JP4788956B2 - 脳活動解析方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、脳活動解析方法および装置に関し、より詳しくは、外部刺激に対する脳活動を解析する脳活動解析方法および装置に関する。

脳活動の解析は、脳機能障害の原因部位の特定などに有効であり、従来から種々の方法が提案されている。脳機能を非侵襲的に計測することができ、且つ、優れた時間分解能を有するものとして、脳波（ＥＥＧ）や脳磁図（ＭＥＧ）を利用した脳機能研究や臨床診断がすすめられている。

例えば、非特許文献１には、被験者に視覚・聴覚などの刺激を多数回与え、その刺激呈示を起点に全ての試行の信号を加算平均することにより、刺激に関連するＥＥＧ・ＭＥＧ成分を抽出することが開示されている。
Hamalainen, M.S., Hari, R., Ilmoniemi, R.J., Knuutila, J., Lounasmaa, O.V., 1993. Magnetoencephalography - theory, instrumentation, and application to noninvasive studies of the working human brain. Rev. Mod. Phys. 65 413-497

上記のような計測信号の加算平均に基づく脳活動の解析は、刺激の呈示からほぼ同じ時刻に同じような活動が観測される低次な脳反応に対しては、ある程度有効である。ところが、言語処理などの高次な脳活動の解析を行う場合、被験者の示す行動学的指標（例えば、言語機能における刺激呈示から発声までの時間）に大きく関連する脳活動は、必ずしも刺激の呈示に同期するとは限らず、各試行で時間的に大きく変動することが多い。このため、上記従来の方法では、行動学的指標の変化に伴って変動する重要な成分を適切に検出することができないという問題があった。同時に、上記のような行動学的指標のばらつきと相関の高い成分は、病因との関連が深く臨床的にも重要であることが多い。

そこで、本発明は、脳活動の解析を容易に精度良く行うことができる脳活動解析方法および装置の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、被験者に刺激を呈示する刺激呈示ステップと、刺激呈示に対する被験者の脳活動信号の時系列データを取得する脳活動計測ステップと、刺激呈示に対する被験者の応答により応答信号を入力する応答入力ステップと、前記脳活動信号および応答信号に基づいて脳活動を解析する解析ステップと、脳活動の解析結果を出力する出力ステップとを備え、前記刺激呈示ステップは、刺激呈示を複数回行い、前記脳活動計測ステッ
プは、各刺激呈示に対して脳の複数部位における前記時系列データを取得し、前記解析ステップは、脳の各部位毎に、前記脳活動信号の時系列データから脳活動時間を特定すると共に、刺激呈示から前記応答信号が入力されるまでの応答時間と前記脳活動時間との関連付けを行い、前記出力ステップは、前記応答時間と脳活動時間との相関の程度を判別可能に出力する脳活動解析方法であって、前記出力ステップは、複数の前記時系列データを、前記応答時間に基づく順序に従って並び替え、前記応答時間のデータと同一時間軸上に表示するステップを備える脳活動解析方法により達成される。

また、前記出力ステップは、上記の構成に代えて、前記応答時間と脳活動時間との相関値を算出して表示するステップを備えることもできる。この場合、前記出力ステップは、算出した前記相関値を予め設定された基準値と比較することにより、脳の各部位における障害の有無を判別して表示するステップを更に備えることが可能である。

また、本発明の前記目的は、被験者に刺激を呈示する刺激呈示装置と、刺激呈示に対する被験者の脳活動信号の時系列データを取得する脳活動計測装置と、刺激呈示に対する被験者の応答により応答信号を入力する応答入力装置と、前記脳活動信号および応答信号に基づいて脳活動を解析する解析装置と、脳活動の解析結果を出力する出力装置とを備え、前記解析装置は、前記刺激呈示装置からの複数回の刺激呈示に対して、前記脳活動計測装置により取得された脳の複数部位における前記時系列データを収集するデータ収集部と、脳の各部位毎に、収集された前記脳活動信号の時系列データから脳活動時間を特定すると共に、刺激呈示から前記応答信号が入力されるまでの応答時間と前記脳活動時間との関連付けを行うデータ解析部とを備え、前記出力装置は、前記脳活動時間と応答時間との相関の程度を判別可能に出力する脳活動解析装置であって、前記出力装置は、複数の前記時系列データを、前記応答時間に基づく順序に従って並び替え、前記応答時間のデータと同一時間軸上に表示する脳活動解析装置により達成される。
また、前記出力装置は、上記の構成に代えて、前記応答時間と脳活動時間との相関値を算出して表示することもできる。

本発明の脳活動解析方法および装置によれば、脳活動の解析を容易に精度良く行なうことができ、特に、行動学的に計測可能な現象と相関が高い脳活動の解析に好適である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る脳活動解析装置の概略構成を示すブロック図である。 図１に示すように、脳活動解析装置１は、刺激呈示装置１０と、脳活動計測装置２０と、応答入力装置３０と、解析装置４０と、出力装置５０とを備えている。

刺激呈示装置１０は、被験者の視覚、聴覚、触覚などに刺激を付与する装置であり、自動又は手動操作による刺激の呈示タイミングと同期して、トリガ信号を出力する。

脳活動計測装置２０は、脳の複数の部位における活動の時間的な変化を測定
して脳活動信号の時系列データを取得する装置であり、例えば、脳波（ＥＥＧ）や脳磁図（ＭＥＧ）など被験者の脳神経の電気活動を計測する装置を挙げることができる。

応答入力装置３０は、刺激呈示に対する被験者の発声や動作などの応答により応答信号を入力する装置であり、例えば、マイクロフォン、キーボード、マウス、スイッチボタンなどを挙げることができる。

解析装置４０は、データ収集部４１及びデータ解析部４２を備えている。データ収集部４１は、脳活動計測装置２０により取得された脳の複数部位における時系列データを、複数回の刺激呈示のそれぞれについて収集する。

データ解析部４２は、データ収集部４１に収集された複数の時系列データについて、刺激呈示装置１０から入力されたトリガ信号に基づき刺激呈示時を基準時（時刻０）とした時間軸を設定し、活動状態にある各脳部位の脳活動時間を特定する。脳活動時間の特定は、時系列データの信号強度の絶対値が所定の閾値を超える時間幅を検出することにより行うことができるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、時系列データの信号強度の絶対値が基準時から初めて所定の閾値を超えるまでの時間、或いは、基準時から最後に所定の閾値を下回るまでの時間に基づいて、脳活動時間を特定することもできる。また、ここでいう脳活動時間の特定は、必ずしも数値化される必要はなく、例えば、時系
列データの信号強度の分布が、色の違いや濃淡などで視覚的に判別可能な場合も含まれる。

また、データ解析部４２は、刺激呈示装置１０から入力されたトリガ信号と、応答入力装置３０から入力された応答信号との入力タイミングに基づいて、時系列データ毎に刺激呈示から応答信号が入力されるまでの応答時間を算出し、上述した脳活動時間との関連付けを行う。応答信号は、応答入力装置３０がキーボードやスイッチなどである場合には、入力操作によって生成可能であり、応答入力装置３０がマイクロフォンである場合には、入力された音声信号の波形をデータ解析部４２において分析し、例えば、子音の破裂から声帯が振動するまでの時間であるＶＯＴ（Voice Onset Time）を判別してこれを応答信号とすることができる。

出力装置５０は、脳の部位毎に取得された複数の時系列データの脳活動時間及び応答時間に基づいて、これら脳活動時間と応答時間との相関の程度を判別可能に出力する。出力方法としては、例えば、画面上への表示や、紙媒体等への印刷が挙げられる。

図２は、上述した脳活動解析装置１の具体的な適用例として、難読症の被験者における脳機能障害の原因部位を特定するための概略構成を示す図である。

刺激呈示装置１０は、パーソナルコンピュータを使用しており、画面上に種々の文字を順次表示することにより、被験者の視覚に刺激を与える。また、刺激呈示装置１０は、文字の表示タイミングと同期したトリガ信号を生成し、解析装置４０に入力する。

脳活動計測装置２０は、SQUID（Superconducting quantum interference devices）セ
ンサを頭部の回りにヘルメット状に多数配置した全頭型脳磁界計測装置を使用し、図２の符号Ａ〜Ｃで示すように、被験者の左側頭部における脳部位の後、中、前のセンサ群により、脳活動信号を測定する。測定部位をこのように設定したのは、言語処理における知覚→変換→運動（発話）の各処理が、主に左脳の後方から前方に向けて順次行われるからである。脳活動計測装置２０としては、頭部に装着可能なキャップに脳波計を複数装着したものを使用することもできる。

応答入力装置３０は、マイクロフォンにより構成され、被験者から入力された音声信号が増幅器（図示せず）で増幅された後、解析装置４０に入力される。

解析装置４０及び出力装置５０は、同一のパーソナルコンピュータにより構成されており、解析装置４０のデータ収集部４１は、メモリにより構成されており、脳活動計測装置２０から入力された脳活動信号の時系列データを、刺激呈示装置１０から入力されたトリガ信号及び応答入力装置３０から入力された音声信号と共に収集して格納する。データ解析部４２は、ＣＰＵにより構成され、収集された脳活動信号の時系列データの解析を行い、出力装置５０としてのモニタに画面表示する。データ解析部４２における解析については、後述する。

次に、上述した脳活動解析装置１を用いて脳活動解析を行う方法を説明する。まず、被験者の頭部に脳活動計測装置２０を装着した後、刺激呈示装置１０による刺激の呈示を開始する。刺激の呈示は、ひらがなやカタカナなどの文字を一定の間隔で順次画面表示することにより行われ、各試行による脳活動信号の時系列変化が脳活動計測装置２０により計測される。

被験者は、刺激呈示装置１０に表示される文字を視認して、当該文字を順次発声する。応答入力装置３０は、検出した音声信号を解析装置４０に入力する。

解析装置４０は、複数回の刺激呈示により収集された複数の脳活動信号の時系列データを脳部位Ａ〜Ｃ毎に整理し、各時系列データに対して、刺激呈示装置１０からのトリガ信号に基づいて基準時刻を設定する。また、応答入力装置３０から入力された音声信号の波形から、上述のようにＶＯＴを検出して応答信号を抽出し、刺激呈示時である基準時刻から応答信号が入力されるまでの応答時間を算出して、各時系列データに対応させる。そして、各脳部位Ａ〜Ｃに対する複数の時系列データを、応答時間に基づき昇順又は降順に並び替え、応答時間と共に出力装置５０に画面表示する。

出力装置５０の表示例を、図３に示す。図３（ａ）は、図２の脳部位Ａに対応しており、図３（ｂ）は、図２の脳部位Ｂに対応している。図３（ａ）及び（ｂ）において、時系列データは、上から下に向けて応答時間が長くなるように並び替えて表示されている。時系列データの信号強度は、色の濃淡で表示されており、色が濃い領域ほど信号強度の絶対値が大きいことを示している。図中の破線で囲んだ領域は、信号強度の絶対値が所定の閾値を越える領域であり、この領域の時間幅から脳活動時間を特定することができる。

解析者は、出力装置５０の画面表示に基づき、脳活動時間と応答時間との相関の程度を判別する。図３（ａ）及び（ｂ）に示す結果は、脳部位Ａにおける脳活動よりも脳部位Ｂにおける脳活動の方が応答時間との相関性が高いことを示している。一般には、脳の後方側部位における脳活動よりも前方側部位における脳活動の方が、応答時間との相関性は高くなるので、図３（ａ）及び（ｂ）の結果は、脳活動が正常であることを表している。一方、脳部位Ａの脳活動時間の方が脳部位Ｂの脳活動時間よりも相関性が高い場合には、脳部位Ａ又はＢのいずれかが異常であると判断することができるので、出力装置５０の出力結果から、脳の各部位における障害の有無を判別することが可能である。

図２の構成において、解析装置４０は、各脳部位Ａ〜Ｃに対する複数の時系列データにおける脳活動時間及び応答時間の平均値及び標準偏差を算出して、脳活動時間と応答時間との相関値を求め、図３（ａ）及び（ｂ）に示すような時系列データの表示に代えて、或いは、時系列データの表示と共に、出力装置５０に表示してもよい。このように、脳活動時間と応答時間との相関性を定量化することにより、脳の障害部位の特定をより容易に行うことができる。

算出された相関値は、解析装置４０において、各脳部位Ａ〜Ｃに対して予め設定された基準値と比較することにより、脳の障害部位の特定を自動的に行うこともできる。各脳部位Ａ〜Ｃにおける相関値は、正常な状態では、上記のように脳の後方側部位よりも前方側部位の方が高い傾向にあるので、図４の斜線で示す領域を基準値として設定し、実際に計測した結果がこの基準値の領域から外れた脳部位（図４においては部位Ｂ）を、障害部位として特定することができる。

また、図２に示す構成においては、応答入力装置３０をマイクロフォンにより構成しているが、キーボードやボタンにより構成することも可能であり、刺激呈示装置１０に表示された文字のキー入力やボタンの押圧によって、応答信号を生成するようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る脳活動解析装置の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す脳活動解析装置の具体的な適用例を示す概略構成図である。 図２に示す脳活動解析装置における出力装置の表示例を示す図である。 図２に示す脳活動解析装置における解析装置の解析方法の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 脳活動解析装置
１０ 刺激呈示装置
２０ 脳活動計測装置
３０ 応答入力装置
４０ 解析装置
４１ データ収集部
４２ データ解析部
５０ 出力装置

Claims (5)

1. 被験者に刺激を呈示する刺激呈示ステップと、
   刺激呈示に対する被験者の脳活動信号の時系列データを取得する脳活動計測ステップと、
   刺激呈示に対する被験者の応答により応答信号を入力する応答入力ステップと、
   前記脳活動信号および応答信号に基づいて脳活動を解析する解析ステップと、
   脳活動の解析結果を出力する出力ステップとを備え、
   前記刺激呈示ステップは、刺激呈示を複数回行い、
   前記脳活動計測ステップは、各刺激呈示に対して脳の複数部位における前記時系列データを取得し、
   前記解析ステップは、脳の各部位毎に、前記脳活動信号の時系列データから脳活動時間を特定すると共に、刺激呈示から前記応答信号が入力されるまでの応答時間と前記脳活動時間との関連付けを行い、
   前記出力ステップは、前記応答時間と脳活動時間との相関の程度を判別可能に出力する脳活動解析方法であって、
   前記出力ステップは、複数の前記時系列データを、前記応答時間に基づく順序に従って並び替え、前記応答時間のデータと同一時間軸上に表示するステップを備える脳活動解析方法。
2. 被験者に刺激を呈示する刺激呈示ステップと、
   刺激呈示に対する被験者の脳活動信号の時系列データを取得する脳活動計測ステップと、
   刺激呈示に対する被験者の応答により応答信号を入力する応答入力ステップと、
   前記脳活動信号および応答信号に基づいて脳活動を解析する解析ステップと、
   脳活動の解析結果を出力する出力ステップとを備え、
   前記刺激呈示ステップは、刺激呈示を複数回行い、
   前記脳活動計測ステップは、各刺激呈示に対して脳の複数部位における前記時系列データを取得し、
   前記解析ステップは、脳の各部位毎に、前記脳活動信号の時系列データから脳活動時間を特定すると共に、刺激呈示から前記応答信号が入力されるまでの応答時間と前記脳活動時間との関連付けを行い、
   前記出力ステップは、前記応答時間と脳活動時間との相関の程度を判別可能に出力する脳活動解析方法であって、
   前記出力ステップは、前記応答時間と脳活動時間との相関値を算出して表示するステップを備える脳活動解析方法。
3. 前記出力ステップは、算出した前記相関値を予め設定された基準値と比較することにより、脳の各部位における障害の有無を判別して表示するステップを更に備える請求項２に記載の脳活動解析方法。
4. 被験者に刺激を呈示する刺激呈示装置と、
   刺激呈示に対する被験者の脳活動信号の時系列データを取得する脳活動計測装置と、
   刺激呈示に対する被験者の応答により応答信号を入力する応答入力装置と、
   前記脳活動信号および応答信号に基づいて脳活動を解析する解析装置と、
   脳活動の解析結果を出力する出力装置とを備え、
   前記解析装置は、前記刺激呈示装置からの複数回の刺激呈示に対して、前記脳活動計測装置により取得された脳の複数部位における前記時系列データを収集するデータ収集部と、
   脳の各部位毎に、収集された前記脳活動信号の時系列データから脳活動時間を特定すると共に、刺激呈示から前記応答信号が入力されるまでの応答時間と前記脳活動時間との関連付けを行うデータ解析部とを備え、
   前記出力装置は、前記脳活動時間と応答時間との相関の程度を判別可能に出力する脳活動解析装置であって、
   前記出力装置は、複数の前記時系列データを、前記応答時間に基づく順序に従って並び替え、前記応答時間のデータと同一時間軸上に表示する脳活動解析装置。
5. 被験者に刺激を呈示する刺激呈示装置と、
   刺激呈示に対する被験者の脳活動信号の時系列データを取得する脳活動計測装置と、
   刺激呈示に対する被験者の応答により応答信号を入力する応答入力装置と、
   前記脳活動信号および応答信号に基づいて脳活動を解析する解析装置と、
   脳活動の解析結果を出力する出力装置とを備え、
   前記解析装置は、前記刺激呈示装置からの複数回の刺激呈示に対して、前記脳活動計測装置により取得された脳の複数部位における前記時系列データを収集するデータ収集部と、
   脳の各部位毎に、収集された前記脳活動信号の時系列データから脳活動時間を特定すると共に、刺激呈示から前記応答信号が入力されるまでの応答時間と前記脳活動時間との関連付けを行うデータ解析部とを備え、
   前記出力装置は、前記脳活動時間と応答時間との相関の程度を判別可能に出力する脳活動解析装置であって、
   前記出力装置は、前記応答時間と脳活動時間との相関値を算出して表示する脳活動解析装置。