(57)【要約】【課題】  簡単な構造で、心拍呼吸等による生体表面の微小変位を非接触で計測すると共に、その計測結果から生体の心拍変動指標を解析することができる非接触メンタルストレス診断システムを提供する。【解決手段】  被検体Ｐにマイクロ波を放射するマイクロ波放射手段１０と、被検体Ｐからの反射波を受信するマイクロ波受信手段１０とを備え、被検体Ｐの微小変位を非接触で計測する非接触メンタルストレス診断システム１において、反射波から心拍変動指標を解析する解析手段２３を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体にマイクロ波を放射するマイクロ波放射手段と、前記被検体からの反射波を受信するマイクロ波受信手段とを備え、前記被検体の微小変位を非接触で計測する非接触メンタルストレス診断システムにおいて、前記反射波から心拍変動指標を解析する解析手段を備えたことを特徴とする非接触メンタルストレス診断システム。
【請求項２】
前記解析手段の解析した心拍変動指標から前記被検体の自律神経の緊張状態を評価する評価手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の非接触メンタルストレス診断システム。
【請求項３】
前記解析手段による心拍変動指標の解析は、最大エントロピー法を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非接触メンタルストレス診断システム。
【請求項４】
前記被検体が着座するシートを備え、前記シートの背もたれ外側に前記マイクロ波放射手段及び前記マイクロ波受信手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の非接触メンタルストレス診断システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、心拍呼吸等による生体表面の微小変位を非接触で計測し、その計測結果から生体のメンタルストレス状態を診断する非接触メンタルストレス診断システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、心拍呼吸等による生体表面の微小変位を非接触で計測する非接触診断装置がある。この非接触診断装置は、マイクロ波を被検体に向けて放射し、その反射から所定の信号成分を抽出するため、隔離室にいる人間や有毒物質にさらされた被検体の心拍数を非接触でモニタすることができ、医師が患者に直接触れることなく敗血症や有毒ガス犠牲者の診断、処置が可能となり、有毒物質に対する医師の２次被爆を防ぐことも可能となる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−３０４９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近年、過剰な物理的・精神的ストレスによる労働災害が増加し、作業現場における精神的ストレス診断は安全確保の観点から重要な検討事項となっている。
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載された技術は、心拍数を求め、身体の異常を一部診断することはできるが、精神的ストレスまで診断することは示唆されていない。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するものであって、簡単な構造で、心拍呼吸等による生体表面の微小変位を非接触で計測すると共に、その計測結果から生体の心拍変動指標を解析することができ、その心拍変動指標から被検体の緊張状態やゆらぎを捉え、メンタルストレス状態等の変化を診断することができる非接触メンタルストレス診断システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そのために本発明は、被検体にマイクロ波を放射するマイクロ波放射手段と、前記被検体からの反射波を受信するマイクロ波受信手段とを備え、前記被検体の微小変位を非接触で計測する非接触メンタルストレス診断システムにおいて、前記反射波から心拍変動指標を解析する解析手段を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、前記解析手段の解析した心拍変動指標から前記被検体の自律神経の緊張状態を評価する評価手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、前記解析手段による心拍変動指標の解析は、最大エントロピー法を用いることを特徴とする。
【０００９】
また、前記被検体が着座するシートを備え、前記シートの背もたれ外側に前記マイクロ波放射手段及び前記マイクロ波受信手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、被検体に何の装置も取付けることなく、心拍呼吸等による生体表面の微小変位を非接触で計測すると共に、その計測結果から生体の心拍変動指標を解析することができ、その心拍変動指標から被検体のメンタルストレス状態を診断することができる。また、心拍変動指標を的確に解析することができる。
【００１１】
さらに、シート等に着座したままで、被検体に何の装置も取付けることなく、シートの背もたれ外側に取り付けた装置から心拍呼吸等による生体表面の微小変位を非接触で計測することができるので、デスクワークを主とする作業者のメンタルストレス状態を作業状態のまま測定でき、過労死等の回避に役立てることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態における非接触メンタルストレス診断システムの概略図を示す。非接触メンタルストレス診断システム１は、シートＳ等の背もたれ外側に取り付け、衣服Ｗを着用しシートＳ等に着座した状態の生物等の被検体Ｐに対して、衣服ＷやシートＳ等の遮蔽物を透過する電波を放射するマイクロ波放射手段、及び、被検体Ｐからの反射波を受信するマイクロ波受診手段の一例としてのマイクロ波レーダー装置１０と、マイクロ波レーダー装置１０から送信されたデータを演算処理する制御手段の一例としてのパーソナルコンピュータ２０と、を備える。
【００１３】
図２は、非接触メンタルストレス診断システムのブロック図を示す。マイクロ波レーダー装置１０は、レーダーアンテナ１１を通して電波を放射し、被検体Ｐからの反射波をレーダーアンテナ１１で受信し、受信した信号をマイクロ波レーダー制御部１２からデータ信号としてパーソナルコンピュータ２０に送信するものである。
【００１４】
パーソナルコンピュータ２０は、まず、Ａ／Ｄ変換器２１でディジタル信号に変換し、ＰＰ間隔測定手段２２でＰＰ間隔を求める。続いて、解析手段２３で、ＰＰ間隔測定手段２２で求めたＰＰ間隔から最大エントロピー法等の手法により、心拍変動指標ＨＲＶを計測する。次に、評価手段２４で、心拍変動指標ＨＲＶから、被検体Ｐのメンタルストレス等の自律神経の緊張状態を評価する。
【００１５】
次に、各構成を具体的に説明する。
【００１６】
まず、マイクロ波レーダー装置１０について説明する。図３は、マイクロ波部分の拡大図である。本実施形態では、衣服Ｗを着用し、シートＳに着座した状態の被検体Ｐに対して、シートＳの背もたれＳａに当接させず離れた位置にレーダーアンテナ１１を設置する。本実施形態ではオフィスでの作業時や自動車・電車の運転時等のメンタルストレスを評価する場合、身体前面から取得すると、作業に伴う腕の動き等によって、胸郭の動きが観察できなくなることから、シートＳの背もたれＳａから約２〜３ｃｍ離間させた位置より計測する。
【００１７】
レーダーアンテナ１１から被検体Ｐに向けて電波を放射すると、例えば衣服を着用したままであればマイクロ波に対して通常の衣服は透明で、人間の体は良好なマイクロ波反射体であるため、必要な強度の反射波が得られる。この反射波をレーダーアンテナ１１で受信してマイクロ波レーダー制御部１２に取り込む。また、本実施形態では、ドップラーレーダーを適用し、送信するマイクロ波の周波数としては、約２４ＧＨｚ、パワーは約１０ｍＷであり、フィルタ等により受信した反射波からアンテナ周囲の背景ノイズを除去することにより、心臓の鼓動等の生体の体表面の微小変位で変調された反射波が得られる。
【００１８】
なお、本実施形態では、マイクロ波レーダー装置１０による計測の前に、2.5μｍの精度で計測できる高精度レーザー測距計を用いて、背部体表面がどの程度動いているか観察した。その結果、心臓の真裏付近である第４肋間狭付近は約0.2ｍｍ程度の振動であるのに対して、腰部付近では0.1mm程度の振動と、心臓に近いほど体表面の動きが大きいという示唆が得られたので、背部でも腰部より上方の方が体表面の微小な動きを計測するのに適していると考え、背部上方で計測した。
【００１９】
次に、パーソナルコンピュータ２０について説明する。Ａ／Ｄ変換器２１は、マイクロ波レーダー装置１０で得られたデータをディジタル信号に変換するものである。
【００２０】
ＰＰ間隔測定手段２２は、Ａ／Ｄ変換器２１によりディジタル信号に変換されたデータからＰＰ間隔（Peak to Peak（図４を参照））を求めるものである。
【００２１】
ここで、非接触メンタルストレス診断システム１で計測した信号波形と、心電図波形とがほぼ一致し、本システムを診断に活用できることを説明する。
【００２２】
図４は、心電図波形と本実施形態の非接触メンタルストレス診断システム１で計測した波形との比較を示す図である。図４（ａ）は被検体Ｐに電極を付けて測定した心電図波形、図４（ｂ）は非接触メンタルストレス診断システム１で計測した信号波形であり、マイクロ波レーダー装置１０の移相器による遅延で図４（ｂ）の信号ピークは、図４（ａ）の信号ピークに対して遅延しているものの、心電図から求めたＲＲ間隔（心拍の間隔）と酷似したＰＰ間隔信号がマイクロ波レーダー装置１０から得られていることがわかる。
【００２３】
解析手段２３は、ＰＰ間隔測定手段２２でＰＰ間隔を求めたデータから自律神経等の生理学的指標となる心拍変動指標ＨＲＶを解析するものである。本実施形態では、最大エントロピー法ＭＥＭを用いて周波数領域の低周波数成分（ＬＦ：約0.04−0.15Hz）と高周波数成分（ＨＦ：約0.15−0.40Hz）に分離し、このＬＦとＨＦの比（ＬＦ/ＨＦ）を交感神経活動の指標，ＨＦを副交感神経活動の指標とした。なお、最大エントロピー法（ＭＥＭ）以外に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等を適用してもよい。
【００２４】
ここで、非接触メンタルストレス診断システム１で計測した心拍変動指標ＨＲＶと、心電図から求めた心拍変動指標ＨＲＶとの相互相関性が高く、本システムを自律神経の緊張状態の評価に活用できることを説明する。
【００２５】
図５は、心電図から求めた低周波成分と、本実施形態の非接触メンタルストレス診断システム１で求めた低周波成分との比較を示す図である。この比較は、約２分間の安静の後、擬似的なメンタルストレスとして不快な聴覚刺激を約２分間被検体Ｐに与え、その後再度約２分間安静にさせて回復過程を観察した結果である。なお、点線が比較のために取得した心電図より算出したＬＦ（低周波成分）の変化を示し，実線がマイクロ波レーダー装置１０から取得したデータより算出したＬＦの変化を示している。
【００２６】
心電図より算出した結果を見ると、安静中はＬＦの値は低く安定しているが、２分後から不快な聴覚刺激を与えたためにＬＦの値が上昇している。これは交感神経系の緊張を意味しており、すなわちストレスの掛かった状態にあるといえる。この２分間の聴覚刺激の後、ＬＦの値は次第に下がりストレスが減少していることがわかる。マイクロ波レーダー装置１０から取得されたデータより算出したＬＦも、心電図から算出したものと極めて酷似した変化を示し、また絶対値も非常に近い値を示している．したがって、本非接触メンタルストレス診断システム１によって得られる結果は、直接電極を取り付けた心電図で得られる結果と略同一の結果が得られること、さらにメンタルストレスの変化に対応可能であることがわかる。
【００２７】
図６は、心電図から求めた心拍変動指標ＨＲＶと本実施形態の非接触メンタルストレス診断システム１で求めた心拍変動指標ＨＲＶとの相互相関分析の結果を示す図である。横軸を時間差（位相）、縦軸を相互相関係数とすると、ＬＦ及びＬＦ/ＨＦに対して、時間差のない０の時の相互相関係数が約１に近い値になっている。このことは、本実施形態の非接触メンタルストレス診断システム１で求めた心拍変動指標ＨＲＶのＬＦ及びＬＦ/ＨＦは、心電図から求めた心拍変動指標ＨＲＶと酷似していることを示している。
【００２８】
評価手段２４は、解析手段２３で求められた心拍変動指標ＨＲＶから被検体Ｐのメンタルストレス等の自律神経の緊張状態を評価するものである。
【００２９】
このように、本実施形態では、被検体Ｐにマイクロ波を放射するマイクロ波放射手段１０と、前記被検体からの反射波を受信するマイクロ波受信手段１０とを備え、前記被検体Ｐの微小変位を非接触で計測する非接触メンタルストレス診断システム１において、前記反射波から心拍変動指標を解析する解析手段２３を備えたので、簡単な構造で、心拍呼吸等による生体表面の微小変位を非接触で計測すると共に、その計測結果から生体の心拍変動指標を解析することができ、その心拍変動指標から被検体を診断することができる。
【００３０】
また、解析手段２３の解析した心拍変動指標から被検体Ｐの自律神経の緊張状態を評価する評価手段２４を備えたので、心拍変動指標から被検体のメンタル状態を診断することができる。
【００３１】
また、解析手段２３による心拍変動指標の解析は、最大エントロピー法を用いるので、心拍変動指標を的確に解析することができる。
【００３２】
さらに、被検体Ｐが着座するシートＳを備え、シートＳの背もたれＳａ外側にマイクロ波放射手段及び前記マイクロ波受信手段１０を備えたので、シートＳに着座したままで、被検体に何の装置も取付けることなく、シートＳの背もたれＳａ外側に取り付けたマイクロ波レーダー装置１０から心拍呼吸等による生体表面の微小変位を非接触で計測することができ、デスクワークを主とする作業者のメンタルストレス状態を作業状態のまま測定でき、過労死等の回避に役立てることができる。
【００３３】
さらに、このような評価を実現することにより、例えば、自動車や電車等の乗物の運転手の走行中のメンタルストレスのモニタリングをして、自動車や電車等の制御を実行し、事故を防止するような応用技術に適用しても効果的である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態における非接触メンタルストレス診断システムの概略図である。
【図２】非接触メンタルストレス診断システムのブロック図である。
【図３】マイクロ波部分の拡大図である。
【図４】心電図波形と、本実施形態の非接触メンタルストレス診断システム１で計測した波形との比較を示す図である。
【図５】心電図から求めた低周波成分と、本実施形態の非接触メンタルストレス診断システム１で求めた低周波成分との比較を示す図である。
【図６】心電図から求めた心拍変動指標ＨＲＶと、本実施形態の非接触メンタルストレス診断システム１で求めた心拍変動指標ＨＲＶとの相互相関分析の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…非接触メンタルストレス診断システム、１０…マイクロ波レーダー装置、１１…レーダーアンテナ、１２…マイクロ波レーダー制御部、２０…パーソナルコンピュータ、２１…Ａ／Ｄ変換器、２２…ＰＰ間隔測定手段、２３…解析手段、２４…評価手段、Ｐ…被検体、Ｗ…衣類、Ｓ…シート、Ｓａ…背もたれ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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