JP2009538669A - バイオフィードバックシステム及びディスプレイデバイス - Google Patents

Abstract

バイオフィードバックシステム及びそのバイオフィードバックシステムにおいて使用するディスプレイデバイスが開示される。人又は動物のバイオフィードバック治療のための方法も開示される。バイオフィードバックは、例えば神経リハビリテーションのようなリハビリテーション施設で使用される治療法である。特定の閾値を下回る神経信号の大きさは結果として、例えば筋肉反応を生じさせない。なぜなら、与えられた刺激が、筋肉を動かすには不十分だからである。閾値を下回る神経信号であるにも関わらず直観的なフィードバックを患者に与えるために、その信号が検出され、患者に理解可能にされる。

Description

本発明は、バイオフィードバックシステム及びバイオフィードバックシステムにおいて使用するディスプレイデバイスに関する。本発明は、人又は動物のバイオフィードバック治療のための方法にも関する。

バイオフィードバックは、例えば神経リハビリテーションのようなリハビリテーション施設で使用される治療法である。例えば、特定の閾値以下の神経信号の大きさが結果として、筋肉反応を生じさせないことがある。なぜなら、与えられた刺激が、筋肉を動かすには不十分だからである。

米国特許出願公開 US 2003/0069514 A1号において、生体電気信号のための監視システムが開示される。筋肉収縮の間、生体電気信号、いわゆる筋電図(ＥＭＧ)信号が、生成される。ＥＭＧ信号のエネルギーは、筋の緊張に比例する。そのシステムは、患者及びＥＭＧアンプに配置されるマトリクス状の検出電極アレイを含む。

バイオフィードバックリハビリテーションに関して、既知のシステムにおける１つの欠点は、例えばＰＣ画面又は測定デバイスの専用ディスプレイにＥＭＧ活動の結果がデータとして表示される点にある。データは、例えば肢を自分で動かそうと試すことで体内における神経活動がもたらされる場所を患者に仲介するものではない。

従って、本発明の目的は、患者の神経信号の品質をより効率的に強化する改善されたバイオフィードバックシステムを提供することにある。

上記目的は、バイオフィードバックシステム及びバイオフィードバック治療のための方法により達成される。バイオフィードバックシステムは、ディスプレイデバイスとセンサとを有し、上記センサは、複数の電極を有し、上記センサは、人又は動物に取り付けられるよう与えられる。上記ディスプレイデバイスは、人又は動物により着用されることができる。神経信号は、上記センサにより検出可能である。上記信号の空間分布が、ディスプレイデバイスにより視覚的に提供可能となる。

リハビリテーション治療のためのバイオフィードバックシステムの利点は、特定の閾値以下の神経信号が検出され、患者に対して視覚化されることである。その刺激は例えば筋肉反応を引き起こすには十分ではないが、患者の脳がその刺激の効果を理解する。バイオフィードバックを用いて反復的に実行することは有利なことに、神経信号を強化し、閾値を上回る信号の大きさをもたらすことができる。本発明によるシステムは、その空間分布を含む神経信号に関する視覚情報を提供する。即ち、患者は、神経活動が起きている場所を見ることを可能にされ、その視覚情報は有利には、患者の意思とマッチする。

本書で参照される患者は、人又は動物とすることができるが、主に注目するのは人間である。

上記センサは、複数の電極を有する。一方、その電極は、電圧、電流、温度、電気的導電性、ミネラル成分又はフェロモン成分といった、人又は動物の体内又は体表で測定されることになる任意の物理又は化学量を検出するのに適した何らかの検出要素であると意図される。本発明によれば、神経信号はそのセンサにより検出可能である。本願で参照される神経信号は、人又は動物の体内又は体表で測定可能な任意の物理信号として意図される。好ましくは、上記電極により検出可能な神経信号は、筋電図(ＥＭＧ)信号、脳電図信号又は心電図信号といった生体電気信号である。

本発明の好ましい実施形態において、上記電極は、ＥＭＧ電極である。上記ＥＭＧ信号は、筋の緊張に比例する。本発明のバイオフィードバックシステムでＥＭＧ信号を視覚化することは有利なことに、例えば脳卒中後のリハビリテーションといったリハビリテーションの進行を強化する。

本発明のシステムは更に好ましくは、処理要素を有し、上記神経信号の大きさ及び／又はソース位置が上記処理要素により解析可能である。センサから検出された神経信号が、好ましくはマイクロプロセッサを有する処理要素に与えられる。有利には、各電極から取得される信号が識別可能であり、その結果、信号強度又は大きさだけでなく、複数の電極にわたり検出された神経信号のパターンも解析可能である。

処理要素は、無線通信のような無線接続により又は接続ケーブルによりシステムに接続されるパーソナルコンピュータ又はラップトップコンピュータといった外部デバイスとすることも可能だが、好ましくは処理要素は、ディスプレイデバイス内又はディスプレイデバイスに配置される。処理要素は有利には、システムに一体化される。処理要素、センサ及びディスプレイデバイスを含むシステムが、患者により着用されることができる点、即ち、患者が、衣服と同じように本発明のシステムを着ることができる点が本発明の利点である。好ましくは、本発明のシステムは、外部デバイスに対する何らの接続ケーブルも有しない。

好ましくは、電極間の神経信号の大きさは、処理要素により補間可能である。神経信号の解析された大きさ及び／又はソース位置パターンは有利には、平滑化される。電極の数は有利には、減らされることができる。

患者の体内において又は患者の体において、センサの複数の電極が個別に配置可能であるようにすることができる。しかしながら、センサの複数の電極が、アレイ化された構成で与えられること、即ち、互いに対する電極の構成がプリセットされていることが好ましい。アレイ化された電極の適用は、より複雑さを減らし、従って有利なことに、間違いが回避される、及び／又は高度資格者の割り当てが減らされる。

より好ましくは、センサの複数の電極が、基板に配置される。その基板は、任意の種類の担体手段であり、その担体手段の上又は中には複数の電極が取り付けられる。担体手段は例えば繊維である。この好ましい実施形態によるセンサは有利には、衣服のように着用可能とすることもできる。

神経信号の大きさ及び／又はソース位置に基づき、処理要素により制御可能であるよう、ディスプレイデバイスが提供されることが更に好ましい。ディスプレイデバイスを制御するのに、神経信号の大きさ及び／又はソース位置を用いることにより、患者は有利なことに、検出された信号の大きさ及び／又はソース位置のパターンの再生を提供される。自身の傷ついた肢を動かそうとする努力が、体内の神経活動に与える効果についての詳細画像を患者が与えられるとき、直観的なフィードバックが強化される。

更に好ましくは、ディスプレイデバイスは発光テキスタイルとして与えられる。発光テキスタイルは、テキスタイル繊維を有する。そのテキスタイル繊維の上又は中には多数の光源が取り付けられ、好ましくは相互接続される。例えば、発光テキスタイルは、多数の発光ダイオード(ＬＥＤ)を有する。発光ダイオード(ＬＥＤ)は一般に、光を放出する半導体デバイスである。本願に関して言えば、ＬＥＤは、ＬＥＤの適用可能なすべての実施形態を含むものとして意図される。例えば、ＬＥＤの発光層物質が、有機複合物である場合、それは、有機発光ダイオード(ＯＬＥＤ)として知られる。発光物質は、結晶相又はポリマにおける小さな有機分子とすることができる。ポリマ物質は、柔軟なものとすることができる。斯かるＬＥＤは、ポリマＬＥＤ(ＰＬＥＤ)又はフレキシブルＬＥＤ(ＦＬＥＤ)として知られる。通常のＬＥＤと比べて、ＯＬＥＤはより明るく、ポリマＬＥＤは、柔軟性があることの追加的な利点を持つことができる。

更に好ましくは、ディスプレイデバイスは、複数の色を放つことができる。即ち、発光テキスタイルは、異なる色のＬＥＤを有する、及び／又は、ＬＥＤは、複数の色を放つことができる。例えば、ＬＥＤユニットは、異なる色の２つ又はそれ以上のダイオードを含む。複数のカラーＬＥＤは、神経信号の大きさが特定の色で表示されることができるという利点を提供する。

ＬＥＤの数は好ましくは、電極の数を超える。少なくとも２倍以上である。信号の大きさ及び／又はソース位置の補間されたパターンの表示が有利には、より多くのＬＥＤにより強化される。

本発明の好ましい実施形態において、ディスプレイデバイスは、センサに対して固定され、取り外し可能に構成される。ディスプレイデバイスとセンサとは従って、好ましくは２つの隣接層を形成する。これは、有利なことに、患者により衣服として着用されることができる。ディスプレイデバイスとセンサとの相対位置は固定される。その結果、検出され、解析される神経信号の大きさ及び／又はソース位置は、適切な位置に信頼性高く表示される。

ディスプレイデバイスは好ましくは、人又は動物の体の部位に取り付け可能である。有利には、ディスプレイデバイスは、患者が例えば傷ついた肢の上又は肢で着用できるようなカバー形状又はラップ形状を持つ。

更に好ましくは、ディスプレイデバイスは、体の部位及び／又はセンサに対する所定の位置にディスプレイデバイスを繰り返し取り付けるための位置決め手段を有する。ここでも、その固定された相対位置が、検出信号の信頼性高い表示を提供する。例えば、ディスプレイデバイスは、位置マーカを運ぶことができる。これは、患者の体の部位における天然又は人工マークにマッチされなければならない。

本発明の更に好ましい実施形態では、そのシステムは、データストレージを更に有する。このデータストレージには、データベースが格納可能である。そのデータベースは、１人又は複数の人又は動物の体の部位の筋肉又は筋肉グループに対する電極の割り当てに関する情報を含む。異なる患者間での生体構造的な差異が原因で、筋肉に対する電極の割り当ては、個人同士で変化する場合がある。神経活動の表示されるパターンの正確性は有利には、この割り当てが較正される場合に強化される。各患者に対する個別の割り当ては、データベースに格納され、有利には、個別の患者のセッションが開始されるとき毎回読み出されて提供される。データストレージは好ましくは、メモリカード又はフラッシュメモリカードとも呼ばれる半導体電子フラッシュメモリデータストレージデバイスであり、より好ましくは、処理要素と共にディスプレイデバイス内又はディスプレイデバイスに取り付けられる。

本発明は更に、本書に記載されるバイオフィードバックシステムと共に用いるディスプレイデバイスに関する。その場合、そのディスプレイデバイスは、人又は動物により着用可能な態様で提供される。本発明のディスプレイデバイスの利点は、神経活動が、その神経活動が起こる体の部位に直接表示可能であることである。着用可能なディスプレイデバイスの別の利点は、電気刺激の間筋肉組織が徐々に疲労する様子を通知するのにも使用されることができ、従って、患者が意識を失う(dalling)ことから回避されることである。

ディスプレイデバイスは好ましくは、発光テキスタイルとして提供される。その発光テキスタイルは、複数のＬＥＤを有する。発光テキスタイルは、軽量で柔軟であり、患者は有利には、衣服の１つのようにそのディスプレイデバイスを着ることができる。

本発明は更に、人又は動物に対するバイオフィードバック治療のための方法に関する。その方法は、
− 上記人又は動物に複数の電極を備えるセンサを取り付けるステップと、
− 上記人又は動物の体の部位にディスプレイデバイスを取り付けるステップと、
− 上記複数の電極により神経信号を検出するステップと、
− 発光テキスタイルとして与えられる上記ディスプレイデバイスに上記神経信号の空間分布を視覚化するステップとを有する。

有利なことに、リハビリテーションにおけるバイオフィードバック効果は改善される。なぜなら、患者が傷ついた肢を動かそうとする努力が何処の神経活動をもたらすかを患者が見ることができるためである。

好ましくは、本方法は、神経信号の大きさ及び／若しくはソース位置を解析するステップ、並びに／又は神経信号の大きさ及び／若しくはソース位置に基づき、ディスプレイデバイスの複数のＬＥＤを制御するステップを更に有する。検出された信号の大きさ及びソース位置のパターンが、患者に対して視覚化される。そのパターンは、患者の体の部位における実際の神経活動を示す。

ディスプレイデバイスは好ましくは、人又は動物の各治療に対して所定の位置にある体の部位及び／又はセンサに付けられる。各セッションの開始時におけるディスプレイデバイスの正確な位置決めが、神経活動の信頼性高い表示を確実にし、セッションの結果が比較可能になる。

本発明の方法は、更なる実施形態において、電極と体の部位の筋肉又は筋肉グループとの割り当てを決定するステップを有する。この種の較正により、検出された信号は、特定の筋肉又は筋肉グループに割り当てられる。これは、バイオフィードバック効果を強化する。なぜなら、患者において最も変化する生体構造への適合が可能とされるからである。当業者であれば、電極が筋肉又は筋肉グループに最適に割り当てられるか、又は例えばアレイ状の電極の場合には、処理要素が所与の配置に適合されるかのどちらかの態様で電極が配置されることができることを理解するであろう。

更に好ましくは、各個別の人又は動物における体の部位の筋肉又は筋肉グループへの電極の決定された割り当てが、データベースに格納される。更により好ましくは、実際に治療される人又は動物に対する電極及び体の部位の筋肉又は筋肉グループの格納された割り当てが、各治療セッションの開始時にデータベースから読み出される。有利には、センサは、各セッションに対して較正される必要はなく、治療の開始時に１度だけ較正されればよい。

本発明のこれら及び他の特性、特徴及び利点が、添付図面と合わせて以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。図面は、例示を介して、本発明の原理を説明するものである。説明は、例示のためだけに与えられ、本発明の範囲を限定するものではない。以下に述べられる参考図面は、添付された図面を参照する。

本発明は、特定の実施形態及び特定の図面を参照して説明されることになるが、本発明はそれらに限定されるものではなく、添付された請求項によってのみ定まるものである。記載された図面は、概略的なものに過ぎず非限定的なものである。図面において幾つかの要素の大きさが誇張されている場合があり、説明目的のため実際のスケール通りに描かれていない場合がある。

「a」「an」「the」といった不定冠詞又は定冠詞が単数形名詞の前で使用される場合、これは、特に記述がない限り、その名詞が複数あることも含むものとする。

更に、明細書及び請求項における第１、第２、第３等の用語は、同様な要素間を識別するのに使用され、必ずしも順次的な順序又は実際の順序を表すものではない。そのように使用されるこれらの用語は、適切な環境下において交換可能であり、本書に述べられる本発明の実施形態は、本書に説明又は図示される以外の他のシーケンスで動作することができる点を理解されたい。

更に、明細書及び請求項におけるトップ(表面)、ボトム(底面)、オーバー(上)、アンダー(下)等の用語は、説明目的で使用されるものであり、必ずしも相対的な位置を表すものではない。そのように使用されるこれらの用語は、適切な環境下において交換可能であり、本書に述べられる本発明の実施形態は、本書に説明又は図示される方向以外の他の方向で動作することができる点を理解されたい。

明細書及び請求項における「comprising（有する）」という用語は、その後に記載される手段に限定されるものとして解釈されるべきではないことに留意されたい。即ち、その用語は、他の要素又はステップを除外するものではない。従って、「手段Ａ及び手段Ｂを有するデバイス」という表現の範囲は、要素Ａ及び要素Ｂのみからなるデバイスに限定されるべきではない。それは、本発明に関して、デバイスの関連要素がＡとＢとのみであることを意味する。

本実施形態では、閾値を下回る(sub-threshold)神経信号であるにも関わらず直観的なフィードバックを患者に与えるために、神経信号が検出され、患者に理解可能にされる。

図１において、ディスプレイデバイス１が描かれる。これは、体の部位４に付けられるものであり、ここでは、輪郭が人の腕の形になるよう形成されている。ディスプレイデバイス１は好ましくは、いわゆるフォトニック・テキスタイルと呼ばれる発光テキスタイル１であり、照明デバイスを含み、従ってディスプレイデバイス１として機能することができる繊維である。布地の柔軟性を犠牲にすることなく、マルチカラーの発光ダイオードＬＥＤ１０の柔軟なアレイが、その繊維に埋め込まれる。発光テキスタイル１は、人間により着用されることができる。これは、最も有利な点である。なぜなら、発光テキスタイル１は、実際に治療されるのがどこであっても患者の任意の体の部位４に適用されることができるからである。

ディスプレイデバイス１は、図示省略された処理要素により制御される。患者の体の部位４における神経信号の大きさ及び／又はソース位置が、ディスプレイデバイス１に表示される。バイオフィードバックは、リハビリテーション法である。この方法においては、筋肉への閾値を下回る(sub-threshold)神経信号が例えば筋電図(ＥＭＧ)電極により検出され、患者に対して視覚化される。その刺激は、筋肉反応を引き起こすには十分ではないが、患者は、視覚的な知覚を通してその刺激の効果を認識する。バイオフィードバックを用いる反復的な実行が、神経信号の質を強化し、閾値以上の(above-threshold)神経信号をもたらすことができる。例えば腕といった正常な機能が損なわれた肢４の上に患者により着用される発光テキスタイルの使用は、空間的及び時間的な態様でＥＭＧ活動を視覚化することを可能にする。

図２において、ディスプレイデバイス１が描かれる。これは、発光テキスタイル１の詳細を示す。マルチカラーＬＥＤ１０が、繊維１３に埋め込まれ、そのＬＥＤは、接続ワイヤ１２により相互接続される。例えば、赤いＬＥＤ信号は、強い神経信号を表し、黄色のＬＥＤ信号は、弱い神経信号を表す。二色ＬＥＤユニットは、電流の各方向に１つ存在し、それぞれ異なる色である２つのダイオードを含む。この構成は、極性を変化させることで２色動作を可能にするか、又は電圧が各極性にある時間の割合を変化させることで明白な色の範囲が作りだされることを可能にする。他のＬＥＤユニットは、２つまたはそれ以上の異なる色のダイオードを含み、共通アノード又は共通カソード構成のいずれかで配置される。これらは、極性を反転させる必要なく異なる色へと駆動されることができる。代替的に、ＬＥＤユニット１０は、ＬＥＤ１０を閃光させる一体型振動回路を持つことができる。その後、神経信号の大きさが、閃光の周波数毎に表示されることができる。

繊維１３は、任意の相互接続する、柔軟な及び／又はドレープ可能な基板とすることができる。これは、例えば、完全に又は部分的に布又はプラスチック及びフィルムから作られる。繊維１３には、位置決め手段１１が配置される。これは、すべての治療セッションにおいて患者の体の部位４の同じ固定位置にディスプレイデバイス１を取り付けるのに使用される。位置決め手段１１は例えば、繊維１３におけるマーカ又は穴であり、患者の体の部位における天然又は人工マークとマッチされることができる。

図３において、センサ２とディスプレイデバイス１とを有するシステムが描かれる。

センサ２は、例えばＥＭＧ電極である複数の電極２０を有する。電極２０は、図示省略された患者の神経信号を検出する。電極２０がアレイ化された構成が、神経信号の空間的分布だけでなくその大きさの検出も可能にする。センサ２の各電極２０は、処理要素３に接続される。この処理要素は、測定信号の大きさを解析し、神経信号の大きさ及び／又はソース位置のパターンを生成する。処理要素３は、ディスプレイデバイス１を駆動する制御ユニット３ａを有する。神経信号の大きさ及び／又はソース位置についての生成されたパターンが、制御ユニット３ａに入力され、こうして、神経信号の大きさ及び／又はソース位置が、ディスプレイデバイス１において視覚化される。

ディスプレイデバイスは、相互接続され、かつ接続ワイヤ１２により制御ユニット３ａと接続される複数のＬＥＤ１０を有する。各電極２０は、多数のＬＥＤ１０に割り当てられる。なぜなら、ディスプレイデバイス１におけるＬＥＤ１０の総数は通常、センサ２の電極２０の数を超えるからである。検出される信号のスムーズな描画を提供するため、２つの電極２０間の大きさは、処理要素３により補間される。更に各電極２０は、(図示省略された)患者の特定の筋肉又は筋肉グループに割り当てられる。患者の生体構造は変化するので、電極２０の筋肉へのこの割り当ては、各個別の患者ごとに異なる。データストレージ５が処理要素３に接続される。データストレージには、データベースが格納される。そのデータベースは、各患者に対する筋肉又は筋肉グループへの電極２０の割り当てに関するデータを有する。治療セッションの開始において、その割り当てデータが、データベースから処理要素に読み出される。

本発明によるディスプレイデバイスが取り付けられた状態を概略的に示す図である。 本発明によるディスプレイデバイスの実施形態の詳細を概略的に示す図である。 本発明によるシステムの実施形態を概略的に示す図である。

Claims (22)

1. ディスプレイデバイスとセンサとを有するバイオフィードバックシステムであって、前記センサが、複数の電極を有し、
   前記センサが、人又は動物に付けられるよう提供され、前記ディスプレイデバイスは、前記人又は動物により着用可能であり、
   神経信号が、前記センサにより検出可能であり、前記信号の空間分布は、前記ディスプレイデバイスにより視覚的に与えられることができる、バイオフィードバックシステム。
2. 処理要素を更に有し、前記神経信号の大きさ及び／若しくはソース位置が前記処理要素により解析可能である、並びに／又は、前記神経信号の大きさ及び／若しくはソース位置に基づき、前記ディスプレイデバイスが前記処理要素により制御可能である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電極間の前記神経信号の大きさが、前記処理要素により補間可能である、請求項２に記載のシステム。
4. 前記処理要素が、前記ディスプレイデバイス内又は前記ディスプレイデバイスに配置される、請求項２に記載のシステム。
5. 前記センサの複数の電極が、アレイ配置で与えられる、請求項１に記載のシステム。
6. 前記センサの複数の電極が、基板に配置される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記電極が、ＥＭＧ電極である、請求項１に記載のシステム。
8. 前記ディスプレイデバイスが、発光テキスタイルとして与えられ、前記発光テキスタイルは、複数のＬＥＤを有する、請求項１に記載のシステム。
9. 前記ＬＥＤが、複数の色を放つことができる、請求項８に記載のシステム。
10. 前記ＬＥＤの数が、前記電極の数の少なくとも２倍以上である、請求項８に記載のシステム。
11. 前記ディスプレイデバイスが、前記センサに対して固定され、取り外し可能に構成される、請求項１に記載のシステム。
12. 前記ディスプレイデバイスが、前記人又は動物の体の部位に取り付け可能である、請求項１に記載のシステム。
13. 前記ディスプレイデバイスが、前記体の部位及び／又は前記センサに対する所定の位置に、前記ディスプレイデバイスを繰り返し付けるための位置決め手段を有する、請求項１２に記載のシステム。
14. データストレージを更に有し、データベースが、前記データストレージに格納され、前記データベースは、１人又は複数の人又は動物に対する前記体の部位の筋肉又は筋肉グループへの前記電極の割り当てに関する情報を有する、請求項１２に記載のシステム。
15. 請求項１に記載のシステムと共に使用するディスプレイデバイスであって、人又は動物によって着用可能な態様で提供される、ディスプレイデバイス。
16. 前記ディスプレイデバイスが、発光テキスタイルとして与えられ、前記発光テキスタイルは、複数のＬＥＤを有する、請求項１５に記載のディスプレイデバイス。
17. 人又は動物のバイオフィードバック治療のための方法において、
    前記人又は動物に複数の電極を備えるセンサを取り付けるステップと、
    前記人又は動物の体の部位にディスプレイデバイスを取り付けるステップと、
    前記複数の電極により神経信号を検出するステップと、
    発光テキスタイルとして与えられる前記ディスプレイデバイスにおいて、前記神経信号の空間分布を視覚化するステップとを有する、方法。
18. 前記神経信号の大きさ及び／若しくはソース位置を解析するステップ、並びに／又は、前記神経信号の大きさ及び／若しくはソース位置に基づき、前記ディスプレイデバイスの複数のＬＥＤを制御するステップを更に有する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記ディスプレイデバイスが、前記人又は動物の各治療のため、前記体の部位及び／又は前記センサに対する所定の位置に付けられる、請求項１７に記載の方法。
20. 前記体の部位の筋肉又は筋肉グループへの前記電極の割り当てを決定するステップを更に有する、請求項１７に記載の方法。
21. 各個別の人又は動物に対して、前記体の部位の筋肉又は筋肉グループへの前記電極の決定された割り当てをデータベースに格納するステップを更に有する、請求項２０に記載の方法。
22. 実際に治療される人又は動物に対する、前記体の部位の筋肉又は筋肉グループへの前記電極の格納された割り当てが、前記データベースから読み出される、請求項２１に記載の方法。

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