JP2009285294A - 脳訓練支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】訓練対象者が脳波を変化させる訓練を効果的に支援することができるようにする。
【解決手段】指示生成部３４によって生成された運動想起を指示するメッセージを表示装置１６に表示させる。また、キャップ型電極１２によって、訓練対象者の頭部表面の複数部位における脳波を検出して脳波信号を出力する。信号処理部２４及びトポグラフィ生成部２６によって、キャップ型電極１２から出力された脳波信号に基づいて、脳波のβ波帯域のパワースペクトルの分布を示す脳波トポグラフィを生成する。差分トポグラフィ生成部３０によって、生成された脳波トポグラフィとニュートラルデータ記憶部２８に記憶されたニュートラル状態の脳波トポグラフィとの差分を示す差分トポグラフィを生成する。表示装置１６によって、訓練対象者に対して、運動想起を指示したときに生成された差分トポグラフィを表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、脳訓練支援装置に係り、特に、訓練対象者が脳波を変化させる訓練を支援する脳訓練支援装置に関する。

従来より、脳波トポグラフィの時間変化（時間差分）を表示すると共に、脳波トポグラフィの変化から、人体の四肢を動かそうとする意思および動かそうとしている部位を判断する意思伝達装置が知られている（特許文献１）。

また、測定されたアルファ波の出現量と予め設定した閾値とを比較し、α波の出現量が少ない時には、ロボットに対して、動作の切り替えを指示する制御信号を送る脳波制御装置が知られている（特許文献２）。
特開平１０−２６２９４３号公報 特開２００５−２１１４８２号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載の技術では、トポグラフィの時間差分を表示して、トポグラフィのパターン変化を対象者にフィードバックしているが、対象者は、対象者のイメージとトポグラフィのパターンとの対応関係をつかみにくいため、訓練を効果的に支援することができない、という問題がある。

また、上記の特許文献２に記載の技術では、何をイメージするとα波を変化させやすいかを操作者自身が知るためには、試行錯誤が必要であり、訓練を効果的に支援することができない、という問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、対象者が脳波を変化させる訓練を効果的に支援することができる脳訓練支援装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係る脳訓練支援装置は、訓練対象者の頭部表面の複数部位における脳波、磁場、及び血流量の何れか１つの生体情報を検出する脳情報検出手段と、前記脳情報検出手段によって検出された前記訓練対象者の前記生体情報の分布を示すトポグラフィを生成するトポグラフィ生成手段と、前記訓練対象者の脳が基準状態である場合に生成された前記トポグラフィを記憶する記憶手段と、前記トポグラフィ生成手段によって生成された前記トポグラフィと前記記憶手段に記憶された前記トポグラフィとの差分を示す差分トポグラフィを生成する差分生成手段と、前記差分生成手段によって生成された前記差分トポグラフィを、前記訓練対象者に対して報知する報知手段とを含んで構成されている。

本発明に係る脳訓練支援装置によれば、脳情報検出手段によって、訓練対象者の頭部表面の複数部位における脳波、磁場、及び血流量の何れか１つの生体情報を検出し、トポグラフィ生成手段によって、脳情報検出手段によって検出された訓練対象者の生体情報の分布を示すトポグラフィを生成する。

そして、差分生成手段によって、トポグラフィ生成手段によって生成されたトポグラフィと記憶手段に記憶された基準状態のトポグラフィとの差分を示す差分トポグラフィを生成する。報知手段によって、差分生成手段によって生成された差分トポグラフィを、訓練対象者に対して報知する。

このように、生成されたトポグラフィと基準状態のトポグラフィとの差分を示す差分トポグラフィを生成して、訓練対象者に対して報知することにより、訓練対象者の脳の生体情報の分布の変化を明示することができるため、訓練対象者が脳の生体情報を変化させる訓練を効果的に支援することができる。

本発明に係るトポグラフィ生成手段は、所定期間毎に、訓練対象者の脳が基準状態である場合のトポグラフィを生成し、記憶手段に記憶されるトポグラフィを、生成したトポグラフィに更新することができる。これによって、経時変化を考慮して、訓練対象者の脳の生体情報の分布の変化を明示することができるため、訓練対象者が脳の生体情報を変化させる訓練をより効果的に支援することができる。

本発明に係る脳訓練支援装置は、分布が異なる複数のトポグラフィの各々について差分生成手段により生成された複数の差分トポグラフィ間の相違度合いを算出する相違度合い算出手段を更に含み、報知手段は、差分トポグラフィと共に、相違度合い算出手段によって算出された相違度合いを報知することができる。これによって、生体情報の分布が異なる複数のトポグラフィより生成される複数の差分トポグラフィの相違度合いを明示することができるため、訓練対象者が脳の生体情報を変化させる訓練を効果的に支援することができる。

また、上記の相違度合い算出手段は、分布が異なる複数のトポグラフィの各々について差分生成手段により生成された複数の差分トポグラフィに基づいて、複数部位の各々について、差分トポグラフィが示す生体情報の相違の大きさの絶対値の総和を、相違度合いとして算出することができる。

以上説明したように、本発明の脳訓練支援装置によれば、生成されたトポグラフィと基準状態のトポグラフィとの差分を示す差分トポグラフィを生成して、訓練対象者に対して報知することにより、訓練対象者の脳の生体情報の分布の変化を明示することができるため、訓練対象者が脳の生体情報を変化させる訓練を効果的に支援することができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、脳波に応じて電動車椅子を操作する訓練を支援する脳訓練支援装置に本発明を適用した場合を例に説明する。

図１に示すように、第１の実施の形態に係る脳訓練支援装置１０は、訓練対象者の頭部に装着され、かつ、頭部表面上の複数の部位から脳波を検出するためのキャップ型電極１２と、キャップ型電極１２から出力された脳波信号に基づいて、脳波トポグラフィを生成して、表示装置１６に表示させると共に、脳波に応じた操作信号を電動車椅子１８に出力するコンピュータ１４とを備えている。

表示装置１６の表示画面は、訓練対象者に対して向いており、訓練対象者は、表示装置１６の表示画面を確認しながら、脳波の変化の訓練を行うことができるようになっている。

コンピュータ１４は、ＣＰＵと、ＲＡＭと、後述する脳波訓練処理ルーチンを実行するためのプログラムを記憶したＲＯＭとを備え、機能的には次に示すように構成されている。コンピュータ１４は、キャップ型電極１２から出力された脳波信号を取得する信号取得部２０と、信号取得部２０によって取得した脳波信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部２２と、脳波信号から脳波の周波数帯域のパワースペクトルを算出する信号処理部２４と、算出された脳波の周波数帯域の分布を示す脳波トポグラフィを生成するトポグラフィ生成部２６と、訓練対象者がニュートラル状態である場合に得られる脳波トポグラフィであるニュートラルデータを記憶したニュートラルデータ記憶部２８と、生成された脳波トポグラフィと記憶されたニュートラルデータとの差分を計算して、差分トポグラフィを生成する差分トポグラフィ生成部３０と、生成された差分トポグラフィを表示装置１６に表示させる表示制御部３２とを備えている。

信号取得部２０は、訓練対象者の頭部表面の複数の部位に取り付けられた電極の各々から出力された脳波信号を取得し、多チャンネル増幅部（図示省略）によって、各脳波信号を増幅させる。

信号処理部２４は、デジタル信号に変換された各部位に対する脳波信号から、バンドパスフィルタ（図示省略）により８Ｈｚ〜３０Ｈｚ（α波、β波帯域）の周波数の脳波信号を抽出し、各部位の脳波信号について、計測時間（例えば２秒）の脳波信号からなるデータに、ハミングウィンドウなどの窓関数をかける。

また、信号処理部２４は、各部位の脳波信号について、窓関数をかけたデータに対して、ＦＦＴなどによる周波数解析を行い、α波、β波帯域のパワースペクトルを計算する。なお、本実施の形態では、β波の脳波をフィードバック刺激とした場合を例に説明する。

トポグラフィ生成部２６は、各部位について計算された脳波のβ波帯域のパワースペクトルに対して、スプライン補間を行って、データ点数を増やし、訓練対象者の脳波のβ波帯域のパワースペクトルの分布を示す脳波トポグラフィを生成する。

ここで、脳波トポグラフィとは、各電極で計測された脳波の分布を、頭皮表面の電位活動として平面的に等電位図で表示したものである。脳波トポグラフィは、脳の各部位の活動や時間経過に伴う活動部位の移動等を容易に観測することができる点で有用である。

ニュートラルデータ記憶部２８には、訓練対象者が、ニュートラル状態としての何もイメージしていない状態である場合に生成された脳波トポグラフィが、ニュートラルデータとして記憶されている。なお、ニュートラル状態が、本発明の基準状態に対応している。

ここで、本実施の形態の原理について説明する。頸椎損傷患者など体の自由が利かない障害者が、車椅子操作などの入力（意思表示）として用いる手段にブレイン・マシン・インタフェース（ＢＭＩ）がある。このうち、脳波を用いたＢＭＩでは、手足の動作をイメージすること（運動想起）などにより生じる脳波のパターンを用いて、スイッチのオンオフや電動車椅子の操作入力を行っている。

従来は、訓練対象者が入力（脳波）をコントロールできるようになるためには、３〜４ヶ月の訓練が必要であり、訓練対象者の精神的、肉体的な負担が大きかった。この負担を軽減するように訓練を支援するために、訓練対象者へ、自身が出力した脳波信号（＝電動車椅子の入力信号）に関する適切なフィードバックを与えると、訓練対象者は効率的に訓練を行うことができる。

また、脳波の変化パターンや通常発生している脳波（背景脳波）は、個人ごとに異なるため、生じた脳波トポグラフィを視覚的にフィードバックするだけでは、脳波トポグラフィのパターンが、運動想起によるものであるか、何もしないニュートラル状態のものであるかを、訓練対象者が区別することができない。従って、何もしないニュートラル状態の脳波トポグラフィと運動想起時の脳波トポグラフィとの差分を、訓練対象者にフィードバックすることにより、個人の特性に応じた訓練が可能となる。

そこで、本実施の形態では、差分トポグラフィ生成部３０によって、生成された脳波トポグラフィと記憶されたニュートラルデータである脳波トポグラフィとを画像データとして、各画素の画素値の差分を計算し、各画素の画素値の差分からなる画像データを、差分トポグラフィとして生成する。生成された差分トポグラフィは、表示制御部３２によって表示装置１６に表示される。

例えば、訓練対象者が発声を想起した場合には、図２（Ａ）に示すような脳波トポグラフィが生成され、図２（Ｂ）に示すようなニュートラル状態の脳波トポグラフィとの差分を計算することにより、図２（Ｄ）に示すような差分トポグラフィが生成される。また、訓練対象者が足運動を想起した場合には、図２（Ｃ）に示すような脳波トポグラフィが生成され、図２（Ｂ）に示すようなニュートラル状態の脳波トポグラフィとの差分を計算することにより、図２（Ｅ）に示すような差分トポグラフィが生成される。

また、コンピュータ１４は、想起に関する指示を表わすメッセージを生成して、表示制御部３２に出力する指示生成部３４と、運動想起を指示するメッセージが表示されたときに生成された差分トポグラフィが表わす差分が大きいか否かを判定し、差分が大きいと判定された差分トポグラフィを、表示したメッセージで指示した運動想起の種類と対応させて、判定データとして後述する判定データ記憶部３８に記憶させる差分判定部３６と、後述する入力判定部４２における判定で用いる判定データを記憶した判定データ記憶部３８と、何もイメージしないように指示したメッセージが表示されたときに生成された脳波トポグラフィによって、ニュートラルデータ記憶部２８に記憶されたニュートラルデータを更新するニュートラルデータ更新部４０とを備えている。

指示生成部３４は、何もイメージしないように指示したメッセージや、運動想起を指示したメッセージを生成して出力する。指示生成部３４は、ニュートラルデータを更新するために、所定期間毎（例えば、５分毎）に、何もイメージしないように指示したメッセージを生成して出力する。また、指示生成部３４は、例えば、電動車椅子１８の右操舵を、発声の想起に割り当て、電動車椅子１８の左操舵を、足運動の想起に割り当てた場合には、発声を想起させるように指示したメッセージや、足運動を想起させるように指示したメッセージを生成して出力する。

差分判定部３６は、図２（Ｄ）、（Ｅ）に示すように、運動想起による特徴が差分トポグラフィに現れ、差分トポグラフィの中に、差分（β波帯域のパワースペクトルの差）が大きい領域が存在する場合には、差分トポグラフィが表わす差分が大きいと判定し、差分トポグラフィを、メッセージが指示した運動想起の種類（例えば、発声の想起や、足運動の想起）と対応させて、判定データとして判定データ記憶部３８に記憶させる。

判定データ記憶部３８には、複数種類の運動想起の各々に対応して、判定データが記憶されている。

脳波の特徴として、時間の経過に伴い脳波が刻々と変化し、同じニュートラル状態でも、脳波のパターンは時間の経過とともに変化するということがある。また、脳波の特徴として、脳に可塑性があるため同じイメージでも数回を重ねることにより脳波の変化が少なくなるということがある。

従って、脳波トポグラフィには、能動的な運動想起などによる部分と、時間の経過による変化分とが重畳している。このとき、ニュートラルデータを定期的に取得して、経時変化分を除去すれば、差分トポグラフィに対する時間の経過による影響を最小限にすることができる。

そこで、本実施の形態では、指示生成部３４によって、所定期間毎に、何もイメージしないように指示したメッセージを生成して、表示制御部によって表示装置１６に表示させ、ニュートラルデータ更新部４０によって、所定期間毎に、何もイメージしないように指示したメッセージが表示されたときに生成された脳波トポグラフィで、ニュートラルデータ記憶部２８に記憶されたニュートラルデータを更新する。

また、コンピュータ１４は、生成された差分トポグラフィと各判定データとを比較して、訓練対象者によって入力された脳波が、どの種類の運動想起に対応しているか否かを判定する入力判定部４２と、判定された運動想起の種類に応じた操作信号を発生させて、電動車椅子１８に出力する操作信号発生部４４とを備えている。

入力判定部４２は、ニューラルネットやサポートベクターマシン等の学習判断構成を利用して、生成された差分トポグラフィと、記憶された複数種類の運動想起の各々に対応する判定データとを比較して、訓練対象者によって入力された脳波が、どの種類の運動想起に対応しているか否かを判定する。例えば、生成された差分トポグラフィの画像パターンが、足運動の想起に対応する判定データである差分トポグラフィの画像パターンとほぼ一致する場合には、訓練対象者によって入力された脳波が、足運動の想起に対応していると判定される。

操作信号発生部４４では、電動車椅子１８の操作を行なうための複数種類の操作信号（例えば、右操舵の操作信号や左操舵の操作信号など）と、運動想起の種類（例えば、発声の想起や足運動の想起など）との対応関係を予め記憶しており、入力判定部４２によって判定された運動想起の種類に対応した操作信号を発生する。

次に、第１の実施の形態に係る脳訓練支援装置１０の作用について説明する。キャップ型電極１２が、訓練対象者の頭部に装着されている状態において、訓練対象者によって、脳訓練支援装置１０のコンピュータ１４に対して訓練開始指示が入力されると、脳訓練支援装置１０のコンピュータ１４で、訓練すべき脳波に対応する運動想起の種類の各々について、図３に示す脳波訓練支援処理ルーチンが実行される。

まず、ステップ１００において、何もイメージしない状態になるように指示するニュートラル状態指示メッセージを生成して、表示装置１６によって表示させる。これによって、訓練対象者は、表示装置１６によって表示された指示に従って、何もイメージしない状態となる。

そして、ステップ１０２において、キャップ型電極１２から出力された各部位に対応する脳波信号に基づいて、ニュートラル状態に対応する脳波トポグラフィを生成して、ニュートラルデータとして、ニュートラルデータ記憶部２８に記憶する。

次のステップ１０４では、ニュートラルデータを更新してからの時間を計測するタイマをスタートさせて、ステップ１０６において、訓練させる脳波に対応する運動想起（例えば、足運動の想起）を指示する運動想起指示メッセージを生成して、表示装置１６によって表示させる。これによって、訓練対象者は、表示装置１６によって表示された指示に従って、運動を想起した状態となる。

そして、ステップ１０８において、キャップ型電極１２から出力された各部位に対応する脳波信号に基づいて、運動想起に対応する脳波トポグラフィを生成し、生成された脳波トポグラフィと記憶されたニュートラルデータとに基づいて、差分トポグラフィを生成して、表示装置１６によって表示させる。これによって、訓練対象者は、運動想起によってどの程度脳波が変化したのか確認することができ、ニュートラル状態の脳波との差が少ないと判断した場合には、イメージの種類（動かす部位、動きのイメージ、周期など）や強さを変えて、再度運動想起する。また、ニュートラル状態の脳波との差が大きいと判断した場合には、どのように想起すれば、ニュートラル状態の脳波との差異が大きくなるかを知ることができる。

次のステップ１１０では、上記ステップ１０８で生成された差分トポグラフィに基づいて、生成された脳波トポグラフィとニュートラルデータとの差分が大きいか否かを判定する。差分トポグラフィの中に、差分が大きい領域が存在しない場合には、ニュートラルデータとの差分が大きくないと判定して、上記ステップ１１４へ移行する。

一方、上記ステップ１１０において、差分トポグラフィの中に、差分が大きい領域が存在する場合には、ニュートラルデータとの差分が大きいと判定して、上記ステップ１１２へ移行する。ステップ１１２では、上記ステップ１０６で表示した運動想起指示メッセージで指示した運動想起の種類と対応させて、判定データとして、上記ステップ１０８で生成された差分トポグラフィを判定データ記憶部３８に記憶させる。

ステップ１１４では、タイマの計測時間が、所定時間（例えば、５分）を経過したか否かを判定し、所定時間を経過していない場合には、上記ステップ１０８へ戻るが、一方、所定時間を経過していた場合には、ニュートラルデータを更新する必要があると判断し、ステップ１１６へ移行する。ステップ１１６では、タイマをリセットして、上記ステップ１００へ戻る。

上記の脳波訓練支援処理ルーチンが、訓練すべき脳波に対応する運動想起の種類の各々について実行される。

また、訓練対象者によって、脳訓練支援装置１０のコンピュータ１４に対して操作開始指示が入力されると、脳訓練支援装置１０のコンピュータ１４で、以下に説明するように、電動車椅子１８の操作処理が行われる。

まず、キャップ型電極１２から出力された各部位に対応する脳波信号に基づいて、脳波トポグラフィを生成し、生成された脳波トポグラフィと記憶されたニュートラルデータとに基づいて、差分トポグラフィを生成する。そして、生成した差分トポグラフィと、判定データ記憶部３８に記憶された判定データである差分トポグラフィの各々とを比較し、比較結果に基づいて、入力された脳波信号が、どの種類の運動想起によるものであるかを判定する。そして、判定した運動想起の種類に対応する操作信号を発生させて、電動車椅子１８に出力する。

電動車椅子１８では、コンピュータ１４から入力された操作信号に基づいて、操舵機構や、駆動機構、制動機構などを作動させ、操舵や加減速を行う。

以上説明したように、第１の実施の形態に係る脳訓練支援装置によれば、運動想起を指示したときに生成された脳波トポグラフィとニュートラル状態の脳波トポグラフィとの差分を示す差分トポグラフィを生成して、訓練対象者に対して表示することにより、訓練対象者の運動想起による脳の脳波の分布の変化を明示することができるため、訓練対象者が運動想起して脳波を変化させる訓練を効果的に支援することができる。

また、所定期間毎に更新されたニュートラルデータを用いて、差分トポグラフィを生成することにより、経時変化を除去して、訓練対象者の脳波の分布の変化を明示することができるため、訓練対象者が運動想起して脳波を変化させる訓練をより効果的に支援することができる。

また、どのような運動想起を行うと脳波の変化が出やすいのかを、差分トポグラフィで視覚的に確認しながら、訓練対象者は訓練を効率的に進めることが出来るため、訓練の時間を短縮することができる。

また、頸椎損害患者などが、動かせない手足に変わって運動想起などにより脳波を局所的に変化させて、その変化パターンに基づいて電動車椅子などへ操作信号を送る訓練を行う場合に、頸椎損害患者は、脳波の変化により電動車椅子を操作する方法を短時間で習得することができる。

次に第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態では、２つの異なる運動想起を指示したときの２つの差分トポグラフィに基づいて、これらの差分トポグラフィの相違の大きさを表わすスコアを計算して、訓練対象者に対して表示している点が、第１の実施の形態と主に異なっている。

図４に示すように、第２の実施の形態に係る脳訓練支援装置２１０のコンピュータ２１４は、信号取得部２０と、Ａ／Ｄ変換部２２と、信号処理部２４と、トポグラフィ生成部２６と、ニュートラルデータ記憶部２８と、差分トポグラフィ生成部３０と、表示制御部３２と、指示生成部３４と、後述するスコア計算部２４６で計算されたスコアが大きいか否かを判定し、スコアが大きいと判定された２つの差分トポグラフィを、表示したメッセージで指示した運動想起の種類と対応させて、判定データとして判定データ記憶部３８に記憶させる差分判定部２３６と、判定データ記憶部３８と、ニュートラルデータ更新部４０と、入力判定部４２と、操作信号発生部４４と、異なる２つの運動想起を指示するメッセージが出力されたときに生成された２つの差分トポグラフィ間の相違の大きさに基づいて、スコアを計算して、表示制御部３２に出力するスコア計算部２４６とを備えている。

スコア計算部２４６によって相違度合いとしてのスコアを計算する原理について説明する。図５に示すように、訓練対象者の脳波計測部位を１０点とし、脳波トポグラフィの階調を１１段階（０〜１０）とした場合を例に説明する。また、右操舵を発声の想起に割り当て、左操舵を足運動の想起に割り当て、β波を対象脳波とする。

発声想起時と足運動想起時との脳波分布が全く違う方が、脳波入力の正答率が高くなる（コンピュータが学習しやすくなる）ので、異なる運動想起時の差分トポグラフィ間の相違の大きさを点数化することにより、点数が大きいほど運動想起の組合せが良く、上手く区別して運動想起出来ていることを、訓練対象者にフィードバックすることができる。そこで、以下のように、スコアを計算する。

まず、発声の想起を指示するメッセージを表示したときに生成された差分トポグラフィから、計測された各部位のβ波のスペクトルパワーの最大値を求める。次に、足運動の想起を指示するメッセージを表示したときに生成された差分トポグラフィから、計測された各部位のβ波のスペクトルパワーの最大値を求める。そして、発声想起に対応する差分トポグラフィの各部位の最大値と、足運動想起に対応する差分トポグラフィの各部位の最大値とを比較し、大きい値を各部位の最大値とする。

次に、この各部位の最大値の２倍が階調１０になるように、発声想起に対応する差分トポグラフィと足運動想起に対応する差分トポグラフィとを正規化する。正規化された発声想起に対応する差分トポグラフィを図６（Ａ）に示し、正規化された足運動想起に対応する差分トポグラフィを図６（Ｂ）に示す。正規化された差分トポグラフィでは、最小値が階調０となり、最大値（発声想起に対応する差分トポグラフィか足運動想起に対応する差分トポグラフィのどちらかにある）が階調５となる。

なお、最大値を階調５とした理由は、運動想起による車椅子などの操作時に、正規化するときに計測した最大値以上のβ波が出現する可能性があるからである。また、操作時に差分トポグラフィの階調が１０を超えた場合には、階調を１０と修正する。

そして、図６（Ｃ）に示すように、計測部位の各々について、発声想起に対応する差分トポグラフィが表わす階調と、発声想起に対応する差分トポグラフィが表わす階調との相違の大きさ（差の絶対値）を求め、以下の（１）に従って、相違の大きさを合計して、スコアを算出する。

ただし、Ｖ_ｎは、発声想起に対応する差分トポグラフィが表わすｎ番目の計測部位の階調であり、Ｆ_ｎは、足運動想起に対応する差分トポグラフィが表わすｎ番目の計測部位の階調である。なお、スコアの最高点は、１０点の計測部位全てにおいて、相違の大きさが１０階調である場合のスコアであり、１００点となる。

差分判定部２３６は、計算されたスコアが閾値以上である場合に、スコアが大きいと判定し、異なる２つの運動想起を指示するメッセージが出力されたときに生成された２つの差分トポグラフィの各々を、メッセージが指示した２種類の運動想起の各々と対応させて、判定データとして判定データ記憶部３８に記憶させる。

次に、第２の実施の形態に係る脳訓練支援装置１０の作用について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の処理については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

訓練対象者によって、脳訓練支援装置２１０のコンピュータ２１４に対して訓練開始指示が入力されると、脳訓練支援装置２１０のコンピュータ２１４で、訓練すべき脳波に対応する運動想起の種類のペアの各々について、図７に示す脳波訓練支援処理ルーチンが実行される。

まず、ステップ１００において、何もイメージしない状態になるように指示するニュートラル状態指示メッセージを生成して、表示装置１６によって表示させる。そして、ステップ１０２において、脳波トポグラフィを生成して、ニュートラルデータとして、ニュートラルデータ記憶部２８に記憶し、次のステップ１０４では、タイマをスタートさせる。

そして、ステップ２５０において、訓練させる脳波に対応する運動想起の種類のペアの一方の運動想起（例えば、発声の想起）を指示する運動想起指示メッセージＡを生成して、表示装置１６によって表示させる。これによって、訓練対象者は、表示装置１６によって表示された指示に従って、発声を想起した状態となる。

そして、ステップ２５２において、キャップ型電極１２から出力された各部位に対応する脳波信号に基づいて、発声想起に対応する脳波トポグラフィを生成し、生成された脳波トポグラフィと記憶されたニュートラルデータとに基づいて、発声想起に対応する差分トポグラフィを生成して、表示装置１６によって表示させる。

また、ステップ２５４において、訓練させる脳波に対応する運動想起のペアの他方の運動想起（例えば、足運動の想起）を指示する運動想起指示メッセージＢを生成して、表示装置１６によって表示させる。これによって、訓練対象者は、表示装置１６によって表示された指示に従って、足運動を想起した状態となる。

そして、ステップ２５６において、キャップ型電極１２から出力された各部位に対応する脳波信号に基づいて、足運動の想起に対応する脳波トポグラフィを生成し、生成された脳波トポグラフィと記憶されたニュートラルデータとに基づいて、足運動の想起に対応する差分トポグラフィを生成して、表示装置１６によって表示させる。

次のステップ２５８では、上記ステップ２５２で生成した差分トポグラフィと、上記ステップ２５６で生成した差分トポグラフィとに基づいて、各計測部位における脳波の相違の大きさを求めて、上記（１）に従って、スコアを計算する。そして、ステップ２６０において、計算されたスコアを表示装置１６によって表示させる。

これによって、訓練対象者は、２つの運動想起によって生じた脳波が相違しているかを確認することができ、脳波の相違が少ないと判断した場合には、イメージの種類や強さを変えて、再度運動想起する。また、脳波の相違が大きいと判断した場合には、どのように想起すれば、２つの運動想起による脳波の相違が大きくなるかを知ることができる。

次のステップ２６２では、上記ステップ２６０で計算されたスコアが閾値以上であるか否かを判定する。スコアが閾値未満である場合には、異なる２つの運動想起に対応する差分トポグラフィの相違が大きくないと判断し、ステップ１１４へ移行する。一方、上記ステップ２６２において、スコアが閾値以上である場合には、異なる２つの運動想起に対応する差分トポグラフィの相違が大きいと判断し、ステップ２６４へ移行する。

ステップ２６４では、上記ステップ２５２で生成された差分トポグラフィを、上記ステップ２５０で表示した運動想起指示メッセージで指示した運動想起の種類と対応させて、判定データとして判定データ記憶部３８に記憶させると共に、上記ステップ２５６で生成された差分トポグラフィを、上記ステップ２５４で表示した運動想起指示メッセージで指示した運動想起の種類と対応させて、判定データとして判定データ記憶部３８に記憶させる。

ステップ１１４では、タイマの計測時間が、所定時間（例えば、５分）を経過したか否かを判定し、所定時間を経過していない場合には、上記ステップ２５０へ戻るが、一方、所定時間を経過していた場合には、ニュートラルデータを更新する必要があると判断し、ステップ１１６へ移行する。ステップ１１６では、タイマをリセットして、上記ステップ１００へ戻る。

以上説明したように、第２の実施の形態に係る脳訓練支援装置によれば、２種類の運動想起に対応する２つの脳波トポグラフィより生成された２つの差分トポグラフィの相違の大きさを、スコアによって明示することができるため、訓練対象者が運動想起して脳波を変化させる訓練を効果的に支援することができる。

次に、第３の実施の形態に係る脳訓練支援装置について説明する。なお、第３の実施の形態に係る脳訓練支援装置の構成は、第１の実施の形態と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。

第３の実施の形態では、訓練対象者の頭部表面の各部位から、脳の磁場を検出している点が、第１の実施の形態と主に異なっている。

第３の実施の形態に係る脳訓練支援装置は、訓練対象者の頭部表面の各部位から、脳の磁場を検出して、磁場信号をコンピュータ１４に入力している。

コンピュータ１４では、トポグラフィ生成部２６によって、脳磁図を示す磁場トポグラフィを生成する。脳磁図とは、脳の神経活動（電気的活動）に伴って発生する磁場（磁界）の変化を頭皮上で捉えたもので、単位は磁束密度で表される。脳磁図によれば、運動や知覚に関連して、脳のどの部分が活動しているかを正確に推定することが可能である。

トポグラフィ生成部２６によって生成される脳磁図を示す磁場トポグラフィは、頭部表面上の各部位の磁束密度の大きさの分布を表している。

ニュートラルデータ記憶部２８には、訓練対象者が、ニュートラル状態としての何もイメージしていない状態である場合に生成された磁場トポグラフィが、ニュートラルデータとして記憶されている。

差分トポグラフィ生成部３０は、生成された磁場トポグラフィと記憶されたニュートラルデータである磁場トポグラフィとを画像データとして、各画素の画素値の差分を計算し、各画素の画素値の差分からなる画像データを、差分トポグラフィとして生成する。

なお、第３の実施の形態に係る脳訓練支援装置の他の構成及び作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

このように、運動想起を指示したときに生成された磁場トポグラフィとニュートラル状態の磁場トポグラフィとの差分を示す差分トポグラフィを生成して、訓練対象者に対して表示することにより、訓練対象者の運動想起による脳の磁場の分布の変化を明示することができるため、訓練対象者が運動想起して脳の磁場を変化させる訓練を効果的に支援することができる。

次に、第４の実施の形態に係る脳訓練支援装置について説明する。なお、第４の実施の形態に係る脳訓練支援装置の構成は、第１の実施の形態と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。

第４の実施の形態では、訓練対象者の頭部表面の各部位から、脳の血流量を検出している点が、第１の実施の形態と主に異なっている。

第４の実施の形態に係る脳訓練支援装置は、訓練対象者の頭部表面の各部位から、脳の血流量を検出して、脳血流信号をコンピュータ１４に入力している。

コンピュータ１４では、トポグラフィ生成部２６によって、脳の血流量の分布を示す脳血流トポグラフィ（または光トポグラフィと呼ばれる）を生成する。

ニュートラルデータ記憶部２８には、訓練対象者が、ニュートラル状態としての何もイメージしていない状態である場合に生成された脳血流トポグラフィが、ニュートラルデータとして記憶されている。

差分トポグラフィ生成部３０は、生成された脳血流トポグラフィと記憶されたニュートラルデータである脳血流トポグラフィとを画像データとして、各画素の画素値の差分を計算し、各画素の画素値の差分からなる画像データを、差分トポグラフィとして生成する。

なお、第４の実施の形態に係る脳訓練支援装置の他の構成及び作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

このように、運動想起を指示したときに生成された脳血流トポグラフィとニュートラル状態の脳血流トポグラフィとの差分を示す差分トポグラフィを生成して、訓練対象者に対して表示することにより、訓練対象者の運動想起による脳の血流量の分布の変化を明示することができるため、訓練対象者が運動想起して脳の血流量を変化させる訓練を効果的に支援することができる。

なお、上記の第１の実施の形態〜第４の実施の形態では、訓練対象者が運動想起して脳波などの分布を変化させる場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、訓練対象者が、運動想起以外のイメージ入力（空想、計算など）を行うことにより、脳波などの分布を変化させる場合にも、本発明を適用することができる。

また、脳訓練支援装置によって、訓練支援処理と操作処理とを行なう場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、訓練支援処理を行う装置と、操作処理を行う装置とを分けて構成するようにしてもよい。

また、脳波等の分布の変化によって、電動車椅子を操作する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、脳波等の分布の変化によって、コンピュータへの入力、テレビゲームの操作、電子楽器等の操作、電動義手の操作、または電動義足の操作を行なうようにしてもよい。

また、差分トポグラフィやスコアを表示装置に表示させる場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、音声などによって、差分トポグラフィの様子やスコアを訓練対象者に対して報知するようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る脳訓練支援装置の構成を示す概略図である。 （Ａ）発声想起時の脳波トポグラフィを示すイメージ図、（Ｂ）ニュートラル状態時の脳波トポグラフィを示すイメージ図、（Ｃ）足運動想起時の脳波トポグラフィを示すイメージ図、（Ｄ）発声想起時の差分トポグラフィを示すイメージ図、及び（Ｅ）足運動想起時の差分トポグラフィを示すイメージ図である。 本発明の第１の実施の形態に係る脳訓練支援装置のコンピュータにおける脳波訓練支援処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る脳訓練支援装置の構成を示す概略図である。 脳波の計測部位を示す図である。 （Ａ）正規化された発声想起時の差分トポグラフィの階調を示すグラフ、（Ｂ）正規化された足運動想起時の差分トポグラフィの階調を示すグラフ、及び（Ｃ）正規化された発声想起時の差分トポグラフィと正規化された足運動想起時の差分トポグラフィとの相違の大きさを示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る脳訓練支援装置のコンピュータにおける脳波訓練支援処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１０、２１０ 脳訓練支援装置
１２ キャップ型電極
１４、２１４ コンピュータ
１６ 表示装置
１８ 電動車椅子
２４ 信号処理部
２６ トポグラフィ生成部
２８ ニュートラルデータ記憶部
３０ 差分トポグラフィ生成部
３２ 表示制御部
３４ 指示生成部
４０ ニュートラルデータ更新部
４２ 入力判定部
４４ 操作信号発生部
２４６ スコア計算部

Claims (4)

1. 訓練対象者の頭部表面の複数部位における脳波、磁場、及び血流量の何れか１つの生体情報を検出する脳情報検出手段と、
   前記脳情報検出手段によって検出された前記訓練対象者の前記生体情報の分布を示すトポグラフィを生成するトポグラフィ生成手段と、
   前記訓練対象者の脳が基準状態である場合に生成された前記トポグラフィを記憶する記憶手段と、
   前記トポグラフィ生成手段によって生成された前記トポグラフィと前記記憶手段に記憶された前記トポグラフィとの差分を示す差分トポグラフィを生成する差分生成手段と、
   前記差分生成手段によって生成された前記差分トポグラフィを、前記訓練対象者に対して報知する報知手段と、
   を含む脳訓練支援装置。
2. 前記トポグラフィ生成手段は、所定期間毎に、前記訓練対象者の脳が基準状態である場合の前記トポグラフィを生成し、前記記憶手段に記憶される前記トポグラフィを、前記生成した前記トポグラフィに更新する請求項１記載の脳訓練支援装置。
3. 前記分布が異なる複数のトポグラフィの各々について前記差分生成手段により生成された複数の差分トポグラフィ間の相違度合いを算出する相違度合い算出手段を更に含み、
   前記報知手段は、前記差分トポグラフィと共に、前記相違度合い算出手段によって算出された相違度合いを報知する請求項１又は２記載の脳訓練支援装置。
4. 前記相違度合い算出手段は、前記分布が異なる複数のトポグラフィの各々について前記差分生成手段により生成された複数の差分トポグラフィに基づいて、前記複数部位の各々について、前記差分トポグラフィが示す前記生体情報の相違の大きさの絶対値の総和を、前記相違度合いとして算出する請求項３記載の脳訓練支援装置。