JP2009297129A - 精神作業負荷検出装置及びそれを備えた自動二輪車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】運転手39の脳波を検知する脳波検知部42と、脳波を解析して眼球停留関連電位を計測し、ラムダ反応を検出する眼球停留関連電位計測部43と、スピーカ45からの音に応じて事象関連電位を計測し、聴覚P300を検出する事象関連電位計測部44と、ラムダ反応が低減したか否かを判定するラムダ反応比較部49と、聴覚P300が低減したか否かを判定する聴覚P300比較部48と、ラムダ反応及び聴覚P300が低減した場合、知覚・運動系及び知覚・中枢系の精神作業負荷が増加したと判定し、聴覚P300が低減したが、ラムダ反応が低減していない場合、知覚・中枢系の精神作業負荷が増加したと判定する精神作業負荷判定部60とを含む。
【選択図】図9
Description
1.方法
本発明の実施の形態を説明するに先立って、本発明の契機となった知見を得た検証実験について詳しく説明する。本実験では、複合的なトラッキング作業中のラムダ反応と聴覚P300を同時計測して、知覚・運動系と知覚・中枢系という2種類の精神作業負荷が各指標に与える影響を検証した。
被験者は、インフォームドコンセントを得た右利きの大学生・大学院生・社会人18名(男性10名、女性8名:平均年齢21.9歳)が参加した。視力(矯正視力)と聴力は正常であった。
作業課題は、3種類の課題(トラッキング課題、数的課題、オドボール課題)を同時に実施することであった。ただし、作業課題の中には数的課題のないものも含まれていた。作業時間は5分間であった。各課題の優先順位は、1=トラッキング課題、2=数的課題、3=オドボール課題であった。被験者は、各課題の優先順位に従って、各課題をできるだけ正確に、かつ迅速に実施することが求められた。実験室内の照度は72Lxに保たれた。
トラッキング課題は、知覚・運動系の負荷課題として設定した。具体的には図1に示すように、100inchディスプレイ14のポジティブスクリーン上(白色)をランダムに約2.51°/sのスピードで移動するターゲット16(φ=0.63°、黒色)を追尾枠17から逸脱しないように追尾枠17をトラックボールで移動させる作業であった。トラッキング作業の難易度は、ターゲット16のスピード変化の有無で操作した。ターゲット16のスピード変化がない場合は、ターゲット16の移動速度は約2.51°/sで固定であった。速度変化がある場合は、数的課題で用いられる「0」から「9」までの一桁数字18が画面上に提示されている間に同期してスピードを約5.6°/sに上昇させた。被験者は、椅子に着座して、顔面固定器に顎を軽く当てることによって、ディスプレイ14からの視認距離が約274cmになるようにした。トラックボールの操作は右手で行った。
数的課題は、知覚・中枢系の負荷課題として設定した。具体的には、トラッキング作業と同じ画面上に一桁数字18がランダム提示された場合に、被験者が一桁数字18を単純に読み上げる、あるいは足し算を実施することであった。足し算では、「一つ前に提示された数字」を「提示中の数字」に足した結果の一桁のみを発話することが求められた。最初に提示された数字は足す数字がないため、読み上げるだけであった。数字の提示時間は1.0sであり、提示間隔は2.0sであった(5分間で提示された数字の個数=100)。一桁数字18は、周辺視野の領域に提示するため、ターゲット16の周辺部分19に提示された。ターゲット16から一桁数字18までの距離は最短で10°とし、最大で30°とした。一桁数字18は、周辺部分19のランダムな位置に提示され、大きさは約1°であった。
オドボール課題は、聴覚P300を計測するための課題として設定した。具体的には、3音オドボール課題とした。プローブ刺激として、1800Hz(p=.70、標準刺激)、2000Hz(p=.15、標的刺激)、500Hz(p=.15、逸脱刺激)の3つの純音を用いた(持続時間70ms、立ち上がり立ち下がり10ms)。これらの刺激をヘッドフォンから約60dB SPLでランダムな順序で提示した。標的刺激と逸脱刺激は連続して提示されないようにした。刺激のオンセット間隔は5分間の課題時間で多くのトリガを検出するため、700msに設定した。5分間の課題中に標的刺激が提示されたのは、67回であった。被験者は、標的刺激の提示に注意を払い、標的刺激が提示されたときに、左手の人差し指あるいは親指を感圧センサに接触させた。
脳波と眼電位は、全条件の課題中に計測された。脳波(EEG;electroencephalogram)は、銀−塩化銀電極により、両耳朶結合を基準として導出した。導出部位は、国際10−20電極配置法に従って、正中線上の前頭部(Fz)、中心部(Cz)、頭頂部(Pz)、後頭部(Oz)の4箇所であった。低域遮断周波数は0.80Hzであり、高域遮断周波数は30Hzであった。眼電位(EOG;electrooculogram)は、銀−塩化銀電極を水平方向サッカードの検出のため、両眼眼裂外に一対装着し、垂直方向サッカード及び瞬目の検出のため、左眼眼窩上下縁部に一対装着し、双極導出した。接地電極は前額部においた。脳波と同様に、低域遮断周波数は0.08Hzであり、高域遮断周波数は30Hzであった。以上の生理反応はすべて、生体アンプによって計測され、ハードディスク上に記録された。サンプリング周波数は、500Hzであった。電極インピーダンスは10kΩ以下とした。行動量は、トラッキング課題と数的課題とオドボール課題の各々で計測された。トラッキング作業では、追尾枠17から逸脱した回数をトラッキングエラーとして計測した。トラッキングエラーは、ターゲット2が1ドット以上外れる時間が100msを越えた回数とした。ターゲット2の座標は、10msごとに計測した。数的課題では、被験者の顔面をビデオカメラで撮影し、読み上げた数字及び足し算結果の音声とともに記録した。記録した音声は、トラッキングプログラムのログファイルとして出力される提示数字と照らし合わせて、その正否を判断した。誤った発話は、発話エラーとしてカウントした。オドボール課題では、「プローブ刺激の3 音の提示タイミング」と「被験者の反応の有無」を脳波・眼電位と同じハードディスクにサンプリング周波数500Hzで記録した。標的刺激に対する正しい反応は、標的刺激反応として回数をカウントした。
アンケートは、各条件の直後に主観的な集中度や疲労度について主観評価させた。評価方法は7件法であった。さらに全てのトラッキング作業とアンケートへの回答が終了した後に、各条件の困難度に関して、その順位を回答させた。
2.1 眼球停留関連電位
眼球停留関連電位は、ラムダ反応の優勢部位である後頭部(Oz)を対象に分析した。図2に示すように、水平眼球運動EOGからサッカード終了時点t1〜t6を検出し、その時点をトリガにして脳波EEGの加算平均処理を行った。瞬目などのアーティファクトが混入しているときは加算対象から除外した。周辺視野領域への数字の提示は、EN条件とDN条件では無いため、ほとんどサッカードが生じなかった。数字が提示されるEE条件、ED条件、DE条件、DD条件ではサッカードが生じ、平均160.35回(EE条件:143.66回、ED条件:142.56回、DE条件:197.39回、DD条件:157.78回)と十分なサッカード回数が得られた。加算平均波形(図2中の右下)は、サッカード終了前−200msから500msまでの合計700msの区間を条件ごとに加算平均して求めた。このようにして得られた波形から約100msに出現する陽性成分(ラムダ反応)のピーク振幅を算出した。ベースラインはサッカード終了時点前の−100msから−200msの平均電位にそろえた。なお、数字提示のないEN条件とDN条件はサッカードが出現しなかったので、解析対象から除外した。
聴覚P300は、標的刺激に対するP300の優勢部位である頭頂部(Pz)を対象に分析を行なった。図3に示すように、加算平均のトリガは、標的刺激(ターゲットイベント)の提示時点とし、聴覚P300の検出を行った。加算平均波形は、各刺激の提示前−200msから700msまでの合計900msの区間を条件ごとに加算平均して求めた。聴覚P300の解析では瞬目や眼球運動などのアーティファクトが混入しているときは加算対象から除外した。加算平均処理に用いることができる試行数は、眼球停留関連電位に比べて少なく、各条件で平均41.15回(31.39回〜55.61回)であった。加算回数が少ない場合に条件間でその回数が異なると、S/N比の問題があるため、被験者ごとに加算回数が最も少ない条件に合わせて加算平均処理を行った。加算回数に余分がある場合は、5分間の試行から得られた加算データ候補の中央部分を加算平均処理の対象とした。最終的に聴覚P300を検出するために用いた加算回数は、被験者間で異なり、最小で17回、最大で42回であった。その結果、各条件における加算回数の平均は全て28回となった。このようにして得られた波形から200〜600msに出現する陽性成分(聴覚P300)のピーク振幅を算出した。ベースラインは刺激提示前200ms間の平均電位にそろえた。
全被験者の後頭部(Oz)から得られた各条件における眼球停留関連電位の総加算平均を図4に示す。この眼球停留関連電位のうち、潜時が約100msの陽性成分がラムダ反応であり、そのピーク値を被験者ごとに求めた。図5は、各条件における平均振幅とその標準偏差を示す。図5から、知覚・運動系の精神作業負荷を課したDE条件とDD条件のラムダ反応に振幅の減少が認められる。そこで、ラムダ反応のピーク振幅について、トラッキング課題(2水準)と数的課題(3水準)の2要因被験者内計画の分散分析を行った。その結果、トラッキング課題に主効果が認められた(F(1,17)=6.26,p<0.05)。つまり、トラッキング難易度の上昇に伴ってラムダ反応のピーク振幅が低減した。なお、数的課題の主効果及び交互作用は認められなかった。
全被験者の頭頂部(Pz)から得られた各条件における標的刺激に対する聴覚P300の総加算平均を図6に示す。この加算平均波形のうち、潜時が200〜600msに生じる最大の陽性成分を聴覚P300とし、そのピーク値を被験者ごとに求めた。図7は、各条件における平均振幅とその標準偏差を示す。図7から、知覚・運動系及び知覚・中枢系の精神作業負荷を課したEE、ED、DN、DE、DD条件において聴覚P300の振幅に減少が認められる。そこで、聴覚P300のピーク振幅について、トラッキング課題(2水準)と数的課題(3水準)の2要因被験者内計画の分散分析を行った。その結果、トラッキング課題と数的課題の両方に主効果が認められた(トラッキング課題:F(1,17)=11.53,p<0.01、数的課題:F(1.25,21.32)=9.27,p<0.01)。数的課題の下位検定として対応のあるt検定(ホルム補正)を行ったところ、3水準の全ての組み合わせについて5%水準で有意差が認められた。つまり、トラッキング課題及び数的課題の難易度に比例して、聴覚P300のピーク振幅が低減した。なお、交互作用は認められなかった。
主観と行動測度の結果から、複合的なトラッキング作業によって、段階的な難易度を設定でき、かつ同じ難易度で質の異なる精神作業負荷(知覚・運動系と知覚・中枢系の負荷)を課すことができた。知覚・運動系の負荷は、トラッキング課題でターゲットのスピードを変化させることで負荷レベルを上げた。その結果、負荷が高い場合にはトラッキングのエラー頻度が多発した。知覚・中枢系の負荷は、数的課題で数字の読み上げや足し算を課すことで負荷レベルを上げた。その結果、負荷が高い場合には発話エラーの回数が増加した。各条件の主観的難易度は、4段階にレベル分けできた(1位=DD条件、2位=ED条件とDE条件、3位=EE条件とDN条件、4位=EN条件)。ED条件とDE条件、EE条件とDN条件は質の異なる精神作業負荷を課しているが、主観的難易度に違いは認められなかった。つまり、本実験で用いた複合的なトラッキング作業は、課題の難易度及び精神作業負荷の質的違いの影響を検証する課題としては妥当なものであったと考えられる。ただし、集中度は数的課題の難易度に比例して増し、疲労度は足し算課題で増したので、難易度のみを操作できたとは言えない。
上記検証実験で得られた知見は以下の通り。
(1)知覚・運動系の精神作業負荷が増加するとラムダ反応のピーク振幅が低減するが、知覚・中枢系の精神作業負荷が増加してもラムダ反応のピーク振幅は低減しない。
(2)知覚・運動系又は知覚・中枢系の精神作業負荷が増加すると、聴覚P300のピーク振幅が低減する。
上記第1の実施の形態はスピーカ45などを設け、運転手39に感覚的な刺激を与え、この刺激に応じて事象関連電位を計測するようにしているが、このような刺激を与える手段を設ける代わりに、図12に示すように、操作入力部56で運転手39の操作を受け付け、この操作に応じて事象関連電位(以下、「入力操作関連電位」という。)を計測するようにしてもよい。この場合、図9に示した聴覚P300検出部55の代わりに入力操作関連電位検出部62を設け、図9に示した聴覚P300データベース46の代わりに入力操作関連電位データベース63を設け、図9に示した聴覚P300比較部48の代わりに入力操作関連電位比較部64を設ければよい。検出部62、データベース63及び比較部64の各機能は、図9に示したものと基本的に同じである。
31,45 スピーカ
39 運転手
40 精神作業負荷検出装置
41 機器
42 脳波検知部
43 眼球停留関連電位計測部
44 事象関連電位計測部
46 聴覚P300データベース
47 ラムダ反応データベース
48 聴覚P300比較部
49 ラムダ反応比較部
50 車載情報機器
51 サッカード検出部
52 サッカードトリガ発生部
53 ラムダ反応検出部
54 イベントトリガ発生部
55 聴覚P300検出部
56 操作入力部
57 応答内容決定部
58 機器反応部
60 精神作業負荷推定部
Claims (8)
- 人間の脳波を検知する脳波検知手段と、
前記脳波検知手段により検知される脳波を解析して第1の精神作業負荷に関連する第1の生体反応を時系列的に検出する第1の生体反応検出手段と、
前記脳波検知手段により検知される脳波を解析して前記第1の精神作業負荷と質的に異なる第2の精神作業負荷に関連する第2の生体反応を時系列的に検出する第2の生体反応検出手段と、
前記第1の生体反応検出手段により検出される第1の生体反応が時系列的に変化したか否かを判定する第1の生体反応比較手段と、
前記第2の生体反応検出手段により検出される第2の生体反応が時系列的に変化したか否かを判定する第2の生体反応比較手段と、
前記第1及び第2の生体反応比較手段による判定結果に応じて前記人間に係る精神作業の種類及び負荷を推定する精神作業負荷推定手段とを備えたことを特徴とする精神作業負荷検出装置。 - 請求項1に記載の精神作業負荷検出装置であってさらに、
前記人間に感覚的な刺激を付与する感覚刺激手段を備え、
前記第1の生体反応検出手段は、眼球停留関連電位を計測する眼球停留関連電位計測手段を含み、
前記第2の生体反応検出手段は、前記感覚刺激手段により付与される刺激に応じて事象関連電位を計測する事象関連電位計測手段を含む、ことを特徴とする精神作業負荷検出装置。 - 請求項2に記載の精神作業負荷検出装置であって、
前記感覚刺激手段により付与される刺激は聴覚的な刺激であり、
前記眼球停留関連電位計測手段は、
前記人間のサッカードを検出するサッカード検出手段と、
前記サッカード検出手段により検出されたサッカードに応じて前記第1の生体反応としてラムダ反応を検出するラムダ反応検出手段とを含み、
前記事象関連電位計測手段は、
前記感覚刺激手段により付与される聴覚的な刺激に応じて前記第2の生体反応として聴覚P300を検出する聴覚P300検出手段を含む、ことを特徴とする精神作業負荷検出装置。 - 請求項3に記載の精神作業負荷検出装置であって、
前記第1の生体反応比較手段は、前記ラムダ反応検出手段により検出されるラムダ反応が低減したか否かを判定するラムダ反応比較手段を含み、
前記第2の生体反応比較手段は、前記聴覚P300検出手段により検出される聴覚P300が低減したか否かを判定する聴覚P300比較手段を含み、
前記精神作業負荷推定手段は、
前記聴覚P300比較手段により聴覚P300が低減したと判定され、かつ、前記ラムダ反応比較手段によりラムダ反応が低減したと判定された場合、知覚・運動系及び知覚・中枢系の精神作業負荷が増加したと判定する手段と、
前記聴覚P300比較手段により聴覚P300が低減したと判定され、かつ、前記ラムダ反応比較手段によりラムダ反応が低減していないと判定された場合、知覚・中枢系の精神作業負荷が増加したと判定する手段とを含む、ことを特徴とする精神作業負荷検出装置。 - 請求項1に記載の精神作業負荷検出装置であってさらに、
前記人間の操作を受け付ける操作入力手段を備え、
前記第1の生体反応検出手段は、眼球停留関連電位を計測する眼球停留関連電位計測出手段を含み、
前記第2の生体反応検出手段は、前記操作入力手段により受け付けられる操作に応じて事象関連電位を計測する事象関連電位計測手段を含む、ことを特徴とする精神作業負荷検出装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の精神作業負荷検出装置であってさらに、
前記精神作業負荷推定手段により推定された精神作業の種類及び負荷に応じて、前記人間が知覚する機器が提示すべき情報の内容又はタイミングを決定する応答内容決定手段と、
前記応答内容決定手段により決定された内容又はタイミングで前記情報を前記人間に提示する機器反応手段とを備えたことを特徴とする精神作業負荷検出装置。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の精神作業負荷検出装置であってさらに、
前記精神作業負荷推定手段により推定された精神作業の種類及び負荷に応じて、前記人間が操作する機器の動作モードを決定する応答内容決定手段と、
前記応答内容決定手段により決定された動作モードに前記機器を設定する機器反応手段とを備えたことを特徴とする精神作業負荷検出装置。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の精神作業負荷検出装置を備えた自動二輪車。
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