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技術 神経機能を強化する方法及び装置

出願人 インサイファイインコーポレイテッド
発明者 ナラヤンサンジヴエムセラルチル
出願日 2019年9月27日 (10ヶ月経過) 出願番号 2019-177726
公開日 2020年2月13日 (5ヶ月経過) 公開番号 2020-022766
状態 未査定
技術分野 電気治療装置 デジタル計算機のユーザインターフェイス
主要キーワード 信号発生デバイス 計算図表 圧電フィルムセンサ 不可視スペクトル 外部機械 身体センサ 外部障害物 生体運動
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (11)

課題

神経機能強化する方法および装置を提供する。

解決手段

神経系と相互作用する方法であって、1又は2以上のセンサコンピュータデバイス信号処理デバイス制御デバイス、および、エフェクタデバイスを提供する段階と、前記信号処理デバイスを用いて、前記1又は2以上のセンサで個人身体機能に関連する信号を、個人の身体機能を検出する信号の正確な神経生理学的マッピングの知識を必要とすることなく検出する段階と、前記コンピュータデバイスを用いて、前記個人の身体機能に固有記号表現を作成するために前記信号を処理する段階と、前記制御デバイスを用いて、前記固有な記号表現に基づいて身体機能の強化または回復に関連する1又は2以上のエフェクタ応答を生成する段階と、を含む方法。

概要

背景

身体のいくつかの機能は、脳(中枢神経系)及び/又は末梢神経系によって仲介される。これらの機能は、視力又は聴力のような古典的「神経」機能を含むが、学習、移動、又は機械の操作を含む日常生活のほぼ全ての活動も含む。

多くの状況で、そのような機能を実行する身体の機能は制約される。制約は、多くの形態を取る可能性があり、かつ物理的又は機能的である場合がある。物理的制約は、兵士又は潜水士に影響を与える場合があるような閉鎖空間内四肢動きを妨げる外部障害物を含む。物理的制約は、切断による四肢の損失のような内的なものである場合もある。機能的制約は、足を動かす個人の機能を妨げる脳梗塞のような古典的病気を含む場合がある。しかし、機能的制約はまた、不十分な訓練、知識、又は技術の獲得に起因する又は不使用を通じたタスクに対するパフォーマンス不足を含む場合がある。

身体センサ(眼など)、神経機能中枢及び末梢神経系など)、及びエフェクタ器官筋肉群など)を多くの場合に特定の解剖学的位置に機能的にマップすることができるという一般的な例を使用してこれらの制約のいくつかに対処するための多くの試みが行われている。

これらの機能が制限される時に意識的及び意図した介入が加えられ、例えば、兵士が障害物又は義足であるためにペダル起動できない場合にデバイスを起動するために指を使用することができ、ロボットアーム生体の腕を以前に制御していた特定の神経線維に接続する。

しかし、制約に対処するための古典的なソリューションに必要な機能マッピングは複雑である。そのような機能マッピング又は「地図帳」は、顔の視覚認識のような一部の「単純な知覚」でも論争されることがあり、覚醒のような複雑な機能では明確ではない。ほとんどのデータは、思考又は複雑な人間の活動の神経解剖学的基礎モデル化又は分析するのに適合していない動物モデル由来のものである。

多数の身体機能は、個人間でかなりの変動を示し、気分、覚醒、機械を操作する方法の学習、運動の形、又は他の複雑な感覚運動活動として含むマッピングによって正確に定義されていない。これらの機能の一部は、正常な活動に対して必要であり、他は、戦闘又はスポーツ競技中のような高要求活動で必要なものである。

現在、人間の機能に接続され、これを増強又は助ける機械は、神経画像、皮膚マッピング及び文書化された正常及び異常機能/経路の末梢神経マッピングの詳細な知識で大部分予想される。そのような機械は主として、正常な文書化された機能及び経路に基づいて機能を置換し、改善するか又は回復させるように試みている。

仮想機能の場合に、目標は、正常な文書化された経路及び現実世界の既存の体験を再度複製するために、特定の知覚入力(主として視覚触覚、及び/又は聴覚)を送ることによって錯覚又は代理の環境を普通に生成することである。残念ながら、そのような方法は、正常な経路が個人間で異なるという事実のために本技術の利益を制限することが多かった。従って、正常に刺激するということは、個人の機能を正確に複製できないか又はその個人の正常さを表現できないことが多い。

概要

神経機能を強化する方法および装置を提供する。神経系と相互作用する方法であって、1又は2以上のセンサコンピュータデバイス信号処理デバイス制御デバイス、および、エフェクタデバイスを提供する段階と、前記信号処理デバイスを用いて、前記1又は2以上のセンサで個人の身体機能に関連する信号を、個人の身体機能を検出する信号の正確な神経生理学的マッピングの知識を必要とすることなく検出する段階と、前記コンピュータデバイスを用いて、前記個人の身体機能に固有記号表現を作成するために前記信号を処理する段階と、前記制御デバイスを用いて、前記固有な記号表現に基づいて身体機能の強化または回復に関連する1又は2以上のエフェクタ応答を生成する段階と、を含む方法。

目的

全仮想機能の場合に、目標は、正常な文書化された経路及び現実世界の既存の体験を再度複製するために、特定の知覚入力(主として視覚、触覚、及び/又は聴覚)を送ることによって錯覚又は代理の環境を普通に生成することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

神経系と相互作用する方法であって、1又は2以上のセンサコンピュータデバイス信号処理デバイス制御デバイス、および、エフェクタデバイスを提供する段階と、前記信号処理デバイスを用いて、前記1又は2以上のセンサで個人身体機能に関連する信号を、個人の身体機能を検出する信号の正確な神経生理学的マッピングの知識を必要とすることなく検出する段階と、前記コンピュータデバイスを用いて、前記個人の身体機能に固有記号表現を作成するために前記信号を処理する段階であって、前記固有な記号表現は、前記処理された信号と個人の身体機能との間の体験的かつ機能的な関係である段階と、前記制御デバイスを用いて、前記固有な記号表現に基づいて身体機能の強化または回復に関連する1又は2以上のエフェクタ応答を生成する段階であって、前記エフェクタ応答は、身体機能を強化または回復する個人の身体領域に関連して前記エフェクタデバイスを制御するように構成された段階と、を含む方法。

請求項2

前記検出する段階及び前記刺激する段階は、人間の身体の異なる領域に関わっている請求項1に記載の方法。

請求項3

前記回復させることが、生体病気又は病状治療することである請求項1に記載の方法。

請求項4

前記強化することが、外部機械を使用することを含む請求項1に記載の方法。

請求項5

神経系と相互作用するためのシステムであって、コンピュータデバイスと、前記コンピュータデバイスによって実行された時に、前記コンピュータデバイスが、信号処理デバイスを用いて、1又は2以上のセンサで個人の身体機能に関連する信号を、個人の身体機能を検出する信号の正確な神経生理学的マッピングの知識を必要とすることなく検出する段階と、前記個人の身体機能に固有な記号表現を作成するために前記信号を処理する段階であって、前記固有な記号表現は、前記処理された信号と個人の身体機能との間の体験的かつ機能的な関係である段階と、制御デバイスを用いて、前記固有な記号表現に基づいて身体機能の強化または回復に関連する1又は2以上のエフェクタ応答を生成する段階であって、前記エフェクタ応答は、身体機能を強化または回復する個人の身体領域に関連してエフェクタデバイスを制御するように構成された段階と、を含む作動を実行する命令を格納するメモリと、を含むシステム。

請求項6

前記身体機能は、視覚機能視覚疾患進行、気分、覚醒睡眠障害無呼吸外傷性脳損傷の検出、機械を操作する方法の学習、エクササイズ心臓電気的機能、心臓機械的機能不顕性発作の検出、複合感覚運動活動、及びその組合せからなる群から選択される請求項1に記載の方法。

請求項7

前記1又は2以上のセンサは、(i)FINE,ECG電気センサEEG電気センサ,及びこれらの組合せからなる群から選択される固体物理センサ、(ii)静電クリーム圧電フィルムセンサプリント回路センサ,感光フィルム感熱フィルム、及びこれらの組合せからなる群から選択される非固体物理センサ、(iii)ビデオセンサ赤外線センサ温度センサガスセンサ,及びこれらの組合せからなる群から選択される外部指向センサ、(iv)(i)〜(iii)の組合せ、からなる群から選択される請求項1に記載の方法。

請求項8

前記1又は2以上のセンサは、経皮的又は侵襲性神経活動神経電気活動),筋肉電気活動ミオポテンシャル),機械活動(機械的受容体),皮膚抵抗体温,身体pH,皮膚pH,口pH,胃腸pH,性尿器pH,酵素プロファイル,DNAプロファイル,心拍換気呼吸)数からなる群から選択される少なくとも1つを感知する生体センサを含む請求項1に記載の方法。

請求項9

前記1又は2以上のセンサは、神経系からの生体信号,別の個人の神経系からの生体信号,又は信号のデータベースからの生体信号を感知する外部センサを含む請求項1に記載の方法。

請求項10

前記1又は2以上のセンサは、圧力,物理的な動き,温度,人間の正常な生理的範囲内の音,人間の正常な生理的範囲外の音,動物の生理的範囲内の音,可視スペクトルにおける電磁放射不可視スペクトルにおける電磁放射,ガンマ放射X線電波毒素一酸化炭素過度二酸化炭素放射線アルファ放射線,ベータ放射線生物毒素大腸菌炭疽菌からなる群から選択される情報を提供する外部センサを含む請求項1に記載の方法。

請求項11

前記エフェクタ応答は、直接電気出力,力学的機械,神経刺激電極サーボモータデジタル化電子信号無線周波数送信赤外線送信視覚化データ,及びこれらの組合せからなる群から選択される要素を用いて形成される請求項1に記載の方法。

請求項12

前記身体機能は、視界視覚)情報を感知すること,聴力聴覚)情報を感知すること,触覚情報を感知すること,臭い(嗅覚)情報を感知すること,筋肉運動物体を物理的に移動すること,動きを使用した意図的コミュニケーション,デバイスを制御すること,心的覚醒,生体の病気,脳に影響を及ぼす生体の病気,眼に影響を及ぼす生体の病気,末梢神経系に影響を及ぼす生体の病気,四肢に影響を及ぼす生体の病気,に影響を及ぼす生体の病気,消化管に影響を及ぼす生体の病気,腎臓に影響を及ぼす生体の病気,及びこれらの組合せからなる群から選択される請求項1に記載の方法。

請求項13

前記身体機能は、視覚機能、視覚疾患進行、気分、覚醒、睡眠障害、無呼吸、外傷性脳損傷の検出、機械を操作する方法の学習、エクササイズ、心臓電気的機能、心臓機械的機能、不顕性発作の検出、複合感覚運動活動、及びその組合せからなる群から選択される請求項5に記載のシステム。

請求項14

前記1又は2以上のセンサは、(i)FINE,ECG電気センサ,EEG電気センサ,及びこれらの組合せからなる群から選択される固体物理センサ、(ii)静電気クリーム,圧電フィルムセンサ,プリント回路センサ,感光フィルム,感熱フィルム、及びこれらの組合せからなる群から選択される非固体物理センサ、(iii)ビデオセンサ,赤外線センサ,温度センサ,ガスセンサ,及びこれらの組合せからなる群から選択される外部指向センサ、(iv)(i)〜(iii)の組合せ、からなる群から選択される請求項5に記載のシステム。

請求項15

前記1又は2以上のセンサは、経皮的又は侵襲性神経活動(神経電気活動),筋肉電気活動(ミオポテンシャル),機械活動(機械的受容体),皮膚抵抗,体温,身体pH,皮膚pH,口pH,胃腸pH,性尿器pH,酵素プロファイル,DNAプロファイル,心拍,換気(呼吸)数からなる群から選択される少なくとも1つを感知する生体センサを含む請求項5に記載のシステム。

請求項16

前記1又は2以上のセンサは、神経系からの生体信号,別の個人の神経系からの生体信号,又は信号のデータベースからの生体信号を感知する外部センサを含む請求項5に記載のシステム。

請求項17

前記1又は2以上のセンサは、圧力,物理的な動き,温度,人間の正常な生理的範囲内の音,人間の正常な生理的範囲外の音,動物の生理的範囲内の音,可視スペクトルにおける電磁放射,不可視スペクトルにおける電磁放射,ガンマ放射,X線,電波,毒素,一酸化炭素,過度の二酸化炭素,放射線,アルファ放射線,ベータ放射線,生物毒素,大腸菌,炭疽菌からなる群から選択される情報を提供する外部センサを含む請求項5に記載のシステム。

請求項18

前記エフェクタ応答は、直接電気出力,力学的機械,神経刺激電極,サーボモータ,デジタル化電子信号,無線周波数送信,赤外線送信,視覚化データ,及びこれらの組合せからなる群から選択される要素を用いて形成される請求項5に記載のシステム。

請求項19

前記身体機能は、視界(視覚)情報を感知すること,聴力(聴覚)情報を感知すること,触覚情報を感知すること,臭い(嗅覚)情報を感知すること,筋肉運動,物体を物理的に移動すること,動きを使用した意図的コミュニケーション,デバイスを制御すること,心的覚醒,生体の病気,脳に影響を及ぼす生体の病気,眼に影響を及ぼす生体の病気,末梢神経系に影響を及ぼす生体の病気,四肢に影響を及ぼす生体の病気,肺に影響を及ぼす生体の病気,消化管に影響を及ぼす生体の病気,腎臓に影響を及ぼす生体の病気,及びこれらの組合せからなる群から選択される請求項5に記載のシステム。

請求項20

前記プロセッサは、中央処理ユニット(CPU)、図形処理ユニット(GPU)、又はこれらの組合せからなる組から選択される請求項5に記載のシステム。

請求項21

前記1又は2以上のセンサは酸素脱飽和の外部センサを含み、前記エフェクタは横隔神経を刺激するデバイスである請求項1に記載の方法。

請求項22

前記1又は2以上のセンサは酸素脱飽和の外部センサであり、前記エフェクタ応答は横隔神経を刺激するデバイスを制御するよう構成されている請求項5に記載のシステム。

技術分野

0001

本出願は、一般的に身体の神経系の機能に関する。より具体的には、本出願は、正常な個人又は病気を有する患者に使用するための身体の神経制御修正又は強化する方法、システム、及び装置に関する。

背景技術

0002

身体のいくつかの機能は、脳(中枢神経系)及び/又は末梢神経系によって仲介される。これらの機能は、視力又は聴力のような古典的「神経」機能を含むが、学習、移動、又は機械の操作を含む日常生活のほぼ全ての活動も含む。

0003

多くの状況で、そのような機能を実行する身体の機能は制約される。制約は、多くの形態を取る可能性があり、かつ物理的又は機能的である場合がある。物理的制約は、兵士又は潜水士に影響を与える場合があるような閉鎖空間内四肢動きを妨げる外部障害物を含む。物理的制約は、切断による四肢の損失のような内的なものである場合もある。機能的制約は、足を動かす個人の機能を妨げる脳梗塞のような古典的病気を含む場合がある。しかし、機能的制約はまた、不十分な訓練、知識、又は技術の獲得に起因する又は不使用を通じたタスクに対するパフォーマンス不足を含む場合がある。

0004

身体センサ(眼など)、神経機能中枢及び末梢神経系など)、及びエフェクタ器官筋肉群など)を多くの場合に特定の解剖学的位置に機能的にマップすることができるという一般的な例を使用してこれらの制約のいくつかに対処するための多くの試みが行われている。

0005

これらの機能が制限される時に意識的及び意図した介入が加えられ、例えば、兵士が障害物又は義足であるためにペダル起動できない場合にデバイスを起動するために指を使用することができ、ロボットアーム生体の腕を以前に制御していた特定の神経線維に接続する。

0006

しかし、制約に対処するための古典的なソリューションに必要な機能マッピングは複雑である。そのような機能マッピング又は「地図帳」は、顔の視覚認識のような一部の「単純な知覚」でも論争されることがあり、覚醒のような複雑な機能では明確ではない。ほとんどのデータは、思考又は複雑な人間の活動の神経解剖学的基礎モデル化又は分析するのに適合していない動物モデル由来のものである。

0007

多数の身体機能は、個人間でかなりの変動を示し、気分、覚醒、機械を操作する方法の学習、運動の形、又は他の複雑な感覚運動活動として含むマッピングによって正確に定義されていない。これらの機能の一部は、正常な活動に対して必要であり、他は、戦闘又はスポーツ競技中のような高要求活動で必要なものである。

0008

現在、人間の機能に接続され、これを増強又は助ける機械は、神経画像、皮膚マッピング及び文書化された正常及び異常機能/経路の末梢神経マッピングの詳細な知識で大部分予想される。そのような機械は主として、正常な文書化された機能及び経路に基づいて機能を置換し、改善するか又は回復させるように試みている。

0009

仮想機能の場合に、目標は、正常な文書化された経路及び現実世界の既存の体験を再度複製するために、特定の知覚入力(主として視覚触覚、及び/又は聴覚)を送ることによって錯覚又は代理の環境を普通に生成することである。残念ながら、そのような方法は、正常な経路が個人間で異なるという事実のために本技術の利益を制限することが多かった。従って、正常に刺激するということは、個人の機能を正確に複製できないか又はその個人の正常さを表現できないことが多い。

先行技術

0010

Redondo他、ネイチャー2014年
Dorman他、脳波検査及び臨床神経生理学、1989年73、215−224
http://singularityhub.com/2013/07/24/darpas−brain−controlled−prosthetic−arm−and−a−bionic−hand−that−can−touch/
http://www.scientificamerican.com/article/amping−up−brain−function

発明が解決しようとする課題

0011

逆に、そのような人間の機能を回復/強化することができるデバイスを組み立てること、すなわち、デバイスインタフェースのための正確な神経経路を定義又は複製する必要なく又は機能を意識的に変更する(例えば、ペダルを操作するために足の代わりに指を使用するように訓練する)必要なく上記に指摘された制約を補償することは社会に対して非常に大きい利点になる。現在、この目標を達成するための従来技術における方法がいくつかある。そのようなデバイスを使用して病気のない個人のパフォーマンスを強化又は病気のある個人の失われた機能を回復することができる。

課題を解決するための手段

0012

本発明は、機能のパフォーマンスを強化するか又は失われた機能、たとえ複雑な機能でもその機能に本質的に関連付けられた信号を検出するためのセンサ、その機能を表す新しい記号コード数学的生成に基づく工学回路、及びこの機能を強化又は回復させることができるエフェクタを使用して復活させる(治療する/置換する)ことができる。本発明を使用するために望ましい先行論理又はプログラミングはない。本発明は、パターンを認識する脳の機能におけるその固有の論理及び「ピギーバック」を理解するために脳を使用し、換言すると、望ましい結果を生成するために既存の脳の機能に一意的に接続し、例えば、望ましい機能をリタスク、強化、又は他に生成する。

0013

神経系は、免疫系及び内分泌系を含む身体の他の系とも相互作用するので、本発明を使用してがん細胞破壊肺機能の変更、又は胃腸又は性尿器系の機能の変更を含む他の臓器系を案内するか又は相互作用することができる。

0014

従って、本発明は、プログラマブルENSを使用してセンサ(自然の生体又は人工デバイス)を特定のタスク(既存の生体神経/筋肉又は工学デバイスを通じて)にリンクする暗号化神経系(ENS)である。このENSは、機能を回復/増強し、既存の生体要素を使用して新しいプログラムを生成する(物理的な制限を避けるように機能を「リタスクする」)、又は人工と生体要素のハイブリッドを使用して新しいプログラムを生成して、正常な周波数範囲の外側の聴覚又は生理的センサがない刺激(例えば、一部の毒素)の感知のような機能を強化するようにプログラムすることができる。

0015

本発明によって生成される機能的記号コードは、タスクに固有である。機能的記号コードは、いずれのタスクのマッピングも個人間で異なり、例えば、神経生理学的プロテーゼ成功今までかなり制限されてきたので、主として個人に特異である(「個別化暗号化神経系」)。あるタスクでは、連想型人口ベースの方法(「クラウドソース暗号化神経系」)を使用して他の個人からの入力を使用することができる。これは、個人的露出/訓練を避けなければならない(例えば、集団からのある一定の毒素の危険レベル計算図表を使用する)一部の応用に必要である。クラウドソース方法で利用される数学的方法は体験的及び機能的であり、従って、「正常な」経路からの違いを生じる個人間の自然の生体変動のために詳細な神経生理学的及び神経病理学的地図帳の制限の一部を避ける。制限は、機能的関連付けを「学習」するための人工神経ネットワークを使用して、及びその個人からの関連付けられた信号を含むハイブリッド方式を使用して避けられる。

0016

従って、本発明は、単純な及び複雑な機能の記号内部表現を形成する。この内部表現は、感知された信号と機能の間の体験的関連付け、例えば、指が物体に触れた時の電気信号、又は個人が眠気に対して「警告」される時の頭皮信号から得られる。これは、実用的であり、単純かつ扱い易いコンピュータタスクである。内部表現は、「リアリストスクールで訓練された人ではなく「印象派」の画家によって視覚化される表現にどこか似ている。本方法は、正確に定義することが困難であるタスクに望ましい1次脳皮質に加えて、2次エリア活性化されて訓練のために容易に感知及び使用することができるという前提に大部分基づいている。

0017

本発明は、病気又は訓練のある一定の条件下での皮質の可塑性が十分説明されているという公知の観察(例えば、DARPA四肢プロジェクト、数年後に機能を回復する発作患者)に基づいている。可塑性は、機能している末梢神経の皮膚分布が、隣接する分布が病気になった神経によって対応されている時に拡大することができるように末梢神経でも観察される。換言すると、同じ機能を中枢又は末梢神経系の異なる領域によって対応することができる。本発明の目的に対して、「可塑性」という語は、環境からの刺激に応答して適応及び変化する神経の機能を意味する。例えば、神経経路及びシナプスは、環境、挙動感情(気分)、新しい刺激、思考、負傷処置する神経、及びこの組合せの変化に応答して変えることができる。例えば、頭を冷却する帽子は、帽子の装着を可能にして望ましい結果を達成するために頭の様々な及び特定の領域と相互作用することができる感知及び刺激構成要素としてそのようなハードウエアを含む。

0018

基本的なレベルでは、この「可塑性」は、正確な基礎になる神経生理学的マッピングの知識を必要としない。例えば、古典的なパブロフの訓練では、ラットは、訓練中に以前は食べ物に関連付けられていた食べ物に関連のない刺激から涎を出すように教えられていた。換言すると、新しい刺激、すなわち、生体機能をプログラムすることができる。本発明は、高度なセンサ、数学的方式及びエフェクタデバイスを使用して、望ましいタスクにオーダーメイドされた決定論的方式でこれを実行する。

0019

本発明は、複雑であり定義されていない可能性が多い公知の機能/経路の先行の知識に着目して頼るのではなく、経路における潜在的に使用されていない機能を通じて特定の機能を実行するのに適合されているカスタマイズされた個別化ソリューションに着目する。

0020

本発明は、身体をセンサ、処理要素、及びエフェクタ経路/器官を含む多目的コンピュータと考えることができるという概念に更に基づいている。この機能にアクセスするか又は「再プログラム」するように記号コードを設計して、特定のセンサを身体全体の特定のエフェクタにマップすることができるはずである。

0021

本発明は、身体は戦闘のようなストレス度の高い人間の活動でも少数しか使用されていない(例えば、40%の能力が使用されている)ある一定の神経処理パワーを有するという概念に更に基づいている。高度に集中した生死にかかわる状況で20−40%の少数しか使用されない場合がある例えばNBAファイナル、SAT試験がある。従って、いつでもかなりの残余機能があるということである。

0022

この機能のタッピングは、パフォーマンスを改善し、失われた機能を置換し(例えば、切断患者脳梗塞患者)、外部コンピュータ内因性生体コンピュータ機能で置換し、又は既存の機能の処理表現(ゴルフスイング、正しくないタスク/機能に対する穏やかな痛みのような不快な影響)をリタスクすることができる。

0023

この機能/機能のタッピングを使用して、タスクを実行し、例えば、遠隔制御ユニットを制御し、又はパターン認識のための人間の脳の圧倒的な機能を利用するために頭頂葉における情報の生体符号化を実行する多目的コンピュータのように身体のある一定の(使用されていない)部分を動員及び再プログラムすることができる。

0024

これは、多くの方法で行われる。1つは、定義された神経パターンを刺激することによって既存の及び/又は使用されていない身体機能を使用することである。これは、刺激の周波数振幅、及び部位に基づいて変化し、この一部は、集団(クラウドソース)データに基づくことができる。既存の身体機能の不注意な動員を避けるために、本発明は、生理的ではないか又は異型の生理的パターンの使用されていない機能を刺激することができる。これは、正常な処理又は経路の部分ではない神経周波数/パターンの使用を伴う。これは、挙動変化発動、脳による知覚及び/又は事象の格納の変化を防ぐことができる(Redondo他、ネイチャー2014年)。

0025

多数のタイプのセンサを使用することができる。例は、FINEのような固体物理センサ(http://singularityhub.com/2013/07/24/darpas−brain−controlled−prosthetic−arm−and−a−bionic−hand−that−can−touch/)、従来的なECG又はEEG電気センサ静電クリームのような非固体センサ圧電フィルムセンサプリント回路センサ、感光フィルム感熱フィルム、及びビデオ、IR、温度、ガスセンサのような身体に接触しない外部指向センサを含む。これらの外部指向センサは、外界の刺激を感知して、構成された/生成された(標準以外又は体性局在以外の)経路を通じて情報を変換し神経を活性化する。

0026

処理要素は、身体の様々な部分/神経を刺激するか、又は外部機械の機械アクションを引き起こすことができる出力要素に接続するデジタル信号プロセッサを含むことができる。そのような要素は、分離した又はネットワーキング(例えば、クラウドコンピュータ)の集積回路を有する従来のコンピュータ機械、生体コンピュータを含むことができ、又は特定の示されたコンピュータタスクを実行するために人間の脳の未使用機能を利用することができる。

0027

エフェクタ要素は、四肢を制御するための神経刺激電極又はサーボモータのような直接電気出力又は力学的機械、無線周波数赤外線送信のようなデジタル化電子信号、又は仮想世界インタフェースにおけるアバターのような仮想化データ又はクエリすることができる大きいデータベースの要素を含むことができる。

0028

これらのエフェクタ要素の応用は、異なる刺激又は身体機能を理解する(例えば、視覚機能、眼病の進行、気分、覚醒、外傷脳損傷のようなけがの検出、心臓電気及び/又は機械機能無症状発作の感知)、人間の身体を不快にさせることのない外界の状況又は環境に関する学習(例えば、火事の熱の感知、地雷のような外部環境での酸素又は有毒ガス成分の感知)のような診断目的とすることができる。

0029

エフェクタデバイス又は要素は、脳に関連の機能(例えば、脳の刺激によって治療される気分障害睡眠障害又は中枢性無呼吸を有する患者の覚醒の治療、発作リハビリのための生体自己制御、アクション、又は発作性疾患のための深脳刺激)、他の神経系疾患(例えば、危険又は有毒な刺激を末梢神経障害を有する患者に通知する)、心臓病(例えば、埋め込み型デバイスで治療した不整脈、機械又は電気デバイスで改善した心臓機能)、又は示された電気又は機械要素で変更された他の臓器の病気のような医療に関連の治療に適用することができる。

0030

これらのエフェクタ要素の適用は、普段と異なる生理的活動又は機械的非生理的機能の訓練、学習及び実行のためとすることができる。普段と異なる生理的応用の例は、経頭蓋直流刺激(参照、http://www.scientificamerican.com/article/amping−up−brain−function)を通じた学習の強化又は事及び一般人応用のアスリートのパフォーマンスの改善(例えば、誤った動き/活動に対する有害な生体自己制御、正しい動き/活動に対する楽しい脳刺激)、感覚知覚の強化(例えば、治安部隊によって使用される身体自己センサのようなあまり使用されていない経路を通じて顔認識情報送り込む増強視覚センサ閾値以下又は以前に聞き取れなかった情報に応答して聴覚経路を刺激する聴覚センサ)、制約の克服又は有効なソリューションの開発(小指の動き又は眼の動きで車を運転し、仮想指及び手でデータをスキャニング及び並べるような運動機能ビッグデータを分析する)のいずれかによって典型的ではない方法での典型的なタスクの実行を含む。機械機能の例は、兵士のための機械の外骨格の操作、深海探検のような人間に対して困難か又は危険すぎるタスクの実行、武装戦、又はビデオゲームの制御又は遠隔制御のような基本的な機能を含む。

0031

特定の中枢又は末梢神経機能は、神経発火の特定のパターンによって制御される。デバイスは、これらのパターンを真似て先行の機能、例えば、使用されていない筋肉を制御するための生理的パターンを使用した神経の刺激を実行することができる。この機能は、1次筋肉の直接知識又はアクセスがなくても適用することができる。多くの機能は、同一場所とすることができる身体の面、例えば、混合末梢神経の皮膚分布に神経活動を生じる。一例は、「C234」領域の肩甲骨の端の知覚、「C56」領域による三角筋機能の制御、及び横隔膜筋肉及び従って「C345」領域の呼吸の制御である。これは、詳細な神経画像の研究を直接必要とすることなく体験的に実行することができる。

0032

1つの態様において、神経系と相互作用する方法を提供し、本方法は、1又は2以上のセンサで生体機能に関連付けられた信号を検出する段階、信号を処理して表現を作成する段階、記号的表現に基づいてエフェクタ応答を送出する段階、及び物理的プロセスを制御する段階を含む。

0033

別の態様において、タスクのパフォーマンスを強化する方法を提供し、本方法は、1又は2以上のセンサでタスクに関連付けられた信号を検出する段階、タスクの表現を作成する段階、表現を修正するためのエフェクタ応答を送出する段階、及びタスクのパフォーマンスを強化する段階を含む。

0034

別の態様において、病気を治療する方法を提供し、本方法は、1又は2以上のセンサで病気に関連付けられた信号を検出する段階、病気のコア記号表現を作成する段階、感知された信号と病気の間の表現を修正させるために身体の領域を刺激する段階、及び病気を治療する段階を含む。

0035

別の態様において、感知された神経活動を変換する方法を提供し、本方法は、1又は2以上のセンサで生体機能に関連付けられた信号を検出する段階、信号を処理して表現を作成する段階、表現に基づいてエフェクタ応答を送出する段階、及び生体機能を制御する段階を含む。

0036

別の態様において、生体信号を使用してデバイスを制御する方法を提供し、本方法は、1又は2以上のセンサを使用して身体からの生体信号を検出する段階、センサからの感知された生体信号を電子表現に変換する段階、及び認識可能なフォーマット電子情報を出力してデバイスを電気機械的に制御する段階を含む。

0037

別の態様において、視覚機能を測定する方法を提供し、本方法は、生体知覚活動の生体信号を検出する段階、これらの信号を処理して知覚の定量的尺度を与える段階、知覚活動の表現を作成する段階、及び任意的にこの表現を使用して最適治療を決定する段階を含む。

0038

別の態様において、特定の人間パフォーマンスを改善する方法を提供し、本方法は、特定の機能を担う脳の各部分に関連付けられた身体の領域を識別する段階、身体の領域に近接して低エネルギ刺激電極を置く段階、電極を通して刺激を印加し、脳の各部分を活性化する段階、及び脳の各部分に関連するパフォーマンスの変化を測定する段階を含む。

0039

別の態様において、神経系と相互作用するためのシステムを提供し、システムは、プロセッサ命令を格納するメモリとを含み、この命令は、プロセッサによって実行された時に、1又は2以上のセンサで生体機能に関連付けられた信号を検出する段階、信号を処理して表現を作成する段階、記号的表現に基づいてエフェクタ応答を送出する段階、及び物理的プロセスを制御する段階を含む作動を実行する。

0040

別の態様において、タスクのパフォーマンスを強化するためのシステムを提供し、システムは、プロセッサと命令を格納するメモリとを含み、この命令は、プロセッサによって実行された時に、1又は2以上のセンサでタスクに関連付けられた信号を検出する段階、タスクの表現を作成する段階、表現を修正するためにエフェクタ応答を送出する段階、及びタスクのパフォーマンスを強化する段階を含む作動を実行する。

0041

別の態様において、病気を治療するためのシステムを提供し、システムは、プロセッサと命令を格納するメモリとを含み、この命令は、プロセッサによって実行された時に、1又は2以上のセンサで病気に関連付けられた信号を検出する段階、病気のコア記号表現を作成する段階、身体の領域を刺激して感知された信号と病気の間の表現を修正する段階、及び病気を治療する段階を含む作動を実行する。

0042

別の態様において、感知された神経活動を変換するためのシステムを提供し、システムは、プロセッサと命令を格納するメモリとを含み、この命令は、プロセッサによって実行された時に、1又は2以上のセンサで生体機能に関連付けられた信号を検出する段階、信号を処理して表現を作成する段階、表現に基づいてエフェクタ応答を送出する段階、及び生体機能を制御する段階を含む作動を実行する。

0043

別の態様において、生体信号を使用してデバイスを制御するためのシステムを提供し、システムは、プロセッサと命令を格納するメモリとを含み、この命令は、プロセッサによって実行された時に、1又は2以上のセンサを使用して身体から生体信号を検出する段階、センサからの感知された生体信号を電子表現に変換する段階、及び認識可能なフォーマットで電子情報を出力して電気機械的にデバイスを制御する段階を含む作動を実行する。

0044

別の態様において、視覚機能を測定するためのシステムを提供し、システムは、プロセッサと命令を格納するメモリとを含み、この命令は、プロセッサによって実行された時に、生体知覚活動の生体信号を検出する段階、これらの信号を処理して知覚の定量的尺度を与える段階、知覚活動の表現を作成する段階、及び任意的にこの表現を使用して最適治療を決定する段階を含む作動を実行する。

0045

別の態様において、特定の人間パフォーマンスを改善するためのシステムを提供し、システムは、プロセッサと命令を格納するメモリとを含み、この命令は、プロセッサによって実行された時に、特定の機能を担う脳の各部分に関連付けられた身体の領域を識別する段階、身体の領域に近接して低エネルギ刺激電極を置く段階、電極を通して刺激を印加し、脳の各部分を活性化する段階、及び脳の各部分に関連するパフォーマンスの変化を測定する段階を含む作動を実行する。

0046

一部の実施形態を添付の図面の図に例示的にかつ制限ではなく示している。

図面の簡単な説明

0047

生体及び非生体信号のセンサ、特定の神経機能の記号的表現、又は「暗号化神経系」を生成する処理ユニット、及び神経機能を変更又はデバイスを制御するための制御ユニットを含む本発明の概略図を示す図である。
生体及び非生体感知信号に対する本発明の一般的な機能を示す流れ図である。
生体感知信号に対する本発明の機能を示す流れ図である。
非生体(外部)感知信号に対する本発明の機能を示す流れ図である。
神経系の運動(筋肉制御)機能を強化するための一実施形態を示す流れ図である。これは、脚の筋肉機能、強化(例えば、軍事又はスポーツに使用)又は医療目的(例えば、発作後)に対して示している。
神経系の感覚知覚/知覚を強化するための一実施形態を示す流れ図である。これは、覚醒、強化(例えば、軍事又はスポーツに使用)、医療目的(例えば、眠気又は昏睡モニタリング)又は消費者の安全(例えば、フィードバックデバイスを制御するために操作中の眠気を識別する)に対して示されている。
感覚知覚を置換するか又は強化するための別の実施形態を示す流れ図である。これは、聴覚に対して示され、本発明は、聴覚を強化して聴覚機能を別の神経機能で置換する。
現在存在していない知覚機能を提供するための別の実施形態を示す図である。これは、生物毒素生体センサからの知覚を統合することに関して示されている。
デノボ機能を提供するために本発明と暗号化神経系を使用する別の実施形態を示す流れ図である。図示は、この目的で人工コンピュータをプログラムする代わりにパターン認識を実行するために神経系の使用されていないコンピュータ的な機能を使用している。
コンピュータシステムの例示的な実施形態のブロック図である。

実施例

0048

神経系の機能を強化及び修正するためのシステム、方法、及びデバイスが本明細書に開示する。以下の説明では、解説の目的で、例示的実施形態の完全な理解を提供するために多数の特定の詳細が示されている。しかし、例示的実施形態は、開示する特定の詳細の全てがなくても実施することができることは当業者には明らかであろう。様々な実施形態の様々な構成要素、要素、及び/又は段階を結合することができることも明らかである。

0049

図1は、人間の神経系の機能を修正及び強化するための例示的システムを示している。特に、例示的システム100は、生体センサ104から及び外部センサ110からの外部信号にアクセスするように構成される。

0050

生体センサ104は、限定されないが、経皮的又は侵襲的な神経活動(神経電気活動)、筋肉電気活動ミオポテンシャル)、機械活動機械受容体)、皮膚抵抗身体化学反応の尺度)、体温代謝活動及び他の病状の尺度)、身体pH(皮膚、口、又は胃腸又は性尿器の他の領域から)、酵素プロファイル(例えば、消化器官プローブから)、DNAプロファイル(例えば、口の内側の遺伝子チップ)、心拍換気(呼吸)数、又はあらゆる他の身体信号のセンサを含む。

0051

外部センサ110は、個人から、別の個人から、又は信号のデータベース118からの生体信号を検出することができる。

0052

外部センサ110は、限定されないが、圧力/物理的な動き(触覚、接触知覚)、温度(熱知覚)、音(聴覚知覚)、可視スペクトルにおける電磁放射(視覚)、動き(筋肉機能及び均衡の尺度)を含む正常に感知されるものを含む多くのタイプの情報を提供することができる。

0053

外部センサ110は、限定されないが、不可視電磁スペクトルガンマ放射X線電波)、人間に対する正常な生理的範囲(大体20Hzから20kHz)の外側であるが動物によって感知される範囲(例えば、は高い周波数を感知することができる)を含む音波を含む正常に感知されない正常な知覚以外に関する情報も提供することができる。

0054

外部センサ110は、限定されないが、一酸化炭素又は過度二酸化炭素放射線の種類(アルファ及びベータ放射線など)、食中毒(O157)に関連付けられた大腸菌の毒のような生物毒素、炭疽菌又は他の媒介物のような毒を含む正常に感知されない情報を提供することができる。明確にそのような情報は、軍事及びセキュリティへの応用に対して価値がある。

0055

図1では、信号(内部又は外部)は、無線で又は接続された通信を通じてのいずれかで分析データベース118へのアクセスを有するコンピュータデバイス116と調和して機能する信号処理デバイス114に送出される。コンピュータ及び信号処理デバイスは制御デバイス120と通信して、制御デバイス120が生体デバイス(例えば、身体機能の身体部分)108又は外部デバイス112(例えば、遠隔制御、医療デバイス)を直接制御する。センサ及びエフェクタデバイスを備えたコンピュータ信号処理及び制御デバイスが、「暗号化神経系」(ENS)を共に形成する。

0056

図2は、「暗号化神経系」の本発明のプロセスを詳細に示している。信号は、非生体(210)又は生体(215)のいずれかとして感知される(205)が、これらの信号を結合及び多重化することができる。

0057

図2では、要素220は、ENSの中枢神経系として機能するコアコンピュータ的要素である。このコンピュータ的要素は、信号と生体機能の間の記号的関係を形成する。この記号的関係は数学的である。注意すべきは、この関係が体験的かつ機能的であることであり、機能の詳細な神経生理学的マッピングに基づかないことである。これはまた、主な「古典的」神経ループに必ずしも基づかない。例えば、脚に十分な痛みがあると、身体の他の部分に神経活動を発現させる。これは、身体の使い易い部分のセンサから「痛みに関連付けられた」知覚として感知される。体験的機能関係は数学的であり、決定論的(例えば、数式に基づく)とすることができ、又は神経ネットワークなどを通じて訓練/学習することができる。

0058

最も単純なケースでは、記号的関係は、信号Xが機能Yを引き起こすマトリックスであり、例えば、脚のセンサ/感覚神経によって感知された痛みのような不快な刺激(X)が、同じ脚を引っ込める運動神経の活動(Y)を引き起こす。この機能は、脚の感覚の詳細な神経生理的表現(体性感覚皮質、後部中心脳回)、又は脚を制御する正確な神経に基づくデバイスでは表現されない。代わりに、この機能は体験的にマップされ、痛みの刺激に関連付けられたあらゆる神経の知覚が、脚を引っ込めてしまうアクションをもたらすことができる。

0059

本発明の本方法の利点は、あらゆる特定の刺激の多面的な効果を利用することである。例えば、急性の痛みの刺激は、刺激の発生個所から離れた神経の活動を引き起こすことが多い。従って、アクセスできない脚の痛みは、アクセス可能胸壁のような知覚からかなり離れた神経活動から感知される。

0060

図2では、段階220の後に、機械的アクション(225)又は生体アクション(230)が続く。例えば、感知された不快な刺激が、脚(生体230)を動かすためのエフェクタ機能を生じるか、又は鎮痛薬物療法又は治療(デバイス225)を管理するためにデバイスを制御することができる。以下に説明する他の例では、刺激が義肢を動かすか(機械225)又は生体機能(230)を変えることができる。

0061

図2は、正確なアクションがデバイス又は身体機能との相互作用を定義することによってENSによって決定されることを示す(段階235)。これは、本発明の望ましい機能に応答してプログラムされる機能である。次に、これは、デバイス(245)又は身体機能(250)との相互作用をもたらすエネルギ適用(段階240)を要求する実際の出力を生成する。

0062

従って、図2は、プログラムされた方式で感知された機能とエフェクタ機能を対にする並行人工中枢及び末梢神経系として本発明を要約している。最も単純なケースでは、感知される及びエフェクタ機能は、脚からの痛みのある刺激を感知して足を遠ざけるような自然の生理的機能である。複雑で実際的な方式では、本発明は、正常な機能を強化する(パフォーマンス強化)、損なわれた機能を強化して病気又は正常な機能が現れない場合(例えば、戦場又は他の制約のある状況で)を治療する機能を提供する。

0063

図1及び図2に説明した本発明は、ある一定の感知された信号がどのように損傷を引き起こしたかという一般的な情報を要求し、治療機能の感知及び送出を較正することができる。例えば、一酸化炭素への露出は危険であり、この毒は感知されないことが多い。OSHAのような米国連機関は、50ppmの長時間の職場での露出レベル最高制限を設け、100ppmの「許容限度」を設けている。800ppmの露出(0.08%)は、めまい吐き気をもたらし、45分以内に痙攣をおこし、2時間以内に人は意識がなくなる。本発明は、この毒素を早期に検出して暗号化神経系を通じて生体自己制御を引き起こし、従って、工業環境で極めて実用的な意味合いを有することができる。限定されないが、化学物質生体毒素、放射線、電気刺激視覚刺激、及び聴覚刺激を含む様々な刺激への「安全な露出」対「違法な露出」の閾値を識別するために他の計算図表が予想される。本発明は、フィードバック機構を感知及び提供し、更に治療又は安全な環境を生成するためにそのような実際的な応用を開発する方法及びシステムを提供する。

0064

感知された生体又は外部信号は、いずれかのプログラムされた生体又は外部デバイス機能と対にするために工学的人工「暗号化神経系」ネットワークを使用することによって人間の新しい機能を総合的に生成するために図1及び図2に説明した本発明を使用することができる。従って、本発明は、身体の自然の神経系に並行して作動する人工頭脳神経系の実施形態を形成する。これらの神経系が並行であるか又は統合される程度は、感知される信号がマルチプレクサされエフェクタ「制御」信号が結合される程度に応答して変わる。
例を以下に説明する。

0065

従って、図1及び図2で説明した本発明は、今まで利用できなかった、すなわち、規則的な日常生活のあるレベルで実際に観察される可塑性のプログラム制御を提供する。感覚生理学の領域において、訓練によって人は、前に存在していたが登録/認識されていない感覚を知覚することができるようになる。例は、音を感知するための音楽訓練、又はかすかな音又は視覚キューを感知するための戦闘訓練を含む。運動制御の領域では、身体的訓練により、個人は、前に使用されていなかった筋肉群を使用することができるようになる。病気の領域において、正常な「聴覚機能」が、中枢神経系の病気になっていない領域に、発作用に失われた機能を引き継がせるか(皮質の可塑性)、又は影響を受けていない末梢神経に外傷又は神経障害のために失われた神経の機能を引き継がせる(末梢皮節の拡大/可塑性)。

0066

本発明は、現在アクセスされない(例えば、軍事的戦闘で)又は利用できない(例えば、病気のために)身体の他の領域に正常に確保される機能を感知して作用させるように身体の望ましい及び示される領域をプログラムすることによって正常な可塑性を大幅に強化する。

0067

本発明は、外部センサ(例えば、正常に聞き取れない音の周波数又は感覚)又はデバイス(例えば、義肢、他の電子デバイス)をENSに統合することによって正常な可塑性を大幅に進歩させる。

0068

従って、正常な生理的範囲の外側を感知するセンサを統合するデバイスが使用されて正常な生理的知覚の範囲を強化する場合に、本発明は、従来の知覚の機能を改善及び強化することができる。例えば、周波数スペクトルの「人間が聞き取れない」部分の信号を検出して、この信号を可聴範囲に変換し、この信号をデバイスを使用した骨伝導を通じて送信することで、プライベートコミュニケーション、暗号化、レクリエーション又は他の目的に使用することができる。医療的には、本発明を使用して聴覚損失を補償することができる。振動のセンサを備えた本発明を使用すると、この知覚を身体の異なる部分の損なわれていない知覚に送信することによって末梢神経障害のようなある神経系疾患におけるこの知覚の損失を補償することができる。

0069

重要な安全問題をこのステージで挙げておかなくてはならない。危険又は他に望ましくない機能は本発明と共に観察されていないが、ある制限を設けなければならない。最初に、デバイスによって提供される刺激の強度は、苦痛があるか又は危険なレベルに達しないように制御することができる。次に、知覚入力は、不安になるような又は望ましくないレベルに達しないように制御することができる。第3に、要求されたように使用されるいずれのセンサ又はデバイス(エフェクタ)も、許容可能かつ試験された安全プロファイルを有することができる。

0070

図3は、ENSが生体信号(305)を感知してこの情報に基づいてエフェクタ機能を完成させる流れ図を示している。第1の段階は、上述のような記号モデルである(310)。これは、神経生理学に一般的な古典的で詳細な方式ではないが感知された信号を機能にマップする段階を伴う。これは、実際的なマッピング段階であり、2次領域が容易にアクセス可能である場合は機能に関連付けられた2次領域のマッピングで十分である。

0071

図3では、段階315は、既存の運動神経(感知される生体信号)によって制御される機能を変換する。段階320で、感知された信号は、「再経路指定」され、人工装具デバイス又は別の筋肉群を制御する。例えば、切断患者の場合に、脚に入力された運動神経のシグナチャーが、切断箇所の上の皮膚から検出される。皮膚上の感知される神経活動の範囲は、一般的に7−15Hz(正確な神経に応答して)になる。これらの信号を検出して義肢の特定の動きにこれをマップすることで、この四肢の制御を可能にすることができる。この制御は、次の訓練、例えば、個人が切断された四肢を曲げようとする挙動訓練、及びこの人の義肢を曲げようとする皮膚信号の感知を要求することができる。類似の個別化マッピングを使用して、人工器官の他の動きを訓練する。従って、本発明は、個別化された「暗号化神経系」の一実施形態を表している。

0072

図3では、段階325は、運動パフォーマンスを改善するための個別の機能である。筋肉を制御する神経の電気刺激がその筋肉を刺激することができることは公知である。この神経活動の周波数及び振幅はある一定の範囲にあるが、個人に対して固有である場合がある。従って、このENS機能は、例えば、大腿四頭筋を制御する運動神経活動を感知する。この筋肉の収縮及び弛緩に関連付けられた皮膚の領域の神経活動の周波数及び振幅は、個人に対して格納される(記号表現の一部)。次に、外部デバイスが使用され、プログラム的な方法でこの機能を反復する。これは、休息中に筋肉を刺激して、筋肉機能を改善するアイソメトリックエクササイズを実行するために使用することができる。これはまた、代謝速度を上げて体重を低減することができる。

0073

図3では、段階330は、生体運動活動をリタスクしてデバイスを制御する別の個別の機能である。例えば、電子デバイスの遠隔制御ユニットを制御するために実際に指を動かす代わりに、ユーザは、指を動かすのに十分なエネルギを使い果たすのではなくその指を動かそうとするだけでよい。指のセンサがこの運動刺激低振幅である場合がある)を感知するように調節されて、ENSの記号表現が、これを再生、停止、繰り出し、又は他の機能を表す信号に変換して、前記消費者遠隔制御ユニットを制御するために送信する。明確には、この機能は、「再生」機能を表すために顔の一部を動かすように個人を訓練すること、センサにこの機能を変換させること、同様に身体の他の代理領域及びリタスクされた機能に強化することができる。

0074

図3では、段階335は感知された信号の変換である。これは、本発明の別の機能である。段階340は、感知された信号の強化を伴う。例は、正常に感知される範囲の外側を感知するセンサを使用して生体知覚を増強する段階を伴うパフォーマンスの改善である(段階345)。例えば、周波数スペクトルの「人間が聞き取れない」部分のセンサを使用して信号を検出すること、信号を聞き取れる範囲に変換すること、及びこの信号を振動(骨伝導)を通じてデバイスを使用する脳の聴覚領域(聴覚皮質)に送信することは、プライベートなコミュニケーション、暗号化、レクリエーション又は他の目的に使用することができる。医療的には、本発明を使用して聴覚損失を補償することができる。振動のセンサを備えた本発明を使用して、この知覚を身体の異なる部分の損なわれていない感覚に送信することによって末梢神経障害のようなある神経系疾患におけるこの知覚の損失を補償することができる。

0075

パフォーマンス改善の別の例(段階345)は、覚醒レベルを上げることである。側頭領域及び他の機能に固有のゾーンにおける頭皮の刺激は、これらの領域における脳の活動を上げることができる。本発明は、そのような刺激を目覚めている状態(すなわち、覚醒)の記号表現に対して調整する。勿論の結果として、眠気はENSを通じて感知することができ、フィードバックループの一部として使用して皮下デバイスを配置することができる身体のあらゆる場所で低強度刺激を起動することができる。これは、運転中に、昏睡前の状態又は薬物過剰摂取中の集中治療室で、及び過度のアルコール又は薬物摂取のモニタとして眠気を検出及び防ごうとする段階を含むいくつかの用途を有する。

0076

センサは、広範囲の周波数を生成する脳波検査(EEG)などを使用して神経細胞の大きい群から覚醒対眠気を検出することができる。例えば、EEG信号は広範囲のスペクトルコンテンツを有するが、特定の発振周波数提示する。アルファ活動帯域(8−13Hz)は、くつろいで目覚めている状態の後頭葉から(あるいは、本発明では頭皮の後頭部上に配置された電極から)検出することができ、眼を閉じた時には上昇する。デルタ帯域は1−4Hzであり、シータは4−8Hzであり、ベータは12−30Hzであり、ガンマは30−70Hzである。高速EEG周波数は、思考(認知処理)及び覚醒にリンクされ、EEG信号は睡眠中及び昏睡及び酒酔いのような眠気の状態の間は遅くなる。

0077

図3では、段階350は、デノボ知覚機能のために本発明を使用する。一例は、デジタル又は人工頭脳「第六感」を生成することであり、すなわち、刺激の延長されたセットを感知するために外部センサを使用して既存の5つの知覚に追加することである。センサのセットは無限に近いが、アルファ又はベータ放射線のセンサを含む工業又は軍事使用分野に特に関連したいくつかを含む。感知された状態で、ENSはこの信号を比較的使用されない皮膚領域、例えば、腰部への皮膚パッチを通じて送出される振動のような既存の感覚に変換する。アルファ又はベータ粒子に露出される戦闘兵士は、腰部の振動のプログラマブル/訓練可能なセットとして放射線を「感じる」ことになる。同様に、一酸化炭素又は他の呼吸の危険のセンサを「第六感」として、例えば、鼻孔低周波振動として変換することができる。本方法は、これらの機能の自然の神経系を本質的に再プログラムするためにENを使用するので視覚的な読取又は他の既存のデバイスよりも有効である。

0078

図4は、非生体信号が感知され(段階405)及び「暗号化神経系」によって処理される実施形態の流れ図を示している。身体機能と感知された信号間の記号的表現は、個人に対して潜在的に調整されているにもかかわらず一般的な形態の外部信号を組み込むために、非個別化ENSに強化される(段階410)。このENSは、複数の個人のデータベースから、又はソーシャルネットワークによって接続された複数の人からの情報が機能を提供するのに使用されるクラウドソーシングのような技術によって獲得される。

0079

図4の段階415は、感知された外部(非生体)信号に関連付けられたようにプログラマブル身体機能を設計する段階を伴う。この機能は、段階420で義肢のようなデバイスの運動制御を含むことができる。別の例は、更に大規模なものであり、外部起動信号を使用して既存の自然の筋肉群の機能を改善することである(項目430)。説明するように、骨格筋は、一般的に、7−15Hzの周波数の神経活動によって刺激される(正確な神経分布によって異なり、Dorman他の脳波検査及び臨床神経生理学、1989年73、215−224を参照されたい)。この刺激を提供することは、刺激することによって筋肉強度を上げることができ、例えば、プログラマブル信号からの脚の筋肉のパフォーマンス改善を可能にする。医学的な例は、横隔神経及び従って横隔膜を刺激するデバイスを起動するために酸素脱飽和の外部センサを有することにより、中枢性睡眠時無呼吸を治療することになる。これは、重大な臨床的意味合いを有する。

0080

図4の段階425で、本発明は、知覚機能におけるパフォーマンスを改善するために外部信号を使用する。既に使用した例では、正常な周波数範囲の外側の聴覚信号の外部センサを使用することによって聴覚を強化することができ、乳様突起の近くに配置された(例えば、眼鏡フレームに取り付けられた)デバイスを使用して内耳蝸牛神経に骨伝導を通じて送出される振動として正常な周波数範囲に変換する。

0081

図4の段階440で、本発明は、暗号化神経系の全プロファイルを利用して、外部の感知される信号を内因性神経機能と対にすることによって新しいプログラマブル機能を生成する。段階445のパフォーマンス改善(知覚又は運動)の例については既に議論した。

0082

図4の段階450で、本発明は、デノボ機能を提供することができる。脳の処理パワーの大部分はいずれの与えられた時間にも休止状態にあるが、日中の活動中意識下で起動されることがある(例えば、白日)。ENSは、この機能にプログラム的にアクセスして、コンピュータとして内因性神経系を使用することができる。人間の脳/神経系が特に熟達している1つのタスクがパターン認識である。顔、空間パターン及び他の複雑なデータセットの認識は、多くの人工コンピュータよりも十分に人によって行われる。選択された例では、画像への繰り返される露出を通じてこのパターンを感知するように個人を訓練する。この画像に対する生体反応(記号的表現)が、側頭又は前頭頭皮上のセンサによって感知される。これは体験的マッピングであり、脳/頭皮の2次的に活性化される領域を表すだけで十分である。これが達成された状態で、次に、パターン又は類似のパターンの感知が、前記反応を意識下で引き起こし、これが感知されて「1」又は「0」として符号化され、デバイス(例えば、パターン分類コンピュータ)を制御するか又はある一定の機能、例えば、これが危険なパターン/画像である場合は起動するようなある一定の機能を引き起こすことができる。

0083

図5の流れ図は、脚の動きを変換するための好ましい実施形態を示している。1次運動領域の近く(頭皮、対側中心前回の上側部分の近く)又は2次領域で感知された運動神経機能の記号モデルが、段階510で複数の脚の動きに関連付けられる。関連付けられた状態で、外部感知信号(段階515)又は脚の機能に正常では関連付けられない信号(例えば、ある一定のタスクで脚を動かすことができない脚の病気を有する患者又は兵士の人差し指を動かす)、又は既存の信号(段階520)を使用してこの機能マッピングを再プログラムすることができる。段階525で、信号マルチプレクサは、望ましいプログラム機能を制御するために関連付けられないか又は関連付けられた信号を数学的に関連付けることができる。段階530では、これが、生体の脚の機能の強化である(例えば、必要に応じて経皮/直接電気刺激を通じて)。段階535で、これは義肢の制御を通じたものである。

0084

図6は、感覚的覚醒を強化するための実施形態を提供する。段階は、上述の例に類似である。例えば、側頭領域における頭皮で感知される神経活動の記号モデルが、段階610で変化する覚醒レベル(自己申告又はモニタされる)に体験的に関連付けられる。この機能マッピングは、外部感知信号(段階615)又は正常には覚醒に関連付けられない信号(例えば、特定の聴覚感知周波数)、又は既存の頭皮信号(段階620)を使用して再プログラムされる。段階625で、信号マルチプレクサは、関連しないか又は関連する信号を数学的に関連付け、望ましい機能、覚醒レベルを上げるための頭皮の電気刺激をプログラムする(段階630)。段階635は、眠気、昏睡又は毒素摂取を感知及び阻止するために警報を提供するか又は刺激された機能(暗号化神経系における人工/人工頭脳フィードバックループを閉じるため)を実際に生じることができる覚醒モニタを提供する。

0085

図7は、知覚機能、このケースでは聴覚パフォーマンスを強化するための実施形態の流れ図である。段階710は、容易にアクセス可能なセンサ(だけでなく潜在的に2次的に関連付けられた皮膚領域)からの感知信号を使用して記号表現を形成する。段階715は、周波数スペクトルの「人間が聞き取れない」部分の正常に感知される範囲の外側を感知するセンサを使用する。段階720は、正常に聴覚に関連付けられた信号を使用する。段階725は、マルチプレクサ又は制御論理を使用して、デバイスを使用して脳の聴覚領域(蝸牛神経/聴覚皮質)に振動(骨伝導)を通じて送信される信号を聞き取れる範囲に変換して(段階730)、プライベートなコミュニケーション、暗号化、レクリエーション又は他の目的に使用することができる。医療的には本発明を使用して聴覚損失を補償することができる。振動のセンサを備えた本発明を使用して、身体の異なる部分の損なわれていない知覚部分にこの感覚を送信することによって末梢神経障害のようなある神経系疾患におけるこの感覚の損失を補償することができる。段階735は、この信号を異なる「代理」知覚に変換する。

0086

図8は、ENSを使用して自然に存在しない機能を個別化生体自己制御ループ、このケースでは毒の感知に統合する実施形態を示している。例は、二酸化炭素、色がなく、臭いがなく、味がなく、かつ最初は刺激がなく、人が感知するのは非常に困難である毒ガス吸入を含む。別の例は、病気の症状及び兆候が数時間後、数日後、又は数週間後に発生するまで感知されない生物毒素の露出である。「第六感」を提供する本発明の方法(段階805)は、毒素が特定のセンサからの直接信号を生成(段階810で感知)及び本発明で融合される(又はマルチプレクサされる)関連付けられた生体信号(段階815)の両方を生成することがあるので人工頭脳である。専用センサからの直接信号の例(要素810)は、一酸化炭素の化学感知、又は感染体ウイルスバクテリアキノコ類)の生物学的検定法である。理想的には、このセンサは実質的にリアルタイムで作動するが、これは要件ではなく、単純なケースでない場合に、ゆっくりとしたリアルタイムではない信号を提供する。生体信号を一酸化炭素、従来的には「感知されない」と考えられる毒素に関連付ける例は、一酸化炭素からのヘモグロビンの特定の鮮紅色色変化及び一酸化炭素が酸素結合イトに結び付く時に生じる酸素化ヘモグロビンにおける非特定低減である。

0087

図8は、本発明の暗号化神経系が直接及び関連付けられた生体感知信号間の連想記号的表現(段階820)を形成することを示している。記号的関係は、感知される信号と一酸化炭素又はヘモグロビンの鮮紅色変色の関連付けられた生体信号と生体的に関連のある濃度との定量的関連のような直接的な数学的変換を含むことができる。記号的関係は、人工的神経ネットワーク又は他のパターン学習又は関係方式を使用して、例えば、上昇した心拍又は酸素脱飽和を毒素にリンクさせることができる。

0088

図8の段階825で、信号は、いずれの特定の毒素に対する記号的表現でも定義されるように非線形分析様式で多重化される。次に、コンピュータ論理が、生体又は人工エフェクタデバイスを制御するのに使用される。いくつかの治療又はモニタ機能は、生体自己制御ループを閉じるようにプログラムすることができる。例えば、正常では感知されない毒素からの信号は、自然に感知される「チャネル」の特定の信号に変換することができ(段階830)、例えば、鼻孔の皮膚の低強度振動(直観的に吸入にリンクされる)、又は正常には脱酸素に関連付けられた頭皮領域の皮膚の刺激である。この後者の生体自己制御は、人に関連付けられた訓練からの情報(個別に暗号化された神経系に寄与)、又は関連の刺激(ここでは脱酸素)を生体信号に関連付ける多くの人からの記号的表現のデータベースを使用する。これは、人口ベース、又は潜在的にクラウドソース暗号化神経系の例である。別の生体自己制御選択肢は治療(段階835)であり、制御信号をデバイスに送信することによる解毒剤の送出である。一酸化炭素の露出に対して、治療は、酸素濃度の増加(極端なケースでは高圧酸素を使用する)及びメチレンブルーの管理を含む。

0089

感知される信号の悪影響の計算図表は、暗号化神経系からの治療機能の感知及び送出を較正するのに使用される。一酸化炭素では、100ppm(0.01%)又はそれよりも多くの露出は、人間の健康に対して危険になる。従って、米国では、OSHAのような政府機関が、50ppmの長時間職場露出レベルに最高制限を設けているが、個人は、100ppmの上限(「最高限度」)に露出すべきではない。800ppmの露出(0.08%)は、めまい、吐き気をもたらし、45分以内に痙攣をおこし、2時間以内に意識がなくなる個人もある。明確には、この毒素の早期の検出は、例えば、工業環境では極めて実用的な意味を有することになる。限定されないが、化学物質、生物毒素、放射能、電気刺激、視覚刺激、及び聴覚刺激を含む様々な刺激への「安全な露出」対「違法な露出」の閾値を識別するために他の計算図表を開発することができる。

0090

図9は、暗号化神経系が、自然の神経系の処理パワーにアクセスして任意のタスク、このケースではパターン認識の実行を可能にする実施形態の流れ図を提供する(段階905)。本発明のこの実施形態は、3つの概念に基づいている。最初に、脳は、最も強力かつ十分にプログラムされた人工電子コンピュータよりも一部のタスクにおいて効率的であるということである。パターン認識、例えば、顔認識は、非常に高度なプログラミングを備えたコンピュータによっては次善であるが、多くの個人によって容易に達成される優れた例である。次に、提供された刺激からの脳の出力を感知することができるということである。第3に、脳が、この目的でアクセス可能な未使用機能を有するということである。この第3の項目は、安全性の制限を提供するが、パターン認識のケースでは、本発明は、感情的に有害又は傷つきやすい画像又はデータを生体符号化するために使用してはならない。

0091

段階910及び915は、パターン(例えば、顔)を生体感知反応、例えば、脳の前頭葉の上、又は「認識」を示す前額部の上の頭皮の神経の活動に数学的にリンクする。これは、このタスクに対する暗号化神経系の要素を生成するのに使用される(段階920)。これは個別化されるが、複数の人(人口、クラウドソース)暗号化神経系からの入力を取ることができる。このリンクが行われた状態で、次に、パターンの提示は、デバイスを制御する(段階930)(例えば、外部コンピュータ分類器)又は代理感覚を通じて個人を刺激する(段階935)(例えば、認識されたパターンが感知された場合の左上腕の振動)のために「1」(認識)又は「0」(認識せず)を送出するように段階925に使用される「感知」生体パターンをもたらす。本発明の使用は、純粋なバイオコンピュータ(良く知っているか又は具体的でない形状/コードのパターン認識)、特定の人の顔の公式の符号化及び強化メモリ、及び敵のパターン/顔だけが特定の代理感覚を発現させるか又はデバイスを起動するようなセキュリティを含む。パターンの認知認識を待つことよりも優れているこの1つの方法の他の利点は、これが「背景処理」として機能することができる及び/又は高速パターン認識を提供することができるということである。

0092

図10は、一般的なコンピュータシステム1400の例示的な実施形態のブロック図である。コンピュータシステム1400は、図1の信号処理デバイス114及びコンピュータデバイス116とすることができる。コンピュータシステム1400は、コンピュータシステム1400に本明細書で開示する方法又はコンピュータベースの機能のいずれか1又は2以上を実施させるために実行することができる命令のセットを含むことができる。コンピュータシステム1400、又はこのあらゆる部分は、独立型デバイスとして作動させることができ、又は例えばネットワーク又は他の接続を使用して他のコンピュータシステム又は周辺デバイスに接続することができる。例えば、コンピュータシステム1400は、信号処理デバイス114及び分析データベース118に作動させることができるように接続することができる。

0093

図1−9に示す作動において、本明細書に説明する暗号化神経系(ENS)を生成及び使用することによる身体の神経系の修正又は強化は、正常な個人におけるパフォーマンスを強化するか又は患者の失われた機能を回復又は治療するために使用することができる。

0094

コンピュータシステム1400は、パーソナルコンピュータ(PC)、タブレットPC、携帯情報端末(PDA)、移動デバイスパームトップコンピュータラップトップコンピュータデスクトップコンピュータ通信デバイス、制御システム、ウェブ機器、又は使用する機械によって取られるアクションを指定する命令のセットを(順次又はそれ以外で)実行することができるあらゆる他の機械のような様々なデバイスとして実施することができ、又はその中に組み込むことができる。単一コンピュータシステム1400が示されているが、「システム」という語は、1又は2以上のコンピュータ機能を実行するために命令のセット又は命令の複数のセットを個々に又は一緒に実行するシステム又はサブシステムのいずれの集合を含むように用いられることもある。

0095

図14に示すように、コンピュータシステム1400は、プロセッサ1402、例えば、中央処理ユニット(CPU)、図形処理ユニット(GPU)、又はこれらの両方を含むことができる。コンピュータシステム1400は、バス1426を通じて互いに通信することができる主メモリ1404及び静的メモリ1406を含むことができる。図示のように、コンピュータシステム1400は、液晶ディスプレイ(LCD)、有機発光ダイオード(OLED)、フラットパネルディスプレイ固体ディスプレイ、又はブラウン管(CRT)のようなビデオディスプレイユニット1410を含むことができる。更に、コンピュータシステム1400は、キーボードのような入力デバイス1412、及びマウスのようなカーソル制御デバイス1414を含むことができる。コンピュータシステム1400は、ディスクドライブユニット1416、スピーカ又は遠隔制御のような信号発生デバイス1422、及びネットワークインタフェースデバイス1408を含むことができる。

0096

本発明は、図14に示すように、ディスクドライブユニット1416を含むことができ、ディスクドライブユニット1416は、命令の1又は2以上のセット1420、例えば、ソフトウエアを組み込むことができるコンピュータ可読媒体1418を含むことができる。命令1420は、本明細書に説明する方法又は論理の1又は2以上を実行することができる。特定の実施形態において、命令1420は、コンピュータシステム1400による実行中に、主メモリ1404、静的メモリ1406内に及び/又はプロセッサ1402内に完全に又は少なくとも部分的に存在することができる。主メモリ1404及びプロセッサ1402は、コンピュータ可読媒体を含むことができる。

0097

本発明は、特定用途向け集積回路プログラマブル論理アレイ、及び他のハードウエアデバイスのような専用ハードウエア実施を含むことができ、かつ本明細書に説明する方法の1又は2以上を実施するように構成することができる。様々な実施形態の装置及びシステムを含むことができる用途は、様々な電子及びコンピュータシステムを広義に含むことができる。本明細書に説明する1又は2以上の実施形態は、モジュール間で及びモジュールを通じて又は特定用途向け集積回路の一部として通信することができる関連の制御及びデータ信号を備えた2又は3以上の特定の相互接続されたハードウエアモジュール又はデバイスを使用して機能を実施することができる。従って、本発明のシステムは、ソフトウエア、ファームウエア、及びハードウエア実施を包含する。

0098

本発明によれば、本明細書に説明する方法は、プロセッサ可読媒体に有形に組み込まれるソフトウエアプログラムによって実施することができ、かつプロセッサによって実行することができる。例示的非制限的実施形態において、実施は、分散プロセスコンポーネントオブジェクト分散プロセス、及び並行プロセスを含むことができる。代替的に、本明細書に説明する方法又は機能の1又は2以上を実施するように仮想コンピュータシステムプロセスを構成することができる。

0099

コンピュータ可読媒体は、命令820を含み、又は伝播された信号に応答して命令1420を受信及び実行することも考えられ、それによってネットワーク1424に接続されたデバイスは、ネットワーク1424を通じて音声、ビデオ、又はデータを伝達することができる。命令1420は、ネットワークインタフェースデバイス1408を通じてネットワーク1424上で送信又は受信することができる。

0100

コンピュータ可読媒体が単一媒体であるように示されているが、「コンピュータ可読媒体」という語は、集中化又は分散データベース、及び/又は命令の1又は2以上のセットを格納する関連付けられたキャッシュ及びサーバのような単一媒体又は複数の媒体を含む。「コンピュータ可読媒体」という語は、プロセッサによって実行する命令のセットを記憶、符号化、又は担持することができ、又は本明細書で開示する方法又は作動のいずれか1つ又はそれよりも多くをコンピュータシステムに実行させるあらゆる媒体を含む。

0101

特定の非制限的例示的実施形態において、コンピュータ可読媒体は、1又は2以上の不揮発性読取専用メモリを収容するメモリカード又は他のパッケージのような半導体メモリを含むことができる。コンピュータ可読媒体は、ランダムアクセスメモリ又は他の揮発性再書込み可能メモリとすることができる。更に、コンピュータ可読媒体は、送信媒体を通じて伝送される信号のような搬送波信号を保存するためのディスク又はテープ又は他のストレージデバイスのような磁気光学又は光学媒体を含むことができる。電子メール又は他の自己収容情報アーカイブ又はアーカイブのセットに添付されたデジタルファイルは、有形ストレージ媒体と同等の分散媒体と考えることができる。従って、データ又は命令を格納することができるコンピュータ可読媒体又は分散媒体及び他の均等物及び後継媒体のいずれか1つ又はそれよりも多くが本明細書に含まれる。

0102

本発明の実施形態によれば、本明細書に説明する方法は、コンピュータプロセッサで実行される1又は2以上のソフトウエアプログラムとして実施することができる。限定されないが、特定用途向け集積回路、プログラマブル論理アレイなどのハードウエアデバイスを含む専用ハードウエア実施は、同様に、本明細書に説明する方法を実施するように構成することができる。限定されないが、分散プロセス又はコンポーネント/オブジェクト分散プロセス、並行プロセス、又は仮想機械プロセスを含む代替のソフトウエア実施は、本明細書に説明する方法を実行するように構成することができる。

0103

開示する方法を実行するソフトウエアは、ディスク又はテープのような磁気媒体、ディスクのような磁気光学又は光学媒体、又は1又は2以上の読取専用(不揮発性)メモリ、ランダムアクセスメモリ、又は他の再書込み可能(揮発性)メモリを収容するメモリカード又は他のパッケージのような固体媒体のような有形ストレージ媒体に任意的に格納することができることに注意しなければならない。ソフトウエアは、コンピュータ命令を含有する信号を利用することができる。電子メール又は他の自己収容情報アーカイブ又はアーカイブのセットに添付されたデジタルファイルは、有形ストレージ媒体と同等の分散媒体と考えられる。従って、本明細書に列記した有形ストレージ媒体又は分散媒体、及び本明細書のソフトウエア実施を格納することができる他の均等物及び後継媒体が本明細書に含まれる。

0104

特定の例示的実施形態を説明したが、様々な修正及び変形が本発明の様々な範囲から逸脱することなくこれらの実施形態に実行することができることが明らかであろう。従って、明細書及び図面は、制限の意味ではなく例示的な意味に捉えるべきである。明細書の一部を形成する添付の図面は、例示的にかつ制限ではなく、主題を実施することができる特定の実施形態を示している。例示する実施形態は、本明細書に開示する教示を当業者が実施することができるように十分詳しく説明している。他の実施形態は、本明細書から利用及び取得することができ、それによって構造的及び論理的置換及び変更を本発明の開示の範囲から逸脱することなく実施することができる。従って、この詳細説明は、制限の意味に捉えるべきではなく、様々な実施形態の範囲は、特許請求の範囲に与えられる均等物の全範囲と共に特許請求の範囲によってのみ定められる。

0105

本発明の主題のそのような実施形態は、1よりも多くを実際に開示する場合にいずれかの単一発明又は発明概念に本出願の範囲を自主的に制限するように想定することなく、本明細書では個々に及び/又はまとめて単に便宜上「発明」という語によって呼ぶことができる。従って、特定の実施形態を本明細書で図示して説明したが、同じ目的を達成するために計算されるいずれの構成も示した特定の実施形態を置換することができることを理解しなければならない。本発明の開示は、様々な実施形態のいずれか及び全ての適応又は変形を網羅するように想定される。上述の実施形態のいずれか及び本明細書で具体的に説明していない他の実施形態の組合せを使用することができ、かつ本明細書において十分に予想されるものである。

0106

要約は、「37 C.F.R.§1.72(b)」に従って提供され、読者が技術的な開示の性質及び要点を迅速に確かめられるようにするものである。要約は、特許請求の範囲又は意味を解釈又は制限するのに使用されないという理解と共に提出されている。

0107

実施形態の以上の説明では、様々な特徴は、本発明の開示を概説するために単一実施形態にまとめて分類される。この開示の方法は、主張する実施形態が各特許請求の範囲に明示的に説明するよりも多くの特徴を有することを反映するように解釈すべきではない。逆に、特許請求の範囲が反映するように、革新的な主題は、単一の開示する実施形態の全ての特徴よりも少ない。従って、以下の特許請求の範囲は、これにより本明細書の実施形態の説明に組み込まれ、各特許請求の範囲は、個別の例示的実施形態としてそれ自体が独立している。

0108

104センサ
108エフェクタデバイス
110外部センサ
114信号処理デバイス
118 分析データベース

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