JP6339153B2 - 刺激付与装置及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、刺激付与装置及びプログラムに関する。

従来、治療等を目的として人間の脳に刺激を与え、脳活動の調節、神経症状の改善等を図る様々な手法が提案されている。例えば特許文献１では、超音波を発生させる超音波トランスデューサーを備えたヘッドギア構造の脳活動調節装置が開示されている。特許文献１によれば、脳活動調節装置はヘルメットに複数の超音波トランスデューサーが設けられた構成であり、装着した人間の脳領域に超音波を放射することで、例えば外傷性脳損傷の治療、姿勢矯正等を図ることができる。また、特許文献２では、外科的手法により頭蓋骨に挿入され、電気的刺激を脳に与える医療装置が開示されている。特許文献２によれば、医療装置は内蔵バッテリの形状に応じた細長形の装置であり、頭蓋骨表面に対して角度を付けて挿入されることで、脳皮質に突出しないように頭蓋骨内部に埋め込むことができる。医療装置は、頭蓋骨に埋め込まれた状態で電気的刺激を脳に与え、疾病の治療を行う。

特表２０１３−５０９９５８号公報 特表２０１３−５１４８７０号公報

一方で、近年、ＤＭＮ（Default Mode Network）という脳内ネットワークに注目が集まっている。ＤＭＮは、生体の安静状態において互いに同期して活動する複数の脳領域からなる脳内ネットワークである。ＤＭＮは、例えば外的作業を行っている場合は活動が低下するが、目を瞑って内的思考を行う場合等、安静状態において活動が増大する。ＤＭＮが活発に活動している状態では、例えばアイディアが思いつきやすい等、思考の創造性が高まると考えられている。

特許文献１、２に係る発明は治療を主たる目的としており、ＤＭＮを活性化させることはできない。

本発明は斯かる事情によりなされたものであって、その目的とするところは、ＤＭＮの活性化を促すことができる刺激付与装置等を提供することにある。

本発明に係る刺激付与装置は、被検者の頭部の複数位置に配置された電極を介して脳波信号を計測する計測部と、計測結果を外部装置に出力する出力部と、前記複数位置の脳領域において特定の周波数帯域の脳波成分が互いに同期しており、かつ、前記被検者が覚醒状態であるか否かを示す判定結果を前記外部装置から取得する取得部と、取得した判定結果に応じて、前記被検者の頭部に刺激を付与する付与部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る刺激付与装置は、前記付与部は、前記電極と一体に形成された刺激発生素子を含むことを特徴とする。

本発明に係る刺激付与装置は、前記付与部は、特定の脳領域への指向性を有する電流又は超音波を発生させる第２電極又は圧電素子を含むことを特徴とする。

本発明に係る刺激付与装置は、前記付与部は、前記複数位置の脳領域のうち一部の脳領域に対して刺激を付与することを特徴とする。

本発明に係る刺激付与装置は、前記付与部は、前記複数位置の電極が担当する脳領域以外の脳領域に対して刺激を付与することを特徴とする。

本発明に係る刺激付与装置は、前記付与部は、前記刺激の強度を調整して付与することを特徴とする。

本発明に係るプログラムは、被検者の頭部の複数位置に配置された電極から脳波信号を取得し、取得した前記脳波信号を周波数スペクトルに変換し、変換した前記周波数スペクトルから周波数帯域別の脳波成分を抽出し、前記複数位置の脳領域において特定の周波数帯域の脳波成分が互いに同期しており、かつ、前記被検者が覚醒状態であるか否かを判定し、判定結果に応じて、前記被検者の頭部に刺激を付与する指令信号を生成して刺激発生源に出力する処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。

本発明に係るプログラムは、前記特定の周波数帯域の脳波成分が同期しているか否かの判定結果に応じて、前記被検者の頭部に刺激を付与するタイミングを制御することを特徴とする。

本発明によれば、ＤＭＮの活性化を促すことができる。

情報処理システムの構成例を示す模式図である。 端末の構成例を示すブロック図である。 装置の構成例を示すブロック図である。 電極の配置位置の一例を示す説明図である。 脳波信号の時系列データの一例を示す説明図である。 脳波信号の周波数スペクトルの一例を示す説明図である。 脳波信号のパワースペクトルの一例を示す説明図である。 刺激付与処理を説明するための説明図である。 情報処理システムが実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。 情報処理システムが実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る刺激付与処理を説明するための説明図である。 実施の形態２に係る情報処理システムが実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態３に係る刺激付与処理を説明するための説明図である。 実施の形態３に係る情報処理システムが実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態４に係る刺激付与処理を説明するための説明図である。 実施の形態４に係る情報処理システムが実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
（実施の形態１）
図１は、情報処理システムの構成例を示す模式図である。本実施の形態では、被検者の脳波に基づいてＤＭＮの活動状態を判定し、判定結果に応じて被検者の頭部に刺激を付与する情報処理システムを一例として説明を行う。情報処理システムは、情報処理端末１、刺激付与装置２を含む。情報処理端末１及び刺激付与装置２は、例えば無線ＬＡＮ（Local Area Network）により通信接続されている。

情報処理端末１は、種々の情報処理を行う情報処理装置であり、例えばスマートフォン、タブレット端末、パーソナルコンピュータ等である。本実施の形態において情報処理端末１はスマートフォンであるものとし、以下では簡潔のため、端末１と読み替える。端末１は、刺激付与装置２から被検者の脳波に係るデータを取得し、ＤＭＮの活動状態を判定する処理を行う。さらに端末１は、ＤＭＮの活動状態に係る判定結果を刺激付与装置２に出力し、被験者の脳領域に刺激を付与すべき旨を刺激付与装置２に指令する。

刺激付与装置２は、被検者の頭部に装着されるヘッドセット型、キャップ型等のウェアラブル装置であり、多チャンネルの脳波信号を計測する処理を行う。すなわち刺激付与装置２は、いわゆる脳波計として機能する。以下では簡潔のため、刺激付与装置２を装置２と読み替える。装置２は、多チャンネルの脳波信号を計測するべく複数の電極２６を備え、被検者の頭部に装着された状態において電極２６が被検者頭部の所定位置に配置される。装置２は電極２６を介して被検者の脳波信号を計測し、計測した脳波信号に係るデータを端末１に出力する。
さらに装置２は、端末１からＤＭＮの活動状態に係る判定結果を取得し、当該判定結果に応じて、被検者のＤＭＮを活性化させるべく頭部に刺激を付与する。具体的に装置２は、電極２６と一体に形成された刺激発生素子を備え、当該刺激発生素子より刺激を付与する。当該刺激発生素子は、例えば微弱電流を発生させる第２電極２７である。装置２は、第２電極２７から微弱電流を印加することで刺激を付与し、ＤＭＮの活性化を促す。すなわち装置２は、脳波計として機能するだけでなく、被検者の頭部を刺激する刺激発生源としても機能する。

図２は、端末１の構成例を示すブロック図である。端末１は、制御部１１、記憶部１２、通信部１３、表示部１４、入力部１５を含む。
制御部１１はＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro-Processing Unit）等の演算処理装置を含み、記憶部１２に記憶されたプログラムＰを読み出して実行することにより、端末１に係る種々の情報処理、制御処理等を行う。記憶部１２はＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリ素子を含み、制御部１１が処理を実行するために必要なプログラムＰ又はデータ等を記憶している。また、記憶部１２は、制御部１１が演算処理を実行するために必要なデータ等を一時的に記憶する。通信部１３は通信に関する処理を行うための処理回路等を含み、装置２等と情報の送受信を行う。表示部１４は液晶ディスプレイ又は有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等の画面を有し、制御部１１から与えられた画像を表示する。入力部１５はタッチパネル等を含み、操作者による操作入力を受け付ける。入力部１５は、受け付けた操作内容を制御部２１に通知する。
なお、本実施の形態において端末１は上記の構成に限定されず、例えば可搬型記憶媒体に記憶された情報を読み取る読取部、音声の入出力を行うマイク、スピーカ等を含んでもよい。

図３は、装置２の構成例を示すブロック図である。装置２は、制御部２１、記憶部２２、通信部２３、入出力部２４、信号処理部２５、電極２６、第２電極２７を含む。
制御部２１はＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算処理装置を含み、記憶部２２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、装置２に係る種々の情報処理、制御処理等を行う。記憶部２２はＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ素子を含み、制御部２１が処理を実行するために必要なプログラム又はデータ等を記憶している。また、記憶部２２は、制御部２１が演算処理を実行するために必要なデータ等を一時的に記憶する。通信部２３はアンテナ及び通信処理回路等を含み、無線ＬＡＮにより端末１等と情報の送受信を行う。なお、例えば端末１及び装置２は有線ＬＡＮにより通信を行ってもよい。

入出力部２４は、電極２６、第２電極２７と信号の入出力を行うためのインターフェイスである。信号処理部２５は、入出力部２４に入力された脳波信号を処理するための増幅器、Ａ／Ｄ変換器等を含む処理回路である。
電極２６は、被検者の脳波信号を計測するための電極である。装置２は複数の電極２６を備え、被検者頭部に装着された状態において各電極２６が所定位置に配置される。電極２６は、脳神経細胞の活動に起因して生じる電位変化、すなわち脳波信号を検出する。

第２電極２７は、電極２６に付属する形で一体に形成された電極である。装置２は、電極２６と同数の第２電極２７を備える。装置２が被検者の頭部に装着されている状態において、第２電極２７が電極２６と一体に形成されていることから、第２電極２７は電極２６と同じ位置に配置される。具体的には、第２電極２７及び電極２６は各々の電極面が平行かつ連続するように互いに密着して形成されており、装置２の装着状態において第２電極２７は電極２６と隣り合って頭部表面に並置される（図８参照）。第２電極２７は、図示しないバッテリ、抵抗器、増幅器などに接続され、ｔＡＣＳ（Transcranial Alternating Current Stimulation；経頭蓋交流電気刺激法）に係る電気回路を構成する。装置２は、当該電気回路を駆動して、第２電極２７より被検者の頭部表面に微弱電流を印加する。第２電極２７は、指向性を有する微弱電流を発生させる。従って、例えば第２電極２７は、配置されている頭部表面直下の脳領域に向けて微弱電流を印加する。なお、例えば第２電極２７にフォーカス機能を持たせ、脳内の方向だけでなく座標位置まで特定して微弱電流を印加できるようにしてもよい。

図４は、電極２６の配置位置の一例を示す説明図である。以下では情報処理システムが実行する処理の概要について説明する。なお、以下では説明の便宜のため、端末１の処理主体は制御部１１とし、装置２の処理主体は制御部２１とする。
図４では、電極２６の配置位置を簡略化して示す。装置２に係る複数の電極２６は、脳波計測時において図４に示す各位置に配置されている。なお、図４は被検者の頭部を頭上から俯瞰した図であり、図４における上方向が被検者の正面方向である。なお、図４の配置位置は一例であって、本実施の形態はこれに限定されるものではない。装置２の制御部２１は各電極２６、２６、２６…を介し、各チャンネルＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３…の脳波信号、すなわち各配置位置に対応する脳領域の脳波信号を計測する。なお、Ｒｅｆ１、Ｒｅｆ２は左脳側又は右脳側の基準電位を計測するためのチャンネルであり、制御部２１はＲｅｆ１又はＲｅｆ２と各チャンネルとの電位差を計測する。

例えば端末１の制御部１１は、入力部１５を介して脳波計測の計測条件（例えばサンプリング時間）等の入力を受け付ける。計測条件の入力を受け付けた場合、制御部１１は、脳波計測を行う旨の指令信号を生成し、装置２に送信する。指令信号を受信した場合、装置２の制御部２１は、電極２６を介して脳波信号の計測を行う。具体的には、電極２６は各チャンネルの脳領域における脳神経細胞の活動に起因して発生する電位変化を検知する。検知した電位変化に係る信号は信号処理部２５において処理され、制御部２１に与えられる。制御部２１は、計測した脳波信号に係るデータを端末１に出力する。

図５は、脳波信号の時系列データの一例を示す説明図である。図５では、装置２により計測された脳波信号の時系列データを示す。図５において横軸は計測時間（ｓ）を、縦軸は電圧（μＶ）を示す。なお、図５では便宜上、各チャンネルのデータを縦方向にずらして図示している。従って、例えばＣＨ２の電圧値が必ずしもＣＨ１の電圧値より大きいことを意味するものではない。
図５に示すように、脳波信号は電圧値の時系列変化として計測される。脳波信号に基づいて、被検者の生体活動に関して種々の情報が観測可能である。例えば４００ｓ前後の時間において、ＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ１２、ＣＨ１３、ＣＨ１４等の脳波信号が大きく変化している。当該変化は、被検者の瞬目によるノイズが脳波信号に混入したためと考えられる。また、６００ｓ前後の時間においてＣＨ１、ＣＨ２等の脳波信号が大きく変化している。当該変化は、被検者の閉眼動作によるノイズが脳波信号に混入したためと考えられる。

また、８００〜１２００ｓの時間において、脳波信号に係る電圧値が小刻みに変動している。当該変動は、比較的周波数の小さいα帯域（例えば８〜１３Ｈｚ）の脳波信号の含有量が多いためと考えられる。すなわち、該当するチャンネルに対応する脳領域において、比較的周波数の大きいβ波（例えば１３Ｈｚ以上）に対するα波の含有割合が大きいため、周波数の小さいα波成分の発生が小刻みな変動として観測されたものと考えられる。このように、脳波信号の時系列データから、α波、β波、θ波（例えば４〜８Ｈｚ）、δ波（例えば１〜４Ｈｚ）の発生が観測可能である。

端末１の制御部１１は、当該脳波信号に基づいて被検者のＤＭＮの活動状態を判定する。具体的に制御部１１は、ＤＭＮを構成する複数の脳領域においてα帯域の脳波信号が互いに同期しているか否か等を判定する。

図６は、脳波信号の周波数スペクトルの一例を示す説明図である。図６では、横軸が周波数（Ｈｚ）を、縦軸が脳波信号の大きさ（ｄＢ）を示す。制御部１１は、装置２から取得した脳波信号の時系列データを周波数スペクトルに変換する。具体的に制御部１１は、当該時系列データに対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform；高速フーリエ変換）の演算処理を実行し、脳波信号を時間領域のデータから周波数領域のデータに変換する。図６では、ＣＨ１の脳波信号について変換処理を行った周波数スペクトルの一例を示す。図６に示すように、時間領域のデータであった脳波信号が周波数領域に変換されている。

制御部１１は、当該周波数スペクトルから周波数帯域別の信号成分を抽出する。例えば制御部１１は、α帯域、β帯域、θ帯域、δ帯域、その他の周波数帯域に分けて、各周波数帯域の信号成分を抽出する。具体的に制御部１１は、周波数スペクトルを各周波数帯域に係るバンド幅に分けるバンドパスフィルタ処理を実行し、各周波数成分を抽出する。図６において、各周波数帯域を破線により分けて示す。制御部１１は、各周波数帯域のうちα帯域に属する信号成分に基づき、以下の判定を行う。

制御部１１は、電極２６が配置されている複数位置の脳領域において、α帯域の信号成分が互いに同期しているか否かを判定する。例えば制御部１１は、図４で示したＣＨ１、ＣＨ５、ＣＨ７、ＣＨ１４、ＣＨ１０、ＣＨ８で計測された脳波信号のα波成分について位相解析を実行し、各チャンネルのα波成分に係る位相の同期性を判断する。ＣＨ１、ＣＨ５、ＣＨ７等はそれぞれ、内側前頭前野、側頭葉、後頭葉等に対応するチャンネルである。当該複数の脳領域は、ＤＭＮを構成する脳領域であると考えられている。従って、制御部１１は各脳領域のα波成分の同期性を判定することで、ＤＭＮの該当領域が互いに同期して活動しているか否かを判定する。なお、上記でＤＭＮ該当領域とした脳領域は一例であって、本実施の形態はこれに限定されるものではない。
また、上記で制御部１１は左脳側のＣＨ１、ＣＨ５、ＣＨ７、及び右脳側のＣＨ１４、ＣＨ１０、ＣＨ８の両方について同期性を判定したが、右脳又は左脳のいずれか一方のみを判定対象として処理を行ってもよい。以下の処理においても同様である。

制御部１１は上記の同期判定処理を行うと共に、当該複数の脳領域においてα帯域の信号成分の振幅と所定の閾値との大小を判定する処理を行う。具体的に制御部１１は、ＣＨ１、ＣＨ５等の各チャンネルについて、α帯域に含まれる１０Ｈｚ程度の周波数に係る信号成分の大きさの絶対値をα波成分の振幅値として取る。制御部１１は、各チャンネルの当該振幅値が所定の閾値以上であるか否かを判定する。これにより、制御部１１は、ＤＭＮに該当する複数の脳領域についてα波成分の振幅が閾値以上であるか否かを判定する。同期判定処理と併せて振幅の大小に係る判定処理を行うことで、制御部１１は、ＤＭＮに該当する複数領域が同期しながら活発に活動している状態であるか否かを判定する。

なお、上記で制御部１１はα波成分の振幅が閾値以上であるか否かを判定したが、閾値を超過するか否かを判定してもよいことは勿論である。また、判定対象とする数値はα波成分の振幅ではなく、後述するα波成分の信号強度であってもよい。

図７は、脳波信号のパワースペクトルの一例を示す説明図である。図７において、縦軸は各周波数帯域の信号成分の強度を示している。
制御部１１は、上記のα波成分に係る判定処理を行うと同時に、被検者が脳波計測時において覚醒状態であるか否かを判定する。例えば制御部１１は、上記の判定対象であったα帯域とは異なるβ帯域の信号成分に基づき、被検者が覚醒状態であるか否かを判定する。

具体的に制御部１１は、上記で抽出した各周波数帯域の信号成分について信号強度のピーク値、平均値等を取ることでパワースペクトルを算出する。制御部１１は、α帯域、β帯域、θ帯域等の周波数帯域別の強度を算出する。図７では、ＣＨ１の脳波信号のパワースペクトルを示す。
制御部１１は、上記で算出したβ波成分の強度と、所定の第２閾値との大小を判定する。例えば制御部１１は、ＤＭＮに係る複数の脳領域においてβ波成分の強度が第２閾値以上であるか否かを判定する。β波は、被検者が覚醒状態から睡眠状態に突入すると減退する傾向がある。そこで制御部１１は、β波成分の強度に基づき覚醒状態であるか否かを判定する。

なお、上記で制御部１１はβ波成分に基づき覚醒判定を行ったが、本実施の形態はこれに限定されるものではない。例えば制御部１１は、θ波、δ波等に基づき判定を行ってもよい。また、例えば制御部１１は、装置２から取得した脳波信号に基づき、筋電図、眼球運動、瞬目等を判別することで被検者が覚醒状態であるか否かを判定してもよい。例えば制御部１１は、予めモデリングされている脳波信号の発生パターンと、計測された脳波信号の発生パターンとを比較し、高振幅の持続性筋電図が発生したか否かを判定する。また、例えば制御部１１は、同様に脳波信号の発生パターンを分析し、レム睡眠初期に発生する急速眼球運動、入眠初期に発生する緩徐眼球運動等を判別してもよい。また、例えば制御部１１は、被検者の瞼に近いチャンネルでの脳波信号の急激な時系列変化を判別することで、被検者の瞬目を判別してもよい。このように、制御部１１は脳波だけでなく、脳波信号から観測可能な生体情報を判別して被検者の覚醒状態を判定してもよい。

上述の如く制御部１１は、α波成分の同期判定、振幅の大小判定、被検者の覚醒判定を行う。複数の脳領域においてα波成分が同期しており、振幅が閾値以上であり、かつ、被検者が覚醒状態であると判定した場合、制御部１１は、被検者のＤＭＮが活動状態にあると判定する。制御部１１は、当該判定結果に応じて被検者のＤＭＮを活性化する処理を行う。すなわち制御部１１は、装置２により被検者のＤＭＮ該当領域に対して刺激を付与し、ＤＭＮの活性化を促す。

図８は、刺激付与処理を説明するための説明図である。図８では、ＤＭＮの活動状態に係る判定結果に応じてＤＭＮ該当領域に対し刺激を付与している様子を概念的に示している。なお、図８ではＤＭＮに該当する複数の脳領域をハッチングにより示している。
端末１の制御部１１は、上記の判定結果を装置２に出力し、被検者の頭部に刺激を付与すべきか否かを指令する。例えば被検者のＤＭＮが不活動状態であると判定した場合、制御部１１は当該判定結果に基づき、被検者の頭部に刺激を付与するべき旨の指令信号を生成する。制御部１１は、当該指令信号を装置２に出力する。

装置２の制御部２１は、ＤＭＮの活動状態に係る判定結果を端末１から取得する。すなわち制御部２１は、上記の指令信号を端末１より取得する。上記の場合、例えば図８に示すように、ＤＭＮに該当する複数の脳領域においてα波成分の位相が同位相となっていない、α波成分の振幅が閾値以上となっていない等の理由により、ＤＭＮ該当領域が同期して活発に活動していない状態である。そこで制御部２１は、端末１から取得した指令信号に従って、ＤＭＮを活性化させるべく被検者の頭部に刺激を付与する。

具体的に制御部２１は、電極２６と一体に形成された第２電極２７から微弱電流を印加することで、被検者の頭部に付与する。上述の如く、第２電極２７は電極２６と各々の電極面が平行かつ連続するように互いに密着して形成されている。従って図８に示すように、装置２の装着状態において、第２電極２７は電極２６と隙間なく隣り合って並置されている。つまり第２電極２７は、計測用の電極２６と同様の位置、すなわち被検者の各脳領域に対応する位置に配置されている。第２電極２７は、指向性を有する微弱電流を発生させる。従って第２電極２７は、電極２６と同様の位置に配置されていることから、配置位置に対応する特定の脳領域に向けて微弱電流を発生させることになる。これにより、制御部２１は第２電極２７から微弱電流を印加することで、特定の脳領域に対して刺激を付与する。例えば制御部２１は、被検者の頭部に配置された複数の第２電極２７、２７、２７…のうち、ＤＭＮ該当領域に対応する位置に配置された第２電極２７から微弱電流を印加する。図８の例の場合、制御部２１はＤＭＮ該当領域に対応するＣＨ１、ＣＨ５、ＣＨ７等の第２電極２７から微弱電流を印加する。

制御部２１は、例えばα帯域の周波数で振幅し、かつ、同位相となる交流電流を各第２電極２７から印加する。例えば図８に示すように、制御部２１は同周波数、同位相の交流電流を各第２電極２７から印加する。なお、制御部２１は微弱電流の周波数をα帯域に限定したものとせず、広帯域の周波数に係る微弱電流を印加することとしてもよい。これにより、ＤＭＮに該当する複数の脳領域には同様の微弱電流が印加され、互いに同期して活動するように促される。

例えば制御部２１は、微弱電流の印加を開始する場合、微弱電流の強度を調整して印加する。具体的に制御部２１は、印加開始時点から所定時間を掛けて徐々に電流強度を上げていく。ＤＭＮは、被検者が閉眼安静状態となった場合にすぐ活動状態となるわけではなく、徐々に時間を掛けて活動状態に至る性質を有する。そこで制御部２１は、ＤＭＮを自然な態様で活動状態に導入すべく、上記のように微弱電流の強度を徐々に上げて活性化を促す。つまり制御部２１は、被検者の頭部に付与する刺激の強度を調整する。

端末１の制御部１１は、上述の如くＤＭＮの活動状態に係る判定結果に応じて装置２に指令を与え、ＤＭＮの同期を促す刺激を付与する。制御部１１はその後もＤＭＮの活動状態を継続的に監視し、刺激を付与するか否かの指令を装置２に与える。すなわち制御部１１は、装置２から脳波信号を順次取得して判定処理を行い、ＤＭＮが不活動状態であると判定している場合は刺激の付与を続行する。ＤＭＮが不活動状態から活動状態になったと判定した場合、制御部１１は刺激の付与を停止する。なお、刺激付与の停止時において、制御部１１は刺激付与の開始時と同様に、徐々に強度が低くなるように調整しながら微弱電流の印加を終了する。制御部１１は上記処理を繰り返し、ＤＭＮが不活動状態であると判定した場合は刺激を付与し、ＤＭＮの活性化を促す。

図９及び図１０は、情報処理システムが実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。図９及び図１０に基づいて、情報処理システムが実行する処理内容について説明する。なお、以下の処理において情報処理システムは、例えば端末１が入力部１５を介して終了指示の操作入力を受け付けた場合に一連の処理を終了する。
例えば端末１から脳波計測を開始すべき旨の指令信号を受信した場合、装置２の制御部２１は以下の処理を実行する。制御部２１は、被検者の頭部の複数位置に配置された電極２６を介して脳波信号を計測する（ステップＳ１１）。具体的には、電極２６は被検者の脳に係る複数の脳領域に対応する位置に配置されており、脳神経細胞の活動に起因して発生する電位変化を検知する。制御部２１は、各電極２６が検知した電位変化を脳波信号として計測する。制御部２１は、計測した脳波信号に係るデータを端末１に出力する（ステップＳ１２）。

端末１の制御部１１は、装置２で計測された脳波信号に係るデータを取得する（ステップＳ１３）。制御部１１は、予め定められているサンプリング時間を経過したか否かを判定する（ステップＳ１４）。サンプリング時間を経過していないと判定した場合（Ｓ１４：ＮＯ）、制御部１１は処理をステップＳ１１に戻す。サンプリング時間を経過したと判定した場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、制御部１１は、取得した脳波信号に係る時系列データを周波数スペクトルに変換する（ステップＳ１５）。例えば制御部１１は、当該時系列データに対してＦＦＴの演算処理を実行し、脳波信号のデータを時間領域から周波数領域に変換する。制御部１１は、各電極２６において計測された各脳波信号の時系列データに対し、変換処理を実行して周波数スペクトルを得る。制御部１１は、変換した周波数スペクトルから周波数帯域別の信号成分を抽出する（ステップＳ１６）。具体的に制御部１１は、α帯域、β帯域、θ帯域、δ帯域、その他の周波数帯域に分けるバンドパスフィルタ処理を実行し、各周波数帯域の信号成分を抽出する。制御部１１は、各電極２６において計測された脳波信号について上記の抽出処理を行う。

制御部１１は、電極２６が配置されている複数位置の脳領域において、α帯域の信号成分が互いに同期しているか否かを判定する（ステップＳ１７）。具体的に制御部１１は、複数の電極２６のうち、ＤＭＮを構成する脳領域に対応する位置に配置された電極２６で計測された脳波信号について、α帯域の信号成分の位相解析を行い、互いに同期しているか否かを判定する。例えば図４で示した例の場合、制御部１１は、ＤＭＮ該当領域である内側前頭前野、側頭葉、後頭葉に対応するＣＨ１、ＣＨ５、ＣＨ７等のα波成分について位相解析を行い、互いに同期しているか否かを判定する。つまり制御部１１は、ＤＭＮを構成する複数の脳領域についてα波の同期性を判定する。なお、上記でＤＭＮ該当領域とした脳領域は一例であって、本実施の形態はこれに限定されるものではない。

α帯域の信号成分が同期していると判定した場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）、制御部１１は、電極２６が配置されている複数位置の脳領域において、α帯域の信号成分の振幅と閾値との大小を比較する（ステップＳ１８）。具体的に制御部１１は、各位置で計測されたα波成分の振幅が所定の閾値以上であるか否かを判定する。なお、制御部１１はα波成分の信号強度の大小を比較してもよい。

α帯域の信号成分の振幅が閾値以上であると判定した場合（Ｓ１８：ＹＥＳ）、制御部１１は、α帯域とは異なる周波数帯域の信号成分に基づき、計測時において被検者が覚醒状態であるか否かを判定する（ステップＳ１９）。具体的に制御部１１は、β帯域の信号成分の強度と第２閾値との大小を比較することで判定を行う。例えば制御部１１は、いずれかの電極２６で計測された脳波信号のβ波成分について、強度が第２閾値以上であるか否かを判定する。なお、制御部１１はβ波成分ではなく、脳波信号が示すその他の生体情報に基づいて判定を行ってもよい。例えば制御部１１は脳波信号の解析を行い、高振幅の持続性筋電図、急速眼球運動、瞬目等の有無を判別する。制御部１１は、上記の判別結果に応じて被検者が覚醒状態であるか否かを判定してもよい。

被検者が覚醒状態であると判定した場合（Ｓ１９：ＹＥＳ）、制御部１１は、被検者のＤＭＮが活動状態であると判定し、判定結果を表示部１４に表示する（ステップＳ２０）。例えば制御部１１は、ＤＭＮの活動が活発である旨の表示画像を表示部１４に出力し、被検者等への通知を行う。α帯域の信号成分が同期していないと判定した場合（Ｓ１７：ＮＯ）、α帯域の信号成分の振幅が閾値以上でないと判定した場合（Ｓ１８：ＮＯ）、又は被検者が覚醒状態でないと判定した場合（Ｓ１９：ＮＯ）、制御部１１は、被検者のＤＭＮが不活動状態であると判定し、判定結果を表示部１４に表示する（ステップＳ２１）。

図１０に移って、ステップＳ２１の処理を実行した後、制御部１１は、ＤＭＮが不活動状態である旨の判定結果を装置２に出力する（ステップＳ２２）。具体的に制御部１１は、ＤＭＮが不活動状態であるため、ＤＭＮに該当する複数の脳領域に対して刺激を付与すべき旨の指令信号を生成し、装置２に出力する。

装置２の制御部２１は、ＤＭＮが不活動状態である旨の判定結果を端末１から取得する（ステップＳ２３）。すなわち制御部２１は、ステップＳ２２で端末１が生成した指令信号を取得する。制御部２１は当該指令信号に従い、被検者の頭部に刺激を付与する（ステップＳ２４）。具体的に制御部２１は、電極２６と一体に形成された第２電極２７から微弱電流を印加することで、被検者の頭部に付与する。上述の如く、第２電極２７は指向性を有する微弱電流を発生させることから、第２電極２７の配置位置に対応する特定の脳領域に向けて微弱電流を発生させることになる。すなわち制御部２１は、第２電極２７から微弱電流を印加することで、特定の脳領域に対して刺激を付与する。例えば制御部２１は、被検者の頭部に配置された複数の第２電極２７、２７、２７…のうち、ＤＭＮ該当領域に対応した位置に配置された第２電極２７から微弱電流を印加する。この場合、制御部２１は、例えばα帯域の周波数かつ同位相の交流電流を各第２電極２７から印加する。また、制御部２１は、印加開始時点から所定時間を掛けて徐々に強度が上がるように調整して微弱電流を印加する。制御部２１は、刺激付与を継続した状態で、処理をステップＳ１１に戻す。

ステップＳ２０の処理を実行した後、端末１の制御部１１は、装置２において刺激付与処理を実行中であるか否かを判定する（ステップＳ２５）。すなわち制御部１１は、ステップＳ２２に係る指令信号を装置２に出力して、被検者の頭部に微弱電流を付与しているか否かを判定する。刺激付与処理を実行中でないと判定した場合（Ｓ２５：ＮＯ）、制御部１１は、処理をステップＳ１１に戻す。刺激付与処理を実行中であると判定した場合（Ｓ２５：ＹＥＳ）、制御部１１は、ＤＭＮが活動状態である旨の判定結果を装置２に出力する（ステップＳ２６）。すなわち制御部１１は、ＤＭＮが活動状態であるため、刺激付与処理を停止すべき旨の指令信号を生成して装置２に出力する。

装置２の制御部２１は、ＤＭＮが活動状態である旨の判定結果を端末１から取得する（ステップＳ２７）。すなわち制御部２１は、上記の指令信号を取得する。制御部２１は当該指令信号に従って刺激の付与を停止する（ステップＳ２８）。具体的に制御部２１は、微弱電流の印加を停止する。この場合、制御部２１は所定時間を掛けて徐々に強度が下がるように調整して微弱電流の印加を停止する。制御部２１は、処理をステップＳ１１に戻す。

なお、上記ではα波成分の信号の大きさの絶対値を振幅値として取り、該振幅の大小を判定することとしたが、本実施の形態はこれに限るものではない。例えば端末１は、判定前後に亘るα波成分の大きさの相対値に基づいて判定を行ってもよい。この場合、例えば端末１は、ＤＭＮに係る判定処理を行う前に、装置２を介して開眼覚醒状態における被検者の脳波信号を計測して記憶しておく。すなわち端末１は、検査前における被検者の脳波信号のサンプルデータを計測する。そして端末１は、上記と同じく閉眼覚醒状態における被検者の脳波信号を計測する。端末１は、計測された脳波信号の大きさをサンプルデータに係る大きさで除算することで、判定開始前後に亘る相対値を算出する。端末１は、当該相対値に基づいて振幅の大小に係る判定を行う。これにより、上記と同じくＤＭＮの活動状態を判定することができると共に、各被検者の個体差を考慮して正確な判定を行うことが期待できる。

また、上記で制御部１１はα帯域の信号成分について判定処理を行ったが、判定対象とする信号成分の周波数帯域はα帯域に限定されるものではなく、例えばθ帯域を含めた周波数帯域の信号成分に基づき判定を行ってもよい。すなわち制御部１１は、特定の周波数帯域の脳波成分に基づきＤＭＮの活動状態を判定できればよい。

また、上記で制御部１１はα帯域の信号成分について振幅の大小に係る判定処理を行ったが、当該判定処理は行わず、α波成分の同期性、及び被検者の覚醒状態のみに基づいてＤＭＮが活動状態にあるか否かを判定してもよい。すなわちα波成分の振幅が閾値以上であるか否かは、ＤＭＮの活動状態に係る判定基準とせずともよい。
また、上記で制御部１１は、α帯域の信号成分について同期判定処理を行った後で被検者の覚醒判定処理を行ったが、覚醒判定処理を行った後で同期判定処理を行ってもよい。すなわち、一連の判定処理の順序は限定されない。

また、上記ではｔＡＣＳに係る刺激付与の手法を用いたが、本実施の形態はこれに限るものではない。例えば装置２は、超音波による刺激付与を行ってもよい。この場合、装置２は、電極２６と一体に形成され、特定の脳領域への指向性を有する超音波を発生させる圧電素子を備える。装置２は当該圧電素子に電圧を印加し、被検者の脳領域に向かって超音波を出射することで刺激を付与する。当該構成であっても、上記と同様の効果を奏する。また、例えばＴＭＳ（Transcranial Magnetic Stimulation；経頭蓋磁気刺激法）により刺激を付与することも考えられる。

以上より、本実施の形態１によれば、ＤＭＮの活性化を促すことができる。

また、本実施の形態１によれば、第２電極２７等の刺激発生素子を脳波計測用の電極２６と一体に形成することで、刺激を付与すべき脳領域に的確に刺激を付与することができる。

また、本実施の形態１によれば、指向性を有する微弱電流、超音波等を発生させることで、特定の脳領域に効率良く刺激を伝達することができる。

また、本実施の形態１によれば、刺激の強度を調整して付与することで、ＤＭＮが自然な態様で活動状態に至るように促すことができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、ＤＭＮに該当する複数の脳領域のうち、一部の脳領域に対して刺激を付与する形態について述べる。なお、実施の形態１と重複する内容については同一の符号を付して説明を省略する。
図１１は、実施の形態２に係る刺激付与処理を説明するための説明図である。図１１では、ＤＭＮに該当する複数の脳領域のうち、一部の脳領域に対して刺激を付与する様子を図示している。

端末１の制御部１１は、ＤＭＮの活動状態に係る判定結果に応じて、刺激を付与する脳領域を特定する。例えば制御部１１は、ＤＭＮに該当する複数の脳領域のうち、他のＤＭＮ該当領域とα波成分の位相が同位相となっていない脳領域を特定する。また、例えば制御部１１は、ＤＭＮに該当する複数の脳領域のうち、α波成分の振幅が閾値以上となっていない脳領域を特定する。このように、制御部１１はＤＭＮとしての活動性が低い脳領域を特定する。

図１１に示す例の場合、ＤＭＮに該当するＣＨ１、ＣＨ５、ＣＨ７のうち、ＣＨ７はＣＨ１、ＣＨ５と同位相になっておらず、振幅も小さくなっていることがわかる。すなわち、ＣＨ７に係る脳領域はＤＭＮとしての活動性が低い。制御部１１は判定結果を参照して当該脳領域を特定する。そして制御部１１は、当該脳領域に限定して刺激を付与するように装置２に対して指令を行う。装置２の制御部２１は当該指令に従い、活動性の低い一部の脳領域に対して刺激を付与する。すなわち、制御部２１は当該脳領域に対応する位置に配置された第２電極２７より微弱電流を印加し、他のＤＭＮ該当領域と同期を促す処理を行う。例えば制御部２１は、他のＤＭＮ該当領域に係るα波成分の位相と同位相の微弱電流を印加することで、同期を促す。

図１２は、実施の形態２に係る情報処理システムが実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。ステップＳ２１の処理を実行した後で、端末１の制御部１１は以下の処理を実行する。
制御部１１は、電極２６が配置されている複数位置の脳領域のうち、ＤＭＮに係る活動性が低い一部の脳領域を特定する（ステップＳ２０１）。例えば制御部１１は、ステップＳ１７、Ｓ１８に係る判定結果を参照し、α波成分の位相が他のＤＭＮ該当領域と同位相となっていない脳領域、α波成分の振幅が閾値以上でない脳領域等を特定する。制御部１１は、活動性が低い脳領域を特定した判定結果を装置２に出力する（ステップＳ２０２）。具体的に制御部１１は、被検者の頭部に刺激を付与すべき旨の指令信号であって、刺激を付与する脳領域を特定した指令信号を装置２に出力する。

装置２の制御部２１は、活動性が低い脳領域を特定した判定結果を端末１から取得する（ステップＳ２０３）。すなわち制御部２１は、刺激を付与する対象を特定した上記指令信号を取得する。制御部２１は当該指令信号に従い、電極２６が配置されている複数位置の脳領域のうち、一部の脳領域に対して刺激を付与する（ステップＳ２０４）。すなわち制御部２１は、ＤＭＮに係る活動性が低い一部の脳領域に対して刺激を付与する。具体的に制御部２１は、ステップＳ２０１で特定された一部の脳領域に対応する第２電極２７から微弱電流を印加し、当該脳領域に刺激を付与する。制御部２１は、例えば他のＤＭＮ該当領域と同位相の微弱電流を発生させることで、ＤＭＮに係る活動の同期を促す。ステップＳ２０４の処理を実行した後、制御部２１は処理をステップＳ１１に移行する。

以上より、ＤＭＮに係る活動性が低い一部の脳領域に限定して刺激を付与することで、例えば装置２における電力消費を低減させることができると共に、被検者の脳への負荷を抑制することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、ＤＭＮ該当領域以外の脳領域に対して刺激を付与することで、ＤＭＮの活性化を図る形態について述べる。
図１３は、実施の形態３に係る刺激付与処理を説明するための説明図である。図１３では、被検者の脳内のうち、ＤＭＮに該当しない脳領域に対して刺激を付与する様子を概念的に図示している。なお、図１３ではＤＭＮに該当しない脳領域を網掛により図示している。

装置２の制御部２１は、実施の形態１と同じく、端末１から取得する判定結果に応じて被検者の頭部に刺激を付与する。この場合に、制御部２１はＤＭＮ該当領域ではなく、ＤＭＮに該当しない脳領域に対して、脳活動を阻害する刺激を付与する。例えば図１３に示すように、制御部２１は、ＤＭＮ該当領域を担当するＣＨ１、ＣＨ５等ではなく、ＣＨ４、ＣＨ６等において微弱電流を印加する。制御部２１は、ＣＨ４、ＣＨ６等のチャンネルの脳波信号の計測結果を参照し、当該脳波信号とは逆位相の微弱電流を第２電極２７より印加する。すなわち制御部２１は、ＤＭＮ該当領域以外の脳領域に対して、脳波を減退させるように微弱電流を印加する。これにより、ＤＭＮ以外の脳領域の活動が低下し、相対的にＤＭＮ該当領域の活動が増大する。

図１４は、実施の形態３に係る情報処理システムが実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。ＤＭＮが不活動状態である旨の判定結果を端末１から取得した場合（ステップＳ２３）、装置２の制御部２１は以下の処理を実行する。
制御部２１は、ステップＳ１７、Ｓ１８で判定対象とした複数位置の電極２６、２６、２６…が担当する脳領域以外の脳領域に対して刺激を付与する（ステップＳ３０１）。具体的に制御部２１は、ＤＭＮに該当しない脳領域に対して、該脳領域の活動を阻害する刺激を付与する。例えば制御部２１は、継続的に計測している各チャンネルの脳波信号のうち、ＤＭＮ以外の脳領域の脳波信号に係る計測結果を参照して、該脳領域を担当する電極２６と一体に形成された第２電極２７より、逆位相の微弱電流を被検者の頭部に印加する。これにより制御部２１は、ＤＭＮ以外の脳領域における活動を阻害し、相対的にＤＭＮの活動を増大させる。ステップＳ３０１の処理を実行した後、制御部２１は処理をステップＳ１１に移行する。

以上より、本実施の形態３によれば、刺激を付与する脳領域はＤＭＮに係る脳領域に限定されず、他の脳領域を刺激することによってもＤＭＮの活性化を促すことができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、ＤＭＮの活動状態に係る判定結果に応じて刺激を付与するタイミングを制御する形態について述べる。
図１５は、実施の形態４に係る刺激付与処理を説明するための説明図である。図１５では、ＤＭＮ該当領域に係るα波成分の位相差に応じて刺激を付与するタイミングを決定し、第２電極２７を介して刺激を付与する様子を概念的に示している。

端末１の制御部１１は、α帯域の信号成分の同期判定処理に係る判定結果に応じて、装置２により刺激を付与するタイミングを制御する。例えば制御部１１は、ＤＭＮに該当する複数の脳領域におけるα波成分の位相差に基づき、刺激を付与するタイミングを制御する。
説明の便宜上、各チャンネルにおけるα波成分の位相を記号φ（ｘ）（ｘ＝ＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３…）で表す。ここで、図１５に示すように、ＤＭＮに該当するＣＨ１、ＣＨ５においてα波成分の位相φ（ＣＨ１）、φ（ＣＨ５）は同位相φ１であるが、ＣＨ７におけるα波成分の位相φ（ＣＨ７）は異なる位相φ２となっている場合を考える。この場合、ＣＨ７の位相φ（ＣＨ７）が位相φ１となれば、ＤＭＮに係る各チャンネルのα波成分の位相が同位相となり、同期して活動する状態となる。すなわち、ＤＭＮが活動状態となる。そこで制御部１１は、このようにＤＭＮが活動状態に近いタイミングで刺激を付与し、ＤＭＮの活性化を促す。

具体的に制御部１１は、ＤＭＮに該当する各脳領域の位相φ（ｘ）の位相差Δφが、所定値Δφ０以下であるか否かを判定する。例えば上記の場合、制御部１１はＣＨ１とＣＨ５の位相差Δφ＝φ（ＣＨ１）−φ（ＣＨ５）を算出し、当該位相差ΔφがΔφ０以下であるか否かを判定する。同様に、制御部１１はＣＨ５とＣＨ７との位相差Δφ、ＣＨ７とＣＨ１との位相差Δφを順々に算出し、Δφ０以下であるか否かを判定する。各チャンネルに係る位相差ΔφがΔφ０以下であると判定した場合、制御部１１はＤＭＮが活動状態に近いと判定し、指令信号を生成して装置２に出力する。当該指令信号を取得した場合、装置２の制御部２１は第２電極２７から微弱電流を印加し、ＤＭＮの活性化を促す。

図１６は、実施の形態４に係る情報処理システムが実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。ステップＳ２１の処理を実行した後、端末１の制御部１１は以下の処理を実行する。
制御部１１は、ステップＳ１７に係るα帯域の脳波成分が同期しているか否かの判定結果に応じて、被検者の頭部に刺激を付与するタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ４０１）。例えば制御部１１は、ＤＭＮに該当する複数の脳領域において、α波成分の位相差Δφが所定値Δφ０以下であるか否かを判定する。刺激を付与するタイミングでないと判定した場合（Ｓ４０１：ＮＯ）、制御部１１は処理をステップＳ１１に戻す。刺激を付与するタイミングであると判定した場合（Ｓ４０１：ＹＥＳ）、制御部１１は、ＤＭＮが不活動状態である旨の判定結果を装置２に出力する（ステップＳ４０２）。すなわち制御部１１は、被検者の頭部に刺激を付与するタイミングを制御して装置２により刺激を付与する。装置２の制御部２１はステップＳ２３移行の処理を実行する。

以上より、本実施の形態４によれば、被検者のＤＭＮが活動状態に近いタイミングで刺激を付与することで、被検者の脳に掛かる負荷を抑制しつつＤＭＮを活動状態に導入させることができる。

なお、上記で端末１はα波成分の同期判定処理に係る判定結果に応じて刺激を付与するタイミングを制御したが、本実施の形態はこれに限るものではない。例えば端末１は、ＤＭＮに該当する各脳領域におけるα波成分の振幅について、各脳領域の振幅の差分が所定値以下となったタイミングで刺激を付与することとしてもよい。すなわち端末１は、ＤＭＮが活動状態に近いタイミングを適切に判別することができればよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 端末（情報処理端末）
１１ 制御部
１２ 記憶部
Ｐ プログラム
１３ 通信部
１４ 表示部
１５ 入力部
２ 装置（刺激付与装置）
２１ 制御部
２２ 記憶部
２３ 通信部
２４ 入出力部
２５ 信号処理部
２６ 電極
２７ 第２電極

Claims (8)

1. 被検者の頭部の複数位置に配置された電極を介して脳波信号を計測する計測部と、
   計測結果を外部装置に出力する出力部と、
   前記複数位置の脳領域において特定の周波数帯域の脳波成分が互いに同期しており、かつ、前記被検者が覚醒状態であるか否かを示す判定結果を前記外部装置から取得する取得部と、
   取得した判定結果に応じて、前記被検者の頭部に刺激を付与する付与部と
   を備えることを特徴とする刺激付与装置。
2. 前記付与部は、前記電極と一体に形成された刺激発生素子を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の刺激付与装置。
3. 前記付与部は、特定の脳領域への指向性を有する電流又は超音波を発生させる第２電極又は圧電素子を含む
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の刺激付与装置。
4. 前記付与部は、前記複数位置の脳領域のうち一部の脳領域に対して刺激を付与する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の刺激付与装置。
5. 前記付与部は、前記複数位置の電極が担当する脳領域以外の脳領域に対して刺激を付与する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の刺激付与装置。
6. 前記付与部は、前記刺激の強度を調整して付与する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の刺激付与装置。
7. 被検者の頭部の複数位置に配置された電極から脳波信号を取得し、
   取得した前記脳波信号を周波数スペクトルに変換し、
   変換した前記周波数スペクトルから周波数帯域別の脳波成分を抽出し、
   前記複数位置の脳領域において特定の周波数帯域の脳波成分が互いに同期しており、かつ、前記被検者が覚醒状態であるか否かを判定し、
   判定結果に応じて、前記被検者の頭部に刺激を付与する指令信号を生成して刺激発生源に出力する
   処理をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
8. 前記特定の周波数帯域の脳波成分が同期しているか否かの判定結果に応じて、前記被検者の頭部に刺激を付与するタイミングを制御する
   ことを特徴とする請求項７に記載のプログラム。

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