JP6550952B2 - 脳波の分析方法および分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、脳波の分析方法および分析装置に関するものである。

人間の心理状態等の分析のために、脳波（脳波信号）を利用することが行われている。脳波信号には、眼球運動や心臓の動きに伴う信号がノイズとして出現してしまうのが実情である。このため、特許文献１には、眼球運動や心臓の動きに伴うノイズを脳波信号から除去する手法が開示されている。

特開２０１４−５３３５８９号公報

ところで、脳波信号の取得は、病院や実験室で代表されるように、極力ノイズが混入しないように静かな安定した環境（静的な環境）で行われるのが一般的である。一方、最近では、静的な環境のみならず、動的な環境においても、脳波信号を利用した心理状態を判定することが望まれるようになっている。例えば、自動車で代表されるような車両の運転者がどのような心理状態にあるのか、例えば運転者の緊張度合いがどの程度のものであるかを分析（判定）することや、例えば歩行中の歩行者がどのような緊張状態にあるのかを分析することが望まれるようになっている。

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、動的な環境下にあっても分析対象者の緊張度合いを分析できるようにした脳波の分析方法および分析装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては基本的に、脳波信号に加えて、従来はノイズとしてしか考慮されていなかった心電信号をも有効に利用して、分析対象者の緊張度合いを判定するようにしたものである。すなわち、本発明は、心電信号が血流を通して時間遅れをもって脳波信号に重畳されること、および、心電信号の脳への伝達速度を決定することとなる心臓から脳への血流の流れ易さと運転者の緊張度合とが相関関係を有すること、という知見に基づいてなされたものである。

具体的には、本発明における脳波の分析方法にあっては、次のような解決手法を採択してある。すなわち、請求項１に記載のように、
分析対象者が発する脳波信号を取得する第１ステップと、
前記分析対象者が発する心電信号を取得する第２ステップと、
前記第１ステップで得られた脳波信号と前記第２ステップで得られた心電信号との間でのピーク波形あるいはその付近の波形での時間差を演算する第３ステップと、
前記第３ステップで得られた時間差に応じて、前記分析対象者の緊張度合いを判定する第４ステップと、
を備えているようにしてある。

上記解決手法によれば、脳波信号と心電信号との時間差をパラメータとして、分析対象者の緊張度合いを判定することができる。特に、上記時間差を得るには、脳波信号については、心電信号の周期と同一の周期で変化する波形（例えばピーク波形）の出現タイミングを検出するだけでよいので、例えば車両走行中等の相当に動的な環境下にあっても、上記時間差を精度よく取得して、緊張度合いを精度よく判定することができる。

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〜請求項４に記載のとおりである。すなわち、
前記第１ステップで取得される脳波信号が、前記分析対象者の後頭部に対応した位置の脳波信号とされている、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、後頭部から得られる脳波信号は、いわゆるアルファ波が出現する箇所であって、緊張状態（換言すればリラックス状態）をよく示すことから、分析対象者の緊張度合いを判定する上で極めて好ましいものとなる。

前記第４ステップでは、前記第３ステップで得られた時間差を、脳波信号と心電信号との時間差に対して緊張度合いが対応づけられて記憶しているデータベースに照合することにより緊張度合いを判定する、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、時間差と緊張度合いを対応づけたデータベースを利用して、緊張度合いを簡単（容易）に判定する上で好ましいものとなる。

前記分析対象者が、車両の運転者とされている、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、車両の運転者の緊張度合いを判定することができる。特に、一般市販の車両に適用した場合は、運転者の緊張度合いに応じて、例えば緊張度合いが高すぎる場合は休憩を促す情報を提供したり、空調風の温度を低下させる等の車両状態の変更を行うことができ、また緊張度合いが低すぎる場合は、ステアリングハンドル等の操作系の操作反力を変更する等の車両状態の変更を行って、運転者が過度に緊張しないように、あるいはリラックスし過ぎて漫然状態とならないようにする等の上で好ましいものとなる。また、車両の製造者が利用する場合は、例えば同じ運転操作を行った際に、車両の挙動が、スポーツ車両にあっては緊張度合いが高まるように車両の挙動特性を設定したり、逆にファミリーカーにあっては緊張度合いがあまり高まらないような車両の挙動特性に設定する等、車両の開発に役立てる等の上で好ましいものとなる。

前記目的を達成するため、本発明における脳波の分析装置にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、請求項５に記載のように、
分析対象者者が発する脳波信号を取得する脳波計測手段と、
前記分析対象者が発する心電信号を取得する心電計測手段と、
前記脳波計測手段で得られた脳波信号と前記心電計測手段で得られた心電信号との間でのピーク波形あるいはその付近の波形での時間差を演算する差分演算手段と、
前記差分演算手段で得られた時間差に応じて、前記分析対象者の緊張度合いを判定する判定手段と、
を備えているようにしてある。上記解決手法によれば、請求項１に記載の分析方法を実行するための分析装置が提供される。

本発明によれば、動的な環境下にあっても、分析対象者の心理状態を分析することができる。

本発明によって運転者の緊張度合いを分析しているときの状態を示す簡略側面図 脳波を測定する位置を示す図。 停車中における脳波信号と心電信号との関係を示す図。 ２０ｋｍ／ｈで走行中における脳波信号と心電信号との関係を示す図。 ６０ｋｍ／ｈで走行中における脳波信号と心電信号との関係を示す図。 図３〜図４での脳波信号と心電信号との時間差をまとめて示す図。 本発明の制御系統例をブロック図的に示した図。 本発明の制御例を示すフローチャート。 参考制御例を示すフローチャート。

図１に示す車両Ｖにおいて、ＳＳは運転席、Ｊは運転席ＳＳに着座された分析対象者としての運転者である。また、１はステアリングハンドル、２はインストルメントパネル、３はフロントウインドガラスである。

運転者Ｊは、その頭部に、脳波を計測するためのヘルメット式の脳波計測器１０が装着されている。この脳波計測器１０には、本発明とは直接には関係しないが、運転者Ｊの眼球の動きを撮像するための左右一対のアイカメラ１１設けられている。また、運転席ＳＳには、運転者Ｊの心臓に対応する位置において心電計測器１２が装備されている。心電計測器１２は、例えば静電容量型で、シート埋め込み型心拍計により構成することができる。

図２には、上述した脳波計測器１０に装着された多数の電極１０ａの位置設定例が示される。電極１０ａの数は、実施形態では、「ＧＮＤ」で示すGRAND電極と、「Ｃｐｚ」で示すReference電極とを含めて、合計３２個設けられている。

ここで、図３〜図５において、実線は、脳波計測器１０によって得られた脳波信号うち、特に後頭部（図２の「Ｐoz」で示される電極１０ａ）から得られる脳波信号の例を示し、心電信号のノイズを含むものとなっている。また、図３〜図５において、破線は、心電計測器１２によって得られた心電信号の例を示すものである。図３は、停車中の安静状態のときに取得された計測データであり、図４は、周回路を２０ｋｍ／ｈで走行中に取得された計測データであり、図５は、周回路を６０ｋｍ／ｈで走行中に取得された計測データである。

図３において、脳波信号と心電信号と同一周期で変化するピーク波形の出現時刻に時間差を生じるものとなる。すなわち、脳波信号には、心電信号が、心電信号の周期と同一の周期でもってノイズとして混入されていることから、脳波信号については、心電信号の周期と同一の周期のタイミングで出現する波形（例えばピーク波形あるいはその付近の波形）の出現タイミングを検出することにより、上記時間差を取得することができる。

相対的に緊張度合いが低い図３の場合は、上記時間差が大きく、図４の場合は上記時間差が小さくなり、図５の場合は上記時間差がもっとも小さくなる。図６は、図３〜図５における上記時間差をまとめて示すものである。

心電信号は、心臓から脳へ流れる血流の速さに応じて、時間差をもって脳波信号にノイズとして重畳されることになる。そして、走行速度が大きいほど、緊張が高まって、心臓と脳との間の血管が細くなって血流速度が高まり、上記時間差が小さくなるものと考えられる。つまり、上記時間差が小さいほど、血流速度が速まって緊張度合いが高いと判断することができる。

なお、心電信号が脳波信号にノイズとして混在されてしま事態は、心臓から血液を送り出す際の波により血管の太さがわずかに変化し、この血管の太さ変化による周囲の脳細胞圧迫が電気信号に変換されて、これが脳細胞活動による電気信号に混入したものと考えられる。

脳波信号と心電信号との上記時間差は、緊張度合いと対応づけられて、データベースとしてあらかじめ作成、記憶される。これにより、計測された今回の上記時間差を、データベースに照合することにより、運転者の現在の心理状態となる緊張度合いを判定することができる。

図７は、脳波信号と心電信号とを用いて、運転者の心理状態を判定するための制御ブロック図である。この図７において、脳波計測器１０からの脳波信号と、心電計測器１２からの心電信号とが、コントローラＵにおける差分演算部２１に入力される。この差分演算部２１において、前述した脳波信号と心電信号との時間差が演算される。差分演算部２１で演算された時間差は、緊張度合い判定部２２に入力される。緊張度合い判定部２２は、差分演算部２１で演算された時間差を、時間差と緊張度合いとを対応づけて記憶しているデータベース部（記憶手段）２３に照合して、緊張度合いを判定する。

緊張度合い判定部２２での判定結果は、フィードバック制御部２４に入力される。フィードバック制御部２４は、判定された緊張度合いに応じて、運転者Ｊが、適度な緊張状態となるように、車両状態を変更制御する。この車両状態の変更制御としては、例えば、次のようにすることができる。緊張度合いが極めて高いときは、緊張を和らげることが望まれることから、音楽を流すようにしたり（音楽を流すことを促す表示でもよい）、空調風の温度を低下させたり、空調風の風量を増大させたりする等のことができる。また、緊張度合いが低くなり過ぎたとき（漫然状態）のときは、運転者Ｊの緊張を高めるべく、例えばステアリングハンドル１やアクセルペダル、ブレーキペダル、クラッチペダル等の運転操作系の操舵力が大きくなる方向に変更したり、サイドウインドガラスを若干開いて走行風を取り入れる等のことが行われる。なお、緊張度合いが適度のときは、車両状態は現状のままで変更なしとされる。なお、上記車両状態の変更はあくまで一例であり、この他、音声あるいはディスプレイによって、緊張度合いが適度になる方向へと運転者による操作を促す等、適宜の手法を採択できる。

図８は、前述したコントローラＵによる制御例を示すフローチャートであり、以下このフローチャートについて説明する。なお、以下の説明でＱはステップを示す。まず、Ｑ１において、脳波計測器１０からの脳波信号が入力され、次いでＱ２において、心電計測器１２からの心電信号が入力される。この後、Ｑ３において、脳波信号と心電信号との時間差が演算される。

Ｑ３の後、Ｑ４において、上記Ｑ３で演算された時間差に応じて、緊張度合いが判定される（データベースを利用した判定）。この後、Ｑ５において、Ｑ４で判定された緊張度合いに応じて、車両状態の変更制御が行われる。

図９は、参考制御例を示すものであり、別途心電計測器１２を用いることなく、脳波信号のみによって、前述した時間差を得るようにしたものである。すなわち、図９は、図８におけるＱ１〜Ｑ３の処理に代えて実行されるものとなっている。

以上のことを前提として、まず、Ｑ１１において、複数箇所の脳波信号が入力される。複数箇所の脳波信号としては、例えば図２の「Ｐoz」で示す電極１０ａ、「Ｏ1」で示す電極１０ａ、「Ｏ2」で示す電極１０ａからの脳波信号とすることができる。

Ｑ１１の後、Ｑ１２において、複数箇所の脳波信号を比較することにより、時系列の繰り返し変化している信号を心電信号に対応した信号として取り出す。すなわち、複数箇所の脳波信号は互いに相違している一方、当該複数箇所の脳波信号には同じようなタイミングでもって心電信号が混在していると考えることができると共に、複数箇所の脳波信号において心電信号は同じタイミングで出現することから、上述した処理によって、心電信号の出現タイミングを知ることができる。

Ｑ２２の後、Ｑ２３において、Ｑ２２で取り出された心電信号と、複数箇所のうち任意の１つの脳波信号との差分つまり時間差が演算される。この後は、図８の図４以下の処理が行われる。なお、上記時間差の演算に用いる脳波信号を複数として、各脳波信号と取り出した心電信号との時間差を複数得て、この複数の時間差の平均値を最終的な時間差とすることもできる。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能である。脳波計測器１０は、無接触式のものを用いることもできる。判定された運転者の緊張度合いをどのように利用するかは適宜選択できるものである。例えば、図１に示すように脳波信号と心電信号とを用いた運転者の緊張度合いの分析（判定）は、一般ユーザ用（市販の車両用）として用いるのではなく、車両製造者によるデータ収集用として利用することもできる。すなわち、例えば、脳波信号と心電信号とを用いて得られた運転者の緊張度合いを、各種の走行シーンと対応づけて記憶させたデータベースとして作成、記憶させておき、市販の車両では、このデータベースを搭載して、ある走行シーンでは運転者がどのような緊張度合いになるかを推定するために用いる等のことができる。また、運転者の緊張度合いが好ましい状態となるように車両の設計、改善等に役立てるために、車両製造者のみが利用するものとすることもできる。また、分析対象者は、自動車や鉄道車両、船舶操縦者、飛行機の操縦者等の乗り物を運転操作する者に限らず、歩行者等、適宜の者を分析対象者とすることができる。例えば、ゲーム機等において設定されたある映像を複数（多数）の分析対象者に同時に見せて、その緊張度合いを判定することにより、当該映像が緊張度合いに与える影響や、性別や年齢等に応じた緊張度合いの相違を分析する等々、適宜の分野でもって利用することができる。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明は、動的環境下において分析対象者の緊張度合いを判定する上で好ましいものとなる。

Ｖ：車両
ＳＳ：運転席
Ｊ：運転者（分析対象者）
Ｕ：コントローラ
１０：脳波計測器
１０ａ：電極
１２：心電計測器
２１：差分演算部
２２：緊張度合い判定部
２３：データベース
２４：フィードバック制御部

Claims (5)

1. 分析対象者が発する脳波信号を取得する第１ステップと、
   前記分析対象者が発する心電信号を取得する第２ステップと、
   前記第１ステップで得られた脳波信号と前記第２ステップで得られた心電信号との間でのピーク波形あるいはその付近の波形での時間差を演算する第３ステップと、
   前記第３ステップで得られた時間差に応じて、前記分析対象者の緊張度合いを判定する第４ステップと、
   を備えていることを特徴とする脳波の分析方法。
2. 請求項１において、
   前記第１ステップで取得される脳波信号が、前記分析対象者の後頭部に対応した位置の脳波信号とされている、ことを特徴とする脳波の分析方法。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記第４ステップでは、前記第３ステップで得られた時間差を、脳波信号と心電信号との時間差に対して緊張度合いが対応づけられて記憶しているデータベースに照合することにより緊張度合いを判定する、ことを特徴とする脳波の分析方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、
   前記分析対象者が、車両の運転者とされている、ことを特徴とする脳波の分析方法。
5. 分析対象者者が発する脳波信号を取得する脳波計測手段と、
   前記分析対象者が発する心電信号を取得する心電計測手段と、
   前記脳波計測手段で得られた脳波信号と前記心電計測手段で得られた心電信号との間でのピーク波形あるいはその付近の波形での時間差を演算する差分演算手段と、
   前記差分演算手段で得られた時間差に応じて、前記分析対象者の緊張度合いを判定する判定手段と、
   を備えていることを特徴とする脳波の分析装置。
   

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