JP2010051356A - System for detecting motion-related potential signal, headset used in the same and system unit using the same - Google Patents

System for detecting motion-related potential signal, headset used in the same and system unit using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system for detecting a motion-related potential signal which detects accurately and in real-time a motion-related potential signal only by using electroencephalogram data acquired from electrodes arranged on the scalp without using an electromyogram, a headset used in the system, and a system unit using the system. <P>SOLUTION: The system includes a correlation value calculating section 1 that carries out frequency analysis of data D1 and D2 of electroencephalograms EEG1 and EEG2 acquired by different deriving methods or by different electrode layouts from a plurality of adjacent positions on the scalp and calculates a correlation value between the electroencephalograms EEG1 and EEG2 for each frequency. The system detects a motion-related potential signal on the basis of the correlation values of a predetermined frequency band. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、脳内の運動命令に応じて発生する運動関連電位の信号を検出し、例えばリハビリテーション装置やブレインコンピュータインタフェース等に広く応用可能な運動関連電位信号検出システム、それに用いるヘッドセット、及び、それを用いたシステムユニットに関する。   The present invention detects a motion-related potential signal generated according to a motion command in the brain, for example, a motion-related potential signal detection system widely applicable to a rehabilitation device, a brain computer interface, etc., a headset used therefor, and It relates to a system unit using it.

ヒトが随意的に筋を収縮させる「運動」を行うとき、その運動を引き起こしている「運動命令」は、大脳より発せられている。この運動命令は、脳内における運動関連電位(MRCP)として観察される。運動関連電位は、実際に身体を動かして運動したときや、身体を動かすことなく運動を想起したときに誘発され、身体部位ごとに、その部位に対応する特定の運動野付近に発生する。この運動関連電位の発生は、脳の電気的な活動を表す脳波に信号成分として含まれていることから、脳波から運動関連電位の信号(以下、運動関連電位信号と言う)を検出する技術は、リハビリテーション装置やブレインコンピュータインタフェース等、様々な分野での応用が期待されている。   When a human performs “exercise” that voluntarily contracts muscles, the “exercise command” that causes the exercise is issued from the cerebrum. This motor command is observed as a motor-related potential (MRCP) in the brain. The motion-related potential is induced when the user actually moves the body or recalls the motion without moving the body, and is generated for each body part in the vicinity of a specific motor area corresponding to the part. Since the generation of this motion-related potential is included as a signal component in the brain wave representing the electrical activity of the brain, the technology for detecting a motion-related potential signal (hereinafter referred to as a motion-related potential signal) from the brain wave is Applications in various fields such as rehabilitation devices and brain computer interfaces are expected.

その応用形態から考えると、脳波の測定は非侵襲的であることが好ましく、その一つとして、脳の神経細胞の電気活動を頭皮上の電極から記録する方法がある。しかし、この方法で測定された脳波には様々な信号が含まれており、微弱な運動関連電位信号を検出することは極めて困難である。そこで、従来から存在する脳波分析方法を用いることが考えられる。   Considering its application form, it is preferable that the measurement of the electroencephalogram is non-invasive, and one of them is a method of recording the electrical activity of the nerve cells in the brain from the electrode on the scalp. However, various signals are included in the electroencephalogram measured by this method, and it is extremely difficult to detect a weak motion-related potential signal. Therefore, it is conceivable to use a conventional electroencephalogram analysis method.

例えば、特許文献1には、脳波のパワースペクトルを用い、脳波の周波数領域内で形成されるピークの存否に基づいて脳波を分析する技術が開示されている。運動関連電位信号の検出は、対象となる運動野付近に電極を配置し、パワースペクトルのピークの存否により行うことが考えられる。
特開平6−296597号公報
For example, Patent Literature 1 discloses a technique for analyzing an electroencephalogram based on the presence or absence of a peak formed in the frequency region of the electroencephalogram using the electroencephalogram power spectrum. It is conceivable that the motion-related potential signal is detected by arranging an electrode in the vicinity of the target motor area and the presence or absence of a peak of the power spectrum.
JP-A-6-296597

また、例えば特許文献2には、脳の各部位の活動は相互作用していることに基づいて、その各部位の相互作用を脳波から見つけ出し、脳波活動の検出を行う技術が開示されている。具体的には、時間周波数領域を小領域に分割し、その小領域間における相関、脳の三次元空間内での相関から脳活動のパターンを統計的に推定し、パターンマッチングにより脳波活動の検出を行う。運動関連電位信号の検出に応用する場合は、運動時における脳波データを統計的に処理し、各部位の相互作用に基づく脳活動のパターンを推定し、そのパターンとのパターンマッチングにより検出することが考えられる。
特開2006−110234号公報
Further, for example, Patent Document 2 discloses a technique for detecting an electroencephalogram activity by finding the interaction of each part from the electroencephalogram based on the fact that the activity of each part of the brain interacts. Specifically, the time-frequency region is divided into small regions, the brain activity pattern is statistically estimated from the correlation between the small regions and the correlation in the three-dimensional brain space, and the brain wave activity is detected by pattern matching I do. When applied to the detection of motion-related potential signals, it is possible to statistically process brain wave data during exercise, estimate the brain activity pattern based on the interaction of each part, and detect it by pattern matching with that pattern. Conceivable.
JP 2006-110234 A

また、例えば非特許文献1〜3には、脳波と筋電図とのコヒーレンス関数を調べた研究が開示されている。ここで、コヒーレンス関数とは、二つの信号の周波数領域における比例関係を調べる手法である。脳波と全波整流した筋電図の周波数fにおけるオートスペクトルをそれぞれX(f)とY(f)とし、周波数ごとにコヒーレンス関数を求めると、β帯において有意なコヒーレンスが観測されることが知られている。そこで、脳波と筋電図のコヒーレンス関数を求めることにより、運動関連電位信号を検出することが考えられる。
「脳波―筋電図コヒーレンス その応用と限界」美馬達哉,柴崎浩,臨床脳波2003年1月号(Vol.45,No1)p19―25 「脳波―筋電図コヒーレンスとその臨床応用」美馬達哉,臨床脳波2005年8月号(Vol.47,No8)p479―485 「運動皮質―筋間の活動相関度が筋力調節の安定性に及ぼす影響について」牛場潤一他、平成17年10月22日−23日に国際医療福祉大学で開催の第26回バイオメカニズム学術講演会の抄録
Further, for example, Non-Patent Documents 1 to 3 disclose a study in which a coherence function between an electroencephalogram and an electromyogram is examined. Here, the coherence function is a method for examining a proportional relationship between two signals in the frequency domain. It is known that if the autospectrum at the frequency f of the electroencephalogram subjected to electroencephalogram and full wave rectification is set to X (f) and Y (f), respectively, and the coherence function is obtained for each frequency, significant coherence is observed in the β band. It has been. Therefore, it is conceivable to detect a motion-related potential signal by obtaining a coherence function of an electroencephalogram and an electromyogram.
“Electroencephalogram-electromyogram coherence and its application and limitations” Tatsuya Mima, Hiroshi Shibasaki, Clinical EEG January 2003 (Vol. 45, No. 1) p19-25 “EEG-EMG coherence and its clinical application” Tatsuya Mima, Clinical EEG August 2005 (Vol.47, No8) p479-485 “Effects of motor cortex-muscle activity correlations on stability of muscle strength regulation” Junichi Ushiba et al., 26th Biomechanism Academic Conference held at International University of Health and Welfare, October 22-23, 2005 Abstract of the lecture

しかしながら、上記従来技術を運動関連電位の検出に用いた場合、以下のような問題が生じる。特許文献1に記載のように、パワースペクトルのピークにより検出する場合、運動関連電位信号は非常に微弱であり、且つ、脳波には様々なノイズ(外来ノイズや他の脳活動にともなう脳信号)が含まれるため、ピークが観測されにくく、仮にピークが観測されたとしても、それが目的の運動関連電位に起因するものであるとは限らず、検出精度が極めて低くなる。   However, when the above prior art is used for detection of motion-related potentials, the following problems occur. As described in Patent Document 1, when the detection is performed based on the peak of the power spectrum, the motion-related potential signal is very weak, and the brain wave has various noises (brain signals due to external noise and other brain activities). Therefore, even if a peak is observed, it is not always caused by the target motion-related potential, and the detection accuracy is extremely low.

また、特許文献2のように、脳内の各部位の脳活動の相関を解析する場合は次の問題が生じる。特許文献2の性質2としても記載されているように、脳波活動のパターンは脳の内部状態(例えば、注意の程度、課題に対する慣れ、疲労など)の影響を大きく受けることから、常に同一であるとは限らない。このため、統計的に導出できるパターンの数には限界があり、検出精度が低くなる。仮に、有意な数のパターンを導出できるとしても、そのためには多くの脳波データを前処理する必要がある(特許文献2の段落番号0076や図10参照)。義手や装具、ブレインコンピュータインタフェース等、運動機能を機械的に代償する技術には、運動命令に連動した制御が保証されるべきところ、これではリアルタイム性が損なわれ、実用性に欠ける。   In addition, as disclosed in Patent Document 2, the following problem arises when analyzing the correlation of the brain activity of each part in the brain. As described as property 2 in Patent Document 2, the pattern of EEG activity is always the same because it is greatly affected by the internal state of the brain (for example, the degree of attention, familiarity with the task, fatigue, etc.). Not necessarily. For this reason, there is a limit to the number of patterns that can be statistically derived, and the detection accuracy is lowered. Even if a significant number of patterns can be derived, many electroencephalogram data must be preprocessed for that purpose (see paragraph number 0076 of FIG. 10 and FIG. 10). Technologies that mechanically compensate for motor functions such as prosthetic hands, orthotics, and brain computer interfaces should guarantee control linked to motion commands, but this impairs real-time performance and lacks practicality.

また、非特許文献1〜3に開示される脳波と筋電図のコヒーレンス関数を用いた技術では、検出精度は高いものの、運動部位の筋電図が必要となる。運動関連電位信号の検出は、麻痺や四肢切断等の患者を対象とした分野でも大いに利用が期待されるところ、かかる患者には筋電図の採取が困難若しくは不可能な場合も多く、利用が困難となる。   In addition, the techniques using the electroencephalogram and electromyogram coherence functions disclosed in Non-Patent Documents 1 to 3 require high electromyograms of the exercise site, although the detection accuracy is high. The detection of motion-related potential signals is expected to be widely used in the field of patients such as paralysis and limb amputation, but it is often difficult or impossible for such patients to collect electromyograms. It becomes difficult.

そこで、本発明は、筋電図を用いることなく、頭皮上に配置した電極から得られる脳波データのみから運動関連電位信号を高精度且つリアルタイムに検出可能な運動関連電位信号検出システム、それに用いられるヘッドセット、及び、それを利用したシステムユニットを提案することを目的とする。   Therefore, the present invention is used for a motion-related potential signal detection system capable of detecting a motion-related potential signal with high accuracy and in real time only from electroencephalogram data obtained from electrodes arranged on the scalp without using an electromyogram. An object is to propose a headset and a system unit using the headset.

本発明の理解を容易にするために、先ず発明者等による研究と本発明の基本となる技術的思想を説明する。   In order to facilitate understanding of the present invention, the research by the inventors and the technical idea underlying the present invention will be described first.

図1は、運動命令の伝達と脳波・筋電図を説明する説明図である。ヒト大脳aから発せられる運動命令は、脊髄bを下降し、筋cの収縮を促す。従来から、運動時の脳活動や筋活動の電気的な活動を、脳波(EEG)や表面筋電図(Surface EMG)から調べることで、その運動命令の伝達メカニズムが多く研究されてきた。その中の一つに、上記非特許文献1〜3に記載されるような、脳波と筋電図とのコヒーレンスに関する研究がある。   FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining the transmission of exercise commands and electroencephalogram / electromyogram. The motion command issued from the human cerebrum a descends the spinal cord b and promotes the contraction of the muscle c. Conventionally, many studies have been conducted on the transmission mechanism of motor commands by examining the electrical activity of brain activity and muscle activity during exercise from the electroencephalogram (EEG) and surface electromyogram (Surface EMG). One of them is a study on coherence between an electroencephalogram and an electromyogram as described in Non-Patent Documents 1 to 3 above.

発明者等は、脳波―筋電図コヒーレンスについて、次の実験を行った。被験者の足の皮膚上、及び、頭皮上の足の運動野付近(国際10−20法のCz付近)に電極を配置し、足を運動させながら180秒分の脳波と全波整流した筋電図を採取した。そして、この脳波と筋電図間における周波数fごとのコヒーレンス関数を求めた。   The inventors conducted the following experiment on electroencephalogram-electromyogram coherence. Electrodes are placed on the skin of the subject's foot and on the scalp near the motor area of the foot (near Cz in the international 10-20 method), and the electroencephalogram and full-wave rectified myoelectric waves for 180 seconds while moving the foot. Figures were collected. Then, a coherence function for each frequency f between the electroencephalogram and the electromyogram was obtained.

コヒーレンス関数は一般的に下記数1で表される。

Figure 2010051356
ここで、X(f)とY(f)は、周波数f における信号x(t)とy(t)のオートスペクトルを示しており、*は共役複素数、・は内積、バーはアンサンブル平均である。コヒーレンス関数Cxy(f)は、両信号間の線形相関性を周波数領域で表現するものであり、二信号のクロススペクトルを規格化した形式で、その値は0から1の範囲にある。脳波―筋電図コヒーレンスでは、X(f)を脳波の周波数fにおけるスペクトル、Y(f)を筋電図の周波数fにおけるスペクトルとする。 The coherence function is generally expressed by the following formula 1.
Figure 2010051356
Here, X (f) and Y (f) indicate the auto spectrum of the signals x (t) and y (t) at the frequency f 1, * is a conjugate complex number, • is an inner product, and bar is an ensemble average. . The coherence function Cxy (f) expresses linear correlation between both signals in the frequency domain, and has a value in a range from 0 to 1 in a form in which a cross spectrum of two signals is normalized. In the electroencephalogram-electromyogram coherence, X (f) is the spectrum at the frequency f of the electroencephalogram, and Y (f) is the spectrum at the frequency f of the electromyogram.

図2は、発明者等による実験結果をグラフ化した図である。ラインLは、95%有意差ラインである。およそ1/3〜1/2の健常者で14−30Hz(β帯)の有意なコヒーレンスが観測された。なお、手やその他の身体部位の運動についても同様である。この現象のメカニズムは完全に解明されていないが、大脳皮質よりも深部にある、視床や大脳基底核と呼ばれる神経の回路によって発信回路のような現象を作り出しているものと一般的には考えられている。   FIG. 2 is a graph of experimental results by the inventors. Line L is a 95% significant difference line. A significant coherence of 14-30 Hz (β band) was observed in about 1/3 to 1/2 healthy subjects. The same applies to movements of hands and other body parts. Although the mechanism of this phenomenon has not been fully elucidated, it is generally considered that a phenomenon like a transmission circuit is created by a neural circuit called the thalamus or basal ganglia deeper than the cerebral cortex. ing.

発明者等は、この実験から、運動命令、すなわち運動関連電位信号を、筋電図を用いることなく、脳波のみから高精度に検出することで、様々な分野に応用可能となるとの着想を得るに至った。更に、発明者等は、運動関連電位が、実際に運動したときだけでなく、運動を想起したときも誘発される現象に着目し、リアルタイム性を確保することで、身体の運動機能を機械的に代償する技術、例えば、義手や装具、ブレインコンピュータインタフェースなどへも広く応用可能であるとの見解を得た。   The inventors have obtained an idea from this experiment that it can be applied to various fields by detecting a motion command, that is, a motion-related potential signal with high accuracy only from an electroencephalogram without using an electromyogram. It came to. Furthermore, the inventors have focused on the phenomenon that the motion-related potential is induced not only when actually exercising but also when recalling exercise, and by ensuring real-time characteristics, the motor function of the body is mechanically It is said that it can be widely applied to technologies that compensate for the above, such as prosthetic hands, orthoses, and brain computer interfaces.

そこで、発明者等は、上記目的を達成するために鋭意研究を重ね、本発明の基本となる技術的思想を導き出すに至った。以下、説明の便宜上、足の運動命令を例に説明するが、手、腰、その他の身体部位についても同様である。図3は、本発明の基本原理における頭皮上の電極の配置を例示説明する説明図であり、図4は、その頭部のA−A´の一部断面図である。大脳皮質において足の運動を担っている領域(活動源S)は、大脳の最も大きい溝の内側に位置する。そこで、被験者Pの頭皮上の活動源Sの付近(国際10−20法のCz付近)に電極群Eを配置する。そして、電極群Eの各電極e1,,,e5を選択的に用い、近接する位置から空間感度分布図の分布形状が異なる方法にて、複数の脳波EEG1,EEG2の脳波データD1,D2を採取する。脳波データD1,D2は、脳波EEG1,EEG2を時間領域で表したディジタルデータであり、ディジタル脳波計等を用いて採取可能である。ここで、空間感度分布図とは、電極をセンサーとしたときの頭皮上における感度の分布を三次元空間に表した図であり、分布形状とは感度の分布を表す等高線の形状である。分布形状を大きく異ならせるには、脳波データD1,D2ごとに異なる導出方法を用いるか、又は、異なるレイアウトで配される電極を用いることが有効である。   Accordingly, the inventors have conducted intensive research to achieve the above object, and have derived the technical idea that is the basis of the present invention. Hereinafter, for convenience of explanation, an explanation will be given by taking an exercise command of a foot as an example, but the same applies to a hand, a waist, and other body parts. FIG. 3 is an explanatory view illustrating the arrangement of electrodes on the scalp according to the basic principle of the present invention, and FIG. 4 is a partial cross-sectional view of AA ′ of the head. The region (activity source S) responsible for foot movement in the cerebral cortex is located inside the largest groove of the cerebrum. Therefore, the electrode group E is disposed in the vicinity of the activity source S on the scalp of the subject P (in the vicinity of Cz in the international 10-20 method). Then, the electrodes e1, E2, e5 of the electrode group E are selectively used, and the electroencephalogram data D1, D2 of the plurality of electroencephalograms EEG1, EEG2 are collected by a method in which the distribution shape of the spatial sensitivity distribution diagram is different from the adjacent positions. To do. The electroencephalogram data D1 and D2 are digital data representing the electroencephalograms EEG1 and EEG2 in the time domain, and can be collected using a digital electroencephalograph or the like. Here, the spatial sensitivity distribution diagram is a diagram showing the distribution of sensitivity on the scalp when an electrode is used as a sensor in a three-dimensional space, and the distribution shape is a contour line shape representing the sensitivity distribution. In order to make the distribution shapes greatly different, it is effective to use different derivation methods for the electroencephalogram data D1 and D2, or use electrodes arranged in different layouts.

この脳波データD1,D2を用いて、脳波EEG1,EEG2間のコヒーレンス関数を周波数ごとに求めると、所定の周波数(ここでは約14−30Hzのβ帯)において、運動中、あるいは運動想起中に限り有意な相関が観測される。これは、発明者等により初めて確認された事象である。   Using the brain wave data D1 and D2, the coherence function between the brain waves EEG1 and EEG2 is obtained for each frequency. At a predetermined frequency (in this case, a β band of about 14-30 Hz), it is limited to during exercise or recalling motion. A significant correlation is observed. This is the first event confirmed by the inventors.

このメカニズムは次の通りと考えられる。活動源S付近に電極を近接配置して脳波データD1,D2を採取する際に、ケース1として、同一の導出方法と電極レイアウトとした場合、ケース2として、異なる導出方法とした場合、ケース3として、異なる電極レイアウトとした場合を考える。ケース1は、図5(a)に示すように、脳波データD1を縦方向にレイアウトされた電極e1,e2を用いて双極導出法により採取し、脳波データD2を同様のレイアウトの電極e3,e4を用いて同一の双極導出法により採取する場合を例とする。ケース2は、図5(b)に示すように、脳波データD1を斜めにレイアウトされた電極e2,e3を用いた双極導出法により採取し、脳波データD2を中央とその周囲にレイアウトされた電極e1〜e5を用いたラプラシアン導出法により採取する場合を例とする。ケース3は、図5(c)に示すように、脳波データD1を縦方向にレイアウトされたe1,e2を用いて、脳波データD2を横方向にレイアウトされた電極e3,e4を用いて、双極導出法により採取する場合を例とする。いずれも、電極群の中心の直下に活動源Sが位置するように配置する。   This mechanism is considered as follows. When collecting the electroencephalogram data D1 and D2 by arranging electrodes close to the activity source S, Case 1 has the same derivation method and electrode layout, Case 2 has a different derivation method, Case 3 Assuming that different electrode layouts are used. In the case 1, as shown in FIG. 5A, the electroencephalogram data D1 is collected by the bipolar derivation method using the electrodes e1 and e2 laid out in the vertical direction, and the electroencephalogram data D2 is obtained from the electrodes e3 and e4 having the same layout. Take the case of using the same bipolar derivation method. In the case 2, as shown in FIG. 5B, the electroencephalogram data D1 is collected by the bipolar derivation method using the electrodes e2 and e3 laid out diagonally, and the electroencephalogram data D2 is laid out at the center and the periphery thereof. The case where it collects by the Laplacian derivation method using e1-e5 is taken as an example. As shown in FIG. 5C, the case 3 uses a pair of electrodes e3 and e4 in which the electroencephalogram data D1 is laid out in the horizontal direction using the electrodes e3 and e4 in which the electroencephalogram data D1 is laid out in the vertical direction. Take as an example the case of sampling by the derivation method. In either case, the active source S is positioned immediately below the center of the electrode group.

ケース1,2,3ともに、活動源Sから発せられる運動関連電位の信号は、各脳波データD1,D2に共通して含まれる。しかし、ケース1では、各脳波データD1,D2は、同一の導出方法及び電極レイアウトにて採取するため、空間感度分布図の分布形状はほぼ同一である。すなわち、近接する位置からほぼ同一の感度分布にて脳波データを採取することとなるため、脳波データD1,D2はほとんど同じとなり、ノイズも含めて全体的に相関が高くなる。一方、ケース2,3では、各脳波データD1,D2は、異なる導出方法や電極レイアウトにて導出するため、空間感度分布図の分布形状は大きく異なる。採取する位置が近接していても、分布形状が大きく異なるため、様々な方向から混入するノイズは大きくひずみ、異なる波形として観測される。このため、ケース2,3においては、ノイズの相関は低く、活動源Sからの運動関連電位信号のみ相関が高くなる。   In both cases 1, 2, and 3, the motion-related potential signal emitted from the activity source S is included in each brain wave data D 1, D 2 in common. However, in case 1, since the brain wave data D1 and D2 are collected by the same derivation method and electrode layout, the distribution shapes of the spatial sensitivity distribution diagrams are almost the same. That is, since the electroencephalogram data is collected from the adjacent positions with almost the same sensitivity distribution, the electroencephalogram data D1 and D2 are almost the same, and the overall correlation including noise becomes high. On the other hand, in cases 2 and 3, since the brain wave data D1 and D2 are derived by different derivation methods and electrode layouts, the distribution shapes of the spatial sensitivity distribution diagrams are greatly different. Even if the sampling positions are close to each other, the distribution shapes are greatly different, so noise mixed in from various directions is greatly distorted and observed as different waveforms. For this reason, in cases 2 and 3, the correlation of noise is low, and only the motion-related potential signal from the activity source S is high.

そこで、発明者等は、この相関を利用することにより、運動関連電位信号を、筋電図を用いることなく、脳波データのみから高精度且つリアルタイムに検出できるとの技術的思想を導き出すに至った。本発明は、かかる研究の成果から完成されたものである。   Therefore, the inventors have derived a technical idea that by using this correlation, a motion-related potential signal can be detected with high accuracy and in real time from only brain wave data without using an electromyogram. . The present invention has been completed from the results of such research.

本発明の運動関連電位信号検出システムは、頭皮上に配される電極から採取された脳波のデータを用いて、当該脳波に含まれる特定の運動関連電位信号を検出するシステムであり、近接する複数の位置から異なる導出方法、又は、異なる電極レイアウトで採取された前記脳波のデータを周波数解析し、各脳波間の相関値を周波数ごとに算出する相関値計算部を備え、所定の周波数帯における前記相関値に基づいて運動関連電位信号を検出することを特徴とする。   The motion-related potential signal detection system of the present invention is a system for detecting a specific motion-related potential signal included in an electroencephalogram using the electroencephalogram data collected from an electrode arranged on the scalp, and a plurality of adjacent electrokinetic potential signals. A different derivation method from the position of the above, or frequency analysis of the data of the electroencephalogram collected by different electrode layouts, and a correlation value calculation unit for calculating a correlation value between each electroencephalogram for each frequency, and in the predetermined frequency band A motion-related potential signal is detected based on the correlation value.

本発明によれば、近接する複数の位置から異なる導出方法、又は、異なる電極レイアウトで採取された複数の脳波のデータが処理される。上述した通り、この脳波間においては、電極付近の活動源から発せられる運動関連電位の相関が高く、多方面から混入するノイズの相関は低くなる。そこで、この脳波のデータを用いて、相関値計算部により、脳波間における相関値を周波数ごとに計算することで、この相関値に基づいて運動関連電位の信号を検出することができる。   According to the present invention, data of a plurality of electroencephalograms collected by different derivation methods or different electrode layouts from a plurality of adjacent positions are processed. As described above, between the electroencephalograms, the correlation of the motion-related potentials emitted from the activity source near the electrodes is high, and the correlation of noise mixed from many directions is low. Therefore, by using the electroencephalogram data, the correlation value calculation unit calculates the correlation value between the electroencephalograms for each frequency, and the signal of the motion related potential can be detected based on the correlation value.

また、本発明のヘッドセットは、装着状態において、請求項1記載の運動関連脳波電位検出システムに用いられる前記脳波のデータを採取するためのヘッドセットであり、前記脳波のデータを採取する位置に対応して複数の電極が近接配置されていることを特徴とする。   Furthermore, the headset of the present invention is a headset for collecting the electroencephalogram data used in the motion-related electroencephalogram potential detection system according to claim 1 in a wearing state, and at the position where the electroencephalogram data is collected. Correspondingly, a plurality of electrodes are arranged close to each other.

この発明によれば、装着具が装着されるだけで、上記脳波のデータを採取するに適した位置に電極が配置される。   According to the present invention, the electrode is disposed at a position suitable for collecting the electroencephalogram data simply by mounting the mounting tool.

また、本発明のシステムユニットは、請求項1記載の運動関連電位信号検出システムと、当該運動関連電位信号検出システムの検出結果に応じて制御される制御対象システムとを備えることを特徴とする。この制御対象システムとしては、身体の運動を補助する機能を備える運動補助システム、又は、操作コマンドを生成する機能を備える操作コマンド生成システムであることが好ましい。   A system unit according to the present invention includes the motion-related potential signal detection system according to claim 1 and a control target system controlled according to a detection result of the motion-related potential signal detection system. The control target system is preferably an exercise assistance system having a function of assisting body movement or an operation command generation system having a function of generating an operation command.

この発明によれば、運動関連電位信号検出システムの検出結果に応じて、運動補助システムや操作コマンド生成システムなどの制御対象システムが制御されるため、制御対象システムは脳内の運動関連電位(運動命令)に連動して動作する。   According to the present invention, the control target system such as the exercise assist system or the operation command generation system is controlled according to the detection result of the motion related potential signal detection system. Command).

本発明においては、目的の運動関連電位信号の相関値は高く、ノイズの相関値は低く算出されることから、目的の運動関連電位信号を高精度に検出することができる。筋電図は不要であるため、麻痺患者や四肢切断等の障害を有する患者へも適用でき、リハビリテーションや介護、診断、治療等の分野にも広く応用可能である。所定の周波数帯における相関値に基づいて検出するため、採取した脳波のデータを逐次処理することで検出可能であり、従来技術のようにパターン解析のために大量のデータを前処理する必要がなく、リアルタイム性が確保できる。たとえば、義手や装具、ブレインコンピュータインタフェース等、運動機能を機械的に代償する技術にも極めて好適である。   In the present invention, since the correlation value of the target motion-related potential signal is high and the correlation value of noise is low, the target motion-related potential signal can be detected with high accuracy. Since an electromyogram is unnecessary, it can be applied to paralyzed patients and patients with disabilities such as limb amputations, and can be widely applied to fields such as rehabilitation, nursing care, diagnosis and treatment. Since detection is based on correlation values in a predetermined frequency band, it can be detected by sequentially processing the collected brain wave data, eliminating the need for preprocessing a large amount of data for pattern analysis as in the prior art Real time can be secured. For example, the present invention is also extremely suitable for techniques for mechanically compensating for motor functions such as prosthetic hands, orthotics, and brain computer interfaces.

(第1の実施の形態)
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態は、頭皮上に配置した電極から採取される脳波のデータを用いて、運動関連電位信号を検出する運動関連電位信号検出システムであり、筋電図を用いることなく、高精度且つリアルタイムに検出可能なものである。
(First embodiment)
Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. The present embodiment is a motion-related potential signal detection system that detects a motion-related potential signal using brain wave data collected from an electrode placed on the scalp, and is highly accurate without using an electromyogram. It can be detected in real time.

(第1の実施の形態の例1)
本実施の形態は、一つの運動部位の運動関連電位信号を検出するための、運動関連電位信号検出システム101である。図6は、運動関連電位信号検出システム101を概念的に説明するブロック図である。運動関連電位信号検出システム101は、相関値計算部1と検出部2を備え、例えば、マイクロコンピュータやパーソナルコンピュータ等により実現される。
(Example 1 of the first embodiment)
This embodiment is a motion-related potential signal detection system 101 for detecting a motion-related potential signal of one motion site. FIG. 6 is a block diagram conceptually illustrating the motion related potential signal detection system 101. The motion related potential signal detection system 101 includes a correlation value calculation unit 1 and a detection unit 2, and is realized by, for example, a microcomputer or a personal computer.

運動関連電位信号検出システム101には、複数の脳波EEG1,EEG2の脳波データD1,D2が入力されて処理される。脳波データD1,D2は、ヒトPの頭皮上に配置した電極から、ディジタル脳波計等を用いて採取されるディジタルデータであり、所定時間分の脳波EEG1,EEG2をディジタル変換して時間領域で表したものである。   The motion-related potential signal detection system 101 receives and processes brain wave data D1 and D2 of a plurality of brain waves EEG1 and EEG2. The electroencephalogram data D1 and D2 are digital data collected from an electrode placed on the scalp of the human P using a digital electroencephalograph or the like. The electroencephalograms EEG1 and EEG2 for a predetermined time are digitally converted and displayed in the time domain. It is a thing.

脳波データD1,2は、対象運動野付近において互いに近接する位置から異なる方法、又は、異なる電極レイアウトで採取される。ここで、対象運動野付近とは、特定の運動を行ったとき、又は、その運動を想起したときの脳内における活動源Sの付近である。例えば、国際10−20法において、足はCz付近、右手はC3付近、左手はC4付近である。   The electroencephalogram data D1 and D2 are collected by different methods or different electrode layouts from positions close to each other in the vicinity of the target motor area. Here, the vicinity of the target motor area is the vicinity of the activity source S in the brain when a specific movement is performed or when the movement is recalled. For example, in the international 10-20 method, the foot is near Cz, the right hand is near C3, and the left hand is near C4.

導出方法は、(A−1)不活性部位付近に配される基準電極と頭皮上に配される関係電極との電位差を用いる単極導出法、(A−2)頭皮上の二つの電極の電位差を用いる双極導出法、(A−3)頭皮上の一つの電極の電位とその周囲に配される電極の電位の差を用いるラプラシアン(Hjorth)導出法、(A−4)頭皮上の複数の電極の平均電位と他の電極の電位との電位差を用いる導出法(ラプラシアン導出法を除く)があり、その他にもIB2など、様々な導出方法が挙げられる。   The derivation method is (A-1) a unipolar derivation method using a potential difference between a reference electrode arranged near the inactive site and a related electrode arranged on the scalp, and (A-2) two electrodes on the scalp. Bipolar derivation method using potential difference, (A-3) Laplacian derivation method using difference between potential of one electrode on scalp and surrounding electrode, (A-4) Multiple on scalp There are derivation methods (except for the Laplacian derivation method) using the potential difference between the average potential of the other electrode and the potentials of the other electrodes, and various other derivation methods such as IB2.

電極レイアウトは、電極の個数、配列、形状などが異なる様々なパターンが挙げられる。図7は、異なる電極レイアウトを例示的に説明する説明図である。(B−1)は電極を一つのみ配置したパターンである。(B−2)は同一形状の複数の電極を縦に配列、(B−3)は横に配列、(B−4)は斜めに配列、(B−5)は多角形の頂点に配列したパターンである。(B−6)は中心の電極の周囲に複数の電極を配列したパターンである。(B−7)(B−8)は特殊形状の電極を用いたものであり、(B−7)は三日月形状の電極の横に円形の電極を配置したパターン、(B−8)は円環形状の電極の中心に円形の電極を配置したパターンである。なお、上記電極レイアウトは頭皮上におけるチャネル単位でのレイアウトであり、単極導出法では別途不活性部位(耳朶等)に基準電極が配置される。   Examples of the electrode layout include various patterns in which the number, arrangement, and shape of the electrodes are different. FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating different electrode layouts by way of example. (B-1) is a pattern in which only one electrode is arranged. (B-2) is a plurality of electrodes having the same shape arranged vertically, (B-3) is arranged horizontally, (B-4) is arranged diagonally, and (B-5) is arranged at the vertex of a polygon. It is a pattern. (B-6) is a pattern in which a plurality of electrodes are arranged around the center electrode. (B-7) (B-8) uses a specially shaped electrode, (B-7) is a pattern in which a circular electrode is placed beside a crescent-shaped electrode, and (B-8) is a circle. This is a pattern in which a circular electrode is arranged at the center of an annular electrode. The electrode layout is a channel unit layout on the scalp. In the unipolar derivation method, a reference electrode is separately arranged at an inactive site (such as an earlobe).

図8は、上記導出方法と電極レイアウトでの脳波データD1,D2の採取パターンの例を説明する説明図である。各電極群E1〜6は、対象運動野付近に配される。(a)〜(d)の電極群E1〜E4は異なる導出方法を採用した例である。なお、ここでは必然的に電極レイアウトも異なるが、異なる導出方法であることが重要である。導出方法が異なれば、空間感度分布図の分布形状が大きく異なるためである。(e)(f)の電極群E5,E6は同一の導出方法であるが、異なる電極レイアウトを採用した例である。以下、上記導出方法(A−1)〜(A−4),電極レイアウト(B−1)〜(B−8)を用いて表1に示す。

Figure 2010051356
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining an example of collection patterns of the electroencephalogram data D1 and D2 by the above derivation method and electrode layout. Each electrode group E1-6 is distribute | arranged to object motor area vicinity. The electrode groups E1 to E4 of (a) to (d) are examples in which different derivation methods are adopted. Here, the electrode layout is inevitably different, but it is important that the derivation method is different. This is because, if the derivation method is different, the distribution shape of the spatial sensitivity distribution diagram is greatly different. (E) The electrode groups E5 and E6 in (f) are the same derivation method, but are examples in which different electrode layouts are adopted. Hereinafter, the derivation methods (A-1) to (A-4) and electrode layouts (B-1) to (B-8) are shown in Table 1.
Figure 2010051356

いずれの電極群E1〜E6も、脳波データD1,D2は近接した位置から採取されるが、異なる導出方法、又は、異なる電極レイアウトであるため空間感度分布図の分布形状が異なる。上述した通り、脳波データD1,D2間においては、活動源Sから発せられる運動関連電位信号の相関は高く、多方面から混入するノイズの相関は低くなる。   In any of the electrode groups E1 to E6, the electroencephalogram data D1 and D2 are collected from close positions, but the distribution shapes of the spatial sensitivity distribution diagrams are different because of different derivation methods or different electrode layouts. As described above, between the electroencephalogram data D1 and D2, the correlation of the motion-related potential signal emitted from the activity source S is high, and the correlation of noise mixed from many directions is low.

相関値計算部1は、この脳波データD1,D2を用いて周波数解析を行い、周波数fごとに脳波EEG1,EEG2の相関値C(f)を計算する。相関値C(f)は、二信号の相関を規格化できるものであれば良く、例えば、コヒーレンス、ウエーブレットコヒーレンス、ヒルベルト変換を用いた相関関数を用いることが可能である。ここでは、コヒーレンス関数Cxy(f)を用いた場合を例として、相関値計算部1を説明する。コヒーレンス関数Cxy(f)は上記数1と同じであり、X(f)は周波数fにおける脳波EEG1のスペクトル、Y(f)は周波数fにおける脳波EEG2のスペクトルである。   The correlation value calculation unit 1 performs frequency analysis using the brain wave data D1 and D2, and calculates a correlation value C (f) of the brain waves EEG1 and EEG2 for each frequency f. The correlation value C (f) may be any value that can normalize the correlation between the two signals. For example, a correlation function using coherence, wavelet coherence, or Hilbert transform can be used. Here, the correlation value calculation unit 1 will be described by taking as an example a case where the coherence function Cxy (f) is used. The coherence function Cxy (f) is the same as the above equation 1, X (f) is the spectrum of the electroencephalogram EEG1 at the frequency f, and Y (f) is the spectrum of the electroencephalogram EEG2 at the frequency f.

図9は、相関値計算部1を概念的に説明するブロック図である。脳波データD1,D2は脳波EEG1,EEG2の時間領域の脳波データである。相関値計算部1は、所定時間分(例えば1s)の脳波データD1,D2が入力されると、セグメント分割部1aが各脳波データD1,D2を所定時間分(例えば500ms分)ごとに分割し、セグメントデータDx−tを作成する。ここで、DxはD1又はD2であり,tは時系列順のセグメント番号である。   FIG. 9 is a block diagram conceptually illustrating the correlation value calculation unit 1. The electroencephalogram data D1 and D2 are electroencephalogram data in the time domain of the electroencephalograms EEG1 and EEG2. When the correlation value calculation unit 1 receives brain wave data D1 and D2 for a predetermined time (for example, 1 s), the segment division unit 1a divides each brain wave data D1 and D2 for each predetermined time (for example, 500 ms). The segment data Dx-t is created. Here, Dx is D1 or D2, and t is a segment number in time series order.

作成されたセグメントデータは、周波数解析部1bに供給される。周波数解析部1bはFFT等を用いるものであり、セグメントデータDx−tを周波数解析し、周波数領域データDx−t−fを作成する。周波数領域データDx−t−fは、セグメントtにおける周波数fの振幅及び位相を表すデータである。ここでfは所定周波数帯における所定分解能での各周波数fである。本実施の形態では、運動関連電位信号の周波数帯(β帯:14〜30Hz)における分解能1Hzでの各周波数fとしたが、運動関連電位信号の周波数帯の少なくとも一部を含む範囲であれば任意である。   The created segment data is supplied to the frequency analysis unit 1b. The frequency analysis unit 1b uses FFT or the like, performs frequency analysis on the segment data Dx-t, and creates frequency domain data Dx-t-f. The frequency domain data Dx-t-f is data representing the amplitude and phase of the frequency f in the segment t. Here, f is each frequency f with a predetermined resolution in a predetermined frequency band. In the present embodiment, each frequency f at a resolution of 1 Hz in the frequency band (β band: 14 to 30 Hz) of the motion-related potential signal is used, but any frequency range that includes at least a part of the frequency band of the motion-related potential signal. Is optional.

各周波数領域データDx−t−fは計算部1cに供給され、周波数fごとに数1で表されるコヒーレンス関数Cxy(f)が求められる。すなわち、周波数fごとに、脳波EEG1,EEG2のスペクトルs1,s2を時系列で比較し、全てのセグメントt(1)〜t(m)にわたって振幅及び位相が共通する場合は1、互いに無関係である場合は0となるように、規格化された相関値C(f)を算出する。なお、規格化の規則は記憶部に記憶されており、その規則に従って算出しても良い。また、相関値C(f)の計算には、周波数スペクトルの振幅と位相の両方を用いても良いし、一方のみを用いても良いし、パワースペクトルの強度を用いても良い。   Each frequency domain data Dx-t-f is supplied to the calculation unit 1c, and a coherence function Cxy (f) expressed by Equation 1 is obtained for each frequency f. That is, the spectrums s1 and s2 of the brain waves EEG1 and EEG2 are compared in time series for each frequency f. When the amplitude and phase are common over all the segments t (1) to t (m), 1 is irrelevant. In this case, a normalized correlation value C (f) is calculated so as to be 0. Note that the standardization rules are stored in the storage unit, and may be calculated according to the rules. In calculating the correlation value C (f), both the amplitude and phase of the frequency spectrum may be used, or only one of them may be used, or the intensity of the power spectrum may be used.

こうして算出された各周波数fの相関値C(f)は、検出部2に供給される。検出部2は、規定の規則に従い、相関値C(f)に基づいて運動関連電位信号を検出する。規則は任意であるが、閾値判定であることが好ましい。例えば、各周波数の相関値C(f)のうち一つでも閾値Z1を超えている場合に運動関連電位信号有りとしても良く、又、閾値Z1を超える相関値C(f)の数が閾値Z2以上である場合に運動関連電位信号有りとしても良い。その他、相関値計算部1においてβ帯を含む広域(例えば1Hz〜50Hz)の相関値Cを算出する場合は、β帯におけるピークの存否でも良い。   The correlation value C (f) of each frequency f calculated in this way is supplied to the detection unit 2. The detection unit 2 detects the motion-related potential signal based on the correlation value C (f) according to a specified rule. Although the rule is arbitrary, it is preferable that it is a threshold determination. For example, when any one of the correlation values C (f) of each frequency exceeds the threshold value Z1, the motion-related potential signal may be present, and the number of correlation values C (f) exceeding the threshold value Z1 is the threshold value Z2. In the case of the above, there may be a motion-related potential signal. In addition, when the correlation value calculation unit 1 calculates a correlation value C in a wide area (for example, 1 Hz to 50 Hz) including the β band, the presence or absence of a peak in the β band may be used.

検出結果の情報は、後続処理を行う処理部や、外部装置に供給される。外部装置としては、例えば、判定結果を表示する表示装置、義手、車椅子、リハビリテーション装置、ブレインコンピュータインタフェースなどの運動機能を代償する装置などである。これにより、運動命令を利用した様々な装置を実現可能となる。   Information of the detection result is supplied to a processing unit that performs subsequent processing or an external device. Examples of the external device include a display device that displays a determination result, a prosthetic hand, a wheelchair, a rehabilitation device, and a device that compensates for a motor function such as a brain computer interface. This makes it possible to realize various devices using exercise commands.

(第1の実施の形態の例2)
本実施の形態は、複数部位の運動に関わる運動関連電位信号の検出に好適な運動関連電位信号検出システム102である。図10は、運動関連電位信号検出システム102を概念的に説明するブロック図である。ここでは、説明の便宜上、検出対象を左足(LF)、右足(RF)、左手(LA)、右手(RA)の各運動関連電位信号を検出する場合を例に説明する。国際10−20法において、右足及び左足は位置Cz,右手は位置C3,左手は位置C4の付近に運動野が位置する。そこで、各電極群Eを各運動野付近に配置し、位置Cz付近の電極群E(RF,LF)からは右足関連の脳波データD1(RF),D2(RF)と左足関連の脳波データD1(LF),D2(LF)、位置C3付近の電極群E(RA)からは右手関連の脳波データD1(RA),D2(RA)、位置C4からは左手関連の脳波データD1(LA),D2(LA)を採取する。
(Example 2 of the first embodiment)
The present embodiment is a motion-related potential signal detection system 102 suitable for detecting motion-related potential signals related to motion at a plurality of sites. FIG. 10 is a block diagram conceptually illustrating the motion related potential signal detection system 102. Here, for convenience of explanation, a case will be described as an example where the motion-related potential signals of the left foot (LF), right foot (RF), left hand (LA), and right hand (RA) are detected. In the international 10-20 method, the motor area is located near the position Cz for the right and left legs, the position C3 for the right hand, and the position C4 for the left hand. Therefore, each electrode group E is arranged in the vicinity of each motor area, and from the electrode group E (RF, LF) near the position Cz, the electroencephalogram data D1 (RF) and D2 (RF) related to the right foot and the electroencephalogram data D1 related to the left foot. (LF), D2 (LF), right-hand related electroencephalogram data D1 (RA), D2 (RA) from the electrode group E (RA) near the position C3, and left-hand related electroencephalogram data D1 (LA), from the position C4. D2 (LA) is collected.

ここで、左足関連の脳波データD1(LF),D2(LF)と右足関連の脳波データD1(RF),D2(RF)は同一の位置Cz付近から採取されるが、使用される電極eの組み合わせが異なる。図11に、その組み合わせを示す。右足用チャネルの電極は位置Cz付近の左側領域寄りに高感度となる組み合わせとし、左足用チャネルの電極は位置Cz付近の右側領域寄りに高感度となる組み合わせとする。たとえば、脳波データD2(RF),D2(LF)は電極e2〜d5の平均電位と電極e1の電位との差分とするが、右足の脳波データD1(RF)は電極e2と電極e3の差分とし、左足の脳波データD1(LF)は電極e4と電極e3との差分として採取する。   Here, the electroencephalogram data D1 (LF) and D2 (LF) related to the left foot and the electroencephalogram data D1 (RF) and D2 (RF) related to the right foot are collected from the same position Cz, but the electrode e used The combination is different. FIG. 11 shows the combinations. The right foot channel electrode has a combination with high sensitivity near the left region near the position Cz, and the left foot channel electrode has a combination with high sensitivity near the right region near the position Cz. For example, the electroencephalogram data D2 (RF) and D2 (LF) are the difference between the average potential of the electrodes e2 to d5 and the potential of the electrode e1, while the electroencephalogram data D1 (RF) of the right foot is the difference between the electrodes e2 and e3. The electroencephalogram data D1 (LF) of the left foot is collected as a difference between the electrode e4 and the electrode e3.

運動関連電位信号検出システム102は、右足(RF)、左足(LF)、右手(RA)、左手(LA)の各部位ごとに脳波データD1,D2を独立して並列に処理する。すなわち、検出対象ごとに、上記実施の形態の運動関連電位信号検出システム101とほぼ同じ機能を備える処理部3,,,3(相関値計算部1と検出部2)を備える。これにより、異なる部位(RF,LF,RA,LA)の運動関連電位信号を区別して並列に検出することが可能となる。特に、左足と右足については、共通の電極群E(RF,LF)を用いて同一位置Czから採取しても、右足と左足を区別して検出可能となる。   The motion-related potential signal detection system 102 processes the electroencephalogram data D1 and D2 independently and in parallel for each part of the right foot (RF), left foot (LF), right hand (RA), and left hand (LA). That is, each detection target includes processing units 3, 3, and 3 (correlation value calculation unit 1 and detection unit 2) having substantially the same functions as those of the motion-related potential signal detection system 101 of the above embodiment. Thereby, it becomes possible to distinguish and detect the motion-related potential signals of different parts (RF, LF, RA, LA) in parallel. In particular, the left foot and the right foot can be detected by distinguishing the right foot and the left foot even if they are collected from the same position Cz using the common electrode group E (RF, LF).

(第2の実施の形態)
本実施の形態は、運動関連電位信号検出システム102と組み合わせて用いられるヘッドセット200である。図12は、本実施の形態のヘッドセット200を概念的に説明する説明図である。ヘッドセット200は、頭部に装着されて使用されるものであり、装着状態において所望の脳波データD1,D2を採取する位置に対応して電極群Eが配置されている。ここでは、四肢(RF,LF,RA,LA)に対応する電極群E(RF,LF),電極群E(LA),電極群E(RA)が配された例である。各電極群Eには、複数の電極e,,,eが近接配置されている。各電極群Eの電極e,,,eは、図8に例示するように、脳波データD1,D2の導出方法が異なるか、又は、電極レイアウトが異なるように配置されていれば良い。なお、左右耳朶付近の電極e0は単極導出を採用する場合の基準電極である。
(Second Embodiment)
This embodiment is a headset 200 that is used in combination with the motion-related potential signal detection system 102. FIG. 12 is an explanatory diagram conceptually illustrating the headset 200 according to the present embodiment. The headset 200 is used by being worn on the head, and an electrode group E is arranged corresponding to a position where desired brain wave data D1 and D2 are collected in the worn state. In this example, an electrode group E (RF, LF), an electrode group E (LA), and an electrode group E (RA) corresponding to the extremities (RF, LF, RA, LA) are arranged. In each electrode group E, a plurality of electrodes e,. As shown in FIG. 8, the electrodes e,... E of each electrode group E need only be arranged so that the derivation methods of the electroencephalogram data D1 and D2 are different or the electrode layouts are different. The electrode e0 in the vicinity of the left and right earlobe is a reference electrode when unipolar derivation is adopted.

ヘッドセット200は、脳波測定部10に接続されて使用される。脳波測定部10は、ディジタル脳波測定装置等であり、ヘッドセット200からの各電極e,,,eの電位を用いて部位ごとに脳波EGG1,EGG2を測定し、それをディジタル変換してディジタルデータを生成する機能を有する。脳波EEG1,EEG2は、増幅部10aにて増幅され、A/D変換部10bにてディジタルデータに変換され、脳波データとして記憶部10cに蓄積記憶される。   The headset 200 is used by being connected to the electroencephalogram measurement unit 10. The electroencephalogram measurement unit 10 is a digital electroencephalogram measurement device or the like, which measures the electroencephalograms EGG1 and EGG2 for each part using the potentials of the electrodes e,. It has the function to generate. The electroencephalograms EEG1 and EEG2 are amplified by the amplification unit 10a, converted into digital data by the A / D conversion unit 10b, and stored and stored in the storage unit 10c as electroencephalogram data.

脳波測定部10に蓄積記憶された各部位(RF,LF,RA,LA)の脳波データは、所定のサンプリング周期で所定時間分だけ読み出され、時間領域の脳波データD1,D2として運動関連電位システム102に入力される。なお、サンプリング周期は、リアルタイム性を確保するために、好ましくは10ms〜20msとする。   The electroencephalogram data of each part (RF, LF, RA, LA) accumulated and stored in the electroencephalogram measurement unit 10 is read out for a predetermined time at a predetermined sampling period, and motion-related potentials are obtained as electroencephalogram data D1, D2 in the time domain. Input to the system 102. Note that the sampling period is preferably 10 ms to 20 ms in order to ensure real-time performance.

図13は、ヘッドセット200の一例であり、(a)は斜視図、(b)は上面図である。ヘッドセット200は、頭皮上の位置Cz付近に対応する位置に電極群E(LF,RF),位置C3付近に対応する位置に電極群E(RA)、位置C4付近に対応する位置に電極群E(LA)が配置されている。いずれの電極群Eも、図8(a)の電極群E1に示すレイアウトで電極eが近接配置されており、ラプラシアン導出方法と双極導出方法により脳波の導出が可能となっている。   FIG. 13 shows an example of the headset 200, where (a) is a perspective view and (b) is a top view. The headset 200 has an electrode group E (LF, RF) at a position corresponding to the vicinity of the position Cz on the scalp, an electrode group E (RA) at a position corresponding to the vicinity of the position C3, and an electrode group at a position corresponding to the vicinity of the position C4. E (LA) is arranged. In any of the electrode groups E, the electrodes e are arranged close to each other in the layout shown in the electrode group E1 in FIG. 8A, and the electroencephalogram can be derived by the Laplacian derivation method and the bipolar derivation method.

このヘッドセット200によれば、ヘッドセット200を頭部に装着するだけで、所望の位置に電極が配置され、運動関連電位信号検出システム102の処理に適する脳波データD1,D2を簡単に採取することができる。なお、対象部位が一つの場合は、電極群Eを一つとし、運動関連電位検出システム101と組み合わせる。   According to this headset 200, simply by putting the headset 200 on the head, electrodes are arranged at a desired position, and the electroencephalogram data D1 and D2 suitable for the processing of the motion-related potential signal detection system 102 are easily collected. be able to. In addition, when there is one target part, one electrode group E is used and combined with the motion related potential detection system 101.

(第3の実施の形態)
本実施の形態は、運動関連電位信号検出システムを備えるシステムユニットである。上記運動関連電位検出システム101,102は、制御対象となる制御対象システムと組み合わせられて用いられ、所望の目的に応じたシステムユニットを構成する。操作対象システムとしては、例えば、運動補助機器、演算処理装置、義手、車椅子、ゲーム装置、表示装置などである。以下に、制御対象システムとして、身体の運動を補助する運動補助機器、操作コマンドを生成する機能を備える操作コマンド生成システムを例に説明する。
(Third embodiment)
The present embodiment is a system unit that includes a motion-related potential signal detection system. The motion-related potential detection systems 101 and 102 are used in combination with a control target system to be controlled, and constitute a system unit corresponding to a desired purpose. Examples of the operation target system include an exercise assisting device, an arithmetic processing device, a prosthetic hand, a wheelchair, a game device, and a display device. Hereinafter, as an example of a control target system, an explanation will be given of an exercise assisting device that assists body movement and an operation command generation system having a function of generating an operation command.

(第3の実施の形態の例1)
本実施の形態のシステムユニット301は、身体の運動を補助するシステムである。本実施の形態では、説明の便宜上、左手麻痺患者のリハビリテーションに好適なシステムユニット301を説明する。手麻痺患者は、手関節において屈筋群優位の筋活動が認められるため、このシステムユニット301では、手の運動命令に連動させて手関節を屈曲伸展させるリハビリテーションを行う。
(Example 1 of the third embodiment)
The system unit 301 of the present embodiment is a system that assists body movement. In the present embodiment, for convenience of explanation, a system unit 301 suitable for rehabilitation of a left hand paralyzed patient will be described. In a hand paralyzed patient, muscle activity predominating in the flexor group is recognized in the wrist joint. Therefore, in this system unit 301, rehabilitation is performed in which the wrist joint is bent and extended in conjunction with a motion command of the hand.

図14は、システムユニット301を説明する説明図である。システムユニット301は、運動関連電位信号検出システム101と運動補助システム400とを備える。上記実施の形態と同一の構成要件は同一符号を用いて説明を省略する。   FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the system unit 301. The system unit 301 includes an exercise-related potential signal detection system 101 and an exercise assistance system 400. The same constituent elements as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

運動関連電位信号検出システム101は、上記実施の形態とほぼ同様である。電極群E(LA)は、左手の運動野C4付近に配されている。脳波データD1,D2は、脳活動とほぼ同時に処理され、運動関連電位信号検出システム101から検出結果の情報がリアルタイムに出力される。検出結果の情報は、信号変換部20にて、規定の変換規則に基づいて、運動補助システム400を制御する制御信号に変換される。制御信号は、例えば、モータを逆回転させる命令信号とする。   The motion-related potential signal detection system 101 is almost the same as the above embodiment. The electrode group E (LA) is arranged in the vicinity of the motor area C4 of the left hand. The electroencephalogram data D <b> 1 and D <b> 2 are processed almost simultaneously with the brain activity, and information on detection results is output from the motion-related potential signal detection system 101 in real time. Information on the detection result is converted by the signal conversion unit 20 into a control signal for controlling the exercise assisting system 400 based on a predetermined conversion rule. The control signal is, for example, a command signal for rotating the motor in the reverse direction.

運動補助システム400は、対象の身体部位の運動を補助する機器であり、本実施の形態では、内蔵されるモータの回転により屈曲伸展動作を行う屈曲伸展部4aを備える。運動補助システム400は、信号変換部20からの制御信号に従ってモータを回転させると、回転軸4bを介して連結される屈曲伸展部4aが揺動動作し、屈曲又は伸展する。   The exercise assisting system 400 is a device that assists the exercise of the target body part. In the present embodiment, the exercise assisting system 400 includes a bending / extending unit 4a that performs a bending / extending operation by rotation of a built-in motor. When the motor assisting system 400 rotates the motor according to the control signal from the signal converting unit 20, the bending / extending unit 4a connected via the rotating shaft 4b swings and bends or extends.

なお、システムユニット301は、更に、ヘッドセット201を備えることが好ましい。ヘッドセット201には左手用の電極群E(LA)が配されており、採取された脳波データD1,D2は脳波測定部10を介して運動関連電位信号検出システム101に入力される。   The system unit 301 preferably further includes a headset 201. The left-hand electrode group E (LA) is arranged in the headset 201, and the collected electroencephalogram data D 1 and D 2 are input to the motion related potential signal detection system 101 via the electroencephalogram measurement unit 10.

リハビリテーションに際しては、患者Pの手関節付近がベルト等の固定部により屈曲伸展部4aに固定される。これにより、患者Pの脳内における手の運動命令に従って、ほぼリアルタイムに手関節の屈曲伸展運動が補助され、脳内の運動命令に連動したリハビリテーションが行われる。   During rehabilitation, the vicinity of the wrist joint of the patient P is fixed to the bending / extending portion 4a by a fixing portion such as a belt. Thereby, according to the motion command of the hand in the brain of the patient P, the flexion / extension motion of the wrist joint is assisted substantially in real time, and rehabilitation linked to the motion command in the brain is performed.

なお、運動補助システムとしては、上記に限定されるものではなく、足の運動を補助するものなど、いかなる運動をいかなる目的で補助するものでも良い   In addition, as an exercise assistance system, it is not limited to the above, and may assist any exercise for any purpose, such as an assisting exercise of a foot.

(第3の実施の形態の例2)
本実施の形態のシステムユニット302は、いわゆるブレインコンピュータインタフェースに応用した例であり、特に、ゲーム装置やパーソナルコンピュータに搭載される演算処理システムを制御して、表示装置の画像表示を操作するものである。
(Example 2 of the third embodiment)
The system unit 302 of the present embodiment is an example applied to a so-called brain computer interface, and in particular, controls an arithmetic processing system mounted on a game device or a personal computer to operate image display on a display device. is there.

図15は、システムユニット302を説明する説明図である。システムユニット302は、運動関連電位信号検出システム102と操作コマンド生成システム500とを備える。上記実施の形態と同一の構成要件は同一符号を用いて説明を省略する。   FIG. 15 is an explanatory diagram for explaining the system unit 302. The system unit 302 includes an exercise-related potential signal detection system 102 and an operation command generation system 500. The same constituent elements as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

運動関連電位信号検出システム102は、上記実施の形態とほぼ同様である。四肢の各部位の脳波データD1x,D2x(x=RA,LA,RF,LF)は並列処理され、各部位ごとの検出結果がリアルタイムに算出される。検出結果の情報は、操作コマンド生成システム500に供給される。   The motion-related potential signal detection system 102 is substantially the same as the above embodiment. The electroencephalogram data D1x, D2x (x = RA, LA, RF, LF) of each part of the limb are processed in parallel, and the detection result for each part is calculated in real time. Information on the detection result is supplied to the operation command generation system 500.

操作コマンド生成システム500は、判定結果に応じて所定の操作コマンドを生成する機能を備えるものであり、例えば、ゲーム装置やパーソナルコンピュータに内蔵される演算処理部や記憶部により実現される。記憶部には、各運動部位の脳波データD1x,D2x(x=RA,LA,RF,LF)と操作コマンド(スキャンコード)を対応付けたルックアップテーブルが格納されている。たとえば、ルックアップテーブルには、四肢の各運動電位信号の検出結果と、ゲームや仮想空間のキャラクタの四肢を操作する操作コマンドとの対応付けが規定されている。操作コマンド生成システム500は、検出結果の情報を受け取ると、ルックアップテーブルを参照し、運動関連電位信号が検出された脳波データD1x,D2x(x=RA,LA,RF,LF)に対応する操作コマンドを生成する。操作コマンドは、操作コマンドに応じた所定の処理を行う処理部に供給され、表示部30にはその操作コマンドに応じた画像が表示される。   The operation command generation system 500 has a function of generating a predetermined operation command according to the determination result, and is realized by, for example, an arithmetic processing unit or a storage unit built in a game device or a personal computer. The storage unit stores a lookup table in which the electroencephalogram data D1x and D2x (x = RA, LA, RF, and LF) of each motion part are associated with the operation command (scan code). For example, the lookup table defines the association between the detection result of each limb motor potential signal and the operation command for operating the limb of the character in the game or virtual space. When the operation command generation system 500 receives the detection result information, the operation command generation system 500 refers to the lookup table, and performs an operation corresponding to the electroencephalogram data D1x, D2x (x = RA, LA, RF, LF) in which the motion-related potential signal is detected. Generate a command. The operation command is supplied to a processing unit that performs predetermined processing according to the operation command, and an image according to the operation command is displayed on the display unit 30.

このシステムユニット302を用いるときは、操作者は、実際に運動を行うか、又は、運動を想起する。たとえば、キャラクタChの右手を動かす場合は、右手を動かすか、又は、想起すると、運動関連電位信号検出システム102では、脳波データD1(RA),D2(RA)で運動関連電位信号が検出され、その検出結果に基づいて操作コマンド生成システム500にて操作コマンドが生成され、表示部30にてキャラクタChの右手が動かされる。したがって、操作者の脳内の運動命令に連動して、キャラクタChを操作することが可能となる。   When using this system unit 302, the operator actually exercises or recalls the exercise. For example, when moving the right hand of the character Ch, if the right hand is moved or recalled, the motion-related potential signal detection system 102 detects the motion-related potential signal from the electroencephalogram data D1 (RA), D2 (RA), Based on the detection result, the operation command generation system 500 generates an operation command, and the display unit 30 moves the right hand of the character Ch. Therefore, the character Ch can be operated in conjunction with the motion command in the operator's brain.

(第3の実施の形態の例3)
本実施のシステムユニット303は、上記システムユニット302にモード切替機能を付加したものである。意識的な瞬き、歯軋り、顔部分の筋活動、首の傾斜などの頭部付近の運動により発生する筋電信号は、頭皮上の電極でも観測される。この筋電信号は脳波とは異なる特徴を有するため、脳波と区別しやすい。そこで、筋電信号を用いて制御モードの切り替えを行う。
(Example 3 of the third embodiment)
The system unit 303 of this embodiment is obtained by adding a mode switching function to the system unit 302 described above. Myoelectric signals generated by movements near the head, such as conscious blinks, teething, facial muscle activity, and neck tilt, are also observed on the electrodes on the scalp. Since the myoelectric signal has characteristics different from those of the electroencephalogram, it can be easily distinguished from the electroencephalogram. Therefore, the control mode is switched using the myoelectric signal.

たとえば、意識的な瞬きの筋電信号は、頭皮上の広い範囲で脳波データに大きなノイズ(約3Hz付近において振幅大)として混入する。そこで、本実施の形態のシステムユニット303は、四肢の脳波データD1x,D2x(x=RA,LA,RF,LF)を用いて、すべての脳波(又はいくつかの脳波)に所定周波数帯(ここでは3Hz)において閾値Z3以上の振幅が観測された場合は、操作モードを切り替える。   For example, a conscious blink myoelectric signal is mixed as large noise (a large amplitude in the vicinity of about 3 Hz) into the electroencephalogram data in a wide range on the scalp. Therefore, the system unit 303 according to the present embodiment uses the brain wave data D1x and D2x (x = RA, LA, RF, and LF) of the extremities to generate a predetermined frequency band (here, all brain waves). If an amplitude equal to or greater than the threshold value Z3 is observed at 3 Hz), the operation mode is switched.

図16は、システムユニット303を概念的に説明する説明図である。意識的な瞬きによる筋電信号の発生を監視する監視部40と、モード切替を行うモード切替部50を備える。監視部40は、脳波測定部10からの脳波データD1x,D2xを監視する。そして、周波数領域において所定周波数(3Hz)の振幅が閾値Z3を超えた場合は、運動関連電位信号検出システム102への脳波データD1x,D2xの供給を一時停止し、モード切替部50にモード切り替えの命令信号を出力する。   FIG. 16 is an explanatory diagram for conceptually explaining the system unit 303. A monitoring unit 40 that monitors generation of myoelectric signals due to conscious blinks and a mode switching unit 50 that performs mode switching are provided. The monitoring unit 40 monitors the electroencephalogram data D1x and D2x from the electroencephalogram measurement unit 10. When the amplitude of the predetermined frequency (3 Hz) exceeds the threshold value Z3 in the frequency domain, the supply of the electroencephalogram data D1x and D2x to the motion-related potential signal detection system 102 is temporarily stopped, and the mode switching unit 50 performs mode switching. Command signal is output.

モード切替部50は、監視部40からの命令信号に従って、モードの切り替えを行う。具体的には、記憶部に異なるモードのルックアップテーブルT1,T2が記憶されており、操作コマンド生成システム500が参照するルックアップテーブルT1,T2の切り替えを行う。たとえば、ルックアップテーブルT1には、検出結果に対応してキャラクタChの四肢を動かす操作コマンド、ルックアップテーブルT2には、背景を上下左右に移動させる操作コマンドが記述されている。   The mode switching unit 50 switches modes according to the command signal from the monitoring unit 40. Specifically, lookup tables T1 and T2 of different modes are stored in the storage unit, and the lookup tables T1 and T2 referred to by the operation command generation system 500 are switched. For example, the look-up table T1 describes an operation command for moving the limbs of the character Ch corresponding to the detection result, and the look-up table T2 describes an operation command for moving the background vertically and horizontally.

モード切替部50によるモード切り替えが完了すると、監視部40は脳波データD1x,D2xの供給停止を解除する。これにより、モードが切り替わった状態にて後続の処理が行われる。   When the mode switching by the mode switching unit 50 is completed, the monitoring unit 40 cancels the supply stop of the electroencephalogram data D1x and D2x. Thereby, subsequent processing is performed in a state where the mode is switched.

従来のブレインコンピュータインタフェースでは、身体動作を併用する場合は身体の皮膚上に電極を配置して、筋電信号を採取する必要があった。このモード切替機能によれば、脳波用に配置された頭皮上の電極を用いるため、別途、身体の皮膚上に電極を配置する必要がなく、頭皮上の電極だけで操作のバリエーションを増やすことができる。なお、モード切り替えは、これに限られるものではなく、例えば、カーソルの移動や、電源のON/OFFなどでも良い。   In the conventional brain computer interface, it is necessary to collect myoelectric signals by arranging electrodes on the skin of the body when using body motion together. According to this mode switching function, since electrodes on the scalp arranged for brain waves are used, there is no need to separately arrange electrodes on the skin of the body, and operation variations can be increased only with electrodes on the scalp. it can. Note that mode switching is not limited to this, and may be, for example, movement of a cursor or power ON / OFF.

(実施例1)
下記の実験1〜4を行い、従来の脳波―筋電図コヒーレンスを用いた方法との比較において、本発明の有効性を確認した。被験者は2人である。
Example 1
The following experiments 1 to 4 were performed, and the effectiveness of the present invention was confirmed in comparison with a method using a conventional electroencephalogram-electromyogram coherence. There are two subjects.

実験1:従来の脳波―筋電図コヒーレンスの実験を行った。頭皮上の足の運動野付近Czと左足の皮膚上に電極を配置し、左足を動作させたときの脳波−筋電図間のコヒーレンス関数を求めた。   Experiment 1: A conventional electroencephalogram-electromyogram coherence experiment was performed. The coherence function between the electroencephalogram and the electromyogram when the left foot was moved was determined by placing electrodes on the skin of the left foot and Cz near the motor area of the foot on the scalp.

実験2〜3:各被験者の頭皮上に電極群Eを配置した。配置箇所は足の運動野付近Czである。図3に示される電極群Eのレイアウトとし、脳波データD1は双極導出法、脳波データD2はラプラシアン導出法により採取した。双極導出法は電極e3とe4の電位の差分、ラプラシアン導出法は電極e1の電位と電極e2〜e5の平均電位の差分とした。被験者を下記実験2〜4の状態とし、脳波D1,D2の周波数領域でのコヒーレンス関数を求めた。
実験2:左足を動作させた。
実験3:左足を動作させることなく、想起だけさせた。
実験4:動作及び想起無しとし、安静状態とさせた(コントロール実験)。
Experiments 2-3: An electrode group E was placed on the scalp of each subject. The location is the vicinity Cz of the motor area of the foot. With the layout of the electrode group E shown in FIG. 3, the electroencephalogram data D1 was collected by the bipolar derivation method, and the electroencephalogram data D2 was collected by the Laplacian derivation method. The bipolar derivation method is the difference between the potentials of the electrodes e3 and e4, and the Laplacian derivation method is the difference between the potential of the electrode e1 and the average potential of the electrodes e2 to e5. The subject was put into the states of the following experiments 2 to 4, and the coherence function in the frequency domain of the brain waves D1 and D2 was obtained.
Experiment 2: The left foot was moved.
Experiment 3: Recollected without moving the left foot.
Experiment 4: There was no movement or recall, and the patient was resting (control experiment).

図17は、実験1〜4の結果をグラフ化した図である。Subject1,2は異なる二人の被験者のデータであり、(1−a)(2−a)は実験1、(1−b)(2−b)は実験2、(1−c)(2−c)は実験3、(1−d)(2−d)は実験4の結果である。各々の実験では、同じ条件にて複数回のトライアルEXfoot1〜6を行い、グラフには各トライアルについてコヒーレンス関数をプロットした。緑色で示されるプロットは、各トライアルのコヒーレンス関数の平均である。   FIG. 17 is a graph of the results of Experiments 1 to 4. Subject 1 and 2 are data of two different subjects, (1-a) and (2-a) are Experiment 1, (1-b) and (2-b) are Experiment 2, and (1-c) (2- c) is the result of Experiment 3, and (1-d) and (2-d) are the results of Experiment 4. In each experiment, a plurality of trials EXfoot 1 to 6 were performed under the same conditions, and a coherence function was plotted for each trial on the graph. The plot shown in green is the average of the coherence function for each trial.

実験1(1−a)(1−b)では、14〜30Hzの周波数帯において明らかなピークが観測され、足を動作させたときの運動関連脳電位信号の周波数はβ帯であることが確認された。実験2(1−b)(2−b)及び実験3(1−c)(2−c)では、実験1とほぼ近似した周波数帯で明らかなピークが観測されたことから、実験2,3の方法によっても、運動関連電位信号を検出できることが確認された。また、実験1の脳波―筋電図コヒーレンスを用いた方法では、運動関連電位信号を高い精度で検出可能であることが従来の研究においても知られている。実験2,3の方法では、筋電図を用いなくとも、実験1の方法を用いたときと遜色のない程に高精度に検出可能であることが確認された。   In Experiment 1 (1-a) (1-b), a clear peak is observed in the frequency band of 14 to 30 Hz, and it is confirmed that the frequency of the motion-related brain potential signal when the foot is moved is in the β band. It was done. In Experiment 2 (1-b) (2-b) and Experiment 3 (1-c) (2-c), a clear peak was observed in a frequency band approximately similar to Experiment 1, so Experiments 2 and 3 It was confirmed that the motion-related potential signal can also be detected by this method. Further, it has been known in the conventional research that the method using the electroencephalogram-electromyogram coherence in Experiment 1 can detect the motion-related potential signal with high accuracy. In the methods of Experiments 2 and 3, it was confirmed that detection can be performed with high accuracy as much as that of the method of Experiment 1 without using an electromyogram.

なお、上記実施例においては、ラプラシアン導出と双極導出による場合を例示したが、その他の導出方法を用いても同様に有効性が確認され、また、同一の導出方法であっても異なる電極レイアウトとすること(例えば図8(e)(f))によっても同様の有効性が確認された。   In the above embodiment, the case of Laplacian derivation and bipolar derivation has been illustrated, but the effectiveness is confirmed in the same manner even when other derivation methods are used, and different electrode layouts can be obtained even with the same derivation method. The same effectiveness was confirmed by doing (for example, FIGS. 8E and 8F).

(実施例2)
下記の解析方法1,2による実験を行い、従来のパワースペクトルを用いた方法との比較において、本発明の有効性を確認した。被験者は1人である。
(Example 2)
Experiments by the following analysis methods 1 and 2 were performed, and the effectiveness of the present invention was confirmed in comparison with a method using a conventional power spectrum. There is one test subject.

被験者の頭皮上に電極群Eを配置した。配置箇所は足の運動野付近Czである。図8(a)に示すように、電極はE1のレイアウトとし、被験者に、運動イメージを4秒、安静を9秒おこなうトライアルを、左右の足について交互に30回ずつ繰り返させた(Phasicタスク)。トライアルごとに、右足用の脳波データD1(RF),D2(RF)、左足用の脳波データD1(LF),D2(LF)を採取した。各脳波データは、図11に示すように、右足用の脳波データD1(RF)は電極e2と電極e3の電位の差分(双極導出法)、左足用の脳波データD1(LF)は電極e4と電極e3の電位の差分(双極導出法)、脳波データD2(RF)(LF)は電極e1の電位と電極e2〜e5の平均電位の差分(ラプラシアン導出法)により採取した。   Electrode group E was placed on the scalp of the subject. The location is the vicinity Cz of the motor area of the foot. As shown in FIG. 8 (a), the electrode has an E1 layout, and the subject was allowed to repeatedly perform a trial of 4 seconds of motion image and 9 seconds of rest on the left and right feet 30 times alternately (Phasic task). . For each trial, brain wave data D1 (RF) and D2 (RF) for the right foot and brain wave data D1 (LF) and D2 (LF) for the left foot were collected. As shown in FIG. 11, the electroencephalogram data D1 (RF) for the right foot is the difference between the potentials of the electrodes e2 and e3 (bipolar derivation method), and the electroencephalogram data D1 (LF) for the left foot is the electrode e4. The potential difference of the electrode e3 (bipolar derivation method) and the electroencephalogram data D2 (RF) (LF) were collected by the difference between the potential of the electrode e1 and the average potential of the electrodes e2 to e5 (Laplacian derivation method).

右足用の脳波データD1(RF),D2(RF)と左足用の脳波データD1(LF),D2(LF)を用い、次の解析方法にて片足ごとに脳波データの解析を行った。
解析方法1:時間周波数領域におけるパワースペクトルの強度を調べた。
解析方法2:本発明の原理に基づいて各脳波EEG1,EEG2間のパワースペクトルのコヒーレンス関数を調べた。
なお、FFTの窓幅1秒、hamming窓、94%オーバーラップ、コヒーレンスをトライアル方向に加算平均とした。
Using the electroencephalogram data D1 (RF) and D2 (RF) for the right foot and the electroencephalogram data D1 (LF) and D2 (LF) for the left foot, the electroencephalogram data was analyzed for each leg by the following analysis method.
Analysis method 1: The intensity of the power spectrum in the time frequency domain was examined.
Analysis method 2: Based on the principle of the present invention, the coherence function of the power spectrum between the brain waves EEG1 and EEG2 was examined.
The FFT window width was 1 second, the hamming window, 94% overlap, and coherence were added and averaged in the trial direction.

図18は、解析方法1の結果であり、時間周波数領域にてパワースペクトルの強度分布を示した図である。図19は、解析方法2の結果であり、時間周波数領域にてコヒーレンス関数の分布を示した図である。Channel1は、脳波データD1(RF),D2(RF)のデータ、Channel2は脳波データD1(LF),D2(LF)のデータである。LeftIM,RightIMの矢印で示される時間帯は想起状態の時間帯(4秒)を示し、その前後は安静状態の時間帯(合計9秒)を示す。   FIG. 18 shows the result of the analysis method 1 and shows the intensity distribution of the power spectrum in the time frequency domain. FIG. 19 shows the result of the analysis method 2 and shows the distribution of the coherence function in the time frequency domain. Channel 1 is data of electroencephalogram data D1 (RF) and D2 (RF), and Channel 2 is data of electroencephalogram data D1 (LF) and D2 (LF). The time zone indicated by the arrows of LeftIM and RightIM shows the time zone in the recall state (4 seconds), and before and after that shows the time zone in the resting state (9 seconds in total).

図18に示されるように、解析方法1によっては、左右の足の運動を想起した時間帯LeftIM,RightIMにおいて、いずれの周波数帯においても特徴的な変化は観測されなかった。   As shown in FIG. 18, depending on the analysis method 1, a characteristic change was not observed in any frequency band in the time zones LeftIM and RightIM reminiscent of the left and right foot movements.

図19に示されるように、解析方法2によると、Channel1では、RightIMの時間帯にβ帯において高い相関性が観測された(矢印箇所)。すなわち、右足の運動を想起したときに、脳波データD1(RF),D2(RF)のβ帯において高い相関が観測され、この相関を用いることで右足に関わる運動関連電位信号が検出できることが確認された。また、同様に、Channel2では、LeftIMの時間帯にβ帯において高い相関が観測された(矢印箇所)。すなわち、左足の運動を想起したときに、脳波データD1(LF),D2(LF)のβ帯において高い相関が観測され、この相関を用いることで左足に関わる運動関連電位信号が検出できることが確認された。   As shown in FIG. 19, according to the analysis method 2, in Channel 1, a high correlation was observed in the β band in the time zone of RightIM (arrow part). That is, when recalling the movement of the right foot, a high correlation is observed in the β band of the electroencephalogram data D1 (RF) and D2 (RF), and it is confirmed that a motion-related potential signal related to the right foot can be detected by using this correlation. It was done. Similarly, in Channel 2, a high correlation was observed in the β band in the LeftIM time zone (arrow points). That is, when recalling the movement of the left foot, a high correlation is observed in the β band of the electroencephalogram data D1 (LF) and D2 (LF), and it is confirmed that a motion-related potential signal related to the left foot can be detected by using this correlation. It was done.

さらに、Channel1では高い相関が確認されたRightIMの時間帯において、Channel2では相関が低いままであり、同様に、Channel2では高い相関が確認されたLeftIMの時間帯において、Channel1では相関が低いままであった。すなわち、足の運動野Cz付近に配した同一の電極群E(RF,LF)を用いて、右足と左足の運動関連電位信号を区別して検出可能であることが確認された。   Furthermore, in Channel 1 the correlation between the right and high correlations of RightIM is low, in Channel 2 the correlation remains low. Similarly, in the channel of Left IM where the high correlation is confirmed in Channel 2, the correlation remains low in Channel 1. It was. That is, using the same electrode group E (RF, LF) arranged in the vicinity of the foot motor field Cz, it was confirmed that the motion-related potential signals of the right foot and the left foot can be distinguished and detected.

以上から、従来のパワースペクトルの強度を用いた方法では検出不可能な場合であっても、本発明によれば検出可能であり、運動関連電位信号を高精度に検出できることが確認できた。また、本発明によれば、右足と左足の運動関連電位信号を区別して検出可能であることも確認できた。   From the above, it has been confirmed that even if the conventional method using the power spectrum intensity cannot be detected, it can be detected according to the present invention, and the motion-related potential signal can be detected with high accuracy. Further, according to the present invention, it was confirmed that the motion-related potential signals of the right foot and the left foot can be detected separately.

以上、本発明によれば、筋電図を利用することなく、頭皮上の電極から採取した脳波データのみから運動関連電位信号を高精度且つリアルタイムに検出することができ、リハビリテーション、診断・治療、ブレインコンピュータインタフェースなど、様々な分野に広く応用可能となる。   As described above, according to the present invention, it is possible to detect a motion-related potential signal with high accuracy and in real time only from electroencephalogram data collected from an electrode on the scalp without using an electromyogram, rehabilitation, diagnosis / treatment, It can be widely applied to various fields such as brain computer interface.

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、二つの脳波データD1、D2の相関値を用いたが、三つ以上の脳波データの相関値を用いることも可能である。   The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, in the above embodiment, the correlation value of the two electroencephalogram data D1 and D2 is used, but the correlation value of three or more electroencephalogram data can also be used.

また、脳波データの採取位置は、上記国際10−20法におけるCz,C3,C4付近としたが、検出目的とする運動関連電位信号が得られる位置であれば良い。   In addition, the collection position of the electroencephalogram data is set to the vicinity of Cz, C3, and C4 in the international 10-20 method, but may be any position where a motion-related potential signal for detection purposes can be obtained.

また、上記実施の形態では、システムユニットとして、手関節のリハビリを行う運動補助システムとの組み合わせ、及び、操作コマンド生成システムとの組み合わせを例に説明したが、その他、車椅子、義手、義足、ゲーム装置など、様々なシステムと組み合わせ可能である。また、運動補助システムとしては、上腕、足関節、上肢、腰、首など、様々な身体部位の運動を補助するシステムにも応用可能である。また、検出結果を用いて外部システムを制御することなく、相関値や検出結果を表示装置に表示し、診断や治療に役立てることも可能である。   In the above-described embodiment, the combination with the exercise assist system that performs rehabilitation of the wrist joint and the combination with the operation command generation system have been described as examples of the system unit, but in addition, a wheelchair, an artificial hand, an artificial leg, a game It can be combined with various systems such as devices. Moreover, as an exercise assistance system, it is applicable also to the system which assists the exercise | movement of various body parts, such as an upper arm, an ankle joint, an upper limb, a waist, and a neck. Further, the correlation value and the detection result can be displayed on the display device without using the detection result to control the external system, which can be used for diagnosis and treatment.

このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることは言うまでもない。   Thus, it goes without saying that the present invention can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

運動命令の伝達と脳波・筋電図を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining transmission of a motion command, and an electroencephalogram / electromyogram. 発明者等による脳波―筋電図コヒーレンスの実験結果をグラフ化した図である。It is the figure which made a graph the experimental result of the electroencephalogram-electromyogram coherence by the inventors. 本発明の基本原理における頭皮上の電極の配置を例示説明する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates arrangement | positioning of the electrode on a scalp in the basic principle of this invention. 上記図3に示す頭部のA−A´の一部断面図である。FIG. 4 is a partial cross-sectional view taken along line AA ′ of the head shown in FIG. 3. 本発明の基本原理のメカニズムを説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the mechanism of the basic principle of this invention. 第1の実施の形態の例1として示す運動関連電位信号検出システムを概念的に説明するブロック図である。It is a block diagram which illustrates notionally the motion related potential signal detection system shown as Example 1 of 1st Embodiment. 上記実施の形態において、異なる電極レイアウトのパターンを例示的に説明する説明図である。In the said embodiment, it is explanatory drawing explaining the pattern of a different electrode layout exemplarily. 上記実施の形態において、異なる導出方法と電極レイアウトでの脳波データの採取パターンの例を説明する説明図であるIn the said embodiment, it is explanatory drawing explaining the example of the collection pattern of the electroencephalogram data by a different derivation method and an electrode layout 上記実施の形態として示す相関値計算部を概念的に説明するブロック図である。It is a block diagram which illustrates notionally the correlation value calculation part shown as the said embodiment. 第1の実施の形態の例2として示す運動関連電位信号検出システムを概念的に説明するブロック図であるIt is a block diagram which illustrates notionally the motion related potential signal detection system shown as Example 2 of 1st Embodiment. 上記実施の形態における足関連の脳波データの採取方法を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the collection method of the brain-related electroencephalogram data in the said embodiment. 第2の実施の形態として示すヘッドセットを概念的に説明する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates notionally the headset shown as 2nd Embodiment. 上記実施の形態として示すヘッドセットの一例であり、(a)は正面図、(b)は上面図である。It is an example of the headset shown as the said embodiment, (a) is a front view, (b) is a top view. 第3の実施の形態の例1として示すシステムユニットを概念的に説明する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates notionally the system unit shown as Example 1 of 3rd Embodiment. 第3の実施の形態の例2として示すシステムユニットを概念的に説明する説明図であるIt is explanatory drawing which illustrates notionally the system unit shown as Example 2 of 3rd Embodiment. 第3の実施の形態の例3として示すシステムユニットを概念的に説明する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates notionally the system unit shown as Example 3 of 3rd Embodiment. 実施例1における実験1〜4の結果をグラフ化した図である。It is the figure which made the result of Experiments 1-4 in Example 1 into a graph. 実施例2における解析方法1による実験結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an experimental result by the analysis method 1 in Example 2. 実施例2における解析方法2による実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result by the analysis method 2 in Example 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

P ヒト,被験者
e,e1〜e5 電極
E,E1〜E6,E(RF,LF,RA,LA) 電極群
S 活動源
EEG1,EEG2 脳波
D1,D2 脳波データ
101,102,103 運動関連電位信号検出システム
1 相関値計算部
1a セグメント分割部、1b 周波数解析部、1c 計算部
2 検出部
3 処理部
200 ヘッドセット
10 脳波測定部
301〜303 システムユニット
400 運動補助システム
20 信号変換部
500 操作コマンド生成システム
30 表示装置
40 監視部
50 モード切替部
P human, subject e, e1 to e5 electrode E, E1 to E6, E (RF, LF, RA, LA) electrode group S activity source EEG1, EEG2 electroencephalogram D1, D2 electroencephalogram data 101, 102, 103 motion-related potential signal detection System 1 Correlation value calculation unit 1a Segment division unit, 1b Frequency analysis unit, 1c calculation unit 2 Detection unit 3 Processing unit 200 Headset 10 EEG measurement unit 301 to 303 System unit 400 Exercise support system 20 Signal conversion unit 500 Operation command generation system 30 display device 40 monitoring unit 50 mode switching unit

Claims (4)

頭皮上に配される電極から採取された脳波のデータを用いて、当該脳波に含まれる特定の運動関連電位信号を検出するシステムであり、
近接する複数の位置から異なる導出方法、又は、異なる電極レイアウトで採取された前記脳波のデータを周波数解析し、各脳波間の相関値を周波数ごとに算出する相関値計算部を備え、
所定の周波数帯における前記相関値に基づいて運動関連電位信号を検出することを特徴とする運動関連電位信号検出システム。
A system for detecting a specific motion-related potential signal contained in an electroencephalogram using electroencephalogram data collected from an electrode disposed on the scalp,
A different derivation method from a plurality of adjacent positions, or a frequency analysis of the data of the brain waves collected by different electrode layouts, and a correlation value calculation unit that calculates a correlation value between each brain wave for each frequency,
A motion-related potential signal detection system that detects a motion-related potential signal based on the correlation value in a predetermined frequency band.
請求項1記載の運動関連脳波電位検出システムに用いられる前記脳波のデータを採取するためのヘッドセットであり、前記脳波のデータを採取する位置に対応して複数の電極が近接配置されていることを特徴とするヘッドセット。   A headset for collecting the electroencephalogram data used in the motion-related electroencephalogram potential detection system according to claim 1, wherein a plurality of electrodes are arranged close to each other corresponding to the position where the electroencephalogram data is collected. Headset characterized by. 請求項1記載の運動関連電位信号検出システムと、当該運動関連電位信号検出システムの検出結果に応じて制御される制御対象システムとを備えることを特徴とするシステムユニット。   A system unit comprising: the motion-related potential signal detection system according to claim 1; and a control target system controlled according to a detection result of the motion-related potential signal detection system. 前記制御対象システムは、身体の運動を補助する機能を備える運動補助システム、又は、操作コマンドを生成する機能を備える操作コマンド生成システムであることを特徴とする請求項3に記載のシステムユニット。   4. The system unit according to claim 3, wherein the control target system is an exercise assistance system having a function of assisting body movement or an operation command generation system having a function of generating an operation command.
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