JP3911627B2 - EEG signal separation display method and apparatus - Google Patents

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JP3911627B2 JP2002054386A JP2002054386A JP3911627B2 JP 3911627 B2 JP3911627 B2 JP 3911627B2 JP 2002054386 A JP2002054386 A JP 2002054386A JP 2002054386 A JP2002054386 A JP 2002054386A JP 3911627 B2 JP3911627 B2 JP 3911627B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脳波信号の原信号に含まれる各要素信号を分離して出力する脳波信号分離表示方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
脳の活動電位を頭皮上から測定した脳波信号の原信号は、脳の活動を知る上で有益な生体信号を含んでおり、また、簡便に測定することができる。一般に脳波信号の原信号中には、脳活動に基づく複数の信号成分が重畳しており、また脳活動以外の生体活動に伴う信号成分、すなわちアーチファクトが混入している。
【0003】
従来の脳波信号を用いた臨床診断においては、永年の経験を積んだ熟練した医師(脳波判読医)が、脳活動に基づく複数の成分と脳活動以外の生体活動に伴う信号成分が重畳した脳波信号の原信号を、永年の経験と熟練に基づいて、頭の中で分離・分析して診断しなければならなかった。
【0004】
アーチファクトは、眼球運動、心臓鼓動等によって発生する生体電気信号であり、振幅が大きく、かつ、時間軸上で鋭い立ち上がりを有する波形であるため周波数帯域が広く、周波数フィルタ等で取り除くことができない。このため、近年、本発明者らによって波形形状把握法と呼ばれる脳波信号の原信号からアーチファクトを分離、除去する方法が開発された。波形形状把握法は、アーチファクト波形の正規化波形を作成し、正規化波形と脳波信号の原信号とから、相似係数法、または逆正規化法に基づいて推定アーチファクト波形を作成し、脳波信号の原信号から推定アーチファクト波形を差し引いて分離、除去する方法である(眼球運動に基づくアーチファクトの分離法は、文献:医用電子と生体工学.38−1,33/41,2000参照、心臓鼓動に基づくアーチファクトの分離法は、文献:特願2000−351125号明細書を参照)。
【0005】
しかしながら、アーチファクトを取り除くだけでは、脳波信号を用いた臨床診断において不十分である。
すなわち、脳波信号を用いた臨床診断において熟練した医師は、永年の経験と熟練に基づいて築いた診断要領に基づいて診断している。その診断要領は換言すれば、アーチファクト信号と脳波信号の識別、複数の特定の周波数帯域の周波数からなる脳波信号の波形、及びこれらの脳波信号間の相関、あるいは、これらの脳波信号と特定のアーチファクト信号との相関に基づくものである。特定の周波数帯域は、生理学的に説明可能な帯域である場合もあるが、熟練と経験によって得られた生理学的に説明不可能な帯域の場合もある。
従って、経験の浅い医師が十分経験を積んだ医師と等価な診断を行うことができるためには、熟練した医師の診断要領を具現化した情報表示ができる方法、及び装置が必要となる。
【0006】
従来の脳波信号測定方法は、脳活動に基づく複数の成分と脳活動以外の生体活動に伴う信号成分が重畳した脳波信号の原信号をそのまま測定・表示するか、あるいは、脳波信号の原信号中に含まれる特定の周波数帯域の信号のみを周波数フィルタ等によって抽出するものである。
このため、原信号からは熟練した医師のみが診断でき、経験の浅い医師は診断ができない、あるいは、特定の周波数成分のみを抽出した場合には、診断要領のごく一部を表示記録しているにすぎないので熟練した医師といえども十分な診断ができない、といった課題がある。
また近年、脳波信号の原信号を信号源要素ごとに分離して測定する方法に、独立成分分析法(Independent Component Analysis、ICA )がある。この方法は、時間軸上の被測定信号から、被測定信号を構成する独立の要素信号を数学的手段で特定し、要素信号毎に分離して互いに相関のない信号として測定・表示する方法である。しかしながら、この方法によって分離された要素信号は、一般的に、臨床医が診断に必要とする生理学的に意味のある要素信号とは一致しない。
【0007】
このように、従来の脳波診断方法及び装置は、脳活動に基づく複数の成分と脳活動以外の生体活動に伴う信号成分が重畳した脳波信号の原信号のみしか測定・表示できないこと、医師の診断要領に必要な複数の要素信号の内のごく一部しか測定・表示できないこと、あるいは、臨床医が診断に必要とする生理学的に意味のある要素信号に分離できないこと、といった課題があり、その結果、経験の浅い医師が十分経験を積んだ医師と等価な診断を行うことができなという課題があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記課題に鑑み本発明は、臨床医が診断に必要とする生理学的に意味のある要素信号に分離でき、これらの信号を時間軸上で並列に表示できる脳波診断方法、及び装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の脳波信号分離表示方法は、脳波信号の原信号を、脳活動に起因する複数の要素信号と、生理学的に発生原因が特定できる脳活動以外の生体活動に起因する要素信号とに分離し、これらの分離した要素信号を同時に表示・記録することを特徴とする。
この方法によれば、生理学的に意味のある脳波診断に必要な脳波要素信号全てが分離されて、かつ、同時に表示されるので、脳波要素信号の波形、及びこれらの脳波要素信号間の相関を知ることができ、かつ、脳活動以外の生体活動に起因する要素信号を脳波と誤って診断することを回避でき、経験の浅い医師が十分経験を積んだ医師と等価な診断を行うことができる。
【0010】
また、本発明の脳波信号分離表示方法は、脳波信号の原信号を、脳活動に起因する複数の要素信号と、生理学的に発生原因が特定できる脳活動以外の生体活動に起因する要素信号とに分離し、脳活動に起因する複数の要素信号と、脳活動以外の生体活動に起因する要素信号の内の診断に必要な要素信号とを同時に表示・記録することを特徴とする。
この方法によれば、生理学的に意味のある脳波診断に必要な脳波要素信号全てが分離・表示され、かつ、生理学的に発生原因が特定できる脳活動以外の生体活動に起因する要素信号、すなわち、特定のアーチファクトも同時に分離・表示されるので、診断に必要な脳波信号と特定のアーチファクト信号との相関も知ることができる。
【0011】
また、本発明の脳波信号分離表示装置は、脳波信号の原信号から、脳活動以外の生体活動に起因する要素信号を分離するアーチファクト分離部と、アーチファクトを分離した脳波信号から、脳活動に起因する複数の要素信号を分離する複数の脳波分離部とを有し、かつ、分離した要素信号を同時に表示することを特徴とする。
また、アーチファクト分離部は、分離部に入力する脳波信号の原信号を、波形形状把握法に基づいて信号処理を行うフィルタと、このフィルタの入力から出力を差し引く信号処理を行う加算器とからなるソフトウェア、またはハードウェアであることを特徴とする。
また、波形形状把握法は、アーチファクト波形の正規化波形を作成し、この正規化波形と脳波信号の原信号とから、相似係数法、または逆正規化法に基づいて推定アーチファクト波形を作成し、脳波信号の原信号から推定アーチファクト波形を差し引いて分離することを特徴とする。
また、好ましくは、脳波分離部は、周波数の帯域抽出の信号処理を行うフィルタと、フィルタの入力から出力を差し引く信号処理を行う加算器とからなるソフトウェア、またはハードウェアである。
また、脳波分離部は、フーリエ変換・フーリエ逆変換の信号処理を行うソフトウェア、またはハードウェアであっても良い。
この装置によれば、アーチファクト分離部が、波形形状把握法(文献:医用電子と生体工学.38−1,33/41,2000、特願2000−351125を参照)に基づいて動作するから、振幅が大きく、かつ、時間軸上で鋭い立ち上がりを有するアーチファクトを、発生源毎に分離して表示できる。
また、これらの分離部の動作は、コンピュータのソフトウェアで構成したアルゴリズムで動作させることができるから、既存のデジタル式の脳波計にこのソフトウェアを搭載するだけで良い。また、既存のアナログ式の脳波計の場合には、A/D、D/A変換装置を具備したコンピュータを付加すればよい。
このように、本発明の装置によれば、低コストで、本発明の脳波信号分離表示方法を実現することができる。
【0012】
上記構成の本発明の脳波信号分離表示方法、及び装置によれば、十分な経験を積んだ医師と等価な作業を視覚的に捉えることが可能となる。したがって経験の浅い医師や臨床検査技師の診断ミスを防止し、また脳波検査の診断時における医師の負担を軽減することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図面中の同一番号は同一物あるいは相当物を示す。
図1は本発明の脳波信号分離表示方法及び装置の構成を示す図である。
図1の脳波信号分離表示方法及び装置は、頭皮上から記録した脳波信号の原信号1をフィルタ群2に入力し、フィルタ群2の中のフィルタにより、脳波信号の原信号に含まれる要素信号31、32、、、3N、残差信号3Eを分離して並列に出力する。
【0014】
脳波信号の原信号1は、一般に複数の要素波成分からなり、原信号をU(t)、各要素波信号をSi(t)とすると、U(t)=S1 (t)+S2 (t)+・・・・+SN (t)+SE (t)と表現することができる。
ここで、要素波信号S1 (t)、S2 (t)、S3 (t)、、、、SN (t)は、それぞれ、脳波以外の生体運動にともなう電気信号(アーチファクト)、発生起原が異なる脳波信号に対応し、それぞれは生理学的立場から分離可能な信号の単位であり、SE (t)はそれ以外の成分の残差信号である。原信号に含まれる各要素波信号Si (t)の特徴を考慮したフィルタを構成し、要素波信号Si (t)を原信号から抽出することで信号分離を実現する。
【0015】
図2は本発明のフィルタ群の構成例を示す図である。
ここでフィルタ41、42、43、、、、4Nは、各要素波信号S1 (t)、S2 (t)、S3 (t)、、、、SN (t)を抽出するためのフィルタである。フィルタ41は、後で述べるアーチファクトを抽出するフィルタであり、要素波信号S1 (t)はアーチファクト成分からなる信号である。原信号1(U(t))をフィルタ41と加算装置51とに入力し、要素信号31であるフィルタ41の出力信号S1 (t)を加算装置51に入力し、差を演算し、信号U1 (t)を得る。
【0016】
一般形として表すと、信号Ui-1 (t)をフィルタ4iと加算装置5iとに入力し、要素信号3iであるフィルタ4iの出力信号Si (t)を加算装置5iに入力し、差(Ui-1 (t)−Si (t))を演算し、信号Ui (t)を得る。ただし、iは1からNであって、U0 (t)=U(t)であり、UN (t)=SE (t)である。原信号から分離した各要素波信号S1 (t)、S2 (t)、S3 (t)、、、、SN (t)およびSE (t)をそれぞれ時系列信号である要素信号31、32、33、、、、3N、残差信号3Eとして出力する。
【0017】
各フィルタ41、42、43、、、、4Nは、構成上の制約はなく、非線形フィルタであっても構わない。また、図2における各フィルタ42、43、、、、4Nは、直列に接続する構成としているが、並列に配置することも可能である。
【0018】
次に、アーチファクト分離用のフィルタについて説明する。
一般に、測定された脳波の原信号に含まれるアーチファクトは、脳波を用いた臨床診断において診断の妨げとなるため、原信号より分離する必要がある。脳波の原信号に含まれるアーチファクトには、眼球運動に起因するもの、心電図に起因するもの、体動に起因するもの、筋活動に起因するものなど、様々なものが存在する。このような様々なアーチファクトに対して、それぞれを分離するためのフィルタを構成することで、脳波成分そのものを正確に取り出すことが可能となる。そのため、図2中のフィルタ41において、まず脳波信号からアーチファクトを分離するが、各々のアーチファクトを分離するためのフィルタを直列に接続したものをフィルタ41とすることで、複数のア−チファクトを同時に分離するフィルタを構成することができる。
【0019】
アーチファクトは、振幅が大きく、かつ、時間軸上で鋭い立ち上がりを有する波形であるため周波数帯域が広く、周波数フィルタ等で取り除くと診断に有用な要素信号まで分離してしまうので使用できない。
このような場合、本発明者らによって開発された波形形状把握法を用いれば、アーチファクトの発生原因毎に分離することができる。
本発明のアーチファクト分離用のフィルタは、波形形状把握法を用いたものである。例えば、眼球運動に起因するアーチファクト、すなわち、瞬目アーチファクト成分S1 (t)の抽出を行うフィルタ41の構成は、文献[杉剛直、中村政俊、池田昭夫、長峯隆、柴崎浩:正規化加算平均による脳波記録に混入する瞬目アーチファクト分離の実時間処理、医用電子と生体工学、38−1、33/41、2000]に記載されている。
【0020】
脳波の要素波信号S2 (t)、S3 (t)、、、、SN (t)の抽出を行うフィルタ42、43、、、、4Nは、所定の周波数帯域を抽出するフィルタであって、例えば1次あるいは2次のローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、ハイパスフィルタなどにより構成する。代表的なものにバターワースフィルタがある。さらに、線形位相特性を有するFIRフィルタ(Finite Impulse Response Filter)で構成することも可能である。
また、各フィルタの代わりにフーリエ変換・逆フーリエ変換を用いることでより正確な周波数帯域を抽出することも可能である。
フィルタの帯域中心波長及び帯域幅は、臨床診断において十分意味のある要素信号波が抽出できるように任意に設定することができる。
【0021】
図3は本発明のフィルタの並列構成例を示す図である。
ここでフィルタ41は、図2で説明したフィルタと同じであって、アーチファクトを抽出するフィルタである。フィルタ42、43、、、、4Nは、アーチファクトを除いた信号から各要素信号32、33、、、3Nを抽出するためのフィルタである。原信号1(U(t))をフィルタ41と加算装置51とに入力し、要素信号31であるフィルタ41の出力信号S1 (t)を加算装置51に入力し、差を演算し、アーチファクト分離し、信号U1 (t)を得る。信号U1 (t)をフィルタ42、43、、、、4Nに入力し、それぞれ要素信号32、33、、、、3Nを出力する。
【0022】
図4は本発明のフーリエ変換・逆フーリエ変換装置による構成例を示す図である。
ここでフィルタ41は、図2で説明したフィルタと同じであって、フーリエ変換・逆フーリエ変換装置7は、各要素信号32、33、、、3Nを抽出するためのフィルタの役割を果たす。原信号1(U(t))をフィルタ41と加算装置51とに入力し、要素信号31であるフィルタ41の出力信号S1 (t)を加算装置51に入力し、差を演算し、アーチファクト分離し、信号U1 (t)を得る。信号U1 (t)をメモリ6に蓄え、並列化されたデータ8をフーリエ変換・逆フーリエ変換装置7に入力する。フーリエ変換・逆フーリエ変換装置7は、並列化されたデータ8をフーリエ変換し、各要素信号32、33、、、3N、残差信号3Eに対応する所定の帯域相当を逆フーリエ変換し、それぞれ要素信号32、33、、、、3N、残差信号3Eを出力する。
【0023】
次に、脳波の原信号に混入するアーチファクトの中でも、最も混入頻度が高く、かつ振幅が大きい瞬目アーチファクトを分離し、脳波成分を4つの要素信号に分離した実施例を示す。
図5は原信号U(t)を、S1 (t)、S2 (t)、S3 (t)、S4 (t)、SE (t)の五つの要素波信号に分解する実施例を示す図である。
1 (t)は眼球運動起因の瞬目アーチファクト成分、S2 (t)はα波成分(8〜13Hz)、S3 (t)はδ波成分(0.5〜4Hz)、S4 (t)はθ波成分(4〜8Hz)、SE (t)はβ波以上の高周波成分(13Hz〜)である。
【0024】
臨床診断において医師は、脳波信号の原信号中のアーチファクトと、脳波信号とを分離して捉え、しかる後に脳波信号を判読する。脳波信号の判読要領は、医師によって若干異なるが、大まかには徐波(δ波、θ波)帯域、α波帯域、速波(β波)帯域の三つに分離して捉え、それぞれの帯域を判読している。本発明によって、この医師の臨床診断における判読要領に対応したフィルタ構成を取ることが可能となり、脳波信号を要素ごとに分離して捉えることができる。図5において、脳波の原信号中に含まれている各要素が、適切に分離されていることが分かる。
【0025】
また、一般に脳波は、頭部全体での特徴をみるために、複数のチャンネルを同時に記録する。本発明を多チャンネル処理へ応用することは容易であり、分離された要素ごとの頭皮上分布を求めることが可能で、これは視察判読において、医師が頭に思い描くものと同一のものとなり、さらに高度な臨床診断に応用が可能となる。
【0026】
次に、脳波の要素信号の抽出を行うフィルタの種類による影響を示す。
図6は、1次のバタワースバンドパスフィルタを使用した場合の、要素信号の時系列信号波形およびピリオドグラムを表示した図である。
図7は、2次のバタワースバンドパスフィルタを使用した場合の、要素信号の時系列信号波形およびピリオドグラムを表示した図である。
図8は、フーリエ・フーリエ逆変換装置を使用した場合の、要素信号の時系列信号波形およびピリオドグラムを表示した図である。
図6〜8において、左図は時系列信号波形を示し、上から順に脳波信号の原信号1、要素信号32、33、34、35、36、37、残差信号3Eである。また、右図は左図に示した時系列信号波形に対応するピリオドグラム(周波数スペクトル)である。また、フィルタ群2の帯域構成は、瞬目アーチファクトを除去するフィルタ41,要素信号の個数N=7として、低周波成分(〜0.5Hz)を抽出するフィルタ42、δ波成分(0.5〜4Hz)を抽出するフィルタ43、θ波成分(4〜8Hz)を抽出するフィルタ44、α波成分(8〜13Hz)を抽出するフィルタ45、β波成分(13Hz〜30Hz)を抽出するフィルタ46、高周波成分(30Hz〜)を抽出するフィルタ47である。
【0027】
図6〜8からわかるように、残差信号3Eの波形は処理をするフィルタの種類により変化するが、他の要素信号はほとんど変わらず、医師の臨床診断に必要な要素信号として利用できる。
【0028】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明の脳波信号分離表示方法および装置によれば、十分な経験を積んだ医師と等価な作業を視覚的に捉えることが可能となり、したがって、経験の浅い医師でも十分な経験を積んだ医師と等価な診断ができ、また、臨床検査技師の診断ミスを防止し、また脳波検査の診断時における医師の負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の脳波信号分離表表示方法及び装置を示す概念図である。
【図2】本発明のフィルタ群の構成例を示す図である。
【図3】本発明のフィルタの並列構成例を示す図である。
【図4】本発明のフーリエ変換・逆フーリエ変換装置による構成例を示す図である。
【図5】本発明の瞬目アーチファクトが混入した脳波信号をN=4として分離して並列に出力する信号波形図である。
【図6】本発明の実施例に係る1次のバターワースフィルタを用いた時系列信号波形およびピリオドグラムを表示する図である。
【図7】本発明の実施例に係る2次のバターワースフィルタを用いた時系列信号波形およびピリオドグラムを表示する図である。
【図8】本発明の実施例に係るフーリエ変換・逆フーリエ変換装置を用いた時系列信号波形およびピリオドグラムを表示する図である。
【符号の説明】
1 原信号
2 フィルタ群
2a アーチファクト分離部
2b 脳波分離部
31、32、、、3N、3E 要素信号
41、42、43、、、、4N フィルタ
51、52、53、、、、5N 加算装置
6 メモリ
7 フーリエ変換・逆フーリエ変換装置
8 並列化されたデータ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electroencephalogram signal separation display method and apparatus for separating and outputting each element signal included in an original electroencephalogram signal.
[0002]
[Prior art]
The original signal of the electroencephalogram signal obtained by measuring the brain action potential from the scalp includes a biological signal useful for knowing the brain activity, and can be easily measured. In general, a plurality of signal components based on brain activity are superimposed on the original signal of the electroencephalogram signal, and signal components accompanying artifacts other than brain activity, that is, artifacts are mixed.
[0003]
In a conventional clinical diagnosis using an electroencephalogram signal, an experienced doctor (electroencephalogram interpreter) with many years of experience supervises multiple components based on brain activity and signal components associated with biological activities other than brain activity. The original signal had to be separated and analyzed in the head and diagnosed based on years of experience and skill.
[0004]
Artifacts are bioelectric signals generated by eye movements, heart beats, and the like, and have a large amplitude and a sharp rise on the time axis, so the frequency band is wide and cannot be removed by a frequency filter or the like. For this reason, in recent years, the inventors have developed a method for separating and removing artifacts from the original signal of the electroencephalogram signal, which is called a waveform shape grasping method. The waveform shape grasping method creates a normalized waveform of the artifact waveform, creates an estimated artifact waveform from the normalized waveform and the original signal of the electroencephalogram signal based on the similarity coefficient method or the denormalization method, and This is a method of subtracting and removing the estimated artifact waveform from the original signal (artifact separation method based on eye movement is based on literature: Medical Electronics and Biotechnology. 38-1, 33/41, 2000, based on heartbeat. (Refer to Japanese Patent Application No. 2000-351125 for the method of separating artifacts).
[0005]
However, simply removing artifacts is not sufficient for clinical diagnosis using electroencephalogram signals.
That is, a doctor who is skilled in clinical diagnosis using an electroencephalogram signal makes a diagnosis based on a diagnostic procedure established based on years of experience and skill. The diagnostic procedure is, in other words, the identification of the artifact signal and the electroencephalogram signal, the waveform of the electroencephalogram signal composed of a plurality of specific frequency bands, and the correlation between these electroencephalogram signals, or the electroencephalogram signal and the specific artifact. This is based on the correlation with the signal. The specific frequency band may be a physiologically explainable band, or may be a physiologically unexplained band obtained by skill and experience.
Therefore, in order for an inexperienced doctor to be able to perform a diagnosis equivalent to a doctor with sufficient experience, a method and an apparatus capable of displaying information embodying the diagnostic procedure of a skilled doctor are required.
[0006]
The conventional EEG signal measurement method is to measure and display the original EEG signal signal, which is composed of multiple components based on brain activity and signal components associated with biological activity other than brain activity, or in the original EEG signal signal. Only a signal in a specific frequency band included in the signal is extracted by a frequency filter or the like.
For this reason, only skilled doctors can diagnose from the original signal, inexperienced doctors cannot diagnose, or when only a specific frequency component is extracted, only a part of the diagnostic procedure is displayed and recorded Therefore, there is a problem that even a skilled doctor cannot make a sufficient diagnosis.
In recent years, an independent component analysis method (ICA) is known as a method for measuring an original electroencephalogram signal separately for each signal source element. In this method, the independent component signals that constitute the signal under measurement are identified by mathematical means from the signal under measurement on the time axis, and each element signal is separated and measured and displayed as an uncorrelated signal. is there. However, the component signals separated by this method generally do not match the physiologically meaningful component signals that clinicians need for diagnosis.
[0007]
Thus, the conventional electroencephalogram diagnosis method and apparatus can measure and display only the original signal of an electroencephalogram signal in which a plurality of components based on brain activity and signal components associated with biological activities other than brain activity are superimposed, and a doctor's diagnosis There are issues such as that only a small part of the multiple component signals necessary for the procedure can be measured and displayed, or that it cannot be separated into physiologically meaningful component signals that clinicians need for diagnosis. As a result, there was a problem that an inexperienced doctor could not make a diagnosis equivalent to a doctor who had sufficient experience.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above problems, the present invention provides an electroencephalogram diagnosis method and apparatus that can be separated into physiologically meaningful element signals necessary for diagnosis by a clinician and can display these signals in parallel on a time axis. With the goal.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the method for separating and displaying an electroencephalogram signal according to the present invention converts the original signal of the electroencephalogram signal into a plurality of element signals resulting from brain activity and biological activities other than brain activity that can physiologically identify the cause of occurrence. The separated element signals are separated, and these separated element signals are simultaneously displayed and recorded.
According to this method, since all the electroencephalogram element signals necessary for physiologically meaningful electroencephalogram diagnosis are separated and displayed at the same time, the waveform of the electroencephalogram element signal and the correlation between these electroencephalogram element signals can be determined. It is possible to know and avoid mistakenly diagnosing elemental signals caused by biological activities other than brain activity as brain waves, and inexperienced doctors can make a diagnosis equivalent to a doctor with sufficient experience .
[0010]
In addition, the method for separating and displaying an electroencephalogram signal according to the present invention includes a plurality of element signals resulting from brain activity, and an element signal resulting from biological activity other than brain activity that can physiologically identify the cause of generation. A plurality of element signals caused by brain activity and element signals necessary for diagnosis among element signals caused by biological activities other than brain activity are simultaneously displayed and recorded.
According to this method, all the electroencephalogram element signals necessary for physiologically meaningful electroencephalogram diagnosis are separated and displayed, and the element signals resulting from biological activities other than brain activity that can identify the cause of physiological occurrence, that is, Since the specific artifact is also separated and displayed at the same time, the correlation between the electroencephalogram signal necessary for the diagnosis and the specific artifact signal can be known.
[0011]
Further, the electroencephalogram signal separation display device of the present invention is caused by brain activity from an electroencephalogram signal from which an artifact separation unit that separates an element signal caused by biological activity other than brain activity from an original signal of the electroencephalogram signal, and an electroencephalogram signal from which the artifact is separated. And a plurality of electroencephalogram separation units for separating the plurality of element signals, and the separated element signals are displayed simultaneously.
The artifact separation unit includes a filter that performs signal processing on the original EEG signal input to the separation unit based on a waveform shape grasping method, and an adder that performs signal processing by subtracting the output from the input of the filter. It is software or hardware.
In addition, the waveform shape grasping method creates a normalized waveform of the artifact waveform, creates an estimated artifact waveform from this normalized waveform and the original signal of the electroencephalogram signal based on the similarity coefficient method or the denormalization method, It is characterized by subtracting the estimated artifact waveform from the original EEG signal.
Preferably, the electroencephalogram separation unit is software or hardware including a filter that performs signal processing for frequency band extraction and an adder that performs signal processing for subtracting the output from the input of the filter.
The electroencephalogram separation unit may be software or hardware that performs signal processing of Fourier transform / inverse Fourier transform.
According to this apparatus, the artifact separation unit operates based on a waveform shape grasping method (reference: medical electronics and biotechnology. See 38-1, 33/41, 2000, Japanese Patent Application No. 2000-351125). And an artifact having a sharp rise on the time axis can be displayed separately for each source.
Further, since the operation of these separation units can be performed by an algorithm configured by computer software, it is only necessary to install this software in an existing digital electroencephalograph. In the case of an existing analog electroencephalograph, a computer equipped with an A / D and D / A conversion device may be added.
Thus, according to the apparatus of the present invention, the electroencephalogram signal separation and display method of the present invention can be realized at low cost.
[0012]
According to the method and apparatus for separating and displaying an electroencephalogram signal of the present invention having the above-described configuration, it is possible to visually grasp an operation equivalent to a doctor who has sufficient experience. Therefore, it is possible to prevent a diagnosis error of an inexperienced doctor or clinical laboratory technician, and to reduce the burden on the doctor when diagnosing an electroencephalogram.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The same numbers in the drawings indicate the same or equivalent.
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an electroencephalogram signal separation display method and apparatus according to the present invention.
The brain wave signal separation display method and apparatus of FIG. 1 inputs an original signal 1 of an electroencephalogram signal recorded from above the scalp to a filter group 2, and an element signal included in the original signal of the electroencephalogram signal by a filter in the filter group 2. 31, 32, 3N, and residual signal 3E are separated and output in parallel.
[0014]
The original signal 1 of the electroencephalogram signal is generally composed of a plurality of element wave components. If the original signal is U (t) and each element wave signal is Si (t), U (t) = S 1 (t) + S 2 ( t) +... + S N (t) + S E (t).
Here, the element wave signals S 1 (t), S 2 (t), S 3 (t),..., S N (t) are electric signals (artifacts) and generations associated with biological movements other than brain waves, respectively. The origins correspond to different electroencephalogram signals, each of which is a signal unit separable from a physiological standpoint, and S E (t) is a residual signal of the other components. A filter considering the characteristics of each element wave signal S i (t) included in the original signal is configured, and signal separation is realized by extracting the element wave signal S i (t) from the original signal.
[0015]
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the filter group of the present invention.
Here the filter 41, 42, 43 ,,,, 4N, each element wave signal S 1 (t), S 2 (t), S 3 (t) ,,,, S N for extracting a (t) It is a filter. The filter 41 is a filter for extracting an artifact described later, and the element wave signal S 1 (t) is a signal composed of an artifact component. The original signal 1 (U (t)) is input to the filter 41 and the adder 51, the output signal S 1 (t) of the filter 41 as the element signal 31 is input to the adder 51, the difference is calculated, and the signal U 1 (t) is obtained.
[0016]
Expressed as a general form, the signal U i-1 (t) is input to the filter 4i and the adder 5i, the output signal S i (t) of the filter 4i as the element signal 3i is input to the adder 5i, and the difference (U i-1 (t) -S i (t)) is calculated to obtain a signal U i (t). However, i is 1 to N, U 0 (t) = U (t), and U N (t) = S E (t). Each element wave signal S 1 (t), S 2 (t), S 3 (t),,, S N (t) and S E (t) separated from the original signal is an element signal that is a time-series signal. 31, 32, 33,..., 3N, and output as a residual signal 3E.
[0017]
Each of the filters 41, 42, 43,..., 4N is not limited in configuration, and may be a nonlinear filter. Moreover, although each filter 42, 43, ..., 4N in FIG. 2 is set as the structure connected in series, it is also possible to arrange | position in parallel.
[0018]
Next, an artifact separation filter will be described.
In general, artifacts included in a measured original electroencephalogram signal interfere with diagnosis in clinical diagnosis using an electroencephalogram, and thus must be separated from the original signal. There are various artifacts included in the original electroencephalogram signal, such as those caused by eye movement, those caused by electrocardiogram, those caused by body movement, and those caused by muscle activity. By constructing a filter for separating each of these various artifacts, it is possible to accurately extract the electroencephalogram component itself. Therefore, in the filter 41 in FIG. 2, artifacts are first separated from the electroencephalogram signal, but by connecting filters for separating the respective artifacts in series as the filter 41, a plurality of artifacts can be simultaneously obtained. A separating filter can be constructed.
[0019]
The artifact is a waveform having a large amplitude and a sharp rising on the time axis, so that the frequency band is wide, and if it is removed by a frequency filter or the like, element signals useful for diagnosis are separated and cannot be used.
In such a case, if the waveform shape grasping method developed by the present inventors is used, it can be separated for each cause of occurrence of the artifact.
The filter for artifact separation according to the present invention uses a waveform shape grasping method. For example, the configuration of the filter 41 that extracts the artifact caused by eye movement, that is, the blink artifact component S 1 (t), is described in the literature [Tsuyoshi Sugi, Masatoshi Nakamura, Akio Ikeda, Takashi Nagahama, Hiroshi Shibasaki: Normalized addition Real-time processing of blink artifact separation mixed in an electroencephalogram recording by averaging, medical electronics and biotechnology, 38-1, 33/41, 2000].
[0020]
Filters 42, 43,..., 4N for extracting the electroencephalogram element wave signals S 2 (t), S 3 (t),..., S N (t) are filters for extracting a predetermined frequency band. For example, a primary or secondary low-pass filter, a band-pass filter, a high-pass filter, or the like is used. A typical example is a Butterworth filter. Furthermore, it is also possible to comprise an FIR filter (Finite Impulse Response Filter) having a linear phase characteristic.
It is also possible to extract a more accurate frequency band by using Fourier transform / inverse Fourier transform instead of each filter.
The band center wavelength and bandwidth of the filter can be arbitrarily set so that element signal waves that are sufficiently meaningful in clinical diagnosis can be extracted.
[0021]
FIG. 3 is a diagram showing a parallel configuration example of the filter of the present invention.
Here, the filter 41 is the same as the filter described in FIG. 2 and is a filter for extracting artifacts. The filters 42, 43,..., 4N are filters for extracting the element signals 32, 33, 3N from the signal from which artifacts have been removed. The original signal 1 (U (t)) is input to the filter 41 and the adder 51, the output signal S 1 (t) of the filter 41 as the element signal 31 is input to the adder 51, the difference is calculated, and the artifact Separate to obtain the signal U 1 (t). The signal U 1 (t) is input to the filters 42, 43,..., 4N, and element signals 32, 33,.
[0022]
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the Fourier transform / inverse Fourier transform apparatus of the present invention.
Here, the filter 41 is the same as the filter described in FIG. 2, and the Fourier transform / inverse Fourier transform device 7 serves as a filter for extracting the element signals 32, 33, 3N. The original signal 1 (U (t)) is input to the filter 41 and the adder 51, the output signal S 1 (t) of the filter 41 as the element signal 31 is input to the adder 51, the difference is calculated, and the artifact Separate to obtain the signal U 1 (t). The signal U 1 (t) is stored in the memory 6, and the parallelized data 8 is input to the Fourier transform / inverse Fourier transform device 7. The Fourier transform / inverse Fourier transform device 7 performs Fourier transform on the parallelized data 8 and performs inverse Fourier transform on a predetermined band corresponding to each of the element signals 32, 33, 3N, and the residual signal 3E, respectively. Element signals 32, 33,..., 3N and a residual signal 3E are output.
[0023]
Next, an embodiment in which among blinking artifacts having the highest mixing frequency and large amplitude among the artifacts mixed in the original electroencephalogram signal, the brain wave component is separated into four element signals will be described.
FIG. 5 shows an implementation in which the original signal U (t) is decomposed into five element wave signals S 1 (t), S 2 (t), S 3 (t), S 4 (t), and S E (t). It is a figure which shows an example.
S 1 (t) is a blink artifact component caused by eye movement, S 2 (t) is an α wave component (8 to 13 Hz), S 3 (t) is a δ wave component (0.5 to 4 Hz), S 4 ( t) is a θ wave component (4 to 8 Hz), and S E (t) is a high frequency component (13 Hz or more) of β wave or more.
[0024]
In clinical diagnosis, a doctor separates and captures an artifact in the original EEG signal and the EEG signal, and then interprets the EEG signal. The method of reading the electroencephalogram signal differs slightly depending on the doctor, but it is roughly divided into three bands, slow wave (δ wave, θ wave) band, α wave band, and fast wave (β wave) band. Is being read. According to the present invention, it is possible to take a filter configuration corresponding to the reading procedure in this clinical diagnosis of a doctor, and it is possible to separate and capture an electroencephalogram signal for each element. In FIG. 5, it can be seen that each element included in the original electroencephalogram signal is appropriately separated.
[0025]
In general, an electroencephalogram records a plurality of channels simultaneously in order to see the characteristics of the entire head. It is easy to apply the present invention to multi-channel processing, and it is possible to obtain the distribution on the scalp for each separated element, which is the same as what a doctor envisions in the head during inspection interpretation, Application to advanced clinical diagnosis becomes possible.
[0026]
Next, the influence of the type of filter that extracts the electroencephalogram element signal will be described.
FIG. 6 is a diagram showing a time series signal waveform and a periodogram of element signals when a first-order Butterworth bandpass filter is used.
FIG. 7 is a diagram showing time series signal waveforms and periodograms of element signals when a second-order Butterworth bandpass filter is used.
FIG. 8 is a diagram showing time series signal waveforms and periodograms of element signals when a Fourier / Fourier inverse transform device is used.
6-8, the left figure shows a time-series signal waveform, and is an original signal 1 of an electroencephalogram signal, element signals 32, 33, 34, 35, 36, 37, and a residual signal 3E in order from the top. Further, the right figure is a periodogram (frequency spectrum) corresponding to the time-series signal waveform shown in the left figure. The band configuration of the filter group 2 includes a filter 41 for removing blink artifacts, a filter 42 for extracting a low frequency component (˜0.5 Hz), and a δ wave component (0.5 To 43 Hz, a filter 44 to extract the θ wave component (4 to 8 Hz), a filter 45 to extract the α wave component (8 to 13 Hz), and a filter 46 to extract the β wave component (13 to 30 Hz). This is a filter 47 for extracting high-frequency components (30 Hz to).
[0027]
As can be seen from FIGS. 6 to 8, the waveform of the residual signal 3E changes depending on the type of filter to be processed, but the other element signals hardly change and can be used as element signals necessary for a doctor's clinical diagnosis.
[0028]
【The invention's effect】
As can be understood from the above description, according to the method and apparatus for separating and displaying an electroencephalogram signal of the present invention, it is possible to visually grasp a work equivalent to a doctor who has obtained sufficient experience, and therefore, inexperienced. A doctor can make a diagnosis equivalent to a doctor who has sufficient experience, can prevent a diagnostic error of a clinical laboratory technician, and can reduce the burden on the doctor at the time of diagnosis of an electroencephalogram.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an electroencephalogram signal separation table display method and apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a filter group of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a parallel configuration example of a filter according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a Fourier transform / inverse Fourier transform apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a signal waveform diagram in which the electroencephalogram signal mixed with the blink artifact of the present invention is separated as N = 4 and output in parallel.
FIG. 6 is a diagram showing a time-series signal waveform and a periodogram using a first-order Butterworth filter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a time-series signal waveform and a periodogram using a second-order Butterworth filter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram displaying a time-series signal waveform and a periodogram using the Fourier transform / inverse Fourier transform apparatus according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Original signal 2 Filter group 2a Artifact separation part 2b EEG separation part 31, 32, 3N, 3E Element signal 41, 42, 43, ... 4N filter 51, 52, 53, ..., 5N Adder 6 Memory 7 Fourier transform / inverse Fourier transform device 8 Parallelized data

Claims (7)

脳波信号の原信号を、脳活動に起因する複数の要素信号と、生理学的に発生原因が特定できる脳活動以外の生体活動に起因する要素信号とに分離し、これらの分離した要素信号を同時に表示・記録することを特徴とする、脳波信号分離表示方法。The original EEG signal is separated into multiple element signals resulting from brain activity and element signals originating from biological activities other than brain activity that can be identified physiologically, and these separated element signals are simultaneously A method of separating and displaying an electroencephalogram signal, comprising displaying and recording. 脳波信号の原信号を、脳活動に起因する複数の要素信号と、生理学的に発生原因が特定できる脳活動以外の生体活動に起因する要素信号とに分離し、上記脳活動に起因する複数の要素信号と、上記脳活動以外の生体活動に起因する要素信号の内の診断に必要な要素信号とを同時に表示・記録することを特徴とする、脳波信号分離表示方法。The original signal of the electroencephalogram signal is separated into a plurality of element signals resulting from brain activity and an element signal resulting from biological activity other than brain activity that can physiologically identify the cause of occurrence, An electroencephalogram signal separation and display method characterized by simultaneously displaying and recording an element signal and an element signal necessary for diagnosis among element signals resulting from biological activities other than the brain activity. 脳波信号の原信号から、脳活動以外の生体活動に起因する要素信号を分離するアーチファクト分離部と、アーチファクトを分離した上記脳波信号から脳活動に起因する複数の要素信号を分離する複数の脳波分離部とを有し、上記分離した要素信号を同時に表示することを特徴とする、脳波信号分離表示装置。Artifact separation unit that separates element signals resulting from biological activities other than brain activity from the original EEG signal signal, and multiple brain wave separations that separate multiple element signals caused by brain activity from the above-mentioned brain wave signals from which artifacts have been separated An electroencephalogram signal separation display device, wherein the separated element signals are simultaneously displayed. 前記アーチファクト分離部は、この分離部に入力する脳波信号の原信号を、波形形状把握法に基づいて信号処理を行うフィルタと、このフィルタの入力から出力を差し引く信号処理を行う加算器とからなるソフトウェア、またはハードウェアであることを特徴とする、請求項3に記載の脳波信号分離表示装置。The artifact separation unit includes a filter that performs signal processing on the original EEG signal input to the separation unit based on a waveform shape grasping method, and an adder that performs signal processing by subtracting the output from the input of the filter. The electroencephalogram signal separation display device according to claim 3, which is software or hardware. 前記波形形状把握法は、アーチファクト波形の正規化波形を作成し、この正規化波形と前記脳波信号の原信号とから、相似係数法、または逆正規化法に基づいて推定アーチファクト波形を作成し、上記脳波信号の原信号から上記推定アーチファクト波形を差し引いて分離することを特徴とする、請求項4に記載の脳波信号分離表示装置。The waveform shape grasping method creates a normalized waveform of the artifact waveform, creates an estimated artifact waveform from the normalized waveform and the original signal of the electroencephalogram signal based on the similarity coefficient method or the denormalization method, 5. The electroencephalogram signal separation display device according to claim 4, wherein the estimated artifact waveform is subtracted from the original signal of the electroencephalogram signal for separation. 前記脳波分離部は、周波数の帯域抽出の信号処理を行うフィルタと、このフィルタの入力から出力を差し引く信号処理を行う加算器とからなるソフトウェア、またはハードウェアであることを特徴とする、請求項3に記載の脳波信号分離表示装置。The electroencephalogram separation unit is software or hardware including a filter that performs signal processing for frequency band extraction and an adder that performs signal processing for subtracting the output from the input of the filter. 4. The electroencephalogram signal separation display device according to 3. 前記脳波分離部は、フーリエ変換・フーリエ逆変換の信号処理を行うソフトウェア、またはハードウェアであることを特徴とする、請求項3に記載の脳波信号分離表示装置。4. The electroencephalogram signal separation display device according to claim 3, wherein the electroencephalogram separation unit is software or hardware that performs signal processing of Fourier transform / inverse Fourier transform.
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