CN109562273A - 头部光刺激装置、头部光刺激方法及程序 - Google Patents

头部光刺激装置、头部光刺激方法及程序 Download PDF

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Abstract

一种头部光刺激装置,其特征在于,具有:脑波放大器,其对通过脑波传感器取得的自身脑波进行A/D转换并放大;控制信号生成电路,其根据来自所述脑波放大器的输出信号,生成用于控制LED的驱动的控制信号;以及光照射部,其具有根据来自所述控制信号生成电路的输出进行驱动并照射头部的LED,所述控制信号生成电路具有:带通滤波器,其对输入信号进行滤波处理;DSP(信号处理)部,其控制在所述带通滤波器通过的信号;以及光照射输出部,其使用了照射头部的近红外线LED,所述DSP部具有与自身脑波同步地、使对所述光照射输出部进行控制的PWM输出的相位一致的反馈功能。

Description

头部光刺激装置、头部光刺激方法及程序

技术领域

本发明涉及光刺激技术,特别涉及针对头部的光刺激技术。

背景技术

关于自然界中的光环境的变化对活体的免疫系统产生的影响的例子,已有这样的报告,即已确认到因秋季或冬季的日照时间的减少而引起的心情的不愉快或行动障碍的程度,与末梢血中的自然杀伤细胞(下面称为NK细胞)数是负的相关关系(参照下述非专利文献1)。该报告披露了白天中的太阳光等连续光对免疫调节有用的可能性。关于光在活体内的反应,在鸟类、爬虫类、鱼类中,可以说除视觉路径以外,还通过头盖骨直接反应在松果体的具有光感受性的细胞中,但对于人而言,还不知道除视觉路径以外的此类反应。

另外,包括自然界的光以外的光在内,在关注于其医学效用时,截止到目前,中波长(UVB)或者长波长(UVA)紫外线被应用于银屑病、白斑病、特应性皮炎等皮肤疾病的治疗,高照度光疗法被应用于季节性情感障碍(SAD:seasonal affective disorder)或抑郁症等的治疗。并且,近红色线被应用于疼痛或皮肤溃疡等的治疗,特别是光在临床医学中的广泛应用已经展开。关于光源使用二极管光的医学报告,截止到目前,已经看到了近红色发光二极管光对创伤治愈效果的促进得到认可的基础研究,关于侵入性较小的光源,其医学有用性的研究也正在进行中。

有关可见光经由视觉路径即神经系统对免疫反应产生的影响的研究报告,已经看到了几个。并且,发明人们以前曾经报告了通过对健全者进行光驱动而观察到的前头部的α波的活化,与末梢血中的细胞性免疫的活化相关。

但是,通过光驱动进行的经由眼睛的光刺激,对于被检者而言还会成为一种物理刺激,因而认为将产生妨碍该免疫系统的增强的作用。

另外,发明人还提出了这样的技术,在将两眼完全与光遮蔽的状态下,从前头部的前方照射光,非侵入地实现脑部及免疫机构的活化(参照专利文献1及2)。

专利文献1所记载的照射用具具有与前头部接触的光源部、和将该光源部安装(固定)于使用者的头部的带部。在光源部的内侧(使用者的前头部侧)配置有多个LED。在光源部的下缘部及侧缘部设有遮光部。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2001-231871号公报

专利文献2:日本特开平9-84888号公报

非专利文献

非专利文献1:S.Kasper,N.E.Rosenthal,S.Barberi,A.Williams,Tamarkin L.,S.L.B.Rogers and S.R.Pillemer:Immunological correlates of seasonalfluctuations in mood and behavior and their relationship to phototherapy,Psychiatry Res.,36,pp.253-264(1991)M.Terman,J.S.Terman,F.M.Quitkin,P.J.McGrath,J.W.Stewart and B.Rafferty:Light therapy for seasonal affectivedisorder:a review of efficacy,Neuropsychopharmacol.,2,pp.1-22(1989)

发明内容发明要解决的问题

但是,上述专利文献1所记载的技术是对头部照射整齐划一的光,其效果存在个人差异较大的问题。

本发明的目的是解决上述问题,提供适合于每个人的光刺激技术。

并且,本发明的目的是缓解初期导入时的不适感等。

根据本发明的一个方面提供一种头部光刺激装置,其特征在于,所述头部光刺激装置具有:脑波放大器,其对通过脑波传感器取得的自身脑波进行A/D转换并放大;控制信号生成电路,其根据来自所述脑波放大器的输出信号,生成用于控制LED的驱动的控制信号;以及光照射部,其具有根据来自所述控制信号生成电路的输出进行驱动并照射头部的LED,所述控制信号生成电路具有:带通滤波器,其对输入信号进行滤波处理;DSP(信号处理)部,其控制在所述带通滤波器通过的信号;以及光照射输出部,其使用了照射头部的近红外线LED,所述DSP部具有与自身脑波同步地、使对所述光照射输出部进行控制的PWM输出的相位一致的反馈功能。

可以使用使包括θ波的一部分频带和α波的一部分频带的频率频带通过的带通滤波器,进行缓解初期导入时的不适感等的反馈。

本发明的特征在于,所述DSP部具有:带通滤波器(BPF),其使包括θ波的一部分频带和α波的一部分频带的频率频带通过;锁相环路(PLL),其检测来自所述带通滤波器的输出信号的相位;快速傅里叶转换(FFT)部,其精度良好地提取θ波的一部分频带和α波的一部分频带的最大振幅的频率;以及频率/相位控制部,其控制来自所述FFT部的输入信号的所述频率和所述相位,并反馈给所述PLL。

本发明的特征在于,所述频率/相位控制部在频率切换时使振幅与输入脑波的相位一致并同步。

本发明的特征在于,所述频率/相位控制部在频率切换时将时间延长直至输出相位成为零,在隔开间隔后使与输入脑波的相位的零点一致并同步。

本发明的特征在于,通过所述FFT部,从θ波的一部分频带和α波的一部分频带中提取在所述带通滤波器和所述FFT中频带内的脑波的最大振幅的频率,进而获取移动平均,由此提高精度。

优选的是,所述PLL具有:相位比较器,其比较输入信号的相位;环路滤波器;以及VCO,其以所述环路滤波器的输出为输入,将其输出反馈给所述相位比较器。

虽然在PLL中频率始终追随着脑波的相位而变动,但是可以利用控制信号使PLL的VCO的频率固定。

优选的是,所述PLL在定时t1进行切换的中断(interrupt),然后继续进行振荡直至所述VCO的相位达到零交叉点为止,然后判定所述PLL的相位是否是零,如果是零,则以前一次的平均的频率开始所述PLL的信号输出。

按照以上所述,可以快速进行使针对近红外LED的控制信号的相位与自身脑波的相位的同步。

根据本发明的另一个方面提供一种头部光刺激方法,所述头部光刺激装置具有:脑波放大器,其对通过脑波传感器取得的自身脑波进行A/D转换并放大;控制信号生成电路,其根据来自所述脑波放大器的输出信号,生成用于控制LED的驱动的控制信号;以及光照射部,其具有根据来自所述控制信号生成电路的输出进行驱动并照射头部的LED,所述头部光刺激方法的特征在于,所述控制信号生成电路进行以下处理:带通滤波器处理,对输入信号进行滤波处理;DSP处理,控制在所述带通滤波器通过的信号;以及光照射输出处理,使用了照射头部的近红外线LED,所述DSP处理包括与自身脑波同步地使对所述光照射输出处理进行控制的PWM输出的相位一致的反馈处理。

本发明的特征在于,所述DSP步骤包括:带通滤波器(BPF)处理,使包括θ波的一部分频带和α波的一部分频带的频率频带通过;锁相环路(PLL)处理,检测在所述带通滤波器处理中的输出信号的相位;快速傅里叶转换(FFT)处理,精度良好地提取θ波的一部分频带和α波的一部分频带的最大振幅的频率;以及频率/相位控制处理,控制来自所述FFT处理的输入信号的所述频率和所述相位,并在所述PLL处理中进行反馈。

本发明也可以是用于使计算机执行技术方案8或9所述的头部光刺激方法的程序,还可以是记录该程序的计算机可读的记录介质。

发明效果

根据本发明,可以提供适合于每个人的光刺激技术。

根据本发明,可以进行用于缓解初期导入时的不适感等的反馈。

附图说明

图1A是表示本发明的第一实施方式的光刺激装置的一个结构例的功能框图。

图1B是表示本发明的第二实施方式的光刺激装置的一个结构例的功能框图。

图1C是表示BPF、AGC控制陷波、LPF的特性例的图。

图2是表示在本实施方式中使用的脑波的频率频带的一例的图。

图3A是表示图1A所示的波动波形生成部的输入输出波形的一例的图。

图3B是表示图1B所示的电路中的波形的推移例的图。

图3C是表示脉冲调制部的输入波形(a)和输出波形(b)的图。

图3D是表示图1B所示的反馈电路中的波形的推移例的图。

图4是表示波形处理的流程的一例的流程图。

图5是表示针对头部的光照射处理的流程的流程图。

图6是表示上述第一实施方式的光刺激装置的简单结构例的功能框图。

图7是表示本发明的第五实施方式的光刺激装置的一个结构例的功能框图。

图8是表示图7的信号处理装置(DSP)的一个结构例的图。

图9是表示图8的PLL的一个结构例的功能框图。

图10是表示本实施方式的控制算法的一例的图。

图11是表示FFT的加法平均的求解方法的一例的图。

图12是表示α波的最大频率的位移和VCO的变化的图。

图13是表示相位的同步方法的图。

图14是表示第一同步方法的图,横轴为时间,纵轴为振幅。

图15是表示第二同步方法的第一例的图。

图16是表示第二同步方法的第二例的图。

图17是表示第二同步方法的第三例的图。

图18是表示第二同步方法的第四例的图。

图19是表示第二同步处理的流程的一例的流程图。

图20是表示本发明的实施方式的光照射装置的结构例的图。

图21是表示本发明的第七实施方式的光照射装置的结构例的图,是表示用于向被检者的头部照射红色线脉冲光的器具的另一例的图,该红色线脉冲光是通过进行第一实施方式~第六实施方式中各实施方式的处理得到的。

具体实施方式

下面,关于本发明的实施方式,参照附图进行详细说明。另外,在附图中说明用号码相同的,只要没有特别说明,则视为表示同一部件。

在西医中没有“个体差”、“体质”的概念。发明人通过也考虑个体差、体质,研究出了使退化的功能有效复苏的技术。

特别想到了以前额皮质(前联合区)为中心,通过根据每个人固有的脑波的节奏而自动调整的向头部的脉冲光照射,使自然发生中的α波和θ波的振幅增强,由此非侵入地实现大脑皮质的神经脉冲的增强、基于内分泌系统的变化的作为活体的活化、以及细胞性免疫的活化。

根据上述的思想,下面对本发明的各实施方式进行说明。

(第一实施方式)

首先,对本发明的第一实施方式的光刺激装置进行说明。另外,在本说明书中,头部是指包括前额皮质(前联合区)、但后头部除外的头部。

图1A是表示本发明的第一实施方式的光刺激装置的一个结构例的功能框图。该功能可以通过硬件结构或者软件结构或者它们的组合来实现。下面都一样。

图2是对在本实施方式中使用的脑波的频率频带进行说明的图。θ波具有5~8Hz的频带,α波具有8~13Hz的频带,β波具有13~30Hz的频带。

如图1A所示,本实施方式的光刺激装置根据例如通过传感器11取得的被检者的脑波(脑波传感器11、脑波放大器13:都称为自身脑波),利用脑波中的θ波的一部分和α波的一部分例如图2所示的7~13Hz的频率频带的脑波。根据该频率频带的脑波,本实施方式的光刺激装置具有生成基于自身脑波的合适的波形的波形生成部1a、对波形生成部1a的输出进行脉冲调制(PWM)的脉冲调制部3、以及根据被进行了脉冲调制的驱动波形进行驱动的例如红色发光二极管(例如发光波长660nm、LED)等的光照射部4。光照射部4中的红色光的光源波长优选610~750nm的范围。从光照射部4照射的红色脉冲光照射到被检者的头部等被照射区域5。在上文中,波形生成部1a根据自身脑波生成合适的波形,但波形生成对象不限于自身脑波。例如,也可以利用近亲者或相同病情的患者等的脑波。

另外,波形生成部1a还可以具有抑制振幅的个人差异的例如AGC部1a-1、仅提取α波、θ波的规定频率频带的波形的例如BPF部1a-2。关于这些部分的具体结构,在第二实施方式中进行详细说明。

图3A是向波形生成部1a的脑波的输入信号(原本脑波(a))和来自波形生成部1a的输出信号(b)的一例,纵轴为振幅,横轴为时间(s)。都是在100Hz下进行采样。L1、L2表示各自波形的包络线(envelope)。

如图3A及图3B所示,基本上保持个人的波动,对比包络线L1、L2可知,进行诸如吸收(去除)个人的临界点的波形的变形处理。

如上所述,根据本实施方式的光刺激装置,生成具有基于个人的脑波的频率波动的波形,向头部照射根据对该波形进行脉冲调制而生成的驱动波形进行驱动的红色LED,因而能够在考虑个人的特性并去除个人的临界点,再通过脉冲调制抑制了热量的发生的状态下,非侵入地实现大脑皮质的神经脉冲的增强、基于内分泌系统的变化的作为活体的活化、以及细胞性免疫的活化。

另外,LED不限于红色LED,频带也不限于7~13Hz。光源也不限于使用LED。

(第二实施方式)

下面,对本发明的第二实施方式进行详细说明。图1B是表示本实施方式的光刺激装置的一个结构例的功能框图,是与图1A对应的图。

在根据自身脑波生成脉冲光的驱动电压的情况下,在光刺激过强时,给予身体的刺激过强,而在光刺激过弱时,效果过小。

如图1B所示,本实施方式的光刺激装置具有:脑波放大器13,其对通过传感器11取得的被检者的脑波进行A/D转换,并且根据需要进行放大;控制信号生成电路1b,其根据来自脑波放大器13的输出信号,生成用于控制LED的驱动的控制信号;PWM调制部3,其对来自控制信号生成电路1b的输出进行PWM调制;以及光照射部4,其具有根据来自PWM调制部3的输出信号进行驱动的红色LED。来自光照射部4的光作为脉冲光,照射被检者的被照射区域5例如头部。PWM调制部3不改变频率,而通过可变的脉冲的宽度及正负来表示波形。由此,可以减小输出电压的脉动成分,提高针对负荷变动的应答性能。也可以利用PFM调制替代PWM调制。

控制信号生成电路1b具有例如第一带通滤波器(BPF1)1-1、AGC限制器1-2、第二带通滤波器(BPF2)1-3。

另外,控制信号生成电路1b发挥将来自第二带通滤波器(BPF2)1-3的输出反馈给AGC限制器1-2的反馈作用,具有绝对值电路1-4、例如设为输入的2倍的频率的BEF电路1-5、进行其输出的采样的LPF电路(fc、品质因子Q=0.7)1-6。还能够作为在5~15Hz之间任意地设定变更中心频率的中心频率变更部1-1-1发挥作用。BEF电路1-5是频带去除滤波器,是仅将某频率去除、使其它频带通过的滤波器。

另外,还可以具有存储第二带通滤波器(BPF2)1-3的输出的存储器1-7。

图1C是示例BPF的频率特性L1、AGC限制器1-2的AGC控制用陷波L2、LPF1-6的频率特性L3的图。该特性例是中心频率fc=9.0Hz、Q=5的例子。

根据这些特性,可以通过控制信号生成电路1b将基于用附图标记P1表示的频率范围的脑波的处理后信号输出给PWM调制部3。

图3B是根据频率和振幅的关系表示图1B的电路的波形处理例的图。

(a)的波形1)是表示向第一带通滤波器(BPF1)1-1的输入波形例的图,纵轴为振幅,横轴为采样时间。波形1)例如是将个人的脑波(自身脑波)放大后的第一波形。

(b)的波形2)是表示来自第一带通滤波器(BPF1)1-1的输出波形例的图,仅提取第一波形1)中例如图2所示的7~13Hz的波长。

(c)的波形3)是以波形2)为输入的AGC限制器1-2的输出波形,抑制了依存于个人的振幅的变动。

(d)的波形4)是表示以波形3)为输入的第二带通滤波器(BPF2)1-3的输出波形例的图,BPF2(1-3)是任意设置的,用于进行波形成形处理。

由此,可以得到保留波形的个人差异且抑制个人差异、并且容易变形成脉冲信号的波形。

另外,波形3)、4)是使后述的反馈功能发挥作用时的波形例。

图3C是以波形4)为输入的PWM电路3的输入输出波形,变更了横轴的刻度,是根据图3C的(a)所示的图3B的(d)的波形4)的周期(频率)和振幅,按照图3C的(b)所示调整了脉冲波形的占空比的波形。这样,在PWM电路3中,可以根据波形4)得到脉冲波形。通过使用该脉冲波形作为LED4的驱动电压,可以抑制发热。

图3D是表示基于图1B中的反馈电路的波形处理的例子的图。

波形11)是第二带通滤波器(BPF2)1-3的输出波形。

波形12)是对波形11)通过绝对值电路1-4设为绝对值的例子。由此,容易计算波形的振幅。

波形13)是对波形12)通过BEF电路1-5根据图1C所示的控制陷波的特性抑制了振幅的例子。

波形14)是对波形13)通过LPF1-6以基线为振幅0,将振幅设为例如0.7倍的例子。

通过将波形14)输入AGC限制器1-2的控制端子,将依存于个人差异的振幅反馈给AGC限制器1-2,可以保持个人的特点并抑制变动。

(变形例)

例如,也可以是,通过存储第二带通滤波器(BPF2)1-3的输出的存储器1-7,使存储针对该个人具有效果的波形,从而自此以后可以根据来自存储器的波形生成脉冲信号。或者,还可以将脑波存储在存储器中。另外,作为使存储器存储的信号,还可以存储图1B所示的电路的任意一个电路的输出,使处理变简单。

(第三实施方式)

图4是表示作为本发明的第三实施方式,将第一、第二实施方式的上述的处理设为通过软件进行的处理时的处理流程的流程图。如图4所示,首先,在开始处理时(开始),在步骤S2中取得脑波。然后,在步骤S3中进行BPF1的处理,在步骤S4中进行AGC限制处理。然后,在步骤S5中进行绝对值处理,在步骤S6中进行BEF处理,在步骤S7中进行LPF处理,将以上处理的结果返回到步骤S4,然后在步骤S8中进行BPF2处理,在步骤S9中进行PWM调制处理,在步骤S10中对LED施加驱动脉冲电压,结束处理(步骤S11)。

(第四实施方式)

图5是表示作为本发明的第四实施方式的LED对被检者的头部的光照射处理的流程的流程图,LED是根据上述的第一~第三实施方式的各个实施方式中的LED驱动脉冲信号进行驱动的。

在步骤S21中开始光脉冲的照射处理(开始),在步骤S22中开始实际的光照射。在此,也可以按照步骤S23所示进行约3分钟的频率的扫描处理。关于频率的扫描处理,例如在13Hz~7Hz之间,以0.1Hz刻度、按照相等间隔(约3.5秒)照射频率。

然后,在步骤S24中向头部照射脉冲光。照射时间例如约12分钟,在步骤S25中,在根据定时器计数等经过12分钟时,在步骤S26中更新光照射用数据,返回到步骤S22。光照射数据的更新处理是如图4所示的处理,是使LED的驱动脉冲电压体现出基于通过光脉冲的照射而变化的脑波的图4的处理结果的反馈处理。照射时间例如优选12分钟(有扫描)~15分钟(无扫描)。

例如,根据自身脑波中的频率区域,下一个的更新数据仅对被检测为自身脑波的频率区域照射光脉冲。并且,对于振幅,按照被检测为自身脑波的振幅来更新振幅的大小,如果振幅较大则增大,如果振幅较小则减小。通过该反馈处理,可以不需要频率扫描处理。

(第五实施方式)

本实施方式的光刺激技术涉及α波活化技术,用由被检者读取的脑波的α波(如前面所述,也可以包括θ波)近红外LED光照射头部并反馈。

α波出现于睡醒时在精神上还不怎么活跃的时候。例如,在听音乐进行放松时产生α波。在进行放松的状态时,将活跃地产生信息传递物质的神经肽,自然杀伤细胞活化。在自然杀伤细胞活跃时,可以预防癌症或感染症。

近红外LED光透过头盖骨而达到脑表面。通过与α波同步地进行反馈,促进脑的活化。

例如,在阿尔茨海默型痴呆症的患者中发现α波的匮乏、低及中振幅的Θ波的慢波、平坦化的症状。

如果针对这样的患者提供使大脑活动活跃的光照射技术,则不需使用药物等,即可非侵入地减轻症状,并且还预防癌症或感染症。

在通过上述的第一~第四实施方式所说明的技术中,在对被检者进行处理时,在被检者习惯装置之前的初始阶段(初期阶段)中得不到效果,根据情况有时情绪变差等。

作为其原因,发明人推测是因为被检者的脑波和装置的反馈光的相位不一致。图6是表示在上述的第一~第四实施方式的各个实施方式中说明的、不具有本实施方式的相位反馈功能的光刺激装置的简单的结构例的功能框图。

如图6(对应于图1B)所示,在不具有相位反馈功能的光刺激装置中,对由脑波得到的信号,在计算机中进行A/D转换(脑波放大器、A/D转换13),并进行BPF1(1-1)、AGC限制器(1-2)、BPF2(1-3)等数字滤波处理,再进行PWM调制(3),将所得到的控制信号输出给未图示的LED。近红外光被反馈给大脑。

此时,在滤波器装置(1-1、1-2、1-3)等产生信号的延迟。在具有该延迟时,例如在相位相对于脑波偏离180度的情况下,脑波有可能减弱。

因此,发明人想到了调节相位和频率或者延迟,使接近正确的反馈状态的技术。

下面,作为本发明的实施方式的光刺激技术,对使相位与被检者的脑波同步地反馈近红外LED光的技术,参照附图进行详细说明。

图7是表示本实施方式的光刺激装置的一个结构例的功能框图。图8是表示图7的信号处理装置(DSP)的一个结构例的图。图9是表示图8的PLL电路的一个结构例的功能框图。

如图7所示,本实施方式的光刺激装置具有头部电极(安装于额叶)10a、输入部11a、DSP部(信号处理部、处理器)1c、3、和近红外的LED4,使来自LED4的近红外光照射额叶的被照射区域5。

由头部(额叶)的脑波传感器10a检测出脑波信号11,通过放大器(脑波放大器)13被放大。被放大的脑波信号通过计算机的A/D转换被采样,在DSP部(处理器)1c、3中被读出并进行信号处理。被进行处理后的信号通过PWM调制,被输出给近红外LED(光输出部)4。

如图8所示,DSP部具有BPF部(1)1-1、PLL(锁相环路)部12、FFT(傅里叶转换)部15、控制频率及相位的控制部(频率及相位控制器)17。PLL部12对从BPF部(1)1-1取出的信号进行FFT转换,并进行PLL部12的频率或者延迟的相位调整,使得目标的α波的频率的水平提高。

由头部的脑波传感器11读出并被进行了A/D转换的数据,通过BPF(1)1-1被限制在包括α波的波长频带的例如1~30Hz的范围内。例如,在10秒钟期间获取70次的FFT的数据,并获取其移动平均(处理的详细情况在后面进行说明)。

然后,检测α波内的最大值,在该α波的频率下,例如在下一个10秒钟期间将PLL12锁定。在切换时,PLL12可以使与所采样的脑波数据同步。从PLL12输出的α波的最大值的信号被进行PWM调制(3),使近红外LED4发光。

如图9所示,PLL12具有输入部12-1、相位比较器12-2、VCO12-3、环路滤波器12-4、输出部12-5。

在设所输入的信号为Φ[n]=χre[n]+jχim[n]时,相位如下所述。

在相位比较器12-2中,将输入信号的相位Φ[n]和通过反馈而返回来的VCO12-3的相位Ψ[n]进行比较。

μ[n]=Φ[n]-Ψ[n]

相位比较器的输出μ[n]被输入给环路滤波器12-4。环路滤波器12-4的传递函数如下式所示。

在设环路滤波器12-4的输入信号为μ[n]、输出信号为θ[n]时,对应的差分方程式如下所述。

v[n]=v[n-1]+g2u[n]

θ[n]=g1u[n]+v[n]

环路滤波器12-4的输出θ[n]表示相位差。对VCO12-3进行控制使得弥补相位差,将相位输出Ψ[n]反馈给相位比较器12-2。

相位比较器12-2的输出如下所述。

根据Φ[n]-Ψ[n],范围是[-2π,2π]rad

对其进行校正使成为下式所示。

[-π,π]rad

于是,环路滤波器12-4的传递函数H(z)成为下式所示。

VCO12-3是无延迟电路。

图10是表示本实施方式的控制算法的一例的图。

该方法是在通过FFT分析得到的信号中发现最大值,并控制频率以引导成目标的频率的方法。

在由脑波测定得到的波谱中,检索α波附近的极大值,将在初期是该最大值的PLL的频率反馈给LED。

在假设目标的频率大于极大值的频率时,作为控制的后续的步骤,设定为比极大值例如增大1Hz的频率。然后,由于1Hz频率较高,因而在1秒钟期间相位加快旋转1波长的量。

这样,通过反馈使接近目标的频率。在极大值+1Hz的水平上升时,再次朝向目标的频率使每次接近1Hz。在达到目标的频率时,维持该状态的频率。

另外,计算的条件如下所述。

BPF1:采样频率258Hz,中心频率fc:10Hz,通过带宽:5~15Hz

FFT:采样频率128Hz,分析速率每秒2次,分析分辨率0.5Hz

频率的切换采用例如以10秒间隔对FFT的结果进行平均的方式。

PLL:输出电平按照VCO的设定来决定。

DELAY根据0~0.2s~(5Hz时)α波频率进行调整。

下面,对采样的方法和FFT的移动平均(加法平均)处理进行说明。

在此,根据下面的条件进行处理。

脑波的频率频带:0.13~128Hz

α波的频率频带:7~14Hz

采样频率:128Hz×2=256Hz

必要采样时间:1/7Hz=0.143s

加法平均的时间:10s

加法平均的次数:10×2/0.143≈140次

采样方法如下所述。

采样频率根据奈奎斯特频率的定理设为2倍。α波的最低频率是7Hz,因而必要采样时间是0.143s。在延长采样时间时,可以将频率频带扩展到δ波,但由于加法平均的次数减少,因而可以区分为反馈使用的FFT和分析用的FFT。

FFT的加法平均

下面,对FFT的加法平均进行说明。

图11是表示加法平均的求解方法的一例的图。纵轴为振幅,横轴为时间,单位任意。实际上是msec级。

对脑波通过A/D转换进行采样,并进行FFT分析。例如,在10秒(图中的0.1)期间对FFT的数据进行加法平均,检测α波频率频带内的最大频率。使该频率体现在下一个10秒期间的VCO的频率中。

加法平均的方法如图11所示进行多次傅里叶转换。

采样时间是0.143s,因而可以取得70次的FFT数据。但是,FFT根据窗函数进行处理,因而使采样时间一半重叠来获取加法平均比较好。

因此,例如对FFT140次的数据进行加法平均。通过进行加法平均,白噪声以1/√N而减少。其中,N表示加法平均的次数。

下面,关于α波的最大频率的位移和VCO的变化,参照图12进行说明。

通过对由脑波取出的FFT数据进行加法平均,检测α波的最大频率。在α波的最大频率变动的情况下,在下一个10秒期间变更VCO频率。但是,VCO的频率不是急剧变更的(图12(图12的上图)),通过环路滤波器(图12的中图)使稳定地变动成目标的频率(图12的下图)。相位缓慢地位移并与目标的频率连接。

另外,在图12中图示了模拟IC的PLL处理,但在数字信号处理中,用数值表现相位差。

另外,振幅是由VCO决定的。该振幅的值可以通过程序来设定。因此,在初始时可以减小信号电平,或与FFT的最大频率的水平成比例地变化信号电平。

图13是表示相位的同步方法的图。横轴为时间,纵轴为振幅。图13中上面的波形表示α波的采样数据,下面的波形表示仅取出相位信息的数据。

BPF每10秒间隔切换频率。在该切换时使输入的脑波和相位一致。即,从α波的采样数据中,仅取出相位的数据,使振幅固定。在每10秒间隔的频率切换时,由仅取出相位的采样数据,

根据θ=tan-1(A/B)计算相位。使该相位与VCO的相位一致。

下面,对在频率切换时使相位同步的方法进行说明。可以选择测试结果中最好的。

1)同步方法1

图14是表示第一同步方法的图,横轴为时间,纵轴为振幅。第一同步方法是在频率切换时使相位同步的方法。例如,使用10秒期间的FFT处理的加法平均的数据,决定下一个10秒期间的VCO的频率。按照由该方法计算出的相位开始VCO的动作。

图14的曲线图表示VCO的频率由较低的频率切换为较高的频率时的曲线图。在切换时可以使采样数据(脑波的相位)与VCO的开始的相位一致。

但是,切换前的VCO的相位和切换后的VCO的相位不一致。由此,还有引发DC的变动的可能性。

2)同步方法2

图15~图18是表示第二同步方法的图。横轴为时间,纵轴为振幅。第二同步方法是在频率切换后,在零交叉点使相位同步的方法,例如在10秒期间的频率切换点之后,使延迟到脑波的零交叉点来获取同步。

为了获取脑波的相位和VCO的相位的同步,在零交叉点之前出现空白的时间。虽然不会产生多余的高次谐波,但是在脑波的相位无法返回到零的情况下,存在空白期间延长的可能性。

在图15、图16中,上图是脑波的波形,下图是VCO的波形。在10秒的频率切换点t2、和使VCO的相位与脑波的相位一致的点t3之间,使VCO的波形维持为零。图15是在从t1朝向t2(t1<t2)、VCO的波形中的振幅减少的期间交叉于0的例子,图16是在从t1向t2(t1<t2)、VCO的波形中的振幅增加的期间交叉于0的例子。在10秒期间的频率切换点之后,使延迟到脑波的零交叉点来获取同步。

图17是将VCO的波形中取极大值的定时作为10秒的频率切换点的例子,图18是将VCO的波形中取极小值的定时作为10秒的频率切换点的例子。

根据以上任意一种的同步方法,为了获取脑波的相位和VCO的相位的同步,在零交叉点之前出现空白的时间。虽然不会产生多余的高次谐波,但是在脑波的相位无法返回到零的情况下,存在空白期间延长的可能性。

图19是表示上述同步处理的流程的一例的流程图。如图19所示,处理开始(开始),在定时t1进行切换的中断(interrupt)(步骤S31)。

然后,在步骤S32中,持续进行振荡直至VCO的相位达到零交叉点。

在步骤S33中,判定PLL的相位是否是零。如果是零(是),则进入步骤S34。如果是否,则等待直至PLL的相位成为零为止。

在步骤S34中,以前一次10秒的平均的频率开始PLL的信号输出,结束处理。

按照以上所述,可以快速进行针对近红外LED的控制信号的相位与自身脑波的相位的同步。

根据本实施方式,在通过上述的第一~第四实施方式所说明的技术中,在对被检者进行处理时,使被检者的脑波与装置的反馈光的相位一致,由此具有即使是在被检者习惯装置之前的初始阶段(初期阶段)中也能够获得其效果的优点。

(第六实施方式)

图20是表示本发明的第六实施方式的光刺激装置的结构例的图,是表示用于向被检者的头部照射红色脉冲光的器具的一例的图,该红色脉冲光是通过进行第一实施方式~第六实施方式中各实施方式的处理得到的。如图20的(c)所示,在出射孔57a的位置配置有未图示的多个LED4的支承板57,覆盖在背面(头部侧的被照射区域)设置的帽子状的部件51。

根据通过波形生成部1a和脉冲调制部3(图1A)等生成的脉冲驱动电压,头部被照射红色光。在此,使帽子状的部件51的照射部51a与被照射区域一致。并且,在实际照射光时,使在帽子状的部件51可滑动地设置的护眼部53滑动到眼睛的位置,以保护眼睛(图20的(a))。

如图20的(b)所示构成为,在使护眼部53从眼睛的位置滑动时位于照射部51a和被照射区域之间,以遮蔽来自照射部51a的光,由此可以保护眼睛。

如上所述,在本实施方式中,可以有效地进行光照射和眼睛的保护。

(第七实施方式)

图21是表示本发明的第七实施方式的光刺激装置的结构例的图,是表示用于向被检者的头部照射红色线脉冲光的器具的另一例的图,该红色线脉冲光是通过进行第一实施方式~第六实施方式中各实施方式的处理得到的。

在图21的(a)、(b)所示的安装于头部的光脉冲装置151中,在装置的壳体153的内部,除发光部155外,还配置有例如信号处理部157、电源(电池等)161。信号处理部157、电源(电池等)161也可以配置在壳体153的外侧。

在这种结构中,为了容易监视刺激脑部的光的动作(起动、停止),按照图21的(b)、(c)所示配置如下功能,将壳体153的内部的光的一部分引导到进入使用者的眼睛的位置,对使用者投射动作监视光。

这样,在安装于头部的光脉冲装置151中,在眼睛可以观察到的位置,设有设备的动作确认用的、可以确认内部的光刺激信号的一部分的窗口163。并且,在该光朝向眼睛的方向的导光路径上具有减光用的调整窗,在需要改变亮度的情况下,可以操作调整窗来调整亮度。

该调整窗163对光的调整性可以根据透射率不同的色素来进行,也可以通过导光路径上的遮蔽物来进行,只要是通过动作确认窗调整确认灯的亮度的装置即可。

例如,按照图21的(c)、(d)所示,该功能例如设置包括动作确认窗163在内的,可以对动作监视光进行调光或者遮蔽的调整开关功能。

调整开关功能例如按照图21的(c)、(d)所示,在观察动作确认窗163的位置设置切槽165、和可以调整切槽165的开口范围地配置的遮光板164。通过使遮光板164滑动来调整切槽165的开口范围,当在户外、室内等外部环境的亮度变化的情况下,能够进行调整或者遮光使得不过度炫目或过暗。

如上所述,根据本实施方式可以提供一种监视器,该监视器是检测内部的光学状态的检测窗(孔),用于进行确认亮度、动作的显示,使容易进行系统侧的起动及停止。

处理及控制可以通过CPU(Central Processing Unit,中央处理单元)或GPU(Graphics Processing Unit,图形处理单元)的软件处理、ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit,专用集成电路)或FPGA(Field Programmable Gate Array,可现场编程门阵列)的硬件处理来实现。

通过使用本发明的装置,能够实现人脑中退化的功能的复苏。具体地,根据本发明,以前额皮质(前联合区)为中心,通过根据每个人固有的脑波的节奏而自动调整的对头部的脉冲光照射,使自然发生中的α波和θ波的振幅增强,由此非侵入地实现大脑皮质的神经脉冲的增强、基于内分泌系统的变化的放松及细胞性免疫的活化。

在人类的进化过程中,为了(从与生活特别相关的物理因素)保护非常重要的器件,产生(包括骨骼在内的)器官的变化(进化)。(这样,认为随着环境而进化的种或亚种被自然选择下来并存在至今日。)由于该进化(与进化替换),本来具备的生理学上的活化或与调节相关的功能逐渐退化的情况也不少见。本发明可以说是使这样不得不退化的生理学及免疫学的功能复苏的技术的典型范例。

本发明的装置通过用特定波长区域的红色脉冲光刺激人头部特别是以前额皮质(前联合区)为中心的部分,将超过生理现象的节奏(波动)的范围的活体内产生变形的α波的频率或振幅的紊乱,调谐及放大成每个人固有的θ波的一部分频带~α波的一部分频带之间的频率及振幅,由此可以改善并做到进一步预防。该头部的光刺激使脑表面(主要是大脑皮质)退化的光感受性功能产生复苏,实现大脑皮质的神经细胞的兴奋促进,产生神经脉冲的增强(通过内分泌系统的变化而产生精神压力的改善等),产生自然免疫系统(细胞性免疫系统)的活化。这成为免疫监视能力的增强,估计会带来针对病毒感染细胞或(即使是健全者,可以说1天也会产生3千~5千个的)癌细胞的攻击/防御。

免疫系统包括获得性免疫系统和自然免疫系统(细胞性免疫)。在获得性免疫系统中,在细菌或病毒等异物进入体内时,树状细胞等抗原提示细胞对辅助性T细胞提示抗原并传递异物的信息,由此辅助性T细胞命令B细胞形成针对抗原的抗体,该抗体攻击并破坏异物。另一方面,自然免疫系统(细胞性免疫)是通过进行巡查的NK细胞、巨噬细胞(吞噬细胞)及颗粒细胞(嗜中性粒细胞)实现初期防御用的免疫系统,以便在获得性免疫系统起作用之前针对上述的异物立即生效并进行攻击。在本发明的装置对头部的光刺激中,具有NK细胞产生活化的特点。另外,关于NK细胞数的增加,可以对末梢血中的NK细胞的细胞表面抗原即CD57及CD16(其中,CD是“Cluster of Differentiation,分化抗原簇”的略称),通过流式细胞术等测定CD57-CD16+及CD57+CD16+的细胞的存在量来确认。

已知通过控制人脑的α波可以提高免疫力,特别是0.5~13Hz的频率的脉冲光的光刺激对NK细胞的活化或放松效果,已由本发明人们记载在日本特开平9-84888号公报或日本特开2001-231871号等中。但是,该技术如前面所述没有考虑个人差异(或者个体差异)及体质,而是向头部照射整齐划一的光,存在其效果的个人差异较大的问题。在人脑波中,在安静闭眼时出现α波(频率13~18Hz),在浅睡眠时出现θ波(频率7~4Hz)。在睡醒时β波(频率30~14Hz)成为主流,受到紧张或压力的影响。本发明的装置测定每个人的脑波,将与每个人固有的α波的节奏的频率及振幅自动一致的红色脉冲光(使用610~750nm的任意的波长区域),照射头部例如以前额皮质(前联合区)为中心的部分,由此能够增强自然发生中的θ波的一部分频带~α波的一部分频带(通常7~13Hz,优选7~12Hz,更优选7~10Hz)的脑波的振幅。实际上,通过对健全者、癌症患者、高龄人员等实施本发明的红色脉冲光照射,例如通过按照1天1~6次(在1天1~4次时,例如采取对上午的第1/2次间隔15分钟以上的“休息时间(interval)”来实施,在下午将这两次量的组合也进行1~2次的方法)、每次各约15分钟、实施大约2~3周或者更长的期间,确认到产生了大脑皮质的神经脉冲的增强(大脑皮质功能的活化)、基于内分泌系统的变化的作为活体的活化(例如因血中去甲肾上腺素[去甲基肾上腺素]水平的降低而引起的焦躁感的降低或精神压力的减轻等)、自然免疫系统(细胞性免疫)的活化(例如NK细胞活性的上升)。

通过采用诸如本发明的技术,使本来就存在于脑表面(在发生学上被称为端脑的部位)的光感受性复苏,由此能够使在现代人的大脑中逐步退化的上述生理学功能的一部分(例如,大脑皮质的神经脉冲的增强、基于内分泌系统的变化的作为活体的活化、以及细胞性免疫的活化等)复苏。通过本发明人们的一系列的医疗及工科的协作研究,能够使该大脑皮质的光感受性复苏,使自然治愈力复苏。

在上述的实施方式中,关于在附图中图示的结构等,不限于这些实施方式,能够在发挥本发明的效果的范围内进行适当变更。另外,能够在不脱离本发明的目的的范围内适当进行变更来实施。

并且,本发明的各构成要素能够任意进行取舍选择,具备所取舍选择的结构的发明也包含在本发明中。

产业上的可利用性

本发明可以应用于对头部的光脉冲照射装置。

本发明可以应用于光刺激装置。

附图标记说明

1a波形生成部;1-1BPF部;3(PWM)脉冲调制部;4光照射部(LED);11脑波传感器;12PLL(锁相环路)部;13脑波放大器;15FFT(傅里叶转换)部;17频率及相位的控制部;51帽子状的部件;51a照射部;51b遮蔽部;53护眼部;57支承板;57a出射孔。

在本说明书中引用的期刊物、专利及专利文献,全部直接作为参考被包含在本说明书中。

Claims (10)

1.一种头部光刺激装置,其特征在于,
所述头部光刺激装置具有:脑波放大器,对通过脑波传感器取得的自身脑波进行AD转换并放大;控制信号生成电路,根据来自所述脑波放大器的输出信号,生成用于控制LED的驱动的控制信号;以及光照射部,具有根据来自所述控制信号生成电路的输出进行驱动并照射头部的LED,
所述控制信号生成电路具有:
带通滤波器,对输入信号进行滤波处理;
DSP(信号处理)部,控制在所述带通滤波器通过的信号;以及
光照射输出部,使用了照射头部的近红外线LED,
所述DSP部具有与自身脑波同步地、使对所述光照射输出部进行控制的PWM输出的相位一致的反馈功能。
2.根据权利要求1所述的头部光刺激装置,其特征在于,
所述DSP部具有:
带通滤波器(BPF),使包括θ波的一部分频带和α波的一部分频带的频率频带通过;
锁相环路(PLL),检测来自所述带通滤波器的输出信号的相位;
快速傅里叶转换(FFT)部,精度良好地提取θ波的一部分频带和α波的一部分频带的最大振幅的频率;以及
频率相位控制部,控制来自所述FFT部的输入信号的所述频率和所述相位,并反馈给所述PLL。
3.根据权利要求2所述的头部光刺激装置,其特征在于,
所述频率相位控制部在频率切换时使振幅与输入脑波的相位一致并同步。
4.根据权利要求2所述的头部光刺激装置,其特征在于,
所述频率相位控制部在频率切换时将时间延长直至输出相位成为零为止,在隔开间隔后与输入脑波的相位的零点一致并同步。
5.根据权利要求2所述的头部光刺激装置,其特征在于,
通过所述FFT部,
从θ波的一部分频带和α波的一部分频带中,提取在所述带通滤波器和所述FFT部中频带内的脑波的最大振幅的频率,进而获取移动平均,由此提高精度。
6.根据权利要求2所述的头部光刺激装置,其特征在于,
所述PLL具有:
相位比较器,比较输入信号的相位;
环路滤波器;以及
VCO,以所述环路滤波器的输出为输入,将所述环路滤波器的输出反馈给所述相位比较器。
7.根据权利要求6所述的头部光刺激装置,其特征在于,
所述PLL在定时t1进行切换的中断(interrupt),
然后,继续进行振荡直至所述VCO的相位达到零交叉点为止,
然后,判定所述PLL的相位是否是零,如果是零,则以前一次的平均的频率开始所述PLL的信号输出。
8.一种头部光刺激方法,用于头部光刺激装置,所述头部光刺激装置具有:脑波放大器,对通过脑波传感器取得的自身脑波进行AD转换并放大;控制信号生成电路,根据来自所述脑波放大器的输出信号,生成用于控制LED的驱动的控制信号;以及光照射部,具有根据来自所述控制信号生成电路的输出进行驱动并照射头部的LED,所述头部光刺激方法的特征在于,
所述控制信号生成电路进行以下处理:
带通滤波器处理,对输入信号进行滤波处理;
DSP处理,控制在所述带通滤波器通过的信号;以及
光照射输出处理,使用了照射头部的近红外线LED,
所述DSP处理包括与自身脑波同步地、使对所述光照射输出处理进行控制的PWM输出的相位一致的反馈处理。
9.根据权利要求8所述的头部光刺激方法,其特征在于,
所述DSP步骤包括:
带通滤波器(BPF)处理,使包括θ波的一部分频带和α波的一部分频带的频率频带通过;
锁相环路(PLL)处理,检测在所述带通滤波器处理中的输出信号的相位;
快速傅里叶转换(FFT)处理,精度良好地提取θ波的一部分频带和α波的一部分频带的最大振幅的频率;以及
频率相位控制处理,控制来自所述FFT处理的输入信号的所述频率和所述相位,并在所述PLL处理中进行反馈。
10.一种程序,用于使计算机执行权利要求8或9所述的头部光刺激方法。
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