JPH09149894A - 光生体計測法を用いた生体入力装置および生体制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】局在化している脳機能を測定して、外部装置へ
入力することにより、コンピュータ、ゲーム、環境制御
装置、学習度判定装置、乗物の警報装置、医療用診断お
よび警報装置、うそ発見器、意思表示装置、情報伝達装
置等を制御する。 【解決手段】光脳機能計測装置１７により照射用光ファ
イバー１８−１，１８−２，１８−３と集光用光ファイ
バー１９−１，１９−２，１９−３を用いて、被検者６
の頭部透過光強度を計測する。光脳機能計測装置１７に
より計測された各計測領域の頭部透過光強度は、演算装
置２１に入力されると、演算装置２１では、前記各計測
領域の頭部透過光強度と記憶装置２２に記憶された酸化
及び還元ヘモグロビンの吸光係数および演算用のデータ
を用い、任意の出力信号を決定して外部装置２３に入力
する。外部装置２３では、入力信号の種類に応じ動作す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光生体計測法を用
いた生体入力装置からの出力信号を外部装置へ入力する
ことにより、種々の制御を行う制御装置に関し、詳しく
はキーボード、マウス、ハンドルを用いずに装置を制御
したり、居眠り警報装置を制御したり、環境装置を制御
したり、学習度を判定したり、幼児や病人や動物等の感
覚や思考を表示したり、うそを発見したりする光生体計
測法を用いた生体入力装置および生体制御装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、コンピュータやゲームなどの
装置を動作するために、キーボードやマウスやハンドル
等の種々な入力装置から制御している。しかし、このよ
うな人間が手足で操作する入力装置は、ゲームにおける
臨場感を低減させたり、あるいは身体障害者等が操作す
ることは困難である。そこで、脳波を用いて脳からの直
接入力を行なう装置が特開平７−１２４３３１号公報で
提案されている。この装置では、心電図を計測するとき
のように、脳波をそのまま計算機に入力することにより
計算機、特にゲーム機を制御しようとしている。このよ
うな脳からの直接入力装置は、運動機能に障害が認めら
れる患者の外部装置の制御が可能であり、身体障害者の
社会参加への貢献も期待されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで人間の脳は、
ブロードマンの脳地図で表されるように、異なる細胞構
築で領域分割されており、さらに、各領域は異なる機能
を分担している。例えば、脳を横から見ると、自発的な
運動（手、指、足等）に関与する領域は頂上部、感覚、
視覚等に関与する領域は後頭部、言語に関与する領域は
左半分の所定部で、それぞれ分担している。このように
特定された場所からの情報を高精度で抽出するために
は、空間分解能の高い計測装置を用いる必要がある。し
かし、従来技術において用いられる脳波は、生体中では
誘電率が不均一なために信号の発生場所が不明確となる
ので、空間分解能が低い。また、被検体が動くことによ
る筋電位が信号に大きく反映し、これにより脳波検出に
悪影響を及ぼすため、測定時には被検体を拘束しなけれ
ばならないという制約条件もあり、非常に実用性に欠け
ていた。従って、脳からの入力信号として、脳波を直接
用いる方法は精度および実用性において問題がある。本
発明の目的は、このような従来の課題を解決し、空間分
解能が高い生体計測信号を入力信号として用いることに
より、精度および実用性の高い生体計測方法を用いた生
体入力装置および生体制御装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による光生体計測法を用いた生体入力装置
は、生体皮膚上に配置された少なくとも１つの光照射手
段と、該光照射手段より前記生体皮膚が照射されること
により、該生体皮膚の通過光を集光するため、該生体皮
膚上に配置された少なくとも１つの集光手段と、該集光
手段により集光された生体通過光強度を計測する生体計
測用の光検出手段と、演算されるべき任意時間間隔のヘ
モグロビン濃度変化率、ヘモグロビン濃度の時間変化の
任意周波数における強度等を特徴パラメータの参考デー
タとして予め設定し、これを記憶する記憶手段と、前記
光検出手段により計測された計測信号、あるいは生体通
過光強度より、脳内任意位置の脳内酸化ヘモグロビン濃
度変化値または還元ヘモグロビン濃度変化値または総ヘ
モグロビン濃度変化値を演算し、該変化値から任意の特
徴パラメータの値を演算し、該任意の特徴パラメータの
値と前記記憶手段に記憶されたデータとから出力信号の
種類を決定する演算手段とを具備することを特徴として
いる。また、本発明による光生体計測法を用いた生体制
御装置は、上記生体入力装置により決定された出力信号
を入力し、入力した信号の種類に応じて任意機能を動作
する外部装置とを具備することを特徴としている。ここ
で、光照射手段および集光手段の配置により集光される
光は、反射光および透過光に分類されるが、本発明では
両者を含めて全て通過光とする。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明においては、光を用いて局
在化している脳機能活動を計測し、計測された信号を計
算機あるいは外部装置への入力信号として用いる。すな
わち、１以上の照射用光ファイバーと１以上の集光用光
ファイバーとを頭部の１以上の計測領域（例えば、右手
指運動野、左手指運動野、言語野等）に設定し、被検者
の頭部通過光を集光することにより、それぞれ計測され
た信号を演算装置に入力する。演算装置では、計測信号
自体から例えば右手指運動の入力に対してはカーソルを
左側に移動、左手指運動の入力に対してはカーソルを右
側に移動、言語野の入力に対してはクリックを行う、等
の出力信号の種類を決定し、出力信号をコンピュータ、
ワードプロセッサ、あるいはゲーム機等の外部装置に入
力する。外部装置は入力信号の種類に応じた動作を行
う。演算装置の他の方法では、計測した通過光強度より
脳内酸化ヘモグロビン濃度変化値、または還元ヘモグロ
ビン濃度変化値、または総ヘモグロビン濃度変化値を演
算し、これらの値から特徴パラメータ値を演算して、記
憶装置に記憶された特徴パラメータ値と演算した特徴パ
ラメータ値とを比較することにより、出力信号の種類を
決定し、出力信号を外部装置に入力する。さらに、他の
計測方法として、外部装置の入力信号を各計測領域に対
応させずに、『カーソルを右に、』，『カーソルを左
に、』，『クリックを行う』等を被検者に想像させ、そ
の時の各計測領域毎の各特徴パラメータ毎の標準偏差値
および平均値を記憶装置に学習データとして記憶してお
き、実際の計測値とそれらの学習データとを比較して、
許容範囲内で一致すれば出力信号とする。この方法で、
特徴パラメータを用いて出力信号の種類を決定するため
に、マハラノビス距離を利用することができる他、ニュ
ーラルネットワークを利用することもできる。ここで、
マハラノビス距離とは、計測値等が分散を有する正規分
布で表現される場合に、実際の計測値がその分布に属す
るか否かを判定する指標である。これにより、キーボー
ドやマウス等を用いずにコンピュータ、ワードプロセッ
サ、あるいはゲーム機等を制御することができるので、
障害者用としても利用できる。さらに、被検体に多数点
の照射光手段と集光手段を配置することにより、運転者
の居眠り警報装置、環境制御装置、学習度判定装置、病
人や幼児や動物等の意思表示装置、情報伝達装置、ある
いはうそ発見器等にも適用することができる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の動作原理および実施例を、図
面により詳細に説明する。図１は、光を用いて局在化し
ている脳機能活動を計測する装置（以降、光脳機能計測
装置と略す）の概略構成図である。本発明においては、
局在化している脳機能活動を光を用いて計測し、計測さ
れた信号を計算機への入力信号とする。ここでは、生体
中の酸化及び還元ヘモグロビン濃度変化計測を目的と
し、照射波長に２波長用いることにより、酸化ヘモグロ
ビン濃度変化、還元ヘモグロビン濃度変化を、それぞれ
独立して計測する。すなわち、光の吸収により酸化ヘモ
グロビン濃度と還元ヘモクロビン濃度を、色の違いによ
り計測するのである。波長をさらに増加すれば、精度が
向上するとともに、酸化および還元ヘモグロビン以外の
物質濃度の計測が可能である。ここでは、光照射位置及
び光検出位置を１カ所設定した場合について説明する
が、それぞれ数を増やすことは容易である。特定波長の
光が、光源１−１及び１−２より発せられ、それぞれ光
ファイバー２−１及び２−２に入射される。ここで、光
源１−１からの波長はλ１であり、光源１−２からの波
長λ２で、４００ｎｍから２４００ｎｍの範囲から選択
する。特に、生体中の血行動態を計測する場合に、７０
０ｎｍから１１００ｎｍの範囲から、波長差が５０ｎｍ
以内となるように選択することが、精度を上げるために
望ましい。つまり、この波長帯では光の透過性が高い。
これ以上の波長では、水の結晶も大きくなり、またこれ
以下では、ヘモグロビン血液自体の吸収も大きくなるの
で都合が悪い。また、光源１−１及び１−２は、それぞ
れ駆動回路４−１及び４−２により異なる周波数ｆ１及
びｆ２で強度変調されている。各駆動回路４−１及び４
−２からの周波数信号は参照周波数信号として、それぞ
れ、位相検波器９−１及び９−２に入力されている。こ
れは、酸化及び還元ヘモグロビン濃度変化値が混合され
た波長から、酸化と還元ヘモグロビン濃度値を別々に取
り出すためである。

【０００７】光ファイバー２−１及び２−２は光方向性
結合器３と接続しており、光源１−１及び１−２からの
光は混合され照射用光ファイバー５に入射される。照射
用光ファイバー５から被検者６の頭皮上より光を照射
し、集光用光ファイバー７で生体通過光を集光する。こ
れにより、血液中を流れる酸化および還元ヘモグロビン
濃度の違による色の違いを計測する。動脈では酸素飽和
度（全ヘモグロビン中の酸化ヘモグロビンの占める割
合）が高いが、静脈では動脈と比較して酸素飽和度が低
下している。ここで、照射用光ファイバー５と集光用光
ファイバー７間の距離は、計測位置により１０〜５０ｍ
ｍの距離とするが、本装置構成では３０ｍｍとしてい
る。集光用光ファイバー７で集光された生体通過光は、
それぞれ光検出器８に入射され、各集光位置における生
体通過光が光電変換及び増幅される。光検出器８には、
光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードが用いら
れる。光検出器８からの出力信号は、２分配された後に
位相検波器９−１及び９−２に入力される。各位相検波
器９−１，９−２に入力した信号には、照射した２波長
の生体通過光が混合しているが、各位相検波器９−１及
び９−２にはそれぞれ駆動回路４−１及び４−２から参
照周波数が入力されているので、位相検波器９−１では
光源１−１からの生体通過光強度を、位相検波器９−２
では光源１−２からの生体通過光強度を分離検出するこ
とができる。

【０００８】位相検波器９−１及び９−２で検出した生
体通過光強度信号を、各々アナログ−デジタル変換器
（以降Ａ／Ｄ変換器と略す）１０−１及び１０−２に入
力し、デジタル信号に変換した後、演算装置１１に取り
込む。演算装置１１では、取り込まれた２波長の通過光
強度の時系列信号より、酸化ヘモグロビン濃度及び還元
ヘモグロビン濃度及び血液量を表す酸化ヘモグロビン濃
度と還元ヘモグロビン濃度の和を演算し、時系列グラフ
として表示装置１２に表示する。血液中のヘモグロビン
の量（体積）は一定であり、酸化ヘモグロビンと還元ヘ
モグロビンを単に加えれば、全体の血液量がわかる。本
装置構成により、脳機能活動に伴う酸化ヘモグロビン及
び還元ヘモグロビン及び総ヘモグロビン濃度変化を演算
する方法が、例えば、本出願人により特願平７−３０９
７２号明細書および図面で提案されている（演算処理方
法）。なお、ここでは、ヘモグロビン濃度が変化した量
だけを演算しているが、生体中の散乱を除く演算を行え
ば濃度の絶対量も計測できる。

【０００９】図２は、光脳機能計測装置による右手指運
動時のヘモグロビン濃度変化を示す図である。ここで
は、本装置を用い、右手指の動きに関与する脳内の領域
（以降、右手指運動野と略す）を計測領域とし、右手指
運動を行った場合の酸化ヘモグロビン１４−１及び還元
ヘモグロビン１４−２及び総ヘモグロビン濃度変化１４
−３の時間変化を示している。なお、１３は右手指運動
期間である。図３は、光脳機能計測装置による左手指運
動時のヘモグロビン濃度変化を示す図である。ここで
は、本装置を用い、左手指運動野を計測領域とし、左手
指運動を行った場合の酸化ヘモグロビン１６−１及び還
元ヘモグロビン１６−２及び総ヘモグロビン濃度変化１
６−３の時間変化を示している。なお、１５は左手指運
動期間である。図２及び図３を比較すると明らかなよう
に、右手指運動期間１３中の右手指運動野での酸化ヘモ
グロビン濃度変化１４−１及び総ヘモグロビン濃度変化
１４−３は、左手指運動期間１５中の左手指運動野での
酸化ヘモグロビン濃度変化１６−１及び総ヘモグロビン
濃度変化１６−３の約３倍の変化量を示している。な
お、脳の左側にある運動野は、右半身に関係する運動領
域であって、脳内領域と関与する身体部分は互いにクロ
ス関係になっている。また、還元ヘモグロビンは、それ
ほど顕著に変動はしない。

【００１０】図４は、光脳機能計測装置による右手指運
動時の総ヘモグロビン濃度変化の等高線グラフを示す図
である。ここでは、本装置を用い、右手指運動野を包含
するように多点で計測を行い、右手指運動を行った場合
の総ヘモグロビン濃度変化の等高線グラフを示す。図４
では、図４の上下方向が脳の上下を、左側が脳の前側、
右側が脳の後側を示している。図４より、このような顕
著な変化を示す局所的な部位が光脳機能計測装置によっ
て計測されていることがわかる。図５は、光脳機能装置
による言語想起時の総ヘモグロビン濃度変化の等高線グ
ラフを示す図である。ここでは、言語活動に関与する領
域（以降、言語野と略す）を包含する様に多点で計測を
行い、言葉を想起した場合の酸化ヘモグロビン濃度変化
の等高線グラフを示している。言語野は、左側頭部脳内
のこめかみの近傍の位置に存在する。この場合にも、顕
著な変化を示す局所的な部位が光脳機能計測装置によっ
て計測されている。光脳機能計測装置は、このように、
想起による脳機能活動も計測することが可能である。従
って、本発明においては、光脳機能計測装置によって計
測した信号を外部装置への入力信号として用いることに
より、精度及び実用性が高い脳からの直接入力方法を実
現することができる。

【００１１】以上で発明の原理の概要を述べたので、以
下では、本発明の実施例を述べる。図６は、本発明の一
実施例を示す光脳機能計測装置の構成図である。図６に
おいて、１２０は生体入力装置であり、２３は外部装置
であり、これら生体入力装置１２０と外部装置２３とで
生体制御装置が構成される。光脳機能計測装置１７及び
照射用光ファイバー１８−１及び１８−２及び１８−３
と集光用光ファイバー１９−１及び１９−２及び１９−
３を用いて、被検者６の頭部透過光強度を計測する。照
射用光ファイバー１８−１及び集光用光ファイバー１９
−１は計測領域１に、照射用光ファイバー１８−２及び
集光用光ファイバー１９−２は計測領域２に、照射用光
ファイバー１８−３及び集光用光ファイバー１９−３は
計測領域３に、それぞれ光ファイバー固定ヘルメット２
０によって固定されている。ここで、計測領域数を増や
すことは容易であり、また、各計測領域において、空間
分解能を向上するために複数の光ファイバーを配置する
ことも容易である。光脳機能計測装置により計測された
各計測領域の頭部通過光強度は、演算装置２１に入力さ
れる。演算装置２１では、前記各計測領域の頭部通過光
強度と記憶装置２２に記憶された酸化及び還元ヘモグロ
ビンの吸光係数及び演算用のデータを用い、後述する演
算方法により、任意の信号を特定して外部装置２３に入
力する。予め記憶装置２２には、その信号がどのような
意味を持つのかを判定するために、それまでに学習した
結果（ヘモクロビンの吸光係数や演算用データ）を記憶
しておく。外部装置２３では、前記入力された任意信号
の種類に応じて動作する。外部装置２３としては、コン
ピュータ、ワードプロセッサ、ゲーム機、あるいは通信
装置等を用いることができる。

【００１２】次に、図６における演算装置２１における
演算方法について説明する。図７は、図６における演算
装置の手順を示すフローチャートである。例えば、照射
用光ファイバー１８−１及び集光用光ファイバー１９−
１を左手指運動野（計測領域１）に設定し、照射用光フ
ァイバー１８−２及び集光用光ファイバー１９−２を右
手指運動野（計測領域２）に設定し、照射用光ファイバ
ー１８−３及び集光用光ファイバー１９−３を言語野
（計測領域３）に設定し、各計測領域における生体通過
光強度が演算装置２０に入力される。 （ｓｔｅｐ１−１）計測領域１−１からの各波長の通過
光強度から、酸化または還元または総ヘモグロビン濃度
を演算する。 （ｓｔｅｐ１−２）ｓｔｅｐ１−１で演算された各また
は任意のヘモグロビン濃度、つまり酸化、還元および総
ヘモグロビン濃度、またはそれらの中の１つの濃度よ
り、特徴パラメータを演算する。特徴パラメータとして
は、例えば任意時間間隔の各または任意のヘモグロビン
濃度の積算値や、任意時間の各または任意のヘモグロビ
ン濃度の変化率や、各または任意のヘモグロビン濃度の
時間変化の任意周波数の強度が用いられ、これは様々に
決定することができる。 （ｓｔｅｐ１−３）ｓｔｅｐ１−２で演算された特徴パ
ラーメータを記憶装置２２内の学習値と比較することに
より、特徴パラメータ値あらかじめ設定してある任意の
閾値範囲内にあるか否かを判断し、範囲内であれば信号
１を出力する。また、範囲外であれば、ｓｔｅｐ１−４
に進む。

【００１３】（ｓｔｅｐ１−４）計測領域２からの各波
長の通過光強度から、酸化または還元または総ヘモグロ
ビン濃度を演算する。 （ｓｔｅｐ１−５）ｓｔｅｐ１−４で演算された各また
は任意のヘモグロビン濃度より、特徴パラメータを演算
する。特徴パラメータとしては、例えば任意時間間隔の
各または任意のヘモグロビン濃度の積算値や、任意時間
の各または任意のヘモグロビン濃度の変化率や、各また
は任意のヘモグロビン濃度の時間変化の任意周波数にお
ける強度が用いられ、これは様々に決定することができ
る。 （ｓｔｅｐ１−６）ｓｔｅｐ１−５で演算された特徴パ
ラーメータが、あらかじめ設定してある任意の閾値範囲
内にあるか否かを判断し、範囲内であれば信号２を出力
する。また、範囲外であればｓｔｅｐ１−７に進む。 （ｓｔｅｐ１−７）計測領域３からの各波長の通過光強
度から、酸化または還元または総ヘモグロビン濃度を演
算する。 （ｓｔｅｐ１−８）ｓｔｅｐ１−７で演算された各また
は任意のヘモグロビン濃度より、特徴パラメータを演算
する。特徴パラメータとしては、例えば任意時間間隔の
各または任意のヘモグロビン濃度の積算値、あるいは平
均値や任意時間の各または任意のヘモグロビン濃度の変
化率や、各または任意のヘモグロビン濃度の時間変化の
任意周波数における強度が用いられ、これは様々に決定
することができる。 （ｓｔｅｐ１−９）ｓｔｅｐ１−８で演算された特徴パ
ラーメータが、あらかじめ設定してある任意の閾値範囲
内にあるか否かを判断して、範囲内であれば信号１を出
力する。また範囲外であれば、ｓｔｅｐ１−１に戻る。

【００１４】ここで、外部装置２３がコンピュータであ
ることを想定し、常に外部装置２３を入力待ち状態にし
ておく。さらに、信号１の入力に対してカーソルが左、
信号２の入力に対してカーソルが右、信号３の入力に対
してクリックというように、予め信号に対する外部装置
の機能をあらかじめ対応させておくことも可能である。
また、この演算方法の拡張としては、ｓｔｅｐ１−３及
びｓｔｅｐ１−６及びｓｔｅｐ１−９において、閾値範
囲内の場合には０，閾値範囲外の場合には１を出力する
様にしておけば、演算装置２１から出力する信号として
８通りの組合せを作ることができる（０００〜１１
１）。この場合には、信号１から信号８までの出力を行
い、各信号に対応した外部装置２３の任意機能動作をあ
らかじめ決めておけばよい。このように、演算第１例で
は、予め右手指運動野、左手指運動野、および言語野を
定め、その場所毎に信号を計測する場合であって、信号
と機能動作を１対１に対応させる場合を述べた。

【００１５】図８は、図６における演算装置の第２の演
算手順例を示すフローチャートである。演算方法の第２
例では、各計測領域において計測される酸化または還元
または総ヘモグロビン濃度変化と、外部装置２３に入力
する信号を１対１に対応させない場合である。例えば、
演算方法第１例の場合には、場所毎にねらって信号を取
り出し、特定信号を機能動作に対応させた方法である。
しかし、使用者がカーソルを左に動かしたい意志を有し
た場合に、左手を動かすことを想起しなければならず、
実際の外部装置の機能と使用者の想起がかけ離れたもの
となってしまう。これに対して、本演算方法の第２例で
は、前記問題点を考慮した方法である。まず、計測領域
をｉ箇所設定し、それぞれの計測領域に照射用光ファイ
バー及び集光用光ファイバーを配置し、各計測領域にお
ける生体通過光強度が演算装置２１に入力される。すな
わち、第２例では、場所毎にねらって特定の信号を計測
するのではなく、具体的に場所を特定せずに光ファイバ
を頭部に接続し、コンピュータに入力する動作を想起し
た時の光脳機能計測を行い、これを何回か行って学習
し、その結果を予め記憶装置２２に記憶しておくのであ
る。そして、実際に計測された信号から濃度を演算し、
特徴パラメータを演算して、これを記憶装置２２のデー
タの中に同じような特徴パラメータが存在するか否かを
探索する。以下、図８のフローに沿って説明する。

【００１６】（ｓｔｅｐ２−１）各計測領域ｉ毎からの
各波長の通過光強度から、酸化または還元または総ヘモ
グロビン濃度を演算する。 （ｓｔｅｐ２−２）ｓｔｅｐ２−１で演算された各また
は任意のヘモグロビン濃度より、各計測領域ｉ毎の各特
徴パラメータｊの値Ｐｉ，ｊ（マトリクス値）を演算す
る。ここで、特徴パラメータとしては、例えば任意時間
間隔の各または任意のヘモグロビン濃度の積算値や、任
意時間の各または任意のヘモグロビン濃度の変化率や、
各または任意のヘモグロビン濃度の時間変化の任意周波
数における強度が用いられ、これは様々に決定すること
ができる。 （ｓｔｅｐ２−３）ここで、演算装置２１より出力され
る信号の種類をｋ種類とする。あらかじめ記憶装置２２
には、一般的あるいは使用者個人の学習データが記憶さ
れている。学習データ構造は、各出力信号ｋ毎に同じ構
造を持つ各計測領域ｉ毎の各特徴パラメータｊ毎の標準
偏差値及び平均値である。すなわち、特徴パラメータの
確率分散がガウシァン分布であることを前提としてい
る。標準偏差値及び平均値で、ガウス関数を記述するこ
とができる。例えば、外部装置２３をコンピュータと想
定し、前記コンピュータにあらかじめ演算装置２１から
の信号ｋが入力された場合、カーソルが右に動くように
設定しておく。また、使用者はあらかじめ光脳機能計測
装置１７を装着し、”カーソルを右に動かす”と想起す
ることを複数回行う。この時、計測される各計測領域ｉ
毎の各特徴パラメータｊ毎に標準偏差値および平均値を
計算する。ここで得られた、各計測領域ｉ毎の各特徴パ
ラメータｊ毎の標準偏差値および平均値を、信号ｋの学
習データとして記憶装置２２に記憶する。このｓｔｅｐ
２−３では、前記記憶されている学習データＤｉ，ｊ，
ｋを読み込む。図９は、この学習データＤｉ，ｊ，ｋの
データ構造を示す図である。図９において、Ｓは標準偏
差値を表し、Ａは平均値を表し、点線は省略を意味す
る。また、計測領域ｉをｎ箇所とし、特徴パラメータｊ
の種類数はｍ種類としている。

【００１７】（ｓｔｅｐ２−４）記憶されている全学習
データＤｉ，ｊ，ｋとｓｔｅｐ２−２演算された各計測
領域ｉ毎の各特徴パラメータｊの値Ｐｉ，ｊを用い、各
信号ｋ毎にマハラノビス距離ＭＤｋを演算する。マハラ
ノビス距離は、周知の簡単な式で表わされる。 （ｓｔｅｐ２−５）ｓｔｅｐ２−４で演算された各信号
ｋ毎のマハラノビス距離ＭＤｋから、最小のマハラノビ
ス距離ＭＤｋを探索する。１〜ｋ個の信号中の最小の値
を選択すれば、それが最小のマハラノビス距離となる。 （ｓｔｅｐ２−６）最小のマハラノビス距離ＭＤｋが任
意の閾値範囲内にあるか否かを判断する。範囲内にある
場合には、ｓｔｅｐ２−７に進む。また範囲外にある場
合には、ｓｔｅｐ２−１へ戻る。 （ｓｔｅｐ２−７）信号ｋを出力する。

【００１８】第２例の演算方法は、マハラノビス推定方
法を応用したものであるが、同様な推定を行うために、
第３の演算方法としてニューラルネットワークを応用す
る方法もある。この場合には、ニューラルネットワーク
入力側各端子に、各計測領域ｉ毎の各特徴パラメータｊ
を入力するようにし、出力側各端子に各信号ｋ（ｋ＝１
〜ｌ）を割り当てる。ニューラルネットワークは、あら
かじめ各計測領域ｉ毎の各特徴パラメータｊの値によっ
て、任意の信号ｋを出力するように各使用者毎あるいは
一般的な使用者の複数回の使用によって学習しておく。
この学習したニューラルネットワークを用いることで、
図８に示したマハラノビス推定と同様に機能し、使用者
が想起したことに対応した信号を出力することができ
る。図６では、演算装置２１の後段にニューラルネット
ワークを接続し、特徴パラメータをネットワークの入力
側各端子に入力する。ネットワークの出力側各端子に、
外部装置２３を接続する。なお、第１例，第２例および
第３例の演算方法の他に、演算装置は、光脳機能計測用
の検出器により計測された信号を直接用いて、出力信号
の種類を決定することも、勿論可能である。

【００１９】図１０は、本発明の他の実施例を示す生体
制御装置のブロック図である。図１０において、１０１
は運転者、１０２はハンドル、１０３は座席、１０４は
自動車、１０５は駆動回路、１０６はスピーカー、１０
７は光ファイバー固定具あるいは光ファイバー固定ヘル
メット、１０８は光照射用光ファイバー、１０９は光集
光用光ファイバー、１１０は入力装置、１１１は生体光
計測部、１１２は入力信号判定部、１１３は信号線、１
１４はマイクロコンピュータ、１１５は記憶装置であ
る。本実施例は、生体制御装置を自動車運転時の居眠り
警報装置として適用した場合を示す。すなわち、入力装
置１１０（生体計測部１１１と入力信号判定部１１２と
光照射用光ファイバー１０８と光集光用光ファイバー１
０９と光ファイバー固定具あるいは光ファイバー固定ヘ
ルメット１０７）が生体入力装置を構成しており、外部
装置としてマイクロコンピュータ１１４を用いている。
運転者１０１が座席１０３に座りハンドル１０２を操作
して自動車１０４を運転している状態を示している。運
転者１０１は、光ファイバー固定具あるいは光ファイバ
ー固定ヘルメット１０７を着用している。光ファイバー
固定具あるいは光ファイバー固定ヘルメット１０７に
は、１組以上の光照射用光ファイバー１０８と光集光用
光ファイバー１０９が固定されている。光照射用光ファ
イバー１０８からは常時、運転者１０１の頭部に光が照
射され、任意の距離（例えば３０ｍｍ程度）離れて固定
されている光集光用光ファイバー１０９で生体通過光が
集光されている。光照射用光ファイバー１０８から照射
する光の光源は、入力装置１１０内部にある生体光計測
部１１１にあり、また光集光用光ファイバー１０９で集
光された光を検出する光検出器も同様に生体光計測部１
１１にある。

【００２０】ここで、図６に示した実施例に示したよう
に、異なる光照射位置毎および異なる波長毎に照射する
光強度に異なる強度変調周波数を与え、光検出器で検出
され電気信号に変換された生体通過光強度を位相検波し
て計測すれば、迷光の影響を除去し、各計測位置毎の各
波長毎の生体通過光強度を計測することが可能である。
１組の光照射用光ファイバー１０８と光集光用光ファイ
バー１０９で定義される計測位置は、運転者１０１毎に
任意複数設定して差し支えないが、生体透過性の高い前
頭部や、また眠気によって顕著に血行動態が変化する特
徴的な部位が予めわかっている場合には、前記特徴的な
部位に設定する。生体光計測部１１１で計測された頭部
血行動態を表す計測信号を元に、入力信号判定部１１２
において眠気の信号を抽出する。ここで、入力信号判定
部１１２は、ヘモグロビン等の光学パラメータ等血行動
態演算に必要な定数データと運転者１０１に関する学習
データが記憶されている記憶装置と、血行動態の演算と
入力信号の判定を行う演算装置とで構成されている。ま
た、第３の演算手順例で示したように、入力信号の判定
にニューラルネットワークを用いることも可能である。
ここで、入力信号判定部１１２で運転者１０１の眠気が
検出された場合には、入力装置１１０より信号線１１３
を用いてマイコン１１４に入し、マイコン１１４から駆
動回路１０５とスピーカー１０６からなる居眠り警報装
置に信号を出力する。居眠り警報装置は、信号が入力さ
れたならば、スピーカー１０６に警告の音声を発するよ
うに機能する。ここで、居眠り警報装置１０５の機能と
しては、音声で運転者を刺激するほかに、光で刺激ある
いは座席を振動させる等、種々の方法で刺激することが
考えられる。また、マイコン１１４から警報のレベルに
応じて記憶装置１１５に記憶された音声データを選択し
て、『危険、危険、・・・』という意味を有する音声情
報を出力することもできる。また、入力装置１１０を光
ファイバー固定具１０７に内装し、信号線１１３を用い
ずに電磁波によって居眠り警報装置に信号を入力するこ
とも可能である。さらに、警報レベルが上ったことをマ
イコン１１４が判断した場合には、マイコン１１４から
下方の矢印に信号伝達することにより、ブレーキをかけ
たり、エンジンを停止する信号を出力することもできる
構成としている。

【００２１】警報装置としては、図１０の自動車のみな
らず、飛行機、電車等の全ての移動手段にも適用するこ
とができ、これらの移動手段の運転中に、眠気、疲労、
いらいら感、レッドアウト、ブラックアウト等、運転に
支障をきたす感覚を判定して警報を与える装置として応
用することができる。なお、レッドアウト、ブラックア
ウトとは、飛行機等の操縦中に大きな加速度により脳内
血流が局所に集中し、視覚異常あるいは意識の喪失を引
き起す症状である。このように、生体入力装置をマイコ
ンの入力装置として用いると、例えば環境制御装置とし
ても適用できる。すなわち、寒い、熱い、リラックス感
等、主観的な感覚を判定して、環境温度、環境音楽、明
るさ、映像等の環境をコントロールすることができる装
置として利用することができる。また、学習度判定装置
としても適用することができる。すなわち、学問、運動
（リハビリも含む）等の学習の程度を判定し、その習熟
度を表示する装置として使用できる。表示された習熟度
に基づいて、被験者が繰り返し訓練を行う訓練装置とし
て用いることもできる。また、医療用診断および警報装
置としても適用できる。すなわち、てんかん焦点決定の
ための診断装置、脳疾患患者の脳機能検査の装置、てん
かん発作の警報装置等に適用することができる。また、
筋疾患や植物状態の患者、幼児、および動物等から外部
に意思を伝達できないか、意思が通じないものの感覚や
思考を表示する装置としても適用することができる。よ
り具体的に示すと、幼児が思っていることを生体入力装
置でとらえ、それをディジタルの電気信号に変えてマイ
コンに入力し、予めメモリに意味を持っている言葉を登
録しておき、それを選択判定し、音声で出力する。ま
た、幼児の脳からの情報を生体入力装置でとらえ、刻々
の脳の変化を検出し、それを音素として音声合成回路に
入力し、幼児が思っていることを話し声として意志を伝
達させることができるものである。さらに、動物、ペッ
ト等の動物に取り付けることにより、何を欲しがってい
るのかも知ることができる。また、喜怒哀楽等の感情を
判定し、テレビ電話等で感情情報を伝達する装置にも適
用することができる。この装置により伝達される感情情
報から、受手側に表示される顔のコンピュータグラフィ
ックスの表情を生成することができる。また、集中力を
判定し、これを表示する装置にも適用することができ
る。さらに、うそ発見器としても適用することができ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
局在化している脳機能を、光脳機能計測装置によって計
測し、計測信号を外部装置への入力信号として用いるの
で、キーボードやマウスやハンドルを用いずに外部装置
を制御することができる他に、乗物の警報装置、環境制
御装置、学習度判定装置、医療用診断および警報装置、
意思表示装置、情報伝達装置、集中力判定装置およびう
そ発見器等にも適用することができる。従って、従来は
できなかった情報不伝達物との交信が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す光脳機能計測装置の構
成図である。

【図２】光脳機能装置による右手指運動時のヘモグロビ
ン濃度変化を示す図である。

【図３】光脳機能装置による左手指運動時のヘモグロビ
ン濃度変化を示す図である。

【図４】光脳機能装置による右手指運動時の総ヘモグロ
ビン濃度変化の等高線グラフを示す図である。

【図５】光脳機能装置による言語想起時の総ヘモグロビ
ン濃度変化の等高線グラフを示す図である。

【図６】本発明の具体的装置構成図である。

【図７】図６における演算装置の演算手順を示すフロー
チャートである。

【図８】図６における演算装置の他の演算手順を示すフ
ローチャートである。

【図９】図６の記憶装置に記憶している学習データ構造
の図である。

【図１０】本発明に基づく生体入力装置を、外部装置で
ある自動車運転時の居眠り警報装置に適用した場合の構
成図である。

【符号の説明】

１−１,１−２：光源，２−１,２−２：光ファイバー，
３：光方向性結合器，４−１,４−２：光源駆動装置，
５：照射用光ファイバー，６：被検者，７：集光用光フ
ァイバー，８：光検出器，９−１：位相検波器，９−
２：位相検波器，１０−１：アナログ−デジタル変換
器，１０−２：アナログ−デジタル変換器，１１：演算
装置，１２：表示装置，１３：右手指運動期間，１４−
１：酸化ヘモグロビン濃度変化，１４−２：還元ヘモグ
ロビン濃度，１４−３：総ヘモグロビン濃度，１５：左
手指運動期間，１６−１：酸化ヘモグロビン濃度変化，
１６−２：還元ヘモグロビン濃度，１６−３：総ヘモグ
ロビン濃度，１７：光脳機能計測装置，２０：光ファイ
バー固定ヘルメット，１８−１，１８−２，１８−３：
照射用光ファイバー，２１：演算装置，１９−１，１９
−２，１９−３：集光用光ファイバー，２２：記憶装
置，２３：外部装置，２４：使用者，１０１：運転者，
１０２：ハンドル，１０４：自動車，１０６：スピーカ
ー，１１１：光生体計測部、１１２：入力信号判定部，
１１４：マイクロコンピュータ（マイコン） １１３：信号線，１１０，１２０：生体入力装置，１０
３：座席，１０５：居眠り警報装置，１０８：光照射用
光ファイバー，１０７：光ファイバー固定具あるいは光
ファイバー固定ヘルメット，１０９：光集光用光ファイ
バー。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】生体皮膚上に配置された少なくとも１つの
   光照射手段と、 該光照射手段より前記生体皮膚が照射されることによ
   り、該生体皮膚の通過光を集光するため、該生体皮膚上
   に配置された少なくとも１つの集光手段と、 該集光手段により集光された生体通過光強度を計測する
   光生体計測用の光検出手段と、 出力信号の種類を決定するための参考データを記憶する
   記憶手段と、 前記光検出手段により計測された計測信号と該記憶手段
   に記憶されたデータとから出力信号の種類を決定する演
   算手段とを具備することを特徴とする光生体計測法を用
   いた生体入力装置。
2. 【請求項２】生体皮膚上に配置された少なくとも１つの
   光照射手段と、 該光照射手段より前記生体皮膚が照射されることによ
   り、該生体皮膚の通過光を集光するため、該生体皮膚上
   に配置された少なくとも１つの集光手段と、 該集光手段により集光された生体通過光強度を計測する
   光生体計測用の光検出手段と、 出力信号の種類を決定するための参考データを記憶する
   記憶手段と、 前記光検出手段により計測された計測信号と該記憶手段
   に記憶されたデータとから出力信号の種類を決定する演
   算手段とを備えた生体入力装置、および該生体入力装置
   で決定された出力信号を入力し、入力した信号の種類に
   応じて任意機能を動作する外部装置を具備することを特
   徴とする光生体計測法を用いた生体制御装置。
3. 【請求項３】生体皮膚上に配置された少なくとも１つの
   光照射手段と、 該光照射手段より前記生体皮膚が照射されることによ
   り、該生体皮膚の通過光を集光するため、該生体皮膚上
   に配置された少なくとも１つの集光手段と、 該集光手段により集光された生体通過光強度を計測する
   光生体計測用の光検出手段と、 演算されるべき任意時間間隔のヘモグロビン濃度変化
   率、ヘモグロビン濃度の時間変化の任意周波数における
   強度等を特徴パラメータの参考データとして予め設定
   し、これを記憶する記憶手段と、 前記光検出手段により計測された生体通過光強度より、
   脳内任意位置の脳内酸化ヘモグロビン濃度変化値または
   還元ヘモグロビン濃度変化値または総ヘモグロビン濃度
   変化値を演算し、該変化値から任意の特徴パラメータの
   値を演算し、該任意の特徴パラメータの値と前記記憶手
   段に記憶されたデータとから出力信号の種類を決定する
   演算手段とを備えた生体入力装置、および該生体入力装
   置で決定された出力信号を入力し、入力した信号の種類
   に応じて任意機能を動作する外部装置を具備することを
   特徴とする光生体計測法を用いた生体制御装置。
4. 【請求項４】請求項２または３に記載の光生体計測法を
   用いた生体制御装置において、 前記演算手段は、 各計測位置毎に計測される計測信号、あるいは脳内酸化
   ヘモグロビン濃度変化値または還元ヘモグロビン濃度変
   化値または総ヘモグロビン濃度変化値に関する各特徴パ
   ラメータ値を演算し、 前記演算された各特徴パラメータ値と記憶手段に記憶さ
   れている各特徴パラメータ毎に対して設定されている任
   意閾値と比較し、 前記各特徴パラメータ値毎の比較結果から出力信号の種
   類を決定する演算を行うことを特徴とする光生体計測法
   を用いた生体制御装置。
5. 【請求項５】請求項２または３に記載の光生体計測法を
   用いた生体制御装置において、 前記演算手段は、 各計測位置毎に計測される計測信号、あるいは脳内酸化
   ヘモグロビン濃度変化値または還元ヘモグロビン濃度変
   化値または総ヘモグロビン濃度変化値に関する各特徴パ
   ラメータ値を演算し、 前記演算された各特徴パラメータ値と記憶手段に記憶さ
   れている各出力信号の種類毎に対応付けられた各特徴パ
   ラメータ毎に対する平均値と標準偏差値からなる学習デ
   ータとから、各出力信号の種類毎にマハラノビス距離を
   演算し、 前記演算された各出力信号の種類毎のマハラノビス距離
   から最小となるマハラノビス距離を探索し、 かつ、前記探索した最小マハラノビス距離があらかじめ
   設定した閾値より小となる場合に、前記探索した最小マ
   ハラノビス距離と対応している出力信号の種類を出力信
   号の種類と決定する演算を行うことを特徴とする光生体
   計測法を用いた生体制御装置。
6. 【請求項６】請求項２または３に記載の光生体計測法を
   用いた生体制御装置において、 前記演算手段は、 各計測位置毎に計測される計測信号、あるいは脳内酸化
   ヘモグロビン濃度変化値または還元ヘモグロビン濃度変
   化値または総ヘモグロビン濃度変化値に関する各特徴パ
   ラメータ値を演算し、 前記演算した各計測位置毎の各特徴パラメータ値を、前
   記演算した各計測位置毎の各特徴パラメータ値に対応し
   て任意の出力信号の種類を決定するように学習したニュ
   ーラルネットワークに入力し、出力信号の種類を決定す
   る演算を行うことを特徴とする光生体計測法を用いた生
   体制御装置。
7. 【請求項７】請求項２または３に記載の光生体計測法を
   用いた生体制御装置において、 前記特徴パラメータは、 任意計測時間中における脳内酸化ヘモグロビン濃度変化
   値あるいは還元ヘモグロビン濃度変化値あるいは総ヘモ
   グロビン濃度変化値の積算値または、任意計測時間中に
   おける脳内酸化ヘモグロビン濃度変化値あるいは還元ヘ
   モグロビン濃度変化値あるいは総ヘモグロビン濃度変化
   値の平均値または、任意計測時間中における脳内酸化ヘ
   モグロビン濃度変化値あるいは還元ヘモグロビン濃度変
   化値あるいは総ヘモグロビン濃度変化値の任意周波数成
   分または、任意計測時間における脳内酸化ヘモグロビン
   濃度変化値または還元ヘモグロビン濃度変化値または総
   ヘモグロビン濃度変化値の変化率であることを特徴とす
   る光生体計測法を用いた生体制御装置。
8. 【請求項８】請求項２〜７のいずれかに記載の光生体計
   測法を用いた生体制御装置において、 前記外部装置としてマイクロコンピュータを用い、被検
   体者である運転者の皮膚上に光照射手段と集光手段を配
   置し、生体入力装置で被検体者の居眠り状態を検出し、 上記被検体者の居眠り状態を検出した際に生体入力装置
   より上記マイクロコンピュータに信号を入力し、 該マイクロコンピュータは上記信号が入力されたとき、
   警報を出力するか、あるいはブレーキを駆動させること
   を特徴とする光生体計測法を用いた生体制御装置。