JP4797646B2 - 覚醒度推定装置および覚醒度推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの覚醒度を推定する覚醒度推定装置および覚醒度推定方法に関する。

従来、人体の心拍数、体動回数、及び呼吸数を検出し、これら検出された心拍数、体動回数、及び呼吸数に基づいて、覚醒度を判断する生体状態判断装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−９５４０８号公報

ところで、人の生理状態は各個人差、その日の体調等により異なるものである。したがって、上記従来の生体状態判断装置により検出された心拍数、体動回数、及び呼吸数においても、検出対象となる各個人の個人差、及び検出のタイミングにより検出誤差が生じる虞がある。したがって、覚醒度の判断の精度が低下する虞がある。一方、検出する生体情報等を増やすことで覚醒度の判断の精度を向上させることができるが、構成が複雑になる虞がある。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、簡易な構成で高精度にユーザの覚醒度を推定することができる覚醒度推定装置を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
ユーザの呼吸波形を検出する呼吸波形検出手段と、
前記呼吸波形検出手段により検出された前記呼吸波形の周波数毎のパワー値を検出する周波数パワー検出手段と、
前記ユーザの覚醒度が高いときにおける前記呼吸波形に基づいて、基準周波数を設定する基準周波数設定手段と、
前記周波数パワー検出手段により検出された前記パワー値のうち、前記基準周波数設定手段により設定された前記基準周波数よりも周波数が大きい前記パワー値の合計を算出するパワー合計算出手段と、
前記パワー合計算出手段により算出された前記パワー値の合計値に基づいて、前記ユーザの覚醒度を推定する覚醒度推定手段と、を備える、ことを特徴とする覚醒度推定装置である。

この一態様によれば、簡易な構成で高精度にユーザの覚醒度を推定することができる。

また、この一態様において、前記周波数パワー検出手段により検出された前記周波数毎のパワー値を正規化する正規化手段を更に備え、
前記パワー合計算出手段は、前記正規化手段により正規化された前記パワー値のうち、前記基準周波数設定手段により設定された前記基準周波数よりも周波数が大きい前記パワー値の合計を算出してもよい。これにより、ユーザの個人差、体調差等による呼吸波形のバラツキを抑えることができる。

さらに、この一態様において、前記覚醒度推定手段は、前記パワー合計算出手段により算出された前記パワー値の合計値が増加するほど、前記ユーザの覚醒度が増加したと推定してもよい。

この一態様において、前記覚醒度推定手段は、前記パワー合計算出手段により算出された前記パワー値の合計値と所定の閾値とを比較して、前記ユーザの覚醒度のレベルを推定してもよい。これにより、ユーザは覚醒度を容易に認識することができる。

この一態様において、前記基準周波数設定手段により設定された前記基準周波数を、前記パワー合計算出手段により算出された前記パワー値の合計値が所定値以上となるときにおける、前記パワー値がピークとなるときの周波数によって、更新する基準周波数更新手段を更に備えていてもよい。これにより、より正確な基準周波数を設定することができ、より高精度に覚醒度を推定することができる。

この一態様において、前記パワー値の合計値が所定周期で複数回、算出され、該算出された複数回の前記パワー値の合計値の移動平均値を算出する平均算出手段を更に備え、
前記覚醒度推定手段は、前記平均算出手段により算出された前記パワー値の合計値の移動平均値に基づいて、前記ユーザの覚醒度を推定してもよい。これにより、パワー値の合計値のバラツキを抑えることが可能となり、より高精度に覚醒度を推定することができる。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
ユーザの呼吸波形を検出する呼吸波形検出ステップと、
前記呼吸波形検出ステップにより検出された前記呼吸波形の周波数毎のパワー値を検出する周波数パワー検出ステップと、
前記ユーザの覚醒度が高いときにおける前記呼吸波形に基づいて、基準周波数を設定する基準周波数設定ステップと、
前記周波数パワー検出ステップにより検出された前記パワー値のうち、前記基準周波数設定ステップにより設定された前記基準周波数よりも周波数が大きい前記パワー値の合計を算出するパワー合計算出ステップと、
前記パワー合計算出ステップにより算出された前記パワー値の合計値に基づいて、前記ユーザの覚醒度を推定する覚醒度推定ステップと、を含むことを特徴とする覚醒度推定方法であってもよい。

本発明によれば、簡易な構成で高精度にユーザの覚醒度を推定することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る覚醒度推定装置のシステム構成を示す概略のブロック図である。本実施例に係る覚醒度推定装置１は、後述する各種の演算処理等を行うコンピュータ本体２を中心に構成されている。なお、コンピュータ本体２は、制御、演算プログラムに従って各種処理を実行するとともに、当該装置１の各部を制御するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵの実行プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、演算結果等を格納する読書き可能なＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、タイマ、カウンタ、入出力インターフェイス（Ｉ／Ｏ）等を有している。

コンピュータ本体２には、ユーザの呼吸波形を検出する圧力センサ等の呼吸波形検出手段３が接続されている。圧力センサは、例えば、ユーザの鼻の穴から流出又は流入する空気の圧力を検出することで、ユーザの呼吸波形（図２（ａ））を検出する。また、ユーザの鼻の温度変化を検出する温度センサを用いて、ユーザの呼吸波形を検出してもよく、シートベルト又はシートに配設された圧電素子等の圧力センサを用いてもよい。すなわち、ユーザの呼吸波形が検出できれば、任意の検出方法が適用可能である。

コンピュータ本体２は、後述する周波数パワー検出手段２ａ、正規化手段２ｂ、基準周波数設定手段２ｃ、パワー合計算出手段２ｄ、平均算出手段２ｅ、覚醒度推定手段２ｆ、および後述の基準周波数更新手段２ｇ、を備えている。なお、周波数パワー検出手段２ａ、正規化手段２ｂ、基準周波数設定手段２ｃ、パワー合計算出手段２ｄ、覚醒度推定手段２ｆ、及び後述の基準周波数更新手段２ｇは、例えば、ＲＯＭに記憶され、ＣＰＵによって実行されるソフトウェアによって実現されている。また、このソフトウェアは、読書き可能な任意の記憶媒体に記憶され、ＣＰＵにより適宜読み込まれるような構成であってもよい。

周波数パワー検出手段２ａは、呼吸波形検出手段３により検出された呼吸波形の時系データのうち、任意の区間Ｎ（秒）のデータＤ１を取得する。また、周波数パワー検出手段２ａは、データＤ１に対して、ＦＦＴ解析（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）を行い、図２（ｂ）に示す如く、周波数毎のパワー値Ｐ_ｙｙ（ｆ）（パワースペクトル）を求める。

正規化手段２ｂは、周波数パワー検出手段２ａにより検出された周波数毎のパワー値Ｐ_ｙｙ（ｆ）に対して正規化を行い、周波数毎の正規化されたパワー値Ｐ_ｙｙ（ｆ）’を求める（図２（ｃ））。正規化手段２ｂは、例えば、周波数毎のパワー値Ｐ_ｙｙ（ｆ）の合計値が１．０（例えば、周波数０〜１Ｈｚの間のパワーの積分値が１．０）となるように正規化を行う。この正規化により、例えば、検出日時のよるユーザの体調変化、ユーザ毎の個人差等によるデータのバラツキを抑制することができる為、後述の覚醒度の推定精度を向上させることができる。

基準周波数設定手段２ｃは、ユーザの覚醒度が高いときにおける呼吸波形に基づいて、基準周波数ｆ１を設定する。以下、基準周波数ｆ１の設定方法について、説明する。図３は、基準周波数ｆ１の設定方法のフローの一例を示すフローチャートである。

基準周波数設定手段２ｃは、呼吸波形検出手段３により検出された、ユーザの高覚醒時における呼吸波形を取得する（Ｓ１００）。なお、ユーザが高覚醒時とは、例えば、ユーザの覚醒が高く、ユーザが眠気から確実に覚醒している状態を指し、高覚醒時における呼吸波形は実験的に求められ、記憶される。

次に、基準周波数設定手段２ｃは、取得した呼吸波形に対してＦＦＴ解析を行い、周波数毎のパワー値Ｐ_ｙｙ１（ｆ）を求める（Ｓ１１０）。

その後、基準周波数設定手段２ｃは、求められた周波数毎のパワー値Ｐ_ｙｙ１（ｆ）のうちパワー値Ｐ_ｙｙ１（ｆ）が最大となる最大周波数ｆ_ｍａｘを求める（Ｓ１２０）。

さらに、基準周波数設定手段２ｃは、上記（Ｓ１００）から（Ｓ１２０）の処理をＮ回（例えば、３回）繰り返し、Ｎ個の最大周波数ｆ_ｍａｘを求める。基準周波数設定手段２ｃは、これらＮ個の最大周波数ｆ_ｍａｘの平均値ｆ_{ｍａｘ_ｍ}を算出し、この平均値ｆ_{ｍａｘ_ｍ}を基準周波数ｆ１（例えば、ｆ１＝１．０）として、設定する（Ｓ１３０）。

パワー合計算出手段２ｄは、正規化手段２ｂにより正規化されたパワー値Ｐ_ｙｙ（ｆ）’のうち、基準周波数設定手段２ｃにより設定された基準周波数ｆ１よりも周波数が大きいパワー値の合計（図２（ｄ）に示す斜線部であり、基準周波数ｆ１よりも大きい周波数のパワー値の積分値）Ｓ１（ｔ）を算出する。算出されたパワー値の合計値Ｓ１（ｔ）は、図２（ｅ）に示す如く、変化する。

なお、パワー合計算出手段２ｄは、周波数パワー検出手段２ａにより求められた周波数毎のパワー値Ｐ_ｙｙ（ｆ）のうち、基準周波数ｆ１よりも周波数が大きいパワー値の合計値Ｓ１（ｔ）を簡易的に算出してもよい。

平均算出手段２ｅは、所定時間Ｔ１（例えば、５分間）において、所定周期（例えば、Ｎ１秒間隔）で複数回、算出されたパワー値の合計値Ｓ１（ｔ）の移動平均値Ｓ１（ｔ）_{_Ｍ}を、図２（ｆ）に示す如く、算出する。これにより、パワー値の合計値Ｓ１（ｔ）のバラツキを抑えることができる為、後述の覚醒度の推定精度を向上させることができる。

覚醒度推定手段２ｆは、平均算出手段２ｅにより算出された移動平均値Ｓ１（ｔ）_{_Ｍ}に基づいて、ユーザの覚醒度を推定する。なお、覚醒度推定手段２ｆは、パワー合計算出手段２ｄにより算出されたパワー値の合計値Ｓ１（ｔ）に基づいて、ユーザの覚醒度を推定してもよい。

覚醒度推定手段２ｆは、平均値算出手段２ｅにより算出された移動平均値Ｓ１（ｔ）_{_Ｍ}（又は、パワー値の合計値Ｓ１（ｔ））が増加するほど、ユーザの覚醒度が増加したと推定する。一方、覚醒度推定手段２ｆは、平均算出手段２ｅにより算出された移動平均値Ｓ１（ｔ）__Ｍが低下するほど、ユーザの覚醒度が低下したと推定する。

図４（ａ）乃至（ｃ）は、任意の３人の被験者に対して、覚醒度と上記移動平均値Ｓ１（ｔ）_ _Ｍとの関係について、実験を行ったときの実験結果である。なお、図４（ａ）乃至（ｃ）における高覚醒度、中覚醒度、及び低覚醒度は、他の覚醒度推定方法を組み合わせて高精度に推定された覚醒度である。図４（ａ）乃至（ｃ）に示す如く、いずれの被験者においても、覚醒度が低下するほど、移動平均値Ｓ１（ｔ）__Ｍが減少することが解かる。この実験結果によっても、上述した、覚醒度推定手段２ｆによる推定の信頼性が高いことが確認できる。

また、覚醒度推定手段２ｆは、パワー合計算出手段２ｄにより算出されたパワー値の合計値Ｓ１（ｔ）と、所定の閾値と、を比較して、ユーザの覚醒度のレベルを推定してもよい。

例えば、覚醒度推定手段２ｆは、移動平均値Ｓ１（ｔ）__Ｍに基づいて、ユーザの覚醒度のレベルを１〜４の４段階のレベルにより推定してもよい。この場合、覚醒度推定手段２ｆは、図２（ｆ）に示す如く、移動平均値Ｓ１（ｔ）_{_Ｍ}がＣ以下のとき、覚醒度のレベルを１とし、移動平均値Ｓ１（ｔ）_{_Ｍ}がＣより大きくＢ以下のとき、覚醒度のレベルを２とし、移動平均値Ｓ１（ｔ）_{_Ｍ}がＢより大きくＡ以下のとき、覚醒度のレベルを３とし、移動平均値Ｓ１（ｔ）_{_Ｍ}がＡよりも大きいとき、覚醒度のレベルを４として、推定する。ユーザは覚醒度のレベルが増加するほど、覚醒度が高くなっているとして、容易に覚醒度を認識することができる。なお、覚醒度のレベルと閾値となる移動平均値Ｓ１（ｔ）_{_Ｍ}の値、及びレベルの数は、実験的に求めた任意の値が設定される。

次に、本実施例に係る覚醒度推定装置１の処理フローについて説明する。図５は、本実施例に係る覚醒度推定装置１の処理フローの一例を示すフローチャートである。

まず、呼吸波形検出手段３は、ユーザの呼吸波形を検出する（Ｓ２００）。

次に、周波数パワー検出手段２ａは、呼吸波形検出手段３により取得したデータＤ１に対して、ＦＦＴ解析を行い、周波数毎のパワー値Ｐ_ｙｙ（ｆ）を求める（Ｓ２１０）。

その後、正規化手段２ｂは、周波数パワー検出手段２ａにより検出された周波数毎のパワー値Ｐ_ｙｙ（ｆ）を正規化する（Ｓ２２０）。

また、基準周波数設定手段２ｃは、ユーザの覚醒度が高いときにおける呼吸波形に基づいて、基準周波数ｆ１を設定する（Ｓ２３０）。

さらに、パワー合計算出手段２ｄは、正規化手段２ｂにより正規化されたパワー値Ｐ_ｙｙ（ｆ）’のうち、基準周波数設定手段２ｃにより設定された基準周波数ｆ１よりも周波数が大きいパワー値の合計値Ｓ１（ｔ）を算出する（Ｓ２４０）。

平均算出手段２ｅは、所定時間Ｔ１において、所定周期Ｎ１で複数回、算出されたパワー値の合計値Ｓ１（ｔ）の移動平均値Ｓ１（ｔ）_{_Ｍ}を算出する（Ｓ２５０）。

次に、覚醒度推定手段２ｆは、平均算出手段２ｅにより算出された移動平均値Ｓ１（ｔ）_{_Ｍ}に基づいて、ユーザの覚醒度を推定する（Ｓ２６０）。

以上、本実施例に係る覚醒度推定装置１において、ユーザの呼吸波形に基づいて、パワー値の合計値の移動平均値Ｓ１（ｔ）__Ｍが算出され、この算出された移動平均値Ｓ１（ｔ）__Ｍに基づいて、ユーザの覚醒度が推定される。これにより、簡易な構成で高精度にユーザの覚醒度を推定することができる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について一実施例を用いて説明したが、本発明はこうした一実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上述した一実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上記一実施例において、基準周波数設定手段２ｃにより設定された基準周波数ｆ１を、更新する基準周波数更新手段２ｇを備える構成であってもよい。

平均値算出手段２ｅにより算出された移動平均値Ｓ１（ｔ）_{_Ｍ}の値（又は、パワー値の合計値Ｓ１（ｔ））が所定値以上であり、ユーザの覚醒度が高いと判断されたとき、基準周波数更新手段２ｇは、既に設定された基準周波数ｆ１をパワー値Ｐ_ｙｙ（ｆ）’がピークとなるときの周波数ｆ２によって、更新する。これにより、より正確な基準周波数を設定することができる。

上記一実施例において、覚醒度推定装置１は、例えば、車両、列車、船舶、航空機等の移動体の乗員の覚醒度を推定してもよい。この場合、乗員が車両の運転席に着座した後、所定時間Ｔ２（例えば、約５分間）において、乗員がある程度、緊張状態にある為、高覚醒度の状態にあると推測される。

したがって、基準周波数設定手段２ｃは、乗員が運転席に着座した後、所定時間Ｔ２中に、上記（Ｓ１００）乃至（Ｓ１３０）の処理を行い、基準周波数ｆ１を設定してもよい。これにより、基準周波数設定手段２ｃは、ユーザの覚醒度が高いときにおける呼吸波形に基づいて、基準周波数ｆ１をより確実に設定することができる。

本発明は、ユーザの覚醒度を推定する覚醒度推定装置に利用できる。

本発明の一実施例に係る覚醒度推定装置のシステム構成を示す概略のブロック図である。 （ａ）ユーザの呼吸波形の一例を示す図である。（ｂ）周波数毎のパワー値（パワースペクトル）の一例を示す図である。（ｃ）正規化が行われた周波数毎のパワー値の一例を示す図である。（ｄ）基準周波数よりも大きい周波数のパワー値の合計値の一例を示す図である。（ｅ）時系列によるパワー値の合計値の変化の一例を示す図である。（ｆ）パワー値の合計値の移動平均値の一例を示す図である。 基準周波数の設定方法のフローの一例を示すフローチャートである。 （ａ）覚醒度と移動平均値との関係を示す実験結果の一例である。（ｂ）覚醒度と移動平均値との関係を示す実験結果の一例である。（ｃ）覚醒度と移動平均値との関係を示す実験結果の一例である。 本発明の一実施例に係る覚醒度推定装置の処理フローの一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 覚醒度推定装置
２ コンピュータ本体
２ａ 周波数パワー検出手段
２ｂ 正規化手段
２ｃ 基準周波数設定手段
２ｄ パワー合計算出手段
２ｅ 平均算出手段
２ｆ 覚醒度推定手段
２ｇ 基準周波数更新手段
３ 呼吸波形検出手段

Claims (7)

1. ユーザの呼吸波形を検出する呼吸波形検出手段と、
   前記呼吸波形検出手段により検出された前記呼吸波形の周波数毎のパワー値を検出する周波数パワー検出手段と、
   前記ユーザの覚醒度が高いときにおける前記呼吸波形に基づいて、基準周波数を設定する基準周波数設定手段と、
   前記周波数パワー検出手段により検出された前記パワー値のうち、前記基準周波数設定手段により設定された前記基準周波数よりも周波数が大きい前記パワー値の合計を算出するパワー合計算出手段と、
   前記パワー合計算出手段により算出された前記パワー値の合計値に基づいて、前記ユーザの覚醒度を推定する覚醒度推定手段と、を備える、ことを特徴とする覚醒度推定装置。
2. 請求項１記載の覚醒度推定装置であって、
   前記周波数パワー検出手段により検出された前記周波数毎のパワー値を正規化する正規化手段を更に備え、
   前記パワー合計算出手段は、前記正規化手段により正規化された前記パワー値のうち、前記基準周波数設定手段により設定された前記基準周波数よりも周波数が大きい前記パワー値の合計を算出する、ことを特徴とする覚醒度推定装置。
3. 請求項１又は２記載の覚醒度推定装置であって、
   前記覚醒度推定手段は、前記パワー合計算出手段により算出された前記パワー値の合計値が増加するほど、前記ユーザの覚醒度が増加したと推定する、ことを特徴とする覚醒度推定装置。
4. 請求項３記載の覚醒度推定装置であって、
   前記覚醒度推定手段は、前記パワー合計算出手段により算出された前記パワー値の合計値と所定の閾値とを比較して、前記ユーザの覚醒度のレベルを推定する、ことを特徴とする覚醒度推定装置。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の覚醒度推定装置であって、
   前記基準周波数設定手段により設定された前記基準周波数を、前記パワー合計算出手段により算出された前記パワー値の合計値が所定値以上となるときにおける、前記パワー値がピークとなるときの周波数によって、更新する基準周波数更新手段を更に備える、ことを特徴とする覚醒度推定装置。
6. 請求項１乃至５記載のうちいずれか１項記載の覚醒度推定装置であって、
   前記パワー値の合計値が所定周期で複数回、算出され、該算出された複数回の前記パワー値の合計値の移動平均値を算出する平均算出手段を更に備え、
   前記覚醒度推定手段は、前記平均算出手段により算出された前記パワー値の合計値の移動平均値に基づいて、前記ユーザの覚醒度を推定する、ことを特徴とする覚醒度推定装置。
7. ユーザの呼吸波形を検出する呼吸波形検出ステップと、
   前記呼吸波形検出ステップにより検出された前記呼吸波形の周波数毎のパワー値を検出する周波数パワー検出ステップと、
   前記ユーザの覚醒度が高いときにおける前記呼吸波形に基づいて、基準周波数を設定する基準周波数設定ステップと、
   前記周波数パワー検出ステップにより検出された前記パワー値のうち、前記基準周波数設定ステップにより設定された前記基準周波数よりも周波数が大きい前記パワー値の合計を算出するパワー合計算出ステップと、
   前記パワー合計算出ステップにより算出された前記パワー値の合計値に基づいて、前記ユーザの覚醒度を推定する覚醒度推定ステップと、を含むことを特徴とする覚醒度推定方法。

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