JP2002125945A

JP2002125945A - バイオフィードバックによる脳波の利用方法及びその装置

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Publication number: JP2002125945A
Application number: JP2000323572A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Onishi; 秀憲大西
Original assignee: TECHNOS JAPAN KK
Current assignee: TECHNOS JAPAN KK
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2000-10-24
Publication date: 2002-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】脳波を汎用的な制御用電気信号に変換し、この
信号によって意識的かつ随意に電子機器を操作する方法
および装置の提供。【解決手段】脳の状態を意識的に変化させ脳波の変化と
の相関関係を応用して、バイオフィードバック方式によ
り検出した脳波を変換して汎用的な制御用電気信号を作
り、この信号によって手足や他の肉体の動作を使用せず
に、静的な方法で電子機器や機械装置を操作する。脳波
の検出は額部に装着する電極および増幅器からなる着脱
容易な検出器により行い、検出器の出力信号を周波数解
析および演算比較をして得た信号を変換して汎用的な制
御用電気信号として出力するコントローラにより構成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、脳の状態を意識的
に変えたときに脳波も変化することに着目し、この脳波
の変化を利用して汎用的な制御用電気信号を作り、この
電気信号によって各種の電子機器やコンピュータを操作
する、バイオフィードバックによる脳波の利用方法およ
びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から脳波は電気信号として計測でき
ることが知られている。また、この電気信号は人間の精
神的な活動で発生および変化することも今や常識となっ
ている。そして、脳波の計測および利用は医学・医療の
分野では日常的に行われている。しかし、現在行われて
いる脳波の利用は脳波の測定に主眼が置かれ、例えば、
測定値と臨床的に得た過去のデータである標準値を比較
することにより被験者の脳波の判定を行っているのが普
通である。つまり、医学的には脳波を体温計や血圧値と
同じように計測値として一方的に利用しているに過ぎな
い。

【０００３】一方、脳波の解明も研究が進み、その成分
も明らかになっている。即ち、脳波の成分はα波、β
波、δ波、等の名称で区分され、それぞれの周波数成分
および発生の因果関係並びに意味もほぼ解明されてい
る。そして、脳波の利用は医学以外では芸術面やアミュ
ーズメント面で試みられている。それは脳波によって音
楽や画像を表現したり、デバイスをコントロールするも
のである。例えば、米国特許第５６９２５１７号には、
脳波および筋電信号を音楽やゲームに利用するシステム
が示されている。

【０００４】通常、各種の電子機器や機械装置を操作す
るためには、スイッチやキーボードを介して行うマンマ
シーンインターフェイスが一般的であるが、このために
は人の指、手、足を使用することが前提となる。もし脳
波を利用して、これらの機器や装置を操作することが可
能となれば、第三の操作手段として多くの用途がある
が、その場合に求められることは脳波を意識的かつ、随
意にコントロールする方法および利用方法であり、そし
て装置的には小型で独立した構造と汎用性である。

【０００５】しかしながら、従来の利用方法は人が脳波
を自己コントロールする方法ではなく、自然発生した脳
波をそのまま使用する方法であり、また、装置的にもコ
ンピュータのハードウエアおよびソフトウエアをそのま
ま用いてシステム化したものおよび、入出力装置はコン
ピュータを介して接続しなければならない構造のため、
汎用性および携帯性並びに構造面で欠点があった。

【０００６】つまり、各種の電子機器や機械装置を操作
するシステムに求められることは、あたかも一個のスイ
ッチボックスのような独立性と接続の汎用性である。従
って、本発明は、コンピュータおよびコンピュータと接
続した専用のシステムではなく、脳波のコントロールを
意識的に行うことによって得られる信号で、各種の電子
機器や機械装置を操作するための脳波の利用方法および
この方法を用いた汎用的かつ、独立した小型の装置を提
供することを目的としている。

【０００７】また本発明は、脳波のコントロールの困難
性を解決するため、バイオフィードバック方式によって
脳波の自己トレーニングを行う方法および、その装置を
提供することを目的としている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、人が意識的かつ随意に脳波をコントロールする方
法及び脳波を汎用的な電気信号に変換する方法並びに前
記を実現する汎用性を持った独立構造かつ小型の装置が
無いことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、脳波を汎用的
な制御用電気信号に変換し、この信号によって意識的か
つ随意に被接続機器を操作することを最も主要な特徴と
する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、実用性を高めるため脳
波の検出は着脱容易な方法を取り、装置の応用性および
携帯性を高めるため脳波の変換や演算などの機構部分は
一体化して小型の筐体に収納する構成とした。またバイ
オフィードバック方式により、視覚的又は聴覚的に脳波
の状態をモニタしながら自己トレーニングできるように
しているため、本発明の装置の使用を容易にしている。

【００１１】

【実施例】本発明をより詳細に説述するために、添付の
図面に従ってこれを説明する。第１図は、脳の状態を意
識的に変化させた時の脳波の変化と、その脳波を周波数
解析して得た脳波のスペクトルの例を示す。ここで脳波
とは脳電位図であり、頭部の生体電位を測定することに
よって得られる電気信号である。脳波の測定および検出
方法は、すでに一般的に広く知られた技術であるため、
ここでは詳細な説明は省略する。

【００１２】本発明における脳波の検出方法は、額部に
複数の電極を接触させて電位の検出を行い、これを高利
得かつ、低雑音増幅して周波数波形からなる電気信号を
得る。

【００１３】図において、脳をリラックス（安静化）し
た時１０１とエキサイテイング（活性化）した時１０２
の脳波を比較すると、両者には明らかな差異があり、こ
れを検出脳波１０３、つまり脳電位の周波数波形として
示している。また、この検出脳波１０３を周波数解析し
て得たものが脳波スペクトル１０４であり、これによっ
て両者の差異がさらにはっきりと解る。即ち、脳波スペ
クトルのLevelに着目すると、脳がリラックスしている
時はLevelが低く、脳がエキサイテイングしている時はL
evelが高くなる。また、このLevelおよび周波数はデジ
タルデータとして扱えるため、後述する判定するのため
の基準値であるスレッショルドレベルと比較することが
容易である。

【００１４】第２図は脳波スペクトルの利用に関する本
発明の原理図を示す。図において、横軸は周波数２０１
を、縦軸はLevel２０２を表す。ここで周波数２０１は
０〜４０Hzまで１Hz単位に表示し、Level２０２は信号
強度を０〜１００の指数で表している。周波数下限２０
５および周波数上限２０６は演算比較をする周波数範囲
を示し、これらは１Hz単位で任意に設定が可能である。
つまり、周波数下限２０５および周波数上限２０６で設
定した範囲の周波数帯域および、その周波数のLevelを
抽出できるようにしている。スレッショルドレベル２０
４は演算比較をする基準値を示し、これは０〜９９まで
１単位で任意に設定が可能である。また、スレッショル
ドレベル２０４は複数設定することができる。

【００１５】今、図２のように周波数下限２０５および
周波数上限２０６並びにスレッショルドレベル２０４を
設定すると、設定した周波数帯域内における脳波スペク
トル２０３のLevelは全てスレッショルドレベル２０４
以下であるため演算比較の出力は０である。もし、Leve
lがスレッショルドレベル２０４以上であれば演算比較
の出力は１となる。即ち、脳波スペクトルのLevelによ
って演算比較の出力が変化する。つまり、脳をエキサイ
テイング状態にすれば脳波スペクトルのLevelが高くな
り、この時に演算出力が１となる。このことは、脳の状
態を意識的に変えることによって、信号出力をコントロ
ールできることを意味する。

【００１６】第３図は脳の状態を意識的にコントロール
するためのトレーニングに用いる画像の例を示す。脳の
状態を変化させれば脳波も変化するが、この方法を文字
や言葉で説明することは非常に難しい。そこで本発明は
脳の状態のコントロールをバイオフィードバック方式に
より視覚的および聴覚的に訓練する方法を提供して本発
明の実施を容易にした。図はトレーニングに使用する表
示装置の画面であり、ソフトウエアによって脳波のスペ
クトルのLevelに対応して円の大きさを表示する。ここ
で、円が小さいことは脳がリラックス状態であることを
表し、円が大きいことは脳がエキサイテイング状態であ
ることを表す。

【００１７】今、意識的に脳をリラックス状態にしたい
場合は画面に表示される円を見て、この円ができるだけ
小さくなるように試みる。また逆にエキサイテイング状
態にしたい場合は円ができるだけ大きくなるように自身
でその方法を試みる。これによって自分にとって最も良
いコントロール方法が発見できる。即ち、脳波を意識的
にコントロールすると言う抽象的なことを視覚的に具体
化することによりトレーニングが非常に容易になる。
尚、本発明は、画像だけでなく音の変化によって聴覚的
にトレーニングを行う方法も含んでいる。また円による
表示を説明したが、これは一例であり本発明に関する画
像の内容については問わない。

【００１８】第４図は、第３図で説明したトレーニング
を行うためのバイオフィードバック方式の原理図であ
る。図において、脳波検出器４０１は額から脳波を検出
して増幅するものであり、制御器４０３は脳波検出器４
０１からの電気信号を周波数解析して得たスペクトルの
Levelを画像信号および音信号に変換するものである。
表示器４０４は制御器４０３からの画像信号によって画
像４０５を表示するものであり、ＣＲＴデイスプレイま
たはＬＣＤデイスプレイまたはプラズマデイスプレイを
使用する。使用者４０２が表示器４０４の画像４０５を
目でみることによって、システム的に閉ループを形成し
ている。

【００１９】今、使用者４０２の脳波スペクトルのLeve
lが画像４０５として円で表示されている。ここで、意
識的に脳の状態を変化させると、その結果はリアルタイ
ムで表示器４０４上の画像４０５の変化になって表示さ
れるため、この画像４０５を目で見ることにより、使用
者４０２が意識的に行った脳の状態の変化を視覚的に確
認することが可能となる。即ち、脳波を画像情報にして
視覚を通じて脳にフィードバックするものである。ま
た、表示器の代わりにスピーカを用いて、音の変化によ
り聴覚を通じて脳にフィードバックすることも可能であ
る。

【００２０】第５図は本発明を最良に行うための装置の
ブロック図である。図において、脳波検出器５０１は頭
部装着具と一体構造であり、また電極５０２を除く５０
３〜５０６は高密度集積回路を用いて超小型のハイブリ
ッド基板で構成するため、脳波検出器５０１と頭部装着
具は極めて小型で、かつ着脱が容易な構造である。コン
トローラ５１０は１個の小型筐体に収納されハイブリッ
ド基板で構成する。

【００２１】電極５０２で検出した脳波の電気信号は増
幅器５０３で高利得増幅し、ローパスフィルタ５０４で
４０Hz以上の周波数をカットしてＡＤ変換器５０５でデ
ジタル信号に変換して送信器５０６より送出する。受信
器５１１で受信した脳波のデジタル信号はＣＰＵ５１２
のＦＦＴプログラム５１２ｂで周波数解析してスペクト
ルデータに変換され、このデータと周波数およびスレッ
ショルドレベルを設定する設定器５１３の数値を演算比
較プログラム５１２Cで演算し、その結果を信号出力回
路５１４に出力する。信号出力回路５１４はＣＰＵ５１
２の出力信号を汎用的な制御用電気信号５１５に変換し
て外部に出力する。この信号によって外部に接続された
電子機器を直接制御できる。シリアルデータインターフ
ェイス５１７は他の電子機器、例えばコンピュータと本
発明の装置を直接接続して通信するためのインターフェ
イスであり、例えばRS-232CやＵＳＢを使用する。シリ
アルインターフェイス５１７は第３図および第４図で説
明したトレーニングに使用する他、コンピュータと本発
明の装置を直接接続してコンピュータを操作するために
使用することも可能である。ＬＥＤ５１６は本装置の動
作状態および結果表示並びに検出した脳波の強度などを
表示するものである。以上の制御はコントロールプログ
ラム５１２aによって行う他、本装置の全ての制御はこ
のプログラムによって行う。

【００２２】第６図は本発明の目的である汎用的な制御
用電気信号を説明する図である。図において、ＣＰＵ５
１２の演算比較出力信号は、信号出力回路６０１の出力
信号変換回路６０２に入り、リレー６０４、ＴＴＬ６０
５、O.C６０６などの汎用的な制御用電気信号に変換さ
れる。ここでリレー６０４は電磁継電器であり、その出
力は無電圧接点信号である。またＴＴＬ６０５は論理素
子であり、その出力は５Ｖまたは０Ｖである。O.C６０
６はオープンコレクタ出力であり、電流または電圧の大
きな負荷を駆動するのに適している。つまり、６０４〜
６０６の異なる種類の出力信号を持っているため、各種
の電子機器と接続することが容易である。タイマー６０
３は出力信号の動作時間を調節するものである。

【００２３】

【発明の効果】本発明の方法および装置は、手足および
その他の肉体を使用することなく電子機器および機械装
置を操作する入力手段として有用であり、特にパーソナ
ルコンピュータを使用しないこと、およびコンピュータ
に支配されない携帯型で小型かつ独立した構造のため被
接続機器の応用範囲が非常に広くほとんど接続相手を選
ばない。このため機械的なスイッチやキーボードが操作
できない重度障害者用の入力操作手段として特に有用で
ある。さらに、本発明の方法および装置は、精神的なス
トレスを解消するために精神をリラックスさせるトレー
ニング用にも適している。

【００２４】

【図面の簡単な説明】

【図１】脳の状態を意識的に変化させた時の脳波の変化
と、その脳波を周波数解析して得た脳波のスペクトルの
例を示す説明図である。

【図２】脳波スペクトルの利用に関する本発明の原理図
である。

【図３】脳の状態を意識的にコントロールするためのト
レーニングに用いる画像の例を示す説明図である。

【図４】トレーニングを行うためのバイオフィードバッ
ク方式の原理図である。

【図５】本発明を最良に行うための装置のブロック図で
ある。

【図６】本発明の装置の出力である汎用的な制御用電気
信号の説明図である。

【符号の説明】

５０１脳波検出器、５０２電極、５０３増幅器
、５０４ローパスフィルタ５０５ＡＤコンバータ、５０６送信器、５１０
コントローラ、５１１受信器５１２ＣＰＵ、５１２a コントロールプログラム
、５１２b ＦＦＴプログラム５１２c 演算比較プログラム、５１３設定器、５
１３a 周波数設定器５１３b スレッショルドレベル設定器、５１４信号
出力回路、５１６ＬＥＤ５１７シリアルデータインターフェイス、５２０表
示器、６０１演算比較出力信号６０２出力信号変換回路、６０３タイマー、６０
４リレー、６０５ＴＴＬ（論理素子）６０６ O.C （オープンコレクタ出力素子）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】人が意識的に変化させた脳波を、頭部か
ら電気的に検出して得た周波数波形を電気的な制御信号
に変換して、該制御信号によって、人の意識と脳波の変
化の相関関係を応用し、人の意識で電子機器やコンピュ
ータを操作することを特徴とするバイオフィードバック
による脳波の利用方法。
【請求項２】脳の状態を意識的に変えることによって
変化する脳波を電気的に検出して、該脳波と予め設定し
た基準値とを演算比較して得た信号を、脳波の変化量に
応じて汎用的な電気信号に変換し、該電気信号によって
電子機器を操作することを特徴とした脳波の利用方法。
【請求項３】脳波を検出して、該脳波を電子式表示器
にソフトウエアからなる画像に変換して表示または音声
信号に変換してスピーカから音声出力し、バイオフィー
ドバック方式により視覚的または聴覚的に脳の状態を自
己訓練できるようにしたことにより、請求項１および請
求項２記載の方法が容易となることを特徴とした脳波を
意識的にコントロールするためのトレーニング方法。
【請求項４】人の頭部から脳波を検出する脳波検出器
と、前記脳波検出器の出力信号を解析および演算並びに
信号変換する制御器と、前記制御器の出力を画像表示す
る電子式表示器と、前記制御器の出力を音声で出力する
スピーカと、前記制御器と外部機器を接続するための通
信インターフェイスとを備えたバイオフィードバック脳
波利用装置。
【請求項５】脳波検出器は、頭部に装着する着脱容易
な装着具と、脳波を検出するための電極と、前記電極で
検出した脳波を増幅する増幅器と、前記増幅器の出力を
有線信号または無線信号で出力する信号変換器とを一体
化した請求項４記載のバイオフィードバック脳波利用装
置。
【請求項６】脳波検出器は、額に貼付する電極を含む
変形自在なバンド型センサと、前記センサの出力を増幅
する増幅器および請求項５記載の信号変換器を分離した
構造の請求項４記載のバイオフィードバック脳波利用装
置。
【請求項７】制御器は、脳波を周波数解析し、予め定
めた演算および電子式表示器やコンピュータなどの外部
機器と相互通信するための信号変換並びに動作条件の設
定機能を有するマイクロコンピュータおよび電子回路か
らなる一体構造を特徴とした請求項４記載のバイオフィ
ードバック脳波利用装置。
【請求項８】制御器は、請求項７記載の内容を汎用の
パーソナルコンピュータで行う請求項４記載のバイオフ
ィードバック脳波利用装置。
【請求項９】電子式表示器は、制御器の出力を画像表
示するＣＲＴ表示器またはＬＣＤ表示器またはプラズマ
表示器を用いた請求項４記載のバイオフィードバック脳
波利用装置。
【請求項10】通信インターフェイスは、請求項７記載
の制御器と電子式表示器やコンピュータなどの外部機器
を接続するコネクタおよび電気信号の相互通信機能を備
えた請求項４記載のバイオフィードバック脳波利用装
置。