JP2022061467A - マルチチャネルの生理学的信号のデータ圧縮のためのブレインコンピューターのインターフェイス装置 - Google Patents

マルチチャネルの生理学的信号のデータ圧縮のためのブレインコンピューターのインターフェイス装置 Download PDF

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Abstract

【課題】圧縮信号を利用することによって、一時的な短い期間内であっても、歪が少ないデータを送信可能なマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置を提供する。【解決手段】Ａ／Ｄコンバータはクロック信号に基づいて、マルチプレクサの出力をデジタル信号に変換し、メモリはＡ／Ｄコンバータに接続されてデジタル信号を保存するのに用いられ、処理器はメモリとマルチプレクサに接続されて、クロック信号は各複数のデジタル値にヘッダを付加し、処理器はクロック信号に基づいて各複数のデジタル値にヘッダを付加し、複数のヘッダはチャネルにそれぞれ対応し、且つ、同一のチャネルの各デジタル値における一つ前のデジタル値に対応する同一の上位ビットを削除することにより圧縮信号を出力する。【選択図】図１

Description

本発明はデータ送受信の技術に関し、特に、マルチチャネルの生理学的信号のデータ圧縮のためのブレインコンピューターのインターフェイス装置に関する。
近年、医療技術が進歩し、生理学的信号（脳波信号、心電図信号、筋電信号等）の収集、測定等の医療技術に利用される電子機器が欠かせない存在となっている。
とりわけ、脳波信号は、複数の信号チャネルを使用して収集する必要がある。たとえば、複数の電極が脳に接続され、脳波信号の測定装置は、これらの電極を介して複数の脳波信号を取得する。
上述の複数の信号チャネルを使用して生理学的信号を収集する場合、データ量が比較的多くなるため、データ送信は有線接続によって送信されるのが一般的である。
しかし、生理学的信号の測定装置は、一般的に患者に装着されるため、有線接続によって信号を伝送しようとすると、患者がその間身動きが取れず、しかも、生理学的信号の測定装置のサイズも大きくなりがちで、運搬が困難となる。
また、一般的な無線伝送にはデータ伝送の帯域幅の制限があり、大量のデータを伝送することができない。したがって、マルチチャネルの生理学的信号の測定装置が無線信号によってデータを送信する場合、所定の短い期間内に歪みやノイズが少ないデータを大量に送信することは理論上困難である。
さらに、生理学的信号に関連する生理学的データの送信効率を最もよくするためには、無線による送信の際に多くの電力を消費してしまう。その結果、マルチチャネルの生理学的信号を測定するための装置の電力消費が増加してしまう場合がある。また、消費電力の増加によって発熱量が増えてしまうが、この発熱を抑えるためには、広いスペースを確保して、内部モジュールを収容するためのスペースを増やす必要がある。
本発明は、上述の問題に鑑みて、生理学的信号の処理を適切に行い、データの歪やノイズが少ない圧縮信号を生成し、この圧縮信号を利用することによって、一時的な短い期間内（又は、一度の機会に）であっても、歪が少ない又は歪がないデータを無線通信によって送信可能とし、消費電力を少なくすると共に内部モジュールが占める体積を減らすことができるマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置を提供することを目的とする。
本発明は上述の問題に鑑みて以下の構成を備える。即ち、
複数のプリアンプと、マルチプレクサと、Ａ／Ｄコンバータと、メモリとを備えると共に、複数の生理学的信号の処理に用いられるマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置であって、
前記複数のプリアンプは、増幅信号をそれぞれ出力するために、それぞれ前記複数の生理学的信号を増幅するのに用いられ、各前記プリアンプは一つのチャネルに対応し、
前記マルチプレクサは制御信号とクロック信号に基づいて、増幅信号をそれぞれ出力し、
前記Ａ／Ｄコンバータは前記クロック信号に基づいて、前記マルチプレクサの前記出力をデジタル信号に変換し、前記デジタル信号は複数のデジタル値を含み、前記クロック信号は複数のクロックを含み、前記デジタル値は前記複数のクロック信号にそれぞれ対応しており、各前記複数のデジタル値は複数のビット値を含み、
前記メモリは前記Ａ／Ｄコンバータに接続されて前記デジタル信号を保存するのに用いられ、
前記処理器は前記メモリと前記マルチプレクサに接続されて、
前記クロック信号は、各前記複数のデジタル値にヘッダを付加し、
前記処理器は、前記クロック信号に基づいて、各前記複数のデジタル値にヘッダを付加し、前記複数のヘッダは前記チャネルにそれぞれ対応し、
同一の前記チャネルの各前記デジタル値における一つ前の前記デジタル値に対応する同一の上位ビットを削除することにより圧縮信号を出力する。
また、本発明によるマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置は、
更にコンパレータを備え、
前記コンパレータは前記クロック信号、前記マルチプレクサの前記出力、及び閾値に基づいて、比較結果を取得し、
前記コンパレータは前記マルチプレクサの前記出力が前記閾値より大きいとき、前記出力を前記比較結果とし、前記コンパレータは前記出力が閾値より大きくないとき、所定のレベルを前記比較結果とし、
前記Ａ／Ｄコンバータは前記クロック信号に基づいて、前記比較結果を前記デジタル信号に変換するのに用いられ、
前記処理器は、
同一の前記チャネルの各前記デジタル値における一つ前の前記デジタル値に対応する同一の上位ビットを削除し、前記上位ビットは最下位ビットを含まない。
また、本発明によるマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置は、設定値を前記閾値に変換するＤ／Ａコンバータを更に含む。
また、本発明によるマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置は、複数のフィルタ回路を更に含み、
前記複数のフィルタ回路は前記複数の増幅信号に対してそれぞれフィルタリングをするように用いられ、前記マルチプレクサは前記制御信号と前記クロック信号に基づいて、前記フィルタ信号をそれぞれ出力する。
また、本発明によるマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置は、無線通信回路を更に備え、前記無線通信回路は前記圧縮信号を送信するために用いられる。
また、本発明によるマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置は、前記無線通信回路はWi-Fi回路、ブルートゥース回路、又は無線周波数回路の何れかである。
また、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置は、前記クロック信号の周波数が１５０００ヘルツより高い。
本発明の効果
以上のように、本発明の実施形態によれば各チャネルによって生理学的信号を受信し、この生理学的信号をＡ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換し、同一のチャネルの各デジタル値における一つ前のデジタル値に対応する同一の上位ビットを削除することにより圧縮信号を出力する。
この圧縮信号は、圧縮されているので、各チャネルに関連付けられた生理学的信号のデジタル値に加えて、少ないデータ容量のデータ送信によって生理学的信号に関連付けられた複数のデジタル値をカバーできる。そして、外部のデータ受信処理端末（例えば、デスクトップコンピュータ、ラップトップ、その他のコンピューティング装置等）が、圧縮信号をデコードして、デコード後は、生理学的信号に関連する大容量の生理学的データ（例えば脳波等）を取得し得る。
従って、データ伝送の効率が向上し、無線による伝送中に一度に大容量の歪が少ない又は歪が無いデータを伝送することができ、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置の内部モジュールのために多くのスペースを必要とせず、更に消費電力も抑制できる。
さらに、本発明によるマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置は、マルチプレクサの出力がコンパレーターを介して閾値より大きいか否かを比較して、データ判断に必要がない生理学的信号（例えば、信号レベルが低いノイズ等）をフィルタリングによって除去することもできる。
本発明の実施形態を示すブロック図である。 本発明の実施形態を示す波形である。 本発明の実施形態におけるマルチプレクサの出力信号を示す図である。 本発明の他の実施形態を示すブロック図である。 本発明の実施形態におけるコンパレータの比較結果を示す図である。 本発明の比較結果に基づいて変換されたデジタル信号を示す図である。 図６Ａデジタル信号のデジタル値を示した図である。 比較結果に基づいて変換されたデジタル信号のビット値を削除するプロセスを経て得られた圧縮信号を示す図である。 図７Ａにおける圧縮信号のデジタル値を示した図である。
本発明の本明細書における説明においては「ある名詞」について特定の用語を使用する場合があるが、当業者であっても他のメーカの異なる名詞を用いる場合があり、仮に名詞が異なっていても両者に機能的な差異が無ければ両者は同じものである。よって、使用する名詞が異なることを以って、本発明の特許請求の範囲に記載した発明特定事項をすべて含む第三者の製品が、本発明の特許請求の範囲の範囲外となることはない。
また、本明細書及び請求の範囲では「・・・を含む」という表現を用いる場合があるが、この表現は本明細書又は特許請求の範囲に記載した発明特定事項以外の他の構成要素を含んだ製品であっても、本願の明細書又は特許請求の範囲に記載した発明特定事項を含んでさえいれば、本発明の権利範囲に入るという趣旨である。また、本発明では「接続する、又は接続されている」という表現があるが、これは両者を直接的に接続する場合の他、他の部品やパターンを介して間接的に電気的な接続が得られている場合も含むものとする。
このため、もし第１の装置が第２の装置に接続されているという記載があれば、第１の装置が第２の装置に直接接続されて電気的な接続を得られている場合も勿論含むが、例えば、他の装置、パターン又はジャンパー線といった電気を通す部材又は部品を介して第１の装置が第２の装置と電気的な接続が得られている場合も含むものとする。
次に、図１を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は本発明によるマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００の実施形態を説明するブロック図である。本発明によるマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００は複数の生理学的信号を処理するのに適している。
前記生理的信号は脳波信号の生物信号であっても良い。ここでは、理解の容易のために、生理学的信号の例として脳波信号を使用するが、本発明の技術的範囲が脳波信号に限定されるものではない。
マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００は、例えば人の脳２００に取り付けられた複数の電極２１０Ａ～２１０Ｐに接続され、これら複数の電極２１０Ａ～２１０Ｐを介して複数のチャネル（「マルチチャネル」とも言う。）１１０Ａ～１１０Ｐを形成し、これらは脳２００からの複数の脳波信号（すなわち、生理学的信号）をそれぞれ受信する。
前記チャネル１１０Ａ～１１０Ｐは信号チャネルである。ここで、理解の容易のために、電極２１０Ａ～２１０Ｐとチャネル１１０Ａ～１１０Ｐの数が１６個である場合を例にとり説明する。勿論、電極等の数は１６個には限られず、２個、４個、８個、３２個、６４個等でも差し支えない。
本実施形態において、電極２１０Ａ～２１０Ｐとチャネル１１０Ａ～１１０Ｐの数量は２の倍数である。例えば、電極２１０Ａ～２１０Ｐは頭皮に電極の一部を差し込むタイプの電極でも良く、頭皮に張り付けるタイプの電極でも良い。
マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００は、複数の信号が入力される回路を動作させるために用いられるデータトランシーバ（データの送受信機）である。とりわけ、本実施形態では、複数の生理的信号が入力される回路を動作させることが可能なデータトランシーバである。前記回路は増幅信号回路、Ａ／Ｄ変換回路及び信号処理回路のいずれもが組み合わされて構成された電気回路である。前記データトランシーバは前記回路を備えた集積回路等で構成しても差し支えない。
本実施形態において、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００は複数のプリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐ、マルチプレクサ１３０、Ａ／Ｄコンバータ１４０、メモリ１５０、及びＣＰＵ、プロセッサー等からなる処理器１６０を備える。
前記複数のプリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐは前記複数の電極２１０Ａ～２１０Ｐに一対一の関係でそれぞれ接続されている。マルチプレクサ１３０は前記複数のプリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐに接続されている。
Ａ／Ｄコンバータ１４０はマルチプレクサに接続されている。メモリ１５０はＡ／Ｄコンバータ１４０に接続されている。ＣＰＵ等である処理器１６０はメモリ１５０とマルチプレクサ１３０に接続されている。
本実施形態において、前記複数のプリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐは、前記複数のチャネル１１０Ａ～１１０Ｐを介して前記複数の電極２１０Ａ～２１０Ｐにそれぞれ接続されている。このため、各プリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐはそれぞれ一つのチャネル１１０Ａ～１１０Ｐに対応しており、且つ前記複数のプリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐの数は前記複数の電極２１０Ａ～２１０Ｐ及び前記複数のチャネル１１０Ａ～１１０Ｐの数と同じ数である。
図１に加え、図２を併せて参照して説明する。ここで図２は本実施形態の増幅信号Ｅ１～Ｅ１６の波形を示す図である。理解の容易のために、図２では増幅信号Ｅ１、Ｅ２、及びＥ１６の波形のみを示している。
図１のプリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐは前記複数の電極２１０Ａ～２１０Ｐから受信した（入力された）前記複数の生理的信号を増幅して、増幅信号Ｅ１～Ｅ１６としてそれぞれマルチプレクサ１３０に出力する。たとえば、プリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐはそれぞれ前記複数の生理的信号の電圧の振幅を増幅するために用いられる。
ここで、生理的信号は一般的には微弱な信号である。つまり、微弱な電圧の変化しか現れない。このため、プリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐによって生理的信号をそれぞれ増幅して増幅信号Ｅ１～Ｅ１６を出力する。微弱な信号を増幅することにより、後段に接続される電気部品（Ａ／Ｄコンバータ１４０等）の仕様（定格）で規定された範囲内に電圧値を調整できる。
脳波信号を例にとると、その電圧変化（電圧の振幅の変化）は１０マイクロボルト（μＶ）～から１００μＶの間である。従って、仮にそれらの信号を増幅しなければ、その他の電気回路部品の定格で規定された電圧範囲に入らず、正常に動作できないか、又は正確な結果が得られないものとなってしまう。
前述のプリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐは、例えばオペアンプ、各種のパワーアンプ、差動アンプ等によって構成される。これらの実施形態において、増幅信号Ｅ１～Ｅ１６はアナログ信号である。
図２～図３を参照して説明する。ここで、図３は本発明の実施形態におけるマルチプレクサ１３０の出力信号Ｗを示す図である。理解の容易のため、図３ではマルチプレクサ１３０が出力する信号Ｗの電圧値を例示しており、実際の波形を示している訳ではない。また、信号Ｗにおける増幅信号Ｅ１、Ｅ２、及びＥ１６の電圧値のみを示しており、例えば増幅信号Ｅ３、Ｅ４等は図示を省略している。
マルチプレクサ１３０は制御信号とクロック信号ＣＬＫに基づいて、前記複数の増幅信号Ｅ１～Ｅ１６（つまり信号Ｗ）をそれぞれ出力する。本実施形態において、マルチプレクサ１３０は複数の入力端子、一つの出力端子、一つの制御端子、及びクロック信号の入力端子を備える。
マルチプレクサ１３０は自己の前記複数の入力端子を介して前記複数のプリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐからの増幅信号Ｅ１～Ｅ１６をそれぞれ受信する。マルチプレクサ１３０は自己の制御端子に入力された制御信号とクロック端子に入力されたクロック信号ＣＬＫによって制御され、入力された前記複数の増幅信号Ｅ１～Ｅ１６をそれぞれ出力する。
具体的には、マルチプレクサ１３０はクロック信号ＣＬＫのクロックＱ（図３を参照のこと）の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジ、並びに制御信号の論理値に応じて、出力端子から出力する増幅信号Ｅ１～Ｅ１６を切り換える。
例えば、立ち上がりエッジと１６個のチャネルを例として説明すると、マルチプレクサ１３０は、クロックＱ（ここでは第１のクロックと言う。）の立ち上がりエッジによってトリガーされる。また、処理器１６０からの制御信号の論理値に基づいて、マルチプレクサ１３０の出力端子は、プリアンプ１２０Ａからの増幅信号Ｅ１を出力するよう切り換える。
そして、次のクロックＱ（第２のクロックと言う。）の立ち上がりエッジのとき、制御信号の論理値に基づいて、マルチプレクサ１３０の出力端子は、プリアンプ１２０Ｂからの増幅信号Ｅ２を出力するよう切り換える。
第３のクロック以降についても、上述した要領で、第１６のクロックの立ち上がりエッジと制御信号の論理値に基づいて、マルチプレクサ１３０の出力端子は、プリアンプ１２０Ｐからの増幅信号Ｅ１６を出力するまで、出力すべき増幅信号の切換を続ける。換言すると、マルチプレクサ１３０は同じ期間において電圧値に対応する各増幅信号Ｅ１～Ｅ１６を別々に出力するように切り換える。例えば、図３の期間Ｄ１の間或いは期間Ｄ５の間等である。
そして、次のパルスＱの立ち上がりエッジのとき、制御信号の論理値に基づいて、マルチプレクサ１３０の出力端子は、プリアンプ１２０Ａの増幅信号Ｅ１を出力するように切り換えて、上述した動作を繰り返して行うことにより、出力端子から出力する増幅信号Ｅ１～Ｅ１６を順に且つ連続的に切り換える。すなわち、後続の期間に対応する各増幅信号Ｅ１～Ｅ１６の電圧値が連続して出力される。ここで、期間とは、例えば、期間Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４又は期間Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８を意味する。
これらの実施形態において、制御信号とは論理信号であり、且つ当該制御信号の論理値はクロックＱに基づいて改変され、このようにして、処理器１６０は、制御信号によってマルチプレクサ１３０を制御し、出力端子から出力する増幅信号Ｅ１～Ｅ１６を次々に切り換える。
これらの実施形態において、マルチプレクサ１３０は受信した同一の期間に対応した各増幅信号Ｅ１～Ｅ１６を、いずれも出力端子によって出力し、上述の例に倣い各増幅信号Ｅ１～Ｅ１６を連続して出力する。
続いて、他の実施例にて説明する。マルチプレクサ１３０が、制御信号に基づいて特定の順序で出力端子から出力する増幅信号Ｅ１～Ｅ１６を切り替える方法を説明する。
例えば、第１クロック～第８クロックの立ち上がりエッジが来ると、マルチプレクサ１３０は、制御信号に基づいて、出力端子にプリアンプ１２０Ｂ、１２０Ｄ、１２０Ｆ、１２０Ｈ、１２０Ｊ、１２０Ｌ、１２０Ｎ、１２０Ｐからの増幅信号Ｅ２、Ｅ４、Ｅ６、Ｅ８、Ｅ１０、Ｅ１２、Ｅ１４、Ｅ１６をそれぞれ出力する。
ただし、本発明はこれには限られず、他の実施形態においてマルチプレクサ１３０は複数に対して一つのマルチプレクサを使用することによって実現しても良い。
再び図１を参照して説明する。Ａ／Ｄコンバータ（Analog-to-digital converter，ADC）１４０はクロック信号ＣＬＫに基づいて、マルチプレクサ１３０の出力（信号Ｗ）をデジタル信号Ｙに変換するために使用される。
クロック信号ＣＬＫは複数のクロックＱ（図３を参照）を含む。具体的には、Ａ／Ｄ変換器１４０はクロック信号ＣＬＫのクロックＱに基づいて動作し、異なるクロックＱで受信したマルチプレクサ１３０からの増幅信号Ｅ１～Ｅ１６をデジタル化し、デジタル信号Ｙを生成する。
デジタル信号Ｙは複数のデジタル値を含む。前記デジタル値は論理値であっても良い。前記複数のデジタル値はそれぞれ前記複数のクロックＱに対応する。各デジタル値は、その対応するクロックＱでＡ／Ｄコンバータ１４０が受信した増幅信号Ｅ１～Ｅ１６に対応する。
換言すると、Ａ／Ｄコンバータは、増幅信号Ｅ１～Ｅ１６の電圧値をデジタル化して、論理値即ちデジタル値を生成する。なお、各デジタル値には、複数のビット値が含まれる。
ビット値の数は、デジタル値のビットの数、つまり、Ａ／Ｄコンバータ１４０の分解能である。また、本実施形態では、各デジタル値のビット値の数は１４であり得る。すなわち、Ａ／Ｄコンバータ１４０は１４ビットの分解能を有するが、それに限定されるものではない。
また、実施形態では、Ａ／Ｄ変換器１４０は、例えば、一般的なＡ／Ｄ変換器、一体型Ａ／Ｄ変換器、又は他のタイプのＡ／Ｄ変換器であるが、これらに限定されない。
メモリ１５０は、デジタル信号Ｙを記憶するために使用される。 具体的には、メモリ１５０は、デジタル信号Ｙのデジタル値を記憶する。 他の実施形態としては、メモリ１５０は、スタティックランダムアクセスメモリ（Static Random Access Memory，SRAM）、命令レジスタ（register）、アドレスレジスタ、汎用レジスタ、フラグレジスタ、キャッシュメモリ等のうちの１つ又は２つ以上の組み合わせであるが、これらに限定されない。
処理器１６０は、マルチプレクサ１３０を制御するための制御信号を送信し、クロック信号ＣＬＫに従って各デジタル値にヘッダＨを追加するために使用され、ヘッダＨは、チャネル１１０Ａ～１１０Ｐに対応する。
例えば、処理器１６０は、クロック信号ＣＬＫのクロックＱに従って、メモリ１５０内のデジタル信号Ｙを読み取る。
そして、処理器１６０は、クロック信号ＣＬＫのクロックＱに従って、各デジタル値に対応する増幅信号Ｅ１～Ｅ１６を判定し、増幅信号Ｅ１～Ｅ１６に対応するプリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐを決定する。
さらに、処理器１６０は、各デジタル値に対応するチャネル１１０Ａ～１１０Ｐを決定し、これらのチャネル１１０Ａ～１１０Ｐのそれぞれに対応するヘッダＨを各デジタル値に追加する。
ヘッダＨは、各デジタル値が１１０Ａ～１１０Ｐに対応するチャネルを識別するために、処理器１６０又は外部のデータ受信処理器３００のために事前に設定されたビット長（例えば、２ビットの論理値）を有する論理値であり得る。
処理器１６０は、同一チャネル１１０Ａ～１１０Ｐに対応する各デジタル値における一つ前のデジタル値と同じ上位ビットを削除して、圧縮信号Ｚを出力する。
データ受信処理器３００は、圧縮された信号Ｚを受信し、復号化プロセスを実行して、歪みが無い又は少ない生理学的信号に関連する生理学的データを取得する（詳細は後述する）。
たとえば、各デジタル値のビット値の数が例として１４ビットである場合を例にとると、同じチャネル１１０Ａ～１１０Ｐに対応する前記複数のデジタル値のうち、ある一つのデジタル値（以下、第２のデジタル値と呼ぶ）の前記複数のビット値を組み合わせた論理値が「１０１０１０００１１１０１０」のとき、
その一つ前のデジタル値（ここでは第１のデジタル値と呼ぶ。）の前記複数のビット値を組み合わせた論理値は「１０１０１０１０１０１０１０」である。
次に、第２のデジタル値が第１のデジタル値と同じである上位ビットのビット値を削除する。たとえば、最上位ビット（Most significant bit）から最下位ビット（Least significant bit）に計算された６ビット値を削除する。
そうすると、第２のデジタル値の上位ビットのビット値「１０１０１０」が削除され、第２のデジタル値が「００１１１０１０」のみとなる（つまり、下位の８ビット値のみが残る）。
処理器１６０はメモリ１５０を読み取り、デジタル信号Ｙに対して前述の手順を実行して、圧縮をした後（デジタル値のビット値の数を削減する）に圧縮信号Ｚを出力する。
前記一つ前のデジタル値は同一の前記チャネル１１０Ａ～１１０Ｐに対応する前記複数のデジタル値のうち、もし、第１のデジタル値に対応するクロックＱのタイミング（ここでは第１のタイミングと呼ぶ）が、第２のデジタル値に対応するクロックＱのタイミング（ここでは第２のタイミングと呼ぶ）よりも早く、且つ、第１のタイミングがその他の同様の第２のタイミングの前記複数のデジタル値が対応するタイミングより早く、更に、第２のタイミングに隣接するとき、第１のデジタル値は第２のデジタル値の一つ前のデジタル値となる。
例えば、図２と図３に示すように、期間Ｄ１の増幅信号Ｅ１に対応するデジタル値は、期間Ｄ２の増幅信号Ｅ１に対応するデジタル値の一つ前のデジタル値である。
また、他の実施形態としては、処理器１６０は、例えば、中央処理装置、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ASIC，Application-specific Integrated Circuit）、又はシステムオンチップ（SOC，System on a Chip）であるが、他の算術回路でも良く特に限定されるものではない。
図４を参照して説明する。図４は本発明の他の実施形態によるマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００のブロック図を示している。
本実施形態では、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００は、コンパレータ１７０を更に含む。コンパレータ１７０は、マルチプレクサ１３０とＡ／Ｄコンバータ１４０に接続されている。
コンパレータ１７０は、クロック信号ＣＬＫ、マルチプレクサ１３０の出力信号Ｗ、及び閾値に基づいて比較結果Ｘを取得するために使用される。
具体的には、コンパレータ１７０は、クロック信号ＣＬＫに基づいて動作し、マルチプレクサ１３０から出力された信号Ｗと閾値に基づいて比較結果Ｘを取得する。
また、他の実施形態としては、コンパレータ１７０は、例えば、オープンコレクター形式、又はプッシュプル形式等であるが、これらには限定されない。本実施形態では、比較結果Ｘは、アナログ信号である。
図５を参照して説明する。図５は、本発明の他の実施形態によるコンパレータ１７０の比較結果Ｘとクロック信号ＣＬＫの関係を示している。説明の便宜のため、図５は例として各クロックＱにおける比較結果Ｘの電圧値のみを示しており、実際の波形は示しておらず、比較結果Ｘの増幅信号Ｅ１、Ｅ２、Ｅ１６に対応する電圧値のみを詳細に示している。
マルチプレクサ１３０の出力信号の電圧値が閾値よりも大きい場合、コンパレータ１７０は、マルチプレクサ１３０によって出力された信号Ｗ（の電圧値）を比較結果Ｘとして使用する。コンパレータ１７０は、マルチプレクサ１３０によって出力された信号の電圧値が閾値より低い場合、比較結果Ｘとして所定のレベル（の電圧値）を使用する。
所定のレベルは、低電圧のデータ、又は低レベルのアナログレベル値であり、例えば０ｖ（ボルト）の電圧値等である。脳波信号を例にとると、一般に、脳が活動していないときは、脳波信号の電圧レベルは低くなり、例えば０．１ｖより低く、或いはノイズが発生したときその生成された電圧レベルも低い。
したがって、閾値を０．１ｖに設定することにより、効果のない、つまり意味をなさない低レベルの脳波信号をフィルタリングできる（例えば、ノイズや脳が活動状態ではないときに測定された信号をフィルタリングできる）。
例えば、コンパレータ１７０は、閾値とマルチプレクサ１３０によって出力された各増幅信号Ｅ１～Ｅ１６の電圧値と比較し、電圧値が閾値より大きい場合、マルチプレクサ１３０によって出力された増幅信号Ｅ１～Ｅ１６の電圧値を保持し、比較結果Ｘとして使用する。
そして、電圧値が閾値以下の場合、所定のレベルが比較結果Ｘとして使用される。換言すると、閾値以下であるマルチプレクサ１３０によって出力された増幅信号Ｅ１～Ｅ１６の電圧値は、所定のレベルに置き換えられる。
図４を参照して説明する。本発明の他の実施形態としては、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００は、Ｄ／Ａコンバータ（Digital to analog converter，DAC）１８０を更に含む。Ｄ／Ａコンバータ１８０は、コンパレータ１７０に接続されている。
Ｄ／Ａコンバータ１８０は設定値を閾値に変換するために使用される。具体的には、Ｄ／Ａコンバータ１８０は設定値をアナログ値に変換して閾値を生成する。コンパレータ１７０はＤ／Ａコンバータ１８０から閾値を取得する。ここで、前記設定値は論理値でも差し支えない。
なお、前記設定値や閾値は、生理学的信号の特性に応じて設定できる。例えば、脳が活動していないときは、上述のように、脳波信号の電圧レベルが０．１ボルト以下と低くなる。従って、設定値を０．１ｖに対応する論理値に設定して、Ｄ／Ａコンバータ１８０による変換で閾値を生成することができる。ここで、閾値はアナログ値である。
また、他の実施形態としては、設定値は、Ｄ／Ａコンバータ１８０のレジスタに格納することができる。また、本実施形態では、設定値はマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００が出荷される前に、又はメンテナンス中に、Ｄ／Ａコンバータ１８０のレジスタに記録され得る。
図６Ａと６Ｂを参照して説明する。ここで、図６Ａは本発明の比較結果に基づいて変換されたデジタル信号を示す図である。また、図６Ｂは図６Ａのデジタル信号のデジタル値を示した図である。
説明の便宜上、図６Ｂは、増幅信号Ｅ１、Ｅ２、及びＥ１６のデジタル値に対応するデジタル信号Ｙのみを詳細に示している。本発明の他の実施形態としては、Ａ／Ｄコンバータ１４０を使用して、比較結果Ｘをクロック信号ＣＬＫに基づいてデジタル信号Ｙに変換する。
続いて、図７Ａと図７Ｂを参照して説明する。ここで、図７Ａは比較結果に基づいて変換されたデジタル信号のビット値を削除するプロセスを経て得られた圧縮信号を示す図である。また、図７Ｂは図７Ａにおける圧縮信号のデジタル値を示した図である。
説明の便宜上、図７Ｂは、圧縮信号Ｚの増幅信号Ｅ１、Ｅ２、及びＥ１６に対応するデジタル値のみを詳細に示している。ここで、各チャネル１１０Ａ～１１０Ｐに対応するヘッダＨは、２ビットの論理値「００」で表されている（以下に示す表と図７Ｂの下線が引かれている箇所を参照）が、本発明はこれには限定されない。
処理器１６０は、同一チャネル１１０Ａ～１１０Ｐに対応する各デジタル値における一つ前のデジタル値と同一の上位ビットのビット値を削除するために使用される。ここで、上位ビットには最下位ビット（つまり最下位の有効ビット）は含まれない。そして、所定のレベルに対応するビット値の前記複数のビット値を削除して、圧縮信号Ｚを出力する。
具体的には、各デジタル値の最下位ビットのビット値を除いて、残りのビット値は、条件に基づいて処理器１６０によって選択的に削除することができる。
図６Ａ～図７Ｂに加え、次の表から以下の事項が理解できる。処理器１６０は、デジタル値における同一の上位ビットのビット値を削除することによって、デジタル信号Ｙを圧縮する。出力された圧縮信号Ｚは、一度に複数のデジタル値に対応することができ、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００の圧縮信号Ｚによって一度に出力されるデータ量の上限を増加させる。
次の表はデジタル信号Ｙと圧縮信号Ｚのデジタル値の比較表である。
Figure 2022061467000002

再び図４に戻り説明する。本発明の他の実施形態では、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００は、複数のフィルタ回路１９０Ａ～１９０Ｐを更に含む。フィルタ回路１９０Ａ～１９０Ｐは、それぞれ、プリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐとマルチプレクサ１３０に接続されている。
フィルタ回路１９０Ａ～１９０Ｐは、それぞれ、増幅信号Ｅ１～Ｅ１６をフィルタリングするために使用され、フィルタリングされた信号をそれぞれ出力する。マルチプレクサ１３０は、処理器１６０からの制御信号とクロック信号ＣＬＫに基づいてフィルタリングされた信号（すなわち、信号Ｗ）を出力する。
例えば、フィルタ回路１９０Ａ～１９０Ｐは、プリアンプ１２０Ａ～１２０Ｐから入力された高周波及び低周波成分の信号をフィルタリングして（バンドパスフィルタの役割を果たしても良いという意味。）、フィルタリングされた信号（すなわち、フィルタリング後の増幅信号Ｅ１、Ｅ２・・・Ｅ１６）をそれぞれ出力する。
マルチプレクサ１３０は、処理器１６０からの制御信号及びクロック信号ＣＬＫに基づいて、これらのフィルタリングされた信号Ｗをそれぞれ出力する。
本実施形態では、フィルタ回路１９０Ａ～１９０Ｐは、例えば、これらに限定されないが、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、バンドリジェクトフィルタ等である。
他の実施形態としては、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００は、無線通信回路１９５を更に含む。無線通信回路１９５は処理器１６０に接続されている。また、無線通信回路１９５は、圧縮信号Ｚを送信するために使用される。
具体的には、無線通信回路１９５は、処理器１６０によって制御されて、圧縮信号Ｚを処理器１６０から外部に送信し、データ受信処理装置３００は、生理学的信号に関連する生理学的データを取得するため、圧縮信号Ｚを受信して処理する（例えば、圧縮された信号に対して復号手順を実行する。）。
また、他の実施形態としては、無線通信回路１９５は、ワイヤレス フィデリティ（Wireless Fidelity,Ｗｉ-Ｆｉ）回路、ブルートゥース（Bluetooth）回路、又は無線周波数回路である。
本発明の他の実施形態としては、大量のデータを送信しながらも、送信する際の電力消費を極力削減するために、無線周波数回路を無線通信回路１９５として選択することもできる。
また、本実施形態では、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００は、クロック回路１９６を更に含む。クロック回路１９６は、マルチプレクサ１３０、Ａ／Ｄコンバータ回路１４０、処理器１６０、及びコンパレータ１７０に接続されている。
クロック回路１９６は、マルチプレクサ１３０、Ａ／Ｄコンバータ１４０、処理器１６０、及びコンパレータ１７０で使用されるクロック信号ＣＬＫを出力するために使用される。なお、本発明の実施形態ではクロック信号ＣＬＫの周波数は、１５，０００Hzより高く、好ましくは３０，０００Hzである。
また、本実施形態では、クロック信号ＣＬＫの周波数は、測定対象となる生理学的な部位（小脳や大脳）によって、出力する生理学的信号の周波数を調整することができる。
たとえば、測定される生理学的部位が小脳であり、小脳によって生成される生理学的信号の周波数が比較的高い場合（たとえば、７，５００Hz）には、小脳から複数の生理学的信号を取得するために、クロック信号ＣＬＫの周波数を１５，０００Hz、好ましくは３０，０００Hzより高く設定することにより小脳からの生理学的信号をより正確に受信することができる。
また、本実施形態では、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００は、クロック信号ＣＬＫの周波数、増幅信号Ｅ１～Ｅ１６のサンプリングのサイズ、及びチャネル１１０Ａ～１１０Ｐの数に基づいて、自身のサンプリングの容量を計算する。
例えば、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００の処理器１６０は、メモリ１５０を読み取り、クロック信号ＣＬＫの周波数値、サンプリングのサイズ、及びチャネル１１０Ａ～１１０Ｐの数を取得する。クロック信号ＣＬＫの周波数値にサンプリングのサイズとチャネル１１０Ａ～１１０Ｐを掛け算し、サンプリングの容量を計算する。
たとえば、サンプリングのサイズが１４ビットであり、クロック信号ＣＬＫの周波数は１５，０００Hzであり、チャネル数１１０Ａ～１１０Ｐは１６の場合が考えら、この場合はサンプリングの容量は３３６万ビット／秒であるが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、他の実施形態としては、サンプリングのサイズが１６ビットであっても良い。
また、本発明の実施形態では、データ受信処理装置３００は、無線通信モジュール（図示せず）、記憶モジュール（図示せず）、及び処理モジュール（図示せず）の機能を含む。また、無線通信モジュールは、圧縮信号Ｚを受信するために使用される。記憶モジュールは無線通信モジュールに接続されている。
記憶モジュールは、圧縮信号Ｚ、複数のプログラム、及び無線通信モジュールからのタイミングデータを記録する。処理モジュールは、無線通信モジュールと記憶モジュールに結合されている。処理モジュールは、記憶モジュール内のプログラムを読み取り、圧縮信号Ｚをデコードするために使用される。
例えば、処理モジュールは、圧縮信号Ｚ内の各デジタル値のタイミングデータ及びヘッダＨに基づいて、圧縮信号Ｚのビット値を補完する動作を実行する。つまり、例えば予め設定されたデジタル値のビット値の総数が１４の場合、デジタル値にヘッダーＨしかない場合、デジタル値は予め設定されていた補完データで補完される。たとえば、論理値がゼロの１４ビット値を使用してデジタル値を完成させても良い。
デジタル値のビット値の数が１４未満の場合は、削除された同一の上位ビットのビット値で補完することで各デジタル値が１４個のビット値を具備する（たとえ各デジタル値がいずれも完全に予め設定されたビット値の総数を具備する場合でも）ように、同じチャネル１１０Ａ～１１０Ｐに対応する一つ前のデジタル値と比較することにより、生理学的信号（脳波信号等）に関連する生理学的データ（脳波のデータ等）を歪みなく取得できる。
また、他の実施形態としては、データ受信処理装置３００は、例えば、サーバ、ラップトップ、デスクトップコンピュータ等が考えられるが、これらに限定されない。無線通信モジュールは、例えば、通信インターフェースであるが、これには限定されない。記憶モジュールには、書き換え可能な読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ等が含まれるが、これらに限定されない。
本実施形態では、無線通信モジュールは無線通信回路１９５と通信可能な状態に一致させることができ、無線通信回路１９５が無線周波数回路である場合、無線通信モジュールは無線周波数モジュールであり、その結果、相互に情報のやり取りができる。
本実施形態では、データ受信処理回路３００は、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００と共に動作することができる。
データ受信処理装置３００はマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００に対応し、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００は測定される生物学的部位に対応する。
マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置１００は、所定の周波数に基づいて圧縮信号Ｚの出力を自動的に返すことができ、データ受信処理デバイス３００は、圧縮信号Ｚをリアルタイムで取得し、圧縮信号Ｚをデコードして生理学的データを取得することができる。
更に、データ受信処理装置３００は、十分な生理学的データが収集されると、特定の生物学的部位（小脳など）の生理学的データを分析して、生物学的部位の短期又は長期の健康又は活動状態を取得することができる。
要約すると、本実施形態によれば、各チャネル１１０Ａ～１１０Ｐを介して生理学的信号を受信し、生理学的信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
また、同一チャネルの各デジタル値における一つ前のデジタル値に対応する同一の上位ビットのビット値を削除することによって圧縮信号を生成する。
また、圧縮信号は、各チャネルに関連付けられた生理学的信号のデジタル値に加えて、最小量のデータ送信でこれらの生理学的信号に関連する複数のデジタル値をカバーすることができ、外部のデータ受信処理端末（例えばデスクトップパソコン、ノートパソコン等）が圧縮された信号に対してデーコードした後、一度に大量の生理学的信号に関連する生理学的データ（例えば脳電図ＥＥＧ等）を獲得できる。
そのため、データ伝送の効率が向上し、無線伝送中に一度に大量の歪みのない又は歪が少ないデータを伝送することができる。また、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置の消費電力を少なくすることができ、内部モジュールが占めるスペースを減らすことができる。
さらに、マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置は、マルチプレクサの出力がコンパレータを介して閾値よりも大きいか比較することもでき、閾値より小さいノイズ等の効果が無い生理学的信号をフィルタリングをして取り除けるので、より正確なデータを取得できる。
符号の簡単な説明
１００ マルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置
１１０Ａ～１１０Ｐ チャネル
１２０Ａ～１２０Ｐ プリアンプ
１３０ マルチプレクサ
１４０ Ａ／Ｄコンバータ
１５０ メモリ
１６０ 処理器
１７０ コンパレータ
１８０ Ｄ／Ａコンバータ
１９０Ａ～１９０Ｐ フィルタ回路
１９５ 無線通信回路
１９６ クロック回路
２００ 脳
２１０Ａ～２１０Ｐ 電極
３００ データ受信処理装置
Ｅ１～Ｅ１６ 増幅信号
ＣＬＫ クロック信号
Ｄ１～Ｄ８ 期間
Ｗ 信号
Ｘ 比較結果
Ｙ デジタル信号
Ｚ 圧縮信号
Ｈ ヘッダ
Ｑ クロック

Claims (7)

  1. 複数のプリアンプと、マルチプレクサと、Ａ／Ｄコンバータと、メモリとを備えると共に、複数の生理学的信号の処理に用いられるマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置であって、
    前記複数のプリアンプは、増幅信号をそれぞれ出力するために、それぞれ前記複数の生理学的信号を増幅するのに用いられ、各前記プリアンプは一つのチャネルに対応し、
    前記マルチプレクサは制御信号とクロック信号に基づいて、増幅信号をそれぞれ出力し、
    前記Ａ／Ｄコンバータは前記クロック信号に基づいて、前記マルチプレクサの前記出力をデジタル信号に変換し、前記デジタル信号は複数のデジタル値を含み、前記クロック信号は複数のクロックを含み、前記デジタル値は前記複数のクロック信号にそれぞれ対応しており、各前記複数のデジタル値は複数のビット値を含み、
    前記メモリは前記Ａ／Ｄコンバータに接続されて前記デジタル信号を保存するのに用いられ、
    前記処理器は前記メモリと前記マルチプレクサに接続されて、
    前記クロック信号は、各前記複数のデジタル値にヘッダを付加し、
    前記処理器は、前記クロック信号に基づいて、各前記複数のデジタル値にヘッダを付加し、前記複数のヘッダは前記チャネルにそれぞれ対応し、
    同一の前記チャネルの各前記デジタル値における一つ前の前記デジタル値に対応する同一の上位ビットを削除することにより圧縮信号を出力する
    ことを特徴とするマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置。
  2. 更にコンパレータを備え、
    前記コンパレータは前記クロック信号、前記マルチプレクサの前記出力、及び閾値に基づいて、比較結果を取得し、
    前記コンパレータは前記マルチプレクサの前記出力が前記閾値より大きいとき、前記出力を前記比較結果とし、前記コンパレータは前記出力が閾値より大きくないとき、所定のレベルを前記比較結果とし、
    前記Ａ／Ｄコンバータは前記クロック信号に基づいて、前記比較結果を前記デジタル信号に変換するのに用いられ、
    前記処理器は、
    同一の前記チャネルの各前記デジタル値における一つ前の前記デジタル値に対応する同一の上位ビットを削除し、前記上位ビットは最下位ビットを含まない、
    ことを特徴とする請求項１に記載のマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置。
  3. 設定値を前記閾値に変換するＤ／Ａコンバータを更に含む
    ことを特徴とする請求項２に記載のマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置。
  4. 複数のフィルタ回路を更に含み、
    前記複数のフィルタ回路は前記複数の増幅信号に対してそれぞれフィルタリングをするように用いられ、前記マルチプレクサは前記制御信号と前記クロック信号に基づいて、前記フィルタ信号をそれぞれ出力する
    ことを特徴とする請求項３に記載のマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置。
  5. 無線通信回路を更に備え、前記無線通信回路は前記圧縮信号を送信するために用いられる、
    ことを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載のマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置。
  6. 前記無線通信回路はWi-Fi回路、ブルートゥース回路、又は無線周波数回路の何れかである
    ことを特徴とする請求項５に記載のマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置。
  7. 前記クロック信号の周波数は１５０００ヘルツより高い
    ことを特徴とする請求項５に記載のマルチチャネルを備えたブレインコンピューターのインターフェイス装置。
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