脑状态支持装置以及脑状态支持方法

摘要

本发明提供一种能够客观上得知脑状态处于何种状态，并且能够支持以使得能够将脑状态维持于原有状态，或是转移至其它状态的脑状态支持装置以及脑状态支持方法。脑状态支持装置具有：刺激施加器件、光检测器件、计算部、判定部和刺激调整部，其中计算部根据由光检测器件检测出的光信息，计算总血红蛋白变化量和氧交换变化量；判定部通过刺激施加器件对人体穴位部位以预定频率的电信号施加刺激，根据计算部所计算出的总血红蛋白变化量和氧交换变化量，判定人脑状态是否处于放松模式、专注模式和中间模式；刺激调整部调整由刺激施加器件对人体穴位部位进行刺激的刺激量，使得维持由判定部所判定的脑状态模式，或是转移至其它的脑状态模式。

说明书

技术领域

本发明涉及用于支持人脑状态的脑状态支持装置以及脑状态支 持方法，特别是涉及用于利用近红外分光法(NIRS，near-infrared  spectroscopy)支持以使得能够将脑状态维持于放松模式、专注模式， 或是转移至其它状态的脑状态支持装置以及脑状态支持方法。

背景技术

以往，为了使脑状态处于放松状态、或是处于提高了专注力的状 态，进行例如按摩、针刺，或者进行睡眠等(以下将该技术称为现有 技术1)。

另外，在专利文件1中公开了如下方法：在对于被试者施加作为 评价对象的外部刺激之前到施加外部刺激之后的整个过程，使用近红 外分光法，测定氧化型血红蛋白和还原型血红蛋白的浓度变化等，之 后，听取施加所述外部刺激时的主观舒适度，根据测定值和主观上的 舒适度来评价外部刺激对于人体的恰当性。在此近红外分光法是指， 将微弱的近红外线(例如680～1300纳米)从头皮上隔着头盖骨对脑 进行照射，测量头盖骨紧邻的内侧的脑表面(大脑皮质)中的血液中 的氧化型血红蛋白(Oxy-Hb；HbO₂)的浓度变化量和还原型血红蛋 白(Deoxy-Hb；Hb)的浓度变化量的方法(以下将该技术称为现有技 术2)。

专利文件1：日本特开2002-177282号公报

发明内容

在现有技术1中，存在如下问题：无法客观上得知通过按摩、针 刺、睡眠，实际上脑状态处于何种状态。

另外，存在如下问题：受到按摩或针刺之后，如果紧张或是做别 的事情，其效果就会立即消失而无法持续。

并且，由于针刺会使身体受伤而造成治疗，所以对初试者来说会 出现有抵触的情况。

在现有技术2中，存在如下问题：虽然能够客观上得知实际上脑 状态处于何种状态，但是无法支持以使得将脑状态维持于原有状态， 或是转移至其它状态。

另外，因为没有使用用于判断脑的氧消耗的氧交换指标，所以难 以正确地判定脑状态。

本发明是为了解决上述问题而作出的，目的在于提供一种能够客 观上得知脑状态处于何种状态，并且能够支持以使得将脑状态维持于 原有状态，或是转移至其它状态的脑状态支持装置以及脑状态支持方 法。

本发明的脑状态支持装置特征在于，具有：

刺激施加单元，对人体穴位部位以预定频率的电信号进行刺激；

光检测单元，包括对人体的预定部位照射光的发光部，和接收从 人体内出射的光并进行检测的光接收部；以及

装置主体，对所述刺激施加单元和光检测单元进行控制，其中

所述装置主体具有：计算单元、判定单元和刺激调整单元，其中 该计算单元根据由所述光检测单元检测出的光信息，计算作为氧化型 血红蛋白的变化量与还原型血红蛋白的变化量之和的总血红蛋白变 化量，和作为氧化型血红蛋白的变化量与还原型血红蛋白的变化量之 差的氧交换变化量；该判定单元通过所述刺激施加单元对人体穴位部 位以预定频率的电信号施加刺激，从而根据所述计算单元所计算出的 总血红蛋白变化量和氧交换变化量，判定所述人脑状态是否处于放松 模式、专注模式和中间模式中的至少一种模式；该刺激调整单元调整 由所述刺激施加单元对所述人体穴位部位以预定频率的电信号施加 刺激的刺激量，使得维持由所述判定单元判定的脑状态模式，或是转 移至其它的脑状态模式。

由所述刺激施加单元所刺激的人体穴位部位，例如为左拇指目标 部。

由所述光检测单元所检测的部位，例如为脑的前额叶。

所述判定单元可以在通过对所述人体穴位部位以第1频率的电 信号进行刺激，而所述总血红蛋白变化量增加，并且所述氧交换变化 量增加的情况下，判定脑状态为放松模式；在通过对所述人体穴位部 位以第2频率的电信号进行刺激，而所述总血红蛋白变化量降低，并 且所述氧交换变化量降低的情况下，判定脑状态为专注模式；在这些 以外的情况下，判定为中间模式。

所述刺激调整单元可以在将脑状态维持于放松模式，或是转移至 放松模式的情况下，对于所述人体穴位部位以第1频率的电信号按预 定间隔进行刺激；在将脑状态维持于专注模式，或是转移至专注模式 的情况下，对于所述人体穴位部位以第2频率的电信号按预定间隔进 行刺激。

所述第1频率例如为3Hz，所述第2频率例如为10Hz。

所述刺激调整单元可以进行调整使得将脑状态转移至其它模式 的情形比将脑状态维持于原有模式的情形的刺激量更多。

本发明的脑状态支持方法其特征在于，使得执行所述脑状态支持 装置的装置主体的处理。

根据本发明能够达到以下效果：

(1)无需进行按摩、针刺、睡眠等，就能够简便地且短时间内 作出自己期望的脑状态。

(2)能够客观上得知脑状态处于何种状态，并且能够将脑状态 维持于原有状态，或是转移至其它状态。例如，在疲劳而杂念多时， 或在烦躁而杂念多时，或无法专注的时候，如果使用本发明将脑状态 设为专注模式，就能够实现专注力相对地提高的脑状态。

另外，在不得不进行工作时，在通过本发明判定为放松模式的情 况下，能够强制转移至专注模式，反之，也能够从专注模式转移至放 松模式。

并且，还能够延长专注力提高的状态，或是使放松状态变长。

附图说明

图1为示出本发明的具体实施例所涉及的脑状态支持装置的结 构的框图。

图2的(A)为示出刺激施加器件的主视图，(B)为示出将刺 激施加器件安装于拇指的状态的说明图，(C)为示出刺激施加器件 的其它的例子的主视图，(D)为示出将刺激施加器件的其它的例子 安装于拇指的状态的说明图。

图3为用于说明本发明的具体实施例所涉及的脑状态支持装置 的工作的流程图。

图4的(A)-(C)为用于说明光检测器件的设置的说明图。

图5为示出在对左拇指第一关节与第二关节之间的手掌侧的中 心部分附近施加3Hz的电刺激的情况下的在前额叶的总血红蛋白变 化量和氧交换变化量的变化的曲线图。

图6的(A)为在视觉上表示对左拇指第一关节与第二关节之间 的手掌侧的中心部分附近施加3Hz的电刺激之前的安静时和施加之 后的电刺激时的在前额叶的总血红蛋白变化量的变化的说明图，(B) 为在视觉上表示氧交换变化量的变化的说明图。

图7为示出对左拇指第一关节与第二关节之间的手掌侧的中心 部分附近施加10Hz的电刺激的情况下的在前额叶的总血红蛋白变化 量与氧交换变化量的变化的曲线图。

图8的(A)为在视觉上表示对左拇指第一关节与第二关节之间 的手掌侧的中心部分附近施加10Hz的电刺激之前的安静时和施加之 后的电刺激时的在前额叶的总血红蛋白变化量的变化的说明图，(B) 为在视觉上表示氧交换变化量的变化的说明图。

图9为示出对左拇指第一关节与第二关节之间的手掌侧的中心 部分附近施加针刺刺激的情况下的在前额叶的总血红蛋白变化量和 氧交换变化量的变化的曲线图。

图10的(A)为在视觉上表示对左拇指第一关节与第二关节之 间的手掌侧的中心部分附近施加针刺刺激之前的安静时、进行针灸刺 激时以及针拔出之后的在前额叶的总血红蛋白变化量的变化的说明 图，(B)为在视觉上表示氧交换变化量的变化的说明图。

图11为表示对从右手无名指第一关节至指尖外侧附近施加针刺 刺激的情况下的在前额叶的总血红蛋白变化量和氧交换变化量的变 化的曲线图。

图12的(A)为在视觉上表示对从右手无名指第一关节至指尖 外侧附近施加针刺刺激之前的安静时、进行针灸刺激时的在前额叶的 总血红蛋白变化量的变化的说明图，(B)为在视觉上表示氧交换变 化量的变化的说明图。

图13为示出本发明的具体实施例所涉及的程序的框图。

附图标记

1：脑状态支持装置  2：刺激施加器件  2a：刺激部  2b：带状部 2c：尼龙搭扣  3：光检测器件  3a：发光部  3b：光接收部  4：装置 主体  5：输入部  6：输出部  7：通信部  8：存储部  9：控制部  10： 显示部  11：扬声器  12：打印部  13：计算部  14：判定部  15：刺 激调整部  16：程序

具体实施方式

以下参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。图1为示出本 发明的具体实施例所涉及的脑状态支持装置1的结构的框图。

如图1所示，本发明的具体实施例所涉及的脑状态支持装置1 具有：刺激施加器件2，设置于人体穴位部位(例如左拇指目标部)， 对该部位以预定频率的电信号进行刺激；光检测器件3，具有设置于 人体的预定部位(例如脑的前额叶)，对该预定部位照射光的发光部 3a(发光元件)，和接收从人体内出射的光并进行检测的光接收部3b (光接收元件)；以及装置主体4。

图2的(A)为示出刺激施加器件2的主视图，(B)为示出将 刺激施加器件2安装于拇指的状态的说明图，(C)为示出刺激施加 器件2的其它的例子的主视图，(D)为示出将刺激施加器件2的其 它的例子安装于拇指的状态的说明图。

如图2的(A)和(B)所示，刺激施加器件2具有与人体穴位 部位相接、用于对该部位以预定频率的电信号进行刺激的一对刺激部 2a以及保持刺激部2a、能够装卸自由地安装于手指等的带状部2b。

一对刺激部2a在例如手指的情况下有3-10mm左右的间隔，如 图2的(B)所示，设置为将刺激目标部位S夹住。刺激部2a的间隔 根据人体穴位部位而适当地设定。

在带状部2b的两端部安装有例如尼龙搭扣2c(magic tape(注 册商标))，通过在将带状部2b卷上手指等之后，将尼龙搭扣2c相 互粘贴上，能够将刺激施加器件2设置为固定在手指等上。

此外，如图2的(C)和(D)所示，可以使带状部2b的纵向宽 度变宽，将一对刺激部2a在斜的方向上隔开间隔地配置。

光检测器件3例如具有安装于人体预定部位的装配带，在该装配 带上将一个或多个发光部3a和光接收部3b隔开预定间隔地配置。

装置主体4控制刺激施加器件2和光检测器件3的工作，并且进 行各种数据的输入输出、运算和存储，具有输入部5、输出部6、通 信部7、存储部8以及控制部9。

输入部5输入各种数据，例如为键盘、数字小键盘(ten key)、 鼠标、标记卡读卡器以及OCR(光学式字符读取机)等。

输出部6输出各种数据，具有显示各种数据的监视器、显示器等 的显示部10、输出声音数据的扬声器11以及打印各种数据的打印机 等的打印部12。

通信部7进行用于与因特网(根据TCP/IP(传输控制协议/网际 协议)的数据传输网)、LAN(局域网)等通信网络连接的各种数据 的发送接收，例如为调制解调器、终端适配器、路由器、DSU(数字 服务单元)等。

存储部8存储各种数据，包括数据库。

控制部9具有：计算部13、判定部14和刺激调整部15，其中计 算部13根据由光检测器件3检测出的光信息，计算作为氧化型血红 蛋白的变化量与还原型血红蛋白的变化量之和的总血红蛋白变化量， 和作为氧化型血红蛋白的变化量与还原型血红蛋白的变化量之差的 氧交换变化量；判定部14通过刺激施加器件2对人体穴位部位以预 定频率的电信号施加刺激，从而根据计算部13所计算出的总血红蛋 白变化量和氧交换变化量，判定人脑状态是否处于放松模式、专注模 式和中间模式中的至少一种模式；刺激调整部15调整由刺激施加器 件2对人体穴位部位以预定频率的电信号施加刺激的刺激量，使得维 持由判定部14判定的脑状态模式，或是转移至其它的脑状态模式。

判定部14在通过对人体穴位部位以第1频率(例如3Hz)的电 信号进行刺激，而总血红蛋白变化量增加，并且氧交换变化量增加的 情况下，判定脑状态为放松模式；在通过对人体穴位部位以第2频率 (例如10Hz)的电信号进行刺激，而所述总血红蛋白变化量降低， 并且所述氧交换变化量降低的情况下，判定脑状态为专注模式；在这 些以外的情况下，判定为中间模式。

刺激调整部15在将脑状态维持于放松模式，或是转移至放松模 式的情况下，对于人体穴位部位以第1频率(例如3Hz)的电信号按 预定间隔进行刺激；而在将脑状态维持于专注模式，或是转移至专注 模式的情况下，对于人体穴位部位以第2频率(例如10Hz)的电信 号按预定间隔进行刺激。

刺激调整部15进行调整使得将脑状态转移至其它模式的情形比 将脑状态维持于原有模式的情形的刺激量更多。

此外，用于刺激的电信号的频率的数值为举例说明，并不限于此。

图3为用于说明本发明的具体实施例所涉及的脑状态支持装置1 的工作的流程图。

首先，将刺激施加器件2设置于人体穴位部位(例如左拇指目标 部)(步骤S1)。

接下来，将光检测器件3设置于人体预定部位(例如脑的前额叶) (步骤S2)。

接下来，进行用于判定脑状态的准备(步骤S3)。

在这一步骤S3中，施加3Hz的刺激5-10秒，确定左拇指目标部 的皮肤略微感觉出的最低刺激强度，施加3Hz的刺激5-10秒，确定 左拇指目标部的皮肤感觉到疼痛的最高刺激强度，按照下式计算3Hz 刺激的中间50％刺激强度。

3Hz刺激的中间50％刺激强度的计算＝(最低刺激强度+最高刺 激强度)/2

另外，施加10Hz的刺激5-10秒，确定左拇指目标部的皮肤略微 感觉出的最低刺激强度，施加10Hz的刺激5-10秒，确定左拇指目标 部的皮肤感觉到疼痛的最高刺激强度，按照下式计算10Hz刺激的中 间50％刺激强度。

10Hz刺激的中间50％刺激强度的计算＝(最低刺激强度+最高刺 激强度)/2

最大刺激强度设定电刺激的电压、电流的值而进行。

接下来，通过判定部14判定脑状态(步骤S4)。在此，将对左 拇指目标部以3Hz的刺激所得的脑反应定义为放松模式(R模式)， 在该模式时头脑放松而处于镇静的状态。另外，将以10Hz的刺激所 得的脑反应定义为专注模式(B模式)，处于该模式时头脑正在工作， 专注力和理解力提高，处于适于学习等的状态。

在这一步骤S4中，对左拇指目标部将前述步骤S2中所决定的 中间刺激强度3Hz的刺激以30秒刺激-30秒停息-30秒刺激-30秒停 息的模式进行施加。

如果30秒刺激后没有反应，则判定为已处于强R模式。

如果是R模式反应，则判定是R模式的低级，还是B模式、中 间模式。

另外，向左拇指目标部将所述步骤S2中所决定的中间刺激强度 10Hz的刺激以30秒刺激-30秒停息-30秒刺激-30秒停息的模式进行 施加。

如果30秒刺激后没有反应，则判定为已处于强B模式。

如果是B模式反应，则判定是B模式的低级，还是R模式、中 间模式。

判定结果显示于监视器、显示器等的显示部10，或是通过扬声 器11被声音输出。另外，判定结果还能够通过打印部12打印，或是 通过通信部7经由网络进行数据发送。

接下来，在刺激调整部15进行刺激量的调整(步骤S5)。

在这一步骤S5中，具有如下情形：1)由判定部14判定为B模 式的情况下，调整为转移至R模式的情形；2)由判定部14判定为R 模式的情况下，调整为维持于R模式的情形；3)由判定部14判定为 B模式的情况下，调整为维持于B模式的情形；以及4)由判定部14 判定为R模式的情况下，调整为转移至B模式的情形。

以上任何一种情形的选择都能够经由输入部5而进行，各种情形 的调整例如像以下那样进行。

1)B→R(转移)的情形

将在步骤S3中确定的3Hz刺激的值的50％的刺激量施加60秒， 休息30秒，进而将75％的刺激量施加60秒，休息30秒。如果未转 移至R模式，则进一步将100％的刺激量施加60秒。

像这样将刺激量升级，而推进向R模式的转移。

2)R→R(维持)的情形

将在步骤S3中确定的3Hz刺激的值的25％的刺激量施加30秒， 休息30秒，进而将25％的刺激量施加30秒，休息30秒，将25％的 刺激量施加30秒。

像这样断续地施加同样的刺激，而维持R模式。

3)B→B(维持)的情形

将在步骤S3中确定的10Hz刺激的值的25％的刺激量施加30 秒，休息30秒，进而将25％的刺激量施加30秒，休息30秒，将25％ 的刺激量施加30秒。

像这样断续地施加同样的刺激，而维持B模式。

4)R→B(转移)的情形

将在步骤S3中确定的10Hz刺激的值的50％的刺激量施加60 秒，休息30秒，进而将75％的刺激量施加60秒，休息30秒。如果 未转移至B模式，则进一步将100％的刺激量施加60秒。

像这样将刺激量升级，而推进向B模式的转移。

此外，上述的刺激量的调整是一个例子而不限于此。

接下来，为了证实本发明所涉及的脑状态支持装置1是有用的， 对由本发明的发明人所进行的实验进行说明。

在该实验中，使用近红外分光测定装置(岛津制作所制造： FOIRE3000)进行了大脑皮质的Hb浓度的检测和记录。

血红蛋白的采样为70ms。

所记录的血红蛋白为氧化型血红蛋白(oxy-Hb)和脱氧(还原 型)血红蛋白(deoxy-Hb)。

根据该值的变化量，按照以下的计算式计算总血红蛋白浓度变化 量(total-Hb：氧化和脱氧的总和)与氧浓度变化量(ScO₂)，作为 脑的COE反应的指标。

总血红蛋白(浓度)变化量[Total hemoglobin]＝[Oxyhemoglobin]+ [Deoxyhemoglobin]

氧交换(浓度)变化量(作为本发明发明人之一的加藤所发现的脑功 能指标)[ScO₂]＝[Oxyhemoglobin]-[Deoxyhemoglobin]

尤其重要的功能指标是，ScO₂的减少＝氧消耗，低氧化的部位 尤其重要。

总血红蛋白变化量表示夹在照射和检测探针的光测量区域的立 体像素(voxel)中的红血球的数量的变动，如果增加则表示红血球增 加，如果减少则表示红血球减少。

氧交换变化量表示毛细血管内的氧浓度变化，如果增加则意味着 血管内氧增加，如果减少则意味着血管内的氧减少。血管内氧增加的 意思是表示从动脉供给了含氧的红血球。血管内的低氧的意思是，表 示由于神经细胞消耗了氧，毛细血管内的氧被消耗了。

实验结果使用波形显示和映像(mapping)显示这两种。波形显 示表示时间序列的变化，而映像显示将刺激时间的积分值进行绘制。

图4的(A)-(C)为用于说明光检测器件3的设置的说明图。 光检测器件3以高密度探针排列而配置，配置为覆盖图4的(A)所 示的布罗德曼氏区(Brodmann′s Areas)10区(前额叶)。

光检测器件3的发光部3a和光接收部3b以图4的(B)所示的 间隔配置，如图4的(C)所示沿着从右脑到左脑配置3个发光部3a 和3个光接收部3b，测量24ch-28ch的共计5处的测定点的总血红蛋 白变化量和氧交换变化量的变化。

图5为示出对左拇指第一关节与第二关节之间的手掌侧的中心 部分附近施加3Hz的电刺激的情况下在前额叶的总血红蛋白变化量 和氧交换变化量的变化的曲线图。在此，横轴为时间(s)，纵轴为 变化量(mol/l)，刺激时间为30秒。

图6的(A)为在视觉上表示对左拇指第一关节与第二关节之间 的手掌侧的中心部分附近施加3Hz的电刺激之前的安静时和施加之 后的电刺激时的在前额叶的总血红蛋白变化量的变化的说明图，(B) 为在视觉上表示氧交换变化量的变化的说明图。

根据图5和图6可见，在3Hz的电刺激下，观察到了在大范围 的总血红蛋白变化量的增加和氧交换变化量的增加的定时上的变化。 尤其是在前额叶，明显认定出这一变化。

图7为示出对左拇指第一关节与第二关节之间的手掌侧的中心 部分附近施加10Hz的电刺激的情况下的在前额叶的总血红蛋白变化 量和氧交换变化量的变化的曲线图。在此，横轴为时间(s)，纵轴 为变化量(mol/l)，刺激时间为30秒。

图8的(A)为在视觉上表示对左拇指第一关节与第二关节之间 的手掌侧的中心部分附近施加10Hz的电刺激之前的安静时与施加之 后的电刺激时的在前额叶的总血红蛋白变化量的变化的说明图，(B) 为在视觉上表示氧交换变化量的变化的说明图。

根据图7和图8可见，在10Hz的电刺激下，观察到了在大范围 的总血红蛋白变化量的减少和氧交换变化量的减少的定时上的变化。

像这样对左拇指目标部分别施加3Hz和10Hz的电信号的情况 下，在前额叶的氧代谢为完全相反的结果，在10Hz下发生低氧化， 在3Hz下则发生血流增加和高氧化。

另外，暗示了取决于电刺激的频率，前额叶敏感地变化，对认知 功能造成影响。

接下来，作为用于与本发明的比较的参考，对进行针刺刺激时的 实验进行说明。

图9为示出对左拇指第一关节与第二关节之间的手掌侧的中心 部分附近施加针刺刺激的情况下在前额叶的总血红蛋白变化量与氧 交换变化量的变化的曲线图。

在此，横轴为时间(s)，纵轴为变化量(mol/l)，刺激时间为 180秒。

图10的(A)为在视觉上表示对左拇指第一关节与第二关节之 间的手掌侧的中心部分附近施加针刺刺激之前的安静时、进行针灸刺 激时与针拔出之后的在前额叶的总血红蛋白变化量的变化的说明图， (B)为在视觉上表示氧交换变化量的变化的说明图。

根据图9和图10可见，在针刺刺激下，从旋转开始起30～45秒， 总血红蛋白变化量和氧交换变化量都增加，而之后则持续减少，这被 认为是针刺的主要效果。

另外，10Hz产生比3Hz接近于针刺刺激的状态的再现性被认定。

图11为示出对从右手无名指第一关节至指尖外侧附近施加针刺 刺激的情况下在前额叶的总血红蛋白变化量与氧交换变化量的变化 的曲线图。在此，横轴为时间(s)，纵轴为变化量(mol/l)，刺激 时间为180秒。

图12的(A)为在视觉上表示对从右手无名指第一关节至指尖 外侧附近施加针刺刺激之前的安静时、进行针灸刺激时的在前额叶的 总血红蛋白变化量的变化的说明图，(B)为在视觉上表示氧交换变 化量的变化的说明图。

根据图11和图12可见，由于针的旋转刺激而导致疼痛增强时， 在前额叶的一部分，转变为高氧化、血流降低，与对左拇指的刺激所 导致的脑反应明显不同。

图13为示出本发明的具体实施例所涉及的程序的框图。

如图13所示，本发明的具体实施例所涉及的程序16控制本发明 的具体实施例所涉及的脑状态支持装置1的装置主体4，使计算机执 行上述说明的装置主体4所进行的处理。

该程序16既可以记录在磁盘、CD-ROM、半导体存储器等记录 介质上，也可以经由通信网络下载。

本发明不限于上述具体实施方式，在权利要求书中记载的技术事 项的范围内可以有各种变更。例如作为装置主体4，可以用个人计算 机或信息终端设备等代替专用装置。

本发明的脑状态支持装置1以及程序16用于利用近红外分光法 (NIRS)而支持以使得能够将脑状态维持于放松模式、专注模式，或 是转移至其它状态。