情報処理学会 インタラクション 2024
IPSJ Interaction 2024

2P-822024/2/28

リズム風提示による接触を要さない呼吸ペース誘導手法の予備的検討
金 杜1,a)細井 十楽1

伴 祐樹1

キョウ 青宇1 菊池 雄行2
割澤 伸一1

中川 京佑2

村上 千鶴2

今井 洋輔2

概要：本研究では，現代社会におけるストレス軽減とリラクゼーションの向上の必要性を背景に，非接触の触覚刺激としてリズム風を用いた呼吸誘導の効果を探求した．実験では，リズム風を提示し，これによる参加者の呼吸ペースとリラクゼーションの状態に及ぼす影響を測定した．結果として，目標とされた呼吸ペースへの誘導は困難であり，参加者のリラクゼーション状態にも顕著な変化は見られなかった．この結果は，非接触呼吸誘導手法の限界と可能性を示し，今後の研究の方向性を示唆するものである．

1. 緒言

つ目の課題について，上に挙げた手法では，触覚刺激を提示するデバイスを装着させる必要があり，行動や姿勢に対現代社会はストレス社会とされ，リラックスや休憩の質する制約が大きい．二つ目の課題について，誘導効果の向を向上させることには大きな社会的な要求がある．そして，上や広範化を達成するために全身や大人数に対して触覚刺

呼吸はリラックスや休憩の質に密接に関わっていることが激を提示する際，触覚刺激デバイスを大量に用意し，装着・知られており，一般に，呼吸ペースは遅く，呼吸の深さは運用する必要があり，システムの設備・制御面でのコスト深ければ，休憩の質が高くなることが知られている [1]．

が大きくなりやすい．

そのため，Human Computer Interaction (HCI) 分野で本研究では，呼吸運動のペースを非接触に提示できる触は，休憩の質が高くなる呼吸運動，特にゆったりとした覚刺激として，気流に着目した．呼吸のタイミングは気流ペースへと体験者の呼吸を誘導する研究が様々に行われてによって変化することが示唆されている [10], [11] 上，気流いる．呼吸誘導に関する先行研究において主に用いられては風速を制御することによって，対象者が知覚できる触覚いるアプローチは，映像や音声，振動などの五感刺激を用刺激の強度変化を提示することが可能である．また，気流

いて，呼気と吸気の適切なタイミングを提示し，それらに提示は装着等を要さず，広範囲に対する刺激提示が容易で合わせて呼吸させることで呼吸ペースを誘導するものであきるため，複数人への適用コストが小さく，体験者の位置

る [2], [3], [4]．五感刺激の中でも，特に，触覚刺激を用いや姿勢に対する制約も小さい．さらに，空調設備は一般にた呼吸誘導手法では，振動や圧力を提示できる触覚刺激デ広く普及しているため，気流提示手法は将来的な設備導入

バイスを接触・装着させ，刺激位置や刺激強度を変化させコストが比較的小さくなりやすい．そこで，本研究では，ることで適切な呼吸ペースを提示している [5], [6], [7]．そ非接触な触覚刺激としてリズムのある風 (リズム風) を提示のため，他の映像音声等の視聴への干渉が小さく，日常生することによって，最適な呼吸リズムを意識させ，デバイ

活における業務や休憩シーンに導入しやすいという利点がス装着や訓練を必要とせずに意図した呼吸ペースへと体験存在する．また，呼吸運動を模したクッション型デバイス者を誘導することを提案する．

を介した触覚刺激によって，引き込み現象を用いて事前の気流による非接触での呼吸誘導を実現するため，気流の教示や訓練を必要としない呼吸誘導手法も提案されてい風速を変化させることで，適切な呼吸のペースを提示する

る [8], [9]．

システムを構築した．そのシステムを用いて，リズム風をしかしながら，デバイスとの接触を介した触覚刺激によ提示することで教示や訓練の無い状態で呼吸誘導が可能かる既存の呼吸誘導手法には，以下の二つの課題がある．一を調べるため，実験参加者を募り，休憩中にリズム風を提

12a)

東京大学
ダイキン工業株式会社
jin.du@s.h.k.u-tokyo.ac.jp© 2024 Information Processing Society of Japan

示する実験を行った．

986

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サイズで，制御用 PC から目標風速を送信され，Arduino

2. 手法
2.1 アプローチ休憩時の呼吸誘導について，本研究では，特に，タスク間での 5-10 分程度の短時間の休憩における呼吸誘導を対象とすることとする．タスク間での短い休憩は労働等において日常的に頻繁に発生し，その質の改善は生産性の向上につながるため社会的な需要が大きい．呼吸誘導の先行研究においても，同様に，タスク間での短い休憩をターゲッ
トとしたものが多く存在する ．
触覚刺激による呼吸リズムの誘導手法は，休憩中の映像視聴と干渉が起きづらいため，様々な手法が提案されている．触覚刺激を用いたアプローチの多くは，知覚される触覚刺激の位置や強度を操作することで，目標とする呼吸リの出力信号によって稼働する．これらに加え，実験上の休憩時の行動の統制として，体験者が座るための椅子，体験者がファンの動作を視認せずに映像音声を視聴するための眼鏡型デバイス (Nreal Air) とノイズキャンセリングイ
ヤホン (Bose QuietComfort Earbuds II) を用意した．椅子はファンから 65 cm の距離に正対する向きで配置され，映像音声用のデバイスは，体験者から極力風を遮らないよう眼鏡型デバイスとイヤホンを選定した．また，実験中の計測のため，生体指標計測のための測定器 (PLUX, biosignalExplorer) を用意した．biosignal Explorer には ECG セン
サと呼吸計測用バンドが接続され，実験参加者にこれらを装着して，生体指標を計測した．生体情報計測のサンプリ
ングレートは 1000 Hz であった．

ズムを提示している．そのため，呼吸誘導の用いる触覚刺激は，目標とする 10 bpm 付近のペースを強度や位置の操作によって，提示可能なことが求められる [12]．さらに，短い休憩シーンにおける呼吸誘導では，事前の導入や事後の移行が簡便かつ，短時間で誘導できるよう効果が高い手法であることが必要である．加えて，休憩シーンに行う行為は個人によって大きく異なるため，行動の自由度が高いことが望ましい．一方で，既存の触覚的呼吸誘導手法は，1 で述べたように，専用デバイスの装着を要するため，行動・姿勢の制約や設備的なコストが大きくなってしまうという課題が存在する．
そこで，本研究では，呼吸誘導に用いる触覚刺激として非接触で提示できる気流を用いることを提案する．気流は開放感をもたらす刺激としてリラックスを目的とした多図 1数の先行研究で用いられている上 ，送風によって吸気のタイミングを変化させられることが示唆されている ．また，ファンの風速を制御することで約 10 bpm である呼吸のペースを十分に提示可能であり，気流は空調設備などの設置型のファンによって広範囲の場に対する提示が容易であるため，休憩前後の移行のコストが低く，休憩時の位置や姿勢についての制約も小さいため，短時間での休憩シーンに適している．
本研究では，風による呼吸誘導としてまず，呼吸誘導に関する教示の無い下で，提示する風のリズムによって呼吸ペースを変動させることを考えた．

2.2 システム
2.2.1 実験環境
提案手法の効果を検証する実験のため，休憩時の体験者の顔に対してリズム風を提示できるシステムを構築した（図 1）．
本システムは，主に風提示用のファン，Arduino Uno

実験環境

2.2.2 風速の制御評価システムが意図した風速を提示可能であるかを確認するため，体験者の頭部の位置に超音波式風速計を設置し，超音波式風速計を用いて風速を測った結果が図 2 である．条件は，”無風条件”，”定常風条件”，”7.5 bpm リズム風”，”10 bpm リズム風”であり，それぞれ黒色，緑色，青色，赤色の実線で表される．二種類のリズム風を用意したのは，提示した風のリズムと呼吸誘導効果の関係を検証するためである．図 2 を元に，本システムを使用して想定される風パターンを提示するのは可能であることが示された．

2.3 実験デザイン
2.2 のシステムを用いて，被験者実験を計画した．実験目
的は，呼吸誘導に関する教示のない下で，リズム風を提示することによって呼吸ペースが誘導されるかの検証である．
本実験は倫理審査委員会の下，承認されている（23-406）．

R3，制御用 PC で構成されている．ファンは，0.172m の© 2024 Information Processing Society of Japan987

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感情に関する主観アンケートである SAM(Self AssessmentManikin) [13] と RRS(Relaxation Rating Scale) に回答した．また，実験参加者が休憩タスク中に風を感じた場合，その風の印象に対するアンケート [14] を追加で回答した．
休憩タスク中の呼吸ペースと心拍数は．7 分間の内，後半の 5 分間のデータから算出した．
フェーズ 3 は，本試行後のアンケートとデブリーフィングを行うフェーズである．全条件についての試行が終わった後，体験者は生体情報センサを外し，事後アンケートに回答した．その後，本研究の目的が呼吸誘導であることの図 2

風速が無風・定常・リズム風 (10 bpm, 7.5 bpm) となるよう制御した際の風速測定の結果デブリーフィングを行った．

2.3.1 実験手順
本実験の実験手順は大きく 3 つのフェーズに分けられ，実験参加者は順に全てのフェーズを行った．実験時間は 1

図 34 条件のそれぞれで繰り返される 1 試行内の具体的な手順．

人につき約 90 分程度であった．
フェーズ 1 は，実験の本試行前の前準備を行うフェーズ

2.3.2 実験条件である．実験参加者はまず 25 °C に室温が統制された実験

実験条件として，無風条件，定常風条件，7.5 bpm リズ室に入室後，実験説明を受けた．本実験の目的に教示や訓ム風条件，10 bpm リズム風条件の 4 つを用意した．参加

練などの事前の知識が無い状態で呼吸誘導が行えるかを者は，安静タスク中，この条件に基づく風を浴びた．無風検証することがあるため，実験説明では，呼吸を誘導する条件は，ファンを稼働させず，風を提示しない条件である．という目的を伏せ，実験目的を「風を用いて呼吸を整えリ定常風条件は，ファンの回転速度を一定に制御し，風速がラックスさせること」と伝えるディセプションを行った．

約 0.9 m/s の定常である風を提示する条件である．7.5 bpm

フェーズ 2 は．実験の各条件ごとの本試行を行うフェー

リズム風条件，10 bpm リズム風条件は，リズムがそれぞズである．実験参加者は，ファンから 65 cm の距離に正対れ 7.5 bpm，10 bpm の正弦波となるよう風速を制御した風する椅子に座り，実験条件ごとに 1 回ずつ以下の試行を繰を提示する条件である．

り返し行った．実験条件は 2.3.2 に後述する 4 条件であり，実験参加者は計 4 回の試行を行った．

無風条件はベースとなる実験参加者の休憩時安静状態を示す．定常風条件は，風には快適度をあげる効果がみられ1 試行の具体的な手順を以下に示す（図 3）．まず，実験ることがある [14] ため，風自体による効果と，安静呼吸を参加者は，休憩前の状態の統制のため，認知タスクである

誘導するペースに風を設計することによる効果を分離する

2-back タスクを 2 分間行った．2-back タスクは，3 秒間ごため設けた．とにモニタ上に 1 桁の数字が表示され，実験参加者は 2 個

実験条件の順序は，順序効果を考慮し，実験参加者間で前に表示された数字と現在表示されている数字が同一であBalanced Latin Square [15] を用いて振り分けた．

る場合キーを押す認知タスクである．2-back タスクを行っ

2.3.3 生体情報解析

た後，安静タスクとして，映像提示用のアイグラスデバイス計測した生体情報をもとに，呼吸計測用バンドから得らとノイズキャンセリングワイヤレスイヤホンを装着し，実れたデータをもとに 1 分あたりの呼吸数を算出し，リラッ験条件に応じた風を浴びながら，「風によって呼吸を整えてクス度合いを評価するために，ECG データから副交感神リラックスしてください」という教示を受け，風景のパノラ

経指標である Root Mean Square of Successive Diﬀerences

マ写真が回転する映像とホワイトノイズの音声を 7 分間視(RMSSD) を算出した．

聴した．映像と写真を提示したのは，風の触覚刺激単体の生体情報解析には，生体情報からの特徴量抽出に広く

呼吸誘導効果を見るためにファンの動きや音を知覚されな用いられている biosppy を利用した．まず前処理として，いようにするためである．動画でなく静止写真を用いたのbiosppy ライブラリの組み込み関数を用いて，ECG，呼吸は，風を含む動画によって風速や風向といった風の知覚がデータからノイズを除去した．ECG 解析には，通過帯域変化すること知られており，それによって，提示した風が3Hz，遮断帯域 45Hz の FIR バンドパスフィルタを用い，正しく知覚されないことを防ぐためである．安静タスクを呼吸解析には，カットオフ周波数 5Hz のバターワースフィ行った後，体験者はアイグラスデバイスとノイズキャンセルタを用いた．

リングワイヤレスイヤホンを外し，安静タスク中についての© 2024 Information Processing Society of Japan

呼吸ペースは呼吸運動の波形を高速フーリエ変換し，得988

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られたスペクトルからピーク周波数を算出し，このピークリラックス度が大きいことを意味し，1 が「全くリラック周波数の値を反転することで算出した．RMSSD は，連続スしていなかった」，9 が「非常にリラックスしていた」をする心拍間隔（RR 間隔）の差の平方根の平均値を計算す表す．この結果について，Friedman 検定を実施し，有意差ることで算出され，副交感神経活動の影響を反映する．そは確認できたため，無風条件と他の三条件について，各々のため，RMSSD の値が大きいほど副交感神経活動が高い

wilcoxon の符号付き順位検定とボンフェローニ補正を行っと解釈される．

た結果，有意差は見られなかった (定常風の場合：p = 1.0，3. 結果

10 bpm リズム風の場合：p = 0.14，7.5 bpm リズム風の場
合：p = 0.1)．

14 名（男性 9 名，女性 5 名，平均年齢 25.6 歳）の参加者を募って実験を実施した．生体情報計測の結果，欠損のあった参加者 2 名のデータは解析から除外し，残り 12 名（男性 8 名，女性 4 名，平均年齢 25.9 歳）のデータについて解析・統計検定を行った．
本研究での統計解析における有意水準は 5%とする．
図 4 に各条件ごとの休憩タスクの後半の 5 分間の呼吸ペースを示す．Shapiro-Wilk 検定によってデータが正規分布に従っていないことが確認できたため Friedman 検定を実施したところ，有意な主効果はみられなかった (p = 0.96)．
図 6

各条件での安静タスクにおけるリラックス度を示す RRS アン
ケートの結果4. 議論
呼吸誘導の結果は，呼吸に関する直接な指示がない条件下で，参加者の呼吸が 10 bpm または 7.5 bpm リズム風によって誘導されなかったことを意味する．また、RMSSDと RRS の結果を見ると，リズム風に晒された際，参加者
図 4

各条件での安静タスクにおける後半 5 分の呼吸ペースが自然にリラックスすることは確認されなかった．
これらの結果の原因として，リズムに合わせて呼吸をす

図 5 は各条件ごとの休憩タスクの後半の 5 分間の RSSMDる際に必要な努力が著しく大きいため，弱い教示と刺激だを示し，この値が大きいほど副交感神経活動が高い，つまりけでは参加者の呼吸ペースを自然的に誘導するのが困難でリラックス度合いが高いと解釈できる．Shapiro-Wilk 検定あったと推測される．今回の実験では，無風の状況下でのによってデータが正規分布に従っていないことが確認でき

参加者の平均呼吸ペースは 15bpm である一方で，目標とたため Friedman 検定を実施したところ，こちらについてもされた呼吸ペースは 10bpm と 7.5bpm に設定された．こ提示風の条件による有意差はみられなかった（p = 0.87）．の大きな差異が，参加者が新しい呼吸リズムに適応する上での障壁となり，その障壁を克服するためには，本実験で提示した教示と刺激は不十分だと考えられる．
今後の研究においては，次の二つの方向を考慮する．

1) 参加者が適応しやすいように目標とする呼吸ペースを10bpm より高く設定し，自然な呼吸リズムに近づけることと，2) 不快にならない範囲内における事前トレーニングやより明確な教示と刺激を提供し，参加者が目標とする呼吸リズムに容易に適応できるように支援することである．これらの修正方針は，技術の直接的な有用性を減少させる可
図 5

各条件での安静タスクにおける後半 5 分の RMSSD

能性があるが，公共の場所でのリラクゼーションの促進など，特定の文脈においては依然として大きな効果を発揮す

図 6 の箱ひげ図は各条件ごとの休憩タスク中の RRS のると期待される．

回答結果を示す．RRS の回答結果が大きいほど主観的な© 2024 Information Processing Society of Japan989

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5. 結論
本研究では，非接触な触覚刺激としてリズム風を用いた呼吸誘導の効果を調べた．実験参加者を募り，実験を行っ[10]た結果，10 bpm と 7.5 bpm のリズム風では，直接な教示が無い下で呼吸ペースが誘導されないという結果が得られ[11]た．これは，本研究で提供された弱い教示と刺激は参加者の呼吸ペースを大幅に変化させることに対して不十分であったと考えられる．将来の研究では，より高い目標呼吸[12]ペースの設定や，事前トレーニングなどの強化された教示と刺激の使用が検討されるべきである．

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