(57)【要約】【課題】従来の生体状態判定装置では、生体の状態により生体信号波形や演算したリアプノフ指数の時系列変化波形のピークが明瞭でない場合があると判定が困難になるといった課題があった。【解決手段】演算したリアプノフ指数の平均値と標準偏差の少なくとも１つに基づき生体の生理心理状態を判定するので、生体の状態を簡便に判定する生体状態判定装置を実現できる。【選択図】図１
2007125279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の生体信号を検出する生体信号検出手段と、前記生体信号検出手段により検出された生体信号データのリアプノフ指数を演算するリアプノフ指数演算手段と、前記リアプノフ指数演算手段の出力信号の平均値と標準偏差の少なくとも１つを演算する信号解析手段と、前記信号解析手段の出力信号に基づき前記生体の生理心理状態を判定する判定手段とを備えた生体状態判定装置。
【請求項２】
生体信号検出手段は、座席、ベッド、寝具、浴槽、床、便座といった生体を支持可能な支持具や、衣服、眼鏡、靴、ベルト、携帯情報端末といった生体が身に付けたり携帯可能な携帯具の少なくとも１つに配設され、生体信号として生体の心拍や呼吸の少なくとも１つに同期した体動信号を検出する請求項１記載の生体状態判定装置。
【請求項３】
生体信号検出手段は、ケーブル状の圧電センサと、前記圧電センサを内蔵した座具とを備えた請求項２記載の生体状態判定装置。
【請求項４】
生体信号データが予め設定された設定範囲に入っているかどうかを判定する比較手段を備え、リアプノフ指数演算手段は前記比較手段の判定結果に基づきリアプノフ指数を演算することを特徴とした請求項１〜３のいずれか１項記載の生体状態判定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の信号解析手段や判定手段の出力信号に基づき生体が居住する環境に設置された家庭電化機器や設備機器を制御する制御手段を備えた居住システム。
【請求項６】
制御手段は、信号解析手段で演算された平均値と標準偏差の少なくとも１つを増大させるよう家庭電化機器や設備機器を制御する請求項５記載の居住システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体信号をカオス解析して生体の状態を判定する生体状態判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体信号データの各周期のピーク値と、前記生体信号データをカオス解析してリアプノフ指数を算出し、算出されたリアプノフ指数の時系列変化波形の各周期のピーク値とを演算し、双方のピーク値のいずれか一方の時間変化率が急低下する時期を検出して生体の状態、特に、生体の入眠を判定する生体状態判定装置がある。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３４４６１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、上記した従来の生体状態判定装置では、生体の状態により生体信号波形や演算したリアプノフ指数の時系列変化波形のピークが明瞭でない場合があると判定が困難になるといった課題があった。また、ピーク値の演算にあたっては、各周期の同定やピークの探索等の複雑な計算が必要であり、装置としての簡便性に課題があった。
【０００４】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、生体信号をカオス解析して生体の状態を簡便に判定する生体状態判定装置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】
【０００５】
前記従来の課題を解決するために、本発明に係る生体状態判定装置は、生体の生体信号を検出する生体信号検出手段と、前記生体信号検出手段により検出された生体信号データのリアプノフ指数を演算するリアプノフ指数演算手段と、前記リアプノフ指数演算手段の出力信号の平均値と標準偏差の少なくとも１つを演算する信号解析手段と、前記信号解析手段の出力信号に基づき前記生体の生理心理状態を判定する判定手段とを備えたものである。そして、演算したリアプノフ指数の平均値と標準偏差の少なくとも１つに基づき前記生体の生理心理状態を判定する。
【発明の効果】
【０００６】
演算したリアプノフ指数の平均値と標準偏差の少なくとも１つに基づき前記生体の生理心理状態を判定するので、生体の状態を簡便に判定する生体状態判定装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
第１の発明は、生体の生体信号を検出する生体信号検出手段と、前記生体信号検出手段により検出された生体信号データのリアプノフ指数を演算するリアプノフ指数演算手段と、前記リアプノフ指数演算手段の出力信号の平均値と標準偏差の少なくとも１つを演算する信号解析手段と、前記信号解析手段の出力信号に基づき前記生体の生理心理状態を判定する判定手段とを備えたものである。そして、演算したリアプノフ指数の平均値と標準偏差の少なくとも１つに基づき前記生体の生理心理状態を判定する。このような簡便な演算処理のみで生体の状態を判定するので、この判定結果を生活状況に即してすぐに利用することが可能となり、装置の利用性が高まる。
【０００８】
第２の発明は、特に第１の発明の生体信号検出手段が、座席、ベッド、浴槽、床、便座といった生体を支持可能な支持具や、衣服、眼鏡、靴、ベルト、携帯情報端末といった生
体が身に付けたり携帯可能な携帯具の少なくとも１つに配設され、生体信号として生体の心拍や呼吸の少なくとも１つに同期した体動信号を検出するもので、心拍や呼吸を直接検出する時のように生体に直接電極を装着して検出することがなく、簡便に生体信号を検出することができる。
【０００９】
特に生体信号検出手段は、間接的に生体に接触または圧接することで振動を伝達されて生体信号を検出するように支持具や携帯具に設けたもので、これらにより、センサの装着や携帯に関して、特に生体に負荷をかけることがない。
【００１０】
第３の発明は、特に第２の発明の生体信号検出手段が、ケーブル状の圧電センサと、前記圧電センサを内蔵した座具とを備えたもので、座具の上に座るだけで圧電センサにより生体の心拍や呼吸の少なくとも１つに同期した体動信号を検出することができる。このように、座具のように、日常生活において通常使用する場合に必ず荷重がかかった状態で生体を支持するものであれば、座具に限らず寝具などでもよい。
【００１１】
第４の発明は、特に第１〜３のいずれか１つの発明の生体状態判定装置において、生体信号データが予め設定された設定範囲に入っているかどうかを判定する比較手段を備え、リアプノフ指数演算手段は前記比較手段の判定結果に基づきリアプノフ指数を演算するので、例えば、手足の動きや姿勢の変化が起こった時のように生体信号データが予め設定された設定範囲に入っていない場合はリアプノフ指数が急変して異常値を示すことがあるので、リアプノフ指数を演算しない。また、生体が不在で信号レベルがほとんどない場合もリアプノフ指数を演算しない。これによりリアプノフ指数演算の信頼性が向上する。
【００１２】
第５の発明は、特に第１〜４のいずれか１つの発明の信号解析手段や判定手段の出力信号に基づき生体が居住する環境に設置された家庭電化機器や設備機器を制御する制御手段を備えた居住システムである。これにより、居住環境を制御して生体の状態を適切な生理心理状態に操作することができる。
【００１３】
第６の発明は、特に第５の発明の制御手段が、信号解析手段で演算された平均値と標準偏差の少なくとも１つを増大させるよう家庭電化機器や設備機器を制御するものである。信号解析手段で演算された平均値と標準偏差の少なくとも１つを増大することで、対象となる生体の脳の活性度を高める、または疲労度を少なくする、または双方を向上させる、といった状況に合わせた生理心理状態の制御が可能となる。
【００１４】
（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態を図１から図７を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１の実施の形態における生体状態判定装置のブロック図である。図中、生体信号検出手段１はケーブル状の圧電センサ２を自動ミシン等で縫製固定した不織布シート３と、不織布シート３をカバーするカバー部材４と、圧電センサ２の両端を接続したアンプ部５とを有した座布団型の本体６（座具）を備えている。ここで本体として設けた座布団のような座具は、使用時にかならず生体と接触する部分をもち、接触した部分は荷重をうけているため内蔵した生体信号検出手段が間接的に人体に圧接された状態となり、確実に生体信号を検出できる構成となっている。アンプ部５は不織布シート３の端部近傍に固定され、圧電センサ２の出力信号から生体の心拍に同期した体動信号を抽出するフィルタ回路と増幅回路を備えている。圧電センサ２はその両端をアンプ部５に接続しているので、圧電センサ２が途中で断線しても検出動作は継続でき、冗長な構成となっている。
【００１６】
尚、生体としての人体の固有振動数は体格にもよるがおよそ４〜６Ｈzに分布すので、
人体を検出対象とする場合、アンプ部５に用いるフィルタ回路は４〜６Ｈzの信号を主に通過させるバンドパスフィルタ用いることが望ましい。また、本体６を設置する椅子等、設置場所の固有振動はノイズとなるので、予め設置場所の固有振動が判っている場合は、圧電センサ２の出力信号からそのようなノイズとなる固有振動数を除去するバンドエリミネーションフィルタを付加することが好ましい。さらに、個体差により体動信号の信号レベルが小さすぎたり大きすぎたりする場合があるので、例えば、専用スイッチを押すことにより増幅回路の増幅率を調節して信号が飽和しないようにするといったオートゲインコントロール機能を増幅回路に付加してもよい。
【００１７】
アンプ部５にはリード線７が接続され、リード線７は判定ユニット８に着脱可能に接続されている。判定ユニット８は比較手段９、リアプノフ指数演算手段１０、信号解析手段１１、判定手段１２、記憶手段１３、表示手段１４を備えている。
【００１８】
上記構成による作用について説明する。例えば、本体６を椅子に設置した場合、本体６に生体としての人が座ると、人の体動により圧電センサ２が変形し、圧電センサ２からは圧電効果により変形の加速度に応じた電圧信号が出力される。そして、アンプ部５により圧電センサ２の出力信号から人の心拍に同期した体動信号が抽出される。図２に人が安静に座っている時にアンプ部５から出力される体動信号波形の一例を示す。図２より、体動信号は数Ｈｚの波をベースとして１Ｈｚ前後の周期で心拍に同期したピークが現れていることが判る。
【００１９】
次に、図３のフローチャートに基づき、比較手段９、リアプノフ指数演算手段１０、信号解析手段１１、判定手段１２、記憶手段１３、表示手段１４の動作を説明する。先ず、ステップＳ１で比較手段９により、アンプ部５のアナログ出力信号が所定のサンプリングレートでＡＤ変換されてデジタルデータが生成さる。そして、このデジタルデータに基づき単位時間当りの積分値Ｘが演算されて、予め設定された設定値Ｘ１と比較される。ここで、Ｘ１＜ＸならばステップＳ２に進み、Ｘが予め設定された設定値Ｘ２と比較される。そして、Ｘ＜Ｘ２ならばステップＳ３で椅子に人が居て安静在席状態であると判定され、ステップＳ４でリアプノフ指数演算手段１０により前記デジタルデータを用いてリアプノフ指数が演算され、記憶手段１３に時系列的に記憶される。尚、Ｘはアンプ部５の出力信号の基準電位に対する信号波形の絶対値を単位時間当り積分したものである。また、Ｘ２はＸ１より大きな値として設定される。
【００２０】
ステップＳ１でＸ１＜Ｘで無いならば、ステップＳ５で比較手段９により椅子には人が不在であると判定される。また、ステップＳ２でＸ＜Ｘ２で無いならば、ステップ６で比較手段９により椅子に居る人が手足の動きや姿勢を変えたりして粗体動が発生したと判定される。そして、粗体動が発生したと判定された場合は、ステップ７でリアプノフ指数演算手段１０によるリアプノフ指数の演算は保留され、粗体動が発生した以前のリアプノフ指数の演算値が代用として記憶手段１３に記憶される。そして、ステップＳ４及びステップ７からステップＳ８へ進むと、信号解析手段１０によりリアプノフ指数の平均値、標準偏差の少なくとも１つが演算され、それらに基づきステップＳ９で判定手段１２により人の生理心理状態が判定される。そして、ステップＳ１０で判定手段１２の判定結果が表示手段１４により表示される。尚、ステップＳ５で椅子には人が不在であると判定された場合は、ステップＳ１０で表示手段１４により不在の表示がなされる。また、必要に応じ、比較手段９、リアプノフ指数演算手段１０、信号解析手段１１の出力信号を記憶手段１３に記憶させることもできる。以上のような一連の処理フローがステップＳ１から繰り返されて行われる。
【００２１】
ここで、判定手段１２による生理心理状態の判定方法について説明する。図４に本実施の形態を使用してストレス試験前後にある被験者のリアプノフ指数を演算した結果を示す
。試験前に比べて試験後の方がリアプノフ指数が高い値を示していて、ストレス試験により脳の活性度が高まったと考えられる。また、同一被験者におけるリアプノフ指数の標準偏差は、試験前が０．８７に対して試験後は１．００であった。これは、試験により身体が疲労したため、外界のさまざまな変化に対する身体の対応能力が低下したことを表していると考えられる。これらのことは被験者が試験後に「疲れたが、頭は冴えている」といった内省を述べていたことに合致するもので、リアプノフ指数の平均値や標準偏差から生体の生理心理状態が判定できる可能性を示唆している。
【００２２】
以上のことに基づき、リアプノフ指数の平均値と脳の活性度とは図５の関係があり、リアプノフ指数の標準偏差と疲労度とは図６の関係があると考え競れる。従って、判定手段１２では図５や図６の関係に基づきリアプノフ指数の平均値や標準偏差からそれぞれ脳の活性度や疲労度を判定する。
【００２３】
また、図７はリアプノフ指数の平均値と標準偏差に基づき生理心理状態を４つの状態に分けた特性図である。リアプノフ指数の平均値が高いと脳の活性度も高く、標準偏差が大きくなると疲労が少なくなる。そしてこのそれぞれの指標を２段階に分けて、４つのマトリックスを設けた。具体的には図中、Iは脳が活性化していて疲労がなく、最も良好な状態、IIは頭は冴えているが体は疲れている状態、IIIはぐっすり寝て起きた時のように脳の活性度合いは低いが疲れはない状態、IVは脳の活性度が低く疲労もしている最も悪い状態である。このように、図７に基づいて判定することにより、生理心理状態の位置付けが簡便に判るので使い勝手がよく、目標とすべき状態が明確になるので、休憩の取り方や生活の改善に寄与できる。
【００２４】
上記作用により、演算したリアプノフ指数の平均値と標準偏差の少なくとも１つに基づき生体の生理心理状態を判定するので、生体の状態を簡便に判定する生体状態判定装置を実現できる。
【００２５】
また、心拍や呼吸を直接検出する時のように生体に直接電極を装着して検出することがなく、簡便に生体信号を検出することができる。
【００２６】
また、座具として座布団型の本体の上に座るだけで圧電センサにより生体の心拍や呼吸の少なくとも１つに同期した体動信号を検出することができる。このように、座具などであれば、生体の荷重を受け、必然的に生体信号検出手段が間接的に圧接され、体動が確実に検出できる構成となり、特殊なセンサ類や携帯具または支持具の装着の必要がなく、生体に対する負荷がない。
【００２７】
また、手足の動きや姿勢の変化が起こった時のように生体信号データが予め設定された設定範囲に入っていない場合はリアプノフ指数が急変して異常値を示すことがあるので、リアプノフ指数を演算しない。また、生体が不在で信号レベルがほとんどない場合もリアプノフ指数を演算しない。これによりリアプノフ指数演算の信頼性が向上する。
【００２８】
これは、リアプノフ指数の演算を行うためには、生体がある程度落ち着いた安静状態にある場合の生体信号の一定時間分のデータを必要とするためである。
【００２９】
尚、判定ユニット８は携帯電話やＰＤＡ等の携帯情報端末や、パーソナルコンピュータ等の一部と兼用してもよい。
【００３０】
なお、本実施例では、それぞれの指標を２段階に分割して、４つのマトリックスを設けたが、これに限らず、検出目的となる生体の生理心理状態を把握するために適当なマトリックスの構成にすればよい。
【００３１】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態を図８（ａ）（ｂ）を参照して説明する。図８（ａ）は本発明の第２の実施の形態における生体状態判定装置のブロック図、図８（ｂ）はアンプ部５のブロック図である。本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、アンプ部５に比較手段９とリアプノフ指数演算手段１０が内蔵され、演算されたリアプノフ指数が通信手段１５、１６を介してセンターのサーバ１７に送信され、サーバ１７が信号解析手段１１と判定手段１２を備えている点にある。また、判定手段１２で判定した生理心理状態の判定結果は通信手段１６を介して通信手段１５に送信して表示可能になっている点にある。通信手段１５としては例えば、携帯電話を用いる。
【００３２】
上記構成により、本体６を設置した椅子に人が座ると人の体動により圧電センサ２が変形し、圧電センサ２からは圧電効果により変形の加速度に応じた電圧信号が出力される。そして、アンプ部５のフィルタ部５１と増幅部５２により圧電センサ２の出力信号から人の心拍に同期した体動信号が抽出される。そして、第１の実施の形態と同様な処理フローで比較手段９とリアプノフ指数演算手段１０によりリアプノフ指数が演算される。そして、演算されたリアプノフ指数は所定の長さの時系列データとして通信手段１５、１６を介してセンターのサーバ１７に送信される。
【００３３】
サーバ１７では、送られてきたリアプノフ指数の時系列データに基づき、信号解析手段１１により、リアプノフ指数の平均値と標準偏差の少なくとも１つが演算され、判定手段１２により、リアプノフ指数の平均値と標準偏差の少なくとも１つに基づき生理心理状態の判定を行う。そして、判定結果はサーバ１７内のメモリに個人ＩＤと対応して暗号化されて記憶されるとともに、通信手段１６を介して通信手段１５に送信される。送信された判定結果は通信手段１５で閲覧可能である。任意の時間に通信手段１５からサーバ１７内のメモリにアクセスして個人ＩＤに対応した蓄積データを閲覧してトレンドを表示させることも可能である。
【００３４】
上記作用により、第１の実施の形態では判定ユニット８での信号処理量が多く、記録容量も大きくなり判定ユニットが大きくなるといった課題があったが、本実施の形態では、信号解析手段１１と判定手段１２をサーバ側に内蔵したため、利用者側の機器の負担が軽減され、装置も小型化できるといった効果がある。
【００３５】
（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態を図９を参照して説明する。本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、信号解析手段１１や判定手段１２の出力信号に基づき生体が居住する環境に設置された家庭電化機器１９や設備機器２０を制御する制御手段１８を備えた居住システムである点にある。ここで、制御手段１８は家庭内ＬＡＮで家庭電化機器１９や設備機器２０と接続されている。
【００３６】
上記構成により、制御手段１８が信号解析手段１１や判定手段１２の出力信号に基づき生体が居住する環境に設置された家庭電化機器１９や設備機器２０を制御する。特に、リアプノフ指数の平均値や標準偏差の少なくとも１つを増大させるよう家庭電化機器１９や設備機器２０を制御する。例えば、朝、寝起き直後、疲れはとれていてリアプノフ指数の標準偏差は大きいが、脳が活性化しておらずリアプノフ指数の平均値が低い場合は、照明器具の照度を高めたり、オーディオ機器から覚醒度を高めるような音楽を流すなど、感覚器官を刺激したり、平易なタスクを負荷して序々に活性度があがるように制御し、リアプノフ指数の平均値が上がるようにする。また、制御手段１８が日頃から図７の領域Iになる家庭電化機器１９や設備機器２０の制御条件を記憶し、領域Iからはずれた状態の時は記憶した条件で家庭電化機器１９や設備機器２０を制御して領域Iの状態になるように制
御する構成としてもよい。
【００３７】
例えば、マッサージ椅子や浴室などでは、酸素を発生する酸素発生手段を椅子に備えたり、浴室に設置したりして、酸素濃度を上げて脳の活性度を高めたり、椅子や浴槽に頸部マッサージ手段を設けてこれを用いて頭部への血行を促進して疲労度を低減させるように制御するようにしてもよい。予め、生体が図７の領域Iになった時の酸素発生手段や頸部マッサージの制御条件を記憶しておいて、領域Iからはずれた状態の時は、記憶した条件で酸素発生手段やマッサージ椅子を制御して、領域Iの状態になるように促進する。  
【００３８】
また、上記とは反対に、就寝の際は、リアプノフ指数の平均値が低くなるよう家庭電化機器１９や設備機器２０を制御することにより脳の活性度を低下させて入眠を促進する。例えば、照明を暗くしたり、単調な音楽を発生させて脳の活性度を低くし、温度や湿度などを調節して入眠を促進する。
【００３９】
上記作用により、信号解析手段や判定手段の出力信号に基づき生体が居住する環境に設置された家庭電化機器や設備機器を制御する制御手段を備えたので、生理心理状態に基づいた最適な居住環境の制御が可能となる。
【００４０】
また、制御手段が、信号解析手段で演算された平均値と標準偏差の少なくとも１つを増大させるよう家庭電化機器や設備機器を制御するので、脳の活性度を高くしたり、疲労度を低下させるような生体の生活状況に応じて最適な居住環境の制御が可能となる。
【００４１】
尚、上記実施の形態では、生体信号検出手段は圧電センサが内蔵された座具として座布団型の本体を備えたものだったが、座席、ベッド、寝具、浴槽、床、便座といった生体の荷重がかかった状態で支持可能な支持具や、衣服、眼鏡、靴、ベルト、携帯情報端末といった生体が身に付けて、その一部が間接的に接触したり、または圧接して装着される携帯可能な携帯具の少なくとも１つに圧電センサを配設した構成としてもよい。
【００４２】
また、リアプノフ指数の指標として、平均値や標準偏差だけでなく、リアプノフ指数の時間的な変化率に基づいて生体状態を判定する構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
リアプノフ指数の平均値や標準偏差を演算することにより、脳の活性度や身体の疲労度が推定できるので、例えば、商品や番組、食品、対人関係等への興味度合いや嗜好性をリアプノフ指数で評価するといった使い方も可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施の形態における生体状態判定装置のブロック図
【図２】人が安静に座っている時にアンプ部５から出力される体動信号の波形図
【図３】比較手段９、リアプノフ指数演算手段１０、信号解析手段１１、判定手段１２、記憶手段１３、表示手段１４の動作手順を示すフローチャート
【図４】本実施の形態を使用してストレス試験前後にある被験者のリアプノフ指数を演算してプロットした波形図
【図５】リアプノフ指数の平均値と脳の活性度との関係を示す特性図
【図６】リアプノフ指数の標準偏差と平均値との関係を示す特性図
【図７】リアプノフ指数の平均値と標準偏差と生体の心理生理状態の関係を示す特性図
【図８】（ａ）本発明の第２の実施の形態における生体状態判定装置のブロック図（ｂ）本発明の第２の実施の形態における生体状態判定装置のアンプ部のブロック図
【図９】本発明の第３の実施の形態における生体状態判定装置のブロック図
【符号の説明】
【００４５】
１  生体信号検出手段
２  圧電センサ
６  本体
９  比較手段
１０  リアプノフ指数演算手段
１１  信号解析手段
１２  判定手段
【図１】
2007125279.tif 000003
【図２】
2007125279.tif 000004
【図３】
2007125279.tif 000005
【図４】
2007125279.tif 000006
【図５】
2007125279.tif 000007
【図６】
2007125279.tif 000008
【図７】
2007125279.tif 000009
【図８】
2007125279.tif 000010
【図９】
2007125279.tif 000011