(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の脳波を検出する脳波検出手段と、該脳波検出手段により検出された脳波をデジタル信号に変換する信号変換手段と、前記デジタル信号から脳波スペクトルを得る解析手段と、前記脳波スペクトルのパターンと予め設定した脳波スペクトルの基準パターンとを比較・判定して比較差異数値データと一致又は相似するか否かの2種類の信号を出力し、また脳波スペクトルの信号強度と予め設定した脳波スペクトルの信号強度基準値とを比較・判定して比較差異数値データと信号強度が基準値より大きいかあるいは小さいかの2種類の信号を出力することにより、合計4種類の信号を出力する信号判断手段と、該信号判断手段による４種類の信号を単独または併用使用することによって、表示装置に表示されたアプリケーションソフトウエアによる画像を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とする、脳波のバイオフィードバックによるコンピュータゲーム装置。
【請求項２】
前記脳波検出手段は、人の頭部に着脱自在に装着する装着具と、脳波を検出するための電極と、該電極で検出した脳波を高利得低雑音増幅する増幅器と、増幅された脳波を有線信号又は無線信号で出力する送受信器を備えてなることを特徴とする請求項１記載の脳波のバイオフィードバックによるコンピュータゲーム装置。
【請求項３】
前記装着具は、帽子形、ヘルメット形、冠形、ゴーグル形又はバンド形のいずれかであることを特徴とする請求項２記載の脳波のバイオフィードバックによるコンピュータゲーム装置。
【請求項４】
前記装着具には、画像を表示できる眼鏡型スクリーンおよび音声を出力できるヘッドホン型スピーカが設けられていることを特徴とする請求項３記載の脳波のバイオフィードバックによるコンピュータゲーム装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、脳波をフィードバックして自己コントロールすることによって、脳波でコンピュータやゲーム機を操作する方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人の頭部から脳波を検出する方法は古くから知られており、その技術もすでに確立され一般的に知られている。又、脳波の計測および利用も一般的に行われており、例えば医療の分野では患者の脳波測定は日常的に行われ診断に利用されている。その他の分野では脳波や生体信号を使って画像や音を表現する方法をアーチスト達は行っている。この方法は不規則に変化する脳波をランダムな信号源としてとらえ、この信号によってランダムに変化する画像や音を芸術的に表現するものである。
このように従来の技術は、脳波を信号源として一方向に利用するものであり、脳波を変換して電気信号としても、この信号自体が意味をもつものではなく、従ってこの信号と自己の意思とは無関係のものであった。
【０００３】
一方、コンピュータやゲーム機を操作するためにキーボードやマウスやジョイステイックが用いられるが、これらの入力装置は自己の意思によって操作するものであるため、これらの入力装置の出力信号は自己の意思と一致したものである。脳波を使ってコンピュータやゲーム機を操作するためには、脳波を完全に自己コントロールして、脳波と自己の意思を相関付けて、これらを一致したものにしなければ不可能であるが、このための簡便な方法および実用的な装置を提供するのが技術的に困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、人の頭部から検出した脳波を信号変換して得る電気信号と人の意思を相関付ける方法およびその方法を使ってコンピュータやゲーム機の操作を行う装置の提供である。
【０００５】
前記課題を解決するために、本発明の請求項１では、人の脳波を検出する脳波検出手段と、該脳波検出手段により検出された脳波をデジタル信号に変換する信号変換手段と、前記デジタル信号から脳波スペクトルを得る解析手段と、前記脳波スペクトルのパターンと予め設定した脳波スペクトルの基準パターンとを比較・判定して比較差異数値データと一致又は相似するか否かの2種類の信号を出力し、また脳波スペクトルの信号強度と予め設定した脳波スペクトルの信号強度基準値とを比較・判定して比較差異数値データと信号強度が基準値より大きいかあるいは小さいかの2種類の信号を出力することにより、合計4種類の信号を出力する信号判断手段と、該信号判断手段による４種類の信号を単独または併用使用することによって、表示装置に表示されたアプリケーションソフトウエアによる画像を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とする、脳波のバイオフィードバックによるコンピュータゲーム装置としている。また、請求項２では、前記脳波検出手段は、人の頭部に着脱自在に装着する装着具と、脳波を検出するための電極と、該電極で検出した脳波を高利得低雑音増幅する増幅器と、増幅された脳波を有線信号又は無線信号で出力する送受信器を備えている。また、請求項３では、前記装着具は、帽子形、ヘルメット形、冠形、ゴーグル形又はバンド形のいずれかであり、請求項４では、前記装着具には、画像を表示できる眼鏡型スクリーンおよび音声を出力できるヘッドホン型スピーカが設けられている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
意識的に脳波をコントロールする簡便な方法および脳波を信号変換してコンピュータやゲーム機と接続し、相互通信を実現した。また、脳波を検出する部分は実用性と小型化を考慮し、しかも安定性を損なわないようにしたほか、コンピュータやゲーム機と相互通信する方法として汎用的な通信インターフェイスを使用した。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図を参照して説述する。
図１は、脳波のバイオフィードバック方法の説明図である。
１０１は人、１０２は脳波を電気的に検出する検出器、１０３は検出した脳波を信号変換する変換器、１０４はコンピュータ、１０５は電子式表示器（デイスプレイ）、１０６は表示された画像である。
今、人１０１の頭部から検出器１０２で検出して増幅した脳波は周波数電気信号として変換器１０３に入力後デジタル信号に変換され、更にコンピュータと通信する信号に変換されてコンピュータ１０４に入力される。コンピュータ１０４は該入力信号を画像信号に演算変換して、コンピュータ１０４と接続した電子式表示器１０５に画像１０６として表示する。ここで人１０１が画像１０６を目で見ることによって、画像１０６は視覚を通じて人１０１の脳に伝達され、かくしてバイオフィードバックの閉ループが形成される。
【０００８】
今、人１０１が意識を変化させた場合、意識の変化は脳波の変化となり、該脳波は検出器１０２を経て上記説述の通り画像１０６として表示されるため、人１０１は意識の変化による画像の変化をリアルタイムで自己の目で確認することができる。このことは逆に画像の変化を脳波によって意識的にコントロールできることを意味する。
即ち、人１０１が意識の変化方法（つまり脳波の変化方法）を会得することによって自己の意思で画像１０６を変化させることができる。
【０００９】
図２は、意識の変化による脳波の変化および画像の変化を表す説明図である。図において、２０１は意識の変化の内容、２０２は検出した脳波の周波数波形、２０３は脳波の周波数波形を解析した脳波スペクトル、２０４は検出した脳波を画像信号に変換して画像化したものである。
図で意識２０１は、何も考えずに気持ちをリラックスさせた状態を弱、逆に気持ちを興奮させた状態を強として表している。そして意識が弱の時と、強の時の脳波の変化を検出脳波２０２で表しているが、それぞれの違いは解るものの判別は困難である。そこで、検出脳波２０２を周波数解析すると脳波スペクトル２０３に示すスペクトル図が得られ、意識２０１が弱および強の時の違いは歴然と判別できる。さらに、脳波スペクトル２０３の縦軸であるレベル（信号強度）をデータとして、これを画像信号に変換して電子式表示器（デイスプレイ）に表示したものが変換画像２０４であり、これを見れば意識強および弱の両者の差異は非常に良く理解できる。
即ち、人は自己の意識を変化させることによって脳波を変化させることができ、該脳波の変化によって画像を変化させることができる。
【００１０】
図３は、検出した脳波を基準と比較する方法の説明図である。
検出した脳波をデジタル信号に変換して、該デジタル信号をそのままパソコンやソフトウエアのコントロールに使用する場合もあるが、予め設定した基準と比較して判定結果又は比較の差異を操作信号源や操作用データとして使用することが多い。ここでは比較する方法の２例を説述する。
予め発明者の研究によって基準が判明している。即ち、人が積極的に意識を変化させた時の脳波を検出して該脳波信号を周波数解析しスペクトルデータを記録する。該記録したスペクトルデータを演算処理して意識毎の平均値を算出し、これを脳波スペクトルの基準パターンおよび脳波スペクトルの信号強度基準値とする。
図３（ａ）は、スペクトルパターンを比較する方法の説明図である。予め設定した脳波スペクトルの基準パターン（以下、基準パターンと称す）と検出した脳波スペクトルを比較および判定して、その結果を出力するものであり出力は１又は０、および比較差異の数値データである。つまり、基準パターンと検出した脳波のスペクトルパターンを比較し、両者が一致又は相似であれば１を出力すると共に差異を数値データとして出力する。そして一致しない、又は相似でない場合は０を出力する。
【００１１】
図３（ｂ）は、スペクトルデータを比較する方法の説明図である。予め設定した脳波スペクトルの信号強度基準値（以下、基準値と称す）と検出した脳波スペクトルの信号強度を比較および判定して、その結果を出力するものであり出力は１又は０および比較差異の数値データである。つまり、基準値と検出脳波の信号強度値を比較し、基準値より検出脳波の信号強度値が大きい場合は１を出力し、小さい場合は０を出力する。又、比較の差異を数値データとして出力する。以上の２つの方法から、検出した脳波毎の判定結果を１又は０および比較差異の数値データとして得ることができる。尚、本発明において（ａ）（ｂ）の方法は単独使用および併用使用する。
即ち、脳波によって可変できる電気信号を得ることができるため、該電気信号を使用してコンピュータやソフトウエアを操作することができる。以上の説明から、人が本発明の方法で意識を変化させると脳波が規則正しく変化し、該脳波の変化によって操作信号として利用できる信号を得、該信号はコンピュータやゲーム機で自由に使用することができる。即ち、本発明の方法によれば、脳波でコンピュータやゲーム機を操作できるものである。
【００１２】
図４は、脳の安らぎ又は刺激を求める方法の説明図である。図は、人が意識を変化させた時の脳電位の変化を示している。因みに、脳電位の変化を連続して表したものを脳電位図と言うが、該脳電位図を一般的に脳波と呼ぶ。
脳電位は、頭部表面（額）に複数の電極を貼り、脳波計で電位を計測した。脳電位は周波数波形の電気信号であるが、使用した脳波計は脳電位を実効値で表すもので、従って図の縦軸の数字は実効値であり単位はμVである。
意識の変化は、ごく普通の状態で物を見たり、聞いたり、考えたりしている時の意識を中とし、非常に強く何かを念じたり、激しく様々なことを考えている時を強とし、逆に何も考えずに静かに瞑想している時を弱として３段階で変化させた。以上のようにして求めたデータから描いたのが図の曲線である。尚、意識を変化させる具体的な方法は上述図１によれば簡単である。図１において、人１０１が意識を弱にする場合は、画像１０６ができるだけ小さく表示されるようにし、意識を強にする場合は画像１０６ができるだけ大きくなるように自己トレーニングすることにより簡単にマスタできる。
【００１３】
今、意識を弱にして暫くこの状態を保てば、非常にリラックスした気持ちになり眠気さえもよおしてくる。該状態の脳波を計測すると前述図２で説明した検出脳波２０２に等しい。又、意識弱の状態では脳電位も低く、そして脳波も大変安定している。つまり、本発明の意識を弱にする方法によれば、精神的なリラックス状態が得られ、心の安らぎが得られる。図ではこれを安らぎ域と表している。即ち、本発明は精神的なストレスを解消して精神的な安らぎを得るためのリラクゼーショントレーニングに有用である。
意識を強にすると脳は活性化してエキサイト状態になり、図ではこれを活性域と表している。脳を安らぎ域にしたり活性域の状態にすること、即ち意識の変化を繰り返し行うことにより、脳に静的な刺激を与えることから、脳損傷や脳疾患患者の脳機能の回復訓練にも有用である。
尚、リハビリテーション工学の研究によれば、脳障害患者の脳に適度な静的刺激を与えれば、失われた脳機能が回復することが知られている。
【００１４】
図５は、本発明の装置の一例を示すブロック図である。
尚、本発明の目的ではないのでコンピュータおよびゲーム機の構造としくみについての説明は省略する。
図において、５００は検出する脳波、５０１は装着具と一体化した検出器、５０２は脳波を検出する電極、５０３は検出した脳波を増幅する増幅器、５０４は検出器５０１の出力信号をデジタル信号に変換すると共にコンピュータやゲーム機と相互通信をするための信号変換を行う変換器、５０５はＡ／Dコンバータ、５０６はＵＳＢドライバー、５１０はコンピュータ又はゲーム機、５１１は通信用インターフェイス、５１２はコンピュータ又はゲーム機の基本ソフトウエアであるＯＳ、５１３はアプリケーションソフトウエア、５１４はアプリケーションドライバー、５１５はI／Ｏインターフェイス、５１６はデイスプレイ、５１７はスピーカである。尚、検出器５０１と変換器５０４は一体化も可能であり、デイスプレイ５１６とスピーカ５１７はコンピュータ又はゲーム機５１０と一体化できる。
【００１５】
着脱自在な装着具を頭部に装着すると電極５０２は額部に密着する構造である。電極５０２で検出した脳波５００は増幅器５０３で低雑音高利得増幅され、A／Ｄコンバータ５０５でデジタル信号に変換してＵＳＢドライバー５０６でコンピュータやゲーム機と相互通信するためのシリアルデータに変換してコンピュータやゲーム機の通信用インターフェイス５１１と接続する。このようにして脳波５００はデジタル信号としてコンピュータ又はゲーム機５１０に入力される。ＵＳＢドライバー５０６は信号変換と共にコンピュータやゲーム機の標準的なインターフェイスであるＵＳＢインターフェイスを介してコンピュータやゲーム機とデータ通信をするための通信手続の決定や制御機能を持つ。通信用インターフェイス５１１はコンピュータやゲーム機が標準的に備えている汎用入力インターフェイスであり、一般的にＵＳＢインターフェイスと呼ばれているものである。
【００１６】
通信用インターフェイス５１１に入った脳波信号はＯＳ５１２の働きにより、アプリケーションドライバー５１４で使用するデータ及び信号となる。アプリケーションドライバー５１４は本発明の特徴的な機能ソフトウエアであり、コンピュータやゲーム機のＯＳ上で動作し、アプリケーションソフトウエア５１３を制御すると共にアプリケーションソフトウエアが必要なデータや信号を供給するものである。アプリケーションドライバー５１４の主な機能は、脳波の周波数解析（ＦＦＴ）、脳波スペクトルのパターンおよびレベル比較演算、データの記憶、Ｄ／Ａ変換、使用条件の設定、アプリケーションソフトウエア５１３の制御、通信機能である。アプリケーションドライバー５１４を設けたことにより、異なるアプリケーションソフトウエア５１３をコンピュータやゲーム機で共通に作動させることができる。
【００１７】
アプリケーションソフトウエア５１３は、コンピュータやゲーム機上で作動するソフトウエアであり、例えば、旅行ゲーム、宇宙ゲーム、格闘ゲーム、育成ゲーム、などその種類および内容を問わない。アプリケーションソフトウエア５１３の操作は、アプリケーションドライバー５１４からの脳波を信号変換したデータおよび信号によって行われ、該データおよび信号は図３で上述した方法により得る１又は０の信号および数値データを利用する。即ち、人の意思により決定される１又は０の信号および数値データによれば、あらゆるアプリケーションソフトウエアの操作が可能となる。尚、本発明の装置はキーボードやマウスやジョイステイックの操作共用も可能である。
【００１８】
デイスプレイ５１６は、コンピュータやゲーム機の基本機能を表示すると共に、アプリケーションソフトウエア５１３の映像や画像や文字を表示する。デイスプレイ５１６は、ＣＲＴデイスプレイ、ＬＣＤデイスプレイ、プラズマデイスプレイ、ＥＬデイスプレイ、映像プロジェクタなどその種類を問わない。スピーカ５１７は、アプリケーションソフトウエア５１３が必要な音や音声を出力し、コンピュータやゲーム機に内蔵又は外付けの構成は問わないし、又、イヤフォンやヘッドフォンなどの種類も含まれる。
【００１９】
以上説明したように、人の頭部から検出した脳波を信号変換すると共に演算することによって得られるデータや信号によって、コンピュータやゲーム機のアプリケーションソフトウエアを操作することができるものである。尚、アプリケーションソフトウエアを操作するために必要な脳波のコントロール方法は、図１、図２、図３を用いて上述した通りである。
【００２０】
図６は、本発明の装置の一例を示すイメージ図であり、（ａ）はパーソナルコンピュータを使用したもの、（ｂ）はコンピュータ内蔵のゲーム機のイメージ図である。図（ａ）において、６０１は冠形の装着具による検出器、６０２は変換器、６０３はパーソナルコンピュータ、６０４はデイスプレイ、６０５はスピーカである。図（ｂ）において、６１０はヘルメット形の装着具による検出器、６１１はゲーム機、６１２はゲーム機のデイスプレイ、６１３はスピーカである。
頭部から検出した脳波は、検出器６０１から無線信号として送出され、変換器６０２で受信し信号変換してパーソナルコンピュータ６０３に入力される。パーソナルコンピュータ６０３では各種のアプリケーションソフトウエア、例えば宇宙旅行ゲームや探検ゲームなどのソフトウエアが作動するようにしているため、デイスプレイ６０４の画面を見ながら脳波による操作で好みのアプリケーションソフトウエアを楽しむことができる。図（ｂ）はコンピュータを内蔵したゲーム機を示すものである。通常ゲーム機は、キーボード、ジョイステイック、ハンドルなどを備えており、これらによってゲーム機を操作するが、本発明は頭部の装着具からなる検出器を装着することによって、脳波でゲーム機を操作して楽しむものである。
【００２１】
図７は、装着具の例を示すイメージ図である。
図において（ａ）は冠形の装着具であり、検出器と一体化したものである。７０１ａは装着具、７０２ａは冠形径の調節機構、７０３ａは検出器収納部、７０４ａは脳波検出用の電極、７０５ａは増幅器からなる電子回路基板、７０６ａは送信機、７０７ａはバッテリーである。
冠形装着具の特徴は頭部への装着が容易なことであり、調節機構７０２ａによって異形の頭部でも最良の状態で装着することができるため、頭部に被せるだけで電極７０４ａが額部に密着する構造である。又、検出器収納部７０３ａには７０５ａ〜７０７ａを内蔵しているため、本装着具を頭部に被せるだけで脳波の検出および信号の送信が可能である。
図において（ｂ）は帽子形の装着具であり、検出器と一体化したものである。帽子形装着具の特徴は、外見上装着具および脳波検出器であることを意識させないファッション性である。機能は（ａ）と同一である。
【００２２】
図８は、映像表示装置および音声出力装置を備えた装着具の例を示すイメージ図である。（ａ）は装置の機能を、（ｂ）は使用状態のイメージを示す。図において、８０１は装着具、８０２は電子回路等の収納部、８０３は脳波検出用の電極、８０４は増幅器からなる電子回路基板、８０５は送・受信器、８０６はバッテリー、８０７は眼鏡型スクリーン、８０８は映像表示装置、８０９はヘッドフォン型スピーカ、８１０は小型のゲーム機本体である。
本装着具の特徴は映像表示装置（デイスプレイ）および音声出力装置（スピーカ）および脳波検出器を装着具と一体化したことである。
即ち、頭部に本装着具を装着するだけで脳波の検出および脳波によって操作するゲームソフトウエアの映像と音声が得られるものである。
電極８０３で検出した脳波は増幅器８０４で増幅し、送信機８０５から無線信号で送出し、ゲーム機本体８１０で受信される。脳波によるゲーム機の操作方法は、すでに説明したのでここでは省略する。
【００２３】
ゲーム機本体８１０からの映像信号と音声信号は無線信号によって送出され、送・受信器８０５で受信して信号変換し、映像信号は映像表示装置８０８に、音声信号はヘッドフォン型スピーカ８０９に供給される。映像表示装置８０８は、超小型の映写装置であり、眼鏡型スクリーン８０７に左右各々５mm角乃至１0mm角の映像を映す。前記スクリーンの映像を目で見ると、あたかも大画面を見る如くに映像を見ることができる。尚、本装着具を装着していても視線を少し変えれば、眼鏡型スクリーン８０７は度なし眼鏡として視力に支障なく使用することができる。又、ヘッドフォン型スピーカ８０９からは音声や音が出力される。
ゲーム機本体８１０は独立型の小型筐体であり、携帯が可能であるために本装着具と併せて使用場所を選ばない。
映像表示装置８０８および眼鏡型スクリーン８０７の原理については、該商品がすでに広く販売されている上、本発明の説明主体は装着具の機能にあるので説明は省略する。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の方法および装置は、脳波を電気信号化し、かつ、脳波を意識的にコントロールすることによって、前記電気信号でコンピュータやゲーム機を操作することのみならず、コンピュータやゲーム機上で作動するソフトウエアの操作を可能とするものであり、これによって手足やその他の筋肉部分を全く使うことなくコンピュータゲームを楽しめる利点がある。又、脳波のコントロール方法を利用すれば、脳の安定状態を作ることによって精神的な安らぎを得ることができるため、精神的ストレスの解消に有用である他、脳機能の回復訓練にも適用できる。
【００２５】
【図面の簡単な説明】
【図１】脳波のバイオフィードバック方法の説明図である。
【図２】意識の変化による脳波の変化および画像の変化を表す説明図である。
【図３】検出した脳波を基準と比較する方法の説明図である。
【図４】脳の安らぎ又は刺激を求める方法の説明図である。
【図５】装置の一例を示すブロック図である。
【図６】装置の一例を示すイメージ図である。
【図７】装着具の例を示すイメージ図である。
【図８】映像表示装置および音声出力装置を備えた装着具の一例を示すイメージ図である。
【符号の説明】
５００    脳波          ５０１    検出器            ５０２    電極
５０３    増幅器
５０４    変換器        ５０５    Ａ／Ｄコンバータ          ５０６    ＵＳＢドライバー
５１０    コンピュータ又はゲーム機            ５１１    通信用インターフェイス
５１２    ＯＳ（基本ソフトウエア）                ５１３    アプリケーションソフトウエア
５１４    アプリケーションドライバー            ５１５    Ｉ／Ｏインターフェイス
５１６    デイスプレイ          ５１７    スピーカ
６０１    冠形の装着具による検出器          ６０２    変換器
６０３    パーソナルコンピュータ            ６０４    デイスプレイ
６０５    スピーカ
６１０    ヘルメット形の装着具による検出器            ６１１    ゲーム機
６１２    ゲーム機のデイスプレイ            ６１３    ゲーム機のスピーカ
７０１ａ，ｂ    装着具            ７０２ａ，ｂ    径の調節機構
７０３ａ，ｂ    検出器収納部            ７０４ａ，ｂ    電極
７０５ａ，ｂ    増幅器からなる電子回路基板            ７０６ａ，ｂ    送信機
７０７ａ，ｂ    バッテリー
８０１    装着具          ８０２    電子回路等の収納部            ８０３    電極
８０４    増幅器からなる電子回路基板                ８０５    送・受信器
８０６    バッテリー          ８０７    眼鏡型スクリーン            ８０８    映像表示装置
８０９    ヘッドフォン型スピーカ            ８１０    ゲーム機本体
【図１】
0003779150.tif 000002
【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】
0003779150.tif 000009