JP4876988B2 - Brain computer interface device - Google Patents

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Description

本発明は、ユーザの脳活動(脳波など)を観測することによってユーザの意図を外界へ伝えるためのブレイン・コンピュータ・インタフェース装置に関し、特に、単一試行の下で計測された脳波であっても、計測された脳波からその試行の違いを識別できるブレイン・コンピュータ・インタフェース装置に関する。 The present invention relates to a brain computer interface device for transmitting a user's intention to the outside world by observing a user's brain activity (such as an electroencephalogram), and particularly, even an electroencephalogram measured under a single trial. The present invention also relates to a brain computer interface device that can distinguish the trial difference from the measured electroencephalogram.

ブレイン・コンピュータ・インタフェース(Brain-Computer Interface、以後、BCIと略す)とは、脳活動を反映してヒトの頭皮、(大脳)皮質表面あるいは脳内から直接検出可能な電気信号を、ユーザの意図を外界へ伝える出力に変換する方法である(非特許文献1)。非特許文献1に記載されたBCIでは、脳波特定のための特定の電極位置(C3とC4)で計測されたraw EEG(生の脳波図(electroencephlogram))を周波数分析し、特定の周波数帯(μ波:8〜12Hzあるいはβ波:18〜26Hz)の振幅値の重み付き線形和の値によって、ディスプレイ画面上の2次元的なカーソル移動を実現しようとしている。しかしながら、上記重み係数は各試行の度に更新しなければならず、適切なカーソル移動を実現できるようにするためにはかなりの訓練を要する。   The Brain-Computer Interface (hereinafter referred to as BCI) refers to the user's intention to generate electrical signals that can be detected directly from the human scalp, (cerebral) cortex surface, or brain, reflecting brain activity. Is converted to an output that conveys to the outside world (Non-Patent Document 1). In BCI described in Non-Patent Document 1, a raw EEG (raw electroencephogram) measured at specific electrode positions (C3 and C4) for specifying an electroencephalogram is subjected to frequency analysis, and a specific frequency band ( A two-dimensional cursor movement on the display screen is to be realized by a weighted linear sum of amplitude values of μ wave: 8 to 12 Hz or β wave: 18 to 26 Hz. However, the weighting factor must be updated for each trial and requires considerable training to be able to achieve proper cursor movement.

非特許文献2に記載されたBCIでは、運動イメージタスク遂行時にraw EEGを多チャネルで計測している。しかしながら非特許文献2に記載の方法では、raw EEGに対して独立成分分析(Independent Component Analysis、以後、ICAと略す)とダイポール解析を適用する前に、ラプラス(Laplacian)空間フィルタリングと時間−周波数解析とを実行することが必要であり、リアルタイム性に欠ける。さらに、1番目の独立成分のみのダイポール解析から、イメージする手と同側の体性感覚・運動皮質にダイポールが推定された時に正答としており、そのため、識別率は決して良くない。   In the BCI described in Non-Patent Document 2, raw EEG is measured with multiple channels when performing an exercise image task. However, in the method described in Non-Patent Document 2, before applying independent component analysis (hereinafter abbreviated as ICA) and dipole analysis to raw EEG, Laplacian spatial filtering and time-frequency analysis are performed. And lacks real-time performance. Furthermore, when the dipole is estimated in the somatosensory / motor cortex on the same side as the hand to be imaged from the dipole analysis of only the first independent component, the correct answer is never good.

なお、特表2006−524157号公報(WO2004/083972)(特許文献1)には、車両等の運転を支援するために、車両の運転者の脳内電流信号を検出して例えばブレーキを始動させることが開示されている。特開2006−280421号公報(特許文献2)には、検出信号に含まれる不必要成分を除去して脳機能信号による計測を高精度に行えるようにした脳機能情報モニタリング装置が開示されている。特開2003−84793号公報(特許文献3)には、脳波信号への適用に適した独立成分分析方法及び装置が開示されている。
特表2006−524157(WO2004/083972) 特開2006−280421 特開2003−84793 ウルポー・J・R、マックファランド・D・J、「コントロール・オブ・ア・ツー・ディメンジョナル・ムーブメント・シグナル・バイ・ア・ノンインベイシブ・ブレイン−コンピュータ・インタフェース・イン・ヒューマンズ(Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans)」,プロシィーディングス・オブ・ザ・ナショナル・アカデミー・オブ・サイエンシィーズ・オブ・ザ・ユナイテッド・ステイツ・オブ・アメリカ,2004年,Vol.101、p.17849−17854 クウィン・L、ディン・L、ヘ・B、「モーター・イマジェリィ・クラシフィケーション・バイ・ミーンズ・オブ・ソース・アナリシス・フォー・ブレイン−コンピュータ・インタフェース・アプリケーションズ(Motor imagery classification by means of source analysis for brain-computer interface applications)」,ジャーナル・オブ・ニューラル・エンジニアリング、2004年、Vol.1,p.135−141 カルドソ・J.−F、ソーローミアック・A、「ブラインド・ビーム−フォーミング・フォー・ガウシャン・シグナルズ(Blind beam-forming for Gaussian signals)」、アイ・イー・イー・プロシィーディングス−エフ、1993年、Vol.140,p.362−370 ヒベライネン・A、オジャ・E、「ア・ファスト・フィックスド−ポイント・アルゴリズム・フォー・インディペンデント・コンポーネント・アナリシス(A fast fixed-point algorithm for independent component analysis)」、ニューラル・コンピュテーション、1997年、Vol.9、No.7、p.1483−1492 アマリ・S、チェン・T、チチョッキ・A、「ノンホロノミック・オーソゴナル・ラーニング・アルゴリズム・フォー・ブラインド・ソース・セパレーション(Nonholonomic orthogonal learning algorithm for blind source separation)」、ニューラル・コンピュテーション、2000年、Vol.12、p.1463−1484 チョイ・S、チチョッキ・A、アマリ・S、「フレキシィブル・インディペンデント・コンポーネント・アナリシス(Flexible independent component analysis)」、ジャーナル・オブ・ブイエルエスアイ・シグナル・プロセシィング、2000年、Vol.26、No.1/2、p.25−38 フリードマン・N、マーフィー・K、ラッセル・S、「ラーニング・ザ・ストラクチャー・オブ・ダイナミック・プロバビリスティック・ネットワークス(Learning the structure of dynamic probabilistic networks)」、プロシィーディングス・オブ・フォーティーンス・カンファレンス・オン・アンサートゥンティ・イン・アーティフィシャル・インテリジェンス(UAI98)、1998年、p.139−147 シュバルツ・G、「エスティメイティング・ザ・ディメンジョン・オブ・ア・モデル(Estimating the dimension of a model)」、アナルズ・オブ・スタティスティクス、1978年、p.461−464 フリードマン・N、「ザ・ベイジィアン・ストラクチャル・イーエム・アルゴリズム(The Bayesian structural EM algorithm)」、フォーティーンス・カンファレンス・オン・サートゥンティ・イン・アーティフィシャル・インテリジェンス(UAI−98)、1998年 山ノ井高洋、瀋旅家、「3−wayデータ数量化の1手法について」、北海道大学研究報告、No.132、1986年、p.155−160
In Japanese Translation of PCT International Publication No. 2006-524157 (WO 2004/083972) (Patent Document 1), in order to support driving of a vehicle or the like, a current signal in the brain of the driver of the vehicle is detected to start a brake, for example. It is disclosed. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2006-280421 (Patent Document 2) discloses a brain function information monitoring apparatus that removes unnecessary components contained in a detection signal so that measurement using a brain function signal can be performed with high accuracy. . Japanese Patent Laying-Open No. 2003-84793 (Patent Document 3) discloses an independent component analysis method and apparatus suitable for application to an electroencephalogram signal.
Special table 2006-524157 (WO 2004/083972) JP 2006-280421 A JP2003-84793A Urpo J.R., McFarland D.J, "Control of a Dimensional Movement Signal by a Non-Invasive Brain-Computer Interface in Humans (Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans), Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2004. Year, Vol. 101, p. 17849-17854 Quinn L, Din L, Ha B, “Motor imagery classification by means of source analysis for brain-computer interface applications (Motor imagery classification by means of source analysis for brain-computer interface applications), Journal of Neural Engineering, 2004, Vol. 1, p. 135-141 Cardoso J. -F, Thoreau Miac A, "Blind beam-forming for Gaussian signals", EI Proceedings-F, 1993, Vol. 140, p. 362-370 Hiberainen A, Oja E, “A fast fixed-point algorithm for independent component analysis”, Neural Computation, 1997 Vol. 9, no. 7, p. 1483-1492 Amari S, Chen T, Chichokki A, “Nonholonomic orthogonal learning algorithm for blind source separation”, Neural Computation, 2000, Vol. . 12, p. 1463-1484 Choi S, Chichokki A, Amari S, “Flexible independent component analysis”, Journal of BUISI Signal Processing, 2000, Vol. 26, no. 1/2, p. 25-38 Friedman N, Murphy K, Russell S, "Learning the structure of dynamic probabilistic networks", Proceedings of Fourteenth Conference On Answer In Artificial Intelligence (UAI 98), 1998, p. 139-147 Schwartz G. “Estimating the dimension of a model”, Anals of Statistics, 1978, p. 461-464 Friedman N, “The Bayesian structural EM algorithm”, Fourteenth Conference on Thirty in Artificial Intelligence (UAI-98), 1998 Takahiro Yamanoi, Sakai Traveler, “About one method of quantifying 3-way data”, Hokkaido University research report, No. 132, 1986, p. 155-160

本発明の目的は、ブレイン・コンピュータ・インタフェースにおける上記した従来技術の問題点を除くためになされたものであって、単一試行の下で計測された脳波を用いて、相異なる各試行に対応する脳内活動の時空間パターンを検出できるブレイン・コンピュータ・インタフェース装置を提供することにある。 The object of the present invention is to eliminate the above-mentioned problems of the prior art in the brain computer interface, and to deal with each different trial using brain waves measured under a single trial. It is an object of the present invention to provide a brain computer interface device capable of detecting a spatiotemporal pattern of brain activity.

本発明のブレイン・コンピュータ・インタフェース装置は、ユーザから計測された複数チャネルのデジタル脳波データに対して独立成分分析を適用する独立成分分析実行部と、独立成分分析実行部から出力される各独立成分を各チャネル上に射影し、脳波計測時の電極位置における独立成分ごとの脳波の振幅値を算出する独立成分射影実行部と、独立成分射影実行部によって射影された多チャネル脳波データにダイポール解析を適用するダイポール解析部と、独立成分分析実行部、独立成分射影実行部及びダイポール解析部で得られた結果に基づき、各独立成分に対する、試行、時間、及びダイポールが推定された脳内部位からなる3次元データを生成する独立成分分析・ダイポール解析結果蓄積部と、3次元データを学習する脳活動パターン学習部と、を有する。 The brain computer interface apparatus of the present invention includes an independent component analysis execution unit that applies independent component analysis to digital brain wave data of a plurality of channels measured by a user, and each independent component output from the independent component analysis execution unit. Is projected onto each channel, and the independent component projection execution unit that calculates the amplitude of the EEG for each independent component at the electrode position at the time of EEG measurement, and the dipole analysis on the multichannel EEG data projected by the independent component projection execution unit Based on the results obtained in the applied dipole analysis unit, independent component analysis execution unit, independent component projection execution unit, and dipole analysis unit, it consists of brain regions where trial, time, and dipole are estimated for each independent component Independent component analysis / dipole analysis result storage unit for generating 3D data and brain activity pattern for learning 3D data It has a learning section, a.

本発明のブレイン・コンピュータ・インタフェース装置では、複数個の電極を用いてユーザの脳波を複数チャネルで計測し、計測された脳波信号をアナログ/デジタル変換してデジタル脳波データとする脳波計測部をさらに設けてもよい。また、脳活動学習部は、動的確率ネットワークを利用して脳活動パターンを学習する動的確率ネットワーク構築部を備えているか、あるいは、3ウェイ・カテゴリーデータ解析を利用して脳活動パターンを学習する3ウェイ・カテゴリーデータ解析部を備えていThe brain computer interface device of the present invention further includes an electroencephalogram measurement unit that measures a user's electroencephalogram with a plurality of channels using a plurality of electrodes and converts the measured electroencephalogram signal into analog / digital data to obtain digital electroencephalogram data. It may be provided. In addition, brain activity learning unit is equipped with a dynamic probability network construction unit to learn the brain activity patterns by using a dynamic probability network Luke, or, the brain activity patterns by using a 3-way category data analysis that features a 3-way category data analysis unit to be learned.

以下、本発明のブレイン・コンピュータ・インタフェース装置を構成する各構成要素について説明する。 Hereinafter, each component constituting the brain computer interface device of the present invention will be described.

(1)脳波計測部: 例えば、脳波計測用電極を、複数個、ヒト頭皮表面に接着し、あるいは脳波計測電極が貼り付けられたキャップ(帽子)(いわゆる電極キャップ)をヒト頭部に装着し、各電極を通じて計測されるアナログ信号を生体信号用アンプで増幅し、アナログ/デジタル(A/D)変換してデジタル信号データ(デジタル脳波データx)として蓄積するものである。   (1) Electroencephalogram measurement unit: For example, a plurality of electrodes for electroencephalogram measurement are bonded to the surface of the human scalp, or a cap (so-called electrode cap) with an electroencephalogram measurement electrode attached is attached to the human head. An analog signal measured through each electrode is amplified by a biological signal amplifier, converted from analog to digital (A / D), and stored as digital signal data (digital brain wave data x).

(2)独立成分分析実行部: デジタル脳波データxに独立成分分析を適用するものである。具体的には、u=Wxを満たす行列Wを算出する。ただし、uは独立成分である。また、電極数をn、サンプリング点の数をp、独立成分の数をkとすれば、xはn×p次の行列であり、uはk×p次の行列である。   (2) Independent component analysis execution unit: Applies independent component analysis to digital electroencephalogram data x. Specifically, a matrix W that satisfies u = Wx is calculated. However, u is an independent component. If n is the number of electrodes, p is the number of sampling points, and k is the number of independent components, x is an n × p-order matrix and u is a k × p-order matrix.

(3)独立成分射影実行部: 独立成分ujが寄与する、元々の電極位置における脳波の振幅値をxj=W+jによって算出するものである。ただし、W+はWの一般化逆行列であり、ujは行列uのj番目の行のみで、それ以外はすべて0からなる行列とする。 (3) Independent component projection execution unit: The amplitude value of the electroencephalogram at the original electrode position to which the independent component u j contributes is calculated by x j = W + u j . Here, W + is a generalized inverse matrix of W, and u j is only the j-th row of the matrix u, and the rest are all zeros.

(4)ダイポール解析実行部: 射影された多チャネル脳波データにダイポール解析を適用するものである。解析結果は、各サンプリング点における脳内活動の場所・向き・大きさである。   (4) Dipole analysis execution unit: Applies dipole analysis to projected multichannel EEG data. The analysis results are the location, orientation, and magnitude of brain activity at each sampling point.

(5)独立成分分析・ダイポール解析結果蓄積部: 独立成分分析実行部、独立成分射影実行部及びダイポール解析実行部から得られる結果は、推定されたダイポールの向きと大きさを無視すれば、各独立成分に対する、試行、時間(サンプリング点)、ダイポールが推定された脳内部位からなる3次元データとすることができる。独立成分分析・ダイポール解析結果蓄積部は、このような3次元データを生成する。   (5) Independent component analysis / dipole analysis result storage unit: The results obtained from the independent component analysis execution unit, the independent component projection execution unit, and the dipole analysis execution unit can be obtained by ignoring the estimated dipole direction and size. It can be set as three-dimensional data composed of trials, time (sampling points), and intracerebral sites where dipoles are estimated for independent components. The independent component analysis / dipole analysis result storage unit generates such three-dimensional data.

(6)脳活動パターン学習部: 動的確率ネットワークを利用して、あるいは3ウェイ・カテゴリーデータ解析を利用して、独立成分分析・ダイポール解析結果蓄積部で得られた脳活動パターンを学習する。   (6) Brain activity pattern learning unit: The brain activity pattern obtained by the independent component analysis / dipole analysis result accumulation unit is learned using a dynamic probability network or using 3-way category data analysis.

本発明のBCI(ブレイン・コンピュータ・インタフェース)装置では、単一試行遂行時に多チャネルで計測されたraw EEGに対して即座にICAおよびダイポール解析を適用し、ダイポールが推定された脳内部位を、時間と試行の関数として捉え、この3次元データに対して動的確率ネットワークあるいは多変量解析を適用することにより、各試行に対応する脳内活動の時空間パターンを学習する。これにより、単一試行の下で計測された脳波でも、試行の違いを、計測された脳波から精度良くかつ効率的に識別することが可能になる。 In the BCI (Brain Computer Interface) device of the present invention, an ICA and a dipole analysis are immediately applied to a raw EEG measured in multiple channels at the time of performing a single trial. By grasping it as a function of time and trial and applying a dynamic probability network or multivariate analysis to this three-dimensional data, the spatiotemporal pattern of brain activity corresponding to each trial is learned. Thereby, even in an electroencephalogram measured under a single trial, it is possible to accurately and efficiently discriminate the trial difference from the measured electroencephalogram.

本発明により、ノイズ混入が十分考えられる、単一試行の下で計測された脳波でも、単一試行に対応する脳内活動の時空間パターンを精度良くかつ効率的に検出して識別することができる。本発明は、BCI装置の実用化に有用なものであるばかりではなく、新たなBCI装置に関する研究の進展に役立つ。 According to the present invention, it is possible to accurately and efficiently detect and identify a spatiotemporal pattern of intracerebral activity corresponding to a single trial even in an electroencephalogram measured under a single trial in which noise contamination is sufficiently considered. it can. The present invention is useful not only for practical application of BCI devices , but also for research progress on new BCI devices .

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1の実施形態において用いられるBCI(ブレイン・コンピュータ・インタフェース)装置の構成を示すブロック図である。このBCI装置は、複数個の電極を用いてユーザの脳波を複数チャネルで計測し、計測された脳波信号をデジタル信号データとする脳波計測部11と、デジタル信号データに対して独立成分分析を適用する独立成分分析実行部12と、独立成分分析実行部12から出力される各独立成分を各チャネル上に射影し、脳波計測時の電極位置における独立成分ごとの脳波の振幅値を算出する独立成分射影実行部13と、独立成分射影実行部によって射影された多チャネル脳波データにダイポール解析を適用するダイポール解析部14と、独立成分分析実行部、独立成分射影実行部及びダイポール解析部で得られた結果に基づき、各独立成分に対する、試行、時間、及びダイポールが推定された脳内部位からなる3次元データを生成する独立成分分析・ダイポール解析結果蓄積部15と、3次元データを学習する脳活動パターン学習部16と、を備えている。 FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a BCI (Brain Computer Interface) device used in the first embodiment of the present invention. This BCI device uses a plurality of electrodes to measure a user's brain wave in a plurality of channels, and applies an independent component analysis to the brain signal measuring unit 11 that uses the measured brain wave signal as digital signal data. Independent component analysis executing unit 12 and independent component output from independent component analysis executing unit 12 are projected onto each channel, and an independent component for calculating an amplitude value of an electroencephalogram for each independent component at an electrode position during electroencephalogram measurement Obtained by the projection execution unit 13, the dipole analysis unit 14 that applies dipole analysis to the multichannel EEG data projected by the independent component projection execution unit, the independent component analysis execution unit, the independent component projection execution unit, and the dipole analysis unit Based on the results, independent component analysis that generates three-dimensional data consisting of brain regions where trial, time, and dipole are estimated for each independent component Dipole analysis result storage unit 15, and a brain activity pattern learning unit 16 for learning the three-dimensional data.

以下では、図2に示す3種類の線画刺激(それぞれ、"rare target"、"rare non-target"及び"frequent non-target"と称する)を、ランダムに、それぞれ20%(rare target)、20%(rare non-target)、60%(frequent non-target)の時間頻度でディスプレイ画面上に提示する。そして被験者に対しては、線画刺激がrare targetの時には自分の右手で線画の右手と握手するイメージをし、rare non-targetの時には自分の左手で線画の左手と握手するイメージをし、frequent non-targetの時に何もしないように被験者に教示する。各試行の遂行時に、複数チャネル(例えば32チャネル)の、被験者の頭部に装着された電極キャップを使って、被験者の頭皮上からraw EEGを計測する。こうして得られる単一試行EEGデータを利用して、右手イメージと左手イメージに対応する脳内活動の時空間パターンを学習し、試行の違い(右手/左手イメージ)を識別する方法を述べる。脳波計測のための具体的構成は、図3に示されている。   In the following, the three types of line drawing stimuli shown in FIG. 2 (referred to as “rare target”, “rare non-target” and “frequent non-target”, respectively) are randomly assigned 20% (rare target), 20 % (Rare non-target), 60% (frequent non-target) time on the display screen. When the line drawing stimulus is rare target, the subject shakes his hand with the right hand of the line drawing. When the line drawing stimulus is rare non-target, he shakes his left hand with the left hand of the line drawing. Instruct subjects to do nothing at -target. During each trial run, raw EEG is measured from above the subject's scalp using a multi-channel (eg, 32 channels) electrode cap attached to the subject's head. A method of learning the spatiotemporal pattern of brain activity corresponding to the right-hand image and the left-hand image using the single-trial EEG data obtained in this way, and identifying the difference between trials (right-hand / left-hand image) will be described. A specific configuration for electroencephalogram measurement is shown in FIG.

なお、図3に示すものでは、電磁シールド室内に被験者を配置し、脳波図(EEG)のほかに眼球運動図(EOG)及び筋電図(EMG)も取得するようにしている。脳波図は、電極キャップあるいは複数の電極を被験者の頭部に装着することによって取得され、生体信号用アンプで増幅され、A/D(アナログ/デジタル)変換されるようになっている。眼球運動図および筋電図はポリグラフによって増幅されてA/D変換される。また、電極の位置を計測する電極位置センサが設けられている。被験者に対して線画刺激を与えるために、AVタキストスコープ(瞬間露出器)が設けられている。一般的にはパーソナルコンピュータ(PC)やワークステーション(WS)からなるEEG測定システムが設けられており、AVタキストスコープからのトリガ信号、電極位置センサからの信号、デジタル化された脳波図、眼球運動図及び筋電図信号は、このEEG測定システムに入力する。したがって、EEG測定システムは、本実施形態における独立成分分析実行部12、独立成分射影実行部13、ダイポール解析部14、独立成分分析・ダイポール解析結果蓄積部15及び脳活動パターン学習部16としての機能を果たすことになる。図3には、32チャネルの脳波測定を行う際の頭皮における電極の配置も示されている。   In the example shown in FIG. 3, a subject is placed in an electromagnetic shield room and an eye movement diagram (EOG) and an electromyogram (EMG) are acquired in addition to an electroencephalogram (EEG). The electroencephalogram is acquired by attaching an electrode cap or a plurality of electrodes to the subject's head, amplified by a biological signal amplifier, and A / D (analog / digital) converted. The eye movement diagram and electromyogram are amplified by the polygraph and A / D converted. In addition, an electrode position sensor for measuring the position of the electrode is provided. In order to give a line drawing stimulus to a subject, an AV taxoscope (instant exposure device) is provided. In general, an EEG measurement system consisting of a personal computer (PC) or workstation (WS) is provided. The trigger signal from the AV taxiscope, the signal from the electrode position sensor, the digitized electroencephalogram, and the eyeball The exercise diagram and the electromyogram signal are input to this EEG measurement system. Therefore, the EEG measurement system functions as the independent component analysis execution unit 12, the independent component projection execution unit 13, the dipole analysis unit 14, the independent component analysis / dipole analysis result storage unit 15, and the brain activity pattern learning unit 16 in the present embodiment. Will be fulfilled. FIG. 3 also shows the arrangement of electrodes on the scalp when performing 32-channel electroencephalogram measurement.

次に、脳波計測部11、独立成分分析実行部12、独立成分射影実行部13、ダイポール解析部14、独立成分分析・ダイポール解析結果蓄積部15及び脳活動パターン学習部16のそれぞれについて、詳細に説明する。   Next, each of the electroencephalogram measurement unit 11, independent component analysis execution unit 12, independent component projection execution unit 13, dipole analysis unit 14, independent component analysis / dipole analysis result storage unit 15 and brain activity pattern learning unit 16 will be described in detail. explain.

脳波計測部11:
電極キャップとしては、例えばECI社製Electrocapを利用することができる。各電極から計測されるアナログ信号を生体信号用アンプ(例えば、日本GEマルケット社製Biotop 6R12-4)で増幅し、A/D変換して、デジタル信号データxを得る(図3参照)。ここでは、電極数を32とし、各試行において、線画刺激のオンセット(onset)前100msからオンセット後600msまでの脳波を計測するものとして、脳波測定におけるサンプリング周波数を1kHzとする。この時、デジタル信号データxは、各試行に対して、32×700次の行列となる。
EEG measurement unit 11:
As the electrode cap, for example, Electrocap manufactured by ECI can be used. The analog signal measured from each electrode is amplified by a biological signal amplifier (for example, Biotop 6R12-4 manufactured by Japan GE Marquette) and A / D converted to obtain digital signal data x (see FIG. 3). Here, it is assumed that the number of electrodes is 32, and in each trial, an electroencephalogram is measured from 100 ms before onset of line drawing stimulation to 600 ms after onset, and the sampling frequency in the electroencephalogram measurement is 1 kHz. At this time, the digital signal data x is a 32 × 700 order matrix for each trial.

独立成分分析実行部12:
次に、脳波計測部11から出力されるデジタル信号データxに対して、独立成分分析実行部12において、ICA(独立成分分析)を適用する。ICAは高次オーダ統計量に基づいて相互独立性を探索するアルゴリズムである。具体的には
u=Wx
として、uが独立成分となるように行列Wを求めることに帰着される。独立成分の数をkとすれば、Wはk×n次の行列となる。Wを求めるアルゴリズムとしては、JADE(robust joint approximate diagonalization of eigen matrices)(非特許文献3)、Fast ICA(非特許文献4)、SANG(self adaptive natural gradient algorithm with nonholonomic constraints)(非特許文献5)、NG−FICA(natural gradient-flexible ICA)(非特許文献6)など、さまざまなものが知られている。コンピュータソフトウェアであるMATLAB Toolbox上で実行可能な、アカデミックフリーなソフトウエア(例えば、ICALAB for Signal Processing, http://www.bsp.brain.riken.jp/ICALAB/ ICALABSignalProc/)を利用することができる。
Independent component analysis execution unit 12:
Next, the independent component analysis execution unit 12 applies ICA (independent component analysis) to the digital signal data x output from the electroencephalogram measurement unit 11. ICA is an algorithm that searches for mutual independence based on higher-order order statistics. Specifically, u = Wx
As a result, the matrix W is determined so that u becomes an independent component. If the number of independent components is k, W is a k × n-order matrix. As algorithms for obtaining W, JADE (robust joint approximate diagonalization of eigen matrices) (Non-patent document 3), Fast ICA (non-patent document 4), SANG (self-adaptive natural gradient algorithm with nonholonomic constraints) (Non-patent document 5) Various types such as NG-FICA (natural gradient-flexible ICA) (Non-Patent Document 6) are known. Academic-free software (for example, ICALAB for Signal Processing, http://www.bsp.brain.riken.jp/ICALAB/ ICALABSignalProc /) that can be executed on the computer software MATLAB Labbox can be used. .

上記の独立成分分析の結果から、元々の行列xは
x=W+
と再構成できる。ただしW+は、一般にk≠n(kは最大でp)なので、Wの一般化逆行列(n×k次)であり、uはk×p次の行列である。
From the result of the above independent component analysis, the original matrix x is x = W + u
Can be reconfigured. However, since W + is generally k ≠ n (k is p at maximum), it is a generalized inverse matrix (n × k order) of W, and u is a k × p order matrix.

独立成分射影実行部13:
独立成分射影実行部13は、独立成分分析実行部12で求めた行列Wに対して、射影演算を実行し、多チャンネル脳波データxjを求める。独立成分uj(j=1,…,k)が寄与する、元々の電極位置における脳波の振幅値は、
j=W+j
で求めることができる。ただしujは、行列uのj番目の行以外はすべて0とする行列である。
Independent component projection execution unit 13:
Independent component projection execution unit 13, to the determined by independent component analysis execution unit 12 matrix W, then perform a project operation, obtaining the multi-channel EEG data x j. The amplitude value of the electroencephalogram at the original electrode position to which the independent component u j (j = 1,..., K) contributes is
x j = W + u j
Can be obtained. However, u j is a matrix in which all but the j-th row of the matrix u are set to 0.

ダイポール解析実行部14:
ダイポール解析実行部14は、各独立成分(j)に対して独立成分射影実行部13において射影された多チャネル脳波データxjに対し、ダイポール解析を適用する。ダイポール解析には、例えば、NEC製ダイポール解析ソフトウエア「SynaCenter」を利用することができる。
Dipole analysis execution unit 14:
The dipole analysis execution unit 14 applies dipole analysis to the multichannel electroencephalogram data x j projected by the independent component projection execution unit 13 for each independent component (j). For example, NEC dipole analysis software “SynaCenter” can be used for the dipole analysis.

独立成分分析・ダイポール解析結果蓄積部15:
独立成分分析・ダイポール解析結果蓄積部15は、ICAとダイポール解析の結果を蓄積し、それらに基づいて、脳内活動の時空間パターンを求める。
Independent component analysis / dipole analysis result storage unit 15:
The independent component analysis / dipole analysis result accumulation unit 15 accumulates the results of ICA and dipole analysis, and obtains a spatiotemporal pattern of brain activity based on the results.

ダイポールモデルとして、非制約ダイポール(unconstrained dipoles)を仮定すれば、すべてのサンプリング点のそれぞれに対して、ダイポールを推定することができる。しかしながら、図4に例示したように、ICAを適用した直後の各独立成分の時間変化は、ある時刻において、1つあるいは2つの極値を有する傾向にあるので、それらの時刻においてのみ、1つあるいは2つのunconstrained dipolesを仮定して、ダイポール解析を適用する。このとき、推定時刻は、0〜100ms、101ms〜200ms、201ms〜300ms、301ms〜400ms、401ms〜500ms、501ms〜600ms、すなわち、6個の区間のいずれかに割り当てられた。また、電極数が32なので、独立成分の数はせいぜい32である。しかしながら、本発明者らの実験によれば、実データにICAを適用した結果、意味ある(すなわちノイズではない)独立成分の数は、最大でも20であることが判明した。結局、各試行に対して、上記すべての時間幅においてダイポール解析が実行されると仮定すれば、20(独立成分の数)×1〜2(ダイポール数)×6(時間幅の個数)=120〜240個の推定結果(脳内部位)が得られることになる。こうして、各試行に対して、脳内活動の時空間パターンが得られることになる。これらの結果を図5のようにモデル化する。   Assuming unconstrained dipoles as the dipole model, dipoles can be estimated for each of all sampling points. However, as illustrated in FIG. 4, the time change of each independent component immediately after application of ICA tends to have one or two extreme values at a certain time, and therefore, only one at those times. Alternatively, dipole analysis is applied assuming two unconstrained dipoles. At this time, the estimated time was assigned to 0 to 100 ms, 101 ms to 200 ms, 201 ms to 300 ms, 301 ms to 400 ms, 401 ms to 500 ms, 501 ms to 600 ms, that is, any of the six sections. Further, since the number of electrodes is 32, the number of independent components is 32 at most. However, according to experiments by the present inventors, as a result of applying ICA to actual data, it has been found that the number of meaningful (that is, not noise) independent components is at most 20. After all, assuming that dipole analysis is performed for each trial in all the above time widths, 20 (the number of independent components) × 1-2 (the number of dipoles) × 6 (the number of time widths) = 120 ˜240 estimation results (regions in the brain) will be obtained. Thus, a spatiotemporal pattern of brain activity is obtained for each trial. These results are modeled as shown in FIG.

脳活動パターン学習部16:
脳活動パターン学習部16は、独立成分分析・ダイポール解析結果蓄積部15において得られた各試行に対する脳内活動の時空間パターンを使って、2種類の試行(右手イメージと左手イメージ)に対応する動的確率ネットワーク(dynamic probabilistic network、以後、DPNと略す)を構築する。第1の実施形態においては、脳活動パターン学習部16内には、DPNを構築するための動的確率ネットワーク構築部21が設けられている。DPNとは、時間的な推移過程をモデル化するために、固定された確率変数集合上の確率分布を記述する確率ネットワーク(probabilistic network、以後、PNと略す)を拡張した表現である(非特許文献7)。
Brain activity pattern learning unit 16:
The brain activity pattern learning unit 16 corresponds to two types of trials (right hand image and left hand image) using the spatiotemporal pattern of brain activity for each trial obtained in the independent component analysis / dipole analysis result accumulation unit 15. A dynamic probabilistic network (hereinafter abbreviated as DPN) is constructed. In the first embodiment, a dynamic probability network constructing unit 21 for constructing a DPN is provided in the brain activity pattern learning unit 16. DPN is an extended expression of a probability network (probabilistic network, hereinafter abbreviated as PN) that describes a probability distribution on a fixed set of random variables in order to model a temporal transition process (non-patented). Reference 7).

ここで、PNおよびDPNを詳細に説明する前に、以下では、若干のノーテーション準備をする。   Here, before explaining PN and DPN in detail, some preparations for notation are made below.

離散的な確率変数の集合X上の分布を考える。ただし、各変数Xiは1つの有限集合からの値をとり、それをVal(Xi)と書くことにする。Val(Xi)のサイズを‖Xi‖と記す。X,Y、Zのような大文字で変数名を、x,y,zのような小文字でそれらの変数がとる値を表す。1つのネットワークが与えられたとき、X={X1,…,Xn}は、トポロジー的な順序を有するネットワークの変数を表し、PはX内の変数上の同時確率分布を表す。 Consider a distribution on a set X of discrete random variables. However, each variable X i takes a value from one finite set and writes it as Val (X i ). The size of Val (X i ) is denoted as ‖X i ‖. The variable names are represented by capital letters such as X, Y, and Z, and the values taken by these variables are represented by small letters such as x, y, and z. Given a network, X = {X 1 ,..., X n } represents a network variable having a topological order, and P represents a joint probability distribution on the variables in X.

PNは、アノテート(annotate)されたDAG(閉路を含まない有向グラフ:directed acyclic graph)であり、X上の同時確率分布をエンコードするものである。形式的には、Xに対するPNは、B=(G,Θ)で表される。ただし、GはDAGであり、その頂点は確率変数X1,…,Xnに対応する。それらの確率変数は、以下の条件付独立性仮定の集合をエンコードする。この仮定とは、G内で親Pa(Xi)が与えられた時、各変数Xiはその非子孫とは独立である、というものである。Θは、そのネットワークを定量化するパラメータの集合を表す。最も簡単な場合、それは、Xiの各とり得る値kiとPa(Xi)の各とり得る値をjiの集合に対して、パラメータ PN is an annotated DAG (directed acyclic graph) that encodes a joint probability distribution on X. Formally, the PN for X is expressed as B = (G, Θ). However, G is DAG and the vertex corresponds to random variables X 1 ,..., X n . These random variables encode the following set of conditional independence assumptions. This assumption is that when a parent Pa (X i ) is given in G, each variable X i is independent of its non-descendants. Θ represents a set of parameters that quantify the network. In the simplest case, it takes each possible value k i of X i and each possible value of Pa (X i ) for a set of j i parameters

を含む。GとΘが与えられると、1つのPNであるBは、X上の同時確率分布を一意に定義し、それは including. Given G and Θ, one PN, B, uniquely defines a joint probability distribution on X, which is

で与えられる。 Given in.

DPNは、時間過程をモデル化するために、PNを拡張した表現である。簡単のため、非負の整数によって指標化される離散的な時間点の間で変化が生じることを仮定する。その際、X={X1,…,Xn}はその過程が変化する属性の集合であることを仮定する。Xi[t]は、その確率変数であり、時刻tにおけるその属性Xiの値を表し、X[t]は、確率変数Xi[t]の集合である。 The DPN is an expression obtained by extending the PN in order to model a time process. For simplicity, assume that changes occur between discrete time points indexed by non-negative integers. In this case, it is assumed that X = {X 1 ,..., X n } is a set of attributes whose process changes. X i [t] is the random variable and represents the value of the attribute X i at time t, and X [t] is a set of random variables X i [t].

その過程のとり得る軌跡について信じられることを表現するために、確率変数X[0]∪X[1]∪X[2]∪…上の確率分布が必要である。もちろn、そのような1つの分布は非常に複雑である可能性が高い。そこで、その過程がXに関してマルコフ性を有すること、すなわち、
P(X[t+1]|X[0],…,X[t])=P(X[t+1]|X[t])
を仮定する。さらに、その過程が定常的、すなわち推移確率P(X[t+1]|X[t])がtに依存しないことを仮定する。
In order to express what is believed about the trajectory that the process can take, a probability distribution on the random variable X [0] ∪X [1] ∪X [2] ∪. Of course, one such distribution is likely to be very complex. Therefore, the process has a Markov property with respect to X, that is,
P (X [t + 1] | X [0],..., X [t]) = P (X [t + 1] | X [t])
Assuming Further, it is assumed that the process is stationary, that is, the transition probability P (X [t + 1] | X [t]) does not depend on t.

マルコフ性と定常性の仮定の下で、1つの過程のとり得る軌跡すべてにわたる同時分布を表すDPNは、以下の2つの部分から構成される:
・B0:事前ネットワーク、初期状態X[0]上の1つの分布を特定する;
・B:推移ネットワーク、すべてのtに対して推移確率P(X[t+1]|X[t])を特定するための変数X[0]∪X[1]上の分布。
Under the assumption of Markovism and stationarity, a DPN that represents the joint distribution over all possible trajectories of a process is composed of two parts:
B 0 : specifies a distribution on the prior network, initial state X [0];
B : Transition network, distribution on variable X [0] ∪X [1] for specifying transition probability P (X [t + 1] | X [t]) for all t.

図6に簡単な例を示す。推移ネットワーク(しかし事前ネットワークではない)においては、X[0]の中の変数は親を持たない。そのようなネットワーク(NW)によってインプライ(imply)される推移確率は、   FIG. 6 shows a simple example. In a transit network (but not a prior network), the variables in X [0] have no parent. The transition probability implied by such a network (NW) is

で与えられる。 Given in.

(B0,B)によって定義されるDPNは、変数X[0],…,X[∞]上の半無限ネットワークに対応する。実際には、有限な区間0,…,Tについてのみ推論する。このために、そのDPN構造をX[0],…,X[T]上の1つのPNへ概念的に“アンロール(unroll)”することができる。スライス(slice)0の中で、Xi[0]の親は事前ネットワークB0の中で特定された親である;スライスt+1の中では、Xi[t+1]の親はスライスtとスライスt+1の中のノードであり、Bの中でXi[1]の親に対応する。同様にして、これらの変数に対する条件付分布をコピーする。図6(b)は、図6(a)のネットワーク(NW)を3つの時間スライス(time slices)に対してアンロールした結果を示している。1つのDPNモデルを与えれば、X[0],…,X[T]上の同時分布は、 The DPN defined by (B 0 , B ) corresponds to a semi-infinite network on variables X [0],..., X [∞]. In practice, only finite intervals 0,. For this purpose, the DPN structure can be conceptually “unrolled” to one PN on X [0],..., X [T]. In slice 0, the parent of X i [0] is the parent identified in prior network B 0 ; in slice t + 1, the parent of X i [t + 1] is the slice t and slice t + 1 Corresponding to the parent of X i [1] in B 1 . Similarly, copy the conditional distribution for these variables. FIG. 6B shows a result of unrolling the network (NW) of FIG. 6A with respect to three time slices. Given one DPN model, the simultaneous distribution on X [0], ..., X [T] is

で与えられる。ただし、 Given in. However,

は、その推移モデルから、明らかな方法で得られる。 Is obtained in an obvious way from the transition model.

図5と図6を比較することにより、本発明では、X1,X2,…が、例えば、視覚野、視覚前野などの相異なる脳内部位に対応し、t=0,1,…が、例えば、〜100ms、〜200ms、…などに対応することが分かる。 By comparing FIG. 5 and FIG. 6, in the present invention, X 1 , X 2 ,... Correspond to different brain regions such as the visual cortex and the visual precortex, and t = 0, 1,. For example, it can be seen that it corresponds to ˜100 ms, ˜200 ms,.

以下では、学習すべきデータが、(a)完全データの場合と(b)不完全データの場合とに分けて記載する。   In the following, the data to be learned will be described separately for (a) complete data and (b) incomplete data.

(a) 完全データからDPNを学習する手順
PNを学習する問題は以下のように定式化される:
「Xのインスタンス(instances)から成る学習セットDが与えられた時、Dに最も適合する(best match)するネットワーク B=(G,Θ)を探す」
best matchの概念は、スコア関数を使って定義される。最もよく使われるスコア関数はBIC(Bayesian Information Criteria)とBDeである。これらのスコア関数は共にネットワークに従ったデータの尤度
L(B:D)=log Pr(D|B)
に、ネットワークの複雑さに関係するあるペナルティ(penalty)を組み合わせる。PNの構造を学習する時、複雑性ペナルティは本質的である。なぜなら、最尤ネットワークは、たいてい、完全結合ネットワークだからである。
(A) Procedure for learning DPN from complete data The problem of learning PN is formulated as follows:
“When a learning set D consisting of instances of X is given, find the network B = (G, Θ) that best matches D”
The concept of best match is defined using a score function. The most frequently used score functions are BIC (Bayesian Information Criteria) and BDe. Both of these score functions are the likelihood of data according to the network L (B: D) = log Pr (D | B)
Combined with some penalty related to the complexity of the network. Complexity penalties are essential when learning the structure of a PN. This is because the maximum likelihood network is usually a fully connected network.

BICとBDeスコアはネットワーク構造の事後確率から導出される。確率変数Gが、事実、現実世界で得られるかも知れない可能なネットワーク構造上の範囲にあるとする。このとき、ベイズ則を使って、G上の事後分布は、
Pr(G|D)∝Pr(D|G)Pr(G)
を満たす。ただし、1つのネットワーク構造が与えられたとき、データの尤度は、関連するネットワークパラメータ上で、条件付きにすることにより計算することが可能である:
Pr(D|G)=∫Pr(D|G,Θ)Pr(Θ|G)dΘ (2)
事前パラメータを特定しこの積分を評価することは、明らかに困難である可能性がある。(2)式の積分の完全な計算を避けるための1つのアプローチは、この項の漸近的な挙動を調べることである。大多数のデータ点が与えられた時、(事前確率が任意の事象に対して確率0を与えることはないと仮定して)事後確率は、事前確率の選択に敏感ではない。非特許文献8では、ウェル・ビヘーブド(well-behaved)な事前確率に対する以下の漸近推定量を導出している:
BIC and BDe scores are derived from the posterior probabilities of the network structure. Assume that the random variable G is in the range of possible network structures that may in fact be obtained in the real world. At this time, using Bayes rule, the posterior distribution on G is
Pr (G | D) ∝Pr (D | G) Pr (G)
Meet. However, given a network structure, the likelihood of the data can be calculated by making it conditional on the relevant network parameters:
Pr (D | G) = ∫Pr (D | G, Θ) Pr (Θ | G) dΘ (2)
It can be clearly difficult to identify the prior parameters and evaluate this integral. One approach to avoiding the complete calculation of the integral of equation (2) is to examine the asymptotic behavior of this term. Given the majority of data points, the posterior probability is not sensitive to prior probability selection (assuming that the prior probability does not give a probability of 0 for any event). Non-Patent Document 8 derives the following asymptotic estimator for well-behaved prior probabilities:

ただし、 However,

は、データの尤度を最大にする、Gに対するパラメータセッティングである。また、Nは学習インスタンスの数、#GはGの次元(完全データの場合には、パラメータの数になる)、O(1)は、NやGとは独立な定数項である。BICスコアは、候補ネットワーク構造をランク付けするために、(3)式を使う。これにより、事前パラメータの必要性が未然に防がれ、構造上の事前確率はパラメータをカウントすることに帰着される。 Is a parameter setting for G that maximizes the likelihood of the data. N is the number of learning instances, #G is the dimension of G (in the case of complete data, it is the number of parameters), and O (1) is a constant term independent of N and G. The BIC score uses equation (3) to rank the candidate network structure. This obviates the need for prior parameters, and structural prior probabilities result in counting parameters.

(i) DPNに対するBICスコアの計算方法
seq個の完全な観測列からなる学習セットが与えられたと仮定する。そのようなl番目の列の長さNlを有し、変数xl[0],…,xl[Nl]に対する値を特定する。そのような1つのデータセットは初期スライスのNseq個のインスタンスと、推移の
(i) BIC score calculation method for DPN Assume that a learning set consisting of N seq complete observation sequences is given. It has such an l-th column length N l and specifies a value for the variables x l [0],..., X l [N l ]. One such data set contains N seq instances of the initial slice and the transition

個のインスタンスを与える。前者のインスタンスからB0を学習し、後者のインスタンスからBを学習することができる。 Give instances. B 0 can be learned from the former instance and B 1 can be learned from the latter instance.

ここでいくつかのノーテーションを導入する。   Here are some notations.

同様にして、t=1,…,Tに対して、   Similarly, for t = 1,.

また、各ファミリ(family)に対して、十分統計量に対するあるノーテーションを必要とする:   Also, for each family, you need some notation for the statistics enough:

ただし、I(・;xl)はインジケータ(indicator)関数であり、もし事象・が列xlの中で生じたならば値1をとり、それ以外では値0をとる。 However, I (•; x l ) is an indicator function, which takes a value of 1 if an event occurs in the sequence x l and takes a value of 0 otherwise.

(1)式を使い、そして各項を再配置することにより、正にPNと同じように、尤度関数がDPNの構造に従って以下のように分解されることを見い出す:   By using equation (1) and rearranging each term, just like PN, we find that the likelihood function is decomposed according to the structure of DPN as follows:

こうして、対数尤度は Thus, the log likelihood is

で与えられる。 Given in.

多項分布に対する標準的な最尤推定量を使って、   Using the standard maximum likelihood estimator for the multinomial distribution,

に対する以下の表現を得る: Get the following expression for:

そして、推移ネットワークの場合にも同様にして得られる。条件付き確率テーブル(Conditional probability tables)の場合、ネットワークにおけるパラメータの数は
#G=#G0+#G
によって与えられる。ただし、
In the case of a transition network, it is obtained similarly. In the case of conditional probability tables, the number of parameters in the network is # G = # G 0 + # G
Given by. However,

そして、推移ネットワークの場合に対しても同様である。 The same applies to the case of the transition network.

最後に、(3)式に代入して、BICスコアは、
BIC(G:D)=BIC0+BIC (6a)
で与えられる。ただし、
Finally, by substituting into equation (3), the BIC score is
BIC (G: D) = BIC 0 + BIC (6a)
Given in. However,

(ii) DPNに対するBDeスコアの計算方法
非特許文献8に詳しく述べられているので、ここでは省略する。
(ii) Method for calculating BDe score for DPN Since it is described in detail in Non-Patent Document 8, it is omitted here.

(b) 不完全データからDPNを学習する手順
部分的な観測からの学習に伴う主な困難さは、(4)式のスコア分解の性質をもはや有しないうことにある。これは、そのネットワークの一部における最適なパラメータの選択がそのネットワークの他の部分におけるパラメータ選択に依存する、ということである。この問題を緩和するために最もよく使われる方法が、EM(Expectation-Maximization)法である。EMのEステップは、カウントの期待値を計算することによりそのデータを完全にするために、現在推定されたパラメータを使う。Mステップは、それから、そのカウントの期待値が真の観測されたカウントであるかのように、最尤パラメータ値を再推定する。
(B) Procedure for learning DPN from incomplete data The main difficulty with learning from partial observation is that it no longer has the nature of the score decomposition of equation (4). This means that the selection of optimal parameters in one part of the network depends on the parameter selection in other parts of the network. The most commonly used method for alleviating this problem is the EM (Expectation-Maximization) method. The E step of EM uses the currently estimated parameters to complete the data by calculating the expected value of the count. The M step then re-estimates the maximum likelihood parameter value as if the expected value of that count was a true observed count.

結局、BICをスコア関数として用いた場合の、完全データあるいは不完全データDにbest matchするDPNを求める手順は、以下のようにまとめられる:
《1》 できる限りランダムに、(B0 0,B 0)を選択する;
《2》 以下、(B0 n+1,B n+1)=(B0 n,B n)を満たすまで、n=0,1,…を繰り返す。EM法を使って、(B0 n,B n)のパラメータを改変し、(B0 n,B n)の下で計算されるカウント数の期待値に基づいて、可能なDPN構造すべてを探索する。具体的には、非特許文献9の結果のアナロジーから、不完全データの場合、DPNのスコアの期待値の大小関係によって、DPNの真のスコアの大小関係が保証されるので、BICの計算にはこれら期待値を代用する。すなわち、Dが完全データの場合にはBICの計算に(6a)-(6c)式をそのまま利用するが、Dが不完全データの場合には、(5')式、(5")式、(6b)式、(6c)式内の
After all, the procedure for obtaining a DPN that best matches complete data or incomplete data D when using BIC as a score function can be summarized as follows:
<< 1 >> Select (B 0 0 , B 0 ) as randomly as possible;
<< 2 >> Hereinafter, n = 0, 1,... Is repeated until (B 0 n + 1 , B n + 1 ) = (B 0 n , B n ) is satisfied. Using the EM method, (B 0 n, B → n) modifying the parameters of, (B 0 n, B → n) based on the count number of the expected value calculated under the possible DPN Structure All Explore. Specifically, from the analogy of the results of Non-Patent Document 9, in the case of incomplete data, the magnitude relationship of the expected value of the DPN score guarantees the magnitude relationship of the true DPN score. Substitutes these expected values. That is, when D is complete data, the equations (6a)-(6c) are used as they are for the calculation of BIC, but when D is incomplete data, equations (5 '), (5 "), (6b) and (6c)

を、以下で与えられるそれらの期待値に置き換える: Replace with the expected values given below:

《3》 《2》において、最良なBICスコア値を有するDPNを(B0 n+1,B n+1)と置く。もし、(B0 n+1,B n+1)=(B0 n,B n)ならば(B0 n+1,B n+1)を返して終了し、そうでなければnをn+1として《2》へ戻る。 << 3 >> In << 2 >>, the DPN having the best BIC score value is set as (B 0 n + 1 , B n + 1 ). If (B 0 n + 1 , B n + 1 ) = (B 0 n , B n ), return (B 0 n + 1 , B n + 1 ) and end, otherwise Set n to n + 1 and return to << 2 >>.

次に、本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態のBCI装置は、第1の実施形態のものと同様のものであるが、脳活動パターン学習部16において、DPNの構築を行う代わりに3ウェイ・カテゴリカルデータ解析を行う点で、第1の実施形態のものと異なっている。したがって、第2の実施形態のBCI装置は、図1に示した構成において、脳活動パターン学習部16内に、動的確率ネットワーク構築部21の代わりに3ウェイ・カテゴリカルデータ解析部22が設けられている。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. The BCI device of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, but the brain activity pattern learning unit 16 performs 3-way categorical data analysis instead of constructing the DPN. Thus, it is different from that of the first embodiment. Therefore, the BCI apparatus according to the second embodiment is provided with a 3-way categorical data analysis unit 22 instead of the dynamic probability network construction unit 21 in the brain activity pattern learning unit 16 in the configuration shown in FIG. It has been.

カテゴリカルデータ解析の一手法として林の数量化理論がある。この手法は、個体と1つの属性のアイテム・カテゴリーからなる、いわゆる2ウェイ(2-way)データの解析を目的としている。これは、個体・1属性の観点に関するデータ解析法である。しかしながら、一般に得られるカテゴリカルデータは、必ずしも属性が1種類とは限らない。このため、非特許文献10では、数量化II類の拡張である3ウェイ・カテゴリカルデータ解析法が提案されている。   Hayashi's quantification theory is one method of categorical data analysis. The purpose of this method is to analyze so-called 2-way data consisting of an individual and an item category with one attribute. This is a data analysis method related to the viewpoint of an individual and one attribute. However, generally obtained categorical data does not necessarily have one type of attribute. For this reason, Non-Patent Document 10 proposes a three-way categorical data analysis method that is an extension of quantification type II.

サンプル数がn個の個体Pi(i=1,…,n)に関して、2組の観点(Qj,Rk)(j=1,…,l k=1,…,m)から測定された同時パターンδi(j,k)が与えられているとする。ただし、δi(j,k)は、 The number of samples is measured from two sets of viewpoints (Q j , R k ) (j = 1,..., L k = 1,..., M) for n individuals P i (i = 1,..., N). Assume that a simultaneous pattern δ i (j, k) is given. Where δ i (j, k) is

と定義する。ここで、n個の個体はg個のグループに分かれているものとする。この3ウェイ・データに対して、以下の問題を考える:
<問題> 与えられた同時パターンδi(j,k)とグループの情報とをもとに、グループが未知の同時パターンdh(j,k)を持つ個体Phをグループに分類する。
It is defined as Here, it is assumed that n individuals are divided into g groups. Consider the following issues for this 3-way data:
<Problem> Based on the given simultaneous pattern δ i (j, k) and group information, individuals P h having a simultaneous pattern d h (j, k) whose group is unknown are classified into groups.

本実施形態では、Piが各試行、Qjが相異なる脳内部位、Rkが時間区間、グループが右手/左手イメージ、dh(j,k)がテストデータとして計測された単一試行(single-trial)EEGに対してICAおよびダイポール解析を適用した結果であり、右手イメージ、左手イメージ、あるいはそれら以外のグループに分類すべきデータに対応する。 In this embodiment, P i is each trial, Q j is a different brain region, R k is a time interval, a group is a right / left hand image, and d h (j, k) is measured as test data. (single-trial) This is a result of applying ICA and dipole analysis to EEG, and corresponds to data to be classified into right-handed images, left-handed images, or other groups.

この問題を解くための準備として以下の諸量を定義する:   In preparation for solving this problem, we define the following quantities:

i(α)≡δi(j,k) D i (α) ≡δ i (j, k)

α≡m(j−1)+k
L≡l×m
なお、α,β,γがとり得る範囲については、それぞれ、α=1,…,L;β=1,…,M(=l+m);γ=1,…,gとする。さらに、同時パターンの各セルに対するダミー変数をbjk、同時パターンの行と列に対するダミー変数を、それぞれ、cj,dkとする。また、各グループに対するダミー変数をaγとすれば、これらにより、個体Piに関するグループによる値yiと、同時パターンによる値ziを次のように定義するものとする。
α≡m (j−1) + k
L≡l × m
Note that the ranges that α, β, and γ can take are α = 1,..., L; β = 1,..., M (= 1 + m); Furthermore, the dummy variable for each cell of the simultaneous pattern is b jk , and the dummy variable for the row and column of the simultaneous pattern is c j and d k , respectively. Further, if the dummy variables and a gamma for each group, these by, and defines the value by group y i regarding individual P i, the value z i by simultaneous pattern as follows.

さらに、ダミー・ベクトルとして次の諸量を導入する。   In addition, the following quantities are introduced as dummy vectors.

a≡[a1,a2,…,ag
b≡[b11,b12,…,b1m,b21,…,b2m,…bl1,bl2,…,blm
数量化の目的から、yi、ziの相関が最大となるように、ダミー・ベクトルbを決定すれば、(6.2.2)式によりziの数量化が行える。この場合の相関は正準相関であるので、数量化の際の基準として、
a≡ [a 1 , a 2 ,..., a g ]
b≡ [b 11 , b 12 , ..., b 1m , b 21 , ..., b 2m , ... b l1 , b l2 , ..., b lm ]
The purpose of quantification, as y i, correlation z i is the maximum, be determined dummy vector b, it allows the quantity of the z i by (6.2.2) below. Since the correlation in this case is a canonical correlation,

をとることにする。ただし、Σ11,Σ22,Σ21は、以下のように定義される分散・共分散行列である: To take. Where Σ 11 , Σ 22 and Σ 21 are variance / covariance matrices defined as follows:

しかしながら、δi(γ)に However, δ i (γ)

なる条件があることから、上記の分散・共分散行列にはランク落ちがある。したがって、任意の1要素ずつを取り除く必要がある。そこで、δi(γ)とaに関してg番目、Di(α)とbに関してはL番目の要素を取り除いたものを、それらのベクトルや行列を表す文字の上に「〜」を付けて表すこととする。すると、(6.2.3)式は There is a rank drop in the above variance / covariance matrix. Therefore, it is necessary to remove arbitrary elements one by one. Therefore, “g” with respect to δ i (γ) and a, and L with respect to D i (α) and b with the L-th element removed are represented by adding “˜” on the character representing the vector or matrix. I will do it. Then, equation (6.2.3) becomes

となる。この式を以下の条件: It becomes. This formula has the following conditions:

の下で最大化することを考える。ラグランジュ(Lagrange)の未定乗数λ,μを用いると Think about maximizing under. Using Lagrange's undetermined multipliers λ and μ

とおける。これにより、 You can. This

から From

を得る。なお、条件式(6.2.5),(6.2.6)を考慮すると、λ=μとなる。結局、これは、 Get. In consideration of conditional expressions (6.2.5) and (6.2.6), λ = μ. After all, this is

となる一般固有値問題に帰着できる。この式から Can be reduced to a general eigenvalue problem. From this formula

を求め、(6.2.7)式、(6.2.8)式とあわせて Together with (6.2.7) and (6.2.8)

を得る。これと(6.2.2)式により、同時パターンPhに対する数量化が Get. This and (6.2.2) formula, quantification for simultaneous pattern P h is

として求まる。ただし、パターンベクトルは It is obtained as However, the pattern vector is

である。 It is.

本発明の第1及び第2の実施形態において用いられるBCI(ブレイン・コンピュータ・インタフェース)装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the BCI (brain computer interface) apparatus used in the 1st and 2nd embodiment of this invention. 脳波計測実験で利用した3種類の線画刺激を示す図である。It is a figure which shows three types of line drawing stimuli utilized in the electroencephalogram measurement experiment. 脳波計測のための配置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the arrangement | positioning for an electroencephalogram measurement. 独立成分分析の適用例と独立成分を射影した結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the result of having projected the example of application of independent component analysis, and an independent component. 独立成分分析にさらにダイポール解析を行った結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the result of having further performed dipole analysis to the independent component analysis. 動的確率ネットワークモデルの例を示す図である。It is a figure which shows the example of a dynamic probability network model.

符号の説明Explanation of symbols

11 脳波計測部
12 独立成分分析実行部
13 独立成分射影実行部
14 ダイポール解析実行部
15 独立成分分析・ダイポール解析結果蓄積部
16 脳活動パターン学習部
21 動的確率ネットワーク構築部
22 3ウェイ・カテゴリカルデータ解析部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 EEG measurement part 12 Independent component analysis execution part 13 Independent component projection execution part 14 Dipole analysis execution part 15 Independent component analysis and a dipole analysis result storage part 16 Brain activity pattern learning part 21 Dynamic probability network construction part 22 3 way categorical Data analysis department

Claims (3)

脳波を利用したブレイン・コンピュータ・インタフェース装置であって、
ユーザから計測された複数チャネルのデジタル脳波データに対して独立成分分析を適用する独立成分分析実行部と、
前記独立成分分析実行部から出力される各独立成分を各チャネル上に射影し、脳波計測時の電極位置における独立成分ごとの脳波の振幅値を算出する独立成分射影実行部と、
前記独立成分射影実行部によって射影された多チャネル脳波データにダイポール解析を適用するダイポール解析部と、
前記独立成分分析実行部、前記独立成分射影実行部及び前記ダイポール解析部で得られた結果に基づき、前記各独立成分に対する、試行、時間、及びダイポールが推定された脳内部位からなる3次元データを生成する独立成分分析・ダイポール解析結果蓄積部と、
前記3次元データを学習する脳活動パターン学習部と、
を有し、
前記脳活動学習部は、動的確率ネットワークを利用して脳活動パターンを学習する動的確率ネットワーク構築部を備える、ブレイン・コンピュータ・インタフェース装置
Brain computer interface device using brain waves,
An independent component analysis execution unit that applies independent component analysis to digital electroencephalogram data of multiple channels measured by a user;
Each independent component output from the independent component analysis execution unit is projected onto each channel, and an independent component projection execution unit that calculates an amplitude value of an electroencephalogram for each independent component at the electrode position at the time of electroencephalogram measurement,
A dipole analysis unit that applies dipole analysis to the multi-channel EEG data projected by the independent component projection execution unit;
Based on the results obtained by the independent component analysis execution unit, the independent component projection execution unit, and the dipole analysis unit, three-dimensional data including trial, time, and a portion of the brain where the dipole is estimated for each independent component Independent component analysis / dipole analysis result storage unit that generates
A brain activity pattern learning unit for learning the three-dimensional data;
I have a,
The brain activity learning unit uses the dynamic probabilities network comprises a dynamic random network construction unit that learns the brain activity patterns, brain computer interface device.
脳波を利用したブレイン・コンピュータ・インタフェース装置であって、
ユーザから計測された複数チャネルのデジタル脳波データに対して独立成分分析を適用する独立成分分析実行部と、
前記独立成分分析実行部から出力される各独立成分を各チャネル上に射影し、脳波計測時の電極位置における独立成分ごとの脳波の振幅値を算出する独立成分射影実行部と、
前記独立成分射影実行部によって射影された多チャネル脳波データにダイポール解析を適用するダイポール解析部と、
前記独立成分分析実行部、前記独立成分射影実行部及び前記ダイポール解析部で得られた結果に基づき、前記各独立成分に対する、試行、時間、及びダイポールが推定された脳内部位からなる3次元データを生成する独立成分分析・ダイポール解析結果蓄積部と、
前記3次元データを学習する脳活動パターン学習部と、
を有し、
前記脳活動学習部は、3ウェイ・カテゴリーデータ解析を利用して脳活動パターンを学習する3ウェイ・カテゴリーデータ解析部を備える、ブレイン・コンピュータ・インタフェース装置
Brain computer interface device using brain waves,
An independent component analysis execution unit that applies independent component analysis to digital electroencephalogram data of multiple channels measured by a user;
Each independent component output from the independent component analysis execution unit is projected onto each channel, and an independent component projection execution unit that calculates an amplitude value of an electroencephalogram for each independent component at the electrode position at the time of electroencephalogram measurement,
A dipole analysis unit that applies dipole analysis to the multi-channel EEG data projected by the independent component projection execution unit;
Based on the results obtained by the independent component analysis execution unit, the independent component projection execution unit, and the dipole analysis unit, three-dimensional data including trial, time, and a portion of the brain where the dipole is estimated for each independent component Independent component analysis / dipole analysis result storage unit that generates
A brain activity pattern learning unit for learning the three-dimensional data;
Have
The brain activity learning unit includes a 3-way categorical data analysis unit utilizing the 3-way category data analysis learns the brain activity patterns, blanking rain computer interface device.
複数個の電極を用いてユーザの脳波を複数チャネルで計測し、計測された脳波信号をアナログ/デジタル変換して前記デジタル脳波データとする脳波計測部をさらに備える、請求項1または2に記載のブレイン・コンピュータ・インタフェース装置Measuring brain waves of the user in a plurality of channels using a plurality of electrodes, the measured electroencephalogram signal by the analog / digital converter further comprises a brain wave measuring unit to the digital EEG data, according to claim 1 or 2 Brain computer interface device .
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