JP2008186335A

JP2008186335A - インターフェイス

Info

Publication number: JP2008186335A
Application number: JP2007020598A
Authority: JP
Inventors: Taro Maeda; 太郎前田; Hideyuki Ando; 英由樹安藤; Tomohiro Amamiya; 智浩雨宮
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-08-14

Abstract

【課題】脳波等の生体信号から時間遅れが少なく、確度の高い操作信号として利用できる情報を取得する。
【解決手段】生体１に予め定めた所望の周波数を持つ刺激を提示する。計測器２は生体が発生する生体信号を計測する。正弦波検出フィルタ３は計測器２が計測した計測信号Ｘ（ｔ）の中から生体に提示した刺激の周波数を持つ信号の有無を検出する。刺激の周波数を持つ信号が存在した場合、正弦波検出フィルタ３は位相・振幅調整器４に生体１を含む閉回路がその周波数で発振する条件を満たす位相情報と、振幅情報とを入力し、閉回路の発振を維持させる。発振の条件を満たす位相情報と振幅情報を出力値として利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、脳波計（ＥＥＧ）、脳磁波（ＭＥＧ）など人間の神経活動を計測する計測器により計測される生体信号を利用し、人間が身体動作によらずにコンピュータなどの機器を操作することを可能とするためのインターフェイス（ブレイン・マシン・インターフェイス／ＢＭＩ、あるいはブレイン・コンピュータ・インターフェイス／ＢＣＩ）に関する。

従来よりＢＭＩ或いはＢＣＩ等と呼ばれているインターフェイスの開発が試みられている。従来は生体が発生する生体信号を雑音を除去して増幅し、増幅された生体信号の変化を検出し、この生体信号の変化を抽出してインターフェイスの出力信号としている（非特許文献１、非特許文献２）。
http://lce.hut.fi/research/css/bci/ L.Kauhanen, T. Nykopp, J. Lehtonen, P. Jylanki, J. Heikkonen, P. Rantanen, H. Alaranta, M. Sams, EEG and MEG Brain-Computer Interface for Tetraplegic Patients, IEEE Trans on MeurSyst and Rehab, 14, 2, 190-193, 2006.

従来のＢＭＩのようなインターフェイスの手法では外来ノイズを除去するために十分な繰り返し計測と計測波形の加算平均の後にしか十分な検出精度を持ち得なかったために、計測精度と計測の所要時間のトレードオフが大きすぎた。このためにインターフェイスとして十分な時間応答を期待することが困難であった。

本発明の目的は時間応答を改善しつつ十分な計測精度を実現する。

本発明では、人間への視覚、聴覚、皮膚感覚などの刺激と脳波計測（ＥＥＧ）、脳磁界計測（ＭＥＧ）などの応答の間をゲインと位相遅れを調整できる構成にしてフィードバック接続を行うことで人間を含んだ閉回路による正弦波発振回路を構成し、この調整パラメータをもってインターフェイスの出力信号として用いる。これによってノイズ除去の信号処理に要する大きな時間遅れを回避して、素早い時間応答のインターフェイスを構成することを可能とする。

具体的には正弦波信号を増幅する可変利得増幅器と、正弦波信号の位相を調整する移相器とが縦続接続されて構成される位相・振幅調整器と、この位相・振幅調整器が出力する正弦波信号を手掛りに生体に感覚刺激情報を提示する提示器と、生体が発生する生体信号を計測する計測器と、この計測器が計測した計測信号から提示器で提示した感覚刺激情報に含まれる周波数を持つ正弦波成分と、この正弦波成分の振幅情報及び位相情報とを抽出し、これら正弦波成分及び振幅情報、位相情報を位相・振幅調整器に入力し、位相・振幅調整器と、提示器と、生体とを含む閉回路を正弦波発振状態に維持させると共に、正弦波発振状態を維持するための振幅情報及び位相情報を検出値として外部に出力する正弦波検出フィルタとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、閉回路が正弦波発振状態を維持する状態では正弦波の１周期の期間毎に、生体反応変化を検出することができる。この結果生体信号を観測した時点から短時間の間に生体反応に係わる振幅情報及び位相情報を得ることができ、応答性の高い検出信号を得ることができる。

更に、本発明によれば生体に対して所定の周波数の刺激を与え、この刺激の周波数成分の存在を検出し、刺激周波数により生体を含む閉回路を発振させ、閉回路の発振を維持するための振幅情報及び位相情報を検出値として出力させるから、この検出値は生体信号に重畳する雑音の影響を受けることはない。この結果、信頼性の高い検出値を得ることができる。

本発明を実施する場合、閉回路に含まれる生体を除く全ての構成をハードウェアによって構成することもできるが、最も簡素に実現するには少なくとも正弦波検出フィルタ、位相・振幅調整器をコンピュータによって構成する実施形態が最良である。

正弦波検出フィルタをコンピュータによって構成する場合、コンピュータには例えばフーリエ級数展開における係数算出プログラムをインストールし、係数算出プログラムをコンピュータに備えたＣＰＵで解読し、実行させることによりコンピュータを正弦波検出フィルタとして機能させる。
更に、位相・振幅調整器は可変利得増幅器と、移相器を構成するプログラムをインストールし、可変利得増幅器と、移相器とを縦続接続した構成で実現することができる。

生体を含む閉回路の正弦波発振条件は一周伝達関数のゲインが１、位相差が２ｎπ（ｎは自然数）を満たす状態で安定した正弦波発振状態を維持することができる。正弦波発振状態を維持するために位相・発振調整器に与える位相情報及び振幅情報の変動が生体の応答変化を表わす情報である。従ってこの位相情報及び振幅情報をインターフェイスの検出値として利用することができ、各種の機器の操作入力信号として利用される。

図１に本発明によるインターフェイスの実施例を示す。図中１は例えば人体のような生体、２は生体１から発生する生体信号を観測する計測器、３は正弦波検出フィルタ、４は位相・振幅調整器、５は生体１に感覚刺激情報を提示する提示器、６は振幅情報出力端子、７は位相情報出力端子をそれぞれ示す。

計測器２は脳波計、脳磁計、近赤外分線イメージング（ＮＩＲＳ）、機能的磁気共鳴イメージング（ｆＭＲＩ）、脈拍計、血圧計など、連続的な時間応答が得られる計測器を利用することができる。

感覚刺激の提示器５としては連続的な時間変化の得られる感覚刺激を用いる必要があり、時間応答の速いものとして視覚刺激、聴覚刺激、触覚刺激、前庭感覚刺激などが考えられる。視覚刺激の一例としては例えば１０〜３０Ｈｚ程度の速度でランプを点滅させ、この光源の点滅を刺激とすることができる。

時間応答のゆっくりとしたものとしては臭覚、味覚などが考えられる。また生体１（利用者）の感覚への刺激の提示には発振周期とは無相関な映像や音楽などを重畳した状態で提示することができる。

正弦波検出フィルタ３の例としては例えばフーリエ級数展開における係数算出手段がその具体例となる。

この時、必要な計測データは発振１周期分であり、発振周波数ｆの状態を作り出したい場合、２πｆ＝ｎω_０で上記の係数（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）を求めれば良く、その際の正弦波検出フィルタ３からの信号波形出力は
ａ_ｎｃｏｓ（ｎω_０ｔ）＋ｂ_ｎｓｉｎ（ｎω_０ｔ）
となる。この時この波形の

となるので、安定状態においてこの振幅が増減しない（＝一周伝達関数のゲインが１）ように可変利得増幅器４Ａのゲインを調節し、一周位相遅れが２ｎπとなるように追加位相として時間遅れを追加するように、位相器４Ｂの移相量を調整する。

ここで正弦波検出フィルタ３、位相・振幅調整器４、提示器５がディジタル処理回路である場合、感覚入力信号Ｓ（ｔ）、計測信号Ｘ（ｔ）は共に、サンプリング定理に従って、発振に用いる周波数ｆの２倍すなわち２ｆ以上のサンプリング頻度を持っている必要がある。

感覚入力信号Ｓ（ｔ）と計測信号Ｘ（ｔ）がこの条件を満たし、かつ計測信号Ｘ（ｔ）が正弦波検出フィルタ３によって連続値化され、また感覚入力信号Ｓ（ｔ）のための変調出力の連続性を前提とした上で、正弦波検出フィルタ３の検出出力と、位相・振幅調整器４の変調入力の間に単調な関数関係を持つ入出力関係を持つならば、計測信号Ｘ（ｔ）に発振に無関係なノイズが乗っていたとしても、図１の閉回路は位相・振幅調整器４を構成する可変利得増幅器４Ａに適切なゲインと、位相器４Ｂに位相（遅延時間）を設定することで安定な正弦波発振状態を保つことができる。

上述の構成においては、安定化させる際の正弦波の振幅、および周波数、また刺激の提示値と計測信号Ｘ（ｔ）のＤＣ成分については閉回路において任意に設定することができる。感覚入力信号Ｓ（ｔ）と計測信号Ｘ（ｔ）の関係に非線形性が強い場合、これらの任意変数を調整することで非線形性の高い値域で発振を安定化させるか、もしくはその非線形性が安定的で既知の非線形関数ならばその逆関数を伝達関数に加えることで正弦波発振回路として波形を安定化させるなどの方法が考えられる。

ここで得られるゲインと位相差は利用者の刺激に対する注意の度合いや視線の向きなどによって変化させることが出来るため、この変化をもってインターフェイスのための信号出力として利用することができる。発振周波数の設定は周波数が高ければ、このパラメータの更新周波数も高く取れるため、インターフェイスとしての応答時間や確度を上げやすくなる。視覚誘発脳波の場合では７０Ｈｚあたりを上限として想定している。人の意図を反映するインターフェイスとして１秒間に２０回以上の切り替えを要求されることはない（＝応答時間０．０５秒以上）と考えると、この場合で３周期分以上の平均加算時間をとることが出来る計算になる。

図２に本発明によるインターフェイスの他の実施例を示す。この実施例では生体１に対して複数の閉回路を設け、各閉回路から独立した検出信号を得るように構成した場合を示す。つまり、提示器５はｆ１、ｆ２、ｆ３の周波数を持つ刺激を重畳して生体１に提示する。正弦波検出フィルタ３は計測信号Ｘ（ｔ）の中から各周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３を持つ信号の存在を検出する。各閉回路が各周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３で発振する振幅情報と位相情報を出力し、各振幅情報及び位相情報により位相・振幅調整器４−１、４−２、４−３を制御する。
このように周波数のことなる複数の閉回路を重畳させることによって、生体１がどの刺激に注意を向けているかを検出するといった用途に用いることができる。

尚、上述では正弦波検出フィルタ３の一例を、フーリエ級数展開における係数算出手段として説明したが、その他の例としては例えば引込型の共振発振器により、所望の周波数を持つ信号の有無を検出することができる。従って正弦波検出フィルタ３の構成の一例として必ずしもフーリエ級数展開における係数算出手段のみに限られるものでないことは明らかである。

コンピュータの入力手段、或いは人体補助ロボットの入力手段等として活用される。

この発明の実施例１を説明するためのブロック図。この発明の実施例２を説明するためのブロック図。

符号の説明

１生体
２計測器
３正弦波検出フィルタ
４、４−１、４−２、４−３位相・振幅調整器
５提示器
６振幅情報出力端子
７位相情報出力端子

Claims

正弦波信号を増幅する可変利得増幅器と、正弦波信号の位相を調整する移相器とが縦続接続されて構成される位相・振幅調整器と、
この位相・振幅調整器が出力する正弦波信号を手掛りに生体に感覚刺激情報を提示する提示器と、
生体が発生する生体信号を計測する計測器と、
この計測器が計測した計測信号から上記提示器で提示した感覚刺激情報に含まれる周波数を持つ正弦波成分と、この正弦波成分の振幅情報及び位相情報とを抽出し、これら正弦波成分及び振幅情報、位相情報を上記位相・振幅調整器に入力し、上記位相・振幅調整器と、提示器と、生体とを含む閉回路を正弦波発振状態に維持させると共に、正弦波発振状態を維持するための振幅情報及び位相情報を検出値として外部に出力する正弦波検出フィルタと、
を備えることを特徴とするインターフェイス。
請求項１記載のインターフェイスにおいて、上記正弦波検出フィルタは周波数が異なる複数の正弦波成分と、各正弦波成分の位相情報及び振幅情報を出力し、これら複数の正弦波成分をそれぞれ別々に設けた位相・振幅調整器で増幅し、移相調整して前記提示器に入力し、提示器から周波数が異なる感覚刺激情報を出力する構成としたことを特徴とするインターフェイス。