JP6544142B2 - 脳波信号処理装置、脳波信号処理方法、プログラム、及び記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、脳波信号を処理する脳波信号処理装置及び脳波信号処理方法に関する。また、コンピュータをそのような脳波信号処理装置として機能させるためのプログラム、及び、そのようなプログラムが記録された記録媒体に関する。

脳の各部の活動は、振動子と見做すことができ、このとき、脳の高次機能は、これらの振動子の間の位相同期現象と見做すことができる。このことは、例えば、画面の左上と右下とにボールが配置された第１の画像と、画面の右上と左下とにボールが配置された第２の画像とを、アニメーションとして被験者に交互に提示することにより確かめられる（非特許文献１）。

実際、これらの画像を見ている被験者の脳波を観察すると、「上下に並んだ２つのボールが逆位相で水平に移動している」という認識が生じるのと同時に、右脳の活動を示す脳波（以下「右脳波」とも記載）と左脳の活動を示す脳波（以下「左脳波」とも記載）との間に位相同期が生じていることが確かめられる。これは、第１の画像において画面の左上に配置されたボール（右脳により認知情報処理される）と第２の画像において画面の右上に配置されたボール（左脳により認知情報処理される）とを同一視するという脳の高次機能が、上述した位相同期現象として捉え得ることの証左に他ならない。

また、脳卒中患者の脳波を観察することによっても、同様のことが確かめられる。すなわち、脳の高次機能に障害のある脳卒中患者の脳波を観察すると、健常者の脳波と比べて右脳波と左脳波との間で位相同期が生じ難いことが分かる。また、脳卒中患者の右脳波と左脳波とに関して、罹患直後の位相同期の生じ易さとリハビリテーションの有効性との間に有意な相関が存在するという研究成果が報告されている（非特許文献２）。

Michael Rose、外１名、" Neural Coupling Binds Visual Tokens to Moving Stimuli"、The Journal of Neuroscience、２００５年１１月２日、25（44）、p.10101-10104 Wenqing Wu、外６名、"Impaired neuronal synchrony after focalischemic stroke in elderly patients"、Clinical Neurophysiology、ELSEVIER、２０１０年６月２９日オンライン公開、122(2011)、p.21-26

非特許文献２において報告されている研究成果は、右脳波と左脳波との間の位相同期が生じ易い状態に至らしめることによって、脳卒中患者に対するリハビリテーション効果を増進し得ることを示唆している。

また、本願の発明者らの近時の研究により、被験者の頭部の異なる位置で検出された脳波信号間の位相同期の程度が、脳卒中や脳梗塞などの脳疾患患者の、ＦＩＭ（FunctionalIndependence Measure）やＮＩＨＳＳ（NIH stroke scale）などの病態指標と相関することが分かってきた。つまり、被験者の頭部の異なる位置で検出された脳波信号間の位相同期が生じ易い状態に至らしめることによっても、リハビリテーション効果が得られると考えられる。

さらに、本願の発明者らの近時の研究により、健常者では脳内の情報伝達が左半球と右半球とで概ね対称となるのに対し、脳疾患患者では非対称となることも分かってきた。つまり、脳内の情報伝達が対称となり易い状態に至らしめることによっても、リハビリテーション効果が得られると考えられる。

しかしながら、このような状態を実現すべく、脳疾患患者が自身の脳をトレーニングする方法は知られていない。また、このような状態を実現すべく、施術者が脳疾患患者の脳をトレーニングする方法も知られていない。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、脳疾患患者の病状を改善させるような脳の使い方のトレーニングに利用可能な脳波信号処理装置等を実現することにある。

なお、本発明の用途は、脳疾患患者に対するリハビリテーション効果の増進に限定されない。例えば、健常者に対する脳の高次機能強化、あるいは位相同期の程度や脳内の情報伝達の対称性をコントロールさせるゲーム等にも本発明を適用可能である。

本発明に係る脳波信号処理装置は、上記の目的を達成するために、被験者の脳波を表す脳波信号を逐次取得して処理する脳波信号処理装置であって、上記被験者の頭部の第１位置における脳波信号と、該被験者の頭部の第２位置における脳波信号との位相同期の程度を示す位相同期指数を遂次算出する位相同期指数算出手段と、上記位相同期指数算出手段にて遂次算出された位相同期指数に応じた信号、又は、上記位相同期指数算出手段にて遂次算出された位相同期指数の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記位相同期指数に連動して変化する刺激を上記被験者に与える信号生成手段と、を備え、上記第１位置及び上記第２位置は、（１）上記被験者の頭部左半球上の互いに異なる２つの位置、（２）上記被験者の頭部右半球上の互いに異なる２つの位置、又は、（３）上記被験者の頭部正中線上の位置、及び、当該位置と異なる上記被験者の頭部上の位置である、ことを特徴とする。

また、本発明に係る脳波信号処理方法は、上記の目的を達成するために、脳波信号処理装置が被験者の脳波を表す脳波信号を逐次取得して処理する脳波信号処理方法であって、上記脳波信号処理装置が、上記被験者の頭部の第１位置における脳波信号と、該被験者の頭部の第２位置における脳波信号との位相同期の程度を示す位相同期指数を遂次算出する位相同期指数算出ステップと、上記脳波信号処理装置が、上記位相同期指数算出ステップにて遂次算出された位相同期指数に応じた信号、又は、上記位相同期指数算出ステップにて遂次算出された位相同期指数の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記位相同期指数に連動して変化する刺激を上記被験者に与える信号生成ステップと、を含み、上記第１位置及び上記第２位置は、（１）上記被験者の頭部左半球上の互いに異なる２つの位置、（２）上記被験者の頭部右半球上の互いに異なる２つの位置、又は、（３）上記被験者の頭部正中線上の位置、及び、当該位置と異なる上記被験者の頭部上の位置である、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、逐次取得された脳波信号間の位相同期の程度、特に各種病態指標との間に有意な相関が認められるＬＨＰＳ（Left Hemispheric Phase Synchronization：左半球内位相同期）、ＲＨＰＳ（Right Hemispheric Phase Synchronization：右半球内位相同期）、又はＣＰＳ（Central Phase Synchronization：正中位相同期）を、被験者にフィードバックして認識させることができる。これにより、上記被験者は、脳波信号間の位相同期の程度が高くなるように、自身の脳を自身の意思で制御することが可能になる。そして、このような制御を繰り返すことによって、上記被験者は、脳波信号間の位相同期が生じ易くなるよう、自身の脳をトレーニングすることが可能になる。

本発明に係る他の脳波信号処理装置は、上記の目的を達成するために、被験者の頭部右半球および左半球のそれぞれにおいて複数の箇所で検出された各脳波信号を逐次取得して処理する脳波信号処理装置であって、上記各脳波信号から遂次算出された、当該各脳波信号間の位相同期の程度を示す位相同期指数から、上記脳波信号の各検出箇所の、上記被験者の脳内の情報伝達における相対的な重要度を示す重要度指標を逐次算出する重要度指標算出手段と、上記被験者の頭部における上記重要度指標の分布から、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示す対称性指標を逐次算出する対称性指標算出手段と、上記対称性指標算出手段にて逐次算出された上記対称性指標に応じた信号、又は、上記対称性指標算出手段にて逐次算出された上記対称性指標の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記対称性指標に連動して変化する刺激を上記被験者に与える信号生成手段と、を備えている。

また、本発明に係る他の脳波信号処理方法は、上記の目的を達成するために、脳波信号処理装置が被験者の頭部右半球および左半球のそれぞれにおいて複数の箇所で検出された各脳波信号を逐次取得して処理する脳波信号処理方法であって、脳波信号処理装置が、上記各脳波信号から遂次算出された、当該各脳波信号間の位相同期の程度を示す位相同期指数から、上記脳波信号の各検出箇所の、上記被験者の脳内の情報伝達における相対的な重要度を示す重要度指標を逐次算出する重要度算出ステップと、脳波信号処理装置が、上記被験者の頭部における上記重要度指標の分布から、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示す対称性指標を逐次算出する対称性指標算出ステップと、脳波信号処理装置が、上記対称性指標算出ステップにて逐次算出された上記対称性指標に応じた信号、又は、上記対称性指標算ステップにて逐次算出された上記対称性指標の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記対称性指標に連動して変化する刺激を上記被験者に与える信号生成ステップと、を含む。

上記の構成によれば、被験者の頭部右半球および左半球の複数の箇所で検出された各脳波信号を各脳波信号から遂次算出された、当該各脳波信号間の位相同期の程度を示す位相同期指数から、各検出箇所の重要度指標を逐次算出する。なお、位相同期の程度が高い検出位置の組合せは、脳内の情報伝達において相対的に重要度が高いと言えるため、位相同期指数から上記の重要度指標を算出することができる。

そして、上記の構成によれば、被験者の頭部における上記重要度指標の分布から、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性を示す対称性指標を逐次算出する。なお、上記「分布」は、頭部における位置の分布である。

ここで、上述のように、健常者の脳内における情報伝達は左右の半球間で対称となるが、脳疾患患者では非対称となる。このため、上記の対称性指標は、左半球内の位相同期指数と同様に、被験者の脳のトレーニングに利用することができる。

すなわち、上記のようにして算出した対称性指標に連動して変化する刺激を被験者に与えることにより、対称性指標が大きくなるように（脳内の情報伝達が対称に近付くように）、当該被験者に自分の意思で脳を制御させることができる。そして、このような制御を繰り返すことによって、上記被験者は、脳内の情報伝達が両半球で対称に行われるように、自身の脳をトレーニングすることが可能になる。

本発明によれば、脳波信号間の位相同期が生じ易くなるように、又は脳内の情報伝達が両半球で対称に行われるように、被験者が自身の脳をトレーニングすることが可能になる。

本発明の一実施形態に係る脳波信号処理装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す脳波信号処理装置の一変形例を示すブロック図である。 図１に示す脳波信号処理装置が表示させる映像の内容を示す図である。 図１に示す脳波信号処理装置として機能するコンピュータの構成を示すブロック図である。 縦軸をＬＨＰＳとし、横軸をＦＩＭｔとして実験結果をプロットしてＰＳＩとＦＩＭｔの相関を示した図である。 縦軸をＬＨＰＳとし、横軸をＮＩＨＳＳとして実験結果をプロットしてＰＳＩとＮＩＨＳＳの相関を示した図である。 複数の脳梗塞患者について調べた、ＦＩＭｔおよびＬＨＰＳの変化を示す図である。 ある母集団（脳梗塞患者集団）に関し、α帯における各種同期指標と各種病態指標との相関を示すｐ値を一覧で示した図である。 別の母集団（脳梗塞患者集団）に関し、α帯における各種同期指標と各種病態指標との相関を示すｐ値を一覧で示した図である。 （ａ）は、左半球病変患者に関し、α帯における各種同期指標と各種病態指標との相関を示すｐ値を一覧で示した図である。（ｂ）は、右半球病変患者に関し、α帯における各種同期指標と各種病態指標との相関を示すｐ値を一覧で示した図である。 別の母集団（脳梗塞患者集団）に関し、β１帯における各種同期指標と各種病態指標との相関を示すｐ値を一覧で示した図である。 （ａ）は、左半球病変患者に関し、β１帯における各種同期指標と各種病態指標との相関を示すｐ値を一覧で示した図である。（ｂ）は、右半球病変患者に関し、β１帯における各種同期指標と各種病態指標との相関を示すｐ値を一覧で示した図である。 右半球病変患者に関し、（ａ）は、同期指標ＲＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｍ、及び病変体積ＬＶの間の偏相関の有意性を示すｐ値を一覧で示した図であり、（ｂ）は、同期指標ＩＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｍ、及び病変体積ＬＶの間の偏相関の有意性を示すｐ値を一覧で示した図であり、（ｃ）は、同期指標ＬＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｍ、及び病変体積ＬＶの間の偏相関の有意性を示すｐ値を一覧で示した図であり、（ｄ）は、同期指標ＲＨＰＳ、ＩＨＰＳ、及びＬＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｍ、並びに病変体積ＬＶの関係を表す模式図である。 左半球病変患者に関し、（ａ）は、同期指標ＬＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｍ、及び病変体積ＬＶの間の偏相関の有意性を示すｐ値を一覧で示した図であり、（ｂ）は、同期指標ＬＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｃ、及び病変体積ＬＶの間の偏相関の有意性を示すｐ値を一覧で示した図であり、（ｃ）は、同期指標ＬＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｍ、及びＦＩＭｃ、並びに病変体積ＬＶの関係を表す模式図である。 上記脳波信号処理装置の実行する処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る脳波信号処理装置の要部構成を示すブロック図である。 頭部における脳波信号の計測位置を示す図である。 健常者と、病態指標の異なる３名の患者の重要度の空間分布を示した図である。 各被験者の重要度の平均値の分布を示す図である。 左半球に損傷のある複数の被験者の重要度の平均値の分布と、右半球に損傷のある複数の被験者の重要度の平均値の分布とを示す図である。 左半球に損傷のある被験者のうち特にＦＩＭｔが低かった複数の被験者の重要度の平均値の分布と、右半球に損傷のある被験者のうち特にＦＩＭｔが低かった複数の被験者の重要度の平均値の分布とを示す図である。 正中面に対して対称な位置の電極間における重要度の左右差を平均して正規化した値を縦軸とし、横軸をＦＩＭｔとして実験結果をプロットし、対称性指標とＦＩＭの相関を示した図である。 Ｆ４−Ｆ３間における重要度の差を縦軸とし、横軸をＦＩＭｔとして実験結果をプロットした図である。 Ｃ４−Ｃ３間における重要度の差を縦軸とし、横軸をＦＩＭｔとして実験結果をプロットした図である。 重要度ベクトルの内積を縦軸とし、横軸をＦＩＭｔとして実験結果をプロットした図である。 上記脳波信号処理装置の実行する脳波信号処理方法の一例を示すフローチャートである。

〔実施形態１〕
本発明に係る脳波信号処理装置の一実施形態について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、以下の説明において、２つの量が「同程度」であるとは、それら２つの量のオーダーが一致すること、別の言い方をすれば、大きい方の量が小さい方の量の１０倍以下であることを指す。

〔脳波信号処理装置の構成〕
本実施形態に係る脳波信号処理装置１の構成について、図１を参照して説明する。

図１は、脳波信号処理装置１の構成を示すブロック図である。脳波信号処理装置１は、被験者のＬＨＰＳ（Left Hemispheric Phase Synchronization：左半球内位相同期）、ＲＨＰＳ（Right Hemispheric Phase Synchronization：右半球内位相同期）、又は、ＣＰＳ（Central Phase Synchronization：正中位相同期）を該被験者にフィードバックするための装置であり、図１に示すように、脳波信号取得部１１と、第１瞬時位相特定部（瞬時位相特定手段）１２Ａと、第２瞬時位相特定部（瞬時位相特定手段）１２Ｂと、位相同期指数算出部（位相同期指数算出手段）１３と、映像信号生成部（信号生成手段）１４とを備えている。

脳波信号取得部１１は、被験者の頭部の第１位置で計測された脳波を表す脳波信号Ｘ１と、該被験者の頭部の第１位置とは異なる第２位置で計測された脳波を表す脳波信号Ｘ２とを、脳波信号処理装置１に接続された外部装置（脳波計など）から取得するための構成である。脳波信号取得部１１にて取得された脳波信号Ｘ１及び脳波信号Ｘ２は、それぞれ、第１瞬時位相特定部１２Ａ及び第２瞬時位相特定部１２Ｂに渡される。

なお、脳波信号Ｘ１の供給源としては、例えば、上記被験者の頭部の第１位置に貼付された電極が挙げられる。この場合、脳波信号取得部１１は、上記外部装置により検出されたこの電極の電位を予め定められたサンプリング周期Δｔでサンプリングすることによって、上記被験者の脳波を表す脳波信号Ｘ１を得る。サンプリング周期Δｔは、例えば、１ｍ秒以上４ｍ秒以下に設定すればよい（本実施形態においてはΔｔ＝１ｍ秒とする）。時刻ｔにおいてサンプリングされた脳波信号Ｘ１の値を、以下ではＸ１（ｔ）と記載する。

また、脳波信号Ｘ２の供給源としては、例えば、上記被験者の頭部の第２位置に貼付された電極が挙げられる。この場合、脳波信号取得部１１は、上記外部装置により検出されたこの電極の電位を上記サンプリング周期Δｔでサンプリングすることによって、上記被験者の脳波を表す脳波信号Ｘ２を得る。時刻ｔにおいてサンプリングされた脳波信号Ｘ２の値を、以下ではＸ２（ｔ）と記載する。

ＬＨＰＳを被験者にフィードバックする場合、脳波信号取得部１１は、該被験者の頭部右半球上の２点（第１位置及び第２位置）で計測された脳波を表す脳波信号Ｘ１，Ｘ２を取得する。また、ＲＨＰＳを被験者にフィードバックする場合、脳波信号取得部１１は、該被験者の頭部左半球上の２点（第１位置及び第２位置）で計測された脳波を表す脳波信号Ｘ１，Ｘ２を取得する。また、ＣＰＳを被験者にフィードバックする場合、脳波信号取得部１１は、該被験者の頭部正中線上の２点（第１位置及び第２位置）で計測された脳波を表す脳波信号Ｘ１，Ｘ２を取得する。

第１瞬時位相特定部１２Ａは、脳波信号Ｘ１から瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）を逐次特定（リアルタイム特定）するための構成である。ここで、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）とは、脳波信号Ｘ１に含まれる成分波のうち、ターゲット周波数ｆを有する成分波Ｘ１ｆの時刻ｔにおける位相のことを指す。このターゲット周波数ｆは、操作者等により指定された周波数である。例えば、ターゲット周波数ｆとして１０Ｈｚが指定されている場合、第１瞬時位相特定部１２Ａにて特定された瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）は、第１位置の近傍におけるα波の位相を示すことになる。第１瞬時位相特定部１２Ａにて特定された瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）は、図１に示すように、位相同期指数算出部１３に渡される。

第２瞬時位相特定部１２Ｂは、脳波信号Ｘ２から瞬時位相φ２（ｆ，ｔ）を逐次特定するための構成である。ここで、瞬時位相φ２（ｆ，ｔ）とは、脳波信号Ｘ２に含まれる成分波のうち、ターゲット周波数ｆを有する成分波Ｘ２ｆの時刻ｔにおける位相のことを指す。第２瞬時位相特定部１２Ｂにて特定された瞬時位相φ２（ｆ，ｔ）は、図１に示すように、位相同期指数算出部１３に渡される。

なお、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）の特定には、公知の方法を利用すればよい。瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）の特定に利用し得る公知の方法としては、例えば、Morlet Waveletとの畳み込み積分を行う方法が挙げられる。Morlet Waveletとの畳み込み積分を行う場合、第１瞬時位相特定部１２Ａは、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）を特定するために、時刻ｔ１＝ｔ−Δｔ×（Ｍ−１）／２から時刻ｔＭ＝ｔ＋Δｔ×（Ｍ−１）／２までの各サンプリングタイミングｔｉにおいてサンプリンリングされたＭ個の脳波信号Ｘ１の値Ｘ１（ｔ１），…，Ｘ１（ｔＭ）を参照する（簡単のためにＭを奇数と仮定）。このため、脳波信号処理装置１は、少なくともＭ個の脳波信号Ｘ１の値を保持する不図示のバッファを備えており、脳波信号取得部１１から第１瞬時位相特定部１２Ａへの脳波信号Ｘ１の供給は、このバッファを介して行われることになる。瞬時位相φ２（ｆ，ｔ）の特定に関しても、同様のことが言える。

また、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）の特定に用いるウィンドウ幅ｔＭ−ｔ１＝Δｔ×（Ｍ−１）をＴとし、Ｘ１（ｔ１），…，Ｘ１（ｔＭ）から瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）を算出するために要する計算時間をτとすると、脳波信号Ｘ１（ｔ）のサンプリングを完了してから、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）の特定を完了するまでに、少なくとも時間Ｔ／２＋τを要することになる。なお、ウィンドウ幅Ｔは、通常、ターゲット周波数ｆに対応する周期（１／ｆ）の３倍以上８倍以下に設定される。したがって、例えば、ターゲット周波数ｆが２０Ｈｚの場合、ウィンドウ幅Ｔは１５０ｍ秒以上４００ｍ秒以下となる。

本実施形態において、第１瞬時位相特定部１２Ａは、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）を最少所要時間Ｔ／２＋τで特定する。すなわち、脳波信号Ｘ１の値Ｘ１（ｔ）のサンプリングを完了してから、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）の特定を完了するまでの遅延δは、最小所要時間Ｔ／２＋τとなる。ただし、脳波信号Ｘ１の値Ｘ１（ｔ）のサンプリングを完了してから、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）の特定を完了するまでの遅延δは、最小所要時間Ｔ／２＋τと同程度であれば、本発明の目的を達成するのに十分である。本明細書において、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）の特定が逐次特定（リアルタイム特定）であるとは、上記の遅延δがτ＋Ｔ／２と同程度であることを意味する。第２瞬時位相特定部１２Ｂによる瞬時位相φ２（ｆ，ｔ）の特定に関しても、同様のことが言える。

位相同期指数算出部１３は、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）及び瞬時位相φ２（ｆ，ｔ）から、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）を逐次算出（リアルタイム算出）するための構成である。ここで、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）とは、脳波信号Ｘ１（より正確にはその成分波Ｘ１ｆ）と脳波信号Ｘ２（より正確にはその成分波Ｘ２ｆ）との時刻ｔにおける位相同期の程度を示す指標となる数値のことを指す。位相同期指数算出部１３にて算出された位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）は、図１に示すように、映像信号生成部１４に渡される。

本実施形態において、位相同期指数算出部１３は、以下の式により定義される位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）を算出するために、時刻ｔ’１＝ｔ−Δｔ×（Ｎ−１）／２から時刻ｔ’Ｎ＝ｔ＋Δｔ×（Ｎ−１）／２までの各サンプリングタイミングｔ’ｉに対応するＮ対の瞬時位相｛φＲ（ｆ，ｔ’１），φＬ（ｆ，ｔ’１）｝，…，｛φＲ（ｆ，ｔ’Ｎ），φＬ（ｆ，ｔ’Ｎ）｝を参照する（簡単のためにＮを奇数と仮定）。なお、以下の式において、θ（ｆ，ｔ’ｉ）は、θ（ｆ，ｔ’ｉ）＝φＲ（ｆ，ｔ’ｉ）−φＬ（ｆ，ｔ’ｉ）により定義される位相差である。

位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）を上記のように定義すれば、時刻ｔにおいて脳波信号Ｘ１と脳波信号Ｘ２の位相が完全に同期しているとき、ＰＳＩ（ｆ，ｔ）＝１となり、時刻ｔにおいて脳波信号Ｘ１と脳波信号Ｘ２の位相が全く同期していないとき、ＰＳＩ（ｆ，ｔ）＝０となる。したがって、上記のように定義された位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）は、脳波信号Ｘ１と脳波信号Ｘ２との位相同期の程度を示す適切な指標となる。

脳波信号取得部１１が該被験者の頭部右半球上の２点で計測された脳波を表す脳波信号Ｘ１，Ｘ２を取得する構成を採用した場合、位相同期指数算出部１３が算出するＰＳＩ（ｆ，ｔ）は、ＬＨＰＳの指標として用いることができる。なお、ＬＨＰＳは、頭部左半球上に配置されたＮ対の電極について、各対の電極で測定した脳波間の位相同期指数の平均値により定義される。したがって、上記構成を採用した場合に位相同期指数算出部１３が算出するＰＳＩ（ｆ，ｔ）は、Ｎ＝１の場合のＬＨＰＳと見做すこともできるし、Ｎ≧２の場合のＬＨＰＳを構成する量と見做すこともできる。

また、脳波信号取得部１１が該被験者の頭部左半球上の２点で計測された脳波を表す脳波信号Ｘ１，Ｘ２を取得する構成を採用した場合、位相同期指数算出部１３が算出するＰＳＩ（ｆ，ｔ）は、ＲＨＰＳの指標として用いることができる。なお、ＲＨＰＳは、頭部右半球上に配置されたＮ対の電極について、各対の電極で測定した脳波間の位相同期指数の平均値により定義される。したがって、上記構成を採用した場合に位相同期指数算出部１３が算出するＰＳＩ（ｆ，ｔ）は、Ｎ＝１の場合のＲＨＰＳと見做すこともできるし、Ｎ≧２の場合のＲＨＰＳを構成する量と見做すこともできる。

また、脳波信号取得部１１が該被験者の頭部正中線上の１点と、この点とは異なる該被験者の頭部右半球、左半球、又は正中線上の１点で計測された脳波を表す脳波信号Ｘ１，Ｘ２を取得する構成を採用した場合、位相同期指数算出部１３が算出するＰＳＩ（ｆ，ｔ）は、ＣＰＳの指標として用いることができる。なお、ＣＰＳは、一方が頭部正中線上に配置され、他方が頭部左半球、右半球、又は正中線上に配置されたＮ対の電極について、各対の電極で測定した脳波間の位相同期指数の平均値により定義される。したがって、上記構成を採用した場合に位相同期指数算出部１３が算出するＰＳＩ（ｆ，ｔ）は、Ｎ＝１の場合のＣＰＳと見做すこともできるし、Ｎ≧２の場合のＣＰＳを構成する量と見做すこともできる。

なお、位相同期指数算出部１３は、上述したように、時刻ｔにおける位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）を算出するためにＮ対の瞬時位相を参照する。このため、脳波信号処理装置１は、少なくともＮ個の瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）を保持する不図示のバッファを備えており、第１瞬時位相特定部１２Ａから位相同期指数算出部１３への瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）の供給は、このバッファを介して行われることになる。同様の理由により、脳波信号処理装置１は、少なくともＮ個の瞬時位相φ２（ｆ，ｔ）の値を保持する不図示のバッファを備えており、第２瞬時位相特定部１２Ｂから位相同期指数算出部１３への瞬時位相φ２（ｆ，ｔ）の供給は、このバッファを介して行われることになる。

また、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）の算出に用いるウィンドウ幅ｔ’Ｎ−ｔ’１＝Δｔ×（Ｎ−１）をＴ’とし、｛φＲ（ｆ，ｔ’１），φＬ（ｆ，ｔ’１）｝，…，｛φＲ（ｆ，ｔ’Ｎ），φＬ（ｆ，ｔ’Ｎ）｝から位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）を算出するために要する時間をτ’とすると、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ），φ２（ｆ，ｔ）の特定を完了してから、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）の算出を完了するまでに、少なくとも時間Ｔ'／２＋τ'を要することになる。なお、ウィンドウ幅Ｔ’は、通常、ターゲット周波数ｆに対応する周期（１／ｆ）の３倍以上８倍以下に設定する。したがって、例えば、ターゲット周波数ｆが２０Ｈｚの場合、ウィンドウ幅Ｔ’は１５０ｍ秒以上４００ｍ秒以下となる。

本実施形態において、位相同期指数算出部１３は、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）を最少所要時間Ｔ／２＋τで算出する。すなわち、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ），φ２（ｆ，ｔ）の特定を完了してから、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）の算出を完了するまでの遅延δ’は、最小所要時間Ｔ’／２＋τ’となる。ただし、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ），φ２（ｆ，ｔ）の特定を完了してから、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）の算出を完了するまでの遅延δ’は、最小所要時間Ｔ’／２＋τ’と同程度であれば、本発明の目的を達成するのに十分である。本明細書において、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）の算出が逐次算出（リアルタイム算出）であるとは、上記の遅延δ’が最小所要時間Ｔ’／２＋τ’と同程度であることを意味する。

なお、位相同期指数算出部１３による位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）の算出は、Δｔ（サンプリング周期）毎に実行してもよいし、Ｔ’（ウインドウ幅）毎に実行してもよいし、Ｔ’／２毎に実行してもよい。位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）の算出をＴ’又はＴ’／２毎に実行する構成を採用することによって、計算負荷を低下させることができる。

映像信号生成部１４は、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）から、その内容が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動して変化する映像を表す映像信号を生成する。映像信号生成部１４にて生成された映像信号は、脳波信号処理装置１に接続又は内蔵されたディスプレイに供給される。なお、映像信号生成部１４にて生成された映像信号が表す映像の内容については、参照する図面を変えて後述する。

脳波信号処理装置１に接続又は内蔵されたディスプレイは、映像信号生成部１４にて生成された映像信号が表す映像、すなわち、その内容が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動して変化する映像を被験者に提示する。換言すれば、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動して変化する視覚刺激を被験者に与える刺激付与装置として機能する。これにより、被験者のＬＨＰＳ、ＲＨＰＳ、又はＣＰＳを当該被験者にフィードバックするリアルタイムなフィードバックループが形成される。

なお、脳波信号処理装置１においては、脳波信号Ｘ１，Ｘ２の値Ｘ１（ｔ），Ｘ２（ｔ）のサンプリングを完了してから、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ），φ２（ｆ，ｔ）の特定を完了するまでの遅延δが、最小所要時間Ｔ／２＋τ（瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）の特定と瞬時位相φ２（ｆ，ｔ）の特定とがパラレルに実行される場合）又はＴ／２＋２×τ（瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）の特定と瞬時位相φ２（ｆ，ｔ）の特定とがシリアルに実行される場合）となる。また、脳波信号処理装置１においては、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ），φ２（ｆ，ｔ）の特定を完了してから、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）の算出を完了するまでの遅延δ’が、最小所要時間Ｔ’／２＋τ’となる。したがって、映像信号の生成及び出力に要する時間を無視すれば、脳波信号Ｘ１と脳波信号Ｘ２との間の位相同期の程度が変化してから、その変化が被験者に提示される映像に反映されるまでの遅延（以下、「脳波信号処理装置１の応答時間」と記載する）は、Ｔ／２＋τ＋Ｔ’／２＋τ’又はＴ／２＋２×τ＋Ｔ’／２＋τ’となる。これにより、脳波信号処理装置１の応答時間を、トレーニングの効果が得られる程度に十分に短い時間とすることができる。すなわち、上述したフィードバックをよりリアルタイムなものにして、トレーニングの効果を高めることができる。例えば、ウィンドウ幅Ｔ，Ｔ’をＴ＝Ｔ’＝４００ｍ秒とすると、計算時間τ，τ’がウィンドウ幅Ｔ，Ｔ’に比べて十分に小さい場合、脳波信号処理装置１の応答時間は、４００ｍ秒程度になる。

脳波信号処理装置１の応答時間が１５秒以下であれば、被験者は、自身の脳波の位相同期の程度を略リアルタイムに知ることができ、これにより、自身の脳波の位相同期の程度を自身の意思で制御することが可能になる。本明細書において、フィードバックがリアルタイムであるとは、脳波信号処理装置１の応答時間が１５秒以下であることを意味する。なお、（１）各時刻ｔにおける位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に応じた刺激を、時刻ｔ＋Δにおいて被験者に付与する態様であっても、（２）時刻ｔ０から時刻ｔ０＋Δまでの各時刻ｔにおける位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）の平均値に応じた刺激を、時刻ｔ０＋Δｎおいて被験者に付与する態様であっても、Δが１５秒以下であればリアルタイムなフィードバックと見做す。

なお、脳波信号処理装置１の応答時間を短くすれば短くするほど、フィードバックのリアルタイム性が高くなり、被験者は、自身の脳の位相同期の程度を自身の意思で制御することが容易になる。したがって、例えば、脳波信号処理装置１の応答時間を５秒以下、４秒以下、３秒以下、２秒以下、又は１秒以下とする構成が可能であり、後者の構成ほど効果が高くなることが予想される。

〔変形例〕
図１に示す脳波信号処理装置１においては、Morlet Waveletとの畳み込み積分によって、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ），φ２（ｆ，ｔ）を特定する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、周波数フィルタを通した後にヒルベルト変換を用いた解析信号化を行うことによって、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ），φ２（ｆ，ｔ）を特定する構成を採用してもよい。

また、図１に示す脳波信号処理装置１においては、脳波信号Ｘ１，Ｘ２に含まれる特定周波数の成分波Ｘ１ｆ，Ｘ２ｆの瞬時位相φ１（ｆ，ｔ），φ２（ｆ，ｔ）に基づいて位相同期指数ＰＳＩ（ｆ,ｔ）を算出する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、全周波数成分を含む脳波信号Ｘ１，Ｘ２自体の瞬時位相φ１（ｔ），φ２（ｔ）に基づいて位相同期指数ＰＳＩ（ｔ）を算出する構成を採用してもよい。つまり、「脳波信号の瞬時位相」の表現は、特定周波数の瞬時位相φ１（ｆ，ｔ），φ２（ｆ，ｔ）、及び周波数を特定しない瞬時位相φ１（ｔ），φ２（ｔ）の何れかを指し、前者に限定されない点に留意されたい。

また、図１に示す脳波信号処理装置１においては、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動して変化する視覚刺激を被験者に与える刺激付与装置（例えば、表示装置）に供給する映像信号を生成する構成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動して変化する刺激を被験者に与える刺激付与装置に供給する信号を生成する構成であれば、どのような構成にでも置き換えることができる。

例えば、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動して変化する聴覚刺激を被験者に与える刺激付与装置に供給する音声信号を生成する構成に置き換えることができる。聴覚刺激を被験者に与える刺激付与装置としては、例えば、スピーカなどが挙げられる。刺激付与装置を介して被験者に与えられる聴覚刺激は、その音量を位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動するものであってもよいし、その音程が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動するものであってもよいし、その音色が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動するものであってもよい。すなわち、脳波信号処理装置１により生成される音声信号は、その振幅が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動するものであってもよいし、その周期が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動するものであってもよいし、その波形が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動するものであってもよい。

また、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動して変化する体性感覚刺激を被験者に与える刺激付与装置に供給する信号を生成する構成に置き換えることもできる。体性感覚刺激を被験者に与える刺激付与装置としては、例えば、電気的な手段により被験者の体性感覚を刺激する電気刺激装置や、機械的な手段により被験者の体性感覚を刺激する機械刺激装置などが挙げられる。手首を屈曲させるリハビリ用装具は、このような機械刺激装置の一例である。刺激付与装置を介して被験者に与えられる体性感覚刺激は、その強度が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動するものであってもよいし、その周期が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動するものであってもよいし、そのパターンが位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動するものであってもよい。すなわち、脳波信号処理装置１により生成される信号は、その振幅が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動するものであってもよいし、その周期が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動するものであってもよいし、その波形が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動するものであってもよい。

更に言えば、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に応じた視覚刺激、聴覚刺激、又は体性感覚刺激を与える構成に代えて、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に応じた臭覚刺激又は味覚刺激を与える構成を採用することも不可能ではない。要するに、被験者が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）を、何らかの感覚として知得し得る構成であれば、どのような構成であっても本発明の目的は達成される。

また、図１に示す脳波信号処理装置１においては、１対の脳波信号｛Ｘ１，Ｘ２｝から位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）を算出する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ｎ個の脳波信号｛Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘｎ｝から位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）を算出する構成を採用してもよい（ｎは偶数２ｍとする）。このような構成を採用することによって、ＬＨＰＳ、ＲＨＰＳ、ＣＰＳのみならず、ＧＰＳ（Global Phase Synchronization：大域位相同期）を被験者にフィードバックすることが可能になる。

このような構成を採用した脳波信号処理装置１のブロック図を図２に示す。図２に示す脳波信号処理装置１は、図１の第１瞬時位相特定部１２Ａ及び第２瞬時位相特定部１２Ｂと同等の機能を有するｎ個の瞬時位相特定部（瞬時位相特定手段）１２−１〜１２−ｎを備えている点で、図１の脳波信号処理装置１と相違する。また、図２に示す脳波信号処理装置１は、位相同期指数算出部１３が、（１）１≦ｊ≦ｍの各ｊについて、瞬時位相φｊ（ｆ，ｔ），φｊ＋１（ｆ，ｔ）からＰＳＩｊ（ｆ，ｔ）を算出する処理と、（２）位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）として、ＰＳＩｊ（ｆ，ｔ）の平均値｛ＰＳＩ１（ｆ，ｔ）＋…＋ＰＳＩｍ（ｆ，ｔ）｝／ｍを算出する処理とを行う点で、図１の脳波信号処理装置１と相違する。その他の点については、図１の脳波信号処理装置１と同様の構成である。

なお、図２においては、脳波信号Ｘ１と脳波信号Ｘ２とをペアとして位相同期指数ＰＳＩ１（ｆ，ｔ）を求め、脳波信号Ｘ３と脳波信号Ｘ４とをペアとして位相同期指数ＰＳＩ２（ｆ，ｔ）を求め、・・・、脳波信号Ｘｎ−１と脳波信号Ｘｎとをペアとして位相同期指数ＰＳＩｍ（ｆ，ｔ）を求める構成を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、位相同期指数を求めるための脳波信号のペアの組み方は任意であり、ｎ×（ｎ−１）／２通りのペアの組み方が許される。

ただし、ＬＨＰＳを被験者にフィードバックする場合、全てのペアが、被験者の頭部左半球上の２点に貼付された電極の電位を示す脳波信号のペアであるものとする。また、ＲＨＰＳを被験者にフィードバックする場合、全てのペアが、被験者の頭部右半球上の２点に貼付された電極の電位を示す脳波信号のペアであるものとする。また、ＣＰＳを被験者にフィードバックする場合、全てのペアが、被験者の頭部正中線上の１点に貼付された電極の電位を示す脳波信号と、この点とは異なる該被験者の頭部左半球、右半球、又は正中線上の１点に貼付された電極の電圧を示す脳波信号とのペアであるものとする。また、ＧＰＳを被験者にフィードバックする場合には、少なくとも、（１）被験者の頭部左半球上の２点に貼付された電極の電位を示す脳波信号のペア、（２）被験者の頭部右半球上の２点に貼付された電極の電位を示す脳波信号ペア、及び、（３）被験者の頭部左半球上の点に添付された電極の電位を示す脳波信号と被験者の頭部右半球上の点に貼付された電極の電位を示す脳波信号のペアを含むものとする。

なお、ＬＨＰＳ、ＲＨＰＳ、ＩＨＰＳ、及びＣＰＳの一部又は全部を、それぞれに予め定められた係数を乗じて加算した線形和を被験者にフィードバックする構成を採用してもよい。この際、頭部左半球上の互いに異なる電極対の電位を示す脳波信号のペアから算出された複数のＰＳＩの平均値（上述した「Ｎ≧２の場合のＬＨＰＳ」）を線形和の対象にしてもよいし、これら複数のＰＳＩ（上述した「Ｎ＝１の場合のＬＨＰＳ」）の各々を個別に線形和の対象にしてもよい。ＲＨＰＳ、ＩＨＰＳ、及びＣＰＳについても同様である。また、頭部正中線上に配置された電極対の電位を示す脳波信号のペアから算出されたＰＳＩを線形和の対象に加えてもよい。

このように、被験者の頭部における互いに異なる３箇所以上の位置で取得された脳波信号を用いて、各脳波信号間の位相同期の程度に応じた位相同期指数を遂次算出する構成を採用することによって、２箇所で取得された脳波信号を用いる場合と比べて、被験者の脳内における位相同期の程度をより正確に反映させた位相同期指数を算出することができる。そして、これにより、被験者の脳内の状態に応じたより適切なフィードバックを行うことが可能になる。

〔被験者に提示される映像〕
次に、脳波信号処理装置１により被験者に提示される映像の例について、図３を参照して説明する。図３の（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、脳波信号処理装置１により被験者に提示される映像の例を示す図である。

図３（ａ）に示す映像は、長辺が画面の横軸と平行な長方形状のオブジェクト２１を画面の中央に含む。この映像においては、オブジェクト２１の長辺の長さＬが、位相同期ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動して変化する。連動のさせ方は任意であるが、ここでは、オブジェクト２１の長辺の長さＬと位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）との間に正の相関を持たせる。より具体的には、オブジェクト２１の長辺の長さＬと位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）とを比例させる。

この映像を被験者に提示する場合には、オブジェクト２１の長辺の長さＬが長くなるよう意識するという課題を被験者に課す。被験者は、オブジェクト２１の長辺の長さＬを長くしようと意識することによって、ＬＨＰＳ、ＲＨＰＳ、ＣＰＳ、又はＧＰＳの増大を促進するように自身の脳を制御することになる。

図３（ｂ）に示す映像は、長辺が画面の縦軸と平行な長方形状のオブジェクト２２を画面の中央に含む。この映像においては、オブジェクト２２の長辺の長さＬが、位相同期ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動して変化する。連動のさせ方は任意であるが、ここでは、オブジェクト２２の長辺の長さＬと位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）との間に正の相関を持たせる。より具体的には、オブジェクト２２の長辺の長さＬと位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）とを比例させる。

この映像を被験者に提示する場合には、オブジェクト２２の長辺の長さＬが長くなるよう意識するという課題を被験者に課す。被験者は、オブジェクト２２の長辺の長さＬを長くしようと意識することによって、ＬＨＰＳ、ＲＨＰＳ、ＣＰＳ、又はＧＰＳの増大を促進するように自身の脳を制御することになる。

図３（ｃ）に示す映像は、色温度可変な有色の円盤状のオブジェクト２３を画面の中央に含む。この映像においては、オブジェクト２３の色温度が、位相同期ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動して変化する。連動のさせ方は任意であるが、ここでは、オブジェクト２３の色温度と位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）との間に負の相関を持たせる。より具体的には、オブジェクト２３の色温度と位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）とを反比例させる。

この映像を被験者に提示する場合には、オブジェクト２３の色が暖色化（低温化）するよう意識するという課題を被験者に課す。被験者は、オブジェクト２３の色を暖色化しようと意識することによって、ＬＨＰＳ、ＲＨＰＳ、ＣＰＳ、又はＧＰＳの増大を促進するように自身の脳を制御することになる。

図３（ｄ）に示す映像は、階調数可変なグレースケール写真２４を画面の中央に含む（図３（ｄ）においては、階調数２のグレースケール写真、すなわち、白黒写真を例示している）。この映像においては、グレースケール写真２４の階調数が、位相同期ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動して２から２５６まで変化する。連動のさせ方は任意であるが、写真２４の階調数と位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）との間に正の相関を持たせる。より具体的には、写真２４の階調数と位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）とを比例させる。

この映像を被験者に提示する場合には、例えば、被写体を特定せよという課題を被験者に課す。被験者は、写真２４の階調数を増やし被写体を特定しようと意識することによって、ＬＨＰＳ、ＲＨＰＳ、ＣＰＳ、又はＧＰＳの増大を促進するように自身の脳を制御することになる。

図３（ｅ）に示す映像は、２つのボールが画面の左上及び右下に配置された同図上段に示す画面と、２つのボールが画面の右上及び左下に配置された同図下段に示す画面とが、交互に表示されるアニメーションである。このアニメーションにおいては、２つのボールの画面横軸方向の間隔Ｄが、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動して変化する。連動のさせ方は任意であるが、ここでは、位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）と２つのボールの間隔Ｄとの間に負の相関を持たせる。

このアニメーションは、左右に並んだ２つのボールが逆位相で上下に振動していると認識されることもあるし、上下に並んだ２つのボールが逆位相で左右に振動していると認識されることもある。被験者が後者の認識をもつときには、当該被験者の右脳と左脳の位相は同期している可能性が高く、また、被験者の右脳と左脳の位相が同期しているときには、当該被験者は後者の認識をもつ可能性が高い。被験者が後者の認識をもつとは、すなわち、同図上段に示す画面の左上に配置されたボールと同図下段に示す画面において右上に配置されたボールとを右脳と左脳の協働により同一視することに他ならないからである。

このアニメーションを被験者に提示する場合には、例えば、「上下に並んだ２つのボールが逆位相で左右に振動しているように見えますか？」というような質問を被験者に投げかける。被験者は、このアニメーションをそのように認識しようと意識することによって、ＩＨＰＳ（Inter-Hemispheric Phase Synchronization：半球間位相同期）を促進するように自身の脳を制御することになる。そしてこれは、ＬＨＰＳ、ＲＨＰＳ、ＣＰＳ、又はＧＰＳの増大を促進するように制御することにもなると考えられる。

〔脳波信号処理装置の構成例〕
脳波信号処理装置１は、例えば、コンピュータ（電子計算機）を用いて構成することができる。図４は、脳波信号処理装置１として利用可能なコンピュータ１００の構成を例示したブロック図である。

コンピュータ１００は、図４に示したように、バス１１０を介して互いに接続された演算装置１２０と、主記憶装置１３０と、補助記憶装置１４０と、入出力インタフェース１５０とを備えている。演算装置１２０として利用可能なデバイスとしては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を挙げることができる。また、主記憶装置１３０として利用可能なデバイスとしては、例えば、半導体ＲＡＭ（random access memory）を挙げることができる。また、補助記憶装置１４０として利用可能なデバイスとしては、例えば、ハードディスクドライブを挙げることができる。

入出力インタフェース１５０には、図４に示したように、入力装置２００及び出力装置３００が接続される。脳波信号Ｘ１，Ｘ２を検出するための脳波計やターゲット周波数ｆを指定するためのキーボードなどは、この入出力インタフェース１５０に接続される入力装置２００の一例である。また、その内容が位相同期指数ＰＳＩ（ｆ，ｔ）に連動して変化する映像を表示するためのディスプレイは、この入出力インタフェース１５０に接続される出力装置３００の一例である。無論、入力装置２００及び出力装置３００は、それぞれ必要な入力の受け付け及び必要な情報の出力が可能なものであればよく、この例に限られない。例えば、入力装置２００と出力装置３００とをタッチパネルで構成してもよい。

補助記憶装置１４０には、コンピュータ１００を脳波信号処理装置１として動作させるための各種プログラムが格納されている。具体的には、脳波信号取得プログラム、第１瞬時位相特定プログラム、第２瞬時位相特定プログラム、位相同期指数算出プログラム、及び映像信号生成プログラムが格納されている。これらのプログラムは、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）などの数値計算ライブラリに含まれるモジュールであってもよい。

演算装置１２０は、補助記憶装置１４０に格納された上記各プログラムを主記憶装置１３０上に展開し、主記憶装置１３０上に展開された上記各プログラムに含まれる命令を実行することによって、コンピュータ１００を、脳波信号取得部１１、第１瞬時位相特定部１２Ａ、第２瞬時位相特定部１２Ｂ、位相同期指数算出部１３、及び映像信号生成部１４として機能させる。主記憶装置１３０は、脳波信号Ｘ１、Ｘ２の値を保持するバッファ、及び、瞬時位相φ１（ｆ，ｔ），φ２（ｆ，ｔ）を保持するバッファとしても機能する。

なお、ここでは、内部記録媒体である補助記憶装置１４０に記録されている上記各プログラムを用いてコンピュータ１００を脳波信号処理装置１として機能させる構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、外部記録媒体に記録されているプログラムを用いてコンピュータ１００を脳波信号処理装置１として機能させる構成を採用してもよい。外部記録媒体としては、コンピュータ読み取り可能な「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブル論理回路などを用いることができる。

また、コンピュータ１００を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記各プログラムを通信ネットワークを介してコンピュータ１００に供給するようにしてもよい。この通信ネットワークは、プログラムを伝送可能であればよく、特に限定されない。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

〔脳波信号処理装置の用途〕
脳波信号処理装置１の用途の１つとして、脳卒中等の脳疾患患者に対するリハビリテーションが挙げられる。

脳卒中患者のＰＳＩは、健常者のＰＳＩよりも低くなる傾向がある。これは、脳卒中患者において脳内各部位の協働が円滑に行われないことの反映であると考えられる。なお、脳卒中患者においてＰＳＩが低下する傾向は、脳卒中による損傷部位に依らず認められる。例えば、損傷部位が右脳の一部であったとしても、ＩＨＰＳが低下することが知られている。

また、脳卒中患者に対するリハビリテーションに関して、リハビリテーションを開始する前に測定したＰＳＩと、リハビリテーションの効果との間に相関が存在することが近年の研究により明らかになっている。すなわち、ＰＳＩが高い脳卒中患者に対するリハビリテーションは、ＰＳＩが低い脳卒中患者に対するリハビリテーションよりも効果的であるという傾向が明らかになっている。

この傾向は、脳卒中患者に対するリハビリテーションに、ＰＳＩを高くするためのトレーニングを盛り込むことによって、その効果を増進し得ることを示唆している。脳波信号処理装置１は、このようなトレーニングのためのトレーニング装置として利用することができる。もちろん、脳卒中以外の脳疾患患者に対するリハビリテーションに適用しても、同様の効果が得られることが期待される。

〔ＰＳＩと病態指標との相関〕
次に、ＬＨＰＳと病態指標との相関について、図５に基づいて説明する。図５は、縦軸をＬＨＰＳとし、横軸をＦＩＭｔとして実験結果をプロットし、ＰＳＩとＦＩＭｔの相関を示した図である。なお、ＦＩＭ（Functional Independence Measure：機能的自立度指標）とは、食事、更衣等のセルフケア、排泄、コミュニケーション等の所定の評価項目において自立度をスコア化したものであり、各スコアを合計した数値がＦＩＭｔ（ＦＩＭ total）である。ＦＩＭｔが大きいほど自立度が高く、小さいほど自立度が低い（手厚い介助を要する）ということになる。また、同図のＬＨＰＳは、α帯（８〜１３Ｈｚ）における脳波の計測結果に基づいて算出された値である。

図５に示すように、ＬＨＰＳが大きいほど、ＦＩＭｔが大きくなるという結果となった。つまり、ＬＨＰＳが小さい（左脳内の同期の程度が低い）被験者ほど、ＦＩＭｔが低い（自立度の低い）結果となった。また、相関の程度を示すｐ値は１０^-3のオーダーであり、ＬＨＰＳとＦＩＭｔには高い正の相関があることが分かった。このため、ＬＨＰＳを大きくするような脳の使い方を被験者に認識させることにより、ＦＩＭｔの改善を促すことが可能と考えられる。

続いて、ＰＳＩとＮＩＨＳＳ（National Institute of Health (NIH) Stroke Scale）との相関について、図６に基づいて説明する。図６は、縦軸をＬＨＰＳとし、横軸をＮＩＨＳＳとして実験結果をプロットし、ＰＳＩとＮＩＨＳＳの相関を示した図である。なお、ＮＩＨＳＳとは、脳卒中重症度評価スケールの一つであり、所定の評価項目における被験者の状態をスコア化し、各スコアを合計したものである。ＮＩＨＳＳは、ＦＩＭｔとは逆に、スコアが高いほど重症度が高いことを示す。

図６に示すように、ＬＨＰＳが大きいほど、ＮＩＨＳＳが小さくなるという結果となった。つまり、ＬＨＰＳが大きい（左脳内の同期の程度が高い）被験者ほど、ＮＩＨＳＳが低い（重症度が低い）結果となった。また、相関の程度を示すｐ値は１０^-3のオーダーであり、ＬＨＰＳとＮＩＨＳＳには高い負の相関があることが分かった。このため、ＬＨＰＳを大きくするような脳の使い方を被験者に認識させることにより、ＮＩＨＳＳの改善を促すことが可能と考えられる。

〔機能回復と同期指標回復との関連〕
図７は、複数の脳梗塞患者について調べた、ＦＩＭｔおよびＬＨＰＳの変化を示す図である。各患者につき、リハビリテーション前と後の２回の測定を行い、測定結果を縦軸ＬＨＰＳ、横軸ＦＩＭｔの座標平面上にプロットしている。そして、リハビリテーション前のプロットから、リハビリテーション後のプロットに向かう矢印を記載することにより、リハビリテーション前後におけるＦＩＭｔおよびＬＨＰＳの変化を示している。

図示の例では、１２人の患者のうち、１０人がリハビリテーション後においてＦＩＭｔおよびＬＨＰＳの両方が増加している。これにより、ＬＨＰＳの数値が大きくなれば機能も回復していること、すなわち機能回復と同期指標とが相関していることが分かる。

〔各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性〕
前節および前々節では、各種病態指標がＬＨＰＳと有意な相関を示すことを説明したが、各種病態指標と有意な相関を示す同期指標は、ＬＨＰＳに限らない。すなわち、各種病態指標は、ＩＨＰＳ、ＲＨＰＳ、ＣＰＳ、ＧＰＳとも有意な相関を示す。

以下、各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性について、図８〜図１２に基づいて説明する。

図８は、ある母集団（脳梗塞患者集団）における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すｐ値を一覧で示した図である。有意な相関（ｐ≦０．０５）を示す値には下線を施し、相関傾向があること（ｐ≦０．０９）を示す値は太字で示している。

なお、同期指標は、α帯（８〜１３Ｈｚ）における脳波の計測結果に基づいて算出された値である。また、ＦＩＭｍは、上述のＦＩＭの運動項目であり、ＦＩＭｃは認知項目である。また、ＦＭＡ（Fugl-Meyer Assessment）は、身体機能の評価法の１つであり、ＦＭＡｕｌは上肢の運動機能の評価法の１つであり、ＦＭＡｌｌは下肢の運動機能の評価法の１つである。

図８からは、α帯におけるＬＨＰＳ、ＧＰＳ、ＣＰＳが過半の病態指標と有意に相関していることが確かめられる。このことから、α帯におけるＬＨＰＳ、ＧＰＳ、ＣＰＳの何れかを脳梗塞患者にフィードバックすることによって、病状の改善を図り得る可能性が示唆される。

図９〜図１２は、上記の母集団とは異なる母集団（脳梗塞患者集団）における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すｐ値を一覧で示した図である。

特に、図９は、母集団を限定せずに、α帯（８〜１３Ｈｚ）における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すｐ値を算出した結果を示す。また、図１０（ａ）は、母集団を左半球病変患者に限定して、α帯における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すｐ値を算出した結果を示し、図１０（ｂ）は、母集団を右半球病変患者に限定して、α帯における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すｐ値を算出した結果を示す。ここでも、有意な相関（ｐ≦０．０５）を示す値には下線を施している。

図９からは、α帯におけるＲＨＰＳが過半の病態指標と有意に相関していることが確かめられる。このことから、α帯におけるＲＨＰＳを脳梗塞患者にフィードバックすることによって、病状の改善を図り得る可能性が示唆される。また、図１０（ｂ）からは、右半球病変患者に関して、α帯におけるＩＨＰＳ、ＬＨＰＳ、ＲＨＰＳ、ＧＰＳ、ＣＰＳが過半の病態指標と有意に相関していることが確かめられる。このことから、右半球病変患者については、α帯におけるＩＨＰＳ、ＬＨＰＳ、ＲＨＰＳ、ＣＰＳ、ＧＰＳの何れかをフィードバックすることによって、病状の改善を図り得る可能性が示唆される。

また、図１１は、母集団を限定せずに、β１帯（１３〜１８Ｈｚ）における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すｐ値を算出した結果を示す。また、図１２（ａ）は、母集団を左半球病変患者に限定して、β１帯における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すｐ値を算出した結果を示し、図１２（ｂ）は、母集団を右半球病変患者に限定して、β１帯における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すｐ値を算出した結果を示す。ここでも、有意な相関（ｐ≦０．０５）を示す値には下線を施している。

図１１からは、β１帯におけるＩＨＰＳが過半の病態指標と有意に相関していることが確かめられる。このことから、β１帯におけるＩＨＰＳを脳梗塞患者にフィードバックすることによって、病状の改善を図り得る可能性が示唆される。また、図１２（ｂ）からは、右半球病変患者に関して、β１帯におけるＩＨＰＳ、ＣＰＳの何れもが過半の病態指標と有意に相関していることが確かめられる。このことから、右半球病変患者については、β１帯におけるＩＨＰＳ又はＣＰＳをフィードバックすることによって、病状の改善を図り得る可能性が示唆される。

これらのことから、以下の結論が導かれる。すなわち、従来、ＩＨＰＳのみが各種病態指標と有意な相関を示すと考えられていたが、対象とする患者を限定すれば、あるいは、対象とする周波数を限定すれば、ＬＨＰＳ、ＲＨＰＳ、ＣＰＳ、ＧＰＳも各種病態指標と有意な相関を示す。すなわち、ＬＨＰＳ、ＲＨＰＳ、ＣＰＳ、又はＧＰＳを被験者にフィードバックすることによっても、その病状の改善を図り得る可能性がある。

なお、脳梗塞患者の各種病態指標は、各種同期指標のみならず、病変体積（Lesion Volume：ＬＶ）とも相関する可能性がある。そこで、偏相関解析によって以下の偏相関の統計的有意性を示すｐ値を求めた。なお、病変体積としては、脳梗塞患者のＭＲＩ構造画像から算出した値を用いた。

（１）病変体積（ＬＶ）の影響を排除した各種同期指標（ＬＨＰＳ，ＩＨＰＳ，ＲＨＰＳ）と各種病態指標（ＦＩＭｍ，ＦＩＭｃ）との偏相関、
（２）各種同期指標（ＬＨＰＳ，ＩＨＰＳ，ＲＨＰＳ）の影響を排除した各種病態指標（ＦＩＭｍ，ＦＩＭｃ）と病変体積（ＬＶ）との偏相関、
（３）各種病態指標（ＦＩＭｍ，ＦＩＭｃ）の影響を排除した病変体積（ＬＶ）と各種同期指標（ＬＨＰＳ，ＩＨＰＳ，ＲＨＰＳ）との偏相関。

図１３の（ａ）〜（ｃ）は、右半球病変患者に関して、上記３つの偏相関の統計的有意性を表すｐ値を一覧で示した図である。（ａ）は、同期指標ＲＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｍ、及び病変体積ＬＶの三者に関して、（１）ＲＨＰＳとＦＩＭｍとの偏相関、（２）ＦＩＭｍとＬＶとの偏相関、（３）ＬＶとＲＨＰＳとの偏相関のｐ値を示す。（ｂ）は、同期指標ＩＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｍ、及び病変体積ＬＶの三者に関して、（１）ＩＨＰＳとＦＩＭｍとの偏相関、（２）ＦＩＭｍとＬＶとの偏相関、（３）ＬＶとＩＨＰＳとの偏相関のｐ値を示す。（ｃ）は、同期指標ＬＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｍ、及び病変体積ＬＶの三者に関して、（１）ＬＨＰＳとＦＩＭｍとの偏相関、（２）ＦＩＭｍとＬＶとの偏相関、（３）ＬＶとＬＨＰＳとの偏相関のｐ値を示す。

また図１３の（ｄ）は、同期指標ＲＨＰＳ、ＩＨＰＳ、及びＬＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｍ、並びに病変体積ＬＶの関係を表す模式図である。

図１３の（ａ）によれば、同期指標ＲＨＰＳは、病態指標ＦＩＭｍとの間に有意な偏相関（ｐ≦０．０５）を示すのに対して、病変体積ＬＶは、病態指標ＦＩＭｍとの間に有意な偏相関を示さないことが分かる。すなわち、右半球病変患者の病態と強く関係するのは、病変体積ＬＶではなく、右半球内のネットワーク健全度を示す同期指標ＲＨＰＳであることが分かる。このことから、α波帯（８Ｈｚ〜１３Ｈｚ）におけるＲＨＰＳを脳梗塞患者にフィードバックすることによって、その病状の改善を図り得る可能性が示唆される。

なお、図１３の（ｂ）及び（ｃ）によれば、病態指標ＦＩＭｍと同期指標ＬＨＰＳ，ＩＨＰＳとの間にも有意な偏相関（ｐ≦０．０５）が存在することが分かる。したがって、同期指標ＬＨＰＳ，ＩＨＰＳも、同期指標ＲＨＰＳと同様、病変体積ＬＶよりも右半球病変患者の病態を良く説明する指標であることが分かる。

図１４の（ａ）〜（ｂ）は、左半球病変患者に関して、上記３つの偏相関の統計的有意性を表すｐ値を一覧で示した図である。（ａ）は、同期指標ＬＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｍ、及び病変体積ＬＶの三者に関して、（１）ＬＨＰＳとＦＩＭｍとの偏相関、（２）ＦＩＭｍとＬＶとの偏相関、（３）ＬＶとＬＨＰＳとの偏相関のｐ値を示す。（ｂ）は、同期指標ＬＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｃ、及び病変体積ＬＶの三者に関して、（１）ＬＨＰＳとＦＩＭｃとの偏相関、（２）ＦＩＭｃとＬＶとの偏相関、（３）ＬＶとＬＨＰＳとの偏相関のｐ値を示す。

また図１４の（ｃ）は、同期指標ＬＨＰＳ、病態指標ＦＩＭｍ、及びＦＩＭｃ、並びに病変体積ＬＶの関係を表す模式図である。

図１４によれば、同期指標ＬＨＰＳは、病態指標ＦＩＭｍ及び病態指標ＦＩＭｃの両方との間に有意な偏相関（ｐ≦０．０５）を示すのに対して、病変体積ＬＶは、病態指標ＦＩＭｃとの間には有意な偏相関を示すものの、病態指標ＦＩＭｍとの間には有意な偏相関を示さないことが分かる。すなわち、左半球病変患者の病態と強く関係するのは、病変体積ＬＶではなく、左半球内のネットワーク健全度を示す同期指標ＬＨＰＳであることが分かる。このことから、β帯（１３〜２１Ｈｚ）の同期指標ＬＨＰＳを左半球病変患者にフィードバックすることによって、その病状の改善を図り得る可能性が示唆される。

〔処理の流れ〕
続いて、図１に示す脳波信号処理装置１の実行する処理の流れを図１５に基づいて説明する。図１５は、脳波信号処理装置１の実行する脳波信号処理方法の一例を示すフローチャートである。

まず、脳波信号取得部１１は、被験者の脳波信号を取得する（Ｓ１）。ここでは、２カ所（第１位置及び第２位置）で計測された２つの脳波信号（Ｘ１、Ｘ２）を取得する。脳波信号取得部１１は、取得した脳波信号のうちＸ１を第１瞬時位相特定部１２Ａに渡し、Ｘ２を第２瞬時位相特定部１２Ｂに渡す。なお、図２の脳波信号処理装置１であれば、被験者の頭部の少なくとも３箇所で計測された脳波信号を取得し、各脳波信号をそれぞれ異なる瞬時位相特定部１２−ｎに渡す。

次に、第１瞬時位相特定部１２Ａ及び第２瞬時位相特定部１２Ｂは、脳波信号取得部１１から渡された脳波信号からターゲット周波数ｆにおける瞬時位相を特定する（Ｓ２）。なお、ターゲット周波数ｆは、操作者等により予め指定されている。そして、第１瞬時位相特定部１２Ａ及び第２瞬時位相特定部１２Ｂは、各々が特定した瞬時位相φ１（ｆ，ｔ）及びφ２（ｆ，ｔ）を位相同期指数算出部１３に渡す。

次に、位相同期指数算出部１３は、第１瞬時位相特定部１２Ａ及び第２瞬時位相特定部１２Ｂから受け取った瞬時位相から位相同期指標を算出し（Ｓ３）、算出した位相同期指標を映像信号生成部１４に渡す。

そして、映像信号生成部１４は、受け取った位相同期指標に応じた映像信号を生成し（Ｓ４、信号生成ステップ）、生成した映像信号を脳波信号処理装置１に接続又は内蔵されたディスプレイに供給する。これにより、上記の映像信号に応じた映像がディスプレイに表示される（Ｓ５）。例えば、図３の（ａ）の画像を表示させる場合、基準となる位相同期指標の値に対して、表示するオブジェクト２１の長辺の長さＬを予め決めておけばよい。これにより、基準値に対する受け取った位相同期指標の比から、オブジェクト２１の長さＬを決定することができ、このような表示を行わせるための映像信号を生成することができる。

そして、上記Ｓ１〜Ｓ５の処理は、脳波信号処理を終了する（Ｓ６でＹＥＳと判定される）まで繰り返し行われる。この繰り返しによって、逐次取得された脳波信号から、位相同期指数が逐次算出され、位相同期指数に応じた映像信号が逐次生成され、ディスプレイに逐次供給されることになる。よって、ディスプレイに表示された映像を見た被験者がその映像を変化させようと意識した結果を、その映像の変化によって略リアルタイムに被験者に伝達することが可能になる。これにより、被験者は、ＬＨＰＳ、ＲＨＰＳ、ＣＰＳ、又はＧＰＳが高くなるような脳の使い方を認識することができ、効率よく同期の程度を向上させることが可能になる。

〔実施形態２〕
次に、本発明の他の実施形態を図１６から図２６に基づいて説明する。本実施形態では、上記実施形態におけるＬＨＰＳの代わりに、情報伝達の半球間の対称性の程度を示す対称性指標を用いる例を説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

〔脳波信号処理装置の構成〕
本実施形態の脳波信号処理装置２の構成について、図１６を参照して説明する。図１６は、本実施形態に係る脳波信号処理装置２の要部構成を示すブロック図である。脳波信号処理装置２は、脳波信号取得部１１が取得する脳波の検出位置が右脳および左脳の両方に存在する点、対称性指標算出部（重要度指標算出手段及び対称性指標算出手段として機能する）２１を備えている点、および位相同期指標の代わりに対称性指標に応じた映像信号を表示させる点で、図２に示した脳波信号処理装置１と相違している。

詳細は後述するが、対称性指標と病態指標とは相関している。このため、脳波信号処理装置２においても、上記実施形態の脳波信号処理装置１と同様に、ディスプレイに表示された映像を見た被験者がその映像を変化させようと意識した結果を、その映像の変化によって略リアルタイムに被験者に伝達することができる。そして、これにより、被験者に対称性指標の値が高くなるような脳の使い方を認識させ、効率よく対称性指標の値を向上させることが可能になる。また、上述のように、対称性指標と病態指標は相関しているので、対称性指標を向上させることにより、病態の改善が期待できる。

脳波信号取得部１１は、頭部右半球の少なくとも２箇所における脳波信号と、頭部左半球の少なくとも２箇所における脳波信号とを取得し、瞬時位相特定部（瞬時位相特定手段）１２−１〜１２−ｎは、取得された脳波信号のそれぞれについて瞬時位相を特定する。なお、情報伝達の半球間の対称性が正確に反映された対称性指標を算出するという観点から、取得する脳波信号は、正中面に対して対称な位置で検出された脳波信号とすることが好ましい。

そして、位相同期指数算出部１３（位相同期指数算出手段）は、瞬時位相特定部１２−１〜１２−ｎが特定した瞬時位相を対にして位相同期指標を算出する処理を、可能な全ての瞬時位相の組み合わせについて行う。例えば、Ａ１〜Ａ４の４箇所の脳波信号を取得した場合、１６通りの瞬時位相の組み合わせ（Ａ１−Ａ１のような同じ箇所同士の組み合わせについても１組とカウントし、Ａ１−Ａ２とＡ２−Ａ１のような同じペアであるが組み合わせの順番が異なるものを個別の組とカウント）が可能であるから、これら組み合わせの全てについて位相同期指標を算出する。なお、同じ箇所同士の組み合わせでは、ＰＳＩは１となり、組み合わせの順番が異なっても、同じペアであればＰＳＩの値は同じになる。このため、実質的には６通りの組み合わせ（Ａ１−Ａ２、Ａ１−Ａ３、Ａ１−Ａ４、Ａ２−Ａ３、Ａ２−Ａ４、Ａ３−Ａ４）についてＰＳＩを算出すればよい。

対称性指標算出部２１は、情報伝達の半球間の対称性、すなわち、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示す対称性指標を算出する。対称性指標算出部２１は、位相同期指数算出部１３の出力する位相同期指標から対称性指標を算出し、算出した対称性指標を映像信号生成部１４に出力する。そして、映像信号生成部（信号生成手段）１４は、その内容が対称性指標に連動して変化する映像を表す映像信号を生成し、図示しないディスプレイに供給して映像を表示させる。

〔対称性指標の算出方法〕
続いて、対称性指標の算出方法を具体例に基づいて説明する。上述のように、対称性指標は、位相同期指数算出部１３が算出した位相同期指標、例えば、〔数１〕により定義されるＰＳＩを用いて算出される。ここでは、Ｆｐ１、Ｆｐ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃｚの５カ所で計測した脳波信号からＰＳＩを算出した例を説明する。

なお、Ｆｐ１、Ｆｐ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃｚは、図１７に示すように、頭部における脳波信号の計測位置を示している。図示のように、Ｆｐ１とＦｐ２、Ｃ３とＣ４は、正中面に対して対称な位置である。Ｆｐ１とＦｐ２は前頭部付近であり、Ｃ３とＣ４は頭頂部付近であって、ＣｚはＣ３とＣ４との中点（正中面上）である。

まず、位相同期指数算出部１３が算出したＰＳＩを成分とする行列Ｐを生成する。本例のように、脳波信号の計測位置が６か所の場合、行列Ｐは５行５列の行列になる。行列Ｐ’の（１，１）成分は、脳波信号Ｆｐ１と脳波信号Ｆｐ１との間のＰＳＩであり、行列Ｐ’の（１，２）成分は、脳波信号Ｆｐ１と脳波信号Ｆｐ２との間のＰＳＩである。行列Ｐ’の他の成分も同様に定義される。このように定義された行列Ｐ例示すれば、下記のようになる。

次に、行列Ｐを、各列又は各行のＰＳＩ値の合計が何れも１になるように正規化することによって行列Ｑを得る。本実施形態においては、各列のＰＳＩ値の合計が何れも１になるように正規化することによって行列Ｑを得る。行列Ｐが上記の場合、行列Ｑは下記のようになる。

続いて、この行列Ｑを固有値分解する。

Ｑ＝ＶＤＶ^-1
上記の数式において、行列Ｄは、対角成分に行列Ｑの固有値が並ぶ行列となり、行列Ｖは、各列に行列Ｑの固有ベクトルが並ぶ行列となる。

次に、固有値分解の結果を参照して、固有値１に対応する行列Ｑの固有ベクトルｖ、すなわち、Ｑｖ＝１ｖとなるｖを求める。実際の数値計算に即して言うと、最も１に近い固有値に対応する行列Ｑの固有ベクトルｖを求める。例えば、行列Ｑの１列目の対角成分が最も１に近い場合、行列Ｖの１列目の列ベクトルが求める固有ベクトルｖとなり、行列Ｑの２列目の対角成分が最も１に近い場合、行列Ｖの２列目の列ベクトルが求める固有ベクトルｖとなる。

更に、固有ベクトルｖを成分の和が１になるように規格化することによって、重要度ベクトルｖ’を得る。行列Ｑが上記の場合、重要度ベクトルｖ’は、下記のようになる。

このようにして得られた重要度ベクトルの各成分は、対応する脳波信号の各検出箇所の、脳内の情報伝達における相対的な重要度を示す重要度指標として用いることができる。特に、このようにして得られた重要度ベクトルの各成分を重要度指標として用いる場合、重要度の高い（重要度指標の値が大きい）検出箇所とネットワークを組んでいる検出箇所に高い重要度（値が大きい重要度指標）を割り当てることができる。上記の重要度ベクトルにおいては、Ｃｚの重要度が最も高く（０．２１５）なっており、Ｆｐ２の重要度が最も低く（０．１８８）なっている。つまり、被験者の脳内における情報処理のネットワークにおいては、Ｃｚの脳領域がその他の脳領域と協働した処理が相対的に大きなウェイトを占めており、ＦＰ２の脳領域がその他の脳領域と協働した処理は相対的にウェイトが小さいことが数値として示されている。よって、上記のようにして得られた重要度ベクトルの各成分を重要度指標として用いることにより、被験者の右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を正確に示す対称性指標を算出し、これに連動する刺激を被験者に与えることが可能になる。

なお、固有ベクトルの算出方法は、固有値分解に限られず、他の演算方法で算出してもよいことは言うまでもない。

ここで、重要度の空間分布と病態指標との相関について図１８から図２１に基づいて説明する。図１８は、健常者と、病態指標の異なる３名の患者（高ＦＩＭｔ、中ＦＩＭｔ、低ＦＩＭｔ）の重要度の空間分布を示した図である。なお、重要度の算出に用いるＰＳＩは、何れも周波数ｆをα帯として算出した。

図示のように、健常者の重要度は、頭頂から前頭にかけて（図１７のＦｚ付近）を中心として、重要度の高い領域が広がっており、重要度の空間分布は、正中面に対して概ね左右対称となっている。高ＦＩＭｔの患者についても、健常者と同様に重要度の空間分布は、正中面に対して概ね左右対称となっている。これに対し、中ＦＩＭｔおよび低ＦＩＭｔの患者の重要度の空間分布では、このような対称性が崩れている。

このような傾向を確認するため、被験者の数を増やし、各被験者の重要度を平均してその分布を調べた。この結果を図１９に示す。健常被験者は４人、高ＦＩＭの被験者は１３人、中ＦＩＭの被験者は１７人、低ＦＩＭの被験者は１０人である。図示のように、低ＦＩＭの被験者の重要度は、正中面に対して非対称であり、重要度の高い領域が右半球に偏っている。

このような傾向は、右半球に損傷のある被験者であっても、左半球に損傷のある被験者であっても共通して見られた。すなわち、図２０に示すように、左半球に損傷のある被験者１３名と、右半球に損傷のある被験者２６名について、重要度を平均してその分布を調べると、何れも正中面に対して非対称であり、重要度の高い領域が右半球に偏るという結果となった。

さらに、図２１に示すように、左半球に損傷のある被験者のうちＦＩＭｔが特に低かった４名（ＦＩＭｔがそれぞれ３８、４２、６３、６４）と、右半球に損傷のある被験者のうちＦＩＭｔが特に低かった４名（ＦＩＭｔがそれぞれ３１、１９、２４、４０）について、重要度を平均してその分布を調べた。こちらの結果においても、何れの被験者群の重要度の空間分布も、正中面に対して非対称であり、重要度の高い領域が右半球に偏るという結果となった。右半球に損傷のある被験者においても、右半球の重要度が高くなり、左半球の重要度が低くなることは、新たな知見である。

本実施形態で使用する対称性指標は、上述のような重要度分布の左右の半球間における対称性を数値で示した指標である。具体的には、正中面に対して対称な位置における重要度の差分（左右差）を対称性指標として算出する。正中面に対して対称な検出箇所間の重要度指標の差分は、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達が完全に対称であればゼロになり、非対称である程度が大きくなるほど大きな値となるので、対称性の程度を示す対称性指標として利用可能である。また、正中面に対して対称な検出箇所間の重要度指標の差分を対称性指標として利用すれば、対称性指標の算出のための演算処理が極めて簡易になる。

〔対称性指標と病態指標との相関〕
次に、対称性指標と病態指標との相関について、図２２から図２４に基づいて説明する。図２２は、正中面に対して対称な位置にある電極（Ｆｐ１−Ｆｐ２、Ｆ３−Ｆ４、Ｃ３−Ｃ４）をペアとし、各ペアの重要度（同図においては「インポータンス」と表記。以下同様。）の差（同図においては「左右差」と表記。以下同様。）を該ペアの和で割ったものを、全ペアについて平均した値（対称性指標）を縦軸とし、横軸をＦＩＭｔとして実験結果をプロットし、対称性指標とＦＩＭの相関を示した図である。また、図２３は、ペアＦ４−Ｆ３の重要度の差を該ペアの重要度の和で割った値（対称性指標）を縦軸とし、横軸をＦＩＭｔとして実験結果をプロットした図であり、図２４は、ペアＣ４−Ｃ３の重要度の差を該ペアの重要度の和で割った値（対称性指標）を縦軸とし、横軸をＦＩＭｔとして実験結果をプロットした図である。

図２２から図２４の何れにおいても、対称性指標が小さいほど、ＦＩＭは大きくなるという結果となった。つまり、ＦＩＭが低い（機能的自立度の低い）被験者ほど、対称性指標が大きい（脳内の情報伝達に偏りがある）結果となった。また、相関の程度を示すｐ値も１０^-2のオーダーであり、対称性指標とＦＩＭには相関があることが分かった。このため、上記実施形態の位相同期指数と同様に、対称性指標を小さくする（非対称性を小さくする）脳の使い方を被験者に認識させることにより、病態指標の改善を促すことが可能と考えられる。特に、図２３に示すＦ４−Ｆ３間では、ｐ値が極めて低い結果となっており、Ｆ４−Ｆ３間で求めた重要度の差が対称性指標として極めて好適であることが分かる。

なお、対称性指標の増減は、上記実施形態と同様に、図３に示したような映像を提示することによって、被験者に認識させることができる。ただし、位相同期指数は病態指数と正の相関があるが、対称性指標は病態指数と負の相関がある。このため、映像との連動のさせ方を逆にしてもよい。例えば、図３（ａ）のように、オブジェクト２１の長さを変化させることによって被験者への提示を行う場合、対称性指標が低下したときに、低下の程度に応じてオブジェクト２１の長さを長くしてもよい。この場合、被験者には、上記実施形態と同様に、オブジェクト２１の長さが長くなるように意識させる。無論、表示する映像は、対称性指標の増減を被験者が認識できるようなものであればよく、例えば対称性指標が増加したときにオブジェクト２１を長くしてもよい。この場合、被験者には、オブジェクト２１の長さが短くなるように意識させる。また、視覚以外の感覚刺激によって対称性指標の増減を被験者に認識させてもよい。

なお、健常者の重要度の分布は、通常、左右対称である。したがって、被験者の重要度の空間分布と健常者の重要度の空間分布との類似性を対称性指標として用いてもよい。たとえば、図２５は、健常者の重要度ベクトルと被験者の重要度ベクトルとの内積をノルムの積で割った量、すなわちcosθを縦軸とし、横軸をＦＩＭｔとして実験結果をプロットした図である。図示のように、cosθの値と、ＦＩＭｔとの間には正の相関があり、cosθを相対性指標として用いることができることが確認された。なお、健常者の重要度ベクトルと被験者の重要度ベクトルとのなす角θがゼロに近付くほど、cosθの値は１に近付く。そして、重要度ベクトルのなす角θがゼロに近いということは、両半球の重要度の対称性が高いことを意味する。

また、右半球内電極の重要度の空間分布と左半球内電極の重要度の空間分布との類似性、例えば、右半球内電極のベクトルと左半球内電極の重要度ベクトルとの内積をノルムの積で割った量を対称性指標として用いてもよい。右半球内電極のベクトルと左半球内電極の重要度ベクトルとのなす角θがゼロに近付くほど、cosθの値は１に近付く。そして、重要度ベクトルのなす角θがゼロに近いということは、両半球の重要度の対称性が高いことを意味する。

なお、ここでは、２つの重要度ベクトルの類似性を、これら２つの重要度ベクトルの内積で評価する方法を説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、２つの重要度ベクトルの類似性は、相関係数など他の量を用いて評価しても構わない。

〔処理の流れ〕
続いて、脳波信号処理装置２の実行する処理の流れを図２６に基づいて説明する。図２６は、脳波信号処理装置２の実行する脳波信号処理方法の一例を示すフローチャートである。

まず、脳波信号取得部１１は、被験者の脳波信号を取得する（Ｓ１１）。なお、取得する脳波信号には、各半球のそれぞれの複数個所で計測された脳波信号が含まれていればよいが、ここでは簡単のため各半球の各２カ所（Ｆ３、Ｆ４、Ｃ３、Ｃ４）で計測された４つの脳波信号（ＸＲ１、ＸＲ２、ＸＬ１、ＸＬ２）を取得する例を説明する。脳波信号取得部１１は、取得した脳波信号のうちＸＲ１を瞬時位相特定部１２−１に渡し、以下同様に、脳波信号ＸＲ２、ＸＬ１、ＸＬ２を瞬時位相特定部１２−２〜４に渡す。

次に、瞬時位相特定部１２−１〜４は、脳波信号取得部１１から渡された脳波信号からターゲット周波数ｆにおける瞬時位相を特定する（Ｓ１２）。なお、ターゲット周波数ｆは、操作者等により予め指定されている。そして、瞬時位相特定部１２−１〜４は、各々が特定した瞬時位相φＲ１（ｆ，ｔ）、φＲ２（ｆ，ｔ）、φＬ１（ｆ，ｔ）、及びφＬ２（ｆ，ｔ）を位相同期指数算出部１３に渡す。

次に、位相同期指数算出部１３は、瞬時位相特定部１２−１〜４から受け取った瞬時位相から位相同期指標を算出する（Ｓ１３）。具体的には、瞬時位相特定部１２−１〜４から受け取った４つの瞬時位相から１６通りの組み合わせを作り、各組み合わせについて位相同期指標を算出する。そして、位相同期指数算出部１３は、算出した位相同期指標を４行４列の行列Ｇ’として対称性指標算出部２１に渡す。なお、位相同期指標を行列Ｇ’とする処理は、対称性指標算出部２１が行うようにしてもよい。

次に、対称性指標算出部２１は、位相同期指数算出部１３から受け取った位相同期指標から対称性指標を算出する（Ｓ１４）。なお、図示していないが、対称性指標の算出は、位相同期指標から重要度を算出するステップ（重要度算出ステップ）と、算出された重要度から対称性指標を算出するステップ（対称性指標算出ステップ）を含む。つまり、対称性指標算出部２１は、重要度指標算出手段および対称性指標算出手段としての機能を有する。無論、これらの手段を個別の機能ブロックとして構成してもよい。

重要度算出ステップでは、対称性指標算出部２１は、位相同期指標（ここでは４行４列の行列Ｇ’）を正規化した行列Ｇを算出し、この行列Ｇを固有値分解して、行列Ｖを得る。そして、これを正規化して行列Ｖ’を得る。この行列Ｖ’の成分が固有ベクトル（重要度）である。

続いて、対称性指標算出ステップでは、対称性指標算出部２１は、行列Ｖ’から対称性指標を算出する。なお、対称性指標は、図２２に示したような、行列Ｖ’の成分である各電極間の重要度の差を両半球のそれぞれで平均した値であってもよい。また、図２３、図２４に示したような、正中面に対して対称な位置の２つの電極間の重要度の差分であってもよい。そして、対称性指標算出部２１は、以上のようにして算出した対称性指標を映像信号生成部１４に渡す。

この後、映像信号生成部１４は、受け取った位相同期指標に応じた映像信号を生成し（Ｓ１５、信号生成ステップ）、生成した映像信号を脳波信号処理装置１に接続又は内蔵されたディスプレイに供給する。これにより、上記の映像信号に基づいた映像がディスプレイに表示される（Ｓ１６）。

そして、上記Ｓ１１〜Ｓ１６の処理は、脳波信号処理を終了する（Ｓ１７でＹＥＳと判定される）まで繰り返し行われる。この繰り返しによって、ディスプレイに表示された映像を見た被験者がその映像を変化させようと意識した結果を、その映像の変化によって略リアルタイムに被験者に伝達することが可能になる。これにより、被験者は、同期の程度が高くなるような脳の使い方を認識することができ、効率よく同期の程度を向上させることが可能になる。また、上述のように、同期の程度と病態指標は相関しているので、同期の程度を向上させることにより、病態の改善が期待できる。

なお、上記実施形態では、被験者の頭部における重要度の空間分布から、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示す対称性指標を算出する例を示した。しかしながら、対称性指標は、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示すものであればよく、この例に限られない。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

本発明に係る脳波信号処理装置は、例えば、脳疾患患者に対するリハビリテーション効果を増進するためのトレーニング装置として好適に利用することができる。また、脳の高次機能を強化する目的全般に利用することができ、ゲーム機等として利用することも可能である。

１、２ 脳波信号処理装置
１２Ａ、１２Ｂ、１２−ｎ 瞬時位相特定部（瞬時位相特定手段）
１３ 位相同期指数算出部（位相同期指数算出手段）
１４ 映像信号生成部（信号生成手段）
２１ 対称性指標算出部（重要度指標算出手段、対称性指標算出手段）
１００ コンピュータ
１４０ 補助記憶装置（記録媒体）
Ｘ１、Ｘ２ 脳波信号
Ｘｎ 脳波信号
ＰＳＩ（ｆ，ｔ） 位相同期指数

Claims (14)

1. 被験者の脳波を表す脳波信号を逐次取得して処理する脳波信号処理装置であって、
   上記被験者の頭部の第１位置における脳波信号と、該被験者の頭部の第２位置における脳波信号との位相同期の程度を示す位相同期指数を遂次算出する位相同期指数算出手段と、
   上記位相同期指数算出手段にて遂次算出された位相同期指数に応じた信号、又は、上記位相同期指数算出手段にて遂次算出された位相同期指数の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記位相同期指数に連動して変化する刺激を上記被験者に与える信号生成手段と、を備え、
   上記第１位置及び上記第２位置は、（１）上記被験者の頭部左半球上の互いに異なる２つの位置、（２）上記被験者の頭部右半球上の互いに異なる２つの位置、又は、（３）上記被験者の頭部正中線上の位置、及び、当該位置と異なる上記被験者の頭部上の位置である、
   ことを特徴とする脳波信号処理装置。
2. 上記脳波信号間の位相同期の程度が変化してから、その変化が上記刺激付与装置によって上記被験者に与えられる刺激に反映されるまでの遅延が１５秒以下である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の脳波信号処理装置。
3. 上記被験者の頭部の上記第１位置における脳波信号から瞬時位相を遂次特定すると共に、該被験者の頭部の上記第２位置における脳波信号から瞬時位相を遂次特定する瞬時位相特定手段を備え、
   上記位相同期指数算出手段は、上記瞬時位相特定手段が特定した瞬時位相から上記位相同期指数を算出し、
   上記瞬時位相特定手段が上記瞬時位相の特定に用いるウィンドウ幅をＴ、上記瞬時位相特定手段が瞬時位相の算出に要する各計算時間をτとして、
   時刻ｔにおける脳波信号の値のサンプリングが完了してから、時刻ｔにおける瞬時位相の特定が完了するまでの遅延が、Ｔ／２＋τ又はＴ／２＋２×τと同程度である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の脳波信号処理装置。
4. 上記位相同期指数算出手段が位相同期指数の算出に用いるウィンドウ幅をＴ’、上記位相同期指数算出手段が位相同期指数の算出に要する計算時間をτ’として、
   時刻ｔにおける瞬時位相の特定を完了してから、時刻ｔにおける位相同期指数の算出が完了するまでの遅延が、Ｔ’／２＋τ’と同程度である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の脳波信号処理装置。
5. 上記刺激付与装置は、ディスプレイであり、
   上記信号生成手段は、映像信号を生成して上記ディスプレイに逐次供給することにより、上記位相同期指数に連動して変化する視覚刺激を上記被験者に与える、
   ことを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載の脳波信号処理装置。
6. 上記刺激付与装置は、スピーカであり、
   上記信号生成手段は、音声信号を生成して上記スピーカに供給することにより、上記位相同期指数に連動して変化する聴覚刺激を上記被験者に与える、
   ことを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載の脳波信号処理装置。
7. 上記刺激付与装置は、電気刺激装置又は機械刺激装置であり、
   上記信号生成手段は、信号を生成して上記電気刺激装置又は上記機械刺激装置に供給することにより、上記位相同期指数に連動して変化する体性感覚刺激を上記被験者に与える
   、
   ことを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載の脳波信号処理装置。
8. 上記被験者は脳疾患患者であり、
   上記被験者の脳内における位相同期が生じ易くなるよう、当該被験者が自身の脳をトレーニングするためのトレーニング装置として機能する、
   ことを特徴とする請求項１から７までの何れか１項に記載の脳波信号処理装置。
9. 上記第１位置及び上記第２位置は、上記被験者の頭部右半球上の互いに異なる２つの位置である、ことを特徴とする請求項１から８までの何れか１項に記載の脳波信号処理装置。
10. 上記第１位置及び上記第２位置は、上記被験者の頭部左半球上の互いに異なる２つの位置である、ことを特徴とする請求項１から８までの何れか１項に記載の脳波信号処理装置。
11. 上記位相同期指数算出手段は、上記被験者の頭部における互いに異なる３箇所以上の位置で取得された脳波信号を少なくとも用いて、各脳波信号間の位相同期の程度に応じた位相同期指数を遂次算出する、
    ことを特徴とする請求項１から１０までの何れか１項に記載の脳波信号処理装置。
12. 脳波信号処理装置が被験者の脳波を表す脳波信号を逐次取得して処理する脳波信号処理方法であって、
    上記脳波信号処理装置が、上記被験者の頭部の第１位置における脳波信号と、該被験者の頭部の第２位置における脳波信号との位相同期の程度を示す位相同期指数を遂次算出する位相同期指数算出ステップと、
    脳波信号処理装置が、上記位相同期指数算出ステップにて遂次算出された位相同期指数
    に応じた信号、又は、上記位相同期指数算出ステップにて遂次算出された位相同期指数の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記位相同期指数に連動して変化する刺激を上記被験者に与える信号生成ステップと、を含み、
    上記第１位置及び上記第２位置は、（１）上記被験者の頭部左半球上の互いに異なる２つの位置、（２）上記被験者の頭部右半球上の互いに異なる２つの位置、又は、（３）上記被験者の頭部正中線上の位置、及び、当該位置と異なる上記被験者の頭部上の位置である、
    ことを特徴とする脳波信号処理方法。
13. 請求項１から１１までの何れか１項に記載の脳波信号処理装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、コンピュータを上記各手段として機能させるためのプログラム。
14. 請求項１３に記載のプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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