(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
人体の頭部に貼り付ける複数の電極と、これら複数の電極から入力された信号を前処理する信号入力・前処理部と、前処理された信号を処理すると共に脳波、左右の眼電図、筋電図として表示させるための処理部とを備え、睡眠状態を判定する睡眠状態判定装置であって、
前記信号入力・前処理部は、第一、第二チャンネルの2系統よりなり、各チャンネルは一対の電極とフィルタとを少なくとも有し、
第一チャンネルの一対の電極は各々が眼球の近傍及び当該眼球とは左右逆の耳またはその近傍に貼り付けられるものであり、
第二チャンネルの一対の電極は各々が他方の眼球の近傍及び当該眼球とは左右逆の顎部に貼り付けられるものであり、
第一チャンネルの信号入力・前処理部は、第一眼電図と、少なくとも0.5Hz未満の信号をカットするフィルターを掛けることにより得られる脳波とを分岐出力し、
第二チャンネルの信号入力・前処理部は、第二眼電図と、少なくとも10Hz未満の信号をカットするフィルターを掛けることにより得られる筋電図とを分岐出力し、
前記脳波、第一、第二眼電図及び筋電図を各時刻ごとに比較可能に対照表示させる睡眠状態判定装置。
前記第一、第二眼電図は、第一、第二チャンネルの信号入力・前処理部において遮断周波数が3Hz以上15Hz以下であるローパスフィルタを掛けることにより得られるものである請求項1記載の睡眠状態判定装置。
前記第一、第二眼電図は、第一、第二チャンネルの信号入力・前処理部において移動平均法によるデジタルフィルタを掛けることにより得られるものである請求項1記載の睡眠状態判定装置。
前記第一チャンネルの信号入力・前処理部は、少なくとも0.75Hz未満の信号をカットするフィルタを備え、このフィルタを掛けることにより前記脳波を出力する請求項1又は2記載の睡眠状態判定装置。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、電極の数を従来よりも減らしながら、一対の眼電図、脳波、筋電図をモニタすることの可能な睡眠状態判定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するため、本発明に係る睡眠状態判定装置の特徴は、人体の頭部に貼り付ける複数の電極と、これら複数の電極から入力された信号を前処理する信号入力・前処理部と、前処理された信号を処理すると共に脳波、左右の眼電図、筋電図として表示させるための処理部とを備え、睡眠状態を判定する構成において、前記信号入力・前処理部は、第一、第二チャンネルの2系統よりなり、各チャンネルは一対の電極とフィルタとを少なくとも有し、第一チャンネルの一対の電極は各々が眼球の近傍及び当該眼球とは左右逆の耳またはその近傍に貼り付けられるものであり、第二チャンネルの一対の電極は各々が他方の眼球の近傍及び当該眼球とは左右逆の顎部に貼り付けられるものであり、第一チャンネルの信号入力・前処理部は、第一眼電図と、少なくとも0.5Hz未満の信号をカットするフィルターを掛けることにより得られる脳波とを分岐出力し、第二チャンネルの信号入力・前処理部は、第二眼電図と、少なくとも10Hz未満の信号をカットするフィルターを掛けることにより得られる筋電図とを分岐出力し、前記脳波、第一、第二眼電図及び筋電図を各時刻ごとに比較可能に対照表示させることにある。
【0008】
同構成によれば、第一、第二チャンネルにおいて、電極の数は合計4である。低周波成分の多い眼電図をそれぞれ第一、第二チャンネルに割り付け、これより高周波である脳波及び筋電図をそれぞれフィルターで低周波成分をカットし、第一、第二チャンネルに割り付けたので、これら脳波及び筋電図と、眼電図とが競合せずに分離可能となった。しかも、前記脳波、第一、第二眼電図及び筋電図を各時刻ごとに比較可能にモニタへ対照表示させることにより、対称的に動作することもある眼電図が比較表示でき、識別性を向上させることができる。
【0009】
上記構成において、前記第一、第二眼電図は、第一、第二チャンネルの信号入力・前処理部において遮断周波数が3Hz以上15Hz以下であるローパスフィルタを掛けることにより得られるものと設定してもよい。ローパスフィルタを掛けることで、ノイズが混入しても、眼電図の判読が容易となる。同様の理由により、前記第一、第二眼電図は、第一、第二チャンネルの信号入力・前処理部において移動平均法によるデジタルフィルタを掛けることにより得られるものとしてもよい。
【0010】
また、前記第一チャンネルの信号入力・前処理部は、少なくとも0.75Hz未満の信号をカットするフィルタを備え、このフィルタを掛けることにより前記脳波を出力してもよい。
【発明の効果】
【0014】
上記本発明に係る睡眠状態判定装置の上記特徴によれば、同構成によれば、第一、第二チャンネルにおいて、電極の数は合計4と従来よりも大幅に減少した。にも拘わらず、従来と同様必要な信号をモニタでき、簡便に睡眠状態の判定準備を行うことが可能となった。
【0015】
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【
図1】本発明にかかる睡眠状態判定装置の入力端末と人体の頭部との関係を示す図であり、(a)は人体の正面図、(b)は人体の側面図にそれぞれ対応するものである。
【
図2】本発明にかかる睡眠状態判定装置の構成を示すブロック図である。
【
図4】ローパスフィルタと用いPCのモニタに映し出されるグラフであり、遮断周波数10Hzのローパスフィルタを用いた例である。
【
図5】移動平均法を用いてPCのモニタに映し出されるグラフであり、(a)は覚醒時、(b)はレム睡眠時である。
【
図6】眼電が含まれている状態で、眼電図から脳波を抽出(分岐・分離)するフィルタの効果を示す筋電図(EEG_1上段)と第一眼電図(EOG_1下段)との対比図であって、(a)は0.75Hz以上30Hz以下のバンドパスフィルタ、(b)は0.5Hz以上50Hz以下のバンドパスフィルタ、(c)は0.25Hz以上50Hz以下のバンドパスフィルタ、(d)はフィルタ無しの状態をそれぞれ示す図である。
【
図7】眼電が含まれていない状態で、眼電図から脳波を抽出(分岐・分離)するフィルタの効果を示す筋電図(EEG_1上段)と第一眼電図(EOG_1下段)との対比図であって、(a)は0.75Hz以上30Hz以下のバンドパスフィルタ、(b)は0.5Hz以上50Hz以下のバンドパスフィルタ、(c)は0.25Hz以上50Hz以下のバンドパスフィルタ、(d)はフィルタ無しの状態をそれぞれ示す図である。
【
図8】筋電が含まれている状態で、眼電図から筋電図を抽出(分岐・分離)するフィルタの効果を示す第二眼電図(EOG_2上段)と筋電図(EMG_2下段)との対比図であって、(a)は10Hzのハイパスフィルタ、(b)は5Hzのハイパスフィルタ、(c)は3Hzのハイパスフィルタ、(d)はフィルタ無しの状態をそれぞれ示す図である。
【
図9】筋電が含まれていない状態で、眼電図から筋電図を抽出(分岐・分離)するフィルタの効果を示す眼電図(上段)と筋電図(下段)との対比図であって、(a)は10Hzのハイパスフィルタ、(b)は5Hzのハイパスフィルタ、(c)は3Hzのハイパスフィルタ、(d)はフィルタ無しの状態をそれぞれ示す図である。
【
図10】ノイズが含まれていない状態で、第一眼電図(EOG_1 上段)、第二眼電図(EOG_2 下段)を対照表示する際のフィルタの効果を示す対比図であって、(a)は3Hzのローパスフィルタ、(b)は51点の移動平均、(c)はフィルタ無しの状態をそれぞれ示す図である。
【
図11】ノイズが含まれている状態で、第一眼電図(EOG_1 上段)、第二眼電図(EOG_2 下段)を対照表示する際のフィルタの効果を示す対比図であって、(a)は3Hzのローパスフィルタ、(b)は125点の移動平均、(c)はフィルタ無しの状態をそれぞれ示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
では、
図1〜4を適宜参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明に係る睡眠状態判定装置1は、
図2に示すように、2チャンネルに構成された第一、第二電極4,5と、信号入力・前処理部3と、受信端末6及びPC100を有する処理部7とを備えている。
【0018】
図1,2 に示すように、信号入力・前処理部3では、各チャンネルに対応するように、それぞれの要素31a〜33a、31b〜33bが,二系統儲けられている。また、各チャンネルにおいて、
図3に示すフィルタを掛けることにより、二系統に分離され、2×2=4系統の信号が、
図4のグラフに各時刻毎に比較可能に対照表示されている。
【0019】
電極は、脳波や心電図の入力用に用いられる一般的なものを使用することができる。例えば、保湿されたゲルが人体への接触面に設けられるようなものを用いても良い。各チャンネルにはそれぞれ2個の電極4ab,5abが用いられ、それぞれの電極がケーブル4c、4c、5c、5cにより接続されている。第一、第二電極4,5と信号入力・前処理部3により入力端末2が構成される。
【0020】
各チャンネルでの入力信号は、第一、第二入力アンプ31a、31bにより増幅され、CPU34により適宜制御される第一、第二アナログフィルタ32a,32b、第一、第二デジタルフィルタ33a,33bが適宜掛けられ、出力される。これらフィルタ32a,b,33a,bは適宜、ローパスフィルタ(LPF),ハイパスフィルタ(HPF),またはバンドパスフィルタ(BPF)として分岐させて出力させることが可能であると共に、デジタルフィルタ33a,33bは後述する移動平均法を用いることで、実質的にローパスフィルタとして利用させることも可能である。
【0021】
各チャンネルの4系統の信号は、無線送信装置35を通じて受信端末6の無線受信装置61に受信される。そして、CPU62に制御されて、メモリーカード63に蓄積される他、データバス64を通じてPC100に伝達される。この記録において、RTCユニットによる時間も同時に記録され、時間毎に対比が可能となっている。PC100には図示しないモニタやプリンタが接続され、
図4のごときグラフが適宜表示され、これにより睡眠状態が判定される。なお、この判定は、PC100を動作させてリアルタイムに行うことも可能であるが、この100内やメモリカード63に記憶させたデータを後に再生して判定することも可能である。
【0022】
図1に示すように、第一チャンネルにおける第一電極4は、第一上電極4aが眼球の近傍に、第一下電極4bが当該眼球とは左右逆の耳またはその近傍に貼り付けられる。
図1の例では、第一上電極4aは右目の上に、第一下電極4bは左耳の後ろ側に貼付されている。第一上電極4aは、目の上であるから、脳波を拾いやすく、また、目の近傍であるから、眼電図を拾いやすい位置である。
【0023】
一方、第二チャンネルにおける一対の第二電極5は、第二上電極5aが、他方の眼球の近傍に、第二下電極5bが当該眼球とは左右逆の顎部に貼り付けられる。
図1の例では、第二上電極5aは左目の下側に貼付され、第二下電極5bは右側の口の下に貼付される。第二上電極5aは目の近傍であるので眼電図を拾いやすいが目の下で脳から離れるので脳波を拾いにくい。一方、第二下電極は口の近傍であるから、脳波は拾いにくく、筋電を拾いやすい位置である。
【0024】
第一、第二電極4,5は、それぞれにおいて、斜めに配置され左右上下異なる位置となるように貼付される。これにより、各電極4,5が頭部を横切る距離が長くなり目的に叶う信号を拾いやすくなる。
【0025】
第一チャンネルの信号入力・前処理部3は、
図3,4に示すように、第一電極4から得た入力信号にローパスフィルター(LPF)を掛けることにより得られる第一眼電
図EOG_1と、当該ローパスフィルターを掛けないことにより得られる脳波EEG_1とを出力する。脳波はフィルターをかけなくてもおおむね判別できるが、眼電図は低周波成分が多く、これよりも高い周波数を有する脳波から分離するには、ローパスフィルタを掛ける必要がある。ローパスフィルターの遮断周波数としては、5Hz以上で15Hz以下が望ましいことが、発明者らの実験により明かとなった。
【0026】
脳波は一部眼電図の周波数と重なる部分もあるが、0.75Hz未満の帯域は不要であることが判明した。したがって、さらに望ましくは、少なくとも0.75Hz未満をカットするハイパスフィルタを第一チャンネルに設けて脳波を検出している。より望ましくは、0.75〜30Hzを通過させるバンドパスフィルタを掛けることにより、脳波を分離することが望ましい。
【0027】
第二チャンネルにおける筋電図も、眼電図よりは高周波であり、少なくとも10Hz未満はHPFでカットすることが望ましい。一方、第二眼電
図EOG_2は、先の第一眼電
図EOG_1と同様のローパスフィルタを掛けることで分離している。この例では、10−40Hzを通過させるバンドパスフィルタを掛けることで、筋電
図EMG_2を分理している。
【0028】
これらの脳波、第一、第二眼電図及び筋電図を各時刻ごとに比較可能にモニタへ対照表示させる。レム睡眠時においては急速眼球運動が発生し、第一、第二眼電図は、対称的に動作する。したがって、レム睡眠時における第一、第二眼電図の対称性を確認することで、信号の分離程度を確認することができる。
【0029】
次に、上記ローパスフィルタの一種としての移動平均法(重み付け移動平均方)の適用について説明する。重み付け移動平均法として2次・3次多項式適合法を採用することができる。多項式適合法とは、測定波形が各サンプル点の近傍で多項式曲線で表現できると仮定して、この近傍内で最小2乗誤差規範に基づき測定波形と多項式曲線を適合させる方法である。“多項式による曲線のあてはめ”を基本として数学的に直接計算して重み係数を求める。2m+1点による2次・3次多項式適合に対応した各係数W23(j)は次式(1)で与えられる。
【0031】
なお、各係数には次の式(2)の関係が成立する。
【0033】
またW23(j)はjに関する次式(3)のように2次式となっている事がわかる(一般に適合多項式の次数に一致する)。
【0035】
点iを中心とした2m+1点の間の各点jにおいて、信号波形y(j)が2次式で表されると仮定する。この時実際の測定値X(j)との2乗誤差が最小となる2次式の係数a,b,cが最小2乗法により計算できる。このとき、中心点iでの2次式適合値y(i)はcとなる。従って、点iにおける平滑値y(i)は、この点を中心とした2m+1個の測定値x(j)と、重み係数の値W(j)(ただし、j=-m,...,-1,0,1,...,m)を用いて次式(4)で表現される。
【0037】
上述のごとき処理を入力信号に対して行うので、平滑化微分点数2m+1が増えれば、信号は前後の影響を受けてより平滑化されることになる。したがって、平滑化により高周波成分が実質的に除去され、ローパスフィルタの一種として作用することとなる。例えば、サンプリング周波数128Hzで、平滑化微分点数31〜61点で良好なフィルタリング結果が得られている。
【0038】
図5は51点移動平均法、チャンネル1に0.75〜30HzのBPF,チャンネル2に10〜40HzのBPFを用いた結果である。
図5(a)の覚醒状態では、左右非対称の眼電
図EOG_1,2が現れ、筋電
図EMG_2の振幅は高い。これに対し、
図5(b)のレム睡眠では、左右対称の眼電
図EOG_1,2が現れ、筋電
図EMG_2の振幅は低く、各チャンネルの信号が分離されて特徴を良く表現していることがわかる。
【0039】
ここで、第一チャンネルにおける、バンドパスフィルタの遮断周波数について、
図6,7を参照しつつ比較する。
図6は、眼電が含まれている状態で、眼電図から脳波を抽出(分岐・分離)するフィルタの効果を示す筋電図(EEG_1上段)と第一眼電図(EOG_1下段)との対比図である。
図7は、眼電が含まれていない状態での同趣旨の図である。
図6、7において、(a)は0.75Hz以上30Hz以下のバンドパスフィルタ、(b)は0.5Hz以上50Hz以下のバンドパスフィルタ、(c)は0.25Hz以上50Hz以下のバンドパスフィルタ、(d)はフィルタ無しの状態をそれぞれ示す図である。主として、ローカットの部分が作用して、眼電の信号を除去し、より高周波の脳波の信号を分離している。
【0040】
図6(c)、(d)では眼電に脳波が影響されて脳波の判読が困難であるが、
図6(a),(b)では脳波の判読が容易である旨が理解される。一方、眼電が含まれていない
図7(b)−(d)では、なんとか脳波の判読が可能であり、
図7(a)では脳波の判読が良好に行える。以上より、脳波の判読には、0.5Hz未満の信号をカットすることが必要で、さらには、0.75Hz〜30Hzのバンドパスフィルタを用いることが望ましいことがわかる。
【0041】
次に、第二チャンネルにおける、バンドパスフィルタの遮断周波数について、
図8,9を参照しつつ比較する。
図8は、筋電が含まれている状態で、眼電図から筋電図を抽出(分岐・分離)するフィルタの効果を示す第二眼電図(EOG_2上段)と筋電図(EMG_2下段)との対比図である。一方、
図9は、筋電が含まれていない状態での
図8と同趣旨の図である。
図8,9において、(a)は10Hzのハイパスフィルタ、(b)は5Hzのハイパスフィルタ、(c)は3Hzのハイパスフィルタ、(d)はフィルタ無しの状態をそれぞれ示す図である。ローカットの部分が作用して、眼電の信号を除去し、より高周波の筋電の信号を分離している。
【0042】
筋電ありの
図8の(c)、(d)では筋電が眼電に影響されているが、
図8(a)(b)では、筋電が眼電の影響を受けずに判読が可能である。一方、筋電なしの
図9(b)−(d)では、筋電が無いのに眼電の影響を受けてあたかも存在するかのような挙動を見せているが、
図9(a)では、筋電が無いという状況が判読可能である。したがって、眼電から筋電を分離するには、10Hz未満をカットするハイパスフィルタを利用することが適切であることがわかる。
【0043】
次に、
図10,11図を参照しながら、眼電図のフィルタについて説明する。
図10は、ノイズが含まれていない状態で、第一眼電図(EOG_1 上段)、第二眼電図(EOG_2 下段)を対照表示する際のフィルタの効果を示す対比図である。一方、
図11は、高周波ノイズが含まれている状態での
図10と同趣旨の図である。
図10(a)は3Hzのローパスフィルタ、(b)は51点の移動平均(サンプリング周波数128Hz)、(c)はフィルタ無しの状態をそれぞれ示す図である。一方、
図11(a)は3Hzのローパスフィルタ、(b)は125点の移動平均(サンプリング周波数128Hz)、(c)はフィルタ無しの状態をそれぞれ示す図である。
【0044】
ノイズが含まれていない
図10では、(a)−(c)いずれも第一、第二眼電図が略対称的に表示されている。したがって、ノイズが含まれていなければ、眼電図は対称的に対比して表示すれば、筋電や脳波に影響されることなく、判読が可能であることがうかがえる。一方、高周波ノイズが含まれている環境では、
図11(c)のようにフィルタがなければ判読が不能であるが、(a)の3Hz以下を通すローパスフィルタまたは(b)の移動平均法によれば、判読が可能である旨がうかがえる。
【0045】
最後に、本発明の他の実施形態の可能性について言及する。上述の実施形態と同様の要素、方法については省略する。
【0046】
上記実施形態では、各フィルタを通してから、メモリカード63等のメモリ装置にデータを記録するか、PC100で処理を行った。しかし、これらのメモリ装置やPC100に各チャンネルの信号を記録し、その後、PC100で上記信号入力・前処理部3の構成要素を利用して、フィルタリングや信号の分離を行ってもよい。
【0047】
電極4,5の貼付位置は、左右、上下等、本発明の趣旨に沿うように適宜変更が可能である。