WO2016035719A1

WO2016035719A1 - 脳活動推定装置

Info

Publication number: WO2016035719A1
Application number: PCT/JP2015/074535
Authority: WO
Inventors: 潤一郎新井; 泰則小谷; 太郎戸松; 淑美大上
Original assignee: ダイキン工業株式会社; 国立大学法人東京工業大学
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2016-03-10
Also published as: CN106793958B; CN106793958A; CN110215220B; US10667738B2; US20170281070A1; EP3189777A4; JP5981506B2; EP3189777A1; CN110215220A; JP2016049343A

Abstract

　脳活動推定装置（１０）は、顔面皮膚温度取得手段（２０）と、脳活動推定手段（３０）と、を備える。顔面皮膚温度取得手段（２０）は、人間の顔面の少なくとも一部の皮膚温度を検出し、検出した温度データ及びその検出部位の位置データを含む顔面皮膚温度データを時系列で取得する。脳活動推定手段（３０）は、顔面皮膚温度取得手段（２０）により取得された顔面皮膚温度データに基づき人間の脳活動を推定する。脳活動推定手段（３０）は、顔面皮膚温度データを特異値分解、主成分分析或いは独立成分分析により複数の成分に分解する。脳活動推定手段（３０）は、複数の成分のうちその成分波形の振幅が脳の安静時及び脳の賦活時の変化と相関関係にある成分を、判定用成分として抽出する。脳活動推定手段（３０）は、人間の顔面の所定部位における温度変化の有無に基づき判定用成分が人間の脳活動に関連しているか否かを判定する。

Description

脳活動推定装置

　本発明は、人間の脳活動を推定するための脳活動推定装置に関する。

　従来より、特許文献１（特開２０１３－１７６４０６号公報）に開示されているような脳波計測法（EEG）、磁気共鳴画像法（fMRI: functional Magnetic Resonance Imaging）、又は近赤外線分光法（NIRS）によって検出されたデータを利用して、人間の脳活動を推定することが試みられている。

　しかしながら、検出方法として脳波計測法や近赤外線分光法が採用される場合には、被験者に対して前処理の必要な電極やプローブを装着する必要がある。また、検出方法として磁気共鳴画像法が採用される場合には、ＭＲＩ室でなければ測定することができない。すなわち、脳波計測法、磁気共鳴画像法及び近赤外線分光法のいずれかの検出方法を採用してデータを検出する場合、その準備段階で必要な作業が繁雑であったり、検出時の条件が限定されたりするという問題がある。

　そこで、本発明の課題は、簡便に人間の脳活動を推定することのできる脳活動推定装置を提供することにある。

　本発明の第１観点に係る脳活動推定装置は、顔面皮膚温度取得手段と、脳活動推定手段と、を備える。顔面皮膚温度取得手段は、人間の顔面の少なくとも一部の皮膚温度を検出する。顔面皮膚温度取得手段は、検出した温度データ及びその検出部位の位置データを含む顔面皮膚温度データを時系列で取得する。脳活動推定手段は、顔面皮膚温度取得手段により取得された顔面皮膚温度データに基づき、人間の脳活動を推定する。また、脳活動推定手段は、顔面皮膚温度データを特異値分解、主成分分析或いは独立成分分析により複数の成分に分解する。さらに、脳活動推定手段は、複数の成分のうち、その成分波形の振幅が脳の安静時及び脳の賦活時の変化と相関関係にある成分を、判定用成分として抽出する。そして、脳活動推定手段は、人間の顔面の所定部位における温度変化の有無に基づき、判定用成分が人間の脳活動に関連しているか否かを判定する。

　本発明の第１観点に係る脳活動推定装置では、顔面皮膚温度取得手段によって取得された時系列の顔面皮膚温度データに基づき、人間の脳活動が推定される。このため、この脳活動推定装置では、脳波電極やプローブ等の装着前に処理が必要なセンサを装着しなくても、顔面の皮膚温度に基づいて人間の脳活動を推定することができる。したがって、脳波計測法、磁気共鳴画像法、及び近赤外線分光法等の従来の検出方法が利用される場合と比較して、簡便に人間の脳活動を推定することができる。

　本発明の第２観点に係る脳活動推定装置は、第１観点の脳活動推定装置において、顔面皮膚温度データには、人間に対して脳活動賦活課題が与えられている期間のデータが含まれる。脳活動推定手段は、人間に対して脳活動賦活課題が与えられていない期間を脳の安静時とする。脳活動推定手段は、人間に対して脳活動賦活課題が与えられている期間を脳の賦活時とする。そして、脳活動推定手段は、複数の成分について、相関関係にあるか否かを評価する。さらに、脳活動推定手段は、複数の成分のうち相関関係にあると評価した成分を、判定用成分として抽出する。このため、この脳活動推定装置では、人間に対して脳活動賦活課題を与えたり与えなかったりすることにより、人間の脳が賦活化したり安静化したりする状況を実際に作り、これに基づいて相関関係が評価されて判定用成分が抽出される。したがって、人間の脳活動と関連性の低い成分が抽出用成分として複数の成分から抽出されるおそれを低減することができる。

　本発明の第３観点に係る脳活動推定装置は、第１観点又は第２観点の脳活動推定装置において、脳活動推定手段は、取得された所定時間毎の顔面皮膚温度データに含まれる温度データを相対的な温度データに換算した顔面皮膚温度データを作成する。そして、脳活動推定手段は、取得された顔面皮膚温度データ及び作成した顔面皮膚温度データのそれぞれについて、特異値分解、主成分分析或いは独立成分分析により複数の成分に分解する。

　ここで、空調機の冷気や暖気又は太陽光等が人間の顔面に当たることで顔面の皮膚温度が変化し、検出される顔面の皮膚温度が変化することがある。このような場合には、脳活動とは関連しない外的要因による顔面皮膚温度の変化（ノイズ）が、顔面皮膚温度データに混入してしまうことになる。

　本発明の第３観点に係る脳活動推定装置では、顔面皮膚温度取得手段により検出された温度データに応じた所定時間毎の顔面皮膚温度データから、相対的な温度データに換算された顔面皮膚温度データが作成される。そして、検出された温度データに応じた顔面皮膚温度データだけでなく、相対的な温度データに換算された顔面皮膚温度データについても、特異値分解、主成分分析或いは独立成分分析により複数の成分に分解される。すなわち、この脳活動推定装置では、相対的な温度データに換算された顔面皮膚温度データが作成されることで、所定時間毎における顔面の皮膚温度の相対的な変化を捉えることができる。このため、脳活動とは関連しない外的要因による顔面皮膚温度の変化を検出することができる。

　本発明の第４観点に係る脳活動推定装置は、第１観点から第３観点のいずれかの脳活動推定装置において、顔面皮膚温度取得手段は、赤外線サーモグラフィ装置である。この脳活動推定装置では、赤外線サーモグラフィ装置によって顔面の皮膚温度が検出されるため、顔面にセンサ等を装着して顔面の皮膚温度が検出されるよりも、検出対象となる人間の負担を軽減することができる。

　本発明の第５観点に係る脳活動推定装置は、第１観点から第４観点のいずれかの脳活動推定装置において、所定部位は、副鼻腔周辺及び／又は前額部である。

　ここで、脳には、選択的脳冷却機構（Selective Brain Cooling System）という体温とは独立して脳を冷却する仕組みがある。選択的脳冷却機構としては、脳活動によって生じた熱を前額部及び副鼻腔周辺を用いて排熱していることが知られている。

　本発明の第５観点に係る脳活動推定装置では、脳の安静時及び脳の賦活時の変化と相関関係のある判定用成分について、副鼻腔周辺及び／又は前額部の温度変化の有無に基づき人間の脳活動に関連している成分であるか否かが判定される。これにより、人間の脳活動に関連する成分を精度よく同定することができる。

　本発明の第６観点に係る脳活動推定方法は、顔面皮膚温度取得ステップと、脳活動推定ステップと、を備える。顔面皮膚温度取得ステップは、人間の顔面の少なくとも一部の皮膚温度を検出し、検出した温度データ及びその検出部位の位置データを含む顔面皮膚温度データを時系列で取得する。脳活動推定ステップは、顔面皮膚温度取得ステップにおいて取得された顔面皮膚温度データに基づき、人間の脳活動を推定する。また、脳活動推定ステップは、分解ステップと、抽出ステップと、判定ステップと、を含む。分解ステップでは、顔面皮膚温度データを特異値分解、主成分分析或いは独立成分分析により複数の成分に分解する。抽出ステップでは、分解ステップにおいて分解した複数の成分のうち、その成分波形の振幅が脳の安静時及び脳の賦活時の変化と相関関係にある成分を判定用成分として抽出する。判定ステップでは、人間の顔面の所定部位における温度変化の有無に基づき、抽出ステップにおいて抽出した判定用成分が人間の脳活動に関連しているか否かを判定する。

　本発明の第６観点に係る脳活動推定方法では、顔面皮膚温度取得ステップにおいて取得された時系列の顔面皮膚温度データに基づき、人間の脳活動が推定される。このため、脳波計測法、磁気共鳴画像法、及び近赤外線分光法等の従来の検出方法が利用される場合と比較して、簡便に人間の脳活動を推定することができる。

　本発明の第１観点に係る脳活動推定装置では、簡便に人間の脳活動を推定することができる。

　本発明の第２観点に係る脳活動推定装置では、人間の脳活動と関連性の低い成分が抽出用成分として複数の成分から抽出されるおそれを低減することができる。

　本発明の第３観点に係る脳活動推定装置では、脳活動とは関連しない外的要因による顔面皮膚温度の変化を検出することができる。

　本発明の第４観点に係る脳活動推定装置では、検出対象となる人間の負担を軽減することができる。

　本発明の第５観点に係る脳活動推定装置では、人間の脳活動に関連する成分を精度よく同定することができる。

　本発明の第６観点に係る脳活動推定装置では、簡便に人間の脳活動を推定することができる。

顔面皮膚温度データにおける温度と時間との関係の一例を示す図。温度換算データに応じた顔面皮膚温度データを解析した結果の一部を示す図。温度換算データに応じた顔面皮膚温度データを解析した結果の一部を示す図。相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データを解析した結果の一部を示す図。相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データを解析した結果の一部を示す図。成分２の成分波形の振幅と、測定された脳波のうちのβ波の振幅とを示す図。成分３の成分波形の振幅と、測定された脳波のうちのβ波の振幅とを示す図。対照実験で得られた顔面皮膚温度データを解析した結果の一部を示す図。本発明の実施形態に係る脳活動推定装置の概略図。脳活動推定装置において脳機能を反映した皮膚温度の変化を示す成分を同定する際の処理の流れを示すフローチャート。

　本発明の実施形態を説明する前に、まず、本発明者らが本発明を為すにあたって重要な基礎となった、本発明者らによる知見について説明する。

　（１）本発明者らによる知見の要点
　人間の脳活動には、人間の知的活動（認知活動等）及び情動活動（快／不快等の活動）が反映されていることが知られている。そして、従来より、人間の脳活動を推定する試みがされているが、この場合、脳波計測法、磁気共鳴画像法及び近赤外線分光法のいずれかの方法によって検出されたデータが利用されることが多い。

　ところで、検出方法として、例えば、脳波計測法が採用される場合には、被験者に対して脳波電極を装着する必要がある。そして、脳波電極を装着する際には皮膚と電極との間の抵抗を小さくする必要があるため、皮膚を研磨する処理を行ったり電極にペーストを塗布したりする等の作業が必要になる。また、磁気共鳴画像法が採用される場合には、ＭＲＩ室以外での測定が不可能であるとともに、測定室内に金属を持ち込むことができない等の測定条件に制約がある。さらに、近赤外線分光法が採用される場合には、被験者に対してプローブを装着する必要があるが、プローブを長時間装着することで被験者が痛みを感じたり、被験者の髪とプローブとの接触具合によっては正確に検出できなかったりすることがある。このように、人間の脳活動を測定するために従来の検出方法が採用される場合、脳波電極やプローブ等を装着する際の前処理が必要であったり、測定条件が限定されたりする等、被験者に与える負担が大きくなる。

　したがって、被験者の負担を軽減し、かつ簡便に人間の脳活動を推定できる手段の開発が求められている。

　ところで、脳には、選択的脳冷却機構（Selective Brain Cooling System）という体温とは独立して脳を冷却する仕組みがある。選択的脳冷却機構としては、脳活動によって生じた熱を前額部及び副鼻腔周辺を用いて排熱していることが知られている。そうすると、脳活動に伴う顔面皮膚温度の変化は、前額部及び／又は副鼻腔周辺（眉間及び鼻部周辺）に出現することになる。

　そこで、本発明者らは、この選択的脳冷却機構による人間の顔面の皮膚温度の変化を捉えることができれば、脳波測定等を行わなくても脳活動を推定することができる、と考えた。そして、人間の顔面の皮膚温度であれば、前処理の必要なセンサを装着することなく、そのデータを時系列で取得することができる。

　しかしながら、人間の顔面の皮膚温度は、外気温度及び／又は自律神経の活動等の様々な要因の影響を受けて変化することが知られている。このため、顔面の皮膚温度データに基づいて脳活動を推定しようとすると、検出した顔面の皮膚温度が脳活動のみを反映しているかどうかを判断することは、非常に困難である。

　本発明者らは、鋭意検討した結果、顔面の皮膚温度を検出し、検出した温度データ及び検出部位の位置データ（座標データ）を含む顔面皮膚温度データを、特異値分解法、主成分分析法、或いは独立成分分析法を用いて複数の成分に分解し、分解した複数の成分について選択的脳冷却機構を利用した解析等を行うことで、脳活動を反映した皮膚温度の変化を示す成分を同定することができることを見いだした。すなわち、顔面皮膚温度データに基づいて人間の脳活動を推定しようとする場合には、顔面皮膚温度データを特異値分解、主成分分析或いは独立成分分析により複数の成分に分解することが有効であることが判明した。そして、本発明者らは、この点に着目することで、脳波電極やプローブ等の装着前に処理が必要なセンサを装着しなくても、人間の脳活動を推定することのできる本発明に到達した。

　（２）顔面皮膚温度データの取得方法、及び顔面皮膚温度データの解析方法
　図１（ａ）は、取得した顔面皮膚温度データにおける温度と時間との関係の一例を示す図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す所定時間毎の顔面皮膚温度データに含まれる温度データを相対的な温度データに換算して作成された顔面皮膚温度データにおける温度と時間との関係の一例を示す図である。

　次に、本発明者らが上記の知見を得るに際して用いた顔面皮膚温度データの取得方法、及び顔面皮膚温度データの解析方法について説明する。

　今回の試験では、６名の被験者から顔面皮膚温度データを取得した。具体的には、室温２５℃を維持した人工気象室内に設置した椅子に被験者を座らせて、赤外線サーモグラフィ装置を用いて、被験者の顔面全体から顔面皮膚温度データを取得した。赤外線サーモグラフィ装置は、対象物から出ている赤外線放射エネルギーを赤外線カメラで検出し、検出した赤外線放射エネルギーを対象物表面の温度（本実施形態では、摂氏での温度）に変換して、その温度分布を顔面皮膚温度データ（例えば、温度分布を表した画像データ）として表示、蓄積することが可能な装置である。なお、今回の試験では、赤外線サーモグラフィ装置として、NEC Avio 赤外線テクノロジー株式会社製のR300を使用した。また、赤外線カメラは、被験者の正面であって、被験者から１．５ｍ離れた地点に設置した。そして、顔面皮膚温度データは、３０分間取得した。

　また、今回の試験では、顔面皮膚温度データを取得している間に、被験者に対して脳機能賦活課題を与えた。これにより、脳の安静時の顔面皮膚温度データ、及び脳の賦活時の顔面皮膚温度データを取得した。

　ここで、脳機能賦活課題としては、被験者が表示装置等に表示された映像に基づいて、計算、又は、数値、形状及び色の認知、或いは、記号、文字ないし言語の記憶などの心理的作業が挙げられる。今回の試験では、脳機能賦活課題として「かけ算の暗算」を採用し、被験者に、表示装置に筆算形式で表示される数字を計算させ、その回答をキーボードに入力させる作業を課した。なお、今回の試験では、顔面皮膚温度データの取得開始から５分経過後から１０分間継続して、被験者に対して脳機能賦活課題を与えた。

　顔面皮膚温度データの解析としては、取得した顔面皮膚温度データを対象として、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）のＳＶＤ（Singular Value Decomposition）を分析ツールとして用いて特異値分解を行った。特異値分解では、時系列で取得した全ての顔面皮膚温度データ（３０分間のデータ）を対象とし、要因を３０秒毎の時間データ（３０分間で６０ time point）とし、測度をその期間（３０秒間）における顔面皮膚温度データ（２４０×３２０ pixels）とした。そして、特異値分解により、顔面皮膚温度データＸを、複数の成分に分解し、それぞれの成分の時間分布Ｖと、空間分布Ｕと、各成分の大きさを示す特異値Ｓとを算出した。なお、これらの関係は、以下の式で表される。また、Ｖ’は、Ｖの行と列とを入れ替えた行列である。

　そして、特異値分解によって求められた各成分の時間分布Ｖ及び空間分布Ｕをグラフにプロットし、各成分の成分波形図と温度分布図とを作成した。

　さらに、作成した各成分の成分波形図及び温度分布図について、脳活動を反映した皮膚温度の変化を示す成分を同定するための解析を行った。

　各成分の成分波形図については、その成分波形の振幅と、脳の安静時及び脳の賦活時との相関関係の有無について解析した。具体的には、各成分の成分波形図に示された振幅と、脳の安静期間／脳の賦活期間との間に相関関係があるか否かを評価した。今回の試験では、顔面皮膚温度データを取得している期間のうち、被験者に対して脳機能賦活課題が与えられていない期間であるデータ取得開始時点から５分が経過した時点までの５分間の期間、及びデータ取得開始時から１５分が経過した時点からデータ取得終了時点までの１５分間の期間を脳の安静時とし、被験者に対して脳機能賦活課題が与えられている期間であるデータ取得開始時から５分が経過した時点から１０分が経過した時点までの１０分間の期間を脳の賦活時とした。そして、各成分の成分波形図に示された振幅と、脳の安静時及び脳の賦活時との相関関係の有無について評価した。なお、相関関係の有無については、統計的相関分析を行い、有意水準（α）が０．０５以下の場合に相関があると判断した。

　各成分の温度分布図については、顔面の所定部位における温度変化の有無について解析した。具体的には、各成分の温度分布図において、副鼻腔周辺及び前額部における温度変化があるか否かを評価した。なお、温度分布図における副鼻腔周辺及び前額部の温度変化の有無については、目視（visual inspection）による温度変化の有無、もしくは副鼻腔周辺及び前額部の温度が測定データ全体の平均温度から１標準偏差（ＳＤ）以上異なるか否かを温度変化の有無の基準とした。

　なお、空間分布Ｕ、特異値Ｓ及び時間分布Ｖの値の関係で、顔面皮膚温度データＸの極性（プラスマイナス）が決定するため、各成分の成分波形図及び温度分布図において極性が反転して現れることがある。このため、成分波形図及び温度分布図の評価に関して、極性については評価対象としないこととした。

　ここで、この赤外線サーモグラフィ装置では、上述しているように、対象物から検出された赤外線放射エネルギーを温度に変換して、その温度分布を顔面皮膚温度データとしている。ところで、人間を対象として赤外線サーモグラフィ装置を用いて顔面の皮膚温度を取得する場合、顔面の動き及び／又は自律神経の活動等の様々な脳活動とは関連しない温度変化（いわゆるノイズ）についても顔面皮膚温度データとして取得してしまう（図１（ａ）参照）。そこで、このような脳活動とは関連しない温度変化を検出するために、３０秒毎の顔面皮膚温度データに含まれる温度データの全平均値を「０」とした相対的な顔面皮膚温度データを作成し、作成した顔面皮膚温度データについても、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）のＳＶＤを分析ツールとして用いて特異値分解を行い、特異値Ｓに応じた各成分の成分波形図と温度分布図とを作成し、脳活動を反映した皮膚温度の変化を示す成分を同定するための解析を行った。

　なお、以下より、説明の便宜上、赤外線サーモグラフィ装置で取得した顔面皮膚温度データを「温度換算データに応じた顔面皮膚温度データ」といい、所定時間毎（今回の試験では３０秒毎）の温度換算データに応じた顔面皮膚温度データに含まれる温度データの全平均値を「０」とした相対的な顔面皮膚温度データを「相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データ」という。

　また、６名の被験者のうちの１名に対しては、赤外線サーモグラフィ装置による顔面皮膚温度の検出の他に、被験者の頭皮上に電極を接続して脳波を測定し、覚醒時や意識が緊張した時に現れる波形として知られているβ波（１４～３０Ｈｚの周波数の脳波）の振幅と、成分波形図の振幅との間の相関関係についても評価した。なお、脳波測定では、国際式１０－２０法に基づき、６つの部位（Ｆ３、Ｆ４，Ｃ３、Ｃ４、Ｃｚ、Ｐｚ）に電極を配置した。

　ところで、被験者に脳機能賦活課題が与えられている間、被験者の頭が上下に動くことが考えられる。そうすると、赤外線カメラに対する被験者の顔面の位置が変化することになる。この顔面の位置の変化が皮膚温度の変化に影響しているか否かを検証するために、被験者１名に対して対照試験を行った。顔面皮膚温度データを取得する際の被験者の動きの影響を検証するための対照試験では、上記試験と同様に赤外線サーモグラフィ装置を用いて被験者の顔面皮膚温度データを取得するが、脳機能賦活課題が与えられていない間（すなわち、脳の安静時）についてもランダムなタイミングでキーボードを押す作業を被験者に課した。この対照実験によって得られた温度換算データに応じた顔面皮膚温度データ及び相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データについても、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）のＳＶＤを分析ツールとして用いて特異値分解を行い、特異値Ｓに応じた各成分の成分波形図と温度分布図とを作成し、脳活動を反映した皮膚温度の変化を示す成分を同定するための解析を行った。

　（３）顔面皮膚温度データの解析結果
　図２及び図３は、温度換算データに応じた顔面皮膚温度データを解析した結果の一部を示す図である。図２（ａ）は、被験者１の成分２の成分波形図を示している。図２（ｂ）は、被験者１の成分２の温度分布図を示している。図３（ａ）は、被験者１の成分３の成分波形図を示している。図３（ｂ）は、被験者１の成分３の温度分布図を示している。図４及び図５は、相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データを解析した結果の一部を示す図である。図４（ａ）は、被験者１の成分２の成分波形図を示している。図４（ｂ）は、被験者１の成分２の温度分布図を示している。図５（ａ）は、被験者１の成分３の成分波形図を示している。図５（ｂ）は、被験者１の成分３の温度分布図を示している。図６及び図７は、成分波形の振幅と、脳波との関係を示す図である。図６は、被験者１の成分２の成分波形の振幅と、測定された脳波のうちのβ波の振幅とを示す図である。図７は、被験者１の成分３の成分波形の振幅と、測定された脳波のうちのβ波の振幅とを示す図である。図８は、対照実験で得られた顔面皮膚温度データを解析した結果の一部を示す図である。図８（ａ）は、成分３の成分波形図を示している。図８（ｂ）は、成分３の温度分布図を示している。

　表１は、各被験者に対する顔面皮膚温度データの解析結果を示したものである。

　上記の顔面皮膚温度データの解析によって得られた結果から、時系列の顔面皮膚温度データを特異値分解により分解して得られた複数の成分のうち、成分２及び／又は成分３と、人間の脳活動との間に有意な相関があることが確認された。

　また、図６及び図７に示すように、脳波解析の結果から、成分２及び成分３の各成分波形の振幅と、脳波のβ波の振幅との間に有意な相関が確認された。

　さらに、対照実験では、顔面皮膚温度データを取得している間に被験者に動きがある状態であっても、成分３と人間の脳活動との間に有意な相関があった（図８参照）。このことから、複数の成分のうち、成分３については、顔面皮膚温度データを取得する際の被験者の動きが影響していないことが認められた。

　これらの結果から、本発明者らは、以下の知見を得た。

　被験者から取得した時系列の顔面皮膚温度データを特異値分解により複数の成分に分解し、分解した各成分について解析した結果、複数の成分のうちの成分３が脳活動に関連する成分であると認められた。すなわち、時系列の顔面皮膚温度データを特異値分解により複数の成分に分解し、分解した複数の成分から脳の安静／賦活と相関のある成分を抽出し、抽出した成分について選択的脳冷却機構を利用した解析を行うことで、複数の成分から脳活動を反映した皮膚温度の変化を示す成分を同定することができることが判明した。このことから、本発明者らは、人間の顔面の皮膚温度に基づいて、脳活動を推定することができる、という知見を得た。

　（４）脳活動推定装置
　次に、上記に説明した知見に基づいて、本発明者らが完成するに至った本発明の一実施形態に係る脳活動推定装置について説明する。なお、本発明に係る脳活動推定装置は、以下の実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

　図９は、本発明の実施形態に係る脳活動推定装置１０の概略図である。図１０は、脳活動推定装置１０において脳機能を反映した皮膚温度の変化を示す成分を同定する際の処理の流れを示すフローチャートである。

　脳活動推定装置１０は、個人（被験者）の顔面の皮膚温度から、個人の脳活動を推定するための装置である。脳活動推定装置１０は、図９に示すように、顔面皮膚温度取得手段２０と、脳活動推定手段３０と、を備える。

　顔面皮膚温度取得手段２０は、個人の顔面の少なくとも一部の皮膚温度を検出し、検出した温度データ及びその検出部位の位置データを含む顔面皮膚温度データを時系列で取得する（ステップＳ１）。なお、本実施形態の顔面皮膚温度取得手段２０は、赤外線サーモグラフィ装置であり、図９に示すように、赤外線カメラ２１と、処理部２２と、を有する。赤外線カメラ２１は、個人の顔面から出ている赤外線放射エネルギーを検出するためのものである。そして、本実施形態では、赤外線カメラ２１は、個人の顔面全体から赤外線放射エネルギーを検出しているものとする。処理部２２は、赤外線カメラ２１によって検出した赤外線放射エネルギーを温度に変換して温度データとし、赤外線放射エネルギーの検出された部位を位置データ（座標データ）とした顔面全体における顔面皮膚温度の温度分布図を作成し、作成した温度分布図を温度換算データに応じた顔面皮膚温度データとして処理する。温度換算データに応じた顔面皮膚温度データは、処理部２２の有する記憶部（図示せず）に蓄積される。

　ここで、本実施形態では、処理部２２において、顔面全体における顔面皮膚温度の温度分布図が作成されているが、これに限定されず、少なくとも副鼻腔周辺及び／又は前額部を含む顔面皮膚温度の温度分布図が作成され、これが温度換算データに応じた顔面皮膚温度データとされてもよい。

　また、本実施形態では、顔面皮膚温度取得手段２０により温度換算データに応じた顔面皮膚温度データが取得されている間に、個人に対して脳機能賦活課題が一定期間与えられる。すなわち、顔面皮膚温度取得手段２０により取得される温度換算データに応じた顔面皮膚温度データには、個人に対して脳機能賦活課題が与えられている期間のデータが含まれていることになる。なお、個人に対して与えられる脳機能賦活課題としては、脳が賦活状態になると推定されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、脳活動推定装置１０の利用目的に応じてその内容が適宜決定されるよう構成されていてもよい。

　脳活動推定手段３０は、顔面皮膚温度取得手段２０により取得された温度換算データに応じた顔面皮膚温度データに基づき、人間の脳活動を推定する。具体的には、脳活動推定手段３０は、図９に示すように、換算部３１と、解析部３２と、推定部３３と、を有する。

　換算部３１は、温度換算データに応じた顔面皮膚温度データに含まれる温度データを相対的な温度データに換算し、換算した相対的な温度データに基づく顔面皮膚温度データすなわち相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データを作成する（ステップＳ２）。具体的には、換算部３１は、所定時間毎（例えば、３０秒）の温度換算データに応じた顔面皮膚温度データに含まれる温度データの平均値を基準値として、該温度データを相対的な温度データに換算する。そして、換算部３１は、換算した相対的な温度データ及び位置データを利用して、相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データを作成する。

　解析部３２は、時系列の温度換算データに応じた顔面皮膚温度データ及び相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データのそれぞれを、特異値分解、主成分分析或いは独立成分分析により複数の成分に分解する（ステップＳ３）。本実施形態では、解析部３２は、取得した温度換算データに応じた顔面皮膚温度データ及び換算した相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データのそれぞれを対象として、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）のＳＶＤを分析ツールとして用いて、特異値分解を行う。特異値分解は、時系列で取得した温度換算データに応じた顔面皮膚温度データ及び相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データについて、要因を所定期間（例えば、３０秒）毎の時間データとし、測度をその期間における温度換算データに応じた顔面皮膚温度データ及び相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データとして行われる。そして、特異値分解により、温度換算データに応じた顔面皮膚温度データ及び相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データのそれぞれを複数の成分に分解し、時間分布と、空間分布と、各成分の大きさを示す特異値とを算出する。

　また、解析部３２は、特異値分解によって分解した複数の成分から脳活動を反映した皮膚温度の変化を示す成分を同定するために、各成分が第１条件及び第２条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ４ａ、ステップＳ４ｂ、ステップＳ５ａ、及びステップＳ５ｂ）。なお、本実施形態では、解析部３２において、まず、温度換算データに応じた顔面皮膚温度データに基づく各成分について第１条件が満たされているか否かが判定され（ステップＳ４ａ）、ステップＳ４ａにおいて第１条件が満たされていると判定された
温度換算データに応じた顔面皮膚温度データに基づく成分について第２条件が満たされているか否かが判定される（ステップＳ４ｂ）。そして、相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データに基づく各成分のうちステップＳ４ａ及びステップＳ４ｂにおいて第１条件及び第２条件を満たすと判定された成分と一致する成分についてのみ第１条件が満たされているか否かが判定され（ステップＳ５ａ）、その後、ステップＳ５ａにおいて第１条件が満たされていると判定された相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データに基づく成分について第２条件が満たされているか否かが判定される（ステップＳ５ｂ）。しかしながら、解析部３２における該判定の順序は本実施形態に限定されるものではなく、例えば、温度換算データに応じた顔面皮膚温度データに基づく各成分と、相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データに基づく各成分とが、第１条件及び第２条件を満たすか否かがそれぞれ判定され、判定結果の一致する成分が最終的に抽出されてもよい。

　第１条件とは、特異値分解によって分解した成分の成分波形の振幅が、脳の安静時及び脳の賦活時の変化と相関関係にある、という条件である。解析部３２は、複数の成分のうち、第１条件を満たす成分を、判定用成分として抽出する。なお、本実施形態では、温度換算データに応じた顔面皮膚温度データを取得している間に、個人に対して脳機能賦活課題が与えられている期間が一定期間ある。解析部３２は、個人に対して脳機能賦活課題が与えられていない期間を脳の安静時とし、個人に対して脳機能賦活課題が与えられている期間を脳の賦活時として、脳機能賦活課題が与えられている期間及び与えられていない期間と、各成分の成分波形とを比較解析する。解析部３２は、成分波形データに基づく比較解析結果を利用して、各成分の成分波形と脳の安静時及び脳の賦活時とが相関関係にあるか否かを評価し、複数の成分のうち相関関係にあると評価した成分を、第１条件を満たす判定用成分として抽出する。一方、解析部３２は、複数の成分のうち相関関係にないと評価した成分を、第１条件を満たさず人間の脳活動を反映した温度変化を示す成分ではないと判定する（ステップＳ６）。

　ここで、本実施形態では、温度換算データに応じた顔面皮膚温度データの取得時に個人に対して脳機能賦活課題が一定期間与えられており、これに基づき解析部３２は判定用成分を抽出しているが、第１条件の内容、すなわち解析部３２における判定用成分の抽出手段はこれに限定されない。例えば、予め実験等がされていることで複数の成分のうち脳の安静時及び脳の賦活時と相関関係にある成分波形を示す成分が特定されている場合には、解析部３２は、複数の成分から特定されている該成分を判定用成分として抽出する。また、脳活動推定装置において眼球運動又はまたたき等の脳の賦活／安静に関連することが知られている人間の動作が検出される場合には、解析部３２が、この検出結果と各成分の成分波形とを比較解析及び評価することで、複数の成分から判定用成分を抽出してもよい。なお、解析部３２による第１条件を満たすか否かの判定の基準は、脳活動推定装置１０の利用目的等に応じて、シミュレーションや実験、机上計算等によって適宜決定される。

　第２条件は、抽出した判定用成分において、人間の顔面の所定部位における温度変化がある、という条件である。解析部３２は、判定用成分のうち、第２条件を満たす成分を、人間の脳活動に関連している可能性の高い成分と判定し、候補成分として抽出する。すなわち、解析部３２は、人間の顔面の所定部位における温度変化の有無に基づき、判定用成分が人間の脳活動に関連しているか否かを判定する。具体的には、解析部３２は、抽出した判定用成分の温度分布データに基づき、副鼻腔周辺及び／又は前額部において温度変化が生じているか否かを判定し、温度変化が生じている場合には該判定用成分が第２条件を満たす人間の脳活動に関連する可能性の高い成分であると判定し、候補成分として抽出する。一方で、解析部３２は、副鼻腔周辺及び／又は前額部において温度変化が生じていない場合には、該判定用成分は第２条件を満たさず脳活動を反映した皮膚温度の変化を示す成分ではない、と判定する（ステップＳ６）。なお、解析部３２による第２条件を満たすか否かの判定の基準は、脳活動推定装置１０の利用目的等に応じて、シミュレーションや実験、机上計算等によって適宜決定される。

　そして、解析部３２は、ステップＳ５ｂにおいて第２条件を満たすと判定した成分を、脳活動を反映した皮膚温度の変化を示す成分として同定する（ステップＳ７）。すなわち、ステップＳ７において脳活動を反映した皮膚温度の変化を示す成分として同定される成分は、温度換算データに応じた顔面皮膚温度データを特異値分解により分解し解析することで抽出された候補成分と、相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データを特異値分解により分解し解析することで抽出された候補成分と、の間で一致している成分ということになる。なお、両解析で一致していない候補成分については、ステップＳ６において脳活動を反映した皮膚温度の変化を示す成分ではない、と判定されている。

　推定部３３は、解析部３２において人間の脳活動を反映した皮膚温度の変化を示す成分として同定された成分に基づいて、人間の脳活動を推定する。具体的には、推定部３３は、解析部３２において同定された成分の成分波形データに基づいて、顔面皮膚温度データの取得時に、個人の脳が活動状態にあったのか、或いは脳が活動していない状態にあったのかを、推定する。

　このような構成によって、この脳活動推定装置１０では、顔面の皮膚温度に基づいて、人間の脳活動を推定することができる。そして、推定部３３による推定結果がディスプレイ等に表示されることで、個人の脳が活動している状態にあるのか、或いは、活動していない状態にあるのかを知ることができる。

　また、解析部３２において脳活動を反映した皮膚温度の変化を示す成分が同定された後、さらに顔面皮膚温度取得手段２０により顔面皮膚温度データが取得される場合には、脳活動推定装置１０において、さらに取得された顔面皮膚温度データが特異値分解により複数の成分に分解され、同定された成分のみが解析されることで、その顔面皮膚温度データの取得時にその個人の脳が活動状態にあったのか、或いは脳が活動していない状態にあったのかが推定されてもよい。このような脳活動推定装置１０を利用して空調機等の設備機器を制御することで、その個人に合った室内環境に近づけることができる。

　（５）特徴
　（５－１）
　人間の脳活動を推定するために、脳波計測法、磁気共鳴画像法及び近赤外線分光法のいずれかの方法によって検出されたデータが利用される場合、脳波電極やプローブ等の装着前に処理が必要なセンサを用いなければならなかったり、測定場所に制約が生じたりする。また、これら検出方法に用いられる機器は、非常に高額であるため、これら機器を備える脳活動推定装置を製造しようとすると製造コストが大きくなってしまう。

　本実施形態では、顔面皮膚温度取得手段２０により取得された時系列の温度換算データに応じた顔面皮膚温度データに基づき、人間の脳活動が推定される。このため、脳波電極やプローブ等の装着前に処理が必要なセンサを装着しなくても、顔面の皮膚温度に基づいて人間の脳活動を推定することができる。したがって、脳波計測法、磁気共鳴画像法、及び近赤外線分光法等の従来の検出方法が利用される場合と比較して、簡便に人間の脳活動を推定することができている。

　また、本実施形態では、顔面の少なくとも一部の皮膚温度を検出できればよいため、従来の検出方法に用いられる機器を備える脳活動推定装置と比較して、製造コストを抑えることができる。

　ところで、既存の研究として、顔面皮膚温度取得手段２０により取得された時系列の顔面皮膚温度データに含まれる全温度データの平均値を算出し、算出した平均値に応じた顔面皮膚温度データの解析を行うことで人間の脳活動を推定する、という平均値的アプローチが行われていた。しかしながら、顔面皮膚温度データには実際に脳活動を反映しているもの以外のノイズが含まれており、身体の一部の温度データが分析されることでノイズの影響が比較的大きくなるため、平均値的アプローチでは脳活動を正確に推定することができなかった。

　そこで、本発明者らは、鋭意検討した結果、顔面皮膚温度取得手段２０により取得された時系列の顔面皮膚温度データを特異値分解、主成分分析或いは独立成分分析により複数の成分に分解し、分解した複数の成分から脳活動と関連する成分を同定する成分分析的アプローチを行うことを考えついた。成分分析的アプローチでは、全ての温度データを分解していくため、ノイズを含む成分を除去することができ、この結果、平均値的アプローチと比較して正確に脳活動を推定することができる。

　さらに、本発明の脳活動推定装置１０を利用することで、認知症の早期発見等の医療診断を簡便に行うことができる。また、本発明の脳活動推定装置１０を、客観的な快適性の評価に利用したり、学習の効果の評価や興味の客観的評価、及び虚偽検出装置等にも応用したりすることができる。さらに、脳活動推定装置において、解析部３２が、眼球運動又はまたたき等の脳の賦活／安静に関連することが知られている人間の動作の検出結果と各成分の成分波形とを比較解析及び評価することで、複数の成分から判定用成分が抽出される場合には、この脳活動推定装置を自動車の運転時の眠気の評価に利用することができる。

　（５－２）
　ところで、時系列の顔面皮膚温度データが取得される際に、人間に対して実際に脳機能賦活課題が与えられたり与えられなかったりすることにより、人間の脳が賦活化したり安静化したりする状況が作られている場合、各成分の成分波形と脳の賦活時及び安静時との間に相関関係のある成分は、脳活動を反映した皮膚温度の変化を示す成分である可能性が高い成分であるといえる。

　本実施形態では、顔面皮膚温度取得手段２０により温度換算データに応じた顔面皮膚温度データが取得されている間に、個人に対して脳機能賦活課題が一定期間与えられている。すなわち、本実施形態では、個人に対して実際に脳機能賦活課題を与えたり与えなかったりすることにより、人間の脳が賦活化したり安静化したりする状況が作られている。そして、このように取得された顔面皮膚温度データが特異値分解により複数の成分に分解され、各成分についてその成分波形と脳の賦活時及び安静時との相関関係が評価され、相関関係にある成分が判定用成分として複数の成分から抽出される。このため、例えば、予め実験等により特定された所定の成分が抽出用成分として複数の成分から抽出される場合と比較して、人間の脳活動と関連性の低い成分が抽出用成分として複数の成分から抽出されるおそれを低減することができている。

　（５－３）
　空調機の冷気や暖気又は太陽光等が人間の顔面に当たることで、顔面の皮膚温度が変化し、検出される顔面の皮膚温度も変化することがある。そうすると、脳活動とは関連しない外的要因による顔面皮膚温度の変化（ノイズ）が、顔面皮膚温度データに混入してしまうおそれがある。

　本実施形態では、温度換算データに応じた所定時間毎の顔面皮膚温度データから相対的な温度データに換算された温度データに基づく相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データが作成される。相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データが作成されることで、所定時間毎における顔面の皮膚温度の相対的な変化を捉えることができる。このため、脳活動とは関連しない外的要因による顔面皮膚温度の変化を検出することができる。

　また、本実施形態では、顔面皮膚温度取得手段２０により取得された温度換算データに応じた顔面皮膚温度データだけでなく、相対的な温度データに換算された温度データに基づく相対温度データに応じた顔面皮膚温度データについても、特異値分解により複数の成分に分解され、各成分についての解析が行われる。このため、脳活動とは関連しない外的要因による顔面皮膚温度の変化を含む成分を、ノイズ成分として除去することができる。これにより、人間の脳活動に関連する成分を精度よく同定することができている。

　（５－４）
　本実施形態における顔面皮膚温度取得手段２０は、赤外線サーモグラフィ装置である。このため、対象となる個人に接触しない状態で、すなわち非接触の状態で、顔面皮膚温度データを取得することができる。したがって、顔面にセンサを装着して顔面の皮膚の温度データが検出される場合と比較して、対象となる個人の負担を軽減することができている。

　（５－５）
　脳には、選択的脳冷却機構という体温とは独立して脳を冷却する仕組みがある。選択的脳冷却機構としては、脳活動によって生じた熱を前額部及び副鼻腔周辺を用いて排熱していることが知られている。そうすると、脳活動に伴う顔面皮膚温度の変化は、前額部及び／又は副鼻腔周辺（眉間及び鼻部周辺）に出現することになる。

　本実施形態では、その成分波形と脳の安静時及び脳の賦活時とが相関する判定用成分について、副鼻腔周辺及び／又は前額部において温度変化が生じているか否かが判定されている。このため、判定用成分として抽出された成分が人間の脳活動に関連する成分であるか否かを精度よく判定することができている。

　（６）変形例
　（６－１）変形例Ａ
　上記実施形態では、脳活動推定手段３０が換算部３１を有しており、換算部３１によって相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データが作成されている。そして、解析部３２が、顔面皮膚温度取得手段２０により取得された温度換算データに応じた顔面皮膚温度データだけでなく、相対的な温度データに換算された温度データに基づく相対温度データに応じた顔面皮膚温度データについても、特異値分解により複数の成分に分解し、各成分についての解析を行っている。

　これに代えて、脳活動推定手段３０が換算部３１を有していなくてもよい。この場合、相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データを作成したり、相対温度換算データに応じた顔面皮膚温度データに基づくデータの解析を行ったりする処理を省くことができる。

　ただし、人間の脳活動に関連する成分を精度よく同定するためには、上記実施形態のように脳活動推定手段３０が換算部３１を有しており、解析部３２によって、顔面皮膚温度取得手段２０により取得された温度換算データに応じた顔面皮膚温度データだけでなく、相対的な温度データに換算された温度データに基づく相対温度データに応じた顔面皮膚温度データについても、特異値分解により複数の成分に分解され、各成分についての解析が行われるほうが望ましい。

　（６－２）変形例Ｂ
　上記実施形態における顔面皮膚温度取得手段２０は、対象物と非接触の状態で温度データを取得することができる赤外線サーモグラフィ装置である。

　しかしながら、個人の顔面の少なくとも一部の皮膚温度を検出し、検出した温度データ及びその検出部位の位置データを含む顔面皮膚温度データを時系列で取得することができれば、顔面皮膚温度取得手段は赤外線サーモグラフィ装置に限定されない。

　例えば、顔面皮膚温度取得手段が温度センサを含む装置であってもよい。具体的には、個人の顔面の所定部位に温度センサを装着し、温度センサによって検出される温度データと、温度センサを装着した部位の位置データとに基づいて、時系列の顔面皮膚温度データが取得されてもよい。このように、温度センサにより対象となる個人に接触した状態で顔面皮膚温度データが取得される場合であっても、温度センサは脳波電極等のように装着前の処理が必要ではないため、脳波計測法、磁気共鳴画像法、及び近赤外線分光法等の従来の検出方法と比較して、簡便にデータを取得することができる。これにより、簡便に人間の脳活動を推定することができる。

　本発明は、簡便に人間の脳活動を推定することができるため、人間の脳活動を推定する必要のある装置への適用が有効である。

　　１０　　　脳活動推定装置
　　２０　　　顔面皮膚温度取得手段
　　３０　　　脳活動推定手段

特開２０１３－１７６４０６号公報

Claims

　人間の顔面の少なくとも一部の皮膚温度を検出し、検出した温度データ及びその検出部位の位置データを含む顔面皮膚温度データを時系列で取得する顔面皮膚温度取得手段（２０）と、
　前記顔面皮膚温度取得手段により取得された前記顔面皮膚温度データに基づき、前記人間の脳活動を推定する脳活動推定手段（３０）と、
を備え、
　前記脳活動推定手段は、
　前記顔面皮膚温度データを特異値分解、主成分分析或いは独立成分分析により複数の成分に分解し、
　前記複数の成分のうち、その成分波形の振幅が脳の安静時及び脳の賦活時の変化と相関関係にある成分を判定用成分として抽出し、
　前記人間の顔面の所定部位における温度変化の有無に基づき、前記判定用成分が前記人間の脳活動に関連しているか否かを判定する、
脳活動推定装置（１０）。
　前記顔面皮膚温度データには、前記人間に対して脳機能賦活課題が与えられている期間のデータが含まれており、
　前記脳活動推定手段は、
　前記人間に対して前記脳機能賦活課題が与えられていない期間を脳の安静時とし、前記人間に対して前記脳機能賦活課題が与えられている期間を脳の賦活時として、前記複数の成分について前記相関関係にあるか否かを評価し、
　前記複数の成分のうち前記相関関係にあると評価した成分を前記判定用成分として抽出する、
請求項１に記載の脳活動推定装置。
　前記脳活動推定手段は、
　取得された所定時間毎の前記顔面皮膚温度データに含まれる前記温度データを相対的な温度データに換算した顔面皮膚温度データを作成し、
　取得された前記顔面皮膚温度データ及び作成した顔面皮膚温度データのそれぞれについて、特異値分解、主成分分析或いは独立成分分析により複数の成分に分解する、
請求項１又は２に記載の脳活動推定装置。
　前記顔面皮膚温度取得手段は、赤外線サーモグラフィ装置である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の脳活動推定装置。
　前記所定部位は、副鼻腔周辺及び／又は前額部である、
請求項１から４のいずれか１項に記載の脳活動推定装置。
　人間の顔面の少なくとも一部の皮膚温度を検出し、検出した温度データ及びその検出部位の位置データを含む顔面皮膚温度データを時系列で取得する顔面皮膚温度取得ステップ（Ｓ１）と、
　顔面皮膚温度取得ステップにおいて取得された前記顔面皮膚温度データに基づき、前記人間の脳活動を推定する脳活動推定ステップと、
を備え、
　前記脳活動推定ステップは、
　前記顔面皮膚温度データを特異値分解、主成分分析或いは独立成分分析により複数の成分に分解する分解ステップ（Ｓ３）と、
　前記分解ステップにおいて分解した前記複数の成分のうち、その成分波形の振幅が脳の安静時及び脳の賦活時の変化と相関関係にある成分を判定用成分として抽出する抽出ステップ（Ｓ４ａ）と、
　前記人間の顔面の所定部位における温度変化の有無に基づき、前記抽出ステップにおいて抽出した前記判定用成分が前記人間の脳活動に関連しているか否かを判定する判定ステップ（Ｓ４ｂ）と、
を含む、
脳活動推定方法。