JP2009507601A

JP2009507601A - 前頭葉で測定した脳波データの高速フーリエ変換を通じる累積データのパターン分析を利用した健康診断装置及びその方法

Info

Publication number: JP2009507601A
Application number: JP2008531007A
Authority: JP
Inventors: ピョン−ウンパク
Original assignee: コリアリサーチインスティテュートオブジュンシンサイエンス; ブレーンテクコーポレーション
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2009-02-26
Also published as: US20080200826A1; KR100719068B1; CN101273372A; WO2007032617A1; EP1934899A1; EP1934899A4; KR20070031501A; US7756575B2

Abstract

本発明は、前頭葉で測定した脳波データを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して周波数別に区分した後、一定時間累積しつつ反復される特定周波数を探して、各周波数別に健康状態を診断する装置及びその方法に関する。このために、脳波を測定するステップと、高速フーリエ変換するステップと、周波数別脳波データを開眼状態脳波と閉眼状態脳波とに区分して連続的に累積するステップと、累積された脳波データで反復される特定周波数とそのパターンを探すステップと、周波数パターンに基づいて周波数と人体の各部位とを対応連結するステップと、健康状態を判別するステップとに区分する。周波数別健康状態の判別は、臨床試験で見つけた事実を根拠とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、脳波パターン分析を利用した健康診断装置及びその方法に係り、より詳細には、被験者の前頭葉から開眼状態の脳波と閉眼状態の脳波とを連続的に測定しつつ、これを高速フーリエ変換して累積した後、各周波数別に現れたパターンによって人体の各部位別健康状態を判別する方法に関する。

脳波は、人間の頭皮上で測定される脳の電気的信号であるが、数十マイクロボルトの電位差と主に３０Ｈｚ以下の周波数を持つ波長であって、人間の意識状態を反映する物理値である。脳波にはα波、β波、θ波及びδ波など４種がある。β波は、１３Ｈｚ以上の周波数を持つ脳波であり、普通、人間の精神的活動が活発な時に発生する。α波は、８〜１３Ｈｚの周波数を持つ脳波であり、精神的に休息、安定している状態で発生するものであって、成人の基本脳波となる。θ波は、４〜７Ｈｚの周波数を持つ脳波であり、一般的な睡眠状態で発生する。δ波は、０．５〜３Ｈｚの周波数を持つ脳波であり、深い熟睡状態で典型的である。現在まで、脳波に関する多くの研究が行われているが、脳波に含まれている情報を十分に解釈できず、その判読はまだ難しい問題として残っている。

脳波を判読する方法には、時間領域での判読方法と周波数領域での判読方法とがある。時間領域で脳波を判読するには多くの経験及び熟練が要求され、微細な差を区分し難い。現在広く使われる周波数分析方法では、リアルタイムで被験者の状態を容易に判読できるように測定された信号を処理する必要がある。

従来の脳波測定装置は、主にペーストを利用して被験者の頭皮に付着するコップ電極を使用し、測定された複数チャンネルの脳波信号を入力して分析するためには、脳波分析用コンピュータに別途の内蔵型カードを備えねばならない。

本出願の出願人はまた、１９９９年３月２３日付で大韓民国特許庁に“ヘッドバンドを利用したリアルタイム脳波測定装置”という名称で特許出願をして、１９９９年７月５日付で公開番号９９−４６５０３で特許公開され、２０００年１１月３０日付で登録番号２８２７３３で特許された脳波測定装置を提供した。この脳波測定装置は、ペーストを使用せずに頭皮上で脳波を測定できる。

また、これまで脳波は単純に脳自体の健康状態のみを判別するのに使われてきた。そのために、脳波信号と脳外の他の信号（雑波）とを区別して雑波を除去し、純粋な脳波のみを抽出することが重要であった。したがって、前述の従来の技術では、雑波除去を最小化し、各周波数別に人体の各部位で発生する雑波と一対一の対応関係を設定して健康状態を判別することはできない。

本発明は、前述した従来の短所を解消するために、頭皮上で測定された脳波信号から雑波信号を最小限に除去した後、一定時間累積して測定することによって、各周波数別に人体の各部位で発生する信号と一対一の対応関係を設定して健康状態を判別する脳波パターン分析を利用した健康診断装置及びその方法を提供する。

本発明は、前頭葉に付着された脳波測定センサーを通じて脳波を測定する脳波測定装置で測定された脳波信号を受信して、脳波パターン分析を利用した健康診断を行う健康診断装置において、測定された脳波を受けて高速フーリエ変換をした後、一定時間データを累積して各周波数別に現れた信号のパターンを分析し、分析された周波数パターンと人体の各部位との一対一の対応関係を設定して健康状態を判別する脳波分析コンピュータを備える脳波パターン分析を利用した健康診断装置を提供する。

望ましくは、前記脳波分析コンピュータは、測定された脳波データを一定時間累積して各時間別に周波数による変曲点を見つけて反復的に続く変曲周波数を抽出した後、臨床試験の結果、見つけられた各周波数と一対一の対応関係を持つ人体の各部位別周波数データを保存するデータベースを利用して、抽出された変曲周波数から人体の健康状態を判読する。

また本発明は、脳波パターン分析を利用した健康診断を行う健康診断方法において、前頭葉に２チャンネル脳波測定センサーを付着し、耳たぶを基準電極とし、額の真ん中を参照電極とする方式で脳波を測定するステップと、測定された脳波を高速フーリエ変換するステップと、前記高速フーリエ変換されたデータを一定時間累積するステップと、各周波数別に現れた信号のパターンを分析するステップと、分析された周波数パターンと人体の各部位との一対一の対応関係を設定して健康状態を判別する健康状態判別ステップと、を含む脳波パターン分析を利用した健康診断方法を提供する。

望ましくは、前記パターン分析ステップでは、各時間別に周波数による変曲点を見つけ、反復的に続く変曲周波数を抽出する。

さらに望ましくは、前記健康状態判別ステップでは、変曲点の発生頻度数、脳波信号の振幅、及び脳波信号の半値全幅（ＦＷＨＭ（ＦｕｌｌＷｉｄｔｈａｔＨａｌｆＭａｘｉｍｕｍ））により、一定周波数に対応する人体の対応点での疾病の軽重が変曲点の発生頻度数と脳波信号の振幅に比例し、脳波信号のＦＷＨＭに反比例する人体の健康状態判別式を利用して健康状態を判別することを特徴とする。

本発明により、前頭葉で脳波測定することで脳状態だけでなく人体の健康状態までも簡単に点検できる。

以下、本発明の構成原理を説明する。

本発明は、前頭葉に２チャンネル脳波測定センサーを付着して耳たぶを基準電極とし、額の真ん中（Ｆｐｚ）を参照電極とする方式で脳波を測定し、また測定された脳波を高速フーリエ変換をした後、一定時間データを累積して各周波数別に現れた信号のパターンを分析し、分析された周波数パターンと人体の各部位との一対一の対応関係を設定して健康状態を判別する脳波パターン分析を利用した健康診断装置及びその方法を提供する。

本発明では、額部位である前頭葉に２チャンネルの脳波測定装置を付着して測定した脳波データを、直列通信方式やＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）通信方式でコンピュータに伝送した後、高速フーリエ変換をする。測定は被験者をして開眼状態と閉眼状態とを交互に反復させて、基礎律動の発生と消失及び各バンド別消失状態を観察できるデータを収集する。測定されたデータを一定時間累積して各時間別に周波数による変曲点を見つけ、反復的に続く変曲周波数を抽出する。臨床試験結果で見つけられた各周波数と一対一の対応関係を持つ人体の各部位別データベースによって抽出された変曲周波数から人体の健康状態を判読する。変曲周波数は、周波数による１次微分値を求めて勾配値が変わる頂点を意味する。１次微分値は、次の数式１及び数式２で求められる。

［数１］
デルタ１＝Ｖ（ｆ２）−Ｖ（ｆ１）
［数２］
デルタ２＝Ｖ（ｆ３）−Ｖ（ｆ２）
ここで、ｆ１、ｆ２、ｆ３は周波数を意味し、Ｖは、各周波数で電圧の強度を意味する。もし、デルタ１が正数値であり、デルタ２が負数値であれば、ｆ２は頂点になる。反復的に同じ周波数で頂点が現れるのは、脳や肉体の特徴的な活動を意味することであり、脳波信号は脳の状態を、筋肉信号はからだの状態を表す。各変曲周波数を人体の各部位と一対一で対応させて人体の健康状態を判断する。状態の軽重は、頂点（変曲点）が現れる頻度数と脳波信号の振幅、脳波信号のＦＷＨＭなどにより決定される。もし、変曲点が一定の周波数で開眼及び閉眼時に継続的に現れるならば、症状が激しいと言える。疾病の発生範囲はＦＷＨＭにより決定される。もし、ＦＷＨＭが小さければ局所的であり、大きければ広範囲に広がっていることを意味する。これを数式で表現すれば、次の数式３の通りである。

［数３］
Ｈ（ｎ，Ｖ，ｗ）＝Ａｆ（ｎＶ／ｗ）
ここで、ｎは変曲点の発生頻度数、Ｖは脳波信号の振幅、ｗは脳波信号のＦＷＨＭ、Ａは比例定数を意味し、Ｈは健康（Ｈｅａｌｔｈ）を意味する関数であり、ｆはｎＶ／ｗの変数を持つ関数であるという意味である。したがって、一定周波数に対応する人体の対応点での疾病の軽重は変曲点の発生頻度数と脳波信号の振幅に比例し、脳波信号のＦＷＨＭに反比例するということである。これはあくまでも線形的な関係式を意味し、さらに非線形的な関係式を考慮してもよい。

以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。

本発明による前頭葉で測定した脳波データを高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ−Ｆｏｕｒｉｅｒ−Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：ＦＦＴ）して周波数別に区分した後、一定時間累積しつつ反復される特定周波数を探して各周波数別に健康状態を診断する装置は、脳波を測定する測定装置と測定された脳波を受信して健康状態を診断する診断装置とを備えて構成される。脳波測定装置は図１及び図２に示し、健康状態診断装置は図面には示していないが、図１の脳波測定装置に接続されて測定された脳波を受けて診断装置内に保存されたアルゴリズム及びデータベースによって、図３及び図４のフローチャートによる健康診断方法を行うコンピュータである。

図１は、本発明の脳波パターン分析を利用した健康診断装置及びその方法に適用される、測定された脳波を処理する脳波測定装置の一実施形態である。この図面は、本出願人の特許登録２８２７３３に開示されたものであり、脳波感知部２０、信号処理部２２及び直列ポート接続部２８を備えて構成され、ヘッドバンド内に内蔵される。

脳波感知部２０は、複数の電極を使用して被験者の頭皮の所定位置での４チャンネルの脳波信号を感知する。本発明の一実施形態で脳波感知部２０は、２チャンネルのヘッドバンドと２チャンネルのコップ電極とを備える。２チャンネルのヘッドバンドは、前頭葉での脳波を簡便に測定するためのものであり、２チャンネルのコップ電極は、前頭葉以外の位置、すなわち、頭頂葉、側頭葉または後頭葉部分のうち、測定しようとする部位での脳波を選択的に測定するためのものである。

信号処理部２２は、ノイズ防止のためにヘッドバンド内にフレキシブルＰＣＢ（ＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＢｏａｒｄ）で脳波感知部２０と連結される。信号処理部２２は、増幅部２３、アナログ／デジタル変換部２４、符号化部２５及びコンピュータインターフェース部２６に区分される。増幅部２３は、図２に示したように前増幅部２３２、フィルタ部（図示せず）、主増幅部２３４を備え、前増幅部２３２は、脳波感知部２０に感知された微弱な脳波信号の振幅を１次増幅し、ノイズ除去のために脳波信号をフィルタリングした後、主増幅部２３４で約５０，０００倍に増幅させる。アナログ／デジタル変換部２４は、増幅された脳波信号を１秒に１０２４回サンプリングしてデジタル値に変換する。符号化部２５は、各チャンネルの識別子と各チャンネル別１バイトのデジタル値とを順次にリアルタイム符号化する。コンピュータインターフェース部２６は、その符号化された結果をコンピュータの直列ポートやＵＳＢポートに有線や無線で伝送する。

直列ポート接続部２８は信号処理部２２と有線で接続され、コンピュータの直列ポートに接続するためのＲＳ２３２−Ｃ方式の９ピンコネクタまたは２５ピンコネクタが使われることで、コンピュータのＵＳＢポートと連結することができる。

図２は、前頭葉に付着して脳波信号を抽出する脳波測定用ヘッドバンドを概略的に示す図面である。ヘッドバンド内で使われた電極は、金をメッキした電極であり、ペーストを使用せずに額に直ちに付着して使用できる。ヘッドバンド内の電極１１０と電極２１２とは、左脳と右脳との前頭葉から脳波を測定する活性電極であり、電極３１４は、額の正中央で脳波を測定して電極１１０と電極２１２とが参照する参照電極であり、電極４１６は、耳たぶに着用して頭皮上で測定された脳波の基準になる基準電極を意味する。左脳と右脳との前頭葉の脳波電位は、次の数式４、５で計算される。

［数４］
ＶＬ＝（Ｖ１−Ｖ４）−（Ｖ３−Ｖ４）
［数５］
ＶＲ＝（Ｖ２−Ｖ４）−（Ｖ３−Ｖ４）
ここで、ＶＬは左脳電位、ＶＲは右脳電位を表し、Ｖ１ないしＶ４は前記各電極の電位を表す。

本発明では、前述したように測定された脳波信号を利用して健康診断を行うが、これは図３に概略的に示されている。

図３に示した本発明による前頭葉で測定した脳波データをＦＦＴして周波数別に区分した後、一定時間累積しつつ反復される特定周波数を探して各周波数別に健康状態を診断する装置は、脳波を測定する脳波測定器３０、測定された脳波をＦＦＴするＦＦＴ変換器３２、周波数別脳波データを開眼状態脳波と閉眼状態脳波とに区分して連続的に累積する脳波データ累積器３４、累積された脳波データで反復される特定周波数とそのパターンを探すパターン分析器３６、周波数パターンに基づいて周波数と人体の各部位とを対応連結するデータ比較器３８、健康状態を判別する健康状態分析器４０を備えて構成される。

図４は、変曲周波数を探して変曲点の発生頻度数と脳波信号の振幅、脳波信号のＦＷＨＭの値を分析し、周波数別人体対応データベースと比較して健康状態を判別するフローチャートである。

図４によれば、額部位の前頭葉に２チャンネルの脳波測定器を付着して測定した脳波データを、直列通信方式やＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）通信方式でコンピュータに伝送した後、ＦＦＴ（Ｓ３００）を行う。測定は、被験者をして開眼状態と閉眼状態とを交互に反復させて、基礎律動の発生と消失及び各バンド別消失状態を観察できるデータを収集し、測定されたデータを一定時間累積して（Ｓ３１０）、各時間別に頂点（変曲）周波数による変曲点を見つけ、反復的に続く変曲周波数を抽出して周波数パターンを分析する（Ｓ３２０）。

臨床試験結果で見つけられた各周波数と一対一の対応関係を持つ人体の各部位別データベースによって抽出された変曲周波数から人体の健康状態を判読する。ここで、変曲周波数は、周波数による１次微分値を求めて勾配値が変わる頂点を意味する。

下記の表１は、周波数別人体対応部位データベースの一部例である。

前記表１に記載されたように、各脳波帯域は固有周波数帯域を持ち、それぞれは人体対応点に一対一で対応させうる。０．１−３Ｈｚの脳波帯域はδ波帯域であって、目、まぶた、眼球、眼球筋肉、顔面筋肉、鼻、口、襟首、てんかん、脳損傷に対応し、４−７Ｈｚの脳波帯域は、θ波帯域で肩、耳、目、顔面、鼻、口、耳鳴りに対応し、８−１２Ｈｚの脳波帯域は、α波帯域で胃腸、内蔵、生殖器、子宮、腰、腎臓に対応し、１２−１５Ｈｚの脳波帯域は、ＳＭＲ波帯域で首、器官支、肺、心臓、皮膚病、アトピー病に対応し、１６−２０Ｈｚの脳波帯域は、低β波帯域で横隔膜、腎臓、歯牙、あご、頚椎に対応し、２１−３０Ｈｚの脳波帯域は、高β波帯域で頚椎、手、足、脚に対応する。

反復的に同じ周波数で頂点が現れるのは、脳や肉体の特徴的な活動を意味することであり、脳波信号は脳の状態を、筋肉信号は肉体の状態を表す。各周波数を人体の各部位と一対一に対応させて人体の健康状態を判断する。健康状態の軽重は、頂点（変曲点）が現れる頻度数と脳波信号の振幅、脳波信号のＦＷＨＭなどにより決定される。もし、頂点（変曲点）が連続的に一定の周波数で開眼と閉眼時に継続的に現れるならば症状が激しいと言える。疾病の発生範囲はＦＷＨＭにより決定される。もし、ＦＷＨＭが小さければ局所的に、大きければ広範囲に広がっていることを意味する。これを数式で表現すれば、前述した数式３によってＨ（ｎ，Ｖ，ｗ）＝Ａｆ（ｎＶ／ｗ）に表示され、ここで、ｎは変曲点の発生頻度数、Ｖは脳波信号の振幅、ｗは脳波信号のＦＷＨＭ、Ａは比例定数を意味し、Ｈは健康（Ｈｅａｌｔｈ）を意味する関数であり、ｆはｎＶ／ｗの変数を持つ関数ということを意味する。したがって、一定周波数に対応する人体の対応点での疾病の軽重は、変曲点の発生頻度数及び脳波信号の振幅に比例し、脳波信号のＦＷＨＭに反比例するということである。これはあくまでも線形的な関係式を意味し、さらに非線形的な関係式を考慮してもよい。

これにより、図４のステップＳ３３０で変曲点が現れる頻度数を判断して、頻度数の低い場合にはステップＳ３４０に進行して（ＦＷＨＭに対する振幅×頻度数）、すなわち、変数ｎＶ／ｗの関数値を求めて、高い場合に間歇的痛みまたは異常と判断し（Ｓ３５０）、低い場合に健康状態と判断する（Ｓ３６０）。

一方、図４のステップＳ３３０で変曲点が現れる頻度数を判断して、頻度数が高い場合にはステップＳ３７０に進行して（ＦＷＨＭに対する振幅×頻度数）、すなわち、変数ｎＶ／ｗの関数値を求めて、低い場合に局所的異常と判断し（Ｓ３８０）、高い場合に局所的疾病と判断する（Ｓ３９０）。

本発明の脳波パターン分析を利用した健康診断装置に適用される測定された脳波を処理する脳波測定装置のブロック図である。前頭葉に付着して脳波信号を抽出する脳波測定用ヘッドバンドを概略的に示す図面である。本発明の健康診断ブロックを示すブロック図である。頂点（変曲点）周波数を探して発生頻度数と振幅、ＦＷＨＭの値を分析して、周波数別人体対応データベースと比較して健康状態を判別するフローチャートである。

Claims

前頭葉に付着された脳波測定センサーを通じて脳波を測定する脳波測定装置で測定された脳波信号を受信して、脳波パターン分析を利用した健康診断を行う健康診断装置において、
測定された脳波を受けて高速フーリエ変換をした後、一定時間データを累積して各周波数別に現れた信号のパターンを分析し、分析された周波数パターンと人体の各部位との一対一の対応関係を設定して健康状態を判別する脳波分析コンピュータを備える脳波パターン分析を利用した健康診断装置。
前記脳波分析コンピュータは、測定された脳波データを一定時間累積して各時間別に周波数による変曲点を見つけて反復的に続く変曲周波数を抽出した後、臨床試験の結果、見つけられた各周波数と一対一の対応関係を持つ人体の各部位別周波数データを保存するデータベースを利用して、抽出された変曲周波数から人体の健康状態を判読する請求項１に記載の脳波パターン分析を利用した健康診断装置。
脳波パターン分析を利用した健康診断を行う健康診断方法において、
前頭葉に２チャンネル脳波測定センサーを付着し、耳たぶを基準電極とし、額の真ん中を参照電極とする方式で脳波を測定するステップと、
測定された脳波を高速フーリエ変換するステップと、
前記高速フーリエ変換されたデータを一定時間累積するステップと、
各周波数別に現れた信号のパターンを分析するステップと、
分析された周波数パターンと人体の各部位との一対一の対応関係を設定して健康状態を判別する健康状態判別ステップと、を含む脳波パターン分析を利用した健康診断方法。
前記パターン分析ステップでは、各時間別に周波数による変曲点を見つけ、反復的に続く変曲周波数を抽出する請求項３に記載の脳波パターン分析を利用した健康診断方法。
前記健康状態判別ステップでは、変曲点の発生頻度数、脳波信号の振幅、及び脳波信号の半値全幅（ＦＷＨＭ）により、一定周波数に対応する人体の対応点での疾病の軽重が変曲点の発生頻度数と脳波信号の振幅に比例し、脳波信号のＦＷＨＭに反比例する人体の健康状態判別式を利用して健康状態を判別する請求項４に記載の脳波パターン分析を利用した健康診断方法。