JP7224032B2 - Estimation device, estimation program and estimation method - Google Patents
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この発明は推定装置、推定プログラムおよび推定方法に関し、特にたとえば、会話の話題について被験者が認識している困難性の高低を推定する、推定装置、推定プログラムおよび推定方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an estimation device, an estimation program, and an estimation method, and more particularly to an estimation device, an estimation program, and an estimation method for estimating, for example, the degree of difficulty recognized by a subject regarding a topic of conversation.
この種の推定装置の一例が特許文献1に開示される。特許文献1には、ユーザの視線と脳機能とを計測することにより、心理状態を判別し、判別された心理状態に基づき、課題の呈示内容を変化させる刺激呈示システムが開示される。
An example of this type of estimating device is disclosed in
上記の引用文献1の刺激呈示システムでは、ユーザの心理状態を判別するために、ユーザの視線を計測している。この刺激呈示システムを、被験者がコミュニケーション対象と会話する場合の当該被験者の認知負荷の大きさを推定するシステムに適用する場合には、計測した視線の情報は認知負荷の大きさを推定する要素として使用することができない。コミュニケーション対象に視線を向けているかどうかと、コミュニケーション対象の会話を聞いたり理解したりしているかどうかとは関係が無いからである。
The stimulus presentation system of Cited
それゆえに、この発明の主たる目的は、新規な、推定装置、推定プログラムおよび推定方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, a primary object of the present invention is to provide a novel estimation device, estimation program and estimation method.
この発明の他の目的は、脳活動に基づいて会話中における被験者の認知負荷の大きさを推定することができる、推定装置、推定プログラムおよび推定方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide an estimation device, an estimation program, and an estimation method capable of estimating the degree of cognitive load of a subject during conversation based on brain activity.
第1の発明は、コミュニケーション対象と会話する被験者の脳血流量に基づいて、当該被験者が話題に対して知覚する認知負荷の高低を推定する推定装置であって、認知課題を遂行する被験者の脳血流量についての信号である脳血流量信号を取得する取得手段と、取得手段によって取得された脳血流量信号の第1所定時間毎の差分エントロピーのベクトルをそれぞれ算出する算出手段と、算出手段によって算出された差分エントロピーのベクトルを、K平均法を用いて認知課題に対する認知負荷の高低の異なる所定数のクラスにクラスタリングしてクラスタ空間を構築する構築手段と、取得手段によって、クラスタ空間の構築における被験者がコミュニケーション対象と会話するときの脳血流信号を取得し、取得された当該脳血流量信号の差分エントロピーのベクトルを算出手段によって算出し、当該差分エントロピーのベクトルが当該クラスタ空間において属する所定数のクラスのうちの1つのクラスを判定することにより、当該被験者の会話中の内容についての認知負荷度を推定する推定手段を備え、算出手段は、第1所定時間分の脳血流量信号を第2所定時間毎の重複しない区分に分離し、当該区分毎の被験者の前頭前野活動の分散を用いて所定の確率分布の場合の差分エントロピーのベクトルを算出する、推定装置である。 A first invention is an estimation device for estimating the degree of cognitive load perceived by a subject for a topic based on the cerebral blood flow of the subject who has a conversation with a communication target, wherein the brain of the subject who performs a cognitive task Acquisition means for acquiring a cerebral blood flow signal that is a signal about blood flow; calculation means for calculating a vector of differential entropy of the cerebral blood flow signal acquired by the acquisition means for each first predetermined time; A construction means for constructing a cluster space by clustering the calculated differential entropy vector into a predetermined number of classes with different levels of cognitive load for the cognitive task using the K-means method, and an acquisition means. Acquiring a cerebral blood flow signal when a subject converses with a communication target, calculating a differential entropy vector of the acquired cerebral blood flow signal by a calculating means, and calculating a predetermined number to which the differential entropy vector belongs in the cluster space estimating means for estimating the degree of cognitive load regarding the content of the subject's conversation by determining one of the classes , the calculating means calculating the cerebral blood flow signal for a first predetermined time An estimator that separates into non-overlapping segments of a second predetermined time interval and calculates a differential entropy vector for a given probability distribution using the variance of the subject's prefrontal cortex activity for each segment.
第2の発明は、第1の発明に従属し、取得手段は、被験者の前頭前野の左側方の部分における脳血流量信号を取得する。 A second invention is according to the first invention, wherein the acquisition means acquires a cerebral blood flow signal in a left side portion of the prefrontal cortex of the subject.
第3の発明は、第1または第2の発明に従属し、推定手段によって推定された認知負荷度の情報を会話中の内容に関連して記憶する情報記憶手段をさらに備える。 A third invention is according to the first or second invention, and further comprises information storage means for storing information on the degree of cognitive load estimated by the estimation means in relation to the content of the conversation.
第4の発明は、第3の発明に儒属し、コミュニケーション対象は会話エージェントであり、情報記憶手段によって記憶された情報に基づいて会話エージェントが提供する話題を選択する話題選択手段をさらに備える。 A fourth invention belongs to the third invention, wherein the communication target is the conversation agent, and further comprising topic selection means for selecting a topic provided by the conversation agent based on the information stored by the information storage means.
第5の発明は、コミュニケーション対象と会話する被験者の脳血流量に基づいて、当該被験者が話題に対して知覚する認知負荷の高低を推定するコンピュータによって実行される推定プログラムであって、コンピュータのプロセッサに、認知課題を遂行する被験者の脳血流量についての信号である脳血流量信号を取得する取得ステップと、取得ステップにおいて取得した脳血流量信号の第1所定時間毎の差分エントロピーのベクトルをそれぞれ算出する算出ステップと、算出ステップにおいて算出した差分エントロピーのベクトルを、K平均法を用いて認知課題に対する認知負荷の高低の異なる所定数のクラスにクラスタリングしてクラスタ空間を構築する構築ステップと、取得ステップにおいて、クラスタ空間の構築における被験者がコミュニケーション対象と会話するときの脳血流信号を取得し、取得した当該脳血流量信号の差分エントロピーのベクトルを算出ステップにおいて算出し、当該差分エントロピーのベクトルが当該クラスタ空間において属する所定数のクラスのうちの1つのクラスを判定することにより、当該被験者の会話中の内容についての認知負荷度を推定する推定ステップを実行させ、算出ステップは、第1所定時間分の脳血流量信号を第2所定時間毎の重複しない区分に分離し、当該区分毎の被験者の前頭前野活動の分散を用いて所定の確率分布の場合の差分エントロピーのベクトルを算出する、推定プログラムである。 A fifth invention is an estimation program executed by a computer for estimating the degree of cognitive load perceived by a subject with respect to a topic based on the cerebral blood flow of the subject who has a conversation with a communication target, the computer processor an acquisition step of acquiring a cerebral blood flow signal, which is a signal about the cerebral blood flow of a subject performing a cognitive task; A construction step of constructing a cluster space by clustering the differential entropy vector calculated in the calculation step into a predetermined number of classes with different levels of cognitive load for the cognitive task using the K-means method, and obtaining In the step, acquiring a cerebral blood flow signal when the subject converses with the communication target in constructing the cluster space, calculating a differential entropy vector of the acquired cerebral blood flow signal in the calculating step, and calculating the differential entropy vector An estimating step of estimating the degree of cognitive load regarding the content of the conversation of the subject by determining one class among a predetermined number of classes belonging to the cluster space , and the calculating step includes a first predetermined Separating the cerebral blood flow signal for the hour into non-overlapping sections of a second predetermined time interval, and calculating a differential entropy vector for a predetermined probability distribution using the variance of the subject's prefrontal cortex activity for each section. It is an estimation program.
第6の発明は、コミュニケーション対象と会話する被験者の脳血流量に基づいて、当該被験者が話題に対して知覚する認知負荷の高低を推定するコンピュータの推定方法であって、(a)認知課題を遂行する被験者の脳血流量についての信号である脳血流量信号を取得するステップと、(b)ステップ(a)において取得した脳血流量信号の第1所定時間毎の差分エントロピーのベクトルをそれぞれ算出するステップと、(c)ステップ(b)において算出した差分エントロピーのベクトルを、K平均法を用いて前記認知課題に対する前記認知負荷の高低の異なる所定数のクラスにクラスタリングしてクラスタ空間を構築するステップと、(d)ステップ(a)において、クラスタ空間の構築における被験者がコミュニケーション対象と会話するときの脳血流信号を取得し、取得した当該脳血流量信号の差分エントロピーのベクトルをステップ(b)において算出し、当該差分エントロピーのベクトルが当該クラスタ空間において属する所定数のクラスのうちの1つのクラスを判定することにより、当該被験者の会話中の内容についての認知負荷度を推定するステップを含み、ステップ(b)は、第1所定時間分の脳血流量信号を第2所定時間毎の重複しない区分に分離し、当該区分毎の被験者の前頭前野活動の分散を用いて所定の確率分布の場合の差分エントロピーのベクトルを算出する、推定方法である。 A sixth invention is a computer estimation method for estimating the degree of cognitive load perceived by a subject for a topic based on the cerebral blood flow of the subject who has a conversation with a communication target, comprising: (a) performing a cognitive task; (b) calculating a differential entropy vector of the cerebral blood flow signal obtained in step (a) for each first predetermined time period; (c) constructing a cluster space by clustering the vector of differential entropy calculated in step (b) into a predetermined number of classes with different levels of cognitive load for the cognitive task using the K-means method; and (d) acquiring a cerebral blood flow signal when the subject in constructing the cluster space converses with the communication target in step (a), and converting the differential entropy vector of the acquired cerebral blood flow signal into step (b). ), and estimating the degree of cognitive load for the content of the conversation of the subject by determining one class out of a predetermined number of classes to which the differential entropy vector belongs in the cluster space step (b) separates the cerebral blood flow signal for the first predetermined time period into non-overlapping sections of the second predetermined time period, and uses the variance of the prefrontal cortex activity of the subject for each section to obtain a predetermined probability distribution It is an estimation method that computes the differential entropy vector for .
この発明によれば、脳活動に基づいて会話中における被験者の認知負荷の大きさを推定することができる。 According to the present invention, it is possible to estimate the magnitude of the subject's cognitive load during conversation based on brain activity.
この発明の上述の目的,その他の目的,特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。 The above object, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the embodiments with reference to the drawings.
<第1実施例>
図1は第1実施例の推定システム10の電気的な構成を示すブロック図である。推定システム10は、推定装置12を含み、推定装置12は、表示装置14、A/D変換器16およびロボット20に接続される。また、A/D変換器16は、脳活動計測装置18に接続される。後述するように、推定システム10に含まれるロボット20は、被験者と会話するために設けられ、推定装置12で決定された話題および発話内容に従って音声を出力する。つまり、推定システム10は会話システムとしても機能し、推定装置12は会話制御装置としても機能する。
<First embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing the electrical configuration of the
なお、図1に示す推定システム10の電気的な構成は単なる一例であり、限定されるべきでない。たとえば、推定装置12は表示装置14を含んでいてもよい。また、後述するように、脳血流量信号に基づいて算出された差分エントロピーのベクトルが推定装置12に入力されればよいため、A/D変換器16および脳活動計測装置18は推定装置12に接続されていなくてもよい。
Note that the electrical configuration of the
推定装置12は、汎用のパーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータであり、CPU30を含み、CPU30は、内部バスを介して、HDD32、RAM34、表示制御部36、入力装置38、入出力インターフェース(以下、「入出力I/F」という)40および通信回路42に接続される。表示装置14は、表示制御部36に接続され、A/D変換器16は、入出力I/F40に接続される。
The estimation device 12 is a computer such as a general-purpose personal computer or a workstation, and includes a
HDD32は、推定装置12の主記憶装置であり、オペレーティングシステムおよび各種のアプリケーションプログラムを記憶する。RAM34は、揮発性のメモリであり、CPU30のワーキング領域およびバッファ領域として使用される。
The
表示制御部36は、表示装置14のドライバであり、CPU30の制御の下で、認知負荷の大きさ(高低)、具体的には、コミュニケーション(雑談または会話)の内容について知覚された困難性を推定した推定結果などを表示するための表示信号を出力する。
The
入力装置38は、キーボード、コンピュータマウスおよびタッチパッド(またはタッチパネル)の少なくとも1つを意味する。
入出力I/F40は、A/D変換器16からの信号を受信する。A/D変換器16は、脳活動計測装置18から入力されるアナログの信号を増幅するとともに、デジタルの信号に変換して、入出力I/F40を介してCPU30に入力する。ただし、この第1実施例では、脳活動は、前頭前野の活動である。(また、脳活動計測装置18から入力されるアナログの信号は、脳血流量についての信号(以下、「脳血流量信号」という)である。
The input/output I/
なお、図1では、A/D変換器16と入出力I/F40を有線接続するように記載してあるが、A/D変換器16を脳活動計測装置18に内蔵し、脳活動計測装置18と入出力I/F40を無線接続するようにしてもよい。
1 shows that the A/
脳活動計測装置18は、近赤外分光法(NIRS)を用いた脳の活動状態の計測装置であり、生体組織透過性が高い近赤外光を頭皮上から照射し、ヘモグロビンの濃度変化を計測する。簡単に説明すると、脳活動計測装置18から照射された近赤外光は生体組織により散乱され、散乱された近赤外光の一部は、被験者の頭蓋骨の内側に存在する大脳皮質を経由し、反射光として再び頭皮へ到達する。この到達位置は、成人の場合、光照射位置から約30mm離れていることが知られている(参考文献1:Li, T., Luo, Q. & Gong, H. Gender-specific hemodynamics in prefrontal cortex during a verbal working memory task by near-infrared spectroscopy. Behavioural Brain Research, 209, 148-153 (2010))。ここで、近赤外光は血液中のヘモグロビンにより吸収されるため、上記の到達位置で検出された反射光強度の変化は、脳活動によるヘモグロビンの濃度変化に反映する。これにより、脳血流量が検出される。
The brain
この第1実施例の脳活動計測装置18は、図2(A)に示すように、上方または下方から見た場合にC字状に形成されたヘアバンドのような外観を有し、内側の面に近赤外光の発光部および反射光の受光部が設けられる(図2(B)参照)。
As shown in FIG. 2A, the brain
脳活動計測装置18は、被験者の前頭部に照射部および受光部が接触または対向するように装着される(図2(A)、(B)および図3参照)。図2(B)に示すように、脳活動計測装置18は、2つの照射部TL、TRと、4つの受光部L1、L3、R1、R3が設けられる。照射部TLに対する受光部L1の距離は10mmであり、照射部TLに対する受光部L3の距離は30mmである。また、照射部TRに対する受光部R1の距離は10mmであり、照射部TRに対する受光部R3の距離は30mmである。照射部TLから照射された近赤外光の反射光は受光部L1およびL3で受光され、照射部TRから照射された近赤外光の反射光は受光部R1およびR3で受光される。
The brain
なお、脳活動計測装置18としては、株式会社NeU製の携帯型脳活動計測装置(ウェアラブル光トポグラフィシステム)「HOT-1000」を用いることができる。この場合、受光部は、左右に1つずつ設けられ、スライド式で計測位置(照射部との距離)が調整される。
As the brain
図4は脳波検出装置として機能するブレインキャップに設けられる複数の電極の配置位置とこの電極の配置位置に照射部TL、TRと受光部L1、L3、R1、R3の配置位置を重ねて記載した図である。ただし、図4では、ブレインキャップに設けられる電極は丸で示され、照射部TL、TRおよび受光部L1、L3、R1、R3は四角で示される。 FIG. 4 shows the arrangement positions of a plurality of electrodes provided on a brain cap functioning as an electroencephalogram detection device, and the arrangement positions of the irradiation units TL and TR and the light receiving units L1, L3, R1 and R3 superimposed on the arrangement positions of the electrodes. It is a diagram. However, in FIG. 4, the electrodes provided on the brain cap are indicated by circles, and the irradiation parts TL, TR and the light receiving parts L1, L3, R1, R3 are indicated by squares.
複数の電極は、図4に示すように、国際10-20法に基づいて配置されている。この図4では、被験者がブレインキャップを装着した場合の複数の電極の配置状態を被験者の頭部の上方から見た状態が模式的に示される。図4においては、照射部TLは電極F7の右斜め上方に配置され、照射部TRは電極F8の左斜め上方に配置される。受光部L1は電極FP1の左側に配置され、受光部L3は電極FP1の右側に配置される。受光部L1は電極FP1の左側に配置され、受光部L3は電極FP1の右側に配置される。 The multiple electrodes are arranged according to the International 10-20 method, as shown in FIG. FIG. 4 schematically shows the arrangement of a plurality of electrodes when the subject wears the brain cap, viewed from above the subject's head. In FIG. 4, the irradiation unit TL is arranged diagonally above the electrode F7 to the right, and the irradiation unit TR is arranged diagonally above the electrode F8 to the left. The light receiving portion L1 is arranged on the left side of the electrode FP1, and the light receiving portion L3 is arranged on the right side of the electrode FP1. The light receiving portion L1 is arranged on the left side of the electrode FP1, and the light receiving portion L3 is arranged on the right side of the electrode FP1.
脳活動計測装置18で検出される脳血流量信号は、上述したように、A/D変換器16で増幅およびデジタル変換されて、推定装置12に与えられる。
A cerebral blood flow signal detected by the brain
この第1実施例では、10.0Hzのサンプリングレートで810nmの波長のレーザ光を放射(発光)することによって全血流量を検出することにより、前頭葉の活動が記録される。 In this first example, frontal lobe activity is recorded by detecting total blood flow by emitting laser light with a wavelength of 810 nm at a sampling rate of 10.0 Hz.
記憶および言語処理中の脳領域の活性化に関する研究では、両方の性別、特に女性において、より高い特異性を有する左側方活性化が示唆されている(参考文献2:Cooper, R., Selb, J., Gagnon, L., Phillip, D., Schytz, H.W., Iversen, H.K., Ashina, M. & Boas, D.A. A systematic comparison of motion artifact correction techniques for functional near-infrared spectroscopy, Frontiers in Neuroscience, 6, p. 147 (2012))。 Studies on the activation of brain regions during memory and language processing suggest a more specific left lateral activation in both genders, especially females (Ref. 2: Cooper, R., Selb, J., Gagnon, L., Phillip, D., Schytz, H.W., Iversen, H.K., Ashina, M. & Boas, D.A. A systematic comparison of motion artifact correction techniques for functional near-infrared spectroscopy, Frontiers in Neuroscience, 6, 147 (2012)).
この第1実施例では、脳血流量信号として、上記の参考文献1および2に基づいて、受光部L3の出力に基づく信号が検出される。つまり、前頭前野のうちの左側方部分についての脳血流量が検出される。
In this first embodiment, a signal based on the output of the light receiving section L3 is detected as the cerebral blood flow signal based on the
また、検出された脳血流量信号は、A/D変換器16で増幅およびデジタル変換され、増幅およびデジタル変換されたデータ(脳血流量データ)には、前処理が施される。この第1実施例では、前処理として、正規化処理、一次多項式バターワースフィルタによるフィルタリング、線形デトレンディングおよび主成分分析などが施される(実行される)。具体的には、脳血流量データから、ベースラインとして、1分の休止期間の平均値が差し引かれる。これにより、脳血流量データが正規化される。また、ローパスに0.01Hzを使用し、ハイパスに0.6Hzを使用して、一次多項式バターワースフィルタにより、正規化された脳血流量データがフィルタリングを施される。さらに、フィルタリングされた脳血流量データには、線形デトレンディングが施された後に、主成分分析が施される。つまり、脳血流データは、正規化されるとともに、アーティファクトを除去される。ただし、アーティファクトは、心臓の拍動、呼吸などの生理的アーティファクトと、頭部運動などの運動アーティファクトである。 ロボット20は、少なくとも音声によるコミュニケーションを実行可能なロボットである。詳細な説明は省略するが、この第1実施例では、ロボット20は、少なくとも、制御部、通信部および音声出力部を備え、推定装置12で決定された話題についての発話内容の音声を受信および出力し、被験者と会話を行う。つまり、ロボット20は、被験者のコミュニケーション対象である。
The detected cerebral blood flow signal is amplified and digitally converted by the A/
なお、ロボット20としては、本件の出願人が所属する機関が開発したロボビー(登録商標)を使用することができる。
As the
図3に示したように、コミュニケーション対象としてのロボット20と被験者は、所定の距離(この第1実施例では、1.4m)隔てた位置に、対面するように位置される。ロボット20は、床面、机または台の上に置かれて、ロボット20の顔に相当する部分が、椅子に座った被験者の顔と向かい合うように調整される。
As shown in FIG. 3, the
話題は、被験者に認知負荷を与える内容であり、一例として、京都の観光名所(寺院)、京都の観光名所(寺院までの案内)などである。たとえば、京都の観光名所(寺院)の話題では、ロボット20に、「京都の有名な寺院を3つ教えてください」、「京都の紅葉がきれいな寺院を教えてください」などを発話させる。また、京都の観光名所(寺院までの案内)の話題では、ロボット20に、「JR京都駅から清水寺へはどのような交通手段で行けば良いですか?」、「三条京阪駅から八坂神社へ歩いて行く道順を教えてください」などを発話させる。
Topics are contents that give cognitive load to subjects, and examples include tourist attractions in Kyoto (temples), tourist attractions in Kyoto (guidance to temples), and the like. For example, in the topic of sightseeing spots (temples) in Kyoto, the
京都の観光名所(寺院)と、京都の観光名所(寺院までの案内)とでは、前者の話題の方が後者の話題よりも認知負荷度は低いと思われる。このように会話の内容についての難易度すなわち認知負荷度が異なる話題が複数用意されており、推定装置12は後述する所定のルールに従って話題を選択し、ロボット20に発話させる。
It is thought that the topic of tourist attractions in Kyoto (temples) and the topic of tourist attractions in Kyoto (guidance to temples) have a lower cognitive load than the latter topic. In this way, a plurality of topics with different difficulty levels, ie, cognitive load levels, are prepared for the content of the conversation, and the estimating device 12 selects a topic according to a predetermined rule, which will be described later, and causes the
この第1実施例では、ロボット20と会話を行う被験者の脳血流量を検出し、脳血流量から特徴量を抽出し、抽出した特徴量に基づいて認知負荷の大きさ(以下、「認知負荷度」ということがある)を推定(または判定)し、認知負荷度に応じて話題を変更または維持する。ただし、認知負荷とは、作動記憶すなわちワーキングメモリに負荷を与える認知資源を意味する。また、ワーキングメモリとは、認知課題の遂行に関わる情報の一時的な貯蔵を意味する。
In this first embodiment, the cerebral blood flow rate of a subject who is conversing with the
また、この第1実施例では、被験者の認知負荷度を推定するための識別器として脳血流から抽出された特徴量が近いデータが集まり、いくつかのグループ(クラス)になっている空間であるクラスタ空間が構築される。クラスタ空間を構築するために、認知課題として音声によるNバック課題が用いられる。Nバック課題は、持続処理課題とも呼ばれ、N個前の提示刺激について回答する課題である。Nバック課題では、課題を暗記しづらく、慣れによる脳血流変化の低下が起き難いと考えられている。また、Nの値が大きくなるほど難易度が高くなるため、課題の難易度を容易に設定することができる。この第1実施例では、N=1または2に設定される。つまり、Nバック課題の難易度が2段階(低い、高い)に設定される。 In addition, in the first embodiment, as a discriminator for estimating the degree of cognitive load of the subject, data with similar feature amounts extracted from cerebral blood flow are collected, and in a space in which several groups (classes) are formed. A cluster space is constructed. In order to construct the cluster space, a speech N-back task is used as a cognitive task. The N-back task is also called a continuous processing task, and is a task to answer the stimulus presented N times before. In the N-back task, it is considered that it is difficult to memorize the task and that the change in cerebral blood flow due to habituation is unlikely to occur. In addition, since the difficulty level increases as the value of N increases, the difficulty level of the task can be easily set. In this first embodiment, N=1 or 2 is set. That is, the difficulty level of the N-back task is set to two levels (low, high).
推定装置12は、被験者がNバック課題を遂行するときの当該被験者の脳血流量信号を取得し、取得した脳血流量信号の特徴量(第1実施例では、差分エントロピー)に基づいてクラスタ空間を構築する。 The estimating device 12 acquires the cerebral blood flow signal of the subject when the subject performs the N-back task, and based on the feature amount (differential entropy in the first embodiment) of the acquired cerebral blood flow signal, cluster space to build.
特徴量として差分エントロピー(すなわち、連続確率変数の平均情報量)を採用するのは、発明者等の研究(参考文献3および参考文献4)により、差分エントロピーが、ヒト被験者の前頭前野(PFC)活動の機能的近赤外分光法による時系列データの分類に主に使用される特徴空間よりも著しく優れていることを示すからである。 The reason for adopting differential entropy (that is, the average amount of information of continuous random variables) as a feature amount is that the inventors' research (references 3 and 4) shows that differential entropy is the prefrontal cortex (PFC) of human subjects. This is because we show that it is significantly superior to the feature spaces mainly used for classifying time-series data by functional near-infrared spectroscopy of activity.
ただし、参考文献3は、「Keshmiri S., Sumioka, H., Yamazaki, R. & Ishiguro, H. A Non-parametric Approach to the Overall Estimate of Cognitive Load Using NIRS Time Series, Frontiers in Human Neuroscience, 11, p.15 (2017).」であり、参考文献4は「Keshmiri S., Sumioka, H., Yamazaki, R. & Ishiguro, H. Differential Entropy Preserves Variational Information of Near-Infrared Spectroscopy Time Series Associated with Working Memory, Frontiers in Neuroinformatics, 12 (2018).」である。 However, Reference 3 is "Keshmiri S., Sumioka, H., Yamazaki, R. & Ishiguro, H. A Non-parametric Approach to the Overall Estimate of Cognitive Load Using NIRS Time Series, Frontiers in Human Neuroscience, 11, p.15 (2017)." Reference 4 is "Keshmiri S., Sumioka, H., Yamazaki, R. & Ishiguro, H. Differential Entropy Preserves Variational Information of Near-Infrared Spectroscopy Time Series Associated with Working Memory , Frontiers in Neuroinformatics, 12 (2018).”
ここで、この第1実施例において、クラスタ空間を構築する方法について詳細に説明する。この第1実施例では、1分の休止期間後に、被験者に対して第1所定時間(5分間)のNバック課題を遂行させる。1バックまたは2バックについてのタスクがそれぞれ実行され、被験者は、一連の数字(0~9の数字)の音声を聞きながら、1つ前または2つ前の数字を、画面に表示された数字から選択してクリックする。この所定時間における被験者の脳血流量信号が記録される。 Now, in this first embodiment, the method of constructing the cluster space will be described in detail. In this first embodiment, after a 1-minute rest period, the subject is asked to perform the N-back task for a first predetermined time (5 minutes). A task for 1 back or 2 back is performed, and the subject, while listening to the sound of a series of numbers (numbers 0 to 9), repeats the number one or two before from the number displayed on the screen. Select and click. A cerebral blood flow signal of the subject at this predetermined time is recorded.
記録された脳血流量信号をA/D変換した脳血流量データには、上述したように、前処理が施される。前処理が施されることにより、正規化およびアーティファクトを除去された脳血流量データは、図5に示すように、第2所定時間(たとえば、20秒)毎の重複しないセグメントに分離され、セグメント毎に、差分エントロピーのベクトルが数1および数2に従って算出される。
The cerebral blood flow data obtained by A/D converting the recorded cerebral blood flow signal is preprocessed as described above. The normalized and artifact-removed cerebral blood flow data, which has been preprocessed, is separated into non-overlapping segments every second predetermined time period (eg, 20 seconds) as shown in FIG. , a differential entropy vector is calculated according to
図5に示すように、各セグメントは、第3所定時間(たとえば、5秒)毎の重複しないサブセグメントに分離され、差分エントロピーのベクトルは、所定数M(この実施例では、4)の要素で構成される。つまり、この第1実施例では、セグメント毎の差分エントロピーのベクトルは、4次元のベクトルである。また、数1では、Hは着目するセグメントXの差分エントロピーのベクトルであり、Xiは着目するセグメントXにおけるi番目のサブセグメントを意味する。
As shown in FIG. 5, each segment is separated into non-overlapping sub-segments every third predetermined time (e.g., 5 seconds), and the vector of differential entropy has a predetermined number M (4 in this example) of elements consists of That is, in this first embodiment, the differential entropy vector for each segment is a four-dimensional vector. In
[数2]
[Number 2]
この第1実施例では、セグメント毎に算出されたすべての差分エントロピーのベクトルは、K-means法(K平均法)によってクラスタリングされる。具体的には、すべての差分エントロピーのベクトルは、Nバック課題に対する認知負荷度が低いクラス(「クラスC1」と呼ぶことがある)と高いクラス(「クラスC2」と呼ぶことがある)の2つのクラス(または、クラスタ)にクラス分けされる。つまり、音声によるNバック(N=1,2)課題による誘発認知負荷に応じて、近赤外分光法(NIRS)で検出される被験者の前頭前野活動についての特徴量の時系列データをK平均アルゴリズムを用いて、K個(この第2実施例では、2個)のクラスタに分類する。つまり、2個のクラスタを有するクラスタ空間が生成される。ただし、2個のクラスタのそれぞれの中心(または重心)のベクトルのノルムがそれぞれ算出され、値の小さい方のクラスがクラスC1に決定され、値の大きい方のクラスがクラスC2に決定される。 In this first embodiment, all differential entropy vectors calculated for each segment are clustered by the K-means method. Specifically, all differential entropy vectors are divided into two classes: a class with low cognitive load (sometimes called “class C1”) and a class with high cognitive load (sometimes called “class C2”) for the N-back task. classified into one class (or cluster). In other words, according to the cognitive load induced by the N-back (N = 1, 2) task with speech, the time-series data of the feature amount of the prefrontal cortex activity of the subject detected by near-infrared spectroscopy (NIRS) was K-meaned. An algorithm is used to classify into K (2 in this second example) clusters. That is, a cluster space having two clusters is generated. However, the norm of the vector of the center (or center of gravity) of each of the two clusters is calculated, and the class with the smaller value is determined as class C1, and the class with the larger value is determined as class C2.
なお、K平均法では、ベクトルの空間距離が近いものをK個のクラスタにクラス分けするため、難易度が低いNバック課題を遂行した場合に得られた差分エントロピーのベクトルがクラスC2に属する場合があり、また、難易度が高いNバック課題を遂行した場合に得られた差分エントロピーのベクトルがクラスC1に属する場合もある。 In the K-means method, vectors with close spatial distances are classified into K clusters. , and the vector of the differential entropy obtained when performing the N-back task with a high degree of difficulty may belong to class C1.
クラスタ空間が生成(構築)されると、上述したように、このクラスタ空間を用いて、推定装置12は、上記の被験者とロボット20が会話する場合の当該会話の内容(または話題)について当該被験者によって知覚される困難性すなわち認知負荷度を推定または判定する。
When the cluster space is generated (constructed), as described above, using this cluster space, the estimating device 12 determines the content (or topic) of the conversation between the subject and the
ここで、この第1実施例において、ロボット20と会話する被験者の認知負荷度を推定する方法について詳細に説明する。ただし、上述したクラスタ空間の構築と同じ処理については簡単に説明することにする。
Here, in the first embodiment, a method for estimating the degree of cognitive load of the subject conversing with the
ロボット20と会話する前に、被験者は1分間安静にした状態を維持する。つまり、構築の工程と同様に、1分の休止期間が設けられる。1分が経過すると、ロボット20は、所定のルールに従って被験者と会話する内容(話題)を選択し、音声により話題を提供する。この第1実施例では、所定のルールは、会話した履歴が有る被験者については、認知負荷度が高いと推定された話題(難しいと推定された話題)が選択され、会話した履歴が無い被験者については、ランダムに話題が選択される。
Before conversing with the
コミュニケーション対象であるロボット20との会話中では、脳活動計測装置18によって被験者の脳血流量が計測され、脳血流量信号がA/D変換器16を介して、推定装置12に入力される。推定装置12は、脳血流量信号を第2所定時間分(この第1実施例では、20秒)取得し、取得した20秒分の脳血流量信号をさらに第3所定時間(この第1実施例では、5秒)毎に分断し、分断したサブセグメント毎の分散を数2に従って算出し、数1に従ってサブセグメント毎の差分エントロピーが算出される。したがって、第2所定時間分の差分エントロピーのベクトルが算出される。そして、差分エントロピーのベクトルがクラスタ空間におけるクラスC1およびC2のいずれに属するかが判定される。具体的には、差分エントロピーのベクトルについてのクラスタ空間における位置が、クラスC1の重心およびクラスC2の重心のいずれに近いか判断され、近い方のクラスC1またはC2に属することが判定される。会話中、セグメント毎にクラスC1またはC2に属することが判定され、所定回数(この第1実施例では、9回)分の推定結果が得られた時点で、会話中の話題(すなわち、現在の話題)について被験者が知覚している困難性すなわち認知負荷度を推定する。所定回数分の推定結果について多数決を取り、多い方の推定結果が現在の話題についての認知負荷度として決定される。つまり、この第1実施例では、現在の話題について3分会話したときに、当該現在の話題についての認知負荷度が推定される。
During the conversation with the
また、推定装置12は、現在の話題について、今回の推定結果と過去の推定結果を比較し、推定結果が異なる場合には、推定結果を書き換える(つまり、更新する)。ただし、過去の推定結果が記載されていない新しい話題については、当該話題のデータに関連して今回の推定結果がメタ情報として記録される(つまり、ラべリングされる)。ここで、新しい話題とは、脳の負荷度を高める話題を意味し、推定システム10または推定装置12の管理者等によって追加される。
In addition, the estimation device 12 compares the current estimation result with the past estimation result for the current topic, and rewrites (that is, updates) the estimation result when the estimation results are different. However, for new topics for which past estimation results are not described, the current estimation results are recorded as meta information (that is, labeled) in relation to the topic data. Here, a new topic means a topic that increases the load on the brain, and is added by the administrator of the
さらに、推定装置12は、今回の推定結果として、被験者によって知覚された困難性が低いことを示す場合には、推定結果の履歴に基づいて話題を変更する。この第1実施例では、推定装置12は、現在の話題とは異なる他の話題であって、推定結果として難易度が高いことがメタ情報として記録(または、ラべリング)されている話題を選択する。難易度が高いことがメタ情報として記録されている他の話題が無い場合には、新しい話題が選択される。ただし、ロボット20が、現在の話題についての発話する内容をすべて発話した場合にも、話題を変更する。この場合、たとえば、ロボット20から話題の送信が要求される。
Furthermore, when the current estimation result indicates that the difficulty perceived by the subject is low, the estimation device 12 changes the topic based on the history of the estimation result. In this first embodiment, the estimating device 12 selects a topic different from the current topic and recorded (or labeled) as meta-information indicating that the difficulty level is high as an estimation result. select. If there is no other topic recorded as meta information indicating a high degree of difficulty, a new topic is selected. However, the topic is changed even when the
図6は図1に示した推定装置12に内蔵されるRAM34のメモリマップ300の一例を示す図である。図6に示すように、RAM34はプログラム記憶領域302およびデータ記憶領域304を含む。プログラム記憶領域302は、情報処理プログラムを記憶し、情報処理プログラムは、脳血流量取得プログラム302a、分散算出プログラム302b、差分エントロピー算出プログラム302c、構築プログラム302d、推定プログラム302eおよび発話制御プログラム302fなどを含む。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a memory map 300 of the
脳血流量取得プログラム302aは、脳活動計測装置18から出力され、A/D変換器16で増幅およびデジタル変換された脳血流量信号に対応する脳血流量データを取得するためのプログラムであり、CPU30は、取得した脳血流量信号をデータ記憶領域304に記憶する。
The cerebral blood
分散算出プログラム302bは、脳波血流量データのサブセグメント毎の分散を数2に従って算出するためのプログラムである。差分エントロピー算出プログラム302cは、分散算出プログラム302bに従って算出したサブセグメント毎の分散を用いて、脳血流量データのセグメント毎の差分エントロピーを数1に従って算出するためのプログラムである。
The
構築プログラム302dは、構築の工程において、全期間に含まれる全セグメントについて、差分エントロピー算出プログラム302cに従って算出したセグメント毎の差分エントロピーのベクトルをK平均法によりクラスタリングし、クラスタ空間を構築するためのプログラムである。この第1実施例では、上述したように、差分エントロピーのベクトルは、クラスC1またはクラスC2にクラス分けされる。
The
推定プログラム302eは、差分エントロピー算出プログラム302cに従って算出した推定の工程における被験者の脳血流量信号に基づく差分エントロピーのベクトルが、クラスC1に属するかクラスC2に属するかを判定し、所定回数分の推定結果に基づいて、現在の話題についての認知負荷度を推定するためのプログラムである。
The
発話制御プログラム302fは、所定のルールに従って、または、推定プログラム302eに従う推定結果に基づいて、話題を決定または変更し、決定または変更した話題についての音声データをロボット20に送信するためのプログラムである。
The
なお、図示は省略するが、プログラム記憶領域302には、コンピュータとしての推定装置12の動作を制御するために必要な他のプログラムも記憶される。
Although illustration is omitted, the
データ記憶領域304には、話題データ304a、脳血流量データ304b、差分エントロピーデータ304c、クラスタデータ304dおよび推定結果データ304eが記憶される。
The
話題データ304aは、ロボット20を通して被験者に提示する複数の話題の各々についての音声データであり、話題毎に発話内容に応じた複数の音声データが含まれる。ただし、過去に認知負荷度が推定されている話題については、推定された認知負荷度がメタ情報として記録されている(ラベリングされている)。
The
脳血流量データ304bは、脳活動計測装置18からA/D変換器16を介して入力され、前処理を施された脳血流量信号に対応するデータである。差分エントロピーデータ304cは、数1に従って算出されたセグメントについての差分エントロピーのベクトルについてのデータであり、構築の工程では、全期間に含まれる全セグメントについての差分エントロピーのベクトルについてのデータが含まれ、推定の工程では、所定回数分のセグメントについての差分エントロピーのベクトルについてのデータが含まれる。
The cerebral
クラスタデータ304dは、構築プログラム302dに従って構築されたクラスタ空間についてのデータであり、具体的には、クラスC1の重心位置とクラスC2の重心位置のデータである。推定結果データ304eは、推定プログラム302eに従って推定された現在の話題についての認知負荷度についてのデータである。
The
図示は省略するが、データ記憶領域304には、情報処理プログラムの実行に必要な他のデータが記憶されたり、情報処理プログラムの実行に必要なカウンタ(タイマ)およびフラグが設けられたりする。
Although not shown, the
図7は図1に示した推定装置12に内蔵されるCPU30の構築処理(構築の工程の処理)の一例を示すフロー図である。図7に示すように、CPU30は、構築処理を開始すると、ステップS1で、認知課題を遂行しているときの被験者の脳血流信号を取得する。ここでは、第1所定時間分(5分)の脳血流量信号が増幅およびデジタル変換され、さらに、前処理を施された脳血流量データが取得される。
FIG. 7 is a flowchart showing an example of construction processing (construction step processing) of the
次のステップS3では、セグメント単位で、サブセグメント毎の分散を数2に従って算出する。続いて、ステップS5では、セグメント毎の差分エントロピーのベクトルを算出する。ここでは、CPU30は、セグメント単位で、サブセグメント毎の差分エントロピーを数1に従って算出し、セグメント毎の差分エントロピーのベクトルを算出する。
In the next step S3, the variance for each sub-segment is calculated according to Equation 2 for each segment. Subsequently, in step S5, a differential entropy vector for each segment is calculated. Here, the
続くステップS7では、算出したすべての差分エントロピーのベクトルを、K平均法により、2つのクラスC1およびC2にクラスタリングする。そして、ステップS9で、クラスC1およびC2の重心位置すなわちクラスタデータ304dをデータ記憶領域304に記憶して、構築処理を終了する。
In the subsequent step S7, all the calculated differential entropy vectors are clustered into two classes C1 and C2 by the K-means method. Then, in step S9, the barycenter positions of classes C1 and C2, that is, the
図8は図1に示した推定装置12に内蔵されるCPU30の推定処理(推定の工程の処理)の一例を示すフロー図である。以下、推定処理について説明するが、図6に示した構築処理と同じ処理については簡単に説明する。
FIG. 8 is a flow chart showing an example of estimation processing (processing of an estimation step) of the
ロボット20が被験者と会話する場合に、1分の休止期間を経過すると、図8に示すように、CPU30は、推定処理を開始し、ステップS21で、暗示音声を聞いているときの被験者の脳血流量信号を取得する。ここでは、CPU30は、第2所定時間分の脳血流量データを取得する。
When the
次のステップS23では、第3所定時間毎の分散を算出し、ステップS25で、第2所定時間分の脳血流量信号についての差分エントロピーのベクトルを算出する。続いて、ステップS27で、現在の話題の認知負荷度を算出する。ここでは、所定回数分(この第1実施例では、9回分)の差分エントロピーのベクトルのそれぞれについてクラスC1およびC2つのいずれに属するかが判定され、所定回数分の推定結果から現在の話題の認知負荷度が多数決で決定される。 In the next step S23, the variance for each third predetermined time period is calculated, and in step S25, the differential entropy vector of the cerebral blood flow signal for the second predetermined time period is calculated. Subsequently, in step S27, the degree of cognitive load of the current topic is calculated. Here, it is determined whether each of the differential entropy vectors for a predetermined number of times (nine times in this first embodiment) belongs to the class C1 or C2, and the current topic is recognized from the estimation results for the predetermined number of times. The degree of load is determined by majority vote.
そして、ステップS29で、推定結果を出力して、推定処理を終了する。第1実施例では、推定結果はCPU30の発話制御処理部に出力される。
Then, in step S29, the estimation result is output, and the estimation process ends. In the first embodiment, the estimation result is output to the speech control processing section of the
なお、CPU30は、ロボット20が被験者との会話を終了するまで、話題が変更される度に、所定回数(この第1実施例では、9回)ずつ推定処理を実行する。
It should be noted that the
図9は図1に示した推定装置12に内蔵されるCPU30の発話制御処理の一例のフロー図である。図9に示すように、CPU30は、発話制御処理を開始すると、ステップS51で、上述した所定のルールに従って話題を選択する。次のステップS51では、ステップS51で選択した話題をロボット20に送信する。つまり、CPU30は、選択された話題についての発話内容の音声データをロボット20に送信する。
FIG. 9 is a flowchart of an example of speech control processing of the
続くステップS55では、所定回数分(この第1実施例では、9回分)の推定結果を取得したかどうかを判断する。ステップS55で“NO”であれば、つまり、所定回数分の推定結果を取得していなければ、ステップS55に戻る。一方、ステップS55で“YES”であれば、つまり、所定回数分の推定結果を取得すれば、ステップS57で、話題を変えるかどうかを判断する。このステップS57では、CPU30は、所定回数分の推定結果に基づいて決定した結果が認知負荷度が低いことを示すかどうかを判断する。
In the subsequent step S55, it is determined whether or not a predetermined number of estimation results (9 times in this first embodiment) have been obtained. If "NO" in step S55, that is, if the estimation results for the predetermined number of times have not been acquired, the process returns to step S55. On the other hand, if "YES" in step S55, that is, if estimation results for the predetermined number of times have been acquired, it is determined in step S57 whether or not to change the topic. In this step S57,
CPU30は、所定回数分の推定結果から決定した結果が認知負荷度が高いことを示す場合には、話題を変えないと判断する。一方、CPU30は、所定回数分の推定結果がから決定した結果が認知度が低いことを示す場合には、話題を変えると判断する。ただし、現在の話題についての発話内容をすべて発話した場合にも、ロボット20から話題の送信が要求され、話題を変えることが判断される。
The
ステップS57で“NO”であれば、つまり、話題を変えない場合には、ステップS57に戻る。一方、ステップS57で“YES”であれば、つまり、話題を変える場合には、ステップS59で、現在の話題が新規の話題であるかどうかを判断する。ここでは、CPU30は、現在の話題に対して認知負荷度の情報がラベリングされているかどうかを判断する。
If "NO" in step S57, that is, if the subject is not changed, the process returns to step S57. On the other hand, if "YES" in step S57, that is, if the topic is to be changed, it is determined in step S59 whether or not the current topic is a new topic. Here, the
ステップS59で“YES”であれば、つまり、現在の話題が新規の話題であれば、ステップS61で、今回推定した認知負荷度の情報を今回の話題(すなわち、新規の話題)にラベリングして、ステップS67に進む。 If "YES" in step S59, that is, if the current topic is a new topic, then in step S61, the current topic (that is, the new topic) is labeled with information on the degree of cognitive load estimated this time. , the process proceeds to step S67.
一方、ステップS59で“NO”であれば、つまり、現在の話題が新規の話題でなければ、ステップS63で、今回推定した認知負荷度が履歴の認知負荷度と一致するかどうかを判断する。 On the other hand, if "NO" in step S59, that is, if the current topic is not a new topic, it is determined in step S63 whether or not the cognitive load level estimated this time matches the cognitive load level in the history.
ステップS63で“YES”であれば、つまり、今回推定した認知負荷度が履歴の認知負荷度と一致する場合には、ステップS67に進む。一方、ステップS63で“NO”であれば、つまり、今回推定した認知負荷度が履歴の認知負荷度と一致しない場合には、ステップS65で、認知負荷度を更新して、ステップS67に進む。つまり、ステップS65では、CPU30は、履歴の認知負荷度を今回推定した認知負荷度に書き換える。
If "YES" in step S63, that is, if the cognitive load degree estimated this time matches the cognitive load degree in the history, the process proceeds to step S67. On the other hand, if "NO" in step S63, that is, if the currently estimated cognitive load does not match the historical cognitive load, the cognitive load is updated in step S65, and the process proceeds to step S67. That is, in step S65, the
なお、この第1実施例では、話題を変える場合に、今回推定した認知負荷度が履歴の認知負荷度と一致するかどうかを判断して、一致しない場合に、認知負荷度を更新するようにしたが、話題を変えない場合にも、同様の判断を行い、判断結果に応じて、認知負荷度を更新するようにしてもよい。 In the first embodiment, when changing the topic, it is determined whether or not the cognitive load level estimated this time matches the cognitive load level in the history, and if they do not match, the cognitive load level is updated. However, even when the topic is not changed, the same determination may be made, and the cognitive load level may be updated according to the determination result.
ステップS67では、話題を変更する。この第1実施例では、CPU30は、現在の話題以外の話題であって、認知負荷度の情報として、高いことがラベリングされている話題を選択する。
In step S67, the topic is changed. In the first embodiment, the
次のステップS69では、変更後の話題をロボット20に送信する。そして、ステップS71では、終了かどうかを判断する。ここでは、終了の指示が入力されたかどうかを判断する。ステップS71で“NO”であれば、つまり、終了でなければ、ステップS55に戻る。このとき、取得した推定結果の個数をカウントするカウンタはリセットされる。一方、ステップS71で“YES”であれば、つまり、終了であれば、発話制御処理を終了する。
In the next step S69, the changed topic is transmitted to the
この第1実施例によれば、認知課題を遂行する被験者の脳血流量信号に基づいて所定時間毎の差分エントロピーのベクトルを算出し、算出した差分エントロピーのベクトルを認知負荷度の大きさが異なる2つのクラスにクラス分けしたクラスタ空間を構築し、このクラスタ空間を用いて、当該被験者がコミュニケーション対象のロボットと会話するときの脳血流量信号を取得し、取得した脳血流量信号に基づいて算出した差分エントロピーのベクトルがいずれのクラスに属するかに応じて会話の内容について被験者が知覚する難易度すなわち認知負荷度を推定するので、脳活動に基づいて会話中における被験者の認知負荷の大きさを推定することができる。 According to this first embodiment, a differential entropy vector is calculated for each predetermined time based on the cerebral blood flow signal of a subject performing a cognitive task, and the calculated differential entropy vector is used for different degrees of cognitive load. Create a cluster space divided into two classes, use this cluster space to acquire the cerebral blood flow signal when the subject talks with the communication target robot, and calculate based on the acquired cerebral blood flow signal. Based on the class to which the differential entropy vector obtained from the analysis belongs to, the degree of difficulty perceived by the subject, that is, the degree of cognitive load, is estimated. can be estimated.
また、第1実施例によれば、推定した被験者の認知負荷度に応じて話題を変更するので、ロボットの発話を適切に制御することができる。 Further, according to the first embodiment, the topic is changed according to the estimated degree of cognitive load of the subject, so that the utterance of the robot can be appropriately controlled.
さらに、第1実施例によれば、脳血流量に基づいて認知負荷度を推定するので、顔の表情または/および視線の向きも考慮して推定する場合よりも優れた認知負荷度の推定結果を得ることができる。たとえば、被験者が神妙な顔でコミュニケーション対象を見ている場合には、そのような表情から判断すると、当該コミュニケーション対象の発話をきちんと聞いているように推定されかも知れないが、実際にはその発話を聞いていない場合もあるからである。また、コミュニケーション対象の方を見ていなくても、当該コミュニケーション対象の発話を聞いていたり発話の内容を理解していたりする場合もあるからである。 Furthermore, according to the first embodiment, the degree of cognitive load is estimated based on the cerebral blood flow, so the estimation result of the degree of cognitive load is superior to the case of estimating in consideration of facial expression and/or gaze direction. can be obtained. For example, when the subject looks at the communication target with a serious expression, judging from such facial expressions, it may be assumed that the subject is properly listening to the communication target's utterance. This is because they may not have heard of In addition, even if the communication target person is not looking at the communication target person, there are cases where the communication target person is listening to the utterance or understanding the utterance content.
なお、この第1実施例では、コミュニケーション対象としてのロボットが被験者に話題を提供し、ロボットと被験者が会話するようにしてあるが、コミュニケーション対象はロボットに限定される必要はなく、仮想空間に配置された仮想のキャラクタであってもよい。この場合、ロボットに代えて、被験者に対面するように、表示装置(14)が配置され、仮想のキャラクタは、表示装置(14)に表示され、推定装置に接続されたスピーカ(図示せず)から話題についての音声が出力される。つまり、コミュニケーション対象としては、ロボットおよび仮想のキャラクタのようなエージェント(すなわち、会話エージェント)を使用することができる。 In the first embodiment, the robot serving as the communication target provides the subject with a topic, and the robot and the subject converse with each other. It may be a virtual character that has been created. In this case, instead of the robot, a display device (14) is arranged so as to face the subject, and the virtual character is displayed on the display device (14) and a speaker (not shown) connected to the estimation device. The voice about the topic is output from. In other words, agents such as robots and virtual characters (that is, conversation agents) can be used as communication targets.
また、この第1実施例では、被験者が5分間の認知課題を遂行したときの脳血流量信号に基づいてクラスタ空間を構築したが、これに限定される必要はない。推定システム(推定装置)の用途によっては、複数の被験者が5分間の認知課題を遂行したとの脳血流量信号のそれぞれに基づいてクラスタ空間が構築されてもよい。 Moreover, in the first embodiment, the cluster space was constructed based on the cerebral blood flow signal when the subject performed the cognitive task for 5 minutes, but it is not necessary to be limited to this. Depending on the application of the estimation system (estimation device), a cluster space may be constructed based on each of the cerebral blood flow signals that a plurality of subjects performed a five-minute cognitive task.
さらに、この第1実施例では、1人の被験者について推定システムおよび推定装置を使用する場合について説明したが、これに限定される必要はない。複数の被験者に使用することも可能である。かかる場合には、話題についての認知負荷度の情報のラベリングは被験者を識別可能に行なわれる。被験者毎に話題についての認知負荷度は異なるからである。 Furthermore, in this first embodiment, the case of using the estimation system and the estimation device for one subject has been described, but there is no need to be limited to this. It can also be used for multiple subjects. In such a case, the labeling of the information on the degree of cognitive load on the topic is performed so that the subject can be identified. This is because the degree of cognitive load on the topic differs for each subject.
さらにまた、この第1実施例では、推定装置に話題データを記憶しておき、選択された話題についての音声データをロボットに送信するようにしたが、これに限定される必要はない。ロボットに話題データを記憶しておき、推定装置から、選択された話題の識別情報をロボットに送信し、ロボットが受信した識別情報が示す話題についての音声データを出力するようにしてもよい。 Furthermore, in the first embodiment, topic data is stored in the estimating device, and speech data about the selected topic is transmitted to the robot, but the present invention is not limited to this. Topic data may be stored in the robot, the identification information of the selected topic may be transmitted from the estimating device to the robot, and voice data on the topic indicated by the received identification information may be output by the robot.
<第2実施例>
第2実施例の推定システム10は、推定装置12と通信可能に接続される外部コンピュータ22から指令に応じてロボット20は被験者と会話し、現在の話題について推定した認知負荷度を外部コンピュータ22に出力し、認知負荷度を確認した外部コンピュータ22の操作者が話題を変更するようにした以外は第1実施例と同じである。以下、第2実施例の推定システム10について説明するが、第1実施例で説明した内容と重複する内容については省略することにする。
<Second embodiment>
In the
図10に示すように、第2実施例の推定システム10では、外部コンピュータ22が推定装置12の通信回路42に接続され、この外部コンピュータ22にロボット20が接続される。第2実施例では、ロボット20は、外部コンピュータ22からの指令に応じて被験者と会話する。つまり、ロボット20が被験者に提示する話題は外部コンピュータ22の操作者によって決定される。
As shown in FIG. 10, in the
つまり、第2実施例の推定システム10では、推定処理においては、ステップS29で、推定結果を外部コンピュータ22に出力する。また、発話制御処理においては、ステップS51における話題の選択およびステップS67における話題の変更は、外部コンピュータ22の操作者によって行われる。
That is, in the
ただし、図9に示した発話制御処理を外部コンピュータ22のプロセッサが実行することにより、外部コンピュータ22の操作者が介在せずに、ロボット20の発話が制御されてもよい。
However, the speech control process shown in FIG. 9 may be executed by the processor of the
第2実施例においても、第1実施例と同様に、脳活動に基づいて会話中における被験者の認知負荷の大きさを推定することができる。 Also in the second embodiment, as in the first embodiment, it is possible to estimate the magnitude of the subject's cognitive load during conversation based on brain activity.
また、第2実施例においても、第1実施例と同様に、被験者の認知負荷度に応じてロボットに適切に会話させることができる。 Also in the second embodiment, as in the first embodiment, the robot can be appropriately made to converse according to the subject's degree of cognitive load.
さらに、第2実施例においても、第1実施例と同様に、顔の表情または/および視線の向きも考慮して推定する場合よりも優れた認知負荷度の推定結果を得ることができる。 Furthermore, in the second embodiment, as in the first embodiment, it is possible to obtain an estimation result of the degree of cognitive load that is superior to the case of estimating in consideration of the facial expression and/or the line-of-sight direction.
なお、第2実施例においては、外部コンピュータの操作者の発話した内容をロボットを通して被験者に提示することもできる。かかる場合には、ロボットとして、上記のロボビー(登録商標)のみならず、出願人が所属する機関が開発したテレノイド(登録商標)を使用することもできる。ただし、テレノイド(登録商標)を使用する場合には、これに装着されるスマートフォンまたは携帯電話機などの携帯機器が推定装置と通信可能に接続され、携帯機器からテレノイドに設けられたスピーカを通して音声データが出力される。 In addition, in the second embodiment, it is also possible to present the contents of the speech of the operator of the external computer to the subject through the robot. In such a case, as the robot, it is possible to use not only the above-mentioned Robobee (registered trademark), but also the Telenoid (registered trademark) developed by the institution to which the applicant belongs. However, when using Telenoid (registered trademark), a mobile device such as a smartphone or a mobile phone attached to it is communicatively connected to the estimation device, and voice data is transmitted from the mobile device through a speaker provided in Telenoid. output.
また、上述の各実施例では、クラスタ空間を構築するために、認知課題としてNバック課題を用いるようにしたが、これに限定される必要はなく、他の課題を使用することもできる。他の課題としては、リスニングスパンテスト、ストループ課題および暗算課題などが該当する。 Also, in each of the above-described embodiments, an N-back task was used as a cognitive task to construct a cluster space, but the present invention is not limited to this, and other tasks can also be used. Other tasks include listening span tests, Stroop tasks, and mental arithmetic tasks.
さらに、上述の各実施例では、Nバック課題に対する認知負荷度が低いクラスC1と高いクラスC2の2つのクラスを含むクラスタ空間を構築し、これを用いて話題に対する認知負荷度を推定するようにしたが、3つ以上のクラスを含むクラスタ空間を構築するようにしてもよい。かかる場合には、クラスの個数に応じて、Nバック課題に対する認知負荷度の段階が設定される。したがって、ロボットなどから提供する話題も認知負荷度の段階に応じた段階に分類される。そして、話題を提供する場合には、推定された認知負荷度に応じて、段階的に認知負荷を大きくするように、話題を変更するようにしてもよい。 Furthermore, in each of the above-described embodiments, a cluster space containing two classes, a class C1 with a low cognitive load on the N-back task and a class C2 with a high cognitive load, is constructed and used to estimate the cognitive load on the topic. However, a cluster space containing three or more classes may be constructed. In such a case, the stages of cognitive load for the N-back task are set according to the number of classes. Therefore, topics provided by robots and the like are also classified into stages according to stages of cognitive load. Then, when providing a topic, the topic may be changed so as to gradually increase the cognitive load according to the estimated degree of cognitive load.
また、上述の各実施例で示した具体的な数値は単なる一例であり、限定されるべきではなく、実施される製品等に応じて適宜変更可能である。 Further, the specific numerical values shown in each of the above examples are merely examples, and should not be limited, and can be appropriately changed according to the product or the like to be implemented.
10 …推定システム
12 …推定装置
14 …表示装置
16 …A/D変換器
18 …脳活動計測装置
20 …ロボット
30 …CPU
32 …HDD
34 …RAM
40 …入力I/F
42 …通信回路
DESCRIPTION OF
32 HDD
34 RAM
40 ... Input I/F
42 ... communication circuit
Claims (6)
認知課題を遂行する被験者の脳血流量についての信号である脳血流量信号を取得する取得手段と、
前記取得手段によって取得された脳血流量信号の第1所定時間毎の差分エントロピーのベクトルをそれぞれ算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された差分エントロピーのベクトルを、K平均法を用いて前記認知課題に対する前記認知負荷の高低の異なる所定数のクラスにクラスタリングしてクラスタ空間を構築する構築手段と、
前記取得手段によって、前記クラスタ空間の構築における前記被験者がコミュニケーション対象と会話するときの前記脳血流信号を取得し、取得された当該脳血流量信号の差分エントロピーのベクトルを前記算出手段によって算出し、当該差分エントロピーのベクトルが当該クラスタ空間において属する前記所定数のクラスのうちの1つのクラスを判定することにより、当該被験者の会話中の内容についての認知負荷度を推定する推定手段を備え、
前記算出手段は、前記第1所定時間分の前記脳血流量信号を第2所定時間毎の重複しない区分に分離し、当該区分毎の前記被験者の前頭前野活動の分散を用いて所定の確率分布の場合の前記差分エントロピーのベクトルを算出する、推定装置。 An estimating device for estimating the degree of cognitive load perceived by a subject for a topic based on the cerebral blood flow of the subject who has a conversation with a communication target,
Acquisition means for acquiring a cerebral blood flow signal that is a signal about cerebral blood flow of a subject performing a cognitive task;
a calculating means for calculating a differential entropy vector of the cerebral blood flow signal obtained by the obtaining means for each first predetermined time;
A construction means for clustering the differential entropy vector calculated by the calculation means into a predetermined number of classes with different levels of cognitive load for the cognitive task using the K-means method to construct a cluster space;
The acquisition means acquires the cerebral blood flow signal when the subject converses with the communication target in constructing the cluster space, and the calculation means calculates a differential entropy vector of the acquired cerebral blood flow signal. , estimating means for estimating the degree of cognitive load regarding the content of the conversation of the subject by determining one of the predetermined number of classes to which the differential entropy vector belongs in the cluster space ;
The calculation means separates the cerebral blood flow signal for the first predetermined time period into non-overlapping sections for each second predetermined time period, and uses the variance of the prefrontal cortex activity of the subject for each section to obtain a predetermined probability distribution. An estimator for calculating the differential entropy vector for
前記情報記憶手段によって記憶された情報に基づいて前記会話エージェントが提供する話題を選択する話題選択手段をさらに備える、請求項3記載の推定装置。 the communication target is a conversation agent;
4. The estimation device according to claim 3, further comprising topic selection means for selecting a topic to be provided by said conversation agent based on information stored by said information storage means.
前記コンピュータのプロセッサに、
認知課題を遂行する被験者の脳血流量についての信号である脳血流量信号を取得する取得ステップと、
前記取得ステップにおいて取得した脳血流量信号の第1所定時間毎の差分エントロピーのベクトルをそれぞれ算出する算出ステップと、
前記算出ステップにおいて算出した差分エントロピーのベクトルを、K平均法を用いて前記認知課題に対する前記認知負荷の高低の異なる所定数のクラスにクラスタリングしてクラスタ空間を構築する構築ステップと、
前記取得ステップにおいて、前記クラスタ空間の構築における前記被験者がコミュニケーション対象と会話するときの前記脳血流信号を取得し、取得した当該脳血流量信号の差分エントロピーのベクトルを前記算出ステップにおいて算出し、当該差分エントロピーのベクトルが当該クラスタ空間において属する前記所定数のクラスのうちの1つのクラスを判定することにより、当該被験者の会話中の内容についての認知負荷度を推定する推定ステップを実行させ、
前記算出ステップは、前記第1所定時間分の前記脳血流量信号を第2所定時間毎の重複しない区分に分離し、当該区分毎の前記被験者の前頭前野活動の分散を用いて所定の確率分布の場合の前記差分エントロピーのベクトルを算出する、推定プログラム。 An estimation program executed by a computer for estimating the degree of cognitive load perceived by a subject for a topic based on the cerebral blood flow of the subject who has a conversation with a communication target,
to the processor of said computer;
an acquiring step of acquiring a cerebral blood flow signal that is a signal about cerebral blood flow of a subject performing a cognitive task;
a calculation step of calculating a vector of differential entropy of the cerebral blood flow signal obtained in the obtaining step for each first predetermined time;
A construction step of clustering the differential entropy vector calculated in the calculation step into a predetermined number of classes with different levels of cognitive load for the cognitive task using the K-means method to construct a cluster space;
obtaining, in the obtaining step, the cerebral blood flow signal when the subject in the construction of the cluster space converses with a communication target, and calculating a differential entropy vector of the obtained cerebral blood flow signal in the calculating step; executing an estimation step of estimating the degree of cognitive load of the subject's conversational content by determining one of the predetermined number of classes to which the differential entropy vector belongs in the cluster space ;
The calculating step separates the cerebral blood flow signal for the first predetermined time period into non-overlapping sections of the second predetermined time period, and uses the variance of the prefrontal cortex activity of the subject for each section to obtain a predetermined probability distribution. An estimation program that computes the differential entropy vector for .
(a)認知課題を遂行する被験者の脳血流量についての信号である脳血流量信号を取得するステップと、
(b)前記ステップ(a)において取得した脳血流量信号の第1所定時間毎の差分エントロピーのベクトルをそれぞれ算出するステップと、
(c)前記ステップ(b)において算出した差分エントロピーのベクトルを、K平均法を用いて前記認知課題に対する前記認知負荷の高低の異なる所定数のクラスにクラスタリングしてクラスタ空間を構築するステップと、
(d)前記ステップ(a)において、前記クラスタ空間の構築における前記被験者がコミュニケーション対象と会話するときの前記脳血流信号を取得し、取得した当該脳血流量信号の差分エントロピーのベクトルを前記ステップ(b)において算出し、当該差分エントロピーのベクトルが当該クラスタ空間において属する前記所定数のクラスのうちの1つのクラスを判定することにより、当該被験者の会話中の内容についての認知負荷度を推定するステップを含み、
前記ステップ(b)は、前記第1所定時間分の前記脳血流量信号を第2所定時間毎の重複しない区分に分離し、当該区分毎の前記被験者の前頭前野活動の分散を用いて所定の確率分布の場合の前記差分エントロピーのベクトルを算出する、推定方法。 A computer- based estimation method for estimating the degree of cognitive load perceived by a subject for a topic based on the cerebral blood flow of the subject who has a conversation with a communication target,
(a) acquiring a cerebral blood flow signal that is a signal about cerebral blood flow in a subject performing a cognitive task;
(b) calculating a differential entropy vector of the cerebral blood flow signal obtained in step (a) for each first predetermined time;
(c) constructing a cluster space by clustering the differential entropy vector calculated in step (b) into a predetermined number of classes with different levels of cognitive load for the cognitive task using the K-means method;
(d) obtaining the cerebral blood flow signal when the subject converses with the communication target in constructing the cluster space in step (a); Estimate the degree of cognitive load regarding the content of the conversation of the subject by determining one of the predetermined number of classes to which the differential entropy vector belongs in the cluster space calculated in (b) including steps
The step (b) separates the cerebral blood flow signal for the first predetermined time period into non-overlapping sections of the second predetermined time period, and uses the variance of the prefrontal cortex activity of the subject for each section to obtain a predetermined An estimation method , wherein the differential entropy vector for a probability distribution is calculated .
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