JP2014092561A - Intention transmission support device, intention transmission support method, and program - Google Patents

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Isao Hasegawa
長谷川  功
Naohisa Miyakawa
尚久 宮川
Hiroto Sawahata
博人 澤畑
Keisuke Kawasaki
圭祐 川嵜
Koreyasu Kamiya
之康 神谷
Kei Majima
慶 間島
Takafumi Suzuki
隆文 鈴木
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Niigata University NUC
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an intention transmission support device, an intention transmission support method, and a program which accurately and stably support the transmission of information.SOLUTION: The intention transmission support device includes a computing unit for outputting information specifying visual stimulation sensuously received or imaged by a subject from a result calculated based on information including a feature quantity due to a brain surface signal of the region and a feature quantity due to an intra-brain signal of the region extracted respectively and repeatedly acquired according to the predefined test period in the region including the cerebra visual cortex or the cerebra association cortex of the brain of the subject.

Description

本発明は、意思伝達支援装置、意思伝達支援方法、及びプログラムである。   The present invention is a communication support device, a communication support method, and a program.

意思伝達支援装置は、被験者(被検体)が頭に思い浮かべたものの情報を読み取って、読み取った情報を被験者に代わって出力することにより被験者の意思伝達を支援する。意思伝達支援装置においては、被験者が頭に思い浮かべたものを適確かつ安定的に出力することにより、被験者の意思の伝達を支援することが望まれる。意思伝達支援装置の被験者としては、例えば意思表示能力の障害を持つ重度患者が挙げられる。意思表示能力の障害は、例えば、脳卒中(脳血管障害)や筋萎縮性側索硬化症(ALS症)などの疾患が原因で発症することがある。このような原因で発症した重度患者の中には、文字や絵を見て理解することができていても、手足を動かしたり、言葉を発したりすることが自由にならないため、自らの意思をうまく伝えることができない場合がある。   The communication support device reads information on what the subject (subject) has thought of in his / her head, and outputs the read information on behalf of the test subject to support the subject's communication. In the communication support device, it is desired to support the communication of the subject's intention by accurately and stably outputting what the subject has imagined. Examples of the subject of the communication support apparatus include a severe patient who has a disorder of ability to express intention. The disorder of ability to express intention may occur due to diseases such as stroke (cerebrovascular disorder) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS disease). Some severe patients who have developed such a cause are not able to move their limbs or speak words even if they can see and understand letters and pictures. It may not be possible to communicate well.

意思伝達支援装置に関連する技術として、脳信号を利用して意思伝達を支援する方法が開示されている。
第一の方法は、無侵襲に検出できる脳波を利用する(例えば、特許文献1参照)。特許文献1によれば、条件を選択するための制御信号として脳波を利用する脳波スイッチ制御方法を使用したメッセージ表示装置を用いることにより意思伝達を支援する。
第二の方法は、ユタ大方式として知られている侵襲的な検出手段を用いる(例えば、特許文献2参照)。ユタ大方式の検出手段は、剣山型微小電極を用いて、脳に直接刺入して神経細胞のスパイク活動(活動電位)を検出する。
上記の第一の方法と第二の方法は、ともに、表示部に複数の選択候補とカーソル等を表示して、被験者(被検体)から得られた脳信号(情報)に基づいて、選択する選択候補の表示位置にカーソルの位置を移動させるとともに、カーソルの位置によって示された選択候補(表示された文字等)を選択する。
As a technology related to the communication support device, a method of supporting communication using brain signals is disclosed.
The first method uses an electroencephalogram that can be detected non-invasively (see, for example, Patent Document 1). According to Patent Document 1, intention transmission is supported by using a message display device that uses an electroencephalogram switch control method that uses an electroencephalogram as a control signal for selecting a condition.
The second method uses invasive detection means known as the Utah large system (see, for example, Patent Document 2). The Utah large-scale detection means detects the spike activity (action potential) of a nerve cell by directly inserting into the brain using a sword mountain type microelectrode.
In both the first method and the second method, a plurality of selection candidates, a cursor, and the like are displayed on the display unit, and selection is made based on brain signals (information) obtained from the subject (subject). While moving the cursor position to the display position of the selection candidate, the selection candidate (displayed character etc.) indicated by the cursor position is selected.

特開平7−20774号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-20774 米国特許出願公開第2007/46486号明細書US Patent Application Publication No. 2007/46486

しかしながら、特許文献1によれば、ALS症等の重度の筋力系障害者が会話や筋力による意思伝達の情報発信手段を失った場合であっても意思伝達が可能になることが示されているが、単に脳波の有無の情報を利用するものに過ぎず、検出した脳波から詳細な情報を得るものではない。また、大脳運動野の局所の神経活動から運動プランを特定しているため、対象がALS症や閉じ込め症候群などの稀な疾患に限られ、脳血管障害などを原因とした運動野自体に損傷が及ぶ患者には適用できないという問題がある。
また、特許文献2によれば、神経細胞のスパイク活動(活動電位)を記録するため、神経細胞の電位を検出できるように電極を配置しておくことが必要とされることから、継続的に安定して情報を得ることが困難である。
さらに、特許文献1と2における検出方法によれば、画面に表示された文字を選択する間接的な方法を利用することから、被験者(被検体)が認知した情報を伝達できるまでに要する時間が長くなり、被験者に負担を与えている。
このように上記のいずれの方法も、互いに異なる検出方法を利用しているが、十分な支援が行えるに至っていない。また、いずれの方法も、伝える情報(画像)の種類がさらに多くなると識別性が低下して、的確に伝達できなくなるという問題がある。
However, according to Patent Document 1, it is shown that even if a person with severe muscular dysfunction such as ALS disease loses information transmission means for communication by means of conversation or muscular strength, it is possible to communicate. However, it merely uses information on the presence or absence of an electroencephalogram, and does not obtain detailed information from the detected electroencephalogram. In addition, because the motor plan is identified from the local neural activity of the cerebral motor cortex, the target is limited to rare diseases such as ALS and confinement syndrome, and the motor cortex itself due to cerebrovascular disorders is damaged. There is a problem that it cannot be applied to a large patient.
Further, according to Patent Document 2, since the spike activity (action potential) of a nerve cell is recorded, it is necessary to arrange electrodes so that the potential of the nerve cell can be detected. It is difficult to obtain information stably.
Furthermore, according to the detection methods in Patent Documents 1 and 2, since an indirect method of selecting characters displayed on the screen is used, the time required until the information recognized by the subject (subject) can be transmitted. Longer and burdens the subject.
As described above, each of the above methods uses different detection methods, but has not been able to provide sufficient support. In addition, each of the methods has a problem in that if the number of types of information (images) to be transmitted is further increased, the distinguishability is deteriorated and the information cannot be accurately transmitted.

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、的確、かつ安定に情報の伝達を支援する意思伝達支援装置、意思伝達支援方法、及びプログラムを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a communication support apparatus, a communication support method, and a program that support information transmission accurately and stably.

この発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、被検体の脳における大脳視覚野又は大脳連合野を含む領域において、定められた試行期間に応じて繰り返し取得する脳表信号と脳内信号とからそれぞれ抽出した、前記領域の脳表信号に由来する特徴量と、前記領域の脳内信号に由来する特徴量とを含む情報に基づいて算定した結果から被検体が感覚受容しているないしイメージしている視覚刺激を特定する情報を出力する演算処理部を備えることを特徴とする意思伝達支援装置である。   The present invention has been made to solve the above-described problem, and one embodiment of the present invention is repeatedly performed in a region including the cerebral visual cortex or cerebral association cortex in the subject's brain according to a predetermined trial period. From the results calculated based on the information including the feature amount derived from the brain surface signal of the region and the feature amount derived from the brain signal of the region, respectively extracted from the acquired brain surface signal and brain signal A communication support apparatus comprising an arithmetic processing unit that outputs information for identifying a visual stimulus that a subject is receiving or sensing.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記領域の脳内において第1の計測手段によって計測される脳内信号と、前記領域の脳表において第2の計測手段によって計測される脳表信号とを含めて、前記試行期間に応じて検出された複数の種類の脳信号から、前記計測された位置における脳の電気的特性を求める多点電位計測部と、前記求められた脳の電気的特性に応じた特徴量を抽出する特徴量抽出部と、を備えることを特徴とする。   Further, according to one aspect of the present invention, in the above invention, the brain signal measured by the first measuring unit in the brain of the region and the brain surface measured by the second measuring unit in the brain table of the region. A multipoint electric potential measurement unit for obtaining electrical characteristics of the brain at the measured position from a plurality of types of brain signals detected according to the trial period, including the signal, and the obtained electrical brain power And a feature amount extraction unit that extracts a feature amount according to the target characteristic.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記多点電位計測部は、前記第1の計測手段として局所フィールド電位(LFP)法を利用することを特徴とする。   One embodiment of the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the multipoint potential measuring unit uses a local field potential (LFP) method as the first measuring means.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記多点電位計測部は、前記第2の計測手段として皮質脳波(ECoG)法を利用することを特徴とする。   Further, one embodiment of the present invention is characterized in that, in the above invention, the multipoint potential measurement unit uses a cortical electroencephalogram (ECoG) method as the second measurement means.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記LFP法による前記脳内信号を検出する第1電極部を前記脳内に配し、前記ECoG法による前記脳表信号を検出する第2電極部を前記脳表に配することを特徴とする。   Further, according to one aspect of the present invention, in the above invention, a second electrode for detecting the brain surface signal by the ECoG method is provided in the brain, the first electrode portion for detecting the brain signal by the LFP method being disposed in the brain. A part is arranged on the brain surface.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記多点電位計測部は、複数の前記脳内信号を検出する前記第1電極部と、一の面に設けられ、複数の前記脳表信号を検出する前記第2電極部と、を備え、前記第1電極部は、前記第2電極部を設けた一の面から突出するように設けられることを特徴とする。   Further, according to one aspect of the present invention, in the above invention, the multipoint potential measurement unit is provided on the same surface as the first electrode unit that detects the plurality of brain signals, and the plurality of brain surface signals. And the second electrode part for detecting the first electrode part, wherein the first electrode part is provided so as to protrude from one surface on which the second electrode part is provided.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記多点電位計測部は、前記第1電極部に設けられている複数の端子の位置によって形成される第1多角形のうちの少なくとも一部の多角形と、前記第2電極部に設けられている複数の端子の位置によって形成される第2多角形のうちの少なくとも一部の多角形とが、前記一の面を平面視して重なる部分が存在するように配されていることを特徴とする。   One embodiment of the present invention is the above invention, wherein the multipoint potential measurement unit is at least a part of a first polygon formed by positions of a plurality of terminals provided in the first electrode unit. And at least a part of the second polygon formed by the positions of the plurality of terminals provided in the second electrode portion overlap with each other in plan view. It is arranged so that a part exists.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記大脳視覚野又は大脳連合野を含む領域が、高次視覚連合野を中心とした領域であり、少なくとも側頭葉ないし後頭葉の腹側部の視覚関連領域のいずれかを含むことを特徴とする。   In one embodiment of the present invention, in the above invention, the region including the cerebral visual cortex or the cerebral association cortex is a region centering on the higher visual association cortex, and at least the ventral part of the temporal lobe or the occipital lobe. Any one of the visual related areas is included.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記特徴量抽出部は、前記求められた脳の電気的特性に応じた特徴量を、前記脳信号に含まれる周波数成分と、定められた所定の時から前記脳信号の応答が検出される時までの時間とに基づいて抽出することを特徴とする。   According to another aspect of the present invention, in the above invention, the feature amount extraction unit determines a feature amount corresponding to the obtained electrical characteristics of the brain as a frequency component included in the brain signal and a predetermined predetermined amount. And the time from when the response of the brain signal is detected to the time when the response is detected.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記特徴量抽出部は、前記脳信号に含まれる主たる周波数成分を少なくとも含むように検出周波数範囲を定め、前記定めた検出周波数範囲の一部を含むように複数の周波数範囲を定め、前記脳信号の応答を検出する前の所定の時から前記脳信号の応答が検出されるまでの期間を少なくとも含むように検出時間範囲を定め、前記定めた検出時間範囲の一部を含むように複数の時間範囲を定め、前記定めた周波数範囲の何れかと前記定めた時間範囲の何れかとの組み合わせによって制限される範囲に含まれる前記脳信号の信号強度の代表値を前記特徴量に含むことを特徴とする。   According to another aspect of the present invention, in the above invention, the feature amount extraction unit defines a detection frequency range so as to include at least a main frequency component included in the brain signal, and a part of the determined detection frequency range is determined. A plurality of frequency ranges are defined to include a detection time range so as to include at least a period from a predetermined time before detecting a response of the brain signal until a response of the brain signal is detected, and the determined A plurality of time ranges are defined so as to include a part of the detection time range, and the signal intensity of the brain signal included in a range limited by a combination of any of the determined frequency ranges and any of the determined time ranges A representative value is included in the feature amount.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記演算処理部は、前記脳表信号と前記脳内信号とのうちから選択された複数の信号の相関に由来の特徴量をさらに含む情報に基づいて算定した結果から前記視覚刺激を特定する情報を出力することを特徴とする。   Further, according to one aspect of the present invention, in the above invention, the arithmetic processing unit includes information further including a feature amount derived from a correlation between a plurality of signals selected from the brain surface signal and the brain signal. Information specifying the visual stimulus is output from the result calculated based on the result.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記演算処理部は、前記脳表信号と前記脳内信号との信号の相関に由来の特徴量をさらに含む情報に基づいて算定した結果から前記視覚刺激を特定する情報を出力することを特徴とする。   Further, according to one aspect of the present invention, in the above invention, the arithmetic processing unit calculates the result based on information calculated based on information further including a feature amount derived from a correlation between the brain surface signal and the intracerebral signal. It outputs the information specifying the visual stimulus.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記特徴量抽出部は、前記求められた脳の電気的特性に応じた特徴量を、前記脳表信号と前記脳内信号とに基づいた相関処理の結果から抽出し、前記演算処理部は、前記脳表信号と前記脳内信号との信号の相関性に由来の特徴量をさらに含む情報に基づいて算定した結果から前記視覚刺激を特定する情報を出力することを特徴とする。   According to another aspect of the present invention, in the above invention, the feature amount extraction unit correlates the feature amount according to the obtained electrical characteristics of the brain based on the brain surface signal and the intracerebral signal. Extracted from the processing result, the arithmetic processing unit identifies the visual stimulus from a result calculated based on information further including a feature amount derived from a correlation between the brain surface signal and the signal in the brain It is characterized by outputting information.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記特徴量抽出部は、前記検出周波数範囲を定められた所定の数に分割して、互いの範囲が重ならないように前記複数の周波数範囲が定められていることを特徴とする。   Further, according to one aspect of the present invention, in the above invention, the feature amount extraction unit divides the detection frequency range into a predetermined number, and the plurality of frequency ranges are arranged so that the ranges do not overlap each other. It is defined.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記特徴量抽出部は、前記定めた周波数範囲の何れかと前記定めた時間範囲の何れかとの組み合わせによって制限される範囲に含まれる前記脳信号の信号強度の平均値を、前記脳信号の信号強度の代表値として前記特徴量に含むことを特徴とする。   In addition, according to another aspect of the present invention, in the above invention, the feature amount extraction unit includes the brain signal included in a range limited by a combination of any of the defined frequency ranges and any of the defined time ranges. An average value of signal intensity is included in the feature quantity as a representative value of signal intensity of the brain signal.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記演算処理部は、予め定められている複数の画像のうちから、前記複数の種類の脳信号に基づいて前記抽出された特徴量から関連付けられる画像を選択し、前記選択した画像の情報を前記算定した情報として出力することを特徴とする。   Further, according to one aspect of the present invention, in the above invention, the arithmetic processing unit is associated from the extracted feature amount based on the plurality of types of brain signals from a plurality of predetermined images. An image is selected, and information on the selected image is output as the calculated information.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記演算処理部は、前記予め定められている複数の画像のうちから前記関連付けられる画像を選択する処理において、画像の表示に伴って検出された前記脳の計測点における脳の電気的特性の特徴量と前記画像とを対応付ける処理により前記処理の変数を最適化することを特徴とする。   Further, according to one aspect of the present invention, in the above invention, the arithmetic processing unit is detected along with display of the image in the process of selecting the associated image from the plurality of predetermined images. The variable of the process is optimized by the process of associating the characteristic quantity of the electrical characteristics of the brain at the measurement point of the brain with the image.

また、本発明の一態様は、上記発明において、前記多点電位計測部は、前記電気的特性として、各計測点における視覚刺激に伴って変化する電位(視覚誘発電位)又は視覚刺激に伴って変化する電位の特定の周波数帯域成分の変化を用いることを特徴とする。   In addition, according to one aspect of the present invention, in the above invention, the multipoint potential measurement unit is configured such that, as the electrical characteristics, a potential (visual evoked potential) that changes with a visual stimulus at each measurement point or a visual stimulus. It is characterized by using a change in a specific frequency band component of the changing potential.

また、本発明の一態様は、被検体の脳における大脳視覚野又は大脳連合野を含む領域において、定められた試行期間に応じて繰り返し取得する脳表信号と脳内信号とからそれぞれ抽出した、前記領域の脳表信号に由来の特徴量と、前記領域の脳内信号に由来の特徴量とを含む情報に基づいて算定した結果から前記被検体が感覚受容しているないしイメージしている視覚刺激を特定する情報を出力するステップを含むことを特徴とする意思伝達支援方法である。   Further, according to one aspect of the present invention, in the region including the cerebral visual cortex or cerebral association cortex in the subject's brain, each of the brain surface signals and brain signals that are repeatedly acquired according to a predetermined trial period, respectively, is extracted. Vision that the subject senses or images from the result calculated based on information including the feature amount derived from the brain surface signal of the region and the feature amount derived from the brain signal of the region It is a communication support method characterized by including the step of outputting the information which specifies a stimulus.

また、本発明の一態様は、意思伝達支援装置が備えるコンピュータに、被検体の脳における大脳視覚野又は大脳連合野を含む領域において、定められた試行期間に応じて繰り返し取得する脳表信号と脳内信号とからそれぞれ抽出した、前記領域の脳表信号に由来の特徴量と、前記領域の脳内信号に由来の特徴量とを含む情報に基づいて算定した結果から前記被検体が感覚受容しているないしイメージしている視覚刺激を特定する情報を出力するステップを実行させるためのプログラムである。   In one embodiment of the present invention, a computer included in the communication support device includes a brain surface signal that is repeatedly acquired in a region including a cerebral visual cortex or a cerebral association cortex in a subject's brain according to a predetermined trial period. The subject receives sensory perception from a result calculated based on information including a feature amount derived from the brain surface signal of the region and a feature amount derived from the brain signal of the region, respectively extracted from the brain signal. This is a program for executing a step of outputting information for identifying a visual stimulus that is being or imaged.

本発明によれば、的確、かつ安定に情報の伝達を支援する意思伝達支援装置、意思伝達支援方法、及びプログラムを提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide an intention transmission support apparatus, an intention transmission support method, and a program that support transmission of information accurately and stably.

第1実施形態における視覚的イメージによる意思伝達支援装置を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the intention communication assistance apparatus by the visual image in 1st Embodiment. 脳表のECoGと脳内のLFPを同時に計測する多点電位計測部とその配置を示す図である。It is a figure which shows the multipoint electric potential measurement part which measures ECoG of a brain surface, and LFP in a brain simultaneously, and its arrangement | positioning. 多点電位計測部における電極部31を示す図である。It is a figure which shows the electrode part 31 in a multipoint electric potential measurement part. 本実施形態における電極部32を示す図である。It is a figure which shows the electrode part 32 in this embodiment. 本実施形態における電極部31と電極部32との位置を示す図である。It is a figure which shows the position of the electrode part 31 and the electrode part 32 in this embodiment. 電極アレイによって検出された皮質脳波に対する処理を示す図である。It is a figure which shows the process with respect to the cortical electroencephalogram detected by the electrode array. 図6に示す処理の結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the result of the process shown in FIG. 図6に示す時空間周波数変換処理によって変換された、時空間周波数成分から特徴量を抽出する処理について説明する図である。It is a figure explaining the process which extracts the feature-value from the spatiotemporal frequency component converted by the spatiotemporal frequency conversion process shown in FIG. 本実施形態における処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process in this embodiment. 本実施形態に示す意思伝達支援装置による判定結果を示す図である。It is a figure which shows the determination result by the intention communication assistance apparatus shown to this embodiment. 第2実施形態における視覚的イメージによる意思伝達支援装置を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the intention communication assistance apparatus by the visual image in 2nd Embodiment. 本実施形態における処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process in this embodiment.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。以下の説明において、同じ構成には、同じ符号を附して説明を簡略化する。また、図示する構成において、一部を省略して示したり、詳細な構成を追加して示したりする場合がある。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, the same components are denoted by the same reference numerals, and the description is simplified. In the illustrated configuration, a part of the configuration may be omitted or a detailed configuration may be added.

(第1実施形態)
図1を参照して、本実施形態による視覚的イメージによる意思伝達支援装置の概要について説明する。図1は、本実施形態における視覚的イメージによる意思伝達支援装置を示す機能ブロック図である。
(First embodiment)
With reference to FIG. 1, the outline | summary of the communication support apparatus by the visual image by this embodiment is demonstrated. FIG. 1 is a functional block diagram showing a visual communication image communication support device according to this embodiment.

最初に、本実施形態による意思伝達支援装置100(Brain Machine Interface(BMI))の概要を説明する。意思伝達支援装置100において、人間(被験者)が、ある対象(obj)、例えば文字“X”を見た時の画像刺激(v)に基づく視覚情報S1は、視覚受容器11(網膜)から視覚神経系を介して脳に到達し、脳内の、一次視覚野(V1(図2))を経て視覚連合野12により形態(視覚情報S1)に特異的な応答信号S2に変換される。文字“X”とは異なる文字“Y”を見た時には、異なる応答信号(S2)が得られる。この画像刺激(v)による脳の応答信号S2そのものを、例えば、局所フィールド電位(LFP)法、ECoG法などの方法により多点電位計測部3により計測する。多点電位計測部3において共通の期間を含む試行期間に繰り返し計測して得られた複数の電位計測値から、画像刺激(v)に伴った脳の電気的特性を抽出することができる。ここで、電気的特性とは、画像刺激(v)に伴った電位の変化(すなわち視覚誘発電位)のことを指して以下の説明を行う。なお、画像刺激(v)に伴った電位の特定の周波数帯域成分(例として30-100Hzのγ周波数帯域)の構成の変化を、上記の電気的特性とすることも可能である。   First, an outline of the intention communication support apparatus 100 (Brain Machine Interface (BMI)) according to the present embodiment will be described. In the communication support apparatus 100, the visual information S1 based on the image stimulus (v) when a human (subject) sees a certain object (obj), for example, the letter “X”, is visually transmitted from the visual receptor 11 (retina). It reaches the brain via the nervous system and is converted into a response signal S2 specific to the form (visual information S1) by the visual association area 12 through the primary visual cortex (V1 (FIG. 2)) in the brain. When a character “Y” different from the character “X” is seen, a different response signal (S2) is obtained. The brain response signal S2 itself due to the image stimulus (v) is measured by the multipoint potential measuring unit 3 by a method such as a local field potential (LFP) method or an ECoG method. The electrical characteristics of the brain associated with the image stimulus (v) can be extracted from a plurality of potential measurement values obtained by repeated measurement in a trial period including a common period in the multipoint potential measurement unit 3. Here, the electrical characteristic refers to a change in potential accompanying the image stimulus (v) (that is, visual evoked potential) and will be described below. Note that a change in the configuration of a specific frequency band component (for example, a γ frequency band of 30 to 100 Hz) of the potential accompanying the image stimulus (v) can be the above-described electrical characteristics.

多点電位計測部3は、画像刺激(v)に伴って各計測点で観測される電気的特性の集合を神経活動(r)として、特徴量抽出部4に供給する。
特徴量抽出部4は、供給された神経活動(r)(各計測点で観測される電気的特性)に基づいて、神経活動(r)が示す情報の特徴量を抽出する。特徴量抽出部4は、抽出した特徴量を演算処理部5に供給する。
The multipoint potential measurement unit 3 supplies a set of electrical characteristics observed at each measurement point with image stimulation (v) to the feature quantity extraction unit 4 as neural activity (r).
The feature amount extraction unit 4 extracts a feature amount of information indicated by the neural activity (r) based on the supplied neural activity (r) (electrical characteristics observed at each measurement point). The feature quantity extraction unit 4 supplies the extracted feature quantity to the arithmetic processing unit 5.

ここで、詳細な情報を識別する解読処理について説明する。
本実施形態における意思伝達支援装置100は、収集した脳信号を基にした解読処理の負荷を増大させることなく、効率よく詳細な情報を識別する。
本実施形態における意思伝達支援装置100は、被験者(人間又はサルなどの被検体)が頭に思い描いている文字やアイコン等の視覚イメージ情報を、脳の神経活動、すなわち皮質脳波(Electrocorticogram: ECoG)と脳内局所集合電位(Local field potential: LFP)との多点計測値の組み合わせに基づいてリアルタイムに解読する。
意思伝達支援装置100が読解する情報には、被検体が感覚受容しているないしイメージしている視覚刺激が含まれる。このような視覚刺激を、意思伝達支援装置100は、脳の中に符号化された視覚刺激として読解する。
意思伝達支援装置100は、(1)機械学習相と(2)意思伝達相の二段階に分けた機械学習処理によりリアルタイムの解読を可能とする。
Here, a decoding process for identifying detailed information will be described.
The communication support device 100 in this embodiment identifies detailed information efficiently without increasing the load of decoding processing based on the collected brain signals.
The communication support apparatus 100 according to the present embodiment uses visual image information such as characters and icons that a subject (a subject such as a human or a monkey) envisions in his / her head, and the neural activity of the brain, that is, cortical electroencephalogram (ECoG). And real-time decoding based on the combination of multipoint measurement values of the brain and local field potential (LFP).
The information read and understood by the communication support apparatus 100 includes visual stimuli that the subject senses or images. The communication support apparatus 100 reads such visual stimuli as visual stimuli encoded in the brain.
The intention transmission support apparatus 100 enables real-time decoding by machine learning processing divided into two stages: (1) machine learning phase and (2) intention transmission phase.

第1段階の機械学習相について説明する。この第1段階の機械学習相において、意思伝達支援装置100は、まず個々の文字等の視覚刺激の提示に対する多点神経応答を検出し、提示した視覚刺激に対応する多点神経応答の特徴量をn次元空間のベクトルとして表す。意思伝達支援装置100(演算処理部5)は、n次元空間のベクトルによって示される特徴量により、個々の刺激に対する応答を別の刺激に対する応答と分離する超平面の最適解を、機械学習の事前教育のアルゴリズムに従って求める。意思伝達支援装置100(演算処理部5)は、上記の個々の刺激による応答として、同時多点記録した脳内LFPと脳表のECoGとに由来の時空間ドメインと周波数ドメインを関連付けた情報から抽出する特徴量を用いる。なお、上記の機械学習処理には、サポートベクターマシン(SVM)等の既知の方法を用いる。例えば、SVMは、最適解として算出された超平面を用いる事前教育型の機械学習手法を用いる機械学習処理のアルゴリズムを利用する。   The machine learning phase in the first stage will be described. In the first stage of machine learning phase, the communication support device 100 first detects a multipoint neural response to presentation of visual stimuli such as individual characters, and features of the multipoint neural response corresponding to the presented visual stimuli. Is represented as a vector in an n-dimensional space. The communication support device 100 (the arithmetic processing unit 5) uses a feature amount indicated by a vector in an n-dimensional space to obtain an optimal hyperplane solution that separates a response to an individual stimulus from a response to another stimulus in advance of machine learning. Find according to the algorithm of education. The intention transmission support device 100 (arithmetic processing unit 5), as a response by each of the above stimuli, uses information relating the spatio-temporal domain and the frequency domain derived from the brain multi-point LFP recorded simultaneously and the ECoG of the brain surface. The feature quantity to be extracted is used. Note that a known method such as a support vector machine (SVM) is used for the machine learning process. For example, the SVM uses a machine learning processing algorithm that uses a pre-education type machine learning method that uses a hyperplane calculated as an optimal solution.

続いて、第2段階の意思伝達相について説明する。この第2段階の意思伝達相においては、第1段階の機械学習相におけるSVM等の機械学習処理のアルゴリズムと同様の処理に従って、意思伝達支援装置100は、観測中の神経活動に応じて検出された特徴量を抽出し、被験者が次に選びたいと思っている文字やアイコンの種類の情報を解読(デコード)する。意思伝達支援装置100(演算処理部5)は、デコードしたアイコンや文字の情報を表示装置9に表示する。
なお、意思伝達支援装置100(演算処理部5)は、デコードしたアイコンや文字の情報を制御装置やコンピュータ等に供給して、制御装置やコンピュータ等において処理させてもよい。制御装置やコンピュータ等においてデコードしたアイコンや文字の情報を処理させることにより、制御装置やコンピュータ等が、文字を綴ったり、物を選んだりする意思伝達支援装置が有効に機能する。
Next, the second stage communication phase will be described. In the second stage communication phase, the communication support device 100 is detected according to the neural activity being observed in accordance with the same process as the machine learning process algorithm such as SVM in the first stage machine learning phase. The feature amount is extracted, and the character or icon type information that the subject wants to select next is decoded (decoded). The intention transmission support device 100 (the arithmetic processing unit 5) displays the decoded icon and character information on the display device 9.
Note that the intention transmission support apparatus 100 (arithmetic processing unit 5) may supply the decoded icon or character information to a control device, a computer, or the like, and cause the control device, the computer, or the like to process the information. By processing the decoded icon and character information in the control device, computer, etc., the control device, computer, etc., functions effectively as a communication support device for spelling characters and selecting objects.

以上が、本実施形態に示す意思伝達支援装置の概要である。   The above is the outline of the intention transmission support apparatus shown in the present embodiment.

このように、対象物(文字等)を画像イメージとして特定すべき場合に脳で観測される神経活動(r)に由来する特徴量に基づいて、イメージしている対象物、例えば文字を特定する識別の識別確度(分解能、識別率)を高めることができる。   As described above, when an object (such as a character) is to be specified as an image image, the object being imaged, for example, a character is specified based on the feature amount derived from the neural activity (r) observed in the brain. The identification accuracy (resolution, identification rate) of identification can be increased.

ところで、本実施形態に関連する技術として、皮質脳波(electrocorticogram: ECoG)を検出対象として利用する技術がある(例えば、特開2010−257343号公報を参照)。この特開2010−257343号公報に記載の技術によれば、被験者から得られた情報に基づいて、文字やアイコン等の視覚イメージを直接的に選択することにより、応答性を改善させている。本実施形態においても、上記の技術と同様に、被験者から得られた情報に基づいて、文字やアイコン等の視覚イメージを直接的に選択する手法を利用する。   By the way, as a technique related to the present embodiment, there is a technique that uses a cortical electroencephalogram (ECoG) as a detection target (see, for example, JP 2010-257343 A). According to the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-257343, responsiveness is improved by directly selecting visual images such as characters and icons based on information obtained from a subject. Also in the present embodiment, a method of directly selecting a visual image such as a character or an icon based on information obtained from a subject is used, as in the above technique.

ただし、この特開2010−257343号公報に記載の技術においては、皮質脳波(ECoG)を単独で利用しており、皮質脳波(ECoG)を他の種類の脳信号と組み合わせることなく一種類の脳信号を利用している。また、皮質脳波(ECoG)のピーク電位に基づいた判定方法を用いている。このように、一つの種類の脳信号(皮質脳波)のピーク電位に基づいた判定方法では、皮質脳波単独では読み取れる情報の種類、確度に限界があることから、伝える情報を識別する分解能を高めることが困難となる場合がある。要するに、大まかな視覚対象のカテゴリー(例えば、表示された画像が、文字であるのか、顔であるのか、などの分類)を脳内情報(皮質脳波)から読み取ることができるとしても、詳細な相違点(例えば、文字の相違や、顔の画像に基づいた個体識別というような上記分類に含まれる各因子)を識別するまで分解能を高めることが困難な場合が生じうる。
そこで、本実施形態においては、上記の関連する技術より識別する分解能を高めることにより、的確、かつ安定に情報の伝達を支援する手法を実現している、以下、本実施器得体の詳細について順に説明する。
However, in the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-257343, a cortical electroencephalogram (ECoG) is used alone, and the cortical electroencephalogram (ECoG) is not combined with other types of brain signals, but one kind of brain. The signal is used. Further, a determination method based on the peak potential of cortical electroencephalogram (ECoG) is used. In this way, in the determination method based on the peak potential of one type of brain signal (cortical EEG), the type and accuracy of information that can be read by the cortical EEG alone is limited, so the resolution for identifying the information to be conveyed is increased. May be difficult. In short, even if it is possible to read the rough visual category (for example, whether the displayed image is a character or a face) from brain information (cortical EEG), detailed differences There may be a case where it is difficult to increase the resolution until a point (for example, each factor included in the above classification such as a character difference or individual identification based on a face image) is identified.
Therefore, in the present embodiment, a technique for supporting information transmission accurately and stably by increasing the resolution to discriminate from the related technology described above. explain.

(脳表のECoGと脳内のLFPを同時に計測する多点電位計測部)
図2から図5を参照して脳表のECoGと脳内のLFPを同じ試行期間に(以下、「同時に」という場合がある。)計測する多点電位計測部について説明する。ここで説明する多点電位計測部は、脳表のECoGと脳内のLFPを同時に計測することにより、脳信号から得る情報の密度を高めることができる。
図2は、脳表のECoGと脳内のLFPを同時に計測する多点電位計測部とその配置を示す図である。図3は、多点電位計測部における電極部31を示す図である。
(Multi-point potential measurement unit that simultaneously measures ECoG on the brain surface and LFP in the brain)
A multipoint potential measurement unit that measures ECoG on the brain surface and LFP in the brain during the same trial period (hereinafter sometimes referred to as “simultaneously”) will be described with reference to FIGS. The multipoint potential measurement unit described here can increase the density of information obtained from brain signals by simultaneously measuring ECoG on the brain surface and LFP in the brain.
FIG. 2 is a diagram showing a multipoint potential measurement unit that simultaneously measures ECoG on the brain surface and LFP in the brain, and an arrangement thereof. FIG. 3 is a diagram illustrating the electrode unit 31 in the multipoint potential measurement unit.

図2(A)は、多点電位計測部の配置例を示す脳の縦断断面図(正面視)を示す。この図2(A)は、MRIにて撮影した頭部の画像に多点電位計測部の位置を記載したものである。
中央の明るい部分が脳の位置を示し、多点電位計測部3の先端部(微小電極31T側)が脳(TE野)に接する状態に配置されていることを示している。A軸、L軸、D軸にて示される座標系は、脳の向きを示し、A軸が脳の正面方向、L軸が脳の左方向、D軸が脳の頭頂方向を示す。
また、多点電位計測部3の向きを基準とする座標系を、x軸、y軸、z軸にて示される座標系として示す。x軸、y軸、z軸にて示される座標系における、z軸が多点電位計測部3の電極部31(第1電極部)を頭部に装着する際に、脳表に対して垂直に電極部31(第1電極部)を進退させる方向を示し、x軸とy軸がz軸と直交する方向を示す。
頭部に電極部31(第1電極部)が脳表に接して脳表に対して垂直になるようにチャンバー部37、38が設けられており、電極部31は、チャンバー部37、38によって保持された状態で、測定が行われる。電極部31において検出された脳信号は接続端子部31TBから取り出すことができる。他方の電極部32(第2電極部)は、電極部31と脳との間に配置されている。
FIG. 2A is a longitudinal sectional view (front view) of the brain showing an arrangement example of the multipoint potential measurement unit. FIG. 2A shows the position of the multipoint potential measurement unit in the image of the head imaged by MRI.
The central bright portion indicates the position of the brain, and the tip of the multipoint potential measuring unit 3 (microelectrode 31T side) is arranged in contact with the brain (TE field). A coordinate system indicated by an A axis, an L axis, and a D axis indicates the direction of the brain, the A axis indicates the front direction of the brain, the L axis indicates the left direction of the brain, and the D axis indicates the parietal direction of the brain.
A coordinate system based on the orientation of the multipoint potential measuring unit 3 is shown as a coordinate system indicated by the x-axis, y-axis, and z-axis. In the coordinate system indicated by the x-axis, y-axis, and z-axis, the z-axis is perpendicular to the brain surface when the electrode unit 31 (first electrode unit) of the multipoint potential measuring unit 3 is mounted on the head. Indicates the direction in which the electrode portion 31 (first electrode portion) is advanced and retracted, and the direction in which the x-axis and the y-axis are orthogonal to the z-axis.
Chamber portions 37 and 38 are provided on the head so that the electrode portion 31 (first electrode portion) is in contact with and perpendicular to the brain surface. The electrode portion 31 is formed by the chamber portions 37 and 38. The measurement is performed in the held state. The brain signal detected in the electrode part 31 can be taken out from the connection terminal part 31TB. The other electrode part 32 (second electrode part) is disposed between the electrode part 31 and the brain.

図2(B)は、多点電位計測部の配置例を示す脳の側面(側頭部)側を俯瞰して示す。
この図2(B)に示すように、例えば、多点電位計測部3は、視覚に関連する上側頭溝Lより腹側の物体視に関連した下側頭葉から後頭葉腹側部にかけての視覚連合野の領域Zaに配置される。例えば、多点電位計測部3は、視覚連合野の領域のうちTE野を検出範囲に含むように配置する。また、例えば、視覚連合野を含む領域Zbが、TE野を中心とした領域であり、少なくとも側頭葉ないし後頭葉の腹側部の視覚関連領域のいずれかが含まれていてもよい。このように、多点電位計測部3は、視覚連合野を含む大脳視覚野ないし大脳連合野に設けることにより、被験者(被検体)の視覚刺激を検出できる。なお、大脳視覚野は、一次視覚野(V1野)と視覚連合野を含む。また、大脳連合野は、一次運動野や一次感覚野(一次視覚野を含む)以外の大脳皮質を含む領域を示す。
なお、この図2(B)中のTE、TEO、V1、V2、V4は、それぞれTE野、TEO野、1次視覚野(V1野)、2次視覚野(V2野)、4次視覚野(V4野)を示し、脳の各部を示す一般的な呼称に対応させている。また、大脳視覚連合野を網掛けして示している。
FIG. 2B shows a side view (temporal head) side of the brain showing an arrangement example of the multipoint potential measurement unit as an overhead view.
As shown in FIG. 2 (B), for example, the multipoint potential measuring unit 3 is arranged from the lower temporal lobe related to the visual acuity to the ventral side of the occipital lobe from the upper temporal groove L related to vision. It is arranged in the area Za of the visual association area. For example, the multipoint potential measurement unit 3 arranges the TE field in the visual association field region so as to be included in the detection range. Further, for example, the area Zb including the visual association area is an area centered on the TE area, and at least one of the visual related areas in the temporal lobe or the ventral side of the occipital lobe may be included. As described above, the multipoint potential measuring unit 3 can detect the visual stimulus of the subject (subject) by being provided in the cerebral visual cortex including the visual association area or the cerebral association area. The cerebral visual cortex includes a primary visual cortex (V1 field) and a visual association cortex. The cerebral association area indicates an area including the cerebral cortex other than the primary motor area and the primary sensory area (including the primary visual area).
In FIG. 2B, TE, TEO, V1, V2, and V4 are TE field, TEO field, primary visual field (V1 field), secondary visual field (V2 field), and fourth visual field, respectively. (V4 field) is shown, and it is made to correspond to the general name which shows each part of the brain. The cerebral visual association area is shaded.

前述のとおり本実施形態における多点電位計測部3は、脳内のLFPとunit活動電位を検出する電極部31(第1の電極部)、脳表のECoGを検出する電極部32(第2の電極部)の2種類の電極部を備える。
図2(B)に示す多点電位計測部3は、各部を配置した位置を展開して示しており、脳側から順に、電極部32、チャンバー部38、チャンバー部37、電極部31の順に配置されることを示している。電極部32には、電極32Tが設けられるヘッド部32Hとヘッド部32Hから配線を引き出すノード部32Nがあり、同一のフィルム状の基板部32Bに形成されている。要するに電極部32のヘッド部32Hは、脳に接して設けられることから頭部内に位置する。そのため、チャンバー部37とチャンバー部38の間に設けられた隙間にノード部32Nが設けられ、脳信号が頭部の外にノード部32Nを介して取り出される。
また、電極部31において検出された脳信号は接続端子部31TBから取り出すことができる。
本実施形態においては、このように頭部に設けた多点電位計測部3によって測定を行う。
As described above, the multipoint potential measuring unit 3 in the present embodiment includes the electrode unit 31 (first electrode unit) that detects LFP and unit action potential in the brain, and the electrode unit 32 (second electrode) that detects ECoG on the brain surface. 2 types of electrode portions).
The multipoint potential measuring unit 3 shown in FIG. 2 (B) shows the positions where the respective units are arranged in an expanded manner. In order from the brain side, the electrode unit 32, the chamber unit 38, the chamber unit 37, and the electrode unit 31 are sequentially displayed. It shows that it is arranged. The electrode part 32 includes a head part 32H provided with an electrode 32T and a node part 32N from which wiring is drawn out from the head part 32H, and is formed on the same film-like substrate part 32B. In short, the head part 32H of the electrode part 32 is located in the head because it is provided in contact with the brain. Therefore, a node portion 32N is provided in a gap provided between the chamber portion 37 and the chamber portion 38, and brain signals are taken out of the head via the node portion 32N.
Moreover, the brain signal detected in the electrode part 31 can be taken out from the connection terminal part 31TB.
In the present embodiment, the measurement is performed by the multipoint potential measuring unit 3 provided on the head as described above.

前述の図3に示すように電極部31は、脳内のLFPとunit活動電位を検出する。
電極部31は、微小電極31Tを所定の位置に保持する円筒形の保護部を備え、保護部の(+Z)軸側の端面(図の(x−y)平面に沿った面)にはZ軸方向に突出する複数の微小電極31Tが配置されている。電極部31における保護部の(−Z)軸側の端面には接続端子部31TBが設けられており、微小電極31Tからの信号をそれぞれ取り取り出すことができる。
電極部31が脳に配置される位置は、脳に配置した電極部32と同じ位置にあたる。電極部32が脳に接触するように脳に被せて配置されており、電極部31は、その電極部32の上に設けられる。ここで、(+Z)軸方向は検出対象の脳の方向であることから、微小電極31Tは、脳内方向に突出するように設けられる。要するに、電極部31の微小電極31Tは、脳内に刺入された状態に設けられる。
As shown in FIG. 3, the electrode unit 31 detects LFP and unit action potential in the brain.
The electrode portion 31 includes a cylindrical protection portion that holds the microelectrode 31T at a predetermined position, and the end surface on the (+ Z) axis side (a surface along the (xy) plane in the drawing) of the protection portion is Z. A plurality of microelectrodes 31T protruding in the axial direction are arranged. A connection terminal portion 31TB is provided on the end surface of the protective portion in the electrode portion 31 on the (−Z) axis side, and signals from the microelectrode 31T can be respectively taken out.
The position where the electrode part 31 is arranged in the brain corresponds to the same position as the electrode part 32 arranged in the brain. The electrode part 32 is placed over the brain so as to contact the brain, and the electrode part 31 is provided on the electrode part 32. Here, since the (+ Z) axis direction is the direction of the brain to be detected, the microelectrode 31T is provided so as to protrude in the brain direction. In short, the microelectrode 31T of the electrode unit 31 is provided in a state of being inserted into the brain.

図4は、本実施形態における電極部32を示す図である。
この図4に示される電極部32は、フィルム状を成している基板部32Bによって形成されている。基板部32Bには、基板部32Bの一の表面に沿って配されている矩形状の複数の電極32Tを備えている。例えば、電極32Tの大きさを0.05から1mm(ミリメートル)四方(x=y=0.05から1)、複数の電極32Tがy軸方向に並べて配置されている列32Cのx軸方向の間隔を0.5から5mm(ミリメートル)(dx=0.5から5)、列32C内の電極32Tがy軸方向に並べて配置されている間隔を0.5から5mm(ミリメートル)(dy=0.5から5)とする。なお、上記の寸法は、一例に過ぎず、被検体の脳の神経細胞の大きさや、検出する信号の種類などに応じて適する大きさに調整することができる。
なお、電極部32を長期留置した状態のままで安定に記録するには、電極32Tの大きさ(電極表面積部分)については0.1から1mm(ミリメートル)程度、電極32Tの極間については1から2.5mm程度が望ましい。また、極数は多ければ多いほど、信号を検出する空間的な密度を高めることができるので、多いことが望ましい。しかしながら、物理的な制限(コネクタ、アンプ、無線通信、それらを駆動する電源の確保などの制限)があり容易に多極化できる範囲に限界がある。例えば、上記の条件のもとで効率よく情報を収集するには、極数を256ch(チャネル)程度までに抑えるとよい。
FIG. 4 is a diagram showing the electrode part 32 in the present embodiment.
The electrode part 32 shown by this FIG. 4 is formed of the board | substrate part 32B which has comprised the film form. The substrate part 32B includes a plurality of rectangular electrodes 32T arranged along one surface of the substrate part 32B. For example, the size of the electrode 32T is 0.05 to 1 mm (millimeters) square (x = y = 0.05 to 1), and the plurality of electrodes 32T are arranged in the y-axis direction in the x-axis direction. The interval is 0.5 to 5 mm (millimeter) (dx = 0.5 to 5), and the interval at which the electrodes 32T in the row 32C are arranged in the y-axis direction is 0.5 to 5 mm (millimeter) (dy = 0) 5 to 5). The above dimensions are merely examples, and can be adjusted to a suitable size according to the size of nerve cells in the brain of the subject and the type of signal to be detected.
In order to record stably with the electrode part 32 left in place for a long period of time, the size of the electrode 32T (electrode surface area) is about 0.1 to 1 mm (millimeter), and the distance between the electrodes 32T is 1 To about 2.5 mm is desirable. Further, the larger the number of poles, the higher the spatial density for detecting signals, so it is desirable that the number is large. However, there are physical limitations (limitations such as securing connectors, amplifiers, wireless communications, and power sources for driving them), and there is a limit to the range that can easily be multipolarized. For example, in order to efficiently collect information under the above conditions, the number of poles should be limited to about 256 channels (channels).

図5は、本実施形態における電極部31と電極部32との位置を示す図である。
図5(A)は、電極部31と電極部32とを測定時のように組み合わせた状態を保持して、電極部32側から撮影した写真である。図5(B)は、図5(A)の一部を拡大した写真である。図5(C)は、図5(A),(B)に示した写真の部分を模式化して示した図である。
各図は、脳の方から電極部32を見た状態を示している。要するに、電極部32の基板部32Bの表面に設けられた電極32Tと、基板部32Bの表面から突出している微小電極31T(電極部31)が確認できる。
なお、列32Cのx軸方向の間隔dxは、電極部31の微小電極31Tの位置と干渉して、互いに接触しないように定めている。電極部31の配線は、列32Cの所定の幅のうちに設けられており、各列32Cの間には櫛状のスペース32Sが設けられている。このスペース32Sに、電極部31の微小電極31Tが設けられている。
FIG. 5 is a diagram showing the positions of the electrode part 31 and the electrode part 32 in the present embodiment.
FIG. 5A is a photograph taken from the electrode part 32 side while maintaining a state in which the electrode part 31 and the electrode part 32 are combined as in the measurement. FIG. 5B is an enlarged photograph of part of FIG. FIG. 5C is a diagram schematically showing the part of the photograph shown in FIGS. 5A and 5B.
Each figure shows a state in which the electrode part 32 is viewed from the brain. In short, the electrode 32T provided on the surface of the substrate part 32B of the electrode part 32 and the microelectrode 31T (electrode part 31) protruding from the surface of the substrate part 32B can be confirmed.
Note that the distance dx in the x-axis direction of the row 32C is determined so as not to interfere with the position of the microelectrode 31T of the electrode portion 31 and to contact each other. The wiring of the electrode portion 31 is provided within a predetermined width of the row 32C, and a comb-like space 32S is provided between the rows 32C. In this space 32S, the microelectrode 31T of the electrode part 31 is provided.

このように電極部31の微小電極31Tは、電極部32が設けられている基板部32Bにおける一の面から突出するように設けられている。なお本実施形態においては、電極部31は、電極部32が設けられている基板部32Bの一の面の背面側に電極部31の本体部が配されており、電極部31の微小電極31Tが基板部32Bの一の面の背面側から当該一の面を貫通して、基板部32Bの一の面よりも突出するように設けられている。
そのため、多点電位計測部3においては、LFP法による第1脳信号(例えば、LFP)を検出する電極部31を第1計測点(脳内)に配し、ECoG法による第2脳信号(例えば、ECoG)を検出する電極部32を第2計測点(脳表)に配することができる。
Thus, the microelectrode 31T of the electrode part 31 is provided so as to protrude from one surface of the substrate part 32B on which the electrode part 32 is provided. In the present embodiment, the electrode portion 31 has the main body portion of the electrode portion 31 disposed on the back side of one surface of the substrate portion 32B on which the electrode portion 32 is provided, and the microelectrode 31T of the electrode portion 31 is provided. Is provided so as to penetrate the one surface from the back side of the one surface of the substrate portion 32B and protrude beyond the one surface of the substrate portion 32B.
Therefore, in the multipoint potential measurement unit 3, the electrode unit 31 for detecting the first brain signal (for example, LFP) by the LFP method is arranged at the first measurement point (in the brain), and the second brain signal by the ECoG method ( For example, the electrode part 32 for detecting ECoG) can be arranged at the second measurement point (brain surface).

このように、電極部31と電極部32とを分離していることにより、多点電位計測部3は、脳内信号と脳表信号とを独立して検出することができる。
なお、電極部32が設けられているフィルム状の基板部32Bの一の面は、脳に対して面で接触している。さらに、電極部32は、電極32Tが柔軟な(20ミクロン程度の)薄膜電極であること、電極部32の材質の生体親和性が高いこと、そして基板部32Bの面には、隙間や面を貫通する孔を設けていることにより、脳表によりフィットしやすく形成されている。そのため、電極部32は脳に対してずれにくい。この電極部31の電極が基板部32B(フィルム)を貫通するように設けられることにより、電極部31は、電極部32が設けられている基板部32B(フィルム)に対してもずれにくい。このように構成していることにより、電極部31は、脳の位置に対してもずれにくくなり、安定に検出が行えるようになる。
Thus, by separating the electrode part 31 and the electrode part 32, the multipoint potential measurement part 3 can detect the brain signal and the brain surface signal independently.
One surface of the film-like substrate portion 32B on which the electrode portion 32 is provided is in contact with the brain. Further, in the electrode part 32, the electrode 32T is a flexible thin film electrode (about 20 microns), the biocompatibility of the material of the electrode part 32 is high, and a gap or surface is formed on the surface of the substrate part 32B. By providing a through-hole, it is more easily fitted to the brain surface. Therefore, the electrode part 32 is difficult to shift with respect to the brain. By providing the electrode of the electrode part 31 so as to penetrate the substrate part 32B (film), the electrode part 31 is not easily displaced with respect to the substrate part 32B (film) on which the electrode part 32 is provided. With this configuration, the electrode portion 31 is less likely to be displaced with respect to the brain position, and can be detected stably.

この図5に示されるように、電極部31に設けられている複数の端子(微小電極31T)は、格子に従って配置されている。単位格子に符号31SQを附して示す。また、電極部32に設けられている複数の端子(電極32T)は、格子に従って配置されている。単位格子に符号32SQを附して示す。この図5に示されるように、上記の単位格子31SQの領域と単位格子32SQの領域とに部分的に重なる領域が存在する。   As shown in FIG. 5, a plurality of terminals (microelectrodes 31T) provided in the electrode portion 31 are arranged according to a lattice. A unit cell is shown with reference numeral 31SQ. A plurality of terminals (electrodes 32T) provided in the electrode part 32 are arranged according to a lattice. A unit cell is indicated by reference numeral 32SQ. As shown in FIG. 5, there is a region that partially overlaps the region of the unit cell 31SQ and the region of the unit cell 32SQ.

要するに、電極部31に設けられている複数の端子(微小電極31T)の位置によって形成される格子(第1多角形)の単位格子SQ31(少なくとも一部の多角形)と、電極部32に設けられている複数の端子(電極32T)の位置によって形成される格子(第2多角形)の単位格子SQ32(少なくとも一部の多角形)とが、基板部32Bの一の面を平面視する位置から重なって見えるように配されている。このように互いの電極部(微小電極31Tと電極32T)を配置することにより、同じ領域における脳信号をそれぞれの電極部によって多元的に検出することが可能となる。   In short, a unit lattice SQ31 (at least a part of polygons) of a lattice (first polygon) formed by the positions of a plurality of terminals (microelectrodes 31T) provided in the electrode portion 31 and the electrode portion 32 are provided. The unit lattice SQ32 (at least a part of the polygons) of the lattice (second polygon) formed by the positions of the plurality of terminals (electrodes 32T) is a position where one surface of the substrate portion 32B is viewed in plan view. It is arranged so that it can overlap. By arranging the mutual electrode portions (the microelectrode 31T and the electrode 32T) in this way, brain signals in the same region can be detected in multiple ways by the respective electrode portions.

次に、図1に戻り、本実施形態における意思伝達支援装置100の構成例を詳細に説明する。
意思伝達支援装置100は、被検体の脳における大脳視覚野又は大脳連合野を含む領域において、定められた試行期間に応じて繰り返し取得する脳表信号と脳内信号とからそれぞれ抽出した、上記領域の脳表信号に由来する特徴量と、上記領域の脳内信号に由来する特徴量とを含む情報に基づいて算定した結果から被検体が感覚受容しているないしイメージしている視覚刺激を特定する情報を出力する。例えば、上記領域として、大脳視覚野又は大脳連合野のうち、視覚連合野を含むように領域の範囲を定める。
Next, returning to FIG. 1, a configuration example of the intention transmission support apparatus 100 according to the present embodiment will be described in detail.
The above-mentioned region extracted from the brain surface signal and the intracerebral signal that are acquired repeatedly according to a predetermined trial period in the region including the cerebral visual cortex or the cerebral association cortex in the subject's brain The visual stimuli that the subject senses or perceives is identified from the results calculated based on the information that includes the features derived from the brain surface signals and the features derived from the brain signals in the above region Output information. For example, the range of the region is determined so as to include the visual association area among the cerebral visual cortex or the cerebral association area.

この図1に示される意思伝達支援装置100は、多点電位計測部3、特徴量抽出部4、演算処理部5、記憶部6、及び、表示装置9を備える。   The intention transmission support device 100 shown in FIG. 1 includes a multipoint potential measurement unit 3, a feature amount extraction unit 4, an arithmetic processing unit 5, a storage unit 6, and a display device 9.

本実施形態における多点電位計測部3は、脳の視覚連合野を含む領域の複数の計測点に対応する複数の種類の脳信号から、上記複数の計測点における脳の電気的特性を求める。
多点電位計測部3は、脳の視覚連合野を含む領域の複数の計測点のうち第1計測点に対応する第1の計測手段によって計測される第1脳信号と、上記複数の計測点のうち第2計測点に対応する第2の計測手段によって計測される第2脳信号とを、上記複数の計測点に対応する複数の種類の脳信号に含めて検出する。
より具体的な例として、多点電位計測部3は、脳の視覚連合野を含む領域の脳内において第1の計測手段によって計測される脳内信号と、前記領域の脳表において第2の計測手段によって計測される脳表信号とを含めて、前記試行期間に検出された複数の種類の脳信号から、前記計測された位置における脳の電気的特性を求める。
例えば、多点電位計測部3は、上記第1の計測手段として局所フィールド電位(LFP)法を利用する。局所フィールド電位(LFP)法は、単独の細胞電位を計測するUNIT法に比べ安定に計測することができる。
また、例えば、多点電位計測部3は、上記第2の計測手段として皮質脳波(ECoG)法を利用する。この皮質脳波(ECoG)法は長期的に安定して計測することが可能である。
The multipoint potential measurement unit 3 in the present embodiment obtains the electrical characteristics of the brain at the plurality of measurement points from a plurality of types of brain signals corresponding to the plurality of measurement points in the region including the visual association area of the brain.
The multipoint potential measurement unit 3 includes a first brain signal measured by a first measurement unit corresponding to the first measurement point among a plurality of measurement points in a region including the visual association area of the brain, and the plurality of measurement points. The second brain signal measured by the second measuring means corresponding to the second measurement point is detected by being included in the plurality of types of brain signals corresponding to the plurality of measurement points.
As a more specific example, the multipoint potential measurement unit 3 includes a second signal in the brain signal measured by the first measuring means in the brain of the region including the visual association area of the brain, and the second in the brain surface of the region. The electrical characteristics of the brain at the measured position are obtained from a plurality of types of brain signals detected during the trial period, including the brain surface signal measured by the measuring means.
For example, the multipoint potential measuring unit 3 uses a local field potential (LFP) method as the first measuring means. The local field potential (LFP) method can be measured more stably than the UNIT method that measures a single cell potential.
For example, the multipoint potential measurement unit 3 uses a cortical electroencephalogram (ECoG) method as the second measurement means. This cortical electroencephalogram (ECoG) method can be stably measured over a long period of time.

本実施形態における多点電位計測部3は、電極部31、電極部32、信号変換部33、及び、信号変換部34を備える。
電極部31は、複数の上記第1脳信号を検出する。例えば、電極部31は、局所フィールド電位(LFP)を検出する。電極部32は、前記複数の第2脳信号を検出する。例えば、電極部32は、皮質脳波(ECoG)を検出する。信号変換部33は、電極部31が検出した局所フィールド電位(LFP)によって示される電気的特性に応じた情報を出力可能とするための信号変換を行う。例えば、信号変換部33は、所定の周波数帯域を通過させるローパスフィルタ、増幅器、アナログ・デジタル変換部33dなどを備えている。ローパスフィルタを通過した脳信号(局所フィールド電位(LFP))の信号強度を増幅器が増幅し、増幅した信号をアナログ・デジタル変換部33dが、離散時間のデジタル情報に変換する。なお、望ましくは、信号変換部33は、各電極の信号を並列に処理できるものとする。
The multipoint potential measurement unit 3 in the present embodiment includes an electrode unit 31, an electrode unit 32, a signal conversion unit 33, and a signal conversion unit 34.
The electrode unit 31 detects a plurality of the first brain signals. For example, the electrode unit 31 detects a local field potential (LFP). The electrode unit 32 detects the plurality of second brain signals. For example, the electrode unit 32 detects cortical brain waves (ECoG). The signal conversion unit 33 performs signal conversion for enabling output of information corresponding to the electrical characteristics indicated by the local field potential (LFP) detected by the electrode unit 31. For example, the signal conversion unit 33 includes a low-pass filter that passes a predetermined frequency band, an amplifier, an analog / digital conversion unit 33d, and the like. The amplifier amplifies the signal intensity of the brain signal (local field potential (LFP)) that has passed through the low-pass filter, and the analog / digital conversion unit 33d converts the amplified signal into discrete-time digital information. Desirably, the signal converter 33 can process the signals of the electrodes in parallel.

信号変換部34は、電極部32が検出した皮質脳波(ECoG) によって示される電気的特性に応じた情報を出力可能とするための信号変換を行う。例えば、信号変換部34は、所定の周波数帯域を通過させるローパスフィルタ、増幅器、アナログ・デジタル変換部34dなどを備えている。ローパスフィルタを通過した脳信号(皮質脳波(ECoG))の信号強度を増幅器が増幅し、増幅した信号をアナログ・デジタル変換部33dが、離散時間のデジタル情報に変換する。望ましくは、信号変換部34は、各電極の信号を並列に処理できるものとする。
なお、信号変換部33と信号変換部34は、アナログ・デジタル変換部33dとアナログ・デジタル変換部34dとに、同じ試行期間として定められた期間においてサンプリングを行った信号を変換させる。アナログ・デジタル変換部33dとアナログ・デジタル変換部34dとによって変換された信号は、対応するそれぞれの電極で同じ時に検出された信号であり、それぞれの電極毎の時系列信号になる。信号変換部33と信号変換部34とにおけるサンプリングのタイミングは、同期するようにしてもよい。
The signal conversion unit 34 performs signal conversion for enabling output of information corresponding to the electrical characteristics indicated by the cortical brain wave (ECoG) detected by the electrode unit 32. For example, the signal converter 34 includes a low-pass filter that passes a predetermined frequency band, an amplifier, an analog / digital converter 34d, and the like. The amplifier amplifies the signal intensity of the brain signal (cortical brain wave (ECoG)) that has passed through the low-pass filter, and the analog / digital conversion unit 33d converts the amplified signal into digital information in discrete time. Desirably, the signal conversion part 34 shall process the signal of each electrode in parallel.
Note that the signal conversion unit 33 and the signal conversion unit 34 cause the analog / digital conversion unit 33d and the analog / digital conversion unit 34d to convert a signal that has been sampled in a period determined as the same trial period. The signals converted by the analog / digital conversion unit 33d and the analog / digital conversion unit 34d are signals detected at the same time by the corresponding electrodes, and are time-series signals for the respective electrodes. The sampling timings in the signal converter 33 and the signal converter 34 may be synchronized.

例えば、多点電位計測部3は、複数の計測点における脳の電気的特性として、各計測点における視覚刺激に伴う電位(視覚誘発電位)の変化を用いる。   For example, the multipoint potential measurement unit 3 uses a change in potential (visual evoked potential) associated with visual stimulation at each measurement point as the electrical characteristics of the brain at a plurality of measurement points.

本実施形態における特徴量抽出部4は、多点電位計測部3によって求められた脳の電気的特性に応じた特徴量を抽出する。
特徴量抽出部4は、周波数変換部41、周波数変換部42、及び、特徴量生成部43を備える。周波数変換部41は、電極部31が検出した局所フィールド電位(LFP)から得られた時系列信号から周波数領域の信号に変換する。周波数変換部42は、電極部32が検出した皮質脳波(ECoG)から得られた時系列信号から周波数領域の信号に変換する。
The feature quantity extraction unit 4 in the present embodiment extracts a feature quantity according to the electrical characteristics of the brain obtained by the multipoint potential measurement unit 3.
The feature amount extraction unit 4 includes a frequency conversion unit 41, a frequency conversion unit 42, and a feature amount generation unit 43. The frequency conversion unit 41 converts a time-series signal obtained from a local field potential (LFP) detected by the electrode unit 31 into a frequency domain signal. The frequency conversion unit 42 converts a time-series signal obtained from a cortical brain wave (ECoG) detected by the electrode unit 32 into a frequency domain signal.

特徴量生成部43は、局所フィールド電位(LFP)に由来する特徴量と、皮質脳波(ECoG)に由来する特徴量を抽出する。
特徴量生成部43は、上記の特徴量を抽出にあたり、局所フィールド電位(LFP)の時系列信号と、同時系列信号から変換された周波数領域の信号と、皮質脳波(ECoG)の時系列信号と、同時系列信号から変換された周波数領域の信号とに基づいて特徴量を抽出する。
例えば、本実施形態における特徴量生成部43は、局所フィールド電位(LFP)に由来する特徴量を、局所フィールド電位(LFP)の時系列信号と、同時系列信号から変換された周波数領域の信号とに基づいて抽出する。また、本実施形態における特徴量生成部43は、皮質脳波(ECoG)に由来する特徴量を、皮質脳波(ECoG)の時系列信号と、同時系列信号から変換された周波数領域の信号とに基づいて抽出する。
上記特徴量抽出部4の特徴量生成部43は、多点電位計測部3によって求められた脳の電気的特性に応じた特徴量を、脳信号(例えば、LFPとECoG)に含まれる周波数成分と、定められた所定の時から上記脳信号の応答が検出される時までの時間とに基づいて抽出する。なお、定められた所定の時から上記脳信号の応答が検出される時までの時間は、潜時を利用してもよい。
The feature quantity generation unit 43 extracts a feature quantity derived from the local field potential (LFP) and a feature quantity derived from the cortical brain wave (ECoG).
When extracting the above-described feature amount, the feature amount generation unit 43 extracts a local field potential (LFP) time series signal, a frequency domain signal converted from the simultaneous series signal, a cortical brain wave (ECoG) time series signal, The feature amount is extracted based on the frequency domain signal converted from the simultaneous sequence signal.
For example, the feature quantity generation unit 43 in the present embodiment converts a feature quantity derived from the local field potential (LFP) into a time series signal of the local field potential (LFP) and a frequency domain signal converted from the simultaneous series signal. Extract based on In addition, the feature value generation unit 43 in the present embodiment is based on a feature value derived from a cortical brain wave (ECoG) based on a time series signal of the cortical brain wave (ECoG) and a frequency domain signal converted from the simultaneous signal. To extract.
The feature value generation unit 43 of the feature value extraction unit 4 uses a feature value corresponding to the electrical characteristics of the brain obtained by the multipoint potential measurement unit 3 as a frequency component included in a brain signal (for example, LFP and ECoG). And the time from the predetermined time to the time when the response of the brain signal is detected. Note that the latency may be used as the time from the predetermined time to the time when the response of the brain signal is detected.

上記特徴量抽出部4は、上記脳信号に含まれる主たる周波数成分を少なくとも含むように検出周波数範囲を定め、上記定めた検出周波数範囲の一部を含むように複数の周波数範囲を定める。例えば、検出周波数範囲の一部を含むように定められる複数の周波数範囲は、検出される信号の周波数成分に応じて設定してもよく、或いは、所定の間隔になるように算術的に求めてもよい。
さらに、上記特徴量抽出部4は、上記脳信号の応答を検出する前の所定の時から上記脳信号の応答が検出されるまでの期間を少なくとも含むように検出時間範囲を定め、上記定めた検出時間範囲の一部を含むように複数の時間範囲を定める。例えば、検出時間範囲の一部を含むように定められる複数の時間範囲は、脳の応答が検出されるまでの時間に応じて設定してもよく、或いは、予め定めた所定の間隔になるように算術的に求めてもよい。
The feature amount extraction unit 4 determines a detection frequency range so as to include at least a main frequency component included in the brain signal, and determines a plurality of frequency ranges so as to include a part of the determined detection frequency range. For example, the plurality of frequency ranges determined to include a part of the detection frequency range may be set according to the frequency component of the detected signal, or may be calculated arithmetically so as to be a predetermined interval. Also good.
Further, the feature amount extraction unit 4 determines a detection time range so as to include at least a period from a predetermined time before detecting the response of the brain signal until the response of the brain signal is detected. A plurality of time ranges are defined so as to include a part of the detection time range. For example, the plurality of time ranges determined to include a part of the detection time range may be set according to the time until a brain response is detected, or may be set at a predetermined interval. Arithmetic may be obtained.

上記特徴量抽出部4は、上記のように定めた周波数範囲の何れかと、上記のように定めた時間範囲の何れかとの組み合わせによって制限される範囲を参照し、同範囲に含まれる上記脳信号の信号強度の代表値を上記特徴量に含む。なお、上記のように定めた周波数範囲の何れかと、上記のように定めた時間範囲の何れかとの組み合わせは、予め定めておくこととする。
上記特徴量抽出部4は、上記の検出周波数範囲を定められた所定の数に分割して、分割された互いの範囲が重ならないように上記の複数の周波数範囲が定められている。このように、互いの範囲が重ならないように複数の周波数範囲を定めることによって、異なる周波数成分同士の混同が減るため特異的成分の検出感度が高くなる。
また、特徴量抽出部4は、例えば、上記の検出時間範囲のうち、定められた時間幅に応じて時間範囲が定められている。上記の時間範囲は、いわゆる、移動平均(MA:Moving Average)などの時空間フィルタリングの手法と知られるスライディング・タイム・ウィンドウ(sliding time window)の要領で、時間の経過に応じて並べた順に隣り合う2つの前記時間範囲は互いに時間範囲が重なるように配されている。
このように、sliding time windowの手法により、時間領域を重複させることにより、検出感度のばらつきを低減し、信号体雑音比(S/N比)を高めることができる。
なお、上記の検出時間範囲を定められた所定の数に分割して、互いの範囲が重ならないように上記の複数の時間範囲を定めてもよい。
The feature amount extraction unit 4 refers to a range limited by a combination of any of the frequency ranges determined as described above and any of the time ranges determined as described above, and the brain signals included in the range A representative value of the signal intensity is included in the feature amount. Note that a combination of any of the frequency ranges determined as described above and any of the time ranges determined as described above is determined in advance.
The feature amount extraction unit 4 divides the detection frequency range into a predetermined number, and the plurality of frequency ranges are determined so that the divided ranges do not overlap each other. In this way, by defining a plurality of frequency ranges so that the ranges do not overlap with each other, confusion between different frequency components is reduced, so that the detection sensitivity of specific components is increased.
In addition, the feature amount extraction unit 4 has a time range determined according to a determined time width in the above detection time range, for example. The above time range is a so-called sliding time window that is known as a spatio-temporal filtering method such as moving average (MA), and is adjacent to each other in the order in which they are arranged according to the passage of time. The two matching time ranges are arranged such that the time ranges overlap each other.
As described above, by overlapping the time regions by the sliding time window technique, it is possible to reduce variation in detection sensitivity and increase the signal body noise ratio (S / N ratio).
The detection time ranges may be divided into a predetermined number, and the plurality of time ranges may be determined so that the ranges do not overlap each other.

上記特徴量抽出部4は、上記のように定めた周波数範囲の何れかと、上記のように定めた時間範囲の何れかとの組み合わせによって制限される範囲を参照し、同範囲に含まれる上記脳信号の信号強度の平均値を上記脳信号の信号強度の代表値として算出する。
このように特徴量抽出部4は、上記の算出結果を同範囲に対応する特徴量として定め、次段の処理において用いる特徴量に含めて出力する。
The feature amount extraction unit 4 refers to a range limited by a combination of any of the frequency ranges determined as described above and any of the time ranges determined as described above, and the brain signals included in the range Is calculated as a representative value of the signal strength of the brain signal.
As described above, the feature amount extraction unit 4 determines the above calculation result as a feature amount corresponding to the same range, and outputs it included in the feature amount used in the subsequent processing.

演算処理部5は、被験者(被検体)の脳における大脳視覚野又は大脳連合野を含む領域において、定められた試行期間に応じて繰り返し取得する脳表信号と脳内信号とからそれぞれ抽出した特徴量に応じた処理をする。抽出した特徴量には、上記領域の脳表信号に由来する特徴量と、上記領域の脳内信号に由来する特徴量とが含まれる。演算処理部5は、これらの特徴量を含む情報に基づいて算定した結果から被験者が感覚受容しているないしイメージしている視覚刺激を特定する情報を出力する。
演算処理部5は、対応学習部51、及び、リアルタイム意思伝達部52を備える。
演算処理部5の対応学習部51は、上記予め定められている複数の画像のうちから上記関連付けられる画像を選択する処理において、画像の表示に伴って検出された上記脳の計測点における脳の電気的特性の特徴量と上記画像とを対応付ける処理により上記処理の変数を最適化する。
演算処理部5のリアルタイム意思伝達部52は、予め定められている複数の画像のうちから、上記抽出された特徴量から関連付けられる画像を選択する処理をする。
The arithmetic processing unit 5 extracts the features extracted from the brain surface signal and the intracerebral signal that are repeatedly acquired according to a predetermined trial period in a region including the cerebral visual cortex or cerebral association cortex in the subject's (subject) brain. Process according to the amount. The extracted feature value includes a feature value derived from the brain surface signal of the region and a feature value derived from the brain signal of the region. The arithmetic processing unit 5 outputs information that identifies the visual stimulus that the subject senses or images from the result calculated based on the information including these feature amounts.
The arithmetic processing unit 5 includes a correspondence learning unit 51 and a real-time intention transmission unit 52.
The correspondence learning unit 51 of the arithmetic processing unit 5 selects, in the process of selecting the associated image from the plurality of predetermined images, the brain at the measurement point of the brain detected along with the display of the image. The processing variables are optimized by associating the characteristic values of the electrical characteristics with the images.
The real-time intention transmission unit 52 of the arithmetic processing unit 5 performs a process of selecting an image associated with the extracted feature amount from a plurality of predetermined images.

記憶部6は、複数の画像のうちから上記関連付けられる画像を選択する演算処理部5による処理に用いる変数を、上記複数の画像を示す識別情報に関連付けて記憶する。
表示装置9は、例えば画像情報を表示可能な表示部を備えている。表示装置9は、備える表示部に、演算処理部5から供給される情報に応じた画像情報を表示する。なお、表示装置9は、演算処理部5から供給される情報に基づいて生成した画像情報を表示してもよい。生成する画像情報としては、例えば、文字、アイコンなどが挙げられる。さらに具体的に例示すれば、表示装置9は、エディタ(ワープロ、メール端末、パソコンなど)等の機能を有するものであったり、アイコンを用いるコミュニケーションデバイス端末であったりしてもよい。なお、表示装置9を、意思伝達支援装置100の本体と分離して構成してもよく、意思伝達支援装置100の外部装置としてもよい。
以上が、本実施形態における意思伝達支援装置100の構成の一例である。
The storage unit 6 stores a variable used for processing by the arithmetic processing unit 5 that selects the associated image from among a plurality of images in association with identification information indicating the plurality of images.
The display device 9 includes a display unit that can display image information, for example. The display device 9 displays image information corresponding to the information supplied from the arithmetic processing unit 5 on the display unit provided. The display device 9 may display image information generated based on information supplied from the arithmetic processing unit 5. Examples of the image information to be generated include characters and icons. More specifically, the display device 9 may have a function such as an editor (a word processor, a mail terminal, a personal computer, etc.), or may be a communication device terminal using icons. The display device 9 may be configured separately from the main body of the intention transmission support apparatus 100, or may be an external device of the intention transmission support apparatus 100.
The above is an example of the configuration of the intention transmission support apparatus 100 in the present embodiment.

続いて、本実施形態における意思伝達支援装置100の動作原理を説明する。
本実施形態の意思伝達支援装置100が、被験者(人間)が頭に思い描いている文字やアイコン等の視覚イメージ情報を脳の神経活動による脳信号に基づいてリアルタイムに解読する場合を例示する。
本実施形態の意思伝達支援装置100が行う処理は、次に示す2段階の処理に大別できる。
第1の段階の処理は、「機械学習相」の処理である。第2の段階の処理は、「リアルタイム意思伝達相」の処理である。
Next, the operation principle of the intention transmission support apparatus 100 in this embodiment will be described.
The case where the intention transmission support apparatus 100 of this embodiment decodes visual image information, such as a character and an icon which a test subject (human) envisions in the head, in real time based on the brain signal by the nerve activity of a brain is illustrated.
The processing performed by the intention transmission support device 100 according to the present embodiment can be broadly divided into the following two stages.
The first stage process is a “machine learning phase” process. The second stage process is a “real-time communication phase” process.

まず、第1の段階の処理、即ち「機械学習相」の処理について説明する。
この機械学習相においては、例えば、表示装置9により、数十種類の文字またはアイコンを示す画像情報の中から選択した画像情報を1つずつ視覚提示させながら、多点電位計測部3は、1〜2kHz(キロヘルツ)程度のサンプリング周波数で皮質脳波(ECoG)と脳内局所集合電位(LFP)の応答を同時に計測する。多点電位計測部3は、各電極に対応する記録点(記録チャネル)で計測された信号の強度(電圧)を増幅する。アナログ・デジタル変換部34dは、増幅された信号から、デジタル化した時系列電位データを生成する。多点電位計測部3は、生成した時系列電位データを特徴量抽出部4に供給する。特徴量抽出部4は、時系列電位データをフーリエ変換などの手法により事象関連電位のスペクトラムを生成する。特徴量抽出部4は、事象関連電位のスペクトラムの周波数成分と、前述の時系列電位データとを、予め定められた所定の分割ルールに従って分割して、時空間ドメインの特徴量を抽出する。
First, the first stage process, that is, the “machine learning phase” process will be described.
In this machine learning phase, for example, while the display device 9 visually presents image information selected from image information indicating several tens of types of characters or icons one by one, the multipoint potential measuring unit 3 is 1 Responses of cortical electroencephalogram (ECoG) and brain local collective potential (LFP) are simultaneously measured at a sampling frequency of about ˜2 kHz (kilohertz). The multipoint potential measuring unit 3 amplifies the intensity (voltage) of the signal measured at the recording point (recording channel) corresponding to each electrode. The analog / digital converter 34d generates digitized time-series potential data from the amplified signal. The multipoint potential measurement unit 3 supplies the generated time series potential data to the feature amount extraction unit 4. The feature amount extraction unit 4 generates a spectrum of event-related potentials from time series potential data by a technique such as Fourier transform. The feature quantity extraction unit 4 divides the frequency component of the spectrum of the event-related potential and the above-described time-series potential data according to a predetermined division rule, and extracts the feature quantity of the spatiotemporal domain.

例えば、事象関連電位のスペクトラムの時系列電位データを5段階、周波数を7段階に分けると、1電極(1チャネル)あたり35個(5×7=35)の特徴量が得られる。大脳の高次視覚連合野である後頭葉から側頭葉に含まれる複数(多数)の記録チャネル由来の特徴量全体をひとつのベクトル(特徴量ベクトル)とする。例えば、記録チャネルの総数を128チャネルとすると、4480次元(35(個)×128(チャネル)=4480次元)の特徴量ベクトルができる。この特徴量ベクトルを、特徴量抽出部4が生成した特徴量とする。
上記の例の場合、特徴量抽出部4が生成した特徴量は、個々の刺激、すなわち提示される個々の画像情報に応じた刺激に対する応答を、4480次元の特徴量ベクトルを用いて表すことができる。
For example, when the time series potential data of the spectrum of the event-related potential is divided into five stages and the frequency is divided into seven stages, 35 (5 × 7 = 35) feature amounts can be obtained for one electrode (one channel). An entire feature amount derived from a plurality (large number) of recording channels included in the occipital lobe to the temporal lobe, which is a higher visual association area of the cerebrum, is defined as one vector (feature vector). For example, if the total number of recording channels is 128 channels, a feature quantity vector of 4480 dimensions (35 (pieces) × 128 (channels) = 4480 dimensions) is generated. This feature quantity vector is set as the feature quantity generated by the feature quantity extraction unit 4.
In the case of the above example, the feature amount generated by the feature amount extraction unit 4 can represent a response to each stimulus, that is, a stimulus corresponding to each presented image information, using a 4480-dimensional feature amount vector. it can.

このように、本実施形態の手法により次数の高い特徴量ベクトルによって示される応答のうちから、特定の刺激に対する応答を、別の刺激に対する応答と分離できるように最適化する。特定の刺激に対する応答と、別の刺激に対する応答とを分離可能な超平面を、特徴量ベクトル空間に定義して、機械学習のアルゴリズムを用いて、最適化した超平面を求める。機械学習アルゴリズムとしては、サポートベクターマシン等の既知の方法を用いる。   As described above, the method according to this embodiment is optimized so that the response to a specific stimulus can be separated from the response to another stimulus among the responses indicated by the high-order feature quantity vector. A hyperplane capable of separating a response to a specific stimulus and a response to another stimulus is defined in a feature vector space, and an optimized hyperplane is obtained using a machine learning algorithm. A known method such as a support vector machine is used as the machine learning algorithm.

次に、第2の段階の処理、即ち「意思伝達相」の処理について説明する。
この意思伝達相では、前述の「機械学習相」で最適化された超平面に基づいて識別する判定アルゴリズムに従って、観測中の神経活動の特徴量ベクトルから、次に被験者が選びたい文字やアイコンの種類をリアルタイムで解読(デコード)する。
演算処理部5は、このデコードされた文字やアイコンの情報を、表示装置9に供給し、供給した情報を表示装置9に表示させる。
例えば、表示装置9がエディタ(ワープロ、メール端末、パソコンなど)等の機能を有しており、解読した情報が文字の場合には、演算処理部5は、解読した文字の種類を表示装置9に供給する。表示装置9は、解読した文字の種類に応じた情報を表示する。
或いは、解読した情報が文字以外であってもよい。例えば、この場合、表示装置9を、文字の種類を供給する代わりにアイコンを用いるコミュニケーションデバイス端末とする。表示装置9は、所定の位置にアイコンを表示するとともに、演算処理部5が供給する情報に応じて選択されているアイコンを表示する。被験者は、表示装置9が表示した情報を確認し、選択されているアイコンが意図するものと一致していることを認知する。意思伝達支援装置100は、そのとき被験者がイメージした視覚刺激の状態から、表示装置9が表示した複数(例えば3個以上)のアイコンを提示した中からそのうちの1つを選ぶ選択の結果が正しいか否かを判定してもよい。
さらに、意思伝達支援装置100(演算処理部5)は、このデコードされたアイコンの情報を、他の機械やコンピュータなどに供給することにより、被験者に代わって他の機械やコンピュータに伝達して、アイコンに応じた処理を指示することができる。また、このデコードされた文字の情報を、他の機械やコンピュータに供給することにより、被験者が綴りたい文字を他の機械やコンピュータに指示して、被験者に代わって綴せるために、被験者の意思の伝達を支援する。
なお、上記表示装置9は、意思伝達支援装置100と分離された外部の機器であってもよい。
以上が、意思伝達支援装置100の動作原理である。
Next, the process of the second stage, that is, the process of “intention transmission phase” will be described.
In this communication phase, according to the decision algorithm identified based on the hyperplane optimized in the above-mentioned “machine learning phase”, the character or icon that the subject wants to select next is selected from the feature vector of the neural activity being observed. Decodes the type in real time.
The arithmetic processing unit 5 supplies the decoded character and icon information to the display device 9 and causes the display device 9 to display the supplied information.
For example, when the display device 9 has a function such as an editor (a word processor, a mail terminal, a personal computer, etc.) and the decoded information is a character, the arithmetic processing unit 5 displays the type of the decoded character on the display device 9. To supply. The display device 9 displays information corresponding to the decoded character type.
Alternatively, the decoded information may be other than characters. For example, in this case, the display device 9 is a communication device terminal that uses icons instead of supplying character types. The display device 9 displays an icon at a predetermined position and displays an icon selected according to information supplied by the arithmetic processing unit 5. The subject confirms the information displayed on the display device 9 and recognizes that the selected icon matches the intended one. The intention transmission support apparatus 100 selects the one of the plurality of (for example, three or more) icons displayed by the display device 9 from the state of the visual stimulus imaged by the subject at that time. It may be determined whether or not.
Further, the intention transmission support apparatus 100 (the arithmetic processing unit 5) transmits the decoded icon information to another machine or computer by transmitting it to the other machine or computer. Processing according to the icon can be instructed. In addition, by supplying the decoded character information to another machine or computer, the subject can instruct the other machine or computer to write the character he / she wants to spell, and the subject's intention Helps communicate.
The display device 9 may be an external device separated from the intention transmission support device 100.
The above is the operation principle of the intention transmission support apparatus 100.

続いて、図6から図9を参照し、本実施形態における信号検出処理について説明する。ここで、信号検出処理の対象とする、電極アレイ10によって検出された皮質脳波について説明する。
図6は、電極アレイによって検出された皮質脳波に対する処理を示す図である。
この図6(a)は、視覚刺激を被験者に提示する検査開始後の脳信号(例えば、皮質脳波)の信号強度の変化を示す波形であり、各波形の配置は電極を識別する番号の順に従って示している。要するに、縦軸は、各電極で検出された脳信号(例えば、皮質脳波)の信号強度(x)を示す。横軸は、時間の経過を示す。また、奥行き方向に延びるfk(及びf(k+1))軸は、各電極の波形W、波形W(i+1)を、電極を識別する番号(…i、(i+1)…)の順に従って並べて示している。時刻kにおける電極iの信号強度は、x(k)であり、電極(i+1)の信号強度は、x(i+1)(k)である。また、この図6(a)の時間軸の起点を被験者に画像を提示して視覚刺激を与えた時刻とした場合、脳信号に応答が表れるまでの時間(T、T(i+1))が潜時である。検出する位置によって潜時の値は異なるものとなる。
Next, the signal detection process in this embodiment will be described with reference to FIGS. Here, the cortical electroencephalogram detected by the electrode array 10 as a target of the signal detection process will be described.
FIG. 6 is a diagram showing processing for cortical electroencephalograms detected by the electrode array.
FIG. 6 (a) is a waveform showing a change in signal intensity of a brain signal (for example, cortical brain wave) after the start of examination for presenting a visual stimulus to a subject, and each waveform is arranged in the order of numbers for identifying electrodes. According to. In short, the vertical axis indicates the signal intensity (x) of a brain signal (for example, cortical electroencephalogram) detected by each electrode. The horizontal axis shows the passage of time. Further, the fk (and f (k + 1)) axis extending in the depth direction shows the waveform W i and the waveform W (i + 1) of each electrode arranged in the order of numbers (... i, (i + 1)...) For identifying the electrodes. ing. The signal strength of electrode i at time k is x i (k), and the signal strength of electrode (i + 1) is x (i + 1) (k). In addition, when the starting point of the time axis in FIG. 6A is the time when an image is presented to the subject and a visual stimulus is given, the time (T i , T (i + 1) ) until a response appears in the brain signal is obtained. Latency. The latency value differs depending on the position to be detected.

また、図6(b)は、図6(a)に示す各電極の波形から、所定の時刻近傍の周波数成分を抽出するための時間窓を示す。縦軸は、時間窓の特性(ゲイン特性:G)を示し、横軸は、時間の経過を示す。図に示す時間窓は、例としてハニング窓として知られる時間窓の波形を示している。例えば、時間窓の時間幅Twは、50ms(ミリ秒)とする。解析する信号の特徴に応じて、この時間窓の長さを定めることにより所望の信号成分を検出することができる。このように図6(a)に示す各電極の波形の振幅に、時間窓の特性を乗じることにより、所定の時刻近傍の信号を算出する。   FIG. 6B shows a time window for extracting a frequency component in the vicinity of a predetermined time from the waveform of each electrode shown in FIG. The vertical axis represents time window characteristics (gain characteristics: G), and the horizontal axis represents the passage of time. The time window shown in the figure shows the waveform of a time window known as a Hanning window as an example. For example, the time width Tw of the time window is 50 ms (milliseconds). A desired signal component can be detected by determining the length of the time window according to the characteristics of the signal to be analyzed. In this way, a signal near a predetermined time is calculated by multiplying the amplitude of the waveform of each electrode shown in FIG. 6A by the characteristics of the time window.

次に、図6(c)は、図6(a)の波形Wによって表されている信号を、図6(b)に示す時間窓によって制限した結果に基づいて、周波数成分を抽出した結果を示す。縦軸は、各電極で検出された皮質脳波の周波数成分に応じた信号強度を示す。奥行き方向に延びる軸(f軸)は、周波数を示す。例えば、図6(a)に示す波形によって示される離散時間情報における所定の時刻の周波数成分を、各時刻に応じて示している。
例えば、時刻kにおける周波数の低い方から順に、(Xik(0)、Xik(1)、…)が得られる。また、時刻(k+1)における周波数の低い方から順に、(Xi(k+1)(0)、Xi(k+1)(1)、…)が得られる。
Next, FIG. 6 (c), the result of the signal represented by the waveform W i of FIG. 6 (a), based on a result of the limited by the time window shown in FIG. 6 (b), and extracts a frequency component Indicates. The vertical axis indicates the signal intensity corresponding to the frequency component of the cortical electroencephalogram detected by each electrode. An axis extending in the depth direction (f-axis) indicates a frequency. For example, frequency components at a predetermined time in the discrete time information indicated by the waveform shown in FIG. 6A are shown according to each time.
For example, (X ik (0), X ik (1),...) Is obtained in order from the lowest frequency at time k. In addition, (X i (k + 1) (0), X i (k + 1) (1),...) Are obtained in order from the lowest frequency at time (k + 1).

ここで、図7を参照し、図6に示す処理の結果の一例を示し、特徴量の抽出についての説明を補足する。
図7は、図6に示す処理の結果の一例を示す図である。
この図7に示す座標系において、横軸が時間ドメイン(例えば、0から600ms(ミリ秒))を示し、縦軸が周波数ドメイン(例えば、4から100Hz)を示す。この座標系の第1象限の濃淡が、その時刻の信号強度を示し、色が濃いほど信号強度が強い状態を示している。例えば、時間ドメインにおける100msから200msにかけて、周波数ドメインにおける10Hzから20Hz付近に特に濃く示されている領域があり、100ms以降600msにかけて、30Hz以下の領域の濃度が、30Hzを超える領域の濃度より濃くなっている。要するに、同時刻に30Hzを超える領域に事象がほとんど検出されなかったといえる。
Here, with reference to FIG. 7, an example of the result of the process shown in FIG. 6 will be shown, and the description of feature quantity extraction will be supplemented.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a result of the process illustrated in FIG.
In the coordinate system shown in FIG. 7, the horizontal axis represents the time domain (for example, 0 to 600 ms (milliseconds)), and the vertical axis represents the frequency domain (for example, 4 to 100 Hz). The shade in the first quadrant of this coordinate system indicates the signal intensity at that time, and the darker the color, the stronger the signal intensity. For example, from 100 ms to 200 ms in the time domain, there is a region that is particularly dark in the vicinity of 10 Hz to 20 Hz in the frequency domain. ing. In short, it can be said that almost no event was detected in the region exceeding 30 Hz at the same time.

このように特定の領域に現れる濃度の分布が、被験者がその時に認知した視覚刺激に基づいた応答を示している。ただし、このような濃度分布を、そのままの情報として処理する場合には、いわゆる画像情報をイメージデータのまま処理をすることと等価である。そのため、詳細な情報を扱うことができる反面、必要以上に多くの情報を扱うことになる。
そこで、本実施形態においては、次に示すように、事象を識別できる範囲で、時間ドメインと周波数ドメインとを分割してその領域内の情報に応じて特徴量を扱うこととする。
Thus, the distribution of the concentration appearing in a specific region shows a response based on the visual stimulus that the subject perceived at that time. However, when such a density distribution is processed as it is, it is equivalent to processing so-called image information as image data. Therefore, detailed information can be handled, but more information than necessary is handled.
Therefore, in the present embodiment, as shown below, the time domain and the frequency domain are divided within a range in which an event can be identified, and feature amounts are handled according to information in the area.

図8を参照し、図6に示す周波数ドメインへの変換処理によって変換された、周波数ドメインの特徴量を抽出する処理について説明する。
図8は、図6に示す周波数ドメインの変換処理によって変換された、周波数ドメインの成分から特徴量を抽出する処理について説明する図である。
With reference to FIG. 8, a description will be given of a process of extracting the frequency domain feature value converted by the conversion process to the frequency domain shown in FIG.
FIG. 8 is a diagram illustrating a process of extracting feature amounts from frequency domain components converted by the frequency domain conversion process shown in FIG. 6.

図8は、図6(a)の波形Wの信号に対する処理を示す。横軸が時間の経過を示し、縦軸が信号強度を示す。奥行き方向に延びる軸(f軸)は、周波数を示す。
横軸に示されている(T0、T1、T2、T3、…)は、時間軸における時間の範囲を分割する閾値をそれぞれ示している。また、f軸に示されている(FT0、FT1、FT2、FT3、…)は、周波数軸における周波数の範囲を分割する閾値をそれぞれ示している。この図8の時間領域の説明においては、時間の範囲が重複しないものとして説明するが、上記のように各時間の範囲は重複するように定め、所定の時間幅の移動平均処理を行ってもよい。
Figure 8 shows a process for the signal waveform W i in FIG. 6 (a). The horizontal axis indicates the passage of time, and the vertical axis indicates the signal intensity. An axis extending in the depth direction (f-axis) indicates a frequency.
(T0, T1, T2, T3,...) Shown on the horizontal axis indicate threshold values that divide the time range on the time axis. Further, (FT0, FT1, FT2, FT3,...) Shown on the f-axis respectively indicate threshold values for dividing the frequency range on the frequency axis. In the description of the time domain in FIG. 8, it is assumed that the time ranges do not overlap. However, as described above, the time ranges may be determined to overlap, and moving average processing with a predetermined time width may be performed. Good.

時刻がT0からT1までの範囲で、周波数がFT0からFT1までの範囲の代表値をP11で示し、周波数がFT1からFT2までの範囲の代表値をP12で示し、周波数がFT2からFT3までの範囲の代表値をP13で示す。   A representative value in the range from time T0 to T1 and a frequency in the range from FT0 to FT1 is indicated by P11, a representative value in the range from FT1 to FT2 is indicated by P12, and the frequency is in the range from FT2 to FT3. Is represented by P13.

時刻がT1からT2までの範囲で、周波数がFT0からFT1までの範囲の代表値をP21で示し、周波数がFT1からFT2までの範囲の代表値をP22で示し、周波数がFT2からFT3までの範囲の代表値をP23で示す。   A typical value in the range from time T1 to T2 and a frequency in the range from FT0 to FT1 is indicated by P21, a typical value in the range from FT1 to FT2 is indicated by P22, and the frequency is in the range from FT2 to FT3. Is represented by P23.

時刻がT2からT3までの範囲で、周波数がFT0からFT1までの範囲の代表値をP31で示し、周波数がFT1からFT2までの範囲の代表値をP32で示し、周波数がFT2からFT3までの範囲の代表値をP33で示す。   A representative value in the range from time T2 to T3 and a frequency in the range from FT0 to FT1 is indicated by P31, a representative value in the range from FT1 to FT2 is indicated by P32, and the frequency is in the range from FT2 to FT3. Is represented by P33.

例えば、P11で示されている代表値は、時刻がT0からT1までの範囲で、周波数がFT0からFT1までの範囲に存在する時空間周波数の信号成分の平均値(又は合計値)である。時刻がT0からT1までの範囲には、時刻(k−1)、k、(k+1)が含まれており、それぞれの時刻の周波数成分として算出された信号強度(図6(c)参照)に基づいて算出する。   For example, the representative value indicated by P11 is an average value (or total value) of signal components of spatio-temporal frequencies that exist in the range from time T0 to T1 and in the frequency range from FT0 to FT1. The range from time T0 to T1 includes times (k-1), k, and (k + 1), and the signal intensity calculated as the frequency component at each time (see FIG. 6C). Calculate based on

時間範囲と周波数範囲とによって定められたそれぞれの範囲の代表値を、それぞれの範囲の特徴量とすることができる。即ち、この図に示された時刻T0からT3まで、周波数がFT0からFT3までの特徴量を纏めて示す。この図に示す場合においては、(P11、P12、P13、P21、P22、P23、P31、P32、P33)が電極iから得られた信号における特徴量になる。   The representative value of each range defined by the time range and the frequency range can be used as the feature amount of each range. In other words, the feature quantities from FT0 to FT3 are collectively shown from time T0 to T3 shown in this figure. In the case shown in this figure, (P11, P12, P13, P21, P22, P23, P31, P32, P33) is the feature amount in the signal obtained from the electrode i.

このように、時間範囲と周波数範囲とによって定められたそれぞれの範囲の特徴量を、その範囲において検出された各信号の信号強度の平均値とすることにより、雑音による偶発性の変動の影響を低減することができる。また、信号間の干渉による変動を抑圧することもできることから、単にピーク値を利用する場合に比べて、代表値の再現性が高まることから、平均化処理した結果を特徴量としたことにより、判別の精度を高めることができる。   In this way, the feature amount of each range determined by the time range and the frequency range is set to the average value of the signal intensity of each signal detected in the range, thereby reducing the influence of random fluctuation due to noise. Can be reduced. In addition, since fluctuations due to interference between signals can also be suppressed, the reproducibility of the representative value is increased compared to the case of simply using the peak value. The accuracy of discrimination can be increased.

上記図6から図8に示した方法と同様の方法により、他の電極から得られた信号における特徴量を算出し、脳表に設けられた各電極からの特徴量を纏めて、脳表信号に由来の特徴量とする。   The feature amounts in the signals obtained from the other electrodes are calculated by the same method as that shown in FIGS. 6 to 8, and the feature amounts from the respective electrodes provided on the brain surface are collected. The feature amount is derived from.

また、上記図6から図8においては、脳表信号に由来の特徴量の抽出について説明したが、脳内信号に由来の特徴量の抽出についても同様な手順で抽出することができる。以降の説明において、脳表信号に由来の特徴量と、脳内信号に由来の特徴量とを区別して説明するため、脳内信号に由来の特徴量を「特徴量A」、脳表信号に由来の特徴量を「特徴量B」という。   6 to 8, the feature amount derived from the brain surface signal has been described. However, the feature amount derived from the brain signal can be extracted in the same procedure. In the following explanation, in order to distinguish and explain the feature quantity derived from the brain surface signal and the feature quantity derived from the brain signal, the feature quantity derived from the brain signal is referred to as “feature quantity A”, The derived feature amount is referred to as “feature amount B”.

(脳内信号に由来の特徴量(特徴量A)と脳表信号に由来の特徴量(特徴量B)とに基づいた機械学習処理)
次に、本実施形態における機械学習処理について説明する。
機械学習の1手法として知られるサポートベクタマシン(SVM)を適用した場合を例にして、本実施形態における機械学習処理を説明する。
SVMは、取得したサンプルデータを学習用サンプルとして利用して、サンプルデータのうちの所望のデータと、所望のデータ以外のサンプルデータとを識別する。SVMは、事前に、サンプルデータのうちから所望のデータを識別する境界を、サンプルデータに基づいて生成して学習する。なお、ここでは、SVM自体の詳細な説明は割愛する。
(Machine learning processing based on feature quantities derived from brain signals (feature quantity A) and feature quantities derived from brain surface signals (feature quantities B))
Next, the machine learning process in this embodiment will be described.
The machine learning process in the present embodiment will be described by taking as an example the case where a support vector machine (SVM), which is known as one method of machine learning, is applied.
The SVM uses the acquired sample data as a learning sample, and identifies desired data in the sample data and sample data other than the desired data. The SVM generates and learns a boundary for identifying desired data from the sample data based on the sample data in advance. In addition, detailed description of SVM itself is omitted here.

以下、本実施形態においては、抽出された特徴量(特徴量Aと特徴量B)をSVMのサンプルデータ(入力ベクトル)として利用する。
例えば、特定の電極(i)によって検出された脳信号から、前述の抽出処理によって抽出された特徴量Aを式(E1)に示すように列ベクトルAVとして示す。特徴量PAは、
Hereinafter, in the present embodiment, the extracted feature amounts (feature amount A and feature amount B) are used as SVM sample data (input vector).
For example, the feature quantity A extracted by the above-described extraction process from the brain signal detected by a specific electrode (i) is shown as a column vector AV i as shown in Expression (E1). The feature amount PA is

AV=[PA11 … PA1N PA21 … PA2N … PAM1 … PAMN
…式(E1)
AV i = [PA 11 ... PA 1N PA 21 ... PA 2N ... PA M1 ... PA MN ] T
... Formula (E1)

この式(E1)は、列ベクトルAVを転置行列の形態で示している。添え字の「T」は転置行列を示す。この式(E1)において、PA11からPA1N、PA21からPA2N、…、PAM1からPAMNのそれぞれが特徴量Aの要素であり、Mが時間軸の分割数を示し、Nが周波数軸の分割数を示す。このように、たくさんの要素を含む特徴量を電極毎にベクトルで示すことができる。他の電極についても、上記と同様にベクトルで示すこととする。 This equation (E1) shows the column vector AV i in the form of a transposed matrix. The subscript “T” indicates a transposed matrix. In this formula (E1), PA 11 to PA 1N , PA 21 to PA 2N ,..., PA M1 to PA MN are elements of the feature amount A, M represents the number of divisions on the time axis, and N represents the frequency Indicates the number of axis divisions. In this way, feature quantities including a large number of elements can be represented by vectors for each electrode. The other electrodes are also represented by vectors in the same manner as described above.

1つの電極から得られた脳信号を式(E1)に示したように、各電極によって検出された脳内信号から抽出された特徴量Aを、式(E2)に示すように列ベクトルGAVとして示す。   As shown in the equation (E1), the brain signal obtained from one electrode is the feature quantity A extracted from the brain signal detected by each electrode as a column vector GAV as shown in the equation (E2). Show.

GAV=[AV1 AV … AV …式(E2) GAV = [AV 1 AV 2 ... AV N ] T ... Formula (E2)

この式(E2)は、列ベクトルGAVを転置行列の形態で示している。この式(E2)において、AVからAVのそれぞれが各電極の特徴量Aのベクトルを示し、Nが対象とする脳内信号の数を示す。このように、複数の電極から得られた脳信号から抽出された特徴量を纏めてベクトルで示すことができる。 This equation (E2) shows the column vector GAV in the form of a transposed matrix. In this equation (E2), each of AV 1 to AV N represents a vector of the feature amount A of each electrode, and N represents the number of brain signals to be processed. In this way, feature quantities extracted from brain signals obtained from a plurality of electrodes can be collectively shown as a vector.

さらに、脳表信号の場合も脳内信号の場合と同様に、複数の電極から得られた脳信号から抽出された特徴量を纏めて、式(E3)に示す。   Further, in the case of the brain surface signal, the feature amounts extracted from the brain signals obtained from the plurality of electrodes are summarized as shown in Expression (E3), as in the case of the intracerebral signal.

GBV=[BV1 BV … BV …式(E3) GBV = [BV 1 BV 2 ... BV N ] T ... Formula (E3)

式(E3)において、Nが対象とする脳表信号の数を示す。ここで、式(E2)と式(E3)とにそれぞれ示された、特徴量Aと特徴量Bとを纏めて、式(E4)に示すように1つのベクトルG1Vにする。   In the formula (E3), N represents the number of brain surface signals to be processed. Here, the feature amount A and the feature amount B shown in the equations (E2) and (E3), respectively, are combined into one vector G1V as shown in the equation (E4).

G1V=[GAV GBV] …式(E4) G1V = [GAV GBV] T ... Formula (E4)

このG1VをSVMのサンプルデータ(入力ベクトル)として利用して、SVMの識別関数のパラメータの最適化処理を行う。算出されたパラメータ(変数)を記憶部6に記憶して学習処理を終える。   The G1V is used as SVM sample data (input vector) to optimize the parameters of the SVM identification function. The calculated parameters (variables) are stored in the storage unit 6 and the learning process is finished.

続いて、リアルタイム識別処理相について説明する。
上記の機械学習相の処理と同様にして、識別するタイミングにおける脳の応答(電気的特性)を検出する。検出した電気的特性に基づいて、そのタイミングの特徴量を抽出する。
上記の機械学習相において学習された変数に基づいて、それぞれのタイミングにおいて抽出された特徴量が、いずれの入力ベクトルとして分類されるかを算定する。算定結果に応じて、抽出された特徴量に対応する入力ベクトルの情報を出力する。
このように、詳細に識別するために入力ベクトルの数が多くなる場合においても、一つにまとめることにより、処理を簡素化することができる。
Subsequently, the real-time identification processing phase will be described.
The brain response (electrical characteristic) at the timing of identification is detected in the same manner as in the machine learning phase. Based on the detected electrical characteristics, the feature quantity of the timing is extracted.
Based on the variables learned in the machine learning phase, it is calculated as which input vector the feature quantity extracted at each timing is classified. Information on the input vector corresponding to the extracted feature amount is output according to the calculation result.
In this way, even when the number of input vectors increases for detailed identification, the processing can be simplified by combining them into one.

図9を参照し、本実施形態における処理を説明する。
図9は、本実施形態における処理を示すフローチャートである。
以下、機械学習処理にSVMを適用する場合を例示する。
With reference to FIG. 9, the process in this embodiment is demonstrated.
FIG. 9 is a flowchart showing processing in the present embodiment.
Hereinafter, a case where SVM is applied to the machine learning process will be exemplified.

最初に、意思伝達支援装置100は、以下に示す手順によりSVMにおける機械学習処理を行う(ステップSa11からSa16)。
多点電位計測部3は、LFPとECoGが示す脳の応答を同時に計測する(ステップSa11)。特徴量抽出部4は、LFPとECoGの周波数スペクトラムを算出する(ステップSa12)。特徴量抽出部4は、LFPに由来の特徴量を抽出し(ステップSa13)、ECoGに由来の特徴量を抽出する(ステップSa14)。演算処理部5は、LFPに由来の特徴量と、ECoGに由来の特徴量とに基づいてSVMの超平面を設定する変数を最適化し、最適化した変数を記憶部6に記憶する(ステップSa16)。
First, the intention transmission support apparatus 100 performs machine learning processing in the SVM according to the following procedure (steps Sa11 to Sa16).
The multipoint potential measuring unit 3 simultaneously measures the brain response indicated by the LFP and ECoG (step Sa11). The feature amount extraction unit 4 calculates the frequency spectrum of LFP and ECoG (step Sa12). The feature quantity extraction unit 4 extracts a feature quantity derived from LFP (step Sa13), and extracts a feature quantity derived from ECoG (step Sa14). The arithmetic processing unit 5 optimizes the variable for setting the hyperplane of the SVM based on the feature amount derived from LFP and the feature amount derived from ECoG, and stores the optimized variable in the storage unit 6 (step Sa16). ).

次に、意思伝達支援装置100は、以下に示す手順によりSVMにおける機械学習処理の結果を利用したリアルタイム識別処理を行う(ステップSa21からSa28)。
多点電位計測部3はLFPとECoGが示す脳の応答を同時に計測する(ステップSa21)。特徴量抽出部4は、LFPとECoGの周波数スペクトラムを算出する(ステップSa22)。特徴量抽出部4は、LFPに由来の特徴量を抽出し(ステップSa23)、ECoGに由来の特徴量を抽出する(ステップSa24)。演算処理部5は、記憶部6に記憶されている変数を用いて、LFPに由来の特徴量と、ECoGに由来の特徴量とに基づいた識別処理をする(ステップSa26)。演算処理部5は、識別結果を出力する(ステップSa27)。
Next, the intention transmission support apparatus 100 performs a real-time identification process using the result of the machine learning process in the SVM according to the following procedure (steps Sa21 to Sa28).
The multipoint potential measuring unit 3 simultaneously measures brain responses indicated by LFP and ECoG (step Sa21). The feature amount extraction unit 4 calculates the frequency spectrum of LFP and ECoG (step Sa22). The feature quantity extraction unit 4 extracts a feature quantity derived from LFP (step Sa23), and extracts a feature quantity derived from ECoG (step Sa24). The arithmetic processing unit 5 uses the variables stored in the storage unit 6 to perform identification processing based on the feature quantity derived from LFP and the feature quantity derived from ECoG (step Sa26). The arithmetic processing unit 5 outputs the identification result (step Sa27).

演算処理部5は、操作入力情報により再び学習処理を実施するか否かを判定する(ステップSa28)。ステップSa28における判定により、再び、学習処理を実施しないと判定した場合(ステップSa28:No)、ステップSa21に進み、一連のリアルタイム識別処理を繰り返す。一方、ステップSa28における判定により、再び学習処理を実施すると判定した場合(ステップSa28:Yes)、リアルタイム識別処理を終了する。   The arithmetic processing unit 5 determines whether to perform the learning process again based on the operation input information (step Sa28). If it is determined in step Sa28 that the learning process is not performed again (step Sa28: No), the process proceeds to step Sa21, and a series of real-time identification processes are repeated. On the other hand, when it is determined in step Sa28 that the learning process is performed again (step Sa28: Yes), the real-time identification process is terminated.

なお、上記の処理においては、機械学習処理と、リアルタイム識別処理とを分けて実施する例を示したが、リアルタイム識別処理の識別結果の良否を履歴情報として記憶部6に逐次記憶するようにして、識別率が所定の識別率より低下した場合には、再び機械学習処理を行うようにしてもよい。或いは、予め定められたタイミングで実施するようにしてもよい。   In the above processing, the example in which the machine learning processing and the real-time identification processing are separately performed has been shown. However, the quality of the identification result of the real-time identification processing is sequentially stored in the storage unit 6 as history information. When the identification rate falls below a predetermined identification rate, the machine learning process may be performed again. Alternatively, it may be performed at a predetermined timing.

図10を参照し、本実施形態に示す意思伝達支援装置によって判定された結果について説明する。
図10は、本実施形態に示す意思伝達支援装置による判定結果を示す図である。この図に示される判定結果は、上記の被験者に代えサル(猿)を被検体として実験を行い、サルの意思伝達を支援する実験の判定結果を示している。この実験において被検体としたサルの種類は、マカクサルであり、雄と雌の各1体を対象とした。
この図10には、横軸に方向に順に示されている、AからEは、検出対象の画像の特徴に応じてグループ分けした6つのグループを示す。縦軸は、その画像を認定した結果が正しいと認定された確率を示す。要するにグラフの値が大きいほど正しく認定した確率が高いことを示す。AからFとして示される各グループは、「顔であること」(A)、「体の部分であること(例えば、手や足など)」(B)、「無生物であること(inanimate、生き物ではないもの)」(C)、「顔の動物種(ヒトの顔であるか、サルの顔であるか)」(D)、「顔の方向(例えば、正面、斜めなど)」(E)を順に示している。
With reference to FIG. 10, the result determined by the intention transmission support apparatus shown in this embodiment will be described.
FIG. 10 is a diagram showing a determination result by the intention transmission support apparatus shown in the present embodiment. The determination result shown in this figure shows the determination result of an experiment that uses a monkey (monkey) instead of the above-mentioned subject as an object and supports monkey communication. The type of monkey used as the subject in this experiment was macaque monkey, and one male and one female were targeted.
In FIG. 10, A to E, which are sequentially shown in the direction on the horizontal axis, indicate six groups that are grouped according to the characteristics of the image to be detected. The vertical axis indicates the probability that the result of certifying the image is recognized as correct. In short, the larger the value of the graph, the higher the probability of correct recognition. Each group shown as A to F is “being a face” (A), “being a body part (eg, hands or feet)” (B), “being inanimate (inanimate, creatures) Nothing) ”(C),“ Animal species of the face (whether it is a human face or a monkey face) ”(D),“ Direction of the face (for example, front, diagonal, etc.) ”(E) It shows in order.

さらに、それぞれのグループには、それぞれg1からg7の7本の棒グラフが並べて示されている。各棒グラフは、実験における条件を変え、その違いを比較して示す。
並べて示されている最初の3つ(g1、g2、g3)が、1種類の信号だけを用いて実験を行った結果を示し、次の4つ(g4、g5、g6、g7)が、複数の種類の信号を用いて実験を行った結果を示す。
1種類の信号だけを用いて実験を行った結果においては、順にg1が「ECoG信号だけを検出信号とする場合」、g2が「unit信号だけを検出信号とする場合」、g3が「LFP信号だけを検出信号とする場合」をそれぞれ示す。ここで、「ECoG信号」は前述のECoGを検出した検出信号、「unit信号」は前述のunit活動電位を検出した検出信号、「LFP信号」は前述のLFPを検出した検出信号をそれぞれ示す。unit活動電位は、細胞単体の電位を示す。本実施形態においては、unit活動電位とLFPは、脳内信号として検出している。
複数の種類の信号を用いて実験を行った結果においては、順にg4が「unit信号とLFP信号とを検出信号とする場合」、g5が「unit信号とECoG信号とを検出信号とする場合」、g6が「LFP信号とECoG信号とを検出信号とする場合」、g7が「unit信号とLFP信号とECoG信号とを検出信号とする場合」をそれぞれ示す。
Further, seven bar graphs g1 to g7 are shown side by side in each group. Each bar graph shows different conditions in the experiment and compares the differences.
The first three (g1, g2, g3) shown side by side show the results of experiments using only one type of signal, and the next four (g4, g5, g6, g7) The results of experiments using different types of signals are shown.
In the results of experiments using only one type of signal, g1 is “when only the ECoG signal is used as a detection signal”, g2 is “when only the unit signal is used as a detection signal”, and g3 is “LFP signal”. "Only the detection signal is used as a detection signal". Here, “ECOG signal” indicates a detection signal that detects the aforementioned ECoG, “unit signal” indicates a detection signal that detects the aforementioned unit action potential, and “LFP signal” indicates a detection signal that detects the aforementioned LFP. The unit action potential indicates the potential of a single cell. In the present embodiment, the unit action potential and LFP are detected as brain signals.
In the results of experiments using a plurality of types of signals, g4 is “when the unit signal and the LFP signal are used as detection signals” and g5 is “when the unit signal and the ECoG signal are used as detection signals” in order. , G6 indicates “when the LFP signal and the ECoG signal are detection signals” and g7 indicates “when the unit signal, the LFP signal, and the ECoG signal are detection signals”.

各グループに共通にみられる傾向として、次に示す傾向が挙げられる。
(その1)1種類の信号に基づいた実験の結果より、複数の種類の信号に基づいた実験の結果の方が、正解率が高くなる傾向がある。特に、脳内と脳表の信号を組み合わせたg5、g6、g7の条件による結果は、1種類の信号に基づいた実験の結果より正解率が高くなる傾向がある。
The following trends can be cited as common trends in each group.
(Part 1) The result of an experiment based on a plurality of types of signals tends to have a higher accuracy rate than the result of an experiment based on one type of signal. In particular, the results under the conditions of g5, g6, and g7 that combine the signals in the brain and the brain surface tend to have a higher accuracy rate than the results of experiments based on one type of signal.

(その2)複数の種類の信号に基づいた実験では、g4が「unit信号とLFP信号とを検出信号とする場合」、g6が「LFP信号とECoG信号とを検出信号とする場合」、g7が「unit信号とLFP信号とECoG信号とを検出信号とする場合」に示すように、脳内信号に「LFP信号」を含めて用いた場合は、安定して正解率が高くなる傾向がある。 (Part 2) In an experiment based on a plurality of types of signals, g4 is “when the unit signal and the LFP signal are detection signals”, g6 is “when the LFP signal and the ECoG signal are detection signals”, g7 As shown in “When a unit signal, an LFP signal, and an ECoG signal are used as detection signals”, when an “LFP signal” is included in a brain signal, the accuracy rate tends to increase stably. .

(その3)1種類の信号に基づいた実験では、概ね、g1:「ECoG信号だけを検出信号とする場合」、g2:「unit信号だけを検出信号とする場合」、g3「LFP信号だけを検出信号とする場合」の順で正解率が高くなる傾向がみられる。AグループとBグループでは、g2:「unit信号だけを検出信号とする場合」が、最も正解率が低くなっている。 (Part 3) In an experiment based on one type of signal, g1: “when only the ECoG signal is used as a detection signal”, g2: “when only the unit signal is used as a detection signal”, and g3 “only the LFP signal” There is a tendency for the correct answer rate to increase in the order of “when the detection signal is used”. In the A group and the B group, g2: “When only the unit signal is used as a detection signal” has the lowest accuracy rate.

(その4)1種類の信号に基づいた実験では対象となるものによって正解率が大きく変化しているが、複数の種類の信号に基づいた実験では対象となるものによる正解率の変化が比較的小さい。このことから視覚刺激の種類によって反応する領域と量が異なっていると推定できる。 (No. 4) In the experiment based on one type of signal, the correct answer rate varies greatly depending on the target, but in the experiment based on a plurality of types of signals, the change in the correct answer rate due to the target is relatively small. small. From this, it can be presumed that the region and amount of reaction differ depending on the type of visual stimulus.

上記のように本実施形態の意思伝達支援装置100は、脳表信号と脳内信号とを組み合わせたことにより、適確かつ安定的に読み取って、意思伝達の支援をおこなうことができる。
なお、現在の脳科学の技術水準では、同一の神経細胞由来のunit信号を数週間以上にわたり安定に計測することは極めて難しいため、実用上LFP、ECoGとその組み合わせを用いることが、意思伝達支援装置(方法)を開発するうえで最も有望な条件になる。
As described above, the intention transmission support apparatus 100 according to the present embodiment can support correct communication by accurately and stably reading a brain surface signal and a brain signal.
In addition, since it is extremely difficult to stably measure unit signals derived from the same nerve cell for several weeks or more with the current level of brain science, it is practically necessary to use LFP, ECoG and a combination thereof to support communication. This is the most promising condition for developing a device (method).

(第2実施形態)
図1から図12を参照して、本実施形態による視覚的イメージによる意思伝達支援装置について説明する。
図11は、本実施形態による視覚的イメージによる意思伝達支援装置を示す機能ブロック図である。
この図11に示される意思伝達支援装置100Aは、多点電位計測部3、特徴量抽出部4A、演算処理部5A、及び、記憶部6を備える。前述の図1に示す意思伝達支援装置100の特徴量抽出部4、演算処理部5に対して、特徴量抽出部4A、演算処理部5Aは、以下の相違点がある。
(Second Embodiment)
With reference to FIG. 1 to FIG. 12, a description will be given of a communication support device using visual images according to the present embodiment.
FIG. 11 is a functional block diagram illustrating the communication support apparatus based on visual images according to the present embodiment.
The intention transmission support device 100A shown in FIG. 11 includes a multipoint potential measurement unit 3, a feature amount extraction unit 4A, an arithmetic processing unit 5A, and a storage unit 6. The feature amount extraction unit 4A and the calculation processing unit 5A have the following differences from the feature amount extraction unit 4 and the calculation processing unit 5 of the intention transmission support apparatus 100 shown in FIG.

特徴量抽出部4Aは、周波数変換部41、周波数変換部42、及び、特徴量生成部43Aを備える。
特徴量生成部43Aは、局所フィールド電位(LFP)の電気的特徴量における特徴量と、皮質脳波(ECoG)を電気的特徴量における特徴量と,局所フィールド電位(LFP)の電気的特徴量と皮質脳波(ECoG)を電気的特徴量とに基づいた相関処理の結果における特徴量を抽出する。
The feature amount extraction unit 4A includes a frequency conversion unit 41, a frequency conversion unit 42, and a feature amount generation unit 43A.
The feature value generation unit 43A includes a feature value in the electrical feature value of the local field potential (LFP), a feature value in the electrical feature value of the cortical brain wave (ECoG), and an electrical feature value in the local field potential (LFP). A feature amount is extracted as a result of the correlation processing based on the cortical electroencephalogram (ECoG) and the electrical feature amount.

演算処理部5Aは、被験者(被検体)の脳における大脳視覚野又は大脳連合野を含む領域において、定められた試行期間に応じて繰り返し取得する脳表信号と脳内信号とからそれぞれ抽出した、上記領域の脳表信号に由来する特徴量と、上記領域の脳内信号に由来する特徴量とを含む情報に基づいて算定した結果から、被験者(被検体)が感覚受容しているないしイメージしている視覚刺激を特定する情報を出力する。
演算処理部5Aは、対応学習部51A、及び、リアルタイム意思伝達部52Aを備える。
演算処理部5Aの対応学習部51Aは、演算処理部5の対応学習部51が対象とする情報に対し、前記脳表信号と前記脳内信号との信号の相関性に由来の特徴量をさらに含む情報に基づいて、脳の電気的特性の特徴量と上記画像とを対応付ける処理により上記処理の変数を最適化する。
演算処理部5Aのリアルタイム意思伝達部52Aは、演算処理部5のリアルタイム意思伝達部52が対象とする情報に対し、脳表信号と脳内信号とのうちから選択された複数の信号の相関性に由来の特徴量をさらに含む情報に基づいて、予め定められている複数の画像のうちから、上記抽出された特徴量から関連付けられる画像を選択する処理をする。なお、以下の説明においては、演算処理部5Aのリアルタイム意思伝達部52Aは、演算処理部5のリアルタイム意思伝達部52が対象とする情報に対し、前記脳表信号と前記脳内信号との信号の相関性に由来の特徴量をさらに含む情報に基づいて、予め定められている複数の画像のうちから、上記抽出された特徴量から関連付けられる画像を選択する処理をする場合を例にして説明する。
The arithmetic processing unit 5A extracts each of the brain surface signal and the intracerebral signal, which are repeatedly acquired according to a predetermined trial period, in a region including the cerebral visual cortex or cerebral association cortex in the subject's (subject) brain. From the result of calculation based on information including the feature amount derived from the brain surface signal of the region and the feature amount derived from the intracerebral signal of the region, the subject (subject) senses or images Outputs information that identifies the visual stimulus that is present.
The arithmetic processing unit 5A includes a correspondence learning unit 51A and a real-time intention transmission unit 52A.
The correspondence learning unit 51A of the arithmetic processing unit 5A further obtains a feature amount derived from the correlation between signals of the brain surface signal and the intracerebral signal with respect to information targeted by the correspondence learning unit 51 of the arithmetic processing unit 5. Based on the included information, the process variables are optimized by the process of associating the characteristic amount of the electrical characteristics of the brain with the image.
The real-time intention transmitting unit 52A of the arithmetic processing unit 5A correlates a plurality of signals selected from the brain surface signal and the intracerebral signal with respect to information targeted by the real-time intention transmitting unit 52 of the arithmetic processing unit 5 Based on the information further including the feature quantity derived from the above, a process of selecting an image associated with the extracted feature quantity from among a plurality of predetermined images is performed. In the following description, the real-time intention transmission unit 52A of the arithmetic processing unit 5A is a signal of the brain surface signal and the brain signal with respect to information targeted by the real-time intention transmission unit 52 of the arithmetic processing unit 5. Based on information that further includes a feature amount derived from the correlation between the two, a case where processing for selecting an image associated with the extracted feature amount from a plurality of predetermined images is described as an example. To do.

次に、特徴量抽出部4Aにおける特徴量抽出処理について説明する。
本実施形態における特徴量抽出処理は、上記図6から図8に示した特徴量抽出処理に加え、脳内信号と脳表信号の相関性に由来の特徴量をさらに抽出する点が異なる。要するに、本実施形態における特徴量抽出の処理においては、脳内信号に由来の特徴量と、脳表信号に由来の特徴量と、脳内信号と脳表信号の相関性に由来の特徴量を抽出する。
前述の説明と同様に、脳内信号に由来の特徴量を「特徴量A」、脳表信号に由来の特徴量を「特徴量B」として説明し、本実施形態において新たに加えた、脳内信号と脳表信号の相関性に由来の特徴量を「特徴量C」として説明する。
Next, the feature amount extraction processing in the feature amount extraction unit 4A will be described.
The feature amount extraction process according to the present embodiment is different from the feature amount extraction process shown in FIGS. 6 to 8 in that a feature amount derived from the correlation between the brain signal and the brain surface signal is further extracted. In short, in the feature amount extraction processing in the present embodiment, the feature amount derived from the brain signal, the feature amount derived from the brain surface signal, and the feature amount derived from the correlation between the brain signal and the brain surface signal are calculated. Extract.
As described above, the feature amount derived from the intracerebral signal is described as “feature amount A”, the feature amount derived from the brain surface signal is described as “feature amount B”, and the brain newly added in the present embodiment The feature amount derived from the correlation between the internal signal and the brain surface signal will be described as “feature amount C”.

まず、1試行のLFP信号とECoG信号とにおける、視覚刺激提示後の予め定められる所定の時間範囲(例えば、0から300ms(ミリ秒))の範囲を対象範囲として選択し、特徴量抽出部4Aは、この間のLFP信号とECoG信号とに基づいた時系列情報を記憶部6からそれぞれ読み出す。   First, a predetermined time range (for example, 0 to 300 ms (milliseconds)) after presentation of the visual stimulus in the LFP signal and the ECoG signal of one trial is selected as a target range, and the feature amount extraction unit 4A Reads out the time-series information based on the LFP signal and the ECoG signal from the storage unit 6 during this period.

次に、全ての電極のうちから、電極部32における特定の電極32T(ECoGを記録するECoG電極)と、電極部31における特定の微小電極31T(LFPを記録する微小電極)とのペアとなる電極の組み合わせを抽出する。   Next, among all the electrodes, a pair of a specific electrode 32T (ECoG electrode that records ECoG) in the electrode unit 32 and a specific microelectrode 31T (microelectrode that records LFP) in the electrode unit 31 is paired. Extract electrode combinations.

次に、上記のペアとなる電極として抽出された組み合わせの中から、ペアとなる1対の電極yに対応するLFP信号の時系列情報と、ECoG信号の時系列情報とに基づいて、2つの時系列情報の相関係数を算出する。   Next, based on the time-series information of the LFP signal corresponding to the pair of electrodes y and the time-series information of the ECoG signal from the combinations extracted as the pair of electrodes, A correlation coefficient of time series information is calculated.

上記の場合、例えば、時系列情報のサンプリング周波数が1kHz(キロヘルツ)であれば、300ms(ミリ秒)に期間の情報の個数は300個(n=300)になる。300個ずつ選択されたLFP信号の時系列情報と、ECoG信号の時系列情報と相関係数を計算し、1つの相関係数が得られる。
さらに、上記のペアとなる電極の組み合わせのすべての組み合わせについて実施して、ペアの数と同数の相関係数を得る。
上記のペア(電極部32における特定の電極32Tと、電極部31における特定の微小電極31T)を識別する識別情報を定める。当該ペアに由来の相関係数と、ペアを識別する識別情報とを関連付ける。この相関係数とペアを識別する識別情報とを脳内信号と脳表信号の相関性に由来の特徴量とする。
In the above case, for example, if the sampling frequency of the time series information is 1 kHz (kilohertz), the number of pieces of information in the period in 300 ms (milliseconds) is 300 (n = 300). One correlation coefficient is obtained by calculating the time series information of the LFP signal selected by 300, the time series information of the ECoG signal, and the correlation coefficient.
Furthermore, it implements about all the combinations of the said electrode combination used as a pair, and obtains the same correlation coefficient as the number of pairs.
Identification information for identifying the pair (a specific electrode 32T in the electrode part 32 and a specific microelectrode 31T in the electrode part 31) is defined. The correlation coefficient derived from the pair is associated with identification information for identifying the pair. The correlation coefficient and the identification information for identifying the pair are used as feature quantities derived from the correlation between the brain signal and the brain surface signal.

(脳内信号に由来の特徴量(特徴量A)と脳表信号に由来の特徴量(特徴量B)と脳内信号と脳表信号の相関性に由来の特徴量を「特徴量C」とに基づいた機械学習処理)
次に、本実施形態における機械学習処理について説明する。
第2実施形態においては、第1実施形態において示した式(E4)以降の処理が相違する。式(E1)から式(E3)までを参照し、以降の処理を説明する。
(The feature quantity derived from the intracerebral signal (feature quantity A), the feature quantity derived from the brain surface signal (feature quantity B), and the feature quantity derived from the correlation between the brain signal and the brain surface signal are referred to as “feature quantity C”. Machine learning process based on
Next, the machine learning process in this embodiment will be described.
In 2nd Embodiment, the process after Formula (E4) shown in 1st Embodiment is different. Subsequent processing will be described with reference to equations (E1) to (E3).

上述のとおり、脳内信号に由来する特徴量(特徴量Aという。)と脳表信号に由来する特徴量(特徴量B)以外に、脳表信号と脳内信号との信号の相関性に由来の特徴量(特徴量C)がある。この特徴量Cは、脳表信号と脳内信号との信号の相関係数として算出されたものである。
本実施形態においては、脳内信号に由来する特徴量(特徴量Aという。)と、脳表信号に由来する特徴量(特徴量B)と、脳表信号と脳内信号との信号の相関に由来の特徴量(特徴量C)を取得する。取得した特徴量(特徴量Aと特徴量Bと特徴量C)をSVMのサンプルデータ(入力ベクトル)として利用する。
As described above, in addition to the feature quantity derived from the brain signal (referred to as feature quantity A) and the feature quantity derived from the brain surface signal (feature quantity B), the correlation between the signal of the brain surface signal and the brain signal is considered. There is a derived feature amount (feature amount C). The feature amount C is calculated as a correlation coefficient between the brain surface signal and the brain signal.
In the present embodiment, the feature amount derived from the brain signal (referred to as feature amount A), the feature amount derived from the brain surface signal (feature amount B), and the correlation between the brain surface signal and the brain signal. The feature amount (feature amount C) derived from is acquired. The acquired feature amount (feature amount A, feature amount B, and feature amount C) is used as sample data (input vector) of SVM.

本実施形態においては、脳内信号と脳表信号の相関性に由来の特徴量を要素とする列ベクトルGCVを定める。例えば、列ベクトルGCVの要素は、特徴量であるペアに由来の相関係数である。この相関係数は、ペアを識別する識別情報が関連付けられており、識別情報の順に応じて配列する。   In the present embodiment, a column vector GCV having a feature amount derived from the correlation between the brain signal and the brain surface signal as an element is determined. For example, the element of the column vector GCV is a correlation coefficient derived from a pair that is a feature amount. The correlation coefficient is associated with identification information for identifying a pair, and is arranged according to the order of the identification information.

ここで、式(E2)と式(E3)とにそれぞれ示された、特徴量Aと特徴量Bと特徴量Cとを纏めて、式(E5)に示すように1つのベクトルG2Vにする。   Here, the feature amount A, the feature amount B, and the feature amount C shown in the equations (E2) and (E3) are combined into one vector G2V as shown in the equation (E5).

G2V=[GAV GBV GCV] …式(E5) G2V = [GAV GBV GCV] T ... Formula (E5)

このG1VをSVMのサンプルデータ(入力ベクトル)として利用して、SVMの識別関数のパラメータの最適化処理を行う。算出されたパラメータ(変数)を記憶部に記憶して学習処理を終える。   The G1V is used as SVM sample data (input vector) to optimize the parameters of the SVM identification function. The calculated parameters (variables) are stored in the storage unit, and the learning process is finished.

続いて、リアルタイム識別処理相について説明する。
上記の機械学習相の処理と同様にして、識別するタイミングにおける脳の応答(電気的特性)を検出する。検出した電気的特性に基づいて、そのタイミングの特徴量を抽出する。
上記の機械学習相において学習された変数に基づいて、それぞれのタイミングにおいて抽出された特徴量が、いずれの入力ベクトルとして分類されるかを算定する。算定結果に応じて、抽出された特徴量に対応する入力ベクトルの情報を出力する。
このように、詳細に識別するために入力ベクトルの数が多くなっても、一つにまとめることにより、処理を簡素化することができる。
Subsequently, the real-time identification processing phase will be described.
The brain response (electrical characteristic) at the timing of identification is detected in the same manner as in the machine learning phase. Based on the detected electrical characteristics, the feature quantity of the timing is extracted.
Based on the variables learned in the machine learning phase, it is calculated as which input vector the feature quantity extracted at each timing is classified. Information on the input vector corresponding to the extracted feature amount is output according to the calculation result.
Thus, even if the number of input vectors increases for detailed identification, the processing can be simplified by combining them into one.

図12を参照し、本実施形態における処理を説明する。
図12は、本実施形態における処理を示すフローチャートである。
以下、機械学習処理にSVMを適用する場合を例示して、意思伝達支援装置100Aにおける処理を説明する。
With reference to FIG. 12, the processing in the present embodiment will be described.
FIG. 12 is a flowchart showing processing in the present embodiment.
Hereinafter, the case where the SVM is applied to the machine learning process will be described as an example, and the process in the intention transmission support device 100A will be described.

最初に、意思伝達支援装置100Aは、以下に示す手順によりSVMにおける機械学習処理を行う(ステップSb11からSb16)。
多点電位計測部3はLFPとECoGの応答を同時に計測する(ステップSb11)。特徴量抽出部4Aは、LFPとECoGの周波数スペクトラムを算出する(ステップSb12)。特徴量抽出部4Aは、LFPに由来の特徴量を抽出し(ステップSb13)、ECoGに由来の特徴量を抽出し(ステップSb14)、LFPとECoGの相関性に由来の特徴量を抽出する(ステップSb15)。
演算処理部5Aは、LFPに由来の特徴量と、ECoGに由来の特徴量と、LFPとECoGの相関性に由来の特徴量とに基づいてSVMの超平面を設定する変数を最適化し、最適化した変数を記憶部6に記憶する(ステップSb16)。
First, the intention transmission support device 100A performs machine learning processing in the SVM according to the following procedure (steps Sb11 to Sb16).
The multipoint potential measurement unit 3 simultaneously measures the responses of LFP and ECoG (step Sb11). The feature amount extraction unit 4A calculates the frequency spectrum of LFP and ECoG (step Sb12). The feature amount extraction unit 4A extracts a feature amount derived from LFP (step Sb13), extracts a feature amount derived from ECoG (step Sb14), and extracts a feature amount derived from the correlation between LFP and ECoG (step Sb14). Step Sb15).
The arithmetic processing unit 5A optimizes the variable for setting the hyperplane of the SVM based on the feature quantity derived from LFP, the feature quantity derived from ECoG, and the feature quantity derived from the correlation between LFP and ECoG. The converted variable is stored in the storage unit 6 (step Sb16).

次に、意思伝達支援装置100は、以下に示す手順によりSVMにおける機械学習処理の結果を利用したリアルタイム識別処理を行う(ステップSb21からSb28)。
多点電位計測部3はLFPとECoGの応答を同時に計測する(ステップSb21)。特徴量抽出部4Aは、LFPとECoGの周波数スペクトラムを算出する(ステップSb22)。特徴量抽出部4Aは、LFPに由来の特徴量を抽出し(ステップSb23)、ECoGに由来の特徴量を抽出し(ステップSb24)、LFPとECoGの相関性に由来の特徴量を抽出する(ステップSb25)。演算処理部5Aは、記憶部6に記憶されている変数を用いて、LFPに由来の特徴量と、ECoGに由来の特徴量と、LFPとECoGの相関性に由来の特徴量とに基づいた識別処理をする(ステップSb26)。演算処理部5Aは、識別結果を出力する(ステップSb27)。
Next, the intention transmission support apparatus 100 performs a real-time identification process using the result of the machine learning process in the SVM according to the following procedure (steps Sb21 to Sb28).
The multipoint potential measuring unit 3 simultaneously measures the responses of LFP and ECoG (step Sb21). The feature amount extraction unit 4A calculates the frequency spectrum of LFP and ECoG (step Sb22). The feature quantity extraction unit 4A extracts a feature quantity derived from LFP (step Sb23), extracts a feature quantity derived from ECoG (step Sb24), and extracts a feature quantity derived from the correlation between LFP and ECoG (step Sb24). Step Sb25). The arithmetic processing unit 5A uses the variables stored in the storage unit 6, based on the feature amount derived from LFP, the feature amount derived from ECoG, and the feature amount derived from the correlation between LFP and ECoG. Identification processing is performed (step Sb26). The arithmetic processing unit 5A outputs the identification result (step Sb27).

演算処理部5Aは、操作入力情報により再び学習処理を実施するか否かを判定する(ステップSb28)。ステップSb28における判定により、再び、学習処理を実施しないと判定した場合(ステップSb28:No)、ステップSb21に進み、一連のリアルタイム識別処理を繰り返す。一方、ステップSb28における判定により、再び学習処理を実施すると判定した場合(ステップSb28:Yes)、リアルタイム識別処理を終了する。   The arithmetic processing unit 5A determines whether or not to perform the learning process again based on the operation input information (step Sb28). If it is determined in step Sb28 that the learning process is not performed again (step Sb28: No), the process proceeds to step Sb21, and a series of real-time identification processes is repeated. On the other hand, when it is determined by the determination in step Sb28 that the learning process is performed again (step Sb28: Yes), the real-time identification process is terminated.

上記のように本実施形態の意思伝達支援装置100Aは、脳表信号と脳内信号とを組み合わせたことにより、適確かつ安定的に読み取って、意思伝達の支援をおこなうことができる。   As described above, the communication support apparatus 100A of the present embodiment can support the communication of communication by accurately and stably reading by combining the brain surface signal and the brain signal.

なお、上記の処理においては、前記脳表信号と前記脳内信号との信号の相関性に由来の特徴量を、相関性に由来の特徴量の算出に用いる場合を例示したが、脳表信号と脳内信号とのうちから選択された複数の信号の相関性に由来の特徴量を用いることを制限するものではない。例えば、処理の対象とする複数の信号を、脳表信号のうちから選択された複数の信号にしたり、脳内信号のうちから選択された複数の信号にしたりしてもよく、複数の信号を適宜選択することができる。   In the above processing, the case where the feature amount derived from the correlation between the brain surface signal and the intracerebral signal is used for calculating the feature amount derived from the correlation is exemplified. It is not limited to use a feature amount derived from the correlation of a plurality of signals selected from the brain signals. For example, a plurality of signals to be processed may be a plurality of signals selected from brain surface signals or a plurality of signals selected from brain signals. It can be selected appropriately.

さらに、リアルタイム意思伝達部52Aは、演算処理部5のリアルタイム意思伝達部52が対象とする情報に対し、脳表信号のうちから選択された複数の信号の相関性に由来の特徴量と、脳内信号のうちから選択された複数の信号の相関性に由来の特徴量とをそれぞれ含む情報に基づいて処理を行ってもよい。   Further, the real-time intention transmitting unit 52A has a feature amount derived from the correlation of a plurality of signals selected from the brain surface signals with respect to information targeted by the real-time intention transmitting unit 52 of the arithmetic processing unit 5, and the brain The processing may be performed based on information each including a feature amount derived from the correlation of a plurality of signals selected from the internal signals.

さらに、リアルタイム意思伝達部52Aは、演算処理部5のリアルタイム意思伝達部52が対象とする情報に対し、脳表信号のうちから選択された複数の信号の相関性に由来の特徴量と、脳内信号のうちから選択された複数の信号の相関性に由来の特徴量とをそれぞれ含む情報に基づいて処理を行ってもよい。   Further, the real-time intention transmitting unit 52A has a feature amount derived from the correlation of a plurality of signals selected from the brain surface signals with respect to information targeted by the real-time intention transmitting unit 52 of the arithmetic processing unit 5, and the brain The processing may be performed based on information each including a feature amount derived from the correlation of a plurality of signals selected from the internal signals.

さらに、リアルタイム意思伝達部52Aは、脳表信号と脳内信号とのうちから少なくとも一方の信号を選択して処理するようにしてもよい。例えば、リアルタイム意思伝達部52Aは、選択された一方の信号から抽出した、脳表信号に由来する特徴量と、脳内信号に由来する特徴量とのうちの何れか一方と、選択された一方の信号のうちから選択された複数の信号の相関性に由来の特徴量とを含む情報に基づいて処理を行ってもよい。
また、リアルタイム意思伝達部52Aは、上記のように脳表信号と脳内信号との何れか一方を用いる場合と、前述の脳表信号と脳内信号とを用いる場合とを切り替えるようにしてもよい。上記の場合の切り替えは、予め定めた設定情報に基づいて切り替えたり、或いは、それぞれの場合の識別率の値に応じて、最も識別率が高くなる場合を選択して、切り替えたりしてもよい。
Further, the real-time intention transmitting unit 52A may select and process at least one of the brain surface signal and the brain signal. For example, the real-time communication unit 52A extracts either one of the feature amount derived from the brain surface signal and the feature amount derived from the brain signal extracted from the selected one signal, and the selected one The processing may be performed based on information including a feature amount derived from the correlation of a plurality of signals selected from among the signals.
Further, the real-time intention transmitting unit 52A may switch between the case where one of the brain surface signal and the brain signal is used and the case where the brain surface signal and the brain signal are used as described above. Good. The switching in the above case may be switched based on predetermined setting information, or may be switched by selecting the case where the identification rate is highest according to the value of the identification rate in each case. .

なお、上記の処理においては、機械学習処理と、リアルタイム識別処理とを分けて実施する例を示したが、リアルタイム識別処理の識別結果の良否を履歴情報として記憶部6に逐次記憶するようにして、識別率が所定の識別率より低下した場合には、再び機械学習処理を行うようにしてもよい。或いは、予め定められたタイミングで実施するようにしてもよい。   In the above processing, the example in which the machine learning processing and the real-time identification processing are separately performed has been shown. However, the quality of the identification result of the real-time identification processing is sequentially stored in the storage unit 6 as history information. When the identification rate falls below a predetermined identification rate, the machine learning process may be performed again. Alternatively, it may be performed at a predetermined timing.

上記の実施形態示すように、意思伝達支援装置100(100A)によれば、脳内微小電極により計測した多チャネルの局所フィールド電位と、脳表の皮質脳波電極により計測した多チャネルの皮質脳波信号の双方を入力とし、サポートベクターマシン等の機械学習アルゴリズムを用いて、従来に比べて高い精度で、文字や視覚イメージの脳内情報の読み出しを可能とする。
皮質脳波と局所フィールド電位は、ともに神経細胞のスパイク活動(unit活動電位)に比べて、長期間安定に記録可能である。しかも、スパイク活動単独、皮質脳波単独の情報を使った場合に比べて、同時に計測した局所フィールド電位と皮質脳波の双方の信号を用いることにより、脳情報解読の精度を高めている。
As shown in the above-described embodiment, according to the communication support device 100 (100A), the multi-channel local field potential measured by the brain microelectrode and the multi-channel cortical EEG signal measured by the cortical electroencephalogram electrode on the brain surface. Both of them are input, and using a machine learning algorithm such as a support vector machine, it is possible to read information in the brain of characters and visual images with higher accuracy than before.
Both cortical electroencephalogram and local field potential can be recorded stably for a long period of time compared to the spike activity (unit action potential) of nerve cells. In addition, compared to the case of using spike activity alone and cortical EEG information alone, the accuracy of brain information decoding is improved by using both the local field potential and cortical EEG signals measured simultaneously.

本実施形態に示す意思伝達支援装置100(100A)によれば、脳の同じ領域における脳内の信号(LFP)と脳表の信号(ECoG)を同時に検出して入力信号とする。これにより、脳内スパイク活動信号に基づいた意思伝達支援装置において見られる、運動プランを解読する動作の安定性が持続しなかったり、精度が不十分であったりする問題を、本実施形態の意思伝達支援装置100は解消し、的確、かつ安定に情報の伝達を支援することができるという効果を奏する。
また、脳表信号単独による意思伝達支援装置に比べても、意思伝達支援装置100は、視覚対象を弁別する推定精度を格段に向上させることを可能とし、的確、かつ安定に情報の伝達を支援することができるという効果を奏する。
According to the communication support apparatus 100 (100A) shown in the present embodiment, a signal in the brain (LFP) and a signal on the brain surface (ECoG) in the same region of the brain are simultaneously detected and used as an input signal. As a result, the problem that the stability of the operation for decoding the motion plan, which is seen in the intention communication support device based on the spike activity signal in the brain, is not sustained or the accuracy is insufficient is solved. The transmission support apparatus 100 eliminates the effect that the transmission of information can be supported accurately and stably.
In addition, the communication support device 100 can significantly improve the estimation accuracy for discriminating the visual object, and supports accurate and stable information transmission compared to the communication support device using only the brain surface signal. There is an effect that can be done.

本実施形態に示す意思伝達支援装置100(100A)によれば、感覚・理解は保たれているが運動・言語表出能力が低下している重症患者等に対して、文字やアイコンの視覚的イメージによる意思伝達の支援が行える。感覚・理解は保たれているが運動・言語表出能力が低下している重症患者は、筋萎縮性側索硬化症(ALS)のみならず脳卒中(脳血管障害)などの原因で発症することが知られている。意思伝達支援装置100(100A)は、このような重症患者の意思表示を支援する医療介護機器として、医療、福祉、教育を始め多様な産業分野における利用が可能である。意思伝達支援装置100(100A)は、このような重症患者の意思表示を支援することにより、意思表示を行う機会を提供することが可能になる。   According to the communication support device 100 (100A) shown in the present embodiment, characters and icons are visually displayed for severely ill patients whose sensation / understanding is maintained but their motor / language expression ability is reduced. Supports communication with images. Severe patients who have sensation / understanding but have reduced ability to exercise and speak can develop not only amyotrophic lateral sclerosis (ALS) but also stroke (cerebrovascular disorder) It has been known. The intention transmission support device 100 (100A) can be used in various industrial fields such as medical care, welfare, and education as a medical care device that supports such a patient's intention display. The intention transmission support device 100 (100A) can provide an opportunity to perform intention display by supporting such a patient's intention display.

なお、上述の実施形態の要件は、発明の技術的な特徴に影響のない範囲で適宜変更することができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。
例えば、多点電位計測部3は、複数の計測点における脳の電気的特性として、各計測点における視覚刺激に伴って変化する電位の特定の周波数帯域成分の変化を用いてもよい。その場合、後段の特徴量抽出部4において行う時系列情報に基づいて周波数成分に変換する処理に代えて、周波数成分(周波数スペクトラム)に基づいて時系列情報に変換する処理を行うものとする。
なお、今後、脳科学の水準が向上して、unit信号を数ヶ月以上の安定記録が可能となれば、多点電位計測部3は、上記第2の計測手段の皮質脳波(ECoG)法に代えて、或いは、第3の手段としてUNIT法を利用してもよい。
Note that the requirements of the above-described embodiment can be changed as appropriate without departing from the technical characteristics of the invention. Some components may not be used.
For example, the multipoint potential measurement unit 3 may use, as the electrical characteristics of the brain at a plurality of measurement points, a change in a specific frequency band component of a potential that changes with a visual stimulus at each measurement point. In that case, instead of the process of converting to the frequency component based on the time series information performed in the feature quantity extraction unit 4 in the subsequent stage, the process of converting to the time series information based on the frequency component (frequency spectrum) is performed.
In the future, if the level of brain science is improved, and the unit signal can be stably recorded for several months or more, the multipoint potential measuring unit 3 uses the cortical electroencephalogram (ECoG) method of the second measuring means. Alternatively, or as a third means, the UNIT method may be used.

なお、上記の実施形態における意思伝達支援装置100(100A)が備える各部は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、メモリー及びマイクロプロセッサにより実現させるものであってもよい。   In addition, each part with which the communication support apparatus 100 (100A) in the above embodiment is provided may be realized by dedicated hardware, or may be realized by a memory and a microprocessor. .

なお、この意思伝達支援装置100(100A)が備える各部は、メモリー及びCPU(演算処理装置)により構成され、意思伝達支援装置100(100A)等が備える各部の機能を実現するためのプログラムをメモリーにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。   Each unit included in the intention transmission support device 100 (100A) includes a memory and a CPU (arithmetic processing unit), and a program for realizing the functions of each unit included in the intention transmission support device 100 (100A) is stored in the memory. The function may be realized by loading and executing.

また、意思伝達支援装置100(100A)が備える各部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み取らせて、実行することにより各部による処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。   In addition, a program for realizing the function of each unit included in the communication support device 100 (100A) is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium is read by a computer system and executed. By doing so, you may perform the process by each part. Here, the “computer system” includes an OS and hardware such as peripheral devices.

また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリーのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
Further, the “computer system” includes a homepage providing environment (or display environment) if a WWW system is used.
The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Furthermore, the “computer-readable recording medium” dynamically holds a program for a short time like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In this case, it also includes those that hold a program for a certain period of time, such as a volatile memory inside a computer system serving as a server or client in that case. The program may be a program for realizing a part of the functions described above, and may be a program capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in a computer system.

100、100A 意思伝達支援装置
3、3A 多点電位計測部、
4、4A 特徴量抽出部、
5、5A 演算処理部
6 記憶部
100, 100A communication support device 3, 3A multi-point potential measurement unit,
4, 4A feature quantity extraction unit,
5, 5A arithmetic processing unit 6 storage unit

Claims (20)

被検体の脳における大脳視覚野又は大脳連合野を含む領域において、定められた試行期間に応じて繰り返し取得する脳表信号と脳内信号とからそれぞれ抽出した、前記領域の脳表信号に由来する特徴量と、前記領域の脳内信号に由来する特徴量とを含む情報に基づいて算定した結果から前記被検体が感覚受容しているないしイメージしている視覚刺激を特定する情報を出力する演算処理部
を備えることを特徴とする意思伝達支援装置。
Derived from the brain surface signals of the region extracted from the brain surface signals and brain signals repeatedly acquired according to a predetermined trial period in the region including the cerebral visual cortex or cerebral association cortex in the subject's brain An operation for outputting information specifying the visual stimulus that the subject senses or images from the result calculated based on the information including the feature amount and the feature amount derived from the brain signal of the region A communication support device comprising a processing unit.
前記領域の脳内において第1の計測手段によって計測される脳内信号と、前記領域の脳表において第2の計測手段によって計測される脳表信号とを含めて、前記試行期間に応じて検出された複数の種類の脳信号から、前記計測された位置における脳の電気的特性を求める多点電位計測部と、
前記求められた脳の電気的特性に応じた特徴量を抽出する特徴量抽出部と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の意思伝達支援装置。
Detecting in accordance with the trial period, including the brain signal measured by the first measuring means in the brain of the region and the brain surface signal measured by the second measuring means in the brain surface of the region A multi-point potential measurement unit for obtaining electrical characteristics of the brain at the measured position from a plurality of types of brain signals that are measured;
A feature amount extraction unit for extracting a feature amount according to the obtained electrical characteristics of the brain;
The communication support apparatus according to claim 1, comprising:
前記多点電位計測部は、
前記第1の計測手段として局所フィールド電位(LFP)法を利用する
ことを特徴とする請求項2に記載の意思伝達支援装置。
The multipoint potential measurement unit
The intention transmission support apparatus according to claim 2, wherein a local field potential (LFP) method is used as the first measurement unit.
前記多点電位計測部は、
前記第2の計測手段として皮質脳波(ECoG)法を利用する
ことを特徴とする請求項2又は3に記載の意思伝達支援装置。
The multipoint potential measurement unit
The cortex electroencephalogram (ECoG) method is used as the second measuring means. 4. The communication support apparatus according to claim 2 or 3, wherein:
前記LFP法による前記脳内信号を検出する第1電極部を前記脳内に配し、前記ECoG法による前記脳表信号を検出する第2電極部を前記脳表に配する
ことを特徴とする請求項4に記載の意思伝達支援装置。
A first electrode portion for detecting the brain signal by the LFP method is disposed in the brain, and a second electrode portion for detecting the brain surface signal by the ECoG method is disposed on the brain surface. The communication support apparatus according to claim 4.
前記多点電位計測部は、
複数の前記脳内信号を検出する前記第1電極部と、
一の面に設けられ、複数の前記脳表信号を検出する前記第2電極部と、
を備え、
前記第1電極部は、前記第2電極部を設けた一の面から突出するように設けられる
ことを特徴とする請求項5に記載の意思伝達支援装置。
The multipoint potential measurement unit
A plurality of the first electrode portions for detecting the brain signals;
The second electrode unit that is provided on one surface and detects a plurality of the brain surface signals;
With
The intention transmission support apparatus according to claim 5, wherein the first electrode part is provided so as to protrude from one surface on which the second electrode part is provided.
前記多点電位計測部は、
前記第1電極部に設けられている複数の端子の位置によって形成される第1多角形のうちの少なくとも一部の多角形と、前記第2電極部に設けられている複数の端子の位置によって形成される第2多角形のうちの少なくとも一部の多角形とが、前記一の面を平面視して重なる部分が存在するように配されている
ことを特徴とする請求項6に記載の意思伝達支援装置。
The multipoint potential measurement unit
According to at least some polygons of the first polygon formed by the positions of the plurality of terminals provided in the first electrode part and the positions of the plurality of terminals provided in the second electrode part. The at least some polygons of the 2nd polygon formed are distribute | arranged so that the part which overlaps by planarly viewing the said 1 surface may exist. Communication support device.
前記大脳視覚野又は大脳連合野を含む領域が、高次視覚連合野を中心とした領域であり、少なくとも側頭葉ないし後頭葉の腹側部の視覚関連領域のいずれかを含む
ことを特徴とする請求項2から6の何れか1項に記載の意思伝達支援装置。
The region including the cerebral visual cortex or the cerebral association cortex is a region centering on the higher visual association cortex, and includes at least one of the visual-related regions in the temporal lobe or the ventral side of the occipital lobe. The communication support apparatus according to any one of claims 2 to 6.
前記特徴量抽出部は、
前記求められた脳の電気的特性に応じた特徴量を、前記脳信号に含まれる周波数成分と、定められた所定の時から前記脳信号の応答が検出される時までの時間とに基づいて抽出する
ことを特徴とする請求項2から8の何れか1項に記載の意思伝達支援装置。
The feature amount extraction unit includes:
The characteristic amount according to the obtained electrical characteristic of the brain is based on the frequency component included in the brain signal and the time from a predetermined time to when the response of the brain signal is detected. The communication support device according to any one of claims 2 to 8, wherein the support device is extracted.
前記特徴量抽出部は、
前記脳信号に含まれる主たる周波数成分を少なくとも含むように検出周波数範囲を定め、前記定めた検出周波数範囲の一部を含むように複数の周波数範囲を定め、
前記脳信号の応答を検出する前の所定の時から前記脳信号の応答が検出されるまでの期間を少なくとも含むように検出時間範囲を定め、前記定めた検出時間範囲の一部を含むように複数の時間範囲を定め、
前記定めた周波数範囲の何れかと前記定めた時間範囲の何れかとの組み合わせによって制限される範囲に含まれる前記脳信号の信号強度の代表値を前記特徴量に含む
ことを特徴とする請求項9に記載の意思伝達支援装置。
The feature amount extraction unit includes:
A detection frequency range is defined to include at least a main frequency component included in the brain signal, and a plurality of frequency ranges are defined to include a part of the determined detection frequency range;
A detection time range is defined so as to include at least a period from a predetermined time before detecting the response of the brain signal until the response of the brain signal is detected, and includes a part of the determined detection time range. Define multiple time ranges,
The representative value of the signal intensity of the brain signal included in a range limited by a combination of any of the predetermined frequency ranges and any of the predetermined time ranges is included in the feature amount. The communication support apparatus described.
前記演算処理部は、
前記脳表信号と前記脳内信号とのうちから選択された複数の信号の相関性に由来の特徴量をさらに含む情報に基づいて算定した結果から前記視覚刺激を特定する情報を出力する
ことを特徴とする請求項2から10の何れか1項に記載の意思伝達支援装置。
The arithmetic processing unit includes:
Outputting information identifying the visual stimulus from a result calculated based on information further including a feature amount derived from correlation between a plurality of signals selected from the brain surface signal and the intracerebral signal. The intention transmission support device according to any one of claims 2 to 10, wherein the communication device is a communication support device.
前記演算処理部は、
前記脳表信号と前記脳内信号との信号の相関性に由来の特徴量をさらに含む情報に基づいて算定した結果から前記視覚刺激を特定する情報を出力する
ことを特徴とする請求項2から11の何れか1項に記載の意思伝達支援装置。
The arithmetic processing unit includes:
The information for specifying the visual stimulus is output from a result calculated based on information further including a feature amount derived from a correlation between signals of the brain surface signal and the intracerebral signal. The communication support apparatus according to any one of 11.
前記特徴量抽出部は、
前記求められた脳の電気的特性に応じた特徴量を、前記脳表信号と前記脳内信号とに基づいた相関処理の結果から抽出し、
前記演算処理部は、
前記脳表信号と前記脳内信号との信号の相関に由来の特徴量をさらに含む情報に基づいて算定した結果から前記視覚刺激を特定する情報を出力する
ことを特徴とする請求項2から11の何れかに記載の意思伝達支援装置。
The feature amount extraction unit includes:
Extracting the characteristic amount according to the obtained electrical characteristics of the brain from the result of the correlation processing based on the brain surface signal and the intracerebral signal,
The arithmetic processing unit includes:
12. The information for specifying the visual stimulus is output from a result calculated based on information further including a feature amount derived from a correlation between the signal of the brain surface signal and the signal in the brain. The communication support apparatus according to any one of the above.
前記特徴量抽出部は、
前記検出周波数範囲を定められた所定の数に分割して、互いの範囲が重ならないように前記複数の周波数範囲が定められている
ことを特徴とする請求項10に記載の意思伝達支援装置。
The feature amount extraction unit includes:
11. The communication support apparatus according to claim 10, wherein the plurality of frequency ranges are determined such that the detection frequency ranges are divided into a predetermined number and the ranges do not overlap each other.
前記特徴量抽出部は、
前記定めた周波数範囲の何れかと前記定めた時間範囲の何れかとの組み合わせによって制限される範囲に含まれる前記脳信号の信号強度の平均値を、前記脳信号の信号強度の代表値として前記特徴量に含む
ことを特徴とする請求項14に記載の意思伝達支援装置。
The feature amount extraction unit includes:
An average value of the signal strength of the brain signal included in a range limited by a combination of any of the defined frequency ranges and any of the defined time ranges is used as the feature value as a representative value of the signal strength of the brain signals. The communication support apparatus according to claim 14, comprising:
前記演算処理部は、
予め定められている複数の画像のうちから、前記複数の種類の脳信号に基づいて前記抽出された特徴量から関連付けられる画像を選択し、前記選択した画像の情報を前記算定した情報として出力する
ことを特徴とする請求項2から請求項14の何れか1項に記載の意思伝達支援装置。
The arithmetic processing unit includes:
From among a plurality of predetermined images, an image associated with the extracted feature amount is selected based on the plurality of types of brain signals, and information on the selected image is output as the calculated information. The communication support apparatus according to any one of claims 2 to 14, characterized in that
前記演算処理部は、
前記予め定められている複数の画像のうちから前記関連付けられる画像を選択する処理において、画像の表示に伴って検出された前記脳の計測点における脳の電気的特性の特徴量と前記画像とを対応付ける処理により前記処理の変数を最適化する
ことを特徴とする請求項16に記載の意思伝達支援装置。
The arithmetic processing unit includes:
In the process of selecting the associated image from the plurality of predetermined images, the feature value of the electrical characteristic of the brain at the measurement point of the brain detected with the display of the image and the image The communication support apparatus according to claim 16, wherein a variable of the process is optimized by a process of associating.
前記多点電位計測部は、
前記電気的特性として、各計測点における視覚刺激に伴って変化する電位(視覚誘発電位)又は視覚刺激に伴って変化する電位の特定の周波数帯域成分の変化を用いる
ことを特徴とする請求項2から17の何れか1項に記載の意思伝達支援装置。
The multipoint potential measurement unit
The electrical characteristic is characterized by using a potential (visual evoked potential) that changes with a visual stimulus at each measurement point or a change in a specific frequency band component of a potential that changes with a visual stimulus. 18. The communication support device according to any one of items 17 to 17.
被検体の脳における大脳視覚野又は大脳連合野を含む領域において、定められた試行期間に応じて繰り返し取得する脳表信号と脳内信号とからそれぞれ抽出した、前記領域の脳表信号に由来の特徴量と、前記領域の脳内信号に由来の特徴量とを含む情報に基づいて算定した結果から前記被検体が感覚受容しているないしイメージしている視覚刺激を特定する情報を出力するステップ
を含むことを特徴とする意思伝達支援方法。
In the region of the subject's brain including the cerebral visual cortex or cerebral association cortex, the brain surface signal derived from the brain surface signal of the region extracted from the brain surface signal and the intracerebral signal repeatedly acquired according to a predetermined trial period, respectively. Outputting information specifying a visual stimulus that the subject senses or images from a result calculated based on information including a feature amount and a feature amount derived from a brain signal of the region A communication support method characterized by including:
意思伝達支援装置が備えるコンピュータに、
被検体の脳における大脳視覚野又は大脳連合野を含む領域において、定められた試行期間に応じて繰り返し取得する脳表信号と脳内信号とからそれぞれ抽出した、前記領域の脳表信号に由来の特徴量と、前記領域の脳内信号に由来の特徴量とを含む情報に基づいて算定した結果から前記被検体が感覚受容しているないしイメージしている視覚刺激を特定する情報を出力するステップ
を実行させるためのプログラム。
In the computer provided in the communication support device,
In the region of the subject's brain including the cerebral visual cortex or cerebral association cortex, the brain surface signal derived from the brain surface signal of the region extracted from the brain surface signal and the intracerebral signal repeatedly acquired according to a predetermined trial period, respectively. Outputting information specifying a visual stimulus that the subject senses or images from a result calculated based on information including a feature amount and a feature amount derived from a brain signal of the region A program for running
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