诱眠効果机械的环境研究

誘眠効果をもたらす機械的環境の研究Sleep-inducingfactorsinmechanicalenvironment○遠藤真美，木村仁，小関道彦，伊能教夫東京工業大学，〒152-8552東京都目黒区大岡山2-12-1MamiENDO，HitoshiKIMURA，MichihikoKOSEKIandNorioINOUTokyoInstituteofTechnology2-12-1Ookayama，Meguro-ku，Tokyo，152-8550，JAPANKeyWords:Sleep-inducingDevice,MechanicalEnvironment,ComfortabilityinRiding1.はじめに夜中になかなか寝付かない，あるいは夜泣きする乳幼児が保護者に大きなストレスを与えているという問題がある．もし効果的に乳幼児を眠らせることができれば，保護者の負担が大きく軽減されることが期待される．そこで本研究では自動ゆりかごのような誘眠装置を開発することを目的に，振動と睡眠の関係を明らかにすることを試みた．本研究では眠りやすい環境として，自動車や電車に乗っている人がしばしば眠っている現象に着目した．本稿では走行中の電車内での振動と眠りやすさとの関係を調査した結果について述べる．特に，振動における周波数分布とその時間的変化，および躍度(jerk)と眠りやすさの相関について考察を行う．2.眠りやすさと周波数分布電車の路線あるいは車体によって眠りやすい列車と眠りにくい列車が存在すると感じている人は多い．そこで筆者らは前報(1)において，複数の営業路線で着席している乗客に対する眠っている人の割合（RSP：RatioofSleepingPeople，睡眠率）を測定して眠りやすさの指標とすることを提案した．一般営業路線では当然のことながら，走行する土地や利用料金，運転間隔などが異なるため，利用客層も異なる．このため睡眠率が高いことがすなわち眠りやすい列車であるとは断定できないが，全体的な傾向を表す指標としては十分有効であると考えられる．本測定では時間帯によっても客層が変化すること，また乗客が着席可能な状態にあることなどに留意し，すべての路線で平日14:00～16:00の間に計測を行った．睡眠率を計測した路線では，3軸加速度センサを用いて振動加速度を計測した．振動加速度の鉛直成分の周波数分布と睡眠率を比較すると，睡眠率が高く眠りやすいとされた路線ではFig.1(a)に示すように2Hz以下でのピークが著しいが，睡眠率が低く眠りにくいとされた路線ではFig.1(b)に示すように20Hz程度までの周波数成分を断続的に含むという傾向が得られた．ここで本研究では2Hz以下での極大値をaとし，10～20Hzでの極大値をbとしたとき，そのピーク比a/bをピークの著しさとして評価した．この値と睡眠率との相関をFig.2にまとめたところ，睡眠率が高いほどピークが著しくなり，高い相関が見られた．0.000.050.100.150.2001020304050amplitude(ms-2)frequency(Hz)0.000.050.100.150.2001020304050amplitude(ms-2)frequency(Hz)(a)HighRSPtrain(B)(b)LowRSPtrain(I)Fig.1FrequencydistributionofvibrationDABCFGHIE0.01.02.03.04.05.06.07.08.00.00.10.20.30.4RSPpeakratioFig.2RelationshipbetweenRSPandpeakratio3.眠りを妨げる振動要素睡眠率と周波数分布のピーク比には高い相関があるという結果は得られたが，一方で路線AやCなどいくつかの路線ではこの相関から外れるものも見受けられた．そこで，周波数分布におけるピーク比以外の要素で眠りを妨げるものがあるのではないかと推測し，急ブレーキ時などに発生する進行方向の躍度に着目して考察を行った．進行方向の加速度データについてノイズを除去した後，躍度を計算したところ，特に近似曲線から大きく外れた路線Aと路線Cでは明らかな違いが得られた．路線AおよびCにおける300秒間の躍度の変化をFig.3に示す．路線Aでの躍度は極めて小さいのに対して，路線Cでは大きな躍度が度々現れていることが確認できる．その他の路線についてもある一定の大きさ(0.2ｍ/ｓ3)以上の躍度が300秒間で何回出現するかを調べたところ，Table1のようになった．この結果から，周波数分布で2Hz以下でのピークが著しくても，大きな躍度の頻出により眠りは妨げられると考えられる．-0.4-0.200.20.4050100150200250300jerk(ms-3)time(s)LineALineCFig.3JerkonthelineAandCTable1Occurrencerateoflargejerkduring300secLineABCDEFGHIRSP0.320.290.260.240.180.180.170.090.02Peakratio3.706.297.204.672.332.813.561.771.07Occurrencerate121133666104.周波数分布の時間的変化周波数分布のピークの著しさが眠りやすさと高い相関があることは先に述べた通りであるが，さらに1/fの関係となるよう揺らがせた揺れが「心地よい」と評価された研究がある(2)．本研究においても，同じ路線であってもピーク値をとる周波数は時間ごとに異なり，周波数分布は時間的に変化していると考えられた．そこで一定時間に区切った振動データを周波数解析し，0.5～2.5Hzの間で最大値をとる周波数を抽出しその変化の様子を調べた．ただし停車時と判断できる時間帯のデータは除去してある．路線ＢおよびＧを例として最大成分の周波数の変化をFig.4に示す．図に示されるように周波数分布は一定ではなく，最大成分は時間的に変化していることが分かる．ここで，どの周波数で最大値をとる確率が高いか，ヒストグラムを作成して検討した．Fig.5はFig.4で示された各周波数が最大成分となる時間を全体の時間に対する割合として示したものである．この結果，眠りやすい路線では最大値をとる周波数の範囲はせまく山型のヒストグラムとなり，眠りにくい路線では最大値をとる周波数帯域は広く，山が崩れた形になっていることがわかった．0.00.51.01.52.02.50100200300400500frequency(Hz)time(s)0.00.51.01.52.02.50100200300400500frequency(Hz)time(s)(a)HighRSPtrain(B)(b)LowRSPtrain(G)Fig.4Shiftofbasefrequency0.000.050.100.150.200.250.300.350.511.522.5occurrenceratefrequency(Hz)0.000.050.100.150.200.250.300.350.511.522.5occurrenceratefrequency(Hz)(a)HighRSPtrain(B)(b)LowRSPtrain(G)Fig.5occurrencerateofbasefrequency5.モデル振動以上のことから次のような条件を満たす振動が眠りやすい振動であると考えられる．•2Hz以下の周波数成分を著しく多く含む•大きな躍度はほとんど現れない•0～2Hz程度の周波数で最大値をとる周波数が時間的に変化するこれを踏まえて眠りやすいと考えられる簡単なモデルの作成を試みた．振幅一定のサイン波を周波数1.2～1.7Hzの間で段階的に5段階変化させ，加速度の値が連続になるようつないだ．５つの周波数の持続時間は，周期Tにおける割合が周波数の低い方から順に0.15，0.20，0.30，0.20，0.15となるようにした．周期Tは平均的な列車の一駅分の走行時間を参考に100秒とした．作成した波形500秒分の波形のピークをとる周波数について解析すればFig.6のようになる．また躍度は無視できるほど小さくなっている．今後このような振動を被験者に与えるような装置が求められる．0.00.51.01.52.02.50100200300400500frequency(Hz)time(s)0.000.050.100.150.200.250.300.350.511.522.5occurrenceratefrequency(Hz)(a)Shift(b)OccurrencerateFig.6Basefrequencyofmodelvibration6.結論と今後の課題乳幼児を眠らせることのできる装置を開発することを目的として，眠りやすい振動について調査した．電車内で眠っている人がしばしばいることに着目し，走行中車内で振動加速度を測定し，眠りやすいと評価される揺れの特徴を調べた．その結果，眠りやすいとされる振動は2Hz以下の周波数成分を著しく多く含むが，そのうち最も多く含まれる成分の周波数は時間的に変化していることが明らかになった．また，あまりに大きな躍度が頻繁に現れると眠りを妨げることも確認され，眠りやすい振動には大きな躍度がほとんど現れないことも明らかになった．そして，これらの条件を満足するような振動を提示した．今後，提示した振動を実現する装置を開発し，実際に乳幼児が他の条件と比較して眠りやすくなるかどうか検討していく．その際，筆者らが前報(1)で提案した腹囲測定式呼吸観測法を用いた睡眠判定により，環境におかれてから入眠するまでにかかる時間(入眠潜時)を測定することで，眠りやすさを評価できると考えている．参考文献(1)遠藤真美・木村仁・小関道彦・伊能教夫：誘眠効果をもたらす機械的環境の研究，ジョイントシンポジウム講演論文[05-16]pp.141-146,2005(2)川島豪：心地よい揺れに関する研究(アクティブロッキングチェアにおける心地よい揺れ)，日本機械学会論文集(C編)69巻677号pp.219-226,2003