技術論文

眼球運動を指標とした注意・覚醒度状態の検知技術
和久井秀樹

Hideki Wakui

概 要
眼球運動には注意・覚醒度の状態が良く現れる．近年における映像・画像処理技術の進歩により，眼球運動を非接触かつ非拘束で測定することも現実的となってきた．
こうした知見や技術を活用することで，自動車走行中のドライバの注意・覚醒度の状態をリアルタイムに把握することが可能になるものと考えられる．

1.

はじめにサイズを用いた．瞳孔は自律神経系の支配を受けてお

交通事故は様々な要因により引き起こされる．その代り，主に交感神経支配の瞳孔散大筋（散瞳筋）と副交感表的な要因のひとつが，ドライバの注意・覚醒度の低下神経支配の瞳孔括約筋（縮瞳筋）によってそのサイズがである．今後，自動運転車が市場に投入されることにな調節される．瞳孔サイズの変化は，環境光の変化に対応れば，こうしたドライバ状態に起因する事故は減少するもして生じることが一般に良く知られており（対光反応），まのと考えられる．
しかしながら，自動運転車であってもドた注視対象までの距離変化に対する応答としても生じる

ライバに運転権限が委譲される場面は必ずある．そのことが確かめられている（近見反応）1)．それに加え，覚際には，事前にドライバ状態を把握しておき，安全かつ醒・睡眠の調節に密接に関わるとされる脳内青斑核2)の迅速に権限移譲を行うための準備を整える必要がある．

ニューロン活動と相関の高い変化を示すことがサルを

このような背景から，ドライバの注意・覚醒度の状態をリ用いた実験で明らかとなっている3）．図2は，ドライビン

アルタイムに検知する技術の開発を進めている．

グシミュレータ（DS）において走行映像を見ながら単純注意・覚醒度の指標として注目したのは眼球運動でアイカメラ（EyeLinkⅡ）ある．最近では，映像・画像処理技術の進歩が著しく，眼球運動と注意・覚醒度との関係性を詳細に評価することスクリーンが可能となってきた（図1：ドライビングシミュレータ実験）．本稿では，そうして明らかとなった各種眼球運動（サッカード運動，前庭動眼反射，輻輳性眼球運動）と注意・覚醒度との関係性について概要を紹介する．
2.

覚醒度の基準としての瞳孔サイズ

眼球運動と覚醒度の関係を評価するためには，覚醒度の基準となる指標が必要である．その基準として瞳孔図225AISIN TECHNICAL REVIEW VOL.24 2020

図1 ドライビングシミュレータ実験

単純反応実験における瞳孔面積の時間変化

間（図3 inter-saccadic interval : ISI）には，中心窩ある．瞳孔面積は，アイカメラで測定した画素数として示で捕らえた対象物を視認するための眼球停留が存在すされている．眠気を自覚しているときには，瞳孔サイズはる．
その時間として，少なくとも150～300msが必要であ低周波ゆらぎ（large low frequency fluctuation:るといわれている7)．

LLFF）を呈する．LLFFとは，覚醒低下による縮瞳と眠気を自覚したときには，水平サッカード運動のPVとそれに対する葛藤によって生じる散瞳が数十秒周期でISIに瞳孔の低周波ゆらぎ（LLFF）と同期した変化が観繰り返される現象と考えられている ．
また，覚醒状態か察される8)．LLFFの発生時においては，図4に示すDS

ら眠 気 の 自 覚 に至る間 の 覚 醒 低 下 時 にお いては，実験の結果のように，瞳孔面積の減少（すなわち覚醒度LLFFに先行して単調な縮瞳を生じることが確かめられの低下）に伴い，PVは低下，ISIは短縮する傾向を示す．ている（gradual miosis : GM） ．
これらの報告から，瞳孔面積の減少が進行すると，振幅の小さな（＜2deg）

DS実験など，環境光と視対象までの距離が統制された

水平サッカード運動が短い時間間隔で生じる現象が観条件下では，瞳孔サイズは覚醒度の基準になりうるもの察されるようになり，PVは40deg/s未満まで低下，ISIは4)5)

4)

4)

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反応実験を行ったときの瞳孔面積の時間変化の事例でと考えられる．
3.
3.1

注意・覚醒度状態と各種眼球運動の関係性
サッカード運動サッカード運動とは，視野の周辺に出現または存在する対象物を網膜中心窩で捕らえるための眼球運動である．
これは随意的または不随意的にも誘発され，一般には左右眼が協調し，同時かつ同方向へ急速に移動する特徴を示す．図3は，サッカード運動およびその一階微分によって得られるサッカード運動の速度波形の一例である．覚醒時においては，サッカード運動の最高速度（図3 peak velocity : PV）が振幅とともに増加する．例
えば振幅が5degのサッカードであれば約250deg/s，振幅が20degのサッカードであれば約650deg/sになる6）．ただし，この振幅とPVの関係性には大きな個人差がある．
また，あるサッカードと次のサッカードの間の時

図4

図3

サッカード運動(a)およびその一階微分によって得られる速度波形の絶対値(b)（和久井ほか 2013 8）より許可を得て転載）

単純反応実験における瞳孔面積とPVの関係(a)および瞳孔面積とISIの関係(b)（和久井ほか 2013 8）より許可を得て改変，転載）AISIN TECHNICAL REVIEW VOL.24 2020260.2s未満まで短縮する8）．
こうした現象は，瞳孔面積が直性VORともに0.8程度になることが示されている10)．

最小値付近まで減少してからもしばらく観察され，やがまた，垂直性VORについては，DS条件下で評価されたてサッカード運動は消失する．その消失タイミングと前例があり，覚醒時のVORゲインがほぼ1となることが見後して，眼球が主に水平方向に緩徐に移動を続ける緩出されている11)．
このことから，VORは注視点や視野の徐運動が発生する（slow eye movement : SEM）．何

ブレを防ぐのに充分な性能を持つものと考えられる．

らかの要因で覚醒度が増して瞳孔面積が増加すれば緩眠気を自覚すると，VORのゲインとバラツキ（眼球速徐運動は消失し，再びサッカード運動による視線移動が度を頭部速度の一次式で近似した際の残差標準偏差）行われる ．に変化が生じる．図5には，鉛直方向に±5～30deg/s8)

水平サッカード運動の変化は，眠気が自覚されないの周期的頭部運動が生じる環境下でDS走行を行った程度の覚醒低下時にも観察される．図4に示すように，ときのVORのゲイン（G VOR）とバラツキ（SD res）の時間

水平サッカード運動のPVは，覚醒低下を反映する瞳孔変化の事例を示す．
ここで，±5～30deg/sの周期的頭の単調縮瞳（GM）と同調して低下，ISIは短縮することが部運動とは，走行する自動車内での振動環境を模擬し確かめられている8)．
（和久井ほか 20149）より改変，転たものとなっている．
この実験では，眠気自覚後に，被験載）者の75%において，実験開始時からのVORゲインの減3.2

前庭動眼反射頭部に揺れを生じる場面においては，前庭動眼反射（Vestibulo-Ocular Reflex : VOR）が誘発される．前庭動眼反射は，前庭器官により検出される加速度刺激によって不随意に生じる眼球運動であり，視野のブレを防ぐために，頭部運動とほぼ同じ速さで逆方向に眼球が回転することを特徴とする．覚醒時のヒトでは，眼球回転速度/頭部回転速度で定義されるVORゲインは水平・垂少率が25%以上となり，94%の被験者では，実験開始時からの残差標準偏差の増加率が25%以上となった．
これらの変化は，統計的にも有意であった11)．
一方，図5に示すように，各被験者のそれぞれ8分以前，6分以前の眠気自覚前においても，既にVORゲインは低下，バラツキは増加傾向を示し始めている．
この実
験では，眠気を自覚した全ての被験者において，これらの変化が眠気を自覚するよりも前に出現することが示さ

図5 単調なドライビングシミュレーション中のVORのゲインとバラツキの時間変化（主観的眠気レベルの時間変化(e),(f)において，Level 2以上が眠気自覚有を示す）（西山ほか 2010 11）より許可を得て転載）

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での距離が一定である条件下でも，輻輳角が瞳孔面積前の覚醒度の低下を反映するものと考えられる．
（ 和久

変化にほぼ同期してゆらぎを生じる．
このとき，LLFF中井ほか 20149）より改変，転載）の瞳孔面積減少に対し，輻輳角は近見反応とは逆に開3.3

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れている11)．
こうした結果から，VORは眠気を自覚する散する（図6 (b) 開散運動）．
さらに，左右の視線はこのと輻輳性眼球運動

輻輳性眼球運動とは，注視点距離の変化に応じ，左右の視軸間の角度を変化させる眼球運動である．その機能は，注視点を左右両眼の網膜中心窩で捉えて融像させることにある．一般に，注視点が近づけば左右の視軸間の角度を増加するための輻輳運動が生じ，注視点が離れれば左右の視軸を平行に近づけるための開散運動が生じる．
また，輻輳性眼球運動と瞳孔サイズの間には近見反応の関係があり，覚醒時においては輻輳運動に付随して瞳孔は縮瞳する1）．
眠気の自覚時には，こうした輻輳角と注視点距離ある
いは瞳孔サイズとの関係性に変化を生じることが明らかとなっている12）．図6は，ドライビングシミュレータ（DS）において，走行映像を見ながら単純反応実験を行ったときの瞳孔面積と輻輳角の時間変化を重ねて示したものである．輻輳角は0degを正位（両眼の視線が平行になる状態）とし，輻輳方向をプラス，開散方向をマイナスとしてい る．眠 気 が 自 覚 され ，瞳 孔 の 低 周 波 ゆらぎ（LLFF）が生じたときには，視対象（DSのスクリーン）まき平行以上にまで開く（輻輳角が負となる）特徴を示す．
また，瞳孔面積が極小値付近まで減少したときには，輻輳角は短い周期で変動することも見出されている（図6(b) 輻輳変動）．
このような短い周期での輻輳角の変動（fluctuation of vergence angle : FVA）
は，視線移動のためのサッカード運動が消失し，眼球緩徐運動（SEM）が発生すると同時かまたはやや遅れて生じることが確かめられている12)．
なお，SEMとFVAが同時発生している時には，目が開いていても周囲が見えていないか，または二重像や調節の異常を自覚していることが報告されている12）．
このことから，SEMとFVAの同時発生時には，覚醒度が顕著に低下しているものと考えられる．
輻輳性眼球運動には，眠気が自覚されない程度の覚醒度低下も反映される12)．
DS実験では，瞳孔の単調縮瞳（GM）が生じたときに，これと同調して輻輳角が適正値から開散方向に徐々にズレていくことが示されている．
また，視覚的注意の意識付けと輻輳角の関係を評価した実験では，注視時に両眼の視線が固視点の方向を向

図6 単純反応実験における瞳孔面積と輻輳角の関係（和久井ほか 2011 12）より許可を得て転載）

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くのに対し，リラックス時には片眼の視線が固視点を外れ，左右の視線が平行以上に開くことが確かめられている12)．
しかしながら，左右の視線が全く異なる方向を向いた状態であっても，覚醒状態と同様，見え方の異常は自覚されない12)．片眼からの視覚像に注意を向けることによって，二重視を知覚しないものと推測される．
（和久井ほか 20149）より改変，転載）
4.

おわりに

本稿では，ヒトの注意・覚醒度状態と各種眼球運動（サッカード運動，前庭動眼反射，輻輳性眼球運動）との関係性について概要を紹介した．
ここで取り上げた知見は，いずれもヒトの注意・覚醒度状態が眼球運動に良く反映されることを示している．今回は主にDS実験で得られた知見を紹介したが，視野制限のほとんどないアイカ
メラを用いた実車実験により，実車環境での再現性評価も行っている13)14)．
これらの評価では，DSとは異なり，奥行き情報を有する環境下でも，先に述べた輻輳性眼球運動に関する知見が再現されている13)14)．最近では，映像・画像処理技術の進歩が著しく，自動車内における非侵襲・非接触での眼球運動計測が現実的となってきた．
今後は，このような技術の進歩を背景に，実験室で見出された目に関わる多くの知見が実用場面でも活用され，交通事故の低減や,安全かつ迅速な運転権限の移譲に貢献できるようになるものと期待される．

参考文献
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筆 者

和久井秀樹

先進技術開発部 開発Ｇ
生体の計測と評価に従事