JP6397810B2 - 睡眠覚醒判定装置、睡眠覚醒判定方法及び、その駆動用プログラム - Google Patents

Description

本発明は、ユーザから取得した加速度に関する情報から睡眠覚醒判定を行う睡眠覚醒判定装置、睡眠覚醒判定方法及び、その駆動用プログラムに関する。

一般のユーザに使用される装着携帯型の電子機器として、例えば、スマートウォッチ又はウェアラブルセンサ等が普及している。これらの機器には、種々の機能が搭載されており、その１つの機能として、加速度等を測定する測定機器、例えば加速度センサを内蔵させて、装着するユーザ身体の動きから得られた加速度情報等に基づき、睡眠又は覚醒を判定する睡眠分析のサービスが提供されている。

加速度センサが検出した加速度情報等から睡眠覚醒判定を行う周知な方法として、例えば、非特許文献１には、ユーザの手首に装着した加速度センサから取得した加速度情報等に基づき、睡眠中の体動数を推定し、睡眠覚醒の判定を行う手法が提案されている。また、他の手法として、非特許文献２には、同様に手首に装着した加速度センサが取得した加速度情報等に基づき、睡眠中の姿勢変化の時間間隔（以下、体動間隔と称する）を推定し、睡眠又は覚醒の判定を行う手法も提案されている。

Roger J. Cole, et al. "Automatic Sleep/Wake Identification From Wrist Activity", Sleep 15, 5, pp.461-469 (1992). Marko Borazio, et al. "Towards Benchmarked Sleep Detection with Inertial Wrist-worn Sensing Units", In Healthcare Informatics (ICHI), pp. 125-134 (2014). 「心拍変動を用いた時間依存睡眠段階遷移モデル」武田十季、他。DEIM Forum 2015 G6-5。

これまでの睡眠中の体動数に基づく睡眠覚醒判定アルゴリズムは、睡眠判定を多めに推定する傾向があり、特に睡眠障害者の覚醒睡眠判定では、十分な精度が出ていないという課題が報告されている。同様に、体動間隔に基づき睡眠覚醒判定する技術においても、睡眠を覚醒と誤判定する傾向があるため、全体的な睡眠覚醒判定の精度は、十分に高くなっていないという課題が報告されている。

そこで本発明は、健常者から睡眠障害者まで多様に渡るユーザに適用可能であり、睡眠覚醒判定を精度良く行う睡眠覚醒判定装置、睡眠覚醒判定方法及び、その駆動用プログラムを提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態に係る睡眠覚醒判定装置は、被験者に装着した加速度センサから、前記被験者の動きに応じた加速度情報を取得する加速度情報取得部と、取得した加速度情報から体動数を算出する体動数算出部と、前記体動数に、予め設定した第１のアルゴリズムを用いて、睡眠覚醒判定を行う第１の睡眠覚醒判定部と、前記加速度情報から体動間隔を算出する体動間隔算出部と、前記体動間隔に、予め設定した第２のアルゴリズムを用いて、睡眠覚醒判定を行う第２の睡眠覚醒判定部と、前記第１の睡眠覚醒判定部による体動数に基づく第１の睡眠覚醒判定結果と、第２の睡眠覚醒判定部による体動間隔に基づく第２の睡眠覚醒判定結果とを、統合して新たな睡眠覚醒判定結果を算出する統合睡眠覚醒判定部と、を備え、前記統合睡眠覚醒判定部は、予め定められた時間窓幅内で、前記体動数から得られた前記第１の睡眠覚醒判定結果が覚醒と判定され、且つ前記体動間隔から得られた前記第２の睡眠覚醒判定結果が覚醒と判定された場合に、覚醒と判定する。
このような睡眠覚醒判定装置により、被験者から取得された体動数および体動間隔に基づいて、それぞれの睡眠覚醒判定結果を算出し、それらの判定結果を統合して最終的な睡眠覚醒判定結果を算出することで、睡眠障害者にも適用可能な高精度な睡眠覚醒判定を行うことができる。

（２）本発明に従う実施形態に係る睡眠覚醒判定装置は、前記第１の睡眠覚醒判定部は、前記体動数に対して、前記第１のアルゴリズムとして、Coleアルゴリズムを用いて、前記第２の睡眠覚醒判定部は、前記体動間隔に対して、前記第２のアルゴリズムとして、ESSアルゴリズムを用いることを特徴とする。
睡眠覚醒判定装置は、第１のアルゴリズムによる体動数に基づく判定結果は、測定期間中に真値に対して覚醒を睡眠と判定する割合が過剰になる傾向があり、覚醒検出精度が低い。また、第２のアルゴリズムによる体動間隔に基づく判定結果は、測定期間中に真値に対して睡眠を覚醒と判定する割合が過剰になる傾向があり、睡眠検出精度が低い。これらの相反する性質を持つ睡眠覚醒判定を統合することにより、各アルゴリズムの欠点を補い、適正な睡眠覚醒判定結果を取得することができる。

（３）本発明に従う実施形態に係る睡眠覚醒判定装置は、さらに、前記統合された睡眠覚醒判定結果に対する補正手段を有し、該補正手段は、取得された睡眠覚醒判定結果に対して、覚醒判定が予め定めた第１の時間以上続いた場合，その後に続く睡眠判定に対して，予め定めた第２時間分の睡眠判定を覚醒判定に変更する補正を行うことを特徴とする。
これらの条件により補正された判定結果は、より実際の睡眠、覚醒に近づく判定となることができる。

（４）本発明に従う実施形態に係る睡眠覚醒判定装置は、被験者に装着した加速度センサから取得した加速度情報に基づき、睡眠又は覚醒の判定を行う睡眠覚醒判定装置であって、ポリソムノグラフィーを用いた睡眠覚醒判定により算出された睡眠覚醒の真値を基準として、該真値に比べて、覚醒を睡眠として多めに判定する睡眠覚醒判定を行う第３の睡眠覚醒判定部と、前記真値に比べて睡眠を覚醒に多く判定する睡眠覚醒判定を行う第４の睡眠覚醒判定部と、前記第３の睡眠覚醒判定部による第３の睡眠覚醒判定結果と、第４の睡眠覚醒判定部による第４の睡眠覚醒判定結果とを、統合して新たな睡眠覚醒判定結果を算出する統合睡眠覚醒判定部と、を備え、前記統合睡眠覚醒判定部は、予め定められた時間窓幅内で、前記第３の睡眠覚醒判定部から得られた第３の睡眠覚醒判定結果が覚醒と判定され、且つ前記第４の睡眠覚醒判定部から得られた第４の睡眠覚醒判定結果が覚醒と判定された場合に、覚醒と判定する。
このような睡眠覚醒判定装置は、覚醒を多めに検出する傾向をもつ睡眠覚醒判定部と睡眠を少なめに検出する睡眠覚醒判定部の両方がある時間幅の中で睡眠と検出していれば睡眠と判定することで、睡眠覚醒判定の精度が改善される。

（５）本発明に従う実施形態に係る睡眠覚醒判定方法は、被験者に装着された加速度測定部から前記被験者の動きに応じた加速度情報を取得し、前記加速度情報において、予め設定した値を交差した回数をカウントして体動数を生成し、前記体動数と予め求めた第１の基準値と比較して第１の睡眠覚醒判定を行い、任意に設定した期間内で前記第１の基準値未満であれば、睡眠判定を行い、前記第１の基準値以上であれば、覚醒判定を行う第１の睡眠覚醒判定結果を取得し、前記加速度情報において、前記加速度情報に対して標準偏差値を用いて、体動間隔を生成し、前記体動間隔から予め設定した第２の基準値と比較して、第２の睡眠覚醒判定を行い、任意に設定した期間内で前記第２の基準値以上であれば、睡眠判定を行い、前記第２の基準値未満であれば、覚醒判定を行う第２の睡眠覚醒判定結果を取得し、前記第１の睡眠覚醒判定結果と前記第２の睡眠覚醒判定結果を任意に設定した期間内で比較し、前記第１の睡眠覚醒判定結果が覚醒と判定され、且つ前記第２の睡眠覚醒判定結果が覚醒と判定されれば、覚醒と判定し、前記第１の睡眠覚醒判定結果と前記第２の睡眠覚醒判定結果のうちの少なくとも一方の判定結果が覚醒と判定されなければ、睡眠判定と判定する。
このような睡眠覚醒判定方法は、被験者から取得された体動数および体動間隔に基づいて、それぞれの睡眠覚醒判定結果を算出し、それらの判定結果を統合して最終的な睡眠覚醒判定結果を算出することで、睡眠障害者にも適用可能な高精度な睡眠覚醒判定を行うことができる。

（６）本発明に従う実施形態に係る睡眠覚醒判定装置の駆動用プログラムは、前記体動数算出部及び前記体動間隔算出部による前記体動数及び前記体動間隔の算出と、前記第１の睡眠覚醒判定部と、前記第２の睡眠覚醒判定部と、前記統合睡眠覚醒判定部とによる各睡眠覚醒判定をコンピュータで実行させる。
これらの構成部をコンピュータとして構築した場合、回路素子による回路を構築しなくとも実現でき、汎用性があり、プログラムの改正により、適宜、調整や変更することができる

本発明によれば、健常者から睡眠障害者まで多様に渡るユーザに適用可能であり、睡眠覚醒判定を精度良く行う睡眠覚醒判定装置、睡眠覚醒判定方法及び、その駆動用プログラムを提供することができる。

図１は、本実施形態の睡眠覚醒判定装置の構成を示す構成図である。 図２は、本実施形態における睡眠覚醒判定の手順を示すフローチャートである。 図３は、本実施形態の睡眠覚醒判定装置による睡眠判定結果の精度と周知な睡眠判定結果の精度を示す図である。 図４（ａ）は、体動数に基づく睡眠覚醒判定結果を示す図、図４（ｂ）は、体動間隔に基づく睡眠覚醒判定結果を示す図、図４（ｃ）は、本実施形態における体動数と体動間隔に基づく統合判定結果を示す図である。 図５は、体動数、体動間隔及び統合判定に基づく睡眠判定結果における適合率、再現率及びＦ値を示す図である。 図６は、体動数、体動間隔及び統合判定に基づく覚醒判定結果における適合率、再現率及びＦ値を示す図である。 図７（ａ）は、公知な体動数に基づく睡眠覚醒判定結果を示す図、図７（ｂ）は、本実施形態による睡眠覚醒統合判定結果を示す図、図７（ｃ）は、ポリソムノグラフィーにより算出した睡眠覚醒判定の真値との比較を示す図である。 図８（ａ）は、公知な体動間隔に基づく睡眠覚醒判定結果を示す図、図８（ｂ）は、本実施形態による睡眠覚醒統合判定結果を示す図、図８（ｃ）は、ポリソムノグラフィーにより算出した睡眠覚醒判定の真値との比較を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本実施形態の睡眠覚醒判定装置１の構成を示す構成図である。
この睡眠覚醒判定装置１は、測定対象であるユーザの身体に装着される電子機器に内蔵される。睡眠覚醒判定装置１には、加速度センサが設けられ、睡眠中のユーザの身体の揺れによって取得した情報（加速度情報）から、体動数及び睡眠中の姿勢変化の時間間隔（体動間隔）の２つの情報を抽出して予め定めた判定基準又は判定条件により睡眠か覚醒かの判定を行う。電子機器としては、睡眠覚醒判定装置１が搭載できるのであれば、前述した携帯型の電子機器であるスマートウォッチ又はウェアラブルセンサ等であってもよいし、医療の分野で患者に装着される医療機器であってもよい。

この睡眠覚醒判定装置１は、測定対象に装着されて加速度情報を測定し取得する加速度測定部２と、取得した加速度情報を記録する加速度記録部３と、加速度情報から体動数Aを算出する体動数算出部４と、算出された体動数Aを記録する体動数記録部５と、体動数Aから睡眠覚醒判定結果R1（以下、判定結果R1と称する）を判定する睡眠覚醒判定部６［第１の睡眠覚醒判定部（第３の睡眠覚醒判定部）］と、加速度情報から体動間隔Bを算出する体動間隔算出部７と、体動間隔Bを記録する体動間隔記録部８と、体動間隔Bから睡眠覚醒判定結果R2（以下、判定結果R2称する）を判定する睡眠覚醒判定部９［第２の睡眠覚醒判定部（第４の睡眠覚醒判定部）］と、これらの判定結果R1,R2から新たな統合睡眠覚醒判定結果R3（以下、統合判定結果R3と称する）を算出する睡眠覚醒判定部１０［統合睡眠覚醒判定部］と、統合判定結果R3を出力する判定結果出力部１１と、で構成される。

本実施形態における各算出部４，７、各記録部３，５，８及び各睡眠覚醒判定部６，９，１０は、コンピュータの演算処理部（ＣＰＵ）及びメモリと、処理プログラムにより代用することができる。コンピュータとして構築した場合には、回路素子による回路を構築しなくとも実現でき、汎用性があり、プログラムの改訂により、適宜、調整や変更することができる。つまり、睡眠覚醒判定装置１を搭載する電子機器の演算処理部（ＣＰＵ）及びメモリを利用して、睡眠覚醒判定の処理に用いることも可能である。また、本実施形態では、加速度記録部３、体動数記録部５、体動間隔記録部８は、回路構成により、生成された信号を後続する構成部位に設定された期間で受け渡しできるのであれば、メモリ（記憶装置）として別途、備えることは必須ではない。

加速度測定部２における測定部位は、ある方向への動きを電圧値として検出する加速度センサが好適する。さらに、加速度測定部２は、加速度センサが検出した加速度情報からノイズを除去するためのバンドパスフィルタ、例えば、１０次のバターワース型バンドパスフィルタ（０．５-３Ｈｚ）を備えている。

本実施形態では、加速度センサが取得したある１方向の動きを加速度情報として用いている。このため、２軸又は３軸の加速度センサであれば、それらのベクトル和の距離即ち、ノルム（norm）を演算出力して用いてもよい。勿論、ノルムの演算出力をせずに、２軸又は３軸の加速度センサにおける軸のうちの好適する１軸の出力値を選択して利用してもよい。尚、本実施形態では、１つの加速度センサを搭載する構成であるが、これに限定されるものではなく、複数個を搭載する構成であってもよい。例えば、動き（振れ）に対して、異なる感度を有する２つの加速度センサを搭載してもよい。

加速度センサは、身体に装着される電子機器に搭載できる大きさであれば、測定法式は限定されるものではなく、機械的変位測定、振動測定及び、光学的測定のうちのいずれの方式であってもよい。また小型軽量の観点から見れば、半導体等を用いたMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）等が好適する。また、MEMSにおいても、静電容量型、ピエゾ抵抗型及び、ガス温度分布型等があるが、電子機器の設計仕様に従えるのであれば、特に限定されるものではない。

本実施形態において、加速度記録部３及び体動数記録部５は、書き込み／読み出しが可能なメモリで構成され、予め定められた領域であるテーブル等に、加速度センサが取得した加速度情報を随時、書き込んでいる。
体動数算出部４は、加速度記録部３から後述するタイミングで読み出した加速度情報に対して、ゼロクロス法を用いて、即ち、加速度情報である電圧値の変化が予め任意に設定した基準値と交差した回数をカウントして、体動数Ａとして生成する。体動間隔算出部７は、加速度情報である電圧値から標準偏差値を算出して、体動間隔Ｂとして生成する。

睡眠覚醒判定部６［第１の睡眠覚醒判定部］及び睡眠覚醒判定部９［第２の睡眠覚醒判定部］は、体動数Ａ及び体動間隔Ｂに対して、後述するアルゴリズムを用いて判定を行い、睡眠覚醒判定結果R1及び睡眠覚醒判定結果R2を取得する。
睡眠覚醒判定部１０は、睡眠覚醒判定結果R1，R2に対して、後述する判定基準に基づき、睡眠判定及び覚醒判定を行う。判定結果出力部１１は、それぞれの睡眠判定及び覚醒判定の判定結果を例えば、電子機器に設けられた液晶ディスプレイに表示する。また、睡眠覚醒判定装置１が通信機能を搭載する、又は電子機器内に設けられた通信機能を利用して、光又は無線の通信により外部の電子機器に送信することも可能である。

次に、この様に構成された睡眠覚醒判定装置１における加速度情報を用いた睡眠及び覚醒の判定について説明する。
まず、ここで、判定を行うためのそれぞれのアルゴリズムは、以下の仮説に基づいて、判定の組み合わせを決定している。本実施形態において、体動数に基づく第１の睡眠覚醒判定部、即ち、睡眠覚醒判定部６で判定を行うアルゴリズムは、公知なColeアルゴリズム（例えば、非特許文献１を参照）を用いることができる。また、本実施形態において、体動間隔に基づく、第２の睡眠覚醒判定部、即ち睡眠覚醒判定部７で判定を行うアルゴリズムは、公知なESS (Estimation of Stationary Sleep-segments)アルゴリズム（例えば、非特許文献２を参照）を用いることができる。尚、以下の真値は、実際の覚醒と睡眠とであり、例えば、ポリソムノグラフィーなどを用いた睡眠覚醒判定から取得される。

第１に、体動数Ａに基づく判定結果R1は、測定期間中に真値に対して覚醒を睡眠と判定する割合が過剰になる傾向があり、覚醒判定の精度が低い。
第２に、体動間隔Ｂに基づく判定結果R2は、測定期間中に真値に対して睡眠を覚醒と判定する割合が過剰になる傾向があり、睡眠判定の精度が低い。
第３に、これらの相反する性質を持つそれぞれの睡眠覚醒判定を後述する条件を用いて統合することにより、各アルゴリズムの欠点を補うことが可能となり、適正な睡眠覚醒判定結果を取得することができる。

図２に示すフローチャートを参照して、本実施形態における睡眠覚醒判定の手順について説明する。ここでは、本実施形態の睡眠覚醒判定装置１又は、睡眠覚醒判定装置１を搭載した電子機器を被測定者であるユーザの身体、例えば手首に装着する例について説明する。尚、加速度センサの装着箇所は、被験者の手首に限定されるものではなく、被験者の他の部位、例えば、胸部や腰部に装着してもよい。但し、身体の形態の変化が検出しやすい装着箇所が好適する。

まず、手首に装着される睡眠覚醒判定装置１に対して、睡眠覚醒判定の選択及び必要な設定を行い、加速度測定部２［加速度情報取得部］が備える加速度センサを駆動させて、センサの１軸又は、ノルムの数値からなる加速度情報の取得を開始する（ステップＳ１）。次いで、加速度測定部２内に設けられたバンドパスフィルタを用いて、取得された加速度情報からノイズが除去される（ステップＳ２）。ノイズが除去された加速度情報は、一旦、加速度記録部３に記録される（ステップＳ３）。

予め定めた設定時間が経過した後、加速度記録部３から読み出された加速度情報（電圧信号）が体動数算出部４に入力される。体動数算出部４は、ゼロクロス法を用いて、任意に設定した期間、例えば、１分間毎の期間で予め設定した基準値に対して交差した回数をカウントして、そのカウント数である体動数Ａ（回数／分）を生成する（ステップＳ４）。尚、本実施形態では、例えば、このゼロクロスの基準値を０．０１に設定することで、取得した加速度情報に重畳するノイズの影響を除去している。尚、この基準値の０．０１は、公知なデータに基づく又は経験的に設定した値であり、加速度センサの特性にもよるが、０を基準とした場合に、被測定者が不動であっても僅かに変動する可能性が有り、体動数に誤差を乗じるため、設定した値である。ノイズ自体は、０．０１より下回っているため、この数値に設定することで十分にノイズによる影響を排除することができる。

次に、体動数Ａに基づいた睡眠覚醒判定［第１の睡眠覚醒判定］を行う（ステップＳ５）。参考として、この睡眠覚醒判定の詳細な一例が非特許文献１に詳述されている。本実施形態では、まず、測定開始後ｎ分時の体動数ＡをＡ_ｎとし、ｎ＋ｋ分時をＡ_ｎ＋ｋとし、非特許文献１に記載される以下の（１）式を利用して、Ｄ値を計算する。

D = 0.0005*(106*A_-4+54*A_-3+58*A_-2+76*A_-1+230*A₀+74*A₊₁+67*A₊₂) …（１）
尚、Ｐ（方程式におけるスケールファクタ）＝0.0005の数値は、測定で取得されたデータによって異なる値で有り、本実施形態で得られたデータにおいて、睡眠覚醒判定の一致率が最も高くなるように調整した数値である。勿論、この数値は、限定されるものではなく、測定条件等により、適宜設定される。算出された１分間毎のＤ値を比較値に用いて判定し、睡眠覚醒判定結果R1を取得する。この判定では、Ｄ値が、Ｄ ＜１（基準値）ならば、「睡眠である」と判定され、それ以外ならば「覚醒である」と判定される。

また上述した体動数Ａに基づいた睡眠覚醒判定と並行して、体動間隔に基づいた睡眠覚醒判定［第２の睡眠覚醒判定］を行う。まず、加速度記録部３から読み出された加速度情報（電圧信号）が体動間隔算出部７に入力される。体動間隔算出部７は、任意に設定した期間、例えば、１分間毎の期間で加速度情報から標準偏差値を用いて、体動間隔Ｂを生成する（ステップＳ６）。

その後、測定開始後ｎ-１分からｎ分までの標準偏差値をstd(n)とし、std(n)が予め設定した基準値より大きい場合には、Ｓ_δ ＝１とし、 そのときの時刻を記録し、ｋ回目のＳ_δ＝１のときの時刻をT(k)とする。また、std(n) ＞ ０．０６ならば、Ｓ_δ ＝１とし、このフラグが立ったときの時刻の間隔が１０分以上ある、即ち、T(k) - T(k-1) ＞１０ならば、T(k-1)からT(k)の区間における判定結果は、すべて「睡眠である」と判定し、それ以外の場合は「覚醒である」と判定する（ステップＳ７）。尚、０．０６及び１０の比較のための基準値は、非特許文献１，２等に公開されているデータに基づき、本実施形態の睡眠覚醒判定の一致率が最も高くなるように、調整した数値である。また、これらの睡眠覚醒判定結果R2は、任意に設定した期間の一例として、１分間毎の期間で判定されているが適宜変更することも可能である。

次に、判定結果R1と判定結果R2の結果を以下の条件に基づいて統合する（ステップＳ８）。まず、判定結果R1において、測定開始後ｎ分時のR1の判定結果をR1(n)、R2の判定結果をR2(n)、両者の統合判定結果をR3(n)とする。ここで、判定結果R1(n)が覚醒判定であり、且つ判定結果R2(n-4)から判定結果R2(n+4)のうちのいずれかが覚醒判定であれば、統合判定結果R3(n)は、覚醒判定であるとする。
一方、判定結果R1(n-4)から判定結果R1(n+4)のいずれかが覚醒判定であり、且つ、判定結果R2(n)が覚醒判定ならば、統合判定結果R3(n)は覚醒判定であるものとする。また、それ以外の場合、統合判定結果R3(n)は睡眠判定であるものとする。

その後、以下の条件に基づいて、取得された睡眠覚醒判定結果R3を補正する（ステップＳ９）。
（１）条件Ａ：４分以上の覚醒後の１分の睡眠は「覚醒である」と判定する。
（２）条件Ｂ：１０分以上の覚醒後の２-３分の睡眠は「覚醒である」と判定する。
（３）条件Ｃ：１５分以上の覚醒後の４分の睡眠は「覚醒である」と判定する。
（４）条件Ｄ：１０分以上の覚醒に挟まれた６分以下の睡眠は「覚醒である」と判定する。
（５）条件Ｅ：２０分以上の覚醒に挟まれた１０分以下の睡眠は「覚醒である」と判定する。
尚、これらの補正は、統合睡眠覚醒判定部１０により行われる、統合された睡眠覚醒判定結果に対する補正であり、取得された睡眠覚醒判定結果に対して、覚醒判定が予め定めた第１の時間（ｋ分）以上続いた場合、その後に続く睡眠判定に対して、予め定めた第２時間（ｍ分）分の睡眠判定を覚醒判定に変更する補正である。

これらの条件は、従来より用いられている設定時間であり、得られた判定結果と実際の判定結果とに乖離した判定があった場合には、判定の修正のために適宜、時分等を変更することも可能である。
これらの条件により補正された判定結果は、より実際の睡眠、覚醒に近づく判定となることができる。
これらの条件により補正された判定結果を最終的な睡眠覚醒判定結果R4として、判定結果出力部１１からユーザに対して、表示や音声ガイド等で告知する（ステップＳ１０）。

次に、本実施形態の睡眠覚醒判定装置による睡眠覚醒判定の精度について説明する。
図３は、本実施形態の睡眠覚醒判定装置による睡眠判定結果の精度及び、比較のために、前述した非特許文献１，２による周知な判定手法による睡眠判定結果の精度を併記している。図３において、本実施形態による睡眠判定結果の精度（実施形態）、非特許文献１による睡眠判定結果の精度（公知１）及び、非特許文献２による睡眠判定結果の精度（公知２）としている。

睡眠覚醒判定結果の比較方法は、例えば、「Embedded Sensing Systems」として、（http://www.ess.tu-darmstadt.de/ichi2014）に公開されている手法を用いて、睡眠判定結果精度の差について多重比較検討を行い、精度を求めている。
これらの睡眠判定結果精度においては、周知な判定方法により求めた睡眠判定結果よりも本実施形態の睡眠判定結果精度の方が有意水準５％の有意差を有しており、本実施形態は、精度良く睡眠覚醒判定することができる。

図４（ａ）は、前述した非特許文献１の公開データの一部を利用した体動数による睡眠覚醒判定結果を示し、図４（ｂ）は、前述した非特許文献２の公開データの一部を利用した体動間隔による睡眠覚醒判定結果を示し、図４（ｃ）は、本実施形態における体動数と体動間隔による統合判定結果を示している。ここで、各図中の「１」は覚醒、「０」は、睡眠を示している。

図４（ａ）に示す体動数による睡眠覚醒判定結果は、真値に対して、睡眠判定が多く、一方、図４（ｂ）に示す体動間隔による睡眠覚醒判定結果は、真値に対して覚醒判定が多くなっている。尚、真値は、例えば、ポリソムノグラフィーなどを用いた睡眠覚醒判定から取得される。

本実施形態では、睡眠が多めに判定されるアルゴリズムと覚醒が多めに判定されるアルゴリズムを統合し、予め定められた時間窓幅（例えば、４分間）において、その矩形窓幅の領域で両方のアルゴリズムで覚醒であると判定している領域を「覚醒である」と判定し、一方、いずれか片方のみが覚醒であると判定、又は両方が睡眠であると判定している領域は「睡眠である」と判定する。尚、ここで言う時間窓幅とは、例えば、前述した判定結果R1(n-4)及び判定結果R1(n+4)における４（分間）に相当する。この４分間は、非特許文献１，２等に記載されている公知なデータに基づき、睡眠覚醒判定の一致率が最も高くなるように調整された数値である。勿論も、測定の条件や設定条件等により、適宜、変更される数値である。

従って、図４（ｃ）に示すように、ある幅以上の矩形領域で双方に共通して存在する領域が「１」となり、「覚醒である」と判定される。これ以外は、「０」と判定されて、「睡眠である」と判定されている。

次に、本実施形態の睡眠覚醒判定装置による睡眠覚醒判定に対して、適合率、再現率及びＦ値（適合率と再現率の調和平均）を用いて、従来手法に比べて有用であることについて説明する。
図５には、体動数Ａに基づく睡眠判定結果、体動間隔Ｂに基づく睡眠判定結果、及び本実施形態の統合判定に基づく睡眠判定結果における適合率ｐ、再現率ｒ及びＦ値を示している。また、図６には、体動数Ａに基づく覚醒判定結果、体動間隔Ｂに基づく覚醒判定結果、及び本実施形態の統合判定に基づく覚醒判定結果における適合率ｐ、再現率ｒ及びＦ値を示している。

図５において、多重比較検討を行ったところ、本実施形態の統合判定が適用された適合率ｐは、体動数Ａ及び体動間隔よりも高い性能が得られる。また統合判定による再現率ｒは体動数Ａより低いが、体動間隔Ｂとは同等の性能を有している。特に、統合判定によるＦ値については、体動間隔Ｂよりも高く、体動数Ａとは同等の性能を有している。

図６に示す覚醒判定においては、統合判定が適用された適合率ｐは、体動数Ａ及び体動間隔よりも低く、再現率ｒは、体動数Ａ及び体動間隔Ｂよりも高い性能を有している。また統合判定によるＦ値については、体動数Ａ及び体動間隔Ｂよりも高い性能を有している。
従って、本実施形態の睡眠及び覚醒の統合判定のアルゴリズムは、体動数又は体動間隔の各アルゴリズムの欠点を補い、バランスの良い判定が可能である。

図７（ａ）は、非特許文献２で公開されている１サンプルにおける体動数Ａに基づく睡眠覚醒判定結果を示す図、図７（ｂ）は、本実施形態による睡眠覚醒統合判定結果を示す図、図７（ｃ）は、睡眠検査の１つであるポリソムノグラフィー（polysomnography）により算出した睡眠覚醒判定の真値との比較を示す図である。ここで、各図中の「１」は覚醒、「０」は、睡眠を示している。図７（ａ）に示す体動数Ａに基づく判定結果と、図７（ｂ）に示す本実施形態による判定結果とを、図７（ｃ）の真値と比較してみると、特に、２００分から３００分の間において、覚醒「１」をより精度よく検出できていることがわかる。
同様に、図８（ａ）は、非特許文献２で公開されている１サンプルにおける体動間隔Ｂに基づく睡眠覚醒判定結果を示す図、図８（ｂ）は、本実施形態による睡眠覚醒統合判定結果を示す図、図８（ｃ）は、睡眠検査の１つであるポリソムノグラフィー（polysomnography）により算出した睡眠覚醒判定の真値との比較を示す図である。ここで、各図中の「１」は覚醒、「０」は、睡眠を示している。

図８（ａ）に示す体動間隔Ｂに基づく判定結果と、図８（ｂ）に示す本実施形態による判定結果とを、図８（ｃ）の真値と比較してみると、全体的に、睡眠「０」をより精度よく検出できていることがわかる。

また、前出した本実施形態は、体動数と動間隔を利用した睡眠覚醒判定アルゴリズムを適用した例について説明した。これらの体動数及び動間隔と同様に、非特許文献３で提案されている心拍変動を用いた時間依存睡眠段階遷移モデルにおいても本実施形態に適用することができる。これは、心拍変動と睡眠段階との関係において、心拍数はノンレム睡眠時に減少し，覚醒やレム睡眠時に増加することが知られている。

この心拍を利用した睡眠段階推定においては、公知な機械学習手法として、サポートベクタマシン（SVM）を利用した場合には、睡眠を覚醒と判定する割合が多めに出てしまい、反対に、時間依存睡眠段階遷移モデル（Temporal-dependent Sleep Stage Transition Model; TSST）を利用した場合は、覚醒が睡眠と判定する割合が多めに出ている。つまり、体動数と動間隔と同等な判定結果が生じている。そこで、これらのＳＶＭとＴＳＳＴによる睡眠覚醒の判定結果を本実施形態の統合睡眠覚醒判定部１０にて、前述したと同様に、アルゴリズムを統合させて判定することができる。

以上説明したように、本実施形態の睡眠覚醒判定装置によれば、被験者から取得された体動数および体動間隔に基づいて、それぞれの睡眠覚醒判定結果を算出し、それらの判定結果を統合して最終的な睡眠覚醒判定結果を算出することで、睡眠障害者にも適用可能な高精度な睡眠覚醒判定を行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…睡眠覚醒判定装置、２…加速度測定部、３…加速度記録部、４…体動数算出部、５…体動数記録部、６…睡眠覚醒判定部、７…体動間隔算出部、８…体動間隔記録部、９…睡眠覚醒判定部、１０…睡眠覚醒判定部、１１…判定結果出力部。

Claims (6)

1. 被験者に装着した加速度センサから、前記被験者の動きに応じた加速度情報を取得する加速度情報取得部と、
   取得した加速度情報から体動数を算出する体動数算出部と、
   前記体動数に、予め設定した第１のアルゴリズムを用いて、睡眠覚醒判定を行う第１の睡眠覚醒判定部と、
   前記加速度情報から体動間隔を算出する体動間隔算出部と、
   前記体動間隔に、予め設定した第２のアルゴリズムを用いて、睡眠覚醒判定を行う第２の睡眠覚醒判定部と、
   前記第１の睡眠覚醒判定部による体動数に基づく第１の睡眠覚醒判定結果と、第２の睡眠覚醒判定部による体動間隔に基づく第２の睡眠覚醒判定結果とを、統合して新たな睡眠覚醒判定結果を算出する統合睡眠覚醒判定部と、を備え、
   前記統合睡眠覚醒判定部は、予め定められた時間窓幅内で、前記体動数から得られた前記第１の睡眠覚醒判定結果が覚醒と判定され、且つ前記体動間隔から得られた前記第２の睡眠覚醒判定結果が覚醒と判定された場合に、覚醒と判定することを特徴とする睡眠覚醒判定装置。
2. 前記第１の睡眠覚醒判定部は、前記体動数に対して、前記第１のアルゴリズムとして、Coleアルゴリズムを用いて、
   前記第２の睡眠覚醒判定部は、前記体動間隔に対して、前記第２のアルゴリズムとして、ESSアルゴリズムを用いることを特徴とする請求項１に記載の睡眠覚醒判定装置。
3. 前記統合睡眠覚醒判定部は、さらに、前記統合された睡眠覚醒判定結果に対する補正手段を有し、該補正手段は、取得された睡眠覚醒判定結果に対して、覚醒判定が予め定めた第１の時間以上続いた場合，その後に続く睡眠判定に対して，予め定めた第２時間分の睡眠判定を覚醒判定に変更する補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の睡眠覚醒判定装置。
4. 被験者に装着した加速度センサから取得した加速度情報に基づき、睡眠又は覚醒の判定を行う睡眠覚醒判定装置であって、
   ポリソムノグラフィーを用いた睡眠覚醒判定により算出された睡眠覚醒の真値を基準として、該真値に比べて、覚醒を睡眠として多めに判定する睡眠覚醒判定を行う第３の睡眠覚醒判定部と、
   前記真値に比べて睡眠を覚醒に多く判定する睡眠覚醒判定を行う第４の睡眠覚醒判定部と、
   前記第３の睡眠覚醒判定部による第３の睡眠覚醒判定結果と、第４の睡眠覚醒判定部による第４の睡眠覚醒判定結果とを、統合して新たな睡眠覚醒判定結果を算出する統合睡眠覚醒判定部と、を備え、
   前記統合睡眠覚醒判定部は、予め定められた時間窓幅内で、前記第３の睡眠覚醒判定部から得られた第３の睡眠覚醒判定結果が覚醒と判定され、且つ前記第４の睡眠覚醒判定部から得られた第４の睡眠覚醒判定結果が覚醒と判定された場合に、覚醒と判定することを特徴とする睡眠覚醒判定装置。
5. 被験者に装着された加速度測定部から前記被験者の動きに応じた加速度情報を取得し、
   前記加速度情報において、予め設定した値を交差した回数をカウントして体動数を生成し、
   前記体動数と予め求めた第１の基準値と比較して第１の睡眠覚醒判定を行い、任意に設定した期間内で前記第１の基準値未満であれば、睡眠判定を行い、前記第１の基準値以上であれば、覚醒判定を行う第１の睡眠覚醒判定結果を取得し、
   前記加速度情報において、前記加速度情報に対して標準偏差値を用いて、体動間隔を生成し、
   前記体動間隔から予め設定した第２の基準値と比較して、第２の睡眠覚醒判定を行い、任意に設定した期間内で前記第２の基準値以上であれば、睡眠判定を行い、前記第２の基準値未満であれば、覚醒判定を行う第２の睡眠覚醒判定結果を取得し、
   前記第１の睡眠覚醒判定結果と前記第２の睡眠覚醒判定結果を任意に設定した期間内で比較し、前記第１の睡眠覚醒判定結果が覚醒と判定され、且つ前記第２の睡眠覚醒判定結果が覚醒と判定されれば、覚醒と判定し、前記第１の睡眠覚醒判定結果と前記第２の睡眠覚醒判定結果のうちの少なくとも一方の判定結果が覚醒と判定されなければ、睡眠判定と判定することを特徴とする睡眠覚醒判定方法。
6. 前記睡眠覚醒判定装置における、
   前記体動数算出部及び前記体動間隔算出部による前記体動数及び前記体動間隔の算出と、
   前記第１の睡眠覚醒判定部と、前記第２の睡眠覚醒判定部と、前記統合睡眠覚醒判定部とによる各睡眠覚醒判定をコンピュータで実行させるための請求項１に記載の睡眠覚醒判定装置の駆動用プログラム。