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Measurement and Evaluation of Higher Brain Function by Using Near-Infrared Spectroscopy(NIRS)

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Academic year: 2021

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(1)

Measurement and Evaluation of Higher Brain Function by Using Near-Infrared Spectroscopy(NIRS)

- (Evaluation of Reduction in Driver’s Mental Workload by Driving Assistance System) -

Kazuki YANAGISAWA, Hisazumi HARA, Hitoshi TSUNASHIMA, Yoshitaka MARUMO, Makoto ITOH and Toshiyuki INAGAKI

NIRS

を用いた高次脳機能計測とその評価

-

運転支援システムによるドライバの負担軽減の評価

–

生産工学部(院) ○柳沢 一機 生産工学部(院) 原 久純 生産工学部 綱島 均 生産工学部 丸茂 喜高 筑波大学 伊藤 誠

筑波大学 稲垣 敏之

1

.緒論

近年,ドライバの運転時の負担を軽減することで,安 全を確保する様々な運転支援システムが開発・導入され ている.例えば,前車と自車との車間距離を一定に保つ

ACC

(

Adaptive Cruise Control

)や,操舵支援によって車 線を維持するレーンキープアシストなどが挙げられる.

しかし,負担の軽減によって,ドライバの注意力が低下 し,予期せぬ事故の原因になることが考えられる.すで に運転支援システムの導入にともなうドライバのネガ ティブな行動変化が報告されており1),より安全な運転 支援システムの開発には,ドライバの運転時の負担・注 意を評価する必要がある.特に,運転中の認知・判断を 行っている脳の活動とドライバの負担・注意の関係につ いて明らかにする必要がある.

脳活動を評価する非侵襲的計測法には,主に機能的磁 気共鳴画像(fMRI: functional magnetic resonance imaging)

や近赤外分光法(

NIRS: Near-Infrared Spectroscopy

)があ げられる.

fMRI

は,脳内の酸素化ヘモグロビン(

oxy-Hb

) が脱酸素化ヘモグロビン(deoxy-Hb) に変化するとき の磁気共鳴信号の増加を利用して

,

間接的に脳活動を測 定する方法である

.

しかし,計測中に被験者は体を動かす ことができず,運転時の測定には制限がある.

一方の

NIRS

は近赤外光を用いて,

oxy-Hb

と

deoxy-Hb

の変化量を測定する装置であり,体動の制限が少なく,

被験者に対して自然な状態で実験が行えるため,運転時 の脳機能の評価を行う上で有望な方法である.現在,

NIRS

計測による暗算課題 2)やドライビングシミュレー タ3)を用いた実験における脳活動が報告されている.

本研究では,前記の

ACC

による運転負担の軽減を脳 活動から評価できるか検証する.ドライビングシミュレ ータを用いて,先行車を追従する課題を設定し,ACC を用いずに被験者自らの操作によって追従する条件と

ACC

を利用して追従する

2

条件で実験し,その脳活動を 比較する.

2

.近赤外分光法(NIRS)の原理

NIRS

は,近赤外光を用いて脳血流の変化を計測す ることによって,間接的に脳活動を捉える非侵襲的計 測法である.神経活動が生じる部位では,局所的に血 流が増加し,血中のヘモグロビンの濃度が変化する.

近赤外分光法は,生体への透過性が良好な

700

~

900nm

の波長の近赤外光を照射し,その透過光・拡散

光から

oxy-Hb

,

deoxy-Hb

の濃度変化を計測すること

が可能である.しかし,計測された値は,絶対量では なく,相対量であることから,その扱いには注意しな ければならない.

脳が活動するときの

oxy-Hb, deoxy-Hb

の変動の様子を 模式的に図

1

に示す.一般的には,課題が始まると

oxy-Hb

が上昇し,少し遅れて

deoxy-Hb

が減少すること

が知られている.

3

.実験方法

3.1.

課題内容

ACC

による運転負担軽減の効果を脳活動から評価す ることができるか検証するために,ドライビングシミュ レータを用いて,図

2

に示す速度パターンを持った先行

task

oxy-Hb deoxy-Hb

Time (s)

Hbconc. (mMcm)

Fig.1 Schematic Hb concentration change due to neural activity

−日本大学生産工学部第42回学術講演会(2009-12-5)−

― 65 ―

1-19

(2)

keeping speed 40km/h

40s 45s 40s 45s 40s

Time (s)

Speed (km/h)

Fig.2 Speed parttern of leading car

● ○ ● ○ ●

○ ● ○ ● ○

● ○ ● ○ ●

○ ●

● ○

○ ●

○ ●

● ○ 15

14 13 12 11 10

9 16 17

○ ● 23

22 21 20 19

18 24 25

32 31 30 29 28 27

26 33 34

40 39 38 37 36

35 41 42

6 5 4 3 2

1 7 8

Illuminator Detector Channel

● ○ ● ○ ●

○ ● ○ ● ○

● ○ ● ○ ●

○ ●

● ○

○ ●

○ ●

● ○ 15

14 13 12 11 10

9 16 17

○ ● 23

22 21 20 19

18 24 25

32 31 30 29 28 27

26 33 34

40 39 38 37 36

35 41 42

6 5 4 3 2

1 7 8

● ○ ● ○ ●

○ ● ○ ● ○

● ○ ● ○ ●

○ ●

● ○

○ ●

○ ●

● ○ 15

14 13 12 11 10

9 16 17

○ ● 23

22 21 20 19

18 24 25

32 31 30 29 28 27

26 33 34

40 39 38 37 36

35 41 42

6 5 4 3 2

1 7 8

Fig.3 Position of optical fibers and channels

車を追従する実験を行った.

ACC

を利用して先行車に追 従する条件と

ACC

を用いずに被験者自らの操作によっ て追従する

2

条件を行い,そのときの脳活動を比較する.

被験者は,ドライビングシミュレータにある程度慣れる ために練習走行を行い,その後,各条件について

2

回ず つ走行するものとした.最初に

ACC

を利用する条件を 行い,

ACC

を用いず被験者自ら操作する条件では,

ACC

利用時と同程度の車間距離を維持するように教示した.

3.2.

測定方法

NIRS

を用いて,前頭葉の脳活動を計測した.測定装 置は島津製作所製,近赤外光イメージング装置

OMM-3000

を用いた.光ファイバの配置を図

3

に示す.

送光ファイバと受光ファイバの間にある図中の数字の 部分が測定チャンネルを示し,全

42ch

計測した.被験 者は,普通自動車免許を持つ

20

代男性

10

名とした.ま た,脳活動の計測と合わせてドライバの運転操作もドラ イビングシミュレータにより記録した.

4

.

NIRS

信号の解析

4.1.

離散ウェーブレット変換による多重解像度解析

NIRS

信号には,測定装置のノイズ,呼吸による影響,

血圧変動など脳活動には無関係な信号も含まれるため,

詳細な脳活動の評価を行うためには,これらの無関係な 信号を取り除く必要がある.そこで,離散ウェーブレッ ト変換による多重解像度解析を用いて,測定した

NIRS

信号を分解し,運転課題に関連する成分について再構成 した4).

4.2. 多重解像度解析結果

ACC

を利用せずに被験者自ら操作して先行車に追従 したときと

ACC

を利用して追従したときの脳活動(前 頭葉右外側部

35ch

)と車両速度の関係をそれぞれ図

4, 5

に示す.

図

4

(a)より,被験者自ら操作しているときは,車両 速度に関連して

oxy-Hb

,

deoxy-Hb

が変動している.車 両が加速し始めると,

oxy-Hb

が上昇を始め,減速時に高 い値を示している.さらに,再構成した

oxy-Hb

信号か ら脳機能画像を作成した.被験者自ら操作しているとき の脳機能画像を図

4

(

b

)に示す.減速操作を行っている ときに前頭葉両外側部の

oxy-Hb

が上昇していることが わかる(図中の白色部分).このことから被験者自ら操 作しているときは,運転操作に関連して前頭葉両外側部 が活動することが確認できた.

しかし,図

5

(

a

)より,

ACC

を利用しているとき,

oxy-Hb

,

deoxy-Hb

は変動しているが,車両速度には無関

係な変動を示した.図

5

(b)の脳機能画像からも,走行

中に

oxy-Hb

は上昇しておらず,運転操作に関連した脳

活動が見られないことがわかる.

4.3. oxy-Hb

の微分値による評価

ACC

による運転負担軽減を脳活動から評価するため

に,

oxy-Hb

の傾きの最大値に注目して検定を行った5).

被験者自ら運転操作を行っているときと

ACC

利用時そ れぞれについて,被験者

10

名の走行中の微分値の最大 値をまとめた結果を図

6

に示す(前頭葉右外側部

35ch

). 被験者自ら運転操作を行っている時のほうが,

ACC

利用 時と比較して,

oxy-Hb

の微分値が高く,この2条件間に 有意差が確認できた.

4.4. 標準得点化による加算平均

NIRS

信号はその原理上,開始時からの相対変化の値 であり,このままでは,被験者間での測定値の比較や被 験者全員の測定結果の加算などを行うことができない ため,被験者全員の結果を評価することが難しい.そこ で,

NIRS

によって計測された

oxy-Hb

,

deoxy-Hb

それぞ れのデータを各チャンネルで平均が

0,標準偏差が 1

に なるように標準得点(

Z-score

)化し6),被験者全員の多 重解像度解析後の信号から,被験者自ら操作していると きと

ACC

を利用しているときの

2

条件の被験者

10

名の 加算平均を求めた.図

7

に被験者自ら操作しているとき,

図

8

に

ACC

を利用しているときの加算平均した結果を 示す.

図

7

(

a

)より,被験者自らが操作しているときは,走

行中に

oxy-Hb

が上昇し,走行の後半に高い値を示して

おり,図

7

(b)の脳機能画像からも一般的な脳活動とし て,減速操作時に前頭葉外側部が活動することが確認で きた.

図

8(a)より,ACC

を利用しているときは,走行中

に

oxy-Hb

はあまり上昇していないことがわかる.図

8

(

b

)の脳機能画像からも

ACC

を用いずに被験者自らが

― 66 ―

(3)

Hb.conc(mMcm)

Time (s)

Speed(km/h)

② ③

-0.04 -0.02 0 0.02 0.04

0 30 60 90 120 150 180 2100

15 30 45 60

① ④

oxy-Hb deoxy-Hb speed

(a)Task-related NIRS signal and vehicle speed (channel 35)

0.02

-0.02 0 Hb conc.

(mM cm)

① ② ③ ④

(b)Functional brain imaging

Fig.4 Result of following a leading vehicle without ACC system

Time (s) -0.04

-0.02 0 0.02 0.04

0 30 60 90 120 150 180 2100

15 30 45 60

Hb.conc(mMcm) Speed(km/h)

② ③

① ④

oxy-Hb deoxy-Hb speed

(a)Task-related NIRS signal and vehicle speed (channel 35)

0.02

-0.02 0 Hb conc.

(mM cm)

① ② ③ ④

(b)Functional brain imaging

Fig.5 Result of following a leading vehicle with ACC system

0 0.0005

0.001 0.0015

0.002 0.0025

without ACC with ACC

Differentialvalue (mMcm/s)

**

p < 0.01

**

Fig.6 Maximum gradient of NIRS signal (channel 35)

運転しているときと比較して,前頭葉は活動していない ことがわかった.この結果は,

ACC

による運転負担の軽 減を反映した結果であると考えられる.

5

.結言

ACC

による運転負担軽減を脳活動から評価できるか 検証するために,ドライビングシミュレーションを用い て,先行車を追従する課題を設定し,

ACC

を用いずに被 験者自らの操作によって追従する条件と

ACC

を利用し て追従する

2

条件を設定して実験を行った.多重解像度 解析の結果,被験者自らが操作するときは,運転操作に 対応して前頭葉両外側部が賦活しているのに対して,

ACC

を利用しているときは運転操作に関連した活動を 示さなかった.

oxy-Hb

の微分値に注目し,この

2

条件間 の検定を行った結果,有意差(

p < 0.01

)が確認できた.

― 67 ―

(4)

Time (s)

Z-score

Driving Driving

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

0 30 60 90 120 150 180 210

① ② ③ ④

oxy-Hb deoxy-Hb

(a)Averaged NIRS signal (channel 35)

0.6

-0.6 0 Z-score

① ② ③ ④

(b)Functional brain imaging

Fig.7 Aaveraged result of following a leading vehicle without ACC system

Time (s)

0 30 60 90 120 150 180 210

Driving Driving

① ② ③ ④

oxy-Hb deoxy-Hb

Z-score

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

(a)Averaged NIRS signal (channel 35)

0.6

-0.6 0 Z-score

① ② ③ ④

(b)Functional brain imaging

Fig.8 Averaged result of following a leading vehicle with ACC system

さらに,標準得点化によって,被験者

10

名の加算平均を 求めた結果,一般的な傾向としても,被験者自ら運転し ているときと比較して

ACC

を利用しているときは,走 行中に前頭葉両外側部がほとんど賦活しないことが確認 できた.以上のことから,

NIRS

を用いた脳機能計測から ドライバの負担や注意を評価し,運転支援システムの評 価が行える可能性を示した.

本研究は,文部科学省科学研究費補助金基盤研究A(課

題番号18201031 非拘束モニタリングにもとづく追突

防止支援と過信抑制インターフェイス:研究者代表 筑 波大学大学院 伊藤誠)の補助を受けた.

「参考文献」

1) M.Hoedemaeker., K.A. Brookhuis, Behavioural adaptation to driving with an adaptive cruise control (ACC), Transportation Research Part F, Vol.1, (1998), pp.95-106 2)

小島崇

,

柳沼健

,

綱島均

,

広瀬悟

,

清水俊行

,

塩沢友規

,

泰羅雅登, 土師知己, 機能的近赤外分光装置(fNIRS)を 用いた作業負荷時の高次脳機能計測

,

自動車技術会学術 講演前刷集

, No.60-07, (2007), pp.19-22

3) Tsunashima, H., Yanagisawa, K., Measurement of Brain Function of Car Driver Using Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS), Computational Intelligence and Neuroscience, (2009), Vol.2009

4)

柳沢一機

,

綱島均

,

丸茂喜高

,

広瀬悟

,

清水俊行

,

泰羅 雅登, 土師知己, 機能的近赤外分光装置(fNIRS)を用いた 高次脳機能計測とその評価

,

ヒューマンインターフェー ス学会誌

, Vol.11, No.2, (2009), pp.183-192

5)

広瀬悟, 清水俊行, 南部起可, 柳沢一機, 丸茂喜高, 綱 島均

,

泰羅雅登

,

土師知己

,

機能的近赤外分光装置

(fNIRS)

によるドライバーの脳活動計測自動車技術会秋

季大会前刷集, No.144-08, (2008), pp.5-10

6)

細川豊治

,

風井浩志

,

八木照宏

,

片寄晴弘

,

虚偽検出 場面における新たな計測手法

–

機能的近赤外分光法を指 標として-, ヒューマンインターフェース学会誌, Vol.10,

No.2, (2008), pp.141-148

― 68 ―

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