JP2018139630A - 単位空間からの離隔度合いで判定を行う生体信号処理装置、プログラム及び方法 - Google Patents
単位空間からの離隔度合いで判定を行う生体信号処理装置、プログラム及び方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
当該生体信号の発生の有無に係る1つ又は複数の予め設定された基準状態に該当する入力信号から生成された特徴量によって1つ又は複数の単位空間を設計する単位空間設計手段と、
判定対象の入力信号から生成された特徴量に基づいて、当該判定対象の入力信号における当該単位空間から離隔した度合いである1つ又は複数の離隔度合いを算出する離隔度合い算出手段と、
算出された当該離隔度合いに基づいて、当該判定対象の入力信号における当該生体信号の発生を判定する信号発生判定手段と
を有する生体信号処理装置が提供される。
当該生体信号に係る周波数と主ノイズに係る周波数との間に遮断周波数を設定し、当該主ノイズに係る周波数を含む遮断帯域によるフィルタ処理を当該入力信号に施すフィルタ処理手段と、
当該フィルタ処理を施された当該入力信号の特徴量を生成する特徴量生成手段と
を更に有し、
単位空間設計手段は、当該フィルタ処理を施された当該入力信号の特徴量によって1つ又は複数の単位空間を設計し、
離隔度合い算出手段は、当該フィルタ処理を施された当該判定対象の入力信号の特徴量に基づいて、当該離隔度合いを算出する
ことも好ましい。また、この実施形態において、フィルタ処理手段は、遮断周波数が当該生体信号に係る周波数と当該主ノイズに係る周波数との間となるように移動区間サンプル数を設定し、当該入力信号に対して移動平均を用いたフィルタ処理を施すことも好ましい。
生体信号計数手段は、当該生体信号が発生したと判定された場合において、当該判定対象の入力信号における当該離隔度合いが所定のヒステリシスを示した際に当該回数のカウントを行うことも好ましい。
MT(Mahalanobis Taguchi)法における単位空間、及びマハラノビス距離から算出される値、
MTA(Mahalanobis-Taguchi Adjoint)法における単位空間、及びマハラノビス距離から算出される値、
T法における単位空間、及び特性値から算出される値、又は
RT(Recognition Taguchi)法における単位空間、及びRT距離から算出される値
を採用することも好ましい。
当該生体信号に係る周波数と主ノイズに係る周波数との間に遮断周波数を設定し、当該主ノイズに係る周波数を含む遮断帯域によるフィルタ処理を当該入力信号に施すフィルタ処理手段を有する装置と、
当該フィルタ処理を施された当該入力信号を処理する、上述した生体信号処理装置と
を備えている生体信号処理システムが提供される。
当該生体信号の発生の有無に係る1つ又は複数の予め設定された基準状態に該当する入力信号から生成された特徴量によって1つ又は複数の単位空間を設計する単位空間設計手段と、
判定対象の入力信号から生成された特徴量に基づいて、当該判定対象の入力信号における当該単位空間から離隔した度合いである1つ又は複数の離隔度合いを算出する離隔度合い算出手段と、
算出された当該離隔度合いに基づいて、当該判定対象の入力信号における当該生体信号の発生を判定する信号発生判定手段と
してコンピュータを機能させる生体信号処理プログラムが提供される。
当該生体信号の発生の有無に係る1つ又は複数の予め設定された基準状態に該当する入力信号から生成された特徴量によって1つ又は複数の単位空間を設計するステップと、
判定対象の入力信号から生成された特徴量に基づいて、当該判定対象の入力信号における当該単位空間から離隔した度合いである1つ又は複数の離隔度合いを算出するステップと、
算出された当該離隔度合いに基づいて、当該判定対象の入力信号における当該生体信号の発生を判定するステップと
を有する生体信号処理方法が提供される。
図1は、本発明による生体信号処理装置を含む生体信号処理システムの一実施形態を示す模式図である。また、図2は、同システムの他の実施形態を示す模式図である。
(A)生体信号の発生の有無に係る1つ又は複数の予め設定された「基準状態」に該当する入力信号から生成された「特徴量」によって1つ又は複数の「単位空間」を設計(生成)し、
(B)判定対象の入力信号から生成された「特徴量」に基づいて、判定対象の入力信号における「単位空間」から離隔した度合いである1つ又は複数の「離隔度合い」を算出し、
(C)算出された「離隔度合い」に基づいて、判定対象の入力信号における生体信号の発生(生体信号が発生したか否か)を判定する
ことを特徴としている。
図3は、本発明による生体信号処理装置の一実施形態における機能構成を示す機能ブロック図である。
(ア)単位空間を設計するための(フィルタ処理を施された)入力信号の特徴量(単位空間設計用サンプル)、及び
(イ)判定対象の(フィルタ処理を施された)入力信号の特徴量(判定対象信号サンプル)
を生成する。このように生成される特徴量によって、判定対象となる生体信号と、ノイズ及びその他の生体信号とを特徴付けて区別することが可能となる。
(a)MT(Mahalanobis Taguchi)法における単位空間、及びマハラノビス距離から算出される値、
(b)MTA(Mahalanobis-Taguchi Adjoint)法における単位空間、及びマハラノビス距離から算出される値、
(c)T法における単位空間、及び特性値から算出される値、又は
(d)RT(Recognition Taguchi)法における単位空間、及びRT距離から算出される値を採用することができる。ここで、(a)のMT法、(b)のMTA法、(c)のT法及び(d)のRT法はいずれも、品質工学のタグチメソッドの1つとなっている。以下、これらの方法を用いた「単位空間」及び「離隔度合い」の設計(生成)・算出方法を具体的に説明する。
のように表される。また、Rはk×kの正方行列であり、相関行列の各要素は各項目間(j=1〜k)の相関係数であり、例えばr12=Σn i=1ui1・ui2/nで計算でき、r21=r12である。ここで、uijは、基準化サンプルuij=(xij−mj)/σj(mj:xijのi(=1〜n)についての平均、σj:xijのi(=1〜n)についての標準偏差)である。また、主対角線上の要素は同一項目同士の相関係数であるため全て1となる。MT法では、この相関行列Rの逆行列R-1と、mj及びσjとを算出することが、単位空間を設計(生成)することになる。
(2) VT=[v1, v2, ・・・, vk]
とすることができる。ここで、vjは、基準化信号サンプルvj=(yj−mj)/σj(mj:単位空間で計算された平均,σj:単位空間で計算された標準偏差)である。このベクトルVで表される判定対象の入力信号における、設計した単位空間との離隔度合いMDは、MT法において、次式
(3) MD=k-1・VT・R-1・V
を用いて算出される。ここで、この離隔度合いMDは、いわゆるマハラノビス距離の2乗値をkで割り算した値となっている。
で表される分散共分散行列Sを算出する。ここで、Sはk×kの正方行列であり、主対角線上の行列要素は1つの項目の分散となっており、一方、主対角線上以外の行列要素は項目間の共分散となっている。例えばs12は項目Dj=1と項目Dj=2との間の共分散であり、s12=s21である。また、例えばs11は項目Dj=1の分散である。次いで、このSの余因子行列Bを算出する。MTA法では、このような余因子行列Bを算出することが、単位空間を設計(生成)することになっている。一方、σ=0となる項目a(a=1, 2, ・・・, j)のxiaは、単位空間では用いられないが、後述する信号空間で使用される。
(5) Vi T=[viD1, viD2, ・・・, viDk]
とすることができる。ここで、viDjは、正規化された信号サンプルviDj=yiDj−mDj(mDj:単位空間で計算された平均)である。また、信号サンプルiには、信号真値Miが設定される。この信号真値Miについては、例えば、口角上げに係る筋肉に起因する筋電信号を判定対象とした場合に、口角上げ状態の信号空間を形成する信号サンプルの信号真値Miを2とし、無表情状態の信号真値が−1等に設定されるのに対して、判定したい状態の信号真値をより大きな値に設定する。さらに、このベクトルViで表される入力信号における、設計した単位空間との距離の2乗Di 2は、次式
(6) Di 2=k-1・Vi T・B・Vi
を用いて算出される。
(7) r=Σp i=1Mi 2
L0=Σp i=1(Mi・Di)
St0=Σp i=1(Di・Di)
Sβ0=L0 2/r
Ve0=(St0−Sβ0)/(p−1)
β0=L0/r
η0= (Sβ0−Ve0)/(r・Ve0)
(8) La=Σp i=1(Mi・via)
Sta=Σp i=1(via・via)
Sβa=La 2/r
Vea=(Sta−Sβa)/(p−1)
βa=La/r
ηa= (Sβa−Vea)/(r・Vea)
(9) WT=[wD1, wD2, ・・・, wDk]
とすることができる。ここで、wDjは、正規化信号サンプルwDj=zDj−mDj(mDj:単位空間で計算された平均)である。
(10) D2=k-1・WT・B・W
を用いて算出される。ここで、このD2も、いわゆるマハラノビス距離の2乗値をkで割り算した値となっている。このD2(D)を用いると、正規化信号サンプルwDjで表される判定対象の入力信号における、単位空間との離隔度合い(予測信号真値)MPは、MTA法において、次式
(11a) MP=((η0・(D/β0)2)0.5 (σ=0の項目が無い場合)
(11b) MP=((η0・(D/β0)2+Σj a=1ηa・(wa/βa)2)/Σj a=0ηa)0.5
(σ=0の項目が有る場合)
で表すことができるのである。ここで、waは、1つの観測値としてのフィルタ処理された1つのウィンドウ内の入力信号サンプルから計算された各特徴量における単位空間でσ=0であった項目a(a=1〜j)についての値をzaとすると、wa=za−ma(ma:単位空間で計算された平均)として算出される。ちなみに、本実施形態の信号判定部32(図3)での処理は、σ=0の項目が無い場合である上式(11a)を用いて実施される。
(12) Mi=Yi−mx
を算出する。ここで、mxは単位空間のXiについての平均である。また、次式を用いて、有効除数r、各項目に対する線形式Lj、全変動Stj及び誤差分散Vejを算出する。
(13) r=Σp i=1Mi 2
Lj=Σp i=1(Mi・vij)
Stj=Σp i=1(vij・vij)
Sβj=Lj 2/r
Vej=(Stj−Sβj)/(p−1)
(14) Z=(Σk j=1ηj・(wj/βj))/(Σk j=1ηj)+XAV
を用いて算出されるのである。
(15) ηj=(r・Vej)-1・(Sβj−Vej)
を用いて算出される。また、同じく上式(14)において、βjは項目jの傾きであり、次式
(16) βj=Lj/r
によって算出される。なお、T法では、このようなSN比ηjや傾きβjを算出することが、単位空間及び単位空間と信号空間との関係を設計(生成)することになる。
(17) r=Σk j=1 mj 2
Li=Σk j=1(mj・xij)
βi=Li/r
Sti=Σk j=1(xij・xij)
Sβi=Li 2/r
Vei=(Sti−Sβi)/(k-1)
ηi=Vei -1
si=Vei 0.5
ここで、mjは各項目の平均値であり、さらに、rは有効除数、Liは線形式、Stiは全変動、Sβiは当てはまりの良さ、ηiはSN比、及びsiは誤差分散の平方根である。さらに、この単位空間サンプルxijのベクトルWiを、次式
(18) Wi T=[wi1, wi2]
wi1=βi−βAV
wi2=si−sAV
を用いて算出する。ここで、βAV及びsAVはそれぞれ、βi及びsiのi(=1〜n)についての平均である。
を用いてSの余因子行列Bを算出する。ここで、行列Bの各成分は、
(20) V11=Σn i=1(βi−βAV)2/(n−1)
V12=V21=Σn i=1(βi−βAV)(si−sAV)/(n−1)
V22=Σn i=1(si−sAV)2/(n−1)
によって算出される。RT法では、この余因子行列BとβAV及びsAVとを算出することが、単位空間を設計(生成)することになる。
(21) L=Σk j=1(mj・zj)
β=L/r
St=Σk j=1(zj・zj)
Sβ=L2/r
Ve=(St−Sβ)/(k-1)
η=Ve-1
s=Ve0.5
ここで、rは単位空間で求めた有効除数である。これにより、ベクトルWとして、
(22) WT=[w1, w2]
w1=β−βAV
w2=s−sAV
を算出することができる。ここで、βAV及びsAVはそれぞれ、単位空間で計算されていた同項目の平均である。このベクトルWiで表される判定対象の入力信号における、設計した単位空間との離隔度合い(RT距離)Dは、次式
(23) D=(0.5・WT・B・W)0.5
を用いて算出される。
(a)無表情状態及び口角上げ状態(を合わせた状態群)
(b)無表情状態
(c)口角上げ状態
を設定した上で、それぞれの状態で観測される入力信号から特徴量化したデータサンプル群から単位空間を設計したものである。ここで、MT法における、上記(a)状態の異常状態は、ノイズの混入した状態であると捉えることができ、上記(b)状態の異常状態は、口角上げ状態又はノイズ混入状態であると捉えることができ、上記(c)状態の異常状態は、無表情状態又はノイズ混入状態であると捉えることができる。
(24) (判定用距離)=(距離2)−(距離1)
を採用し、この判定用距離を用いて判定を行うことが可能である。しかしながら、さらに、口角上げ状態でないものを当該状態であると誤判定する状況をより確実に排除するため、無表情又はノイズに反応する距離3を用い、判定用距離として次式
(25) (判定用距離)=(距離2)−(距離1)−(距離3)
を採用することがより好ましい。これにより判定精度がより向上することは、後に図9及び図12の実施例を用いて示される。
(a)生体信号が発生していない基準状態に係る単位空間からの離隔度合いから、
(b)生体信号が発生した状態及び生体信号が発生していない状態を合わせた基準状態に係る単位空間からの離隔度合いと、
(c)生体信号が発生した基準状態に係る単位空間からの離隔度合いと
を差し引いた量に基づいて、生体信号の発生を判定することができる。
{(振幅の標準偏差), (振幅のゼロクロス数)}、
{(振幅加速度の標準偏差), (振幅加速度のゼロクロス数)}、及び
{(振幅の標準偏差), (振幅のゼロクロス数), (振幅加速度の標準偏差), (振幅加速度のゼロクロス数)}
を採用している。
{(振幅の標準偏差), (振幅のゼロクロス数)}
が最も好適であることが理解される。もちろん、その他の(図10や図11で採用された)特徴量をもってしても十分に高い判定精度が得られることは上述した通りである。
(26) (判定用距離)=(距離3)
を採用しているが、この点以外は、特徴量の設定を含めて同様の条件で判定を行っている。
(a)χ2乗分布における外側5%の位置、
(b)χ2乗分布における外側5%の位置から見て0.3ポイントだけ低い位置、及び
(c)χ2乗分布における外側5%の位置から見て0.8ポイントだけ低い位置
の各々を用い、判定用距離が当該所定閾値未満となった(サンプル・インデックスの)サンプルにおいて、口角上げ(に係る筋電信号)が発生したと判定している。
(a)MTA法を用い、上式(11a)によって算出した離隔度合いを用いた判定処理、
(b)T法を用い、上式(14)によって算出した離隔度合いを用いた判定処理、及び
(c)RT法を用い、上式(23)によって算出した離隔度合いを用いた判定処理
のいずれをも実施した。
(a)判定用距離(の推移を示す折れ線)が閾値Thhのラインを下(距離の小さい方)から横切って上(距離の大きい方)に向かう点(丸印)をカウント開始点とし、
(b)判定用距離(の推移を示す折れ線)が閾値Thl(<Thh)のラインを上(距離の大きい方)から横切って下(距離の小さい方)に向かう点(三角印)をカウント終了点として、
これらのカウント開始点とそれに次ぐカウント終了点との組毎に1だけカウントを増分する。図13の実施例では、この組が4つ存在しているので、これらの4つの組がグラフに現出した(グラフで決定された)段階で、「笑み」の回数が4回であるとカウントされることになる。
図15は、本発明による生体信号処理システムの更なる他の実施形態における機能構成を示す機能ブロック図である。
(a)生体信号に係る周波数と主ノイズに係る周波数との間に遮断周波数を設定し、主ノイズに係る周波数を含む遮断帯域によるフィルタ処理を入力信号に施すフィルタ処理部31を有するヘッドフォン1と、
(b)フィルタ処理を施された入力信号を処理する(図3(B)に示したものと同等の)信号判定部32を備えた携帯端末2と
を備えている。なお、本実施形態では、携帯端末2は、生体信号計数部33及びAP処理部21も有している。
図16は、本発明による生体信号処理方法の一実施形態を概略的に示すフローチャートである。ここで、本実施形態では、判定すべき生体信号は、大頬骨筋等の口角上げに係る筋肉に起因する筋電信号となっている。
(S102)信号変換部において、バッファに保存された時系列(離散サンプルの列)のセンサ出力信号に対し、ウィンドウ分割処理を行い、当該信号列をウィンドウに分割する。
(S103)フィルタ処理部31において、ウィンドウ毎に、SMAフィルタ処理を実行する。
(S104)信号判定部32において、フィルタ処理されたウィンドウ毎の判定対象の信号について、予め設定された項目に係る特徴量を算出する。
(S106)信号判定部32において、算出した判定用距離が、所定閾値を超えているか否かを判定する。ここで、真の判定(判定用距離が所定閾値よりも大きいとの判定)が行われた場合、ステップS107aに移行する。
(S107b)一方、ステップS106で偽の判定が行われた場合、判定対象の筋電信号は発生していないと判定し、ステップS108に移行する。
(S108)ステップS107a及び107bで判定(決定)された対象筋電信号発生の有無、及び判定用距離(のヒステリシス)に基づいて、対象生体現象である「笑み」の発生した回数がカウントされる。
ちなみに、上記のステップS103〜S108のフローは、例えばウィンドウ毎に繰り返され、ステップS108で順次カウント処理が進むことも好ましい。
1’ イヤホン
2 携帯端末
21 AP処理部
3 生体信号処理部
31 フィルタ処理部
311 計算区間設定部
312 処理実行部
32 信号判定部
321 特徴量生成部
322 単位空間設計部
323 離隔度合い算出部
324 信号発生判定部
33 生体信号計数部
33a 信号強度算出部
Claims (14)
- 生体信号を含み得る入力信号を処理する生体信号処理装置であって、
当該生体信号の発生の有無に係る1つ又は複数の予め設定された基準状態に該当する入力信号から生成された特徴量によって1つ又は複数の単位空間を設計する単位空間設計手段と、
判定対象の入力信号から生成された特徴量に基づいて、当該判定対象の入力信号における当該単位空間から離隔した度合いである1つ又は複数の離隔度合いを算出する離隔度合い算出手段と、
算出された当該離隔度合いに基づいて、当該判定対象の入力信号における当該生体信号の発生を判定する信号発生判定手段と
を有することを特徴とする生体信号処理装置。 - 前記単位空間設計手段は、少なくとも、当該生体信号が発生した基準状態に係る単位空間を設計することを特徴とする請求項1に記載の生体信号処理装置。
- 前記単位空間設計手段は、当該生体信号が発生していない基準状態に係る単位空間と、当該生体信号が発生した状態及び当該生体信号が発生していない状態を合わせた基準状態に係る単位空間とを更に設計し、
前記信号発生判定手段は、少なくとも、設計された当該3つの単位空間について算出された3つの当該離隔度合いに基づいて当該生体信号の発生を判定する
ことを特徴とする請求項2に記載の生体信号処理装置。 - 前記信号発生判定手段は、当該生体信号が発生していない基準状態に係る単位空間からの離隔度合いから、当該生体信号が発生した状態及び当該生体信号が発生していない状態を合わせた基準状態に係る単位空間からの離隔度合いと、当該生体信号が発生した基準状態に係る単位空間からの離隔度合いとを差し引いた量に基づいて、当該生体信号の発生を判定することを特徴とする請求項3に記載の生体信号処理装置。
- 当該入力信号の振幅に係る成分及び当該入力信号の周期に係る成分のうちの両方又は一方を含む特徴量を生成する特徴量生成手段を更に有することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の生体信号処理装置。
- 前記生体信号処理装置は、
当該生体信号に係る周波数と主ノイズに係る周波数との間に遮断周波数を設定し、当該主ノイズに係る周波数を含む遮断帯域によるフィルタ処理を当該入力信号に施すフィルタ処理手段と、
当該フィルタ処理を施された当該入力信号の特徴量を生成する特徴量生成手段と
を更に有し、
前記単位空間設計手段は、当該フィルタ処理を施された当該入力信号の特徴量によって1つ又は複数の単位空間を設計し、
前記離隔度合い算出手段は、当該フィルタ処理を施された当該判定対象の入力信号の特徴量に基づいて、当該離隔度合いを算出する
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の生体信号処理装置。 - 前記フィルタ処理手段は、遮断周波数が当該生体信号に係る周波数と当該主ノイズに係る周波数との間となるように移動区間サンプル数を設定し、当該入力信号に対して移動平均を用いたフィルタ処理を施すことを特徴とする請求項6に記載の生体信号処理装置。
- 前記生体信号処理装置は、当該生体信号が発生した回数を計数する生体信号計数手段を更に有し、
前記生体信号計数手段は、当該生体信号が発生したと判定された場合において、当該判定対象の入力信号における当該離隔度合いが所定のヒステリシスを示した際に当該回数のカウントを行う
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の生体信号処理装置。 - 当該生体信号は、ユーザの頭部に付されたデバイスであって、リファレンス用電極が左(又は右)の耳介周辺から頬近傍の1つの皮膚位置に接し、検出用電極が右(又は左)の耳介周辺から頬近傍の1つの皮膚位置に接するような電極構成を有するデバイスによって取得された信号であることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の生体信号処理装置。
- 当該生体信号は、口角上げに係る筋肉に起因する筋電信号であることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の生体信号処理装置。
- 前記単位空間設計手段及び前記離隔度合い算出手段は、それぞれ当該単位空間及び当該離隔度合いとして、
MT(Mahalanobis Taguchi)法における単位空間、及びマハラノビス距離から算出される値、
MTA(Mahalanobis-Taguchi Adjoint)法における単位空間、及びマハラノビス距離から算出される値、
T法における単位空間、及び特性値から算出される値、又は
RT(Recognition Taguchi)法における単位空間、及びRT距離から算出される値
を採用することを特徴とする請求項1に記載の生体信号処理装置。 - 生体信号を含み得る入力信号を処理する生体信号処理システムであって、
当該生体信号に係る周波数と主ノイズに係る周波数との間に遮断周波数を設定し、当該主ノイズに係る周波数を含む遮断帯域によるフィルタ処理を当該入力信号に施すフィルタ処理手段を有する装置と、
当該フィルタ処理を施された当該入力信号を処理する、請求項1から5のいずれか1項に記載の生体信号処理装置と
を備えていることを特徴とする生体信号処理システム。 - 生体信号を含み得る入力信号を処理する装置に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムであって、
当該生体信号の発生の有無に係る1つ又は複数の予め設定された基準状態に該当する入力信号から生成された特徴量によって1つ又は複数の単位空間を設計する単位空間設計手段と、
判定対象の入力信号から生成された特徴量に基づいて、当該判定対象の入力信号における当該単位空間から離隔した度合いである1つ又は複数の離隔度合いを算出する離隔度合い算出手段と、
算出された当該離隔度合いに基づいて、当該判定対象の入力信号における当該生体信号の発生を判定する信号発生判定手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする生体信号処理プログラム。 - 生体信号を含み得る入力信号を処理する装置に搭載されたコンピュータによる生体信号処理方法であって、
当該生体信号の発生の有無に係る1つ又は複数の予め設定された基準状態に該当する入力信号から生成された特徴量によって1つ又は複数の単位空間を設計するステップと、
判定対象の入力信号から生成された特徴量に基づいて、当該判定対象の入力信号における当該単位空間から離隔した度合いである1つ又は複数の離隔度合いを算出するステップと、
算出された当該離隔度合いに基づいて、当該判定対象の入力信号における当該生体信号の発生を判定するステップと
を有することを特徴とする生体信号処理方法。
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