JP3983989B2 - 脳運動機能解析診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運動に関連して変化する脳電位の信号成分を脳波データから取り出して、脳運動機能の解析診断を行なう脳運動機能解析診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒトの随意運動に伴い発生する脳電位の変化は、運動関連脳電位と呼ばれており、この電位は脳波の信号レベルに比べて非常に小さいことから、従来は、被験者に随意運動を反復させ、その際の筋電図による運動開始時点を基準に多数の脳波データを加算平均し、定常的に変動する大きなレベルの周期信号成分をキャンセルすることで求めている。しかし、その平均化のためには、かなり多数のデータを取得しなければならず、かつ、その処理には相当の時間がかかるという問題があった。また、それは脳波の波形の形状から運動に起因する変化の成分を同定しているために、定量的な判断が難しいという問題があった。
【０００３】
一方、公開特許公報「特開２０００−１２６１４８号（発明の名称：脳波データ処理装置及び記録媒体）」には、脳波デジタルデータに対してのみウェーブレット変換を行い、その結果から特徴的な変化を捉えるようにした手法が開示されている。しかし、実際に筋肉が動いたかどうかを確認する手段がないので、運動開始時間を筋電位変動に基づいて決定することができないところに問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、運動関連脳電位の同定に際して、筋電図などから運動開始点を判断してそこから多数の脳波データを収集し、平均化するといった人為的で繁雑な処理の必要をなくすことにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、脳波データ中の定常的な周期信号成分は、フィルタリングにより比較的容易に除去することができ、他方、運動関連脳電位のレベルは低くても、変化があれば周波数の変化として検出しやすくなることに着目して、脳波データ中に埋没している運動関連脳電位の微小な信号成分を、ウェーブレット変換により、周波数分布の時間変化の形で容易に観測できるようにするものである。
【０００６】
本発明は、被験者であるヒトの頭皮上に付着させた電極により得られた脳電位デジタルデータに対して、ウェーブレット変換を用いた時間周波数成分同定法を適用し、それにより周波数の時間変化を表わすパラメータを得て、運動関連脳電位の信号成分を定量的に同定することを可能にする。本発明による運動関連脳電位の同定では、必要とされる加算の平均回数が従来例と比較して極端に少なくて済むことから、脳運動機能解析診断をより短時間で行うことができる。
【０００７】
さらに、本発明では、被験者であるヒトの皮膚上に付着させた電極により得られる単一試行の随意運動に伴って生じる筋電位デジタルデータに対してウェーブレット変換を適用し、周波数の時間変化（ダイナミックスペクトラム）を求め、その広帯域で生じる変化の生起時間を検出することで、運動開始時間を自動的に検出することができる。そのため、本発明では、この筋電位デジタルデータによるダイナミックスペクトラムを利用して検出した運動開始時間を、脳電位時間周波数成分を求める上での基準時間とすることができる。
【０００８】
また本発明では、筋電位、脳電位、眼球電位のデジタルデータに対してそれぞれダイナミックスペクトラムを求めることにより、筋電位と脳電位の関係、及び、眼球運動に基づくノイズを同時に検出できるので、より精度の高い解析と、運動関連脳電位の時間周波数成分同定とが可能となる。
【０００９】
図１により、本発明の概要を説明する。図１は、本発明による、ヒト運動関連脳電位のウェーブレット変換を用いた時間周波数成分同定機能を内蔵した簡易型ヒト脳運動機能解析診断装置のブロック構成図である。図において、Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀／塩化銀）皿電極を用いて、ヒトの頭皮１上の脳電位２、耳朶電位３、皮膚上の筋電位４、顔面上の眼球電位５を取得し、それぞれの信号を脳・筋・眼球電位信号伝送ケーブル６により、ヒト脳運動機能解析診断装置７へ入力する。
【００１０】
ヒト脳運動機能解析診断装置７は、増幅・Ａ／Ｄ変換器８に送り、デジタルデータに変換する。このデジタルデータをデジタル信号伝送ケーブル９により、デジタルフィルタリング処理部（ＩＩＲデジタルフィルタリング）１０に送り、電源周波数成分（５０Hz／６０Hz任意に選択決定）、低周波成分（１．６Hz以下、任意に決定）、高周波成分（３０Hz以上、任意に決定）を遮断する。そのフィルタリング処理されたデータをデジタルフィルタリング処理信号伝送ケーブル１１により、本発明のウェーブレット変換を用いた時間周波数成分同定システム部１２に送り、任意のデータ数（可変）にて脳電位デジタルデータの加算平均、時間周波数成分同定の各処理を自動的に行なう。なお、加算平均、時間周波数同定を行う際に基準となる時間は、単一試行時の筋電位デジタルデータに対してウェーブレット変換を適用することで得られるダイナミックスペクトラムにより求める。なお、時間周波数成分同定システム部１２には、統計処理を可能とするために記憶装置が設けられており、多人数の、多試行によって求め得たデータを保存し、そのデータと個人データとの比較を行なうことで、脳運動機能の統計的データに基づく診断を可能とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図２は、図１に示す時間周波数成分同定システム部の１実施の形態における処理フローである。
【００１２】
図２において、被験者であるヒトの頭皮から取得された脳電位のデジタルデータと、眼球電位のデジタルデータ、耳朶電位のデジタルデータ、皮膚から取得された筋電位のデジタルデータは、それぞれタイムマーカとともにいったんファイル記憶装置２１に格納される。次に加算平均処理部２２は、ファイル記憶装置２１から脳電位デジタルデータの複数波形分を読み出して、加算平均処理する。加算平均された脳電位デジタルデータは、次にウェーブレット変換処理部２３においてウェーブレット変換される。ダイナミックスペクトラム生成処理部２４は、ウェーブレット変換結果からダイナミックスペクトラムを生成し、ファイル記憶装置２５に格納する。
【００１３】
一方、脳電位と同時に皮膚から取得された眼球電位のデジタルデータ、耳朶電位のデジタルデータ、筋電位のデジタルデータは、それぞれウェーブレット変換処理部２６でウェーブレット変換される。ダイナミックスペクトラム生成処理部２７は、それぞれのウェーブレット変換結果からダイナミックスペクトラムを生成し、ファイル記憶装置２５に格納する。変化生起時間検出処理部２８は、運動の開始に伴って生起される筋電位の変化はパルス性であり、広帯域の周波数が含まれることから、ダイナミックスペクトラム上で広帯域の周波数成分の同時的変化を検出して、その時間位置を基準時間として出力する。脳運動機能解析処理部２９は、その基準時間に基づいて脳電位のダイナミックスペクトラムを解析し、運動関連脳電位を同定する。
【００１４】
図１により取得した単一試行による筋電位デジタル波形に対してウェーブレット変換を行なうことにより周波数の時間変化（ダイナミックスペクトラム）が求まり、その筋電位デジタルデータのダイナミックスペクトラムにおいて、広帯域で生じる変化の生起時間を検出することで、運動開始時点を自動的に検出する。そして、その運動開始時点を基準に、運動前２秒、運動後１秒の計３秒を切り出し、その脳電位デジタルデータ２０波形分を加算平均した波形に対してウェーブレット変換を行うことにより、ダイナミックスペクトラムが図３のように求めることができる。すなわち運動関連脳電位を時間周波数成分として同定可能となる。この時間周波数成分はデジタルデータとして記憶装置に保存される。
【００１５】
なお、同図は国際１０−２０電極配置法に基づいて配置した電極Ｃｚでの脳電位の時間周波数成分同定結果（上図：脳波の２０波形分の加算平均結果、下図：ダイナミックスペクトラム）を示しており、ダイナミックスペクトラムは、エネルギーレベルが高い部分を黒色、低い部分を白色と階調表現している。また、他の箇所（Ｃ３、Ｃ４、Ｆｚ、Ｐｚ等）でも同様なものが取得できる。データを取得するための測定点数、測定箇所も上記以外にて任意に決定できる。
【００１６】
ここで、ウェーブレット変換は、
【００１７】
【数１】

【００１８】
ａ：スケール・パラメータ
ｂ：トランスレート・パラメータ
と定義されており、但し、信号ｆ（ｔ）が、脳電位デジタルデータ、筋電位デジタルデータ、眼球電位デジタルデータに相当し、ψ（ｔ）が、マザーウェーブレットである。本発明のウェーブレット変換では、マザーウェーブレットとして、時間と周波数に関する不確定性が最小の関数（時間周波数空間において局在性が良い関数）であることから、〔数２〕に示す信号の周波数を探り出すのに適しているガボール、又は、ガボアー（Gabor ）のマザー・ウェーブレットを用いている。
【００１９】
【数２】

【００２０】
なお、
ａ＝１／２πｆ
ｆ：周波数〔Hz〕
とし、この周波数ｆを可変することにより、様々な時間周波数成分を同定することができる。また、σは任意に決定できる。
【００２１】
同図から、運動開始時０ｓから１０Hz前後（α波帯域）の周波数成分が強く表れていることを明らかにできることが分かる。他の電極位置においても求め得た。なお、これまでに報告されている運動関連脳電位において、Ｃｚでは運動開始時に約０．１ｓの波形（Ｐ−５０）が報告されており、すなわち、約１０Hz（＝１／０．１ｓ）の周波数と概算できることから、本手法において求められたものと一致すると考えられる。また、Ｆｚでは運動開始後約０．５ｓにおいて、同様に約１０Hzの周波数成分がより強く表れており、この成分はＮ＋５０を検出したものと考えられる。
【００２２】
運動開始前１．０ｓ〜０．５ｓでは、約５Hz前後の周波数成分が生じ、０．２ｓ前にその成分が減少することがわかる。これは、ＢＰ（Beritschaftspotential)、ＩＳ（Intermediate Ｓlope）成分に含まれるものと考えられる。
【００２３】
また、本発明の脳運動機能解析診断装置により得られたダイナミックスペクトラムの頭皮上分布により、空間−時間周波数マッピングをデジタルデータとして表示することもできる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によるウェーブレット変換を用いた時間周波数成分同定機能を内蔵した脳運動機能解析診断装置は、ヒトの随意運動による脳電位成分を周波数の時間変化として同定することができ、従来の報告されている方法では、例えば、１被験者に対して２００回、１４名の試行を総加算し、平均化するものと比較して、本発明の図２では１被験者のみ２０回試行（さらに少ない数にすることも可能。但し、検出精度が低下する。）と、その加算回数が少ないということから、解析、診断を短時間で容易に行うことができる。
【００２５】
従来の報告では運動開始時間を筋電位波形の変化により検出するものや、公開特許公報第２０００−１２６１４８号では、脳波データのみのウェーブレット変換による結果から特徴的な変化を捉えていたが、本発明では、単一試行の随意運動時の筋電位デジタルデータに対してダイナミックスペクトラムを求め、広帯域で生じる変化の生起時間を検出することで、運動開始時間を自動的に検出し、その時間を基準として脳電位の時間周波数成分同定を行うことから、時間基準という点から高い精度を保証することができる。本発明では筋電位、脳電位、眼球電位の各々のダイナミックスペクトラムを個別に求めていることから、筋電位と脳電位の時間周波数成分の関係、及び、眼球運動によるアーチファクトの時間周波数成分をデジタルデータとして同時に検出でき、より精度の高い解析、運動関連脳電位の時間周波数成分同定が可能となる。
【００２６】
また本発明装置では、運動関連脳電位の成分を、波形の形状ではなく、周波数と時間にて数値化できることからより客観的な指標を求めることができ、その値をデジタルデータとして表示することができる。なお、加算平均回数は任意に決定できることから、多人数による統計的処理等も可能である。個人の評価を行うにあたり、統計的データが必要であることから、多人数の多数回の試行データを標準データとして本発明の装置内に保存しておき、そのデータと個人との比較が可能となる。
【００２７】
さらに本発明装置により得られたダイナミックスペクトラムの頭皮上分布により、空間−時間周波数マッピングをつくることができることから、脳運動機能異常箇所を特定できる。すなわち、空間−時間周波数成分マッピングのパターンの異常による脳運動機能解析診断が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明のヒト運動関連脳電位のウェーブレット変換を用いた時間周波数成分同定法を内蔵した簡易型ヒト脳運動機能解析診断装置の概要構成図である。
【図２】 時間周波数成分同定システム部の１実施の形態における処理フローを示す説明図である。
【図３】 本発明の簡易型ヒト脳運動機能解析診断装置により得られた結果の一部の写真である。
【符号の説明】
１： ヒトの頭表面（頭頂）
２： Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀／塩化銀）皿電極（脳電位測定）
３： Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀／塩化銀）皿電極（耳朶電位測定、基準用）
４： Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀／塩化銀）皿電極（筋電位測定）
５： Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀／塩化銀）皿電極（眼球電位測定）
６： 脳・筋電、眼球電位信号伝送ケーブル
７： 簡易型ヒト脳運動機能解析診断装置
８： 増幅・Ａ／Ｄ変換器
９： デジタル信号伝送ケーブル
１０： デジタルフィルタリング処理部
１１： デジタルフィルタリング処理信号伝送ケーブル
１２： ウェーブレット変換を用いた時間周波数成分同定システム部

Claims (6)

1. 被験者から取得される脳電位データに対してウェーブレット変換を行なうことにより、周波数成分の時間変化を表わすダイナミックスペクトラムを生成して運動関連脳電位の成分同定を行なう脳運動機能解析診断装置において、
   上記被験者から同時に取得される筋電位データにウェーブレット変換を行なうことによりダイナミックスペクトラムを生成し、そのダイナミックスペクトラム上での広帯域の周波数成分の変化に基づいて運動開始時間を検出し、検出された運動開始時間を基準にして運動関連脳電位の成分同定を行なう手段を備えていることを特徴とする脳運動機能解析診断装置。
2. 請求項１において、ウェーブレット変換のマザーウェーブレットとして、時間周波数空間において局在性が良い関数を用いることを特徴とする脳運動機能解析診断装置。
3. 請求項２において、ウェーブレット変換のマザーウェーブレットとして、時間周波数空間において局在性が良い関数は、ガボールまたはガボアーの関数であることを特徴とする脳運動機能解析診断装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、被験者から取得される筋電位データは、皮膚上に付着させた電極により得られた単一試行の随意運動による筋電位データであることを特徴とする脳運動機能解析診断装置。
5. 請求項１において、頭皮上、顔面上、皮膚上に付着された電極により得られた脳電位、眼球電位、筋電位のデータに対してそれぞれウェーブレット変換を行なって、ダイナミックスペクトラムを個別に、かつ、同時に求めて、運動に関連して変化する脳電位信号の時間周波数成分を、筋電位のダイナミックスペクトラムにより得られた運動開始時間を基準として脳波データから取り出すとともに、眼球運動によるアーチファクトの検出と削除を行なうことを特徴とする脳運動機能解析診断装置。
6. 被験者から取得される脳電位データに対してウェーブレット変換を行なうことにより、周波数成分の時間変化を表わすダイナミックスペクトラムを生成して運動関連脳電位の成分同定を行なう脳運動機能解析診断装置において、
   上記被験者から同時に取得される筋電位データにウェーブレット変換を行なうことによりダイナミックスペクトラムを生成し、そのダイナミックスペクトラム上での広帯域の周波数成分の変化に基づいて運動開始時間を検出する手段を備えていることを特徴とする脳運動機能解析診断装置。

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