JP2008534185A - 舌によるコントロール方法とその方法を実行するシステム - Google Patents

Abstract

コンピュータもしくは補助器を舌によりコントロールする方法とシステムを用い、特に重度の障害をもつ人向けの重度の障害者のために、コミュニケーション能力と補助器のコントロールを容易にすることを目的としており、システムの製作費が少ないため従来技術の欠点が解消される。この目的は下記の方法とシステムにより実現される。すなわち、当該方法では、アセンブリと舌との間での相互作用は誘導に基づき、従ってアセンブリは、舌に固定された少なくとも一つの強磁性材料（ａ）と相互作用することが可能なコイル（ｃ）を少なくとも一つ備え、デバイスに送られた信号にはアセンブリのコイル（ｃ）の位置、および／または、舌に固定された磁性材料の位置が含まれる。他方、システムでは、アセンブリは舌に固定された少なくとも一つの強磁性材料（ａ）と相互作用するコイル（ｃ）を少なくとも一つ搭載しており、デバイスに送られた信号にはアセンブリのコイル（ｃ）の位置、および／または、舌に固定された磁性材料の位置がさらに含まれる。

Description

本発明は、特に重度の障害者向けの舌によるコンピュータおよび／または補助器のコントロール方法であって、
前記舌と相互作用する口腔アセンブリ、望ましくは口蓋アセンブリを作動させるステップと、
前記アセンブリと前記舌との間での相互作用から生じる信号を処理するステップと、
処理した前記信号をデバイスに伝達するステップを有する方法に関する。

さらに、本発明は、特に重度の障害者向けの舌によってコンピュータもしくは補助器をコントロールするシステムであって、
舌と相互作用することが可能な口腔アセンブリ、望ましくは口蓋アセンブリと、
前記アセンブリと前記舌との間での相互作用から生じる信号を処理するための、少なくとも一つの信号処理器と、
処理した前記信号をデバイスへ送信する通信ユニットを備えたシステムに関する。

脊髄損傷や脳損傷、他の運動器系の機能障害により運動障害をもつ人は、日常生活において大きな影響を受けており、多くの場合、継続的な支援なしでは日々の生活ができないという程度に及ぶ。デンマークでは、３万人以上の人が車椅子を使用し、米国では、２０万人もの脊髄損傷者がいる。自立性を高めること、仕事に就けることまでもが、このような障害をもった人それぞれが生活の質を向上させるためには不可欠である。

仕事や社交的行事、そして健康管理さえも、現代のインターネットや通信技術により、もはや関わり合う人の実際の存在にはつながることはなく、インターネットは、コンピュータからのアクセスのみが個々の貢献を制限するバーチャルな世界となった。ここでは重度麻痺者で、話す能力すら失い、その人にとって実際にコミュニケーションをとる唯一の方法がコンピュータを介してであるという人が、効率的なコンピュータ操作をするということで、仕事を持つことができ、従い、生活の質を大いに向上することができる。自動ドアやキッチンハードウェア、電話、テレビなどの日々使う機器のコンピュータ化が進むにつれ、日常作業が自動化される。この自動化が我々の多くにとって便利なものとなる一方、障害者の人の自立性や生活の質を向上するのにとても有益となる可能性がある。これらへアクセスする効率的な操作方法により、世界中の何百人もの障害をもつ人々の生活の質を大いに向上させることができる。

現在、コミュニケーションにおける最も成功しているコントロール方法は目によるコントロールデバイス（ギップス，ジェイ（Gips J），ディマッティア，ピー（DiMattia P），カラン，エフエックス（Curran FX）およびオリヴィエリ，ピー（Olivieri P）による“Using EagleEyes - an Electrodes Based Device for Controlling the Computer with Your Eyes”, in “Interdisciplinary Aspects on Computers Helping People with Special needs” J. Klaus, e. Auff, W. Kremser, W. Zagler (eds.). R Oldenbourg, Vienna, 1996, LC Technologies, Inc. Eyegaze Systems Eyetracking 9455 Silver King Court Fairfax, Virginia 22031）と、頭部によるコントロールデバイス、音声認識、そして舌によるコントロールデバイス（Patent：WO9307726，New Abilities Systems Inc., 1993）である。 これらの方法の使用効率に関してはまだ多くの問題がある。目を使ってのコントロールはかなりの集中力を要し、その結果しばしば頭痛になる。この方法の問題点として、目はセンサ、つまり入力デバイスであり、そのことにより、目を出力デバイスとするコントロールを脳が学ぶのは難しいという事実が説明される。問題は、使用者が興味を示したポイントか、使用者がただ見ていただけかを決定するということにも関わり、後者の場合は誤った検出となる。音声認識はかなり迅速にコマンドを達成する方法だが、干渉に影響される可能性がある。さらに、言葉を完全に話す障害者に使用が限定されており、全ての言語向けには開発されていない。頭部によるコントロールシステムは、しばしば高い集中力を要し、頭部を正確に動かし、コントロールすることが必要とされるので、その結果、よく首の痛みにつながる。

舌によるコントロール方法は、実際に目に見えることはなく、重度の障害をもつ人にとっても扱いやすいので有益である。舌によるコントロール方法と、頭部によるコントロール方法、さらに簡単な口棒によるものを比較した結果、一番迅速なシステムではなかったにもかかわらず、四肢麻痺者四人全員が舌に基づくコントロール方法を好んだ（シー・ラウ（C. Lau）およびエス・オリアリー（S. O’Leary），“Comparison of Computer Interface Devices for Persons with Severe Physical Disabilities”, The American Journal of Occupational Therapy, vol. 47, pp. 1022-1030, 1993）。現在の舌によるコントロールシステムは、主に舌の上方の口腔に配置された感圧ボタンに基づく（Patent: WO9307726, New Abilities Systems Inc., 1993）。通常の会話や嚥下が、舌・口蓋圧力を達成可能な最大圧力の２０−６０％の範囲で生じ（ミュラー，イー（Muller, E）他による“Perioral tissue mechanics during speech production”. In J. Eisenfeld & C. DeLisi (Eds.) “Mathematics and computers in biomedical application” Elsevier Science publishers B.V., 1984”, ハヤシ，アール（Hayashi R），ツガ，ケイ（Tsuga K），ホソカワ，アール（Hosokawa R）他による“A novel handy probe for tongue pressure measurement” International Journal Of Prosthodontics15(4): 385-388 JUL-AUG 2002）、これにより検出閾値が必要となり、それに従い、疲労の危険性が増す可能性があるので、感圧センサの使用は適切には思われない。さらに、圧力により舌・口蓋接触領域が増加するので、感圧センサの使用は口腔に配置する最大センサ数をかなり限定する。New Abilities System（Patent: WO9307726, New Abilities Systems Inc., 1993）の市販の舌タッチキーパッドは９つしか操作ボタンを備えておらず、我々の３２歯全てを容易に選ぶことができる舌の動きの高い選択力を活用するにはほど遠い。この選択力は、理論上、２６のボタンからアルファベットを直接選択するのに十分であるが、異なるタイプのセンサを開発する必要がある。このような直接文字選択は、四肢麻痺者のタイピング能力を健常者の一本指使用によるレベルにまで引き上げる。このことにより、コミュニケーションがさらに効率的且つ魅力的なものとなる。また、車椅子や神経系の人口器官などの様々な電気補助器が、同一インターフェースからの多様な指令により、コントロールできるようになる。従い、この研究には、舌により作動するコマンドを容易にする新しいセンサと方法が記載されている。

本発明の目的は重度の障害を持つ人のコミュニケーションと補助器のコントロールを簡易にする方法とシステムを提供することであり、前記システムの製作費を少なくし、上記の先行技術の欠点を回避することである。

発明の開示
本目的は請求項１と４で表した方法とシステムにより達成される。さらなる改良は従属する請求項にて示される。

方法：
理論
この研究で使用される検出方法はファラデーの電磁誘導の法則に基づいており、可変インダクタンスの技術を使用する。考え方は、舌に取り付けられた強磁性材料をコイルのコアへ移動させることにより、空気をコアとした誘導コイルのインダクタンスを変えることである（図１）：ファラデーの法則により、インダクタンスを跨ぐ（across:鎖交する）電圧降下が、次のように求められる：
ε＝−Ｌ ｄｉ／ｄｔ＝−μ_０・μ_ｒ・Ｎ^２・Ａ／１・ｄｉ／ｄｔ
ここで、
Ｌ＝μ_０・μ_ｒ・Ｎ^２・Ａ／１
Ｌ＝インダクタンス
μ_０＝真空透磁率
μ_ｒ＝コア材料の比透磁率
Ｎ＝巻数
１＝磁束路の平均長
である。

空気のみがインダクタンスのコアとして存在する場合はμ_ｒ＝１である。強磁性材料がコイルに配置されると、コアは空気と強磁性材料の組み合わせとなり、μ_ｒは強磁性材料の透磁率により変化する。

一定した頂点間振幅の正弦波電流ｉを採用することにより、一定した振幅の電圧降下εがコイルＬを跨いで（across：鎖交して）得られる。強磁性材料をコイルのエアギャップへ導入することにより、その結果、εが増加し、材料が取り除かれるまで増加した状態となる。このことは、誘導式舌コントロールシステムにおいてコマンドの発生に活用される。本方法は変位センサに使われている既知の技術に類似している（ゲペル，ダブリュ（Gopel, W），ヘッセ，ジェイ・ゼメル（Hesse, J. Zemel），JN “Magnetic sensors”, in Sensors, a comprehensive Survey “Volume 5, VCH, Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1989）。

以下に、本発明は添付の図面に示された実施形態に基づき詳細に説明される。

誘導センサの設計
センサは次の二つ部品から成る。
１．口蓋アセンブリを用いて口腔に配置されるコイル
２．磁性材料で形成され舌に配置される作動ユニット

インダクタ
どのコイルが閾値により作動しているかを判断できるように、様々な巻き数Ｎを有する４つのインダクタを作製した。コイルの内径は４ｍｍであった。使用したワイヤはポリエステルイミドで絶縁した銅線（cobber wire）で、ワイヤの電導部分は直径０．１ｍｍであった（Dahrentrad）。
コイルの巻線は、メタクリル酸メチルをベースとしたＰａｌａｄｕｒ（登録商標）の粉末／液状低温硬化デンタルアクリルにより安定化させた。コイルの巻き上げ後、さらに電気的絶縁性を確保するためにアクリルに浸漬した。

作動ユニット
作動ユニットはＳＵＳ４４７Ｊ１型ステンレス鋼の円柱体から成り、これは日本の厚生省により磁性アタッチメント義歯として認定された（オクノ，オー（Okuno,O），イシカワ，エス（Ishikawa,S），イイムロ，エフティ（Iimuro,FT），キノウチ，ワイ（Kinouchi,Y），ヤマダ，エイチ（Yamada,H），ナカノ，ティ（Nakano,T），ハマナカ，エイチ（Hamanaka,H），イシハタ，エヌ（Ishihata,N），ミズタニ，エイチ（Mizutani, H）およびアイ，エム（Ai,M），“Development of Sealed Cup Yoko Type Dent al Magnetic Attachment”，Dental Materials Journal, 10 (2), pp.172-184,1991）。この円柱の直径は３．２ｍｍであり、高さは２ｍｍである。鋼は最大２０００−６５００の透磁率μ_ｒを有する。

口腔アセンブリへのセンサ搭載
インダクタは入れ歯で使用されるものに似た口腔プレートの上に配置される（図２を参照のこと）。コイル用にドリルで口腔プレートに穴が開けられ、コイルを固定し絶縁するためにメタクリル酸メチルを使用する。コイルから延びているワイヤは、シリコン接着剤（Nusil SP-120）によって前記アクリルに附されるシリコン（MED-1137 from Nusil）を用いて、さらに電気的に絶縁された。シリコンチューブは前記接着剤によって口蓋に固定され、口から出される前記ワイヤを支持している（図２を参照のこと）。

実験設備
誘導式舌コントロールシステムは３７歳の健常女性で試験された。

作動ユニットは、ｎ−ブチル−２−シアノアクリレート細胞接着剤（Histoacryl）（登録商標）を用いて舌に接着された（図３を参照のこと）。

複数のインダクタを備えた口蓋プレートは硬口蓋に配置され、口蓋プレートの留め具により所定位置に固定された。各インダクタは直列に接続され、振幅０．５ｍＡ、３０ｋＨｚの正弦波電流がガルバニック絶縁された電流源からインダクタに流された。被験者が、作動ユニットを任意の順で異なるコイルの中央に配置する要領で舌を置くことにより、センサを一つずつ作動させた。

信号処理
測定した信号は７００倍に増幅され、信号の包絡線を得るために整流された。信号はサンプリングされ、ＭａｔｌａｂＤＡＱツールボックスにより処理された。どのセンサが作動したかを判別するために、測定した信号に閾値が適用され、その情報がカスタムメイドのＭａｔｌａｂプログラムへ送り込まれた（図４を参照のこと）。このプログラムでは、センサを搭載した口蓋アセンブリに類似するグリッドがリアルタイムに画像表示される。この画像表示から被験者はどのセンサが作動したかを見ることができた。

結果
巻き数が１００のコイルの作動中に測定した電圧は５．７ｍＶの範囲であり、６ｍＶまで増加した。

設計したインダクタの全体の大きさは外径５−６ｍｍとされているが、今後の誘導式舌コントロールシステムの口蓋配置において２５個以上のセンサを設けられる可能性が示される。被験者は容易に所望のセンサを作動させることができた。センサの作動は、実際にコイルの中に作動ユニットを配置することを要件とせず、作動ユニットをコイルに配置するだけで十分である。

予測した通りに、作動したセンサは作動ユニットがそのコイルから取り除かれるまで作動し続けた。作動ユニットが舌に固定保持される時間は数分程度だったので、今後の研究において作動ユニットの他の試行的な固定方法を検討する余地がある。

考察
コントロールシステムが真に成功するには、実際に使用者にとって役立つ必要がある。これは以下のようなシステムを指す。
− 日夜を通して使用／装着することができること。
− 使用が簡単で、且つ、疲労し難いこと。
− 使用者の家の内外において外見的に受け入れられること−尚、見えないと更に良い。
− コンピュータ、車椅子、玩具、人口器官（補綴）など様々な器具のコントロールに使用できること。
− 所望の機能の高効率で迅速な作動を提供できること。
これら全ての要求は当該新規システムと合致し、部分的にインプラント可能な誘導センサを促進する。

小型のセンサコイルは，全アルファベットを別々のボタンとして口蓋アセンブリに備える可能性を開き、これは例えば四肢麻痺者の筆記速度を大幅に上げることにつながり得る。さらに、舌内もしくは舌上で複数の作動ユニットを使用することにより、センサのマルチ作動が可能となるので、口蓋アセンブリの他のセンサの作動中に、舌の側方もつれ（Ｓｉｄｅ−Ｌｉｓｐ）動作を「シフトキー」、「エンターキー」および／または「コントロールキー」機能の作動に使用できる。将来における舌の選択力の研究では、これらの実現可能性に関する情報がさらに明らかとされるであろう。

センサからの記録信号は低振幅だが、必要ならば、この研究では低く維持されている適用電流の周波数または振幅を増加させることにより、センサ出力の振幅を増加させる可能性がいくつかある。非同期的に検知や送信を行うことにより、将来のセンサ出力の無線送信による起こり得る干渉を防ぐことが可能である。この場合は、もちろん、口蓋アセンブリにストレージシステム（ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ）を設ける必要がある。

本実施形態では、コイルは直列に接続され、測定された信号はコイル線のあらゆるインダクタンスや潜在的抵抗と関連をもつ。周波数と振幅を固定した電流が適用された場合、各コイルの巻き数のみが、どのコイルが作動しているかを判別するための唯一のパラメーターであった。これはとても簡易な装置（ｓｅｔ−ｕｐ）であり、幾つかのセンサから測定しまた供給するために二本のリード線のみが必要だという点が利点である。その他に多くの構成が考えられ、例えば、周波数検知器の代わりにコイルを使用することで閾値化を避けることができる。また、コイルは信号発生器と並列接続でき、この発生器は口蓋アセンブリに配置できる。

従来のコンピュータ式コントロールシステムと比較して、誘導式舌コントロールシステムが持つ一つの新しい特徴は、その作動ユニットの故に部分的なインプラントが可能だという点である。将来のシステムでは、例えば注入により、ピアス法やインプラントによる舌の粘膜の真下への作動ユニットの固定が取り入れられるかもしれない。従って、侵食性はむしろ低い。

従来の圧力に基づいた舌インターフェースと比較して、部分的にインプラント可能なセンサの利点は、数多くのセンサ／ボタンを有する可能性は別にして、作動させるのに現実に力が不要であること、したがって、作動は迅速で、疲労が少ないことである。さらに、このシステムは普段の食事や会話に関連する舌・口蓋圧力に影響されない。

当然に本発明の範囲内における本発明の修正は可能である。例えば、誘導式舌コントロールシステムに“ブルートゥース”プロトコルなどの無線コントロールを取り入れること、および、様々な種類のデバイスをコントロールするための指令戦略を開発することである。

本発明による誘導式舌コントロールシステムのユーザ部の概略矢状断面図 一例として歯科補綴（義歯）に誘導コイルを配置した本発明の口蓋アセンブリ 人の舌上に装着した磁性材料からなる作動ユニット ユーザが配線によって外部装置（ｓｅｔ−ｕｐ）と接続された実験設備の例 口蓋アセンブリのセンサ作動中における視覚的なフィードバック表示の例

Claims (8)

1. 特に重度の障害者向けの舌によってコンピュータおよび／または補助器をコントロールするための、
   舌と相互作用する口腔アセンブリ、望ましくは口蓋アセンブリを作動させるステップと、
   前記アセンブリと前記舌との間での相互作用により生じる信号を処理するステップと、
   前記処理した信号をデバイスに伝達するステップと、を含む方法であって、
   前記アセンブリと前記舌との間での相互作用は誘導に基づいており、そのために前記アセンブリは前記舌に固定された少なくとも一つの磁性材料と相互作用することが可能なコイルを少なくとも一つ備えていること、および
   前記デバイスに送られた前記信号は、さらに、前記アセンブリにおける前記コイルの位置および／または前記舌に固定された前記磁性材料の位置を含むことを特徴とする方法。
2. 前記信号は、前記舌に固定した前記磁性材料と相互作用するときに、前記アセンブリの前記コイルにより抑制される一定した頂点間振幅の搬送電流を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記デバイスは、前記コンピュータおよび／または前記補助器をコントロールする為に前記アセンブリからの前記信号を処理することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 特に重度の障害者向けの舌によってコンピュータおよび／または補助器をコントロールするための、
   前記舌と相互作用することが可能な口腔アセンブリ、望ましくは口蓋アセンブリと、
   前記アセンブリと前記舌との間での相互作用から生じる信号を処理する少なくとも一つの信号処理器と、
   処理した前記信号をデバイスに送信する通信ユニットと、を備えるシステムであって、
   前記アセンブリと前記舌との間での相互作用は誘導に基づいており、そのために、前記アセンブリは前記舌に固定した少なくとも一つの磁性材料と相互作用することが可能なコイルを少なくとも一つ搭載していること、および、前記デバイスへ送られる前記信号は、前記アセンブリの前記コイルの位置および／または前記舌に固定した前記磁性材料の位置を含むことを特徴とするシステム。
5. 前記通信ユニットは前記アセンブリの部品であり、前記センサからの信号源用のデコーダを有し、各コイルが個別の巻き数を有し、前記アセンブリがバッテリー用区域を有する事を特徴とする請求項４に記載の舌によってコンピュータおよび／または補助器をコントロールするシステム。
6. 前記通信ユニットがさらにコンピュータおよび／または補助器へ通信するための送信部を有する請求項４または５に記載の舌によってコンピュータおよび補助器をコントロールするシステム。
7. 前記コンピュータおよび／または前記補助器への前記通信ユニット用送信部は無線送信部であり、“ブルートゥース”プロトコルや同等のものへ対応するよう構成されている請求項６に記載の舌によってコンピュータおよび補助器をコントロールするシステム。
8. 少なくとも二つのコイルが直列に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の舌によってコンピュータおよび補助器をコントロールするシステム。

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