[論文レビュー] A Mathematical Model of Motion Sickness in 6DOF Motion and Its Application to Vehicle Passengers

Takahiro Wada, Norimasa Kamij+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2015

Vestibular and auditory disorders参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、前庭系における耳石器と半規管の相互作用をモデル化することで、運動性悪酔いの主観的垂直衝突（SVC）理論を6自由度（6DOF）に拡張し、車両乗務者の運動性悪酔い発生率（MSI）の予測を可能にした。モデルは、運転手がカーブ方向に頭を傾げることで、相反する感覚入力を相殺し、MSIを低減するのに対し、乗客は逆方向の頭部運動をとるため、より高い悪酔いを経験することを示している。

ABSTRACT

A mathematical model of motion sickness incidence (MSI) is derived by integrating neurophysiological knowledge of the vestibular system to predict the severity of motion sickness of humans. Bos et al. proposed the successful mathematical model of motion sickness based on the neurophysiological mechanism based on the subject vertical conflict (SVC) theory. We expand this model to 6-DOF motion, including head rotation, by introducing the otolith-canal interaction. Then the model is applied to an analysis of passengers' comfort. It is known that the driver is less susceptible to motion sickness than are the passengers. In addition, it is known that the driver tilts his/her head toward the curve direction when curve driving, whereas the passengers' head movement is likely to occur in the opposite direction. Thus, the effect of the head tilt strategy on motion sickness was investigated by the proposed mathematical model. The head movements of drivers and passengers were measured in slalom driving. Then, the MSI of the drivers and that of the passengers predicted by the proposed model were compared. The results revealed that the head movement toward the centripetal direction has a significant effect in reducing the MSI in the sense of SVC theory.

研究の動機と目的

• 6自由度（6DOF）の運動を用いた運動性悪酔い発生率（MSI）の数学的モデルを、前庭系の神経生理学的原則に基づいて開発すること。
• 車両走行中の頭部運動戦略が、運動性悪酔いへの感受性に与える影響を調査すること。
• スラローム走行中の測定された頭部運動学的データを用いて、運転手と乗客の間での予測されたMSIを比較すること。
• 実際の走行データと感覚衝突の生理学的原則を用いて、モデルの予測能力を検証すること。

提案手法

• 本モデルは、BosらのSVCに基づく運動性悪酔いモデルを6DOFに拡張し、耳石器と半規管の相互作用メカニズムを組み込んだ。
• 線形加速度と角速度を含む、前庭系からの慣性信号を統合し、感覚衝突レベルを計算する。
• スラローム走行中の運転手および乗客の頭部運動データを収集し、モデルの入力として使用した。
• モデルは、感知された垂直方向と実際の運動の手がかりの間の衝突度合いを定量化することでMSIを計算する。
• モデルは、前庭系信号の重み付き組み合わせを用いて、感覚不一致の深刻度を推定する。
• 運転手と乗客の間での予測されたMSI値を比較し、頭部の傾き方向が悪酔い発生率に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6自由度の運動、特に回転成分と並進成分を含む場合、車両乗客における運動性悪酔い発生率（MSI）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 カーブ走行中に、頭部の動き方向（カーブ方向へまたはそれとは反対方向へ）がMSIに与える影響は何か？
• RQ3 運転手が採用する頭部の傾き戦略が、乗客と比較して感覚衝突をどれほど低減させ、MSIを低下させるか？
• RQ4 神経生理学的根拠を持つ数学的モデルは、測定された頭部運動学的データを用いた実際の走行シナリオにおいて、MSIを正確に予測できるか？

主な発見

• 提示された6DOFモデルは、耳石器と半規管信号を統合することで、従来の3DOFモデルを拡張し、運動性悪酔い発生率を効果的に予測できた。
• カーブ方向に頭を傾げる運転手は、乗客と比較して予測されたMSIが顕著に低かった。
• カーブから遠ざかる方向に頭を傾げる乗客は、より高い感覚衝突を経験し、結果として予測されたMSIも高かった。
• モデルは、頭部の傾き戦略が、前庭系における垂直方向の衝突を最小限に抑えることで、運動性悪酔いを顕著に低減する重要な役割を果たしていることを確認した。
• スラローム走行中の測定された頭部運動は、運転手と乗客の間での予測されたMSIの差異と強く相関していた。
• 結果は、能動的な頭部制御が、感知された垂直方向と実際の運動の手がかりを一致させることで、運動性悪酔いを軽減するという仮説を支持している。