計測自動制御学会東北支部 40 周年記念学術講演会
2004 年 12 月 22 日，23 日 日本大学工学部

講演番号：A14脈波信号解析による映像の生体影響評価
○ 阿部誠

吉澤誠

阿部健一

杉田典大（東北大学）

千葉山家智之田中明（福島大学）

仁田新一（東北大学）

滋（シャープ株式会社）

Assessing Biological Effects of Visual Stimulation by Analyzing Pulse Wave
*M. Abe, M. Yoshizawa, N. Sugita (Tohoku University), A. Tanaka (Fukushima University),
K. Abe, T. Yambe, S. Nitta (Tohoku University) and S. Chiba (Sharp Corporation)
Abstract－ The maximum cross-correlation coefficient from blood pressure to heart rate, ρmax is a useful index toevaluate the effects of visual stimulation on the human. However ρmax needs an expensive and bulky equipment tomeasure continuous blood pressure and an ECG measurement device to measure heart rate. In this study, only
plethysmogram was used to obtain ρmax without measurement of continuous blood pressure and ECG. Heart rate
was obtained from the inter-beat-interval of the rising time of pulse wave. Blood pressure-related information wasobtained from the difference of pulse transmission time or from integral value of pulse wave over a beat. Theadequacy of the proposed method was evaluated on the basis of comparison with the conventional method.
visual stimulation, plethysmogram, pulse transmission time

2方法

51MBPρ(τ)

0.50-HR-5-60-30

0-0.50Time [s]30-160-6-4-2 0 2
Lag Time [s]46-6-4-2 0 2
Lag Time [s]46(a)MBP and -HR at rest
51MBP

0.5

ρ(τ)

新しい映像機器や映像情報の健全な普及のためには，映像が利用者の心身に与える影響が定量的に把握できることが望まれる．映像が心身に与える影響
としては，ポケモン事件に代表される光過敏性発作，素人が撮影した手ぶれの多い映像や視点が極端に不自然に運動する CG 映像を見ることで引き起こされる映像酔い，人工的立体視による眼精疲労などが上げられる．
映像の生体影響を定量化する方法として，著者らは，Mayer 波帯域における血圧から心拍数までの最大相互相関係数ρmax を経時的に算出する方法を提案
し，その有効性を確認してきた[1][2][3]．信頼性の高い映像評価には多くの被験者のデータが必要である．
しかし，ρmax を得るための従来の方法では，電極装着を要する心電図計測に手間がかかり，大型で高価な連続血圧計を使用するため，１度に１人の被験者を対象とした実験しかできず，被験者数の増加が容易ではなかった．
そこで本研究では，心電図と血圧の直接計測を必要としない方法として，光電容積脈波の計測情報から心拍数情報を算出し，また，血圧と逆相関の関係にある脈波伝播時間(pulse transmission time; PTT )に
基 づ い た 脈 波 伝 播 時 間 差 (pulse transmission timedifference; PTTD )[4][5][6]，あるいは脈波の拍内積分値を血圧情報の代用とする方法を検討した．

を含むとされている Mayer 波成分に絞って表示したものである． 安静時では，心臓血管中枢の圧反射機能によって心拍数が血圧に依存して調整される．つまり，MBP に対し，-HR が一定の遅れ時間をもって追従する傾向がみられる．そのため，血圧と心拍数の相互相関は高い値をとる．
次に，映像刺激時の MBP と-HR の変化を Fig.1(b)に示す．安静時に比べて MBP と-HR の関係が乱されていることが分かる．すなわち，映像刺激による情動反応によって血圧とは無関係に心拍数が変化した
り，血管運動を介して血圧が心拍数に依存せずに変化したりする可能性がある．そのため，血圧と心拍数の相互相関は低くなると考えられる．
以上のことから，血圧変動と心拍数変動を Mayer
波帯域のみに成分を絞り，その間の相互相関関数の最大値ρmax を経時的に求める事により，映像の生体影響を定量化することが期待できる．
MBP, -HR(relative value)

1 はじめにMBP, -HR(relative value)

Key Words:

0-HR-5-60-300-0.50Time [s]3060-1(b)MBP and -HR in watching video

2.1 最大相互相関関数ρmax

Fig.1 Left: time-series waveform of mean blood pressure(MBP) and heart rate (-HR) in Mayer wave band. Right:
cross correlation coefficient ρ(τ) from blood pressure toheart rate.

Fig.1(a)は，安静時における平均血圧変動(MBP)と負号をつけた心拍数変動(-HR)を，帯域通過フィルタによる処理を施し，血管運動に関する自律神経情報

133

PWfinger [V]

2.2 心拍数情報
従来は心電図の R 波から次の R 波までの間隔である RR 間隔から心拍数を求めていた．これに対し，本研究では Fig.2 のように脈波の立ち上がりから次の 立 ち 上 が り ま で の 間 隔 を FF 間 隔 (foot-to-footinterval)と定義し，これを RR 間隔の代用とする．本
実験では，赤外 LED とフォトトランジスタによって構成される光電容積脈波センサを製作し，脈波の計測を行なった．そして，指尖脈波から FF 間隔の情報を得た．

3.02.6
2.2

PWarea012Time [s]34Fig.4 Definition of integral value of pulse wave over abeat.

2.4 実験方法

2.3 血圧情報

前述の方法の妥当性を検証するために，次の３つの実験を行った．

心電図の R 波から脈波が立ち上がるまでの時間である PTT は，血圧と逆相関するので，心臓から異なる距離にある 2 点で計測した PTT の差 PTTD も血圧と相関があると考えられる．さらに，PTT の差を計算することは，心電図から得る R 波の情報が必要なくなるという利点もある．Fig.3 に PTTD の求め方を示す．本実験では，指尖脈波と耳朶脈波を用いてPTTD を求めた．
また，Fig.4 の影の部分に相当する脈波の拍内積分値 PWarea は，血管の容積情報を表しているため血圧と相関があると考えられる．そこで，血圧信号の代わりに PWarea を用いれば，1 箇所の脈波(本実験の場合，指尖脈波)だけから，心拍数変動と血圧変動の相互相関係数の最大値ρmax に相当する指標が求められる可能性がある．

1) 安静実験：座位で安静状態を５分間保つもの．
2) 筋肉負荷実験：座位の安静状態と座位で両足を水平に上げたまま保つ状態を Fig.5(a)のようなプロトコルで繰り返すもの．
3) 映像提示実験：Fig. 5(b)のようなプロトコルで手ぶれの多い映像を視聴させるもの．この映像は，2003 年 7 月 8 日にこれを見ていた松江市の中学生 294 人中 36 人が映像酔いの症状を訴え病院で手当てを受けたものである．
各実験中，心電図，人差し指先端と耳朶の 2 箇所の光電脈波，橈骨動脈圧を計測した．被験者はどちらの実験も健康な学生 10 人（男性 8 人，女性 2人）である．

PWfinger

FF interval

01

安静
(5 分)

2Time [s]

筋肉負荷
(1 分)

安静
(2 分)

筋肉負荷
(1 分)

安静
(3 分)

(a) Protocol of an experiment with muscular load

Fig.2 Definition of pulse foot-to-foot (FF) interval.
PWfinger

安静(5 分)

手ぶれの多い映像の提示(13 分)安静(3 分)(b) Protocol of an experiment in which a subject iswatching a video taken by swaying handy camera

PTTD

1PTTD

Fig.5 Protocol of experiment22.5 解析
計測量から，心電図に基づく心拍数（HRECG），脈波に基づく心拍数（HRPPG），連続血圧計に基づく平均血圧 MBP，脈波に基づく PTTD および PWarea
を 求 め ， そ れ ら を Mayer 波 帯 域 に 絞 る た め に
0.08~0.12Hz を通過域とする帯域通過フィルタを通した．安静実験では，心拍数情報同士の相関係数と血圧情報同士の相関係数を計算した．筋肉負荷実験
および映像提示実験では，心拍数情報と血圧情報からρmax を求め，平均血圧を用いた従来の方法と本研究での提案方法との比較を行なった．

PWear

001Time [s]2Fig.3 Definition of pulse transmission time difference(PTTD). Top: pulse wave measured at the finger tip.
Bottom: pulse wave measured at the earlap.

1343結果
筋肉負荷実験において， ρmax(HRPPG - PTTD)はρmax(HRECG - MBP)より低い値で推移しているが，互いに似た変化をしている．
ρmax(HRPPG - PWarea)はρmax(HRECG - MBP)と近い値で推移している．また，被験者に筋肉負荷を与えたときに，両者の値の間に有意差が生じている．

3.1 安静実験
安静状態での実験において，心電図の RR 間隔と指尖脈波の FF 間隔の相関係数は，10 人の平均で 0.98であった．このことから，心電図に基づく心拍数情報とほぼ同じ情報を脈波から求められることがわかる．
PTTD および PWarea と MBP との相関係数は，10人の平均でそれぞれ，-0.52, 0.78 であった．すなわ
ち，PTTD は血圧情報と逆の相関関係があり，PWarea
は血圧情報とやや強い正の相関関係があり，ともに血圧情報の代用として利用できると考えられる．

3.3 映像提示実験
映 像 提示 実験 に おい て， ρmax(HRECG - MBP) とρmax(HRPPG - PTTD)の時間波形の比較は Fig.8 のようになった．また，ρmax(HRECG - MBP)と ρmax(HRPPG PWarea)の比較は Fig.9 のようになった．ただし，被験者が映像を見ている時間は 300s~1080s である．
10 人の平均において， ρmax(HRPPG - PTTD)は，ρmax(HRECG - MBP)に比べて低い値で推移しているが，波形の一部が互いに似ていることがわかる．
一方，ρmax (HRPPG - PWarea)の場合は，ρmax(HRECG MBP)と近い値で推移しており，どの時間においても両者の間に有意差はなかった．また，両者はよく似た波形をしている．

3.2 筋肉負荷実験
筋肉負荷実験において，HRECG と MBP から得られるρmax をρmax(HRECG - MBP)，HRPPG と PTTD から得られるρmax をρmax (HRPPG - PTTD)，HRPPG と PWarea から得られるρmax をρmax (HRPPG - PWarea)で表す．これらの時間変化を表すと，Fig.6，Fig.7 のようになった．ただし，被験者に筋肉負荷を与えている時間は300s~360s, 480s~540s である．
Muscular Loadρmax

Muscular Load

ρmax

n=10
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

n=10*

*

*

*: p<0.05
0100*

ρmax (HRECG-MBP)ρmax (HRPPG-PTTD)
200

300

400

500

600

Watching Video

1.00.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

ρmax (HRECG-MBP)ρmax (HRPPG-PTTD)

0120

240

360

480

700

Fig.6 Comparison between ρmax using continuous bloodpressure and ρmax using PTTD in the experimentmuscular load. Average of 10 subjects.

n=10

ρmax

1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

Muscular Load

ρmax

n=10

*
ρmax (HRECG-MBP)ρmax (HRPPG-PWarea)*: p<0.05
0100

200

300

400

500

600

720840960 1080 1200

Fig.8 Comparison between ρmax using continuous bloodpressure and ρmax using PTTD in presentation of theswaying video image. Average of 10 subjects.
Significant difference was found between ρmax(HRECG MBP) and ρmax (HRPPG - PTTD) almost everywhere.

Time [s]Muscular Load600

Time [s]ρmax (HRECG-MBP)ρmax (HRPPG-PWarea)
0700

Time [s]Watching Video

1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0120

240

360

480

600

720840960 1080 1200

Time [s]Fig.9 Comparison between ρmax using continuous bloodpressure and ρmax using PWarea in presentation of theswaying video image. Average of 10 subjects. No
significant difference was found.

Fig.7 Comparison between ρmax using continuous bloodpressure and ρmax using PWarea in the experiment withmuscular load. Average of 10 subjects.

13545考察

安静実験の結果から，脈波から得られる心拍数情報は，心電図より得られる心拍数情報の代用となることが示された．また，PTTD と PWarea は，どちらも血圧と相関のある情報であることがわかった．両者のうち，PWarea のほうがより簡易に計測でき，血圧との相関関係も強い情報であることがわかった．
したがって，血圧情報の代用としては拍内積分値のほうが有用であると思われる．
筋肉負荷実験から，PTTD と PWarea を用いたρmaxは，いずれも連続血圧計を用いた従来の方法から得られるρmax と似た波形が得られることがわかった．
特に，PWarea を用いたρmax は連続血圧を用いたときとほぼ同じ値で推移している．しかし，筋肉負荷時において，ρmax (HRPPG - PWarea)はρmax(HRECG - MBP)に比べて有意に小さい値で推移する傾向がみられる．
映像提示実験においても，PTTD を用いたρmax よりPWarea を用いたρmax の方が連続血圧を用いたρmax に近い値となった．安静実験，筋肉負荷実験の結果と合わせて，PWarea を用いた方法のほうがρmax を求める方法として有用であると考えられる．
しかし，PTTD と PWarea は，血圧情報とは異なる情報を含んでいる可能性がある．すなわち，映像による心理的・精神的状態の変化によって変動する血圧の変化は，自律神経系によるフィードバック（圧受容器反射）によって常に調整されている．一方，脈波伝播時間を変動させる動脈血管コンプライアン
スは，血圧ばかりでなく情動反応等によって変動する可能性がある．しかし，血圧とは異なり，この値を一定値に調整するような作用は弱いと推測される．
すなわち，情動反応による血圧変動は抑制されるのに対し，脈波伝播時間の変動は直接的な抑制をあまり受けないため，Fig.8 のようにρmax(HRECG - MBP)の変動幅よりρmax(HRPPG - PTTD)の変動幅の方が大きくなった可能性がある．
また，PWarea は血圧と血流量の変化による血管の容積の変化を反映するものである．そのため，Fig.7からわかるように，筋肉負荷時や運動時といった血圧の変化に加えて血流量が変化するような状態では，血圧情報とは相関関係が弱くなり，ρmax が低下すると考えられる．
以上から，脈波に基づく方法ρmax は，従来の血圧を用いたρmax と似た指標であるが，これとは異なる情報も含む指標であり，むしろ，情動反応の変化をより敏感に反映する可能性があることが示唆された．

136

結論

本研究では，心電計と連続血圧計を用いず，光電容積脈波のみを用いてρmax を求める方法を 2 つ提案した．1 つは，2 つの脈波センサを用いるものであり，もう 1 つは，脈波センサが 1 つだけのものである．
これらの方法はどちらも従来の方法の代用となる可能性があることが示された．ただし，それらの方法から得られるρmax は，血圧を用いる方法から得られるρmax とは必ずしも等しくなく，むしろ情動反応に敏感である可能性があることが示唆された．今後は，血圧情報との相違性やそれらの情報を用いたときのρmax の有用性に関して，さらなる検討が必要であると考えられる．

参考文献[1] 杉田典大，吉澤 誠，田中 明，阿部健一，山家智之，仁田新一 : 乗り物酔いしやすさと 3 次元
映像感受性の関連性の定量的評価，日本バーチャルリアリティ学会第 6 回大会論文集，pp. 121-124,
2001[2] Yoshizawa, M., Sugita, N., Tanaka, A., Abe, K.,
Yambe, T., Nitta, S. : Quantitative and physiologicalevaluation of three dimensional images, Proc. of the7th International Conference on Virtual System andMultimedia, pp. 864-871, 2001
[3] 杉田典大，吉澤 誠，田中 明，阿部健一，山家智之，仁田新一 : 血圧-心拍数間の最大相互相関係数を用いた映像刺激の生体影響評価，ヒューマンインタフェースシンポジウム 2002 論文集，pp.125-128, 2002
[4] Gribbin, B., Steptoe, A., Sleight, P. : Pulse wave
velocity as a measure of blood pressure change, TheSociety for Psychophysiological Research, 13(1),pp.86-90, 1976
[5] Jago, J.R., Murray, A. : Repeatability of peripheral
pulse measurements on ears, fingers and toes using
photoelectric plethysmography, Clin. Phys. Pysiol.
Meas., 9, pp. 319-329, 1988
[6] Nitzan, M., Khanokh, B., Slovik, Y. : The differencein pulse transit time to the toe end finger measured byphotoplethysmography, Physiol. Meas., 23, pp. 85-93,
2002