JP3250474B2

JP3250474B2 - メンタルストレス判定装置

Info

Publication number: JP3250474B2
Application number: JP31142496A
Authority: JP
Inventors: 達美柳井; 泰秀山本; 則政岸
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 2002-01-28
Anticipated expiration: 2016-11-07
Also published as: JPH10137228A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人の定常的ストレ
スとしてのメンタルストレスを判定するメンタルストレ
ス判定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、脈拍データの変動状況をマイクロ
コンピュータにより測定することにより、人のストレス
レベルを測定するストレスレベル測定装置がある。これ
は、図２１に示すように、被験者の脈波を検出する脈波
検出器５０１が脈拍計数器５０２に接続され、その脈拍
計数器５０２がマイクロコンピュータ５０３に接続され
ているものである。そして、図２２に示すように、脈波
検出器５０１で検出した脈波データを、脈拍計数器５０
２により整形パルスに変換して脈拍データを計数し、そ
の脈拍データの上昇下降をマイクロコンピュータ５０３
で監視することにより、ストレスのレベルを測定するも
のである。同様のものが、特開平４ー１８０７３０号公
報に記載されている

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、人
は、職場あるいは日常生活において、様々なストレスを
受けている。特に、急速なＯＡ（オフィスオートメーシ
ョン）化、ＦＡ（ファクトリオートメーション）化によ
り、ＶＤＴ（ビデオディスプレイ端末装置）作業や監視
作業が増え、これらの作業がもたらすメンタルストレス
は過労やヒューマンエラーの要因となっている。これを
防ぐため、メンタルストレス（テクノストレスとも言
う。）を評価、判定することが重要となっている。

【０００４】しかしながら、従来のストレスレベル測定
装置は、心拍数の上昇下降のみの情報を利用する構成で
あるため、ストレスレベル測定の信頼性が低く、また、
測定時における一時的ストレスしか測定できず、定常的
なストレスレベル測定についての信頼性は低い。また、
心電図信号に不整脈等の現象が生じた場合、その区間は
解析が不能になる。そして、脈拍という１つの生体信号
を用いるだけであるので、このように解析不能区間が生
じると、判定自体が不可能になるという問題があった。

【０００５】そこで次に、メンタルストレスと自律神経
系の相関が高いことを利用して、図２３に示されるよう
な心電図信号における拍動間隔ＲＲＩを算出して自律神
経系の活動を判定しようとする試みがある。この際、図
２４の（ｂ）に示すように心電図信号に電気的なノイズ
Ｎが混入した場合には、フィルタリング処理で対処する
ことが可能である。しかし、同図（ａ）のように心電図
信号に不整脈による期外収縮という拍動の時間的乱れ、
とくに拍動欠落Ｋが生じた場合には、ＲＲＩ検出に多大
な誤差が生じる。精神的ストレス状態では不整脈の生じ
る被験者が多く報告されているので、したがって、不整
脈で解析が実際上不能になるようでは本来のメンタルス
トレス判定に貢献することはできない。

【０００６】以上のように、現在のところ、メンタルス
トレスという感覚量を客観的にかつ計測したり、定量的
に信頼性高く評価する技術は確立されていないと言え
る。本発明は、このような従来の問題点に鑑み、不整脈
などがあっても定常的ストレスとしてのメンタルストレ
スを客観的に精度よく判定するメンタルストレス判定装
置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、本発明は、被
験者に一時的ストレスを与えるタスクを提示するタスク
提示手段と、被験者の心拍相当データを採取する心拍相
当データ採取手段と、この心拍相当データ採取手段によ
り採取した心拍相当データに基づいて、拍動間隔を検出
する拍動間隔検出手段と、該拍動間隔検出手段により検
出した拍動間隔データのばらつきの程度を算出し、算出
したばらつきの程度を交感副交感神経活動度とする交感
副交感神経活動度算出手段と、拍動の一時的異常を検出
し、当該異常の拍動間隔データを前記交感副交感神経活
動度算出手段の処理対象から除去する欠陥データ除去手
段と、複数の異なる時間で採取した拍動間隔データを用
いて交感副交感神経活動度算出手段により算出した交感
副交感神経活動度に基づいて、タスク遂行に伴う被験者
の反応の変化からメンタルストレスを判定するメンタル
ストレス判定手段とを有するものとした。

【０００８】上記のタスク提示手段は、タイマを備え、
被験者に一定時間のタスクとレストとを交互に行なうよ
うに、タイマにより時間を提示するのが好ましい。

【０００９】さらに、上記の交感副交感神経活動度算出
手段は、拍動間隔検出手段により検出された拍動間隔デ
ータの正規化分散、および拍動間隔データに基づく単位
時間当たりの平均心拍数を算出し、該正規化分散および
平均心拍数をそれぞれ２次元平面上におけるタスク状態
の分布エリアおよびレスト状態の分布エリアとして求
め、メンタルストレス判定手段は、タスク状態の分布エ
リアとレスト状態の分布エリアとの面積の重なり率に基
づいて、メンタルストレスを判定するものとすることが
できる。この際メンタルストレス判定手段は、前回測定
および今回測定におけるタスク状態を表わす分布エリア
面積の重心とレスト状態を表わす分布エリア面積の重心
との間の距離の経時変化からメンタルストレスの変化を
判定することもできる。

【００１０】また、交感副交感神経活動度算出手段は、
拍動間隔検出手段により検出された拍動間隔データを周
波数解析することにより、副交感神経活動度を算出する
こともできる。

【００１１】さらに、被験者の脳波の周波数解析手段を
備えて、メンタルストレス判定手段が交感副交感神経活
動度に基づくメンタルストレスを周波数解析手段の解析
結果を参照してさらに細分判定するものとするのが望ま
しい。上記周波数解析手段は、脳波データを採取する脳
波データ採取手段と、各レスト時間帯から切り出した脳
波データの周波数パワーを算出する周波数成分算出回路
と、周波数成分ごとに上記パワーを加算して被験者のリ
ラクセーション度を求めるリラクセーション算出回路と
からなるものとすることができる。

【００１２】

【作用】本発明に係るメンタルストレス判定装置は、タ
スク提示手段により被験者に一時的ストレスを与えつ
つ、心拍相当データ採取手段により被験者の心拍相当デ
ータを採取して拍動間隔検出手段に入力し、拍動間隔検
出手段が拍動間隔を検出してその拍動間隔データを交感
副交感神経活動度算出手段に入力して、拍動間隔データ
のばらつきの程度を算出しこれを交感副交感神経活動度
とする。メンタルストレス判定手段では、複数の異なる
時間で採取した拍動間隔データを用いて求めた上記交感
副交感神経活動度に基づいて、タスク遂行に伴う被験者
の反応の変化からメンタルストレスの有無が判定され
る。拍動間隔検出手段により検出された拍動間隔に一時
的異常があると、その異常の拍動間隔データは欠陥デー
タ除去手段により交感副交感神経活動度算出手段へ入力
されず、処理対象から除去される。これにより、感覚的
なメンタルストレスが客観的に判定される。

【００１３】上記のタスク提示手段が、タイマにより、
被験者に一定時間のタスクとレストとを交互に行なうよ
うに、時間の提示を行なうと、被験者に対して簡易なタ
スクが与えられ、心拍相当データが容易に採取される。

【００１４】また、上記の交感副交感神経活動度算出手
段が、正規化分散および平均心拍数の分布エリアを求め
ることにより、メンタルストレス判定手段は、重なりが
ないときは健常で、分布エリアの重なりがあるときはメ
ンタルストレスのあることが判定できる。また、前回測
定と今回測定におけるタスク状態およびレスト状態を表
わす分布エリア面積の重心間の距離の経時変化を求める
ことにより、メンタルストレスの変化状況を知ることが
できる。

【００１５】また、上記の交感副交感神経活動度算出手
段が、上記拍動間隔検出手段で検出された拍動間隔デー
タを周波数解析して副交感神経活動度を算出することに
より、メンタルストレスが客観的に判定される。さら
に、脳波の周波数解析結果を参照し、とくに、レスト時
間帯から切り出した脳波データの周波数パワーを算出、
加算して求めた被験者のリラクセーション度を参照し
て、上記交感副交感神経活動度に基づくメンタルストレ
スをさらに細分判定することにより、一層詳細な判定が
できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を実施例によ
り説明する。図１は第１の実施例の構成を示し、図２は
その使用状態を示す。また図３はタスクを与えるタイミ
ングを示す図、図４は測定の原理を示す図、図５はメン
タルストレスの判定要領の一部を示す図である。ここで
は、交感副交感神経活動度を一時的ストレスを加えた状
態で測定算出して、背景の定常的ストレスに対する変化
を観測するようにするとともに、不整脈等の現象が発生
したときには脳波信号を併用することで解析の中断な
く、確度の高い判定を行えるようにする。

【００１７】メンタルストレス判定装置１０は、被験者
に一時的ストレスを与えるタスク提示手段としてのタス
ク／レスト提示器１１と、被験者の心拍相当データから
交感副交感神経活動度を求める交感副交感神経活動度算
出装置１２と、被験者の脳波データからその周波数解析
を行なう周波数解析装置１３と、上記交感副交感神経活
動度算出装置１２および周波数解析装置１３に接続され
たメンタルストレス判定回路１４とから構成されてい
る。

【００１８】交感副交感神経活動度算出装置１２は、被
験者から心拍相当データを採取する心拍相当データ採取
手段としての心拍相当データ採取装置２１が、拍動の時
間間隔であるＲＲＩ（Ｒ−Ｒｉｎｔｅｒｖａｌ）デー
タを検出するＲＲＩ検出回路２２に有線または無線で接
続され、さらにそのＲＲＩ検出回路２２が交感副交感神
経の活動度を算出する交感副交感神経活動度算出回路２
４に接続されている。そして上記ＲＲＩ検出回路２２と
交感副交感神経活動度算出回路２４の間には、欠陥デー
タ除去回路２３が設けられている。交感副交感神経活動
度算出回路２４がメンタルストレスを判定する上記メン
タルストレス判定回路１４に接続されている。

【００１９】一方、周波数解析装置１３は、被験者の脳
波データを採取する脳波データ採取装置３１と、脳波デ
ータの周波数成分を解析する周波数成分解析回路３２
と、レスト時の所定サンプルの周波数成分のパワーを加
算してリラクセーション度を求めるリラクセーション算
出回路３３からなり、リラクセーション算出回路３３の
出力がメンタルストレス判定回路１４に入力されるよう
になっている。ここで、ＲＲＩ検出回路２２、欠陥デー
タ除去回路２３、交感副交感神経活動度算出回路２４、
周波数成分解析回路３２、リラクセーション算出回路３
３およびメンタルストレス判定回路１４は、コンピュー
タで構成されている。

【００２０】そして、タスク／レスト提示器１１により
被験者に一時的ストレスを与えつつ、心拍相当データ採
取装置２１により図４の（ａ）に示すように被験者の拍
動信号Ｒ−ｗａｖｅを測定してＲＲＩ検出回路２２に入
力する。その拍動信号が入力されたＲＲＩ検出回路２２
はバンドパスフィルタを備え、図４の（ｂ）に示すよう
に、心拍相当データからＲＲＩのデータを検出して交感
副交感神経活動度算出回路２４に出力する。この間、心
拍相当データに不整脈などによる欠陥データがある場合
には、それに基づくＲＲＩのデータは欠陥データ除去回
路２３によりスキップされる。

【００２１】ＲＲＩデータが入力された交感副交感神経
活動度算出回路２４は、ＲＲＩデータのばらつきの程度
を算出し、図５に示すように２次元平面上におけるタス
ク状態およびレスト状態でのデータを求める。詳細につ
いては後述するが、非メンタルストレス下にある健常者
では（ａ）のように両データが離れており、メンタルス
トレス下にある要注意者では（ｂ）のようにデータが重
なる。

【００２２】周波数解析装置１３では、レスト時の脳波
データの周波数パワースペクトルを求める。後述するよ
うに、メンタルストレス判定回路１４は、２次元平面上
のタスク状態またはレスト状態の各分布エリアの位置か
ら、定常的ストレスであるメンタルストレスの有無を判
定するようになっており、この際、上記の周波数パワー
スペクトルを参照して判定する。

【００２３】つぎに、本実施例における動作の流れをよ
り詳細に説明する。まず、タスク／レスト提示から交感
副交感神経活動度算出にわたる基本作動について図６お
よび図７により説明する。ステップ１１０において、タ
スク／レスト提示器１１に内蔵されたタイマにより、一
定時間のタスク（課題）とレスト（休息）とを繰り返す
タイミングが被験者に提示される。具体的には、図３に
示すように、タスクが約１分程度、レストが約２分程度
に設定され、タスクとレストとが交互に複数回繰り返し
て提示される。タスクとしては、精神的なストレスを加
えられる内容であればよく、例えば図８に示すように、
罫線１０７Ａで記入位置１０７Ｂを特定した所定の用紙
１０６に、上記の所定の時間内に、できるだけ多くの丸
印１０８を書き込む作業が課される。

【００２４】図６に戻って、ステップ１１１で、心拍相
当データ採取装置２１により、被験者の心拍が測定さ
れ、拍動信号が心拍相当データとして採取される。この
拍動信号はＲＲＩ検出回路２２に１００Ｈｚ以上でサン
プリングして逐次取り込まれる。心電図信号の場合
は、身体に電極の装着を必要とするが、ここでは、被験
者に体動の少ないタスクを想定しているため、心拍の測
定で問題は生じない。また、医療用としての正確な波形
診断が目的ではないため、電極の装着も簡単なもの、例
えば、図２に示すようにハチマキ状のものが適用可能で
ある。さらに、簡易測定が可能な光学測定脈波信号や圧
力測定による脈波信号でも、適切な信号処理により拍動
のタイミングが検出されるものであれば、同様の効果を
得ることができる。

【００２５】次いで、ステップ１１２で、ＲＲＩ検出回
路２２においてバンドパスフィルタによりノイズ等の目
的外信号が除去され、心拍相当信号がファイリング処理
される。ステップ１１３で、心拍相当信号をしきい値処
理などを施し、ステップ１１４で、拍動の時間間隔であ
るＲＲＩデータ（Ｒ−Ｒｉｎｔｅｒｖａｌ）を検出す
る。ただし元来、ＲＲＩには変動が伴なうため、このＲ
ＲＩデータは時系列的には不規則なサンプリングになら
ざるを得ないが、必要に応じて、補間処理により時系列
的に規則的なサンプリングにすることも可能である。

【００２６】ステップ１１５では、欠陥データ除去回路
２３において、拍動の時間間隔が所定の範囲内にあるか
どうかがチェックされる。ここでは、新規のデータＲＲ
Ｉ（１）検出に際してその直前のデータＲＲＩ（０）を
参照し、（１／２）ＲＲＩ（０）から（３／２）ＲＲＩ
（０）の範囲を検出範囲として設定する。不整脈で拍動
が欠けるとＲＲＩは通常の約２倍になるからこのチェッ
クで検出できる。すなわち、ＲＲＩ（１）が上記範囲内
にあるときはそのまま交感副交感神経活動度算出回路２
４に送られて次のステップ１１７に進むが、上記範囲に
ないときは誤差を含んだ値として、交感副交感神経活動
度算出回路２４には送られず、ステップ１１６で時間情
報のみが更新されたあと、ステップ１１７に進む。

【００２７】なお（１／２）から（３／２）の設定は、
精神的タスクでは５０％以上の瞬時変化はないことによ
っている。通常の生活を営んでいる被験者における不整
脈はその現象が生じてもその後はまた通常の拍動に戻る
ため、その後の拍動は再び判定に利用できる。

【００２８】交感副交感神経活動度算出回路２４では、
ＲＲＩデータのばらつきの程度を算出する。ＲＲＩデー
タのばらつきの程度が交感副交感神経活動度と密接な相
関を持つことは実験的に確かめられている。ここでは、
このばらつきを表す指標として分散を用いている。まず
ステップ１１７では、逐次入力されてくるＲＲＩデータ
より１５秒程度（本実施例では、１６サンプル）のデー
タを解析区間として切り出す。次いで、ステップ１１８
で、正規化分散ＲＲＶと平均心拍数ＢＥＡＴを算出し、
これらを解析区間の中央値の時刻データとして格納す
る。

【００２９】次に、ステップ１１９で、解析区間の中央
値の時刻データがタスク状態のデータかレスト状態のデ
ータかを判別する。そして、タスク状態の場合、ステッ
プ１２０で、タスク状態のデータとして蓄積し、そのタ
スク状態に応じた正規化分散ＲＲＶと平均心拍数ＢＥＡ
Ｔとの関係を２次元平面上のエリアとして求めるととも
に、重心および標準偏差を算出する。

【００３０】次に、ステップ１２２に進み、タスクおよ
びレストの提示が完了したか否かがチェックされる。そ
して、タスクおよびレストの提示が完了していない場
合、ステップ１２３に進み、解析区間を１点幅でシフト
した後、ステップ１１７〜ステップ１１９の処理を繰り
返す。ここで、解析区間を１点幅でシフトするのは、Ｒ
ＲＩデータを時系列的に解析する上で、入力される度に
解析することが最も詳細に解析できるからである。

【００３１】一方、ステップ１１９で、レスト状態の場
合、ステップ１２１に進み、レスト状態のデータとして
蓄積し、レスト状態に応じた正規化分散ＲＲＶと平均心
拍数ＢＥＡＴとの関係を２次元平面上のエリアとして求
めるとともに、重心および標準偏差を算出する。次い
で、ステップ１２２に進み、タスクおよびレストの提示
が完了したか否かがチェックされる。そしてタスクおよ
びレストの提示が完了していない場合、再度、ステップ
１２３に進み、解析区間を１点幅でシフトした後、ステ
ップ１１７〜ステップ１１９の処理を繰り返す。上記の
ステップ１１７〜１２３の処理は、被験者に対するタス
クおよびレストの提示が行なわれている間、繰り返され
ている。

【００３２】次いで、ステップ１２２で、タスクおよび
レストの提示完了がチェックされたとき、ステップ１２
４に進み、メンタルストレス判定回路１４により、正規
化分散ＲＲＶー平均心拍数ＢＥＡＴ２次元平面上にて分
布エリアを比較してメンタルストレスを判定する。

【００３３】次に、図９により周波数解析装置１３の動
作を説明する。先のステップ１１０によるタスクとレス
トの繰り返しタイミングが被験者に提示されるのにあわ
せて、まずステップ２０１で、脳波データ採取装置３１
により、被験者の額などから単極誘導で自発脳波が採取
され、１ｋＨｚ以上のサンプリングで周波数成分解析回
路３２に取り込まれる。周波数成分解析回路３２ではこ
のあと、ステップ２０２で、目的外信号を除去するフィ
ルタリングを施した上で、ステップ２０３において、レ
スト時の中間５０％の部分を切り出し処理を行う。こう
して、ステップ２０４で切り出し脳波データが得られ
る。

【００３４】ステップ２０５では、この切り出した脳波
データに対して周波数パワースペクトルを算出し、図１
０に示すように周波数帯毎にパワースペクトルを求め、
それぞれステップ２０６でこれを加算する。つぎのステ
ップ２０７のタスク・レスト提示完了判定チェックによ
り同様の処理をレスト状態が終了するまで繰り返し、タ
スク・レスト提示が完了すると、ステップ２０８で周波
数帯毎のパワースペクトル加算値をメンタルストレス判
定回路１４にわたして、判定の参照とされる。

【００３５】次に、メンタルストレス判定回路１４にお
ける判定について説明する。図１１は正規化分散ＲＲＶ
と平均心拍数ＢＥＡＴとの関係を表示した図であり、横
軸に正規化分散ＲＲＶが、縦軸に平均心拍数ＢＥＡＴが
表示されている。そして、正規化分散ＲＲＶは左方に向
かうに従って、平均心拍数ＢＥＡＴは上方に向かうに従
って負担が大きくなっていることを示している。基本的
に、健常者は一時的ストレスを与えたときと与えないと
きでは、反応に明確な差異が生じるものである。

【００３６】すなわち、非メンタルストレス下では、タ
スク状態とレスト状態の分布エリアはお互い離れた位置
に分布する。そして、タスクを正確に実行していれば、
タスク状態の分布エリアはレスト状態の分布エリアに対
して負担の高い左上方に位置する結果となる。これは、
交感副交感神経の活動から考えて正常な反応である。一
方、背景ストレスであるメンタルストレス下の状態で
は、タスク状態での非集中、レスト状態での非リラック
スの現象が生じ、相互の分布エリアは接近することにな
る。

【００３７】図１２、図１３はそれぞれ被験者Ａ、被験
者Ｂの測定結果を表示したものであり、図１２の
（ａ）、図１３の（ａ）は非メンタルストレス状態の
下、図１２の（ｂ）、図１３の（ｂ）はメンタルストレ
ス状態の下で測定した結果である。いずれの図において
も、非メンタルストレス状態の下では、タスク状態とレ
スト状態の分布エリアは離れた位置にあり、メンタルス
トレス状態の下では、その各分布エリアは重なった状態
になっている。

【００３８】図１４は、前回データのない場合の判定ア
ルゴリズムを示すフローチャートである。ここではＲＲ
Ｖ−ＢＥＡＴ２次元平面上で分布エリアを比較すること
によりまず判定を行い、とくに、タスク状態の分布エリ
アの面積を基準に取り、その重なり率により上記現象を
捉える。

【００３９】まずステップ１３０で、先のステップ１２
０、１２１で求められたタスク時とレスト時の重心およ
び標準偏差をそれぞれＧｔ（Ｒｔ、Ｂｔ）およびＳｔ
（Ｒｔ、Ｂｔ）、Ｇｒ（Ｒｒ、Ｂｒ）およびＳｒ（Ｒ
ｒ、Ｂｒ）として、２次元平面上におけるタスク状態お
よびレスト状態の分布エリアの重心の相対的位置を判定
する。すなわち、ＲＲＶ軸方向では、タスク状態におけ
る重心位置Ｒｔがレスト状態における重心位置Ｒｒより
図中で左方にあるか否か、およびＢＥＡＴ軸方向では、
タスク状態における重心位置Ｂｔがレスト状態における
重心位置Ｂｒより図中で上方にあるか否かがチェックさ
れて、重心位置関係が判定される。

【００４０】そして、重心位置Ｒｔが重心位置Ｒｒより
左方（Ｒｔ＜Ｒｒ）、かつ、重心位置Ｂｔが重心位置Ｂ
ｒより上方（Ｂｔ＞Ｂｒ）にある場合、ステップ１３１
に進む。一方、上記のタスク状態およびレスト状態の重
心位置の関係が、Ｒｔ＜Ｒｒ、かつ、Ｂｔ＞Ｂｒを満足
しない場合、ステップ１３２に進む。この場合、タスク
不履行の可能性が大きいため、再度、測定することが必
要となる。

【００４１】ステップ１３１では、タスク状態およびレ
スト状態の分布エリアの面積Ａｔ、Ａｒをそれぞれ算出
する。その後、ステップ１３３で、タスク状態における
分布エリア面積Ａｔに対する、タスク状態の分布エリア
面積Ａｔがレスト状態の分布エリア面積Ａｒに重なるエ
リア面積（Ａｔ＆Ａｒ）の重なり率により、メンタルス
トレスの有無が判定される。

【００４２】そして、図１５の（ａ）に示すように、タ
スク状態の分布エリアとレスト状態の分布エリアが重な
らない場合（（Ａｔ＆Ａｒ）＝０）、ステップ１３４
で、「メンタルストレスなし」の判定がなされ、健常者
と判断される。また、図１５の（ｂ）に示すように、タ
スク状態の分布エリアに対するレスト状態の分布エリア
の重なり率が１／２以下の場合（（Ａｔ＆Ａｒ）≦Ａｔ
／２）、ステップ１３５で、「メンタルストレスの可能
性あり」の判定がなされる。さらに、図１５の（ｃ）に
示すように、上記の重なり率が１／２以上の場合（（Ａ
ｔ＆Ａｒ）＞Ａｔ／２）には、（メンタルストレスあ
り）に分類される。

【００４３】（メンタルストレスあり）となったとき
は、次にステップ１３６に進み、先のステップ２０８で
算出した周波数成分毎のパワースペクトルを参照する。
すなわちステップ１３６では安静成分であるα波のパワ
ーＰ（α）と覚醒成分であるβ波のパワーＰ（β）を比
較する。図１６にタスク時とレスト時の脳波データ周波
数パワースペクトルを示す。このパワースペクトルはレ
スト時に閉眼安静状態にして採取した脳波より算出して
いる。これからわかるように、時間軸にそってレスト略
１分、タスク１分、レスト１分としたときの周波数ワー
スペクトルの堆移において、レスト時には低い周波数成
分が顕著になっている様子が確認できる。

【００４４】これより、覚醒成分のパワーＰ（β）が安
静成分のパワーＰ（α）に対して十分大きい（２倍以上
程度）場合は、メンタルストレスの中でもレスト時にリ
ラックスできないケースを裏付けるデータと考えられ、
ステップ１３７で、「メンタルストレスあり・リラック
ス不可」の判定がなされる。通常、このレスト時にリラ
ックスできないケースが勤労者のメンタルストレスには
多く存在し、いわゆる「タイプＡ」と称されている。一
方、安静成分のパワーＰ（α）が覚醒成分のパワーＰ
（β）より優位でレスト時にリラックスできているの
に、メンタルストレス状態と判定されているときは、タ
スク時に集中できないと考えられ、ステップ１３８で
「メンタルストレスあり・集中不可」の判定がなされ
る。

【００４５】次に図１７は、前回データのある場合の判
定アルゴリズムを示すフローチャートである。この場合
には、各分布エリアの重心間距離の経時変化を尺度にし
て判定する。まず先のステップ１１０から１２３で求め
られた重心が、ステップ１４８で前回データとして記憶
される。前回のタスク重心をＧｔ１（Ｒｔ１、Ｂｔ
１）、レスト重心をＧｒ１（Ｒｒ１、Ｂｒ１）とする。
次に、同様にしてステップ１４９において、今回の２次
元分布エリアのデータとして、タスク重心をＧｔ２（Ｒ
ｔ２、Ｂｔ２）およびレスト重心をＧｒ２（Ｒｒ２、Ｂ
ｒ２）が求められる。

【００４６】ステップ１５０で、２次元平面上における
タスク状態およびレスト状態の分布エリアの重心の相対
的位置を判定する。すなわち、ＲＲＶ軸方向では、タス
ク状態における重心位置Ｒｔ２がレスト状態における重
心位置Ｒｒ２より左方にあるか否か、およびＢＥＡＴ軸
方向では、タスク状態における重心位置Ｂｔ２がレスト
状態における重心位置Ｂｒ２より上方にあるか否かがチ
ェックされて重心位置関係が判定される。

【００４７】そして、重心位置Ｒｔ２が重心位置Ｒｒ２
より左方（Ｒｔ２＜Ｒｒ２）、かつ、重心位置Ｂｔ２が
重心位置Ｂｒ２より上方（Ｂｔ２＞Ｂｒ２）にある場
合、ステップ１５１に進む。一方、上記のタスク状態お
よびレスト状態の重心位置の関係が、Ｒｔ２＜Ｒｒ２、
かつ、Ｂｔ２＞Ｂｒ２を満足しない場合、ステップ１５
２に進む。この場合、タスク不履行の可能性が大きいた
め、再度、測定される。

【００４８】次いで、ステップ１５１で、前回測定した
タスク状態およびレスト状態の分布エリアにおける重心
間距離（Ｇｔ１−Ｇｒ１）、および今回測定したタスク
状態およびレスト状態の分布エリアにおける重心間距離
（Ｇｔ２−Ｇｒ２）を算出する。次に、ステップ１５３
で、前回の重心間距離（Ｇｔ１−Ｇｒ１）と今回の重心
間距離（Ｇｔ２−Ｇｒ２）との比較を行なうことによ
り、メンタルストレスの変化の判定が行なわれる。

【００４９】そして、今回測定した重心間距離（Ｇｔ２
−Ｇｒ２）が前回測定した重心間距離（Ｇｔ１−Ｇｒ
１）と変わらない場合（（Ｇｔ１−Ｇｒ１）＝（Ｇｔ２
−Ｇｒ２））、ステップ１５４で、「メンタルストレ
ス、前回と変化なし」の判定がなされる。また、今回測
定した重心間距離（Ｇｔ２−Ｇｒ２）が前回測定した重
心間距離（Ｇｔ１−Ｇｒ１）より大きくなっている場合
（（Ｇｔ１−Ｇｒ１）＜（Ｇｔ２−Ｇｒ２））、ステッ
プ１５５で、「メンタルストレス、前回より減少傾向」
の判定がなされる。さらに、今回測定した重心間距離
（Ｇｔ２−Ｇｒ２）が前回測定した重心間距離（Ｇｔ１
−Ｇｒ１）より小さくなっている場合（（Ｇｔ１−Ｇｒ
１）＞（Ｇｔ２−Ｇｒ２））には、（メンタルストレ
ス、前回より増加傾向）に分類される。

【００５０】（メンタルストレス、前回より増加傾向）
となったときは、次にステップ１５６に進み、先の前回
データのない場合におけると同様に脳波の周波数成分毎
のパワースペクトルを参照し、安静成分であるα波のパ
ワーＰ（α）と覚醒成分であるβ波のパワーＰ（β）を
比較する。覚醒成分のパワーＰ（β）が安静成分のパワ
ーＰ（α）に対して十分大きい場合は、ステップ１５７
で、「メンタルストレス、前回より増加傾向・リラック
ス不可」の判定がなされる。

【００５１】一方、安静成分のパワーＰ（α）が覚醒成
分のパワーＰ（β）より優位であるときは、ステップ１
５８で「メンタルストレス、前回より増加傾向・集中不
可」の判定がなされる。上記のステップ１１１〜１１４
が発明の拍動間隔検出手段を、ステップ１１７〜１２３
が交感副交感神経活動度算出手段を、ステップ１３０〜
１３８、１５０〜１５８がメンタルストレス判定手段を
構成している。

【００５２】以上説明したように、本実施例によれば、
ＲＲＩデータに基づくＲＲＶ−ＢＥＡＴ２次元分布にお
いて、タスク状態の分布エリア面積Ａｔに対する、タス
ク状態の分布エリア面積Ａｔがレスト状態の分布エリア
面積Ａｒに重なるエリア面積（Ａｔ＆Ａｒ）の重なり率
を判定することにより、主観的なメンタルストレスの有
無を客観的に判定することができる。そしてこの際、欠
陥データ除去回路２３により拍動の時間間隔が直前のデ
ータに対して所定の範囲内にあるのみをデータとして用
いるようにしているので、不整脈で拍動が欠けたような
場合にも、精度の高い判定が行われる。さらに、周波数
解析装置１３を設けて、レスト中の脳波周波数成分のパ
ワースペクトルを参照するようにし、メンタルストレス
ありの状態についてさらにリラックス不可か集中不可か
の分類分けを行うものとしたので、一層詳細な評価が可
能となる。

【００５３】また、メンタルストレスを判定するにあた
り、前回の判定データがあるときは、タスク状態および
レスト状態の各分布エリアの重心間距離の経時変化を尺
度にして判定するようにしたので、メンタルストレスの
変化状況も知ることができる。また、分布エリアをさら
にディスプレイ上に表示するようにすれば、エリアの重
なり状態が視認でき、感覚的にも判定が分かりやすい。

【００５４】図１８、図１９は、本発明の第２の実施例
を示す。この実施例は交感副交感神経活動度算出回路に
おけるＲＲＩデータのばらつきの程度を算出するのに周
波数解析を用いた例であり、他の構成は第１の実施例と
同じである。図１８の（ａ）はＲＲＩに対して規則サン
プリングした状態を示し、（ｂ）は周波数解析を説明す
る図である。

【００５５】まず、図４に示す拍動の時間間隔としての
ＲＲＩを補間して規則サンプリングして、図１８の
（ａ）に示すように、心拍相当データを採取する。サン
プリングされた各データのパワー曲線が（ｂ）に例示さ
れる。そして、所定の周波数Ｆ０、本実施例においては
０．１５Ｈｚを境界として高周波成分と低周波成分にパ
ワーの分離を行なう。すなわち、パワー曲線をＦＦＴ処
理したパワースペクトルの密度関数をＳ（ｆ）とし、低
周波成分はＳ（ｆ）を０からＦ０まで、高周波成分はＦ
０から無限大まで積分することによって得ることがで
き、その高周波成分が副交感神経の活動度を反映してい
る。そして、高周波成分におけるパワーの上昇が副交感
神経のリラックス状態、下降が副交感神経の緊張状態を
表わされる。なお、低周波成分におけるパワーの上昇は
副交感神経の変化過程を、下降は副交感神経の定常過程
を表わしている。

【００５６】図１９は周波数解析の結果を表示した図で
あり、実験遂行時間（ｓｅｃ）に対する周波数成分のパ
ワーを表示したものである。同図に示すように、タスク
遂行部分２０１すなわち集中状態を示す部分に対し、健
常者の高周波成分２０２は変化量が大きく表われ、メン
タルストレス状態の被験者の高周波成分２０３は変化量
が小さく表われる。したがって、この高周波成分の変化
量の差により、メンタルストレスの判定を行なうことが
できる。

【００５７】以上説明したように、この実施例によれ
ば、被験者の拍動の時間間隔としてのＲＲＩを補間して
規則サンプリングし、所定の周波数を境にして低周波成
分と高周波成分に分離して周波数解析を行なう。その高
周波成分が副交感神経の活動度を反映しているため、メ
ンタルストレスの状態を客観的に判定することができ
る。

【００５８】なお、上記の各実施例では、タスクとして
所定の用紙に丸印を書き込む作業を例示したが、図２０
に示すように、第１の実施例と同様の記入欄３０２に丸
印３０３を記入するにあたり、コンピュータ３００に対
してペン入力可能なボード３０１、ペン３０４を使用
し、コンピュータ３００で実行速度とエラー率を制御し
ながらタスクを実行することもできる。この場合、タス
クおよびレストの時間、達成度管理が容易になって、タ
スクをより効果的に与えることができる。また、コンピ
ュータで実行速度とエラー率とを制御しながら、被験者
に暗算などの作業を強制的に行なわせる方法でも可能で
ある。タスクは、被験者に精神的なストレスを与えられ
る内容であれば適用可能である。この際、被験者に諦め
の生じない範囲で強制的に行なわせる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のメンタル
ストレス判定装置によれば、被験者に一時的ストレスを
与えつつ、被験者の心拍相当データを採取して拍動間隔
を検出し、拍動間隔データのばらつきの程度を交感副交
感神経活動度として求め、その変化に着目することによ
ってメンタルストレスを判定するものとしたから、従来
主観評価でのみしか評価し得なかった定常的なメンタル
ストレスに対し、生理学的な背景に基づいた精度の高い
客観的判定ができる。そして、欠陥データ除去手段を設
けて、拍動間隔に一時的異常があるときその異常の拍動
間隔データは処理対象から除去するようにしたので、不
整脈などがあっても影響を受けず、判定の高精度が確保
されるという効果を有する。

【００６０】そして、被験者にタスクを与えるにあた
り、タイマにより、被験者に一定時間のタスクとレスト
とを交互に行なうように、時間の提示を行なうことによ
り、被験者に対して簡易なタスクを与えることができ、
心拍相当データが簡単に採取できる。

【００６１】また、拍動間隔データから正規化分散およ
び平均心拍数を算出してその２次元分布エリアを求める
ことにより、その各分布エリアの重なりがあるときはメ
ンタルストレスがあり、面積の重なりがないときはメン
タルストレスがないことが判定できるため、客観的な判
定が容易である。また、前回測定と今回測定におけるタ
スク状態およびレスト状態の分布エリアの各面積の重心
間距離の経時変化を求めることにより、メンタルストレ
スの変化状況を知ることができ、判定精度の向上を図る
ことができる。また、メンタルストレスの判定は、拍動
間隔データを周波数解析して副交感神経活動度を算出す
ることによっても、客観的に判定することができる。

【００６２】さらに、脳波の周波数を解析し、とくにレ
スト時間帯から切り出した脳波データの周波数パワーを
算出、加算して求めた被験者のリラクセーション度を参
照して、交感副交感神経活動度に基づくメンタルストレ
スをさらに細分判定することにより、一層詳細な判定が
行なわれるから、きめ細かい対処が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示すブロック図
である。

【図２】第１の実施例の使用状態を示す図である。

【図３】第１の実施例におけるタスクの提示タイミング
を示す図である。

【図４】第１の実施例における心拍の測定原理を説明す
る図である。

【図５】第１の実施例におけるメンタルストレスの判定
要領を説明する図である。

【図６】第１の実施例におけるタスク／レスト提示から
交感副交感神経活動度算出にわたる基本作動の流れを示
すフローチャートである。

【図７】第１の実施例におけるタスク／レスト提示から
交感副交感神経活動度算出にわたる基本作動の流れを示
すフローチャートである。

【図８】第１の実施例におけるタスクを説明する図であ
る。

【図９】第１の実施例における脳波の周波数成分解析の
流れを示すフローチャートである。

【図１０】脳波パワースペクトルの周波数帯毎の加算要
領を示す説明図である。

【図１１】第１の実施例におけるメンタルストレスの判
定原理を説明する図である。

【図１２】メンタルストレスの有無による拍動間隔の正
規化分散と平均心拍数の２次元分布の変化を説明する図
である。

【図１３】メンタルストレスの有無による拍動間隔の正
規化分散と平均心拍数の２次元分布の変化を説明する図
である。

【図１４】前回データのない場合の判定アルゴリズムを
示すフローチャートである。

【図１５】交感副交感神経活動度に基づくメンタルスト
レスの判定例を示す図である。

【図１６】タスク時とレスト時の脳波の周波数パワース
ペクトルを示す図である。

【図１７】前回データのある場合の判定アルゴリズムを
示すフローチャートである。

【図１８】第２の実施例におけるメンタルストレスの判
定原理を説明する図である。

【図１９】第２の実施例におけるメンタルストレスの判
定要領を説明する図である。

【図２０】他のタスク例を示す図である。

【図２１】従来のストレスレベル測定装置の構成を示す
ブロック図である。

【図２２】従来のストレスレベル測定装置の測定原理を
説明する図である。

【図２３】心電図波形における拍動間隔を示す図であ
る。

【図２４】異常状態を含む心電図波形例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０メンタルストレス判定装置１１タスク／レスト提示器１２交感副交感神経活動度算出装置１３周波数解析装置１４メンタルストレス判定回路２１心拍相当データ採取装置２２ＲＲＩ検出回路２３欠陥データ除去回路２４交感副交感神経活動度算出回路３１脳波データ採取装置３２周波数成分解析回路３３リラクセーション算出回路１０６用紙１０７Ａ罫線３００コンピュータ３０１ボード３０２記入欄３０４ペン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平８−280637（ＪＰ，Ａ) 特開平７−313494（ＪＰ，Ａ) 特開平７−231880（ＪＰ，Ａ) 特開平６−70898（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 5/16 A61B 5/02 - 5/0245

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被験者に一時的ストレスを与えるタスク
を提示するタスク提示手段と、被験者の心拍相当データを採取する心拍相当データ採取
手段と、該心拍相当データ採取手段により採取した心拍相当デー
タに基づいて、拍動間隔を検出する拍動間隔検出手段
と、該拍動間隔検出手段により検出した拍動間隔データのば
らつきの程度を算出し、算出したばらつきの程度を交感
副交感神経活動度とする交感副交感神経活動度算出手段
と、拍動の一時的異常を検出し、当該異常の拍動間隔データ
を前記交感副交感神経活動度算出手段の処理対象から除
去する欠陥データ除去手段と、複数の異なる時間で採取した拍動間隔データを用いて前
記交感副交感神経活動度算出手段により算出した交感副
交感神経活動度に基づいて、前記タスク遂行に伴う被験
者の反応の変化からメンタルストレスを判定するメンタ
ルストレス判定手段とを有することを特徴とするメンタ
ルストレス判定装置。
【請求項２】前記タスク提示手段は、タイマを備え、
被験者に一定時間のタスクとレストとを交互に行なうよ
うに、タイマにより時間を提示することを特徴とする請
求項１記載のメンタルストレス判定装置。
【請求項３】前記交感副交感神経活動度算出手段は、
前記拍動間隔検出手段により検出された拍動間隔データ
の正規化分散、および拍動間隔データに基づく単位時間
当たりの平均心拍数を算出し、該正規化分散および平均
心拍数をそれぞれ２次元平面上におけるタスク状態の分
布エリアおよびレスト状態の分布エリアとして求め、前記メンタルストレス判定手段は、前記タスク状態の分
布エリアとレスト状態の分布エリアとの面積の重なり率
に基づいて、メンタルストレスを判定することを特徴と
する請求項１または２記載のメンタルストレス判定装
置。
【請求項４】前記交感副交感神経活動度算出手段は、
前記拍動間隔検出手段により検出された拍動間隔データ
の正規化分散、および拍動間隔データに基づく単位時間
当たりの平均心拍数を算出し、該正規化分散および平均
心拍数をそれぞれ２次元平面上におけるタスク状態の分
布エリアおよびレスト状態の分布エリアとして求め、前記メンタルストレス判定手段は、前回測定および今回
測定における前記タスク状態を表わす分布エリア面積の
重心とレスト状態を表わす分布エリア面積の重心との間
の距離の経時変化からメンタルストレスの変化を判定す
ることを特徴とする請求項１または２記載のメンタルス
トレス判定装置。
【請求項５】前記交感副交感神経活動度算出手段は、
前記拍動間隔検出手段により検出された拍動間隔データ
を周波数解析することにより、副交感神経活動度を算出
することを特徴とする請求項１または２記載のメンタル
ストレス判定装置。
【請求項６】被験者の脳波の周波数解析手段を備え、前記メンタルストレス判定手段は、請求項３、４または
５のいずれかにおける交感副交感神経活動度算出手段で
算出した交感副交感神経活動度に基づくメンタルストレ
スを、前記周波数解析手段の解析結果を参照してさらに
細分判定するものであることを特徴とするメンタルスト
レス判定装置。
【請求項７】前記周波数解析手段は、脳波データを採取する脳波データ採取手段と、各レスト
時間帯から切り出した脳波データの周波数パワーを算出
する周波数成分算出回路と、周波数成分ごとに前記パワーを加算して被験者のリラク
セーション度を求めるリラクセーション算出回路とから
なるものであることを特徴とする請求項６記載のメンタ
ルストレス判定装置。