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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

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(1)

礎 論 文

JVRSJ

 

Vo1.

1No

1

1996 ヘ

よ る バ

   

に お け る 心

拍 変 動

非 線 形 解 析

山家 智 之

1 、

吉澤誠

2

南 家

1

小 林 信

1

安 秀

3

高 安美

3

中明

2

部健

2

4

岩 瀬敏

4

間 野忠 明

4

一 1 、

Nonlinear  mathematical 日naiysis  of the 

heart

 rate  variabi 且ity during virtua 且reality  

immersion

with  

head

 mounted  

display

To

皿 oyuki  

Yambc

零1

Makoto

 Yoshizawa 累2

 

Shu

suke 

Nanka

*1

Shin−ichi

 

Kobayashi

塞L

Hideki

 Takayasu 零3

 Misako

Takayasu事3

Akira

 

Ta

ka

塞2

Ken −ichi

 Abe准2

 YQshiki Sugiyama 零4

 

Satoshi

 

lwase

率4

 

Tadaaki

 

Mano

*4

 and  

Shin−ichi

N itta

1

Abs廿act

In order  to evaluatc  thc autonomic  nervous  system  

during

 yirtUal reality

VR

immersion,

heart rate  variability (

HRV

)was  evaluated  

in

 

the

血 ee 

hea1

y

 volunteers

 

HRV

 and  arterial  blood

pressurc

 with 

Finapress

 were  recorded  during VR  with  head mounted  display and  during watching

conven 口onal 

Felevision

 LF〆HF rado  iロ the 

power

 spectn ユm  of HRV  were  significantly  

increased

during

R

 wi【

h

 

jet

 coaster  video  software

 compared  with  conventional  television

 

Fractal

dimension

 of 

the

 

HRV

 was  significantly  

decreased

 

during

 VR  withjet  coaster  yidOo  software

 

These

results  suggcst  

that

 autono 皿

ic

 nervous  syste 皿 may  

be

 significandy  

influenced

 

by

 

the

 

VR

 with

so【ne 

kmd

 of softwares

Key

 words :Virtual reality

Head

 mounted  

display

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

チャ ルリアリテ ィが あげら れてお り

コ ン ピュ

タ技術係のみ な ら

業 関 係 、 教 育 関

係、

さ らに医 療の分 野 に も

くの応用 が試 み ら れ

脚 光 を浴びて い る。 バ

チ ャ ル リア リ ティ の技 術 は 次 世代の 画期的 なヒ ュ

マ ン イン タ

フェ

スの

環と して注 目さ れい る が

こ の

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 of

Dcvelopmeat

 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 のなの で

その 生

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

ズメ ン ト関に おい てはテレ ビ ゲ

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 にフ ァ ミリ

コ ン ピュ

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

した 報 告は ま だ

J

medlifle 等にて医

学系

論 文を検 索して もバ

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

タ外 科 関係も 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

(2)

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

してい ること が 知ら れてい るt7

101。 特に低 周 波 領域の ピ

感 神 経 機 能及び 副 交 感 神 経 機 能

高周 波 ピ

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

ク比 (Low  

Frequency

 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

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

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

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 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

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

のバ イザ

トロ ンであ る。 特に既 往 症 を持た な い 20

24 才の

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

スタ

のよ

な 恐 怖 感 を あお るソ フ ト ウエ を選 択 し 、 同

ソ フトを 同

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

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

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

_

\\     櫛          

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

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

タを介 して パ

ソ ナルコ ン ピュ

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

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

スペ 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

ス ペ ク ト ル密 度の ピ

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

の 拍

単 位の リ タ

ンマ ッ プを 作 成 し

再 構

し たア トラ ク タ

を用い て ボッ クス カウン ティ ン グ法に よっ て フ ラクタル元 を 求 め た。 こ こ で い うア トラ ク タ

は十 分 時間 が たっ た後に行 き着い た先の 軌道の

合を指 す。

 

2

に次元解 析の方 法論を提示 する。 ま

R

− R

間 隔か ら算 定 した心 拍 数の瞬 時値を x軸

(3)

日本バ

チャルリ ア リ ティ学 会論 文集 VoLl

No

1

1996

9

ξ

 

     L

w   

   

fkJ 畢

x

t)

Retu

厂n map  of  

the

ti

〃le ∫ θノゼθ∫

data

      DO μか’ε’08

P’0’        (ゾ

bor−

‘oμ πf加9       ’08r

Coμ π‘’1’8うoκ8∫ ぬd財d’η

8

!α

150

LO

o 厂    50 図 2 リ タ

ン マ ッ 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  map

L8

π

g

疏 (

厂and ・the nu 〃zわθr 

q ズ

boxes

1

拍 前の心拍 数 を

y

軸に と り

2

次 元 平 面 に リ タ

ンマ ップをプロ ッ トする。 得 られた画 像か ら

粗視 化の 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 をめ た

す な わ ちリ タ

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

チャ ル リア リ ティを 視 聴 してい る状 態におい て

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

動 時 系 列 曲線のス ペ 解 析 結 安 静 時

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

動 成 分 及

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 瞭め ら れ い た。 こ れ らの 時

列 曲 線を用い

スペ ク トル 解 析 法に よ り

LF

HF

の時

列変 動を評 価 し た

 

ジ ェ トコ

ス タ

ビ デオ の よ

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

N

3

°°

1

ミ 丶

8

00

   

調

11

Ni

O

3

Hz

3 

心 拍 変 動スペ ク トル解 析の

Fig.

3 Sp

  tral analysis  of 

heart

 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

ス タ

の ビオ視 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

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

列上で 大 き な増

を示 してい る のが

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 ウ ン ドデ 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

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

(4)

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 ⊥on

head

 moun 仁ed

disp

!ay

20 

ti

〃ze

mitl

丿

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 of 

HRV

 with  

TV

HMD

めに

リ タ

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

スタ

の ソ フ トウエ ア にい て は通 常のテレ ビと比較して 、 図

5

に示す よ

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

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

 of 

HRV

 wi 【h TV & HMD

  本 研 究で は

チ ャ ル リアリテ ィ によ る 人 工現 実 感が生

に 与 える影 響を評 価 する た め に

心拍

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

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

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 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 系配 が 大 きな もの と し て報 告さ れ てい る [7

101

っ て 交 感

副 交

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

神経

の ト

ヌ スを示唆 してい る可能 性が 強い 。 すな わ ちジ ェ ッ トコ

ス タ

の よう な恐 怖 感を煽る ソ フ ト ウエ に よ る

ャ ル アリ ティは

交 感 神 経

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

スタ

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

くの周 波 数 成 分の 中

低 い 周 期 性 成分の 増大と

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

化 し て

リ ミッ トサ イクル ア トラク タ

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

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 レン ジア トラ ク タ

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

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

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

の 恒 常性 を 維 持 する動 特 性と して脚 光を浴 びつ つ るμ2

21]

すなわち 生 体は非 線 形 ダイ ナ ミ ク ス に よっ て外

(5)

日本バ

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

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

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

のシフ トが起こる 可 能 性を示 唆 する点で 興 味 深い 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

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 マ ウ ン テ ッ ドデ ィスブレ イ に よる バ

チャル リア リテ ィ シ ス テ ム を貸 与 して くだ さっ たソニ

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

部は

国 際 高等 研 究所に おける数理科 学ワ

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

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

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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Fig ・ 2   Box  countingor   the   retum   map
Fig. 4   LFIHF   ratio   of   HRV   with   TV & HMD

参照

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