基
礎 論 文
JVRSJ
Vo1.
1No.
1,
1996 ヘッ
ド
マ
ウ
ン
テ
ッ
ド
デ
ィ
ス
プ
レ
イ
に
よ る バ
ー
チ
ャ
ル
リ
ア
リ
テ
ィ
に お け る 心
拍 変 動
の
非 線 形 解 析
山家 智 之
’
1 、吉澤誠
゜
2
、南 家
俊
介
“
1
、小 林 信
一1
、高
安 秀
樹
゜
3
、高 安美
佐
子
’
3
、田
中明
’
2・
阿
部健
一2
、杉
山
由
樹
4
、岩 瀬敏
4
、間 野忠 明
゜
4
、仁
田
新
一 1 、Nonlinear mathematical 日naiysis of the
heart
rate variabi 且ity during virtua 且realityimmersion
with
head
mounteddisplay
To
皿 oyukiYambc
零1.
Makoto
Yoshizawa 累2,
Shu
皿一
sukeNanka
*1,
Shin−ichi
Kobayashi
塞L,
Hideki
Takayasu 零3,
MisakoTakayasu事3
、
Akira
Ta
凹ka
塞2,
Ken −ichi
Abe准2,
YQshiki Sugiyama 零4,
Satoshi
lwase
率4,
Tadaaki
Mano
*4,
andShin−ichi
N itta
=
1Abs廿act
−
In order to evaluatc thc autonomic nervous systemduring
yirtUal reality (VR
)immersion,
heart rate variability (
HRV
)was evaluatedin
the
血 eehea1
血y
volunteers,
HRV
and arterial bloodpressurc
withFinapress
were recorded during VR with head mounted display and during watchingconven 口onal
Felevision
.
LF〆HF rado iロ thepower
spectn ユm of HRV were significantlyincreased
during
」>R
wi【
h
jet
coaster video software,
compared with conventional television,
Fractal
dimension
ofthe
HRV
was significantlydecreased
during
VR withjet coaster yidOo software.
These
results suggcst
that
autono 皿ic
nervous syste 皿 maybe
significandyinfluenced
by
the
VR
withso【ne
kmd
of softwares,
Key
words :Virtual reality.
Head
mounteddisplay
,
Heart
rate variability,
Chaos,
Fractal
dimension
1,
は じめ に マ ル チ メディ ア に お ける代 表 的 な 新 技術 と し てバー
チャ ルリアリテ ィが あげら れてお り、
コ ン ピュ.
一
タ技術関係のみ な らず、
産業 関 係 、 教 育 関係、
さ らに医 療の分 野 に も多
くの応用 が試 み ら れ、
脚 光 を浴びて い る。 バー
チ ャ ル リア リ ティ の技 術 は 次 世代の 画期的 なヒ ュー
マ ン イン ター
フェー
スの一
環と して注 目さ れてい る が、
こ の知覚
刺激 はこれまで人類が経 験した もの で 1東 北大 学加 齢 医 学 研 究 所 病 態 計測 制 御、
2同 大学 院工学 研 究 科、
3同大学院情 報 科学研究科 4名 古屋大学 環境医学研究所自 律神 経 行 動科 学’
IDcputnent of Mcdical Engincering and Cardiology,
Institute ofDcvelopmeat
.
Aging and Canccr、
Tohoku Uniycrsity,
°
2Graduate School Qf Engineering,
Tohoku unjversity.
■
3Graduatc SGhool of Information Sciences,
Toho University,
’
4rhe Rescarch Institutc ofEivirenmcntal Mcdicinc,
Nagoya Univcrsityない ものなの で
、
その 生体
へ の 影 響を厳 密に検 証 する必 要がある ことは 自明である。
ア ミュー
ズメ ン ト関係に おい てはテレ ビ ゲー
ム に熱 中し た子供たちの健 康 問題 が 注 目 を 集 め つ つ あ り【1・
31、 特にフ ァ ミリー
コ ン ピュー
タに夢 中 に なった 子 供 たちにおける、
い わ ゆ るフ ァ ミ コ ン癲 癇の 問tw
等 121 、 ブ ラ ウン 管の 点滅 等が脳 神 経 系に与 える影 響が注目 され てい る。 よ り精 緻な人工現 実 感 を もた らすもの であればある ほ ど、
その生体に与 える影 響を 厳 密に検 証する必 要がある こと は自明であるもの と考えら れ る。しか しなが らか か る観 点か ら人 工現 実 感に ア プロ
ー
チ した 報 告は ま だ極
めて少ない 。J
’
medlifle 等にて医学系
論 文を検 索して もバー
チャ ル リ ア リテ ィ に関係 する論 文は現 在で も40
前 後にす ぎ ず、
その ほ とん どはコ ンピュー
タ外 科 関係のも の で あ り、
生体へ の 影 響を 検討した論 文は 比較 的少ない の が現 状である14・
51。 本 研 究で は か か る 点 を鑑み、
様々 な ソ フ トウエ ア に よ る人工現 実 感が 自律 神経機 能に与え る影 響につ い て、
心拍山 冢 他 ;HMD に おけ る心 拍変 動の非 線 形 解 析 変 動 等の循 環 動 態の ゆ らぎの観 点か ら解 析を試 み た【61。 心拍 変 動な どの循 環 動 態に おい て は
、0、
04 .
0,
15Hz の低周 波領域、
及び呼吸性の周 波 数 成 分 領 域に、
周 期 性の ゆ ら ぎ 成分が 認 め ら れ ること が知ら れてい るP.
8]。
自律 神 経 遮 断薬 等によ る検 討に より、 これ らの ゆ らぎ成 分は主 と して交 感 神 経 系 及び副 交感 神 経 等に依存
してい ること が 知ら れてい るt7・
101。 特に低 周 波 領域の ピー
クが交
感 神 経 機 能及び 副 交 感 神 経 機 能、
高周 波 ピー
ク は 副交 感 神経の 機 能に依存 すると言われ てお り、 か かる観点か ら副 交感 神 経 系の影響を 除 し て 交 感 神 経 機 能を純 粋に判 断 する た めに、
二 つの ス ペ ク トル の ピ
ー
ク比 (LowFrequency
peak !High Frequency peak ;
LFIHF
)等の指 標の有 効性 も検 討 されてい る 【9
・
101。更に近 年ではこれ らの ゆ ら ぎ 成分 に加 えて
、
全体 論 的な視 点か ら循 環 動 態が カ オス 的 な 動特 性 を 保持し てい る ことの機 能 的 有 効 性が 注 目 さ れてい る[11.
151。 特に心 拍 変 動の カ オス性の低下 し た症例 における突 然死 の報 告や1151、
時系
列 曲 線に フ ラ ク タル性の 認め られ る症例 におけるロ バ ス ト性の 問題【15・
161な ど多 くの検 討が 行 わ れて い る。
カ オ ス的な ダ イナ ミ ク ス は 再 構築さ れた その ア トラ ク ター
に フ ラ ク タ ル的 な 自 己相 似 性 の特 徴 を持つ ことが知 られ てお り[13・
161、
決定 論 的なカオス の存
在の指 標と して用い られ る と同 時に、
非線 形ダ イ ナ ミ クスの定量 化のた め の次 元 解析にも用い ら れ る116・
191。
そ こ で本 研 究で はゆ ら ぎの 解析に従 来 多 く用 い ら れ てい たスペ ク トル解析 と ともに
、
非 線形 数 学理論を 応 用 し て心拍 変 動の フ ラク タ ル次 元 解析 を試みた。2 .
対 象 と方法 バー
チャ ルリア リ ティによ る人工 現 実 感が 生 体の 自律 神 経 機 能に 与 える影 響を解 析 する た め に、
ヘ ッ ドマ ウ ン テ ッ ドディ ス プレイ を装 着 し た生 体にお ける心 拍変動及 び血 圧変 動を記 録 し た。 ヘ ッ ドマ ウン テ ッ ドディ スプレ イ はソニー
のバ イザー
トロ ンであ る。 特に既 往 症 を持た な い 20・
24 才の健
常成人男 子3
例 を対 象に、
通 常 の テ レビ と、
ヘ ッ ドマ ウ ンテ ッ ドディ スブレイに よ る人 工現 実 感 を、
交 互に視 聴さ せ、
比較 検 討 を行っ た。
ソ フ ト ウエ ア と しては環 境ビデ オ、
音 楽ビデ オ、
更にジェ ッ トコー
スター
のよう
な 恐 怖 感 を あお るソ フ ト ウエ アを選 択 し 、 同一
の ソ フトを 同一
の対 象におい て視聴させ た。実験 システム を 図
1
に提示 す る。
安 楽 椅 子を 用い た座 位におい て安 静な体 位を と り、
ヘ ッ ド マ ウ ンテッ ド しス プレ イによ る評 価 を行い、
ま た 対象の た めに1.
2m
離 れ た位置 に通 常の テレビ を置 き、
同一
の ソ フ ト ウエ ア における 循 環 動態 時 系 列 曲線を記 録した。 1.
2m{
1
1
∵
_一
一
\\ 櫛」
跳
鼠
ゴ head moun 〔ed display 図1
ヘ ッ ドマ ウン テ ッ ドディ スブ レ イ と、
通常のテ レビを用い た実験シス テムFig
.
l Schematic illustration of Ihe experimantal system with head mounted display and television生 体 時 系 列 信 号 と して心 拍及び 血 圧の変 動 を 選 択 し
、
通 常の心 電 図 及び、 指尖
脈 波 計フ ィナ プレ スによ る動 脈 圧の 時 系 列を 記 録 した。 得ら れ た血行 動 態 時系 列 曲線を、
A ・
D
コ ン バー
タを介 して パー
ソ ナルコ ン ピュー
タ に入 力 し、
定量化 や統 計 処 理 等と と もに、
拍 数 単位に変 換した時系
列 曲線の 周 波 数 解 析 を行い、
その ゆ ら ぎ成分 につ い て解析 を行っ た。各
拍 ごと に得ら れる時系列 信 号 をス プライン 補 間 した後、一
分 間隔の セ グメン ト毎 にパ ワー
スペ ク トル を求め、
交 感 神 経 機 能と副 交 感 神 経 機 能 につ い て検 討 するた めに、O .
IHz 前後の周 波 数成分と、
呼 吸 性周波 数領 域 の ゆ らぎ成 分の パ ワー
ス ペ ク ト ル密 度の ピー
ク値につ い て解 析を 行っ た。 交 感 神 経機能解析の た め、
低 周 波 領 域 の ゆ ら ぎと高 周波 領 域の ゆ らぎの比を求め 、 LF/HF 比に つ い て解析 を加 え、
周 期 性ゆ ら ぎ成 分の定量化を試み た。更に ゆら ぎ成分の全 体論 的 な解 析 を試み るた め に
、
心 拍 変 動の 時 系 列 曲線
の 拍数
単 位の リ ター
ンマ ッ プを 作 成 し、
再 構築
し たア トラ ク ター
を用い て ボッ クス カウン ティ ン グ法に よっ て フ ラクタル次元 を 求 め た。 こ こ で い うア トラ ク ター
は十 分 時間 が たっ た後に行 き着い た先の 軌道の集
合を指 す。図
2
に次元解 析の方 法論を提示 する。 まず
R
− R
間 隔か ら算 定 した心 拍 数の瞬 時値を x軸日本バ
ー
チャルリ ア リ ティ学 会論 文集 VoLl、
No.
1,
19969
ξ
、益 L
’
w「
’
fkJ 畢x
(
t)
Retu
厂n map ofthe
ti
〃le ∫ θノゼθ∫data
耋
口
DO μか’ε’08・
P’0’ (ゾbor−
‘oμ πf加9 ’08r含
Coμ π‘’1’8うoκ8∫ ぬd財d’η8
抛!α⇒
150LO
で芝
o 厂 50 図 2 リ ター
ン マ ッ プの ボ ッ クス カ ウ ンティ ング に よ るフラクタル次 元 解 析Fig
・
2 Box countingor the retum mapL8
πg
疏 (ヅ
厂and ・the nu 〃zわθrq ズ
boxes
に、
1
拍 前の心拍 数 をy
軸に と り、
2
次 元 平 面 に リ ター
ンマ ップをプロ ッ トする。 得 られた画 像か ら、
粗視 化の 度合い を変 えるボ ッ クス カウ ン テ ィ ング法を用い て フ ラ ク タル 次 元 を求め た。
す な わ ちリ ター
ン マ ップ を種々 の大きさ の ボ ッ クス にわけ、
画 像が含 まれ てい る ボッ ク ス 数をカウン トする (左 下 )。 こ のボ ックス の大 き さ を変化 させた 場合のカ ウ ン ト数の変 化 (右 下 ) を両 対 数 軸に プロ ッ トし、
回帰 直 線の傾 き か らフ ラ ク タ ル次 元を求めた。 統計学的 な解 析 は 亡検 定を 用い、P
〈0 .
05
にて有 意 と判 定し た。3
.
解 析 結果種 々 の ソ フ トウエ ア にお けるバ
ー
チャ ル リア リ ティを 視 聴 してい る状 態におい て、
い ずれの 症 例 におい ても心 拍 数や血圧 は 正常 範 囲に保 持 さ れてい た。 得 られた心拍変
動 時 系 列 曲線のス ペ ク トル解 析 結果 の安 静 時の コ ン トロー
ル デー
タ の1
例 を 図3
に 提 示する。従 来の報告にある ように
O
.
1Hz
前 後のMayer
wave変
動 成 分 及び、
呼 吸 性変動成
分の周 波 数 成 分が、
心 拍 変 動ス ペ ク トル に明 瞭に認め ら れて い た。 こ れ らの 時系
列 曲 線を用い、
スペ ク トル 解 析 法に よ りLF
/HF
の時系
列変 動を評 価 し た。
ジ ェ ッ トコ
ー
ス ター
ビ デオ の よう
な 恐怖 感を あお るソ フ トウエ ア にお ける 人 工 現実 感にある げ〃,Ml θこノミ
魯
N3
°°1
ミ 丶8
}
,
ミ
ミ
ミ
00
調
ト.
11}
縣
、
へNi
ん
O
,
3
〔
Hz
)
図3
心 拍 変 動スペ ク トル解 析の一
例Fig.
3 Sp
tral analysis ofheart
ra[e vadability心拍 変動の
LF
/HF
の時間 経 過の 1例 を、
通常 の テ レビ視聴にお け る 経 過 と 比較 して、
提 示 す る。 こ の症例のような 比較 的 過敏な 症 例に おい ては、 通 常のテレ ビ で は ジェ ッ トコー
ス ター
の ビデオ視 聴に おい て もLF
/HF
比は経時 的にあ まり大 きな変化 を示 さ ない が〔図4
)、
ヘ ッ ドマ ウン テ ッ ド ディス プレ イ を用い ると 恐怖 感を煽 るプロ グ ラムに おい ては、
ある時系
列上で 大 き な増大
を示 してい る のが観
察さ れ た。こ れ に対 して、 環 境 ソ フ トや音 楽 ビデ オ の よ うな 静 的なソ フ トウエ ア に お い て は 、 通 常のテ レビで もヘ ッ ドマ ウ ンテッ ドディス プレ イ で も 有 意の
LF
/HF
比の変 化を認めなかっ た。更にこ の よ
う
なゆらぎ成 分の変 化をシス テ ム 全体の動特 性に注 目 して全 体 論的に解析 するた山 冢他 :HMD におげる心拍 変 動の非線 形 解析
4 .
考 察 o、
、 電・
、 丶 、 噛 \ 丶2000
0
2000
00
televis ⊥onhead
moun 仁eddisp
!ay20
ti
〃ze(
mitl
丿
図4
テ レ ビ とヘ ッ ドマ ウ ン テ ッ ドデ ィ ス プレ イに よ る心拍 変 動のLF/HF 比Fig.
4
LFIHF
ratio ofHRV
withTV
&HMD
めに
、
リ ター
ンマ ッ プに埋 め 込んだ心 拍 変 動の時系
列 曲線の フラ ク タル次 元 を求め た。 その結 果、
ジェ ッ トコー
スター
の ソ フ トウエ ア におい て は通 常のテレ ビと比較して 、 図5
に示す よう
にフラ ク タル次 元の減 少 する傾 向が認め ら れ た (P
〈0,
05
)。21
.
81
.
61
.
412
∬0
,
8
ρく.
』
.
、
1F
[TV
VR
図5
テ レ ビ とヘ ッ ドマ ウ ン テ ッ ドデ ィ ス プレ イにおける 心拍変動
の フ ラ ク タル次元解析 Fig.
5
Fractal
dimension
ofHRV
wi 【h TV & HMD本 研 究で は
、
バー
チ ャ ル リアリテ ィ によ る 人 工現 実 感が生体
に 与 える影 響を評 価 する た め に、
心拍変
動 を 含 め た循環動 態 時 系 列 曲 線の周 波数解 析と、 非 線 形 解 析によ るゆら ぎの解 析を 行っ た。 その 結 果、 循 環 動 態 にお けるゆ ら ぎ が、 人工現 実 感の ソ フ トウエ ア に よっ て大 きな 影 響 を受 けて い る こ とが 判 明 した。 こ の 結 果 は、
循 環 動 態を支配する自律 神 経 機 能が、
バー
チ ャ ル リ ア リ ティ に よっ て影 響を受けてい る こ と を示 唆してい るものと考え ら れる。 生体の循 環 動 態の ゆ らぎ成 分が、
自律 神 経 支 配に よっ て制 御 さ れ てい る こ と は、
多 くの レ ポー
トに おい て報 告さ れ てい るV91
。 特に 心拍 変 動にお け るO .
1Hz
前 後の周期 性 変動 は、
Mayer
wave 変動 成分な ど と も言 わ れ、
薬 物に よ る 交 感 神 経 系の遮 断にお い て 消 失 す るこ と な ど か ら、
交感 神経系の支 配 の 影 響 が 強い こ とが 報 告 さ れ てお り、 ま た呼 吸性 不 整 脈の 周 波数 領域におけ るゆ らぎ成分は、
迷 走 神 経 系の 遮 断に よっ て 大 きく減 少 するこ と か ら、
副 交 感 神 経 系の支配 が 大 きな もの と し て報 告さ れ てい る [7・
101。
従っ て 交 感・
副 交感
神経 の バ ラン ス か ら考 えても、
本 研 究で解析 し たLF
/HF
比 は、
交感
神経系
の トー
ヌ スを示唆 してい る可能 性が 強い 。 すな わ ちジ ェ ッ トコー
ス ター
の よう な恐 怖 感を煽る ソ フ ト ウエ ア に よ るバー
チャ ル リアリ ティは、
交 感 神 経系
の緊 張度の増 大 を示 してい る可能 性が あるこ とが示 唆さ れ た。 ま た、 こ のLF
/HF
比 の増 大 す る ジ ェ ッ ト コー
スター
の人工 現 実 感にお い て は、
フ ラ ク タ ル 次元の減 少も示 唆 さ れ てい た。LF
/HF
の 増 大は、
心 拍 変 動に数 多 く含 ま れてい る多
くの周 波 数 成 分の 中、
低 い 周 期 性 成分の 増大と、
呼吸
性の 高い 周期性変動の 減 少 に 対 応 し、
従っ て心 拍変動の周 期 性 成 分 が 単一
化 し て、
リ ミッ トサ イクル ア トラク ター
に近く なる こと を示 唆 し て い る。
リミッ トサ イ ク ル ア トラ ク ター
は、
周 期 的に変 動 する時系列に認め ら れ る もの で、
カ オ ス の ス トレン ジア トラ ク ター
を 比較 する と低い フ ラ ク タル 次元を 示 す。
すな わち交 感 神 経の緊 張がLF
/HF
の増 大 を もた らし、LF
/HF
の 増 大は数 多い 周 期 性変 動 成文 の単一
化 を もた ら し、
結果 的に全体論 的 な 視点か らは フラ ク タル 次 元の減 少と なっ てい る 可能性が考 えら れた。生 体の時
系
列 曲 線の カ オス 的 ダ イ ナ ミ クスに つ い ては多 くの報 告があ り、 生体
の 恒 常性 を 維 持 する動 特 性と して脚 光を浴 びつ つ あるμ2・
21]。
すなわち 生 体は非 線 形 ダイ ナ ミ ク ス に よっ て外日本バ
ー
チャル リア リ アイ学会 論文 集 VoLl,
No 1、
且996 乱に追従 し、
ア ト ラ ク ター
の移 行に よっ て 能 動 的 な 自発 駐に至る カ オ ス的な遍 歴の可能性 の示 唆で あ る[13・
161。
か か る観 点か ら 本研 究の結 果 を 考察 する と、
バー
チャル リア リ ティ に よっ て循 環動 態の非 線 形ア トラク ター
のシフ トが起こる 可 能 性を示 唆 する点で 興 味 深い もの とも考 えら れ た。 こ れらの 自律 神 経 系の変動 を 従来の報 告にお ける ス トレ ス負荷や病的な状 態に お けるもの と 比較 検 討 する こ とによ り、
生体に とっ て安全 性 が高 く生 理学的に も理想的 なバー
チャ ルリア リ テ ィ の シ ステムが具 現 化 する可 能 性 もある もの と期待さ れ る。 謝 辞 本研 究に用い たヘ ッ ドマ ウ ン テ ッ ドデ ィスブレ イ に よる バー
チャル リア リテ ィ シ ス テ ム を貸 与 して くだ さっ たソニー
中央研 究 所、
小 山田浩 氏、
日下部正浩 氏 に感謝 する。
またボラ ンティア とし て実 験に協 力して くれた東北大 学工学 部 電 気工学 科、
阿 部 研 究 室の学生 諸君に感 謝する。 本 研 究の数 学的 な解 析 法の一
部は、
国 際 高等 研 究所に おける数理科 学ワー
クシ ョ ッ プ 「複 雑 系の秩 序と構 造」において討 論さ れ た。
また 本研 究 の結 果の一
部は、
文部省 重 点 領 域 研 究 「人工現実感」 研 究 成 果報 告 会に おい て発表 された。
本 研 究の研 究 費 の一
部は文 部 省 科 学研 究 費 重 点 領 域 研 究07244201 に よっ た。
〔1]121
131
141
15
] 【61参
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