JP6387352B2 - 脳系生体信号を検出するシステム - Google Patents

Description

〔関連出願の相互参照〕
本願は、２０１３年８月２４日付で出願された米国仮出願第６１／７１７，９９７号、及び米国仮出願第６１／７９０，００７号の優先権の利益を主張し、これらの出願は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、脳系生体信号（ｂｒａｉｎ−ｂａｓｅｄ ｂｉｏ−ｓｉｇｎａｌｓ）を読み取る方法に関する。非限定の実施例において、本発明は、口腔内で検出された脳系多成分信号から様々な生体信号を検出、処理及び抽出する方法を提供する。

頭皮に位置付けられた脳波（「ＥＥＧ」）センサを使用して脳活動を検出することは、当該技術分野において１９２０年代から知られている。脳活動により発生する電場は非常に小さいため、その電場は、ニューロンの大きな集合体（アセンブリ）が同様の挙動を示す場合、ＥＥＧによってのみ認識することができる。それにより得られる神経ＥＥＧ信号は、マイクロボルト（μＶ）の範囲内にあり、信号にアーチファクトを発生させる人工的要因の干渉によって容易に隠れてしまう。典型的に、ＥＥＧ信号におけるアーチファクトは、被験者の非神経性生理的活動又は外部の技術的要因によって発生する。非神経性生理的活動としては、目の瞬き、眼球運動、頭部近傍における筋肉の活動（例えば、顔の筋肉、顎、舌、首）、鼓動、脈波及びマイヤー波等が挙げられる。外部の技術的要因としては、地球の磁場内でのケーブルの揺動、不適切な接地、電源又はトランス、電波等が挙げられる。

脳の電気的活動を監視する他の方法は、針状電極（頭皮と頭蓋骨との間に載置される鋭い配線）や、皮質電極、硬膜下電極、深部電極といった侵襲的手技に頼っている。侵襲的電極を用いて監視される脳の電気的活動の特性は、頭皮又は皮膚上のＥＥＧ電極のような表面電極に関連付けられるが、頭皮及び皮膚による信号の減衰及び拡散が無視される点で異なる。

従って、他の電気的要因による干渉を抑えながら侵襲的手技を必要することなく、脳活動及び脳系生体信号を検出・監視することが望ましい。

既知の方法及び装置の特定の利点及び欠点に関する本明細書の記載は、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。実際、本実施例は、同じ欠点を被ることなく上述の特徴の幾つか又は全てを含んでもよい。

前述に鑑み、本明細書おいて説明する実施例の特徴の一つは、侵襲的手技を用いることなく口腔を介して脳内の電磁的活動を監視する方法を提供することである。特定の脳系電磁生体信号は、多成分脳系信号を形成する複数の成分信号を含むことができ、そのような成分信号としては、身体の他の部分、例えば、中枢神経系、心臓の電気的活動、肺の活動（呼吸）、局所的な動脈の移動、眼球の双極子（ｄｉｐｏｌｅ）としての電気的活動（及び他の双極子）、筋肉の電気的活動、及び末梢神経系により発生する局所組織の電気的活動から生じる信号、並びに、脳系電磁信号が挙げられる。多成分脳系信号は、口腔内に位置付けられたセンサによって検出することができる。そして、その多成分脳系信号をデジタル化、増幅、フィルタリングすることができる。フィルタリング後、更なる分析のために所望の副成分生体信号を多成分脳系信号から分離することができる。

本発明の目的のために、「多成分脳系信号（ｍｕｌｔｉ−ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｂｒａｉｎ−ｂａｓｅｄ ｓｉｇｎａｌ）」という表現は、脳から発生する対象の一次成分生体信号としての副成分生体信号の集合を表すために使用される。多成分脳系信号は、生体電磁信号、心臓生体電磁生体信号、局所組織生体電磁信号、眼球双極子生体電気生体信号、筋肉生体電磁生体信号、舌生体電磁生体信号、心臓血管系脈動生体信号、呼吸系脈動生体信号、運動系生体信号、生体機械的生体信号、生体音響生体信号を含みうる。多成分脳系信号の成分信号は、多くの用途（例えば、医療用途、獣医学用途、及び非医療用途）において重要である。本発明の脳系信号検出器は口腔内に位置付けられるため、検出器は、脳の大脳皮質や他の部分を含む脳の多くの部分から電気的活動を検出することができる。

硬口蓋多成分脳系生体信号の検出と頭皮ＥＥＧ脳波の検出との比較概略図である。 硬口蓋多成分脳系生体信号及び抽出後得られる副成分波の概略図である。 抽出された硬口蓋アルファ波副成分信号と頭皮ＥＥＧアルファ波との比較概略図である。 数を数える精神活動を行っている間の抽出された硬口蓋脳系生体信号の副成分信号と頭皮ＥＥＧ脳波とのオーバーレイ概略図である。 上下の眼球運動を行っている間の抽出された硬口蓋脳系生体信号の副成分信号と生ＥＯＧ脳波との比較概略図である。 左右の眼球運動を行っている間の抽出された硬口蓋脳系生体信号の副成分信号と生ＥＯＧ脳波との比較概略図である。 抽出された硬口蓋脳系生体信号の副成分信号と心臓ＥＧＧ波との比較概略図である。 抽出された硬口蓋脳系生体信号の副成分信号とＥＥＧ、ＥＯＧ及び呼吸波との比較概略図である。 本発明の電極の様々な実施例の概略図である。 内部ユニット及び外部ユニットを含む、睡眠障害を検出するシステムの概略図である。 代替の実施例のマルチセンサシステムの概略図である。 口内取付装置の実施例の等角図である。 口内取付装置の他の実施例の等角図である。 口内取付装置の他の実施例の等角図である。 図１２の口内取付装置が口腔内に挿入された状態の人の頭部の矢状面図である。

以下の説明は、口腔内で脳系多成分信号を検出し処理する方法を伴う幾つかの特定の実施例及び詳細を提示することによって、実施例の完全な理解を与えることを意図したものである。しかしながら、本発明が、例示的なものでしかないこれらの特定の実施例及び詳細に限定されないことは理解されたい。更に、当業者であれば、既知の装置、システム及び方法に鑑み、意図した目的のための本発明の使用及び代替の実施例のあらゆる利益を評価するであろうことは理解されたい。

本発明の好適な実施例において、多成分脳系電磁生体信号を検出するシステムは、多成分脳系生体信号を必要に応じて電子的にデジタル化、増幅、減衰、フィルタリング及び正規化することが可能な１つ以上の電子プロセッサに連結された口腔内センサを含む。コンピュータプロセッサは、多成分脳系生体信号から副成分信号を抽出、分離又は分割、そして任意に副成分信号を分類及び分析することが可能であってもよい。

センサは、多成分脳系電磁生体信号を検出することが可能な電気的又は磁気的センサとすることができる。好適な実施例において、センサは、硬口蓋に接触する電極を含み、１つの電極が、１つ以上の他の電極と比較するための基準として機能する。

電極は、抵抗モード電極（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｍｏｄｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）、容量モード電極（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｏｄｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）、電流モード電極（ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｄｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）又は誘導モード電極（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｍｏｄｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）とすることができる。電極は、単に信号を受信するだけのパッシブ電極、又は、受信した信号を内部の電子プロセッサを用いてデジタル化あるいは処理可能なアクティブ電極とすることができる。

幾つかの実施例において、口腔内センサは、歯列又は他の口内組織に連結するように構成された口内装置に含められていてもよい。更なる実施例において、センサ又はそのセンサの電極の位置は、口内装置に対して調節可能であってもよい。

幾つかの実施例において、センサは、口内装置内のプロセッサに通信可能に連結させることができる。他の実施例において、センサは、１つ以上の外部処理装置に通信可能に連結させることができる。センサ及び／又はプロセッサは、配線を介して且つ／又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）や他の無線技術といった無線で通信可能に連結させることができる。

図１は、硬口蓋１０からの多成分脳系生体信号１００と、標準的な頭皮ＥＥＧ脳波信号との比較図である。硬口蓋１０に連結された又はその近傍にある基準電極１１及び左側信号電極１２を含むセンサを使用して、多成分脳系生体信号１００を検出する。幾つかの実施例において、センサは、右側信号電極１３を含んでもよい。多成分脳系生体信号１００は、生の硬口蓋生体電位信号である。生のフィルタリングされていない頭皮ＥＥＧ信号２００は、右側乳様突起上の基準電極を用いてＦ４Ａ２電極２０（国際１０−２０法基準で頭皮のＦ＝前側、４＝右側）から検出される。多成分脳系生体信号１００は、生の頭皮ＥＥＧ信号２００と比較してあまり目立たない生の硬口蓋生体電位信号のパターンを示す。多成分脳系生体信号１００は、生の頭皮ＥＥＧ信号２００と比較すると極めて大きい電圧範囲を有する（後者が１０μＶであるのに対して前者は１００μＶ）。これは、硬口蓋１０の多成分脳系生体信号１００の副成分、特に脳系副成分信号を判定するために硬口蓋１０の多成分脳系生体信号１００に対して特別な分析を行うことが必要であることを示している。

基準電極１１は、口内脳系信号との頭皮ＥＥＧの混合を避けるように硬口蓋１０に載置される。左側信号電極１２及び右側信号電極１３は、コットンガーゼで覆われた金製の又は金メッキされた電極であってもよい。幾つかの実施例において、食塩水を使用してガーゼを湿らせてもよい。

図２は、硬口蓋１０からの多成分脳系生体信号１００が、本発明の実施例によって処理された後、様々な副成分信号に分割される様子を示す。副成分信号は、８〜１４Ｈｚ脳波副成分信号１０１、眼球運動副成分信号１０３、心臓副成分信号１０４及び呼吸副成分信号１０５を含みうる。

図３は、硬口蓋で検出された８〜１４Ｈｚ脳波副成分信号１０２と８〜１４Ｈｚ脳波頭皮ＥＥＧ信号２０１との間の強い相関を示す。

図４は、被験者が１００から７ずつ逆算する（つまり、１００，９３，８６，７９等）精神活動を行っているときの、被験者の硬口蓋で検出された３．５〜３０Ｈｚ脳波副成分信号１０２と３．５〜３０Ｈｚ脳波頭皮ＥＥＧ信号２０２との間の強い相関を示す。被験者は、照明の明るい環境的に制御された一室に着席させていた。

図５は、被験者が視線を素早く上下に動かしているときの、硬口蓋１０で検出された８０μＶ範囲の多成分脳系生体信号１００と、ＥＯＧ電極３０により被験者の右側の頭皮で検出された５３μＶの脳波ＥＯＧ信号３００との強い相関を示す。この実施例では、多成分脳系生体信号１００の副成分に対するフィルタリングや分離は必要なかった。

図６は、被験者が視線を素早く左右に動かしているときの、硬口蓋１０で検出された５０μＶ範囲の多成分脳系生体信号１００と、ＥＯＧ電極３０により被験者の右側の頭皮で検出された５５８μＶの脳波ＥＯＧ信号３００との間の相関を示す。この実施例では、多成分脳系生体信号１００の副成分に対するフィルタリングや分離は必要なかった。

図７は、硬口蓋１０で脳波副成分信号１０４の０．５〜２４９Ｈｚで検出された心臓信号と、ＥＣＧ電極４０により検出されたフィルタリングされていないＥＣＧ信号４００の心臓信号との間の相関を示す。被験者は、記録中、照明の明るい環境的に制御された一室に着席させていた。この適用例では、ＤＣオフセットを除去するために多成分脳系生体信号１００をフィルタリングした。

図８は、被験者が速い深呼吸５０１を行った後、息５０２を２０秒間止めていた間の、硬口蓋１０で検出された脳系多成分生体信号から抽出された１．５Ｈｚ〜２４９Ｈｚでの呼吸副成分信号１０６と、１．５Ｈｚ〜２４９Ｈｚでフィルタリングされた頭皮ＥＥＧ信号２０３及び右眼ＥＯＧ信号３０１と、鼻カニューレでの呼吸信号５００との間の相関を示す。このグラフは、頭皮でのＥＥＧ及びＥＯＧが変化すると同時に硬口蓋での生体電位が変化することを示し、硬口蓋での多成分生体信号と頭皮での関連する信号との間に強い時間的関係があることを示している。

図９は、口内組織の形状に適合して快適性及び生体適合性を提供する、硬口蓋からの多成分生体信号を検出するのに使用できる様々な電極の実施例を示す。柔軟な材料（ガーゼ又は発泡体）によって、機械的安全性を提供し、電極の周囲に電解質を維持させてもよい。所望の他の材料を電極に使用してもよい。電極組立体５０は、金属電極５１と温度センサ５２とを含む。温度センサ５２との電極５１の組み合わせは、口腔又は他の身体部位のためのものである。電極は、組織からの電流を検出し、温度センサは、口内温度、運動アーチファクト（温度は生体電位測定ではないため）及び口内空気流の判定を可能とする。口内温度の平均値は、サーミスタ、半導体ＩＣ、熱電対又は他の適切なセンサを用いて推定することができる。空気流により生じる温度の変動を用いて、前処理の一部として、又は、マイクロコントローラ（μＣＵ）により空気流の有無を判定できる。電極の一実施例は、リード線を有する金属電極６１と、温度センサ６２と、柔軟な吸収性カバー面６３とを含んでもよい凸状の電極組立体６０とすることができる。電極の他の実施例は、リード線を有する金属電極７１と、温度センサ７２と、柔軟な吸収性カバー面７３とを含んでもよい凹状の電極組立体７０とすることができる。電極の第３の実施例は、リード線を有する金属電極８１と、柔軟な吸収性カバー８２とを含んでもよい平坦な電極組立体８０とすることができる。基準電極１１は円形状の金属電極とすることができる。

図１０は、口内部ユニット６０１と外部ユニット６５０とを含む、睡眠障害を検出するためのシステム６００の概略図である。口内部ユニット６０１は、硬口蓋の中央近傍に位置付けられる凸状の電極６０と、歯茎近傍の左側及び／又は右側に位置付けられる１つ又は２つの凹状の電極７０とを含んでもよい。

口内部ユニット６０１は、センサユニット６０２と、電源６０３と、電力管理部６０４と、マイクロコントローラ６０５と、送信ユニット６０６とを含んでもよい。口内部ユニット６０１は、図示のような又はデータ管理マイクロコントローラ（μＣＵ）の一部としての専用の回路を使用して、多成分生体信号を増幅、フィルタリング及び／又はデジタル化してもよい。デジタル信号は、遠隔地の受信器、例えば、スマートフォンやコンピュータ、クラウド等へ送信するために、高周波（ＲＦ）モジュールを通過させてもよい。

多成分脳系信号の検出は、脳系多成分生体信号の検出を自動で（又は手動で）開始できる適切な体腔内に内部ユニット６０１を載置することによって実現してもよい。信号の検出は通常直ちに開始される。しかしながら、温度センサ部を追加して、適切な運転条件を確保するために環境温度を監視したり、データ収集中の温度を監視したりしてもよい。また、温度センサを使用して口中内の空気流の変化を監視することもできる。また、追加のセンサを追加することによって、光学ＰＰＧセンサ／モニタや、加速度計、ジャイロスコープ、ＧＰＳ、圧力、カメラ、生理的／化学的モニタ等から、酸素飽和度を含む様々な追加の生理的変数を監視することもできる。脳系の検出器は、脳波を含む多パラメータ生理的信号を監視する。

検出器（すなわちセンサ）は、以下のセンサのいずれかに基づくものとすることができる：抵抗モード電極、容量モード電極、電流モード電極、パッシブ電極、アクティブ電極、磁性モード検出器（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｏｄｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）、誘導モード検出器（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｍｏｄｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）、音響モード検出器（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｏｄｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）、光学又は電気光学モード検出器（ｏｐｔｉｃａｌ ｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）、化学又は生化学モード検出器（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｏｒ ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｏｄｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）、生物学モード検出器（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｏｄｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）及び脳系検出器アレイ（脳系検出器は、異なる幾何学的平面に配向された複数のセンサを備えてもよい）。センサは、様々な形状のものとすることができ、様々な金属、金属塩若しくは金属合金、半導体、ポリマー、炭素化合物、導電性織物、複合体、グラフェン、非金属を含むことができる。また、センサは、剛性、半剛性又は他の可撓性材料を備える。センサは、マイクロエレクトロニクス技術を利用してもよい。センサは、使い捨て可能且つ／又は再利用可能なものとすることができる。センサは、遠隔センサを含んでもよい。センサは、その位置及び／又は性能を調節可能として、脳系多成分生体信号の検出を最適化できるようにしてもよい。

センサユニット６０２は、電極により捕捉された硬口蓋からの電気信号を検出してもよく、その電気信号に対して増幅及びフィルタリングを行って運動アーチファクト又は他のアーチファクトを除去して、更なる処理・記憶及び伝送のために、ＳＰＩバスを介してマイクロコントローラ（μＣＵ）６０５に伝達してもよい。

信号及び電力の管理スケジューリングがμＣＵ６０５によって行われる。使い捨て可能又は再充電可能な電力原６０３から消費されたエネルギーは、μＣＵ６０５が、データ収集装置、伝送モジュール６０６及びμＣＵ６０５自体の作動時間及びデューティサイクルを制御することによって、最小限に抑えることができる。インテリジェント電力管理（ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）によって、電源６０３の大きさ及び複雑さを低減することができ、電力線運転システム（ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ−ｏｐｅｒａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ）の必要性を除去できる。

送信ユニット６０６によるデータ伝送は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）（ＢＴ）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標） ＬＥ（Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ：低エネルギー）（ＢＬＥ）等の周知の標準的な通信プロトコル、又は、固有のプロトコル又は周波数を介して行うことができる。標準的なプロトコルを使用することによって、より容易な伝送後処理が確実となる。送信ユニット６０６は、スマートフォン及び他の装置でアクセス可能なＢＴ及びＢＬＥの両方に対応していてもよい。送信ユニット６０６のアンテナは、図１２〜１５に示すように、口内器具取付装置の側壁及び／又は前壁内に組み込んでもよい。

外部ユニット６５０は、受信器ユニット６５１と、前処理ユニット６５２と、独立成分解析（「ＩＣＡ」）プロセッサ７００と、生脳系多成分生体信号用の成分アナライザ７５０とを含む。

受信器ユニット６５１は、送信ユニット６０６からの信号を受信するように構成することができる。前処理ユニット６５２は、信号ノイズを出来るだけ除去する。ＩＣＡプロセッサ７００は、標準的なＩＣＡアルゴリズムを使用して、個々の副成分信号を抽出・分離することができる。生の脳系硬口蓋信号の成分を良好に推定することを確実にするために、脳波フィルタ１〜Ｎ‐７５１，７５２及び７５３、眼球運動信号プロセッサ７１０、心臓信号プロセッサ７２０及び呼吸信号プロセッサ７３０がある。

生の脳系硬口蓋多成分生体信号の副成分を良好に推定することを確実にするために、前処理ユニット６５２によりできるだけ多くの信号ノイズを除去することが重要である。前処理ユニット６５２は、フィルタリングと、電極又はセンサプラットフォーム内に組み込まれたセンサ（サーミスタ）とを用いて非生理的ノイズを除去してもよい。電極は、その後面側において、口内取付装置によって遮蔽されて、舌及び／又は内側顔面筋による外乱を防止するようにしてもよい。また、サーミスタは、組織に対する装置の移動を検出する手段を提供するとともに、呼吸による温度の大きな変化を補正する手段を提供する。追加の処理としては、ローパスフィルタリング等のデータフィルタリングがある。追加の前処理としては、センタリング及びホワイトニングがある。センタリングは、実データからデータの平均を除算することによって各成分からその平均を除去する。データのホワイトニングは、生データを相関のないものにして、各副成分が出来るだけ独立したものにすることを確実にするために行われる。前処理は、各電極により検出される生信号内に有意な差異を生成するような電極の特殊な配置（左右）によって、眼球運動を特定できる。二乗平均平方根値を判定することができ、閾値検出器を組み込んでもよい。

前処理ユニット６５２によるデジタル化を電子的に行うことによって、効率的なデジタル処理並びに信号の増幅、及び／又は、必要であれば生体信号の減衰を可能とする。また、前処理は、電気的ノイズや音響的ノイズ、機械的ノイズ、他のアーチファクト、異種金属によるガルバニ電流又は舌のアーチファクト等の望ましくない生理的及び／又は非生理的信号をフィルタリング、遮蔽、遮断、又はアルゴリズムによって排除又は除去することによって、望ましくないノイズを除去することを図る。生体信号に含まれる望ましくないアーチファクトは、記録を妨害しうる。信号の正規化もこの段階で行われる。

ＩＣＡプロセッサ７００は、生の硬口蓋多成分生体信号の個々の副成分信号を、それぞれの成分を予め知ることなく判定する。各副成分を効果的に判定するために、検出器（センサ）の数は個々の信号成分の数以上とすべきである。実施例は、生体電位を検出するのに、それぞれが全体で６つの検出器を提供する内蔵サーミスタを有する３つの電極を利用してもよい。この実施例は、４つの副成分生体信号を検出することができる。成分を分離するために、ＪＡＤＥアルゴリズム（Ｊｏｉｎｔ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ Ｄｉａｇｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｅｉｇｎｅｎ Ｍａｔｒｉｃｅｓ：小さいデータセットに対して最も良好に働く傾向がある）を組み込むことができ、これは、コンピュータのＩＣＡプロセッサ７００又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）によって使用される。

検出された多成分脳系信号の抽出、分離及び個々のパラ副成分信号への分割には、脳系多成分信号を抽出し、分離し、それを構成する物理的信号及び／又は他の所望の信号へ分割する適切な手段を使用することができる。

一次副成分信号は、脳系生体電磁信号、心臓生体電磁生体信号、ＥＥＧ、局所組織生体電磁信号、眼球双極子生体電気生体信号、筋肉生体電磁生体信号、舌生体電磁生体信号、心臓血管系脈動生体信号（例えば、血液量パルス）、呼吸系脈動生体信号、運動系生体信号、生体機械的生体信号及び／又は生体音響生体信号を含んでもよい。各副成分信号は、一般に、複数の周波数を含み、重なっている場合もある異なるダイナミックレンジを有しうる。幾つかの実施例において、心拍数、呼吸量、心拍変動、脈波伝搬速度、動脈圧を含む追加の生理的パラメータを導出できる。

様々な信号処理又は信号分析手段（アルゴリズムで実施される）を利用して、上述の副成分生体信号を抽出することができる。副成分生体信号の抽出は、適宜、パターン認識、独立成分解析、主成分分析、線形解析、周波数領域解析、相関次元（ＣＤ）等の時間周波数・非線形技術、位相空間プロット、微分エントロピー、ウェーブレット基底ヒルベルト・ホアン変換（ＨＨＴ）、及び同様の手段の使用を含んでもよい。

幾つかの用途において、信号の分離又は抽出は、必要でない場合がある。例えば、眼球運動信号は、他の口内信号よりも大きい傾向があるため、眼球運動の用途では、他の信号の抽出が不要な場合がある。

幾つかの実施例において、データ点、閾値及び／又はデータの傾き等の鍵となる副成分信号特性が、対象の信号から抽出又は分離される。これは、脳系信号パターンの特定と、該当する特性を抽出する命令への変換、又は、タスクを実行する命令の発行を伴う。所望のアルゴリズムを使用して、幾つかの関連する鍵となる値により信号を表す値を自動的に推定／計算してもよい。加算、減算、乗算、除算等の簡単な方法から、時間に基づく手法や周波数に基づく手法、主成分分析、サポートベクタマシン、遺伝的アルゴリズム、特性感受性学習ベクトル量子化（Ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｖｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｌｅａｎｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ）等を伴う他の複雑な技術まで、非常に様々なアルゴリズムを実施することができる。

幾つかの実施例において、副成分生体信号の鍵となる特徴は、命令に分類又は変換してもよい。分類工程は、クラスを信号から抽出された一組の特徴に割り当てる。クラスは、特定された精神状態の種類に対応している。この工程は、「特徴変換」として示すこともできる。

鍵となる特徴に関する情報は、ユーザ／オペレータに提供又は表示してもよく、且つ／又は、抽出された副成分生体信号を基線信号（ｂａｓｅｌｉｎｅ ｓｉｇｎａｌ）のデータベースと比較して装置を制御したり、病気、疾患又は状態の診断を補助したり、且つ／又は、装置機能の状態を報告したりするといったタスクを実行するために使用してもよい。

副成分生体信号を抽出した後、個々の副成分生体信号は、バイタルサインの計算、他の装置を制御する命令の一部、又は、特定の特徴の抽出等の追加処理を実行するといった他の目的のために表示又は利用することができる。

個々の副成分信号に分離した後、生脳系信号は、更に分析又はバンドパスフィルタ７５０を用いて様々な周波数帯域に分離し、その後、表示したり命令を発行するために使用したりできる。これは、脳波フィルタ１〜Ｎ−７５１を含んでもよい。フィルタは、対象の帯域７５２，７５３に応じて、ハードウェア内で、プログラムするか又は維持してもよい。

眼球運動副成分信号７１０は、急速眼球運動（ＲＥＭ）を観察して睡眠ステージを判定するために表示することができる。

心臓信号７２０は、基本心拍数を示すことができ、またＲ波ピーク及び心拍変動を判定するのに使用できる。

呼吸信号７３０は、呼吸量を判定するために表示することができる。

様々なデータは、口内部ユニット及び／又は外部ユニットに組み込まれたデータ記憶装置に記憶してもよい。

幾つかの実施例において、本システムは組織刺激装置を含んでもよい。

幾つかの用途において、脳系生体信号マップを展開して、体内部位についての電気的活動のトポグラフィマッピングを実現ができる。

酸素飽和度、加速度計を介した頭部位置、温度及び脳系信号等のための複数のセンサを組み込んだ代替の実施例を図１１に示す。

図１２は、硬口蓋の中心に接触するように構成された凸状の電極６０と、歯茎に接触するように構成された凹状の電極７０とを含む口内部ユニット８００の実施例を示す。口内部ユニット８００は、マウスガードプラットフォームとすることができ、義歯接着剤と同様の歯列及び／又は口内組織との接触を維持するための生体適合性接着剤を組み込んでもよい。幾つかの実施例において、口内部ユニット８００は、上述の機能の幾つか又は全てを実行する電子回路６０１を備えてもよい。電極は、歯茎及び硬口蓋に対してわずかなばね力を加えて電極が口内組織と接触した状態を確保する構造体内に位置付けられてもよい。

図１３は、硬口蓋と、電極１１，１２，１３及び温度センサ５２との接触を維持するための可撓性横断支持バンド９０１を組み込んだ口内取付装置９００を示す。口内取付装置９００は、電子機器６０１と送信ユニット６０６とを含んでもよい。

図１４は、下顎とフレキシブル電子回路との接触を維持するための生体適合性接着剤を組み込んだ薄い可撓性プラットフォームを含む口内取付装置１０００を示す。電極１１，１２及び１３は、歯茎及び硬口蓋に対してわずかなばね力を加えて電極が口内組織と接触した状態を確保する構造体内に位置付けられる。幾つかの実施例は、センサ５２、電子機器６０１及び送信ユニット６０６を含んでもよい。

図１５は、硬口蓋の左右側部に接触する電極と、硬口蓋に接触する１つの電極と、伝送システムとを有する口内取付マウスガード８００の一例及び外部ユニット６５０の例示的な実施例と共に人の頭部の矢状面図を示す。外部ユニットは、スマートフォン、コンピュータ又は他の計算装置とすることができる。

本発明の実施例は、脳系多成分生体信号の副成分信号を、閉塞性睡眠時無呼吸症（「ＯＳＡ」）のスクリーニング、診断及び監視に利用してもよい。ＯＳＡは、舌による移動及び上気道の閉塞や鼻、口及び喉内の軟組織による上気道の狭化が原因で睡眠中に起こる呼吸疾患である。この現象は、吸入中に上気道内で空気流が周期的に遮断されることにより、いびきや再発性の呼吸の中断を引き起こす。

ＯＳＡ及び他の睡眠障害の診断における現在の技術水準では、眠っている患者のＥＥＧ、呼吸信号、心臓信号、筋緊張、眼球運動及び脚運動を評価するのに多チャネル睡眠ポリグラフ検査を使用する。これは、頭皮への複数のＥＥＧリード線の取り付け、並びに、患者の様々な部位に取り付けられる、マイクロフォン等の他のトランスデューサ、心電計（「ＥＣＧ」）電極、筋電計（「ＥＭＧ」）電極及びパルスオキシメータの取り付けが必要であり厄介である。家庭での使用を意図した測定できるパラメータの少ない装置も入手可能であるが、それでも複数の接続が必要である。

本発明の実施例は、多成分脳系生体信号（図２）の検出を可能とし、その多成分脳系生体信号から、アルファ波及びその他の波（図３）や眼球運動（図５）、呼吸（図８）、ＥＣＧ（図７）を含む脳系電気的活動を含む副成分生体信号を抽出することができる。脳の電気的活動副成分信号は、睡眠状態／ステージ及び全体の睡眠時間の判定を可能とすることができる。呼吸副成分生体信号は、無呼吸イベントの判定を可能とすることができる。眼球運動副成分生体信号は、急速眼球運動（ＲＥＭ）の判定を可能とすることができる。また、ＥＣＧ副成分生体信号は、睡眠中の心拍数の判定を可能とすることができる。これらの副成分生体信号の各々又は組み合わせを分析することによって、手動で又はコンピュータシステム／プログラムを用いて、患者の睡眠パターンを判定してＯＳＡを診断することができる。

幾つかの実施例において、センサを含む口内装置に埋設されたコンピュータチップによって行われうる、副成分信号の一部又は全てに対する信号処理（フィルタリング、増幅、デジタル化、記憶等を含む）及び記録が実現できる。得られたデータは、有線又は無線技術（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等）により利用できるように受信装置（スマートフォン、コンピュータ又は専用の装置）に送信するか、後で受信装置にアップロードすることができる。

他の実施例において、多成分脳系生体信号は、信号処理のために外部の受信装置（スマートフォン、コンピュータ又は専用の装置）に送信される。多成分脳系生体信号は、センサによって検出されたときに送信してもよいし、後で検索できるように口内装置内の記憶装置に記録してもよい

必要であれば、更なる実施例において、多成分脳系生体信号を検出するセンサに追加の二次センサ（すなわち、加速度計、熱電対、Ｏ_２飽和センサ、ＣＯ_２センサ、空気流量計等）を補足してもよく、多成分脳系生体信号と組み合わせて使用することにより、睡眠中の頭部位置や酸素脱飽和及び他のイベントを判定してもよい。

幾つかの実施例において、口内装置は、患者の口から取り外した時に自動でオフにしてもよい。他の実施例において、口内装置は、手動でオフにしてもよい。その後、装置に記憶された信号を、信号データを解釈するためのソフトウェアプログラムを含むコンピュータシステムにアップロードして、医師又は他の医療従事者が行う診断に利用することができる。

幾つかの実施例において、検出された脳系多成分信号から抽出された電気的脳活動副成分信号は、加速度計からの信号と共に使用することによって、軍人、スポーツ参加者、又は危険を伴う職業又は活動に従事する他の人々において脳振とうや脳卒中、発作等の外傷性脳損傷を検出することができる。外傷性脳損傷の検出は、現在の副成分信号を既存の基線信号と比較することによって容易にできる。既存の基線信号は、試験が行われた特定の患者から記録したり、患者から以前に記録された複数の信号を統合したもの若しくは個体群のセグメントから導出された汎用の基線としたりできる。他の実施例において、これらの信号は、パフォーマンスを監視するのに使用できる。

幾つかの実施例において、検出された脳系多成分信号から抽出された副成分信号は、競技中のアスリートの能力又は戦場での兵士の能力を向上させるために、彼らのトレーニングを最適化したり、パフォーマンスに関してフィードバックを提供したりできる。検出された脳系多成分信号から抽出された副成分信号は、バイオフィードバック用途に使用してもよい。

他の実施例において、検出された脳系多成分信号から抽出された脳波及び筋肉活動副成分信号は、全身麻酔下の患者の意識レベルを判定するのに使用できる。

他の実施例において、検出された脳系多成分信号から抽出された副成分信号は、糖尿病を患う患者の低血糖症を示す異常な脳波パターンを検出するのに使用できる。

他の実施例において、検出された脳系多成分信号から抽出された脳系生体信号、眼球運動、頭部位置、呼吸信号及び他の副成分信号は、様々な装備の動作を操作する副成分信号を解釈する脳‐コンピュータインタフェースを用いた幅広い装備及びツールを精神的に操作することが可能な、身体に障害を有する個人を支援するのに使用できる。装置の動作としては、例えば、車椅子の移動及び監視や、義肢の動作等が挙げられる。

他の実施例において、検出された脳系多成分信号から抽出された脳波及び眼球運動副成分信号は、広告又はメディアプログラミング評価のために監視できる。

他の実施例において、ユーザは、そのユーザの脳波を変更できるように訓練することによって、検出された脳系多成分信号から抽出された副成分信号を中央コンピュータに送信して、携帯電話やビデオゲームコンソール、テレビ、音楽システム又はＤＶＤプレイヤーを自動的に制御したり、部屋の温度設定を変更したり、アラームシステムを制御したり、台所の電化製品を制御したり、自動車のコンピュータシステムを制御したりできる。例えば、検出された脳系多成分信号から抽出された副成分信号は、呼吸、眼球運動及び他の有用なパラメータに関連する副成分信号を監視することによって、モータ車両のオペレータの眠気や鎮静剤又は薬物関連障害を検出するのに使用できる。この用途のための装置は、車載コンピュータを介して脳系多成分信号を収集及び処理するノーズクリップ、マウスピース又はそれらの組み合わせの形態とすることができ、運転手が運転している最中に眠くなったり寝てしまったりした時に、車載コンピュータがアラームシステムを起動して、通知又は警告を発行するようにできる。

他の実施例において、装置は、検出された脳系多成分信号から抽出された眼球運動及び他の生体信号等の副成分信号を利用して、自動車や飛行機等の機械を、思考制御を用いて、特に複雑で迅速且つ緊急の動作を行うように制御することができる。例えば、一用途として、戦闘・ドローンパイロットの反応時間を向上し、高性能又は戦時状況下の航空機の制御を支援することができる。

本システムの代替の実施例において、システムのセンサ及び／又は他の構成要素は、軟口蓋又は歯茎等の軟組織内に植設してもよいし、あるいは、歯又は歯科インプラント内に植設してもよい。あるいは第３の代替例として、口腔以外の身体の部分に植設してもよい。例えば、本システムのセンサ及び／又は他の構成要素は、軟口蓋内に植設して、装置内部の圧電材料を介して自己発電させることができる。あるいは、他の例において、本システムのセンサ及び／又は他の構成要素は、皮膚の裏側に植設して、誘導的に、容量的に、光学的に又は他の変更方法で周期的に変化させてもよい。

他の代替の実施例において、本システムのセンサ及び／又は他の構成要素は、スイマーや水中ダイバーのマウスピース内に位置付けてもよい。

第３の代替の実施例において、本システムのセンサ及び／又は他の構成要素は、個人の鼻孔内に快適に載置できるように設計されたノーズクリップに取り付けてもよい。

本明細書で説明した実施例の多くは、口腔への用途を説明しているが、本明細書で説明したシステム及び方法は、身体の開口又は切開部を通じてアクセス可能な他の内部組織に適用してもよい。

上述の明細書において、様々な好適な例示的な実施例を添付の図面を参照して説明してきた。しかしながら、それらに対して様々な変形又は変更を行ってもよいこと、また、特許請求の範囲に記載された本発明のより広い範囲から逸脱することなく追加の例示的な実施例を実施してもよいことは明らかであろう。従って、本明細書及び図面は、限定的な意味ではなく例示的なものとしてみなされるべきである。

Claims (18)

1. 身体活動を監視するシステムであって、鼻より下位の体内の生体組織と、口の内側の硬口蓋と、口の内側の歯茎と、鼻の内側の鼻孔との一つとの接触を維持するように構成された少なくとも１つのセンサを含む身体取付装置と、
   多成分脳系生体信号を特定して、副成分信号に分割するようにプログラムされた前記少なくとも１つのセンサに動作的に連結される信号プロセッサであって、前記副成分信号を測定し、前記副成分信号を異なる身体活動と関連づけるように、さらにプログラムされる、信号プロセッサと、
   前記信号プロセッサによって、前記副成分信号から決定される１以上の身体活動の測定に応じて、前記装置の機能、及び前記装置の表示の少なくとも１つを変更するために、前記信号プロセッサからの指示を受信するように機能的に接続される電子的な身体監視装置と、
   を備えるシステム。
2. 前記少なくとも１つのセンサは、生体電位信号電極と、生体電位基準電極とを備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電極の少なくもと１つは、導電性生体適合性金属と、前記導電性生体適合性金属に接続される導電性ケーブルとを備える、請求項２に記載のシステム。
4. 前記電極の少なくとも１つは、サーミスタと、発泡材のカバーとを備える、請求項３に記載のシステム。
5. 前記信号プロセッサは、バンドバスフィルタを含むようにプログラムされる、請求項１に記載のシステム。
6. 前記身体活動は、１以上の心臓の活動、眼球の活動、及び呼吸の活動を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記少なくとも１つのセンサは凸状である、請求項１に記載のシステム。
8. 前記少なくとも１つのセンサは凹状である、請求項１に記載のシステム。
9. 少なくとも２つの電極は、眼球運動の検出を高めるように、硬口蓋の左側部及び右側部に配置される請求項２に記載のシステム。
10. 前記身体取付装置は、歯に取り付けるように構成されるマウスガードを含む、請求項１に記載のシステム。
11. 前記身体取付装置は、硬口蓋又は歯茎に押圧するような前記少なくとも１つのセンサにばね力を提供する柔軟なセンササポートを含む、請求項１に記載のシステム。
12. 前記柔軟なセンササポートは、舌運動アーチファクト、及び電気的双極子アーチファクトの１つ、又は両方を防ぐような機械的、及び電気的な遮蔽として構成される、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記身体取付装置は、１以上の歯、歯茎、硬口蓋に取り付けるように構成される粘着性ストリップを備える薄い可撓性材料を含む、請求項１に記載のシステム。
14. 前記信号プロセッサは、前記少なくとも１つのセンサに動作的に連結される無線発信機への無線接続を含む、請求項１に記載のシステム。
15. 前記信号プロセッサは、スマートフォン又は携帯機器を備える、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記電子的な身体監視装置は、睡眠時無呼吸モニタである、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記信号プロセッサは、前記身体取付装置に組み込まれたマイクロプロセッサチップを備える、請求項１に記載の装置。
18. 前記複数の副成分信号からのデータを保存する、前記身体取付装置に組み込まれたデータ記憶メモリと、前記信号プロセッサが備える、前記データ記憶メモリに連通される外部処理装置とをさらに備える、請求項１に記載のシステム。