報に関する定量値を用いてストレス評価するに加えて、定量値に関する被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価するように作用する。
【００１５】
請求項８に記載される発明である精神ストレス評価装置は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載される精神ストレス評価ユニットと、前記２次元座標軸と，補正を行った後の前記座標点の集合と，前記被測定者の生体情報に関する定量値を示す表示部と、を備えることを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価装置においては、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載される精神ストレス評価ユニットの作用に加えて、表示部が、２次元座標軸と、補正を行った後の前記座標点の集合と、被測定者の生体情報に関する定量値を示すように作用する。
【００１６】
請求項９に記載される発明である精神ストレス評価方法は、被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測工程と、この生体情報計測工程で計測した心拍周期と呼吸周期から，予め定めた所定時間内の平均呼吸周期と平均心拍周期を求める平均周期計測工程と、前記心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析工程と、前記平均呼吸周期の前記平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正工程と、前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，定量処理を施すことで前記被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価工程と、を有することを特徴とするものである。
このように記載される発明である精神ストレス評価方法は、請求項１に記載される発明を方法発明として捉えたものであり、その作用は請求項１に記載の発明と同様である。
【００１７】
請求項１０に記載される発明である精神ストレス評価プログラムは、コンピュータにおいて、被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測工程と、この生体情報計測工程で計測した心拍周期と呼吸周期から，予め定めた所定時間内の平均呼吸周期と平均心拍周期を求める平均周期計測工程と、前記心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析工程と、前記平均呼吸周期の前記平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正工程と、前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，定量処理を施すことで前記被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価工程とを実行させることを特徴とするものである。
このように記載される発明である精神ストレス評価プログラムは、請求項１に記載される発明をプログラム発明として捉えたものであり、その作用は請求項１に記載の発明と同様である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の請求項１乃至請求項１０に記載の発明においては、被測定者の精神的ストレスを、専門家の判断を仰ぐことなく精度の高い評価を実施することができる。また、簡易な構成であるため、携帯に便利であり、被測定者の生体情報を一定時間取得することができれば、精神的なストレスに対して自動的に評価をすることができる。
また、特に請求項１乃至請求項７に記載の精神ストレス評価ユニット及び請求項１０に記載の精神ストレス評価プログラムにおいては、例えば携帯電話や携帯ゲーム機などに搭載可能であり、電話やゲームなどの機能に加えることで、それらの装置の付加価値を高めることができると同時に、利用者の健康管理に対する利便性も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る精神ストレス評価装置の外形図である。
【図２】実施の形態に係る精神ストレス評価装置のシステム構成図である。
【図３】実施の形態に係る精神ストレス評価装置の心拍周期計測部と呼吸周期計測部の詳細な構成を示すシステム構成図である。
【図４】呼吸の時間変動波形の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る精神ストレス評価ユニットを組み込んだ携帯電話の外形図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る精神ストレス評価ユニットを組み込んだ携帯ゲーム機の外形図である。
【図７】本実施の形態に係る精神ストレス評価方法の工程を示すフローチャートである。
【図８】（ａ）は従来のポアンカレプロットによる安静着席課題の解析結果を示す図であり、（ｂ）は本実施例に係るポアンカレプロットによる精神ストレス課題の解析結果を示す図である。
【図９】（ａ）は従来のポアンカレプロットによる安静着席課題の解析結果を示す図であり、（ｂ）は従来のポアンカレプロットによる精神ストレス課題の解析結果を示す図である。
【図１０】（ａ）は改良型新ポアンカレプロットによる安静着席課題の解析結果を示す図であり、（ｂ）は改良型新ポアンカレプロットによる精神ストレス課題の解析結果を示す図である。
【図１１】実験時において改良型新ポアンカレプロットを連続的に適用した結果の図である。
【図１２】図１１から改良型新ポアンカレプロットの面積を計測することで、ストレスの有無を比較した結果を示す図である。
【図１３】従来のポアンカレプロットの面積変化の時間推移を表す図である。
【図１４】改良型新ポアンカレプロットの面積変化の時間推移を表す図である。
【図１５】従来のポアンカレプロットの面積変化の平均を求め比較した結果を示す図である。
【図１６】改良型新ポアンカレプロットの面積変化の平均を求め比較した結果を示す図である。
【図１７】原点から重心までの距離の変化の平均を求め比較した結果を表す図である。
【図１８】（ａ）は改良型新ポアンカレプロットの面積変化の平均を求め比較した結果を表す図であり、（ｂ）は改良型新ポアンカレプロットの重心までの距離の変化を比較した結果を表す図である。
【図１９】改良型新ポアンカレプロットの面積変化の平均と重心までの距離の変化を組み合わせて比較した結果を表す図である。
【図２０】改良型新ポアンカレプロットの分布状況のパターン判別方式結果の平均を比較した結果を表す図である。
【図２１】改良型新ポアンカレプロットの分布状況のパターン判別方式で求めた結果の時間推移を表す図である。
【図２２】心拍（RR）間隔の時間変動波形の一例を示す図である。
【図２３】心電図波形に基づくポアンカレプロット方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る精神ストレス評価装置の外形図であり、図２は、精神ストレス評価装置のシステム構成図である。図１に示すように、精神ストレス測定装置１は、外見上、心拍周期計測用電極２と呼吸周期計測用センサー３の２つのセンサーおよび精神ストレス評価の結果を示すための表示部４を備えている。
さらに、精神ストレス測定装置１の内部については、図２のシステム構成図に示されるが、生体情報計測装置５、精神ストレス解析部８及び記憶部１４を備えている。
なお、精神ストレス評価ユニットは、このうち生体情報計測装置５と精神ストレス解析部８から構成されるものである。
【００２１】
生体情報計測装置５は心拍周期計測部６と呼吸周期計測部７から構成される。心拍周期計測部６は図１に示される２つの心拍周期計測用電極２を備え、図１に示されるように、それぞれの電極を利用者は手で持ち、心筋の活動電位に起因する電位差を増幅器によって増幅させることによって心電図信号として計測できる。計測された心電図信号からピーク間時間を測定するなど所定の処理を施すことによって、個々の心拍周期を計測する。この心拍周期計測部６は、心拍周期が測定可能であれば、測定原理や装着部位に特に限定されず、例えば胸部や下肢などに専用電極を用いて計測することも可能である。このほか、心筋の活動電位を計測するのではなく、脈波、心音、血流量などからも計測可能である。
【００２２】
呼吸周期計測部７は、図１に示される鼻孔に固定して使用するクリップ状の呼吸周期計測用センサー３を備える。これは、温度センサーであり、吸気と呼気の温度差を計測することによって呼吸を検知するものである。心拍周期同様、呼吸周期計測部７は、呼吸周期が測定可能であれば、測定原理や装着部位に特に限定されない。たとえば、呼吸による胸部や腹部の拡縮によって呼吸周期を計測する方法や、血中酸素量の変動から計測することも可能である。また、心拍周期と呼吸周期を同時に計測することも可能で、この場合は、心拍周期計測部６と呼吸周期計測部７が一体であってもよい。たとえば、心拍周期計測部６のみを使い、心電図のR波の振幅変動や心拍周期に含まれるRSA（呼吸性洞性不整脈）を検知することで呼吸周期計測を兼ねる構成にしてもよい。
【００２３】
精神ストレス解析部８は、被測定者の心拍周期と呼吸周期を所望の一定時間蓄積記録しつつその一定時間における平均心拍周期と平均呼吸周期を解析する平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９と、一定時間記録した心拍周期を用いて、心拍周期から精神ストレスに起因する微弱な心拍周期揺らぎの特徴を抽出する心拍揺らぎ解析部１０と、平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９において解析された平均心拍周期と平均呼吸周期を用いて、呼吸周期に由来するゆらぎ成分（RSA成分）を低減させる補正を実施する呼吸周期ゆらぎ補正部１２と、心拍揺らぎ解析部１０によって抽出された特徴から、呼吸周期ゆらぎ補正部１２を用いて呼吸周期に由来するゆらぎ成分を除去したうえで、心拍周期から精神ストレスに起因する微弱な心拍周期揺らぎの特徴を抽出し、この結果に対して定量処理を施すことで定量値を解析し、この定量値をもってストレス状況を評価する精神ストレス評価部１１と、評価された定量値（ストレス値）を表示することで精神ストレス状況を把握できる表示部１１を備えている。
なお、呼吸周期ゆらぎ補正部１２は、呼吸周期のゆらぎをもって心拍ゆらぎを補正するための補正部であることを意味し、呼吸周期のゆらぎ自体を補正するという意味ではない。
【００２４】
次に、精神ストレス測定装置１あるいは精神ストレス評価ユニット（５，８）を用いて被測定者の精神ストレスを評価する方法を図１、図３を参照しながら説明する。図３は、心拍周期計測部６と呼吸周期計測部７の詳細な構成を示すシステム構成図である。
図１において、心拍周期計測用電極２と呼吸周期計測用センサー３を、身体の所定部位に装着した状態で、精神ストレス評価装置１を作動させると、心拍周期計測用電極２から得られる生体電位（ここでは心筋電位）、および呼吸周期計測用センサー３が吸気と呼気の温度差を計測する。これらから計測された信号は、図３に示されるそれぞれの増幅器２１，３１で増幅され、心拍周期計測と呼吸周期計測に最適な遮断周波数が設定されたフィルタ２２，３２を介して、アナログデジタル変換器２３，３３によって、デジタルデータとして心拍信号記録部２４および呼吸信号記録部３４に格納される。このとき心拍周期の計測に用いる心電図信号は、例えば先に説明した図２２に示すような時間推移波形としての心電図波形４０を有しており、呼吸周期計測のための計測データは、例えば図４に示すような時間推移波形としての呼吸波形４１を有している。
【００２５】
本実施の形態においては、心拍周期計測部６及び呼吸周期計測部７においてそれぞれ心拍信号記録部２４と呼吸信号記録部３４を備えて心拍周期と呼吸周期に関するデータが格納されるように示したが、図２にも示されるとおり、生体情報計測装置５や精神ストレス解析部８とは別個に記憶部１４を設けて、この中に心拍周期計測データベース１５及び呼吸周期計測データベース１６として心拍周期と呼吸周期に関するデータを心拍周期計測部６や呼吸周期計測部７が読み出し可能に格納してもよい。もちろん、図２，３に示されるように両方を設けるようにしてもよい。その場合には、それぞれ格納されるデータは心拍周期計測部６や呼吸周期計測部７によって読み出されて同期され、再び格納されるようにしておくことが望ましい。
格納されたデータは、平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９によって読みだされて、処理される。平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９は、心拍周期計測部６に心拍信号記録部２４が、呼吸周期計測部７に呼吸信号記録部３４が設けられている場合には、これらから心拍周期、呼吸周期に関するデータを読み出し、また、記憶部１４に心拍周期計測データベース１５及び呼吸周期計測データベース１６が設けられている場合には、これらから心拍周期、呼吸周期に関するデータを読み出してもよい。
平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９は、心拍信号を処理するための拍動間隔検出処理部（図示せず）と、呼吸信号を処理するための呼吸間隔検出処理部（図示せず）を備えており、それぞれでデータを処理する。
【００２６】
まず、拍動間隔検出処理部での処理について記述する。心拍信号記録部２４（あるいは心拍周期計測データベース１５）に格納された心電図波形データは、まず、身体の動きなどによる筋電位などに起因する基線揺動や高調波ノイズを除去するために、15Hz〜100Hzのバンドパスフィルタに通される。その後、これを前述のRR間隔として演算する。以下では、変換したRR間隔データの数をN、ｋ番目のRR間隔をRR（ｋ）とする。このとき、１≦ｋ≦Nである。
【００２７】
【数２】
【００２８】
この式（１）で得られたRR間隔をｋ＝１からｋ＝Ｎまで加算して、これをＮで除した値を式（２）として示すが、これが平均心拍周期meanRRIとなる。
【００２９】
【数３】
【００３０】
次に、記憶部３４（あるいは呼吸周期計測データベース１６）に格納された呼吸データから、呼吸間隔検出処理部で平均の呼吸周期を調べる手法を図４に基づいて示す。まず、呼吸波形４１が上昇を始めたところから下降したところまでを１呼吸とみなし、測定したデータのすべての呼吸周期を求める。ここで、ある一定時間内に測定された呼吸周期の数をM [個]とする。ここで、ｌ（小文字のエル）（1≦ｌ（小文字のエル）≦M）番目の呼吸周期をRESP（ｌ（小文字のエル））すると平均呼吸周期meanRESPは次の式で求められる。
【００３１】
【数４】
【００３２】
次に心拍ゆらぎ解析部１０は、先に図２３に示されるようなRR（n）とRR（n+ｋ）を組にしたポアンカレプロットを２次元座標軸に座標点としてプロットするものである。なお、この座標点としてプロットするということは、RR（n）とRR（n+ｋ）を組にしたポアンカレプロットを座標点のデータセットとして２次元座標軸上に表現可能に処理することを意味する。
次に、先の平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９を用いて得られた平均心拍周期（式（２））と平均呼吸周期meanRESP（式（３））から、呼吸周期ゆらぎ補正部１２では、まず、平均呼吸周期を平均心拍周期における拍数ｒに換算する。具体的にｒは次の式（４）で求められる。
【００３３】
【数５】
【００３４】
このようにして求めたｒを用いて、呼吸周期ゆらぎ補正部１２では、心拍ゆらぎ解析部１０で得られたRR（n）とRR（n+ｋ）を組にしたポアンカレプロットに対して、ｋをｒに置き換えて、２次元座標軸に座標点としてプロットされたポアンカレプロットを補正する。すなわち、呼吸周期ゆらぎ補正部12でRSA（呼吸性洞性不整脈）成分を低減する補正を実施した改良型新ポアンカレプロット（以下、改良型新ポアンカレプロット）を求める。
このようなポアンカレプロットの補正を行うことで、その後のポアンカレプロットは、いわば前述のRSA成分を低減した改良型新ポアンカレプロットとしてプロットされていることになる。
【００３５】
精神ストレス測定部１１では、呼吸周期ゆらぎ補正部１２によって補正された後の改良型新ポアンカレプロットから精神ストレスの状況を定量処理して定量値を得る解析を実施する。その定量処理方法は、得られた改良型新ポアンカレプロットの外形、分布状況、重心、面積などを組み合わせた結果を用いて数的処理を行うことで定量値を求める方法と、さらにその方法に加えて事前に測定しておいた非ストレス時のデータ（定量値）を評価基準データとして比較を行うことで実施する。もちろん、非ストレス時のデータのみならず、ストレス時のデータを予め校正値（キャリブレーション値）として備えておき、解析によって得られた定量値をこの校正値で校正しながら、非ストレス時のデータ基準値と比較するようにしてもよい。これらの予め測定された非ストレス時のデータやストレス時のデータは、図２に示される記憶部１４の評価基準データベース１７に格納されており、精神ストレス評価部１１は、適宜評価基準データベース１７からこれらのデータを読み出して評価を行う。
なお、改良型新ポアンカレプロットの集合から精神ストレスの状況を定量処理するための方法については、実施例３乃至実施例７の方法を用いることができ、後述する。
精神ストレス評価部１１における評価は、常に非ストレス時のデータを評価基準として評価されなくともよいと考えられる。それは、たとえば利用者（被測定者）が本実施の形態に係る精神ストレス評価装置１の使用を重ねることで、ある程度自分自身の通常値を把握できている場合には、測定した結果をそのまま定量値として示すことで利用者の精神ストレスの状況が把握できるためである。
また、ストレス評価に対する結果は、単に定量値として示したり、あるいは非ストレス時のデータと比較することでストレスの有無として出力するだけではなく、予め測定されたストレス時のデータをストレスの大小に合わせて定量的に複数そろえておき、これとの比較しながら示すことで、ストレスの程度として多段階で出力することもできる。
【００３６】
精神ストレス評価部１１における評価結果は、図１，２に示される表示部４によって、被測定者に提示される。表示の仕方としては、先の２次元座標軸に座標点としてプロットされたポアンカレプロットや改良型新のポアンカレプロット、また、定量処理された結果としての定量値、また、非ストレス時のデータやその値との比較結果、ストレスの有無に関する回答、さらには、ストレス時のデータやその値との比較結果、すなわち、段階的に示されるストレスの状況などである。図１の表示部４に示される４／５とは、５段階のストレスレベルのうちの４段階に位置していることを示しており、ストレスがある程度大きく評価されていることを示している。また、図１の表示部４には、他に改良型新ポアンカレプロットが２次元座標軸に含めて表示されている。
なお、この２次元座標軸と改良型新ポアンカレプロット（座標点の集合）は、評価と併せて表示されることが望ましいものの、必ずしも表示されなくともよい。最終的な精神ストレス状況に対する評価が表示されていれば被測定者は精神的な状態を把握し得るためである。
精神ストレス評価部１１によって評価された被測定者のストレスに関するデータは、評価結果データベース１８に読み出し可能に格納される。
なお、記憶部１４は図２において示されるように精神ストレス解析部８とは別個独立に設けるように示されているが、これを精神ストレス解析部８の内部に構成するようにしてもよい。従って、精神ストレス評価ユニットとして用いる場合でも、記憶部１４を含めて、この記憶部１４に格納されている心拍周期計測データベース１５、呼吸周期計測データベース１６、評価基準データベース１７及び評価結果データベース１８も含めてユニットとして扱うようにしてもよい。
【００３７】
以上説明したとおり、本実施の形態に係る精神ストレス評価装置１及び精神ストレス評価ユニットによれば、呼吸による心拍の影響を除くことで、より精度の高い精神ストレス評価が可能になり、被測定者の精神ストレス状況が短時間にしかも高精度に計測することが可能になる。呼吸による心拍の影響を除くことで、これまで医師などの専門家の判断を必要としていた評価よりも簡単に高精度の評価を実施することができる。また、精神ストレス評価ユニットとすることで、携帯電話や携帯ゲーム機、さらにはポータブルＡＶ機器やモバイル型パソコン、携帯情報端末（ＰＤＡ）などに容易に組み込むことが可能であり、場所や時間を選ぶことなく、利用者のストレス状態を計測、評価することが可能となり利用者の健康管理や精神状態の管理、把握を容易に実施することができる。もちろん、これらの機器の製造メーカにとっても高機能の装置や端末を提供できることで商品の高付加価値化を推進可能であり、消費者ニーズを捉えた商品作りを行うことも可能である。
【００３８】
このように精神ストレス評価ユニットとして展開する場合の具体的な例を実施例１として、以下に図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００３９】
実施例１は、これまで説明した実施の形態に係る精神ストレス評価ユニットを携帯電話に組み込んだことを特徴とするものである。
図５は本発明の実施例１に係る精神ストレス評価ユニットを組み込んだ携帯電話の外形図である。実施の形態における心拍周期計測用電極（２）を携帯電話５０の上部と下部に備え、それぞれの上部電極５１，５１と下部電極５２,５２を手で持つことで心電図信号の計測を行う。
呼吸周期計測は、心電図のR波の振幅変動を利用して測定する。このほか、呼吸周期の計測は、呼吸性胴性不整脈の検知や、呼吸を測定するための独立したセンサーを取り付けて計測してもよい。この場合には、別途呼吸周期を測定するためのセンサーを接続するための端子を携帯電話５０に備えるようにするとよい。また、上部電極５１や下部電極５２等の電極ではなく光電脈波計などを利用して脈波を検知して心拍周期を計測してもよく、その場合でも、呼吸性不整脈の検知や、呼吸を計測するための独立したセンサーを用いてもよい。
【００４０】
図３に示される増幅器２１、フィルタ２２などの心拍周期計測部６および呼吸周期計測部７、平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９、心拍ゆらぎ解析部１０、精神ストレス評価部１１、及び呼吸周期ゆらぎ補正部１２は精神ストレス評価ユニットとして携帯電話に内蔵される。
精神ストレス評価部１１で得られた精神ストレス評価の結果は、携帯電話の表示部５３によって、被測定者に提示される。前述のとおり図２に示される記憶部１４を精神ストレス解析部８に含めることによれば、もちろん、携帯電話５０の内部に精神ストレス評価ユニットとして含まれることになる。あるいは、記憶部１４は、携帯電話５０に備えられている記憶部を共用してもよいことはいうまでもない。
このように、先に説明した本実施の形態に係る精神ストレス評価ユニットを日頃持ち運ぶ携帯電話に組み込むことで、日常生活でのストレス評価や、電話をかける際の精神安定性を測ることが可能になる。
さらに、精神ストレス評価ユニットとして展開する場合の具体的なもう一つの例を実施例２として、以下に図面を参照しながら説明する。
【実施例２】
【００４１】
実施例２は、これまで説明した実施の形態に係る精神ストレス評価ユニットを携帯ゲーム機に組み込んだことを特徴とするものである。
図６は本発明の実施の形態に係る精神ストレス評価ユニットを組み込んだ携帯ゲーム機の外形図である。実施の形態における心拍周期計測用電極（２）を備えた外部インターフェース６０をゲーム機６１にとりつけ、電極６２を両手で持つことで心電図計測を行う。また電極６２ではなく、光電脈波計を利用して心拍をとってもよい。
呼吸は、心電図のR波の振幅変動を利用して行う。もしくは呼吸性不整脈の検知や、呼吸を測定するための独立したセンサーを利用しても良い。この場合も前述のとおり、別途呼吸周期を測定するためのセンサーを接続するための端子を外部インターフェース６０あるいは携帯ゲーム機６１に備えるとよい。
【００４２】
図３に示される増幅器２１、フィルタ２２などの心拍周期計測部６および呼吸周期計測部７、平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９、心拍ゆらぎ解析部１０、精神ストレス評価部１１、及び呼吸周期ゆらぎ補正部１２は精神ストレス評価ユニットとして外部インターフェース６０に内蔵される。心拍ゆらぎ解析部１０、精神ストレス評価部１１についてはゲーム機６１の中央演算装置（CPU）を共用してもよい。
精神ストレス評価部１１で得られた精神ストレス評価の結果は、ゲーム機６１の表示部によって、被測定者に提示される。もしくは、判定結果をゲームの動作パラメータとして反映させることで精神ストレス状態によってゲームの展開を変化させたり、ストレス状況に応じて難易度が変化するアクションゲームなどを提供することもできる。また、嘘発見器などパーティグッズとして利用してもよい。
また、図６では携帯ゲーム機に取り付けるものとして提案しているが、据置き型ゲーム機のインターフェースとして、本実施例２を利用しても良い。このほか、地上デジタル放送の各種エンターテイメント系コンテンツなどへストレス状況を反映させることもできる。
このように、本実施の形態に係る精神ストレス評価ユニットをゲーム機に組み込むことで、ストレス状況を用い、反映させることで、新たなエンターテイメントを提供することもできる。
【００４３】
次に、本発明の他の実施の形態に係る精神ストレス評価方法とそのプログラムについて図７を参照しながら説明する。
図７は、本実施の形態に係る精神ストレス評価方法の工程を示すフローチャートであり、また、コンピュータに実行させるための工程を示してプログラムの実施の形態について説明するものでもある。
図７において、ステップＳ１は生体情報計測工程を示しており、この生体情報計測工程は、ステップＳ１−１の心拍周期計測工程とステップＳ１−２の呼吸周期計測工程に分けることができる。但し、このステップＳ１−１とステップＳ１−２は便宜的に順序をつけているものであり、逆順としてもよい。
ステップＳ１−１では、先に説明した生体情報計測装置５の心拍周期計測部６において実施されることとして説明したように、被測定者の心拍周期を計測するものである。また、ステップＳ１−２では、同様に呼吸周期計測部７において実施されることとして説明した呼吸周期を測定するものである。
ステップＳ１において測定された心拍周期に関するデータと呼吸周期に関するデータを用いて、ステップＳ２では、その平均周期を解析する。平均周期を解析するにあたっては、予め定めた一定の時間における心拍周期と呼吸周期の平均値を解析し、それぞれ平均心拍周期と平均呼吸周期とする。
この工程は、先に説明した精神ストレス解析部８の平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９において実行される工程として捉えることが可能である。したがって、心拍信号を処理するための拍動間隔検出処理工程や、呼吸信号を処理するための呼吸間隔検出工程を備えており、それぞれの工程でデータを処理してＲＲ間隔やＲＥＳＰを演算し、平均周期を解析する。
【００４４】
つぎに、ステップＳ３では、先に説明した心拍ゆらぎ解析部１０の機能を工程として捉えるものであり、心拍ゆらぎ解析部１０と同じくポアンカレプロットを２次元座標軸上に座標点として入力するものである。
さらに、ステップＳ４では、精神ストレス解析部８の呼吸周期ゆらぎ補正部１２の機能を工程として捉えるものであり、ステップＳ２で得られた平均呼吸周期を平均心拍周期における拍数ｒに換算し、このｒの値をステップＳ３において得られるRR（n）とRR（n+ｋ）を組にしたポアンカレプロットに対して、ｋをｒに置き換えて、２次元座標軸に座標点としてプロットされたポアンカレプロットを補正するのである。
このようにして得られた補正された改良型新ポアンカレプロットの２次元座標軸上での集合に対して、ステップＳ５では、精神ストレス評価を実施する。このステップＳ５は、ステップＳ５−１として定量処理工程と、ステップＳ５−２として基準値比較処理工程の２工程が存在する。
このステップＳ５の工程は、先に説明した精神ストレス評価部１１の機能を工程として捉えたものである。したがって、このステップＳ５で実施される処理は、すでに説明した精神ストレス評価部１１における処理と同様である。
また、これらのステップＳ１からステップＳ５までに実行される工程におけるデータのやりとりも、先に説明した精神ストレス評価ユニットと精神ストレス評価装置に関する実施の形態における説明と同様である。
【００４５】
したがって、これらの工程ステップＳ１からステップＳ５までをコンピュータに実行させる場合には、先に説明した生体情報計測装置５、精神ストレス解析部８、表示部４及び記憶部１４がそれぞれコンピュータにおけるセンサや測定装置、演算処理装置、ディスプレイ、記憶装置などに相当し、また、コンピュータ本体に備えられていない装置については外付けの装置を想定しながら、それらを動作させるためにプログラミングされることを意味している。したがって、これらのステップＳ１からステップＳ５までをコンピュータに実行させるためのプログラムの実施の形態の説明として成立するものである。また、このようなプログラムにおいても、それぞれ測定されたデータや予め格納されているデータ、さらには解析後に得られるデータや評価結果に関するデータは、それぞれコンピュータを構成するハードウェア間で読みだしたり格納されたりするものであり、そのコンピュータ上のハードウェアは、先の実施の形態において説明した精神ストレス評価ユニット及び精神ストレス評価装置を構成するハードウェアに対応してコンピュータにおいて想定されるハードウェアである。
図７では、生体情報計測装置５、精神ストレス解析部８、表示部４、記憶部１４が表示されているが、これはこれらのハードウェアの機能を備えたハードウェアを備えるものであればよく、コンピュータ上に想定されるハードウェアでもよいことは言うまでもない。
このように構成される精神ストレス評価方法あるいは精神ストレス評価プログラムにおいても、先に説明した精神ストレス評価ユニット及び精神ストレス評価装置における効果と同様の効果を発揮し得る。
【００４６】
また、実施例１及び実施例２として示した携帯電話や携帯ゲーム機の他、先に述べたポータブルＡＶ機器やモバイル型パソコン、携帯情報端末（ＰＤＡ）などにプログラムとして容易に組み込むことが可能である。但し、ハードウェアとして不足する構成要素については別途内蔵あるいは外付けの付属機器とする必要がある。
次に、以上説明した実施の形態あるいは実施例について、実際のデータを用いてストレスの評価を実施してみたので、これを実施例３として説明する。
【実施例３】
【００４７】
ある被験者に対して、暗算課題をストレス課題とし、本実施の形態に係る精神ストレス評価方法の精度確認を行った。被験者は、短い時間間隔（10秒間隔）で出題される暗算課題（例えば3桁と1桁の自然数の乗算など）を解き、答えに該当する数字を、テンキーを介して入力回答する。これにより、軽度のパニック性の精神的ストレス、計算に連続して回答しなければならないための疲労ストレスを受ける。さらに、暗算課題を間違えたときは不快な警告音をだすことで、正答しなければいけないという緊張性のストレスも受ける。暗算によるストレス課題に対する対象的な状況として、暗算課題の前後に10分間程度座位のまま安静状態での計測も行った。
各課題の被験者の心電図と呼吸を計測し、隣接する心拍周期の関係をプロットした、従来のポアンカレプロットを行った結果を図８に示す。図８（ａ）が安静着席課題を行ったときの改良型新ポアンカレプロット、図８（ｂ）が精神ストレス課題を行ったときのポアンカレプロットである。
安静時においては、心拍周期は700[ms]〜1200[ms]で比較的長く、ばらつきも大きいが、ストレス課題を与えている時にプロットした図８（ｂ）では、心拍周期が短くなり（心拍数が速くなり）、ばらつきが小さくなる、つまり、プロットした点群が集中することで、プロット面積が小さくなっている。なお、図８（ａ）、（ｂ）中に示されるＬ／Ｔとは、Ｔがプロットの集合における長軸長であり、Ｌが同じく短軸長である。すなわち、長軸長は、プロットの集合が存在している範囲の縦軸ｙと横軸ｘにおいてｙ＝ｘの軸上の範囲長さを意味しており、短軸長は、このｙ＝ｘへプロットの集合から垂線を下ろした際に最も長い距離を意味しているものである。この図８（ａ）では、Ｌ／Ｔが６．３９であり、図８（ｂ）では同様に２．８０であることから図８（ａ）に示されるプロットの集合の方が（ｂ）に示されるプロットの集合よりもばらついて分布していることが定量的に理解される。
したがって、このＬ／Ｔを定量値として被検者のストレス状況として評価してもよいと考えられる。
【００４８】
図９は、図８とは異なる被験者に対して同様な手法を適用してポアンカレプロットを求めた結果である。図９（ａ）は安静時、図９（ｂ）はストレス課題時の時の結果であるが、このポアンカレプロットでは呼吸周期ゆらぎ補正部による補正を実施していないため、両者の違いがほとんどわからなくなっている。
しかしながら、本願発明の実施の形態における呼吸周期ゆらぎ補正部を用いて得られた改良型新ポアンカレプロットを適用した結果が図１０である。この改良型新ポアンカレプロットとは、呼吸周期ゆらぎ補正部１２を用いて補正を行った後のポアンカレプロットを意味するものである。図１０（ａ）が安静時で、比較的ばらつきが見られるが、図１０（ｂ）のストレス課題時にはプロットが集中することで、違いを明確にすることができる。更に、改良型新ポアンカレプロットを、計測時間推移に沿って示したものが図１１である。それぞれの図上に記してある時刻の符号７０で示されている個所は、それぞれの改良型新ポアンカレプロットが終了した時の、実験開始から経過した時間を意味する。また、それぞれの改良型新ポアンカレプロットでは１００秒間のデータを利用している。この実験では、９４０〜１６４０秒にかけてストレス課題を与えている。図１１の四角で囲った部分で、符号７１で示されている個所がストレス課題を与えた部分に相当するが、その前後の安静時に比べて形状が異なっていることがわかる。
更に、ポアンカレプロットの簡易指標のひとつとして、ポアンカレプロットのプロット面（プロットの集合）を外形線で囲み、その面積を求める方法がある。図１２に安静着席課題と精神ストレス課題とで比較した結果を示す。図１２の縦軸は面積を規格化したものである。これをみると、安静着席課題と精神ストレス課題の間に明確な差を見て取ることができる。更に、８名の被験者に対しても同様の測定を実施し、ストレス課題を与えているときと、その前後の安静時において、有意な差があるかt検定を用いて検証した。その結果、危険率１％で有意な差があることを確認している。
【実施例４】
【００４９】
実施例３と同様の実験を別の被験者に対して行った。実験後のアンケートでは被験者から「計算中にあせりがどちらかといえばあった」「計算中、どちらかといえば緊張していた」という回答があり、被験者は計算負荷中緊張していたことが分かっている。
図１３は従来のポアンカレプロットを利用したときの面積変化（７３）、図１４は本願発明による手法である改良型新ポアンカレプロットを利用したときの面積変化（７５）である。図１３、１４で縦軸は面積を規格化したものである。両図面で、リラックス状態７３、７６と計算負荷状態７４，７７を比較した場合、本願発明の手法の方が、明らかに面積変化が大きいことが分かる。
リラックス状態と計算負荷状態における面積の平均を示したのが図１５と図１６である。図１５は呼吸効果を考慮しない従来のアンカレプロットを適用したときの結果で、図１６は、改良型新ポアンカレプロットを適用したときの結果である。図１５、１６の縦軸は面積を規格化したものである。この被験者の場合、従来のポアンカレプロットを適用してストレス指標を求めた図１５では、ストレス印加時に面積が増加している。つまり、ストレスを感じているのに、この指標では、ストレスが低減していると示している。この指標だけでは、正確なストレス計測が出来ていないことがわかる。この結果に対し、改良型新ポアンカレプロットを適用して面積指標を求めた、図１６では、ストレス課題時に明示的に面積が減少している。以上のことから、従来のポアンカレプロットと比較して改良型新ポアンカレプロットが正確に心理状態を捉えていることが分かる。
【実施例５】
【００５０】
面積変化を用いた測定の他に、プロット重心を用いて測定することもできる。
重心とは、ポアンカレプロットを横軸上に投影した時の平均RRI（＝ａｖｅＲＲＩｘ），縦軸上に投影した時の平均RRI（＝ａｖｅＲＲＩｙ）から（ａｖｅＲＲＩｘ，ａｖｅＲＲＩｙ）と求めることができる。ここでは、指標として原点から重心までの距離gを採用した。gは次式（５）で求めることができる。
【００５１】
【数６】
【００５２】
結果を図１７に示す。ただし、ここでgは正規化を行っている。図から分かるように、ストレス印加時に、gが小さくなっていることが分かる。
【実施例６】
【００５３】
また、上記で求めた複数の指標を組み合わせることも可能である。ここでは面積と重心を組み合わせる。なお、複数の説明変数に対する重回帰分析などの判別分析方法を採用することも可能であるが、ここでは説明を容易にするため、面積とgを掛け合わせたもので行った。
結果を図１８に示す。図１８（ａ）が面積のみで評価を行ったもの、図１８（ｂ）が原点から重心までの距離で評価を行ったもの、図１９が二つの指標を利用して算出した結果である。なお、ここではストレス印加時のデータを1と規格化している。図から図１９が最も差を明確に表していることが分かる。より、精度の高い測定を行うことが可能となっている。
【実施例７】
【００５４】
次に、ポアンカレプロットの分布状況によるパターン判別手法を利用して、ストレス状態を計測する方法について説明する。基準パターンとしては、ストレス印加状態のポアンカレプロットとした。
この散布図の分布状況を効率よく表す手法としてＫＬ展開(Karhunen-Loeve expansion)を用いn個の主成分を抽出する。これを基準パターンとして学習するポアンカレプロットすべてに行う。得られたn個の主成分の平均値ベクトルを下式（６）として、
【００５５】
【数７】
【００５６】
この平均値ベクトルμと、その分散共分散行列Σを求めて、これを基準ベクトルとする。
これを用いて、基準ベクトルとのマハラノビス距離を求めることで、ストレス状況の指標とすることができる。つまり、マハラノビス距離が小さければ緊張状態にあり、逆に大きければ安静状態であると推測できる。
【００５７】
図２０はある被験者に対し、ストレス（計算負荷）を与えたときのマハラノビス距離を求めた結果である。
【００５８】
また、図２１に、計測時間100［ｓ］で、1［min］毎に連続計測した結果の時間推移グラフを示す。計算ストレスを与えている時間はグラフ上の1898〜2805[s]である。なお、基準パターンに利用したデータと、判別を行ったデータは別の日に取得したものである。計算負荷中に急激にマハラノビス距離が小さくなり、ストレス印加状態に入っていることが分かる。図２１において、符号８０は改良型新ポアンカレプロットの分布状況のパターン判別方式によって得られた結果の時間推移であり、符号８１はリラックス状態範囲で、符号８２は計算負荷状態範囲である。
このように、提案手法による改良型新ポアンカレプロットを用いれば、その分布状況から得た特徴を利用することで、高精度なストレス測定をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上説明したように、本発明の請求項１乃至請求項１０に記載された発明は、被測定者の精神ストレス状況が短時間にしかも高精度に計測すること可能な精神ストレス評価装置、精神ストレス評価ユニット、精神ストレス評価プログラムを提供することが可能であり、個人的な健康管理ツールとして携帯されたり、一般の企業の健康管理室や学校の保健室に常備される健康管理器具あるいは生体情報計測器具として利用される可能性がある。もちろん、医療機関や介護施設などで簡易に手軽に利精神ストレス評価のために利用される可能性も高い。
【符号の説明】
【００６０】
１…精神ストレス評価装置 ２…心拍周期計測用電極 ３…呼吸周期計測用センサー ４…表示部 ５…生体情報計測装置 ６…心拍周期計測部 ７…呼吸周期計測部 ８…精神ストレス解析部 ９…平均心拍周期・平均呼吸周期解析部 １０…心拍ゆらぎ解析部 １１…精神ストレス評価部 １２…呼吸周期ゆらぎ補正部 １４…記憶部 １５…心拍周期計測データベース １６…呼吸周期計測データベース １７…評価基準データベース １８…評価結果データベース ２１…増幅器 ２２…フィルタ ２３…アナログデジタル変換器 ２４…心拍信号記録部 ３１…増幅器 ３２…フィルタ ３３…アナログデジタル変換器 ３４…呼吸信号記録部 ４０…心電図波形 ４１…呼吸波形 ５０…携帯電話 ５１…上部電極 ５２…下部電極 ５３…表示部 ６０…外部インターフェース ６１…携帯ゲーム機 ６２…電極 ７０…ポアンカレプロットの終了時刻 ７１…精神ストレス課題を与えた範囲 ７２…ポアンカレプロットの面積変化 ７３…リラックス状態範囲 ７４…計算負荷状態範囲 ７５…改良型新ポアンカレプロットの面積変化 ７６…リラックス状態範囲 ７７…計算負荷状態範囲 ８０…改良型新ポアンカレプロットの分布状況のパターン判別方式によって得られた結果の時間推移 ８１…リラックス状態範囲 ８２…計算負荷状態範囲
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被験者の精神的ストレス度を評価する精神ストレス評価ユニットとそれを用いた装置と精神ストレス評価方法とそのプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ストレスが多い現代社会においてストレスによる疲労を自覚している人は、国民の半数以上といわれている。人間がストレスを感じると不安、怒り、悲しみなど感情の反応が起こり、これらの心の状態はうつ病を代表とする心の病気になるだけでなく、疲労、食欲不振、発熱、不眠など身体状態にも影響を及ぼす。ストレスは、様々な疾病の一要因となっているばかりでなく、生活習慣病の遠因とも言われている。
このような背景から、近年では、メンタルヘルスの重要性が認識され、自身のストレス状況を認識し、ストレスコントロールを支援する機器へのニーズが高まっている。
一般に、人の精神ストレスは交感神経と副交感神経の亢進状態によって評価される。通常、交感神経と副交感神経のバランスはとれているが、精神ストレスによって自律神経が緊張してくると交感神経と副交感神経のバランスが乱れ、心拍のゆらぎに影響を与える。
心拍のゆらぎを用いて、身体状態の違いを可視化する手法のひとつにポアンカレ（ローレンツ）プロットがあり、広く知られている。
図２２、図２３は、心拍周期を計測する手段のひとつとして、心電図から心拍周期を計測し、ポアンカレプロットを生成する方法を示した図である。図２２の符号４０に示すような心電図波形が収集されると、まず、心拍と同期して発生するR波の位置が同定され、R波同士の間隔であるRR間隔、つまり、瞬時的な心拍周期が算出される。R波とは、心臓の収縮期と同期して発生する特徴的な波形で、RR間隔（RR(k)）とは、R波のｋ拍目（ｋは任意の整数）と、その一つ前のR波、つまり、ｋ−１拍目の拍動間隔をいう。図２２に示すように、ｋ拍目の時刻をt(k)と表記すると、ｋ拍目のRR間隔RR(k)は次式で表される。RR間隔は、瞬時的な心拍間隔を求めたもので、瞬時的な心拍周期は、心電図以外の心音や脈波、血流などから計測することもできる。
【０００３】
【数１】
【０００４】
（１）式にて算出されたR-R間隔に基づいて、図２３に示す２次元グラフ領域に、j番目の心拍周期RR(j)を横軸に、そのひとつ後j+1番目の心拍周期RR(j+1)を縦軸にプロットする。以降、j+1番目の心拍周期RR(j+1)を横軸に、j+2番目の心拍周期RR(j+2)を縦軸にプロットする。このような処理を連続するRR間隔に対して順次行うことで、ポアンカレプロットが生成される。
このようなポアンカレプロットを利用した装置としては、例えば特許文献１，２，３に開示された構成が知られている。特許文献１，２では、該当ポアンカレプロットを心電図波形の測定と並行してリアルタイムに表示させることで、被測定者がその場で心拍のゆらぎを把握できるリアルタイム拍動モニタが提案されている。特許文献３では、リアルタイムの表示に加えて呼吸のタイミングを指示することで自律神経の緊張を緩和させる機能を持った、ゆらぎ測定装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２１２０９５号公報
【特許文献２】特開２００１−２１２０８９号公報
【特許文献３】特開２００８−３６２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
心拍周期の変動は、自律神経における交感神経、副交感神経のバランス、血流や血圧、呼吸性洞性不整脈(RSA：Respiratory Sinus Arrhythmia)と呼ばれる呼吸リズムに同期した変動など、様々な生体活動に対して複雑に影響を受けて変化することが知られている。一方、ポアンカレプロットは、隣り合う心拍周期のばらつきを視覚的に表すことで、身体状態の変化を捉えることを目的としたものであるものの、呼吸動作によって生じる影響については考慮されていない。心拍周期の変動は、前述のとおり、自律神経における交感神経、副交感神経のバランス等によって生じるものであるが、生きている限り必要な通常の呼吸による影響が最も大きい。呼吸は自律神経に支配されているものの、意識によっても変動させることができる。このため、同じストレス状況でも呼吸の周期によって、違いが出にくい場合も多く、現状のポアンカレプロットだけでは、正確な精神ストレスの測定が難しかった。このようなことから、特許文献１乃至３に開示される発明においては、心拍変動の統計解析手法による指標、周波数解析手法による指標や、アンケートなどの定性的な指標を、医師をはじめとする専門家が総合的に判断する必要があった。すなわち、従来の技術においては、呼吸動作の影響を含めて心拍周期の変動に伴う精神状態を評価したものがなかった。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決すべくなされたものであって、被測定者のストレス状況を短時間にしかも自動的に、精度良く計測できる精神ストレス評価ユニットとそれを用いた装置と精神ストレス評価方法とそのプログラムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である精神ストレス評価ユニットは、被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測部と、この生体情報計測部から計測した心拍周期と呼吸周期から，予め定めた所定時間内の平均心拍周期と平均呼吸周期を求める平均周期解析部と、前記心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析部と、前記平均呼吸周期の前記平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正部を有し，前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，定量処理を施すことで前記被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価部と、を有することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、生体情報計測部が心拍周期と呼吸周期を計測し、平均周期解析部が平均心拍周期と平均呼吸周期を解析し、心拍ゆらぎ解析部では、心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算して２次元座標軸に座標点として入力するように作用する。さらに、精神ストレス評価部は、平均周期解析部で解析された平均心拍周期と平均呼吸周期の比ｒを演算し、これを用いて心拍ゆらぎ解析部で解析された心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）のｋとｒとして補正して２次元座標軸に対して座標点として入力し、さらにこのようにして得られた座標点の集合に対して定量値を得るための定量処理を施すことで、被測定者のストレスを評価するように作用する。
【０００９】
また、請求項２に記載される発明は、請求項１記載の精神ストレス評価ユニットにおいて、前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その外周囲の面積を演算し，この外周囲の面積を前記被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、請求項１に記載の発明の作用に加えて、精神ストレス評価部が定量処理として補正後の座標点の集合に対してその外周囲の面積を演算して被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価するように作用する。
【００１０】
請求項３に記載される発明は、請求項２記載の精神ストレス評価ユニットにおいて、 前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その外周囲の面積を演算し，この外周囲の面積を前記被測定者の生体情報に関する定量値とし，この定量値に関する前記被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、請求項２に記載の発明の作用に加えて、精神ストレス評価部が被測定者の生体情報に関する定量値を用いてストレス評価するに加えて、定量値に関する被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価するように作用する。
【００１１】
請求項４に記載される発明は、請求項１記載の精神ストレス評価ユニットにおいて、 前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その重心座標点と前記２次元座標軸の原点から前記重心座標点までの距離を演算し，この距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、請求項１に記載の発明の作用に加えて、精神ストレス評価部が定量処理として補正後の座標点の集合に対してその重心座標点と前記２次元座標軸の原点から前記重心座標点までの距離を演算して被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価するように作用する。
【００１２】
請求項５に記載される発明は、請求項４記載の精神ストレス評価ユニットにおいて、 前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その重心座標点と前記２次元座標軸の原点から前記重心座標点までの距離を演算し，この距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値とし，この定量値に関する前記被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、請求項４に記載の発明の作用に加えて、精神ストレス評価部が被測定者の生体情報に関する定量値を用いてストレス評価するに加えて、定量値に関する被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価するように作用する。
【００１３】
請求項６に記載される発明は、請求項１記載の精神ストレス評価ユニットにおいて、 前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合（座標点がｎ個存在するとする）に対して，ＫＬ展開（Karhunen-Loeve expansion）を用いn個の主成分を抽出し，このn個の主成分の平均値ベクトルとその分散共分散行列を求めて，これを基準ベクトルとし，この基準ベクトルとのマハラノビス距離を演算し，このマハラノビス距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、請求項１に記載の発明の作用に加えて、精神ストレス評価部が定量処理として補正後の座標点の集合に対してＫＬ展開（Karhunen-Loeve expansion）を用いn個の主成分を抽出し，このn個の主成分の平均値ベクトルとその分散共分散行列を求めて，これを基準ベクトルとし，この基準ベクトルとのマハラノビス距離を演算して被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価するように作用する。
【００１４】
請求項７に記載される発明は、請求項６記載の精神ストレス評価ユニットにおいて、 前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合（座標点がｎ個存在するとする）に対して，ＫＬ展開（Karhunen-Loeve expansion）を用いn個の主成分を抽出し，このn個の主成分の平均値ベクトルとその分散共分散行列を求めて，これを基準ベクトルとし，この基準ベクトルとのマハラノビス距離を演算し，このマハラノビス距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値とし，この定量値に関する前記被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価することを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価ユニットにおいては、請求項６に記載の発明の作用に加えて、精神ストレス評価部が被測定者の生体情報に関する定量値を用いてストレス評価するに加えて、定量値に関する被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価するように作用する。
【００１５】
請求項８に記載される発明である精神ストレス評価装置は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載される精神ストレス評価ユニットと、前記２次元座標軸と，補正を行った後の前記座標点の集合と，前記被測定者の生体情報に関する定量値を示す表示部と、を備えることを特徴とするものである。
このように構成される精神ストレス評価装置においては、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載される精神ストレス評価ユニットの作用に加えて、表示部が、２次元座標軸と、補正を行った後の前記座標点の集合と、被測定者の生体情報に関する定量値を示すように作用する。
【００１６】
請求項９に記載される発明である精神ストレス評価方法は、被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測工程と、この生体情報計測工程で計測した心拍周期と呼吸周期から，予め定めた所定時間内の平均呼吸周期と平均心拍周期を求める平均周期計測工程と、前記心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析工程と、前記平均呼吸周期の前記平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正工程と、前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，定量処理を施すことで前記被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価工程と、を有することを特徴とするものである。
このように記載される発明である精神ストレス評価方法は、請求項１に記載される発明を方法発明として捉えたものであり、その作用は請求項１に記載の発明と同様である。
【００１７】
請求項１０に記載される発明である精神ストレス評価プログラムは、コンピュータにおいて、被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測工程と、この生体情報計測工程で計測した心拍周期と呼吸周期から，予め定めた所定時間内の平均呼吸周期と平均心拍周期を求める平均周期計測工程と、前記心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析工程と、前記平均呼吸周期の前記平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正工程と、前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，定量処理を施すことで前記被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価工程とを実行させることを特徴とするものである。
このように記載される発明である精神ストレス評価プログラムは、請求項１に記載される発明をプログラム発明として捉えたものであり、その作用は請求項１に記載の発明と同様である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の請求項１乃至請求項１０に記載の発明においては、被測定者の精神的ストレスを、専門家の判断を仰ぐことなく精度の高い評価を実施することができる。また、簡易な構成であるため、携帯に便利であり、被測定者の生体情報を一定時間取得することができれば、精神的なストレスに対して自動的に評価をすることができる。
また、特に請求項１乃至請求項７に記載の精神ストレス評価ユニット及び請求項１０に記載の精神ストレス評価プログラムにおいては、例えば携帯電話や携帯ゲーム機などに搭載可能であり、電話やゲームなどの機能に加えることで、それらの装置の付加価値を高めることができると同時に、利用者の健康管理に対する利便性も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る精神ストレス評価装置の外形図である。
【図２】実施の形態に係る精神ストレス評価装置のシステム構成図である。
【図３】実施の形態に係る精神ストレス評価装置の心拍周期計測部と呼吸周期計測部の詳細な構成を示すシステム構成図である。
【図４】呼吸の時間変動波形の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る精神ストレス評価ユニットを組み込んだ携帯電話の外形図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る精神ストレス評価ユニットを組み込んだ携帯ゲーム機の外形図である。
【図７】本実施の形態に係る精神ストレス評価方法の工程を示すフローチャートである。
【図８】（ａ）は従来のポアンカレプロットによる安静着席課題の解析結果を示す図であり、（ｂ）は本実施例に係るポアンカレプロットによる精神ストレス課題の解析結果を示す図である。
【図９】（ａ）は従来のポアンカレプロットによる安静着席課題の解析結果を示す図であり、（ｂ）は従来のポアンカレプロットによる精神ストレス課題の解析結果を示す図である。
【図１０】（ａ）は改良型新ポアンカレプロットによる安静着席課題の解析結果を示す図であり、（ｂ）は改良型新ポアンカレプロットによる精神ストレス課題の解析結果を示す図である。
【図１１】実験時において改良型新ポアンカレプロットを連続的に適用した結果の図である。
【図１２】図１１から改良型新ポアンカレプロットの面積を計測することで、ストレスの有無を比較した結果を示す図である。
【図１３】従来のポアンカレプロットの面積変化の時間推移を表す図である。
【図１４】改良型新ポアンカレプロットの面積変化の時間推移を表す図である。
【図１５】従来のポアンカレプロットの面積変化の平均を求め比較した結果を示す図である。
【図１６】改良型新ポアンカレプロットの面積変化の平均を求め比較した結果を示す図である。
【図１７】原点から重心までの距離の変化の平均を求め比較した結果を表す図である。
【図１８】（ａ）は改良型新ポアンカレプロットの面積変化の平均を求め比較した結果を表す図であり、（ｂ）は改良型新ポアンカレプロットの重心までの距離の変化を比較した結果を表す図である。
【図１９】改良型新ポアンカレプロットの面積変化の平均と重心までの距離の変化を組み合わせて比較した結果を表す図である。
【図２０】改良型新ポアンカレプロットの分布状況のパターン判別方式結果の平均を比較した結果を表す図である。
【図２１】改良型新ポアンカレプロットの分布状況のパターン判別方式で求めた結果の時間推移を表す図である。
【図２２】心拍（RR）間隔の時間変動波形の一例を示す図である。
【図２３】心電図波形に基づくポアンカレプロット方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る精神ストレス評価装置の外形図であり、図２は、精神ストレス評価装置のシステム構成図である。図１に示すように、精神ストレス測定装置１は、外見上、心拍周期計測用電極２と呼吸周期計測用センサー３の２つのセンサーおよび精神ストレス評価の結果を示すための表示部４を備えている。
さらに、精神ストレス測定装置１の内部については、図２のシステム構成図に示されるが、生体情報計測装置５、精神ストレス解析部８及び記憶部１４を備えている。
なお、精神ストレス評価ユニットは、このうち生体情報計測装置５と精神ストレス解析部８から構成されるものである。
【００２１】
生体情報計測装置５は心拍周期計測部６と呼吸周期計測部７から構成される。心拍周期計測部６は図１に示される２つの心拍周期計測用電極２を備え、図１に示されるように、それぞれの電極を利用者は手で持ち、心筋の活動電位に起因する電位差を増幅器によって増幅させることによって心電図信号として計測できる。計測された心電図信号からピーク間時間を測定するなど所定の処理を施すことによって、個々の心拍周期を計測する。この心拍周期計測部６は、心拍周期が測定可能であれば、測定原理や装着部位に特に限定されず、例えば胸部や下肢などに専用電極を用いて計測することも可能である。このほか、心筋の活動電位を計測するのではなく、脈波、心音、血流量などからも計測可能である。
【００２２】
呼吸周期計測部７は、図１に示される鼻孔に固定して使用するクリップ状の呼吸周期計測用センサー３を備える。これは、温度センサーであり、吸気と呼気の温度差を計測することによって呼吸を検知するものである。心拍周期同様、呼吸周期計測部７は、呼吸周期が測定可能であれば、測定原理や装着部位に特に限定されない。たとえば、呼吸による胸部や腹部の拡縮によって呼吸周期を計測する方法や、血中酸素量の変動から計測することも可能である。また、心拍周期と呼吸周期を同時に計測することも可能で、この場合は、心拍周期計測部６と呼吸周期計測部７が一体であってもよい。たとえば、心拍周期計測部６のみを使い、心電図のR波の振幅変動や心拍周期に含まれるRSA（呼吸性洞性不整脈）を検知することで呼吸周期計測を兼ねる構成にしてもよい。
【００２３】
精神ストレス解析部８は、被測定者の心拍周期と呼吸周期を所望の一定時間蓄積記録しつつその一定時間における平均心拍周期と平均呼吸周期を解析する平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９と、一定時間記録した心拍周期を用いて、心拍周期から精神ストレスに起因する微弱な心拍周期揺らぎの特徴を抽出する心拍揺らぎ解析部１０と、平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９において解析された平均心拍周期と平均呼吸周期を用いて、呼吸周期に由来するゆらぎ成分（RSA成分）を低減させる補正を実施する呼吸周期ゆらぎ補正部１２と、心拍揺らぎ解析部１０によって抽出された特徴から、呼吸周期ゆらぎ補正部１２を用いて呼吸周期に由来するゆらぎ成分を除去したうえで、心拍周期から精神ストレスに起因する微弱な心拍周期揺らぎの特徴を抽出し、この結果に対して定量処理を施すことで定量値を解析し、この定量値をもってストレス状況を評価する精神ストレス評価部１１と、評価された定量値（ストレス値）を表示することで精神ストレス状況を把握できる表示部１１を備えている。
なお、呼吸周期ゆらぎ補正部１２は、呼吸周期のゆらぎをもって心拍ゆらぎを補正するための補正部であることを意味し、呼吸周期のゆらぎ自体を補正するという意味ではない。
【００２４】
次に、精神ストレス測定装置１あるいは精神ストレス評価ユニット（５，８）を用いて被測定者の精神ストレスを評価する方法を図１、図３を参照しながら説明する。図３は、心拍周期計測部６と呼吸周期計測部７の詳細な構成を示すシステム構成図である。
図１において、心拍周期計測用電極２と呼吸周期計測用センサー３を、身体の所定部位に装着した状態で、精神ストレス評価装置１を作動させると、心拍周期計測用電極２から得られる生体電位（ここでは心筋電位）、および呼吸周期計測用センサー３が吸気と呼気の温度差を計測する。これらから計測された信号は、図３に示されるそれぞれの増幅器２１，３１で増幅され、心拍周期計測と呼吸周期計測に最適な遮断周波数が設定されたフィルタ２２，３２を介して、アナログデジタル変換器２３，３３によって、デジタルデータとして心拍信号記録部２４および呼吸信号記録部３４に格納される。このとき心拍周期の計測に用いる心電図信号は、例えば先に説明した図２２に示すような時間推移波形としての心電図波形４０を有しており、呼吸周期計測のための計測データは、例えば図４に示すような時間推移波形としての呼吸波形４１を有している。
【００２５】
本実施の形態においては、心拍周期計測部６及び呼吸周期計測部７においてそれぞれ心拍信号記録部２４と呼吸信号記録部３４を備えて心拍周期と呼吸周期に関するデータが格納されるように示したが、図２にも示されるとおり、生体情報計測装置５や精神ストレス解析部８とは別個に記憶部１４を設けて、この中に心拍周期計測データベース１５及び呼吸周期計測データベース１６として心拍周期と呼吸周期に関するデータを心拍周期計測部６や呼吸周期計測部７が読み出し可能に格納してもよい。もちろん、図２，３に示されるように両方を設けるようにしてもよい。その場合には、それぞれ格納されるデータは心拍周期計測部６や呼吸周期計測部７によって読み出されて同期され、再び格納されるようにしておくことが望ましい。
格納されたデータは、平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９によって読みだされて、処理される。平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９は、心拍周期計測部６に心拍信号記録部２４が、呼吸周期計測部７に呼吸信号記録部３４が設けられている場合には、これらから心拍周期、呼吸周期に関するデータを読み出し、また、記憶部１４に心拍周期計測データベース１５及び呼吸周期計測データベース１６が設けられている場合には、これらから心拍周期、呼吸周期に関するデータを読み出してもよい。
平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９は、心拍信号を処理するための拍動間隔検出処理部（図示せず）と、呼吸信号を処理するための呼吸間隔検出処理部（図示せず）を備えており、それぞれでデータを処理する。
【００２６】
まず、拍動間隔検出処理部での処理について記述する。心拍信号記録部２４（あるいは心拍周期計測データベース１５）に格納された心電図波形データは、まず、身体の動きなどによる筋電位などに起因する基線揺動や高調波ノイズを除去するために、15Hz〜100Hzのバンドパスフィルタに通される。その後、これを前述のRR間隔として演算する。以下では、変換したRR間隔データの数をN、ｋ番目のRR間隔をRR（ｋ）とする。このとき、１≦ｋ≦Nである。
【００２７】
【数２】
【００２８】
この式（１）で得られたRR間隔をｋ＝１からｋ＝Ｎまで加算して、これをＮで除した値を式（２）として示すが、これが平均心拍周期meanRRIとなる。
【００２９】
【数３】
【００３０】
次に、記憶部３４（あるいは呼吸周期計測データベース１６）に格納された呼吸データから、呼吸間隔検出処理部で平均の呼吸周期を調べる手法を図４に基づいて示す。まず、呼吸波形４１が上昇を始めたところから下降したところまでを１呼吸とみなし、測定したデータのすべての呼吸周期を求める。ここで、ある一定時間内に測定された呼吸周期の数をM [個]とする。ここで、ｌ（小文字のエル）（1≦ｌ（小文字のエル）≦M）番目の呼吸周期をRESP（ｌ（小文字のエル））すると平均呼吸周期meanRESPは次の式で求められる。
【００３１】
【数４】
【００３２】
次に心拍ゆらぎ解析部１０は、先に図２３に示されるようなRR（n）とRR（n+ｋ）を組にしたポアンカレプロットを２次元座標軸に座標点としてプロットするものである。なお、この座標点としてプロットするということは、RR（n）とRR（n+ｋ）を組にしたポアンカレプロットを座標点のデータセットとして２次元座標軸上に表現可能に処理することを意味する。
次に、先の平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９を用いて得られた平均心拍周期（式（２））と平均呼吸周期meanRESP（式（３））から、呼吸周期ゆらぎ補正部１２では、まず、平均呼吸周期を平均心拍周期における拍数ｒに換算する。具体的にｒは次の式（４）で求められる。
【００３３】
【数５】
【００３４】
このようにして求めたｒを用いて、呼吸周期ゆらぎ補正部１２では、心拍ゆらぎ解析部１０で得られたRR（n）とRR（n+ｋ）を組にしたポアンカレプロットに対して、ｋをｒに置き換えて、２次元座標軸に座標点としてプロットされたポアンカレプロットを補正する。すなわち、呼吸周期ゆらぎ補正部12でRSA（呼吸性洞性不整脈）成分を低減する補正を実施した改良型新ポアンカレプロット（以下、改良型新ポアンカレプロット）を求める。
このようなポアンカレプロットの補正を行うことで、その後のポアンカレプロットは、いわば前述のRSA成分を低減した改良型新ポアンカレプロットとしてプロットされていることになる。
【００３５】
精神ストレス測定部１１では、呼吸周期ゆらぎ補正部１２によって補正された後の改良型新ポアンカレプロットから精神ストレスの状況を定量処理して定量値を得る解析を実施する。その定量処理方法は、得られた改良型新ポアンカレプロットの外形、分布状況、重心、面積などを組み合わせた結果を用いて数的処理を行うことで定量値を求める方法と、さらにその方法に加えて事前に測定しておいた非ストレス時のデータ（定量値）を評価基準データとして比較を行うことで実施する。もちろん、非ストレス時のデータのみならず、ストレス時のデータを予め校正値（キャリブレーション値）として備えておき、解析によって得られた定量値をこの校正値で校正しながら、非ストレス時のデータ基準値と比較するようにしてもよい。これらの予め測定された非ストレス時のデータやストレス時のデータは、図２に示される記憶部１４の評価基準データベース１７に格納されており、精神ストレス評価部１１は、適宜評価基準データベース１７からこれらのデータを読み出して評価を行う。
なお、改良型新ポアンカレプロットの集合から精神ストレスの状況を定量処理するための方法については、実施例３乃至実施例７の方法を用いることができ、後述する。
精神ストレス評価部１１における評価は、常に非ストレス時のデータを評価基準として評価されなくともよいと考えられる。それは、たとえば利用者（被測定者）が本実施の形態に係る精神ストレス評価装置１の使用を重ねることで、ある程度自分自身の通常値を把握できている場合には、測定した結果をそのまま定量値として示すことで利用者の精神ストレスの状況が把握できるためである。
また、ストレス評価に対する結果は、単に定量値として示したり、あるいは非ストレス時のデータと比較することでストレスの有無として出力するだけではなく、予め測定されたストレス時のデータをストレスの大小に合わせて定量的に複数そろえておき、これとの比較しながら示すことで、ストレスの程度として多段階で出力することもできる。
【００３６】
精神ストレス評価部１１における評価結果は、図１，２に示される表示部４によって、被測定者に提示される。表示の仕方としては、先の２次元座標軸に座標点としてプロットされたポアンカレプロットや改良型新のポアンカレプロット、また、定量処理された結果としての定量値、また、非ストレス時のデータやその値との比較結果、ストレスの有無に関する回答、さらには、ストレス時のデータやその値との比較結果、すなわち、段階的に示されるストレスの状況などである。図１の表示部４に示される４／５とは、５段階のストレスレベルのうちの４段階に位置していることを示しており、ストレスがある程度大きく評価されていることを示している。また、図１の表示部４には、他に改良型新ポアンカレプロットが２次元座標軸に含めて表示されている。
なお、この２次元座標軸と改良型新ポアンカレプロット（座標点の集合）は、評価と併せて表示されることが望ましいものの、必ずしも表示されなくともよい。最終的な精神ストレス状況に対する評価が表示されていれば被測定者は精神的な状態を把握し得るためである。
精神ストレス評価部１１によって評価された被測定者のストレスに関するデータは、評価結果データベース１８に読み出し可能に格納される。
なお、記憶部１４は図２において示されるように精神ストレス解析部８とは別個独立に設けるように示されているが、これを精神ストレス解析部８の内部に構成するようにしてもよい。従って、精神ストレス評価ユニットとして用いる場合でも、記憶部１４を含めて、この記憶部１４に格納されている心拍周期計測データベース１５、呼吸周期計測データベース１６、評価基準データベース１７及び評価結果データベース１８も含めてユニットとして扱うようにしてもよい。
【００３７】
以上説明したとおり、本実施の形態に係る精神ストレス評価装置１及び精神ストレス評価ユニットによれば、呼吸による心拍の影響を除くことで、より精度の高い精神ストレス評価が可能になり、被測定者の精神ストレス状況が短時間にしかも高精度に計測することが可能になる。呼吸による心拍の影響を除くことで、これまで医師などの専門家の判断を必要としていた評価よりも簡単に高精度の評価を実施することができる。また、精神ストレス評価ユニットとすることで、携帯電話や携帯ゲーム機、さらにはポータブルＡＶ機器やモバイル型パソコン、携帯情報端末（ＰＤＡ）などに容易に組み込むことが可能であり、場所や時間を選ぶことなく、利用者のストレス状態を計測、評価することが可能となり利用者の健康管理や精神状態の管理、把握を容易に実施することができる。もちろん、これらの機器の製造メーカにとっても高機能の装置や端末を提供できることで商品の高付加価値化を推進可能であり、消費者ニーズを捉えた商品作りを行うことも可能である。
【００３８】
このように精神ストレス評価ユニットとして展開する場合の具体的な例を実施例１として、以下に図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００３９】
実施例１は、これまで説明した実施の形態に係る精神ストレス評価ユニットを携帯電話に組み込んだことを特徴とするものである。
図５は本発明の実施例１に係る精神ストレス評価ユニットを組み込んだ携帯電話の外形図である。実施の形態における心拍周期計測用電極（２）を携帯電話５０の上部と下部に備え、それぞれの上部電極５１，５１と下部電極５２,５２を手で持つことで心電図信号の計測を行う。
呼吸周期計測は、心電図のR波の振幅変動を利用して測定する。このほか、呼吸周期の計測は、呼吸性胴性不整脈の検知や、呼吸を測定するための独立したセンサーを取り付けて計測してもよい。この場合には、別途呼吸周期を測定するためのセンサーを接続するための端子を携帯電話５０に備えるようにするとよい。また、上部電極５１や下部電極５２等の電極ではなく光電脈波計などを利用して脈波を検知して心拍周期を計測してもよく、その場合でも、呼吸性不整脈の検知や、呼吸を計測するための独立したセンサーを用いてもよい。
【００４０】
図３に示される増幅器２１、フィルタ２２などの心拍周期計測部６および呼吸周期計測部７、平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９、心拍ゆらぎ解析部１０、精神ストレス評価部１１、及び呼吸周期ゆらぎ補正部１２は精神ストレス評価ユニットとして携帯電話に内蔵される。
精神ストレス評価部１１で得られた精神ストレス評価の結果は、携帯電話の表示部５３によって、被測定者に提示される。前述のとおり図２に示される記憶部１４を精神ストレス解析部８に含めることによれば、もちろん、携帯電話５０の内部に精神ストレス評価ユニットとして含まれることになる。あるいは、記憶部１４は、携帯電話５０に備えられている記憶部を共用してもよいことはいうまでもない。
このように、先に説明した本実施の形態に係る精神ストレス評価ユニットを日頃持ち運ぶ携帯電話に組み込むことで、日常生活でのストレス評価や、電話をかける際の精神安定性を測ることが可能になる。
さらに、精神ストレス評価ユニットとして展開する場合の具体的なもう一つの例を実施例２として、以下に図面を参照しながら説明する。
【実施例２】
【００４１】
実施例２は、これまで説明した実施の形態に係る精神ストレス評価ユニットを携帯ゲーム機に組み込んだことを特徴とするものである。
図６は本発明の実施の形態に係る精神ストレス評価ユニットを組み込んだ携帯ゲーム機の外形図である。実施の形態における心拍周期計測用電極（２）を備えた外部インターフェース６０をゲーム機６１にとりつけ、電極６２を両手で持つことで心電図計測を行う。また電極６２ではなく、光電脈波計を利用して心拍をとってもよい。
呼吸は、心電図のR波の振幅変動を利用して行う。もしくは呼吸性不整脈の検知や、呼吸を測定するための独立したセンサーを利用しても良い。この場合も前述のとおり、別途呼吸周期を測定するためのセンサーを接続するための端子を外部インターフェース６０あるいは携帯ゲーム機６１に備えるとよい。
【００４２】
図３に示される増幅器２１、フィルタ２２などの心拍周期計測部６および呼吸周期計測部７、平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９、心拍ゆらぎ解析部１０、精神ストレス評価部１１、及び呼吸周期ゆらぎ補正部１２は精神ストレス評価ユニットとして外部インターフェース６０に内蔵される。心拍ゆらぎ解析部１０、精神ストレス評価部１１についてはゲーム機６１の中央演算装置（CPU）を共用してもよい。
精神ストレス評価部１１で得られた精神ストレス評価の結果は、ゲーム機６１の表示部によって、被測定者に提示される。もしくは、判定結果をゲームの動作パラメータとして反映させることで精神ストレス状態によってゲームの展開を変化させたり、ストレス状況に応じて難易度が変化するアクションゲームなどを提供することもできる。また、嘘発見器などパーティグッズとして利用してもよい。
また、図６では携帯ゲーム機に取り付けるものとして提案しているが、据置き型ゲーム機のインターフェースとして、本実施例２を利用しても良い。このほか、地上デジタル放送の各種エンターテイメント系コンテンツなどへストレス状況を反映させることもできる。
このように、本実施の形態に係る精神ストレス評価ユニットをゲーム機に組み込むことで、ストレス状況を用い、反映させることで、新たなエンターテイメントを提供することもできる。
【００４３】
次に、本発明の他の実施の形態に係る精神ストレス評価方法とそのプログラムについて図７を参照しながら説明する。
図７は、本実施の形態に係る精神ストレス評価方法の工程を示すフローチャートであり、また、コンピュータに実行させるための工程を示してプログラムの実施の形態について説明するものでもある。
図７において、ステップＳ１は生体情報計測工程を示しており、この生体情報計測工程は、ステップＳ１−１の心拍周期計測工程とステップＳ１−２の呼吸周期計測工程に分けることができる。但し、このステップＳ１−１とステップＳ１−２は便宜的に順序をつけているものであり、逆順としてもよい。
ステップＳ１−１では、先に説明した生体情報計測装置５の心拍周期計測部６において実施されることとして説明したように、被測定者の心拍周期を計測するものである。また、ステップＳ１−２では、同様に呼吸周期計測部７において実施されることとして説明した呼吸周期を測定するものである。
ステップＳ１において測定された心拍周期に関するデータと呼吸周期に関するデータを用いて、ステップＳ２では、その平均周期を解析する。平均周期を解析するにあたっては、予め定めた一定の時間における心拍周期と呼吸周期の平均値を解析し、それぞれ平均心拍周期と平均呼吸周期とする。
この工程は、先に説明した精神ストレス解析部８の平均心拍周期・平均呼吸周期解析部９において実行される工程として捉えることが可能である。したがって、心拍信号を処理するための拍動間隔検出処理工程や、呼吸信号を処理するための呼吸間隔検出工程を備えており、それぞれの工程でデータを処理してＲＲ間隔やＲＥＳＰを演算し、平均周期を解析する。
【００４４】
つぎに、ステップＳ３では、先に説明した心拍ゆらぎ解析部１０の機能を工程として捉えるものであり、心拍ゆらぎ解析部１０と同じくポアンカレプロットを２次元座標軸上に座標点として入力するものである。
さらに、ステップＳ４では、精神ストレス解析部８の呼吸周期ゆらぎ補正部１２の機能を工程として捉えるものであり、ステップＳ２で得られた平均呼吸周期を平均心拍周期における拍数ｒに換算し、このｒの値をステップＳ３において得られるRR（n）とRR（n+ｋ）を組にしたポアンカレプロットに対して、ｋをｒに置き換えて、２次元座標軸に座標点としてプロットされたポアンカレプロットを補正するのである。
このようにして得られた補正された改良型新ポアンカレプロットの２次元座標軸上での集合に対して、ステップＳ５では、精神ストレス評価を実施する。このステップＳ５は、ステップＳ５−１として定量処理工程と、ステップＳ５−２として基準値比較処理工程の２工程が存在する。
このステップＳ５の工程は、先に説明した精神ストレス評価部１１の機能を工程として捉えたものである。したがって、このステップＳ５で実施される処理は、すでに説明した精神ストレス評価部１１における処理と同様である。
また、これらのステップＳ１からステップＳ５までに実行される工程におけるデータのやりとりも、先に説明した精神ストレス評価ユニットと精神ストレス評価装置に関する実施の形態における説明と同様である。
【００４５】
したがって、これらの工程ステップＳ１からステップＳ５までをコンピュータに実行させる場合には、先に説明した生体情報計測装置５、精神ストレス解析部８、表示部４及び記憶部１４がそれぞれコンピュータにおけるセンサや測定装置、演算処理装置、ディスプレイ、記憶装置などに相当し、また、コンピュータ本体に備えられていない装置については外付けの装置を想定しながら、それらを動作させるためにプログラミングされることを意味している。したがって、これらのステップＳ１からステップＳ５までをコンピュータに実行させるためのプログラムの実施の形態の説明として成立するものである。また、このようなプログラムにおいても、それぞれ測定されたデータや予め格納されているデータ、さらには解析後に得られるデータや評価結果に関するデータは、それぞれコンピュータを構成するハードウェア間で読みだしたり格納されたりするものであり、そのコンピュータ上のハードウェアは、先の実施の形態において説明した精神ストレス評価ユニット及び精神ストレス評価装置を構成するハードウェアに対応してコンピュータにおいて想定されるハードウェアである。
図７では、生体情報計測装置５、精神ストレス解析部８、表示部４、記憶部１４が表示されているが、これはこれらのハードウェアの機能を備えたハードウェアを備えるものであればよく、コンピュータ上に想定されるハードウェアでもよいことは言うまでもない。
このように構成される精神ストレス評価方法あるいは精神ストレス評価プログラムにおいても、先に説明した精神ストレス評価ユニット及び精神ストレス評価装置における効果と同様の効果を発揮し得る。
【００４６】
また、実施例１及び実施例２として示した携帯電話や携帯ゲーム機の他、先に述べたポータブルＡＶ機器やモバイル型パソコン、携帯情報端末（ＰＤＡ）などにプログラムとして容易に組み込むことが可能である。但し、ハードウェアとして不足する構成要素については別途内蔵あるいは外付けの付属機器とする必要がある。
次に、以上説明した実施の形態あるいは実施例について、実際のデータを用いてストレスの評価を実施してみたので、これを実施例３として説明する。
【実施例３】
【００４７】
ある被験者に対して、暗算課題をストレス課題とし、本実施の形態に係る精神ストレス評価方法の精度確認を行った。被験者は、短い時間間隔（10秒間隔）で出題される暗算課題（例えば3桁と1桁の自然数の乗算など）を解き、答えに該当する数字を、テンキーを介して入力回答する。これにより、軽度のパニック性の精神的ストレス、計算に連続して回答しなければならないための疲労ストレスを受ける。さらに、暗算課題を間違えたときは不快な警告音をだすことで、正答しなければいけないという緊張性のストレスも受ける。暗算によるストレス課題に対する対象的な状況として、暗算課題の前後に10分間程度座位のまま安静状態での計測も行った。
各課題の被験者の心電図と呼吸を計測し、隣接する心拍周期の関係をプロットした、従来のポアンカレプロットを行った結果を図８に示す。図８（ａ）が安静着席課題を行ったときの改良型新ポアンカレプロット、図８（ｂ）が精神ストレス課題を行ったときのポアンカレプロットである。
安静時においては、心拍周期は700[ms]〜1200[ms]で比較的長く、ばらつきも大きいが、ストレス課題を与えている時にプロットした図８（ｂ）では、心拍周期が短くなり（心拍数が速くなり）、ばらつきが小さくなる、つまり、プロットした点群が集中することで、プロット面積が小さくなっている。なお、図８（ａ）、（ｂ）中に示されるＬ／Ｔとは、Ｔがプロットの集合における長軸長であり、Ｌが同じく短軸長である。すなわち、長軸長は、プロットの集合が存在している範囲の縦軸ｙと横軸ｘにおいてｙ＝ｘの軸上の範囲長さを意味しており、短軸長は、このｙ＝ｘへプロットの集合から垂線を下ろした際に最も長い距離を意味しているものである。この図８（ａ）では、Ｌ／Ｔが６．３９であり、図８（ｂ）では同様に２．８０であることから図８（ａ）に示されるプロットの集合の方が（ｂ）に示されるプロットの集合よりもばらついて分布していることが定量的に理解される。
したがって、このＬ／Ｔを定量値として被検者のストレス状況として評価してもよいと考えられる。
【００４８】
図９は、図８とは異なる被験者に対して同様な手法を適用してポアンカレプロットを求めた結果である。図９（ａ）は安静時、図９（ｂ）はストレス課題時の時の結果であるが、このポアンカレプロットでは呼吸周期ゆらぎ補正部による補正を実施していないため、両者の違いがほとんどわからなくなっている。
しかしながら、本願発明の実施の形態における呼吸周期ゆらぎ補正部を用いて得られた改良型新ポアンカレプロットを適用した結果が図１０である。この改良型新ポアンカレプロットとは、呼吸周期ゆらぎ補正部１２を用いて補正を行った後のポアンカレプロットを意味するものである。図１０（ａ）が安静時で、比較的ばらつきが見られるが、図１０（ｂ）のストレス課題時にはプロットが集中することで、違いを明確にすることができる。更に、改良型新ポアンカレプロットを、計測時間推移に沿って示したものが図１１である。それぞれの図上に記してある時刻の符号７０で示されている個所は、それぞれの改良型新ポアンカレプロットが終了した時の、実験開始から経過した時間を意味する。また、それぞれの改良型新ポアンカレプロットでは１００秒間のデータを利用している。この実験では、９４０〜１６４０秒にかけてストレス課題を与えている。図１１の四角で囲った部分で、符号７１で示されている個所がストレス課題を与えた部分に相当するが、その前後の安静時に比べて形状が異なっていることがわかる。
更に、ポアンカレプロットの簡易指標のひとつとして、ポアンカレプロットのプロット面（プロットの集合）を外形線で囲み、その面積を求める方法がある。図１２に安静着席課題と精神ストレス課題とで比較した結果を示す。図１２の縦軸は面積を規格化したものである。これをみると、安静着席課題と精神ストレス課題の間に明確な差を見て取ることができる。更に、８名の被験者に対しても同様の測定を実施し、ストレス課題を与えているときと、その前後の安静時において、有意な差があるかt検定を用いて検証した。その結果、危険率１％で有意な差があることを確認している。
【実施例４】
【００４９】
実施例３と同様の実験を別の被験者に対して行った。実験後のアンケートでは被験者から「計算中にあせりがどちらかといえばあった」「計算中、どちらかといえば緊張していた」という回答があり、被験者は計算負荷中緊張していたことが分かっている。
図１３は従来のポアンカレプロットを利用したときの面積変化（７３）、図１４は本願発明による手法である改良型新ポアンカレプロットを利用したときの面積変化（７５）である。図１３、１４で縦軸は面積を規格化したものである。両図面で、リラックス状態７３、７６と計算負荷状態７４，７７を比較した場合、本願発明の手法の方が、明らかに面積変化が大きいことが分かる。
リラックス状態と計算負荷状態における面積の平均を示したのが図１５と図１６である。図１５は呼吸効果を考慮しない従来のアンカレプロットを適用したときの結果で、図１６は、改良型新ポアンカレプロットを適用したときの結果である。図１５、１６の縦軸は面積を規格化したものである。この被験者の場合、従来のポアンカレプロットを適用してストレス指標を求めた図１５では、ストレス印加時に面積が増加している。つまり、ストレスを感じているのに、この指標では、ストレスが低減していると示している。この指標だけでは、正確なストレス計測が出来ていないことがわかる。この結果に対し、改良型新ポアンカレプロットを適用して面積指標を求めた、図１６では、ストレス課題時に明示的に面積が減少している。以上のことから、従来のポアンカレプロットと比較して改良型新ポアンカレプロットが正確に心理状態を捉えていることが分かる。
【実施例５】
【００５０】
面積変化を用いた測定の他に、プロット重心を用いて測定することもできる。
重心とは、ポアンカレプロットを横軸上に投影した時の平均RRI（＝ａｖｅＲＲＩｘ），縦軸上に投影した時の平均RRI（＝ａｖｅＲＲＩｙ）から（ａｖｅＲＲＩｘ，ａｖｅＲＲＩｙ）と求めることができる。ここでは、指標として原点から重心までの距離gを採用した。gは次式（５）で求めることができる。
【００５１】
【数６】
【００５２】
結果を図１７に示す。ただし、ここでgは正規化を行っている。図から分かるように、ストレス印加時に、gが小さくなっていることが分かる。
【実施例６】
【００５３】
また、上記で求めた複数の指標を組み合わせることも可能である。ここでは面積と重心を組み合わせる。なお、複数の説明変数に対する重回帰分析などの判別分析方法を採用することも可能であるが、ここでは説明を容易にするため、面積とgを掛け合わせたもので行った。
結果を図１８に示す。図１８（ａ）が面積のみで評価を行ったもの、図１８（ｂ）が原点から重心までの距離で評価を行ったもの、図１９が二つの指標を利用して算出した結果である。なお、ここではストレス印加時のデータを1と規格化している。図から図１９が最も差を明確に表していることが分かる。より、精度の高い測定を行うことが可能となっている。
【実施例７】
【００５４】
次に、ポアンカレプロットの分布状況によるパターン判別手法を利用して、ストレス状態を計測する方法について説明する。基準パターンとしては、ストレス印加状態のポアンカレプロットとした。
この散布図の分布状況を効率よく表す手法としてＫＬ展開(Karhunen-Loeve expansion)を用いn個の主成分を抽出する。これを基準パターンとして学習するポアンカレプロットすべてに行う。得られたn個の主成分の平均値ベクトルを下式（６）として、
【００５５】
【数７】
【００５６】
この平均値ベクトルμと、その分散共分散行列Σを求めて、これを基準ベクトルとする。
これを用いて、基準ベクトルとのマハラノビス距離を求めることで、ストレス状況の指標とすることができる。つまり、マハラノビス距離が小さければ緊張状態にあり、逆に大きければ安静状態であると推測できる。
【００５７】
図２０はある被験者に対し、ストレス（計算負荷）を与えたときのマハラノビス距離を求めた結果である。
【００５８】
また、図２１に、計測時間100［ｓ］で、1［min］毎に連続計測した結果の時間推移グラフを示す。計算ストレスを与えている時間はグラフ上の1898〜2805[s]である。なお、基準パターンに利用したデータと、判別を行ったデータは別の日に取得したものである。計算負荷中に急激にマハラノビス距離が小さくなり、ストレス印加状態に入っていることが分かる。図２１において、符号８０は改良型新ポアンカレプロットの分布状況のパターン判別方式によって得られた結果の時間推移であり、符号８１はリラックス状態範囲で、符号８２は計算負荷状態範囲である。
このように、提案手法による改良型新ポアンカレプロットを用いれば、その分布状況から得た特徴を利用することで、高精度なストレス測定をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上説明したように、本発明の請求項１乃至請求項１０に記載された発明は、被測定者の精神ストレス状況が短時間にしかも高精度に計測すること可能な精神ストレス評価装置、精神ストレス評価ユニット、精神ストレス評価プログラムを提供することが可能であり、個人的な健康管理ツールとして携帯されたり、一般の企業の健康管理室や学校の保健室に常備される健康管理器具あるいは生体情報計測器具として利用される可能性がある。もちろん、医療機関や介護施設などで簡易に手軽に利精神ストレス評価のために利用される可能性も高い。
【符号の説明】
【００６０】
１…精神ストレス評価装置 ２…心拍周期計測用電極 ３…呼吸周期計測用センサー ４…表示部 ５…生体情報計測装置 ６…心拍周期計測部 ７…呼吸周期計測部 ８…精神ストレス解析部 ９…平均心拍周期・平均呼吸周期解析部 １０…心拍ゆらぎ解析部 １１…精神ストレス評価部 １２…呼吸周期ゆらぎ補正部 １４…記憶部 １５…心拍周期計測データベース １６…呼吸周期計測データベース １７…評価基準データベース １８…評価結果データベース ２１…増幅器 ２２…フィルタ ２３…アナログデジタル変換器 ２４…心拍信号記録部 ３１…増幅器 ３２…フィルタ ３３…アナログデジタル変換器 ３４…呼吸信号記録部 ４０…心電図波形 ４１…呼吸波形 ５０…携帯電話 ５１…上部電極 ５２…下部電極 ５３…表示部 ６０…外部インターフェース ６１…携帯ゲーム機 ６２…電極 ７０…ポアンカレプロットの終了時刻 ７１…精神ストレス課題を与えた範囲 ７２…ポアンカレプロットの面積変化 ７３…リラックス状態範囲 ７４…計算負荷状態範囲 ７５…改良型新ポアンカレプロットの面積変化 ７６…リラックス状態範囲 ７７…計算負荷状態範囲 ８０…改良型新ポアンカレプロットの分布状況のパターン判別方式によって得られた結果の時間推移 ８１…リラックス状態範囲 ８２…計算負荷状態範囲
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測部と、この生体情報計測部から計測した心拍周期と呼吸周期から，予め定めた所定時間内の平均心拍周期と平均呼吸周期を求める平均周期解析部と、前記心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析部と、前記平均呼吸周期の前記平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正部を有し，前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，定量処理を施すことで前記被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価部と、を有することを特徴とする精神ストレス評価ユニット。
【請求項２】
前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その外周囲の面積を演算し，この外周囲の面積を前記被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価することを特徴とする請求項１記載の精神ストレス評価ユニット。
【請求項３】
前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その外周囲の面積を演算し，この外周囲の面積を前記被測定者の生体情報に関する定量値とし，この定量値に関する前記被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価することを特徴とする請求項２記載の精神ストレス評価ユニット。
【請求項４】
前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その重心座標点と前記２次元座標軸の原点から前記重心座標点までの距離を演算し，この距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価することを特徴とする請求項１記載の精神ストレス評価ユニット。
【請求項５】
前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その重心座標点と前記２次元座標軸の原点から前記重心座標点までの距離を演算し，この距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値とし，この定量値に関する前記被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価することを特徴とする請求項４記載の精神ストレス評価ユニット。
【請求項６】
前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合（座標点がｎ個存在するとする）に対して，ＫＬ展開（Karhunen-Loeve expansion）を用いn個の主成分を抽出し，このn個の主成分の平均値ベクトルとその分散共分散行列を求めて，これを基準ベクトルとし，この基準ベクトルとのマハラノビス距離を演算し，このマハラノビス距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価することを特徴とする請求項１記載の精神ストレス評価ユニット。
【請求項７】
前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合（座標点がｎ個存在するとする）に対して，ＫＬ展開（Karhunen-Loeve expansion）を用いn個の主成分を抽出し，このn個の主成分の平均値ベクトルとその分散共分散行列を求めて，これを基準ベクトルとし，この基準ベクトルとのマハラノビス距離を演算し，このマハラノビス距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値とし，この定量値に関する前記被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価することを特徴とする請求項６記載の精神ストレス評価ユニット。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載される精神ストレス評価ユニットと、前記２次元座標軸と，補正を行った後の前記座標点の集合と，前記被測定者の生体情報に関する定量値を示す表示部と、を備えることを特徴とする精神ストレス評価装置。
【請求項９】
被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測工程と、この生体情報計測工程で計測した心拍周期と呼吸周期から，予め定めた所定時間内の平均呼吸周期と平均心拍周期を求める平均周期計測工程と、前記心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析工程と、前記平均呼吸周期の前記平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正工程と、前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，定量処理を施すことで前記被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価工程と、を有することを特徴とする精神ストレス評価方法。
【請求項１０】
コンピュータにおいて、被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測工程と、この生体情報計測工程で計測した心拍周期と呼吸周期から，予め定めた所定時間内の平均呼吸周期と平均心拍周期を求める平均周期計測工程と、前記心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析工程と、前記平均呼吸周期の前記平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正工程と、前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，定量処理を施すことで前記被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価工程とを実行させることを特徴とする精神ストレス評価プログラム。
【請求項１】
被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測部と、この生体情報計測部から計測した心拍周期と呼吸周期から，予め定めた所定時間内の平均心拍周期と平均呼吸周期を求める平均周期解析部と、前記心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析部と、前記平均呼吸周期の前記平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正部を有し，前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，定量処理を施すことで前記被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価部と、を有することを特徴とする精神ストレス評価ユニット。
【請求項２】
前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その外周囲の面積を演算し，この外周囲の面積を前記被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価することを特徴とする請求項１記載の精神ストレス評価ユニット。
【請求項３】
前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その外周囲の面積を演算し，この外周囲の面積を前記被測定者の生体情報に関する定量値とし，この定量値に関する前記被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価することを特徴とする請求項２記載の精神ストレス評価ユニット。
【請求項４】
前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その重心座標点と前記２次元座標軸の原点から前記重心座標点までの距離を演算し，この距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価することを特徴とする請求項１記載の精神ストレス評価ユニット。
【請求項５】
前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，その重心座標点と前記２次元座標軸の原点から前記重心座標点までの距離を演算し，この距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値とし，この定量値に関する前記被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価することを特徴とする請求項４記載の精神ストレス評価ユニット。
【請求項６】
前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合（座標点がｎ個存在するとする）に対して，ＫＬ展開（Karhunen-Loeve expansion）を用いn個の主成分を抽出し，このn個の主成分の平均値ベクトルとその分散共分散行列を求めて，これを基準ベクトルとし，この基準ベクトルとのマハラノビス距離を演算し，このマハラノビス距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値としてストレスを評価することを特徴とする請求項１記載の精神ストレス評価ユニット。
【請求項７】
前記精神ストレス評価部は、前記定量処理として前記補正を行った後の前記座標点の集合（座標点がｎ個存在するとする）に対して，ＫＬ展開（Karhunen-Loeve expansion）を用いn個の主成分を抽出し，このn個の主成分の平均値ベクトルとその分散共分散行列を求めて，これを基準ベクトルとし，この基準ベクトルとのマハラノビス距離を演算し，このマハラノビス距離を前記被測定者の生体情報に関する定量値とし，この定量値に関する前記被測定者の平静時基準値とを比較してストレスを評価することを特徴とする請求項６記載の精神ストレス評価ユニット。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載される精神ストレス評価ユニットと、前記２次元座標軸と，補正を行った後の前記座標点の集合と，前記被測定者の生体情報に関する定量値を示す表示部と、を備えることを特徴とする精神ストレス評価装置。
【請求項９】
被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測工程と、この生体情報計測工程で計測した心拍周期と呼吸周期から，予め定めた所定時間内の平均呼吸周期と平均心拍周期を求める平均周期計測工程と、前記心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析工程と、前記平均呼吸周期の前記平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正工程と、前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，定量処理を施すことで前記被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価工程と、を有することを特徴とする精神ストレス評価方法。
【請求項１０】
コンピュータにおいて、被測定者の心拍周期と呼吸周期を計測する生体情報計測工程と、この生体情報計測工程で計測した心拍周期と呼吸周期から，予め定めた所定時間内の平均呼吸周期と平均心拍周期を求める平均周期計測工程と、前記心拍周期の任意の変数ｎ（ｎは整数）及び任意の定数ｋ（ｋ≧１）に対してｎ拍目及び（ｎ＋ｋ）拍目における心拍周期間隔ＲＲ（ｎ）及びＲＲ（ｎ＋ｋ）を演算し，これらを２次元座標軸に対して座標点として入力する心拍ゆらぎ解析工程と、前記平均呼吸周期の前記平均心拍周期に対する比ｒを演算して，ｋ＝ｒとする補正を行う呼吸周期ゆらぎ補正工程と、前記補正を行った後の前記座標点の集合に対して，定量処理を施すことで前記被測定者の生体情報に関する定量値を得てストレスとして評価する精神ストレス評価工程とを実行させることを特徴とする精神ストレス評価プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１０−２３４０００（Ｐ２０１０−２３４０００Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８８２２１（Ｐ２００９−８８２２１）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（５０９１６４１６４）地方独立行政法人山口県産業技術センター (22)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（５０９１６４１６４）地方独立行政法人山口県産業技術センター (22)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]