JP6867565B2 - 雑音低減手法を備えたブレインマシンインターフェースシステム、およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体内に埋め込まれる体内装置と生体外に配置される体外装置からなるブレインマシンインターフェース（ＢＭＩ）システムに関する。

体内装置は、信号源としての脳波を取得することにより脳活動を検出し、当該脳活動に応じた信号や当該信号を加工して得られた信号を体外装置へ送信する。体外装置は、体内装置から受信した信号に応じた動作を行なう。特許文献１に記載された体内装置は、生体内に埋め込まれて脳波を検出する複数の電極を備えている。

米国特許出願公開第２００６／００４９９５７号公報

筋委縮性側索硬化症（ＡＬＳ）などの患者の脳に上記のような体内装置を埋め込み、当該患者との意思疎通の支援が行なわれている。しかしながら、ＡＬＳでは上位運動ニューロンの変性が強い場合、脳波は次第に減弱していく。減弱した脳波信号を適切に取得するためには、体内装置に搭載されている信号増幅素子群の低ノイズ性を、減弱後の脳波信号レベルを見越して設計する必要がある。しかしながら、そのような設計は、増幅回路の大規模化に伴う体内装置の大型化や消費電力の増加に伴う発熱が避けられず、埋め込み型の体内装置としては適切でない。

本発明は、疾患の進行に伴って脳波の強度が減弱する患者に対しても、長期間にわたりＢＭＩ制御の可能性を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明がとりうる第一の態様は、生体内に埋め込まれるブレインマシンインターフェースシステムの体内装置であって、
前記生体の脳波信号を取得するＮ個（Ｎは２以上）の電極群と、
前記Ｎ個の増幅素子群と、
体外装置と無線通信を行なう通信部と、
前記電極群と前記増幅素子群の電気的接続、および前記通信部を制御する制御部と、
を備えており、
前記制御部は、
前記Ｎ個の電極群を通じて取得された前記生体の脳波信号を、一つの電極と一つの増幅素子が対応するように増幅素子群に入力することにより、前記通信部にＮ個の増幅脳波信号を無線送信させる通常動作モードと、
前記Ｎ個よりも少ないＭ個の電極群を通じて取得された前記生体の脳波信号を、一つの電極と複数の増幅素子が対応するように前記増幅素子群に入力することにより、前記通信部にＭ個の増幅脳波信号を無線送信させるノイズ低減動作モードと、
のいずれかを選択的に実行する。

上記の目的を達成するために本発明がとりうる第二の態様は、生体内に埋め込まれたブレインマシンインターフェースシステムの体内装置の制御方法であって、
Ｎ個の電極群を通じて検出された前記生体の脳波信号を、一つの電極と一つの増幅素子が対応するように増幅素子群に入力することにより、Ｎ個の増幅脳波信号を出力する通常動作モードと、
前記Ｎ個よりも少ないＭ個の電極群を通じて検出された前記生体の脳波信号を、一つの電極と複数の増幅素子が対応するように前記増幅素子群に入力することにより、Ｍ個の増幅脳波信号を出力するノイズ低減動作モードと、
のいずれかを前記ブレインマシンインターフェース装置の制御部が選択的に実行する。

上記の構成によれば、通常動作モードにおいては、できる限り多くの（Ｎ個の）電極群を用いて患者の脳波信号が取得される。そのため、通信部を通じて体外装置へ入力される増幅脳波信号のチャネル数も最大限とされる。したがって、自由度が高く迅速なＢＭＩ制御が可能とされる。

脳波が疾患の進行によって減弱する患者の場合、疾患の進行に伴い、取得される脳波信号のＳＮ比は低下する。通常動作モードを通じて取得される脳波信号に基づいては有意なＢＭＩ制御の遂行が困難な時期に至ると、制御部によりノイズ低減動作モードが実行されうる。このとき、脳波信号の取得を継続するＭ個の電極群が、Ｎ個の電極群から選定される。

ノイズ低減動作モードにおいては、ＳＮ比が低下したＭ個の脳波信号の各々は、複数の増幅素子に入力される。結果として、通常動作モードの場合と比較してノイズが低減されたＭ個の増幅脳波信号が得られる。使用する電極群の数、すなわちチャネル数が減るため、ＢＭＩ制御の自由度そのものが低下することは避けられない。しかしながら、従来はノイズに埋もれていた患者の脳波の微弱な変化を識別できる。したがって、疾患の進行に伴って脳波の強度が減弱する患者に対しても、長期間にわたりＢＭＩ制御の可能性を提供できる。

一実施形態に係るＢＭＩシステムの機能構成を示す図である。 上記ＢＭＩシステムの体内装置の一部を示す回路図である。 上記体内装置の動作を説明する回路図である。 上記体内装置の動作を説明する回路図である。 上記体内装置の変形例を示す回路図である。 上記体内装置の変形例を示す回路図である。 上記体内装置の変形例を示す回路図である。

添付の図面を参照しつつ、実施形態の例を以下詳細に説明する。

図１は、一実施形態に係るＢＭＩシステム１００の機能構成を示している。ＢＭＩシステム１００は、体内装置１と体外装置２００を含んでいる。体内装置１は、生体３００内（具体的には頭部）に埋め込まれて使用されるように構成されている。体外装置２００は、生体３００外に配置されて使用されるように構成されている。

体内装置１は、Ｎ個の電極群２を備えている。以降の説明において、Ｎは２以上の整数である。電極群２の各々は、生体３００の脳における所定の箇所に装着され、当該箇所における脳波信号を取得するように構成されている。

体内装置１は、Ｎ個の増幅素子群３とマトリクススイッチ４を備えている。増幅素子群３は、マトリクススイッチ４を介して電極群２と電気的に接続されている。増幅素子群３の各々は、入力された信号を増幅して出力するように構成されている。

体内装置１は、通信部５を備えている。通信部５は、増幅素子群３の各出力端子と電気的に接続されている。通信部５は、体外装置２００と無線通信を遂行可能に構成されている。

体内装置１は、制御部６を備えている。制御部６は、マトリクススイッチ４を操作することにより電極群２と増幅素子群３の電気的接続状態を制御可能に構成されている。制御部６は、通信部５の動作も制御可能に構成されている。

図２は、体内装置１の一部の具体的な回路構成を示している。Ｎ個の電極群２は、電極２１、２２、２３、…、２Ｎを含んでいる。Ｎ個の増幅素子群３は、増幅素子３１、３２、３３、…、３Ｎを含んでいる。

マトリクススイッチ４は、Ｎ×Ｎ個のスイッチ素子を含んでいる。各スイッチ素子は、図示しない信号線を介して制御部６と電気的に接続されている。これにより、制御部６は、各スイッチ素子の開閉を制御できる。

スイッチ素子は、スイッチ素子４１１、４１２、４１３、…、４１Ｎを含んでいる。スイッチ素子４１１、４１２、４１３、…、４１Ｎの各入力端は、電極２１と電気的に接続されている。

スイッチ素子は、スイッチ素子４２１、４２２、４２３、…、４２Ｎを含んでいる。スイッチ素子４２１、４２２、４２３、…、４２Ｎの各入力端は、電極２２と電気的に接続されている。

スイッチ素子は、スイッチ素子４３１、４３２、４３３、…、４３Ｎを含んでいる。スイッチ素子４３１、４３２、４３３、…、４３Ｎの各入力端は、電極２３と電気的に接続されている。

スイッチ素子は、スイッチ素子４Ｎ１、４Ｎ２、４Ｎ３、…、４ＮＮを含んでいる。スイッチ素子４Ｎ１、４Ｎ２、４Ｎ３、…、４ＮＮの各入力端は、電極２Ｎと電気的に接続されている。

スイッチ素子４１１、４２１、４３１、…、４Ｎ１の各出力端は、増幅素子３１と電気的に出力されている。例えばスイッチ素子４Ｎ１が閉じられると、電極２Ｎにより取得された脳波信号が増幅素子３１に入力される。

スイッチ素子４１２、４２２、４３２、…、４Ｎ２の各出力端は、増幅素子３２と電気的に出力されている。例えばスイッチ素子４３２が閉じられると、電極２３により取得された脳波信号が増幅素子３２に入力される。

スイッチ素子４１３、４２３、４３３、…、４Ｎ３の各出力端は、増幅素子３３と電気的に出力されている。例えばスイッチ素子４２３が閉じられると、電極２２により取得された脳波信号が増幅素子３３に入力される。

スイッチ素子４１Ｎ、４２Ｎ、４３Ｎ、…、４ＮＮの各出力端は、増幅素子３Ｎと電気的に出力されている。例えばスイッチ素子４１Ｎが閉じられると、電極２１により取得された脳波信号が増幅素子３Ｎに入力される。

電極群２は、電極２Ｒを含んでいる。電極２Ｒを通じて取得された脳波信号は、基準電位信号として増幅素子３１、３２、…、３Ｎの各々に入力される。すなわち、電極２Ｒは、基準電位供給源として使用される。

増幅素子３１、３２、３３、…、３Ｎの各々は、入力された脳波信号と基準電位信号の差分を所定の増幅率で増幅して出力するように構成されている。増幅素子３１、３２、３３、…、３Ｎの各々により出力された増幅脳波信号は、制御部６に入力される。

制御部６は、通常動作モードとノイズ低減動作モードのいずれかを選択的に実行可能に構成されている。図３は、通常動作モードの実行時におけるマトリクススイッチ４の構成例を示している。図４は、ノイズ低減動作モードの実行時におけるマトリクススイッチ４の構成例を示している。

通常動作モードが実行される場合、制御部６は、Ｎ個の電極群２を通じて取得された生体３００の脳波信号を、一つの電極と一つの増幅素子が対応するようにＮ個の増幅素子群３に入力させる。

例えば図３に示されるように、制御部６は、スイッチ素子４１１、４２２、４３３、…、４ＮＮを閉じるようにマトリクススイッチ４を制御する。これにより、電極２１を通じて取得された脳波信号は、増幅素子３１に入力される。同様に、電極２２を通じて取得された脳波信号は増幅素子３２に入力され、電極２３を通じて取得された脳波信号は増幅素子３３に入力され、電極２Ｎを通じて取得された脳波信号は増幅素子３Ｎに入力される。

結果として、増幅素子３１、３２、３３、…、３Ｎより出力されたＮ個の増幅脳波信号が、制御部６に入力される。制御部６は、入力されたＮ個の増幅脳波信号をそのまま通信部５に中継する。その後、制御部６は、所定のタイミングで当該Ｎ個の増幅脳波信号を通信部５に無線送信させる。無線送信された増幅脳波信号は、体外装置２００により受信される。体外装置２００は、受信した増幅脳波信号に応じた動作を行なう。

体外装置２００は、体内装置１より送信された信号を受信し、当該信号に基づく動作を実行する装置と同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、体外装置２００は、体内装置１より送信された信号を受信し、当該信号に基づく動作を別の外部機器に実行させる制御信号を送信する装置であってもよい。

ノイズ低減動作モードが実行される場合、制御部６は、Ｎ個よりも少ないＭ個の電極群２を通じて取得された生体３００の脳波信号を、一つの電極と複数の増幅素子が対応するように増幅素子群３に入力させる。

例えば、図４に示されるように、制御部６は、スイッチ素子４１２、４１２、４３３、…、４３Ｎを閉じるようにマトリクススイッチ４を制御する。これにより、電極２１を通じて取得された脳波信号は、増幅素子３１と増幅素子３２に並列入力される。同様に、電極２３を通じて取得された脳波信号は、増幅素子３３と増幅素子３Ｎを含む増幅素子群に並列入力される。すなわち、本例においてＭは２である。

次に制御部６は、Ｍ個の電極群の各々に対応付けられた複数の増幅素子から出力された増幅脳波信号を加算平均する処理を行なう。本例においては、電極２１に対応付けられた増幅素子３１と増幅素子３２から出力された増幅脳波信号を加算平均する。同様に、電極２３に対応付けられた増幅素子３３と増幅素子３Ｎを含む増幅素子群から出力された増幅脳波信号を加算平均する。結果として、制御部６は、Ｍ個（本例では２個）の加算平均された増幅脳波信号を取得する。

ノイズを伴う信号をｎ個の増幅素子に入力し、当該ｎ個の増幅素子から出力されたｎ個の増幅信号を加算平均すると、得られる信号におけるノイズは、加算平均を経ていない信号のノイズと比較して１／√ｎに低減されることが知られている。したがって、本例の場合、増幅素子３１と増幅素子３２から出力された増幅脳波信号を加算平均することにより、ノイズを１／√２に低減できる。同様に、増幅素子３３と増幅素子３Ｎを含む増幅素子群の数がｍ個の場合、当該増幅素子群から出力された増幅脳波信号を加算平均することにより、ノイズを１／√ｍに低減できる。

制御部６は、ノイズが低減されたＭ個の増幅脳波信号を通信部５に中継する。その後、制御部６は、所定のタイミングで当該Ｍ個の増幅脳波信号を通信部５に無線送信させる。無線送信された増幅脳波信号は、体外装置２００により受信される。体外装置２００は、受信した増幅脳波信号に応じた動作を行なう。

次に、このような構成を有する体内装置１の運用方法について説明する。生体３００として、脳波が疾患の進行によって減弱する患者を想定する。疾患の例としてはＡＬＳが挙げられる。体内装置１は、当該患者との意思疎通が十分に行なえる段階で当該患者の頭部に埋め込まれる。

制御部６は、まず通常動作モードを実行する。この動作モードにおいては、できる限り多くの（Ｎ個の）電極群２を用いて患者の脳波信号が取得されるため、通信部５を通じて体外装置２００へ入力される増幅脳波信号のチャネル数も最大限とされる。したがって、自由度が高く迅速なＢＭＩ制御が可能とされる。

疾患の進行に伴い、患者の脳波は減弱し、取得される脳波信号のＳＮ比は低下する。通常動作モードを通じて取得される脳波信号に基づいては有意なＢＭＩ制御の遂行が困難であると判断されると、制御部６によりノイズ低減動作モードが実行される。

具体的には、脳波信号の取得を継続するＭ個の電極群２が、Ｎ個の電極群２から選定される。Ｍ個の電極群２は、通常動作モードで行なわれたＢＭＩ制御の観察などを通じて、有意なＢＭＩ制御を行なうために優先度のより高い電極群として選定される。選定されるＭ個の電極群は、患者ごとに異なりうる。選定されたＭ個の電極群２を指定する信号は、体外装置２００から無線送信され、通信部５によって受信される。制御部６は、通信部５が受信した信号に基づいて、マトリクススイッチ４の操作を行なう。

ＳＮ比が低下したＭ個の脳波信号の各々は、複数の増幅素子に入力される。当該複数の増幅素子から出力された増幅脳波信号は、加算平均される。結果として、通常動作モードの場合と比較してノイズが低減されたＭ個の増幅脳波信号が得られる。使用する電極群２の数、すなわちチャネル数が減るため、ＢＭＩ制御の自由度そのものが低下することは避けられない。しかしながら、従来はノイズに埋もれていた患者の脳波の微弱な変化を識別できる。したがって、疾患の進行に伴って脳波の強度が減弱する患者に対しても、長期間にわたりＢＭＩ制御の可能性を提供できる。

本実施形態において、制御部６の機能は、通信可能に接続されたプロセッサとメモリの協働により実行されるソフトウェアにより実現されている。プロセッサの例としては、ＣＰＵやＭＰＵが挙げられる。メモリの例としては、ＲＡＭやＲＯＭが挙げられる。しかしながら、制御部６の機能は、ＡＳＩＣやＦＰＧＡなどのハードウェアにより、またはハードウェアとソフトウェアの組合せにより実現されうる。

上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするための例示にすぎない。上記の各実施形態に係る構成は、本発明の趣旨を逸脱しなければ、適宜に変更・改良されうる。また、等価物が本発明の技術的範囲に含まれることは明らかである。

上記の実施形態においては、電極２Ｒにより取得された脳波信号が、基準電位信号として増幅素子群３の各々に入力される。しかしながら、図５に示されるように、二つの電極２Ｒ１、２Ｒ２（複数の基準電位供給源の一例）のいずれかが、切り替え可能に増幅素子群３と電気的に接続される構成が採用されうる。切り替え可能とされる電極の数は、三つ以上でもよい。

体内装置１は、生体３００に埋め込まれて使用されるため、運用を開始すると容易に取り出すことができない。上記の構成によれば、当初の基準電位供給源として使用される電極２Ｒ１に何らかの不具合が生じたとしても、基準電圧の供給源を別の電極２Ｒ２に切り替えることにより、増幅素子群３を動作させ続けることができる。これにより、生体３００に負担を与える体内装置１の交換機会を減らし、長期間にわたるＢＭＩ制御の可能性を提供できる。

図６に示されるように、前述した電極２Ｒ１と電極２Ｒ２間の切り替え機能をより一般化したマトリクススイッチ４Ｒを備える構成も採用されうる。マトリクススイッチ４Ｒは、Ｌ×Ｎ個のスイッチ素子（１１Ｒ、１２Ｒ、…ＬＮＲ）を含んでいる。ＬはＮ以下の整数である。電極群２は、Ｌ個の電極２Ｒ１、２Ｒ２、２Ｒ３、…、２ＲＬを含んでいる。

電極２Ｒ１〜２ＲＬのいずれかに入力端が接続された全てのスイッチ素子（例えば電極２Ｒ３に接続されているスイッチ素子３１Ｒ〜３ＮＲ）を閉じることにより、電極２Ｒ３を通じて入力される電位が基準電位あるいは差動入力として増幅素子３１〜３１Ｎに入力される。

あるいは、マトリクススイッチ４に含まれるスイッチ素子４１１〜４ＮＮとマトリクススイッチ４Ｒに含まれるスイッチ素子１１Ｒ〜ＬＮＲのうち、任意の組合せのスイッチ素子を閉じることにより、電極２１〜２Ｎのいずれかにより取得された脳波信号と電極２Ｒ１〜２ＲＬのいずれかより取得された基準電位あるいは差動入力を、増幅素子３１〜３Ｎのうち任意のものに入力させることができる。

基準電位供給源の切り替えは、体外装置２００から無線送信された切替信号を通信部５が受信し、受信された信号に基づいて制御部６により実行されうる。あるいは、当初の基準電位供給源の故障を制御部６が検出し、基準電位供給源の切り替えが制御部６により自動的に行なわれる構成も採用されうる。

上記の実施形態におけるマトリクススイッチ４に代えて、体内装置１は、図７の（Ａ）に示される梯子型スイッチ回路網７を備えてもよい。本例においては、電極群２の一部として電極２１〜２６、増幅素子群３の一部として増幅素子３１〜３６、梯子型スイッチ回路網７の一部として、スイッチ素子７１〜７６、７１２〜７５６が図示されている。

スイッチ素子７１の入力端は、電極２１に接続されている。スイッチ素子７１の出力端は、増幅素子３１に接続されている。スイッチ素子７１２は、隣接するスイッチ素子７１とスイッチ素子７２の出力端同士を接続可能とされている。同様に、ｎを任意の整数とした場合、スイッチ素子７ｎの入力端は電極２ｎに接続され、スイッチ素子７ｎの出力端は増幅素子３ｎに接続される。また、スイッチ素子７ｎ（ｎ＋１）は、スイッチ素子７ｎの出力端とスイッチ素子７（ｎ＋１）の出力端同士を接続する。

図７の（Ｂ）は、このように構成された梯子型スイッチ回路網７の動作の一例を示している。スイッチ素子７１、７１２、７２３が閉じられることにより、電極２１により取得された脳波信号が増幅素子３１、３２、３３に入力されている。同様に、スイッチ素子７５、７４５、７５６が閉じられることにより、電極２５により取得された脳波信号が増幅素子３４、３５、３６に入力されている。

上記の実施形態においては、通常動作モードとノイズ低減動作モードの選択は、体外装置２００から通信部５が受信した信号に基づいて、制御部６により行なわれる。しかしながら、体内装置１は、電極群２により取得された脳波信号のノイズレベルを検出するように構成されうる。この場合、制御部６は、検出されたノイズレベルに基づいて、通常動作モードで有意なＢＭＩ制御を行なえるかを判断する。通常動作モードでは有意なＢＭＩ制御を行なえないと判断されると、制御部６は、ノイズ低減動作モードを自動的に選択する。

１：体内装置、２：電極群、３：増幅素子群、５：通信部、６：制御部、１００：ＢＭＩシステム、２００：体外装置、３００：生体

Claims (10)

1. 生体内に埋め込まれるブレインマシンインターフェースシステムの体内装置であって、 前記生体の脳波信号を取得するＮ個（Ｎは２以上）の電極群と、
   前記Ｎ個の増幅素子群と、
   体外装置と無線通信を行なう通信部と、
   前記電極群と前記増幅素子群の電気的接続、および前記通信部を制御する制御部と、
   を備えており、
   前記制御部は、
   前記Ｎ個の電極群を通じて取得された前記生体の脳波信号の少なくとも一つを一つの電極と一つの増幅素子が対応するように前記増幅素子群に入力することにより生成された増幅脳波信号を、前記通信部に無線送信させる通常動作モードと、
   前記Ｎ個よりも少ないＭ個の電極群を通じて取得された前記生体の脳波信号の少なくとも一つを一つの電極と複数の増幅素子が対応するように前記増幅素子群に入力し、当該複数の増幅素子からの出力を用いて生成された一つの増幅脳波信号を、前記通信部に無線送信させるノイズ低減動作モードと、
   の少なくとも一方を実行する、
   体内装置。
2. 前記制御部は、前記複数の増幅素子の出力を加算平均することにより、前記増幅脳波信号を取得する、
   請求項１に記載の体内装置。
3. 複数の基準電圧供給源を備えており、
   前記制御部は、前記複数の基準電圧供給源のいずれかを切り替え可能に、前記増幅素子群と電気的に接続させる、
   請求項１または２に記載の体内装置。
4. 前記制御部は、前記体外装置から前記通信部が受信した信号に基づいて、前記通常動作モードと前記ノイズ低減動作モードの選択を行なう、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の体内装置。
5. 前記制御部は、取得された前記脳波信号のノイズレベルに基づいて前記通常動作モードと前記ノイズ低減動作モードの選択を自動的に行なう、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の体内装置。
6. 生体内に埋め込まれた体内装置を含むブレインマシンインターフェースシステムの制御方法であって、
   前記体内装置においてＮ個の電極群を通じて検出された前記生体の脳波信号の少なくとも一つを、一つの電極と一つの増幅素子が対応するように増幅素子群に入力することにより増幅脳波信号を取得する通常動作モードと、
   前記体内装置において、前記Ｎ個よりも少ないＭ個の電極群を通じて検出された前記生体の脳波信号の少なくとも一つを、一つの電極と複数の増幅素子が対応するように前記増幅素子群に入力し、当該複数の増幅素子からの出力を用いて一つの増幅脳波信号を生成することにより、増幅脳波信号を取得するノイズ低減動作モードと、
   の少なくとも一方を前記体内装置の制御部が実行する、
   制御方法。
7. 前記制御部は、前記複数の増幅素子の出力を加算平均することにより、前記増幅脳波信号を取得する、
   請求項６に記載の制御方法。
8. 複数の基準電位供給源のいずれかを切り替え可能に、前記増幅素子群と電気的に接続させる工程を、
   前記制御部が行なう、
   請求項６または７に記載の制御方法。
9. 前記制御部による前記通常動作モードと前記ノイズ低減動作モードの選択は、体外装置から無線送信された信号に基づいて行なわれる、
   請求項６から８のいずれか一項に記載の制御方法。
10. 前記制御部による前記通常動作モードと前記ノイズ低減動作モードの選択は、検出された前記脳波信号のノイズレベルに基づいて自動的に行なわれる、
    請求項６から８のいずれか一項に記載の制御方法。

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