2実 験方 法

脳 波 計 測 を 用 い た ドライ ビ ン グ シ ミ ュ レー タ に よ る ドラ イ バ の 負 荷 推 定 梶 原 伸 治*,田 鍬 紘 信**

The Presumption for Driver's Stress based on Measurement of EEG in Driving Situation on Simulator

Shinji KAJIWARA*, Hiroaki TAKUWA**

It is problem that sensory evaluation can't sufficiently express man's subjectivity. Then, measurement of the electroencephalogram is an effective method. The purpose of this study is to evaluate mental workload about increasing speed 60km/h to 120kmIh and state of pseudodrinking with a driving simulator. Subjects entered the state of pseudodrinking putting on special glasses. The principal component analysis of the sinciput beta wave and the emotion spectra analysis were done by using the electroencephalogram. The result of the principal component analysis was assumed to be a level of concentration and the result of the emotion spectra analysis was assumed to be a level of relaxation. As subjects feel in a strong stress, a leveI of concentration is going up and a level of relaxation is falling. It is clear that these values are correlated with each other.

Key words : Electroencephalogram, Beta Wave, Emotion Spectra, Driving Simulator, Stress, Pseudodrinking

1緒 言

これ ま で 自動 車 運 転 時 に お け る運 転 負 荷 が ドライ バ に お よぼ す 精神 的 負 荷 の 評 価 手 法 にお いて,そ の ほ とん どが 記 述 式 の 官 能 評 価 を用 いて いた.し か し,従 来 手 法 の 適 用 で は被 験 者 の 主 観 を 忠 実 に と ら え て い るか とい う点 で 限 界 が あ り,問 題 視 され て きた 田.そ こで,人 間 の 生 体 情 報 を用 い た ドラ イ バ の 精 神 状 態 推 定 に 関 す る研 究 が 行 わ れ る よ うに な って きた[2‑4].生 体 情 報 を取 り入 れ る こ と で,ド ライ バ の 状 態 を直 接 的 に 把 握 で き,環 境 情 報 や 操 作 情 報 か らは 取 得 で き 得 な か っ た ドラ イ バ の 内 面 に 関 す る 情 報 が取 得 で き る よ うに な って きて い る.中 で も脳 波 は そ の情 報 量 の 多 さ ゆ え に 有 用 な 生 体 情 報 と して 注 目を 集 め て い る[4].

本 研 究 で は,モ ー シ ョン機 能 付 き ドライ ビ ン グ シ ミュ レ ー タ を用 い て脳 波 計 測 に よ る走 行 実 験 を行 っ た .さ らに, スペ ク トル 解 析 を用 い て 運 転 負 荷 が 人 に お よぼ す 影 響 を 明 らか に した.

2.1ド ラ イ ビ ン グ シ ミ ュ レー タ の 構 成

本 研 究 で 用 い たDSは 前 方 の 白 壁 に プ ロ ジ ェ ク タ で 走 行 環 境 を 映 し,ヘ ッ ドホ ン に て 走 行 音 を 提 示,ハ ン ドル,ア

ク セ ル,ブ レ ー キ に よ り操 作 を 行 う.ま た,こ のDSで は ピ ッ チ ン グ と ヨ ー イ ン グ が 再 現 で き る よ う に な っ て い る.

2.2脳 波 計 の構 成

本 研 究 で は,脳 波 の 計 測 装 置 と して ㈱ 脳 機 能 研 究 所 の ESA一藍6Basicを 用 い た.頭 皮 に装 着 す る皿 電 極 に は,一 般 医 療機 器 と して使 わ れ るGE横 河 メデ ィ カ ル シ ス テ ム ㈱ の 頭 皮脳 波 用 電 極 を 用 い た.装 着位 置 に つ い て はFiglに 示 す とお り国 際10‑20電 極 配 置 法 に した が い,右 耳 朶 を 基 準 と した10チ ャ ンネ ル にて サ ン プ リン グ周 波 数60Hzで デ ー タ収 集 を行 っ た .DSの 構 成 お よび 脳 波 計 の設 置 位 置 に つ い てFig.2に 示 す.

一ノ ー糊 謄、 ㌦

2実 験方 法

ま ず 本 研 究 で用 い た ドラ イ ビ ン グ シ ミュ レー タ(以 下, DSと 略 す)と 測 定 に用 い た脳 波 計 の構 成 に つ い て 示 し, 次 に 実 験 条 件 に つ い て 述 べ る.

平 成21年6月25日 受 理

*機 械 工 学科

**総 合理 工 学 研 究 科 メカ ニ ッ ク ス系 工 学 専 攻

Fig. 1 10-20 system of electrode placement [5]

Fig. 2 Experimental device

2.3実 験 条 件

モ ー シ ョ ン機 能 付 き ドラ イ ビ ン グ シ ミュ レー タ を用 い て1周 約2.6㎞ の 一 般 的 な オ ー バ ル コー ス を常 時60㎞ 血 で 走 行 し,同 時 に脳 波 計 測 を行 う.こ の 後,走 行 速 度 の違 い に よ る 精 神 的 負 荷 を評 価 す るた め に ①120km/hに よ る 高 速 走行,ま た は,走 行 環 境 の 違 い に よ る精 神 的 負 荷 を評 価 す るた め に② 擬 似 飲 酒 状 態 で の60㎞/h走 行 の2パ ター ン で の走 行 実 験 を行 っ た.ち な み に 各 タス クは2分 間ず つ 実 施 した.

こ こで,擬 似 飲 酒 状 態 とはFig.3に 示 す 米 国HEALTH EDCO社 のDrunk&DangerousGlassesを 装 着 す る こ とで 再 現 した.こ れ を 用 い る こ とで 焦 点 の ず れ,視 界 の 湾 曲等 の 効 果 が 得 られ,平 衡 感 覚 を 不 能 状 態 に で き る.定 点 カ メ ラ に よ る眼 鏡 の視 覚 効 果 をFig.4に 示 す.

なお,実 験 の被 験 者 は 実 車 を運 転 す る機 会 が 週2回 程 度 あ る20歳 代 前 半 の 男性4人(A,B,C,D)で 行 った.

3解 析方法

3.1脳 波 の 種 類 とβ波 抽 出

人 間 の脳 は,様 々 な周 波 数 か らな る電 気 の振 動 を 常 に発 して お り,そ れ らは 周 波 数 帯 域 ご とに 名 前 が つ け られ,

そ れ ぞ れ 異 な っ た 生 理 学 的 な意 義 を 有 して い る.5〜8Hz 帯 の0波 は 一 般 にま ど ろみ 時 に よ く現 出 し,深 い リ ラ ッ ク ス 状 態 で も現 れ る.8〜13Hz帯 の α波 は 閉 眼,安 静,覚 醒 状 態 で よ り多 く観 察 され,逆 に精 神 活 動 時,緊 張 時 に は 減 少 す る.13〜20Hz帯 の β波 は,精 神 活 動 時 や 緊 張 状 態 の 時, 多少 の ス トレス が あ る時 に 優 位 に な る脳 波 で あ る.

モ ー シ ョ ン機 能 付 き ドラ イ ビ ン グ シ ミュ レー タ を 用 い て計 測 を行 っ た 場 合,ド ライ ビ ン グ シ ミュ レー タ の駆 動 ノ イ ズ が発 生す る た め,解 析 を行 うと き は ノ ッチ フ ィル タ ー で ノイ ズ を 除去 し,周 波数 帯 を これ ら3つ の連 続 した脳 波 が抽 出 で き る5〜20Hzに 限定 した.

本 実 験 で は,ス トレス と強 い 関係 が あ る と示 唆 され て い る 【6]β波 に着 目 し,精 神 機 能 中枢 を担 って い る前 頭 部 位 よ り抽 出,主 成 分 分 析 を行 っ た これ を集 中 度 と した.

3.2感 性 ス ペ ク トル 解 析

脳 波 にお い て 個 人 差 は無 視 で きず,特 に脳 波 振 幅 の 絶 対 直や α波 の 現 出 具 合 に は 個 人 差 が あ り,そ の た め,解 析 結 果に バ ラ ツ キが 生 じて く る.そ こ で,感 性 ス ペ ク トル 解 析 を用 い る こ とで 個 人 差 に影 響 され 難 い 共 通 の 特 徴 を 取 り 出す こ とが 可 能 とな る.こ の感 性 スペ ク トル 解 析 法 とは, 項皮 上 の 電 位 部 位 パ ター ン を電 極 間相 互 相 関 係 数 とい う 固人 間 の脳 波 振 幅 の 大 小 に よ る影 響 を 受 け難 い パ ラ メ ー タで数 値 化 し,学 習 ア ル ゴ リズ ム を用 い て喜 怒 哀 楽 を 取 り 出す もの で あ る.具 体 的 に は,計 測 に 使 用 して い る10個 の電 極 の 中 か ら2個 の 電極 を 取 り出 して10C2=45通 りの 阻み 合 わせ を5〜20Hz帯 の3つ の 連 続 した脳 波0波,α 波, 3波 の それ ぞれ に つ い て 求 め る.つ ま り45・3=135個 の相 互相 関係 数 値(Y夏,Y2,...,Y135)が 得 られ る.こ の 中 か ら感 性 要 素 で あ る 喜 怒 哀 楽 に 関す る4つ の 特 徴 量 を重 ね 含わ せ の原 理 に基 づ き導 出 す る.こ れ を 定式 化 す れ ば,4 つの 感 性 要 素 の レベ ル を それ ぞれZ1,Z2,Z3,Z4と して, 以下 の よ うにY1,Y2,̲,Y135に 重 み 付 け係 数 を乗 じて 最め られ る.

Fig. 3

N44% 40,48417-

Drunk & Dangerous Glasses

II.! No glasses On glasses '0

Zi=-C1 ,1 YI-I-C1,2Y2-1--+CI,135Y135 Z2=C2 ,1Y1±C2,2Y2±....-+C2,135Y135 Z3=C3 ,1 Yi+C32Y2-1-"' • --I-C3,135 Y135 7 -0 V _LC'

(1) (2) (3)

(A\

こ こで,Cijは 学 習 ア ル ゴ リズ ムで 用 い る重 み付 け係 数 で あ る.こ れ らの 式 よ り,係 数 は 全 部 で540個 と な る が, 本 実験 で は 喜怒 哀 楽 の 中 で も"楽"に 着 目 し,こ の感 性 要 素

の レベ ル を安 らぎ度 と して 次 式 の よ うに 表 した.

Z1=0,Z2=0,Z3=0,Z4=1 (5)

なお,脳 波 は 時 々刻 々 と変 化 す る もの で あ り精 神 的 負 荷 が短 時 間 で変 化 す る わ け で は な い た め,解 析 時 間単 位 は 一 般 的 に用 い られ て い る5,12秒 と した.

MIMI

Fig. 4 Drunk vision

埋 ⊥ 与二 剴〜{リ† ラ℃ 辛反 古

4結 果お よび考察

縦軸 に 主 成 分 分 析 に よ り得 られ た前 頭 部 β波 に よる集 中 度,横 軸 に 感 性 ス ペ ク トル 解 析 に よ り得 られ た安 らぎ度 を とっ た 各 実 験 の リサ ー ジ ュ波 形 をFig.5に 示 す.Fig5(a), (b)に は60㎞Vhと120km/hに お け る被 験 者A,Bの 結 果 を そ れ ぞれ 示 す.ま た,Fig.5(c),(d)に は60km/hで の通 常 の 状 態 と擬i似飲 酒 状 態 の 被 験 者c,dの 結 果 をそ れ ぞ れ 示 す.

な お,実 験 は 被 験 者4人 に2パ ター ンず つ 全 て の組 み 合 わ せ で 実 験 を 行 った が,4人 は ほ ぼ 同 じ結 果 を呈 した.こ れ らの 図 よ り,定 常 走 行 時 に は集 中度 と安 らぎ度 が刻 々 と 変化 して お り,脳 波 状 態 は きわ め て 良好 とい え る.こ れ は 人 間 の 脳 は 常 に それ 自体 の 諸 所 と交 信 して い るの が正 常 状態 で あ り,特 定 の 場 所 に集 中 して負 担 が か か る こ とは な い た め で あ る 【2].一方,運 転 負 荷 を か け た場 合 はFig.5(d) を 除 い て集 中度 は 上 が り,ま た,安 らぎ度 に 関 して は 全 て の 場 合 に お い て 一 様 に 下 が って お り,負 担 を感 じて 強 い 緊 張状 態 に あ っ た推 測 で き る.次 に,Fig.5の 集 中度 と安 ら ぎ度 の 各相 関係 数 を 求 め た もの をFig.6に 示 す.こ の 図 よ り,集 中度 と安 らぎ度 は相 関係 数0.5以 上 と強 い相 関 関係 が あ る こ とが解 っ た.こ れ よ り,主 成 分 分析 に よ り得 られ た 前頭 部 β波 に よ る集 中度 と感 性 スペ ク トル 解 析 に よ り得 られ た安 らぎ度 とい う異 な る2尺 度 にお い て 相 関が あ り, これ らを用 い る こ とで ドラ イ バ の負 荷 推 定 が 可 能 とな る と思 われ る.

5結 言

本 研 究 に よ り,運 転 時 ドライ バ に運 転 負 荷 が か か る と安 らぎ度 は 低 下 し,そ の ほ とん どの場 合 で 同 時 に集 中度 は 上 昇 す る こ とが 解 っ た.よ っ て,ド ラ イ バ の精 神 的負 荷 評 価 手 法 と して の 有 用 性 を示 した.得 られ た 知 見 を 以 下 に ま と め る.

1.脳 波 を用 い た 感 性 スペ ク トル 解 析 に よ っ て 精 神 負 荷 の観 察 が 可能 で あ る.

∩∠34

運 転 負 荷 に よ り安 ら ぎ度 は 一 様 に下 が る.

運 転 負 荷 に よ りほ とん どの 場 合 で 集 中度 は上 が る.

これ ら2水 準 が相 関 した 場 合,精 神 的負 荷 を感 じ強 い 緊 張状 態 に あ っ た と推 測 で き る.

今 後 の 課題 と して,被 験 者 を増 や して信 頼性 の さ らな る 検 証 と,よ り複 雑 な運 転 負 荷 に 対す る ドラ イ バ の感 性 評 価 が 必 要 と され る.

.. 11 c 0

a L a+ C a) u I C •

O U

w 0 au a

.

—0— 60km/h

—6-120km/h

U JU

Level of Relax (%) (a) Speed drive of subject A

,--,11

0

c 0

a L w a a.) U I

a •

0 U

IUU

w 0

a, a, a

—0— 60km/h O 120km/h

O 11

a a ea I. C

coco Co4 a • O U

w 0

aU a, a

1

~11

a

a 0 w a L C a) C.

V 4

C • O U

—0— 60km/h

—6— Drunk

, 60km/h

0 50

Level of Relax (%)

;) Drunk drive of subject C

100

w 0

a)

U a

—0— 60km/h

—6—Drunk

,60km/h

^,U

Level of Relax (%) (d) Drunk drive of subject D

Fig. 5 Lissajous's waves

1UU

1 C

v

0 C 0.5 0

LL p

U

SubjectA SubjectB SubjectC SubjectD

Speed driveDrunk drive

Fig. 6 Correlation coefficient

参考文献

1)天 坂 格 郎,長 沢 伸 也:「 官 能 評 価 の 基 礎 と 応 用 」,日 本 規 格 協 会,東 京(2000)432.

2)武 者 利 光:「 人 が 快 ・不 快 を 感 じ る 理 由 」,河 出 書 房 新 社,東 京(1999)185.

3)大 須 賀 美 恵 子,鎌 倉 快 之:ヒ ュ ー マ ン イ ン タ フ ェ ー ス 学 会 誌,10(2008)227.

4)桶 谷 哲 哉,加 藤 光 博,高 野 博 史,中 村 清 実:信 学 技 報, 107(2007)17.

5)H.H.Jasper:、E1εcかoθ ηc召ρ乃010gr4ρ 妙oη4C1加'oα1入 ζθ㍑ro一 ρ耽ソ3∫0109γ,10(1958)371.

6)石 井 康 夫,山 下 剛,荒 賀 裕:HondaR&DTechnical ReviewJ4(2002)181.