JP3772220B2

JP3772220B2 - 習得度測定装置及び習得度測定方法

Info

Publication number: JP3772220B2
Application number: JP2003371619A
Authority: JP
Inventors: 英雄江田; さやか田中; 孝憲前迫; 勝雄菅井
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: JP2004170958A

Description

本発明は、脳活動の変化を利用して被験者の対象ワークに対する修得度を測定するための修得度測定装置に関するものである。

従来、教育効果を高めるための種々の手法が提案されてきており、最近ではパソコン等を用いた新たな教育手法の開発もなされている（特許文献参照）。

ところでどのような教育態様においても、学習者の理解度を把握しその効果を確かめる事は、教育の成果や方法の確立のうえで必須のことである。未修得のまま次のステップに進んだり、すでに習得しているにもかかわらず再度教育したりすることは、学習者の意欲を殺ぎ、効率の点でも好ましくないからである。そしてそのために従来は、例えば指導者の主観的な判断や試験による点数により学習者の理解度を推定するようにしている。
特開平８−２２７２６６号公報

しかしながら上述したように、指導者の主観による判断では、指導者個々の教育能力に負う部分が大きくなり、客観的な教育手法の確立が難しい。また試験による方法では一見客観性に優れるが、学習者によっては、緊張のあまり試験で実力が発揮できなくなるなど、その学習者の真の習得度を外部から判断できない場合がある。さらに。ＬｅａｒｎｉｎｇＤｉｓａｂｉｌｉｔｙといわれるように、対人関係に難があるゆえに、教育が進まない場合もある。

一方、近時、脳波計やＣＴ、ＭＲＩの他にも、無侵襲で被験者の動きを拘束することなく脳活動を計測できる装置が種々開発されてきており、脳科学研究の進歩には目を見張るべきものがある。

そこで本発明は、脳科学研究を教育分野に応用して教育効果の客観的な科学的データを提示すべくなされたものである。すなわち、本願発明者は、実験を繰り返し鋭意検討した結果、ワークに対する習得度が脳の所定部位における血液量又は／及び血液成分量の時間変化と密接な関係にあることを見出し、このことを利用して、教育効果の科学的データに裏打ちされた望ましい教育方法の開発や、教育カリキュラムの客観的な指針設定等に有効で、しかも簡易な手段を提供すべく図ったものである。

すなわち、本発明に係る習得度測定装置は、被験者に所定のワークを複数回反復して行わせた場合の、前記被験者の脳の所定測定部位におけるデオキシヘモグロビン量を測定する測定部と、前記測定部で測定したデオキシヘモグロビン量を時系列的に取得し、その時間変化を示すデータである時間変化データを生成する時間変化データ生成部と、各ワーク中における前記時間変化データの波形を出力する波形出力部と、前記時間変化データに基づいて、被験者の各ワークに対する習得度を判定する習得度判定部とを備えたものであって、前記習得度判定部が、ワーク中での前記時間変化データにおいて、デオキシヘモグロビン量がワーク開始により上昇する場合に習得度を低いと判断し、デオキシヘモグロビン量が時間経過に拘わらず略一定又は減少傾向となる場合に被験者の当該ワークに対する習得度を高いと判断するものである。

このようなものであれば、脳の所定測定部位におけるデオキシヘモグロビン量の時間変化データ波形によって、被験者のワークに対する習得度を客観的に得ることができる。その結果、試験等のように学習者に特別な負担を与えるようなことをせずとも、教育をしながら学習者の習得度を指導者が得られるうえ、新たな教育方法の開発や、教育カリキュラムの客観的な指針設定等に大きな可能性を提供できる。また、デオキシヘモグロビン量の時間変化を検出し波形出力するだけであるため、画像処理等の複雑な処理、機構を必要としない。

さらに、デオキシヘモグロビン量を測定するようにしているため、例えば近赤外分光法を利用することにより、無侵襲で被験者の動きを拘束することなく、かつ簡易な構成での実現が可能であり、測定を自然な環境下で行うことができる。また、前記近赤外分光法は時間分解能に優れるため、教育現場においてリアルタイムに学習者の習得度を得ることもできる。

一方、被験者に異なるワークを行わせた場合に、どのワークが被験者にとって難易度が高いのかを調べることもできる。そのためには、前記被験者に一のワークを行わせた場合とそれとは異なる他のワークを行わせた場合の、被験者の脳の所定測定部位におけるデオキシヘモグロビン量を測定する測定部と、前記測定部で測定したデオキシヘモグロビン量を時系列的に取得し、その時間変化を示すデータである時間変化データを生成する時間変化データ生成部と、各ワーク中における前記時間変化データの波形を出力する波形出力部と、前記時間変化データに基づいて、被験者の各ワークに対する習得度を判定する習得度判定部とを備えたものであって、前記習得度判定部が、ワーク中での前記時間変化データにおいて、デオキシヘモグロビン量がワーク開始により上昇する場合に習得度を低いと判断し、デオキシヘモグロビン量が時間経過に拘わらず略一定又は減少傾向となる場合に被験者の当該ワークに対する習得度を高いと判断するものが好ましい。このことにより、被験者の得手不得手を予め把握し、適切な教育を施すことが可能となる。

本願発明者の鋭意研究によれば、デオキシヘモグロビン量の時間変化に、習得度に対する顕著な関連がみられる。

さらにデオキシヘモグロビン量の時間変化に着目すれば、１回のみのワークで習得度を把握することも可能である。

そのためには、前記被験者に所定のワークを行わせた場合の、被験者の脳の所定測定部位におけるデオキシヘモグロビン量を測定する測定部と、前記測定部で測定したデオキシヘモグロビン量を時系列的に取得し、その時間変化を示すデータである時間変化データを生成する時間変化データ生成部と、時間変化データの波形を出力する波形出力部と、前記時間変化データに基づいて、被験者の各ワークに対する習得度を判定する習得度判定部とを備えたものであって、前記習得度判定部が、ワーク中での前記時間変化データにおいて、デオキシヘモグロビン量がワーク開始により上昇する場合に習得度を低いと判断し、デオキシヘモグロビン量が時間経過に拘わらず略一定又は減少傾向となる場合に被験者の当該ワークに対する習得度を高いと判断するものが好ましい。

前記所定測定部位の好適な設定箇所としては、脳の高次機能部分に対応する領域を挙げることができる。具体的には、前記所定測定部位が前頭葉に設定してあるものが望ましい。計測が容易で被験者への負担も少ないからである。

上述したように、前記測定部の好ましい具体的態様としては、近赤外分光法を利用して血液量又は／及び血液成分量を測定するものを挙げることができる。その場合、多チャンネルは必要なく、１チャンネル型のもので十分に本発明の効果を奏し得る。

一方、被験者のワークを行う姿勢と行わない姿勢とが異なる場合には、その姿勢変化に伴う脳活動によって、前記時間変化データにオフセットが加わり、習得度の判定に誤りが生じることがある。かかる影響を排除するには、被験者のワークを行う姿勢と行わない姿勢とが異なる場合において、ワークを行う姿勢でワークを行わせないようにした状態における前記血液量又は／及び血液成分量を測定し、その血液量又は／及び血液成分量からワークを行っている場合の血液量又は／及び血液成分量を引いた値の時間変化を時間変化データとしているものを挙げることができる。

要すれば、近赤外分光法を用いて被験者の脳の所定測定部位における血液量又は／及び血液成分量を時系列的に測定し、その時間変化を示すデータである時間変化データを生成し、前記時間変化データに基づいて被験者の前記ワークに対する習得度を判定するようにした習得度測定方法であればよい。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る習得度測定装置４は、図１、図３に示すように、被験者Ｐの脳の所定測定部位Ｓにおける血液成分量を測定する測定部１と、前記測定部１で測定した血液成分量を時系列的に取得し、その時間変化を示すデータである時間変化データを生成する時間変化データ生成部２と、前記被験者Ｐに所定のワークを複数回反復して行わせた場合の、各ワーク中における時間変化データの波形を比較可能に出力する波形出力部３とを備えたものである。

具体的に各部を詳述する。測定部１は、NIRS（近赤外分光法）を利用したもので、半導体レーザ等から発された異なる複数波長（本実施形態では３波長）の近赤外光を前記所定部位に入射する一方、脳内から反射してくる前記各近赤外光を受光素子で受光し、入射光と反射光との比の対数、すなわち吸収度によって、直接的には血液もしくは組織中のオキシヘモグロビン量及びデオキシヘモグロビン量を測定するものである。

本実施形態では、１チャンネル型、すなわち一対の光入射部及び光受光部を有したものであり、それら光入射部及び光受光部をそれぞれ、図２に示すように、額の所定領域Ｓ１及びＳ２に装着し、その間の脳の単一所定測定部位Ｓにおけるオキシヘモグロビン量及びデオキシヘモグロビン量を測定するようにしている。所定測定部位Ｓは、脳の高次機能部分であり、ここでは例えば前頭葉に設定しているが、その特定にあたっては、まずMRI等の脳構造測定装置を用いて被験者Ｐの脳構造画像を得、その画像に基づいて行うようにしている。具体的には、右前頭葉前野の最も脳が突出した部分である。この部分としたのは、言語野以外の部位であること、先行研究から図形の処理と関連があるとされていること、毛髪がなく測定が行いやすいこと等の理由による。

所定ワークとは、例えば予め描かれた５ｍｍ幅の平行線間にこれと直交する線をはみ出さないように、できるだけ細い間隔で利き手によって次々と描画していく作業である。ここでは、１０秒安静、２０秒描画（ワーク）、３０秒安静を１サイクルとして５サイクル繰り返し行うこととしている。

時間変化データ生成部２は、前記５サイクルに亘って測定部１が測定したオキシヘモグロビン量及びデオキシヘモグロビン量を所定間隔でサンプリングして時系列的に取得し、所定の記憶部に格納することによって、オキシヘモグロビン量、デオキシヘモグロビン量及びそれらから算出されるトータルヘモグロビン量の時間変化を示すデータである時間変化データを生成するものである。本実施形態ではＣＰＵを用いてデジタル的に処理しているが、もちろんアナログ的に取り込んで時間変化データとしてもよい。

波形出力部３は、前記被験者Ｐに所定のワークを複数回反復して行わせた場合の、各ワーク中における時間変化データの波形をディスプレイ又はプリンタに比較可能に出力するものである。

しかして、本実施形態にかかる習得度測定装置４を用いて、実際に被験者Ｐに前記所定ワークを行ってもらった場合の結果の一例を以下に示す。

最初にワークの結果及び成績を図４及び図５に示す。1回目と２回目のワークでは線の間隔は大きく、しかもばらついているが、３回目以降は描画間隔が短くかつその本数も多くなり安定傾向にあることがわかる。すなわち、このことから被験者Ｐは３回目以降、ワークに対する習得度が上昇したと考えられる。

図７、図８、図９は、習得度測定装置４の波形出力結果を示すものであり、前記各サイクルにおけるヘモグロビンの時系列的な時間変化データを波形にして出力したグラフである。

これらグラフから言える特徴的なことはデオキシヘモグロビン量の変化である。図６にもその波形の傾向をまとめてあるように、各サイクルに着目すると、前半２回においては、ワーク開始とともにオキシヘモグロビン量、デオキシヘモグロビン量が上昇し、ワーク終了とともに下降することがわかる。一方、後半３回においては、ワーク開始とともにオキシヘモグロビン量は上昇しているものの、デオキシヘモグロビン量は一定又は減少傾向となる非常に顕著な逆転現象が生じる、そしてこの逆転現象は、前記図４、図５から判断されたように、被験者ｐのワークに対する習得度向上と一致する。

さらに各ワーク間のオキシヘモグロビン量を比較すると、前半３回までは前のサイクルでのワークに比してオキシヘモグロビン量は増加するのに対し、その後は前半３回までと比してその増加率が鈍り、サイクルを経ても、ほとんどオキシヘモグロビン量は増加しないかあるいは減少するということが、図９から把握できる。そしてこの傾向は、脳の活動にオキシヘモグロビンが密接に関わっているという従来からの研究にも合致し、デオキシヘモグロビン量の前記逆転現象が習得度向上を示すという事実を裏付けするものである。また、このことを利用して判断の確実性をより高めるには、デオキシヘモグロビン量の逆転現象と、オキシヘモグロビン量の増加率低減現象との双方が認められた際に、習得度が向上したと判断することもできる。もちろん、この判断は自動で行うようにしても構わない。

さらに、トータルヘモグロビン量の時間変化データを比較すると、前半２回に比べ後半３回はその絶対値が減少傾向にある。

このように、前半２回のワークと後半３回のワークとでは、その波形に特徴的な差異が現れる。もちろん、漢字を書くといった別のワークに対しても、同様な傾向が得られる。

このことからわかるように、本習得度測定装置４を用いて前記血液量又は／及び血液成分量の時間変化データ波形を比較することにより、その波形形状の特徴的な違いから、被験者Ｐのワークに対する習得度を客観的に得ることができる。その結果、試験等のように学習者に特別な負担を与えるようなことをせずとも、教育をしながら学習者の習得度を指導者が得られるうえ、新たな教育方法の開発や、教育カリキュラムの客観的な指針設定等に大きな可能性を提供できる。

また、近赤外分光法を利用しているので、無侵襲であるうえ、被験者Ｐの拘束度がｆＭＲＩ等の他の測定装置に比べ小さい。そして装置を装着しやすい前頭葉に所定測定部位Ｓを設定していることも加え、測定を自然な環境下で行うことができる。

さらに、前記近赤外分光法は時間分解能に優れるため、教育現場においてリアルタイムに学習者の習得度を得ることもできる。また、近赤外分光法による装置はそもそも簡易な構造であるうえ、特に本実施形態では、１チャンネルのみの構成であり、さらには単に血液量又は／及び血液成分量の時間変化のみを検出し波形出力するだけで画像処理等の複雑な処理を必要としないことから、その構造の可及的な簡単化が可能である。

なお、本発明は種々の変形が可能である。

例えば、異なるワークを被験者Ｐに行わせた場合に、各ワークでの時間変化データを比較することにより、それら各ワークに対する被験者Ｐの習熟度（習得度）や、得手不得手を把握することができる。

また、ワークに対する被験者Ｐの習得度が高い場合にデオキシヘモグロビン量が上昇しないことを利用すれば、１回のみのワークに対する時間変化データを出力することによって、当該ワークに対する被験者Ｐの習得度を把握することも可能である。

さらに、デオキシヘモグロビン量の時間変化特性には、習得度が高い場合と低い場合とで、上述したように非常に顕著な差異（すなわち逆転現象が生じるか否か）があるため、これを利用すれば、前記時間変化データに基づいて被験者Ｐの各ワークに対する習得度を自動算出する習得度算出部を設けることが容易にできる。例えば、ワーク中での前記時間変化データにおいてデオキシヘモグロビン量が時間経過に拘わらず略一定又は減少傾向なる場合に被験者Ｐの当該ワークに対する習得度を高いと判断するものを挙げることができる。

もちろん、これにオキシヘモグロビン量の時間変化データやトータルヘモグロビン量の時間変化データをパラメータとしてさらに加え、統計処理などによって、習得度自動算出の信頼性をより高めるようにすればなお好ましい。具体例としては、オキシヘモグロビン量の増加率低減現象を算出した場合に習得度を高いと判断するようにしたものを挙げることができる。

そしてこのような習得度算出部を設ければ、より客観的な判断が可能となる上、波形出力部３を不要とすることもできる。

一方、被験者Ｐのワークを行う姿勢と行わない姿勢とが異なる場合には、その姿勢変化に伴う脳活動によって、前記時間変化データにオフセットが加わり、習得度の算出に誤りが生じることがある。かかる影響を排除するためには、ワークを行う姿勢でワークを行わせないようにした状態における前記血液量又は／及び血液成分量を測定し、その血液量又は／及び血液成分量からワークを行っている場合の血液量又は／及び血液成分量を引いた値の時間変化を時間変化データとすることが好ましい。

もちろん、被験者Ｐがワークを行う場合と行わない場合とでの姿勢を変化させないようにする姿勢固定具等を用いることも考えられる。

その他本発明は、上記図示例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

以上に詳述したように、本発明によれば、脳の所定測定部位における血液量又は／及び血液成分量の時間変化データ波形によって、被験者のワークに対する習得度を客観的に得ることができる。その結果、試験等のように学習者に特別な負担を与えるようなことをせずとも、教育をしながら学習者の習得度を指導者が得られるうえ、新たな教育方法の開発や、教育カリキュラムの客観的な指針設定等に大きな可能性を提供できる。また、血液量又は／及び血液成分量の時間変化のみを検出し波形出力するだけであるため、画像処理等の複雑な処理、機構を必要としない。

さらに、血液量又は／及び血液成分量を測定するようにしているため、例えば近赤外分光法を利用することにより、無侵襲で被験者の動きを拘束することなく、かつ簡易な構成での実現が可能であり、測定を自然な環境下で行うことができる。また、前記近赤外分光法は時間分解能に優れるため、教育現場においてリアルタイムに学習者の習得度を得ることもできる。

本発明の一実施形態における習得度測定装置の全体概略図。同実施形態における所定測定部位を示す部位説明図。本発明の一実施形態における習得度測定装置の全体機能構成図。同実施形態での各ワークにおいて描画された線を示す描画例。同実施形態での各ワークの成績結果例。同実施形態における時間変化データの波形の傾向を示す傾向説明図。同実施形態における時間変化データの波形を示す波形図。同実施形態における時間変化データの波形を示す波形図。同実施形態における時間変化データの波形を示す波形図。

符号の説明

Ｐ・・・被験者
Ｓ・・・所定測定部位
１・・・測定部
２・・・時間変化データ生成部
３・・・波形出力部
４・・・習得度測定装置

Claims

被験者に所定のワークを複数回反復して行わせた場合の、前記被験者の脳の所定測定部位におけるデオキシヘモグロビン量を測定する測定部と、
前記測定部で測定したデオキシヘモグロビン量を時系列的に取得し、その時間変化を示すデータである時間変化データを生成する時間変化データ生成部と、
各ワーク中における前記時間変化データの波形を出力する波形出力部と、
前記時間変化データに基づいて、被験者の各ワークに対する習得度を判定する習得度判定部とを備えたものであって、
前記習得度判定部が、ワーク中での前記時間変化データにおいて、デオキシヘモグロビン量がワーク開始により上昇する場合に習得度を低いと判断し、デオキシヘモグロビン量が時間経過に拘わらず略一定又は減少傾向となる場合に被験者の当該ワークに対する習得度を高いと判断する習得度測定装置。
被験者に一のワークを行わせた場合とそれとは異なる他のワークを行わせた場合の、前記被験者の脳の所定測定部位におけるデオキシヘモグロビン量を測定する測定部と、
前記測定部で測定したデオキシヘモグロビン量を時系列的に取得し、その時間変化を示すデータである時間変化データを生成する時間変化データ生成部と、
各ワーク中における前記時間変化データの波形を出力する波形出力部と、
前記時間変化データに基づいて、被験者の各ワークに対する習得度を判定する習得度判定部とを備えたものであって、
前記習得度判定部が、ワーク中での前記時間変化データにおいて、デオキシヘモグロビン量がワーク開始により上昇する場合に習得度を低いと判断し、デオキシヘモグロビン量が時間経過に拘わらず略一定又は減少傾向となる場合に被験者の当該ワークに対する習得度を高いと判断する習得度測定装置。
被験者に所定のワークを行わせた場合の、前記被験者の脳の所定測定部位におけるデオキシヘモグロビン量を測定する測定部と、
前記測定部で測定したデオキシヘモグロビン量を時系列的に取得し、その時間変化を示すデータである時間変化データを生成する時間変化データ生成部と、
時間変化データの波形を出力する波形出力部と、
前記時間変化データに基づいて、被験者の各ワークに対する習得度を判定する習得度判定部とを備えたものであって、
前記習得度判定部が、ワーク中での前記時間変化データにおいて、デオキシヘモグロビン量がワーク開始により上昇する場合に習得度を低いと判断し、デオキシヘモグロビン量が時間経過に拘わらず略一定又は減少傾向となる場合に被験者の当該ワークに対する習得度を高いと判断する習得度測定装置。
前記所定測定部位が、脳の高次機能部分に対応する領域である請求項１、２又は３記載の習得度測定装置。
前記所定測定部位が前頭葉に設定してある請求項１、２、３又は４記載の習得度測定装置。
前記測定部が近赤外分光法を利用してデオキシヘモグロビン量を測定するものである請求項１、２、３、４又は５記載の習得度測定装置。
前記測定部が１チャンネル型のものである請求項６記載の習得度測定装置。
前記時間変化データ生成部が、被験者のワークを行う姿勢と行わない姿勢とが異なる場合において、ワークを行う姿勢でワークを行わないようにした状態における前記デオキシヘモグロビン量を測定し、そのデオキシヘモグロビン量からワークを行っている場合のデオキシヘモグロビン量を引いた値の時間変化を時間変化データとして生成する請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の修得度測定装置。
被験者に所定のワークを行わせて、近赤外分光法を用いて被験者の脳の所定測定部位におけるデオキシヘモグロビン量を時系列的に測定し、
前記デオキシヘモグロビン量の時間変化を示すデータである時間変化データを生成し、
前記時間変化データに基づいて被験者の前記ワークに対する習得度を判定するようにしたものであって、
ワーク中での前記時間変化データにおいて、デオキシヘモグロビン量がワーク開始により上昇する場合に習得度を低いと判断し、デオキシヘモグロビン量が時間経過に拘わらず略一定又は減少傾向となる場合に被験者の当該ワークに対する習得度を高いと判断する習得度測定方法。