(57)【要約】  日常生活環境下の脳波計測において、装着状態に不具合が発生した電極を特定する。  電極装着状態判定システムは、アース極、基準極、計測極からなる電極の組を少なくとも１組用いてユーザの脳波信号を計測する脳波計測部と、脳波信号の周波数を解析する周波数解析部と、周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、アース極、基準極および計測極のいずれかの装着状態が悪いと判定する不具合電極判定部と、装着状態が悪いと判定されたときは、電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示する出力部とを備えている。
2011074186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アース極、基準極、計測極からなる電極の組を少なくとも１組用いてユーザの脳波信号を計測する脳波計測部と、
前記脳波信号の周波数を解析する周波数解析部と、
前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態が悪いと判定する不具合電極判定部と、
前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示する出力部と
を備えた電極装着状態判定システム。
【請求項２】
前記不具合電極判定部は、前記周波数の解析結果から前記ノイズ混入量のパラメータを抽出し、前記ノイズ混入量のパラメータの値が予め設定された第１の閾値を超えている場合には、前記アース極の装着状態が悪いと判定する、請求項１に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項３】
前記不具合電極判定部は、前記周波数の解析結果から前記総周波数パワーのパラメータをさらに抽出し、前記総周波数パワーのパラメータの値が予め設定された第２の閾値を超えている場合には、前記基準極および前記計測極の一方の装着状態が悪いと判定する、請求項２に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項４】
前記脳波計測部は、アース極、基準極、計測極からなる電極の組を複数用いて、それぞれの組で脳波信号を計測し、
前記周波数解析部は、各脳波信号の周波数を解析し、
前記不具合電極判定部は、
各脳波信号の周波数の解析結果からノイズ混入量のパラメータを抽出し、抽出した全ての前記ノイズ混入量のパラメータの値が予め設定された第１の閾値を超えている場合には、前記アース極の装着状態が悪いと判定し、
各脳波信号の周波数の解析結果から総周波数パワーのパラメータを抽出し、抽出した全ての前記総周波数パワーのパラメータの値が第２の閾値を超えている場合には、前記基準極の装着状態が悪いと判定し、前記総周波数パワーの一部のパラメータの値が前記第２の閾値を超えている場合には、前記計測極の装着状態が悪いと判定する、請求項３に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項５】
前記脳波計測部は、前記アース極と基準極との第１電位差、および、前記アース極と前記計測極との第２電位差を計測し、前記第２電位差と前記第１電位差との差分に基づいて、前記脳波信号を計測する、請求項１に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項６】
前記脳波信号には、外部環境から予め特定された周波数で定常的に混入するノイズが重畳されており、
前記不具合電極判定部は、前記解析結果から、前記ノイズの周波数パワーを、
前記ノイズ混入量のパラメータとして抽出する、請求項５に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項７】
前記予め特定された周波数は、外部環境にある機器の商用電源ノイズの周波数である、請求項６に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項８】
前記不具合電極判定部は、前記脳波信号の解析可能な周波数帯のパワーの平均値を前記総周波数パワーのパラメータとして抽出する、請求項５に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項９】
装着状態が悪いと判定された不具合電極を用いて計測された信号に基づいて、前記不具合電極の装着状態が解消したか否かを判定する電極復帰判定部をさらに備え、
前記不具合電極がアース極であるとき、
前記電極復帰判定部は、前記不具合電極を用いて計測された前記信号の周波数の解析結果から前記ノイズ混入量のパラメータを抽出し、前記ノイズ混入量のパラメータの値が予め設定された第３の閾値を超えているか否かにより、前記不具合電極の装着状態が解消したか否かを判定する、請求項５に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項１０】
装着状態が悪いと判定された不具合電極を用いて計測された信号に基づいて、前記不具合電極の装着状態が解消したかを判定する電極復帰判定部をさらに備え、
前記不具合電極が基準極および計測極の一方であるとき、
前記不具合電極判定部は、前記不具合電極を用いて計測された前記信号の平均値および分散を算出し、前記平均値および分散がいずれも０であるか否かにより、前記不具合電極の装着状態が解消したか否かを判定する、請求項５に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項１１】
予め保持した電極情報に基づいて、装着状態が悪いと判定された不具合電極を新たな電極に置き換える計測電極置換部をさらに備えており、
前記電極情報は、前記ユーザの脳波信号を計測するために利用可能な各電極の種類および位置の情報が記述されており、
電極の装着状態が悪いと判定されたとき、前記計測電極置換部は、前記不具合電極の種類および位置を特定して前記電極情報を参照し、前記不具合電極によって測定される脳波信号の脳波特性に基づいて、新たな電極を特定し、
前記脳波計測部は、前記不具合電極に代えて、特定された前記新たな電極を利用して脳波信号を計測する、請求項５に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項１２】
計測された前記脳波信号に含まれる特徴成分を利用して、前記ユーザの意図を判別する脳波処理部をさらに備え、
前記不具合電極が計測極であるとき、前記計測電極置換部は、前記電極情報を参照して、前記不具合電極との距離が一定以内であり、かつ、前記脳波信号の特徴成分を発生させている脳の位置からの距離が最も近い電極を前記新たな電極として特定する、請求項１１に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項１３】
計測された脳波信号に含まれる特徴成分を利用して、前記ユーザの意図を判別する脳波処理部をさらに備え、
前記不具合電極が基準極であるとき、前記計測電極置換部は、前記電極情報を参照して、マストイドとの距離が一定以内に存在する電極を前記新たな電極として特定する、請求項１１に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項１４】
計測された前記脳波信号に含まれる特徴成分を利用して前記ユーザの意図を判定し、前記ユーザの意図に応じた処理を実行する脳波処理部をさらに備え、
前記不具合電極判定部は、前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態の良否を判定し、
前記出力部は、前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示し、前記装着状態がよいと判定されたときは、前記ユーザの意図に応じた処理の結果を出力する、請求項１に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項１５】
アース極、基準極、計測極からなる電極の組を少なくとも１組用いてユーザの脳波信号を計測するステップと、
前記脳波信号の周波数を解析するステップと、
前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態が悪いと判定するステップと、
前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示するステップと
を包含する電極装着状態判定方法。
【請求項１６】
コンピュータによって実行されるコンピュータプログラムであって、
前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータに対し、
アース極、基準極、計測極からなる電極の組を少なくとも１組用いてユーザの脳波信号を計測するステップと、
前記脳波信号の周波数を解析するステップと、
前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態が悪いと判定するステップと、
前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示するステップと
を実行させる、電極装着状態を判定するためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの脳波の特徴信号からユーザの状態や意図を判定し、判定結果をフィードバックする脳波計測システムにおいて、脳波計測に利用する電極の装着状態を判定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療機関では、てんかんやアルツハイマー病などの診断に脳波が利用されてきた。一方で、健康なユーザの心理状態を脳波によって推定し、機器の操作意図や選択意図を推定する脳波インタフェースの開発への取り組みも行われてきている。【０００３】
例えば、健康なユーザに対して利用される脳波インタフェースとして、特許文献１は、ユーザの状態を推定する「居眠り運転防止装置」を開示している。特許文献１の脳波インタフェースは、脳波を周波数解析しα波成分（８Ｈｚ〜１３Ｈｚ）の周波数パワーからユーザの眠気を判断する（段落００１０参照）。また、非特許文献１に示すエマニュエル・ドンチンらもまた、ユーザの選択意図を推定するインタフェースを挙げている。非特許文献１のインタフェースは、脳波の事象関連電位のうちＰ３００と呼ばれる特徴的な信号を用いてユーザが選択したいと思っている選択肢を判別する。【０００４】
上記に示したこれまでの脳波計測では、ペーストと呼ばれる導電性の高いクリームを電極に塗布し、ユーザとは別の第三者がユーザの皮膚（頭皮）に電極を密着させる必要があった。【０００５】
このようなペースト利用や第三者に装着してもらうという使用形態は、日常生活環境下での脳波インタフェースなどの使用を想定すると、ユーザの負担となる。いま、ヘッドマウントディスプレイ（Ｈｅａｄ−Ｍｏｕｎｔ−Ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）などのウェアラブル機器に脳波計測装置を組み込んで、脳波インタフェースのために脳波を計測する例を想定する。ユーザがＨＭＤを利用する際には、ユーザはＨＭＤと同時に脳波計測装置も自らで装着できる必要がある。またペーストを電極につける行為もユーザの負担となる。さらに、装置を外した後に電極や電極が設置箇所にペーストが残り、ユーザ自身が拭き取る必要もある。【０００６】
そのため、ユーザが手軽に脳波計測機器を自己装着するためには、ペーストを使わない電極（以下「ドライ電極」と記述する。）を採用することが好ましい。【０００７】
しかしながら、ドライ電極の利用によって装着の安定性に課題が発生する。一例を説明すると、ドライ電極に力がかかると、ペーストが存在しないために皮膚とドライ電極との接触状態が変化する。その結果、皮膚に触れたまま電極の位置が変化する電極ズレや、皮膚と電極との間に空間ができ、脳波計測が継続できない浮きや外れ等の課題が発生する。なお、ペーストは粘度が高いため、皮膚と電極間の導電性を高める以外にも、電極ズレや電極はずれを防止する役割がある。この役割により、電極に力がかかり位置が多少変化しても粘度の高いペーストの形が変化することで、皮膚と電極との接触状態を保つ効果があった。【０００８】
電極ズレが発生すると皮膚と電極面とが擦れあいノイズが混入しやすくなる。さらに、電極はずれの状態になると脳波計測が継続できなくなるなどの影響が発生する。日常生活環境下ではユーザは安静状態ではなく様々な動作を行うため、電極ズレや電極はずれのような電極の接触に関する不具合が発生しやすいと考えられる。【０００９】
そこで、電極ズレや電極はずれのような不具合が生じた場合には、脳波計測に不具合な状況が発生したことを素早く検出する必要がある。【００１０】
従来の脳波計測の不具合を検出する方法として、以下に示す特許文献２や特許文献３、特許文献４の方法が知られている。【００１１】
特許文献２では、脳波電極に微弱な電流を流すことにより、計測された電圧値から皮膚と電極の間の抵抗値（接触抵抗）を算出する。これにより、皮膚と電極の接触状態を推定し、電極装着状態の不具合を検出することができる（第３頁左段２段落目参照）。【００１２】
特許文献３では、電極の近傍にコイルを設け（特許文献３の図２）、コイルに電流をかける。それにより電極に発生する誘導電流が、脳波波形に重畳されるかどうかで電極と頭皮が接触しているか否かを判断することができる（段落００３８）。【００１３】
特許文献４では、「脳波チャンネル」と呼ばれる、１組の電極間の電位差により計測される脳波信号を、複数チャンネル分計測する。すなわち複数組の電極を設けて各組で脳波信号を計測する。そして脳波チャンネルごとにＳ（＝計測したい信号）とＮ（＝計測したい信号以外の信号）を算出する。そして、Ｓ／Ｎ比と閾値との比較により、どの脳波チャンネルに計測不具合があるかを判断する（段落００２８）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平７−１０８８４８号公報
【特許文献２】実公平７−３３４７号公報
【特許文献３】特開２００６−２１２３４８号公報
【特許文献４】特開２００６−６６６５号公報
【特許文献５】特開２００６−１４８３３号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】エマニュエル・ドンチン、他２名、“Ｔｈｅ  Ｍｅｎｔａｌ  Ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ：Ａｓｓｅｓｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓｐｅｅｄ  ｏｆ  ａ  Ｐ３００−Ｂａｓｅｄ  Ｂｒａｉｎ−Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ”、ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＲＥＨＡＢＩＬＩＴＡＴＩＯＮ  ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ  ２０００、Ｖｏｌ．８、２０００年６月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上述した従来方式のいずれの技術も、日常生活環境下での脳波計測において、どの電極で不具合が発生しているのかを特定できないという課題がある。以下に、上述の各技術の課題を詳細に説明する。【００１７】
まず特許文献２の方式では、脳波の計測を停止して接触抵抗を計測する必要がある。しかしながらこの方式は、電極の接触状態があまり変化しないことを前提としており、計測の最初に接触抵抗を計測しておけば再度計測する必要は無かった。よって、脳波計測と両立した接触抵抗を計測することには考慮する必要はなかった。ところが、日常生活環境下では電極装着状態が時々刻々変化する。装着状態を確認すべき頻度は高くなるが、その度に脳波の計測を停止して接触抵抗を計測することには相当な不便を伴う。【００１８】
特許文献３の方式は、電極が皮膚と接触しているかを判定する方式では、ユーザの動作に伴って発生する電極のズレや電極の押し圧の変化などの、電極の接触状態に関する不具合は考慮されていなかった。【００１９】
このように、特許文献２、３では、電極装着状態が変化する環境での不具合電極検出は考慮されておらず、不具合が発生した電極の特定は困難であった。【００２０】
一方、特許文献４では、装着状態が変化する環境下においても脳波計測に不具合が発生したことは判定できる。しかしながら、どの電極で装着不具合が発生したかは特定できなかった。【００２１】
なお、ペーストを利用したとしても、電極ズレや電極はずれを完全になくすことはできない。よって、上述した従来の技術の課題は、ドライ電極のみならず、ペーストを利用する電極の電極ズレや電極はずれが生じた場合にもどの電極で不具合が発生しているのかを特定することは必要である。【００２２】
本願発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、日常生活環境下での脳波計測において、電極装着の不具合を検出するとともに、複数の電極のうちどの電極で不具合が発生したかを特定し、安定した脳波計測を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明による電極装着状態判定システムは、アース極、基準極、計測極からなる電極の組を少なくとも１組用いてユーザの脳波信号を計測する脳波計測部と、前記脳波信号の周波数を解析する周波数解析部と、前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態が悪いと判定する不具合電極判定部と、前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示する出力部とを備えている。【００２４】
前記不具合電極判定部は、前記周波数の解析結果から前記ノイズ混入量のパラメータを抽出し、前記ノイズ混入量のパラメータの値が予め設定された第１の閾値を超えている場合には、前記アース極の装着状態が悪いと判定してもよい。【００２５】
前記不具合電極判定部は、前記周波数の解析結果から前記総周波数パワーのパラメータをさらに抽出し、前記総周波数パワーのパラメータの値が予め設定された第２の閾値を超えている場合には、前記基準極および前記計測極の一方の装着状態が悪いと判定してもよい。【００２６】
前記脳波計測部は、アース極、基準極、計測極からなる電極の組を複数用いて、それぞれの組で脳波信号を計測し、前記周波数解析部は、各脳波信号の周波数を解析し、前記不具合電極判定部は、各脳波信号の周波数の解析結果からノイズ混入量のパラメータを抽出し、抽出した全ての前記ノイズ混入量のパラメータの値が予め設定された第１の閾値を超えている場合には、前記アース極の装着状態が悪いと判定し、各脳波信号の周波数の解析結果から総周波数パワーのパラメータを抽出し、抽出した全ての前記総周波数パワーのパラメータの値が第２の閾値を超えている場合には、前記基準極の装着状態が悪いと判定し、前記総周波数パワーの一部のパラメータの値が前記第２の閾値を超えている場合には、前記計測極の装着状態が悪いと判定してもよい。【００２７】
前記脳波計測部は、前記アース極と基準極との第１電位差、および、前記アース極と前記計測極との第２電位差を計測し、前記第２電位差と前記第１電位差との差分に基づいて、前記脳波信号を計測してもよい。【００２８】
前記脳波信号には、外部環境から予め特定された周波数で定常的に混入するノイズが重畳されており、前記不具合電極判定部は、前記解析結果から、前記ノイズの周波数パワーを、前記ノイズ混入量のパラメータとして抽出してもよい。【００２９】
前記予め特定された周波数は、外部環境にある機器の商用電源ノイズの周波数であってもよい。【００３０】
前記不具合電極判定部は、前記脳波信号の解析可能な周波数帯のパワーの平均値を前記総周波数パワーのパラメータとして抽出してもよい。【００３１】
電極装着状態判定システムは、装着状態が悪いと判定された不具合電極を用いて計測された信号に基づいて、前記不具合電極の装着状態が解消したか否かを判定する電極復帰判定部をさらに備え、前記不具合電極がアース極であるとき、前記電極復帰判定部は、前記不具合電極を用いて計測された前記信号の周波数の解析結果から前記ノイズ混入量のパラメータを抽出し、前記ノイズ混入量のパラメータの値が予め設定された第３の閾値を超えているか否かにより、前記不具合電極の装着状態が解消したか否かを判定してもよい。【００３２】
電極装着状態判定システムは、装着状態が悪いと判定された不具合電極を用いて計測された信号に基づいて、前記不具合電極の装着状態が解消したかを判定する電極復帰判定部をさらに備え、前記不具合電極が基準極および計測極の一方であるとき、前記不具合電極判定部は、前記不具合電極を用いて計測された前記信号の平均値および分散を算出し、前記平均値および分散がいずれも０であるか否かにより、前記不具合電極の装着状態が解消したか否かを判定してもよい。【００３３】
電極装着状態判定システムは、予め保持した電極情報に基づいて、装着状態が悪いと判定された不具合電極を新たな電極に置き換える計測電極置換部をさらに備えており、前記電極情報は、前記ユーザの脳波信号を計測するために利用可能な各電極の種類および位置の情報が記述されており、電極の装着状態が悪いと判定されたとき、前記計測電極置換部は、前記不具合電極の種類および位置を特定して前記電極情報を参照し、前記不具合電極によって測定される脳波信号の脳波特性に基づいて、新たな電極を特定し、前記脳波計測部は、前記不具合電極に代えて、特定された前記新たな電極を利用して脳波信号を計測してもよい。【００３４】
電極装着状態判定システムは、計測された前記脳波信号に含まれる特徴成分を利用して、前記ユーザの意図を判別する脳波処理部をさらに備え、前記不具合電極が計測極であるとき、前記計測電極置換部は、前記電極情報を参照して、前記不具合電極との距離が一定以内であり、かつ、前記脳波信号の特徴成分を発生させている脳の位置からの距離が最も近い電極を前記新たな電極として特定してもよい。【００３５】
電極装着状態判定システムは、計測された脳波信号に含まれる特徴成分を利用して、前記ユーザの意図を判別する脳波処理部をさらに備え、前記不具合電極が基準極であるとき、前記計測電極置換部は、前記電極情報を参照して、マストイドとの距離が一定以内に存在する電極を前記新たな電極として特定してもよい。【００３６】
電極装着状態判定システムは、計測された前記脳波信号に含まれる特徴成分を利用して前記ユーザの意図を判定し、前記ユーザの意図に応じた処理を実行する脳波処理部をさらに備え、前記不具合電極判定部は、前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態の良否を判定し、前記出力部は、前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示し、前記装着状態がよいと判定されたときは、前記ユーザの意図に応じた処理の結果を出力してもよい。【００３７】
本発明による電極装着状態判定方法は、アース極、基準極、計測極からなる電極の組を少なくとも１組用いてユーザの脳波信号を計測するステップと、前記脳波信号の周波数を解析するステップと、前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態が悪いと判定するステップと、前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示するステップとを包含する。【００３８】
本発明による、電極装着状態を判定するためのコンピュータプログラムは、コンピュータによって実行されるコンピュータプログラムであって、前記コンピュータに対し、アース極、基準極、計測極からなる電極の組を少なくとも１組用いてユーザの脳波信号を計測するステップと、前記脳波信号の周波数を解析するステップと、前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態が悪いと判定するステップと、前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示するステップとを実行させる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、電極を用いた電極装着状態判定システムにおいて、電極装着の不具合を検出するとともに、複数の電極のうちどの電極で不具合が発生したかを特定し、安定した脳波計測を可能にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】複数種類の電極４１〜４３を有する電極脳波計３９の構成を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、脳波計測用のドライ電極を組み込んだ眼鏡型のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）５０とその装着状態の例を示す図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、ＨＭＤのヘアバンド２５の形状の範囲内に設けられた電極の配置を示す図である。
【図４】脳波解析の結果を示す図である。
【図５】（ａ）平常時、（ｂ）アースはずし、（ｃ）計測極はずしの３状態における交流ノイズ混入量の全被験者の平均値と、被験者全員のばらつきの幅を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３状態における総周波数パワーの全被験者の平均値および被験者全員のばらつきの幅を示す図である。
【図７】本実施形態による電極装着状態判定システム２０の機能ブロックの構成を示す図である。
【図８】電極装着状態判定システム２０をＨＭＤとして具体化したときの装置の形状の一例を示す図である。
【図９】電極装着状態判定システム２０のハードウェア構成の例を示す図である。
【図１０】眼鏡の各部位の名称を示す図である。
【図１１】脳波インタフェースの画面例を示す図である。
【図１２】脳波処理部１２の脳波インタフェース処理の手順を示すフローチャートである。
【図１３】電極装着状態判定システム２０の処理全体のフローチャートである。
【図１４】周波数解析部１４が処理する脳波波形の例を示す図である。
【図１５】図１３のステップＳ１１０３において行われる不具合電極判定部１５の処理の詳細な処理手順を示すフローチャートである。
【図１６】アース２１が正常に装着されている場合（平常時）の周波数解析結果と、アースをはずした場合（アース不具合時）の周波数解析結果とをグラフ化した例を示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｃ）は、アース不具合と判定されたときの不具合通知の一例を示す図である。
【図１８】（ａ）〜（ｄ）は実験の結果を示す図である。
【図１９】実施形態１の変形例にかかる電極装着状態判定システム２０ａを示す図である。
【図２０】電極復帰判定部１７の処理を追加した電極装着状態判定システム２０ａの処理の手順を示すフローチャートである。
【図２１】電極復帰判定部１７が行う電極復帰判定処理（図２０のステップＳ１１０７）を説明するフローチャートである。
【図２２】実施形態２による電極装着状態判定システム２００の機能ブロックの構成を示す図である。
【図２３】計測電極置換部１６の処理を追加した電極装着状態判定システム２００の処理の手順を示すフローチャートである。
【図２４】実施形態２における電極配置の例を示す図である。
【図２５】計測電極置換部１６が保持している電極情報の例を示す図である。
【図２６】図２３のステップＳ１１１０、Ｓ１１１１、Ｓ１１１２で行われる計測電極置換部の処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
まず初めに、本発明の原理を説明し、その後、本発明の各実施形態を説明する。
【００４２】
本願発明者らは、脳波計の複数種類の電極（「計測極」、「基準極」および「アース」）の各々に個別に不具合が発生した場合に、それぞれ脳波波形にどのような影響を及ぼすかを調べる実験を実施した。その結果、ノイズの混入状況や不具合の種類によって、脳波波形のみから不具合が発生した電極の種類を特定できる特徴を見出した。
【００４３】
ここで、「計測極」とは、計測したい脳活動が発生している部位に装着された電極である。また「基準極」とは、脳活動の影響が少ない耳周辺部（耳朶やマストイド）などに装着された電極である。「アース」とは、差動増幅によって同相のノイズを除去するために装着した電極である。
【００４４】
以下、上述の電極（「計測極」、「基準極」および「アース」）を有する脳波計の構成例を説明する。その後、本願発明者らが行った実験内容及び実験結果から得られた新しい知見を説明し、さらにその後、その知見を活用した不具合電極の特定の実施の形態を説明する。
【００４５】
図１は、複数種類の電極４１〜４３を有する電極脳波計３９の構成を示す。この図を参照しながら、電極の種類と、１組の電極間の電位差により計測される脳波信号（脳波チャンネル）との関係を説明する。
【００４６】
脳波は、被験者の頭部に装着された２つの電極間の電位差として計測される。この電位差は、神経活動によって被験者の脳内で発生した電位変化に対応している。所定の期間に亘って計測された電位差を表示したものが、脳波の波形である。
【００４７】
脳波計３９は、Ｎ個の計測極４１、各１つのアース４２および基準極４３を有している。また脳波計３９は、Ｎ個の計測極４１に対応してＮ個の差動増幅器４０を有している。
【００４８】
一般に、計測極４１（「関電極」とも呼ばれる。）は、計測したい脳活動が発生している部位に設置される。また基準極４３（「不関電極」とも呼ばれる。）は脳活動の影響が少ない耳周辺部（耳朶やマストイド）などに設置される。各差動増幅器４０は、基準極４３で取得した電位を基準としてその差動増幅器４０に対応する計測極４１で取得した電位との電位差を差動増幅して出力する。この出力がその計測対象部位の脳波信号である。差動増幅器４０を設ける理由は、体内で発生した電位は非常に微弱なため増幅することが必要であり、また、脳波の増幅に際しては商用機器から発生する交流ノイズなどの外部から同相で混入する成分の除去することが必要だからである。
【００４９】
２つの電極（計測極４１、基準極４３）間の電位差を増幅して計測する場合、差動増幅器４０には、２つの電極の他に、別途アース４２の入力が必要となる。差動増幅器は、アース４２と計測極４１との電位差（計測極４１の電圧）、および、アース４２と基準極４３との電位差（基準極４３の電圧）を増幅する。そしてさらに計測極４１の電圧と基準極４３の電圧との差分をとる。これにより、計測極４１と基準極４３に同じように含まれるノイズ成分を除去できる。上記のように、増幅された計測極４１の電圧と基準極４３の電圧との電位差が１つの脳波信号（または脳波データ）として計測される。
【００５０】
２つの電極（計測極４１、基準極４３）間の電位差を増幅して計測する方法は、他の方法を用いても良い。例えば、アース４２と計測極４１との電位差（計測極４１の電圧）と、アース４２と基準極４３との電位差（基準極４３の電圧）との差分を取る。そして、その差分を増幅し、１つの脳波信号として計測してもよい。この１つの脳波信号（または脳波データ）のことを「脳波チャンネル」と呼ぶ。１つの差動増幅器４０に対し、脳波チャンネルは１つ出力される。
【００５１】
上記のように、計測極４１、アース４２、基準極４３の３つの電極から１つの脳波を計測するため、３つの電極のいずれか１つにでも不具合が発生した場合には、脳波チャンネルの波形が正常に計測できない状態となる。
【００５２】
日常生活環境下では、「計測極」、「アース」、「基準極」のどの極にも装着不具合が発生する可能性がある。以下、装着不具合が発生し得る態様を説明する。従来技術の課題欄で説明したとおり、装着不具合は、ペーストを利用する電極であっても、ドライ電極であっても発生し得る。以下では、ドライ電極を例に挙げて説明する。
【００５３】
たとえば図２（ａ）〜（ｅ）は、脳波計測用のドライ電極を組み込んだ眼鏡型のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）５０とその装着状態の例を示す。図１の例では、目の上にあたる位置２箇所には計測極４１が配置され、鼻にはアース４２が配置され、耳の後に基準極４３が配置されている。
【００５４】
正常にＨＭＤ５０を装着した（ａ）の正常状態では、適切に電極が皮膚に接触している。日常生活においてユーザが動くと、例えば前かがみの状態になったときには、（ｂ）に示すようにＨＭＤ５０が前にずれた状態になる。その際、目の上の計測極４１や鼻のアース４２がユーザの皮膚から離れ、電極装着状態が不具合になる。
【００５５】
また、長時間ＨＭＤ５０を装着していた場合には、ＨＭＤの重さにより、（ｃ）に示すようにＨＭＤ５０が下方にずれた状態になる。その際、目の上の計測極４１が装着不具合を生じる。また、操作や調整のためにＨＭＤ５０に触った際や、激しい動作を行った後、などは、（ｄ）に示すようにＨＭＤ５０の片側が上がった状態になると考えられる。その結果、目の上の計測極４１や耳の基準極４１がユーザの皮膚と離れ、装着不具合が発生する。さらに、何かにぶつかった際など、（ｅ）に示すようにＨＭＤ５０が横にずれた状態になる。この状態では、片側目の上の計測極４１や鼻のアース４２、耳の基準極４３のいずれかが外れると想定される。このように、動作やＨＭＤ５０の位置ズレにより、計測極４１に限らず、アース、基準極も同じように装着不具合が発生する可能性がある。
【００５６】
そこで、本願発明者らは下記の実験を行った。
【００５７】
本願発明者らは、脳波計を上述のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に組み込む態様を想定して、脳波計の電極をＨＭＤの形状の範囲内に配置した。本明細書において、ＨＭＤ等のウェアラブル装置の「形状の範囲」とは、その装置に通常必要とされる形状が占める範囲をいうとする。たとえば図３（ａ）および（ｂ）は、ＨＭＤのヘアバンド２５の形状の範囲内に設けられた電極の配置を示している。電極は、破線で示すヘアバンド２５で覆われた、被験者の頭部の範囲内に設けられている。ＨＭＤの形状の範囲には、ヘアバンド２５で覆われる範囲が含まれる。
【００５８】
測定電極位置の具体例は以下の通りである。まず基準極２２は右耳後に配置され、計測極１（図３の計測極２３ｂ）は左目上に、計測極２（図３の計測極２３ａ）は右目上に配置される。そして、アース２１は、図示された位置（この位置は国際１０−２０法の場所表記によればＦＰｚの位置に相当する）に配置される。
【００５９】
基準極２２を脳波の発生源である脳からの距離が遠い耳の後方、計測極２３を脳に近い両眼上２箇所に配置する。これにより、２つの脳波チャンネルの計測が可能になる。具体的にはアース２１、基準極２２および計測極１の組み合わせでチャンネル１（Ｃｈ１）が得られ、アース２１、基準極２２および計測極２の組み合わせでチャンネル２（Ｃｈ２）が得られる。上述の通り、「チャンネル」とは、１つの差動増幅器（１つの計測極、基準極、アースの組み合わせ）で計測される脳波信号（または脳波データ）である。
【００６０】
実験で用いた電極は、計測極、基準極およびアースのいずれもペーストを用いることなく装着するドライ電極である。計測極、基準極として、銀塩化銀のアクティブ電極（脳波計内部だけではなく電極内部でも増幅を行う電極）を使用し、アースには銀塩化銀の皿電極を使用し、ヘアバンド２５で固定した。脳波計測はポリメイトＡＰ−１１２４（デジテックス製）を使用した。サンプリング周波数は２００Ｈｚ、時定数は０．３秒で、３０代の被験者１名に対して計測実験を行った。
【００６１】
本願発明者らは、電極に不具合が発生した場合にはノイズ混入量が変動することを想定した。そこで、電極が正常に装着されている状態と、電極装着に不具合が発生した状態とでの各周波数におけるパワーの変化を観察することとした。その中でも、最も大きい外部ノイズ源と考えられる商用電源からの６０Ｈｚのパワーと、ノイズ混入量の全体量を反映すると考えられる計測した脳波の周波数帯全体のパワーに着目した。
【００６２】
脳波計測において観測される脳波信号の振幅電圧はμＶ単位であり、微弱である。一方、商用電源からの６０Ｈｚのノイズに代表されるノイズ成分の振幅電圧はｍＶ単位であり、脳波信号の振幅電圧よりも大きい。また、脳起因の信号が３０Ｈｚ以下の周波数帯であるため、商用電源からの６０Ｈｚのノイズと脳起因の信号とを容易に区別することが可能である。なお、例えば筋電計測の場合は、一般的に筋電の平均電位は数μＶ〜数ｍＶ程度、周波数成分は数Ｈｚ〜数１００Ｈｚであると言われているため、筋電起因の電位と商用電源からの６０Ｈｚのノイズとの区別は難しい。
【００６３】
そこで、本願発明者らは、ノイズ混入量および総周波数パワーの２種類のパラメータを解析した。
【００６４】
実験では、ノイズ混入量の一例として「交流ノイズ混入量」を求めた。交流ノイズ混入量は、外部機器の商用電源ノイズ量を意味する。外部機器の商用電源ノイズ量とは、外部機器の商用電源の周波数帯における周波数のパワーである。外部機器の商用電源の周波数帯は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚなど、国や地域により応じた周波数を選択する。
【００６５】
総周波数パワーとして、「解析可能な周波数帯のパワーの平均値」を求めた。より具体的には、総周波数パワーは、計測された脳波から１秒間のデータを抽出し、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実施することで各周波数のパワーの値を求め、０より大きく１００Ｈｚ以下の周波数帯域のパワーの平均値により算出した。「０より大きく１００Ｈｚ以下」とした理由は、本実験ではサンプリング周波数２００Ｈｚで脳波の計測を行ったところ、サンプリング定理によれば、利用可能な周波数帯は１００Ｈｚまでであるといえるためである。「０より大きく１００Ｈｚ以下」の範囲は一例である。利用可能な周波数帯を決定し、その最大周波数の２倍のサンプリング周波数にて脳波を計測すればよい。
【００６６】
本実施形態では、総周波数パワーを、利用可能な幅広い周波数帯に混入するノイズのパワーの変化を見る指標として利用する。または、総周波数パワーを、脳活動に起因しない周波数帯（３０Ｈｚ以上の領域）に幅広くノイズが混入しているかを調べる指標としても利用する。そこで、３０Ｈｚ以上の領域で、利用可能な周波数帯の半分以上の領域のパワーの平均を算出すれば、利用可能な周波数帯全体である０〜１００Ｈｚまでのパワーの平均値と同様の傾向が見られると考えられる。例えば、３０以上１００Ｈｚ以下の範囲や、０より大きく６０Ｈｚ以下の範囲である。
【００６７】
図４は、脳波解析の結果を示す。図４では、５つの異なる状態における、チャンネル１および２（Ｃｈ１、Ｃｈ２）への交流ノイズ混入量、総周波数パワーがそれぞれ示されている。５つの異なる状態とは、「すべての電極が適切に装着されている場合（平常）」、「計測極１だけをずらした場合（計測極１ずらし）」、「計測極２だけをずらした場合（計測極２ずらし）」、「基準極をずらした場合（基準極ずらし）」および「アースをはずした場合（アースはずし）」である。ここで「ずらし」とは、電極が皮膚に装着した状態のままで電極を左右に動かし続けた状態とする。
【００６８】
図４の最右欄に示す枠５０１内の値によれば、交流ノイズ混入量は、アースの不具合発生時（アースはずれ）にのみ増大し、平常時やその他の電極の不具合時では大きな増加は見られないことがわかる。一方、図４の２箇所の枠５０２の値のように、総周波数パワーは、計測極の不具合発生時（計測極１または計測極２ずらし）に対して、不具合発生の計測極に対応するチャンネルのみが増大する。また、図４の枠５０３の値のように、基準極の不具合発生時（基準極ずらし）に対しては、チャンネル１、チャンネル２ともに増大していることがわかる。
【００６９】
これらの実験結果より、アースの不具合発生時には、交流ノイズ混入量が増大し、計測極不具合発生時には、計測極の対応チャンネルの総周波数パワーが増大し、さらに、基準極不具合発生時には全チャンネルの周波数パワーが増大するという知見が得られた。
【００７０】
さらに本願発明者らは、上記の知見が他の被験者でも同様に発生する現象であるのかを確かめるため、２０代の被験者１４名に対して、脳波計測実験を行った。実験は、上記と同じ脳波計、電極、電極位置において、（ａ）全ての電極が正しく装着されている状態、（ｂ）アースに不具合が発生した状態（アースをはずした場合）、（ｃ）計測極に不具合が発生した状態（計測極１をはずした場合）の３つの状態における、交流ノイズ混入量、総周波数パワーを計測した。
【００７１】
図５は、（ａ）平常時、（ｂ）アースはずし、（ｃ）計測極はずしの３状態における交流ノイズ混入量の全被験者の平均値と、被験者全員のばらつきの幅を示す。図５では、図４の５０１の結果と同様、他の状態と比較して（ｂ）アースはずし時のときに、交流ノイズ混入量が増大する傾向が、全ての被験者に発生していることがわかった。
【００７２】
また、図６は、上述の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３状態における総周波数パワーの全被験者の平均値および被験者全員のばらつきの幅を示す。図６に示されるように、図４の枠５０２の結果と同様に、（ｃ）計測極はずしのときに、他の状態と比較して総周波数パワーが増大する傾向が、全ての被験者に発生していることがわかった。
【００７３】
今回は、基準極不具合についての実験はしていない。しかしながら、図６の結果から計測極不具合発生時に総周波数パワーの増大が見られたことに鑑みれば、基準極に不具合が発生した場合もまた、図４の枠５０３の結果と同様全てのチャンネルの総周波数パワーは増大すると推測される。
【００７４】
上記の結果から、アースの不具合発生時には、交流ノイズ混入量が増大し、計測極不具合発生時には、計測極の対応チャンネルの総周波数パワーが増大し、さらに、基準極不具合発生時には、全チャンネルの周波数パワーが増大するという知見は、被験者に依存するものではなく、特異な傾向ではないということがわかった。
【００７５】
上記の知見により、交流ノイズ混入量の増大によりアースの不具合が、また特定チャンネルにおける総周波数パワーの増大により計測極の不具合が、さらに全チャンネルにおける総周波数パワーの増大で基準極の不具合が判定可能となることを着想した。
【００７６】
以下、この着想に基づいてなされた本発明による電極装着状態判定システムの実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００７７】
本願発明の好ましい実施形態として、本願発明者らは、ユーザの脳波を計測し、計測された脳波の特徴信号からユーザの状態や意図を判定し、判定結果をフィードバックする、電極装着状態判定機能付きの脳波インタフェースシステム（以下、「電極装着状態判定システム」と記述する。）を例示する。
【００７８】
電極装着状態判定システムは、特に、ペーストを利用しないドライ電極をＨＭＤなどのウェアラブル機器に組み込んだ状態で脳波を計測する。ドライ電極の場合には特に電極装着状態に不具合が生じる可能性が高い。そのような電極装着状態の不具合が生じた場合にユーザに通知や復帰判定を行う。そして可能な場合には電極置き換えによって計測を継続することが可能になる。
【００７９】
（実施形態１）
図７は、本実施形態による電極装着状態判定システム２０の機能ブロックの構成を示す。図８は、電極装着状態判定システム２０をＨＭＤとして具体化したときの装置の形状の一例を示す。図９は、電極装着状態判定システム２０のハードウェア構成の例を示す。各図に示される構成要素のうち、共通する構成要素に対しては同じ参照符号を付している。
【００８０】
本願明細書では、図８に示すＨＭＤ形状に基づいて電極装着状態判定システム２０を説明する。ＨＭＤの各部位は、眼鏡の部位を示す用語を用いて表現する。図１０は、眼鏡の各部位の名称を示している。ユーザ１０の耳に引っ掛かりＨＭＤ本体を固定する部分を「先セル部」と呼ぶ。ユーザ１０の鼻に接地しＨＭＤ本体を支える部分を「ノーズパッド部」と呼ぶ。ユーザ１０の各眼球の前に設置される出力部１３を保持し固定する部分を「リム部」と呼ぶ。また、両目の前のリム部２３をつなぎ支える部分を「ブリッジ部」、リム部と先セル部をつなぎ支える部分を「テンプル部」と呼ぶ。
【００８１】
図７に示されるように、電極装着状態判定システム２０は、脳波計測処理部１８および電極状態判定処理部１９を有している。なお、図７では、ユーザ１０は理解の便宜のために記載されている。
【００８２】
脳波計測処理部１８は、脳波計測部１１、脳波処理部１２および出力部１３を有している。また電極状態判定処理部１９は、周波数解析部１４と、不具合電極判定部１５とを有している。以下、各構成要素を説明する。
【００８３】
脳波計測処理部１８の脳波計測部１１は、図８に示されるアース２１、基準極２２、計測極２３ａ、２３ｂおよび脳波計測回路２４を有している。アース２１は眼鏡のノーズパッド部に、基準極２２は眼鏡の先セル部２２の内側に、計測極２３ａ、計測極２３ｂは眼鏡のレンズ上部に、脳波計測回路２４は眼鏡のテンプル部に設置される。ＨＭＤ装着時には、各電極２１，２２，２３ａ、２３ｂがユーザ１０の皮膚に接するように配置されている。
【００８４】
脳波処理部１２は、計測された脳波信号からユーザ１０の意図や状態を判別する。
【００８５】
出力部１３は、ＨＭＤのレンズ部に設置された機器（たとえば液晶モニタ）であり、判別された結果をユーザ１０にフィードバックする。フィードバックは、液晶モニタへの画像出力などの機器の動作として実現される。
【００８６】
一方、電極状態判定処理部１９の周波数解析部１４は、ＨＭＤのブリッジ部に設置され、脳波計測部１１で計測された脳波を周波数解析する。
【００８７】
不具合電極判定部１５は、周波数解析値から不具合が発生した電極を判定し、出力部１３により電極状態をユーザ１０に通知する。
【００８８】
尚、図８の各機能ブロック、電極の位置は一例であり、各機能ブロックの位置、各電極の位置、個数はこれに限られるものではない。
【００８９】
次に、図９を参照しながら電極装着状態判定システム２０のハードウェア構成を説明する。
【００９０】
アース２１、基準極２２、複数の計測極２３および脳波計測回路２４が本実施形態による脳波計測部１１を構成する。アース２１、基準極２２、複数の計測極２３は脳波計測回路２４に接続されており、脳波計測回路２４がバス１００と接続されることで、他の構成要素との脳波信号の授受が行われる。
【００９１】
ＣＰＵ１２１、ＲＡＭ１２２、ＲＯＭ１２３は本実施形態による脳波処理部１２を構成する。ＣＰＵ１２１はＲＯＭ１２３に格納されているコンピュータプログラム１２４をＲＡＭ１２２に読み出し、ＲＡＭ１２２上に展開して実行する。本実施形態による脳波処理部１２は、このコンピュータプログラム１２４によって脳波判別処理を実現する。ＣＰＵ１２１、ＲＡＭ１２２、ＲＯＭ１２３はバス１００と接続されており、各構成要素との間で制御信号やデータの授受を行う。
【００９２】
続いて、ＣＰＵ１４１、ＲＡＭ１４２、ＲＯＭ１４３は本実施形態による周波数解析部１４を構成する。ＣＰＵ１４１はＲＯＭ１４３に格納されているコンピュータプログラム１４４をＲＡＭ１４２に読み出し、ＲＡＭ１４２上に展開して実行する。本実施形態による周波数解析部１４は、このコンピュータプログラム１４４によって脳波波形の周波数解析処理を実現する。ＣＰＵ１４１、ＲＡＭ１４２、ＲＯＭ１４３はバス１００と接続されており、不具合電極判定部１５に解析結果を示すデータを送信する。
【００９３】
ＣＰＵ１５１、ＲＡＭ１５２、ＲＯＭ１５３は、本実施形態による不具合電極判定部１５を構成する。ＣＰＵ１５１はＲＯＭ１５３に格納されているコンピュータプログラム１５４をＲＡＭ１５２に読み出し、ＲＡＭ１５２上に展開して実行する。本実施形態による不具合電極判定部１５は、このコンピュータプログラム１５４によって後述の不具合電極判定処理を実現する。ＣＰＵ１５１、ＲＡＭ１５２、ＲＯＭ１５３は、バス１００と接続されており、出力部１３との間で制御信号やデータの授受を行う。
【００９４】
出力部１３は、画像処理回路１３１および画面１３２を有している。画像処理回路１３１は、ＣＰＵ１２１および１４１からの制御信号やデータに従って、ユーザ１０へのフィードバック（たとえば画面への脳波波形表示など）や電極装着状態の情報を画面１３２へ出力する。出力部１３は、ＨＭＤに必要な情報を提示する機能をあわせて有していてもよい。
【００９５】
上述のコンピュータプログラム１２４、１４４および１５４は、それぞれ半導体メモリ媒体やＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記録されて製品として市場に流通され、または、インターネット等の電気通信回線を通じて伝送され得る。
【００９６】
なお、脳波処理部１２、周波数解析部１４および不具合電極判定部１５は、半導体回路にコンピュータプログラムを組み込んだＤＳＰ等のハードウェアや、ＣＰＵを有さず回路として演算を行う半導体としても実現可能である。また、脳波処理部１２、周波数解析部１４および不具合電極判定部１５は、それぞれ別のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを持つ機能ブロックとして説明を行ったが、同一のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭによって、同様の機能を実現してもよい。
【００９７】
次に、本発明の電極装着状態判定システム２０の概要を説明し、その処理を概観した後に、電極装着状態の不具合判定方法を説明する。
【００９８】
電極装着状態判定システムは、計測された脳波を解析し、電極装着状態に不具合が発生した場合には、不具合電極を特定しユーザに通知する。不具合が発生していない場合には、装着状態に関してユーザに通知は行わず、本来の脳波計測および脳波解析による機能が提供される。脳波解析によって提供される機能とは、例えばユーザの状態の判定や機器操作のための意図を抽出が該当する。
【００９９】
本実施形態での脳波処理は、脳波を利用してユーザの選択意図を判断する脳波インタフェースを例に挙げて説明する。より具体的には、ユーザ１０の脳波信号を利用してＴＶを操作し、ユーザ１０が視聴したいジャンルの番組を選択する脳波インタフェースを説明する。
【０１００】
図１１（ａ）は、脳波インタフェースの画面例を示す。より詳しくは、図１１（ａ）は、出力部１３がＴＶの画面４１を介してユーザ１０に提示するメニューの例である。画面には「どの番組をご覧になりたいですか？」という質問４２と、見たい番組の候補である選択肢４３ａ〜４３ｄが提示される。ここでは４種類の選択肢（「野球」４３ａ、「天気予報」４３ｂ、「アニメ」４３ｃおよび「ニュース」４３ｄ）が表示されている。
【０１０１】
図１１（ａ）の例ではまず一番上の野球４３ａが選択され、ハイライト表示される。「ハイライト表示」とは、他の項目より明るい背景による表示、明るい文字色による表示、または、カーソル等で指し示された表示をいう。ここではユーザ１０が見たときに、システム側が現在どの項目に注意して欲しいかが伝わるようになっていればよい。４つ目のニュース４３ｄの次はまた一番目の野球４３ａに戻る。
【０１０２】
図１１（ｂ）は、脳波処理部１２によって取得された、ユーザ１０の脳波信号の事象関連電位である。事象関連電位の取得の起点は、各選択肢がハイライト表示された瞬間に設定される。そして、この瞬間より、例えば２００ｍｓ前から１秒後までの事象関連電位が脳波信号から抽出される。これによって、ハイライト表示された項目に対するユーザ１０の反応が得られる。事象関連電位４４ｄとともに、横軸に時間、縦軸に事象関連電位が示されている。なお、縦軸の上方向は事象関連電位が負（陰性）になる方向に対応し、下方向は事象関連電位が性（陽性）になる方向に対応する。
【０１０３】
今、ユーザ１０が天気予報４３ｂを見たいと考えていたとする。選択肢４３ａ〜４３ｄまでのそれぞれに対応する脳波信号４４ａ〜４４ｄのうち、天気予報４３ｂがハイライトされたときのユーザ１０の脳波信号４４ｂを見ると、天気予報４３ｂがハイライトされた時刻を起点に潜時約３００ｍｓ後に特徴的な陽性の成分（Ｐ３００成分）が出現する。そこで脳波処理部１２は、このＰ３００成分が検出された選択肢をユーザ１０が視聴したい番組であるとして、チャンネルを天気予報のチャンネルに切り替える。図１１（ｃ）は、天気予報のチャンネルが選択された後の画面４５を示す。
【０１０４】
図１２は、脳波処理部１２の脳波インタフェースの処理手順を示す。
【０１０５】
ステップＳ１５０１において、脳波処理部１２は図１１（ａ）に示すメニュー２３を、出力部１３を介して表示する。脳波処理部１２は、ステップＳ１５０２において、たとえば野球４３ａの項目を選択し、次のステップＳ１５０３において、選択した野球４３ａの項目を、出力部１３を介してハイライト表示する。
【０１０６】
ステップＳ１５０４において、脳波処理部１２は、脳波計測部１１から出力された脳波信号から、項目のハイライト表示タイミングを起点とした事象関連電位を取得する。
【０１０７】
ステップＳ１５０５において、脳波処理部１２は、取得した事象関連電位に、選択したい項目のハイライトに起因する波形変化が存在するか否かを判定する。波形変化が存在する場合にはステップＳ１５０６に進み、波形変化が存在しない場合にはステップＳ１５０２に戻って次の項目（たとえば天気予報４３ｂ）のハイライト表示を行う。Ｐ３００成分の有無を識別することにより、現在取得した脳波の波形が、ユーザ１０が選択したい項目に対する波形か、それとも選択したくない項目に対する波形かを判定することができる。
【０１０８】
最後にステップＳ１５０６において、脳波処理部１２は、Ｐ３００成分が現れた項目に対応する機能（チャンネル切り替え）を実行する。
【０１０９】
上述の処理により、ユーザ１０はボタンを操作しなくても脳波によってメニュー項目を選択することができる。なお、ステップＳ１５０２では、項目は順次選択されるとしたが、ランダムに提示する方法も可能である。これにより、事前にどの項目が選択されるか不明なため、より注意深くメニューが選択される可能性がある。
【０１１０】
図１３は、電極装着状態判定システム２０の処理全体のフローチャートを示す。以下、図１３の電極装着状態判定システム２０のフローチャートに沿って、動作を説明する。
【０１１１】
ステップＳ１１０１では、脳波計測部１１がユーザ１０の脳波を計測する。脳波の計測は、図８に示すアース２１、基準極２２、計測チャンネルに対応する計測極２３の３種類の電極を１組として利用して組ごと（チャンネルごと）に脳波計測回路２４により計測される。なお、アース２１および基準極２２は各組で共用される。
【０１１２】
脳波計測回路２４は、アース２１の電位を基準として差動増幅を行う。すなわち、脳波計測回路２４は、基準極２２の電位、計測極２３の電位をアース２１の電位を基準として増幅し、増幅した計測極２３の電位から、増幅した基準極２２の電位の差分をとる。これにより、基準極２２を基準にした計測極２３の脳波電位を測定できる。この差動増幅は微弱な信号を増幅する場合に用いられ脳波計測にも用いられる。上記のようにして計測された脳波電位は１チャンネルの脳波データとして、脳波処理部１２、周波数解析部１４に送信される。
【０１１３】
ステップＳ１１０２では周波数解析部１４により周波数解析処理を行う。図１４は周波数解析部１４が処理する脳波信号波形の例を示す。周波数解析部１４は、脳波計測部１１が計測した脳波信号３０１を受信し、判定対象となる区間の脳波波形３０２を抽出する。ここで抽出される区間は、例えば１秒間に設定される。次に、周波数解析部１４は、抽出した脳波信号３０２に対し、たとえば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）による周波数解析を実施し、各周波数のパワーの値３０３を算出する。各周波数のパワーの値３０３は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の結果得られたフーリエ係数の値に対応する。
【０１１４】
パワー値の算出後、周波数解析部１４は周波数解析結果を不具合電極判定部１５に出力する。周波数解析結果の出力後、周波数解析部１４は、１秒間分の脳波が計測されるまで待機し、１秒後、再度周波数解析を実行する。ただし、解析対象区間以上の間、周波数解析部１４に処理のタイミングが発生しなかった場合は、処理タイミング直前１秒間の脳波データに対して、周波数解析を行う。
【０１１５】
図１３のステップＳ１１０３で、不具合電極判定部１５は、脳波計測している各電極に装着不具合が発生しているか否かを判定する。不具合電極判定部１５は、周波数解析部１４の周波数解析結果から、電極装着状態判定に必要なノイズ混入量、総周波数パワーの解析パラメータを抽出する。そして、不具合電極判定部１５は、各解析パラメータとあらかじめ設定された閾値との比較により、アース、基準極、計測極の各電極に電極装着状態に不具合が発生しているか否かを判定する。不具合が発生している場合には、不具合電極判定部１５は、アース、基準極、計測極のいずれの電極で不具合が発生しているか否かを特定する処理を行う。具体的な判定方法は詳述する。
【０１１６】
不具合電極が特定された場合には、ステップＳ１１０６にて、出力部１３は、不具合が発生した電極の位置や種類をユーザ１０に通知する。
【０１１７】
ステップＳ１１０３で不具合電極はないと判断された場合には、処理はステップＳ１１０４に進む。ステップＳ１１０４では、脳波処理部１２が、計測された脳波を利用した処理を行う。本実施形態では、脳波処理部１２は、選択肢ハイライトを行ったタイミングを起点とした脳波を切り出し、Ｐ３００成分が出現しているかの判定を行うことで、ユーザ１０がどの選択肢を選択する意図があったのかを判別する。
【０１１８】
ステップＳ１１０５にて、出力部１３は、脳波処理部１２で処理された結果を画面等に表示することにより、ユーザ１０にフィードバックする。本実施形態では、出力部１３は、画面１３２に図１１（ｂ）で示すように、ユーザ１０が選択した選択肢１３７をフィードバックする。
【０１１９】
このような処理によって、脳波計測の結果をユーザに提示しつつ、電極の装着具合に不具合が発生した場合には、その不具合電極の種類や位置を特定し、ユーザに通知できる。
【０１２０】
次に、ステップＳ１１０３で不具合電極判定部１５が行う、不具合電極を判定する処理を説明する。
【０１２１】
図１５は、ステップＳ１１０３（図１３）において行われる不具合電極判定部１５の処理のフローチャートを示す。以下、ステップＳ１１０３において行われる処理の詳細を説明する。
【０１２２】
ステップＳ１２０１で、不具合電極判定部１５は、周波数解析部１４から出力された周波数解析結果を取得する。ここでの周波数解析結果とは、各周波数帯に周波数パワーの値のデータが相当する。例えば、サンプリング周期２００Ｈｚで脳波を記録した場合は、その半分の周期である０〜１００Ｈｚまでの周波数解析（ＦＦＴ）の結果となる。
【０１２３】
ステップＳ１２０２で、不具合電極判定部１５は、各脳波チャンネル（Ｃｈ）の周波数解析結果から、特徴ノイズ周波数パワーを算出する。ここで特徴ノイズ周波数とは、脳波計測環境において、外部機器などから発生しているノイズの周波数である。脳波信号の当該周波数には、そのノイズが含まれている。例えば、電気機器に囲まれた環境では、特徴ノイズとして、電源からの交流ノイズが挙げられる。また同様の特徴ノイズとして、自動車の中等では、エンジンから発せられるパルス波が特徴ノイズとして考えられる。エンジンから発せられるパルス波の周波数は、エンジン回転数に比例する。したがって、不具合電極判定部１５は、エンジン回転数を示す情報を自動車のタコメータやコンピュータ等から取得することにより、パルス波の周波数を特定することができる。
【０１２４】
上記の交流ノイズの周波数やエンジンのパルス波ノイズの周波数を特徴ノイズ周波数として、各チャンネルの周波数解析結果から算出する。本実施の形態では、室内での利用を想定し、特徴ノイズを交流ノイズとして説明を行う。交流ノイズの帯域は、たとえば日本国の関西地区では６０Ｈｚ、関東地区では５０Ｈｚである。上記の実験を行った環境が関西地区であるため、特徴ノイズ周波数は６０Ｈｚとし、特徴ノイズ周波数パワーを交流ノイズ混入量と言い換えて説明を行う。なお、諸外国における交流ノイズの帯域は、たとえばアメリカ合衆国では６０Ｈｚ、欧州諸国や中国では５０Ｈｚである。以下に説明する６０Ｈｚの例に基づけば、当業者であれば、周波数の相違を考慮して５０Ｈｚの地域における実験を行うことは可能である。
【０１２５】
ステップＳ１２０３で、不具合電極判定部１５は、各脳波チャンネルの周波数解析結果から、総周波数パワーを算出する。総周波数パワーは、周波数解析結果のパワーの平均値（０〜１００Ｈｚまでの周波数パワーの平均）で算出される。
【０１２６】
ステップＳ１２０４以降の処理で、ノイズ混入量、総周波数パワーの値に基づいて、不具合電極判定部１５は、アース２１、基準極２２、計測極２３のいずれの電極に不具合が発生しているかを判定する。判定の流れは、アース２１の不具合判定（ステップＳ１２０４）、計測極２３の不具合判定（ステップＳ１２０５、Ｓ１２０６、Ｓ１２０８）、基準極２２の不具合判定（ステップＳ１２０９）の順で行われる。以下に、それぞれの判定方法を具体的に説明する。
【０１２７】
まず、不具合電極判定部１５が行うアース不具合判定（ステップＳ１２０４）を説明する。不具合電極判定部１５は、ステップＳ１２０２で算出された交流ノイズ混入量を参照して、アース２１に不具合が発生したか否かを判定する。
【０１２８】
図１６は、上述した本願発明者らが実施した実験の結果（図４）を例に、アース２１が正常に装着されている場合（平常時）の周波数解析結果と、アースをはずした場合（アース不具合時）の周波数解析結果とをグラフ化した例を示す。グラフの横軸は周波数（単位：Ｈｚ）を示し、縦軸は周波数パワー（単位：μＶ＾２）を示している。ここでは、図４におけるＣｈ１の交流ノイズ混入量を利用して６０Ｈｚにおける平常時とアース不具合時の周波数パワーとをグラフ化した。図１６によれば、平常時８２．３μＶ＾２に比べ、アース不具合時には３５５０２．３μＶ＾２と非常に離れた値をとっている。
【０１２９】
そこで、不具合電極判定部１５にあらかじめアースの不具合判定の閾値を設定しておき、交流ノイズ混入量が閾値を超えた場合には、不具合電極判定部１５がアース２１に不具合が発生していると判定する。「閾値」として、平常時とアース不具合時の中間値を設定することが望ましい。しかしながら、平常時とアース不具合時の値が乖離していることを考慮し、本実施形態では、平常時の交流ノイズ混入量の対数とアース不具合時の交流ノイズ混入量の対数と平均し、その平均値をとる周波数パワーである１７００μＶ＾２を設定した。
【０１３０】
他の閾値設定方法としては、平常時の値のみを基準に考え、例えば平常時の１０倍を異常な状態（アース不具合状態）と判断するよう８２３μＶ＾２に設定する方法が考えられる。この閾値との比較により、図４の実験の例では、平常時には「アース不具合無し」と判定されステップＳ１２０５へ遷移する。また、アースはずし時には「アース不具合」と判定され、不具合通知を出力部１３に出力するステップＳ１２１０へ遷移する。
【０１３１】
図１７（ａ）は、アース不具合と判定されたときの不具合通知の一例を示す。図１７（ａ）に示すように、アースが外れていることを知らせる警告が画面１３２上に表示される。または図１７（ｂ）に示すように、装着異常が発生している電極位置を示す画面１３２上に画像および説明が表示される。
【０１３２】
再び図１５を参照しながら、不具合電極判定部１５が行う計測極２３の不具合判定処理（ステップＳ１２０５、Ｓ１２０６、Ｓ１２０８）を説明する。
【０１３３】
ステップＳ１２０５において、不具合電極判定部１５は、本願発明者らが実施した上述の実験の特徴を利用し、計測されたいずれか１チャンネルの総周波数パワーの値と、電極の不具合を判定する閾値とを比較する。判定した脳波チャンネルの総周波数パワーが閾値を超えた場合には、不具合電極判定部１５は判定したチャンネル番号の計測極に不具合が発生している疑いがあると判定し、ステップＳ１２０８にて不具合リストにチャンネル番号を記録する。表１は、不具合が生じたチャンネルの番号が記録された不具合リストの一例を示す。
【０１３４】
【表１】
2011074186.tif 000003
【０１３５】
閾値は、上記実験の結果から例えば平常時の総周波数パワーの大きい方の値５．２と、電極不具合発生時に増大した総周波数パワーの最小値６７．１の中間値である３６を設定した。
【０１３６】
図４の実験の例では、計測極１をずらしたときには、総周波数パワーが３６を超えるＣｈ１が不具合として検出され、不具合リストに追加される。他の閾値設定方法としては、チャンネルごとに閾値を設定し、平常時の値のみを基準に考え、平常時の２倍を異常な状態（計測極不具合状態）と判断するように設定してもよい（例えば、Ｃｈ１は１０．４μＶ＾２、Ｃｈ２は５．６μＶ＾２）。
【０１３７】
今回実験で解析された不具合時の周波数パワーの値は、電極不具合時には常にこの値になるものではなく、電極ズレの強さや幅、皮膚の状態により、様々変化すると考えられる。ただし、不具合発生時には、平常時と比較して総周波数パワーが増大する傾向は変化しない。そのため、不具合発生時の総周波数パワーの値のブレを考慮し、判別のための閾値を上記の値よりも低め（例えば、２０μＶ＾２）に設定してもよい。
【０１３８】
ステップＳ１２０６にて、不具合電極判定部１５は、ステップＳ１２０５の比較処理をまだ行っていない脳波チャンネルが存在するか否かを判断する。存在する場合にはステップＳ１２０５に戻り、当該脳波チャンネルに対して、ステップＳ１２０５の比較処理を行う。
【０１３９】
全ての脳波チャンネルに対し、ステップＳ１２０５の比較処理が完了した後は、処理はステップＳ１２０７に進む。ステップＳ１２０７にて、不具合電極判定部１５は、不具合リストの内容を確認し、不具合リストに記述されているチャンネル番号を確認する。不具合リストには何も記述されておらず空である場合は、不具合電極判定部１５は、不具合電極は存在しないと判断し、ステップＳ１２１３において不具合電極なしと判定する。
【０１４０】
不具合リストが空でなかった場合は、ステップＳ１２０９にて不具合電極判定部１５は、現在計測している全ての脳波チャンネルが不具合リストに挙げられているか否かを判断する。全てのチャンネルが不具合リストに挙げられている場合には、基準極２２に不具合が発生したと考えられる。そこで、不具合電極判定部１５はステップＳ１２１１にて基準極不具合があると判定する。
【０１４１】
ステップＳ１２０９にて、不具合リストと全チャンネル番号とが一致しなかった場合は、個別の計測極に不具合が発生していると考えられる。ステップＳ１２１２において、不具合電極判定部１５は、不具合リストのＣｈ番号に対応する計測極が不具合であると判定する。
【０１４２】
ここで、図４に示される平常時、計測極１不具合、計測極２不具合、基準極不具合の状態におけるＦＦＴの結果のグラフと総周波数パワーの値を参照しながら、図１５に示す判定処理の流れを確認する。
【０１４３】
平常時においては、図１５のステップＳ１２０５〜Ｓ１２０７の処理により、不具合電極判定部１５は、Ｃｈ１およびＣｈ２を不具合リストに追加しない。Ｃｈ１、Ｃｈ２の総周波数パワーは、５．２と２．８でともに閾値３６を下回っているためである。そして、不具合電極判定部１５は、ステップＳ１２０７で不具合リストは空であることを確認するため、「不具合電極なし」と判定する。
【０１４４】
計測極１がずれたときは、Ｃｈ１の総周波数パワーが９３．７と閾値３６を上回っている。よって、不具合電極判定部１５は、図１５のステップＳ１２０５、ステップＳ１２０８の処理により、計測極１を含むチャンネル番号を不具合リストに追加する。不具合電極判定部１５は、ステップＳ１２０９にてＣｈ１のみが不具合であると判断するため、計測極１を不具合電極として判定する。
【０１４５】
基準極がずれたときは、Ｃｈ１、Ｃｈ２の総周波数パワーが３５７．６、１９４．６とともに閾値３６を上回っている。よって、図１５のステップＳ１２０５、ステップＳ１２０８の処理により、不具合電極判定部１５は、Ｃｈ１、Ｃｈ２を不具合リストに追加する。ステップＳ１２０９にて、不具合電極判定部１５は、全てのチャンネルで不具合が発生していると判断すると、基準極を不具合電極として判定する。
【０１４６】
尚、上述の説明において、出力部１３の出力例として図１７（ａ）または図１７（ｂ）に示す通知方法を説明したが、ユーザへの通知方法は、上記に限るものではない。ユーザ１０が電極装着に不具合が発生したことを通知でき、ユーザ１０が不具合電極の場所を知り、改善を促すことができる通知方法であればよい。例えば、音声による通知方法も本発明の範疇である。
【０１４７】
以上の処理によって、不具合が発生した電極が、計測極、基準極、アースのいずれであるかを特定できる。複数の電極によって特定される計測チャンネルを特定するだけでなく、不具合が生じている電極までをも特定して不具合の通知ができる。これにより、ユーザは即座に電極の装着状態を改善でき、装着不具合が発生しうる日常生活環境下でも脳波計測が継続できる。
【０１４８】
上述の構成により、ユーザ１０は、脳波計測に不具合が発生した場合、装着不具合となった電極の種類や位置を知ることができ、電極装着状態を自ら修正することが可能になった。
【０１４９】
ただし、ユーザ１０が不具合電極を修正すると、不具合電極の近くの、不具合がなかった電極に電極ズレ等発生する可能性がある。この結果、正常に装着されていた電極が不具合電極と判断されてしまう。そのため、ユーザが修正する度、他の極に不具合通知が出ることになり、全体として修正がなかなか完了しなくなる。
【０１５０】
よって、不具合電極判定部１５は、不具合電極の復帰が完了するまでは電極不具合を検知しないように電極不具合判定処理を停止してもよい。このときは、たとえば不具合電極判定部１５が不具合電極の復帰を判断してもよいし、または、不具合電極の復帰を判定する復帰判定部を設けてもよい。これにより、不具合電極修正の際のユーザ１０の負荷を削減できる。
【０１５１】
ここで上述した、不具合電極の復帰を判定する方法を説明する。
【０１５２】
本願発明者らは、電極不具合が継続している状態と電極が復帰した状態を区別する脳波特徴を検証する実験を行った。その結果、不具合電極が復帰した際に出現する特徴を検出することによって、電極復帰判定処理を行うことが可能になることを見出した。
【０１５３】
以下では、その実験内容及び実験結果から得られた新しい知見を説明し、その後に、その知見を活用した不具合電極の復帰判定処理の詳細を説明する。
【０１５４】
実験では、電極は先の実験と同様に、３０代の被験者１名に対し、図３に示す位置に電極を装着した。右耳後に基準極２２を配置し、右目上の計測極２３ａ、左目上に計測極２３ｂを配置し、アース２１は国際１０−２０法の場所表記によるＦＰｚとした。電極は、計測極、基準極に銀塩化銀のアクティブ電極を、アースに銀塩化銀の皿電極を、それぞれペーストを用いずに使用し、ヘアバンド２５で固定した。脳波計は、ポリメイトＡＰ−１１２４（デジテックス製）を使用した。サンプリング周波数は２００Ｈｚ、時定数は０．３秒で計測した。
【０１５５】
実験は、不具合電極を計測極、アースを対象として実験を実施した。基準極は計測極と同様な特徴が出現すると考えた。
【０１５６】
また、不具合状態は「電極はずれ」を想定し、電極を外し続けた場合と、電極を外した後すぐに修正し正常な状態に戻した場合との脳波波形を比較した。具体的には、「（ａ）計測極２３ｂをはずしたままにした場合」、「（ｂ）計測極２３ｂを一瞬外して正しい状態に復帰した場合」、「（ｃ）アース２１をはずしたままにした場合」および「（ｄ）アース２１を一瞬外して正しい状態に復帰した場合」の４状態で実験を行った。本願発明者らは各状態における脳波を計測し、計測極２３の比較である上記（ａ）および（ｂ）では脳波波形の比較を、アース２１の比較である（ｃ）および（ｄ）では、交流ノイズ混入量の比較を行った。
【０１５７】
図１８（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、上述の（ａ）〜（ｄ）に示す４つの状態に関する実験の結果を示す。各グラフは、横軸に時間（単位：秒）を表し、（ａ）（ｂ）では縦軸に電位（単位：μＶ）を表し、Ｃｈ１の脳波の電位を実線で示している。（ｃ）（ｄ）は縦軸に周波数パワー（単位：μＶ＾２）を表し、点線で交流ノイズ混入量の推移を示している。
【０１５８】
図１８の（ａ）（ｂ）の状態の比較から、（ａ）計測極２３ｂが外れたままの状態では、電位が３０００μＶで振れた後、波形がフラットになり続けている。それに対し、（ｂ）の計測極２３ｂを外した後すぐに復帰させた状態では、波形が一時フラットになるものの、電極復帰後数秒程度後に脳波の波形が現れていることがわかる。ここで「すぐに」とは、たとえば約２、３秒後である。
【０１５９】
また、図１８の（ｃ）（ｄ）の状態の比較から、（ｃ）アース２１が外れたままの状態では交流ノイズ混入量が１００００μＶ＾２を超える値で推移し続けているのに対し、（ｃ）のアース２１を外した後すぐに復帰させた状態では、アースはずし後、一時５０００μＶ＾２まで交流ノイズ混入量が増加するが、アースを復帰させた後の交流ノイズ混入量はアースを外す前と同等の低い値に戻っていることがわかる。
【０１６０】
上記、（ａ）および（ｂ）と、（ｃ）および（ｄ）との比較の結果から、計測極に関しては、電極復帰により不具合検出後すぐに脳波波形が出現するという知見が得られた。よって、電極不具合検出後に脳波波形が出現する（脳波データの平均、分散が０でなくなる）か否かを検出することにより、計測極の復帰が判定できる。基準極に関しても、任意の脳波チャンネルの脳波を同様の基準で判定することにより、基準極の復帰判定が可能であるといえる。
【０１６１】
また、アースに関しては、アース不具合後、交流ノイズ混入量の値が増大するが、復帰により交流ノイズ混入量の値が平常状態の値に戻るという知見が得られた。よって、アース不具合検出後、増加した交流ノイズ混入量が平常の値に戻ったかを検出し、アースの復帰を判定できるといえる。
【０１６２】
以下、図面を参照しながら、この着想に基づき構成した電極復帰判定部１７を説明する。
【０１６３】
図１９は、本実施形態の変形例にかかる電極装着状態判定システム２０ａの機能ブロックの構成を示す。電極装着状態判定システム２０ａでは、図７に示す電極状態判定処理部１９に代えて、電極状態判定処理部１９ａが設けられている。電極状態判定処理部１９ａには、電極の復帰を判定する電極復帰判定部１７が追加されている。電極復帰判定部１７は、不具合が発生した電極が、再度脳波計測可能な状態に復帰したか否かを判定する。電極復帰判定部１７は、たとえば図９に示す不具合電極判定部１５と同様のハードウェアを新たに設け、バス１００を介して接続して接続される。または、図９に示すプログラム１５４を変更することにより、ＣＰＵ１５１、ＲＡＭ１５２およびＲＯＭ１５３が、ある時刻では不具合電極判定部１５として機能し、他の時刻では電極復帰判定部１７として機能するように構成してもよい。後者の例は、プログラム１５４が、不具合電極判定部１５の処理手順のみならず、以下に説明する電極復帰判定部１７の処理手順を含んで構成されることによって実現される。なお、不具合電極判定部１５の処理によって判定された電極状態の情報は、電極復帰判定部１７の処理に引き渡されて後述の処理が実行される。
【０１６４】
図２０は、電極復帰判定部１７の処理を追加した電極装着状態判定システム２０ａの処理の手順を示すフローチャートである。電極復帰判定部１７を追加した処理では、電極不具合を通知する処理（ステップＳ１１０６）の後、装着不具合な状態から適切な装着状態に復帰したかを判定する処理（ステップＳ１１０７）が追加されている。
【０１６５】
以下図２１を参照しながら、電極復帰判定部１７が行う電極復帰判定処理（図２０のステップＳ１１０７）の詳細を説明する。
【０１６６】
図２１において、不具合電極判定部１５により電極不具合が検出判定されると（図２０のステップＳ１１０６）、ステップＳ１３０１で、電極復帰判定部１７は、電極復帰判定のための脳波計測を開始する。脳波計測は、脳波計測部１１が行う。
【０１６７】
ステップＳ１３０２で、電極復帰判定部１７は、不具合電極判定部１５の種類に基づいて、復帰の処理を変更する。不具合電極が基準極２２または計測極２３の場合は、ステップＳ１３０３、Ｓ１３０４に基づいて電極復帰の判定を行う。一方、不具合電極がアース２１の場合は、ステップＳ１３０５、Ｓ１３０６の処理で復帰判定を行う。
【０１６８】
まず、基準極２２・計測極２３の復帰判定処理を説明する。
【０１６９】
ステップＳ１３０３で、電極復帰判定部１７は、計測された脳波から、不具合電極を含む脳波チャンネルを抽出する。例えば、計測極２３ｂの場合はＣｈ１を抽出する。基準極の場合は、Ｃｈ１、Ｃｈ２のいずれにも含まれているため、Ｃｈ１、Ｃｈ２のいずれかを抽出する。電極復帰判定部１７は、一定期間（例えば１秒間）の脳波信号の平均値、分散を算出する。なお、電極の装着状態が復帰していない状態であれば、ここでいう処理対象となる信号は「脳波信号」とは呼べない。しかしながらここでは便宜的に「脳波信号」と呼ぶ。
【０１７０】
ステップＳ１３０４にて、電極復帰判定部１７は、ステップＳ１３０３で算出した平均値、分散がともに０であるか否かを判定する。これは、計測された脳波がフラットな状態であるか否かを判定することに相当する。平均値、分散がともに０であるときは、脳波はフラット、言い換えるとその電極からは脳波が検出されておらず、依然として不具合が継続しているといえる。
【０１７１】
よって脳波がフラットである場合は、不具合電極が解消されていないといえるため、電極復帰判定部１７はステップＳ１３０１に処理を戻し、不具合が解消されるまで電極復帰判定を継続する。脳波がフラットではなく脳波が計測され始めた場合は、電極の不具合が解消されたといえるため、電極復帰判定部１７はユーザ１０に計測極２３または基準極２２の不具合が解消したことを通知するよう出力部１３に指示する。その後、処理は終了する。
【０１７２】
電極復帰判定部１７の指示を受け、出力部１３はステップＳ１３０７にて、電極不具合が解消したことをユーザ１０に通知する。例えば、図１７（ａ）または（ｂ）の例で示した警告画面を画面上から消すことで、電極不具合が解消したこと通知する。
【０１７３】
尚、通知方法は、上記に限定されるものではなく、他の通知方法を採用してもよい。たとえば図１７（ｃ）に示すように、画面外部にＬＥＤランプを設け、そのＬＥＤランプの色を利用して装着状態の解消を通知してもよい。例えば、正常時には緑色で点灯させ、不具合発生時には赤色、解消時には再度緑色で点灯させてもよい。また、「解消しました」などと発生させ、音声を利用して通知してもよい。さらに、不具合発生時通知時に出力されているアラーム音を、不具合からの復帰時に停止させるなどの視覚以外の通知方法も本発明の範疇である。
【０１７４】
次に、アース２１の復帰判定処理を説明する。
【０１７５】
再び図２１を参照する。ステップＳ１３０５で、電極復帰判定部１７は、計測された脳波の各チャンネルについて、一定期間（例えば１秒間）の脳波を抽出し、交流ノイズ混入量を算出する。
【０１７６】
ステップＳ１３０６にて、電極復帰判定部１７は、算出された全てのチャンネルの交流ノイズ混入量が閾値を下回っているか否かを判定する。例えば閾値は、不具合電極判定部１５がアース２１の不具合発生を判定する際に利用した１７００μＶ＾２に設定される。全チャンネルの交流ノイズ混入量がこの閾値を上回っている場合は、電極復帰判定部１７は、アース２１の不具合は解消していないと判断し、処理をステップＳ１３０１に戻すことで、アース不具合が解消されるまで電極復帰判定を継続する。交流ノイズ混入量の増大が収まり閾値を下回ると、電極復帰判定部１７は、アース２１の不具合が解消されたと判断し、ユーザ１０にアース２１の不具合が解消したことを通知するよう、出力部１３に指示し、電極復帰判定部１７の処理を終了する。出力部１３によるアースの復帰通知は、ステップＳ１３０７の計測極２３または基準極２２の復帰通知と同様に行われる。
【０１７７】
上記のステップＳ１３０４やＳ１３０６のように、不具合電極が復帰した際に出現する不具合電極に合わせた特徴を検出することにより、電極復帰判定処理を行うことが可能になる。
【０１７８】
このように電極復帰判定部１７を追加することにより、電極の不具合発生後、不具合電極が復帰するまで不具合判定が行われなくなる。よって、ユーザは過剰な電極装着状態の修正を行う必要が無くなり、負担が軽減される。
【０１７９】
（実施形態２）
ユーザ１０は、電極の装着状態に不具合が発生した場合、実施形態１の構成により、装着不具合となった電極の種類がわかり、電極装着状態の判定が可能になった。
【０１８０】
しかし日常生活環境下では、ユーザ１０の動作などの影響により、電極に不具合が発生する機会が度々発生することが想定される。したがって、ユーザ１０が動作するたびに、実施形態１の構成による不具合電極発生の通知が行われ、ユーザ１０が電極状態を修正する必要が発生してしまう。
【０１８１】
そこで、電極の装着不具合状態の検知した後、自動的に電極の不具合状態から復帰し、脳波計測が継続可能な仕組みが必要となる。電極の不具合状態からの自動復帰は、不具合が発生した電極を利用から正常に装着されている電極に電極を置き換えることで行う。よって、自動的に復帰可能な電極装着状態判定システムは、置き換え可能な電極を複数保持させることにより、不具合が発生したときには、処理の精度を低下させないように適切な電極を選び出し、正常な電極に置き換えることで実現される。
【０１８２】
よって、本実施の形態では、あらかじめ置き換え可能な電極を複数保持し、電極の装着不具合状態の検知だけではなく、正常な脳波計測状態への自動復帰の可能性を判定し、電極の置き換えが可能な際には自動的に置き換えを行い、脳波計測を継続する電極装着状態判定システムを説明する。
【０１８３】
図２２は、本実施形態による電極装着状態判定システム２００の機能ブロックの構成を示す。
【０１８４】
電極装着状態判定システム２００では、図７に示す電極状態判定処理部１９に代えて、電極状態判定処理部１９０が設けられている。脳波計測部１１、脳波処理部１２、出力部１３、周波数解析部１４、不具合電極判定部１５の処理は、実施形態１および２の両システムにおいて同一である。機能が共通する構成要素には同じ参照符号を付し、その説明は省略する。以下、電極状態判定処理部１９０を説明する。
【０１８５】
電極状態判定処理部１９０には計測電極置換部１６が設けられている。計測電極置換部１６は、不具合電極の存在が検出されると、その不具合電極に代えて不具合のない電極を利用した脳波信号の計測に切り換える。より詳しくは説明すると、計測電極置換部１６は、近い脳波特性の脳波信号を検出可能な電極が存在するかどうかを判定して、自動復帰可能性の判断を行い、不具合電極に代えて利用可能となる候補の電極を選択する。このような、ある電極を異なる電極に切り換えて利用する動作を、本明細書では「電極の置き換え」という。
【０１８６】
計測電極置換部１６は、たとえば図９に示す不具合電極判定部１５と同様のハードウェアを新たに設け、バス１００を介して接続して接続される。または、図９に示すプログラム１５４を変更することにより、ＣＰＵ１５１、ＲＡＭ１５２およびＲＯＭ１５３が、ある時刻では不具合電極判定部１５として機能し、不具合電極が検出された時刻では計測電極置換部１６として機能するように構成してもよい。後者の例は、プログラム１５４が、不具合電極判定部１５の処理手順のみならず、以下に説明する計測電極置換部１６の処理手順を含んで構成されることによって実現される。なお、不具合電極判定部１５の処理によって判定された電極状態の情報は、計測電極置換部１６の処理に引き渡されて後述の処理が実行される。
【０１８７】
図２３は、計測電極置換部１６の処理を追加した電極装着状態判定システム２００の処理の手順を示すフローチャートである。
【０１８８】
図１３に示される実施形態１による処理と比較すると、本実施形態では、ステップＳ１１１０〜Ｓ１１１２が追加されている。ステップＳ１１１０は、電極不具合を検出した後、その電極不具合を他の電極に置き換えることで脳波計測が継続できるかを判断する復帰可能性判定の処理である。ステップＳ１１１１は、自動復帰が可能な場合には電極の置き換えを行い、脳波計測を継続できるようにする電極置換処理である。ステップＳ１１１２は、自動復帰が不可能な場合には、自動復帰ができないことをユーザ１０に通知し、電極の修正を促す自動復帰不能を通知する処理である。
【０１８９】
本実施形態では、電極に不具合が発生した場合に、不具合電極を正常な電極に置き換えできるよう、実施形態１で設けた電極の数よりも多い数の電極を配置している。
【０１９０】
図２４は、本実施形態における電極配置の例を示す。本実施形態では１０個の電極が配置されており、それぞれ電極を一意に識別する電極番号１〜１０が付与されている（理解の便宜のため、図２４の電極脇に電極番号を示している）。このように配置された電極のうち、基準極、アースが１つずつ、計測極が複数割り当てられている。
【０１９１】
計測電極置換部１６は、あらかじめ電極に関する情報を保持している。
【０１９２】
図２５は、計測電極置換部１６が保持している電極情報の例を示す。電極情報には、電極番号と、各電極が、計測極、アース、基準極のどの種類の電極として利用されているかを示す電極の利用種類と、電極の絶対位置を示す座標の情報と、各電極の装着状態とが記載されている。座標は、例えば、ＨＭＤ型の電極装着状態判定システム２０の場合、眼鏡のブリッジ部中心の位置を原点とした相対位置によって表される。この相対位置は、たとえば図２４に示される座標軸によって特定される。図２４では、ＨＭＤの上下方向がＸ座標、左右方向がＹ座標、奥行き方向がＺ座標として表現される。
【０１９３】
以下、計測電極置換部１６の処理を詳細に説明する。
【０１９４】
図２６は、図２３のステップＳ１１１０、Ｓ１１１１、Ｓ１１１２で行われる計測電極置換部の処理の手順を示す。
【０１９５】
ステップＳ１４００にて、計測電極置換部１６は、不具合が発生した電極の電極番号から、電極情報の状態が「不具合」になったことを記録する。ここでは、図２５の電極番号３の「状態」欄に「不具合」であることを記録する。なお、図２５の表記は一例である。正常か不具合かが一意に特定できる方法であれば、記録内容は任意である。正常に対応する値（たとえば「０」）と不具合に対応する値（たとえば「１」）を記録してもよい。なお、電極情報には、不具合が生じていない電極の種類、位置のみが記述されてもよい。そのような電極情報であれば、不具合電極の種類および位置が特定されることにより、電極の置き換えが可能である。
【０１９６】
計測電極置換部１６は、不具合と判定された電極の種類に応じて異なる電極置換処理を行う。すなわち、電極の種類がアースであるか、基準極であるか、計測極であるかによって、異なる電極置換処理を実行する。
【０１９７】
ステップＳ１４０１にて、計測電極置換部１６は、不具合電極判定部１５で不具合と判定された電極の種類を判定する。判定された電極の種類が計測極のときは、処理はステップＳ１４１１に進み、その後ステップＳ１４１２、Ｓ１４１３、Ｓ１４１４が実行される。判定された電極の種類が基準極のときは処理はステップＳ１４２１に進み、その後ステップＳ１４２２、Ｓ１４２３、Ｓ１４２４が実行される。判定された電極の種類がアースのときは処理はステップＳ１４３１に進み、その後ステップＳ１４３２、Ｓ１４３３、Ｓ１４３４が実行される。
【０１９８】
以下ではまず、計測極２３の電極置換処理を説明する。
【０１９９】
計測極に不具合が発生した場合、その計測極で計測していた脳波信号と特性が似ている脳波信号を計測可能な電極に置き換える必要がある。脳波信号処理を行う際、処理に利用される脳波信号の特徴成分が、計測極を置き換える前後で同じように出現することを要するためである。
【０２００】
脳波信号の特徴成分を同じように出現させるためには、置き換えた電極の位置が置き換える前の電極の位置と近い必要がある。よって、脳波信号の特徴成分を同じように検出できるよう脳波計測を継続させるためには、不具合が発生した計測極を、その計測極と距離が近い電極に置き換える必要がある。
【０２０１】
また、脳波信号の特徴成分を発生させる脳の位置に近い位置に電極を配置することで、特徴成分の強度は強くなり、より高い精度で脳波処理が行えるようになる。よって、不具合電極の置き換え対象となる計測極の条件は、不具合電極からの距離が近く、かつ、特徴成分の発生源からの距離が近い位置に存在することである。なお、脳波信号の特徴成分を発生させる脳の位置は、例えば、事象関連電位のＰ３００成分の場合は頭頂部、注意力や集中力に関する眼球停留電位のＰ１００成分については後頭部、アルファ波も後頭部、聴覚刺激は側頭葉である。
【０２０２】
上記方針にしたがって、計測極２３の自動復帰可能性の判別処理とその復帰方法を説明する。
【０２０３】
ステップＳ１４１１で、計測電極置換部１６は、保持している電極情報に基づいて、不具合が発生した電極の位置から、その他不具合が発生していない電極との距離を算出する。ただし、アースや基準極として利用されている電極は、計測極の置き換えができないため、算出の対象から除外する。また、同時に計測電極置換部１６は、特徴成分の発生源の位置を保持し、各電極との距離を算出する。図２５の例では、座標（０，−２，０）を中心に電極番号１，２，５，６，８，９の距離をそれぞれ計算する。
【０２０４】
ステップＳ１４１２で、計測電極置換部１６は、算出した不具合電極との距離情報と、閾値とを比較し、同じように特徴成分が計測できる計測極の置換候補の電極を判定する。閾値は、脳波特性が変化すると考えられる値（たとえば成人の場合２ｃｍ）に設定する。図２５の例では、距離が２ｃｍである電極１，２が置換候補として選択される。
【０２０５】
ステップＳ１４１２で同じように脳波信号の特徴成分が計測できる電極が存在した場合、ステップＳ１４１３で、計測電極置換部１６は、不具合が発生した計測極から計測極の置換候補の電極を計測極に置き換えて脳波計測を再開する。置き換え方法は、例えば、不具合が発生した電極の回路を、置き換え候補の電極につなぎかえることで実現される。
【０２０６】
同じように特徴成分が計測できる電極が複数存在した場合は、最も特徴成分の発生源からの距離が近い電極を置き換え対象の電極として、計測極の変更を行い、電極置換処理を終了する。本実施形態では、特徴成分とはＰ３００成分であり、Ｐ３００成分は頭頂部から出現されることが知られている。ＨＭＤの形状を考慮すると、頭頂部の位置は図２４に示すように（５，０，１５）の位置となる。よって、特徴成分の発生源の位置（５，０，１５）と、ステップＳ１４１２で選択された電極１，２の距離を比較すると、電極１の距離の方が小さいことがわかる。よって、電極１が置き換え対象の電極として不具合計測極と置き換えられる。なお、電極の置き換えは、不具合電極を利用した脳波計測を停止し、置き換え対象の電極を利用した脳波計測を開始することによって実現される。たとえば、電極の置き換えは、不具合電極と差動増幅器４０（図１）との結線を、置き換え対象の電極と差動増幅器４０（図１）との結線につなぎ替えることによって実現される。
【０２０７】
ステップＳ１４１２で置換候補の電極が存在しないと判定された場合は、計測電極置換部１６は、ユーザ１０に自動復帰できないことを通知するよう出力部１３に指示し、電極置換処理を終了する。出力部１３では、図１７の例に示すように、警告表示やＬＥＤなどによる通知、または音声などによる通知により、ユーザ１０に電極不具合が発生し自動復帰できないことを通知する。
【０２０８】
次に、基準極２２の電極置換処理を説明する。
【０２０９】
基準極は脳波計測の基準として利用される電極であるため、脳波の反応が計測されないニュートラルな極として決定される必要がある。したがって、基準極に不具合が発生した場合は、その基準極は、脳波の反応が少ない（脳波が計測されにくい）特性をもつ電極に置き換えられる必要がある。脳波の反応が少ない部位は、脳からの距離が遠い耳（マストイド）周辺部であるため、基準極は耳周辺部から採用すればよい。よって、不具合が発生した基準極の置き換え対象となる電極は、同じように耳周辺部から採用することになる。上記にしたがって、基準極２２の自動復帰可能性の判別処理とその復帰方法を説明する。
【０２１０】
ステップＳ１４２１で、計測電極置換部１６は、保持している電極情報と、あらかじめ設定されている耳座標に基づいて、耳と正常に装着されている各電極との距離を算出する。ただし、アースや計測極として利用されている電極は、電極の置き換えができないため、算出の対象から除外する。本実施形態では、マストイドの位置は、電極番号１０の位置であり、耳座標は（−３，７，１２）となる。よって（−３，７，１２）を中心に、電極１，２，５，６，８，９の距離を算出する。
【０２１１】
ステップＳ１４２２で、計測電極置換部１６は、算出した耳位置との距離情報と、閾値とを比較し、耳位置に近い基準極の置換候補の電極を判定する。閾値は、計測極と同様、脳波特性が変化すると考えられる２ｃｍなどに設定する。図２５の例では、耳座標と電極の距離が２ｃｍである電極９が置換候補として選択される。
【０２１２】
ステップＳ１４２２で耳位置に近い電極が存在した場合、ステップＳ１４１３で、計測電極置換部１６は、最も耳位置との距離が小さい電極を基準極に置き換えて脳波計測を再開する。置き換え方法は、例えば、不具合が発生した電極の回路を、置き換え候補の電極につなぎかえることで実現される。ここでは、電極９が基準極として置き換えが行われる。
【０２１３】
ステップＳ１４２２で耳位置に近い電極が存在しないと判定された場合は、計測電極置換部１６は、ユーザ１０に自動復帰ができないことを通知するよう出力部１３に指示し、電極置換処理を終了する。
【０２１４】
最後に、アース２１の電極置換処理を説明する。
【０２１５】
アースは、差動増幅をおこなうために必要な電極であり、場所の依存は無く、ユーザ１０の皮膚に接触することで、十分にその機能を発揮できる電極である。よってアースは、あまり脳波計測極、基準極として利用される可能性の低い特性をもつ電極に置き換えられる必要がある。上記にしたがって、アース２１の自動復帰可能性の判別処理とその復帰方法を説明する。
【０２１６】
ステップＳ１４３１で、計測電極置換部１６は、電極情報と、あらかじめ設定されている特徴成分の発生源の位置とに基づいて、特徴成分の発生源と正常に装着されている各電極との距離を算出する。本実施形態では、発生源（５，０，１５）と電極１，２，５，６，８，９の距離が算出される。
【０２１７】
ステップＳ１４３２で、計測電極置換部１６は、アースの置き換え候補として、現在基準極にも計測極にも利用されていない電極が存在するかを、電極情報にもとづいて判定する。図２５の例では、電極１，２，５，６，８，９が置換対象の電極として選択される。
【０２１８】
ステップＳ１４３２で、計測極にも基準極にも使用されていない電極が存在した場合、ステップＳ１４３３で、計測電極置換部１６は、ステップＳ１４３１で算出した信号発生源との距離が最も遠いアースの置換候補の電極をアースに置き換えて脳波計測を再開する。図２５の例では、特徴成分の発生源（５，０，１５）との距離が最も大きい電極６が置き換え対象の電極となる。置き換え方法は、例えば、置き換え対象の電極をアクティブ電極から電極内のアンプを経由しないように回路を変更し、不具合が発生したアース電極の回路と切り替えることで実現される。
【０２１９】
ステップＳ１４３２で計測極にも基準極にも使用されていない電極が存在しないと判定された場合は、計測電極置換部１６は、ユーザ１０に自動復帰できないことを通知するよう出力部１３に指示し、電極置換処理を終了する。
【０２２０】
以上の処理のように脳波特性の近い電極が存在するかどうかの判定により、自動復帰可能性の判断を行い、置き換えの候補となる電極を選択することで、脳波電極置換処理が実現可能となる。
【０２２１】
上記の構成により、電極不具合が発生しても、脳波計測が継続できる状態かを自動的に判断し、可能な場合には電極状態が自動復帰されるので、電極装着状態の不具合が発生する日常生活環境下においても安定して脳波が計測でき、ユーザが度々電極装着状態を修正する手間の削減が可能となり、ユーザの負担が軽減される。
【０２２２】
実施形態１および２では、脳波インタフェース機能と電極装着状態判定機能とを１つの筐体（ＨＭＤ）内に設けた電極装着状態判定システムの例を説明した。しかしながらこの構成は一例である。電極装着状態判定機能については、電極装着状態判定機能を分離して１つの筐体に収容し、電極装着状態判定装置として実現してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０２２３】
本発明にかかる電極装着状態判定システムは、計測された脳波信号からユーザの状態や意図を判定し、判定結果をフィードバックする脳波計測システムにおいて広く利用可能である。具体的には、日常生活環境下で、かつ、電極を利用して脳波計測をする場合に、当該電極の装着状態に不具合が生じたか否かを判定するために、本発明にかかる電極装着状態判定システムを脳波計やＨＭＤなどのウェアラブル機器に組み込むことが有用である。本発明にかかる電極装着状態判定システムは、このような、ユーザの状態や意図を推定する脳波インタフェースシステムの構築に有用であり、さらに組み込むためのコンピュータプログラムとして実現され得る。
【符号の説明】
【０２２４】
１０  ユーザ
１１  脳波計測部
１２  脳波処理部
１３  出力部
１４  周波数解析部
１５  不具合電極判定部
１６  計測電極置換部
１７  電極復帰判定部
２０、２０ａ、２００  電極装着状態判定システム
【図１】
2011074186.tif 000004
【図２】
2011074186.tif 000005
【図３】
2011074186.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2011074186.tif 000016
【図１４】
2011074186.tif 000017
【図１５】
2011074186.tif 000018
【図１６】
2011074186.tif 000019
【図１７】
2011074186.tif 000020
【図１８】
2011074186.tif 000021
【図１９】
2011074186.tif 000022
【図２０】
2011074186.tif 000023
【図２１】
2011074186.tif 000024
【図２２】
2011074186.tif 000025
【図２３】
2011074186.tif 000026
【図２４】
2011074186.tif 000027
【図２５】
2011074186.tif 000028
【図２６】
2011074186.tif 000029
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月26日(2011.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの脳波の特徴信号からユーザの状態や意図を判定し、判定結果をフィードバックする脳波計測システムにおいて、脳波計測に利用する電極の装着状態を判定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療機関では、てんかんやアルツハイマー病などの診断に脳波が利用されてきた。一方で、健康なユーザの心理状態を脳波によって推定し、機器の操作意図や選択意図を推定する脳波インタフェースの開発への取り組みも行われてきている。
【０００３】
例えば、健康なユーザに対して利用される脳波インタフェースとして、特許文献１は、ユーザの状態を推定する「居眠り運転防止装置」を開示している。特許文献１の脳波インタフェースは、脳波を周波数解析しα波成分（８Ｈｚ〜１３Ｈｚ）の周波数パワーからユーザの眠気を判断する（段落００１０参照）。また、非特許文献１に示すエマニュエル・ドンチンらもまた、ユーザの選択意図を推定するインタフェースを挙げている。非特許文献１のインタフェースは、脳波の事象関連電位のうちＰ３００と呼ばれる特徴的な信号を用いてユーザが選択したいと思っている選択肢を判別する。
【０００４】
上記に示したこれまでの脳波計測では、ペーストと呼ばれる導電性の高いクリームを電極に塗布し、ユーザとは別の第三者がユーザの皮膚（頭皮）に電極を密着させる必要があった。
【０００５】
このようなペースト利用や第三者に装着してもらうという使用形態は、日常生活環境下での脳波インタフェースなどの使用を想定すると、ユーザの負担となる。いま、ヘッドマウントディスプレイ（Ｈｅａｄ−Ｍｏｕｎｔ−Ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）などのウェアラブル機器に脳波計測装置を組み込んで、脳波インタフェースのために脳波を計測する例を想定する。ユーザがＨＭＤを利用する際には、ユーザはＨＭＤと同時に脳波計測装置も自らで装着できる必要がある。またペーストを電極につける行為もユーザの負担となる。さらに、装置を外した後に電極や電極が設置箇所にペーストが残り、ユーザ自身が拭き取る必要もある。
【０００６】
そのため、ユーザが手軽に脳波計測機器を自己装着するためには、ペーストを使わない電極（以下「ドライ電極」と記述する。）を採用することが好ましい。
【０００７】
しかしながら、ドライ電極の利用によって装着の安定性に課題が発生する。一例を説明すると、ドライ電極に力がかかると、ペーストが存在しないために皮膚とドライ電極との接触状態が変化する。その結果、皮膚に触れたまま電極の位置が変化する電極ズレや、皮膚と電極との間に空間ができ、脳波計測が継続できない浮きや外れ等の課題が発生する。なお、ペーストは粘度が高いため、皮膚と電極間の導電性を高める以外にも、電極ズレや電極はずれを防止する役割がある。この役割により、電極に力がかかり位置が多少変化しても粘度の高いペーストの形が変化することで、皮膚と電極との接触状態を保つ効果があった。
【０００８】
電極ズレが発生すると皮膚と電極面とが擦れあいノイズが混入しやすくなる。さらに、電極はずれの状態になると脳波計測が継続できなくなるなどの影響が発生する。日常生活環境下ではユーザは安静状態ではなく様々な動作を行うため、電極ズレや電極はずれのような電極の接触に関する不具合が発生しやすいと考えられる。
【０００９】
そこで、電極ズレや電極はずれのような不具合が生じた場合には、脳波計測に不具合な状況が発生したことを素早く検出する必要がある。
【００１０】
従来の脳波計測の不具合を検出する方法として、以下に示す特許文献２や特許文献３、特許文献４の方法が知られている。
【００１１】
特許文献２では、脳波電極に微弱な電流を流すことにより、計測された電圧値から皮膚と電極の間の抵抗値（接触抵抗）を算出する。これにより、皮膚と電極の接触状態を推定し、電極装着状態の不具合を検出することができる（第３頁左段２段落目参照）。
【００１２】
特許文献３では、電極の近傍にコイルを設け（特許文献３の図２）、コイルに電流をかける。それにより電極に発生する誘導電流が、脳波波形に重畳されるかどうかで電極と頭皮が接触しているか否かを判断することができる（段落００３８）。
【００１３】
特許文献４では、「脳波チャンネル」と呼ばれる、１組の電極間の電位差により計測される脳波信号を、複数チャンネル分計測する。すなわち複数組の電極を設けて各組で脳波信号を計測する。そして脳波チャンネルごとにＳ（＝計測したい信号）とＮ（＝計測したい信号以外の信号）を算出する。そして、Ｓ／Ｎ比と閾値との比較により、どの脳波チャンネルに計測不具合があるかを判断する（段落００２８）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平７−１０８８４８号公報
【特許文献２】実公平７−３３４７号公報
【特許文献３】特開２００６−２１２３４８号公報
【特許文献４】特開２００６−６６６５号公報
【特許文献５】特開２００６−１４８３３号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】エマニュエル・ドンチン、他２名、“Ｔｈｅ  Ｍｅｎｔａｌ  Ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ：Ａｓｓｅｓｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓｐｅｅｄ  ｏｆ  ａ  Ｐ３００−Ｂａｓｅｄ  Ｂｒａｉｎ−Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ”、ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＲＥＨＡＢＩＬＩＴＡＴＩＯＮ  ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ  ２０００、Ｖｏｌ．８、２０００年６月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上述した従来方式のいずれの技術も、日常生活環境下での脳波計測において、どの電極で不具合が発生しているのかを特定できないという課題がある。以下に、上述の各技術の課題を詳細に説明する。
【００１７】
まず特許文献２の方式では、脳波の計測を停止して接触抵抗を計測する必要がある。しかしながらこの方式は、電極の接触状態があまり変化しないことを前提としており、計測の最初に接触抵抗を計測しておけば再度計測する必要は無かった。よって、脳波計測と両立した接触抵抗を計測することには考慮する必要はなかった。ところが、日常生活環境下では電極装着状態が時々刻々変化する。装着状態を確認すべき頻度は高くなるが、その度に脳波の計測を停止して接触抵抗を計測することには相当な不便を伴う。
【００１８】
特許文献３の方式は、電極が皮膚と接触しているかを判定する方式では、ユーザの動作に伴って発生する電極のズレや電極の押し圧の変化などの、電極の接触状態に関する不具合は考慮されていなかった。
【００１９】
このように、特許文献２、３では、電極装着状態が変化する環境での不具合電極検出は考慮されておらず、不具合が発生した電極の特定は困難であった。
【００２０】
一方、特許文献４では、装着状態が変化する環境下においても脳波計測に不具合が発生したことは判定できる。しかしながら、どの電極で装着不具合が発生したかは特定できなかった。
【００２１】
なお、ペーストを利用したとしても、電極ズレや電極はずれを完全になくすことはできない。よって、上述した従来の技術の課題は、ドライ電極のみならず、ペーストを利用する電極の電極ズレや電極はずれが生じた場合にもどの電極で不具合が発生しているのかを特定することは必要である。
【００２２】
本願発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、日常生活環境下での脳波計測において、電極装着の不具合を検出するとともに、複数の電極のうちどの電極で不具合が発生したかを特定し、安定した脳波計測を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明による電極装着状態判定システムは、アース極、基準極、計測極からなる電極の組を少なくとも１組用いてユーザの脳波信号を計測する脳波計測部と、前記脳波信号の周波数を解析する周波数解析部と、前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態が悪いと判定する不具合電極判定部と、前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示する出力部とを備えている。
【００２４】
前記不具合電極判定部は、前記周波数の解析結果から前記ノイズ混入量のパラメータを抽出し、前記ノイズ混入量のパラメータの値が予め設定された第１の閾値を超えている場合には、前記アース極の装着状態が悪いと判定してもよい。
【００２５】
前記不具合電極判定部は、前記周波数の解析結果から前記総周波数パワーのパラメータをさらに抽出し、前記総周波数パワーのパラメータの値が予め設定された第２の閾値を超えている場合には、前記基準極および前記計測極の一方の装着状態が悪いと判定してもよい。
【００２６】
前記脳波計測部は、アース極、基準極、計測極からなる電極の組を複数用いて、それぞれの組で脳波信号を計測し、前記周波数解析部は、各脳波信号の周波数を解析し、前記不具合電極判定部は、各脳波信号の周波数の解析結果からノイズ混入量のパラメータを抽出し、抽出した全ての前記ノイズ混入量のパラメータの値が予め設定された第１の閾値を超えている場合には、前記アース極の装着状態が悪いと判定し、各脳波信号の周波数の解析結果から総周波数パワーのパラメータを抽出し、抽出した全ての前記総周波数パワーのパラメータの値が第２の閾値を超えている場合には、前記基準極の装着状態が悪いと判定し、前記総周波数パワーの一部のパラメータの値が前記第２の閾値を超えている場合には、前記計測極の装着状態が悪いと判定してもよい。
【００２７】
前記脳波計測部は、前記アース極と基準極との第１電位差、および、前記アース極と前記計測極との第２電位差を計測し、前記第２電位差と前記第１電位差との差分に基づいて、前記脳波信号を計測してもよい。
【００２８】
前記脳波信号には、外部環境から予め特定された周波数で定常的に混入するノイズが重畳されており、前記不具合電極判定部は、前記解析結果から、前記ノイズの周波数パワーを、前記ノイズ混入量のパラメータとして抽出してもよい。
【００２９】
前記予め特定された周波数は、外部環境にある機器の商用電源ノイズの周波数であってもよい。
【００３０】
前記不具合電極判定部は、前記脳波信号の解析可能な周波数帯のパワーの平均値を前記総周波数パワーのパラメータとして抽出してもよい。
【００３１】
電極装着状態判定システムは、装着状態が悪いと判定された不具合電極を用いて計測された信号に基づいて、前記不具合電極の装着状態が解消したか否かを判定する電極復帰判定部をさらに備え、前記不具合電極がアース極であるとき、前記電極復帰判定部は、前記不具合電極を用いて計測された前記信号の周波数の解析結果から前記ノイズ混入量のパラメータを抽出し、前記ノイズ混入量のパラメータの値が予め設定された第３の閾値を超えているか否かにより、前記不具合電極の装着状態が解消したか否かを判定してもよい。
【００３２】
電極装着状態判定システムは、装着状態が悪いと判定された不具合電極を用いて計測された信号に基づいて、前記不具合電極の装着状態が解消したかを判定する電極復帰判定部をさらに備え、前記不具合電極が基準極および計測極の一方であるとき、前記不具合電極判定部は、前記不具合電極を用いて計測された前記信号の平均値および分散を算出し、前記平均値および分散がいずれも０であるか否かにより、前記不具合電極の装着状態が解消したか否かを判定してもよい。
【００３３】
電極装着状態判定システムは、予め保持した電極情報に基づいて、装着状態が悪いと判定された不具合電極を新たな電極に置き換える計測電極置換部をさらに備えており、前記電極情報は、前記ユーザの脳波信号を計測するために利用可能な各電極の種類および位置の情報が記述されており、電極の装着状態が悪いと判定されたとき、前記計測電極置換部は、前記不具合電極の種類および位置を特定して前記電極情報を参照し、前記不具合電極によって測定される脳波信号の脳波特性に基づいて、新たな電極を特定し、前記脳波計測部は、前記不具合電極に代えて、特定された前記新たな電極を利用して脳波信号を計測してもよい。
【００３４】
電極装着状態判定システムは、計測された前記脳波信号に含まれる特徴成分を利用して、前記ユーザの意図を判別する脳波処理部をさらに備え、前記不具合電極が計測極であるとき、前記計測電極置換部は、前記電極情報を参照して、前記不具合電極との距離が一定以内であり、かつ、前記脳波信号の特徴成分を発生させている脳の位置からの距離が最も近い電極を前記新たな電極として特定してもよい。
【００３５】
電極装着状態判定システムは、計測された脳波信号に含まれる特徴成分を利用して、前記ユーザの意図を判別する脳波処理部をさらに備え、前記不具合電極が基準極であるとき、前記計測電極置換部は、前記電極情報を参照して、マストイドとの距離が一定以内に存在する電極を前記新たな電極として特定してもよい。
【００３６】
電極装着状態判定システムは、計測された前記脳波信号に含まれる特徴成分を利用して前記ユーザの意図を判定し、前記ユーザの意図に応じた処理を実行する脳波処理部をさらに備え、前記不具合電極判定部は、前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態の良否を判定し、前記出力部は、前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示し、前記装着状態がよいと判定されたときは、前記ユーザの意図に応じた処理の結果を出力してもよい。
【００３７】
本発明による電極装着状態判定方法は、アース極、基準極、計測極からなる電極の組を少なくとも１組用いてユーザの脳波信号を計測するステップと、前記脳波信号の周波数を解析するステップと、前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態が悪いと判定するステップと、前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示するステップとを包含する。
【００３８】
本発明による、電極装着状態を判定するためのコンピュータプログラムは、コンピュータによって実行されるコンピュータプログラムであって、前記コンピュータに対し、アース極、基準極、計測極からなる電極の組を少なくとも１組用いてユーザの脳波信号を計測するステップと、前記脳波信号の周波数を解析するステップと、前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態が悪いと判定するステップと、前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示するステップとを実行させる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、電極を用いた電極装着状態判定システムにおいて、電極装着の不具合を検出するとともに、複数の電極のうちどの電極で不具合が発生したかを特定し、安定した脳波計測を可能にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】複数種類の電極４１〜４３を有する電極脳波計３９の構成を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、脳波計測用のドライ電極を組み込んだ眼鏡型のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）５０とその装着状態の例を示す図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、ＨＭＤのヘアバンド２５の形状の範囲内に設けられた電極の配置を示す図である。
【図４】脳波解析の結果を示す図である。
【図５】（ａ）平常時、（ｂ）アースはずし、（ｃ）計測極はずしの３状態における交流ノイズ混入量の全被験者の平均値と、被験者全員のばらつきの幅を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３状態における総周波数パワーの全被験者の平均値および被験者全員のばらつきの幅を示す図である。
【図７】本実施形態による電極装着状態判定システム２０の機能ブロックの構成を示す図である。
【図８】電極装着状態判定システム２０をＨＭＤとして具体化したときの装置の形状の一例を示す図である。
【図９】電極装着状態判定システム２０のハードウェア構成の例を示す図である。
【図１０】眼鏡の各部位の名称を示す図である。
【図１１】脳波インタフェースの画面例を示す図である。
【図１２】脳波処理部１２の脳波インタフェース処理の手順を示すフローチャートである。
【図１３】電極装着状態判定システム２０の処理全体のフローチャートである。
【図１４】周波数解析部１４が処理する脳波波形の例を示す図である。
【図１５】図１３のステップＳ１１０３において行われる不具合電極判定部１５の処理の詳細な処理手順を示すフローチャートである。
【図１６】アース２１が正常に装着されている場合（平常時）の周波数解析結果と、アースをはずした場合（アース不具合時）の周波数解析結果とをグラフ化した例を示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｃ）は、アース不具合と判定されたときの不具合通知の一例を示す図である。
【図１８】（ａ）〜（ｄ）は実験の結果を示す図である。
【図１９】実施形態１の変形例にかかる電極装着状態判定システム２０ａを示す図である。
【図２０】電極復帰判定部１７の処理を追加した電極装着状態判定システム２０ａの処理の手順を示すフローチャートである。
【図２１】電極復帰判定部１７が行う電極復帰判定処理（図２０のステップＳ１１０７）を説明するフローチャートである。
【図２２】実施形態２による電極装着状態判定システム２００の機能ブロックの構成を示す図である。
【図２３】計測電極置換部１６の処理を追加した電極装着状態判定システム２００の処理の手順を示すフローチャートである。
【図２４】実施形態２における電極配置の例を示す図である。
【図２５】計測電極置換部１６が保持している電極情報の例を示す図である。
【図２６】図２３のステップＳ１１１０、Ｓ１１１１、Ｓ１１１２で行われる計測電極置換部の処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
まず初めに、本発明の原理を説明し、その後、本発明の各実施形態を説明する。
【００４２】
本願発明者らは、脳波計の複数種類の電極（「計測極」、「基準極」および「アース」）の各々に個別に不具合が発生した場合に、それぞれ脳波波形にどのような影響を及ぼすかを調べる実験を実施した。その結果、ノイズの混入状況や不具合の種類によって、脳波波形のみから不具合が発生した電極の種類を特定できる特徴を見出した。
【００４３】
ここで、「計測極」とは、計測したい脳活動が発生している部位に装着された電極である。また「基準極」とは、脳活動の影響が少ない耳周辺部（耳朶やマストイド）などに装着された電極である。「アース」とは、差動増幅によって同相のノイズを除去するために装着した電極である。
【００４４】
以下、上述の電極（「計測極」、「基準極」および「アース」）を有する脳波計の構成例を説明する。その後、本願発明者らが行った実験内容及び実験結果から得られた新しい知見を説明し、さらにその後、その知見を活用した不具合電極の特定の実施の形態を説明する。
【００４５】
図１は、複数種類の電極４１〜４３を有する電極脳波計３９の構成を示す。この図を参照しながら、電極の種類と、１組の電極間の電位差により計測される脳波信号（脳波チャンネル）との関係を説明する。
【００４６】
脳波は、被験者の頭部に装着された２つの電極間の電位差として計測される。この電位差は、神経活動によって被験者の脳内で発生した電位変化に対応している。所定の期間に亘って計測された電位差を表示したものが、脳波の波形である。
【００４７】
脳波計３９は、Ｎ個の計測極４１、各１つのアース４２および基準極４３を有している。また脳波計３９は、Ｎ個の計測極４１に対応してＮ個の差動増幅器４０を有している。
【００４８】
一般に、計測極４１（「関電極」とも呼ばれる。）は、計測したい脳活動が発生している部位に設置される。また基準極４３（「不関電極」とも呼ばれる。）は脳活動の影響が少ない耳周辺部（耳朶やマストイド）などに設置される。各差動増幅器４０は、基準極４３で取得した電位を基準としてその差動増幅器４０に対応する計測極４１で取得した電位との電位差を差動増幅して出力する。この出力がその計測対象部位の脳波信号である。差動増幅器４０を設ける理由は、体内で発生した電位は非常に微弱なため増幅することが必要であり、また、脳波の増幅に際しては商用機器から発生する交流ノイズなどの外部から同相で混入する成分の除去することが必要だからである。
【００４９】
２つの電極（計測極４１、基準極４３）間の電位差を増幅して計測する場合、差動増幅器４０には、２つの電極の他に、別途アース４２の入力が必要となる。差動増幅器は、アース４２と計測極４１との電位差（計測極４１の電圧）、および、アース４２と基準極４３との電位差（基準極４３の電圧）を増幅する。そしてさらに計測極４１の電圧と基準極４３の電圧との差分をとる。これにより、計測極４１と基準極４３に同じように含まれるノイズ成分を除去できる。上記のように、増幅された計測極４１の電圧と基準極４３の電圧との電位差が１つの脳波信号（または脳波データ）として計測される。
【００５０】
２つの電極（計測極４１、基準極４３）間の電位差を増幅して計測する方法は、他の方法を用いても良い。例えば、アース４２と計測極４１との電位差（計測極４１の電圧）と、アース４２と基準極４３との電位差（基準極４３の電圧）との差分を取る。そして、その差分を増幅し、１つの脳波信号として計測してもよい。この１つの脳波信号（または脳波データ）のことを「脳波チャンネル」と呼ぶ。１つの差動増幅器４０に対し、脳波チャンネルは１つ出力される。
【００５１】
上記のように、計測極４１、アース４２、基準極４３の３つの電極から１つの脳波を計測するため、３つの電極のいずれか１つにでも不具合が発生した場合には、脳波チャンネルの波形が正常に計測できない状態となる。
【００５２】
日常生活環境下では、「計測極」、「アース」、「基準極」のどの極にも装着不具合が発生する可能性がある。以下、装着不具合が発生し得る態様を説明する。従来技術の課題欄で説明したとおり、装着不具合は、ペーストを利用する電極であっても、ドライ電極であっても発生し得る。以下では、ドライ電極を例に挙げて説明する。
【００５３】
たとえば図２（ａ）〜（ｅ）は、脳波計測用のドライ電極を組み込んだ眼鏡型のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）５０とその装着状態の例を示す。図１の例では、目の上にあたる位置２箇所には計測極４１が配置され、鼻にはアース４２が配置され、耳の後に基準極４３が配置されている。
【００５４】
正常にＨＭＤ５０を装着した（ａ）の正常状態では、適切に電極が皮膚に接触している。日常生活においてユーザが動くと、例えば前かがみの状態になったときには、（ｂ）に示すようにＨＭＤ５０が前にずれた状態になる。その際、目の上の計測極４１や鼻のアース４２がユーザの皮膚から離れ、電極装着状態が不具合になる。
【００５５】
また、長時間ＨＭＤ５０を装着していた場合には、ＨＭＤの重さにより、（ｃ）に示すようにＨＭＤ５０が下方にずれた状態になる。その際、目の上の計測極４１が装着不具合を生じる。また、操作や調整のためにＨＭＤ５０に触った際や、激しい動作を行った後、などは、（ｄ）に示すようにＨＭＤ５０の片側が上がった状態になると考えられる。その結果、目の上の計測極４１や耳の基準極４１がユーザの皮膚と離れ、装着不具合が発生する。さらに、何かにぶつかった際など、（ｅ）に示すようにＨＭＤ５０が横にずれた状態になる。この状態では、片側目の上の計測極４１や鼻のアース４２、耳の基準極４３のいずれかが外れると想定される。このように、動作やＨＭＤ５０の位置ズレにより、計測極４１に限らず、アース、基準極も同じように装着不具合が発生する可能性がある。
【００５６】
そこで、本願発明者らは下記の実験を行った。
【００５７】
本願発明者らは、脳波計を上述のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に組み込む態様を想定して、脳波計の電極をＨＭＤの形状の範囲内に配置した。本明細書において、ＨＭＤ等のウェアラブル装置の「形状の範囲」とは、その装置に通常必要とされる形状が占める範囲をいうとする。たとえば図３（ａ）および（ｂ）は、ＨＭＤのヘアバンド２５の形状の範囲内に設けられた電極の配置を示している。電極は、破線で示すヘアバンド２５で覆われた、被験者の頭部の範囲内に設けられている。ＨＭＤの形状の範囲には、ヘアバンド２５で覆われる範囲が含まれる。
【００５８】
測定電極位置の具体例は以下の通りである。まず基準極２２は右耳後に配置され、計測極１（図３の計測極２３ｂ）は左目上に、計測極２（図３の計測極２３ａ）は右目上に配置される。そして、アース２１は、図示された位置（この位置は国際１０−２０法の場所表記によればＦＰｚの位置に相当する）に配置される。
【００５９】
基準極２２を脳波の発生源である脳からの距離が遠い耳の後方、計測極２３を脳に近い両眼上２箇所に配置する。これにより、２つの脳波チャンネルの計測が可能になる。具体的にはアース２１、基準極２２および計測極１の組み合わせでチャンネル１（Ｃｈ１）が得られ、アース２１、基準極２２および計測極２の組み合わせでチャンネル２（Ｃｈ２）が得られる。上述の通り、「チャンネル」とは、１つの差動増幅器（１つの計測極、基準極、アースの組み合わせ）で計測される脳波信号（または脳波データ）である。
【００６０】
実験で用いた電極は、計測極、基準極およびアースのいずれもペーストを用いることなく装着するドライ電極である。計測極、基準極として、銀塩化銀のアクティブ電極（脳波計内部だけではなく電極内部でも増幅を行う電極）を使用し、アースには銀塩化銀の皿電極を使用し、ヘアバンド２５で固定した。脳波計測はポリメイトＡＰ−１１２４（デジテックス製）を使用した。サンプリング周波数は２００Ｈｚ、時定数は０．３秒で、３０代の被験者１名に対して計測実験を行った。
【００６１】
本願発明者らは、電極に不具合が発生した場合にはノイズ混入量が変動することを想定した。そこで、電極が正常に装着されている状態と、電極装着に不具合が発生した状態とでの各周波数におけるパワーの変化を観察することとした。その中でも、最も大きい外部ノイズ源と考えられる商用電源からの６０Ｈｚのパワーと、ノイズ混入量の全体量を反映すると考えられる計測した脳波の周波数帯全体のパワーに着目した。
【００６２】
脳波計測において観測される脳波信号の振幅電圧はμＶ単位であり、微弱である。一方、商用電源からの６０Ｈｚのノイズに代表されるノイズ成分の振幅電圧はｍＶ単位であり、脳波信号の振幅電圧よりも大きい。また、脳起因の信号が３０Ｈｚ以下の周波数帯であるため、商用電源からの６０Ｈｚのノイズと脳起因の信号とを容易に区別することが可能である。なお、例えば筋電計測の場合は、一般的に筋電の平均電位は数μＶ〜数ｍＶ程度、周波数成分は数Ｈｚ〜数１００Ｈｚであると言われているため、筋電起因の電位と商用電源からの６０Ｈｚのノイズとの区別は難しい。
【００６３】
そこで、本願発明者らは、ノイズ混入量および総周波数パワーの２種類のパラメータを解析した。
【００６４】
実験では、ノイズ混入量の一例として「交流ノイズ混入量」を求めた。交流ノイズ混入量は、外部機器の商用電源ノイズ量を意味する。外部機器の商用電源ノイズ量とは、外部機器の商用電源の周波数帯における周波数のパワーである。外部機器の商用電源の周波数帯は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚなど、国や地域により応じた周波数を選択する。
【００６５】
総周波数パワーとして、「解析可能な周波数帯のパワーの平均値」を求めた。より具体的には、総周波数パワーは、計測された脳波から１秒間のデータを抽出し、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実施することで各周波数のパワーの値を求め、０より大きく１００Ｈｚ以下の周波数帯域のパワーの平均値により算出した。「０より大きく１００Ｈｚ以下」とした理由は、本実験ではサンプリング周波数２００Ｈｚで脳波の計測を行ったところ、サンプリング定理によれば、利用可能な周波数帯は１００Ｈｚまでであるといえるためである。「０より大きく１００Ｈｚ以下」の範囲は一例である。利用可能な周波数帯を決定し、その最大周波数の２倍のサンプリング周波数にて脳波を計測すればよい。
【００６６】
本実施形態では、総周波数パワーを、利用可能な幅広い周波数帯に混入するノイズのパワーの変化を見る指標として利用する。または、総周波数パワーを、脳活動に起因しない周波数帯（３０Ｈｚ以上の領域）に幅広くノイズが混入しているかを調べる指標としても利用する。そこで、３０Ｈｚ以上の領域で、利用可能な周波数帯の半分以上の領域のパワーの平均を算出すれば、利用可能な周波数帯全体である０〜１００Ｈｚまでのパワーの平均値と同様の傾向が見られると考えられる。例えば、３０以上１００Ｈｚ以下の範囲や、０より大きく６０Ｈｚ以下の範囲である。
【００６７】
図４は、脳波解析の結果を示す。図４では、５つの異なる状態における、チャンネル１および２（Ｃｈ１、Ｃｈ２）への交流ノイズ混入量、総周波数パワーがそれぞれ示されている。５つの異なる状態とは、「すべての電極が適切に装着されている場合（平常）」、「計測極１だけをずらした場合（計測極１ずらし）」、「計測極２だけをずらした場合（計測極２ずらし）」、「基準極をずらした場合（基準極ずらし）」および「アースをはずした場合（アースはずし）」である。ここで「ずらし」とは、電極が皮膚に装着した状態のままで電極を左右に動かし続けた状態とする。
【００６８】
図４の最右欄に示す枠５０１内の値によれば、交流ノイズ混入量は、アースの不具合発生時（アースはずれ）にのみ増大し、平常時やその他の電極の不具合時では大きな増加は見られないことがわかる。一方、図４の２箇所の枠５０２の値のように、総周波数パワーは、計測極の不具合発生時（計測極１または計測極２ずらし）に対して、不具合発生の計測極に対応するチャンネルのみが増大する。また、図４の枠５０３の値のように、基準極の不具合発生時（基準極ずらし）に対しては、チャンネル１、チャンネル２ともに増大していることがわかる。
【００６９】
これらの実験結果より、アースの不具合発生時には、交流ノイズ混入量が増大し、計測極不具合発生時には、計測極の対応チャンネルの総周波数パワーが増大し、さらに、基準極不具合発生時には全チャンネルの周波数パワーが増大するという知見が得られた。
【００７０】
さらに本願発明者らは、上記の知見が他の被験者でも同様に発生する現象であるのかを確かめるため、２０代の被験者１４名に対して、脳波計測実験を行った。実験は、上記と同じ脳波計、電極、電極位置において、（ａ）全ての電極が正しく装着されている状態、（ｂ）アースに不具合が発生した状態（アースをはずした場合）、（ｃ）計測極に不具合が発生した状態（計測極１をはずした場合）の３つの状態における、交流ノイズ混入量、総周波数パワーを計測した。
【００７１】
図５は、（ａ）平常時、（ｂ）アースはずし、（ｃ）計測極はずしの３状態における交流ノイズ混入量の全被験者の平均値と、被験者全員のばらつきの幅を示す。図５では、図４の５０１の結果と同様、他の状態と比較して（ｂ）アースはずし時のときに、交流ノイズ混入量が増大する傾向が、全ての被験者に発生していることがわかった。
【００７２】
また、図６は、上述の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３状態における総周波数パワーの全被験者の平均値および被験者全員のばらつきの幅を示す。図６に示されるように、図４の枠５０２の結果と同様に、（ｃ）計測極はずしのときに、他の状態と比較して総周波数パワーが増大する傾向が、全ての被験者に発生していることがわかった。
【００７３】
今回は、基準極不具合についての実験はしていない。しかしながら、図６の結果から計測極不具合発生時に総周波数パワーの増大が見られたことに鑑みれば、基準極に不具合が発生した場合もまた、図４の枠５０３の結果と同様全てのチャンネルの総周波数パワーは増大すると推測される。
【００７４】
上記の結果から、アースの不具合発生時には、交流ノイズ混入量が増大し、計測極不具合発生時には、計測極の対応チャンネルの総周波数パワーが増大し、さらに、基準極不具合発生時には、全チャンネルの周波数パワーが増大するという知見は、被験者に依存するものではなく、特異な傾向ではないということがわかった。
【００７５】
上記の知見により、交流ノイズ混入量の増大によりアースの不具合が、また特定チャンネルにおける総周波数パワーの増大により計測極の不具合が、さらに全チャンネルにおける総周波数パワーの増大で基準極の不具合が判定可能となることを着想した。
【００７６】
以下、この着想に基づいてなされた本発明による電極装着状態判定システムの実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００７７】
本願発明の好ましい実施形態として、本願発明者らは、ユーザの脳波を計測し、計測された脳波の特徴信号からユーザの状態や意図を判定し、判定結果をフィードバックする、電極装着状態判定機能付きの脳波インタフェースシステム（以下、「電極装着状態判定システム」と記述する。）を例示する。
【００７８】
電極装着状態判定システムは、特に、ペーストを利用しないドライ電極をＨＭＤなどのウェアラブル機器に組み込んだ状態で脳波を計測する。ドライ電極の場合には特に電極装着状態に不具合が生じる可能性が高い。そのような電極装着状態の不具合が生じた場合にユーザに通知や復帰判定を行う。そして可能な場合には電極置き換えによって計測を継続することが可能になる。
【００７９】
（実施形態１）
図７は、本実施形態による電極装着状態判定システム２０の機能ブロックの構成を示す。図８は、電極装着状態判定システム２０をＨＭＤとして具体化したときの装置の形状の一例を示す。図９は、電極装着状態判定システム２０のハードウェア構成の例を示す。各図に示される構成要素のうち、共通する構成要素に対しては同じ参照符号を付している。
【００８０】
本願明細書では、図８に示すＨＭＤ形状に基づいて電極装着状態判定システム２０を説明する。ＨＭＤの各部位は、眼鏡の部位を示す用語を用いて表現する。図１０は、眼鏡の各部位の名称を示している。ユーザ１０の耳に引っ掛かりＨＭＤ本体を固定する部分を「先セル部」と呼ぶ。ユーザ１０の鼻に接地しＨＭＤ本体を支える部分を「ノーズパッド部」と呼ぶ。ユーザ１０の各眼球の前に設置される出力部１３を保持し固定する部分を「リム部」と呼ぶ。また、両目の前のリム部２３をつなぎ支える部分を「ブリッジ部」、リム部と先セル部をつなぎ支える部分を「テンプル部」と呼ぶ。
【００８１】
図７に示されるように、電極装着状態判定システム２０は、脳波計測処理部１８および電極状態判定処理部１９を有している。なお、図７では、ユーザ１０は理解の便宜のために記載されている。
【００８２】
脳波計測処理部１８は、脳波計測部１１、脳波処理部１２および出力部１３を有している。また電極状態判定処理部１９は、周波数解析部１４と、不具合電極判定部１５とを有している。以下、各構成要素を説明する。
【００８３】
脳波計測処理部１８の脳波計測部１１は、図８に示されるアース２１、基準極２２、計測極２３ａ、２３ｂおよび脳波計測回路２４を有している。アース２１は眼鏡のノーズパッド部に、基準極２２は眼鏡の先セル部２２の内側に、計測極２３ａ、計測極２３ｂは眼鏡のレンズ上部に、脳波計測回路２４は眼鏡のテンプル部に設置される。ＨＭＤ装着時には、各電極２１，２２，２３ａ、２３ｂがユーザ１０の皮膚に接するように配置されている。
【００８４】
脳波処理部１２は、計測された脳波信号からユーザ１０の意図や状態を判別する。
【００８５】
出力部１３は、ＨＭＤのレンズ部に設置された機器（たとえば液晶モニタ）であり、判別された結果をユーザ１０にフィードバックする。フィードバックは、液晶モニタへの画像出力などの機器の動作として実現される。
【００８６】
一方、電極状態判定処理部１９の周波数解析部１４は、ＨＭＤのブリッジ部に設置され、脳波計測部１１で計測された脳波を周波数解析する。
【００８７】
不具合電極判定部１５は、周波数解析値から不具合が発生した電極を判定し、出力部１３により電極状態をユーザ１０に通知する。
【００８８】
尚、図８の各機能ブロック、電極の位置は一例であり、各機能ブロックの位置、各電極の位置、個数はこれに限られるものではない。
【００８９】
次に、図９を参照しながら電極装着状態判定システム２０のハードウェア構成を説明する。
【００９０】
アース２１、基準極２２、複数の計測極２３および脳波計測回路２４が本実施形態による脳波計測部１１を構成する。アース２１、基準極２２、複数の計測極２３は脳波計測回路２４に接続されており、脳波計測回路２４がバス１００と接続されることで、他の構成要素との脳波信号の授受が行われる。
【００９１】
ＣＰＵ１２１、ＲＡＭ１２２、ＲＯＭ１２３は本実施形態による脳波処理部１２を構成する。ＣＰＵ１２１はＲＯＭ１２３に格納されているコンピュータプログラム１２４をＲＡＭ１２２に読み出し、ＲＡＭ１２２上に展開して実行する。本実施形態による脳波処理部１２は、このコンピュータプログラム１２４によって脳波判別処理を実現する。ＣＰＵ１２１、ＲＡＭ１２２、ＲＯＭ１２３はバス１００と接続されており、各構成要素との間で制御信号やデータの授受を行う。
【００９２】
続いて、ＣＰＵ１４１、ＲＡＭ１４２、ＲＯＭ１４３は本実施形態による周波数解析部１４を構成する。ＣＰＵ１４１はＲＯＭ１４３に格納されているコンピュータプログラム１４４をＲＡＭ１４２に読み出し、ＲＡＭ１４２上に展開して実行する。本実施形態による周波数解析部１４は、このコンピュータプログラム１４４によって脳波波形の周波数解析処理を実現する。ＣＰＵ１４１、ＲＡＭ１４２、ＲＯＭ１４３はバス１００と接続されており、不具合電極判定部１５に解析結果を示すデータを送信する。
【００９３】
ＣＰＵ１５１、ＲＡＭ１５２、ＲＯＭ１５３は、本実施形態による不具合電極判定部１５を構成する。ＣＰＵ１５１はＲＯＭ１５３に格納されているコンピュータプログラム１５４をＲＡＭ１５２に読み出し、ＲＡＭ１５２上に展開して実行する。本実施形態による不具合電極判定部１５は、このコンピュータプログラム１５４によって後述の不具合電極判定処理を実現する。ＣＰＵ１５１、ＲＡＭ１５２、ＲＯＭ１５３は、バス１００と接続されており、出力部１３との間で制御信号やデータの授受を行う。
【００９４】
出力部１３は、画像処理回路１３１および画面１３２を有している。画像処理回路１３１は、ＣＰＵ１２１および１４１からの制御信号やデータに従って、ユーザ１０へのフィードバック（たとえば画面への脳波波形表示など）や電極装着状態の情報を画面１３２へ出力する。出力部１３は、ＨＭＤに必要な情報を提示する機能をあわせて有していてもよい。
【００９５】
上述のコンピュータプログラム１２４、１４４および１５４は、それぞれ半導体メモリ媒体やＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記録されて製品として市場に流通され、または、インターネット等の電気通信回線を通じて伝送され得る。
【００９６】
なお、脳波処理部１２、周波数解析部１４および不具合電極判定部１５は、半導体回路にコンピュータプログラムを組み込んだＤＳＰ等のハードウェアや、ＣＰＵを有さず回路として演算を行う半導体としても実現可能である。また、脳波処理部１２、周波数解析部１４および不具合電極判定部１５は、それぞれ別のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを持つ機能ブロックとして説明を行ったが、同一のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭによって、同様の機能を実現してもよい。
【００９７】
次に、本発明の電極装着状態判定システム２０の概要を説明し、その処理を概観した後に、電極装着状態の不具合判定方法を説明する。
【００９８】
電極装着状態判定システムは、計測された脳波を解析し、電極装着状態に不具合が発生した場合には、不具合電極を特定しユーザに通知する。不具合が発生していない場合には、装着状態に関してユーザに通知は行わず、本来の脳波計測および脳波解析による機能が提供される。脳波解析によって提供される機能とは、例えばユーザの状態の判定や機器操作のための意図を抽出が該当する。
【００９９】
本実施形態での脳波処理は、脳波を利用してユーザの選択意図を判断する脳波インタフェースを例に挙げて説明する。より具体的には、ユーザ１０の脳波信号を利用してＴＶを操作し、ユーザ１０が視聴したいジャンルの番組を選択する脳波インタフェースを説明する。
【０１００】
図１１（ａ）は、脳波インタフェースの画面例を示す。より詳しくは、図１１（ａ）は、出力部１３がＴＶの画面４１を介してユーザ１０に提示するメニューの例である。画面には「どの番組をご覧になりたいですか？」という質問４２と、見たい番組の候補である選択肢４３ａ〜４３ｄが提示される。ここでは４種類の選択肢（「野球」４３ａ、「天気予報」４３ｂ、「アニメ」４３ｃおよび「ニュース」４３ｄ）が表示されている。
【０１０１】
図１１（ａ）の例ではまず一番上の野球４３ａが選択され、ハイライト表示される。「ハイライト表示」とは、他の項目より明るい背景による表示、明るい文字色による表示、または、カーソル等で指し示された表示をいう。ここではユーザ１０が見たときに、システム側が現在どの項目に注意して欲しいかが伝わるようになっていればよい。４つ目のニュース４３ｄの次はまた一番目の野球４３ａに戻る。
【０１０２】
図１１（ｂ）は、脳波処理部１２によって取得された、ユーザ１０の脳波信号の事象関連電位である。事象関連電位の取得の起点は、各選択肢がハイライト表示された瞬間に設定される。そして、この瞬間より、例えば２００ｍｓ前から１秒後までの事象関連電位が脳波信号から抽出される。これによって、ハイライト表示された項目に対するユーザ１０の反応が得られる。事象関連電位４４ｄとともに、横軸に時間、縦軸に事象関連電位が示されている。なお、縦軸の上方向は事象関連電位が負（陰性）になる方向に対応し、下方向は事象関連電位が性（陽性）になる方向に対応する。
【０１０３】
今、ユーザ１０が天気予報４３ｂを見たいと考えていたとする。選択肢４３ａ〜４３ｄまでのそれぞれに対応する脳波信号４４ａ〜４４ｄのうち、天気予報４３ｂがハイライトされたときのユーザ１０の脳波信号４４ｂを見ると、天気予報４３ｂがハイライトされた時刻を起点に潜時約３００ｍｓ後に特徴的な陽性の成分（Ｐ３００成分）が出現する。そこで脳波処理部１２は、このＰ３００成分が検出された選択肢をユーザ１０が視聴したい番組であるとして、チャンネルを天気予報のチャンネルに切り替える。図１１（ｃ）は、天気予報のチャンネルが選択された後の画面４５を示す。
【０１０４】
図１２は、脳波処理部１２の脳波インタフェースの処理手順を示す。
【０１０５】
ステップＳ１５０１において、脳波処理部１２は図１１（ａ）に示すメニュー２３を、出力部１３を介して表示する。脳波処理部１２は、ステップＳ１５０２において、たとえば野球４３ａの項目を選択し、次のステップＳ１５０３において、選択した野球４３ａの項目を、出力部１３を介してハイライト表示する。
【０１０６】
ステップＳ１５０４において、脳波処理部１２は、脳波計測部１１から出力された脳波信号から、項目のハイライト表示タイミングを起点とした事象関連電位を取得する。
【０１０７】
ステップＳ１５０５において、脳波処理部１２は、取得した事象関連電位に、選択したい項目のハイライトに起因する波形変化が存在するか否かを判定する。波形変化が存在する場合にはステップＳ１５０６に進み、波形変化が存在しない場合にはステップＳ１５０２に戻って次の項目（たとえば天気予報４３ｂ）のハイライト表示を行う。Ｐ３００成分の有無を識別することにより、現在取得した脳波の波形が、ユーザ１０が選択したい項目に対する波形か、それとも選択したくない項目に対する波形かを判定することができる。
【０１０８】
最後にステップＳ１５０６において、脳波処理部１２は、Ｐ３００成分が現れた項目に対応する機能（チャンネル切り替え）を実行する。
【０１０９】
上述の処理により、ユーザ１０はボタンを操作しなくても脳波によってメニュー項目を選択することができる。なお、ステップＳ１５０２では、項目は順次選択されるとしたが、ランダムに提示する方法も可能である。これにより、事前にどの項目が選択されるか不明なため、より注意深くメニューが選択される可能性がある。
【０１１０】
図１３は、電極装着状態判定システム２０の処理全体のフローチャートを示す。以下、図１３の電極装着状態判定システム２０のフローチャートに沿って、動作を説明する。
【０１１１】
ステップＳ１１０１では、脳波計測部１１がユーザ１０の脳波を計測する。脳波の計測は、図８に示すアース２１、基準極２２、計測チャンネルに対応する計測極２３の３種類の電極を１組として利用して組ごと（チャンネルごと）に脳波計測回路２４により計測される。なお、アース２１および基準極２２は各組で共用される。
【０１１２】
脳波計測回路２４は、アース２１の電位を基準として差動増幅を行う。すなわち、脳波計測回路２４は、基準極２２の電位、計測極２３の電位をアース２１の電位を基準として増幅し、増幅した計測極２３の電位から、増幅した基準極２２の電位の差分をとる。これにより、基準極２２を基準にした計測極２３の脳波電位を測定できる。この差動増幅は微弱な信号を増幅する場合に用いられ脳波計測にも用いられる。上記のようにして計測された脳波電位は１チャンネルの脳波データとして、脳波処理部１２、周波数解析部１４に送信される。
【０１１３】
ステップＳ１１０２では周波数解析部１４により周波数解析処理を行う。図１４は周波数解析部１４が処理する脳波信号波形の例を示す。周波数解析部１４は、脳波計測部１１が計測した脳波信号３０１を受信し、判定対象となる区間の脳波波形３０２を抽出する。ここで抽出される区間は、例えば１秒間に設定される。次に、周波数解析部１４は、抽出した脳波信号３０２に対し、たとえば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）による周波数解析を実施し、各周波数のパワーの値３０３を算出する。各周波数のパワーの値３０３は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の結果得られたフーリエ係数の値に対応する。
【０１１４】
パワー値の算出後、周波数解析部１４は周波数解析結果を不具合電極判定部１５に出力する。周波数解析結果の出力後、周波数解析部１４は、１秒間分の脳波が計測されるまで待機し、１秒後、再度周波数解析を実行する。ただし、解析対象区間以上の間、周波数解析部１４に処理のタイミングが発生しなかった場合は、処理タイミング直前１秒間の脳波データに対して、周波数解析を行う。
【０１１５】
図１３のステップＳ１１０３で、不具合電極判定部１５は、脳波計測している各電極に装着不具合が発生しているか否かを判定する。不具合電極判定部１５は、周波数解析部１４の周波数解析結果から、電極装着状態判定に必要なノイズ混入量、総周波数パワーの解析パラメータを抽出する。そして、不具合電極判定部１５は、各解析パラメータとあらかじめ設定された閾値との比較により、アース、基準極、計測極の各電極に電極装着状態に不具合が発生しているか否かを判定する。不具合が発生している場合には、不具合電極判定部１５は、アース、基準極、計測極のいずれの電極で不具合が発生しているか否かを特定する処理を行う。具体的な判定方法は詳述する。
【０１１６】
不具合電極が特定された場合には、ステップＳ１１０６にて、出力部１３は、不具合が発生した電極の位置や種類をユーザ１０に通知する。
【０１１７】
ステップＳ１１０３で不具合電極はないと判断された場合には、処理はステップＳ１１０４に進む。ステップＳ１１０４では、脳波処理部１２が、計測された脳波を利用した処理を行う。本実施形態では、脳波処理部１２は、選択肢ハイライトを行ったタイミングを起点とした脳波を切り出し、Ｐ３００成分が出現しているかの判定を行うことで、ユーザ１０がどの選択肢を選択する意図があったのかを判別する。
【０１１８】
ステップＳ１１０５にて、出力部１３は、脳波処理部１２で処理された結果を画面等に表示することにより、ユーザ１０にフィードバックする。本実施形態では、出力部１３は、画面１３２に図１１（ｂ）で示すように、ユーザ１０が選択した選択肢１３７をフィードバックする。
【０１１９】
このような処理によって、脳波計測の結果をユーザに提示しつつ、電極の装着具合に不具合が発生した場合には、その不具合電極の種類や位置を特定し、ユーザに通知できる。
【０１２０】
次に、ステップＳ１１０３で不具合電極判定部１５が行う、不具合電極を判定する処理を説明する。
【０１２１】
図１５は、ステップＳ１１０３（図１３）において行われる不具合電極判定部１５の処理のフローチャートを示す。以下、ステップＳ１１０３において行われる処理の詳細を説明する。
【０１２２】
ステップＳ１２０１で、不具合電極判定部１５は、周波数解析部１４から出力された周波数解析結果を取得する。ここでの周波数解析結果とは、各周波数帯に周波数パワーの値のデータが相当する。例えば、サンプリング周期２００Ｈｚで脳波を記録した場合は、その半分の周期である０〜１００Ｈｚまでの周波数解析（ＦＦＴ）の結果となる。
【０１２３】
ステップＳ１２０２で、不具合電極判定部１５は、各脳波チャンネル（Ｃｈ）の周波数解析結果から、特徴ノイズ周波数パワーを算出する。ここで特徴ノイズ周波数とは、脳波計測環境において、外部機器などから発生しているノイズの周波数である。脳波信号の当該周波数には、そのノイズが含まれている。例えば、電気機器に囲まれた環境では、特徴ノイズとして、電源からの交流ノイズが挙げられる。また同様の特徴ノイズとして、自動車の中等では、エンジンから発せられるパルス波が特徴ノイズとして考えられる。エンジンから発せられるパルス波の周波数は、エンジン回転数に比例する。したがって、不具合電極判定部１５は、エンジン回転数を示す情報を自動車のタコメータやコンピュータ等から取得することにより、パルス波の周波数を特定することができる。
【０１２４】
上記の交流ノイズの周波数やエンジンのパルス波ノイズの周波数を特徴ノイズ周波数として、各チャンネルの周波数解析結果から算出する。本実施の形態では、室内での利用を想定し、特徴ノイズを交流ノイズとして説明を行う。交流ノイズの帯域は、たとえば日本国の関西地区では６０Ｈｚ、関東地区では５０Ｈｚである。上記の実験を行った環境が関西地区であるため、特徴ノイズ周波数は６０Ｈｚとし、特徴ノイズ周波数パワーを交流ノイズ混入量と言い換えて説明を行う。なお、諸外国における交流ノイズの帯域は、たとえばアメリカ合衆国では６０Ｈｚ、欧州諸国や中国では５０Ｈｚである。以下に説明する６０Ｈｚの例に基づけば、当業者であれば、周波数の相違を考慮して５０Ｈｚの地域における実験を行うことは可能である。
【０１２５】
ステップＳ１２０３で、不具合電極判定部１５は、各脳波チャンネルの周波数解析結果から、総周波数パワーを算出する。総周波数パワーは、周波数解析結果のパワーの平均値（０〜１００Ｈｚまでの周波数パワーの平均）で算出される。
【０１２６】
ステップＳ１２０４以降の処理で、ノイズ混入量、総周波数パワーの値に基づいて、不具合電極判定部１５は、アース２１、基準極２２、計測極２３のいずれの電極に不具合が発生しているかを判定する。判定の流れは、アース２１の不具合判定（ステップＳ１２０４）、計測極２３の不具合判定（ステップＳ１２０５、Ｓ１２０６、Ｓ１２０８）、基準極２２の不具合判定（ステップＳ１２０９）の順で行われる。以下に、それぞれの判定方法を具体的に説明する。
【０１２７】
まず、不具合電極判定部１５が行うアース不具合判定（ステップＳ１２０４）を説明する。不具合電極判定部１５は、ステップＳ１２０２で算出された交流ノイズ混入量を参照して、アース２１に不具合が発生したか否かを判定する。
【０１２８】
図１６は、上述した本願発明者らが実施した実験の結果（図４）を例に、アース２１が正常に装着されている場合（平常時）の周波数解析結果と、アースをはずした場合（アース不具合時）の周波数解析結果とをグラフ化した例を示す。グラフの横軸は周波数（単位：Ｈｚ）を示し、縦軸は周波数パワー（単位：μＶ＾２）を示している。ここでは、図４におけるＣｈ１の交流ノイズ混入量を利用して６０Ｈｚにおける平常時とアース不具合時の周波数パワーとをグラフ化した。図１６によれば、平常時８２．３μＶ＾２に比べ、アース不具合時には３５５０２．３μＶ＾２と非常に離れた値をとっている。
【０１２９】
そこで、不具合電極判定部１５にあらかじめアースの不具合判定の閾値を設定しておき、交流ノイズ混入量が閾値を超えた場合には、不具合電極判定部１５がアース２１に不具合が発生していると判定する。「閾値」として、平常時とアース不具合時の中間値を設定することが望ましい。しかしながら、平常時とアース不具合時の値が乖離していることを考慮し、本実施形態では、平常時の交流ノイズ混入量の対数とアース不具合時の交流ノイズ混入量の対数と平均し、その平均値をとる周波数パワーである１７００μＶ＾２を設定した。
【０１３０】
他の閾値設定方法としては、平常時の値のみを基準に考え、例えば平常時の１０倍を異常な状態（アース不具合状態）と判断するよう８２３μＶ＾２に設定する方法が考えられる。この閾値との比較により、図４の実験の例では、平常時には「アース不具合無し」と判定されステップＳ１２０５へ遷移する。また、アースはずし時には「アース不具合」と判定され、不具合通知を出力部１３に出力するステップＳ１２１０へ遷移する。
【０１３１】
図１７（ａ）は、アース不具合と判定されたときの不具合通知の一例を示す。図１７（ａ）に示すように、アースが外れていることを知らせる警告が画面１３２上に表示される。または図１７（ｂ）に示すように、装着異常が発生している電極位置を示す画面１３２上に画像および説明が表示される。
【０１３２】
再び図１５を参照しながら、不具合電極判定部１５が行う計測極２３の不具合判定処理（ステップＳ１２０５、Ｓ１２０６、Ｓ１２０８）を説明する。
【０１３３】
ステップＳ１２０５において、不具合電極判定部１５は、本願発明者らが実施した上述の実験の特徴を利用し、計測されたいずれか１チャンネルの総周波数パワーの値と、電極の不具合を判定する閾値とを比較する。判定した脳波チャンネルの総周波数パワーが閾値を超えた場合には、不具合電極判定部１５は判定したチャンネル番号の計測極に不具合が発生している疑いがあると判定し、ステップＳ１２０８にて不具合リストにチャンネル番号を記録する。表１は、不具合が生じたチャンネルの番号が記録された不具合リストの一例を示す。
【０１３４】
【表１】
2011074186.tif 000030
【０１３５】
閾値は、上記実験の結果から例えば平常時の総周波数パワーの大きい方の値５．２と、電極不具合発生時に増大した総周波数パワーの最小値６７．１の中間値である３６を設定した。
【０１３６】
図４の実験の例では、計測極１をずらしたときには、総周波数パワーが３６を超えるＣｈ１が不具合として検出され、不具合リストに追加される。他の閾値設定方法としては、チャンネルごとに閾値を設定し、平常時の値のみを基準に考え、平常時の２倍を異常な状態（計測極不具合状態）と判断するように設定してもよい（例えば、Ｃｈ１は１０．４μＶ＾２、Ｃｈ２は５．６μＶ＾２）。
【０１３７】
今回実験で解析された不具合時の周波数パワーの値は、電極不具合時には常にこの値になるものではなく、電極ズレの強さや幅、皮膚の状態により、様々変化すると考えられる。ただし、不具合発生時には、平常時と比較して総周波数パワーが増大する傾向は変化しない。そのため、不具合発生時の総周波数パワーの値のブレを考慮し、判別のための閾値を上記の値よりも低め（例えば、２０μＶ＾２）に設定してもよい。
【０１３８】
ステップＳ１２０６にて、不具合電極判定部１５は、ステップＳ１２０５の比較処理をまだ行っていない脳波チャンネルが存在するか否かを判断する。存在する場合にはステップＳ１２０５に戻り、当該脳波チャンネルに対して、ステップＳ１２０５の比較処理を行う。
【０１３９】
全ての脳波チャンネルに対し、ステップＳ１２０５の比較処理が完了した後は、処理はステップＳ１２０７に進む。ステップＳ１２０７にて、不具合電極判定部１５は、不具合リストの内容を確認し、不具合リストに記述されているチャンネル番号を確認する。不具合リストには何も記述されておらず空である場合は、不具合電極判定部１５は、不具合電極は存在しないと判断し、ステップＳ１２１３において不具合電極なしと判定する。
【０１４０】
不具合リストが空でなかった場合は、ステップＳ１２０９にて不具合電極判定部１５は、現在計測している全ての脳波チャンネルが不具合リストに挙げられているか否かを判断する。全てのチャンネルが不具合リストに挙げられている場合には、基準極２２に不具合が発生したと考えられる。そこで、不具合電極判定部１５はステップＳ１２１１にて基準極不具合があると判定する。
【０１４１】
ステップＳ１２０９にて、不具合リストと全チャンネル番号とが一致しなかった場合は、個別の計測極に不具合が発生していると考えられる。ステップＳ１２１２において、不具合電極判定部１５は、不具合リストのＣｈ番号に対応する計測極が不具合であると判定する。
【０１４２】
ここで、図４に示される平常時、計測極１不具合、計測極２不具合、基準極不具合の状態におけるＦＦＴの結果のグラフと総周波数パワーの値を参照しながら、図１５に示す判定処理の流れを確認する。
【０１４３】
平常時においては、図１５のステップＳ１２０５〜Ｓ１２０７の処理により、不具合電極判定部１５は、Ｃｈ１およびＣｈ２を不具合リストに追加しない。Ｃｈ１、Ｃｈ２の総周波数パワーは、５．２と２．８でともに閾値３６を下回っているためである。そして、不具合電極判定部１５は、ステップＳ１２０７で不具合リストは空であることを確認するため、「不具合電極なし」と判定する。
【０１４４】
計測極１がずれたときは、Ｃｈ１の総周波数パワーが９３．７と閾値３６を上回っている。よって、不具合電極判定部１５は、図１５のステップＳ１２０５、ステップＳ１２０８の処理により、計測極１を含むチャンネル番号を不具合リストに追加する。不具合電極判定部１５は、ステップＳ１２０９にてＣｈ１のみが不具合であると判断するため、計測極１を不具合電極として判定する。
【０１４５】
基準極がずれたときは、Ｃｈ１、Ｃｈ２の総周波数パワーが３５７．６、１９４．６とともに閾値３６を上回っている。よって、図１５のステップＳ１２０５、ステップＳ１２０８の処理により、不具合電極判定部１５は、Ｃｈ１、Ｃｈ２を不具合リストに追加する。ステップＳ１２０９にて、不具合電極判定部１５は、全てのチャンネルで不具合が発生していると判断すると、基準極を不具合電極として判定する。
【０１４６】
尚、上述の説明において、出力部１３の出力例として図１７（ａ）または図１７（ｂ）に示す通知方法を説明したが、ユーザへの通知方法は、上記に限るものではない。ユーザ１０が電極装着に不具合が発生したことを通知でき、ユーザ１０が不具合電極の場所を知り、改善を促すことができる通知方法であればよい。例えば、音声による通知方法も本発明の範疇である。
【０１４７】
以上の処理によって、不具合が発生した電極が、計測極、基準極、アースのいずれであるかを特定できる。複数の電極によって特定される計測チャンネルを特定するだけでなく、不具合が生じている電極までをも特定して不具合の通知ができる。これにより、ユーザは即座に電極の装着状態を改善でき、装着不具合が発生しうる日常生活環境下でも脳波計測が継続できる。
【０１４８】
上述の構成により、ユーザ１０は、脳波計測に不具合が発生した場合、装着不具合となった電極の種類や位置を知ることができ、電極装着状態を自ら修正することが可能になった。
【０１４９】
ただし、ユーザ１０が不具合電極を修正すると、不具合電極の近くの、不具合がなかった電極に電極ズレ等発生する可能性がある。この結果、正常に装着されていた電極が不具合電極と判断されてしまう。そのため、ユーザが修正する度、他の極に不具合通知が出ることになり、全体として修正がなかなか完了しなくなる。
【０１５０】
よって、不具合電極判定部１５は、不具合電極の復帰が完了するまでは電極不具合を検知しないように電極不具合判定処理を停止してもよい。このときは、たとえば不具合電極判定部１５が不具合電極の復帰を判断してもよいし、または、不具合電極の復帰を判定する復帰判定部を設けてもよい。これにより、不具合電極修正の際のユーザ１０の負荷を削減できる。
【０１５１】
ここで上述した、不具合電極の復帰を判定する方法を説明する。
【０１５２】
本願発明者らは、電極不具合が継続している状態と電極が復帰した状態を区別する脳波特徴を検証する実験を行った。その結果、不具合電極が復帰した際に出現する特徴を検出することによって、電極復帰判定処理を行うことが可能になることを見出した。
【０１５３】
以下では、その実験内容及び実験結果から得られた新しい知見を説明し、その後に、その知見を活用した不具合電極の復帰判定処理の詳細を説明する。
【０１５４】
実験では、電極は先の実験と同様に、３０代の被験者１名に対し、図３に示す位置に電極を装着した。右耳後に基準極２２を配置し、右目上の計測極２３ａ、左目上に計測極２３ｂを配置し、アース２１は国際１０−２０法の場所表記によるＦＰｚとした。電極は、計測極、基準極に銀塩化銀のアクティブ電極を、アースに銀塩化銀の皿電極を、それぞれペーストを用いずに使用し、ヘアバンド２５で固定した。脳波計は、ポリメイトＡＰ−１１２４（デジテックス製）を使用した。サンプリング周波数は２００Ｈｚ、時定数は０．３秒で計測した。
【０１５５】
実験は、不具合電極を計測極、アースを対象として実験を実施した。基準極は計測極と同様な特徴が出現すると考えた。
【０１５６】
また、不具合状態は「電極はずれ」を想定し、電極を外し続けた場合と、電極を外した後すぐに修正し正常な状態に戻した場合との脳波波形を比較した。具体的には、「（ａ）計測極２３ｂをはずしたままにした場合」、「（ｂ）計測極２３ｂを一瞬外して正しい状態に復帰した場合」、「（ｃ）アース２１をはずしたままにした場合」および「（ｄ）アース２１を一瞬外して正しい状態に復帰した場合」の４状態で実験を行った。本願発明者らは各状態における脳波を計測し、計測極２３の比較である上記（ａ）および（ｂ）では脳波波形の比較を、アース２１の比較である（ｃ）および（ｄ）では、交流ノイズ混入量の比較を行った。
【０１５７】
図１８（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、上述の（ａ）〜（ｄ）に示す４つの状態に関する実験の結果を示す。各グラフは、横軸に時間（単位：秒）を表し、（ａ）（ｂ）では縦軸に電位（単位：μＶ）を表し、Ｃｈ１の脳波の電位を実線で示している。（ｃ）（ｄ）は縦軸に周波数パワー（単位：μＶ＾２）を表し、点線で交流ノイズ混入量の推移を示している。
【０１５８】
図１８の（ａ）（ｂ）の状態の比較から、（ａ）計測極２３ｂが外れたままの状態では、電位が３０００μＶで振れた後、波形がフラットになり続けている。それに対し、（ｂ）の計測極２３ｂを外した後すぐに復帰させた状態では、波形が一時フラットになるものの、電極復帰後数秒程度後に脳波の波形が現れていることがわかる。ここで「すぐに」とは、たとえば約２、３秒後である。
【０１５９】
また、図１８の（ｃ）（ｄ）の状態の比較から、（ｃ）アース２１が外れたままの状態では交流ノイズ混入量が１００００μＶ＾２を超える値で推移し続けているのに対し、（ｃ）のアース２１を外した後すぐに復帰させた状態では、アースはずし後、一時５０００μＶ＾２まで交流ノイズ混入量が増加するが、アースを復帰させた後の交流ノイズ混入量はアースを外す前と同等の低い値に戻っていることがわかる。
【０１６０】
上記、（ａ）および（ｂ）と、（ｃ）および（ｄ）との比較の結果から、計測極に関しては、電極復帰により不具合検出後すぐに脳波波形が出現するという知見が得られた。よって、電極不具合検出後に脳波波形が出現する（脳波データの平均、分散が０でなくなる）か否かを検出することにより、計測極の復帰が判定できる。基準極に関しても、任意の脳波チャンネルの脳波を同様の基準で判定することにより、基準極の復帰判定が可能であるといえる。
【０１６１】
また、アースに関しては、アース不具合後、交流ノイズ混入量の値が増大するが、復帰により交流ノイズ混入量の値が平常状態の値に戻るという知見が得られた。よって、アース不具合検出後、増加した交流ノイズ混入量が平常の値に戻ったかを検出し、アースの復帰を判定できるといえる。
【０１６２】
以下、図面を参照しながら、この着想に基づき構成した電極復帰判定部１７を説明する。
【０１６３】
図１９は、本実施形態の変形例にかかる電極装着状態判定システム２０ａの機能ブロックの構成を示す。電極装着状態判定システム２０ａでは、図７に示す電極状態判定処理部１９に代えて、電極状態判定処理部１９ａが設けられている。電極状態判定処理部１９ａには、電極の復帰を判定する電極復帰判定部１７が追加されている。電極復帰判定部１７は、不具合が発生した電極が、再度脳波計測可能な状態に復帰したか否かを判定する。電極復帰判定部１７は、たとえば図９に示す不具合電極判定部１５と同様のハードウェアを新たに設け、バス１００を介して接続して接続される。または、図９に示すプログラム１５４を変更することにより、ＣＰＵ１５１、ＲＡＭ１５２およびＲＯＭ１５３が、ある時刻では不具合電極判定部１５として機能し、他の時刻では電極復帰判定部１７として機能するように構成してもよい。後者の例は、プログラム１５４が、不具合電極判定部１５の処理手順のみならず、以下に説明する電極復帰判定部１７の処理手順を含んで構成されることによって実現される。なお、不具合電極判定部１５の処理によって判定された電極状態の情報は、電極復帰判定部１７の処理に引き渡されて後述の処理が実行される。
【０１６４】
図２０は、電極復帰判定部１７の処理を追加した電極装着状態判定システム２０ａの処理の手順を示すフローチャートである。電極復帰判定部１７を追加した処理では、電極不具合を通知する処理（ステップＳ１１０６）の後、装着不具合な状態から適切な装着状態に復帰したかを判定する処理（ステップＳ１１０７）が追加されている。
【０１６５】
以下図２１を参照しながら、電極復帰判定部１７が行う電極復帰判定処理（図２０のステップＳ１１０７）の詳細を説明する。
【０１６６】
図２１において、不具合電極判定部１５により電極不具合が検出判定されると（図２０のステップＳ１１０６）、ステップＳ１３０１で、電極復帰判定部１７は、電極復帰判定のための脳波計測を開始する。脳波計測は、脳波計測部１１が行う。
【０１６７】
ステップＳ１３０２で、電極復帰判定部１７は、不具合電極判定部１５の種類に基づいて、復帰の処理を変更する。不具合電極が基準極２２または計測極２３の場合は、ステップＳ１３０３、Ｓ１３０４に基づいて電極復帰の判定を行う。一方、不具合電極がアース２１の場合は、ステップＳ１３０５、Ｓ１３０６の処理で復帰判定を行う。
【０１６８】
まず、基準極２２・計測極２３の復帰判定処理を説明する。
【０１６９】
ステップＳ１３０３で、電極復帰判定部１７は、計測された脳波から、不具合電極を含む脳波チャンネルを抽出する。例えば、計測極２３ｂの場合はＣｈ１を抽出する。基準極の場合は、Ｃｈ１、Ｃｈ２のいずれにも含まれているため、Ｃｈ１、Ｃｈ２のいずれかを抽出する。電極復帰判定部１７は、一定期間（例えば１秒間）の脳波信号の平均値、分散を算出する。なお、電極の装着状態が復帰していない状態であれば、ここでいう処理対象となる信号は「脳波信号」とは呼べない。しかしながらここでは便宜的に「脳波信号」と呼ぶ。
【０１７０】
ステップＳ１３０４にて、電極復帰判定部１７は、ステップＳ１３０３で算出した平均値、分散がともに０であるか否かを判定する。これは、計測された脳波がフラットな状態であるか否かを判定することに相当する。平均値、分散がともに０であるときは、脳波はフラット、言い換えるとその電極からは脳波が検出されておらず、依然として不具合が継続しているといえる。
【０１７１】
よって脳波がフラットである場合は、不具合電極が解消されていないといえるため、電極復帰判定部１７はステップＳ１３０１に処理を戻し、不具合が解消されるまで電極復帰判定を継続する。脳波がフラットではなく脳波が計測され始めた場合は、電極の不具合が解消されたといえるため、電極復帰判定部１７はユーザ１０に計測極２３または基準極２２の不具合が解消したことを通知するよう出力部１３に指示する。その後、処理は終了する。
【０１７２】
電極復帰判定部１７の指示を受け、出力部１３はステップＳ１３０７にて、電極不具合が解消したことをユーザ１０に通知する。例えば、図１７（ａ）または（ｂ）の例で示した警告画面を画面上から消すことで、電極不具合が解消したこと通知する。
【０１７３】
尚、通知方法は、上記に限定されるものではなく、他の通知方法を採用してもよい。たとえば図１７（ｃ）に示すように、画面外部にＬＥＤランプを設け、そのＬＥＤランプの色を利用して装着状態の解消を通知してもよい。例えば、正常時には緑色で点灯させ、不具合発生時には赤色、解消時には再度緑色で点灯させてもよい。また、「解消しました」などと発生させ、音声を利用して通知してもよい。さらに、不具合発生時通知時に出力されているアラーム音を、不具合からの復帰時に停止させるなどの視覚以外の通知方法も本発明の範疇である。
【０１７４】
次に、アース２１の復帰判定処理を説明する。
【０１７５】
再び図２１を参照する。ステップＳ１３０５で、電極復帰判定部１７は、計測された脳波の各チャンネルについて、一定期間（例えば１秒間）の脳波を抽出し、交流ノイズ混入量を算出する。
【０１７６】
ステップＳ１３０６にて、電極復帰判定部１７は、算出された全てのチャンネルの交流ノイズ混入量が閾値を下回っているか否かを判定する。例えば閾値は、不具合電極判定部１５がアース２１の不具合発生を判定する際に利用した１７００μＶ＾２に設定される。全チャンネルの交流ノイズ混入量がこの閾値を上回っている場合は、電極復帰判定部１７は、アース２１の不具合は解消していないと判断し、処理をステップＳ１３０１に戻すことで、アース不具合が解消されるまで電極復帰判定を継続する。交流ノイズ混入量の増大が収まり閾値を下回ると、電極復帰判定部１７は、アース２１の不具合が解消されたと判断し、ユーザ１０にアース２１の不具合が解消したことを通知するよう、出力部１３に指示し、電極復帰判定部１７の処理を終了する。出力部１３によるアースの復帰通知は、ステップＳ１３０７の計測極２３または基準極２２の復帰通知と同様に行われる。
【０１７７】
上記のステップＳ１３０４やＳ１３０６のように、不具合電極が復帰した際に出現する不具合電極に合わせた特徴を検出することにより、電極復帰判定処理を行うことが可能になる。
【０１７８】
このように電極復帰判定部１７を追加することにより、電極の不具合発生後、不具合電極が復帰するまで不具合判定が行われなくなる。よって、ユーザは過剰な電極装着状態の修正を行う必要が無くなり、負担が軽減される。
【０１７９】
（実施形態２）
ユーザ１０は、電極の装着状態に不具合が発生した場合、実施形態１の構成により、装着不具合となった電極の種類がわかり、電極装着状態の判定が可能になった。
【０１８０】
しかし日常生活環境下では、ユーザ１０の動作などの影響により、電極に不具合が発生する機会が度々発生することが想定される。したがって、ユーザ１０が動作するたびに、実施形態１の構成による不具合電極発生の通知が行われ、ユーザ１０が電極状態を修正する必要が発生してしまう。
【０１８１】
そこで、電極の装着不具合状態の検知した後、自動的に電極の不具合状態から復帰し、脳波計測が継続可能な仕組みが必要となる。電極の不具合状態からの自動復帰は、不具合が発生した電極を利用から正常に装着されている電極に電極を置き換えることで行う。よって、自動的に復帰可能な電極装着状態判定システムは、置き換え可能な電極を複数保持させることにより、不具合が発生したときには、処理の精度を低下させないように適切な電極を選び出し、正常な電極に置き換えることで実現される。
【０１８２】
よって、本実施の形態では、あらかじめ置き換え可能な電極を複数保持し、電極の装着不具合状態の検知だけではなく、正常な脳波計測状態への自動復帰の可能性を判定し、電極の置き換えが可能な際には自動的に置き換えを行い、脳波計測を継続する電極装着状態判定システムを説明する。
【０１８３】
図２２は、本実施形態による電極装着状態判定システム２００の機能ブロックの構成を示す。
【０１８４】
電極装着状態判定システム２００では、図７に示す電極状態判定処理部１９に代えて、電極状態判定処理部１９０が設けられている。脳波計測部１１、脳波処理部１２、出力部１３、周波数解析部１４、不具合電極判定部１５の処理は、実施形態１および２の両システムにおいて同一である。機能が共通する構成要素には同じ参照符号を付し、その説明は省略する。以下、電極状態判定処理部１９０を説明する。
【０１８５】
電極状態判定処理部１９０には計測電極置換部１６が設けられている。計測電極置換部１６は、不具合電極の存在が検出されると、その不具合電極に代えて不具合のない電極を利用した脳波信号の計測に切り換える。より詳しくは説明すると、計測電極置換部１６は、近い脳波特性の脳波信号を検出可能な電極が存在するかどうかを判定して、自動復帰可能性の判断を行い、不具合電極に代えて利用可能となる候補の電極を選択する。このような、ある電極を異なる電極に切り換えて利用する動作を、本明細書では「電極の置き換え」という。
【０１８６】
計測電極置換部１６は、たとえば図９に示す不具合電極判定部１５と同様のハードウェアを新たに設け、バス１００を介して接続して接続される。または、図９に示すプログラム１５４を変更することにより、ＣＰＵ１５１、ＲＡＭ１５２およびＲＯＭ１５３が、ある時刻では不具合電極判定部１５として機能し、不具合電極が検出された時刻では計測電極置換部１６として機能するように構成してもよい。後者の例は、プログラム１５４が、不具合電極判定部１５の処理手順のみならず、以下に説明する計測電極置換部１６の処理手順を含んで構成されることによって実現される。なお、不具合電極判定部１５の処理によって判定された電極状態の情報は、計測電極置換部１６の処理に引き渡されて後述の処理が実行される。
【０１８７】
図２３は、計測電極置換部１６の処理を追加した電極装着状態判定システム２００の処理の手順を示すフローチャートである。
【０１８８】
図１３に示される実施形態１による処理と比較すると、本実施形態では、ステップＳ１１１０〜Ｓ１１１２が追加されている。ステップＳ１１１０は、電極不具合を検出した後、その電極不具合を他の電極に置き換えることで脳波計測が継続できるかを判断する復帰可能性判定の処理である。ステップＳ１１１１は、自動復帰が可能な場合には電極の置き換えを行い、脳波計測を継続できるようにする電極置換処理である。ステップＳ１１１２は、自動復帰が不可能な場合には、自動復帰ができないことをユーザ１０に通知し、電極の修正を促す自動復帰不能を通知する処理である。
【０１８９】
本実施形態では、電極に不具合が発生した場合に、不具合電極を正常な電極に置き換えできるよう、実施形態１で設けた電極の数よりも多い数の電極を配置している。
【０１９０】
図２４は、本実施形態における電極配置の例を示す。本実施形態では１０個の電極が配置されており、それぞれ電極を一意に識別する電極番号１〜１０が付与されている（理解の便宜のため、図２４の電極脇に電極番号を示している）。このように配置された電極のうち、基準極、アースが１つずつ、計測極が複数割り当てられている。
【０１９１】
計測電極置換部１６は、あらかじめ電極に関する情報を保持している。
【０１９２】
図２５は、計測電極置換部１６が保持している電極情報の例を示す。電極情報には、電極番号と、各電極が、計測極、アース、基準極のどの種類の電極として利用されているかを示す電極の利用種類と、電極の絶対位置を示す座標の情報と、各電極の装着状態とが記載されている。座標は、例えば、ＨＭＤ型の電極装着状態判定システム２０の場合、眼鏡のブリッジ部中心の位置を原点とした相対位置によって表される。この相対位置は、たとえば図２４に示される座標軸によって特定される。図２４では、ＨＭＤの上下方向がＸ座標、左右方向がＹ座標、奥行き方向がＺ座標として表現される。
【０１９３】
以下、計測電極置換部１６の処理を詳細に説明する。
【０１９４】
図２６は、図２３のステップＳ１１１０、Ｓ１１１１、Ｓ１１１２で行われる計測電極置換部の処理の手順を示す。
【０１９５】
ステップＳ１４００にて、計測電極置換部１６は、不具合が発生した電極の電極番号から、電極情報の状態が「不具合」になったことを記録する。ここでは、図２５の電極番号３の「状態」欄に「不具合」であることを記録する。なお、図２５の表記は一例である。正常か不具合かが一意に特定できる方法であれば、記録内容は任意である。正常に対応する値（たとえば「０」）と不具合に対応する値（たとえば「１」）を記録してもよい。なお、電極情報には、不具合が生じていない電極の種類、位置のみが記述されてもよい。そのような電極情報であれば、不具合電極の種類および位置が特定されることにより、電極の置き換えが可能である。
【０１９６】
計測電極置換部１６は、不具合と判定された電極の種類に応じて異なる電極置換処理を行う。すなわち、電極の種類がアースであるか、基準極であるか、計測極であるかによって、異なる電極置換処理を実行する。
【０１９７】
ステップＳ１４０１にて、計測電極置換部１６は、不具合電極判定部１５で不具合と判定された電極の種類を判定する。判定された電極の種類が計測極のときは、処理はステップＳ１４１１に進み、その後ステップＳ１４１２、Ｓ１４１３、Ｓ１４１４が実行される。判定された電極の種類が基準極のときは処理はステップＳ１４２１に進み、その後ステップＳ１４２２、Ｓ１４２３、Ｓ１４２４が実行される。判定された電極の種類がアースのときは処理はステップＳ１４３１に進み、その後ステップＳ１４３２、Ｓ１４３３、Ｓ１４３４が実行される。
【０１９８】
以下ではまず、計測極２３の電極置換処理を説明する。
【０１９９】
計測極に不具合が発生した場合、その計測極で計測していた脳波信号と特性が似ている脳波信号を計測可能な電極に置き換える必要がある。脳波信号処理を行う際、処理に利用される脳波信号の特徴成分が、計測極を置き換える前後で同じように出現することを要するためである。
【０２００】
脳波信号の特徴成分を同じように出現させるためには、置き換えた電極の位置が置き換える前の電極の位置と近い必要がある。よって、脳波信号の特徴成分を同じように検出できるよう脳波計測を継続させるためには、不具合が発生した計測極を、その計測極と距離が近い電極に置き換える必要がある。
【０２０１】
また、脳波信号の特徴成分を発生させる脳の位置に近い位置に電極を配置することで、特徴成分の強度は強くなり、より高い精度で脳波処理が行えるようになる。よって、不具合電極の置き換え対象となる計測極の条件は、不具合電極からの距離が近く、かつ、特徴成分の発生源からの距離が近い位置に存在することである。なお、脳波信号の特徴成分を発生させる脳の位置は、例えば、事象関連電位のＰ３００成分の場合は頭頂部、注意力や集中力に関する眼球停留電位のＰ１００成分については後頭部、アルファ波も後頭部、聴覚刺激は側頭葉である。
【０２０２】
上記方針にしたがって、計測極２３の自動復帰可能性の判別処理とその復帰方法を説明する。
【０２０３】
ステップＳ１４１１で、計測電極置換部１６は、保持している電極情報に基づいて、不具合が発生した電極の位置から、その他不具合が発生していない電極との距離を算出する。ただし、アースや基準極として利用されている電極は、計測極の置き換えができないため、算出の対象から除外する。また、同時に計測電極置換部１６は、特徴成分の発生源の位置を保持し、各電極との距離を算出する。図２５の例では、座標（０，−２，０）を中心に電極番号１，２，５，６，８，９の距離をそれぞれ計算する。
【０２０４】
ステップＳ１４１２で、計測電極置換部１６は、算出した不具合電極との距離情報と、閾値とを比較し、同じように特徴成分が計測できる計測極の置換候補の電極を判定する。閾値は、脳波特性が変化すると考えられる値（たとえば成人の場合２ｃｍ）に設定する。図２５の例では、距離が２ｃｍである電極１，２が置換候補として選択される。
【０２０５】
ステップＳ１４１２で同じように脳波信号の特徴成分が計測できる電極が存在した場合、ステップＳ１４１３で、計測電極置換部１６は、不具合が発生した計測極から計測極の置換候補の電極を計測極に置き換えて脳波計測を再開する。置き換え方法は、例えば、不具合が発生した電極の回路を、置き換え候補の電極につなぎかえることで実現される。
【０２０６】
同じように特徴成分が計測できる電極が複数存在した場合は、最も特徴成分の発生源からの距離が近い電極を置き換え対象の電極として、計測極の変更を行い、電極置換処理を終了する。本実施形態では、特徴成分とはＰ３００成分であり、Ｐ３００成分は頭頂部から出現されることが知られている。ＨＭＤの形状を考慮すると、頭頂部の位置は図２４に示すように（５，０，１５）の位置となる。よって、特徴成分の発生源の位置（５，０，１５）と、ステップＳ１４１２で選択された電極１，２の距離を比較すると、電極１の距離の方が小さいことがわかる。よって、電極１が置き換え対象の電極として不具合計測極と置き換えられる。なお、電極の置き換えは、不具合電極を利用した脳波計測を停止し、置き換え対象の電極を利用した脳波計測を開始することによって実現される。たとえば、電極の置き換えは、不具合電極と差動増幅器４０（図１）との結線を、置き換え対象の電極と差動増幅器４０（図１）との結線につなぎ替えることによって実現される。
【０２０７】
ステップＳ１４１２で置換候補の電極が存在しないと判定された場合は、計測電極置換部１６は、ユーザ１０に自動復帰できないことを通知するよう出力部１３に指示し、電極置換処理を終了する。出力部１３では、図１７の例に示すように、警告表示やＬＥＤなどによる通知、または音声などによる通知により、ユーザ１０に電極不具合が発生し自動復帰できないことを通知する。
【０２０８】
次に、基準極２２の電極置換処理を説明する。
【０２０９】
基準極は脳波計測の基準として利用される電極であるため、脳波の反応が計測されないニュートラルな極として決定される必要がある。したがって、基準極に不具合が発生した場合は、その基準極は、脳波の反応が少ない（脳波が計測されにくい）特性をもつ電極に置き換えられる必要がある。脳波の反応が少ない部位は、脳からの距離が遠い耳（マストイド）周辺部であるため、基準極は耳周辺部から採用すればよい。よって、不具合が発生した基準極の置き換え対象となる電極は、同じように耳周辺部から採用することになる。上記にしたがって、基準極２２の自動復帰可能性の判別処理とその復帰方法を説明する。
【０２１０】
ステップＳ１４２１で、計測電極置換部１６は、保持している電極情報と、あらかじめ設定されている耳座標に基づいて、耳と正常に装着されている各電極との距離を算出する。ただし、アースや計測極として利用されている電極は、電極の置き換えができないため、算出の対象から除外する。本実施形態では、マストイドの位置は、電極番号１０の位置であり、耳座標は（−３，７，１２）となる。よって（−３，７，１２）を中心に、電極１，２，５，６，８，９の距離を算出する。
【０２１１】
ステップＳ１４２２で、計測電極置換部１６は、算出した耳位置との距離情報と、閾値とを比較し、耳位置に近い基準極の置換候補の電極を判定する。閾値は、計測極と同様、脳波特性が変化すると考えられる２ｃｍなどに設定する。図２５の例では、耳座標と電極の距離が２ｃｍである電極９が置換候補として選択される。
【０２１２】
ステップＳ１４２２で耳位置に近い電極が存在した場合、ステップＳ１４１３で、計測電極置換部１６は、最も耳位置との距離が小さい電極を基準極に置き換えて脳波計測を再開する。置き換え方法は、例えば、不具合が発生した電極の回路を、置き換え候補の電極につなぎかえることで実現される。ここでは、電極９が基準極として置き換えが行われる。
【０２１３】
ステップＳ１４２２で耳位置に近い電極が存在しないと判定された場合は、計測電極置換部１６は、ユーザ１０に自動復帰ができないことを通知するよう出力部１３に指示し、電極置換処理を終了する。
【０２１４】
最後に、アース２１の電極置換処理を説明する。
【０２１５】
アースは、差動増幅をおこなうために必要な電極であり、場所の依存は無く、ユーザ１０の皮膚に接触することで、十分にその機能を発揮できる電極である。よってアースは、あまり脳波計測極、基準極として利用される可能性の低い特性をもつ電極に置き換えられる必要がある。上記にしたがって、アース２１の自動復帰可能性の判別処理とその復帰方法を説明する。
【０２１６】
ステップＳ１４３１で、計測電極置換部１６は、電極情報と、あらかじめ設定されている特徴成分の発生源の位置とに基づいて、特徴成分の発生源と正常に装着されている各電極との距離を算出する。本実施形態では、発生源（５，０，１５）と電極１，２，５，６，８，９の距離が算出される。
【０２１７】
ステップＳ１４３２で、計測電極置換部１６は、アースの置き換え候補として、現在基準極にも計測極にも利用されていない電極が存在するかを、電極情報にもとづいて判定する。図２５の例では、電極１，２，５，６，８，９が置換対象の電極として選択される。
【０２１８】
ステップＳ１４３２で、計測極にも基準極にも使用されていない電極が存在した場合、ステップＳ１４３３で、計測電極置換部１６は、ステップＳ１４３１で算出した信号発生源との距離が最も遠いアースの置換候補の電極をアースに置き換えて脳波計測を再開する。図２５の例では、特徴成分の発生源（５，０，１５）との距離が最も大きい電極６が置き換え対象の電極となる。置き換え方法は、例えば、置き換え対象の電極をアクティブ電極から電極内のアンプを経由しないように回路を変更し、不具合が発生したアース電極の回路と切り替えることで実現される。
【０２１９】
ステップＳ１４３２で計測極にも基準極にも使用されていない電極が存在しないと判定された場合は、計測電極置換部１６は、ユーザ１０に自動復帰できないことを通知するよう出力部１３に指示し、電極置換処理を終了する。
【０２２０】
以上の処理のように脳波特性の近い電極が存在するかどうかの判定により、自動復帰可能性の判断を行い、置き換えの候補となる電極を選択することで、脳波電極置換処理が実現可能となる。
【０２２１】
上記の構成により、電極不具合が発生しても、脳波計測が継続できる状態かを自動的に判断し、可能な場合には電極状態が自動復帰されるので、電極装着状態の不具合が発生する日常生活環境下においても安定して脳波が計測でき、ユーザが度々電極装着状態を修正する手間の削減が可能となり、ユーザの負担が軽減される。
【０２２２】
実施形態１および２では、脳波インタフェース機能と電極装着状態判定機能とを１つの筐体（ＨＭＤ）内に設けた電極装着状態判定システムの例を説明した。しかしながらこの構成は一例である。電極装着状態判定機能については、電極装着状態判定機能を分離して１つの筐体に収容し、電極装着状態判定装置として実現してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０２２３】
本発明にかかる電極装着状態判定システムは、計測された脳波信号からユーザの状態や意図を判定し、判定結果をフィードバックする脳波計測システムにおいて広く利用可能である。具体的には、日常生活環境下で、かつ、電極を利用して脳波計測をする場合に、当該電極の装着状態に不具合が生じたか否かを判定するために、本発明にかかる電極装着状態判定システムを脳波計やＨＭＤなどのウェアラブル機器に組み込むことが有用である。本発明にかかる電極装着状態判定システムは、このような、ユーザの状態や意図を推定する脳波インタフェースシステムの構築に有用であり、さらに組み込むためのコンピュータプログラムとして実現され得る。
【符号の説明】
【０２２４】
１０  ユーザ
１１  脳波計測部
１２  脳波処理部
１３  出力部
１４  周波数解析部
１５  不具合電極判定部
１６  計測電極置換部
１７  電極復帰判定部
２０、２０ａ、２００  電極装着状態判定システム
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アース極、基準極、計測極からなる電極の組を少なくとも１組用いてユーザの脳波信号を計測する脳波計測部と、
前記脳波信号の周波数を解析する周波数解析部と、
前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態が悪いと判定する不具合電極判定部と、
前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示する出力部と
を備えた電極装着状態判定システム。
【請求項２】
前記不具合電極判定部は、前記周波数の解析結果から前記ノイズ混入量のパラメータを抽出し、前記ノイズ混入量のパラメータの値が予め設定された第１の閾値を超えている場合には、前記アース極の装着状態が悪いと判定する、請求項１に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項３】
前記不具合電極判定部は、前記周波数の解析結果から前記総周波数パワーのパラメータをさらに抽出し、前記総周波数パワーのパラメータの値が予め設定された第２の閾値を超えている場合には、前記基準極および前記計測極の一方の装着状態が悪いと判定する、請求項２に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項４】
前記脳波計測部は、アース極、基準極、計測極からなる電極の組を複数用いて、それぞれの組で脳波信号を計測し、
前記周波数解析部は、各脳波信号の周波数を解析し、
前記不具合電極判定部は、
各脳波信号の周波数の解析結果からノイズ混入量のパラメータを抽出し、抽出した全ての前記ノイズ混入量のパラメータの値が予め設定された第１の閾値を超えている場合には、前記アース極の装着状態が悪いと判定し、
各脳波信号の周波数の解析結果から総周波数パワーのパラメータを抽出し、抽出した全ての前記総周波数パワーのパラメータの値が第２の閾値を超えている場合には、前記基準極の装着状態が悪いと判定し、前記総周波数パワーの一部のパラメータの値が前記第２の閾値を超えている場合には、前記計測極の装着状態が悪いと判定する、請求項３に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項５】
前記脳波計測部は、前記アース極と基準極との第１電位差、および、前記アース極と前記計測極との第２電位差を計測し、前記第２電位差と前記第１電位差との差分に基づいて、前記脳波信号を計測する、請求項１に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項６】
前記脳波信号には、外部環境から予め特定された周波数で定常的に混入するノイズが重畳されており、
前記不具合電極判定部は、前記解析結果から、前記ノイズの周波数パワーを、
前記ノイズ混入量のパラメータとして抽出する、請求項５に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項７】
前記予め特定された周波数は、外部環境にある機器の商用電源ノイズの周波数である、請求項６に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項８】
前記不具合電極判定部は、前記脳波信号の解析可能な周波数帯のパワーの平均値を前記総周波数パワーのパラメータとして抽出する、請求項５に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項９】
装着状態が悪いと判定された不具合電極を用いて計測された信号に基づいて、前記不具合電極の装着状態が解消したか否かを判定する電極復帰判定部をさらに備え、
前記不具合電極がアース極であるとき、
前記電極復帰判定部は、前記不具合電極を用いて計測された前記信号の周波数の解析結果から前記ノイズ混入量のパラメータを抽出し、前記ノイズ混入量のパラメータの値が予め設定された第３の閾値を超えているか否かにより、前記不具合電極の装着状態が解消したか否かを判定する、請求項５に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項１０】
装着状態が悪いと判定された不具合電極を用いて計測された信号に基づいて、前記不具合電極の装着状態が解消したかを判定する電極復帰判定部をさらに備え、
前記不具合電極が基準極および計測極の一方であるとき、
前記不具合電極判定部は、前記不具合電極を用いて計測された前記信号の平均値および分散を算出し、前記平均値および分散がいずれも０であるか否かにより、前記不具合電極の装着状態が解消したか否かを判定する、請求項５に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項１１】
予め保持した電極情報に基づいて、装着状態が悪いと判定された不具合電極を新たな電極に置き換える計測電極置換部をさらに備えており、
前記電極情報は、前記ユーザの脳波信号を計測するために利用可能な各電極の種類および位置の情報が記述されており、
電極の装着状態が悪いと判定されたとき、前記計測電極置換部は、前記不具合電極の種類および位置を特定して前記電極情報を参照し、前記不具合電極によって測定される脳波信号の脳波特性に基づいて、新たな電極を特定し、
前記脳波計測部は、前記不具合電極に代えて、特定された前記新たな電極を利用して脳波信号を計測する、請求項５に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項１２】
計測された前記脳波信号に含まれる特徴成分を利用して、前記ユーザの意図を判別する脳波処理部をさらに備え、
前記不具合電極が計測極であるとき、前記計測電極置換部は、前記電極情報を参照して、前記不具合電極との距離が一定以内であり、かつ、前記脳波信号の特徴成分を発生させている脳の位置からの距離が最も近い電極を前記新たな電極として特定する、請求項１１に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項１３】
計測された脳波信号に含まれる特徴成分を利用して、前記ユーザの意図を判別する脳波処理部をさらに備え、
前記不具合電極が基準極であるとき、前記計測電極置換部は、前記電極情報を参照して、マストイドとの距離が一定以内に存在する電極を前記新たな電極として特定する、請求項１１に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項１４】
計測された前記脳波信号に含まれる特徴成分を利用して前記ユーザの意図を判定し、前記ユーザの意図に応じた処理を実行する脳波処理部をさらに備え、
前記不具合電極判定部は、前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態の良否を判定し、
前記出力部は、前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示し、前記装着状態がよいと判定されたときは、前記ユーザの意図に応じた処理の結果を出力する、請求項１に記載の電極装着状態判定システム。
【請求項１５】
アース極、基準極、計測極からなる電極の組を少なくとも１組用いてユーザの脳波信号を計測するステップと、
前記脳波信号の周波数を解析するステップと、
前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態が悪いと判定するステップと、
前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示するステップと
を包含する電極装着状態判定方法。
【請求項１６】
コンピュータによって実行されるコンピュータプログラムであって、
前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータに対し、
アース極、基準極、計測極からなる電極の組を少なくとも１組用いてユーザの脳波信号を計測するステップと、
前記脳波信号の周波数を解析するステップと、
前記周波数の解析結果から、総周波数パワーおよびノイズ混入量の少なくとも一方のパラメータを抽出し、前記パラメータの値と予め設定された閾値との比較により、前記アース極、前記基準極および前記計測極のいずれかの装着状態が悪いと判定するステップと、
前記装着状態が悪いと判定されたときは、前記電極装着状態が悪いこと示す情報をユーザに提示するステップと
を実行させる、電極装着状態を判定するためのコンピュータプログラム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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