自律神経活動評価装置
【課題】被験者に接触することなく、短時間で自律神経系の活動を評価できるようにする。
【解決手段】光源からの光が被験者の皮膚によって反射した反射光から偏光板を用いて皮膚内部で反射した内部反射光成分のみを検出する撮影手段と、内部反射光成分画像から被験者の肌色を構成する色素成分のうちヘモグロビン成分を求める処理手段と、内部反射光成分画像から額部領域及び鼻部領域を抽出する処理手段と、額部領域における統計量を基に鼻部領域のヘモグロビン成分量データを正規化する処理手段と、鼻部領域におけるヘモグロビン成分量データから交感神経系活性度を評価する処理手段と、交感神経系活性度の評価値を出力する出力手段とを備えた簡易型自律神経活動評価装置。
【解決手段】光源からの光が被験者の皮膚によって反射した反射光から偏光板を用いて皮膚内部で反射した内部反射光成分のみを検出する撮影手段と、内部反射光成分画像から被験者の肌色を構成する色素成分のうちヘモグロビン成分を求める処理手段と、内部反射光成分画像から額部領域及び鼻部領域を抽出する処理手段と、額部領域における統計量を基に鼻部領域のヘモグロビン成分量データを正規化する処理手段と、鼻部領域におけるヘモグロビン成分量データから交感神経系活性度を評価する処理手段と、交感神経系活性度の評価値を出力する出力手段とを備えた簡易型自律神経活動評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被験者の顔画像の肌色情報を解析することで自律神経系の活動状況を評価する自律神経活動評価方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人体の自律神経系の活動を定量的に評価する方法として、被験者の心電図を計測し、得られた心拍変動データに対して周波数解析を施す方法がある。例えば、特許文献１〜３では、心拍変動データから周波数解析に基づいて交感神経系の活性度を定量化し、その結果をそれぞれ酔態や肩こり、ストレス状態の評価へと応用している。
また、特許文献４に記載されているように、心電図を使用する代わりに、血流測定器を利用して身体の一部の指または耳等の血流量を測定し、そこから心拍変動に関するデータを得る方法もある。
特許文献８及び９には、脳内血液の酸素化ヘモグロビン濃度変化、脱酸素化ヘモグロビン濃度変化、総ヘモグロビン濃度変化を中枢神経活動指標とすることが記載されている。
【０００３】
特許文献７には、光源からの光を偏光装置を介して皮膚に照射し、偏光を使用して皮膚の表面で反射した表面反射光成分と皮膚の内部で反射した内部反射光成分とに分けて反射光を検出し、内部反射光成分から、被験者の肌色を構成するヘモグロビンなどの色素成分を求めることが記載されている。
【特許文献１】特開２００４−２４２７２０号公報
【特許文献２】特開２０００−１６６８７９号公報
【特許文献３】特開平１１−１５５８４５号公報
【特許文献４】特開２００５−０５８７６６号公報
【特許文献５】特開２００５−０３４３５５号公報
【特許文献６】特開２００３−２７５１７９号公報
【特許文献７】特開２００２−２０００５０号公報
【特許文献８】特開２００２−１７７２４８号公報
【特許文献９】特開２００２−１７７２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、心電図から得た心拍変動データに基づいて自律神経系の活動を評価する方法には、計測に一定の時間を必要とし、また心電図の計測時に電極等を被験者にセットしなければならず、被験者にとって負担となるものであり気楽に受けることができない等の問題がある。この問題は、心電図の代わりに血流測定器を利用した場合でも本質的には変わらない。
【０００５】
本発明は、上述の問題点を解決するため、被験者の顔画像の特定領域の肌色情報を解析することにより、被験者に接触することなく、また計測に時間をかけることなく、簡便に自律神経系の活動を評価できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一般に、人体における自律神経系のうち交感神経系の活動が優位となると、血管の収縮が起こり血流量が低下する。特に動静脈吻合血管の血流は通常の皮膚血流と比較して著しく多量であり、交感神経系の影響を受けてオン・オフ的な挙動を示すという特徴がある。鼻部にはこの動静脈吻合血管が集中していることが知られており、この部位の血流量を計測することで交感神経系の活性度を評価することが可能となる。
【０００７】
本発明は、鼻部領域の皮膚の肌色情報からヘモグロビン成分量を求めて交感神経系活性度を求めるものである。ただし、この成分量は相対値であるため、額部領域の血流量が自律神経系の活動状況に関わらず一定であることに基づき、額部領域のヘモグロビン成分量を基に鼻部領域の成分量を正規化する。具体的には、額部領域の成分量データを平均０、分散１に合わせるためのパラメータを用いて鼻部領域のデータをスケーリングする。
【発明の効果】
【０００８】
鼻部領域内のヘモグロビン成分量を基に交感神経系活性度の定量化をおこなうものであり、カメラ装置により撮影した顔画像を用いて評価をおこなうため、被験者の体に装置を接触させる必要がない。また、従来の心電図を計測する方法等と比べて短時間の計測によって交感神経系の活性度を定量的に評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明の自律神経活動評価方法の流れ図である。図２は本発明の自律神経活動評価装置の実施例のブロック図である。
光源１からの光を被験者の顔面の皮膚に照射し、その反射光をカメラ装置３で撮影する。反射光のうち皮膚の表面で反射した表面反射光成分は後の処理において単なるノイズとなってしまう。そこで、偏光を使用することによってこの表面反射光成分を除去して画像を撮影する。
【００１０】
光源１からの光を偏光板２１を通過させてから被験者の顔に照射し、皮膚における反射光を偏光板２２を通過させてカメラ装置３で撮影する。偏光板２１と２２の偏光軸は９０度ずらしてあるので、表面反射光成分は除去され、皮膚内部で散乱し反射した内部反射光成分のみがカメラ装置３に到達し撮影される。
【００１１】
色素分離部４では、内部反射光成分画像から被験者の肌色を構成する色素成分、特にヘモグロビン成分を分離・抽出する。Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の強度ベクトルをそれぞれｒ、ｇ、ｂとするとき、画像内のある点の画素の色成分ベクトルＣをＣ＝［−ｌｏｇ ｒ、−ｌｏｇ ｇ、−ｌｏｇ ｂ］で表す。皮膚の各色素成分がそれぞれ独立でＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則に従うというモデルに基づき、これに主成分分析及び独立成分分析を施すことでヘモグロビン成分量を算出することができる。
【００１２】
続いて、カメラ装置３で得られた内部反射光成分画像、及び色素分離部４で得られたヘモグロビン成分量データを自律神経活動評価部５に入力する。自律神経活動評価部５は、顔部位抽出部５１、正規化処理部５２、色素濃度算出部５３の３ブロックからなる。
【００１３】
顔部位抽出部５１では、被験者の顔画像から、以降の処理に利用する額部領域と鼻部領域とを抽出する。これには、画像から額部／鼻部領域をすべて自動で抽出する方法、顔の特徴点（例えば目、眉、鼻等）の画像上の位置を手動で指定し、額部／鼻部領域を計算により自動抽出する方法、額部／鼻部領域を手動で直接指定する方法等適宜の方法を選択する。
【００１４】
正規化処理部５２では、抽出された額部領域におけるヘモグロビン成分量の統計量を基に、鼻部領域のヘモグロビン成分量データを正規化する。独立成分分析という手法の特性上、色素分離部４で得られたヘモグロビン成分量は絶対値ではなく、顔画像内での相対的な量のデータである。そこで、このデータを基に客観的な自律神経活動の指標を算出するためには、この相対量データを正規化する必要がある。
【００１５】
そのための具体的な方法の一つとして、額部領域におけるヘモグロビン成分量の平均値と分散を基に正規化を行う。額部領域におけるヘモグロビン成分量の平均をｍ、分散をσ2とする。これら２つの統計量を用い、下記の数式にしたがって鼻部領域のヘモグロビン成分量データを正規化する。
【００１６】
【数１】
【００１７】
ここで、ρi、ρi’はそれぞれ正規化前、後の鼻部領域ヘモグロビン成分量、Ｎは鼻部領域内のヘモグロビン成分量データの数を表す。この正規化処理は額部領域の血流量が自律神経系の活動状況に関わらず一定であることに基づくもので、額部領域の成分量データを平均０、分散１に合わせるためのパラメータを用いて鼻部領域のデータをスケーリングするものである。
【００１８】
色素濃度算出部５３では、鼻部領域における正規化されたヘモグロビン成分量の平均値を算出する。算出した平均値は、値が小さいほど鼻部領域内の血流量が少なく、したがって交感神経系が優位であることを表す。そこで、その平均値の正負を反転させた値を交感神経系活性度とし、ディスプレイ６もしくはプリンタ７に出力する。
【００１９】
実験例
自律神経系の活動に影響を与えると予想される計算負荷タスク（一桁の加算を暗算で２０分間繰り返しおこなわせるもの）を被験者に与えた前後において、本発明により評価した交感神経系活性度の変化を表１に、比較として、特許文献２で用いられたものと同様の、心拍変動の周波数解析に基づいた交感神経系活性度の評価値と共に示す。
比較方法として採用した評価方法は、まず被験者の心電図を計測して心拍変動データを得、それに周波数解析を施し、０．０３〜０．１５Ｈｚ帯域のパワー値（ＬＯ）と０．１５〜０．５Ｈｚ帯域のパワー値（ＨＩ）からＬＯ／ＨＩの値を求め、これを交感神経系の活性度としたものである。
【００２０】
表１より、計算負荷タスクが自律神経系の活動に与える影響は被験者ごとに異なっているが、指標の変化の方向（増加もしくは減少）は概ね一致していることが見て取れる。また、これら２指標の変化量間の相関係数を算出すると０．７９２８となる。これらの結果から、本発明は簡便な方法ではあるが自律神経系の活動を良く評価できているといえる。
【００２１】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の方法を説明する流れ図。
【図２】本発明の評価装置の実施例のブロック図。
【符号の説明】
【００２３】
１ 光源
２１、２２ 偏光板
３ カメラ装置
４ 色素分離部
５ 自律神経活動評価部
５１ 顔部位抽出部
５２ 正規化処理部
５３ 色素濃度算出部
６ ディスプレイ
７ プリンタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被験者の顔画像の肌色情報を解析することで自律神経系の活動状況を評価する自律神経活動評価方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人体の自律神経系の活動を定量的に評価する方法として、被験者の心電図を計測し、得られた心拍変動データに対して周波数解析を施す方法がある。例えば、特許文献１〜３では、心拍変動データから周波数解析に基づいて交感神経系の活性度を定量化し、その結果をそれぞれ酔態や肩こり、ストレス状態の評価へと応用している。
また、特許文献４に記載されているように、心電図を使用する代わりに、血流測定器を利用して身体の一部の指または耳等の血流量を測定し、そこから心拍変動に関するデータを得る方法もある。
特許文献８及び９には、脳内血液の酸素化ヘモグロビン濃度変化、脱酸素化ヘモグロビン濃度変化、総ヘモグロビン濃度変化を中枢神経活動指標とすることが記載されている。
【０００３】
特許文献７には、光源からの光を偏光装置を介して皮膚に照射し、偏光を使用して皮膚の表面で反射した表面反射光成分と皮膚の内部で反射した内部反射光成分とに分けて反射光を検出し、内部反射光成分から、被験者の肌色を構成するヘモグロビンなどの色素成分を求めることが記載されている。
【特許文献１】特開２００４−２４２７２０号公報
【特許文献２】特開２０００−１６６８７９号公報
【特許文献３】特開平１１−１５５８４５号公報
【特許文献４】特開２００５−０５８７６６号公報
【特許文献５】特開２００５−０３４３５５号公報
【特許文献６】特開２００３−２７５１７９号公報
【特許文献７】特開２００２−２０００５０号公報
【特許文献８】特開２００２−１７７２４８号公報
【特許文献９】特開２００２−１７７２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、心電図から得た心拍変動データに基づいて自律神経系の活動を評価する方法には、計測に一定の時間を必要とし、また心電図の計測時に電極等を被験者にセットしなければならず、被験者にとって負担となるものであり気楽に受けることができない等の問題がある。この問題は、心電図の代わりに血流測定器を利用した場合でも本質的には変わらない。
【０００５】
本発明は、上述の問題点を解決するため、被験者の顔画像の特定領域の肌色情報を解析することにより、被験者に接触することなく、また計測に時間をかけることなく、簡便に自律神経系の活動を評価できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一般に、人体における自律神経系のうち交感神経系の活動が優位となると、血管の収縮が起こり血流量が低下する。特に動静脈吻合血管の血流は通常の皮膚血流と比較して著しく多量であり、交感神経系の影響を受けてオン・オフ的な挙動を示すという特徴がある。鼻部にはこの動静脈吻合血管が集中していることが知られており、この部位の血流量を計測することで交感神経系の活性度を評価することが可能となる。
【０００７】
本発明は、鼻部領域の皮膚の肌色情報からヘモグロビン成分量を求めて交感神経系活性度を求めるものである。ただし、この成分量は相対値であるため、額部領域の血流量が自律神経系の活動状況に関わらず一定であることに基づき、額部領域のヘモグロビン成分量を基に鼻部領域の成分量を正規化する。具体的には、額部領域の成分量データを平均０、分散１に合わせるためのパラメータを用いて鼻部領域のデータをスケーリングする。
【発明の効果】
【０００８】
鼻部領域内のヘモグロビン成分量を基に交感神経系活性度の定量化をおこなうものであり、カメラ装置により撮影した顔画像を用いて評価をおこなうため、被験者の体に装置を接触させる必要がない。また、従来の心電図を計測する方法等と比べて短時間の計測によって交感神経系の活性度を定量的に評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明の自律神経活動評価方法の流れ図である。図２は本発明の自律神経活動評価装置の実施例のブロック図である。
光源１からの光を被験者の顔面の皮膚に照射し、その反射光をカメラ装置３で撮影する。反射光のうち皮膚の表面で反射した表面反射光成分は後の処理において単なるノイズとなってしまう。そこで、偏光を使用することによってこの表面反射光成分を除去して画像を撮影する。
【００１０】
光源１からの光を偏光板２１を通過させてから被験者の顔に照射し、皮膚における反射光を偏光板２２を通過させてカメラ装置３で撮影する。偏光板２１と２２の偏光軸は９０度ずらしてあるので、表面反射光成分は除去され、皮膚内部で散乱し反射した内部反射光成分のみがカメラ装置３に到達し撮影される。
【００１１】
色素分離部４では、内部反射光成分画像から被験者の肌色を構成する色素成分、特にヘモグロビン成分を分離・抽出する。Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の強度ベクトルをそれぞれｒ、ｇ、ｂとするとき、画像内のある点の画素の色成分ベクトルＣをＣ＝［−ｌｏｇ ｒ、−ｌｏｇ ｇ、−ｌｏｇ ｂ］で表す。皮膚の各色素成分がそれぞれ独立でＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則に従うというモデルに基づき、これに主成分分析及び独立成分分析を施すことでヘモグロビン成分量を算出することができる。
【００１２】
続いて、カメラ装置３で得られた内部反射光成分画像、及び色素分離部４で得られたヘモグロビン成分量データを自律神経活動評価部５に入力する。自律神経活動評価部５は、顔部位抽出部５１、正規化処理部５２、色素濃度算出部５３の３ブロックからなる。
【００１３】
顔部位抽出部５１では、被験者の顔画像から、以降の処理に利用する額部領域と鼻部領域とを抽出する。これには、画像から額部／鼻部領域をすべて自動で抽出する方法、顔の特徴点（例えば目、眉、鼻等）の画像上の位置を手動で指定し、額部／鼻部領域を計算により自動抽出する方法、額部／鼻部領域を手動で直接指定する方法等適宜の方法を選択する。
【００１４】
正規化処理部５２では、抽出された額部領域におけるヘモグロビン成分量の統計量を基に、鼻部領域のヘモグロビン成分量データを正規化する。独立成分分析という手法の特性上、色素分離部４で得られたヘモグロビン成分量は絶対値ではなく、顔画像内での相対的な量のデータである。そこで、このデータを基に客観的な自律神経活動の指標を算出するためには、この相対量データを正規化する必要がある。
【００１５】
そのための具体的な方法の一つとして、額部領域におけるヘモグロビン成分量の平均値と分散を基に正規化を行う。額部領域におけるヘモグロビン成分量の平均をｍ、分散をσ2とする。これら２つの統計量を用い、下記の数式にしたがって鼻部領域のヘモグロビン成分量データを正規化する。
【００１６】
【数１】
【００１７】
ここで、ρi、ρi’はそれぞれ正規化前、後の鼻部領域ヘモグロビン成分量、Ｎは鼻部領域内のヘモグロビン成分量データの数を表す。この正規化処理は額部領域の血流量が自律神経系の活動状況に関わらず一定であることに基づくもので、額部領域の成分量データを平均０、分散１に合わせるためのパラメータを用いて鼻部領域のデータをスケーリングするものである。
【００１８】
色素濃度算出部５３では、鼻部領域における正規化されたヘモグロビン成分量の平均値を算出する。算出した平均値は、値が小さいほど鼻部領域内の血流量が少なく、したがって交感神経系が優位であることを表す。そこで、その平均値の正負を反転させた値を交感神経系活性度とし、ディスプレイ６もしくはプリンタ７に出力する。
【００１９】
実験例
自律神経系の活動に影響を与えると予想される計算負荷タスク（一桁の加算を暗算で２０分間繰り返しおこなわせるもの）を被験者に与えた前後において、本発明により評価した交感神経系活性度の変化を表１に、比較として、特許文献２で用いられたものと同様の、心拍変動の周波数解析に基づいた交感神経系活性度の評価値と共に示す。
比較方法として採用した評価方法は、まず被験者の心電図を計測して心拍変動データを得、それに周波数解析を施し、０．０３〜０．１５Ｈｚ帯域のパワー値（ＬＯ）と０．１５〜０．５Ｈｚ帯域のパワー値（ＨＩ）からＬＯ／ＨＩの値を求め、これを交感神経系の活性度としたものである。
【００２０】
表１より、計算負荷タスクが自律神経系の活動に与える影響は被験者ごとに異なっているが、指標の変化の方向（増加もしくは減少）は概ね一致していることが見て取れる。また、これら２指標の変化量間の相関係数を算出すると０．７９２８となる。これらの結果から、本発明は簡便な方法ではあるが自律神経系の活動を良く評価できているといえる。
【００２１】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の方法を説明する流れ図。
【図２】本発明の評価装置の実施例のブロック図。
【符号の説明】
【００２３】
１ 光源
２１、２２ 偏光板
３ カメラ装置
４ 色素分離部
５ 自律神経活動評価部
５１ 顔部位抽出部
５２ 正規化処理部
５３ 色素濃度算出部
６ ディスプレイ
７ プリンタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
額部領域のヘモグロビン成分量を用いて鼻部領域のヘモグロビン成分量を正規化し、この正規化したヘモグロビン成分量に基づいて交感神経系活性度を求める自律神経活動評価方法。
【請求項２】
請求項１において、鼻部領域のヘモグロビン成分量の正規化は、額部領域におけるヘモグロビン成分量の平均値と分散に基づいておこなう自律神経活動評価方法。
【請求項３】
請求項１または２において、皮膚内部反射光からヘモグロビン成分量を測定する自律神経活動評価法。
【請求項４】
顔の皮膚内部で反射した内部反射光成分のみを検出する撮影手段と、内部反射光成分画像からヘモグロビン成分を抽出する手段と、顔の画像から額部領域及び鼻部領域を抽出する画像処理手段と、鼻部領域のヘモグロビン成分量を正規化する処理手段と、鼻部領域におけるヘモグロビン成分量に基づいて交感神経系活性度を出力する評価処理手段と、交感神経系活性度の評価値を出力する出力手段とを備えた自律神経活動評価装置。
【請求項５】
請求項４において、鼻部領域のヘモグロビン成分量の正規化は、額部領域におけるヘモグロビン成分量の平均値と分散に基づいておこなう自律神経活動評価装置。
【請求項１】
額部領域のヘモグロビン成分量を用いて鼻部領域のヘモグロビン成分量を正規化し、この正規化したヘモグロビン成分量に基づいて交感神経系活性度を求める自律神経活動評価方法。
【請求項２】
請求項１において、鼻部領域のヘモグロビン成分量の正規化は、額部領域におけるヘモグロビン成分量の平均値と分散に基づいておこなう自律神経活動評価方法。
【請求項３】
請求項１または２において、皮膚内部反射光からヘモグロビン成分量を測定する自律神経活動評価法。
【請求項４】
顔の皮膚内部で反射した内部反射光成分のみを検出する撮影手段と、内部反射光成分画像からヘモグロビン成分を抽出する手段と、顔の画像から額部領域及び鼻部領域を抽出する画像処理手段と、鼻部領域のヘモグロビン成分量を正規化する処理手段と、鼻部領域におけるヘモグロビン成分量に基づいて交感神経系活性度を出力する評価処理手段と、交感神経系活性度の評価値を出力する出力手段とを備えた自律神経活動評価装置。
【請求項５】
請求項４において、鼻部領域のヘモグロビン成分量の正規化は、額部領域におけるヘモグロビン成分量の平均値と分散に基づいておこなう自律神経活動評価装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００７−５０１４４（Ｐ２００７−５０１４４Ａ）
【公開日】平成１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３８２６７（Ｐ２００５−２３８２６７）
【出願日】平成１７年８月１９日（２００５．８．１９）
【特許番号】特許第３７５５００５号（Ｐ３７５５００５）
【特許公報発行日】平成１８年３月１５日（２００６．３．１５）
【出願人】（５０４１９３８３７）国立大学法人室蘭工業大学 (70)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１９日（２００５．８．１９）
【特許番号】特許第３７５５００５号（Ｐ３７５５００５）
【特許公報発行日】平成１８年３月１５日（２００６．３．１５）
【出願人】（５０４１９３８３７）国立大学法人室蘭工業大学 (70)
【Ｆターム（参考）】
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