JP5373631B2 - 脳波信号処理システムに基づいて精神状態を定量的に評価するための装置 - Google Patents

脳波信号処理システムに基づいて精神状態を定量的に評価するための装置 Download PDF

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Description

本発明は、概して、精神状態を定量的に評価するための装置および方法に関する。
脳波を検出して制御信号および診断ツールとして利用するためには多くの方法が利用可能である。しかしながら、特に、十分に制御された実験室環境の外では、ノイズなしに脳波を測定するにはまだ多くの障壁がある。通例、脳波は、環境および電磁気のノイズを厳しく抑制された実験室において、静止状態でのみ、検出および利用が可能である。静止状態とは、脳波を測定されている患者または被験者にとって、動いてはならないことを意味する。かかる理想的な設定は、実験室の外では存在しないため、これらのシステムを用いてユーザの脳波を測定した場合に信頼性を確保できない。さらに、脳波測定のために近年用いられている電極は、ジェルを用いる湿式電極または針電極である必要があるため、通例、センサを設置する際には、頭部に対する特別な処置が必要になる。
かかる理想的な設定は、実験室の外では存在しないため、非実験室環境でこれらのシステムを用いてユーザの脳波を測定した場合に信頼性を確保できない。さらに、実験室用の電極を用いるために行う頭部への特別な処置は、非実験室環境では実用的ではない。従って、典型的な脳波測定システムのこれらの制限を克服する装置および方法を提供することが望ましく、その実現を本発明の目的とする。
本装置は、１または複数の乾式アクティブ電極を備えたニューロヘッドセットを備えてよく、乾式アクティブ電極は、ヘッドセットを装着したユーザの脳波を湿式電極を用いることなく測定する。本装置は、ニューロヘッドセットと、さらなるハードウエアおよびソフトウエアとを用いて、人間／機械間のインターフェースを提供するシステム内に組み込まれてよい。例えば、システムの一例は、以下で詳細に説明するようにユーザの脳波を用いておもちゃを制御するためのシステムである。このシステムでは、ハードウエアが、脳波を検出して、ノイズをフィルタリング除去し、その結果得られた信号を増幅する。ソフトウエアは、脳波信号を処理し、脳波信号の解析に基づいてユーザの精神状態を表示し、おもちゃなどのデバイスを制御するために用いることができる制御信号を生成する。
本発明の一形態は、ユーザの精神状態を判定するための装置であって、
フレームと、
前記フレーム上に配置され、前記ユーザの皮膚部分に接触した時に前記ユーザの脳波を検出して脳波信号を生成することができる１または複数の乾式アクティブセンサと、
前記脳波信号を受信して処理して前記ユーザの精神状態のレベルに対応する信号を生成する処理ユニットと、
を備え、
前記精神状態は、リラックスと、瞑想と、不安と、眠気と、のうちの少なくとも１つを含み、
前記処理ユニットは、
前記脳波信号を１組のデジタル脳波信号に変換するアナログ処理部と、
前記デジタル脳波信号を処理して前記ユーザの前記精神状態の前記レベルに対応する前記信号を生成するデジタル処理部と、
を備え、
前記デジタル処理部は、
前記デジタル脳波信号を解析してデルタ波とシータ波とアルファ波とベータ波を抽出する解析部と、
抽出されたデルタ波とシータ波とアルファ波とベータ波を用いて前記ユーザの前記精神状態の前記レベルを算出する演算部と、
を備え、
前記ユーザの前記精神状態の前記レベルの算出は、
前記デルタ波とシータ波とアルファ波とベータ波のパワースペクトルデータを抽出することと、
前記デルタ波とシータ波とアルファ波とベータ波の前記抽出されたパワースペクトルデータに基づいて前記精神状態の前記レベルを決定することと、
を含む、装置である。
本発明は、また、以下の適用例としても実現可能である。
［適用例１］
ユーザの精神状態を判定するための装置であって、
フレームと、
前記フレーム上に配置され、前記ユーザの皮膚部分に接触した時に前記ユーザの脳波を検出して脳波信号を生成することができる１または複数の乾式アクティブセンサと、
前記脳波信号を受信して処理し、前記ユーザの精神状態のレベルに対応する信号を生成する処理ユニットと、
を備える、装置。
［適用例２］
適用例１に記載の装置であって、前記処理ユニットは、さらに、前記脳波信号を１組のデジタル脳波信号に変換するアナログ処理部と、前記デジタル脳波信号を処理して、前記ユーザの前記精神状態の前記レベルに対応する前記信号を生成するデジタル処理部と、を備える、装置。
［適用例３］
適用例２に記載の装置であって、
前記アナログ処理部は、さらに、アナログ／デジタル変換器を備え、
前記デジタル処理部は、さらに、処理コアと、前記デジタル脳波信号を処理するために前記処理コアによって実行される１または複数のルーチンを格納するメモリと、前記ユーザの前記精神状態の前記レベルに対応する前記信号を出力する出力インターフェースと、を備える、装置。
［適用例４］
適用例３に記載の装置であって、前記処理コアは、前記ユーザの前記精神状態の前記レベルに対応する前記信号に基づいて制御信号を生成し、前記出力インターフェースは、さらに、前記制御信号に基づいて制御される遠隔の対象物に前記制御信号を送信するデータ送信ユニットを備える、装置。
［適用例５］
適用例４に記載の装置であって、前記遠隔の対象物は、さらに、ビデオディスプレイ、スピーカ、機械、携帯型オーディオデバイス、および、コンピュータの内の１つを含む、装置。
［適用例６］
適用例５に記載の装置であって、前記制御信号は、前記ビデオディスプレイのカーソルを制御する、装置。
［適用例７］
適用例５に記載の装置であって、前記制御信号は、前記スピーカの音量を制御する、装置。
［適用例８］
適用例５に記載の装置であって、前記制御信号は、前記機械の運動速度を制御する、装置。
［適用例９］
適用例５に記載の装置であって、前記制御信号は、前記携帯型オーディオデバイスでの楽曲の選択を制御する、装置。
［適用例１０］
適用例５に記載の装置であって、前記制御信号は、前記コンピュータによって前記ユーザに供給されるニューロフィードバックおよびバイオフィードバックの一方を制御する、装置。
［適用例１１］
適用例５に記載の装置であって、前記制御信号は、前記コンピュータのオンオフの選択、速度制御、方向制御、輝度制御、音量制御、および、色の制御、の内の１つを制御する、装置。
［適用例１２］
適用例３に記載の装置であって、前記１または複数のルーチンは、さらに、前記デジタル脳波信号に基づいて前記ユーザの精神状態を評価するためのルーチンであって、前記処理コアによって実行される複数行のコンピュータコードであるルーチンを備える、装置。
［適用例１３］
適用例１に記載の装置であって、さらに、処理コアと、前記デジタル脳波信号を処理するために前記処理コアによって実行される１または複数のルーチンを格納するメモリと、を備える、装置。
［適用例１４］
適用例２に記載の装置であって、さらに、前記アナログ処理部および前記デジタル処理部に電力を供給する電力供給ユニットを備える、装置。
［適用例１５］
適用例１に記載の装置であって、
前記フレームは、前部と、前記前部に取り付けられた第１の側部と、前記第１の側部の反対側の第２の側部とを有しており、
前記１または複数の乾式アクティブセンサは、前記ユーザの額に接触する前記フレームの前記前部と、前記フレームの前記第１および第２の側部とに配置される、装置。
［適用例１６］
適用例１５に記載の装置であって、各前記乾式アクティブセンサは、さらに、ユーザと接触する機械部分と、増幅回路およびフィルタリングされた脳波信号を出力するフィルタを有する電子部分とを備える、装置。
［適用例１７］
適用例４に記載の装置であって、前記データ送信ユニットは、さらに、ユニバーサルシリアルバス送信ユニット、赤外線送信ユニット、無線周波数送信ユニット、ブルートゥース送信ユニット、無線送信ユニット、または、有線送信ユニット、を備える、装置。
［適用例１８］
適用例１５に記載の装置であって、前記１または複数の乾式アクティブセンサは、単極方式である、装置。
［適用例１９］
適用例１に記載の装置であって、前記フレームは、前部と、前記前部に取り付けられた第１の側部と、前記第１の側部の反対側の第２の側部とを有しており、前記１または複数の乾式アクティブセンサは、前記ユーザの額に接触する前記フレームの前記前部に配置され、双極方式である、装置。
［適用例２０］
ユーザの精神状態を判定するための方法であって、
フレーム上に配置された１または複数の乾式アクティブセンサを用いて、前記センサが前記ユーザの皮膚部分に接触している時に前記ユーザの１組の脳波信号を検出する工程と、
処理ユニットで前記１組の脳波信号を受信する工程と、
前記処理ユニットにおいて、前記脳波信号を処理し、前記ユーザの精神状態のレベルに対応する信号を生成する工程と、
を備える、方法。
［適用例２１］
適用例２０に記載の方法であって、前記脳波信号を処理する工程は、さらに、アナログ処理部を用いて、前記脳波信号を１組のデジタル脳波信号に変換する工程と、デジタル処理部を用いて、前記デジタル脳波信号を処理して、前記ユーザの前記精神状態の前記レベルに対応する前記信号を生成する工程と、を備える、方法。
［適用例２２］
適用例２０に記載の方法であって、さらに、
前記処理ユニットにおいて、前記ユーザの前記精神状態の前記レベルに対応する前記信号に基づいて制御信号を生成する工程と、
データ送信ユニットを用いて、前記制御信号を遠隔の対象物に送信する工程と、
前記制御信号に基づいて前記遠隔の対象物を制御する工程と、
を備える、方法。
［適用例２３］
適用例２２に記載の方法であって、前記制御信号に基づいて前記遠隔の対象物を制御する工程は、さらに、前記制御信号に基づいてビデオディスプレイのカーソルを制御する工程を備える、方法。
［適用例２４］
適用例２２に記載の方法であって、前記制御信号に基づいて前記遠隔の対象物を制御する工程は、さらに、前記制御信号に基づいてスピーカの音量を制御する工程を備える、方法。
［適用例２５］
適用例２２に記載の方法であって、前記制御信号に基づいて前記遠隔の対象物を制御する工程は、さらに、前記制御信号に基づいて機械の運動速度を制御する工程を備える、方法。
［適用例２６］
適用例２２に記載の方法であって、前記制御信号に基づいて前記遠隔の対象物を制御する工程は、さらに、前記制御信号に基づいて携帯型オーディオデバイス上で楽曲を選択する工程を備える、方法。
［適用例２７］
適用例２２に記載の方法であって、前記制御信号に基づいて前記遠隔の対象物を制御する工程は、さらに、前記制御信号に基づいてニューロフィードバックおよびバイオフィードバックの一方を生成する工程を備える、方法。
［適用例２８］
適用例２２に記載の方法であって、前記制御信号に基づいて前記遠隔の対象物を制御する工程は、さらに、オンオフを選択する工程、速度レベルを選択する工程、方向を選択する工程、輝度レベルを選択する工程、音量レベルを選択する工程、および、色レベルを選択する工程、の内の１つを備える、方法。
［適用例２９］
適用例２２に記載の方法であって、前記制御信号を前記遠隔の対象物に送信する工程は、さらに、ユニバーサルシリアルバス送信ユニットを用いて前記制御信号を送信する工程、赤外線送信ユニットを用いて前記制御信号を送信する工程、無線周波数送信ユニットを用いて前記制御信号を送信する工程、ブルートゥース送信ユニットを用いて前記制御信号を送信する工程、無線送信ユニットを用いて前記制御信号を送信する工程、または、有線送信ユニットを用いて前記制御信号を送信する工程、の内の１つを備える、方法。
［適用例３０］
適用例２０に記載の方法であって、前記１組の脳波信号を検出する工程は、単極方式の１または複数の乾式アクティブセンサを用いて、前記センサが前記ユーザの皮膚部分に接触している時に前記ユーザの前記１組の脳波信号を検出する工程を備える、方法。
［適用例３１］
適用例２０に記載の方法であって、前記１組の脳波信号を検出する工程は、双極方式の１または複数の乾式アクティブセンサを用いて、前記センサが前記ユーザの皮膚部分に接触している時に前記ユーザの前記１組の脳波信号を検出する工程を備える、方法。
精神状態を定量的に評価するための装置の一例が、おもちゃの動作を制御するために用いられている様子を示す図。 図１の装置で用いられる乾式アクティブ電極の一実施例を示す図。 図１Ａに示した装置の一部であるニューロヘッドセットを示す図。 図１Ａに示した装置の一部であるニューロヘッドセットを示す図。 図１Ａ、２Ａ、および、２Ｂの装置をさらに詳細に示す図。 図１Ａ、２Ａ、および、２Ｂの装置をさらに詳細に示す図。 図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、および、３Ｂに示したニューロヘッドセットと、その他のハードウエアおよびソフトウエアとを備える精神状態の定量的評価のための装置を用いて、おもちゃを制御するシステムの一実施例を示す図。 図４に示したシステムのハードウエアをより詳細に示す図。 図４に示したシステムのハードウエアをより詳細に示す図。 図４に示したハードウエアのデジタル部の回路実装の一例を示す図。 図４に示したハードウエアの電力調整部の回路実装の一例を示す図。 乾式アクティブ電極のアナログ部をさらに詳細に示す図。 乾式アクティブ電極のアナログ部をさらに詳細に示す図。 図５に示したアナログＥＥＧ信号処理部の回路実装の一例を示す図。 図５に示したアナログＥＯＧ信号処理部のブロック図。 図５に示したアナログＥＯＧ信号処理部の回路実装の一例を示す図。 図４に示した構成におけるソフトウエアの動作の一例を示す図。 図１１のデータ処理プロセスをさらに詳細に示す図。 データ処理工程のフローチャート。 ユーザの精神状態のグラフ表示の一例を示す図。
本装置および方法は、ユーザの脳波を用いておもちゃを制御するためのシステムに特に応用可能であり、以下では例示のために、それに関連して装置および方法を説明する。しかしながら、明らかに、本装置および方法はおもちゃの制御以外の用途で利用されてもよく、実際、ユーザの脳波を定量的に評価し、脳波の定量的評価に基づいて人間／機械間のインターフェースおよび／またはニューロフィードバックを提供することが望ましい任意の用途で利用可能である。例えば、本装置および方法は、コンピュータまたはコンピュータシステム、ゲーム機などを制御するために用いられてよい。別の例では、本装置および方法は、脳波監視システムを組み込んだパイロットのヘルメットに実装および統合されてよく、そうすれば、フライト中のパイロットの脳波を乾式センサで監視することが可能であり、パイロットがフライト中に意識を失った場合には、装置が、意識の喪失を検出し、自動操縦システムの作動およびパイロットへの緊急処置／警報（酸素または振動など）の提供など、飛行機とパイロットの生命を救うことができる１または複数の動作を実行することができる。本装置および方法は、取り扱いが容易で患者にとって使いやすい乾式センサで患者のＥＥＧを監視し、患者のＥＥＧ信号を記録／表示することができる遠隔装置に、無線（ブルートゥースなど）または有線で脳波を送信することができる、ヘッドバンド型の患者脳波監視システムとして実装されてもよい。別の例として、本装置および方法は、脳波監視システムを備えた戦闘用ヘルメットに実装および統合されてよく、そうすれば、兵士の脳波を乾式センサで監視して、兵士が任務中に意識を失うか眠ってしまった場合に、兵士に警告信号（音による警報、視覚的な警報、または、衝撃などの物理的な警報）を送ることができる。
別の例として、労働者が作業に対して精神集中を欠く時に多くの事故が工場内で起こることから、本装置および方法は、従業員のための安全具に組み込まれてもよい。安全具は、乾式センサおよびＥＥＧシステムを備えたヘッドバンド、野球帽、または、ヘルメットの形態を有し、労働者の精神集中レベルが、事故の防止および従業員の保護のために指定されたレベルまで低下した場合に、機械を停止することができる。
別の例では、本装置および方法は、運転手用の睡眠検出器に組み込まれてもよく、検出器は、乾式センサを備えた脳波監視システムを有するヘッドバンド型、ヘッドセット型、または、野球帽型の装置であり、（脳波に基づいて）運転手の眠気および睡眠を検出し、運転手に警告信号を提供するか刺激を与えることで運転手の目を覚まさせることができる。
さらに別の例では、本装置および方法は、乾式センサを備えたヘッドバンド型、ヘッドセット型、または、野球帽型の脳波監視システムを有するストレス管理システムに実装されてよく、そのシステムは、仕事中の精神的ストレスレベルの監視およびそれらのストレスレベルを記録するために、コンピュータデバイス（ＰＣ、ＰＤＡ、または、携帯電話など）と接続することができる。本装置および方法について上述した用途の例は、すべてを網羅しているわけではない。本装置および方法を説明するために、本明細書では、装置および方法を用いておもちゃを制御するためのシステムの一例を記載する。
図１Ａは、精神状態を定量的に評価するための装置の一例が、おもちゃの動作を制御するために用いられている様子を示している。装置は、図１Ａに示したようにユーザの頭部に装着できるニューロヘッドセット５０を備えてよい。ニューロヘッドセットは、ユーザが、電源を入れたヘッドセットを装着した時に、ユーザの脳波に基づいておもちゃ５２などのデバイスを無線で制御することを可能にする各種のハードウエアおよびソフトウエアを備えてよい。装置が特定のおもちゃにとって必要な制御信号を生成するために適切な情報を有していれば、装置は、実際に、トラック、車、人形、ロボット型ペットなど、複数の異なるおもちゃを制御するために利用可能である。ヘッドセット５０は、ユーザの脳波を検出するために用いられる１または複数の乾式アクティブ電極（センサ）を備えてよい。１または複数の電極は、ユーザの額に近接および／またはユーザの耳の後ろの皮膚に近接してよい。
図１Ｂは、図１の装置で用いられる乾式アクティブ電極の機械部分の一実施例を示す。センサは、図８に詳細に示す電子部分をさらに備えてよく、電子部分は、機械部分から分離可能である。乾式アクティブ電極／センサは、銀／塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）電極５３およびバネ機構５４（薄い金属板など）を有し、バネ機構５４は、非導電材料であってよいベース５５に取り付けられる。バネ機構は、センサがユーザの皮膚に接触して設置された時に、電極５３がバネ機構によってユーザに向かって付勢されることを可能にする。電極は、さらに、電極が拾った信号を受信してアナログ処理部（後述）に信号を送信する導電要素５６（ワイヤなど）を有してよい。バネ機構５４は、バネ機構５４から導電要素５６を絶縁する非導電材料を備えた穴領域５７を有してよい。装置の実施例で用いられる乾式アクティブ電極およびモジュールは、２００４年１月８日出願の韓国特許出願第１０−２００４−０００１１２７号により優先権を主張する２００４年６月２４日出願のPCT／KR２００４／００１５７３により優先権を主張する２００６年７月６日出願の同時係属中の米国特許出願第１０／５８５，５００号に詳細に記載されており、それらはすべて、共同所有されており、本明細書に参照として組み込まれる。
本装置は、１または複数の機能を実行する１または複数のソフトウエア（ヘッドセット内の処理ユニットによって実行されるか、ヘッドセットの処理ユニット内に組み込まれるか、または、ヘッドセット外部の処理ユニットによって実行される）を備えてよい。これらの機能には、信号処理手順およびプロセス、ならびに、少なくとも部分的にユーザの脳波に基づいてユーザの精神状態を定量的に判定するためのプロセスが含まれてよい。判定される精神状態は、集中、リラックス、不安、眠気、および、睡眠として表現可能であり、各精神状態のレベルは、ソフトウエアによって判定され、０から１００の数値で表現することが可能である。レベルの表現は、用途に応じて変更されてよい。図１に示したおもちゃ制御の用途に加えて、本装置は、様々な人間／機械間のインターフェースおよびニューロフィードバックに利用されてもよい。
図２Ａおよび２Ｂは、図１に示した装置の一部分であるニューロヘッドセット５０の図であり、図２Ａは、ヘッドセットの斜視図であり、図２Ｂはユーザが装着したときのヘッドセットの斜視図である。ヘッドセットは、前部６０、第１の側部６２、および、第１の側部の反対側の第２の側部６４を有してよい。図２Ｂに示したようにユーザが装着すると、前部６０は、前部に配置された１または複数の乾式センサがユーザの額に接触するように、ユーザの額に当たる。第１および第２の側部６２、６４は、ユーザの耳にかぶさる。ヘッドセットは、第２の側部６４から突き出すブーム部６６をさらに備えてよい。ブーム部６６は、ヘッドセットが作動している時にユーザの眼球運動を測定または検出することを可能にする眼球運動センサを備えてよい。
図３Ａおよび３Ｂは、図１、２Ａ、および、２Ｂに示した装置をさらに詳細に示す図であり、図３Ａはヘッドセットの前面図であり、図３Ｂはヘッドセットの側面斜視図である。ヘッドセットは、１または複数のアクティブ乾式センサ７０（第１のセットのアクティブ乾式センサ７０1および第２の組のアクティブ乾式センサ７０2など）と、眼電図（Electrooculogram(ＥＯＧ)）上方センサ７２と、生体信号処理モジュール７４とを備えてよく、それらは、ヘッドセットの前部に配置される。アクティブ乾式センサ７０1および７０2は、ヘッドセットのユーザの脳電図（Electroencephalogram(ＥＥＧ)）信号を測定する。ＥＯＧ上センサは、ヘッドセットのユーザが目線を上げていることを検出する。ＥＯＧセンサは、眼球周辺の筋肉からのＥＭＧ（electromyography(筋電図)）信号を検出する。四方向の眼球の動きを検出するには、４つのＥＯＧセンサが必要であり、各ＥＯＧセンサは、眼球が動いた時の小筋肉のＥＭＧ信号を検出する。図２および３では、３つのＥＯＧセンサが右目の周りに設置され、１つのセンサが左眼の左側に設置されている。目の上方にあるＥＯＧセンサは、上方向の眼球運動を検出し、目の下方にあるセンサは下方向の眼球運動を検出する。目の右側にあるセンサは眼球が右に動いた時のＥＯＧ信号を検出し、眼の左側にあるセンサは眼球が左に動いた時のＥＯＧ信号を検出する。生体信号処理モジュール７４は、センサによって検出されたＥＥＧおよびＥＯＧ信号を処理し、１組の制御信号を生成する。生体信号処理モジュール７４については、図４を参照しつつ、より詳細に説明する。
一般に、生体信号の検出には２つの方式、すなわち、単極（一極）および双極の方式がある。単極方式は、生体信号が検出されない場所に基準電極が配置される方式であり、耳すなわち耳たぶの裏側にはＥＥＧ信号が存在しない。したがって、単極方式では、基準電極は耳の裏側に取り付けられ、アクティブ電極は額に取り付けられる。双極方式では、基準電極は、生体信号（ＥＥＧ信号）が検出可能な場所に（一般的に１インチ離して）取り付けられる。双極方式では、アクティブ電極および基準電極の両方が額に取り付けられる。図３Ａおよび３Ｂに示した代表的な実施形態では、単極方式が用いられているが、ヘッドセットは、両方の電極が額に取り付けられる双極方式を用いることも可能である。
ヘッドセットは、ユーザが、右、下、および、左を見た時にそれぞれ検出を行うＥＯＧ右方センサ７６、ＥＯＧ下方センサ７８、ＥＯＧ左方センサ８０をさらに備えてもよい。そうすれば、４つのＥＯＧセンサを用いて、ヘッドセットを装着している間の眼球運動の方向が決定され、その方向を解析および利用して、人間／機械間のインターフェースなどとして用いられる制御信号を生成することができる。ヘッドセット５０は、ヘッドセットがユーザに音声を提供するために装着された時にユーザの耳の中に収まる第１および第２のスピーカ８２および８４をさらに備えてもよい。ヘッドセットは、バッテリなどの電源８６、接地接続８８、および、基準接続９０をさらに備えてもよい。基準接続は、生体信号のベースラインを提供し、接地接続は、安定した信号を確保すると共にヘッドセットのユーザを保護する。このように、ユーザがヘッドセットを装着した時に、スピーカがユーザの耳の中に収まり、ユーザからのＥＥＧおよびＥＯＧ信号が（まばたきと共に）検出されることで、ヘッドセットは、他のハードウエアおよびソフトウエアと共に、ユーザの精神状態を定量的に評価し、次いで、図１に示したおもちゃの制御に用いられる制御信号など、人間／機械間のインターフェースの一部として利用可能な制御信号を（部分的にユーザの精神状態に基づいて）生成することができる。
図４は、図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、および、３Ｂに示したニューロヘッドセットと、その他のハードウエアおよびソフトウエアとを備える精神状態の定量的評価のための装置を用いて、おもちゃを制御するシステムの実施例を示す。特に、図４は、生体処理モジュール７４の実施例をさらに詳細に示しており、そのモジュールは、アナログ部１００、電力供給／調整部１０２、および、デジタル部１０４を備えてよい。しかしながら、本装置および方法は、図４ないし９に示した特定のハードウエア／ソフトウエア／ファームウエアに限定されるものではない。モジュールのアナログ部１００は、センサとインターフェース接続しており、センサからの正入力、接地入力、および、負入力を備えてよい。一部の実施例において、アナログ部の一部分が、ヘッドセットの一部であるセンサに統合されてもよい。アナログ部は、信号増幅、信号フィルタリング（例えば、０から３５Ｈｚの周波数帯域の信号をデジタル部に出力するよう構成されたもの）、および、ノッチフィルタリングなどの様々なアナログ動作を実行して、信号をデジタル部１０４に出力してよい。代表的な一実施形態では、アナログ部は、１００００倍の増幅を提供し、１０Ｔオームの入力インピーダンスを有し、６０Ｈｚ（−９０ｄＢ）のノッチフィルタリングを行い、６０Ｈｚで１３５ｄＢの同相除去比（ＣＭＲＲ）を提供し、０〜３５Ｈｚ（−３ｄＢ）のバンドパスフィルタリングを提供してよい。電力供給／調整部１０２は、様々な電力調整処理を実行し、モジュール７４のアナログおよびデジタル部の両方のために（バッテリなどの電源から）電力信号を生成する。代表的な一実施形態において、電力供給部は、約１２ボルトで電力を受信して、その電圧を調整することができる。デジタル部１０４は、アナログ部からの信号をデジタル信号に変換し、それらのデジタル信号を処理することで、ユーザの精神状態を検出して出力信号を生成する変換／処理部１０６と、検出されたユーザの精神状態によって制御したり影響を与えたりすることなどができる図１に示したおもちゃなどの機械に対して、生成された出力信号を送信／通信する送信部１０８とを備えていてよい。送信部は、様々な送信プロトコルおよび送信媒体を利用してよく、例えば、ＵＳＢ送信機、ＩＲ送信機、ＲＦ送信機、ブルートゥース送信機、および、システムと機械（コンピュータ）と間のインターフェースとして用いられるその他の有線／無線の方法などが挙げられる。代表的な一実施形態において、デジタル部の変換部は、１２８ｋＨｚのサンプリングレートおよび５７６００ビット／秒の通信速度を有してよく、デジタル部の処理部は、ノイズフィルタリング、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）解析、および、信号の処理を実行して、制御信号を生成し、一連の工程を用いてヘッドセットの装着者の精神状態を判定してよい。処理部および送信部の回路実装の一例を図６に示す。
図５Ａは、図４に示したシステムのハードウエアをより詳細に示す図である。特に、アナログ部１００は、ＥＥＧ信号アナログ処理部１１０（回路実装を図９Ａに示す）と、ＥＯＧアナログ処理部１１２（回路実装を図９Ｂに示す）とを、さらに備える。ＥＯＧ処理部は、ＥＯＧ出力ＤＣベースラインオフセット回路１１４からＥＯＧ出力ＤＣベースラインオフセット信号を受信してよい。ＥＯＧ出力ＤＣベースラインオフセット回路１１４は、処理コア１０６に接続されたシフトレジスタと、シフトレジスタに接続されたデジタル／アナログ変換器と、デジタル／アナログ変換器から出力されたアナログ信号を用いて、ＥＯＧ信号を調整する増幅器の利得を調整する増幅器とであってよい。代表的な一実施形態において、左右のＥＯＧ信号は、第１のシフトレジスタ、第１のＤ／Ａ変換器、および、第１の増幅器を用いてオフセットされ、上下のＥＯＧ信号は、第２のシフトレジスタ、第２のＤ／Ａ変換器、および、第２の増幅器を用いてオフセットされる。電力調整部１０２は、代表的な実装例において、＋５Ｖ、−５Ｖ、および、＋３．３Ｖなど、いくつかの異なる電圧を生成してよく、電力調整部の回路実装の一例を図７に示す。
デジタル部１０４は、アナログ／デジタル変換器（図示せず）および処理コア１０６を備えており、処理コア１０６は、代表的な一実施形態においては、埋め込みコード／マイクロコードを備えたデジタル信号プロセッサであってよく、ＥＥＧおよびＥＯＧ信号に対して様々な信号処理動作を実行する。代表的な一実施形態において、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）は、各ＥＥＧ信号のための別個のチャネルと、合成された左右のＥＯＧ信号（オフセットを含む）のためのチャネルと、合成された上下のＥＯＧ信号（オフセットを含む）のためのチャネルとを備えた６チャネルＡＤＣであってよい。より詳細には、信号は、１２８Ｈｚのサンプリングレートを有するアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）によってサンプリングされてよく、次いで、そのデータは、ユーザの精神状態の種類およびそのレベルがデータ処理に基づいて決定されるよう特別に設計されたルーチンで処理される。これらの結果は、数値およびグラフで示される。処理コアは、様々な目的に利用可能な１または複数の出力信号を生成してもよい。例えば、出力信号は、データ送信機１２０に出力され、次に、通信装置１２２に送られてよく、通信装置１２２は、代表的な一実施形態においては、（制御信号であってよい）出力信号をおもちゃ５２に送信する無線ＲＦモデムであってよい。出力信号は、例えば、ユーザに警報音を提供するためにヘッドセットのスピーカを通して送られるユーザを起こすための音声メッセージを生成できる音声制御装置１２４を制御してもよい。
図５に示した代表的な実施形態において、通信装置１２２は、おもちゃ内の４０ＭＨｚ ＲＦ振幅偏移変調（ＡＳＫ）モデム５２ａと通信する４０ＭＨｚ ＲＦ ＡＳＫモデムである。おもちゃは、マイクロコントローラ５２ｂと、ある方向へのおもちゃの移動、おもちゃの停止、おもちゃの方向転換、音の発生など、出力信号に応じた動作を、ヘッドセットから伝達される出力信号に基づいておもちゃが実行することを可能にする作動回路５２ｃと、をさらに有する。この代表的な実施形態において、ヘッドセットを備える本装置は、典型的な遠隔制御装置に代わり、ユーザが脳波でおもちゃを制御することを可能にする。
図５Ｂは、システムの生体処理ユニット７４のハードウエアをより詳細に示している。ＥＥＧおよびＥＯＧアナログ処理ユニット１１０および１１２は、代表的な実施形態において、ヘッドセットからのアナログＥＥＧおよびＥＯＧ信号をデジタル信号に変換するための６チャネル１２ビットアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）、および、ＥＯＧ信号の演算増幅器へフィードバック信号を供給するための４チャネル１２ビットデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）であってよい。コア１０６は、ＥＯＧ処理ユニット１０６ａおよびＥＥＧ処理ユニット１０６ｂをさらに備えてもよい。
ＥＯＧ処理ユニットは、ＥＯＧベースライン信号を決定した後に、ＥＯＧ制御信号を生成し、さらに、演算増幅器にフィードバックされるＥＯＧベースラインフィードバック信号を生成する。ＥＯＧベースラインフィードバック信号およびＥＯＧ制御信号は、１２ビットシリアルデータチャネルとしての４チャネル１２ビットＤＡＣに供給される。ＥＥＧ処理ユニットは、（以下で詳細に説明する）ＥＥＧ信号フィルタリングと、（以下で説明する）ＥＥＧ信号のＥＯＧノイズフィルタリングと、ＥＥＧ信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）とを実行する。ＦＦＴ変換されたＥＥＧ信号から、ＥＥＧ処理ユニットは制御信号を生成する。
図６は、図４に示したハードウエアのデジタル部の回路実装の一例を示す。この実装例において、処理コアは、Ａｔｍｅｌ社で市販されているＡＶＲ ＲＩＳＣアーキテクチャに基づく低電力ＣＭＯＳ ８ビットマイクロコントローラであるＡＴｍｅｇａ１２８であり、この特定のチップのさらなる詳細については、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｔｍｅｌ．ｃｏｍ／ｄｙｎ／ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ／ｐｒｏｄ＿ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ／ｄｏｃ２４６７．ｐｄｆで入手可能であり、それは、本明細書に参照として組み込まれる。送信回路は、Ｆｕｔｕｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社で市販されているＵＳＢ ＵＡＲＴチップであるＦＴ２３２ＢＭであり、このチップのさらなる詳細については、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｔｄｉｃｈｉｐ．ｃｏｍ／Ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ＦＴ２３２ＢＭ．ｈｔｍで入手可能であり、それは、本明細書に参照として組み込まれる。
図７は、図４に示したハードウエアの電力調整部の回路実装の一例を示す。特に、本装置のアナログおよびデジタル電力部が図示されている。
図８Ａは、各乾式アクティブ電極のアナログ部をより詳細に示す図であり、各電極／センサは、計装用増幅器、ノッチフィルタ、および、バンドパスフィルタ／増幅器を備えている。図８Ｂに示すように、各乾式アクティブ電極／センサは、（周知の方法で連結された２つの演算増幅器を用いて構成された）差動増幅器に接続された基準電極および測定電極を有しており、その差動増幅器の出力は、６０Ｈｚ信号（電源ライン信号）を除去するノッチフィルタに接続され、ノッチフィルタの出力は、バンドパスフィルタ／増幅器に接続されている。
図９は、本装置のＥＥＧセンサによって生成されたＥＥＧ信号のアナログ処理を行う図５に示したハードウエアのアナログＥＥＧ信号処理部の回路実装の一例を示している。図に示すように、回路は、１または複数の増幅器を用いて、本装置のＥＥＧ信号を処理および増幅する。
図１０Ａは、図５に示したアナログＥＯＧ信号処理部のブロック図であり、図１０Ｂは、図５に示したアナログＥＯＧ信号処理部の回路実装の一例を示している。図１０Ａに示すように、アナログＥＯＧ信号処理部は、基準電極信号および測定電極信号を受信し、それらの信号は増幅器に供給され、その増幅器の利得／オフセットは、ＤＡＣ／増幅器を通して処理コア１０６によって生成された基準制御信号によって調整される。増幅器の出力は、（電源ラインからの６０Ｈｚ信号を除去するために）ノッチフィルタに供給され、その後、処理コア１０６に供給される前に、増幅器／ローパスフィルタに供給される。図１０Ｂは、アナログＥＯＧ信号処理部の回路実装の一例を示しており、１または複数の演算増幅器がＥＯＧ信号の信号処理を行う。
図１１は、図４に示した構成の一部であるソフトウエア１３０の動作の一例を示している。初期設定（１３２）が、本装置のソフトウエアの動作を開始する。初期設定が完了すると、制御される対象物との通信セッションが開始される（１３４）。通信が開始されると、ソフトウエアは、電極信号の信号処理と、ＥＥＧおよびＥＯＧ信号のデジタル表現のデータ処理とを実行する。
図１２は、図１１のデータ処理プロセスをより詳細に示す図である。そのデータ処理プロセスは、複数のルーチンを含んでおり、各ルーチンは、図５に示した処理コア１０６または別個のコンピュータシステムによって実行される埋め込みコードなど、処理ユニットによって実行可能な複数行のコンピュータコード（代表的な実施形態ではＣまたはＣ＋＋言語で実装される）である。そのプロセスは、ウィンドウズインターフェースルーチン１４０、ＥＥＧ信号およびＦＦＴ信号のグラフ表示のためのルーチン１４２、通信インターフェースのためのルーチン１４４、メインルーチン１４６、および、ニューロアルゴリズムルーチン１４８を含んでよい。メインルーチンは、他のルーチンを制御し、ウィンドウズインターフェースルーチンは、データ処理ソフトウエアがウィンドウズ（登録商標）などのオペレーティングシステムとインターフェースをとることを可能にし、ルーチン１４２は、ＥＥＧ信号およびＦＦＴ信号のグラフ表示を生成する。通信ルーチン１４４は、本装置と本装置を用いて制御されている対象物との間の通信を管理し、ニューロアルゴリズムルーチンは、ＥＥＧ信号およびＥＯＧ信号を処理して、制御信号を生成すると共に、図１４に示すように本装置のユーザの精神状態のグラフ表現を生成する。
ユーザの精神状態は、測定されると、図１４に示すように０から１００までのレベルなど、レベルの目盛り内に位置づけることができる。ユーザの精神状態（および精神状態の測定レベル）は、コンピュータなどの機械を制御するための制御信号を生成するために用いられてもよい。機械の制御は、以下のものを含んでよい：ビデオディスプレイでのカーソルまたはオブジェクトの移動（精神状態のレベルが高レベルの時には、カーソルまたはオブジェクトが上方に移動または高速で移動される、あるいは、その逆）；スピーカの音量制御（精神状態が高レベルの時には、音量が大きくなる、あるいは、その逆）；機械の動きの制御（精神状態が高レベルの時には、機械がより速く移動する、あるいは、その逆）；ｍｐ３などの携帯オーディオシステムにおいて楽曲（歌）を選択（格納された楽曲または歌から、精神状態および精神状態のレベルに合わせて特定のジャンルまたはテンポの楽曲または歌が選択される）；リラクゼーションまたは集中力トレーニングなどのメンタルトレーニングに利用可能、もしくは、ストレスレベル、精神集中レベル、および、眠気をテストするのに有用な、バイオフィードバックまたはニューロフィードバック；および／または、オン／オフ制御、速度制御、方向制御、輝度制御、音量制御、色の制御など、他の脳／機械（コンピュータ）間のインターフェース。
図１３は、データ処理工程のフローチャート１５０を示す。まず、ＥＥＧ生データをグラフ表示できるように、デジタルＥＥＧデータのＤＣオフセットが、フィルタリングによって除去され（１５０）、ＥＯＧ信号がフィルタリングされてよい（１５２）。ＥＯＧ信号は、ノイズをフィルタリングするために、周知のＪＡＤＥアルゴリズムを用いてフィルタリングされてよい。次いで、ＥＥＧ信号およびＥＯＧ信号は、ローパスフィルタリング（１５４）され、その後、それらの信号は、ハニング窓を適用される（１５６）。フィルタリングされたＥＥＧデータ信号が生成され、グラフ化されてよい。次いで、フィルタリングされた信号は、パワースペクトルを解析され（１５８）、パワースペクトルが、ニューロアルゴリズムに供給され（１６０）、それにより、ユーザの精神および感情の状態が判定される（１６２）。パワースペクトル解析は、毎秒５１２のデータポイントに対して実行される。パワースペクトル解析を用いて、デルタ、シータ、アルファ、および、ベータ波のパワースペクトルデータが抽出される。
ニューロアルゴリズムは、いくつかの方程式およびルーチンから成り、デルタ、シータ、アルファ、および、ベータ波のパワースペクトルデータを用いて、精神状態のレベルを算出する。これらの方程式は、実験のデータベースに基づいて作成される。これらの方程式は、異なる用途およびユーザレベルに応じて修正および変更されてよい。精神状態は、集中、リラックスまたは瞑想、不安、および、眠気として表現することができる。各精神状態レベルは、デルタ、シータ、アルファ、および、ベータのパワースペクトル値を入力データとして含む方程式によって判定される。精神状態のレベルは、０から１００の数値によって表現することができるが、これは、用途に応じて変更されてよい。精神状態レベルの値は、毎秒更新される。そして、精神および感情状態は、例えば、図１４に示したように制御信号を生成またはユーザの精神状態を表示するために、本装置によって利用されてよい。
本装置は、上述のように、ユーザのＥＥＧ信号（２チャネル）およびＥＯＧ（４チャネル）信号と、まばたきとを測定する。本装置を用いれば、以下の表に示すように、ユーザの精神状態を判定することができる。
Figure 0005373631
システムの実装例において、ＥＥＧセンサは、金メッキされた乾式センサアクティブ電子回路であってよく、各ＥＥＧセンサが、増幅およびバンドパスフィルタリングを備えてよい。ＥＥＧセンサモジュールは、８０ｄＢの利得と、１Ｈｚ〜３３Ｈｚ（−１ｄＢ）、０．５Ｈｚ〜４０Ｈｚ（−３ｄＢ）、および、０．１６Ｈｚ〜６０Ｈｚ（−１２ｄＢ）のバンドパスフィルタ帯域幅とを有してよい。各ＥＯＧセンサは、金メッキされたパッシブセンサであってよく、ＤＣ〜４０Ｈｚ（−１ｄＢ）のローパスフィルタリング帯域幅で、６０ｄＢの利得を有してよい。無線通信機構は、２７または４０ＭＨｚ ＡＳＫシステムであってよいが、２．４ＧＨｚ ＩＳＭ通信方式（ＦＨＳＳまたはＤＳＳＳ）であってもよい。アナログ／デジタル変換器は１２ビットであってよく、サンプリング周波数は１２８Ｈｚであってよい。本装置の総電流消費は、５ＶＤＣで７０ｍＡであり、主電源は、ＤＣ１０．８Ｖ、２０００ｍＡｈのリチウムイオン充電式バッテリであることが好ましい。
以上、本発明の特定の実施形態を参照しつつ説明を行ったが、本発明の原理および精神から逸脱することなく、本実施形態の変形が可能であることは、当業者にとって明らかであり、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって規定される。

Claims (18)

  1. ユーザの精神状態を判定するための装置であって、
    フレームと、
    前記フレーム上に配置され、前記ユーザの皮膚部分に接触した時に前記ユーザの脳波を検出して脳波信号を生成することができる１または複数の乾式アクティブセンサと、
    前記脳波信号を受信して処理して前記ユーザの精神状態のレベルに対応する信号を生成する処理ユニットと、
    を備え、
    前記精神状態は、リラックスと、瞑想と、不安と、眠気と、のうちの少なくとも１つを含み、
    前記処理ユニットは、
    前記脳波信号を１組のデジタル脳波信号に変換するアナログ処理部と、
    前記デジタル脳波信号を処理して前記ユーザの前記精神状態の前記レベルに対応する前記信号を生成するデジタル処理部と、
    を備え、
    前記デジタル処理部は、
    前記デジタル脳波信号を解析してデルタ波とシータ波とアルファ波とベータ波を抽出する解析部と、
    抽出されたデルタ波とシータ波とアルファ波とベータ波を用いて前記ユーザの前記精神状態の前記レベルを算出する演算部と、
    を備え、
    前記ユーザの前記精神状態の前記レベルの算出は、
    前記デルタ波とシータ波とアルファ波とベータ波のパワースペクトルデータを抽出することと、
    前記デルタ波とシータ波とアルファ波とベータ波の前記抽出されたパワースペクトルデータに基づいて前記精神状態の前記レベルを決定することと、
    を含む、装置。
  2. 請求項１に記載の装置であって、
    前記アナログ処理部は、さらに、アナログ／デジタル変換器を備え、
    前記デジタル処理部は、さらに、処理コアと、前記デジタル脳波信号を処理するために前記処理コアによって実行される１または複数のルーチンを格納するメモリと、前記ユーザの前記精神状態の前記レベルに対応する前記信号を出力する出力インターフェースと、を備える、装置。
  3. 請求項２に記載の装置であって、前記処理コアは、前記ユーザの前記精神状態の前記レベルに対応する前記信号に基づいて制御信号を生成し、前記出力インターフェースは、さらに、前記制御信号に基づいて制御される遠隔の対象物に前記制御信号を送信するデータ送信ユニットを備える、装置。
  4. 請求項３に記載の装置であって、前記遠隔の対象物は、さらに、ビデオディスプレイ、スピーカ、機械、携帯型オーディオデバイス、および、コンピュータの内の１つを含む、装置。
  5. 請求項４に記載の装置であって、前記制御信号は、前記ビデオディスプレイのカーソルを制御する、装置。
  6. 請求項４に記載の装置であって、前記制御信号は、前記スピーカの音量を制御する、装置。
  7. 請求項４に記載の装置であって、前記制御信号は、前記機械の運動速度を制御する、装置。
  8. 請求項４に記載の装置であって、前記制御信号は、前記携帯型オーディオデバイスでの楽曲の選択を制御する、装置。
  9. 請求項４に記載の装置であって、前記制御信号は、前記コンピュータによって前記ユーザに供給されるニューロフィードバックおよびバイオフィードバックの一方を制御する、装置。
  10. 請求項４に記載の装置であって、前記制御信号は、前記コンピュータのオンオフの選択、速度制御、方向制御、輝度制御、音量制御、および、色の制御、の内の１つを制御する、装置。
  11. 請求項２に記載の装置であって、前記１または複数のルーチンは、さらに、前記デジタル脳波信号に基づいて前記ユーザの精神状態を評価するためのルーチンであって、前記処理コアによって実行される複数行のコンピュータコードであるルーチンを備える、装置。
  12. 請求項１に記載の装置であって、さらに、処理コアと、前記デジタル脳波信号を処理するために前記処理コアによって実行される１または複数のルーチンを格納するメモリと、を備える、装置。
  13. 請求項１に記載の装置であって、さらに、前記アナログ処理部および前記デジタル処理部に電力を供給する電力供給ユニットを備える、装置。
  14. 請求項１に記載の装置であって、
    前記フレームは、前部と、前記前部に取り付けられた第１の側部と、前記第１の側部の反対側の第２の側部とを有しており、
    前記１または複数の乾式アクティブセンサは、前記ユーザの額に接触する前記フレームの前記前部と、前記フレームの前記第１および第２の側部とに配置される、装置。
  15. 請求項１４に記載の装置であって、各前記乾式アクティブセンサは、さらに、ユーザと接触する機械部分と、増幅回路およびフィルタリングされた脳波信号を出力するフィルタを有する電子部分とを備える、装置。
  16. 請求項３に記載の装置であって、前記データ送信ユニットは、さらに、ユニバーサルシリアルバス送信ユニット、赤外線送信ユニット、無線周波数送信ユニット、ブルートゥース送信ユニット、無線送信ユニット、または、有線送信ユニット、を備える、装置。
  17. 請求項１４に記載の装置であって、前記１または複数の乾式アクティブセンサは、単極方式である、装置。
  18. 請求項１に記載の装置であって、前記フレームは、前部と、前記前部に取り付けられた第１の側部と、前記第１の側部の反対側の第２の側部とを有しており、前記１または複数の乾式アクティブセンサは、前記ユーザの額に接触する前記フレームの前記前部に配置され、双極方式である、装置。
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