JP-2026076731-A - 運動学習支援システム、及び、運動学習支援方法

Abstract

【課題】リハビリテーション、日常生活動作の学習者に対する学習効果を向上させる。 【解決手段】学習者の非損傷側脳の脳波を示す脳波信号を検出する脳波検出部２と、脳波信号に基づいて、同学習者の損傷側脳の運動想起の強さが所定値以上か否かを判定する判定部３２と、判定部３２の判定結果に基づいて、学習者にフィードバックとして刺激を付与する刺激付与部４と、学習者の損傷側脳に刺激を与えた場合に現れるＥＲＮ及び／又はＰｅに基づいて、刺激付与部を選択する選択部３４とを備える。 【選択図】図２

Inventors

• 兒玉 隆之

Assignees

• 学校法人京都橘学園
• ハプキタス株式会社

Dates

Publication Date

20260512

Application Date

20241024

Claims (7)

1. 学習者の脳波を示す脳波信号を検出する脳波検出部と、 前記脳波信号に基づいて、前記学習者の運動想起の強さを判定する判定部と、 前記判定部の判定結果に基づいて、前記学習者にフィードバックとして刺激を付与する刺激付与部と、 前記学習者に刺激を与えた場合に現れるエラー関連陰性電位（以下、ＥＲＮ）及び／又はエラー陽性電位（以下、Ｐｅ）に基づいて、前記刺激付与部を選択する選択部とを備える、運動学習支援システム。
2. 前記選択部は、前記学習者に体性感覚刺激、視覚刺激、聴覚刺激、嗅覚刺激及び／又は味覚刺激の少なくとも１つの刺激を前記学習者に与えた場合のＥＲＮ及び／又はＰｅに基づいて、前記刺激付与部を選択する、請求項１に記載の運動学習支援システム。
3. 前記選択部は、ＥＲＮ、Ｐｅ、又は、ＥＲＮとＰｅとの比に基づいて、前記刺激付与部を選択する、請求項１又は２に記載の運動学習支援システム。
4. 前記学習者は、リハビリテーションを行うものであり、前記学習者の前記リハビリテーションを支援する、請求項１又は２に記載の運動学習支援システム。
5. 前記学習者は、日常生活動作練習を行うものであり、前記学習者の前記日常生活動作練習を支援する、請求項１又は２に記載の運動学習支援システム。
6. 学習者の脳波を示す脳波信号を検出し、 前記脳波信号に基づいて、前記学習者の運動想起の強さを判定し、 判定結果に基づいて、前記学習者にフィードバックとして刺激付与部により刺激を付与し、前記学習者に刺激を与えた場合に現れるＥＲＮ及び／又はＰｅに基づいて、前記刺激付与部を選択する、運動学習支援方法。
7. 学習者に互いに異なる複数の刺激それぞれを与えた場合に前記学習者に現れる脳波を示す脳波信号を検出し、 検出した前記脳波信号のＥＲＮ及び／又はＰｅに基づいて、前記学習者に適用する訓練ツールを選択する、運動学習支援方法。

Description

本発明は、脳内における運動学習支援システム、及び、運動学習支援方法に関するものである。 従来、感覚運動障害のある身体部位の機能回復トレーニングとして、理学療法士や作業療法士などの医療専門家の介入により、対象部位を他動的に繰り返し動作させる方法がとられている。この方法では対象者の意図的な脳内の運動制御指令のタイミングに合わせて動作させ、身体認知を高めながら実行することが重要とされている。 近年では、対象者の意図的な脳内の運動制御指令に基づく随意運動のタイミングと精度よく一致させて動作させるため、特許文献１、２に示すように、被介入者となる運動学習学習者（以下、学習者という。）の脳波からパワースペクトラムを算出して、当該パワースペクトラムを用いて運動想起を判定し、学習者にフィードバックとして刺激を付与するシステムが考えられている。運動想起の結果、フィードバックとして刺激が与えられることで、学習者は、運動主体感や身体所有感等の身体認知を感じることができる。 ここで、学習者にフィードバックとして付与する刺激としては、例えば、視覚刺激、体性感覚刺激、聴覚刺激などを挙げることができる。視覚刺激とは、例えば、映像にて運動想起させた動作を表示するものである。体性感覚刺激とは、例えば、所定の皮膚又は筋肉に対して電気刺激を付与して想起させた動作を強制的に実行させるものである。聴覚刺激とは、例えば、想起する運動に関連した音、もしくは想起させる時とさせない時を区別できる周波数の異なる音を発生するものである。 特開２０１２－２１７７２１号公報特開２０１７－１０２５０４号公報 本発明の一実施形態に係るリハビリテーションにおける運動学習支援システムの基本構成を示す模式図である。同実施形態の運動学習支援システムの特徴構成を示す模式図である。ＥＲＮ及びＰｅを示す図である。同実施形態の運動学習支援方法を示すフローチャートである。 以下、本発明の一実施形態に係る運動学習支援システムについて、図面を参照して説明する。なお、以下に示すいずれの図についても、わかりやすくするために、適宜省略し又は誇張して模式的に描かれている。同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。 ＜運動学習支援システム１００の基本構成＞ 本実施形態の運動学習支援システム１００は、学習者のリハビリテーションを支援するものであり、図１に示すように、学習者の脳波を示す脳波信号を検出する脳波検出部２と、脳波信号を信号処理する信号処理部３と、学習者にフィードバックとして刺激を付与する刺激付与部４とを備えている。 脳波検出部２は、学習者の頭皮上に装着されて、学習者の脳波を示す脳波信号を検出するものである。具体的に脳波検出部２は、頭部に貼り付けられた脳波検出センサや、頭部に装着されるヘッドセットの脳波検出センサからわずかな電位差を検出し、この電位差の時間的変化である脳波信号を検出する。 脳波検出部２により検出された脳波信号は、信号処理部３によって処理される。この信号処理部３は、パワースペクトル算出部３１と、判定部３２と、フィードバック制御部３３とを有している。 パワースペクトル算出部３１は、脳波検出部２により検出された脳波信号を用いて運動想起時のパワースペクトルを算出するものである。 このパワースペクトル算出部３１は、脳波信号を周波数解析することによって、どの周波数帯域のパワースペクトルがどれだけ含まれているのかを時系列で抽出するものである。具体的にパワースペクトル算出部３１は、少なくともα波帯域（８～１３Ｈｚ）及びβ波帯域（１３～３０Ｈｚ）及びγ波帯域（３０～７０Ｈｚ）の周波数のパワースペクトルがどれだけ含まれているのかを解析する。 判定部３２は、脳波検出部２により検出された脳波信号に基づいて、学習者の運動想起の強さを判定する。本実施形態の判定部３２は、パワースペクトル算出部３１により算出されたα波帯域（８～１３Ｈｚ）、β波帯域（１３～３０Ｈｚ）及びγ波帯域（３０～７０Ｈｚ）の周波数のパワースペクトルに基づいて、学習者の運動想起の強さを判定し、その運動想起の強さが所定値以上か否かを判定する。 具体的に判定部３２は、α波帯域のパワースペクトルとβ波帯域又はγ波帯域のパワースペクトルとの比（ここでは、ｌｏｇ（α／β）及び／又はｌｏｇ（α／γ））の最大変化量に基づいて、学習者の運動想起の強さを判定する。なお、ｌｏｇ（α／β）、ｌｏｇ（α／γ）の最大変化量とは、学習者が何もイメージしていないときの脳波信号から求まるα波帯域のパワースペクトルとβ波帯域又はγ波帯域のパワースペクトルとの比（ここでは、ｌｏｇ（α０／β０）、ｌｏｇ（α０／γ０））を基準とした最大変化量である。 より詳細に判定部３２は、ｌｏｇ（α／β）及び／又はｌｏｇ（α／γ）の最大変化量に対して、例えば運動想起（弱）、運動想起（中）及び運動想起（強）等のように多段階で運動想起の強さを判定する閾値が設定されており、それら多段階の閾値との比較によって、学習者の運動想起の強さを判定する。 フィードバック制御部３３は、判定部３２による判定結果に基づいて、刺激付与部４を制御するものである。具体的にフィードバック制御部３３は、判定部３２による判定結果に基づいて刺激付与部４を制御することによって、学習者が実行できた運動想起の強さに応じた強度の刺激を学習者に付与し、脳内での運動想起量とフィードバック量を一致させる。フィードバック制御部３３は、判定結果が運動想起（弱）であれば、運動想起（弱）に応じた強度の刺激を学習者に付与し、判定結果が運動想起（強）であれば、運動想起（強）に応じた強度の刺激を学習者に付与する。 刺激付与部４は、フィードバック制御部３３により制御されて学習者にフィードバックとして刺激を付与するものである。この刺激付与部４は、複数種類の刺激を学習者に付与することができる。 本実施形態の刺激付与部４としては、例えば、体性感覚刺激を学習者に付与する体性感覚刺激付与部４１、視覚刺激を学習者に付与する視覚刺激付与部４２、聴覚刺激を学習者に付与する聴覚刺激付与部４３、嗅覚刺激を学習者に付与する嗅覚刺激付与部４４、又は、味覚刺激を学習者に付与する味覚刺激付与部４５等を挙げることができる。 体性感覚刺激付与部４１は、例えば、所定の皮膚又は筋肉に対して電気刺激を付与して想起させた動作を強制的に実行させるものである。その他、体性感覚刺激付与部４１は、学習者に触覚、圧覚、温覚、冷覚又は痛覚、振動覚を付与するものであっても良い。視覚刺激付与部４２は、例えば、ディスプレイ等を用いて映像にて運動想起させた動作を表示するものである。聴覚刺激付与部４３は、例えば、想起する運動に関連した音を発生するものである。嗅覚刺激付与部４４は、例えば、想起する運動に関連した匂いを発生するものである。味覚刺激付与部４５は、例えば、想起する運動に関連した味を発生するものである。 ＜運動学習支援システム１００の特徴構成＞ そして、本実施形態の運動学習支援システム１００は、図２に示すように、学習者に刺激を与えた場合に現れるＥＲＮ及び／又はＰｅ（図３参照）に基づいて、刺激付与部４を選択する選択部３４とを備えている。なお、ＥＲＮ及び／又はＰｅを検出する脳波検出部は、上記の脳波検出部２であっても良いし、別の脳波検出部５であっても良い。 この選択部３４は、学習者に体性感覚刺激、視覚刺激、聴覚刺激、嗅覚刺激及び／又は味覚刺激の少なくとも１つの刺激を学習者に与えた場合のＥＲＮ及び／又はＰｅに基づいて、刺激付与部４を選択する。なお、選択部３４は、信号処理部３の機能により実現されても良いし、別のコンピュータを用いて構成しても良い。 例えば、運動想起時において学習者に体性感覚刺激、視覚刺激、聴覚刺激、嗅覚刺激及び味覚刺激それぞれを付与した場合に、各刺激のＥＲＮの大きさを計測する。そして、選択部３４は、各刺激のＥＲＮの大きさに基づいて、ＥＲＮが最も小さい刺激付与部４を選択する。 また、運動想起時において学習者に体性感覚刺激、視覚刺激、聴覚刺激、嗅覚刺激及び／又は味覚刺激それぞれを付与した場合に、各刺激のＰｅの大きさを計測する。そして、選択部３４は、各刺激のＰｅの大きさに基づいて、Ｐｅが最も大きい刺激付与部４を選択する。 さらに、運動想起時において学習者に体性感覚刺激、視覚刺激、聴覚刺激、嗅覚刺激及び／又は味覚刺激それぞれを付与した場合に、各刺激のＥＲＮ及びＰｅの大きさを計測する。そして、選択部３４は、各刺激のＥＲＮとＰｅとの比（例えばＥＲＮ／Ｐｅ）の大きさに基づいて、ＥＲＮ／Ｐｅが最も小さい刺激付与部４を選択する。 ＜運動学習支援方法＞ 次に、本実施形態の運動学習支援システム１００を用いた運動学習支援方法を図４を参照して説明する。 （１）刺激種の選択ステップ 学習者に互いに異なる複数の刺激それぞれを与えた場合に学習者に現れる脳波を示す脳波信号を検出し、検出した脳波信号のＥＲＮ及び／又はＰｅに基づいて、学習者に適用する介入ツール（ここでは、刺激付与部４）を選択する。 具体的には、フィードバック付与手段として１つの刺激付与部４を選択し、その刺激付与部４を用いて、リハビリテーション（プレ学習）を行う。 このプレ学習においては、学習者の脳波を示す脳波信号を検出し、脳波信号に基づいて、学習者の運動想起の強さを判定し、判定結果に基づいて、学習者にフィードバックとして選択した刺激付与部４により刺激を付与する。そして、この刺激付与部４により学習者に刺激を与えた場合に現れるＥＲＮ及び／又はＰｅを計測する。 上記のプレ学習を各刺激付与部４について行い、各プレ学習において計測されたＥＲＮ及び／又はＰｅに基づいて、選択部３４が学習者に最も適した刺激付与部４を選択する。なお、学習者に最も適した刺激付与部４を選択は、選択部３４により自動的に行っても良いし、学習者又は例えば理学療法士や作業療法士などの指導員が各プレ学習において計測されたＥＲＮ及び／又はＰｅを比較することにより行っても良い。 （２）通常の学習ステップ 上記の（１）刺激種の選択ステップにおいて選択された特定の刺激付与部４を用いてリハビリテーション（本学習）を行う。この本学習においては、学習者の脳波を示す脳波信号を検出し、脳波信号に基づいて、学習者の運動想起の強さを判定し、判定結果に基づいて、学習者にフィードバックとして特定の刺激付与部４により刺激を付与する。なお、通常の学習ステップの前に毎回（１）刺激種の選択ステップを行う必要はなく、定期的に（１）刺激種の選択ステップを行い、特定の刺激付与部４の選択を行うようにしても良い。 ＜本実施形態の効果＞ このように構成した本実施形態の運動学習支援システム１００によれば、学習者に刺激を与えた場合に現れるＥＲＮ及び／又はＰｅに基づいて刺激付与部４を選択するので、学習者にとって運動主体感等の身体認知を創出させやすい刺激種を活用することができ、学習効果を向上させることができる。 ＜その他の実施形態＞ なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。 例えば、運動学習支援システム１００は、リハビリテーションに適用する以外にも、日常生活動作練習、技能練習や職業練習に適用することができる。 この場合、判定部３２は、脳波検出部２により検出された学習者の非損傷側脳からの脳波信号と、同学習者の損傷側脳により運動想起した場合の脳波信号とを比較して、学習者の障害された四肢に対する運動想起の強さを判定することができる。なお、学習者の非損傷側脳の運動想起した場合の脳波信号や安静時の脳波信号は、予め取得して判定部３２に記憶させておく。 具体的に判定部３２は、学習者の損傷側脳の脳波信号から求まるｌｏｇ（α／β）及び／又はｌｏｇ（α／γ）の最大変化量と、同学習者の損傷側脳の脳波信号から求まるｌｏｇ（α／β）及び／又はｌｏｇ（