JP2016066287A - 意思伝達支援方法及び意思伝達支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】被験者に疲労感を与える脳活動を安静化させたリラックスした状態の脳波を意思表示のために用いることなく、短時間で高い正答率で被験者の意思表示を外部に認識させることができる意思伝達支援方法及び意思伝達支援システムを提供する。
【解決手段】、聴覚刺激音を設定する工程と、聴覚刺激音と精神活動イメージとを対応付ける工程と、聴覚刺激音を聞いたときに精神活動イメージを想起させる工程と、脳波データを測定する工程と、脳波データから所定の周波数でフィルタリングされた、事象関連電位変化を含む第１の時間波形及び精神活動関連電位変化を含む第２の時間波形を生成し、第１の時間波形及び前記第２の時間波形に基づいて意思を判定する工程と、を備えることを特徴とする意思伝達支援方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、人の意思を、発話，書字，眼球や瞼の運動等によらずに、脳活動の変化のみにより伝達できる意思伝達支援方法及び意思伝達支援システムに関する。

言語機能や運動機能に障害を有することにより、意思表示が困難な人が存在する。このような意思表示が困難な人として、筋萎縮性側索硬化症（ＡＬＳ）の患者が知られている。ＡＬＳは、重篤な筋肉の萎縮と筋力低下をきたす神経変性疾患であり、症状が進行するにつれて徐々に運動性が低下する疾患である。

ＡＬＳの症状は四肢の運動機能が早期に低下するが、視覚に関する眼球運動や瞼の動きは比較的に緩やかに低下する。眼球や瞼が動くＡＬＳ患者においては、眼球や瞼の運動を用いて介護者に意思を伝達する方法が知られている。具体的には、ＡＬＳ患者が眼球や瞼の動きによる視線で、ディスプレイ上の文字，語句，または図等を指示することにより意思を伝達する方法が知られている。しかしながら、眼球や瞼の運動性が低下した患者は、このような方法を用いることができなかった。

人の脳波には、感覚刺激に意識を向けたときに刺激開始後の直後に選択反応関連電位とも称される事象関連電位が現れる。例えば、刺激開始後３００ｍｓｅｃ程度に現れる陽性の電位であるＰ３００や、刺激開始後１００ｍｓｅｃ程度に現れる陰性の電位であるＮ１００が知られている。事象関連電位は、人が感覚刺激に意識を向けたとき、その刺激を脳に記憶する際に正中頭頂部を中心に発現する。眼球や瞼の運動性が低下したＡＬＳ患者が意思を伝達する方法として、視覚刺激により脳波に発生する事象関連電位を測定する方法が知られている。

例えば、下記特許文献１は、被験者に、視覚刺激として、予め設定した手順でディスプレイ上の文字、語句、または図（以下「刺激」という）を見せ、被験者の脳波にＰ３００が発生しているか、否かを検出することにより意思伝達したい内容を選択する画像刺激−脳波意思伝達支援方法を開示する。

また、下記特許文献２は、コンピュータの表示手段等により文字や図形による視覚刺激を呈示する装置と、該装置による刺激呈示後の脳波を計測する脳波計からの脳波データを処理する処理装置とからなり、該処理装置は、該脳波データを解析して得た判別関数と成功率とに基づいて、特定の意思決定が脳内でなされたと判断する意思伝達支援装置を開示する。

しかしながら、瞼や眼球の運動性に加えて視覚も失ったＡＬＳ患者には、視覚刺激によって事象関連電位が惹起されない。視覚刺激によって事象関連電位が惹起されないＡＬＳ患者が意思を伝達する方法として、介護者からの「ＹＥＳ」か「ＮＯ」かの二者択一的な問いかけに対して、ＡＬＳ患者の脳内の活動の結果として現れる脳血流量や脳波の変化により意思を伝達する方法が知られている。

例えば、下記非特許文献1は、患者がリラックス状態から意図的に頭脳を働かせると前頭葉の血液量は増え、意図的にリラックス状態を保つと血液量に変化が起こらなく現象を用い、介護者の問いかけ前後における、患者の前頭葉の血液量の変化を測定することにより、患者に「ＹＥＳ」または「ＮＯ」の意志伝達を行わせることを可能にした装置を開示する。このような装置においては、介護者からの問いかけに対する患者の回答が「ＹＥＳ」のときには、患者は「暗算等」によって脳を活性化させることにより脳血流量を増加させ、脳血流量の増加を頭蓋骨を通した検出光量の増加を介護者等に検知させることにより、介護者等に「ＹＥＳ」の意志を伝達できる。

また、例えば、下記非特許文献２は、患者の脳波の変化を測定することにより、患者の「ＹＥＳ」または「ＮＯ」の意志伝達を可能にした装置を開示する。この装置も、介護者からの問いかけに対して患者の回答が「ＹＥＳ」のときには、リラックス状態から「暗算等」によって脳を活性化した状態に意識を変化させることにより、脳波の変化から「ＹＥＳ」の意志を伝達させることができる。

また、視覚刺激による事象関連電位を用いる代わりに、自発的な運動イメージによって生じる自発脳波を計測することにより、人の意志表示を確認する方法も知られている。例えば、下記特許文献３は、頭皮表面上の複数箇所から検出された脳波データから、一次運動野，補足運動野，運動前野で生じる脳波変化を含む頭部脳波変化を、面分布情報として検出し、この面分布情報の時系列変化パターンと、予め人体四肢各部位の運動と関連づけて体系化された変化パターンとを比較し、人体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し、その判断結果に基づいて各種機器の制御するための制御信号を出力する意思伝達支援方法を開示する。

また、下記非特許文献３及び下記非特許文献４は、ＡＬＳ患者の意思表示を読み取る方法の提案として、聴覚刺激として異なる周波数の刺激音を与えたときの脳波の変化を利用することを開示している。

特開２００４−２７５６１９号公報 特開２０１２−５３６５６号公報 特開平１０−２６２９４３号公報

エクセル・オブ・メカトロニクス株式会社のウェブサイト「医療福祉機器 ALS患者と意志疎通をするための装置」：http://www.excel-mechatronics.com/medical.html 株式会社テクノスジャパンのウェブサイト「MCTOS Model WX」：http://technosjapan.jp/product/communication/2012/0820210400.html 国弘真生、他２名「聴覚ＢＣＩにおける刺激音の周波数と正答率に関する検討」、基礎・境界講演論文集、２０１３年 電子情報通信学会総合大会予稿集 Ｐ２７９、２０１３年３月５日発行 関真矢、他４名「聴覚ＢＣＩにおける刺激音の周波数に関する検討」、基礎・境界講演論文集、２０１３年 電子情報通信学会総合大会予稿集 Ｐ２８０、２０１３年３月５日発行

上述したような従来の、「ＹＥＳ」か「ＮＯ」かの二者択一的な問いかけに対してＡＬＳ患者の脳内の活動の結果である脳血流量や脳波の変化により、患者に意思を伝達させる方法は、次の理由により患者にとって負担が大きかった。ＡＬＳ患者は、与えられた問いに対して、「ＹＥＳ」の場合には「暗算等」によって脳活動を活性化させて脳波の高周波数成分を増加させ、「ＮＯ」の場合には何も考えないようにしてリラックスすることによって脳活動を安静化させる必要があった。視覚をはじめとする多くの感覚を失ったＡＬＳ患者は、生活の大部分が安静状態かそれに近い状態にある。そのために、安静状態の脳波を意思表示のために用いる方法によれば、安静状態と脳活動が活性化した状態との区別をつけるような脳活動を患者に強いることにより、患者に疲労感を与えるという問題があった。

また、脳波は微弱な電気信号であり、また、脳活動は複雑である。そのために、刺激に応答する脳波の変化を、ノイズやその他の脳活動による脳波の変化と明確に区別することが困難であり、短時間で高い正答率で意思表示を判定することが困難であった。従って、脳波の変化を明確に区別するために、例えば、刺激に応答する脳波を１００回以上計測し、得られた脳波を加算平均することにより無関係な脳活動による脳波の変化やノイズによる脳波の変化を低減させて目的とする脳波の変化を顕在化させる必要があった。

本発明は、上述した問題に鑑み、活性化させた脳活動による脳波や安静状態の脳波を意思表示のために用いることなく、視覚を失ったＡＬＳ患者に短時間で高い正答率で意思を伝達させることができる意思伝達支援方法及び意思伝達支援システムを提供することを目的とする。

本発明の一局面は、被験者に互いに区別されうる、第１の聴覚刺激音と第２の聴覚刺激音とを設定する工程と、第１の聴覚刺激音と第１の精神活動イメージ、及び、第２の聴覚刺激音と第２の精神活動イメージ、とを対応付ける工程と、被験者に第１の聴覚刺激音と第２の聴覚刺激音とを一定時間ずつ聞かせながら、何れか一方の聴覚刺激音を聞いたときに対応付けられた精神活動イメージを被験者の意思に基づいて想起させる工程と、何れか一方の聴覚刺激音により引き起こされた事象関連電位変化と、精神活動イメージの想起により引き起こされる精神活動関連電位変化と、を含む被験者の脳波データを測定する工程と、脳波データから所定の周波数でフィルタリングされた、事象関連電位変化を含む第１の時間波形及び精神活動関連電位変化を含む第２の時間波形を生成し、第１の時間波形及び前記第２の時間波形に基づいて意思を判定する工程と、を備えることを特徴とする意思伝達支援方法である。

また、第１の聴覚刺激音が１０００〜３０００Ｈｚの音であり、前記第２の聴覚刺激音が３００〜８００Ｈｚの音であり、前記第１の聴覚刺激音と前記第２の聴覚刺激音との周波数の差が５００Ｈｚ以上であることが、事象関連電位変化を強く発現させやすい点から好ましい。

また、被験者が示した意思を判定する工程が、事象関連電位変化及び精神活動関連電位変化の発生タイミング及び波形の変化を用いて判定することが、より正確に意思判定ができる点から好ましい。

また、被験者が示した意思を判定する工程が、精神活動関連電位変化の発生した脳領域の場所をさらに用いて判定することが、脳領域の場所に対応する脳波データを測定する電極の位置により被験者の意思を容易に特定できる点から好ましい。

また、精神活動イメージが被験者の運動イメージであることが、精神活動関連電位変化を引き起こすことが容易である点から好ましい。具体的には、例えば、第１の精神活動イメージとして右手を動かす運動イメージを選び、第２の精神活動イメージとして左手を動かす運動イメージを選んだ場合には、比較的イメージがしやすいために、精神活動関連電位変化を引き起こしやすくなる。また、このとき、第１の時間波形は、国際１０−２０法に基づく電極配置におけるＣ_ｚの位置の脳波データから生成され、第２の時間波形はＣ_３及びＣ_４の位置の脳波データからそれぞれ生成される２つの時間波形であることが好ましい。とくには、精神活動関連電位変化が、Ｃ_３の位置の脳波データから抽出される時間波形とＣ_４の位置の脳波データから抽出される時間波形との差分に基づいて検知されることができる点から好ましい。

また、本発明の他の一局面は、被験者の意志を外部に伝達することを支援するための意思伝達支援システムであって、被験者に互いに区別されうる、第１の聴覚刺激音及び第２の聴覚刺激音を一定時間ずつ発生させる刺激音発生手段と、被験者の脳波データを測定する脳波データ測定手段と、脳波データから所定の周波数でフィルタリングされた時間波形を生成させる演算処理手段と、時間波形に基づいて被験者が示した意思を判定する意思判定手段と、を備え、フィルタリングされた時間波形は、第１の聴覚刺激音及び第２の聴覚刺激音を聞いた被験者の脳波データに発生する事象関連電位変化と、被験者が想起した精神活動により発生する精神活動関連電位変化を含み、意思判定手段は、事象関連電位変化及び精神活動関連電位変化の発生タイミング及び波形変化に基づいて、被験者の脳内で示された意志を判定する意思伝達支援システムである。

本発明の意思伝達支援方法及び意思伝達支援システムによれば、被験者に疲労感を与えることなく、短時間で被験者の意思を外部に認識させることができる。

図１は、実施形態の意思伝達支援方法における各イベントのタイミングと時間波形の変化を模式的に示した説明図である。 図２は、国際１０−２０法に基づく電極配置において、本実施形態で選択した３電極（Ｃ_ｚ，Ｃ_３，Ｃ_４）を示す。 図３は、本実施形態の意思伝達支援システム１００の構成例を示す。 図４は、本実施形態の意思伝達支援方法の一連の流れを説明するフローチャートである。 図５は、事象関連電位変化を示す時間波形の一例である。

はじめに、本発明に係る意思伝達支援方法の概略を図１及び図２を参照して説明する。

図１は、本実施形態の意思伝達支援方法における各イベントのタイミングと脳波の変化を模式的に示した説明図である。

本実施形態の意思伝達支援方法においては、被験者の脳波データを頭皮の電位変化として測定する。その際に、被験者と検査者とは脳波の測定に際して、後述する問いかけに対して被験者が採るべき精神活動イメージの方法を予め取り決めておく。具体的には、区別されうる第１の聴覚刺激音と第２の聴覚刺激音とを設定し、第１の聴覚刺激音に対応付ける第１の精神活動イメージ、及び、第２の聴覚刺激音に対応付ける第２の精神活動イメージ、とを取り決めておく。

ここで、区別されうる第１の聴覚刺激音と第２の聴覚刺激音としては、互いに周波数が異なることにより区別可能な音や、互いに音量が異なることにより区別可能な音等、被験者に区別可能な音の組み合わせであれば特に限定されない。これらの中では、第１の聴覚刺激音が１０００〜３０００Ｈｚの音であり、第２の聴覚刺激音が３００〜８００Ｈｚの音であり、周波数の差が５００Ｈｚ以上、さらには１０００Ｈｚ以上、とくには２０００Ｈｚ以上である、周波数が互いに異なる音を選択することが、事象関連電位変化がより強くなるために正解率がより高くなる点から好ましい。本実施形態においては、一例として、第１の聴覚刺激音として「３０００Ｈｚ」の音を、第２の聴覚刺激音として「５００Ｈｚ」の音を選択した。

一方、精神活動イメージとしては、例えば、運動イメージ、思考イメージ等が挙げられる。運動イメージとしては、例えば、右手又は左手を動かすイメージ、右足又は左足を動かすイメージ、首を振るイメージ等、特に限定されず、被験者の脳波の特性に応じて、より区別しやすいものが適宜選ばれる。本実施形態においては、一例として、第１の聴覚刺激音に対応させる第１の精神活動イメージとして「右手を挙げるイメージ」を、第２の聴覚刺激音に対応させる第２の精神活動イメージとして「左手を挙げるイメージ」を選択した。

本実施形態においては、このようにして、被験者と検査者との間で、第１の聴覚刺激音（３０００Ｈｚ）と「右手を挙げるイメージ」とを対応付け、第２の聴覚刺激音（５００Ｈｚ）と「左手を挙げるイメージ」とを対応付けたものとする。そして、さらに、後述する問いかけに対する意思表示が、「ＹＥＳ」のときには「３０００Ｈｚ」の音を聞いたときに「右手を挙げる」運動をイメージし、「ＮＯ」のときには「５００Ｈｚ」の音を聞いたときに「左手を挙げる」運動をイメージすることを取り決める。

このような取り決めを設定した後、図１に示したような各イベントのタイミングと同期するように脳波データを測定する。

脳波データを測定するために、はじめに、被験者の頭皮に脳波計の複数の電極を装着する。複数の各電極は装着された領域及びその周辺の脳波データを採集する。本実施形態においては、一例として、図２に示すように、国際１０−２０法に基づく電極配置において、３電極（例えば、Ｃ_ｚ，Ｃ_３，Ｃ_４）を選択した。

電極Ｃ_ｚからは_、正中頭頂部及びその周辺領域の脳活動による脳波データが測定される。正中頭頂部及びその周辺領域の脳活動は、人が感覚刺激に意識を向けたときに刺激開始後の１００ｍｓｅｃ付近に現れる陰性のＮ１００や、刺激開始後の３００ｍｓｅｃ付近に現れる陽性のＰ３００と称される事象関連電位を発生させる。電極Ｃ_３は「右手を挙げるイメージ」のような右半身の運動イメージによる脳活動の電位の変化を捉えやすい。また、電極Ｃ_４は「左手を挙げるイメージ」のような左半身の運動イメージによる脳活動の電位の変化を捉えやすい。本実施形態においては、このような３つの電極を選択したが、電極の数は４つ以上であってもよく、また、電極配置も被験者の脳活動の特性や選択する精神活動イメージに応じて脳活動の反応がより捉えやすい適切な電極配置を適宜選択できる。

そして、図１を参照すれば、脳波データの測定を開始した時間をｔ＝０（sec）として、例えば、１秒後（ｔ＝１（sec））に被験者に問いかけを行う。問いかけは、例えば、「寒いですか」、「暑いですか」ように、「ＹＥＳ」または「ＮＯ」の二者択一の回答が選択できるような問いかけを行う。

そして、被験者に問いかけた後、一定時間経過後（ｔ＝２（sec））に、第１の聴覚刺激音（３０００Ｈｚ）と第２の聴覚刺激音（５００Ｈｚ）をそれぞれ連続して被験者に聞かせる。図１を参照すれば、「３０００Ｈｚ」の音をｔ＝２〜６（sec）の範囲で「プッ、プッ、プッ」のように複数回発し、「５００Ｈｚ」の音をｔ＝６〜１０（sec）の範囲で「ピッ、ピッ、ピッ」のように複数回発する。

被験者は、課題を問いかけられたとき、課題に対して「ＹＥＳ」か「ＮＯ」かのいずれかの意思を決定する。そして、「ＹＥＳ」と決定したときには「３０００Ｈｚ」の音を聞いた直後に「右手を挙げるイメージ」を想起し、「ＮＯ」のときには「５００Ｈｚ」の音を聞いた直後に「左手を挙げるイメージ」を想起する。

「３０００Ｈｚ」の刺激音は、被験者が「ＹＥＳ」を意識したときに刺激開始後の１００ｍｓｅｃ付近に現れる陰性のＮ１００や、刺激開始後の３００ｍｓｅｃ付近に現れる陽性のＰ３００を強く惹起させるとともに、「ＹＥＳ」の運動イメージである「右手を挙げるイメージ」を想起させることを促す。同様に「５００Ｈｚ」の刺激音は、被験者が「ＮＯ」を意識したときに刺激開始後の１００ｍｓｅｃ付近にＮ１００や、刺激開始後の３００ｍｓｅｃ付近にＰ３００を強く惹起させるとともに、「ＮＯ」の運動イメージである「左手を挙げるイメージ」を想起させることを促す。

一連の工程において、３電極（Ｃ_ｚ，Ｃ_３，Ｃ_４）から脳活動の変化を示す脳波データを継続して測定する。そして、得られた各脳波データから目的とする周波数成分をフィルタリングして分離し、時間波形を生成する演算処理を行うことにより、図１に示すような時間波形が生成される。

分離抽出される周波数成分としては、例えば、電極Ｃ_ｚから得られる脳波データの場合には、Ｎ１００やＰ３００による波形変化を発現させるために１〜８Ｈｚ付近の周波数成分が好ましい。また、電極Ｃ_３または電極Ｃ_４から得られる脳波データの場合には、「手を挙げるイメージ」による波形変化を発現させるためには９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分が好ましい。

被験者が「ＹＥＳ」の判断をしたときには、分離抽出された各周波数成分の時間波形から次のような波形変化が発現する。

図１を参照すれば、電極Ｃ_ｚから採集された脳波データから抽出された、例えば１〜８Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形に、Ｎ１００及びＰ３００等の事象関連電位に基づく波形変化（事象関連電位変化）が現れる。被験者が「ＹＥＳ」を意識して「３０００Ｈｚ」の刺激音に能動的に意識を向けるために、「３０００Ｈｚ」の刺激音を呈示してから５０〜５００ｍｓｅｃ付近に、Ｎ１００及びＰ３００による波形変化が強く現れる。一方、被験者は「ＮＯ」を意識しないために「５００Ｈｚ」の刺激音には能動的に意識を向けない。そのために、「５００Ｈｚ」の刺激音を呈示してもＮ１００及びＰ３００による波形変化は、現れないか、小さく現れるのみである。

一方、図１を参照すれば、電極Ｃ_３及びＣ₄から採集された脳波データから抽出された、例えば９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分に、精神活動に基づく波形変化（精神活動関連電位変化）が現れる。被験者が「ＹＥＳ」の判断をしたときには、被験者が「３０００Ｈｚ」の刺激音をきっかけとして「右手を挙げるイメージ」を想起する。それにより、図１のＡで示した領域のように、大脳左半球の運動野の脳活動の変化により、電極Ｃ_３から得られた９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分の振幅が「３０００Ｈｚ」の刺激音の直後に小さくなる等の波形変化を現す。一方、被験者は「３０００Ｈｚ」の刺激音の直後には「左手を挙げるイメージ」を想起しないために、電極Ｃ₄から得られた９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分の振幅は大きく変化しない。さらに、被験者は「５００Ｈｚ」の刺激音の直後には「手を挙げるイメージ」を想起しないために、「５００Ｈｚ」の刺激音の直後には、電極Ｃ_３及びＣ₄から得られる周波数成分の波形は大きく変化しない。

一方、被験者が「ＮＯ」の判断をしたときには、次のような波形変化が得られる。

図１を参照すれば、「ＮＯ」を意識して「５００Ｈｚ」の刺激音により能動的に意識を向けるために、「５００Ｈｚ」の刺激音を呈示してから５０〜５００ｍｓｅｃ付近に、Ｎ１００及びＰ３００による波形変化が強く現れる。一方、被験者は「ＹＥＳ」を意識しないために「３０００Ｈｚ」の刺激音を呈示してもＮ１００及びＰ３００による波形変化は、現れないか、小さく現れるのみである。

一方、「ＮＯ」の判断をしたときには、被験者が「５００Ｈｚ」の刺激音をきっかけとして「左手を挙げるイメージ」を想起することにより、図１のＢで示した領域のように、大脳右半球の運動野の脳活動の変化により、電極Ｃ₄から得られた９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分の振幅が「５００Ｈｚ」の刺激音の直後に小さくなる等の波形変化を現す。
一方、被験者は「５００Ｈｚ」の刺激音の直後には「右手を挙げるイメージ」を想起しないために、電極Ｃ₃から得られた９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分の振幅は大きく変化しない。さらに、被験者は「３０００Ｈｚ」の刺激音の直後には「手を挙げるイメージ」を想起しないために、「３０００Ｈｚ」の刺激音の直後には、電極Ｃ_３及びＣ₄から得られる周波数成分の波形は大きく変化しない。

上述のような波形変化によれば、被験者が「ＹＥＳ」または「ＮＯ」のいずれを選択したのかを特定することができる。すなわち、「３０００Ｈｚ」の刺激音の呈示の直後に、電極Ｃ_ｚから得られた１〜８Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形からＮ１００及びＰ３００による強い波形変化が得られるとともに、電極Ｃ_３から得られた９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形に「右手を挙げるイメージ」に反応した精神活動関連電位変化である振幅が小さくなる等の波形変化が得られた場合には、被験者が「ＹＥＳ」を選択したことが特定できる。一方、「５００Ｈｚ」の刺激音の呈示の直後に、電極Ｃ_ｚから得られた１〜８Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形からＮ１００及びＰ３００による強い波形変化が得られるとともに、電極Ｃ_４から得られた９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形に「左手を挙げるイメージ」に反応した精神活動関連電位変化である振幅が小さくなる等の波形変化が得られた場合には、被験者が「ＮＯ」を選択したことが特定できる。

このような手段によれば、特定の音刺激を選択したことに対する反応として生じるＮ１００やＰ３００による事象関連電位変化に基づく波形変化と、被験者による能動的な精神活動（運動イメージ）による精神活動関連電位変化に基づく波形変化と、それらが現れるタイミング情報とを用いることにより、被験者は安静状態と非安静状態とを選択肢として用いるような疲労を招く脳活動を用いることなく、意思を表示することができる。また、事象関連電位変化による波形変化と精神活動関連電位変化による波形変化とそれらが発現されるタイミングの情報とを組み合わせた、被験者の意思表示に関する複数の情報によれば、脳波を１００回以上測定して無関係な脳活動による脳波の変化やノイズによる脳波の変化を低減させるような方法によらず、短時間で意思を特定することができる。

以下、本発明に係る意思伝達支援方法及び意思伝達支援システムの一実施形態について、さらに詳しく説明する。

図３は、本実施形態の意思伝達支援方法に用いられる意思伝達支援システム１００の構成例を示す。図３中、１０は脳波測定装置（脳波測定手段）である。脳波測定装置１０は、被験者の頭部に装着されるＮ個の電極からなる電極群１（a1〜ａＮ）、電極群１を接続するコネクタ２、電極群1により採集された複数の脳波データをそれぞれ増幅して出力する増幅器３、増幅器３から出力された増幅された複数の脳波データのそれぞれから所定の通過帯域の周波数成分のみ分離する周波数帯域フィルタ４、周波数帯域フィルタ４を通過した後の複数の脳波データのそれぞれをデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器５を備える。脳波測定装置１０はこれらを一体化して構成された脳波計や生体信号増幅器等として市販されているものを用いてもよい。また、２０は脳波測定装置に接続されたコンピュータである。コンピュータ２０には、刺激音を発するスピーカ６及び演算処理された脳波データを表示する液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイ等のモニタ７が接続されている。また、周波数帯域フィルタ４は、コンピュータ２０に組み込んだソフトウェアにより処理されるデジタルフィルタであってもよい。

電極群１は脳波データを測定するために被験者の頭部表面に装着される複数の電極（a1〜ａＮ）を備え、各電極は装着された脳領域の表面の脳波データを電位変化として採集する。被験者は、このような複数の電極の中から適切なものを選択して、頭部表面に装着する。

脳波データは、例えば、電気的に不活性とみなされる耳朶に基準電極を配置して基準電極との電位差を測定する方法や、基準電極を用いずに頭皮上の２つの電極間の電位差を測定する双極導出法等により測定される。そして、各電極で採集された微弱な電位変化は、増幅器３で高倍率に増幅される。増幅器３から出力された複数の脳波データのそれぞれを、周波数帯域フィルタ４を通過させることにより、複数の脳波データのそれぞれから所定の通過帯域の周波数成分のみが分離抽出される。

分離抽出された脳波データのそれぞれは、Ａ／Ｄ変換器５により所定のサンプリング周期でサンプリングされてデジタルデータに変換される。そして、脳波データのそれぞれのデジタルデータは、Ａ／Ｄ変換器５からコンピュータ２０に出力される。

コンピュータ２０としては、システムの各部を制御したり演算処理したりするためのＣＰＵとメモリ（ＲＯＭ及びＲＡＭ）とＨＤＤやＳＳＤ等の記憶装置を備える例えば汎用のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）が用いられる。また、コンピュータ２０には、刺激音の呈示、測定された脳波データの演算処理、及び意思判定を行うためのプログラムがインストールされている。ＣＰＵはコンピュータ２０の起動時に記憶装置からプログラムを読み出してメモリにロードすることにより、刺激音の呈示（刺激音発生手段）、測定された脳波データの演算処理（演算処理手段）、及び意思判定処理（意思判定手段）のプロセスを実行する。

刺激音の呈示は、コンピュータ２０により処理される脳波データのタイミングと同期されて、被験者に互いに区別されうる、第１の聴覚刺激音と第２の聴覚刺激音とを予め定められたタイミングで一定時間ずつ発生させる。呈示される刺激音はコンピュータ２０に組み込まれた音源によって合成されても、コンピュータ２０とは独立して設けられたブザー装置等から発せられる音であってもよい。

測定された脳波データは、例えば公知の高速フーリエ変換およびその逆変換処理等により周波数成分毎の時間波形を求めるための演算処理が実行され、演算処理されて加工された周波数成分がモニタ７に経時的に波形として表示される。そして、聴覚刺激音により引き起こされた事象関連電位変化を含む周波数成分の波形、及び精神活動イメージにより引き起こされる精神活動関連電位変化を含む周波数成分の時間波形を抽出する。

意思の判定は、上述のように抽出された事象関連電位変化及び精神活動関連電位変化の発生状態に基づいて判定される。具体的には、例えば、図１に示した例を参照すれば、「３０００Ｈｚ」の刺激音を呈示してから５０〜５００ｍｓｅｃ付近に、電極Ｃ_ｚから測定された脳波データに含まれる１〜８Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形に、Ｐ３００やＮ１００による強い事象関連電位変化が現れるとともに、「３０００Ｈｚ」の刺激音を発した直後のｔ＝２〜６ｓｅｃの間に、電極Ｃ_３から測定された脳波データに含まれる９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形に、「右手を挙げるイメージ」に対応する精神活動関連電位変化が現れる。このように「３０００Ｈｚ」の刺激音を呈示した直後に強い事象関連電位変化及び精神活動関連電位変化が現れている場合には、被験者は「ＹＥＳ」を表示したと判定できる。一方、「５００Ｈｚ」の刺激音を呈示してから５０〜５００ｍｓｅｃ付近に、電極Ｃ_ｚから測定された脳波データに含まれる１〜８Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形に、Ｐ３００やＮ１００による強い事象関連電位変化が現れるとともに、「５００Ｈｚ」の刺激音を発した直後のｔ＝６〜１０ｓｅｃの間に、電極Ｃ₄から測定された脳波データに含まれる９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形に、「左手を挙げるイメージ」に対応する精神活動関連電位変化が現れる。このように「５００Ｈｚ」の刺激音を呈示した直後に強い事象関連電位変化及び精神活動関連電位変化が現れていることから、被験者は「ＮＯ」を表示したと判定できる。

次に、意思伝達支援方法を実行する際の一連の流れについて図４を参照して詳しく説明する。図４は、本実施形態の意思伝達支援方法の一連の流れを説明するフローチャートである。

本実施形態の意思伝達支援方法においては、はじめに脳波測定装置による脳波データの測定を開始する（Ｓ１）。脳波データの採取は、被験者の頭部表面に装着された複数の電極から電極毎に脳波データを測定する。サンプリング間隔は特に限定されないが、例えば、２〜５ｍｓ程度で行われる。

そして、脳波データの測定を開始して所定の時間が経過した後、検査者が被験者に対して問いかけを行う（Ｓ２）。そして、被験者は検査者からの問いかけに対して意思が「ＹＥＳ」であるか「ＮＯ」であるかを決定する（Ｓ３）。なお、被験者に対しては、予め次のように採るべき脳内活動を取り決めておく。

被験者に対して、例えば「互いに周波数の異なる２種の音（本実施形態では３０００Ｈｚと５００Ｈｚ）を連続的に聞かせます。意思決定が「ＹＥＳ」である場合には「３０００Ｈｚ」の音を聞いたときに、「右手を挙げる」運動をイメージして下さい。また、意思決定が「ＮＯ」である場合には「５００Ｈｚ」の音を聞いたときに、「左手を挙げる」運動をイメージして下さい。」と説明する。

被験者は、「ＹＥＳ」であるか「ＮＯ」であるかを決定し、上述した取り決めに則った脳内活動による反応を起こすように準備する。

そして、被験者に問いかけた後、一定時間経過後に１番目の刺激音（本実施形態においては３０００Ｈｚ）を呈示する（Ｓ４）。刺激音は、例えば、８０〜２００ｍｓ程度の時間の連続音を、１回または複数回発するような方法が用いられる。

被験者は、「ＹＥＳ」と決定している場合には、１番目の刺激音をきっかけとして「右手を挙げるイメージ」を想起する（Ｓ５，Ｓ６）。また、「ＮＯ」と決定している場合には、１番目の刺激音が呈示されても「手を挙げるイメージ」を想起しない（Ｓ５，Ｓ７）。

そして、１番目の刺激音の呈示後、２番目の刺激音（本実施形態においては５００Ｈｚ）を呈示する（Ｓ８）。そして、被験者は、２番目の刺激音をきっかけとして、「ＮＯ」と決定している場合には、「左手を挙げるイメージ」を想起する（Ｓ９，Ｓ１０）。また、「ＹＥＳ」と決定している場合には、２番目の刺激音をきっかけとしては「手を挙げるイメージ」を想起しない（Ｓ９，Ｓ１１）。

そして、上述した各工程中に測定された３つの電極（Ｃ_ｚ，Ｃ_３，Ｃ_４）からの脳波データを解析する（Ｓ１２）。測定された脳波データの解析は、上述のように、各脳波データの周波数成分毎の時間波形を求める演算処理が行われる。そして、図１に示すように、演算処理された周波数成分毎の時間波形がモニタに表示される。

モニタに表示された各周波数成分の時間波形には、被験者の問いかけに対する反応により、「ＹＥＳ」の場合と「ＮＯ」の場合に以下のような波形の違いが生じている。

「ＹＥＳ」の場合には、図１に示すように「３０００Ｈｚ」の刺激音の呈示開始から、５０〜５００ｍｓｅｃ付近に、正中頭頂部の領域の脳活動の変化により電極Ｃ_ｚから得られた１〜８Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形に強い事象関連電位変化が現れる。また、「３０００Ｈｚ」の刺激音の呈示開始から「５００Ｈｚ」の刺激音を呈示するまでの間、具体的にはｔ＝２〜６ｓｅｃの間に、電極Ｃ_３から得られた９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形にその振幅が全体的に減少する精神活動関連電位変化が現れる。一方、「ＮＯ」の場合には、「３０００Ｈｚ」の刺激音の呈示開始から５０〜５００ｍｓｅｃ付近には強い事象関連電位変化は現れず、また、「３０００Ｈｚ」の刺激音の呈示開始から「５００Ｈｚ」の刺激音を呈示するまでの間には、電極Ｃ_３及び電極Ｃ_４から得られた９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形にはその振幅が全体的に減少するような精神活動関連電位変化は現れない。

「ＮＯ」の場合には、図１に示すように、「５００Ｈｚ」の刺激音の呈示開始から、５０〜５００ｍｓｅｃ付近に、正中頭頂部の領域の脳活動の変化により電極Ｃ_ｚから得られた１〜８Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形に強い事象関連電位変化が現れる。また、「５００Ｈｚ」の刺激音の呈示後、具体的にはｔ＝６〜１０ｓｅｃの間に、電極Ｃ_４から得られた９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形にその振幅が全体的に減少する精神活動関連電位変化が現れる。一方、「ＹＥＳ」の場合には、「５００Ｈｚ」の刺激音の呈示開始から５０〜５００ｍｓｅｃ付近には強い事象関連電位変化は現れず、また、「５００Ｈｚ」の刺激音の呈示後には、電極Ｃ_３及び電極Ｃ_４から得られた９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形にはその振幅が全体的に減少するような精神活動関連電位変化は現れない。

そして、３つの電極（Ｃ_ｚ，Ｃ_３，Ｃ_４）からの脳波データに基づく各周波数成分の時間波形を解析し、被験者の意思が「ＹＥＳ」であったか、「ＮＯ」であったかを判定する（Ｓ１３〜Ｓ１６）。

時間波形の解析の方法は、特に限定されないが、例えば、次のような方法が挙げられる。

電極Ｃ_ｚから得られた１〜８Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形の波形変化は、Ｎ１００の振幅、Ｐ３００の振幅、または、Ｎ１００の振幅とＰ３００の振幅との合計の振幅が予め定めた規定値を超えたかどうかを演算することにより、それらが発現されたと判定する。具体的には、図５に示すように、Ｎ１００の振幅、Ｐ３００の振幅、または、Ｎ１００の振幅とＰ３００の振幅の合計が、予め定めた規定値を超えた場合には、事象関連電位変化が発現したと判定する。なお、図５の縦軸は相対電位を示している。

また、電極Ｃ_３，Ｃ_４から得られた９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分の時間波形の波形変化は、電極Ｃ_３の周波数成分の波形と電極Ｃ_４の周波数成分の時間波形との差分を取ることにより、ノイズやその他の脳活動による脳波の変化を低減させることにより、「左手を挙げるイメージ」に対応する精神活動関連電位変化及び「右手を挙げるイメージ」に対応する精神活動関連電位変化をより明確に抽出することができる。従って、このような「左手を挙げるイメージ」及び「右手を挙げるイメージ」に基づく精神活動関連電位変化を互いの時間波形の差分から判定してもよい。

以上説明したような各工程により、瞼や眼球の運動性に加えて、視覚を失ったＡＬＳ患者であっても意思伝達に安静時の脳内活動を用いずに脳内活動のみにより意思伝達をすることができるために、患者の負担を軽減できる。また、脳波は運動イメージによって短時間で変化し、その特徴を捉えやすいために、短時間で高い正答率で被験者の意思表示を外部に認識させることができる。

なお、上述した例は、本発明を具体的に説明するための一例であり、本発明の範囲を逸脱しない限り適宜改変して用いることができる。具体的には、例えば、上述した実施形態では、刺激音の数は２つであり、精神活動イメージとして２つの運動イメージを関連付けたが、刺激音及び運動イメージを３つ以上にすることにより、患者は３択形式の問いかけに対して意思を伝達することもできる。また、上述した実施形態では、精神活動として、運動イメージを採用したが、暗算等の思考イメージを用いてもよい。

また、上述した実施形態では、時間波形のフィルタリングされた周波数として、１〜８Ｈｚ付近の周波数成分及び９〜１１Ｈｚ付近の周波数成分を選択したが、周波数は、事象関連電位変化及び精神活動関連電位変化がより明確になる周波数を適宜選択することができる。

また、上述した実施形態では、精神活動として、第１の精神活動イメージとして「左手を挙げるイメージ」、第２の精神活動イメージとして「右手を挙げるイメージ」を選択したが、第１の精神活動イメージとして「左手を挙げるイメージ」、第２の精神活動イメージとして「手を挙げないイメージ」のように一方を安静にするようなイメージであってもよい。

本発明によれば、介護者との意思疎通が容易になるために介護者の負担も軽減することができる。さらに、ＡＬＳ患者だけではなく、交通事故等で意思伝達が困難になった患者や、健常者においても脳内活動のみにより意思伝達をすることができる。

１ 電極群（a1〜ａＮ）
２ コネクタ
３ 増幅器
４ 周波数帯域フィルタ
５ Ａ／Ｄ変換器
６ スピーカ
７ モニタ
１０ 脳波測定装置
２０ コンピュータ
１００ 意思伝達支援システム

Claims (9)

1. 被験者に互いに区別されうる、第１の聴覚刺激音と第２の聴覚刺激音とを設定する工程と、
   前記第１の聴覚刺激音と第１の精神活動イメージ、及び、前記第２の聴覚刺激音と第２の精神活動イメージ、とを対応付ける工程と、
   前記被験者に前記第１の聴覚刺激音と前記第２の聴覚刺激音とを一定時間ずつ聞かせながら、何れか一方の前記聴覚刺激音を聞いたときに前記対応付けられた前記精神活動イメージを前記被験者の意思に基づいて想起させる工程と、
   前記何れか一方の聴覚刺激音により引き起こされた事象関連電位変化と、前記精神活動イメージの想起により引き起こされる精神活動関連電位変化と、を含む前記被験者の脳波データを測定する工程と、
   前記脳波データから所定の周波数でフィルタリングされた、前記事象関連電位変化を含む第１の時間波形及び前記精神活動関連電位変化を含む第２の時間波形を生成し、前記第１の時間波形及び前記第２の時間波形に基づいて前記意思を判定する工程と、を備えることを特徴とする意思伝達支援方法。
2. 前記第１の聴覚刺激音が１０００〜３０００Ｈｚの音であり、前記第２の聴覚刺激音が３００〜８００Ｈｚの音であり、前記第１の聴覚刺激音と前記第２の聴覚刺激音との周波数の差が５００Ｈｚ以上である請求項１に記載の意思伝達支援方法。
3. 前記被験者が示した意思を判定する工程が、前記事象関連電位変化及び前記精神活動関連電位変化の発生タイミング及び波形の変化を用いて判定する請求項１または２に記載の意思伝達支援方法。
4. 前記被験者が示した意思を判定する工程が、前記精神活動関連電位変化の発生した脳領域の場所をさらに用いて判定する請求項１〜３の何れか１項に記載の意思伝達支援方法。
5. 前記精神活動イメージが前記被験者の運動イメージである請求項１〜４の何れか１項に記載の意思伝達支援方法。
6. 前記第１の精神活動イメージが前記被験者の右半身または左半身の何れか一方の箇所を動かす運動イメージであり、前記第２の精神活動イメージが他の半身の何れかの箇所を動かす運動イメージまたは動かさない運動イメージである請求項５に記載の意思伝達支援方法。
7. 前記第１の時間波形は、国際１０−２０法に基づく電極配置におけるＣ_ｚの位置の脳波データから生成され、前記第２の時間波形はＣ_３及びＣ_４の位置の脳波データからそれぞれ生成される２つの時間波形である請求項６に記載の意思伝達支援方法。
8. 前記精神活動関連電位変化が、Ｃ_３の位置の脳波データから抽出される時間波形とＣ_４の位置の脳波データから抽出される時間波形との差分に基づいて検知される、請求項７に記載の意思伝達支援方法。
9. 被験者の意志を外部に伝達することを支援するための意思伝達支援システムであって、
   被験者に互いに区別されうる、第１の聴覚刺激音及び第２の聴覚刺激音を一定時間ずつ発生させる刺激音発生手段と、
   前記被験者の脳波データを測定する脳波データ測定手段と、
   前記脳波データから所定の周波数でフィルタリングされた時間波形を生成させる演算処理手段と、
   前記時間波形に基づいて前記被験者が示した意思を判定する意思判定手段と、を備え、
   前記フィルタリングされた時間波形は、前記第１の聴覚刺激音及び前記第２の聴覚刺激音を聞いた前記被験者の脳波データに発生する事象関連電位変化と、前記被験者が想起した精神活動により発生する精神活動関連電位変化を含み、
   前記意思判定手段は、前記事象関連電位変化及び前記精神活動関連電位変化の発生タイミング及び波形変化に基づいて、前記被験者の脳内で示された意志を判定する、ことを特徴とする意思伝達支援システム。

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