JP6709543B2 - 脳情報測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、脳情報測定装置に関するものである。

人間の心理状態等を分析するために、従来から、被験者の脳波を取得する脳波測定装置が使用されている。脳波測定装置においては、例えば脳波キャップによって被験者の頭部の各所に設置された複数の電極により、脳波による微弱な電圧を検出して、推定や分析に必要な脳波データを取得している。

このような脳波測定においては、被験者の動作や発汗等に基づく脳波信号検出の精度低下（脳波キャップの電極と被験者の頭皮との接触状態の変化による検出精度低下）に的確に対応して、脳波測定の精度を確保する必要がある。このような技術として、例えば特許文献１（特開２０１７−０４２２６１）には、車両の運転者の生体アーチファクトの影響を除去した真正の脳波信号を取得するための発明が提案されている。また、特許文献２（特開２０１２−２８０）には、被験者の首振り運動による頸部筋電位に基づく脳波信号への影響を除去するための発明が提案されている。

特開２０１７−０４２２６１ 特開２０１２−２８０

しかしながら、上記のような従来の装置は、特定の状況におけるノイズ除去を行うものであって、様々な要因に基づく被験者の様々な状態変化に対処して、適切な脳波データの効率的な取得を可能とするものではない。

本発明は、以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、被験者の様々な状態によって生じる脳情報検出精度の低下に対して的確に対応することができ、各種推定や分析に適した形態に処理された脳情報を効率的に取得できる脳情報測定装置を提供することである。

前記目的を達成するため、本発明にあっては、次のような解決方法を採択している。すなわち、請求項１に記載のように、脳情報測定装置において、被験者の頭部の複数個所における脳情報を検出する脳情報検出手段と、前記脳情報から生体アーチファクトのノイズを除去するアーチファクト除去手段と、前記脳情報を用いた推定や分析の目的毎に用意された複数の空間フィルタからなる空間フィルタのセットを複数記憶したデータベースと、前記アーチファクト除去手段により生体アーチファクトのノイズが除去された脳情報を、前記データベースに記憶された空間フィルタのセットを用いて処理する脳情報処理手段と、前記被験者の状態を検出又は推定する被験者状態取得手段と、前記データベースに記憶された複数の空間フィルタのセットから、前記脳情報処理手段において使用される空間フィルタのセットを、前記被験者状態取得手段により検出又は推定された被験者の状態に応じて選択して設定するフィルタ設定手段とを備えた。

上記解決手法によれば、被験者の状態（頭部の運動や生理状態等）によって情報検出手段による検出結果が影響を受けた場合に、この被験者の状態に対応して、データベースに記憶された空間フィルタのセットから、適切な空間フィルタのセットが逐次選択される（適切な空間フィルタのセットへの差し替えがなされる）ので、被験者の状態が様々に変化した場合でも、各種推定や分析目的に適した脳情報（フィルタ処理後の脳情報）を効率的に取得することができる。また、空間フィルタのセットが、被験者の状態に対応した空間フィルタのセットに差し替えられるので、被験者の状態の変化への対応を、一括して効率的に行うことができる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載の通りである。すなわち、前記脳情報は、被験者の脳波であり、前記脳情報検出手段は、前記脳波による電流を検出する脳波検出手段である（請求項２対応）。この場合、被験者の頭部の動きや発汗等によって、脳波検出手段による検出のための電極に検出精度の低下（電極と頭皮の接触状態の変化）が生じたとしても、空間フィルタの差し替えによって、電流検出精度の低下の影響が適切に吸収されるので、脳波に基づく各種推定や分析を適切に行うことが可能となる。

前記データベース内の空間フィルタは、学習により更新される（請求項３対応）。この場合、空間フィルタが、学習により最適化されていくので、より精度の良い脳情報の測定が可能となる。

前記被験者状態取得手段は、前記被験者の頭部の運動を検出する（請求項４対応）。この場合、被験者の頭部の運動（首振り運動、上下の動き等）に基づく検出精度低下（例えば脳波検出手段における電極のずれや浮き）に適切に対応できる。

前記被験者状態取得手段は、前記被験者の発汗状態を検出する（請求項５対応）。この場合、被験者の発汗に基づく検出精度低下（例えば脳波検出手段における電極と頭皮の接触抵抗の変化）に適切に対応できる。

前記被験者は、乗り物の乗員であり、前記被験者状態取得手段は、前記乗り物の周辺環境に基づいて前記被験者状態を推定する（請求項６対応）。この場合、例えば地図情報や車外カメラ等によって取得される乗り物の周辺環境に基づいて被験者状態が効率的に推定されるので、効率的なフィルタの設定を行うことができる。

前記被験者は、乗り物の乗員であり、前記被験者状態取得手段は、前記乗り物の内部環境に基づいて前記被験者状態を推定する。（請求項７対応）。この場合、乗り物の内部環境（例えば車室内の温度）に基づいて被験者状態が効率的に推定されるので、効率的なフィルタの設定を行うことができる。

本発明によれば、被験者の状態に基づく脳情報（脳波）の検出精度の低下が、脳情報処理のための空間フィルタの差し替えによって適切に修正（吸収）されるので、各種推定や分析に用いる脳情報を適切かつ効率的に取得できる。

本発明の概略を説明するための車室内の状態を示す側面図。 本発明の制御系の一例を示すブロック構成図。 空間フィルタのイメージを示す図であり、デフォルト状態（初期状態）における空間フィルタのセットを示す。 空間フィルタのイメージを示す図であり、ドライバが首振りをした状態における空間フィルタのセットを示す。 空間フィルタのイメージを示す図であり、ドライバが右側に発汗した状態における空間フィルタのセットを示す。 本発明の脳情報測定の制御フローの一例を示すフローチャート。

以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。

図１には、本発明の脳情報測定装置が備えられた車両の車室内を示す。図示されるように、車両Ｖには、運転席ＳＳ、ステアリングハンドル１、インストルメントパネル２、フロントウインドウガラス３が備えられ、被験者である車両のドライバＪが、運転席ＳＳに着座している。

ドライバＪの頭部には、脳波を計測するための脳波計測器１０（本実施形態では、ヘルメット式の脳波キャップ）が装着されている。脳波計測器１０には、複数（例えば６４個）の電極１０ａが備えられており、脳波の微小電圧をストリーミングすることにより、脳波データが取得されるようになっている。この場合、複数の電極１０ａは、ドライバＪの頭部の特定部位に配置され、複数の特定部位における脳波の検出が行なわれるようになっている。

脳波計測器１０には、加速度センサ１１が設けられており、ドライバＪの頭部運動（首振り運動、上下運動）が、加速度センサ１１によって検知されるようになっている。また、脳波計測器１０には、図示されない発汗センサも設けられており、ドライバＪの頭部の発汗状態も検知できるようになっている。さらに、インストルメントパネル２には、車内カメラ１２が設けられており、ドライバＪの状態（挙動）は、車内カメラ１２によっても検知できるようになっている。

図２には、本発明のドライバ脳情報測定装置の制御系の一例をブロック構成図で示している。図示されるように、制御系は、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラ（制御ユニット）Ｕを備えている。コントローラＵには、脳波検出手段である脳波計測器１０、ドライバ状態検出手段２１からの信号が入力される。また、コントローラＵは、データベース２２に接続されている。

ドライバ状態検出手段２１は、ドライバＪの状態（例えば頭部の運動状態、発汗状態）を検出する装置であり、加速度センサ１１、発汗センサ、車内カメラ１２等から構成されている。また、車外を撮影するカメラや地図情報等から得られる車両の周辺環境（例えば交通状況）や、車室の温度等の車両の内部環境も、ドライバＪの状態を推定するための情報となり得る。したがって、車両の周辺環境を検出（提供）する各種装置（例えば地図情報を有するナビゲーション装置等）や、車両の内部環境を検出（提供）する各種装置（例えば車室温度を計測する温度計、ステアリングに埋め込んだ生体センサ等）も、ドライバ状態検出手段２１に含まれる。

コントローラＵには、脳波信号取得手段３１、アーチファクト除去手段３２、フィルタ処理手段３３、ドライバ状態取得手段３４、空間フィルタ設定手段３５が設けられている。脳波信号取得手段３１は、脳波計測器１０の各電極１０ａにより検出された脳波信号のストリーミングデータを取得する。アーチファクト除去手段３２は、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ等から構成され、脳波信号のストリーミングデータから、筋電等の生体アーチファクトのノイズを除去するものである。

フィルタ処理手段３３は、脳波信号のストリーミングデータを空間フィルタを用いて処理することにより、脳波信号を、各種分析や推定に適した形態へと処理する手段である。この場合に使用される空間フィルタは、空間フィルタ設定手段３５により設定された空間フィルタが利用されるが、初期設定においては、デフォルトの空間フィルタが利用されることになる。

図３から図５には、空間フィルタのイメージを示す。図示されるように、本実施形態における空間フィルタとしては、脳波を用いた各種分析や推定（例えば被験者の感情の推定）の目的（用途１〜３）毎に設けられた３個のフィルタのセットが採用されている。なお、各セットにおける空間フィルタの個数は、特に限定されず、更に多数の空間フィルタからなるセットを用いることも可能である。また、各用途に対応する空間フィルタは、説明を簡明にするため、1つの用途に対して1つのフィルタが対応するようになっているが、1つの用途に対して複数のフィルタを用いることも可能である。

用途１から用途３の各空間フィルタにおいて、円形は被験者（運転者Ｊ）の頭部５０を表している。また、頭部５０内に描かれた等高線５１〜５９、５１ａ〜５９ａ、５１ｂ〜５９ｂは、空間フィルタ処理における脳波信号への重み付けを表現したものである。すなわち、各チャンネル（電極１０ａが配置された特定部位）において検出された脳波信号は、等高線５１〜５９等で区切られた領域毎に異なる重み付けをもって重ね合わせられることにより、分析や推定のための脳波データが、各空間フィルタ毎に算出されることになる。

このように空間フィルタにより処理された脳波データは、空間フィルタの個数分のセットとして得られるが、これらの脳波データから、脳波を用いた各種分析や推定（例えば被験者の感情の推定）の目的に応じて、適切な脳波データが選択されて利用されることになる。すなわち、セット内の各空間フィルタは、分析や推定の目的（用途）毎に適切な脳波データが得られるように設定されており、各用途に対応する空間フィルタで処理された脳波データを用いて、脳波解析手段４０による解析がなされるようになっている。

このような空間フィルタによる処理において、被験者であるドライバＪの状態が通常の状態（例えば、ぼんやりと前方を見ている状態で、特に首振り動作等を行っていない場合）には、図３に示すデフォルトの空間フィルタのセットを用いればよい。デフォルトの空間フィルタセットは、用途毎に必要な脳情報の抽出部位を中心とし、中心から左右均等な形状の等高線で表現される重みづけとなるよう設定したものである。

これに対して、ドライバＪが頭部を動かした場合や、発汗した場合等には、脳波計測器１０の電極１０ａとドライバＪの頭皮の接触状態が変化（悪化）し、取得される脳波信号のストリーミングデータに悪影響が生じてしまうことがある。例えば、ドライバＪが安全確認等で左右に首振り動作を行うと、電極１０ａの位置が頭部の特定部位からずれたり、電極１０ａが頭皮から浮いてしまい、接触抵抗が大きく変化してしまうことがある。また、ドライバＪが発汗すると、ドライバＪの頭皮の状態は変化するので、電極１０ａと頭皮の接触抵抗は変化する。

本実施形態においては、このような状況に対応すべく、空間フィルタ設定手段３５は、ドライバ状態に応じて、フィルタ処理に用いられる空間フィルタのセットを差し替える（或いは補正する）ことにより、フィルタ処理後の脳波データに、ドライバ状態による悪影響が生じないようにし、脳波データを各種分析や推定に適切に利用できるようにする（分析目的毎に設定された空間フィルタの番号をそのまま利用できるようにする）。

詳しく説明すると、ドライバ状態は、ドライバ状態検出手段２１からの検出データに基づいて、ドライバ状態取得手段３４により取得される。この場合、ドライバ状態取得手段３４により取得されるドライバ状態には、加速度センサ１１により検出されるドライバＪの頭部の運動（首振り運動、頭部の上下動）や、発汗センサによって検出されるドライバＪの発汗状態のように、直接的に検出されるだけではなく、車両の周辺環境や内部環境に関する情報から間接的に推定され得る。例えば、地図情報を有するナビゲーション装置によって、ドライバの首振りが発生する場所（例えば交差点）を車両が走行することが提供されたならば、この情報に基づいて、ドライバＪの首振り運動を推定することもできる。

このように取得されたドライバ状態に対して、空間フィルタ設定手段３５は、データベース２２から、このドライバ状態に対応する空間フィルタのセットを選び出す。すなわち、データベース２２には、ドライバ状態毎に差し替え板の空間フィルタのセットが記憶（蓄積）されており、空間フィルタ設定手段３５は、ドライバ状態の変化に対応して、逐次、その時点のドライバ状態に対応した空間フィルタのセットを選び出して、フィルタ処理手段３３で使用される空間フィルタのセットとして設定する。

具体的に、ドライバが首振りをした場合には、図３のデフォルトの空間フィルタのセットに代えて、図４に示す首振りが発生したドライバ状態向けの空間フィルタのセットが選択される。図４（状態２）の空間フィルタでは、首振り時に発生する、頭部の左右後方の頸部筋活動に伴う筋電位が脳情報に混入することを避けるよう、等高線５１ａ〜５９ａが設定される。具体的には、各用途における脳情報の抽出中心を頭部前方側に所定量オフセットし、さらに、頭部の左右後方の重み付けが少なくなるように等高線５１ａ〜５９ａが歪んで設定されている。

また、ドライバが頭部に右側に発刊した場合には、図３のデフォルトの空間フィルタのセットに代えて、図５に示す頭部右側に発汗が発生したドライバ状態向けの空間フィルタが選択される。図５（状態3）の空間フィルタでは、頭部右側の発汗発生部位の重み付けが少なくなるように等高線５１ｂ〜５９ｂが歪んで設定されている。

なお、データベース２２に蓄積されている空間フィルタのデータは、脳波解析手段４０による解析結果等のフィードバックを受けて、学習による最適化がなされるようになっている。

このように、本実施形態の脳波測定装置によれば、ドライバ状態の変化に基づく脳波信号の変化に対して、空間フィルタのセットを差し替えるだけで、一括して対応することができるので、ドライバ状態が様々に変化したとしても、分析や推定に適切に利用できる脳波データを、極めて効率的に取得することができる。

次に、図６のフローチャートにしたがって、本発明の脳波測定の制御フローの一例を説明する。脳波測定においては、まずステップＳ１において、脳波計測器１０からの脳波データ（脳波信号のストリーミングデータ）を取得する。続くステップＳ２においては、ドライバ状態検出手段２１からの検出データに基づいて、ドライバ状態が推定される。

ステップＳ３においては、データベース２２から、推定されたドライバ状態に対応する空間フィルタのセットを選び出して、フィルタ処理に利用される空間フィルタのセットとして設定する。ステップＳ４においては、設定された空間フィルタを脳波データに適用して、解析用の脳波データを得て、続くステップＳ５において、脳波データの解析を実行する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲において適宜の変更が可能である。

本発明は、自動車等の車両における乗員の脳波測定のために利用できる。

Ｖ 車両
ＳＳ 運転席
Ｊ ドライバ
Ｕ コントローラ
１０ 脳波計測器
１０ａ 電極
１１ 加速度センサ
１２ 車内カメラ
２１ ドライバ状態検出手段
２２ データベース
３１ 脳波信号取得手段
３２ アーチファクト除去手段
３３ フィルタ処理手段
３４ ドライバ状態取得手段
３５ 空間フィルタ設定手段
４０ 脳波解析手段
５０ 頭部
５１〜５９ 等高線
５１ａ〜５９ａ 等高線
５１ｂ〜５９ｂ 等高線

Claims (7)

1. 被験者の頭部の複数個所における脳情報を検出する脳情報検出手段と、
   前記脳情報から生体アーチファクトのノイズを除去するアーチファクト除去手段と、
   前記脳情報を用いた推定や分析の目的毎に用意された複数の空間フィルタからなる空間フィルタのセットを複数記憶したデータベースと、
   前記アーチファクト除去手段により生体アーチファクトのノイズが除去された脳情報を、前記データベースに記憶された空間フィルタのセットを用いて処理する脳情報処理手段と、
   前記被験者の状態を検出又は推定する被験者状態取得手段と、
   前記データベースに記憶された複数の空間フィルタのセットから、前記脳情報処理手段において使用される空間フィルタのセットを、前記被験者状態取得手段により検出又は推定された被験者の状態に応じて選択して設定するフィルタ設定手段と
   を備えた脳情報測定装置。
2. 請求項１に記載の脳情報測定装置において、
   前記脳情報は、被験者の脳波であり、前記脳情報検出手段は、前記脳波による電流を検出する脳波検出手段である脳情報測定装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の脳情報測定装置において、
   前記データベース内の空間フィルタは、学習により更新される脳情報測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の脳情報測定装置において、
   前記被験者状態取得手段は、前記被験者の頭部の運動を検出する脳情報測定装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の脳情報測定装置において、
   前記被験者状態取得手段は、前記被験者の発汗状態を検出する脳情報測定装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の脳情報測定装置において、
   前記被験者は、乗り物の乗員であり、
   前記被験者状態取得手段は、前記乗り物の周辺環境に基づいて前記被験者状態を推定する脳情報測定装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の脳情報測定装置において、
   前記被験者は、乗り物の乗員であり、
   前記被験者状態取得手段は、前記乗り物の内部環境に基づいて前記被験者状態を推定する脳情報測定装置。

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