JP2009531077A - エフェクターのリアル・タイム制御のための装置と方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
SCPsは、0.5〜10秒の間に、皮質全体におよぶゆっくりとした電圧変化である。その際、陰性SCPsは、典型的な場合、運動または皮質活動のその他の要因と関連し、逆に、陽性SCPsは減衰した皮質活動と関連している。典型的には、数週間および数か月にも及ぶトレーニングの中で、患者はSCPsの意識的な増加と減少を学習することができる。EEGによって外部からも識別可能な「増加」または「減少」の情報は、トレーニング終了後に簡単なカーソル操作に用いることができる。欠点は、長期の厳しいトレーニングを行っても、情報伝達幅は極めて僅かしかないことである。つまり、ひとつのSCPが継続している数秒間に、ちょうど1バイトが伝送されるだけである。さらに、この種の通信は、患者を疲労困憊させる。
聴覚的、視覚的または体性感覚的刺激であって、普通の刺激によって生じる稀な、または、とくに重要な電位は、(典型的には、頭頂葉皮質のEEGにおいて)刺激に対して約300ミリ秒遅れて活動のピークが起こる。例えば、患者にいくつかの文字を示し、これらの文字を順番にフラッシュで見せると、患者の希望する文字のところでP300がもっとも強くなる。文字を列や段で示すことによって、この手順を少し速くすると、P300のもっとも強い段や行からその文字が明らかとなる。この方法の欠点は、提示された選択肢からしか選ぶことができないという点と、たったひとつの文字を選ぶのに、意識を十分に集中した中で、いくつものプレゼンテーションが必要である点である。
8〜12HzのMu活動および13〜30Hzのβ活動は、体性感覚野および運動野全体に強く生じる。Muおよびβリズムは大抵、運動や運動準備により減衰し、一方、運動後や安静時にリズムがもっとも強くなる。数週間のトレーニングを行った後、被験者はこれらのリズムの強さをコントロールできるようになり、ついにはMuおよびβリズムとは無関係に二次元のカーソル・コントロールを可能にしたことが示されている。その点で、SCPsに対して一歩前進しているが、これは度合いだけのことであり、欠点は排除されていない。その他に、運動がMuリズムに影響するため、コントロールの精度が減少する。これらの方法は、トレーニングにおいても、実際の使用においても、該当する脳活動を意図的に発生させるのに十分な集中力を要するため、患者の疲労度はかなり大きい。そのため、患者は、麻痺の他に、別の大きな健康問題とも闘わなければならないことを考慮する必要がある。
P(B|N)=P(B)*P(N)−1*P(N|B)となり、
最適な運動予想のために、状態Zを考慮した場合、
P(B|N,Z)=P(B)*P(Z|B)*P(Z−1)*P(N|Z)−1*P(N|B,Z)となる。
段階810、生体の脳のニューロン活動に代表的な入力信号を受信する。
段階850、入力信号に基づき、エフェクター6のための運動制御信号を取得する。
その際、入力信号から信号サンプルが検出される(段階820)。そして、その信号サンプルから運動制御信号が、予測モデルに基づいて算出される。段階830、840では、あらかじめ決定された予測モデルに従って、検出された信号サンプルと保存されているトレーニング信号サンプルとの比較が行われる。このトレーニング信号サンプルは、トレーニングされた標準運動に関して生体の脳により作られたニューロン活動を代表するものであり、それぞれに該当するエフェクター6の段階的運動が、それらの標準運動に割り当てられている(段階830)。
その際、この段階的運動は、比較プロセスに従って検出された信号サンプルにもっとも類似するトレーニング信号サンプルに割り当てられた運動制御信号を取得するために用いられる(段階840)。
段階910、トレーニングしなければならない生体の標準運動に関して、生体の脳によって作られたニューロン活動を代表するものである入力信号を受信する。
段階920、トレーニング信号サンプルとして、データバンクに入力信号を保存する。
段階930、その都度の標準運動に従って、段階的な運動制御信号をトレーニング信号サンプルに割り当てる。
1a キャリア
1b ケーブル
1c (個々の)電極
1e 回路
2 大脳/皮質
3 信号インターフェース
3a 皮膚表面
3b 外部送受信ユニットのコイル
3c 多機能チップ
3c1 受信ユニット
3c2 送信ユニット
3c3 バッテリー/アキュムレータ
4 増幅装置
5 評価および中央制御システム
6 エフェクター
6a1 エフェクター入力ケーブル
6a2 エフェクター出力ケーブル
6b1 回転システム
6b2 捕捉システム
6c 圧力センサー
6d カバー
Claims (35)
- 生体の脳(2)のニューロン活動を代表するものである入力信号を受信するための導出電極(1)を有し、入力信号に基づいて、エフェクター(6)のために運動制御信号を取得する評価ユニット付きデータ処理装置(5)を有する、生体に組み込まれたエフェクター(6)の運動制御装置であって、その際、評価ユニットは、入力信号から信号サンプルを検出し、検出された信号サンプルからエフェクター(6)のために運動制御信号を算出し、あらかじめ決定された予測モデルに従って、検出された信号サンプルと保存されているトレーニング信号サンプルとの比較が行われるように構成されており、このトレーニング信号サンプルは、トレーニングされた標準運動に関して、生体の脳により発生したニューロン活動を代表するものであり、それぞれ該当するエフェクター(6)の段階的運動がそれらの標準運動に割り当てられるが、その際、その段階的運動は、比較プロセスで検出されたトレーニング信号サンプルに割り当てられた運動制御信号の取得に用いられる、生体に組み込まれたエフェクター(6)の運動制御装置。
- データ処理装置が入力信号の受信ユニットおよびエフェクター(6)に制御信号を供給するための制御ユニットを有している、請求項1に記載の装置。
- 導出ユニットが少なくともひとつの導出電極(1)を有し、この導出電極が、運動を管轄する脳領域から、(とくに運動野において動きをイメージし、組み立て、実行またはコントロールする場合の情報処理プロセスについての)運動に関する入力信号を特定するように構成されている、請求項1または2に記載の装置。
- 導出電極(1)、とくに局所電場電位(Local field potential)電極、皮質脳波(Electrocorticography)電極または脳波(Electroencephalography)電極が、ニューロン集団活動からの電磁的入力信号を特定するように構成されている、請求項3に記載の装置。
- 生体の状態、とくに身体ポジション、健康状態、集中力または疲労が、各トレーニング段階の間、分類および保存され、その状態は、予測モデルを決定する時の各トレーニング・データの重み付けに影響する、請求項1〜4のいずれかひとつに記載の装置。
- 外部環境が、各トレーニング段階の間、分類および保存され、その状態が、予測モデルを決定する時の各トレーニング・データの重み付けに影響するように評価ユニットが形成されている、請求項1〜5のいずれかひとつに記載の装置。
- 検出された信号サンプルが、運動制御信号の算出時に、非正常信号を受けて考慮されない状態で留まっているように評価ユニットが構成され、その際、非正常信号は脳の自然なエラー信号である、請求項1〜6のいずれかひとつに記載の装置。
- 検出された信号サンプルが、運動制御信号の算出時に、非正常信号を受けて考慮されない状態で留まっているように評価ユニットが構成され、その際、非正常信号は脳の自然なエラー信号である、請求項1〜7のいずれかひとつに記載の装置。
- 予測モデルが、新しい運動制御信号を組み立てる場合に、補間点として標準運動を使用する、請求項1〜8のいずれかひとつに記載の装置。
- 標準運動が、入力信号の時間−周波数−解析帯域の周波数変調および位相変調の形に変換される、請求項1〜9のいずれかひとつに記載の装置。
- エフェクター(6)は、プロテーゼであり、患者自身の身体部分であり、または、データ処理装置である、請求項1〜10のいずれかひとつに記載の装置。
- 運動制御信号が目標設定をもっており、運動制御信号が、制御信号には含まれない中間目標設定を含めて、エフェクター(6)により行動または運動に変換され得る、請求項1〜11のいずれかひとつに記載の装置。
- 増幅装置(4)が導出電極(1)と受信ユニット(5)との間に準備されており、入力信号を抽出および/または増幅する、請求項1〜12のいずれかひとつに記載の装置。
- 生体に組み込まれ、その際、
生体の脳のニューロン活動に代表的なものである入力信号を受信し、
入力信号に基づき、エフェクター(6)のための運動制御信号を取得する、
という段階を有しており、その際、入力信号から信号サンプルが検出され、その信号サンプルから運動制御信号が予測モデルに基づいて算出され、その際、あらかじめ決定された予測モデルに従って、検出された信号サンプルと保存されているトレーニング信号サンプルとの比較が行われるが、このトレーニング信号サンプルは、トレーニングされた標準運動に関して生体の脳により発生したニューロン活動を代表するものであり、それぞれ該当するエフェクター(6)の段階的運動がそれらの標準運動に割り当てられ、その際、その段階的運動は、比較プロセスに従って検出された信号サンプルにもっとも類似するトレーニング信号サンプルに割り当てられた運動制御信号の取得に用いられる、エフェクター(6)の運動制御装置。 - 本方法がリアル・タイムに実施される、請求項14に記載の方法。
- 算出のために、生体のひとつの状態が検知されるが、その際には、予測モデルに基づいて、あらかじめ決定された生体の状態が検知され、それらの状態がニューロン活動およびトレーニング信号と関連づけられる、請求項14または15に記載の方法。
- 予測モデルに基づいて、生体の外部環境が検知され、それらの状態がニューロン活動およびトレーニング信号と関連づけられる、請求項14〜16のいずれかひとつに記載の方法。
- 入力信号が運動に関係し、運動を管轄する脳領域のニューロン活動を代表するものであり、その際、ニューロン活動は、脳の運動野において、運動をイメージし、組み立て、実行または制御する場合の情報処理プロセスに該当する、請求項14〜17のいずれかひとつに記載の方法。
- 検出された信号サンプルが、運動制御信号の算出時に、非正常信号を受けて考慮されない状態で留まり、その際、非正常信号は、とくに決定された標準運動である、請求項14〜18のいずれかひとつに記載の方法。
- 検出された信号サンプルが、運動制御信号の算出時に、非正常信号を受けて考慮されない状態で留まり、その際、非正常信号は脳の自然なエラー信号である、請求項14〜19のいずれかひとつに記載の方法。
- 予測モデルが、運動制御信号を組み立てる場合に、補間点として標準運動を用いる、請求項20〜14のいずれかひとつに記載の方法。
- 生体に組み込まれているエフェクター(6)の運動制御に使用するための、予測モデルのデータによるデータバンク構築方法であって、その際、
トレーニングしなければならない生体の標準運動に関して、生体の脳によって発生したニューロン活動を代表するものである入力信号を受信、
トレーニング信号サンプルとして、データバンクに入力信号を保存、
その都度の標準運動に従って、段階的な運動制御信号をトレーニング信号サンプルに割り当てる、
という段階を有する、データバンクの構築方法。 - トレーニングにおいて、生体の標準運動のサイクルがひとつのトレーニング段階を形成し、各トレーニング段階の間、入力信号がトレーニング信号サンプルとして記録される、請求項22に記載の方法。
- ひとつのトレーニング段階が、標準運動の実演、イメージおよび/または実行である、請求項22または23に記載の方法。
- 生体の状態が、各トレーニング段階の間、分類およびデータバンクの中に保存され、その状態は、予測モデルを決定する時の各トレーニング信号サンプルの重み付けに影響し、その際、その状態は、とくに身体の姿勢、健康状態、集中力および/または疲労である、請求項22〜24のいずれかひとつに記載の方法。
- 様々な状態において、標準運動のトレーニング・シリーズが実行される、請求項22〜25のいずれかひとつに記載の方法。
- 検出された信号サンプルが、保存されることなく、受信された非正常信号を受けて放棄される、請求項22〜26のいずれかひとつに記載の方法。
- 保存されたトレーニング信号サンプルが、受信された非正常信号を受けてデータバンクから消去される、請求項22〜27のいずれかひとつに記載の方法。
- 非正常信号が、あらかじめ決定された標準運動であるか、または、自然のエラー信号のニューロン活動を代表するものである、請求項27または28に記載の方法。
- 入力信号がニューロンの集団活動の電磁的入力信号であり、とくに、局所電場電位(Local field potential)、皮質脳波(Electrocorticography)または脳波(Electroencephalography) 導出からの入力信号である、請求項13〜29のいずれかひとつに記載の方法。
- 予測モデルが、新しい運動制御信号を組み立てる場合に、補間点として標準運動を用いる、請求項14〜30のいずれかひとつに記載の方法。
- 標準運動に対応するニューロン活動が、入力信号の時間−周波数−解析帯域の周波数変調および位相変調の形に変換される、請求項14〜30のいずれかひとつに記載の方法。
- 制御されるエフェクター(6)がプロテーゼであるか、生体自身の身体部分であるか、または、データ処理装置である、請求項14〜32のいずれかひとつに記載の方法。
- 運動制御信号が目標設定をもっており、運動制御信号が、制御信号には含まれない中間目標設定を含めて、エフェクター(6)により行動または運動に変換される、請求項14〜33のいずれかひとつに記載の方法。
- 予測モデルが学習能力をもつ、請求項14〜34のいずれかひとつに記載の方法。
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