(57)【要約】【課題】自然な呼吸誘導を行うことができる呼吸誘導装置を小型・安価に構成する。【解決手段】人体４０の体表面の互いに異なる部位に刺激を与える複数の刺激子１１，１２と、それら各刺激子１１，１２によって人体４０の体表面に与える刺激パターンを生成して出力する制御手段２０と、前記刺激パターンに基づき、各刺激子１１，１２を駆動する駆動信号を生成する駆動手段３０とを備え、前記刺激パターンは人体４０に、複数の刺激子１１，１２の間を空間連続的に刺激されているような錯覚を生じさせることで、呼吸を誘導するものとされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体の体表面の互いに異なる部位に刺激を与える複数の刺激子と、
それら各刺激子によって前記人体の体表面に与える刺激パターンを生成して出力する制御手段と、
前記刺激パターンに基づき、前記各刺激子を駆動する駆動信号を生成する駆動手段とを備え、
前記刺激パターンは前記人体に、前記複数の刺激子の間を空間連続的に刺激されているような錯覚を生じさせることで、呼吸を誘導するものとされていることを特徴とする呼吸誘導装置。
【請求項２】
請求項１記載の呼吸誘導装置において、
前記刺激パターンは仮現運動によって前記錯覚を生じさせるべく、前記複数の刺激子の駆動開始タイミングをそれら刺激子の配列方向に従い、順次ずらすように構成されていることを特徴とする呼吸誘導装置。
【請求項３】
請求項１記載の呼吸誘導装置において、
前記刺激パターンはファントムセンセーションを用いて前記錯覚を生じさせるべく、前記複数の刺激子の駆動強度を徐々に変化させるように構成されていることを特徴とする呼吸誘導装置。
【請求項４】
請求項３記載の呼吸誘導装置において、
前記刺激子の数は２つとされ、
それら２つの刺激子は同じタイミングで駆動されて、一方の刺激子の駆動強度は漸減され、他方の刺激子の駆動強度は漸増されることを特徴とする呼吸誘導装置。
【請求項５】
人体の体表面の互いに異なる部位に刺激を与える複数の刺激子と、
それら各刺激子によって前記人体の体表面に与える刺激パターンを生成して出力する制御手段と、
前記刺激パターンに基づき、前記各刺激子を駆動する駆動信号を生成する駆動手段とを備え、
前記刺激パターンは前記人体に、前記各刺激子が互いに異なるタイミングで刺激を与えることで、呼吸を誘導するものとされていることを特徴とする呼吸誘導装置。
【請求項６】
請求項１乃至５記載のいずれかの呼吸誘導装置において、
前記複数の刺激子は前記人体の背中に、背筋方向に沿って配列されることを特徴とする呼吸誘導装置。
【請求項７】
請求項１乃至６記載のいずれかの呼吸誘導装置において、
前記刺激子に振動モータを用いることを特徴とする呼吸誘導装置。
【請求項８】
請求項１乃至７記載のいずれかの呼吸誘導装置において、
前記刺激パターンは呼吸周期の吸気区間中もしくは呼気区間中にのみ刺激を与えるものとされていることを特徴とする呼吸誘導装置。
【請求項９】
請求項１乃至８記載のいずれかの呼吸誘導装置において、
前記人体の呼吸状態を計測する呼吸計測部と、
その呼吸計測部で計測された呼吸状態から呼吸指標を抽出する呼吸指標抽出部とを具備し、
前記制御手段は前記呼吸指標抽出部で抽出された呼吸周期に前記刺激パターンを同期させ、かつ予め設定された目標呼吸周期に前記抽出された呼吸周期が徐々に近づくように前記刺激パターンの同期を設定することを特徴とする呼吸誘導装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は人にリラックス感を喚起するといった用途に用いることができ、また例えば医療現場において治療や治療への併用といった用途に用いることが考えられる呼吸誘導装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には被施療者にリラックス感を喚起するため、被施療者の呼吸周期に応じて施療動作を行うマッサージ機（マッサージ椅子）が記載されている。
【０００３】
特許文献１ではマッサージ機は人体に対して刺激を周期的に与える施療手段（施療子）と、人体の呼吸周期を検出する検出手段と、検出手段で検出される呼吸周期に応じて施療手段が人体に与える刺激を制御する制御手段とを備えるものとされ、検出手段は人体を押圧する施療手段にかかる負荷を検出する力センサによる押圧力情報から呼吸周期を検出するものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３２４８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に記載されているように、呼吸周期に応じて人体に刺激を与えれば、リラックス感を喚起することができる。また、特許文献１に記載されているように、呼吸周期よりも刺激周期を長くすれば、呼吸周期が長周期となるように誘導することができ、早期にリラックス状態に導くことができる。しかしながら、刺激を与える施療子を人体に沿って移動させ、施療子を人体の体表面に空間連続的に押し付けるマッサージ機のような機械は大掛りな機構が必要となり、装置の大型化は避けられない。
【０００６】
一方、振動子や電気刺激子を人体の体表面の一箇所に押し当てて呼吸を誘導する方法も提案されており、この方法によれば装置を小型化したり、ウェアラブルにすることができるものの、単に呼吸周期毎に振動子や電気刺激子を駆動するだけでは呼吸誘導感が不足するといった問題があった。
【０００７】
この発明の目的は大掛りな機構を用いることなく、小型に構成することができ、良好かつ自然な呼吸誘導を行えるようにした呼吸誘導装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明によれば、呼吸誘導装置は人体の体表面の互いに異なる部位に刺激を与える複数の刺激子と、それら各刺激子によって人体の体表面に与える刺激パターンを生成して出力する制御手段と、前記刺激パターンに基づき、各刺激子を駆動する駆動信号を生成する駆動手段とを備え、前記刺激パターンは人体に、複数の刺激子の間を空間連続的に刺激されているような錯覚を生じさせることで、呼吸を誘導するものとされる。
【０００９】
請求項２の発明では請求項１の発明において、前記刺激パターンは仮現運動によって前記錯覚を生じさせるべく、複数の刺激子の駆動開始タイミングをそれら刺激子の配列方向に従い、順次ずらすように構成される。
【００１０】
請求項３の発明では請求項１の発明において、前記刺激パターンはファントムセンセーションを用いて前記錯覚を生じさせるべく、複数の刺激子の駆動強度を徐々に変化させるように構成される。
【００１１】
請求項４の発明では請求項３の発明において、刺激子の数は２つとされ、それら２つの刺激子は同じタイミングで駆動されて、一方の刺激子の駆動強度は漸減され、他方の刺激子の駆動強度は漸増される。
【００１２】
請求項５の発明によれば、呼吸誘導装置は人体の体表面の互いに異なる部位に刺激を与える複数の刺激子と、それら各刺激子によって人体の体表面に与える刺激パターンを生成して出力する制御手段と、前記刺激パターンに基づき、各刺激子を駆動する駆動信号を生成する駆動手段とを備え、前記刺激パターンは人体に、各刺激子が互いに異なるタイミングで刺激を与えることで、呼吸を誘導するものとされる。
【００１３】
請求項６の発明では請求項１乃至５のいずれかの発明において、複数の刺激子は人体の背中に、背筋方向に沿って配列される。
【００１４】
請求項７の発明では請求項１乃至６のいずれかの発明において、刺激子に振動モータを用いる。
【００１５】
請求項８の発明では請求項１乃至７のいずれかの発明において、前記刺激パターンは呼吸周期の吸気区間中もしくは呼気区間中にのみ刺激を与えるものとされる。
【００１６】
請求項９の発明では請求項１乃至８のいずれかの発明において、人体の呼吸状態を計測する呼吸計測部と、その呼吸計測部で計測された呼吸状態から呼吸指標を抽出する呼吸指標抽出部とを具備し、制御手段は呼吸指標抽出部で抽出された呼吸周期に前記刺激パターンを同期させ、かつ予め設定された目標呼吸周期に前記抽出された呼吸周期が徐々に近づくように前記刺激パターンの同期を設定する。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、大掛りな機構は不要であり、自然な呼吸誘導を行うことができる呼吸誘導装置を小型かつ安価に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明による呼吸誘導装置の基本構成例を示すブロック図。
【図２】刺激子の設置位置例を模式的に示した図。
【図３】この発明の実施例１における刺激パターンを示す図。
【図４】この発明の実施例１における刺激パターンの変形例を示す図。
【図５】この発明の実施例２における刺激パターンを示す図。
【図６】この発明の実施例３における刺激パターンを示す図。
【図７】この発明の実施例４における刺激パターンを示す図。
【図８】この発明による呼吸誘導装置の実施例５における構成を示すブロック図。
【図９】呼吸指標を説明するための図。
【図１０】実験条件を説明するための図。
【図１１】実験結果を示す表。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１はこの発明による呼吸誘導装置の機能構成例を示したものであり、呼吸誘導装置はこの例では第１刺激子１１及び第２刺激子１２と、制御手段２０と、駆動手段３０とによって構成されている。
【００２１】
第１刺激子１１及び第２刺激子１２は人体４０（図１ではブロックで示している）の体表面の互いに異なる部位に刺激を与えるもので、この例では振動モータが用いられ、振動モータによって人体４０の体表面に触覚（体性感覚）を与えるものとされる。
【００２２】
制御手段２０は例えばコンピュータによって構成され、第１，第２刺激子１１，１２それぞれを通じて人体４０の体表面に与える刺激パターンを生成して出力する。
【００２３】
駆動手段３０は制御手段２０から入力される刺激パターンに基づき、第１，第２刺激子１１，１２を駆動する駆動信号を生成する。駆動手段３０は第１駆動回路３１と第２駆動回路３２を備えており、これら第１，第２駆動回路３１，３２によって第１，第２刺激子１１，１２をそれぞれ駆動する駆動信号が生成され、第１，第２刺激子１１，１２に出力される。第１，第２駆動回路３１，３２は例えば増幅器とされる。
【００２４】
図２は人体４０への第１，第２刺激子１１，１２の設置例を模式的に示したものである。第１，第２刺激子１１，１２はこの例では人体４０の背中に、背筋（せすじ）方向（背骨と平行方向）に沿って配列されて設置されており、第１刺激子１１は腰に位置され、第２刺激子１２は背に位置されている。
【００２５】
図３は制御手段２０が出力する刺激パターン（刺激パターン信号）を示したものであり、制御手段２０はこの例では２００Ｈｚの正弦波信号の振幅の有無で刺激パターンを生成して出力する。なお、図３では正弦波の図示は省略しており、正弦波の振幅の有無のみを簡略化して示している。図３に示したグラフの縦軸は刺激強度を表し、横軸は時間を表す。
【００２６】
刺激パターンは誘導したい呼吸周期Ｔｐ毎に同じ動作を繰り返すように制御される。第１刺激子１１用の刺激パターンは呼吸周期Ｔｐ中、Ｔ１時間だけ振幅があり、それ以外は振幅０となっている。第２刺激子１２用の刺激パターンは呼吸周期Ｔｐ中、Ｔ２時間だけ振幅があり、それ以外は振幅０となっている。これら第１，第２刺激子１１，１２用の刺激パターンは第１，第２刺激子１１，１２の駆動開始タイミングをずらすように構成されており、第１刺激子１１の駆動開始から時間差Ｔｄを持って第２刺激子１２が駆動されるように構成されている。Ｔ１，Ｔ２，Ｔｄは、
０＜Ｔ１＜Ｔｐ
０＜Ｔ２＜Ｔｐ
Ｔｄ＋Ｔ２＜Ｔｐ
を満たすように設定される。
【００２７】
刺激パターンはこの例では人体４０に、第１，第２刺激子１１，１２の間を空間連続的に刺激されているような錯覚を仮現運動によって生じさせるものとされ、時間差（遅れ時間）Ｔｄは仮現運動が生じる範囲で、即ち１秒を超えない範囲（詳細は下記文献１，２等でも論じられている）で設定する。
【００２８】
文献１：J.H.Kirman,“Tactile apparent movement：The effects of interstimulus onset interval and stimulus duration”，Perception & Psychophysics,Vol.15,No.1,pp.1-6,1974
文献２：丹羽真隆等，“振動触覚を用いた情報提示のための仮現運動と刺激条件”，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，Vol.14, No.2, pp.223-232,2009
【００２９】
この例では上述したように仮現運動を生じさせ、人体４０に第１，第２刺激子１１，１２の間を空間連続的に刺激されているような錯覚を生じさせることで、自然な呼吸誘導を行うものとなっている。なお、遅れ時間Ｔｄは仮現運動が生じやすいよう、Ｔ１の値に応じて設定される。
【００３０】
図４は図３に示した刺激パターンの変形例を示したものである。図３では第１，第２刺激子１１，１２用の刺激パターンはそれぞれＴ１及びＴ２時間、連続して刺激を与えるものとなっているが、図４は時間幅Ｔｂの刺激列に細分化したものである。このような刺激列によって刺激を与えるようにしてもよい。
【実施例２】
【００３１】
実施例２では第１刺激子１１の駆動強度を漸減させ、第２刺激子１２の駆動強度を漸増させる。つまり、第１刺激子１１による刺激強度は徐々に小さくなるようにし、一方、第２刺激子１２による刺激強度は徐々に大きくなるように制御する。これにより、ファントムセンセーションを生じさせ、このファントムセンセーションを用いて実施例１と同様、人体４０に、第１，第２刺激子１１，１２の間を空間連続的に刺激されているような錯覚を生じさせることで、自然な呼吸誘導を行う。
【００３２】
図５はファントムセンセーションを生じさせるべく、制御手段２０が生成・出力する刺激パターンを示したものである。刺激パターンは図３と同様、簡略化して示している。制御手段２０は２００Ｈｚの正弦波信号の振幅を図５に示したように変化させる。
【００３３】
第１，第２刺激子１１，１２用の刺激パターンは第１，第２刺激子１１，１２が同じタイミングで駆動され、かつ同じＴ３時間駆動されるように構成されており、第１刺激子１１用の刺激パターンのＴ３時間における刺激強度は図５に示したように漸減され、第２刺激子１２用の刺激パターンのＴ３時間における刺激強度は漸増される。
【実施例３】
【００３４】
実施例３は実施例２と同様、ファントムセンセーションを用いて吸気誘引刺激と呼気誘引刺激の双方を行うようにしたものであり、図６に制御手段２０が生成・出力する刺激パターンを示す。
【００３５】
この例では図６に示したように、吸気時には第１刺激子１１による刺激強度は漸減され、第２刺激子１２による刺激強度は漸増される。これにより、吸気時には腰から上方の背へ、つまり尾側から頭側へ感覚が生じ、吸気が誘引される。
【００３６】
一方、呼気時には第１刺激子１１による刺激強度は漸増され、第２刺激子１２による刺激強度は漸減される。これにより、呼気時には背から下方の腰へ、つまり頭側から尾側へ感覚が生じ、呼気が誘引される。
【００３７】
なお、このような尾側から頭側へ生じる感覚による吸気誘引及び頭側から尾側へ生じる感覚による呼気誘引は一般的な個人特性に合致するものであり、デフォルトで図６に示したような刺激パターンを制御手段２０が生成・出力するように設定しておけば、呼吸誘導において調節なしで対応できる範囲を広くすることができる。
【実施例４】
【００３８】
実施例４は人体４０に刺激を与える範囲を目標吸気区間中もしくは目標呼気区間中に限定する。目標吸気区間は呼吸周期Ｔｐのうち、吸気誘導を想定する区間をさし、目標呼気区間は呼吸周期Ｔｐのうち、呼気誘導を想定する区間をさす。
【００３９】
図７は制御手段２０が生成・出力する刺激パターンと目標呼吸パターンとを示したものであり、この例では目標吸気区間にのみ刺激を与えるものとなっている。このように目標吸気区間にのみ刺激を与え、感覚を生じさせることをデフォルトとする。
【実施例５】
【００４０】
実施例５では図８に示したように、図１に示した構成に加え、呼吸計測部５０と呼吸指標抽出部６０とを備えるものとされる。
【００４１】
呼吸計測部５０は人体４０（呼吸誘導装置使用者）の呼吸状態を計測する。呼吸状態の計測は例えば呼吸に伴う胴の周囲長変化、呼気と吸気の気流や温度変化、姿勢変化による荷重移動等を周知技術により測定することによって行われ、これらの一部または組み合わせを使用者の呼吸状態として出力する。
【００４２】
呼吸指標抽出部６０はコンピュータ等で構成され、呼吸計測部５０から入力される呼吸状態から図９に示したような呼吸周期、呼気時間、吸気時間、呼気開始、吸気開始等の呼吸状態の特徴、即ち呼吸指標を抽出する。
【００４３】
このような呼吸計測部５０と計測指標抽出部６０を備えることにより、制御手段２０は生成する刺激パターンに使用者の呼吸状態の特徴を反映させたり、同期を取ったりすることができる。
【００４４】
制御手段２０が使用者の呼吸周期に刺激パターンを同期させ、かつ使用者の呼吸周期を予め設定された目標呼吸周期に誘導する場合のアルゴリズムの一例を下記に示す。
【００４５】
（１）誘導したい最終的な目標となる目標呼吸周期Ｔｐ’を設定する。但し、Ｔｐ’＞０。
（２）使用者の現在の呼吸周期ｔｐを呼吸指標抽出部６０より受け取る。
（３）刺激パターンを生成する際に用いる呼吸周期Ｔｐを、
Ｔｐ＝ｔｐ＋（Ｔｐ’−ｔｐ）／Ｎ
に設定し、１呼吸周期分の刺激パターンを生成する。但し、Ｎ＞１。
（４）吸気開始出力を呼吸指標抽出部６０より受け取ったら、Ｔｐ時間分の刺激パターンの出力を開始する。これにより、第１，第２刺激子１１，１２が駆動され、刺激が与えられる。
（５）以下、上記（２）〜（４）を繰り返す。
【００４６】
上記において、Ｎを所定の大きさとすることにより、目標呼吸周期Ｔｐ’に使用者の呼吸周期ｔｐを徐々に近づけていくことができ、負担なく呼吸を誘導することができる。
【００４７】
［実験］
被験者に対し、呼吸誘導を適用し、呼吸の合わせやすさについて評価させる実験を行った。
【００４８】
実験においては図１０（ａ）に示したように椅子７０の背もたれ部に第１〜第３の振動モータよりなる３つの刺激子１１〜１３を腰、背、肩の位置にそれぞれ位置させて設置した。そして、頭側から尾側への感覚生起を刺激パターンＡとし、尾側から頭側への感覚生起を刺激パターンＢとした。図１０（ｂ）は仮現運動により感覚生起を生じさせる場合の刺激パターンＡ，Ｂを示す。なお、呼吸周期Ｔｐは4.5秒とした。
【００４９】
被験者に対し、感覚生起に対して呼吸の吸気または呼気を合わせるように指示し、そのときの呼吸を呼吸計測器（ＴＲ−７５１，日本光電工業（株）製）で計測した。また、各実験終了後に５段階評価で呼吸の合わせやすさを評価させた。被験者の数は８名とした。
【００５０】
実験結果を図１１の表１に示す。表１中の同期しやすさは呼吸計測器での測定データから計算した呼吸位相の刺激開始（振動開始）時点での分散を順位付けた和（順位和）を示し、合わせやすさも被験者の主観評価による順位和を示す。いずれも数字が小さい方が結果が良となる。
【００５１】
誘導方法は吸気及び呼気のどちらを感覚生起に合わせたかを示し、矢印で示した向きは感覚生起方向（↑は尾側から頭側、↓は頭側から尾側）を示す。なお、表２は表１より誘導方法を吸気または呼気の２つの項目にまとめて整理した結果を示す。
【００５２】
これら表１及び表２より、目標呼気区間中に感覚を生起させるより、目標吸気区間中に感覚を生起させる方が良いことがわかる。また、吸気時に尾側から頭側（矢印↑）の感覚を生起させる誘導方法が呼気パターンの安定性及び主観評価ともに最も良いことがわかる。
【００５３】
以上説明したように、この発明では呼吸誘導を人体の体表面の互いに異なる離散的な位置に設置した複数の刺激子によって行うものとなっており、複数の刺激子の空間的配置を考慮し、刺激子の駆動順序や駆動強度等を調節することにより、仮現運動やファントムセンセーションを生じさせ、あたかも空間連続的に体表面を刺激されているかのように使用者に感じさせるものとなっている。これにより、自然な呼吸誘導を行うことができ、大掛りな機構を必要としないため、呼吸誘導装置を小型かつ安価に構成することができる。
【００５４】
また、実験結果からも検証されたように、背筋方向に複数の刺激子を設置し、吸気時には尾側から頭側に移動する感覚を生起させ、呼気時には頭側から尾側に移動する感覚を生起させるようにすれば、呼吸誘導を一般的な個人特性に合致させることができ、つまり実施例３に示したような刺激パターンをデフォルト設定とすれば、パラメータ調節の手間を省き、呼吸を合わせやすくすることができる。
【００５５】
なお、目標とする呼吸パターンのうち、目標吸気区間または目標呼気区間のみに使用者に刺激された感覚を生じさせるように限定すれば、使用者が過度の呼吸誘導感を感じるのを抑えつつ、目標呼吸パターンに誘導することができる。この場合、実施例４で示したように目標吸気区間にのみ使用者に感覚を生じさせることをデフォルト設定とすることは実験結果からも効果があることが検証されており、このようにデフォルトを設定すれば、パラメータ調節の手間を省くことができる。
【００５６】
上述した実施例１〜５では刺激子として第１，第２刺激子の２つを用いているが、刺激子の数はこれに限らず、例えば実験で用いたように３つとしてもよく、さらに４つ以上用いてもよい。この場合、刺激子の設置は背筋方向に沿って背中に等間隔に配列するのが好ましい。
【００５７】
また、刺激子には振動モータに限らず、下記文献３に記載されているような振動を伝えるスピーカや下記文献４に記載されているような電気的に神経を刺激する電極等を用いることもできる。
【００５８】
文献３：Y.Hashimoto, H.Kajimoto,“An Emotional Tactile Interface Completing with Extremely High Temporal Bandwidth”,SICE Annual Conference,pp.1457-1462,2008
文献４：谷江等，“電気パルス刺激における強度差ファントムセンセーション像の位置弁別特性”，計測自動制御学会論文集，Vol.15, No.4, pp.505-512, 1979
【００５９】
さらに、刺激子は駆動手段によって単に駆動されるものとなっているが、例えば下記文献５に記載されているようにフィードバック機構を具備するようにしてもよい。
文献５：丹羽真隆等，“安定した振動提示のためのフィードバック制御による振動子の振動状態制御”，バーチャルリアリティ学会論文誌，Vol.11, No.1, pp.59-68, 2006
【００６０】
また、制御手段は刺激パターンの生成において、振幅の有無や変化を調節するのみならず、例えば信号の周波数等を変えるようにしてもよい。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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