計測自動制御学会東北支部 第 244 回研究集会 (2008.7.2)
資料番号 244-1

脈拍によるストレス評価に関する検討
Mental Stress Evaluation System via Puls
佐々木 真彦 ∗ ，○中野 真哉 ∗ ，高梨 宏之 ∗ ，王 鋒 ∗∗ ，長南 征二 ∗ , 御室 哲志 ∗Msashiko Sasaki∗ ，○ Shin-ya Nakano∗ ，Hiroyuki Takanashi∗ ，Feng Wang∗∗ ，Seiji Chonan∗ , Tetsushi Mimuro∗*秋田県立大学, **前橋工科大学*Akita Prefectural University, **Maebashi Institute of Technology.
キーワード : 脈拍 (Pulse), ストレス評価 (Menatal stress evaluation)，PVDF フィルム (PVDF ﬁlm)
連絡先 : 〒 015-0055 由利本荘市土谷 84–4 秋田県立大学 システム科学技術学部 機械知能システム学科
高梨宏之，Tel.: (0184)27-2216，Fax.: (0184)27-2188，E-mail: takanashi@akita-pu.ac.jp

1.

はじめにに電極を取り付ける方法がとられているが，この方法自体が肉体的，精神的負担を与える可能性がヒトは日常生活において，様々な要因による精神的負荷を体に受けている。たとえば，長時間の自動車の運転や育児などの行動型要因，オフィスなどでの人間関係や思春期などの環境型要因などがあり，このような要因はストレッサーと呼ばれある 4) 。また，計測時には日常生活の行動が拘束されるなどの課題がある。一方，唾液によるストレスの計測 5) では，心電図による方法と比較して計測時の拘束は少ないものの，食事直後の計測が不可能であるなどの制限がある。

る。ヒトはこれらの精神的負荷により，心拍，脈拍，呼吸，皮膚の電気活動，眼球運動，唾液，脳波などの生理情報に変化が生じる。

前述のように，精神的負荷によって心拍や脈拍に変化が生じるが，精神的ストレス評価のほとん
どが心電図に基づく心拍変動を用いた手法であり，このようなストレスをリアルタイムで計測し，定量的に評価するための研究が行われている。これまで，心拍変動からストレスを評価する研究 1)

脈拍を主に利用した手法はあまり報告されていない。脈拍を主として利用しているのは，動脈硬化の度合いを判断する場合 6, 7) などが多い。

が報告されているが，多くの場合は，ストレスを受けることで心拍変動が生じることを指摘したものである。それに対し，文献 2), 3) では，主観的なストレス値と心拍変動の定量的関係について述べている。

以上の点に鑑み，本稿では，速やかな着脱が可能な脈拍計測センサを構築し，計測時に日常生活の拘束ができるだけ少ないストレス評価法に関する基礎検討を行う。具体的には，PVDF フィルムを用いた脈拍センサを使用し，単純な暗算作業による精心電図による心拍測定では，多くの場合，全身神的負荷の有無における脈波を計測する。さらに，–1–

脈拍センサにより得られた波形を Symmertrized

一方，RR 間隔と脈波のピーク間隔がほぼ一致Dot Patterns 法 8) (SDP法) を用いて可視化するこすることから，脈波のピーク間隔が副交感神経活とにより，脈波波形からは識別しにくい差異を明動の指標となることが報告されている 9) 。そのた

確にし，ストレス有無の判断を容易にする方法をめ本研究では，心拍に代わり，脈拍を計測するこ検討する。とでストレスの評価を行うこととした。

2.

脈拍センサ

2.1

脈拍によるストレス評価

2.2

脈拍センサ

圧電素子の圧電体に加えられた力を電圧に変換心拍電位を計測して心拍の揺らぎからストレスを測る計測器で扱うストレス評価の要素には，心拍数（Heart Rate：HR），心拍間隔（R-R Interval：RRI），心拍変動（Heart Rate Variation：HRV）がある。本研究ではポリフッ化ビニリデン（PVDF:Polyvinylidene Fluoride）圧電プラスチックフィルする特徴を活かし，より簡易に脈拍を得ることのできるセンサを試作した。脈拍による皮膚表面の脈動が小さく，またその脈動の圧力が小さいため，センサ部は柔らかく変位が得やすいことが望ましい。以上の条件を満たすように，最も柔らかく微弱な変位を得やすい PVDF フィルムを選定した。

PVDFフィルムの写真を Fig. 1に示す。また，PVDFムを用いて，それらの要素に代わり，脈拍数 PRおよび脈拍間隔 PPI を計測することで心拍計測よりも簡便にストレス評価の要素を計測することをフィルムの構造および試作したセンサを Fig. 2 に示す。
使用した PVDF フィルムはピエゾポリマー基板考える。
一般に，ヒトはストレスを受けることで，心拍数HRが大きくなり，また心拍変動が小さくなることにより，心拍間隔 RRI が小さな値で安定すると言われている。これは，ストレスを受けることによって体を整えている自律神経の働きに影響を受けるためである。通常は交感神経と副交感神経が互いに拮抗して体内機能が支配されているが，この両面に銀インク電極をプリントした 12 × 60 mmの動作面積を持つ，標準的な構成である。センサとして使用する際には，センサ感度向上およびPVDF
フィルム保護のために厚さ 1mm のシリコンゴムによって PVDF フィルムを挟むように設置し，シリコンゴム同士を接着させた。小さな脈動を検出する必要があるため，人体接触する面にはヤング率 0.033 MPa のシリコンゴムを，もう一方にはヤのバランスが崩れることによるものである。
従来より，心拍変動は副交感神経の指標と見な

ング率 0.124 MPa のシリコンゴムを使用した。実72.6 mm

されており，心電図などの RR 間隔が副交感神経
12.2 mm

16.3 mm

7.14 mm

活動の指標として利用されている。

Top view

61.5 mm

Silicone rubber A
Side view

2.23 mm

PVDF Film

Silicone rubber B

Fig. 1

Photograph of the PVDF ﬁlm.
Fig. 2–2–Sensor structure.

験では Fig. 2 に示すセンサを腕に接触させて上部法 8) を用いることで，着用者が一目で自身の精神からバンドで適度に巻きつけて使用する。

的負荷の度合を認識することのできるストレス評価システムの開発を目的とした。

3.

精神的負荷作業時における生測定した脈波波形から時系列データとして導いた一拍ごとの脈拍間隔 X(i) に対し，式 (1) ∼ (3)体反応実験にしたがってA(i)，Θ(i)，Φ(i) を順次計算する。つ試作したセンサの検証のために，ストレス評価実験を行った。健常な 20 代の男性 10 名を被験者とし，安静にしている状態と精神的負荷作業時にぎに A(i) を半径とし，Θ(i)，Φ(i) をそれぞれ回転角として鏡面反射した点の集合に変換し，極座標上にプロットする。

おける脈拍データの測定，比較を行った。

X(i) − Xmin
Xmax − Xmin
X(i + L) − Xmin
Θ(i) = Θ′ +ξXmax − Xmin
X(i + L) − Xmin
Φ(i) = Θ′ −ξXmax − XminA(i)なお，本実験では暗算を精神的負荷作業課題とした。実験中，脈拍センサは被験者の利き腕とは逆の手首に装着した。精神的負荷作業課題は 2 桁同士の加減算とし，スクリーン上に一定時間ごとに出題されるものを用意した。負荷作業時間は 5分間とした。実験風景の写真を Fig. 3 に示す。

ただし，X(i)(2)(3)： 一拍ごとの脈拍間隔全データ数），「18」，「=」のように 4 枚の画面を用意し，1 枚

Xmax： 脈拍間隔の最大値，の画面を 1 秒ごとに切り替え，次の問題に移るまXminξΘ′： 脈拍間隔の最小値，で 2 秒の余裕を持たせた。被験者には，問題の提示が終了した時点で速やかに解答を記入するように指示した。今回の実験では，脈拍によるストレ(1)： データ番号（ i = 1 ∼ N ：N はi「58 + 18 = 」という問題に対し，「58」，「+」，=： 偏角成分のゲイン，： 始 線 の 回 転 角 (deg)，( 360/n ×j, j = 1, . . . , n )である。

ス評価の可能性を検討するため，負荷の無い状態

しかし，上記のような従来の音声信号のためのと負荷のある状態での脈拍をそれぞれ 5 分間測定

SDP 法に脈拍データを適用してストレス評価をすした。

る際，脈拍間隔 PPI の変位による脈拍変動の影響測定した脈波の一例を Fig. 4 に示す。測定したのみが反映され，ストレス評価に重要な情報であ波形から，周期的に同様の波形が繰り返されていることが確認できる。

4.

SDP 法

従来の心拍変動を用いたストレス評価では心拍変動パワースペクトルを用いた計算方法が一般である。しかし解析が高度であり，ストレス評価として結果を理解するには知識を必要とする。そこで
本実験では，音声信号を視覚的に特徴づけるために開発された Symmertrized Dot Patterns (SDP)–3–

Fig. 3

Mental arithmetic work.

Voltage [V]

5.2

考察

被験者 E，F，H の脈拍データを可視化した結果
において，Fig. 5(a) の安静時に比べて Fig. 5(b) のTime [s]Fig. 4

精神的負荷作業時は回転軸からの距離が短くなっていることから，精神的負荷作業時において，脈An example of measured wave form.

拍数が増加したといえる。また，被験者 E，H のる平均脈拍数 MPR の影響が結果に反映されていない。そこで，MPR の影響を考慮し，それをストレス評価に反映できるように，従来の SDP 法では定数である偏角成分のゲイン ξ を次式のように定義する。

安静時，精神的負荷作業時を比べると，精神的負荷作業時において，プロット点が集中していることから，被験者 E，H は精神負荷作業時に脈拍間隔がほぼ一定であることがわかる。このことから，被験者 E，F，H は精神的負荷作業によって，ストξ=C
NMPR(4)レスを受けていたと言える。
一方，被験者 G の脈拍データを可視化した結ただし，C は定数であり，NMPR は 1 分間の平均脈拍数である。なお，本研究では，解析結果に明確な差を求める必要があることから試行錯誤により C を 3600 とした。また，より短い周期での脈拍変動を確認することで結果の信頼性を向上させるため，L は 1 とした。また対称軸の数 n の値は3 とした。

果を比べると，精神的負荷作業時より安静時にプロット点が集中しているのが確認できることから，被験者 G は精神的負荷作業時において，逆に落ち着いたと推測できる。今回実施した暗算による精神負荷作業では，努力感を伴う精神作業と見なすこともでき，負荷として与えている作業が興奮となり，交感神経と副交感神経の両方を亢進させる可能性がある 9) 。そのため，精神負荷作業時に落5.

可視化によるストレス評価5.1

脈拍間隔変動の可視化

ち着きを見せた被験者がいたと考えられる。

安静時，および精神的負荷作業時の脈拍データ

6.

おわりにを可視化した結果を Fig. 5 に示す。両者の違い

本研究では，PVDF フィルムを受感材とした脈が比較的大きかった被験者 E〜H の結果であり，拍センサを試作し，それを用いて精神作業時のスFig. 5(a) が安静時，Fig. 5(b) が精神的負荷作業時

トレス評価を試みた。さらに SDP 法を用いて，スである。

トレスの可視化を行った。得られた結果より確認

いずれの被験者においても，安静時と精神的負できた点を以下に述べる。

荷作業時では，はっきりとした差を確認できる。
このことから，脈拍データ中の脈拍数 PR，脈拍間隔 PPI に生じた小さな差異が，SDP 法によって明確に可視化されており，単純に波形を比較す

1) 心拍数 HR および心拍間隔 RRI，心拍変動
HRV を用いたストレス評価が，PVDF フィルムを利用し，脈拍数 PR および脈拍間隔PPI を用いることにより，より簡単に行うこるだけでは見えにくい差異を表現できている。とが可能であることを確認した。

–4–

1 Subject E

1 Subject F

1000-1-1-101 Subject H0-1-1-11Subject G01-10-1

10101(a) SDP plot of each subject at rest.
1Subject E

1Subject F

1-101-101Subject H0-1-1-11000Subject G-1-101-1(b) SDP plot of each subject during mental arithmetic work.
Fig. 5Experimental results.

2) 評価が困難とされていたストレスを，脈拍数PR および脈拍間隔 PPI を用いた SDP 法により視覚的に判断することができた。

3) PVDF フィルムを用いることにより，より安価で利便性の高いストレスセンサの開発が可能である。なお，今後はより簡単な着脱を可能とする貼付け形のセンサ開発およびシステムの小型化が望まれる。
今回の実験では，精神作業課題が単純に加減算のみであり，5分間の計測結果に基づく評価結果である。今後，精神作業課題の与え方や負荷と休憩を複数回連続的に行った場合のストレス判定など

4) 山越 憲一：無侵襲，無拘束，そして無意識計測へ，
精密工学会誌，62–11，1525/1529 (1996)
5) ニプロ (株)，http://www.nipro.co.jp/
6) 中村 元行，永野 雅英，平盛 勝彦：Augmentation
Index の臨床応用，Arterial Stiﬀness 動脈壁の硬化と老化，No.2 (2002)
7) 河原田孝宣，前田 直，塗木 徳人，鹿島 克郎，田中康博，上ノ町 仁：動脈硬化の指標とされる augmentation index と冠動脈疾患の関連：augmentationindex は冠動脈疾患の形態的な重症度を予測できるか？，脈管学，45–4, 247/253 (2005)
8) Cliﬀord A. Pickover : On the use of symmetrized
dot patterns for the visual characterization ofspeech waveforms and other sampled data, J. ofAccoustic Society Am., 80–3, 955/960 (1986)
9) 水落 文夫，川島 淳一，鈴木 典，酒井 秀嗣，佐藤恵，菅生 貴之：スポーツ選手の心理的ストレス反応を指尖脈波によって評価するための基礎的検討，
日本大学歯学部研究紀要，29，87/102 (2001)を実施する必要がある。

10) 山田 晋平，三宅 晋司：長時間暗算の生理指標，主観指標，作業成績におよぼす影響，産業医科大学
雑誌，29–1, 27/38 (2007)参考文献

11) 豊島 裕子：指尖容積脈波デジタル記録による新しい自律神経機能検査法とその臨床応用，慈恵医大誌，103，1131/1144 (1988)

1) 下野 太海，大須賀 恵美子，寺下 裕美：心拍・呼吸・血圧を用いた緊張・単調作業ストレスの評価手法の検討，人間工学，34–3, 107/115 (1998)
2) 高津 浩彰，宗像 光男，小関 修，横山 清子，渡辺 興
作，高田 和之：心拍変動による精神的ストレスの評価についての検討，電気学会論文誌 C，120C–1，104/110 (2000)
3) 吉田 豊，横山 清子，石井 直宏：心拍変動時系列を用いた生体状態の実時間連続判定手法，電気学会
論文誌 C，126C–12，1441/1446 (2006)–5–