(57)【要約】【課題】生体への刺激強度を計測する手法の一つとして、従来の心拍数と血圧相当指標の時系列にフィルターを施し、互いの相互相関係数の最大値を求めて評価する方法では、データのバラツキが大きい場合など実験条件によっては、有意差が得られないという課題があったので、これを解決する刺激強度計測装置および刺激強度計測方法を提供する。【解決手段】脈波センサー２で計測した脈波波形から、心拍数と血圧相当指標の時系列を算出し、次にこれらにフィルターを施し、さらに互いの相互相関係数の最大値を求めて記録手段８に記録する。記録手段８に記録した複数のデータから分散および／または標準偏差を算出する。分散および／または標準偏差の有意な変化によって、生体への刺激強度の違いを検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脈波計測手段と、
該脈波計測手段を用いて計測した脈波波形から、心拍数および血圧相当指標をそれぞれ算出する心拍数算出手段および血圧相当指標算出手段と、
前記心拍数算出手段および前記血圧相当指標算出手段を用いてそれぞれ算出した心拍数および血圧相当指標から、特定の時間周波数帯域を抽出するフィルタと、
該フィルタで抽出された心拍数および血圧相当指標から、相互相関係数の最大値を算出する相互相関係数最大値算出手段と、
該相互相関係数最大値算出手段を用いて算出した相互相関係数の最大値を記録する記録手段と、
該記録手段に記録された複数の相互相関係数の最大値に関する分散および／または標準偏差を算出する統計量算出手段とからなることを特徴とする刺激強度計測装置。
【請求項２】
前記血圧相当指標は、前記脈波波形の立ち上がり点と次の立ち上がり点を直線で結び、該直線と前記脈波波形で囲まれた部分の面積として算出することを特徴とする請求項１に記載の刺激強度計測装置。
【請求項３】
前記フィルタは０.０８Ｈｚ〜０.１２Ｈｚの帯域のみを通過させるバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１または２に記載の刺激強度計測装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１に記載の刺激強度計測装置であって、表示手段をさらに備え、前記統計量算出手段が標準偏差を算出する際に、前記記録手段に記録された複数の相互相関係数の最大値に関する平均値をさらに算出し、前記表示手段に前記平均値と標準偏差とを共に表示することを特徴とする刺激強度計測装置。
【請求項５】
脈波計測手段から脈波波形を求めるステップと、
該脈波波形から、心拍数を算出する心拍数算出ステップと、
前記脈波波形から、血圧相当指標を算出する血圧相当指標算出ステップと、
前記心拍数から特定の時間周波数帯域を抽出する心拍数注出ステップと、
前記血圧相当指標から、特定の時間周波数帯域を抽出する血圧相当指標注出ステップと、
前記心拍数注出ステップで抽出された心拍数、および、前記血圧相当指標注出ステップで抽出された血圧相当指標から、相互相関係数の最大値を算出する相互相関係数最大値算出ステップと、
該相互相関係数最大値算出ステップを用いて算出した相互相関係数の最大値を記録する記録ステップと、
該記録ステップで記録された複数の相互相関係数の最大値に関する分散および／または標準偏差を算出する統計量算出ステップと
からなることを特徴とする刺激強度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体への刺激の強度を計測する刺激強度計測装置および刺激強度計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
映像の生体への刺激の強度を計測することは、臨場感のある映像コンテンツを制作したり、臨場感のあるディスプレイ装置を製作する上で必要であるため、これまで研究されてきた。その一つの有力な方式として非特許文献１に開示されているρｍａｘと名付けられた方式がある。
【０００３】
この方式では、まず、脈波を計測し、脈波間隔から心拍数を算出する。一方、脈波の１周期分の積分値を算出し、これを血圧相当指標とする。血圧相当指標として、実際の血圧を計測して用いる方が原理に即しているが、脈波だけから計算できる簡便さのため、脈波の１周期分の積分値で代用している。
【０００４】
このようにして求めた、心拍数と血圧相当指標の時系列に対して、時間的な狭帯域フィルタを適用する。フィルタ特性の例として、中心周波数は、０.１Ｈｚ、通過帯域は、０.０８Ｈｚ以上０.１２Ｈｚ以下の範囲が選ばれる。これは、安静時には、心拍数と血圧のゆらぎが、この周波数で同期している場合が多いことが知られており、マイヤー波と呼ばれていることから、その情報を抽出するためである。
【０００５】
次に、心拍数と血圧のゆらぎの同期の程度を評価するために、上記フィルタを通した心拍数と血圧相当指標に対して、この２者間の相互相関関数の最大値を計算する。これは、一定の時間遅れを許容して同期の程度を評価するためである。この相互相関係数の最大値がρｍａｘと呼ばれている。
【０００６】
映像刺激を見せながら、この値を評価すると、刺激がない場合、心拍数と血圧のゆらぎは、マイヤー波で同期していると予想されるため、ρｍａｘは大きい値を示し、刺激がある場合、同期がくずれると予想されるため、ρｍａｘは小さい値を示すと考えられる。従来は、このような関係を利用して、ρｍａｘの大小によって、刺激強度を推定していた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】阿部  他、「脈波信号解析による映像の生体影響評価」、計測自動制御学会東北支部４０周年記念学術講演会、ｐ１３３〜ｐ１３６（２００４年１２月）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、従来、生体への刺激強度を計測する手法の一つとして、心拍数と血圧相当指標の時系列を計測し、これらにフィルタを施し、さらに互いの相互相関係数の最大値を求めて、評価する方法が行われていた。しかし、データのバラツキが大きい場合など実験条件によっては、有意差が得られないという課題があった。実験条件によっては、ρｍａｘの値にばらつきが大きく、複数回の実験の平均を求めて比較しても、有意差が検出できない場合があることが、課題であった。
【０００９】
本発明は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、ρｍａｘのばらつきが大きく有意差が検出できない場合においても、刺激強度の差を明らかにするための手段を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、脈波計測手段と、該脈波計測手段を用いて計測した脈波波形から、心拍数および血圧相当指標をそれぞれ算出する心拍数算出手段および血圧相当指標算出手段と、前記心拍数算出手段および前記血圧相当指標算出手段を用いてそれぞれ算出した心拍数および血圧相当指標から、特定の時間周波数帯域を抽出するフィルタと、該フィルタで抽出された心拍数および血圧相当指標から、相互相関係数の最大値を算出する相互相関係数最大値算出手段と、該相互相関係数最大値算出手段を用いて算出した相互相関係数の最大値を記録する記録手段と、該記録手段に記録された複数の相互相関係数の最大値に関する分散および／または標準偏差を算出する統計量算出手段とからなることを特徴としたものである。
【００１１】
第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記血圧相当指標は、前記脈波波形の立ち上がり点と次の立ち上がり点を直線で結び、該直線と前記脈波波形で囲まれた部分の面積として算出することを特徴としたものである。
【００１２】
第３の技術手段は、第１または２の技術手段において、前記フィルタは０.０８Ｈｚ〜０.１２Ｈｚの帯域のみを通過させるバンドパスフィルタであることを特徴としたものである。
【００１３】
第４の技術手段は、第１から３のいずれか１の技術手段である刺激強度計測装置であって、表示手段をさらに備え、前記統計量算出手段が標準偏差を算出する際に、前記記録手段に記録された複数の相互相関係数の最大値に関する平均値をさらに算出し、前記表示手段に前記平均値と標準偏差とを共に表示することを特徴としたものである。
【００１４】
第５の技術手段は、脈波計測手段から脈波波形を求めるステップと、該脈波波形から、心拍数を算出する心拍数算出ステップと、前記脈波波形から、血圧相当指標を算出する血圧相当指標算出ステップと、前記心拍数から特定の時間周波数帯域を抽出する心拍数注出ステップと、前記血圧相当指標から、特定の時間周波数帯域を抽出する血圧相当指標注出ステップと、前記心拍数注出ステップで抽出された心拍数、および、前記血圧相当指標注出ステップで抽出された血圧相当指標から、相互相関係数の最大値を算出する相互相関係数最大値算出ステップと、該相互相関係数最大値算出ステップを用いて算出した相互相関係数の最大値を記録する記録ステップと、該記録ステップで記録された複数の相互相関係数の最大値に関する分散および／または標準偏差を算出する統計量算出ステップとからなることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、従来、計測結果にバラツキが大きく有意差が検出できない実験条件においても、分散および／または標準偏差の変化として刺激強度の大きさを計測することが可能となり、前述の課題を解決できる。また、本発明は、生体への様々な刺激の強度を計測する手段を提供しており、生体に刺激を与える機器の開発に用いるだけでなく、健康機器などにも、幅広く応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る刺激強度計測装置の構成を示す図である。
【図２】脈波センサの一種である赤外線指尖光電脈波センサの構造図である。
【図３】赤外線指尖光電脈波センサから得られる典型的な脈波波形を示す図である。
【図４】図３の典型的な脈波波形を用いて、血圧相当指標を計算する方法を説明する図である。
【図５】本発明に係る刺激強度計測装置の分散・標準偏差算出回路の出力をグラフにした図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の刺激強度計測装置および刺激強度計測方法に係る好適な実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る刺激強度計測装置の構成を示す図である。
刺激強度計測装置１は、脈波センサ２、心拍数算出回路３、血圧相当指標算出回路４、フィルタ５、６、相互相関係数最大値算出回路７、記録回路８、分散・標準偏差算出回路を備えている。
【００１８】
脈波センサ２は本発明の脈波計測手段に相当し、本発明の刺激強度計測処理は、脈波センサ２による脈波の計測から始まる。図２に、脈波センサの一種である赤外線指尖光電脈波センサ２０と呼ばれている方式の構造図を示す。赤外線指尖光電脈波センサ２０では、赤外線発光ダイオード２１で、指先１０を照明し、その反射量を赤外線センサ２２で検出する。脈拍に応じて、指先１０に含まれる血液量が変化するが、この血液量に比例して赤外線の反射量が増減することを利用して、赤外線センサ２２で、脈拍の計測を実現している。得られる典型的な脈波波形３０を図３に示す。
【００１９】
次に、本発明の心拍数算出手段に相当する心拍数算出回路３で、心拍数を算出する。本実施例では、脈波波形３０の立ち上がり点を検出し、その間隔から心拍数を算出する方法を採用した。しかし、脈波波形３０の一周期内の最大値を検出する方式でも良い。なお、最大値を検出する方が、処理は簡略化できるが、精度は劣る。いずれにせよ、心拍数の算出は必要な精度に応じて選択すればよい。
【００２０】
心拍数の算出と同時に、本発明の血圧相当指標算出手段に相当する血圧相当指標算出回路４で、血圧相当指標を算出する。本実施例では、図４に示すように、脈波波形３０の立ち上がり点と次の立ち上がり点を直線Ｌで結び、これと、脈波波形３０で囲まれた部分の面積として定義される脈波面積４０を血圧相当指標として用いた。
【００２１】
以上のようにして算出された心拍数と、血圧相当指標の時系列は、次に、それぞれフィルタ５，６に入力される。フィルタ５，６の特性としては、０.０８Ｈｚ〜０.１２Ｈｚの帯域のみを通過するバンドパスフィルタを用いた。これは、背景技術で述べたように、安静時には、心拍数と血圧のゆらぎが、この周波数で同期している場合が多いことが知られており、マイヤー波と呼ばれている成分を抽出するためである。
【００２２】
フィルタ５，６を通過した心拍数と、血圧相当指標の時系列は、次に本発明の相互相関係数最大値算出手段に相当する相互相関係数最大値算出回路７に入力される。相互相関係数最大値算出回路７では、式（１）に従って、フィルタを通過した心拍数と、血圧相当指標の時系列の間の相互相関係数を計算し、次に、式中のタイムラグτが変化する中での最大値を計算結果として出力する。
【００２３】
【数１】
2012200320.tif 000003
【００２４】
次に、相互相関係数最大値算出回路７の出力は、実験毎に、本発明の記録手段である記録回路８に記録される。本発明では、多数の被験者に同一条件の映像を見せ、被験者毎に得られた相互相関係数最大値算出回路７の出力を記録回路８に蓄積した。
【００２５】
最後に、本発明の分散・標準偏差算出手段である分散・標準偏差算出回路９によって、記録回路８に蓄積された被験者毎に得られた前記相互相関係数最大値算出回路７の出力の結果から、これらのデータの分散および／または標準偏差を計算し、最終結果として出力する。
【００２６】
以上説明した、刺激強度計測装置を以下に説明する実験に適応した。
刺激の弱い条件として、被験者に１分間の２Ｄ映像を見せて、その間の脈波を、被験者１０名に関して、刺激強度計測装置で計測し、分析した。一方、刺激の強い条件として、刺激の弱い条件で用いた映像と同じストーリーのものを、３Ｄ映像で見せて、その間の脈波を、同じ被験者１０名に関して、刺激強度計測装置で計測し、分析した。この実験の結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１の結果から、刺激の強弱では、平均はほとんど変化しない実験条件であり、統計的検定でも有意にならず、刺激強度の変化は検出できなかった。しかし、分散では、刺激の強い条件の方が小さくなる傾向が見出され、Ｆ検定で有意差が実証された。この実験例で示されたように、従来の計測方法では、差が検出できない場合にも本発明の計測方法によれば、刺激強度の差を検出できる効果がある。
【００２９】
分散・標準偏差算出回路９の内部では、記録回路８から入力されたデータに対して、まずデータの平均値が計算され、次に分散が計算され、さらにこの分散の計算結果に対して開平の演算が施されることによってデータの標準偏差が求められ、最終結果として出力される。
【００３０】
分散でなく標準偏差を求めることによって、次元がデータと一致することから同一のグラフの上に、表現することができる効果がある。実際、表１に記載した実験データを標準偏差を用いて表現したグラフを図５に示す。平均５１，５２がほとんど変化していないのに対して、標準偏差６１，６２が変化している状態を直感的に見て取ることができる。なお、このグラフは表示手段としてのプリンターから出力するようにしてもよく、あるいは、表示手段としての画面で表示するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１…刺激強度計測装置、２…脈波センサ、３…心拍数算出回路、４…血圧相当指標算出回路、５，６…フィルタ、７…相互相関係数最大値算出回路、８…記録回路、９…分散・標準偏差算出回路、１０…指先、２０…赤外線指尖光電脈波センサ、２１…赤外線発光ダイオード、２２…赤外線センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2012200320.tif 000008
【図５】
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