JP6633498B2 - 生体電気刺激装置および電気刺激提示方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体への皮膚覚提示を実現する技術に係り、特に音楽や音声から特徴量を抽出して特徴量に応じた電気刺激を生体に与える生体電気刺激装置および電気刺激提示方法に関するものである。

従来、音楽の体験を高めるために聴覚と触覚とを組み合わせた装置が提案されている（非特許文献１）。該非特許文献１に記載された装置は、音楽信号をＬとＲに分岐させ、Ｌ側の信号をヘッドホンより出力し、Ｒ側の信号を、増幅器を介して、２つの振動アクチュエータから出力することで、身体に音楽信号に同期した振動刺激を印加することを可能としたものである。

従来の、音楽信号を振動アクチュエータの駆動信号に変換して出力する装置では、振動アクチュエータの消費電流が大きいため、小型のバッテリにより長時間の動作を実現することが困難であった。また、ユーザの身体に提示可能な感覚量はアクチュエータのサイズに依存するため、小型で大きな感覚量を提示することは困難であった。

櫻木，池野，岡崎，梶本，"全身触覚における鎖骨部位の有効性と評価"，インタラクション２０１５（第１９回一般社団法人情報処理学会シンポジウム），２０１５年

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電源が小型のバッテリであっても長時間の動作を実現することができ、感覚量を変化させることが容易な生体電気刺激装置および電気刺激提示方法を提供することを目的とする。

本発明の生体電気刺激装置は、外部機器から受信した音楽・音声信号および自装置で収音した音楽・音声信号のいずれかより所定の条件に適う特徴量を抽出する特徴量抽出部と、前記特徴量に応じて生体に電気刺激信号を印加する電気刺激部とを備え、前記特徴量抽出部は、前記音楽・音声信号の特定の通過帯域の周波数成分のみを通過させるバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを通過した信号のうち、信号のレベルが閾値を超えた成分を前記所定の条件に適う特徴量として抽出する判定部とから構成され、前記所定の条件として、前記バンドパスフィルタの通過帯域と前記閾値とが設定され、前記判定部は、所定のサンプリング周期毎に前記所定の条件に適う特徴量を抽出する処理を行い、直前の前記電気刺激信号の出力からの経過時間が所定時間以下の期間において前記特徴量の最大値を保持し、保持している最大値が前記閾値を超え、かつ直前の前記電気刺激信号の出力からの経過時間が所定時間を超えているときに、前記電気刺激部に刺激トリガ信号を出力すると共に前記最大値をリセットし、前記電気刺激部は、前記刺激トリガ信号が出力される度に前記電気刺激信号を出力することを特徴とするものである。

また、本発明の生体電気刺激装置の１構成例は、前記バンドパスフィルタの通過帯域の中心周波数を調整可能な第１の調整部と、前記閾値のレベルを調整可能な第２の調整部とをさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の生体電気刺激装置の１構成例は、外部機器から受信した音楽・音声信号および自装置で収音した音楽・音声信号のいずれかを記憶する記憶部と、使用者の指示に応じて前記記憶部から音楽・音声信号を読み出す読出部とをさらに備え、前記特徴量抽出部は、前記読出部が読み出した音楽・音声信号を対象として前記特徴量を抽出することを特徴とするものである。

また、本発明の電気刺激提示方法は、外部機器から受信した音楽・音声信号および自装置で収音した音楽・音声信号のいずれかより所定の条件に適う特徴量を抽出する第１のステップと、前記特徴量に応じて生体に電気刺激信号を印加する第２のステップとを含み、前記第１のステップは、前記音楽・音声信号の特定の通過帯域の周波数成分のみを抽出する第３のステップと、前記第３のステップによって抽出した信号のうち、信号のレベルが閾値を超えた成分を前記所定の条件に適う特徴量として抽出する第４のステップとを含み、前記所定の条件として、前記通過帯域と前記閾値とが設定され、前記第４のステップは、所定のサンプリング周期毎に前記所定の条件に適う特徴量を抽出する処理を行い、直前の前記電気刺激信号の出力からの経過時間が所定時間以下の期間において前記特徴量の最大値を保持し、保持している最大値が前記閾値を超え、かつ直前の前記電気刺激信号の出力からの経過時間が所定時間を超えているときに、刺激トリガ信号を出力すると共に前記最大値をリセットするステップを含み、前記第２のステップは、前記刺激トリガ信号が出力される度に前記電気刺激信号を出力するステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の電気刺激提示方法の１構成例は、使用者の指示に応じて前記通過帯域の中心周波数を調整する第５のステップと、使用者の指示に応じて前記閾値のレベルを調整する第６のステップとをさらに含むことを特徴とするものである。
また、本発明の電気刺激提示方法の１構成例は、前記第１のステップの前に、外部機器から受信した音楽・音声信号および自装置で収音した音楽・音声信号のいずれかを記憶部に格納するステップと、使用者の指示に応じて前記記憶部から音楽・音声信号を読み出すステップとをさらに含み、前記第１のステップは、前記記憶部から読み出した音楽・音声信号を対象として前記特徴量を抽出するステップを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、電気刺激を用いることにより、生体電気刺激装置の電源が小型のバッテリであっても長時間の動作を実現することが可能となる。また、本発明では、生体と接触する電極のサイズが一定であっても、電気刺激信号の電圧や電流、パルス幅等のパラメータを調整することで感覚量を十分に変化させることが可能である。

また、本発明では、判定部が、所定のサンプリング周期毎に所定の条件に適う特徴量を抽出する処理を行い、特徴量を抽出することができ、かつ直前の電気刺激信号の出力からの経過時間が所定時間を超えているときに電気刺激部に刺激トリガ信号を出力することにより、生体への許容される最大出力電流値を超えないように、電気刺激信号の出力回数を制限することができる。

また、本発明では、判定部が、所定のサンプリング周期毎に所定の条件に適う特徴量を抽出する処理を行い、直前の電気刺激信号の出力からの経過時間が所定時間以下の期間において特徴量の最大値を保持し、保持している最大値が閾値を超え、かつ直前の電気刺激信号の出力からの経過時間が所定時間を超えているときに、電気刺激部に刺激トリガ信号を出力すると共に最大値をリセットすることにより、音楽・音声信号が連続的に大きくなる部分に追従して電気刺激信号を出力することが可能となる。

また、本発明では、第１、第２の調整部を設けることにより、使用者自身が電気刺激を受けながら好みの刺激に変更することが可能となる。

また、本発明では、記憶部と読出部とを設けることにより、外部機器の同時使用が不要となり、生体電気刺激装置単体で動作させることが可能となる。

本発明の第１の実施例に係る生体電気刺激装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例に係る生体電気刺激装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施例に係る生体電気刺激装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施例に係る生体電気刺激装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施例において音楽・音声信号をサンプリングした結果の波形、および生体電気刺激装置の電気刺激部から出力される電気刺激信号を示す図である。 本発明の第３の実施例に係る生体電気刺激装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第３の実施例において音楽・音声信号をサンプリングした結果の波形、および生体電気刺激装置の電気刺激部から出力される電気刺激信号を示す図である。 本発明の第４の実施例に係る生体電気刺激装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第４の実施例において音楽・音声信号をサンプリングした結果の波形、および生体電気刺激装置の電気刺激部から出力される電気刺激信号を示す図である。 本発明の第５の実施例に係る生体電気刺激装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施例に係る生体電気刺激装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第６の実施例に係る生体電気刺激装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第７の実施例に係る生体電気刺激装置の構成を示すブロック図である。

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。なお、以下の実施例により本発明の内容が限定されるものではない。図１は本発明の第１の実施例に係る生体電気刺激装置の構成を示すブロック図である。生体電気刺激装置は、無線通信により外部機器２０から音楽・音声信号を受信する通信部１と、受信した音楽・音声信号を再生する音楽・音声信号出力部２と、受信した音楽・音声信号の特定の通過帯域の周波数成分のみを通過させる少なくとも１つ以上のバンドパスフィルタ３と、バンドパスフィルタを通過した信号のうち、信号のレベルが閾値を超えた成分を所定の条件に適う特徴量として抽出する判定部４と、判定部４から刺激トリガ信号が出力される度に生体に電気刺激信号を印加する電気刺激部５と、バンドパスフィルタ３の通過帯域の中心周波数を人間の略可聴域周波数範囲で調整可能な調整部６と、判定部４の閾値のレベルを調整可能な調整部７とを備えている。バンドパスフィルタ３と判定部４とは、音楽・音声信号のうち、信号レベルが所定の閾値を超える、特定の帯域の周波数成分のみを特徴量として抽出する特徴量抽出部を構成している。

以下、本実施例の生体電気刺激装置の動作を、図２を用いて説明する。通信部１は、例えばスマートフォンなどの外部機器２０から音楽・音声信号を受信する（図２ステップＳ１００）。
音楽・音声信号出力部２は、通信部１が受信した音楽・音声信号を出力する（図２ステップＳ１０１）。音楽・音声信号出力部２の例としては、音楽・音声信号を再生するスピーカがある。また、外部のイヤホンなどの出力機器で音楽・音声信号を再生する場合、音楽・音声信号出力部２は例えばイヤホンジャックとなる。

一方、バンドパスフィルタ３は、通信部１が受信した音楽・音声信号の特定の帯域の周波数成分のみを通過させる（図２ステップＳ１０２）。
判定部４は、バンドパスフィルタ３を通過した信号のレベルと所定の閾値ＴＨとを比較し（図２ステップＳ１０３）、信号レベルが閾値ＴＨを超えたときに刺激トリガ信号を出力する（図２ステップＳ１０４）。

電気刺激部５は、判定部４から刺激トリガ信号が出力されたときに、生体（生体電気刺激装置を使用する使用者の身体）に電気刺激信号を印加する（図２ステップＳ１０５）。電気刺激部５は、生体の皮膚表面と接触するように配設される２つ以上の電極５０を備えている。２つ以上の電極５０を用いることで、生体内部を通じた閉ループが形成される。電気刺激部５は、電極５０間に電気刺激信号を印加する。これにより、１つの電極５０から印加された電流が生体内部を通り、他の電極５０へ流れ込むことで感覚器の神経や、筋肉繊維を刺激し、種々の感覚や、筋肉運動を誘起することが可能となる。

電極５０の材料は、特に限定されないが、例えば銀、銅、金、ステンレス等の金属を細線に加工して柔軟性を付与し、布帛として構成したものや、上記金属を繊維素材にメッキしたもの、カーボンファイバー、導電性高分子を繊維素材に含浸したものなどを用いることができる。

こうして、例えば使用者が生体電気刺激装置の動作を停止させるまで（図２ステップＳ１０６においてＮｏ）、ステップＳ１００〜Ｓ１０５の処理が繰り返し実行される。
本実施例では、電気刺激を用いることにより、生体電気刺激装置の電源が小型のバッテリであっても長時間の動作を実現することが可能となる。従来の振動刺激は、アクチュエータが物理的に動作することにより、振動を生み出すものであり、エネルギーのロスが生じる。アクチュエータにより生成された振動は、人間の機械受容器により検知された後、電気信号に変換され、神経を伝達し人間は知覚する。一方、電気刺激は電気信号を電極から皮膚を経由して印加し、神経を直接刺激する。そのため、信号の変換を経ることなく、効率的に人間に知覚させることが可能となる。また、電気信号の場合、電極のサイズが一定であっても、電気信号の電圧や電流、パルス幅等のパラメータを調整することで感覚量を十分に変化させることが可能である。

また、本実施例では、調整部６を設けることにより、使用者の指示に応じて調整部６がバンドパスフィルタ３の通過帯域の中心周波数ｆを人間の略可聴域周波数範囲で調整することが可能となり、使用者自身が電気刺激を受けながら好みの刺激に変更することが可能となる。調整部６を用いる場合、バンドパスフィルタ３は、通過帯域の中心周波数ｆの変更が可能な可変バンドパスフィルタとなることは言うまでもない。

また、本実施例では、調整部７を設けることにより、使用者の指示に応じて調整部７が判定部４の閾値ＴＨのレベルを調整することが可能となり、使用者自身が電気刺激を受けながら好みの刺激に変更することが可能となる。生体電気刺激装置には、例えば電源のオン／オフ指示や調整部６，７に対する指示などを与えるための操作インタフェースが搭載されることは言うまでもない。

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例は、第１の実施例の具体例を説明するものである。図３は本実施例に係る生体電気刺激装置の構成を示すブロック図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施例の生体電気刺激装置は、通信部１と、音楽・音声信号出力部２と、バンドパスフィルタ３と、判定部４と、電気刺激部５と、調整部６，７と、受信した音楽・音声信号をアナログ信号に変換するデジタル・アナログ変換回路（ＤＡＣ）８と、ＤＡＣ８から出力された音楽・音声信号を増幅する増幅部９と、バンドパスフィルタ３を通過した信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ）１０とを備えている。

以下、本実施例の生体電気刺激装置の動作を、図４を用いて説明する。通信部１の動作は、第１の実施例で説明したとおりである（図４ステップＳ２００）。本実施例では、外部機器２０から送信される音楽・音声信号がデジタル信号となっている。
ＤＡＣ８は、通信部１が受信したデジタル信号をアナログ信号に変換する（図４ステップＳ２０１）。

本実施例では、音楽・音声信号出力部２に関連する構成として、増幅部９が設けられている。増幅部９は、ＤＡＣ８から出力された音楽・音声信号を増幅する（図４ステップＳ２０２）。
音楽・音声信号出力部２は、増幅部９によって増幅された音楽・音声信号を出力する（図４ステップＳ２０３）。音楽・音声信号出力部２については第１の実施例で説明したとおりである。

第１の実施例と同様に、バンドパスフィルタ３は、ＤＡＣ８から出力された音楽・音声信号の特定の帯域の周波数成分のみを通過させる（図４ステップＳ２０４）。第１の実施例で説明したとおり、バンドパスフィルタ３の通過帯域の中心周波数ｆは調整部６によって調整が可能であり、可聴域内（１０−２００００Ｈｚ）で調整することが可能である。例えば、バンドパスフィルタ３の中心周波数ｆを６０Ｈｚに設定すると、ベースドラムの周波数成分を主に抽出することが可能となり、音楽の低音部分に応じた電気刺激を生体に与えることが可能となる。

ＡＤＣ１０は、バンドパスフィルタ３を通過した信号をデジタル信号に変換する（図４ステップＳ２０５）。
判定部４は、サンプリング周期Δｔ毎にＡＤＣ１０からデジタル信号（サンプリング値）が出力される度に、このサンプリング値が示す音楽・音声信号のレベルと所定の閾値ＴＨとを比較する（図４ステップＳ２０６）。判定部４は、音楽・音声信号のレベルが閾値ＴＨを超えていない場合には（ステップＳ２０６においてＮｏ）、ＡＤＣ１０の次の出力を待つ。

そして、判定部４は、音楽・音声信号のレベルが閾値ＴＨを超えたときに、電気刺激部５に刺激トリガ信号を出力する（図４ステップＳ２０７）。第１の実施例の判定部４は、アナログ信号処理を行う。これに対して、本実施例の判定部４は、デジタル信号処理を行うマイクロコンピュータなどによって構成される。コンピュータのＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施例の処理を行う。

電気刺激部５の動作は、第１の実施例で説明したとおりである（図４ステップＳ２０８）。
こうして、例えば使用者が生体電気刺激装置の動作を停止させるまで（図４ステップＳ２０９においてＮｏ）、ステップＳ２００〜Ｓ２０８の処理が繰り返し実行される。

電気刺激部５から生体に印加される電気刺激信号は、正弦波信号でも良いが、本発明ではパルス信号を利用する。具体的には、電気刺激信号は、正または負の１極性あたり５０〜５００μｓのパルス幅を有する両極性のパルス信号である。したがって、正極パルスの立ち上がりから負極パルスの立ち上がりまでのパルス幅、または負極パルスの立ち下がりから正極パルスの立ち下がりまでのパルス幅は、最大１ｍｓとなる。そのため、ＡＤＣ１０のサンプリングレートを１ｋＨｚに設定している。

例えば、ＡＤＣ１０のサンプリングレートを１００ｋＨｚにした場合、１０μｓごとに判定部４から比較判定結果（刺激トリガ信号のオン／オフ）が出力される。しかし、刺激トリガ信号が１回出力されたときの電気刺激信号のパルス幅は前述のように１００〜１０００μｓであるため、１０μｓ毎に判定部４から比較判定結果が出力されたとしても、直前の比較判定結果によって電気刺激信号が出力されている場合、最新の比較判定結果に応じた電気刺激信号を出力することはできない。したがって、ＡＤＣ１０のサンプリングレートは、電気刺激信号の設定されたパルス幅に応じて最適に設定されることが望ましい。

判定部４で用いる閾値ＴＨは、ＡＤＣ１０のサンプリングレート以上に重要である。閾値ＴＨの設定によっては、閾値ＴＨが高過ぎて刺激トリガ信号がオンにならず、電気刺激信号が発生しないという状態、もしくは閾値ＴＨが低過ぎて刺激トリガ信号が常にオンとなり、電気刺激信号が常に発生しているという状態を引き起こしてしまう。これらの状態が生じると、使用者にとって好ましい刺激を得ることができなくなる。したがって、閾値ＴＨを適切に設定する必要があるが、本実施例では、使用者の指示に応じて調整部７が判定部４の閾値ＴＨのレベルを調整することが可能なので、使用者自身が電気刺激を受けながら好みの刺激に変更することが可能である。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）を用いて本実施例の生体電気刺激装置の動作の１例を説明する。図５（Ａ）は、バンドパスフィルタ３の中心周波数ｆを６０Ｈｚ、ＡＤＣ１０のサンプリングレートを１ｋＨｚ（サンプリング周期Δｔ＝１ｍｓ）として、バンドパスフィルタ３を通過した音楽・音声信号を１０００ｍｓの間だけＡＤＣ１０でサンプリングした結果を示し、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のサンプリング結果に応じて本実施例の電気刺激部５から出力される電気刺激信号を示している。

生体電気刺激装置で使用される電源電圧が例えば３．３Ｖの場合、音楽・音声信号のサンプリング結果の中心電圧は１．７Ｖ程度となるので、閾値ＴＨを２．５Ｖ程度に設定することが、音楽・音声信号の特徴量を抽出する上で望ましいことが分かる。音楽・音声信号のサンプリング結果が閾値ＴＨ＝２．５Ｖを超える場合は音圧がピークとなるタイミングを示している。この音圧がピークのタイミングで電気刺激部５から電気刺激信号が出力されることが分かる。なお、説明を分かり易くするため、図５（Ａ）ではＡＤＣ１０によるサンプリング結果をアナログ波形で示し、サンプリング結果と閾値ＴＨとの大小関係をアナログ信号の電圧で説明しているが、上記のとおり、ＡＤＣ１０の出力および閾値ＴＨはデジタル信号であり、判定部４はデジタル信号処理を行うことは言うまでもない。

［第３の実施例］
次に、本発明の第３の実施例について説明する。本実施例においても、生体電気刺激装置の構成は第２の実施例と同様であるので、図３の符号を用いて説明する。第２の実施例では、ＡＤＣ１０から出力されるサンプリング結果が閾値ＴＨを超える度に電気刺激部５から電気刺激信号を出力する例を説明した。これに対して、本実施例では、第２の実施例と同様にＡＤＣ１０の出力と閾値ＴＨとを比較しつつ、電気刺激信号の出力密度を疎にする例について説明する。

図６は本実施例の生体電気刺激装置の動作を説明するフローチャートである。通信部１とＤＡＣ８と増幅部９と音楽・音声信号出力部２とバンドパスフィルタ３とＡＤＣ１０の動作（図６ステップＳ２００〜Ｓ２０５）は、第２の実施例で説明したとおりである。

第２の実施例と同様に、判定部４は、サンプリング周期Δｔ（本実施例では１ｍｓ）毎にＡＤＣ１０からデジタル信号（サンプリング値）が出力される度に、このサンプリング値が示す音楽・音声信号のレベルと所定の閾値ＴＨとを比較する（図６ステップＳ２０６）。判定部４は、音楽・音声信号のレベルが閾値ＴＨを超えていない場合には（ステップＳ２０６においてＮｏ）、ＡＤＣ１０の次の出力を待つ。

判定部４は、音楽・音声信号のレベルが閾値ＴＨを超えた場合、直前の刺激トリガ信号の出力からの経過時間が所定時間ｔを超えているかどうかを判定する（図６ステップＳ２１０）。本実施例では、所定時間ｔをサンプリング周期Δｔの整数倍の値とし、具体的には５ｍｓとしている。判定部４は、直前の刺激トリガ信号の出力からの経過時間が所定時間ｔ以下である場合には（ステップＳ２１０においてＮｏ）、ＡＤＣ１０の次の出力を待つ。

そして、判定部４は、直前の刺激トリガ信号の出力からの経過時間が所定時間ｔを超えている場合には、電気刺激部５に刺激トリガ信号を出力する（図６ステップＳ２０７）。以上のような処理を行う判定部４は、第２の実施例と同様にマイクロコンピュータなどによって構成される。

電気刺激部５の動作は、第１、第２の実施例で説明したとおりである（図６ステップＳ２０８）。
こうして、例えば使用者が生体電気刺激装置の動作を停止させるまで（図６ステップＳ２０９においてＮｏ）、ステップＳ２００〜Ｓ２０６，Ｓ２１０，Ｓ２０７，Ｓ２０８の処理が繰り返し実行される。

なお、本実施例では、所定時間ｔを５ｍｓとしたが、この値は出力可能な電気刺激範囲とＪＩＳ Ｔ ２００３で規定される出力上限から適切に設定されることが望ましい。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）を用いて本実施例の生体電気刺激装置の動作の１例を説明する。図７（Ａ）は、バンドパスフィルタ３の中心周波数ｆを６０Ｈｚ、ＡＤＣ１０のサンプリングレートを１ｋＨｚ（サンプリング周期Δｔ＝１ｍｓ）として、バンドパスフィルタ３を通過した音楽・音声信号を１０００ｍｓの間だけＡＤＣ１０でサンプリングした結果を示し、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のサンプリング結果に応じて本実施例の電気刺激部５から出力される電気刺激信号を示している。図５（Ａ）と同様に、図７（Ａ）ではＡＤＣ１０によるサンプリング結果をアナログ波形で示している。

第２の実施例では、ＡＤＣ１０のサンプリングレートを１ｋＨｚとすると、最短で１ｍｓに一度電気刺激信号が出力されることになるため、電気刺激の出力周波数は１ｋＨｚとなる。ＪＩＳ Ｔ ２００３の家庭用治療器の規格で定められた出力基準を参考にすると、電気刺激信号のパルス幅を３００μｓとし、電気刺激信号の電圧を２６Ｖ以上に設定すると、電気刺激信号の出力周波数が１ｋＨｚの場合、許容される最大出力電流値を超えてしまう。そのため、サンプリングレートによっては、電気刺激の出力回数を制限する必要がある。

これに対して、本実施例では、ＡＤＣ１０のサンプリングレートを第２の実施例と同じ値にしつつ、電気刺激信号の出力密度を疎にすることで、上記の第２の実施例の問題に対処している。本実施例では、所定時間ｔを５ｍｓに設定しているため、最短で６ｍｓに一度電気刺激信号が出力されることになる。

［第４の実施例］
次に、本発明の第４の実施例について説明する。本実施例においても、生体電気刺激装置の構成は第２の実施例と同様であるので、図３の符号を用いて説明する。第３の実施例では、直前の刺激トリガ信号の出力からの経過時間が所定時間ｔ以下である場合には刺激トリガ信号（電気刺激信号）を出力しないようにすることで、電気刺激信号の出力密度を疎にする例を説明した。これに対して、本実施例では、電気刺激信号を出力しない間のサンプリング値の最大値を保持し、直前の刺激トリガ信号の出力からの経過時間が所定時間ｔを超えた後に保持しているホールド値と閾値ＴＨとを比較することで、電気刺激信号を出力しない間のサンプリング値も活用することを特徴としている。

図８は本実施例の生体電気刺激装置の動作を説明するフローチャートである。通信部１とＤＡＣ８と増幅部９と音楽・音声信号出力部２とバンドパスフィルタ３とＡＤＣ１０の動作（図８ステップＳ２００〜Ｓ２０５）は、第２、第３の実施例で説明したとおりである。

第２、第３の実施例と同様に、判定部４は、サンプリング周期Δｔ（本実施例では１ｍｓ）毎にＡＤＣ１０からデジタル信号（サンプリング値）が出力される度に、この最新のサンプリング値が示す音楽・音声信号のレベルと所定の閾値ＴＨとを比較する（図８ステップＳ２０６）。判定部４は、サンプリング値が示す音楽・音声信号のレベルが閾値ＴＨを超えていない場合には（ステップＳ２０６においてＮｏ）、ＡＤＣ１０の次の出力を待つ。

判定部４は、最新のサンプリング値が示す音楽・音声信号のレベルが閾値ＴＨを超えた場合、このサンプリング値と内部のレジスタ（不図示）に格納された過去のホールド値とを比較する（図８ステップＳ２１１）。ホールド値の初期値は０である。判定部４は、最新のサンプリング値がホールド値以下の場合（ステップＳ２１１においてＮｏ）、ホールド値を更新せずにステップＳ２１３に進む。また、判定部４は、最新のサンプリング値がホールド値を超える場合、このサンプリング値を新たなホールド値として更新する（図８ステップＳ２１２）。

続いて、判定部４は、ホールド値が示す音楽・音声信号のレベルと閾値ＴＨとを比較する（図８ステップＳ２１３）。判定部４は、ホールド値が示す音楽・音声信号のレベルが閾値ＴＨを超えていない場合には（ステップＳ２１３においてＮｏ）、ＡＤＣ１０の次の出力を待つ。

判定部４は、ホールド値が示す音楽・音声信号のレベルが閾値ＴＨを超えた場合、直前の刺激トリガ信号の出力からの経過時間が所定時間ｔを超えているかどうかを判定する（図８ステップＳ２１０）。第３の実施例と同様に、本実施例では、所定時間ｔをサンプリング周期Δｔの整数倍の値とし、具体的には５ｍｓとしている。判定部４は、直前の刺激トリガ信号の出力からの経過時間が所定時間ｔ以下である場合には（ステップＳ２１０においてＮｏ）、ＡＤＣ１０の次の出力を待つ。

そして、判定部４は、直前の刺激トリガ信号の出力からの経過時間が所定時間ｔを超えている場合には、電気刺激部５に刺激トリガ信号を出力する（図８ステップＳ２０７）。
電気刺激部５の動作は、第１〜第３の実施例で説明したとおりである（図８ステップＳ２０８）。

判定部４は、刺激トリガ信号を出力した後に、レジスタに格納されているホールド値を０にリセットする（図８ステップＳ２１４）。刺激トリガ信号を出力したときにレジスタに格納されていたホールド値をリセットすることで、このホールド値は次の刺激トリガ信号の出力には影響しない。以上のような処理を行う判定部４は、第２、第３の実施例と同様にマイクロコンピュータなどによって構成される。

こうして、例えば使用者が生体電気刺激装置の動作を停止させるまで（図８ステップＳ２０９においてＮｏ）、ステップＳ２００〜Ｓ２０６，Ｓ２１１〜Ｓ２１３，Ｓ２１０，Ｓ２０７，Ｓ２０８，Ｓ２１４の処理が繰り返し実行される。

第３の実施例と同様に、本実施例では、所定時間ｔを５ｍｓとしたが、この値は出力可能な電気刺激範囲とＪＩＳ Ｔ ２００３で規定される出力上限から適切に設定されることが望ましい。

図９（Ａ）、図９（Ｂ）を用いて本実施例の生体電気刺激装置の動作の１例を説明する。図９（Ａ）は、バンドパスフィルタ３の中心周波数ｆを６０Ｈｚ、ＡＤＣ１０のサンプリングレートを１ｋＨｚ（サンプリング周期Δｔ＝１ｍｓ）として、バンドパスフィルタ３を通過した音楽・音声信号を１０００ｍｓの間だけＡＤＣ１０でサンプリングした結果を示し、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のサンプリング結果に応じて本実施例の電気刺激部５から出力される電気刺激信号を示している。図５（Ａ）と同様に、図９（Ａ）ではＡＤＣ１０によるサンプリング結果をアナログ波形で示している。

図９（Ｂ）に示すように、本実施例では、全体の刺激回数が平均化される。すなわち、本実施例では、第２の実施例よりも電気刺激信号の出力回数が少なく、第３の実施例よりも出力回数が多くなっている。本実施例では、電気刺激信号を一度出力した後、この出力からの経過時間が所定時間ｔを超える前にホールド値が閾値ＴＨを上回った場合には、電気刺激信号の出力からの経過時間が所定時間ｔを超えたときのサンプリング値が閾値ＴＨを超えていなくても、電気刺激信号を出力するため、サンプリング値が連続的に大きくなる、曲の盛り上がり部分に追従して電気刺激信号を出力することが可能となる。

［第５の実施例］
次に、本発明の第５の実施例について説明する。第１〜第４の実施例では、通信により外部機器２０から送信されるデータを受信して、生体電気刺激装置が動作するため、外部機器２０と同時に利用することが原則であった。これに対して、本実施例では、記憶部に音楽・音声信号を記憶させておくことにより、生体電気刺激装置単体で動作させることが可能となる。

図１０は本発明の第５の実施例に係る生体電気刺激装置の構成を示すブロック図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施例の生体電気刺激装置は、通信部１と、音楽・音声信号出力部２と、バンドパスフィルタ３と、判定部４と、電気刺激部５と、調整部６，７と、記憶部１１と、読出部１２とを備えている。

以下、本実施例の生体電気刺激装置の動作を、図１１を用いて説明する。通信部１の動作は、第１の実施例で説明したとおりである（図１１ステップＳ１００）。通信部１が受信した音楽・音声信号は、記憶部１１に格納される（図１１ステップＳ１０７）。
読出部１２は、使用者の指示に応じて記憶部１１から音楽・音声信号を読み出す（図１１ステップＳ１０８）。

音楽・音声信号出力部２は、読出部１２が読み出した音楽・音声信号を出力する（図１１ステップＳ１０１）。バンドパスフィルタ３は、読出部１２が読み出した音楽・音声信号の特定の帯域の周波数成分のみを通過させる（図１１ステップＳ１０２）。
判定部４と電気刺激部５の動作（図１１ステップＳ１０３〜Ｓ１０５）は、第１の実施例で説明したとおりである。

こうして、例えば使用者が生体電気刺激装置の動作を停止させるまで（図１１ステップＳ１０６においてＮｏ）、ステップＳ１００，Ｓ１０７，Ｓ１０８，Ｓ１０１〜Ｓ１０５の処理が繰り返し実行される。

本実施例では、外部機器２０との同時使用が不要になることにより、使用者は生体電気刺激装置のみを携帯すれば皮膚感覚と組み合わせた音楽を体験することが可能となる。また、外部機器２０との通信は生体電気刺激装置の駆動における電力消費の多くを占めるため、再生する音楽・音声信号を予め記憶しておき、生体電気刺激装置単体で動作可能とすることで、電力消費を低減することができ、生体電気刺激装置の動作時間の延伸を実現することができる。

第１〜第４の実施例では、外部機器２０との同時使用が前提であり、生体電気刺激装置の電源のオン／オフ指示や調整部６，７に対する指示などを除き、使用者の操作の多くは外部機器２０に対するものとなるが、本実施例では、音楽・音声信号の再生や早送り／巻き戻し等の指示を読出部１２に与えることが必須となる。

［第６の実施例］
第５の実施例では、記憶部１１と読出部１２とを第１の実施例に適用する例について説明しているが、これに限るものではなく、第２〜第４の実施例に適用してもよいことは言うまでもない。記憶部１１と読出部１２とを第２〜第４の実施例に適用する場合の生体電気刺激装置の構成を図１２に示す。

本実施例において、記憶部１１は、通信部１が受信した音楽・音声信号（デジタル信号）を記憶し、読出部１２は、使用者の指示に応じて記憶部１１から音楽・音声信号を読み出す。ＤＡＣ８は、読出部１２が読み出した音楽・音声信号をアナログ信号に変換する（図４、図６、図８ステップＳ２０１）。その他の構成と動作は第２〜第４の実施例で説明したとおりである。

なお、第１〜第６の実施例では、生体電気刺激装置と外部機器２０との通信を無線通信としているが、有線通信でもよいことは言うまでもない。

［第７の実施例］
次に、本発明の第７の実施例について説明する。第１〜第６の実施例では、外部機器２０から送信される音楽・音声信号を基に電気刺激信号を出力していたが、生体電気刺激装置単体で音楽・音声信号を収音するようにしてもよい。図１３は本実施例に係る生体電気刺激装置の構成を示すブロック図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施例の生体電気刺激装置は、通信部１と、音楽・音声信号出力部２と、バンドパスフィルタ３と、判定部４と、電気刺激部５と、調整部６，７と、生体電気刺激装置の周囲の音を収音して音楽・音声信号を出力するマイクロホン等の収音部１３とを備えている。

本実施例は、第１の実施例において、通信部１の代わりに収音部１３を設けたものなので、収音部１３で取得した音楽・音声信号を音楽・音声信号出力部２とバンドパスフィルタ３とに入力すればよい。その他の構成と動作は第１の実施例で説明したとおりである。

また、第５の実施例において、通信部１の代わりに収音部１３を設けてもよい。また、第２〜第４の実施例、第６の実施例において、通信部１の代わりに収音部１３を設けてもよい。第２〜第４の実施例、第６の実施例に適用する場合、収音部１３として、音楽・音声信号をデジタル出力するマイクロホンを使用する必要がある。

本発明は、生体に皮膚覚提示を行う技術に適用することができる。

１…通信部、２…音楽・音声信号出力部、３…バンドパスフィルタ、４…判定部、５…電気刺激部、６，７…調整部、８…デジタル・アナログ変換回路、９…増幅部、１０…アナログ・デジタル変換回路、１１…記憶部、１２…読出部、１３…収音部、２０…外部機器、５０…電極。

Claims (6)

1. 外部機器から受信した音楽・音声信号および自装置で収音した音楽・音声信号のいずれかより所定の条件に適う特徴量を抽出する特徴量抽出部と、
   前記特徴量に応じて生体に電気刺激信号を印加する電気刺激部とを備え、
   前記特徴量抽出部は、
   前記音楽・音声信号の特定の通過帯域の周波数成分のみを通過させるバンドパスフィルタと、
   前記バンドパスフィルタを通過した信号のうち、信号のレベルが閾値を超えた成分を前記所定の条件に適う特徴量として抽出する判定部とから構成され、
   前記所定の条件として、前記バンドパスフィルタの通過帯域と前記閾値とが設定され、
   前記判定部は、所定のサンプリング周期毎に前記所定の条件に適う特徴量を抽出する処理を行い、直前の前記電気刺激信号の出力からの経過時間が所定時間以下の期間において前記特徴量の最大値を保持し、保持している最大値が前記閾値を超え、かつ直前の前記電気刺激信号の出力からの経過時間が所定時間を超えているときに、前記電気刺激部に刺激トリガ信号を出力すると共に前記最大値をリセットし、
   前記電気刺激部は、前記刺激トリガ信号が出力される度に前記電気刺激信号を出力することを特徴とする生体電気刺激装置。
2. 請求項１記載の生体電気刺激装置において、
   前記バンドパスフィルタの通過帯域の中心周波数を調整可能な第１の調整部と、
   前記閾値のレベルを調整可能な第２の調整部とをさらに備えることを特徴とする生体電気刺激装置。
3. 請求項１または２記載の生体電気刺激装置において、
   外部機器から受信した音楽・音声信号および自装置で収音した音楽・音声信号のいずれかを記憶する記憶部と、
   使用者の指示に応じて前記記憶部から音楽・音声信号を読み出す読出部とをさらに備え、
   前記特徴量抽出部は、前記読出部が読み出した音楽・音声信号を対象として前記特徴量を抽出することを特徴とする生体電気刺激装置。
4. 外部機器から受信した音楽・音声信号および自装置で収音した音楽・音声信号のいずれかより所定の条件に適う特徴量を抽出する第１のステップと、
   前記特徴量に応じて生体に電気刺激信号を印加する第２のステップとを含み、
   前記第１のステップは、
   前記音楽・音声信号の特定の通過帯域の周波数成分のみを抽出する第３のステップと、
   前記第３のステップによって抽出した信号のうち、信号のレベルが閾値を超えた成分を前記所定の条件に適う特徴量として抽出する第４のステップとを含み、
   前記所定の条件として、前記通過帯域と前記閾値とが設定され、
   前記第４のステップは、所定のサンプリング周期毎に前記所定の条件に適う特徴量を抽出する処理を行い、直前の前記電気刺激信号の出力からの経過時間が所定時間以下の期間において前記特徴量の最大値を保持し、保持している最大値が前記閾値を超え、かつ直前の前記電気刺激信号の出力からの経過時間が所定時間を超えているときに、刺激トリガ信号を出力すると共に前記最大値をリセットするステップを含み、
   前記第２のステップは、前記刺激トリガ信号が出力される度に前記電気刺激信号を出力するステップを含むことを特徴とする電気刺激提示方法。
5. 請求項４記載の電気刺激提示方法において、
   使用者の指示に応じて前記通過帯域の中心周波数を調整する第５のステップと、
   使用者の指示に応じて前記閾値のレベルを調整する第６のステップとをさらに含むことを特徴とする電気刺激提示方法。
6. 請求項４または５記載の電気刺激提示方法において、
   前記第１のステップの前に、
   外部機器から受信した音楽・音声信号および自装置で収音した音楽・音声信号のいずれかを記憶部に格納するステップと、
   使用者の指示に応じて前記記憶部から音楽・音声信号を読み出すステップとをさらに含み、
   前記第１のステップは、前記記憶部から読み出した音楽・音声信号を対象として前記特徴量を抽出するステップを含むことを特徴とする電気刺激提示方法。

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