JP2016537160A - 覚醒機構を提供するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

センサを備えたＥＥＧモニタは、信号を検出し、その信号を分析して、θ波と呼ばれる１２Ｈｚ未満の、より具体的には３Ｈｚ〜８Ｈｚの周波数が存在するかを判断するように配置される。θ波は、脳が傾眠または睡眠モードに入っているときに生成される。センサは、脳波信号を検出し、その信号をマイクロプロセッサに伝送し、そこで信号が分析され、脳波が検出されていると判断される。脳波は継続的に監視され、データはマイクロプロセッサに継続的に伝送される。脳波が３Ｈｚ〜８Ｈｚの所定の範囲で検出された場合、マイクロプロセッサは刺激を活性化して、デバイスを着用しているヒトを覚醒させる。刺激は、アクチュエータ、電話の呼出し、もしくは他の任意の刺激など、視覚的、聴覚的、または触覚的であってもよい。

Description

本発明は、全体として、脳波を検出し、それらの脳波を分析し、検出した脳波が所定範囲内にある場合に刺激を、即ち覚醒機構を適用することに関し、より具体的には、ヒトの睡眠の初期段階を検出して、刺激を適用してヒトを目覚めさせる装置に関する。

研究により、ヒトの脳は特定の活動と一致する脳波を発することが示されている。脳波図（「ＥＥＧ」）を使用して、研究者らは、脳の活動状態に対応する様々な周波数の脳波活動を観察してきた。ＥＥＧは、脳波活動を監視するのに医療産業で使用されてきた。例えば、β波は１６〜３１Ｈｚを含み、α波は８〜１５Ｈｚを含み、θ波は４〜７Ｈｚを含み、δ波は０．１〜３Ｈｚを含む。

ＥＥＧは、脳波活動を監視するのに医療産業で使用されてきたが、近年になって消費財産業に参入してきた。ＥＥＧ乾式センサの発明により、脳波を感知する着用可能デバイスが可能になった。ソフトウェアと統合して様々な機能を行う技術がデバイスに使用されてきた。しかしながら、一貫した警戒状態をユーザに提供する特定の用途はこれまで実現されてこなかった。

研究者らは、一般に、覚醒して意識がはっきりしているヒトのβ波およびα波を測定する。β波は高周波数および低振幅を有し、一貫しないパターンを呈し、ヒトが意識があって覚醒しているときの日常活動と一致する。β波は、ヒトが完全に覚醒しているとき、ならびに論理および重要な推論などのより高次の機能が行われるときに示される。

しかしながら、ヒトがリラックスすると、脳は、振幅の増加および同時性によって特徴付けられる、α波を示し始める。これらの脳波は穏やかな瞑想と相関する。

ヒトがαおよびβ範囲の目覚めている状態から睡眠状態へと移行すると、脳波はθ波を発する。θ波は、周波数をさらに減少させ、振幅をさらに増加させる。ヒトは、穏やかなリラックス状態から眠そうであるがまだ覚醒している状態へと移る際にθ波を発し、眠そうで完全な睡眠状態へと移行する。

最後に、δ波はヒトが熟睡しているときに示される。

身体および脳は、睡眠を制御する解剖学的構造を有する。視床は意識を司る脳構造である。視床は複数の機能を有する。一種の情報の配電盤と見なされることがある。一般に、様々な皮質下領域と大脳皮質との間の中継器として作用すると考えられる。特に、すべての感覚系（嗅覚系以外）は、感覚信号を受信し、それらを関連する主要な皮質領域に送信する視床核を含む。視覚系の場合、例えば、網膜からの入力は視床の外側膝状核に送信され、それが次に後頭葉の視覚皮質に伝えられる。視床は、感覚情報を処理するとともにそれを中継すると考えられ、主要な感覚中継領域はそれぞれ、大脳皮質からの強力なフィードバック結合を受け入れる。同様に、内側膝状核は、中脳の下丘と主要な聴覚皮質との間の重要な聴覚中継器として作用し、後腹側核は、触覚および固有感覚情報を主要な体性感覚皮質に送信する、重要な体性感覚中継器である。

視床はまた、睡眠および覚醒の状態を調整するのに重要な役割を果たす。視床核は、大脳皮質との強力な相互連絡を有して、意識に関与すると考えられる視床−皮質−視床回路を形成する。視床は、覚醒状態、意識のレベル、および活動の調整において主要な役割を果たす。視床が損傷すると、持続性の昏睡状態に結び付く場合がある。

睡眠は健康の維持にとって重要であるが、警備、自動車の運転、またはさらには勉強などの特定の活動は、眠っているかまたはうとうとしている状態では適切に行うことができない。路上での死者数の約２０％は眠気に関連している。現在、眠気を感知すると主張している覚醒機構は、運動センサを使用してそれを行っている。ヒトは、運転中、仕事中、監視中などに目を覚ましておくために何らかのものを必要とする。

脳波活動を監視し、測定された脳波活動に基づいて刺激覚醒機構をトリガする、システムおよび方法を開示する。いくつかの実施形態は、論理回路に連結された複数のＥＥＧ接触センサを要求する。接触は脳波信号を検出し、その信号が論理回路によって分析され、信号が所定の範囲内にあると、刺激が適用される。あるいは、脳波を監視することによって、意識がはっきりした状態から睡眠状態へと移行しているヒトを覚醒させ、３Ｈｚ〜８Ｈｚの脳波が検出されると、刺激を活性化させてヒトを目覚めている状態へと覚醒させる、方法を開示する。デバイスは、ユーザのスタイルの好みにしたがって、任意のスタイルの帽子部分に統合することができる。

本発明の上述および他の特徴ならびに利点が得られるようにするために、添付図面にて例証される具体的な実施形態を参照することによって、本発明のより詳しい説明を提供する。図面は本発明の典型的な実施形態のみを描写するものであり、したがって本発明の範囲を限定するものとして見なすべきでないことを理解して、本発明を、添付図面を使用することによってさらに具体的かつ詳細に記載し説明する。

開示される発明の一実施形態を示す図である。 センサの一実施形態を示す図である。 センサを示す代替図である。 潜在的なセンサ配置に関する国際１０−２０法のマップを示す図である。 開示される発明の一実施形態を示す分解組立図である。 開示される発明の一実施形態の一部を示す図である。 開示される発明の一実施形態を示すフロー図である。 開示される発明の一実施形態の回路を示す図である。 開示される発明の代替実施形態の回路を示す図である。 開示される発明の代替実施形態を示す図である。

本発明の構成要素は、本明細書の図面において広く記載され例証されるように、多種多様な異なる構成で配置し設計することができることは容易に理解されるであろう。したがって、本発明のシステムおよび方法の実施形態に関する以下のさらに詳細な説明は、請求されるように本発明の範囲を限定しようとするものではなく、単に本発明の現在の好ましい実施形態を表すものである。

図１を参照すると、開示される発明の一実施形態は、少なくとも脳波を検出するセンサ１０５を備えたＥＥＧモニタ１００を備える。脳は、側頭葉からθ波を、後頭葉および頭頂葉からα波を発する。センサ１０５は、信号の受信を最適化するように位置する。所望の活性化周波数は、１２Ｈｚ未満、特に３Ｈｚ〜８Ｈｚ、または４Ｈｚ〜７Ｈｚの範囲である。検出された脳波信号はマイクロプロセッサに伝送され、そこで信号を分析し、脳波が検出されていると判断する。これらの伝送は有線または無線伝送である。脳波は継続的に監視され、データはマイクロプロセッサに継続的に伝送されて、０．０１ミリ秒毎〜１秒毎またはそれ以上の範囲、好ましくは２０ミリ秒毎の間隔で処理される。脳波が、１２Ｈｚ未満、または３Ｈｚ〜８Ｈｚなどの所定の範囲で検出された場合、マイクロプロセッサは、アクチュエータ、電話の呼出し、または他の任意の刺激など、視覚的、聴覚的、または触覚的であってもよい刺激器１２０を活性化させて、脳を刺激して脳が伝送している脳波を変化させる。

次に図２Ａ〜２Ｃを参照すると、センサ１０５は、当該分野で知られている任意のＥＥＧセンサを含んでもよい。センサは湿式または乾式センサであってもよい。センサは、金属、プラスチック、合成物、または他の任意の材料から作られてもよい。センサ１０５は、インピーダンスを低減するとともにコンダクタンスを改善するため、塩化銀をチップ１０６上に含んでもよい。センサは、導電性の布、プラスチック、または金属を含んでもよい。特定の実施形態では、開示される発明は、基準センサおよびＥＥＧセンサからの信号を演算増幅器に入力し、演算増幅器はその信号を一連の低域フィルタに通し、刺激器１２０へと出力する。電源は、外部電池によって提供される６Ｖを含んでもよい。刺激はカスタマイズ可能であり、可聴のブザーからバイブレータモータまで及ぶことが可能である。

センサ１０５は、大部分が銀合金から成る乾式ＥＥＧ電極であってもよい。デバイスはアナログであってもよく、アナログデジタル変換器の使用が不要であってもよい。すべてのセンサ１０５およびエレクトロニクスは、ユーザのスタイルにしたがってカスタマイズすることができる帽子部分に組み込まれる。

好ましい一実施形態では、コグニオニクス（Cognionics）製の乾式センサ１０５が使用される。センサ１０５は、安全性および快適性のために平らになる能力が使用されることを保持したまま、適度な圧力で髪の毛に通すように設計される（図２Ｂを参照）。力がセンサ１０５の頂部に加えられると、センサは平らになり、センサ１０５の脚体１０７に張力が掛かって、脚体の端部と頭皮との間の圧力が増加する。圧力によってセンサ１０５と頭皮との間の接触が改善される。さらに、脚体１０７が屈曲されるにつれて、脚体の先端が髪の毛などの障害物を押しのけて、センサ１０５が頭皮に直接接触することが可能になる。脚体１０７の先端は、センサが脳波を検出する能力を改善する材料でコーティングされてもよい。１つのコーティングは塩化銀１０６であってもよい。スパイダー型のセンサは頭皮上の髪の毛と接続して使用され、「スパイダー」の脚体の先端は、被験体の髪の毛を通って延在して頭皮に直接接触する。

図１、３Ａ、および３Ｂを参照すると、センサはＥＥＧセンサ１００によって適所で保持されてもよい。ＥＥＧセンサ１００装置は、ハット、バイザー、バンダナ、頭蓋帽、スキー帽、ヘッドバンド、もしくはセンサを適所で位置決めすることができる他の任意の物品など、フレーム、または布製物品を備えてもよい。代替実施形態では、ハーネス装置は、センサを髪の毛にクリップ留めするクリップを備えてもよい。

好ましい一実施形態では、ハーネス装置は、頭皮の冠を横切って延在するヘッドバンド部分１０１と、後頭部基部の周りを延在するベース部分１０２とを備えた二部分のハーネスである。ヘッドバンド部分１０１は、ヘッドバンドの長さを選択的に調節できるようにする延長可能な部材を備える半剛性部材である。少なくとも２つのセンサ１０５が、１ｃｍ間隔などの少なくともある程度の距離で、ヘッドバンドに選択的に連結される。しかしながら、好ましい一実施形態では、脳によって発生するθ波を検出するのに最適に位置決めされるように、４つのセンサが、ヘッドバンド部分１０１上で頭皮にわたって散在するように離隔されている。好ましい実施形態では、ヘッドバンド１０１の幅は、４つのセンサ１０５を、１０−２０電極配置法によって決定されるような、Ｃ３、Ｃ４、Ｏ１、およびＯ２の１０％以内の１１１（図２Ｃを参照）位置に配置することができ、それによってセンサを、脳の後頭葉および頭頂葉から発しているθ波を検出するのに最適に配置することができるのに十分な幅である。

センサ１０５は、頭皮上に位置決めされるか、または頭皮上に配置されてもよい。センサ１０５の配置は、脳波を検出し適切に獲得し、またＥＥＧ読取り値を得るのに必要な、最適な位置（図２Ｃ）に基づく。センサは、国際１０−２０法にしたがって、領域Ｃ３、Ｃ４、Ｏ１、およびＯ２ １１１で配置されてもよい。この方法における各ポイントは、頭蓋領域全体の１０〜２０％を表し得る。代替実施形態は、追加のスコアリングチャネルおよび／または誘導のため、頭皮上の代替位置にセンサを配置することを含んでもよい。領域Ａ１、Ａ２、Ｆ７、Ｆ８、Ｆｐ１、およびＦｐ２は、周囲の周波数基準用に使用されてもよい。左右の眼角の上方にある領域Ｆｐ１およびＦｐ２は電気眼位図記録に使用されてもよい。

特定の実施形態では、入れ子のフレーム１０３はヘッドバンド部分１０１の凹状面の内側で入れ子になっている。フレーム１０３はいずれの材料で作られてもよく、好ましい実施形態では、フレーム１０３は柔軟であり、モニタ１００を着用しているヒトの頭部の外形を安定してとる、シリコーン、ゴム、または他の材料で作られる。フレーム１０３は、柔軟なフレームによって頭部に加えられる圧力を一定かつ調節可能にできるように、エラストマー性部材を含んでもよい調節可能な部材１０４によって、ヘッドバンド部分に連結される。調整可能な部材１０４はまた、スライド機構、フックループ式システム、ペグホール式システム、または入れ子状のフレーム１０３を所望の位置で選択的に固定できるようにする、他の任意の機構を備えてもよい。

フレーム１０３は、柔軟なフレームに選択的に連結されるセンサ１０５をさらに備えてもよい。特定の実施形態では、発泡体スペーサ１０８もフレーム１０３に連結されてもよい。スペーサは、ドーナツ状１０８であってもよく、センサがドーナツホールドの中心に収まってセンサ１０５を取り囲んでもよい。あるいは、発泡体スペーサは、加えられる圧力を被験体の頭皮または頭部全体にわたって均等に保つため、センサからある距離で柔軟なフレームに連結されてもよい。発泡体スペーサがセンサを取り囲むか、または発泡体スペーサがセンサからオフセットされている、両方の実施形態では、発泡体はセンサとほぼ同じ高さである。特定の実施形態では、発泡体はセンサの高さよりもわずかに低い。他の実施形態では、発泡体の高さはセンサの高さよりもわずかに低い。

ヘッドバンドの末端は、ヘッドバンド部分１０１をベース部分１０２に連結するノード１１０を備える。ノード１１０は調節可能であり、センサを適切に配置するため、ベース部分１０２とヘッドバンド部分１０１との間の角度を必要に応じて増減することができる。ベース部分１０２は頭蓋底の周りを延在する。ベース部分は刺激器１２０を備えてもよい。ベース部分刺激器１２０は、視覚、聴覚、または触覚を刺激してもよい。好ましい一実施形態では、刺激器１２０は振動し、睡眠を司る脳構造である視床を刺激するため、頭蓋の中央底部に位置決めされる。

センサ１０５はマイクロプロセッサ１１５と通信しており、そこでセンサ１０５によって検出された信号を分析して、検出された脳波が所定の周波数範囲内にあるかを判断する。

図４Ａ〜４Ｃを参照すると、脳信号を感知しマイクロプロセッサ１１５に伝送するため、電気回路が作成される。脳からの信号は、頭皮上に配置されたセンサ１０５によって検出される。最小限の距離で離隔した、最低２つのセンサが信号を検出するのに必要である。それに加えて、基準値ならびに回路接地が求められる。基準は、他のすべてのセンサと区別される基準と、区別するためのポイントを提供する別のセンサとを提供する。接地センサに対する基準は、接地センサと基準センサとに分離することができる。基準センサは任意の導電材料のものであることができ、頭の任意の場所に配置することができる。基準センサは常に信号を検出していてもよく、あるいは、最初の読取りを通して集められ、次に差分を得るために本発明の論理に格納されるベースライン値であってもよい。基準の機能は、脳波の属性を測定するために差分の基準点を提供することである。接地センサは、任意の導電材料であることができ、身体の任意の場所に配置することができる。その機能は身体の電気接地である。好ましい一実施形態は、１つの基準センサ、１つの接地センサ、ならびにθ波読取り値を正確に位置決めする、Ｃ３、Ｃ４、Ｏ１、およびＯ２ １１１にある４つの追加のセンサという、６つのセンサを使用する。接地および基準はパッドセンサであり、露出した頭皮に配置される。他の４つのセンサは、髪の毛を通して測定し、かつそれでも頭皮と接触するように設計された、スパイダー状の可撓性のセンサ１０５である（両方ともコグニオニクス（Cognionics）より購入）。ヘッドバンド１０１装置は、正確なセンサ配置および圧力が使用されることを担保する。ヘッドバンド装置１０１は、頭に接するセンサの圧力および快適性を維持する、剛性および弾性の部品を含んでもよい。ヘッドバンド装置１０１は、既存の帽子に嵌め込むか、またはそれに統合することができる。装置は調節可能であってもよい。処理ユニットまたは追加の回路類が装置内に収容されてもよい。

それに加えて、センサのインピーダンス値および配置は、本発明の感知精度を決定するのに使用される。したがって、センサのインピーダンスが高く、信号が検出されていない場合、マイクロプロセッサは、刺激器１２０などの信号、またはテキストメッセージなどのメッセージをオフサイト位置に対して生成して、システムがデータおよび被験体の覚醒状態を収集していることを通知する。本発明は、感知精度が所望の範囲内にあるときにそれを判断し、ユーザに通知する。通知は、可聴、光、または他の方法で行われてもよい。本発明はまた、同じ方法のいずれかを使用して、感知精度が所望の範囲内にない場合にユーザに通知してもよい。

信号は、センサ１０５によって検出され、様々な増幅回路類、アンチエイリアシングフィルタ、アナログデジタル変換器、マイクロプロセッサ、電源、および覚醒機構を含んでもよい、フィルタリング回路を通る。信号の雑音は、上述のデバイスのいずれかによって低減または排除されてもよい。マイクロコントローラは次のようにして信号を処理する。アルゴリズムが、データパケット４０５の時間およびサイズを定義する。信号を、アナログデジタル変換器４１０から読み取り、手段４１０に基づいてダウンサンプリングし、サンプル４１０に格納する。サンプルは、フィルタリング係数を用いた畳み込み４１５、正規化４２０、平方二乗平均の取得４２５、およびその値と閾値との比較４３０を含む、「順」ループに入る。値が閾値を上回ると、刺激器が活性化される（４４５）。刺激器１２０は、ループに戻すユーザ入力（４５０）を要してもよい。閾値に達しない場合（４３５）、それに達するまで「順」ループが継続する。アルゴリズムは、θ波がマイクロ睡眠または傾眠を示すと活性化するように設計される。アルゴリズムは、時間基準またはパケットカウンタ基準の認識機能を含んでもよい。

刺激器１２０は、可聴ブザー、振動ブザー、電気的パルス、視床を刺激する低パルス周波数、電話の呼出し、モバイルアプリ関連の動作、機器の遮断、磁気パルス、またはテキストを介するかもしくはプッシュ通知による通知を含んでもよいが、それらに限定されない。適用可能な場合、データは集中監視ステーションによって記録されてもよい。

デバイスはまた、睡眠障害を有するヒトが自身の覚醒状態を監視するのを助けるのに使用されてもよい。本発明の用途および市場は、運送業界、国家安全保障、警察、製造設備、ソフトウェア業界、医療業界、マーケティング業界、コールセンター、教育機関、宗教法人、消費者運転、学習、およびあらゆる状況における警告を含むことができるが、それらに限定されない。

Claims (20)

1. マイクロプロセッサと通信している複数のセンサをさらに備える脳波記録モニタと、
   前記マイクロプロセッサが所定範囲内の信号を検出すると活性化される刺激器と、
   を備える、脳波計モニタおよび刺激装置。
2. 前記センサが乾接点センサをさらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記論理回路がデジタル回路をさらに含み、前記デジタル回路がタイマーをさらに含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記センサが統合されるヘッドギアをさらに備え、前記センサがθ波を最適に検出するように位置決めされる、請求項１に記載の装置。
5. 分析されている前記波に基づいて信号を伝送する通信リンクをさらに備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記ヘッドギアに連結され、視床を刺激するように位置決めされるアクチュエータをさらに備える、請求項１に記載の刺激。
7. 前記刺激が、聴覚刺激、視覚刺激、または触覚刺激をさらに含む、請求項１に記載の装置。
8. 脳波を検出するステップと、
   前記脳波を分析するステップと、
   前記測定された脳波が閾値未満であるかを判断するステップと、
   前記閾値未満の周波数の測定に基づいて刺激を活性化するステップと、
   を含む、脳波を監視し刺激を活性化する方法。
9. 前記脳波の周波数を分析する前記方法が、
   脳波信号を検出し、データパケットの時間およびサイズの形で前記信号を定義するステップと、
   前記信号をアナログデジタル変換器から読み取るステップと、
   マイクロプロセッサのサンプルに格納する手段に基づいて前記信号をダウンサンプリングするステップと、
   フィルタリング係数を用いた畳み込み、前記サンプルの正規化をさらに含む「順」ループに前記サンプルを通すステップと、
   前記サンプルの平方二乗平均をとるステップと、
   前記平方二乗平均の値を所定の閾値と比較するステップとをさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記平方二乗平均値が前記所定の閾値を超過している場合、刺激を活性化するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. ループに戻すユーザ入力を要求するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記所定の閾値に達するまで前記「順」ループを継続するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記方法が、増幅回路類、アンチエイリアシングフィルタ、アナログデジタル変換器、マイクロプロセッサ、電源、および覚醒機構から成る方法によって、前記信号をフィルタ処理することにより、前記ノイズ信号を低減するステップをさらに含む、請求項９の方法。
14. 前記閾値が１２Ｈｚ未満である、請求項８に記載の方法。
15. 前記閾値が３Ｈｚから８Ｈｚである、請求項８に記載の方法。
16. 前記閾値が４Ｈｚから７Ｈｚの範囲である、請求項８に記載の方法。
17. θ波を検出する脳波監視システムであって、
    前記脳波監視システムは、ＥＥＧモニタを備えており、
    前記ＥＥＧモニタは、ヘッドバンド部分およびベース部分を備え、前記ヘッドバンド部分が、４つのＥＥＧセンサ、接地リード線、およびアクチュエータ刺激器をさらに備え、
    前記センサが、前記ヘッドバンド部分の凹状面内で入れ子にされた柔軟なフレームに選択的に連結され、被験体の後頭葉および頭頂葉からθ波を発していることを検出するのにほぼ最適な配置で位置決めされるように離隔された、乾式センサである、θ波を検出する脳波監視システム。
18. 前記回路がデジタル回路をさらに含む、請求項１７に記載のモニタ。
19. 前記回路が、センサが予め識別された範囲の電圧変動を測定していた持続時間を測定するタイマーをさらに備える、請求項１７に記載のモニタ。
20. メッセージを中央のディスパッチに送信することができる通信リンクをさらに備える、請求項１７に記載のモニタ。