JP6638946B2 - Brain wave signal processing device, brain wave signal processing method, program, and recording medium - Google Patents
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Description
本発明は、脳波信号を処理する脳波信号処理装置及び脳波信号処理方法に関する。また、コンピュータをそのような脳波信号処理装置として機能させるためのプログラム、及び、そのようなプログラムが記録された記録媒体に関する。 The present invention relates to an electroencephalogram signal processing device for processing electroencephalogram signals and an electroencephalogram signal processing method. Further, the present invention relates to a program for causing a computer to function as such an electroencephalogram signal processing device, and a recording medium on which such a program is recorded.
脳の各部の活動は、振動子と見做すことができ、このとき、脳の高次機能は、これらの振動子の間の位相同期現象と見做すことができる。このことは、例えば、画面の左上と右下とにボールが配置された第1の画像と、画面の右上と左下とにボールが配置された第2の画像とを、アニメーションとして被験者に交互に提示することにより確かめられる(非特許文献1)。 The activity of each part of the brain can be regarded as a vibrator. At this time, higher-order functions of the brain can be regarded as a phase synchronization phenomenon between these vibrators. This means that, for example, the subject alternately displays the first image in which the balls are arranged in the upper left and lower right of the screen and the second image in which the balls are arranged at the upper right and lower left of the screen as an animation. It can be confirmed by presenting (Non-Patent Document 1).
実際、これらの画像を見ている被験者の脳波を観察すると、「上下に並んだ2つのボールが逆位相で水平に移動している」という認識が生じるのと同時に、右脳の活動を示す脳波(以下「右脳波」とも記載)と左脳の活動を示す脳波(以下「左脳波」とも記載)との間に位相同期が生じていることが確かめられる。これは、第1の画像において画面の左上に配置されたボール(右脳により認知情報処理される)と第2の画像において画面の右上に配置されたボール(左脳により認知情報処理される)とを同一視するという脳の高次機能が、上述した位相同期現象として捉え得ることの証左に他ならない。 In fact, when observing the brain waves of a subject who is looking at these images, the recognition that "the two balls arranged vertically are moving horizontally in opposite phase" occurs, and at the same time, the brain waves (indicating the activity of the right brain) It can be confirmed that phase synchronization occurs between an electroencephalogram (hereinafter, also referred to as “left brain wave”) that indicates the activity of the left brain and a right brain wave (hereinafter also referred to as “left brain wave”). This means that the ball arranged at the upper left of the screen in the first image (cognitive information processing by the right brain) and the ball arranged at the upper right of the screen in the second image (cognitive information processing by the left brain) There is no other proof that the higher-order function of the brain to identify them can be regarded as the phase synchronization phenomenon described above.
また、脳卒中患者の脳波を観察することによっても、同様のことが確かめられる。すなわち、脳の高次機能に障害のある脳卒中患者の脳波を観察すると、健常者の脳波と比べて右脳波と左脳波との間で位相同期が生じ難いことが分かる。また、脳卒中患者の右脳波と左脳波とに関して、罹患直後の位相同期の生じ易さとリハビリテーションの有効性との間に有意な相関が存在するという研究成果が報告されている(非特許文献2)。 The same can be confirmed by observing the brain waves of a stroke patient. That is, when observing the brain waves of a stroke patient having a disorder in higher brain functions, it can be seen that phase synchronization is less likely to occur between the right brain wave and the left brain wave as compared with the brain waves of a healthy person. In addition, research results have been reported that there is a significant correlation between the likelihood of occurrence of phase synchronization immediately after illness and the effectiveness of rehabilitation for right and left brain waves of stroke patients (Non-Patent Document 2). .
非特許文献2において報告されている研究成果は、右脳波と左脳波との間の位相同期が生じ易い状態に至らしめることによって、脳卒中患者に対するリハビリテーション効果を増進し得ることを示唆している。
The research results reported in Non-Patent
また、本願の発明者らの近時の研究により、被験者の頭部の異なる位置で検出された脳波信号間の位相同期の程度が、脳卒中や脳梗塞などの脳疾患患者の、FIM(FunctionalIndependence Measure)やNIHSS(NIH stroke scale)などの病態指標と相関することが分かってきた。つまり、被験者の頭部の異なる位置で検出された脳波信号間の位相同期が生じ易い状態に至らしめることによっても、リハビリテーション効果が得られると考えられる。 In addition, according to recent studies by the inventors of the present application, the degree of phase synchronization between electroencephalogram signals detected at different positions of the subject's head is determined by the FIM (Functional Independence Measure) of a brain disease patient such as stroke or cerebral infarction. ) And NIHSS (NIH stroke scale). That is, it is considered that the rehabilitation effect can also be obtained by bringing the state in which the phase synchronization between the electroencephalogram signals detected at different positions of the subject's head easily occurs.
さらに、本願の発明者らの近時の研究により、健常者では脳内の情報伝達が左半球と右半球とで概ね対称となるのに対し、脳疾患患者では非対称となることも分かってきた。つまり、脳内の情報伝達が対称となり易い状態に至らしめることによっても、リハビリテーション効果が得られると考えられる。 Furthermore, recent studies by the inventors of the present application have revealed that in a healthy person, information transmission in the brain is generally symmetric between the left hemisphere and the right hemisphere, whereas it is asymmetric in patients with brain disease. . In other words, it is considered that the rehabilitation effect can be obtained by bringing the state in which information transmission in the brain tends to be symmetrical.
しかしながら、このような状態を実現すべく、脳疾患患者が自身の脳をトレーニングする方法は知られていない。また、このような状態を実現すべく、施術者が脳疾患患者の脳をトレーニングする方法も知られていない。 However, there is no known method by which a brain disease patient trains his or her brain to achieve such a state. Also, there is no known method for a practitioner to train the brain of a brain disease patient in order to realize such a state.
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、脳疾患患者の病状を改善させるような脳の使い方のトレーニングに利用可能な脳波信号処理装置等を実現することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize an electroencephalogram signal processing device and the like that can be used for training on how to use the brain to improve the condition of a brain disease patient. .
なお、本発明の用途は、脳疾患患者に対するリハビリテーション効果の増進に限定されない。例えば、健常者に対する脳の高次機能強化、あるいは位相同期の程度や脳内の情報伝達の対称性をコントロールさせるゲーム等にも本発明を適用可能である。 The use of the present invention is not limited to enhancing the rehabilitation effect for a brain disease patient. For example, the present invention can be applied to a game or the like in which a higher order function of the brain for a healthy person or a degree of phase synchronization or symmetry of information transmission in the brain is controlled.
本発明に係る他の脳波信号処理装置は、上記の目的を達成するために、被験者の頭部右半球および左半球のそれぞれにおいて複数の箇所で検出された各脳波信号を逐次取得して処理する脳波信号処理装置であって、上記各脳波信号から遂次算出された、当該各脳波信号間の位相同期の程度を示す位相同期指数から、上記脳波信号の各検出箇所の、上記被験者の脳内の情報伝達における相対的な重要度を示す重要度指標を逐次算出する重要度指標算出手段と、上記被験者の頭部における上記重要度指標の分布から、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示す対称性指標を逐次算出する対称性指標算出手段と、上記対称性指標算出手段にて逐次算出された上記対称性指標に応じた信号、又は、上記対称性指標算出手段にて逐次算出された上記対称性指標の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記対称性指標に連動して変化する刺激を上記被験者に与える信号生成手段と、を備えている。 In order to achieve the above object, another electroencephalogram signal processing device according to the present invention sequentially acquires and processes each electroencephalogram signal detected at a plurality of locations in each of the right and left hemispheres of the subject's head. An electroencephalogram signal processing device, which is sequentially calculated from each of the electroencephalogram signals and, based on a phase synchronization index indicating the degree of phase synchronization between the electroencephalogram signals, the detection point of each of the electroencephalogram signals in the brain of the subject. An importance index calculating means for sequentially calculating an importance index indicating relative importance in information transmission of the subject, and information transmission in the right hemisphere and information transmission in the left hemisphere from the distribution of the importance index in the head of the subject. A symmetry index calculating means for sequentially calculating a symmetry index indicating the degree of symmetry with, a signal according to the symmetry index sequentially calculated by the symmetry index calculating means, or the symmetry index calculation A signal generation for generating a signal corresponding to the time average of the symmetry index sequentially calculated in the step and sequentially supplying the signal to the stimulating device, thereby giving a stimulus which changes in conjunction with the symmetry index to the subject. Means.
また、本発明に係る他の脳波信号処理方法は、上記の目的を達成するために、脳波信号処理装置が被験者の頭部右半球および左半球のそれぞれにおいて複数の箇所で検出された各脳波信号を逐次取得して処理する脳波信号処理方法であって、脳波信号処理装置が、上記各脳波信号から遂次算出された、当該各脳波信号間の位相同期の程度を示す位相同期指数から、上記脳波信号の各検出箇所の、上記被験者の脳内の情報伝達における相対的な重要度を示す重要度指標を逐次算出する重要度算出ステップと、脳波信号処理装置が、上記被験者の頭部における上記重要度指標の分布から、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示す対称性指標を逐次算出する対称性指標算出ステップと、脳波信号処理装置が、上記対称性指標算出ステップにて逐次算出された上記対称性指標に応じた信号、又は、上記対称性指標算ステップにて逐次算出された上記対称性指標の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記対称性指標に連動して変化する刺激を上記被験者に与える信号生成ステップと、を含む。 Further, in order to achieve the above object, another electroencephalogram signal processing method according to the present invention provides an electroencephalogram signal processing device in which each electroencephalogram signal detected at a plurality of locations in each of the right hemisphere and the left hemisphere of the subject's head. A brain wave signal processing method of sequentially acquiring and processing the brain wave signal processing apparatus, wherein the brain wave signal processing device is sequentially calculated from the brain wave signals, from a phase synchronization index indicating the degree of phase synchronization between the brain wave signals, An importance calculation step of sequentially calculating an importance index indicating a relative importance in information transmission in the brain of the subject at each detection point of the brain wave signal, and an electroencephalogram signal processing device, From the distribution of the importance index, a symmetry index calculating step of sequentially calculating a symmetry index indicating a degree of symmetry between information transmission in the right hemisphere and information transmission in the left hemisphere, and the electroencephalogram signal processing device, A signal corresponding to the symmetry index sequentially calculated in the symmetry index calculation step, or a signal corresponding to a time average of the symmetry index sequentially calculated in the symmetry index calculation step is generated and stimulated. A signal generating step of sequentially providing the subject with the stimulus that changes in synchronization with the symmetry index by supplying the stimulus to the subject.
本発明によれば、脳波信号間の位相同期が生じ易くなるように、又は脳内の情報伝達が両半球で対称に行われるように、被験者が自身の脳をトレーニングすることが可能になる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a subject can train his / her brain so that phase synchronization between electroencephalogram signals easily occurs or information transmission in the brain is performed symmetrically in both hemispheres.
〔実施形態1〕
本発明に係る脳波信号処理装置の一実施形態について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、以下の説明において、2つの量が「同程度」であるとは、それら2つの量のオーダーが一致すること、別の言い方をすれば、大きい方の量が小さい方の量の10倍以下であることを指す。
[Embodiment 1]
One embodiment of an electroencephalogram signal processing device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, two quantities being “same” means that the order of the two quantities is the same, in other words, the larger quantity is 10 times the smaller quantity. Indicates that:
〔脳波信号処理装置の構成〕
本実施形態に係る脳波信号処理装置1の構成について、図1を参照して説明する。
[Configuration of EEG signal processing device]
The configuration of the electroencephalogram
図1は、脳波信号処理装置1の構成を示すブロック図である。脳波信号処理装置1は、被験者のLHPS(Left Hemispheric Phase Synchronization:左半球内位相同期)、RHPS(Right Hemispheric Phase Synchronization:右半球内位相同期)、又は、CPS(Central Phase Synchronization:正中位相同期)を該被験者にフィードバックするための装置であり、図1に示すように、脳波信号取得部11と、第1瞬時位相特定部(瞬時位相特定手段)12Aと、第2瞬時位相特定部(瞬時位相特定手段)12Bと、位相同期指数算出部(位相同期指数算出手段)13と、映像信号生成部(信号生成手段)14とを備えている。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of the electroencephalogram
脳波信号取得部11は、被験者の頭部の第1位置で計測された脳波を表す脳波信号X1と、該被験者の頭部の第1位置とは異なる第2位置で計測された脳波を表す脳波信号X2とを、脳波信号処理装置1に接続された外部装置(脳波計など)から取得するための構成である。脳波信号取得部11にて取得された脳波信号X1及び脳波信号X2は、それぞれ、第1瞬時位相特定部12A及び第2瞬時位相特定部12Bに渡される。
The electroencephalogram
なお、脳波信号X1の供給源としては、例えば、上記被験者の頭部の第1位置に貼付された電極が挙げられる。この場合、脳波信号取得部11は、上記外部装置により検出されたこの電極の電位を予め定められたサンプリング周期Δtでサンプリングすることによって、上記被験者の脳波を表す脳波信号X1を得る。サンプリング周期Δtは、例えば、1m秒以上4m秒以下に設定すればよい(本実施形態においてはΔt=1m秒とする)。時刻tにおいてサンプリングされた脳波信号X1の値を、以下ではX1(t)と記載する。
The source of the electroencephalogram signal X1 may be, for example, an electrode attached to the first position of the subject's head. In this case, the electroencephalogram
また、脳波信号X2の供給源としては、例えば、上記被験者の頭部の第2位置に貼付された電極が挙げられる。この場合、脳波信号取得部11は、上記外部装置により検出されたこの電極の電位を上記サンプリング周期Δtでサンプリングすることによって、上記被験者の脳波を表す脳波信号X2を得る。時刻tにおいてサンプリングされた脳波信号X2の値を、以下ではX2(t)と記載する。
The source of the electroencephalogram signal X2 includes, for example, an electrode attached to the second position of the subject's head. In this case, the electroencephalogram
LHPSを被験者にフィードバックする場合、脳波信号取得部11は、該被験者の頭部右半球上の2点(第1位置及び第2位置)で計測された脳波を表す脳波信号X1,X2を取得する。また、RHPSを被験者にフィードバックする場合、脳波信号取得部11は、該被験者の頭部左半球上の2点(第1位置及び第2位置)で計測された脳波を表す脳波信号X1,X2を取得する。また、CPSを被験者にフィードバックする場合、脳波信号取得部11は、該被験者の頭部正中線上の2点(第1位置及び第2位置)で計測された脳波を表す脳波信号X1,X2を取得する。
When feeding back the LHPS to the subject, the electroencephalogram
第1瞬時位相特定部12Aは、脳波信号X1から瞬時位相φ1(f,t)を逐次特定(リアルタイム特定)するための構成である。ここで、瞬時位相φ1(f,t)とは、脳波信号X1に含まれる成分波のうち、ターゲット周波数fを有する成分波X1fの時刻tにおける位相のことを指す。このターゲット周波数fは、操作者等により指定された周波数である。例えば、ターゲット周波数fとして10Hzが指定されている場合、第1瞬時位相特定部12Aにて特定された瞬時位相φ1(f,t)は、第1位置の近傍におけるα波の位相を示すことになる。第1瞬時位相特定部12Aにて特定された瞬時位相φ1(f,t)は、図1に示すように、位相同期指数算出部13に渡される。
The first instantaneous phase identification unit 12A is configured to sequentially identify (real-time identification) the instantaneous phase φ1 (f, t) from the electroencephalogram signal X1. Here, the instantaneous phase φ1 (f, t) refers to the phase at time t of the component wave X1f having the target frequency f among the component waves included in the brain wave signal X1. The target frequency f is a frequency specified by an operator or the like. For example, when 10 Hz is specified as the target frequency f, the instantaneous phase φ1 (f, t) specified by the first instantaneous phase specifying unit 12A indicates the phase of the α wave near the first position. Become. The instantaneous phase φ1 (f, t) specified by the first instantaneous phase specifying unit 12A is passed to the phase synchronization
第2瞬時位相特定部12Bは、脳波信号X2から瞬時位相φ2(f,t)を逐次特定するための構成である。ここで、瞬時位相φ2(f,t)とは、脳波信号X2に含まれる成分波のうち、ターゲット周波数fを有する成分波X2fの時刻tにおける位相のことを指す。第2瞬時位相特定部12Bにて特定された瞬時位相φ2(f,t)は、図1に示すように、位相同期指数算出部13に渡される。
The second instantaneous
なお、瞬時位相φ1(f,t)の特定には、公知の方法を利用すればよい。瞬時位相φ1(f,t)の特定に利用し得る公知の方法としては、例えば、Morlet Waveletとの畳み込み積分を行う方法が挙げられる。Morlet Waveletとの畳み込み積分を行う場合、第1瞬時位相特定部12Aは、瞬時位相φ1(f,t)を特定するために、時刻t1=t−Δt×(M−1)/2から時刻tM=t+Δt×(M−1)/2までの各サンプリングタイミングtiにおいてサンプリンリングされたM個の脳波信号X1の値X1(t1),…,X1(tM)を参照する(簡単のためにMを奇数と仮定)。このため、脳波信号処理装置1は、少なくともM個の脳波信号X1の値を保持する不図示のバッファを備えており、脳波信号取得部11から第1瞬時位相特定部12Aへの脳波信号X1の供給は、このバッファを介して行われることになる。瞬時位相φ2(f,t)の特定に関しても、同様のことが言える。
Note that a known method may be used to specify the instantaneous phase φ1 (f, t). As a known method that can be used for specifying the instantaneous phase φ1 (f, t), for example, a method of performing convolution integration with a Morlet Wavelet is used. When performing convolution integration with Morlet Wavelet, the first instantaneous phase identification unit 12A determines the instantaneous phase φ1 (f, t) from time t1 = t−Δt × (M−1) / 2 to time tM. .., X1 (tM) of M brain wave signals X1 sampled at each sampling timing ti up to = t + Δt × (M−1) / 2 (for simplicity, M is referred to as Assumed odd). For this reason, the electroencephalogram
また、瞬時位相φ1(f,t)の特定に用いるウィンドウ幅tM−t1=Δt×(M−1)をTとし、X1(t1),…,X1(tM)から瞬時位相φ1(f,t)を算出するために要する計算時間をτとすると、脳波信号X1(t)のサンプリングを完了してから、瞬時位相φ1(f,t)の特定を完了するまでに、少なくとも時間T/2+τを要することになる。なお、ウィンドウ幅Tは、通常、ターゲット周波数fに対応する周期(1/f)の3倍以上8倍以下に設定される。したがって、例えば、ターゲット周波数fが20Hzの場合、ウィンドウ幅Tは150m秒以上400m秒以下となる。 The window width tM−t1 = Δt × (M−1) used to specify the instantaneous phase φ1 (f, t) is T, and the instantaneous phase φ1 (f, t) is obtained from X1 (t1),. ) Is assumed to be τ, at least a time T / 2 + τ from completion of the sampling of the electroencephalogram signal X1 (t) to completion of the specification of the instantaneous phase φ1 (f, t). It will cost. Note that the window width T is usually set to be three times or more and eight times or less the period (1 / f) corresponding to the target frequency f. Therefore, for example, when the target frequency f is 20 Hz, the window width T is 150 ms or more and 400 ms or less.
本実施形態において、第1瞬時位相特定部12Aは、瞬時位相φ1(f,t)を最少所要時間T/2+τで特定する。すなわち、脳波信号X1の値X1(t)のサンプリングを完了してから、瞬時位相φ1(f,t)の特定を完了するまでの遅延δは、最小所要時間T/2+τとなる。ただし、脳波信号X1の値X1(t)のサンプリングを完了してから、瞬時位相φ1(f,t)の特定を完了するまでの遅延δは、最小所要時間T/2+τと同程度であれば、本発明の目的を達成するのに十分である。本明細書において、瞬時位相φ1(f,t)の特定が逐次特定(リアルタイム特定)であるとは、上記の遅延δがτ+T/2と同程度であることを意味する。第2瞬時位相特定部12Bによる瞬時位相φ2(f,t)の特定に関しても、同様のことが言える。
In the present embodiment, the first instantaneous phase identification unit 12A identifies the instantaneous phase φ1 (f, t) with the minimum required time T / 2 + τ. That is, the delay δ from the completion of the sampling of the value X1 (t) of the electroencephalogram signal X1 to the completion of the specification of the instantaneous phase φ1 (f, t) is the minimum required time T / 2 + τ. However, if the delay δ from completion of the sampling of the value X1 (t) of the electroencephalogram signal X1 to completion of the specification of the instantaneous phase φ1 (f, t) is approximately equal to the minimum required time T / 2 + τ. Is sufficient to achieve the objectives of the present invention. In this specification, that the specification of the instantaneous phase φ1 (f, t) is a sequential specification (real-time specification) means that the delay δ is substantially equal to τ + T / 2. The same applies to the specification of the instantaneous phase φ2 (f, t) by the second instantaneous
位相同期指数算出部13は、瞬時位相φ1(f,t)及び瞬時位相φ2(f,t)から、位相同期指数PSI(f,t)を逐次算出(リアルタイム算出)するための構成である。ここで、位相同期指数PSI(f,t)とは、脳波信号X1(より正確にはその成分波X1f)と脳波信号X2(より正確にはその成分波X2f)との時刻tにおける位相同期の程度を示す指標となる数値のことを指す。位相同期指数算出部13にて算出された位相同期指数PSI(f,t)は、図1に示すように、映像信号生成部14に渡される。
The phase synchronization
本実施形態において、位相同期指数算出部13は、以下の式により定義される位相同期指数PSI(f,t)を算出するために、時刻t’1=t−Δt×(N−1)/2から時刻t’N=t+Δt×(N−1)/2までの各サンプリングタイミングt’iに対応するN対の瞬時位相{φR(f,t’1),φL(f,t’1)},…,{φR(f,t’N),φL(f,t’N)}を参照する(簡単のためにNを奇数と仮定)。なお、以下の式において、θ(f,t’i)は、θ(f,t’i)=φR(f,t’i)−φL(f,t’i)により定義される位相差である。
In the present embodiment, the phase synchronization
位相同期指数PSI(f,t)を上記のように定義すれば、時刻tにおいて脳波信号X1と脳波信号X2の位相が完全に同期しているとき、PSI(f,t)=1となり、時刻tにおいて脳波信号X1と脳波信号X2の位相が全く同期していないとき、PSI(f,t)=0となる。したがって、上記のように定義された位相同期指数PSI(f,t)は、脳波信号X1と脳波信号X2との位相同期の程度を示す適切な指標となる。 If the phase synchronization index PSI (f, t) is defined as above, when the phases of the brain wave signal X1 and the brain wave signal X2 are completely synchronized at time t, PSI (f, t) = 1, and At t, when the phases of the brain wave signal X1 and the brain wave signal X2 are not synchronized at all, PSI (f, t) = 0. Therefore, the phase synchronization index PSI (f, t) defined as described above is an appropriate index indicating the degree of phase synchronization between the brain wave signal X1 and the brain wave signal X2.
脳波信号取得部11が該被験者の頭部右半球上の2点で計測された脳波を表す脳波信号X1,X2を取得する構成を採用した場合、位相同期指数算出部13が算出するPSI(f,t)は、LHPSの指標として用いることができる。なお、LHPSは、頭部左半球上に配置されたN対の電極について、各対の電極で測定した脳波間の位相同期指数の平均値により定義される。したがって、上記構成を採用した場合に位相同期指数算出部13が算出するPSI(f,t)は、N=1の場合のLHPSと見做すこともできるし、N≧2の場合のLHPSを構成する量と見做すこともできる。
When the electroencephalogram
また、脳波信号取得部11が該被験者の頭部左半球上の2点で計測された脳波を表す脳波信号X1,X2を取得する構成を採用した場合、位相同期指数算出部13が算出するPSI(f,t)は、RHPSの指標として用いることができる。なお、RHPSは、頭部右半球上に配置されたN対の電極について、各対の電極で測定した脳波間の位相同期指数の平均値により定義される。したがって、上記構成を採用した場合に位相同期指数算出部13が算出するPSI(f,t)は、N=1の場合のRHPSと見做すこともできるし、N≧2の場合のRHPSを構成する量と見做すこともできる。
When the electroencephalogram
また、脳波信号取得部11が該被験者の頭部正中線上の1点と、この点とは異なる該被験者の頭部右半球、左半球、又は正中線上の1点で計測された脳波を表す脳波信号X1,X2を取得する構成を採用した場合、位相同期指数算出部13が算出するPSI(f,t)は、CPSの指標として用いることができる。なお、CPSは、一方が頭部正中線上に配置され、他方が頭部左半球、右半球、又は正中線上に配置されたN対の電極について、各対の電極で測定した脳波間の位相同期指数の平均値により定義される。したがって、上記構成を採用した場合に位相同期指数算出部13が算出するPSI(f,t)は、N=1の場合のCPSと見做すこともできるし、N≧2の場合のCPSを構成する量と見做すこともできる。
In addition, the electroencephalogram
なお、位相同期指数算出部13は、上述したように、時刻tにおける位相同期指数PSI(f,t)を算出するためにN対の瞬時位相を参照する。このため、脳波信号処理装置1は、少なくともN個の瞬時位相φ1(f,t)を保持する不図示のバッファを備えており、第1瞬時位相特定部12Aから位相同期指数算出部13への瞬時位相φ1(f,t)の供給は、このバッファを介して行われることになる。同様の理由により、脳波信号処理装置1は、少なくともN個の瞬時位相φ2(f,t)の値を保持する不図示のバッファを備えており、第2瞬時位相特定部12Bから位相同期指数算出部13への瞬時位相φ2(f,t)の供給は、このバッファを介して行われることになる。
Note that, as described above, the phase synchronization
また、位相同期指数PSI(f,t)の算出に用いるウィンドウ幅t’N−t’1=Δt×(N−1)をT’とし、{φR(f,t’1),φL(f,t’1)},…,{φR(f,t’N),φL(f,t’N)}から位相同期指数PSI(f,t)を算出するために要する時間をτ’とすると、瞬時位相φ1(f,t),φ2(f,t)の特定を完了してから、位相同期指数PSI(f,t)の算出を完了するまでに、少なくとも時間T'/2+τ'を要することになる。なお、ウィンドウ幅T’は、通常、ターゲット周波数fに対応する周期(1/f)の3倍以上8倍以下に設定する。したがって、例えば、ターゲット周波数fが20Hzの場合、ウィンドウ幅T’は150m秒以上400m秒以下となる。 The window width t′N−t′1 = Δt × (N−1) used for calculating the phase synchronization index PSI (f, t) is T ′, and {φR (f, t′1), φL (f , T′1)},..., {ΦR (f, t′N), φL (f, t′N)}, the time required to calculate the phase synchronization index PSI (f, t) is τ ′. , It takes at least a time T ′ / 2 + τ ′ after the specification of the instantaneous phases φ1 (f, t) and φ2 (f, t) to complete the calculation of the phase synchronization index PSI (f, t). Will be. Note that the window width T 'is usually set to be three times or more and eight times or less the period (1 / f) corresponding to the target frequency f. Therefore, for example, when the target frequency f is 20 Hz, the window width T 'is 150 ms or more and 400 ms or less.
本実施形態において、位相同期指数算出部13は、位相同期指数PSI(f,t)を最少所要時間T/2+τで算出する。すなわち、瞬時位相φ1(f,t),φ2(f,t)の特定を完了してから、位相同期指数PSI(f,t)の算出を完了するまでの遅延δ’は、最小所要時間T’/2+τ’となる。ただし、瞬時位相φ1(f,t),φ2(f,t)の特定を完了してから、位相同期指数PSI(f,t)の算出を完了するまでの遅延δ’は、最小所要時間T’/2+τ’と同程度であれば、本発明の目的を達成するのに十分である。本明細書において、位相同期指数PSI(f,t)の算出が逐次算出(リアルタイム算出)であるとは、上記の遅延δ’が最小所要時間T’/2+τ’と同程度であることを意味する。
In the present embodiment, the phase synchronization
なお、位相同期指数算出部13による位相同期指数PSI(f,t)の算出は、Δt(サンプリング周期)毎に実行してもよいし、T’(ウインドウ幅)毎に実行してもよいし、T’/2毎に実行してもよい。位相同期指数PSI(f,t)の算出をT’又はT’/2毎に実行する構成を採用することによって、計算負荷を低下させることができる。
The calculation of the phase synchronization index PSI (f, t) by the phase synchronization
映像信号生成部14は、位相同期指数PSI(f,t)から、その内容が位相同期指数PSI(f,t)に連動して変化する映像を表す映像信号を生成する。映像信号生成部14にて生成された映像信号は、脳波信号処理装置1に接続又は内蔵されたディスプレイに供給される。なお、映像信号生成部14にて生成された映像信号が表す映像の内容については、参照する図面を変えて後述する。
The video
脳波信号処理装置1に接続又は内蔵されたディスプレイは、映像信号生成部14にて生成された映像信号が表す映像、すなわち、その内容が位相同期指数PSI(f,t)に連動して変化する映像を被験者に提示する。換言すれば、位相同期指数PSI(f,t)に連動して変化する視覚刺激を被験者に与える刺激付与装置として機能する。これにより、被験者のLHPS、RHPS、又はCPSを当該被験者にフィードバックするリアルタイムなフィードバックループが形成される。
The display connected to or incorporated in the electroencephalogram
なお、脳波信号処理装置1においては、脳波信号X1,X2の値X1(t),X2(t)のサンプリングを完了してから、瞬時位相φ1(f,t),φ2(f,t)の特定を完了するまでの遅延δが、最小所要時間T/2+τ(瞬時位相φ1(f,t)の特定と瞬時位相φ2(f,t)の特定とがパラレルに実行される場合)又はT/2+2×τ(瞬時位相φ1(f,t)の特定と瞬時位相φ2(f,t)の特定とがシリアルに実行される場合)となる。また、脳波信号処理装置1においては、瞬時位相φ1(f,t),φ2(f,t)の特定を完了してから、位相同期指数PSI(f,t)の算出を完了するまでの遅延δ’が、最小所要時間T’/2+τ’となる。したがって、映像信号の生成及び出力に要する時間を無視すれば、脳波信号X1と脳波信号X2との間の位相同期の程度が変化してから、その変化が被験者に提示される映像に反映されるまでの遅延(以下、「脳波信号処理装置1の応答時間」と記載する)は、T/2+τ+T’/2+τ’又はT/2+2×τ+T’/2+τ’となる。これにより、脳波信号処理装置1の応答時間を、トレーニングの効果が得られる程度に十分に短い時間とすることができる。すなわち、上述したフィードバックをよりリアルタイムなものにして、トレーニングの効果を高めることができる。例えば、ウィンドウ幅T,T’をT=T’=400m秒とすると、計算時間τ,τ’がウィンドウ幅T,T’に比べて十分に小さい場合、脳波信号処理装置1の応答時間は、400m秒程度になる。
In the electroencephalogram
脳波信号処理装置1の応答時間が15秒以下であれば、被験者は、自身の脳波の位相同期の程度を略リアルタイムに知ることができ、これにより、自身の脳波の位相同期の程度を自身の意思で制御することが可能になる。本明細書において、フィードバックがリアルタイムであるとは、脳波信号処理装置1の応答時間が15秒以下であることを意味する。なお、(1)各時刻tにおける位相同期指数PSI(f,t)に応じた刺激を、時刻t+Δにおいて被験者に付与する態様であっても、(2)時刻t0から時刻t0+Δまでの各時刻tにおける位相同期指数PSI(f,t)の平均値に応じた刺激を、時刻t0+Δnおいて被験者に付与する態様であっても、Δが15秒以下であればリアルタイムなフィードバックと見做す。
If the response time of the electroencephalogram
なお、脳波信号処理装置1の応答時間を短くすれば短くするほど、フィードバックのリアルタイム性が高くなり、被験者は、自身の脳の位相同期の程度を自身の意思で制御することが容易になる。したがって、例えば、脳波信号処理装置1の応答時間を5秒以下、4秒以下、3秒以下、2秒以下、又は1秒以下とする構成が可能であり、後者の構成ほど効果が高くなることが予想される。
Note that the shorter the response time of the electroencephalogram
〔変形例〕
図1に示す脳波信号処理装置1においては、Morlet Waveletとの畳み込み積分によって、瞬時位相φ1(f,t),φ2(f,t)を特定する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、周波数フィルタを通した後にヒルベルト変換を用いた解析信号化を行うことによって、瞬時位相φ1(f,t),φ2(f,t)を特定する構成を採用してもよい。
(Modification)
The electroencephalogram
また、図1に示す脳波信号処理装置1においては、脳波信号X1,X2に含まれる特定周波数の成分波X1f,X2fの瞬時位相φ1(f,t),φ2(f,t)に基づいて位相同期指数PSI(f,t)を算出する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、全周波数成分を含む脳波信号X1,X2自体の瞬時位相φ1(t),φ2(t)に基づいて位相同期指数PSI(t)を算出する構成を採用してもよい。つまり、「脳波信号の瞬時位相」の表現は、特定周波数の瞬時位相φ1(f,t),φ2(f,t)、及び周波数を特定しない瞬時位相φ1(t),φ2(t)の何れかを指し、前者に限定されない点に留意されたい。
Further, in the electroencephalogram
また、図1に示す脳波信号処理装置1においては、位相同期指数PSI(f,t)に連動して変化する視覚刺激を被験者に与える刺激付与装置(例えば、表示装置)に供給する映像信号を生成する構成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、位相同期指数PSI(f,t)に連動して変化する刺激を被験者に与える刺激付与装置に供給する信号を生成する構成であれば、どのような構成にでも置き換えることができる。
Further, in the electroencephalogram
例えば、位相同期指数PSI(f,t)に連動して変化する聴覚刺激を被験者に与える刺激付与装置に供給する音声信号を生成する構成に置き換えることができる。聴覚刺激を被験者に与える刺激付与装置としては、例えば、スピーカなどが挙げられる。刺激付与装置を介して被験者に与えられる聴覚刺激は、その音量を位相同期指数PSI(f,t)に連動するものであってもよいし、その音程が位相同期指数PSI(f,t)に連動するものであってもよいし、その音色が位相同期指数PSI(f,t)に連動するものであってもよい。すなわち、脳波信号処理装置1により生成される音声信号は、その振幅が位相同期指数PSI(f,t)に連動するものであってもよいし、その周期が位相同期指数PSI(f,t)に連動するものであってもよいし、その波形が位相同期指数PSI(f,t)に連動するものであってもよい。
For example, the present invention can be replaced with a configuration that generates an audio signal to be supplied to a stimulus applying device that provides an auditory stimulus that changes in conjunction with the phase synchronization index PSI (f, t) to a subject. Examples of the stimulus applying device that applies an auditory stimulus to a subject include a speaker and the like. The volume of the auditory stimulus given to the subject via the stimulus imparting device may be linked to the phase synchronization index PSI (f, t), or the pitch of the auditory stimulus may be adjusted to the phase synchronization index PSI (f, t). The timbre may be interlocked, or the timbre may be interlocked with the phase synchronization index PSI (f, t). That is, the audio signal generated by the electroencephalogram
また、位相同期指数PSI(f,t)に連動して変化する体性感覚刺激を被験者に与える刺激付与装置に供給する信号を生成する構成に置き換えることもできる。体性感覚刺激を被験者に与える刺激付与装置としては、例えば、電気的な手段により被験者の体性感覚を刺激する電気刺激装置や、機械的な手段により被験者の体性感覚を刺激する機械刺激装置などが挙げられる。手首を屈曲させるリハビリ用装具は、このような機械刺激装置の一例である。刺激付与装置を介して被験者に与えられる体性感覚刺激は、その強度が位相同期指数PSI(f,t)に連動するものであってもよいし、その周期が位相同期指数PSI(f,t)に連動するものであってもよいし、そのパターンが位相同期指数PSI(f,t)に連動するものであってもよい。すなわち、脳波信号処理装置1により生成される信号は、その振幅が位相同期指数PSI(f,t)に連動するものであってもよいし、その周期が位相同期指数PSI(f,t)に連動するものであってもよいし、その波形が位相同期指数PSI(f,t)に連動するものであってもよい。
Further, the configuration may be replaced with a configuration that generates a signal to be supplied to a stimulus applying device that applies a somatosensory stimulus that changes in conjunction with the phase synchronization index PSI (f, t) to the subject. Examples of a stimulating device that applies a somatosensory stimulus to a subject include, for example, an electrical stimulator that stimulates the somatosensory of the subject by electrical means and a mechanical stimulator that stimulates the somatosensory of the subject by mechanical means And the like. A rehabilitation brace that bends the wrist is an example of such a mechanical stimulator. The intensity of the somatosensory stimulus given to the subject via the stimulus imparting device may be such that its intensity is linked to the phase synchronization index PSI (f, t), or its cycle is the phase synchronization index PSI (f, t). ), Or the pattern may be linked to the phase synchronization index PSI (f, t). That is, the signal generated by the electroencephalogram
更に言えば、位相同期指数PSI(f,t)に応じた視覚刺激、聴覚刺激、又は体性感覚刺激を与える構成に代えて、位相同期指数PSI(f,t)に応じた臭覚刺激又は味覚刺激を与える構成を採用することも不可能ではない。要するに、被験者が位相同期指数PSI(f,t)を、何らかの感覚として知得し得る構成であれば、どのような構成であっても本発明の目的は達成される。 More specifically, instead of providing a visual stimulus, an auditory stimulus, or a somatosensory stimulus according to the phase synchronization index PSI (f, t), an odor stimulus or a taste sensation according to the phase synchronization index PSI (f, t) is used. It is not impossible to adopt a configuration that provides stimulation. In short, the object of the present invention is achieved with any configuration as long as the subject can know the phase synchronization index PSI (f, t) as some sense.
また、図1に示す脳波信号処理装置1においては、1対の脳波信号{X1,X2}から位相同期指数PSI(f,t)を算出する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、n個の脳波信号{X1,X2,…,Xn}から位相同期指数PSI(f,t)を算出する構成を採用してもよい(nは偶数2mとする)。このような構成を採用することによって、LHPS、RHPS、CPSのみならず、GPS(Global Phase Synchronization:大域位相同期)を被験者にフィードバックすることが可能になる。
Further, in the electroencephalogram
このような構成を採用した脳波信号処理装置1のブロック図を図2に示す。図2に示す脳波信号処理装置1は、図1の第1瞬時位相特定部12A及び第2瞬時位相特定部12Bと同等の機能を有するn個の瞬時位相特定部(瞬時位相特定手段)12−1〜12−nを備えている点で、図1の脳波信号処理装置1と相違する。また、図2に示す脳波信号処理装置1は、位相同期指数算出部13が、(1)1≦j≦mの各jについて、瞬時位相φj(f,t),φj+1(f,t)からPSIj(f,t)を算出する処理と、(2)位相同期指数PSI(f,t)として、PSIj(f,t)の平均値{PSI1(f,t)+…+PSIm(f,t)}/mを算出する処理とを行う点で、図1の脳波信号処理装置1と相違する。その他の点については、図1の脳波信号処理装置1と同様の構成である。
FIG. 2 shows a block diagram of the electroencephalogram
なお、図2においては、脳波信号X1と脳波信号X2とをペアとして位相同期指数PSI1(f,t)を求め、脳波信号X3と脳波信号X4とをペアとして位相同期指数PSI2(f,t)を求め、・・・、脳波信号Xn−1と脳波信号Xnとをペアとして位相同期指数PSIm(f,t)を求める構成を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、位相同期指数を求めるための脳波信号のペアの組み方は任意であり、n×(n−1)/2通りのペアの組み方が許される。 In FIG. 2, a phase synchronization index PSI1 (f, t) is obtained by pairing the brain wave signal X1 and the brain wave signal X2, and a phase synchronization index PSI2 (f, t) is formed by pairing the brain wave signal X3 and the brain wave signal X4. .., And the phase synchronization index PSIm (f, t) is obtained by pairing the brain wave signal Xn−1 and the brain wave signal Xn, but the present invention is not limited to this. That is, the method of assembling pairs of brain wave signals for obtaining the phase synchronization index is arbitrary, and n × (n−1) / 2 ways of assembling pairs are allowed.
ただし、LHPSを被験者にフィードバックする場合、全てのペアが、被験者の頭部左半球上の2点に貼付された電極の電位を示す脳波信号のペアであるものとする。また、RHPSを被験者にフィードバックする場合、全てのペアが、被験者の頭部右半球上の2点に貼付された電極の電位を示す脳波信号のペアであるものとする。また、CPSを被験者にフィードバックする場合、全てのペアが、被験者の頭部正中線上の1点に貼付された電極の電位を示す脳波信号と、この点とは異なる該被験者の頭部左半球、右半球、又は正中線上の1点に貼付された電極の電圧を示す脳波信号とのペアであるものとする。また、GPSを被験者にフィードバックする場合には、少なくとも、(1)被験者の頭部左半球上の2点に貼付された電極の電位を示す脳波信号のペア、(2)被験者の頭部右半球上の2点に貼付された電極の電位を示す脳波信号ペア、及び、(3)被験者の頭部左半球上の点に添付された電極の電位を示す脳波信号と被験者の頭部右半球上の点に貼付された電極の電位を示す脳波信号のペアを含むものとする。 However, when the LHPS is fed back to the subject, it is assumed that all pairs are pairs of electroencephalogram signals indicating potentials of electrodes attached to two points on the left hemisphere of the subject's head. When the RHPS is fed back to the subject, it is assumed that all pairs are pairs of brain wave signals indicating the potentials of the electrodes attached to two points on the right hemisphere of the subject's head. Also, when feeding back the CPS to the subject, all pairs have an electroencephalogram signal indicating the potential of the electrode attached to one point on the midline of the subject's head, and the subject's head left hemisphere different from this point, It is assumed that the pair is a pair with an electroencephalogram signal indicating the voltage of the electrode attached to one point on the right hemisphere or the midline. When the GPS is fed back to the subject, at least (1) a pair of electroencephalogram signals indicating potentials of electrodes attached to two points on the left hemisphere of the subject's head, (2) a right hemisphere of the subject's head An electroencephalogram signal pair indicating the potential of the electrode attached to the above two points, and (3) an electroencephalogram signal indicating the potential of the electrode attached to the point on the left hemisphere of the subject's head and on the right hemisphere of the subject's head. And a pair of electroencephalogram signals indicating the potentials of the electrodes attached to the points.
なお、LHPS、RHPS、IHPS、及びCPSの一部又は全部を、それぞれに予め定められた係数を乗じて加算した線形和を被験者にフィードバックする構成を採用してもよい。この際、頭部左半球上の互いに異なる電極対の電位を示す脳波信号のペアから算出された複数のPSIの平均値(上述した「N≧2の場合のLHPS」)を線形和の対象にしてもよいし、これら複数のPSI(上述した「N=1の場合のLHPS」)の各々を個別に線形和の対象にしてもよい。RHPS、IHPS、及びCPSについても同様である。また、頭部正中線上に配置された電極対の電位を示す脳波信号のペアから算出されたPSIを線形和の対象に加えてもよい。 Note that a configuration may be adopted in which a part or all of LHPS, RHPS, IHPS, and CPS are multiplied by a predetermined coefficient and added, and a linear sum is fed back to the subject. At this time, the average value of a plurality of PSIs calculated from a pair of electroencephalogram signals indicating potentials of mutually different electrode pairs on the left hemisphere of the head (the above-described “LHPS when N ≧ 2”) is subjected to linear summing. Alternatively, each of the plurality of PSIs (the above-described “LHPS when N = 1”) may be individually subjected to the linear sum. The same applies to RHPS, IHPS, and CPS. Further, PSI calculated from a pair of brain wave signals indicating the potential of the electrode pair arranged on the midline of the head may be added to the target of the linear sum.
このように、被験者の頭部における互いに異なる3箇所以上の位置で取得された脳波信号を用いて、各脳波信号間の位相同期の程度に応じた位相同期指数を遂次算出する構成を採用することによって、2箇所で取得された脳波信号を用いる場合と比べて、被験者の脳内における位相同期の程度をより正確に反映させた位相同期指数を算出することができる。そして、これにより、被験者の脳内の状態に応じたより適切なフィードバックを行うことが可能になる。 As described above, a configuration is employed in which a phase synchronization index is sequentially calculated according to the degree of phase synchronization between brain wave signals using brain wave signals acquired at three or more different positions on the subject's head. As a result, it is possible to calculate a phase synchronization index that more accurately reflects the degree of phase synchronization in the brain of the subject as compared with the case where brain wave signals acquired at two locations are used. This makes it possible to provide more appropriate feedback according to the state in the brain of the subject.
〔被験者に提示される映像〕
次に、脳波信号処理装置1により被験者に提示される映像の例について、図3を参照して説明する。図3の(a)〜(e)は、それぞれ、脳波信号処理装置1により被験者に提示される映像の例を示す図である。
[Video presented to the subject]
Next, an example of an image presented to the subject by the electroencephalogram
図3(a)に示す映像は、長辺が画面の横軸と平行な長方形状のオブジェクト21を画面の中央に含む。この映像においては、オブジェクト21の長辺の長さLが、位相同期PSI(f,t)に連動して変化する。連動のさせ方は任意であるが、ここでは、オブジェクト21の長辺の長さLと位相同期指数PSI(f,t)との間に正の相関を持たせる。より具体的には、オブジェクト21の長辺の長さLと位相同期指数PSI(f,t)とを比例させる。
The video shown in FIG. 3A includes a
この映像を被験者に提示する場合には、オブジェクト21の長辺の長さLが長くなるよう意識するという課題を被験者に課す。被験者は、オブジェクト21の長辺の長さLを長くしようと意識することによって、LHPS、RHPS、CPS、又はGPSの増大を促進するように自身の脳を制御することになる。
When presenting this video to the subject, the subject is required to be aware that the length L of the long side of the
図3(b)に示す映像は、長辺が画面の縦軸と平行な長方形状のオブジェクト22を画面の中央に含む。この映像においては、オブジェクト22の長辺の長さLが、位相同期PSI(f,t)に連動して変化する。連動のさせ方は任意であるが、ここでは、オブジェクト22の長辺の長さLと位相同期指数PSI(f,t)との間に正の相関を持たせる。より具体的には、オブジェクト22の長辺の長さLと位相同期指数PSI(f,t)とを比例させる。
The video shown in FIG. 3B includes a
この映像を被験者に提示する場合には、オブジェクト22の長辺の長さLが長くなるよう意識するという課題を被験者に課す。被験者は、オブジェクト22の長辺の長さLを長くしようと意識することによって、LHPS、RHPS、CPS、又はGPSの増大を促進するように自身の脳を制御することになる。
When presenting this video to the subject, the subject is required to be aware that the length L of the long side of the
図3(c)に示す映像は、色温度可変な有色の円盤状のオブジェクト23を画面の中央に含む。この映像においては、オブジェクト23の色温度が、位相同期PSI(f,t)に連動して変化する。連動のさせ方は任意であるが、ここでは、オブジェクト23の色温度と位相同期指数PSI(f,t)との間に負の相関を持たせる。より具体的には、オブジェクト23の色温度と位相同期指数PSI(f,t)とを反比例させる。
The image shown in FIG. 3C includes a colored disk-shaped
この映像を被験者に提示する場合には、オブジェクト23の色が暖色化(低温化)するよう意識するという課題を被験者に課す。被験者は、オブジェクト23の色を暖色化しようと意識することによって、LHPS、RHPS、CPS、又はGPSの増大を促進するように自身の脳を制御することになる。
When presenting this video to the subject, the subject is required to be aware that the color of the
図3(d)に示す映像は、階調数可変なグレースケール写真24を画面の中央に含む(図3(d)においては、階調数2のグレースケール写真、すなわち、白黒写真を例示している)。この映像においては、グレースケール写真24の階調数が、位相同期PSI(f,t)に連動して2から256まで変化する。連動のさせ方は任意であるが、写真24の階調数と位相同期指数PSI(f,t)との間に正の相関を持たせる。より具体的には、写真24の階調数と位相同期指数PSI(f,t)とを比例させる。
The image shown in FIG. 3D includes a
この映像を被験者に提示する場合には、例えば、被写体を特定せよという課題を被験者に課す。被験者は、写真24の階調数を増やし被写体を特定しようと意識することによって、LHPS、RHPS、CPS、又はGPSの増大を促進するように自身の脳を制御することになる。
When presenting the video to the subject, for example, a task of specifying the subject is imposed on the subject. The test subject controls his or her brain to promote the increase of LHPS, RHPS, CPS, or GPS by increasing the number of gradations of the
図3(e)に示す映像は、2つのボールが画面の左上及び右下に配置された同図上段に示す画面と、2つのボールが画面の右上及び左下に配置された同図下段に示す画面とが、交互に表示されるアニメーションである。このアニメーションにおいては、2つのボールの画面横軸方向の間隔Dが、位相同期指数PSI(f,t)に連動して変化する。連動のさせ方は任意であるが、ここでは、位相同期指数PSI(f,t)と2つのボールの間隔Dとの間に負の相関を持たせる。 The image shown in FIG. 3 (e) is shown at the upper part of the screen where two balls are arranged at the upper left and lower right of the screen, and at the lower part of the figure where two balls are arranged at the upper right and lower left of the screen. The screen is an animation displayed alternately. In this animation, the distance D between the two balls in the horizontal direction of the screen changes in conjunction with the phase synchronization index PSI (f, t). The method of linking is arbitrary, but here, a negative correlation is provided between the phase synchronization index PSI (f, t) and the distance D between the two balls.
このアニメーションは、左右に並んだ2つのボールが逆位相で上下に振動していると認識されることもあるし、上下に並んだ2つのボールが逆位相で左右に振動していると認識されることもある。被験者が後者の認識をもつときには、当該被験者の右脳と左脳の位相は同期している可能性が高く、また、被験者の右脳と左脳の位相が同期しているときには、当該被験者は後者の認識をもつ可能性が高い。被験者が後者の認識をもつとは、すなわち、同図上段に示す画面の左上に配置されたボールと同図下段に示す画面において右上に配置されたボールとを右脳と左脳の協働により同一視することに他ならないからである。 In this animation, it may be recognized that two balls arranged side by side vibrate up and down in opposite phases, and it is recognized that two balls arranged up and down vibrate left and right in opposite phases Sometimes. When the subject has the latter recognition, the subject's right brain and left brain phases are likely to be synchronized, and when the subject's right brain and left brain phases are synchronized, the subject recognizes the latter recognition. It is likely to have. That the subject has the latter recognition means that the ball arranged at the upper left of the screen shown in the upper part of the figure and the ball arranged at the upper right of the screen shown in the lower part of the figure are identified with the cooperation of the right brain and the left brain. It is nothing but doing.
このアニメーションを被験者に提示する場合には、例えば、「上下に並んだ2つのボールが逆位相で左右に振動しているように見えますか?」というような質問を被験者に投げかける。被験者は、このアニメーションをそのように認識しようと意識することによって、IHPS(Inter-Hemispheric Phase Synchronization:半球間位相同期)を促進するように自身の脳を制御することになる。そしてこれは、LHPS、RHPS、CPS、又はGPSの増大を促進するように制御することにもなると考えられる。 When presenting this animation to the subject, the subject is asked, for example, a question such as "Does two vertically arranged balls seem to be oscillating right and left in opposite phases?" The subject will control his brain to promote IHPS (Inter-Hemispheric Phase Synchronization) by consciously trying to recognize this animation as such. And this would also control to promote LHPS, RHPS, CPS or GPS increase.
〔脳波信号処理装置の構成例〕
脳波信号処理装置1は、例えば、コンピュータ(電子計算機)を用いて構成することができる。図4は、脳波信号処理装置1として利用可能なコンピュータ100の構成を例示したブロック図である。
[Configuration example of brain wave signal processing device]
The electroencephalogram
コンピュータ100は、図4に示したように、バス110を介して互いに接続された演算装置120と、主記憶装置130と、補助記憶装置140と、入出力インタフェース150とを備えている。演算装置120として利用可能なデバイスとしては、CPU(Central Processing Unit)を挙げることができる。また、主記憶装置130として利用可能なデバイスとしては、例えば、半導体RAM(random access memory)を挙げることができる。また、補助記憶装置140として利用可能なデバイスとしては、例えば、ハードディスクドライブを挙げることができる。
As shown in FIG. 4, the
入出力インタフェース150には、図4に示したように、入力装置200及び出力装置300が接続される。脳波信号X1,X2を検出するための脳波計やターゲット周波数fを指定するためのキーボードなどは、この入出力インタフェース150に接続される入力装置200の一例である。また、その内容が位相同期指数PSI(f,t)に連動して変化する映像を表示するためのディスプレイは、この入出力インタフェース150に接続される出力装置300の一例である。無論、入力装置200及び出力装置300は、それぞれ必要な入力の受け付け及び必要な情報の出力が可能なものであればよく、この例に限られない。例えば、入力装置200と出力装置300とをタッチパネルで構成してもよい。
The
補助記憶装置140には、コンピュータ100を脳波信号処理装置1として動作させるための各種プログラムが格納されている。具体的には、脳波信号取得プログラム、第1瞬時位相特定プログラム、第2瞬時位相特定プログラム、位相同期指数算出プログラム、及び映像信号生成プログラムが格納されている。これらのプログラムは、MATLAB(登録商標)などの数値計算ライブラリに含まれるモジュールであってもよい。
Various programs for operating the
演算装置120は、補助記憶装置140に格納された上記各プログラムを主記憶装置130上に展開し、主記憶装置130上に展開された上記各プログラムに含まれる命令を実行することによって、コンピュータ100を、脳波信号取得部11、第1瞬時位相特定部12A、第2瞬時位相特定部12B、位相同期指数算出部13、及び映像信号生成部14として機能させる。主記憶装置130は、脳波信号X1、X2の値を保持するバッファ、及び、瞬時位相φ1(f,t),φ2(f,t)を保持するバッファとしても機能する。
The
なお、ここでは、内部記録媒体である補助記憶装置140に記録されている上記各プログラムを用いてコンピュータ100を脳波信号処理装置1として機能させる構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、外部記録媒体に記録されているプログラムを用いてコンピュータ100を脳波信号処理装置1として機能させる構成を採用してもよい。外部記録媒体としては、コンピュータ読み取り可能な「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブル論理回路などを用いることができる。
Here, the configuration has been described in which the
また、コンピュータ100を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記各プログラムを通信ネットワークを介してコンピュータ100に供給するようにしてもよい。この通信ネットワークは、プログラムを伝送可能であればよく、特に限定されない。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
Further, the
〔脳波信号処理装置の用途〕
脳波信号処理装置1の用途の1つとして、脳卒中等の脳疾患患者に対するリハビリテーションが挙げられる。
[Application of EEG signal processing device]
One of the uses of the electroencephalogram
脳卒中患者のPSIは、健常者のPSIよりも低くなる傾向がある。これは、脳卒中患者において脳内各部位の協働が円滑に行われないことの反映であると考えられる。なお、脳卒中患者においてPSIが低下する傾向は、脳卒中による損傷部位に依らず認められる。例えば、損傷部位が右脳の一部であったとしても、IHPSが低下することが知られている。 The PSI of stroke patients tends to be lower than the PSI of healthy individuals. This is considered to be a reflection of the fact that cooperation in each part of the brain is not performed smoothly in stroke patients. The tendency of PSI to decrease in stroke patients is observed regardless of the injury site due to stroke. For example, it is known that IHPS decreases even if the injury site is a part of the right brain.
また、脳卒中患者に対するリハビリテーションに関して、リハビリテーションを開始する前に測定したPSIと、リハビリテーションの効果との間に相関が存在することが近年の研究により明らかになっている。すなわち、PSIが高い脳卒中患者に対するリハビリテーションは、PSIが低い脳卒中患者に対するリハビリテーションよりも効果的であるという傾向が明らかになっている。 In addition, recent studies have revealed that there is a correlation between PSI measured before starting rehabilitation and the effect of rehabilitation on rehabilitation for stroke patients. That is, it has become clear that rehabilitation for stroke patients with high PSI is more effective than rehabilitation for stroke patients with low PSI.
この傾向は、脳卒中患者に対するリハビリテーションに、PSIを高くするためのトレーニングを盛り込むことによって、その効果を増進し得ることを示唆している。脳波信号処理装置1は、このようなトレーニングのためのトレーニング装置として利用することができる。もちろん、脳卒中以外の脳疾患患者に対するリハビリテーションに適用しても、同様の効果が得られることが期待される。
This trend suggests that rehabilitation for stroke patients may be enhanced by including training to increase PSI. The brain wave
〔PSIと病態指標との相関〕
次に、LHPSと病態指標との相関について、図5に基づいて説明する。図5は、縦軸をLHPSとし、横軸をFIMtとして実験結果をプロットし、PSIとFIMtの相関を示した図である。なお、FIM(Functional Independence Measure:機能的自立度指標)とは、食事、更衣等のセルフケア、排泄、コミュニケーション等の所定の評価項目において自立度をスコア化したものであり、各スコアを合計した数値がFIMt(FIM total)である。FIMtが大きいほど自立度が高く、小さいほど自立度が低い(手厚い介助を要する)ということになる。また、同図のLHPSは、α帯(8〜13Hz)における脳波の計測結果に基づいて算出された値である。
[Correlation between PSI and disease state index]
Next, the correlation between the LHPS and the disease state index will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram showing the correlation between PSI and FIMt by plotting the experimental results with LHPS on the vertical axis and FIMt on the horizontal axis. In addition, FIM (Functional Independence Measure: Functional Independence Index) is a score of the degree of independence in predetermined evaluation items such as self-care such as diet, changing clothes, excretion, and communication. Is FIMt (FIM total). The greater the FIMt, the higher the degree of independence, and the smaller the FIMt, the lower the degree of independence (requires extra care). In addition, LHPS in the figure is a value calculated based on the measurement result of the electroencephalogram in the α band (8 to 13 Hz).
図5に示すように、LHPSが大きいほど、FIMtが大きくなるという結果となった。つまり、LHPSが小さい(左脳内の同期の程度が低い)被験者ほど、FIMtが低い(自立度の低い)結果となった。また、相関の程度を示すp値は10-3のオーダーであり、LHPSとFIMtには高い正の相関があることが分かった。このため、LHPSを大きくするような脳の使い方を被験者に認識させることにより、FIMtの改善を促すことが可能と考えられる。 As shown in FIG. 5, the result was that FIMt increased as LHPS increased. In other words, the smaller the LHPS (the lower the degree of synchronization in the left brain), the lower the FIMt (the lower the degree of independence). The p value indicating the degree of correlation was on the order of 10 -3 , indicating that LHPS and FIMt have a high positive correlation. For this reason, it is considered that it is possible to promote improvement of FIMt by making the subject recognize how to use the brain to increase LHPS.
続いて、PSIとNIHSS(National Institute of Health (NIH) Stroke Scale)との相関について、図6に基づいて説明する。図6は、縦軸をLHPSとし、横軸をNIHSSとして実験結果をプロットし、PSIとNIHSSの相関を示した図である。なお、NIHSSとは、脳卒中重症度評価スケールの一つであり、所定の評価項目における被験者の状態をスコア化し、各スコアを合計したものである。NIHSSは、FIMtとは逆に、スコアが高いほど重症度が高いことを示す。 Next, the correlation between PSI and NIHS (National Institute of Health (NIH) Stroke Scale) will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram showing the correlation between PSI and NIHSS by plotting experimental results with the vertical axis being LHPS and the horizontal axis being NIHSS. The NIHSS is one of the scales for evaluating the severity of stroke, and is obtained by converting the state of the subject in a predetermined evaluation item into a score and summing up the scores. NIHSS, as opposed to FIMt, indicates that the higher the score, the higher the severity.
図6に示すように、LHPSが大きいほど、NIHSSが小さくなるという結果となった。つまり、LHPSが大きい(左脳内の同期の程度が高い)被験者ほど、NIHSSが低い(重症度が低い)結果となった。また、相関の程度を示すp値は10-3のオーダーであり、LHPSとNIHSSには高い負の相関があることが分かった。このため、LHPSを大きくするような脳の使い方を被験者に認識させることにより、NIHSSの改善を促すことが可能と考えられる。 As shown in FIG. 6, the result is that NIHSS decreases as LHPS increases. In other words, subjects with larger LHPS (higher degree of synchronization in the left brain) had lower NIHSS (lower severity). The p value indicating the degree of correlation was on the order of 10 -3 , indicating that LHPS and NIHSS had a high negative correlation. For this reason, it is considered that NIHSS can be improved by making the subject recognize how to use the brain to increase LHPS.
〔機能回復と同期指標回復との関連〕
図7は、複数の脳梗塞患者について調べた、FIMtおよびLHPSの変化を示す図である。各患者につき、リハビリテーション前と後の2回の測定を行い、測定結果を縦軸LHPS、横軸FIMtの座標平面上にプロットしている。そして、リハビリテーション前のプロットから、リハビリテーション後のプロットに向かう矢印を記載することにより、リハビリテーション前後におけるFIMtおよびLHPSの変化を示している。
[Relationship between functional recovery and synchronization index recovery]
FIG. 7 is a diagram showing changes in FIMt and LHPS, which were examined for a plurality of cerebral infarction patients. For each patient, two measurements before and after rehabilitation are performed, and the measurement results are plotted on a coordinate plane of the vertical axis LHPS and the horizontal axis FIMt. And the arrow from the plot before the rehabilitation to the plot after the rehabilitation is described to indicate the change of FIMt and LHPS before and after the rehabilitation.
図示の例では、12人の患者のうち、10人がリハビリテーション後においてFIMtおよびLHPSの両方が増加している。これにより、LHPSの数値が大きくなれば機能も回復していること、すなわち機能回復と同期指標とが相関していることが分かる。 In the example shown, of the 12 patients, 10 have increased both FIMt and LHPS after rehabilitation. Thus, it is understood that the function is recovered when the value of LHPS increases, that is, the function recovery is correlated with the synchronization index.
〔各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性〕
前節および前々節では、各種病態指標がLHPSと有意な相関を示すことを説明したが、各種病態指標と有意な相関を示す同期指標は、LHPSに限らない。すなわち、各種病態指標は、IHPS、RHPS、CPS、GPSとも有意な相関を示す。
[Statistical significance of correlation between various synchronization indicators and various disease state indicators]
In the previous and previous sections, it was explained that various pathological indices show significant correlation with LHPS, but the synchronous index showing significant correlation with various pathological indices is not limited to LHPS. That is, the various disease state indexes show a significant correlation with IHPS, RHPS, CPS, and GPS.
以下、各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性について、図8〜図12に基づいて説明する。 Hereinafter, the statistical significance of the correlation between the various synchronization indexes and the various disease state indexes will be described with reference to FIGS.
図8は、ある母集団(脳梗塞患者集団)における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すp値を一覧で示した図である。有意な相関(p≦0.05)を示す値には下線を施し、相関傾向があること(p≦0.09)を示す値は太字で示している。 FIG. 8 is a view showing a list of p-values indicating the statistical significance of the correlation between various synchronization indices and various disease state indices in a certain population (a population of cerebral infarction patients). Values indicating a significant correlation (p ≦ 0.05) are underlined, and values indicating a correlation tendency (p ≦ 0.09) are shown in bold.
なお、同期指標は、α帯(8〜13Hz)における脳波の計測結果に基づいて算出された値である。また、FIMmは、上述のFIMの運動項目であり、FIMcは認知項目である。また、FMA(Fugl-Meyer Assessment)は、身体機能の評価法の1つであり、FMAulは上肢の運動機能の評価法の1つであり、FMAllは下肢の運動機能の評価法の1つである。 The synchronization index is a value calculated based on the measurement result of the electroencephalogram in the α band (8 to 13 Hz). FIMm is an exercise item of the above-mentioned FIM, and FIMc is a recognition item. FMA (Fugl-Meyer Assessment) is one of the methods for evaluating physical function, FMAul is one of the methods for evaluating motor function of the upper limb, and FMAll is one of the methods for evaluating motor function of the lower limb. is there.
図8からは、α帯におけるLHPS、GPS、CPSが過半の病態指標と有意に相関していることが確かめられる。このことから、α帯におけるLHPS、GPS、CPSの何れかを脳梗塞患者にフィードバックすることによって、病状の改善を図り得る可能性が示唆される。 From FIG. 8, it is confirmed that LHPS, GPS, and CPS in the α band are significantly correlated with the majority of pathological indicators. This suggests that the feedback of any one of LHPS, GPS, and CPS in the α band to a cerebral infarction patient may improve the condition.
図9〜図12は、上記の母集団とは異なる母集団(脳梗塞患者集団)における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すp値を一覧で示した図である。 FIG. 9 to FIG. 12 are lists showing p-values indicating the statistical significance of the correlation between various synchronization indices and various disease state indices in a population (a cerebral infarction patient population) different from the above population. .
特に、図9は、母集団を限定せずに、α帯(8〜13Hz)における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すp値を算出した結果を示す。また、図10(a)は、母集団を左半球病変患者に限定して、α帯における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すp値を算出した結果を示し、図10(b)は、母集団を右半球病変患者に限定して、α帯における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すp値を算出した結果を示す。ここでも、有意な相関(p≦0.05)を示す値には下線を施している。 In particular, FIG. 9 shows the results of calculating the p-value indicating the statistical significance of the correlation between various synchronization indices and various disease state indices in the α band (8 to 13 Hz) without limiting the population. FIG. 10 (a) shows the result of calculating the p-value indicating the statistical significance of the correlation between various synchronization indices and various pathological indices in the α band by limiting the population to left hemisphere lesion patients, FIG. 10 (b) shows the result of calculating the p-value indicating the statistical significance of the correlation between various synchronization indices and various pathological indices in the α band by limiting the population to right hemisphere lesion patients. Again, values showing significant correlations (p ≦ 0.05) are underlined.
図9からは、α帯におけるRHPSが過半の病態指標と有意に相関していることが確かめられる。このことから、α帯におけるRHPSを脳梗塞患者にフィードバックすることによって、病状の改善を図り得る可能性が示唆される。また、図10(b)からは、右半球病変患者に関して、α帯におけるIHPS、LHPS、RHPS、GPS、CPSが過半の病態指標と有意に相関していることが確かめられる。このことから、右半球病変患者については、α帯におけるIHPS、LHPS、RHPS、CPS、GPSの何れかをフィードバックすることによって、病状の改善を図り得る可能性が示唆される。 From FIG. 9, it is confirmed that RHPS in the α band is significantly correlated with the majority of pathological indicators. This suggests that the feedback of RHPS in the α band to a cerebral infarction patient may improve the condition. Also, from FIG. 10 (b), it can be confirmed that IHPS, LHPS, RHPS, GPS, and CPS in the α-band significantly correlate with the pathological index of the majority in the right hemisphere lesion patient. This suggests that for right hemisphere lesion patients, it is possible to improve the disease state by feeding back any of IHPS, LHPS, RHPS, CPS, and GPS in the α band.
また、図11は、母集団を限定せずに、β1帯(13〜18Hz)における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すp値を算出した結果を示す。また、図12(a)は、母集団を左半球病変患者に限定して、β1帯における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すp値を算出した結果を示し、図12(b)は、母集団を右半球病変患者に限定して、β1帯における各種同期指標と各種病態指標との相関の統計的有意性を示すp値を算出した結果を示す。ここでも、有意な相関(p≦0.05)を示す値には下線を施している。 FIG. 11 shows the result of calculating the p-value indicating the statistical significance of the correlation between various synchronization indexes and various disease state indexes in the β1 band (13 to 18 Hz) without limiting the population. FIG. 12 (a) shows the result of calculating the p-value indicating the statistical significance of the correlation between various synchronization indices and various pathological indices in the β1 band, with the population limited to left hemisphere lesion patients, FIG. 12 (b) shows the result of calculating the p-value indicating the statistical significance of the correlation between various synchronization indices and various pathological indices in the β1 band, with the population limited to right hemisphere lesion patients. Again, values showing significant correlations (p ≦ 0.05) are underlined.
図11からは、β1帯におけるIHPSが過半の病態指標と有意に相関していることが確かめられる。このことから、β1帯におけるIHPSを脳梗塞患者にフィードバックすることによって、病状の改善を図り得る可能性が示唆される。また、図12(b)からは、右半球病変患者に関して、β1帯におけるIHPS、CPSの何れもが過半の病態指標と有意に相関していることが確かめられる。このことから、右半球病変患者については、β1帯におけるIHPS又はCPSをフィードバックすることによって、病状の改善を図り得る可能性が示唆される。 From FIG. 11, it is confirmed that the IHPS in the β1 band is significantly correlated with the majority of pathological indicators. This suggests that the feedback of IHPS in the β1 band to a cerebral infarction patient may improve the condition. Also, from FIG. 12 (b), it can be confirmed that for the right hemisphere lesion patient, both IHPS and CPS in the β1 band are significantly correlated with the majority pathological index. This suggests that for patients with right hemisphere lesions, it is possible to improve the disease state by feeding back IHPS or CPS in the β1 band.
これらのことから、以下の結論が導かれる。すなわち、従来、IHPSのみが各種病態指標と有意な相関を示すと考えられていたが、対象とする患者を限定すれば、あるいは、対象とする周波数を限定すれば、LHPS、RHPS、CPS、GPSも各種病態指標と有意な相関を示す。すなわち、LHPS、RHPS、CPS、又はGPSを被験者にフィードバックすることによっても、その病状の改善を図り得る可能性がある。 From these, the following conclusions are drawn. That is, conventionally, only IHPS was considered to show a significant correlation with various pathological indices. However, if the target patients are limited, or if the target frequencies are limited, LHPS, RHPS, CPS, GPS Also show significant correlation with various pathological indicators. That is, the feedback of LHPS, RHPS, CPS, or GPS to the subject may possibly improve the condition.
なお、脳梗塞患者の各種病態指標は、各種同期指標のみならず、病変体積(Lesion Volume:LV)とも相関する可能性がある。そこで、偏相関解析によって以下の偏相関の統
計的有意性を示すp値を求めた。なお、病変体積としては、脳梗塞患者のMRI構造画像から算出した値を用いた。
In addition, various pathological indices of a cerebral infarction patient may correlate with not only various synchronous indices but also a lesion volume (LV). Therefore, a p-value indicating the statistical significance of the following partial correlation was obtained by partial correlation analysis. In addition, the value calculated from the MRI structural image of the cerebral infarction patient was used as the lesion volume.
(1)病変体積(LV)の影響を排除した各種同期指標(LHPS,IHPS,RHPS)と各種病態指標(FIMm,FIMc)との偏相関、
(2)各種同期指標(LHPS,IHPS,RHPS)の影響を排除した各種病態指標(FIMm,FIMc)と病変体積(LV)との偏相関、
(3)各種病態指標(FIMm,FIMc)の影響を排除した病変体積(LV)と各種同期指標(LHPS,IHPS,RHPS)との偏相関。
(1) partial correlation between various synchronization indices (LHPS, IHPS, RHPS) and various pathological indices (FIMm, FIMc) excluding the influence of lesion volume (LV),
(2) partial correlation between various pathological indices (FIMm, FIMc) excluding the influence of various synchronous indices (LHPS, IHPS, RHPS) and lesion volume (LV),
(3) Partial correlation between the lesion volume (LV) excluding the influence of various pathological indices (FIMm, FIMc) and various synchronous indices (LHPS, IHPS, RHPS).
図13の(a)〜(c)は、右半球病変患者に関して、上記3つの偏相関の統計的有意性を表すp値を一覧で示した図である。(a)は、同期指標RHPS、病態指標FIMm、及び病変体積LVの三者に関して、(1)RHPSとFIMmとの偏相関、(2)FIMmとLVとの偏相関、(3)LVとRHPSとの偏相関のp値を示す。(b)は、同期指標IHPS、病態指標FIMm、及び病変体積LVの三者に関して、(1)IHPSとFIMmとの偏相関、(2)FIMmとLVとの偏相関、(3)LVとIHPSとの偏相関のp値を示す。(c)は、同期指標LHPS、病態指標FIMm、及び病変体積LVの三者に関して、(1)LHPSとFIMmとの偏相関、(2)FIMmとLVとの偏相関、(3)LVとLHPSとの偏相関のp値を示す。 FIGS. 13A to 13C are diagrams showing a list of p-values representing the statistical significance of the above three partial correlations for right hemispheric lesion patients. (A) shows a synchronization index RHPS, a disease state index FIMm, and a lesion volume LV, (1) partial correlation between RHPS and FIMm, (2) partial correlation between FIMm and LV, (3) LV and RHPS. Shows the p-value of the partial correlation with (B) shows the synchronous index IHPS, the pathological index FIMm, and the lesion volume LV, (1) partial correlation between IHPS and FIMm, (2) partial correlation between FIMm and LV, (3) LV and IHPS. Shows the p-value of the partial correlation with (C) shows the synchronization index LHPS, the pathological index FIMm, and the lesion volume LV, (1) partial correlation between LHPS and FIMm, (2) partial correlation between FIMm and LV, (3) LV and LHPS. Shows the p-value of the partial correlation with
また図13の(d)は、同期指標RHPS、IHPS、及びLHPS、病態指標FIMm、並びに病変体積LVの関係を表す模式図である。 FIG. 13D is a schematic diagram illustrating the relationship among the synchronization indexes RHPS, IHPS, and LHPS, the pathological index FIMm, and the lesion volume LV.
図13の(a)によれば、同期指標RHPSは、病態指標FIMmとの間に有意な偏相関(p≦0.05)を示すのに対して、病変体積LVは、病態指標FIMmとの間に有意な偏相関を示さないことが分かる。すなわち、右半球病変患者の病態と強く関係するのは、病変体積LVではなく、右半球内のネットワーク健全度を示す同期指標RHPSであることが分かる。このことから、α波帯(8Hz〜13Hz)におけるRHPSを脳梗塞患者にフィードバックすることによって、その病状の改善を図り得る可能性が示唆される。 According to FIG. 13A, the synchronization index RHPS shows a significant partial correlation (p ≦ 0.05) with the disease state index FIMm, whereas the lesion volume LV shows a significant partial correlation with the disease state index FIMm. It can be seen that there is no significant partial correlation between them. That is, it is understood that the synchronization index RHPS indicating the network soundness in the right hemisphere is strongly related to the disease state of the right hemisphere lesion patient, not the lesion volume LV. This suggests that the RHPS in the α-wave band (8 Hz to 13 Hz) may be fed back to a cerebral infarction patient to improve the condition.
なお、図13の(b)及び(c)によれば、病態指標FIMmと同期指標LHPS,IHPSとの間にも有意な偏相関(p≦0.05)が存在することが分かる。したがって、同期指標LHPS,IHPSも、同期指標RHPSと同様、病変体積LVよりも右半球病変患者の病態を良く説明する指標であることが分かる。 13B and 13C that a significant partial correlation (p ≦ 0.05) exists between the disease state index FIMm and the synchronization indexes LHPS and IHPS. Therefore, it can be understood that the synchronization indices LHPS and IHPS, like the synchronization index RHPS, are indices that better explain the pathology of the right hemisphere lesion patient than the lesion volume LV.
図14の(a)〜(b)は、左半球病変患者に関して、上記3つの偏相関の統計的有意性を表すp値を一覧で示した図である。(a)は、同期指標LHPS、病態指標FIMm、及び病変体積LVの三者に関して、(1)LHPSとFIMmとの偏相関、(2)FIMmとLVとの偏相関、(3)LVとLHPSとの偏相関のp値を示す。(b)は、同期指標LHPS、病態指標FIMc、及び病変体積LVの三者に関して、(1)LHPSとFIMcとの偏相関、(2)FIMcとLVとの偏相関、(3)LVとLHPSとの偏相関のp値を示す。 FIGS. 14A and 14B are diagrams showing a list of p-values representing the statistical significance of the above three partial correlations for patients with left hemisphere lesions. (A) shows a synchronization index LHPS, a pathological index FIMm, and a lesion volume LV, (1) partial correlation between LHPS and FIMm, (2) partial correlation between FIMm and LV, (3) LV and LHPS. Shows the p-value of the partial correlation with (B) shows the synchronization index LHPS, the disease state index FIMc, and the lesion volume LV, (1) partial correlation between LHPS and FIMc, (2) partial correlation between FIMc and LV, (3) LV and LHPS. Shows the p-value of the partial correlation with
また図14の(c)は、同期指標LHPS、病態指標FIMm、及びFIMc、並びに病変体積LVの関係を表す模式図である。 FIG. 14C is a schematic diagram illustrating a relationship among the synchronization index LHPS, the disease state index FIMm, and FIMc, and the lesion volume LV.
図14によれば、同期指標LHPSは、病態指標FIMm及び病態指標FIMcの両方との間に有意な偏相関(p≦0.05)を示すのに対して、病変体積LVは、病態指標FIMcとの間には有意な偏相関を示すものの、病態指標FIMmとの間には有意な偏相関を示さないことが分かる。すなわち、左半球病変患者の病態と強く関係するのは、病変体積LVではなく、左半球内のネットワーク健全度を示す同期指標LHPSであることが分かる。このことから、β帯(13〜21Hz)の同期指標LHPSを左半球病変患者にフィードバックすることによって、その病状の改善を図り得る可能性が示唆される。 According to FIG. 14, the synchronization index LHPS shows a significant partial correlation (p ≦ 0.05) between both the disease state index FIMm and the disease state index FIMc, whereas the lesion volume LV shows the disease state index FIMc. Shows a significant partial correlation with the pathological condition index FIMm, but does not show a significant partial correlation with the pathological condition index FIMm. In other words, it is understood that the synchronization index LHPS indicating the network soundness in the left hemisphere, not the lesion volume LV, is strongly related to the pathological condition of the left hemisphere lesion patient. This suggests that the feedback of the synchronization index LHPS of the β band (13 to 21 Hz) to the left hemisphere lesion patient may improve the condition.
〔処理の流れ〕
続いて、図1に示す脳波信号処理装置1の実行する処理の流れを図15に基づいて説明する。図15は、脳波信号処理装置1の実行する脳波信号処理方法の一例を示すフローチャートである。
[Processing flow]
Next, a flow of processing executed by the electroencephalogram
まず、脳波信号取得部11は、被験者の脳波信号を取得する(S1)。ここでは、2カ所(第1位置及び第2位置)で計測された2つの脳波信号(X1、X2)を取得する。脳波信号取得部11は、取得した脳波信号のうちX1を第1瞬時位相特定部12Aに渡し、X2を第2瞬時位相特定部12Bに渡す。なお、図2の脳波信号処理装置1であれば、被験者の頭部の少なくとも3箇所で計測された脳波信号を取得し、各脳波信号をそれぞれ異なる瞬時位相特定部12−nに渡す。
First, the electroencephalogram
次に、第1瞬時位相特定部12A及び第2瞬時位相特定部12Bは、脳波信号取得部11から渡された脳波信号からターゲット周波数fにおける瞬時位相を特定する(S2)。なお、ターゲット周波数fは、操作者等により予め指定されている。そして、第1瞬時位相特定部12A及び第2瞬時位相特定部12Bは、各々が特定した瞬時位相φ1(f,t)及びφ2(f,t)を位相同期指数算出部13に渡す。
Next, the first instantaneous phase identification unit 12A and the second instantaneous
次に、位相同期指数算出部13は、第1瞬時位相特定部12A及び第2瞬時位相特定部12Bから受け取った瞬時位相から位相同期指標を算出し(S3)、算出した位相同期指標を映像信号生成部14に渡す。
Next, the phase synchronization
そして、映像信号生成部14は、受け取った位相同期指標に応じた映像信号を生成し(S4、信号生成ステップ)、生成した映像信号を脳波信号処理装置1に接続又は内蔵されたディスプレイに供給する。これにより、上記の映像信号に応じた映像がディスプレイに表示される(S5)。例えば、図3の(a)の画像を表示させる場合、基準となる位相同期指標の値に対して、表示するオブジェクト21の長辺の長さLを予め決めておけばよい。これにより、基準値に対する受け取った位相同期指標の比から、オブジェクト21の長さLを決定することができ、このような表示を行わせるための映像信号を生成することができる。
Then, the video
そして、上記S1〜S5の処理は、脳波信号処理を終了する(S6でYESと判定される)まで繰り返し行われる。この繰り返しによって、逐次取得された脳波信号から、位相同期指数が逐次算出され、位相同期指数に応じた映像信号が逐次生成され、ディスプレイに逐次供給されることになる。よって、ディスプレイに表示された映像を見た被験者がその映像を変化させようと意識した結果を、その映像の変化によって略リアルタイムに被験者に伝達することが可能になる。これにより、被験者は、LHPS、RHPS、CPS、又はGPSが高くなるような脳の使い方を認識することができ、効率よく同期の程度を向上させることが可能になる。 The processes in S1 to S5 are repeated until the electroencephalogram signal processing ends (YES in S6). By this repetition, a phase synchronization index is sequentially calculated from the sequentially acquired brain wave signals, a video signal corresponding to the phase synchronization index is sequentially generated, and sequentially supplied to the display. Therefore, it is possible to transmit the result of the subject who has seen the image displayed on the display, which is conscious of changing the image, to the subject almost in real time by the change of the image. As a result, the subject can recognize how to use the brain to increase LHPS, RHPS, CPS, or GPS, and can efficiently improve the degree of synchronization.
〔実施形態2〕
次に、本発明の他の実施形態を図16から図26に基づいて説明する。本実施形態では、上記実施形態におけるLHPSの代わりに、情報伝達の半球間の対称性の程度を示す対称性指標を用いる例を説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
[Embodiment 2]
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, an example will be described in which a symmetry index indicating the degree of symmetry between hemispheres of information transmission is used instead of the LHPS in the above embodiment. Note that the same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
〔脳波信号処理装置の構成〕
本実施形態の脳波信号処理装置2の構成について、図16を参照して説明する。図16は、本実施形態に係る脳波信号処理装置2の要部構成を示すブロック図である。脳波信号処理装置2は、脳波信号取得部11が取得する脳波の検出位置が右脳および左脳の両方に存在する点、対称性指標算出部(重要度指標算出手段及び対称性指標算出手段として機能する)21を備えている点、および位相同期指標の代わりに対称性指標に応じた映像信号を表示させる点で、図2に示した脳波信号処理装置1と相違している。
[Configuration of EEG signal processing device]
The configuration of the electroencephalogram
詳細は後述するが、対称性指標と病態指標とは相関している。このため、脳波信号処理装置2においても、上記実施形態の脳波信号処理装置1と同様に、ディスプレイに表示された映像を見た被験者がその映像を変化させようと意識した結果を、その映像の変化によって略リアルタイムに被験者に伝達することができる。そして、これにより、被験者に対称性指標の値が高くなるような脳の使い方を認識させ、効率よく対称性指標の値を向上させることが可能になる。また、上述のように、対称性指標と病態指標は相関しているので、対称性指標を向上させることにより、病態の改善が期待できる。
Although details will be described later, the symmetry index and the disease state index are correlated. For this reason, in the electroencephalogram
脳波信号取得部11は、頭部右半球の少なくとも2箇所における脳波信号と、頭部左半球の少なくとも2箇所における脳波信号とを取得し、瞬時位相特定部(瞬時位相特定手段)12−1〜12−nは、取得された脳波信号のそれぞれについて瞬時位相を特定する。なお、情報伝達の半球間の対称性が正確に反映された対称性指標を算出するという観点から、取得する脳波信号は、正中面に対して対称な位置で検出された脳波信号とすることが好ましい。
The electroencephalogram
そして、位相同期指数算出部13(位相同期指数算出手段)は、瞬時位相特定部12−1〜12−nが特定した瞬時位相を対にして位相同期指標を算出する処理を、可能な全ての瞬時位相の組み合わせについて行う。例えば、A1〜A4の4箇所の脳波信号を取得した場合、16通りの瞬時位相の組み合わせ(A1−A1のような同じ箇所同士の組み合わせについても1組とカウントし、A1−A2とA2−A1のような同じペアであるが組み合わせの順番が異なるものを個別の組とカウント)が可能であるから、これら組み合わせの全てについて位相同期指標を算出する。なお、同じ箇所同士の組み合わせでは、PSIは1となり、組み合わせの順番が異なっても、同じペアであればPSIの値は同じになる。このため、実質的には6通りの組み合わせ(A1−A2、A1−A3、A1−A4、A2−A3、A2−A4、A3−A4)についてPSIを算出すればよい。 Then, the phase synchronization index calculation unit 13 (phase synchronization index calculation means) performs a process of calculating a phase synchronization index by pairing the instantaneous phases identified by the instantaneous phase identification units 12-1 to 12-n with all possible phases. This is performed for a combination of instantaneous phases. For example, when four EEG signals of A1 to A4 are acquired, 16 combinations of instantaneous phases (a combination of the same locations such as A1-A1 are counted as one set, and A1-A2 and A2-A1 are counted. And the like, but the order of the combination is different and counted as an individual pair), the phase synchronization index is calculated for all of these combinations. Note that the PSI is 1 for a combination of the same portions, and the PSI value is the same for the same pair even if the order of the combination is different. Therefore, the PSI may be calculated for substantially six combinations (A1-A2, A1-A3, A1-A4, A2-A3, A2-A4, A3-A4).
対称性指標算出部21は、情報伝達の半球間の対称性、すなわち、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示す対称性指標を算出する。対称性指標算出部21は、位相同期指数算出部13の出力する位相同期指標から対称性指標を算出し、算出した対称性指標を映像信号生成部14に出力する。そして、映像信号生成部(信号生成手段)14は、その内容が対称性指標に連動して変化する映像を表す映像信号を生成し、図示しないディスプレイに供給して映像を表示させる。
The symmetry
〔対称性指標の算出方法〕
続いて、対称性指標の算出方法を具体例に基づいて説明する。上述のように、対称性指標は、位相同期指数算出部13が算出した位相同期指標、例えば、〔数1〕により定義されるPSIを用いて算出される。ここでは、Fp1、Fp2、C3、C4、Czの5カ所で計測した脳波信号からPSIを算出した例を説明する。
[Method of calculating symmetry index]
Subsequently, a method of calculating the symmetry index will be described based on a specific example. As described above, the symmetry index is calculated using the phase synchronization index calculated by the phase synchronization
なお、Fp1、Fp2、C3、C4、Czは、図17に示すように、頭部における脳波信号の計測位置を示している。図示のように、Fp1とFp2、C3とC4は、正中面に対して対称な位置である。Fp1とFp2は前頭部付近であり、C3とC4は頭頂部付近であって、CzはC3とC4との中点(正中面上)である。 In addition, Fp1, Fp2, C3, C4, and Cz indicate the measurement positions of the brain wave signal in the head as shown in FIG. As shown, Fp1 and Fp2, and C3 and C4 are symmetrical positions with respect to the median plane. Fp1 and Fp2 are near the frontal region, C3 and C4 are near the crown, and Cz is the midpoint (on the median plane) between C3 and C4.
まず、位相同期指数算出部13が算出したPSIを成分とする行列Pを生成する。本例のように、脳波信号の計測位置が6か所の場合、行列Pは5行5列の行列になる。行列P’の(1,1)成分は、脳波信号Fp1と脳波信号Fp1との間のPSIであり、行列P’の(1,2)成分は、脳波信号Fp1と脳波信号Fp2との間のPSIである。行列P’の他の成分も同様に定義される。このように定義された行列P例示すれば、下記のようになる。
First, a matrix P having the PSI calculated by the phase synchronization
次に、行列Pを、各列又は各行のPSI値の合計が何れも1になるように正規化することによって行列Qを得る。本実施形態においては、各列のPSI値の合計が何れも1になるように正規化することによって行列Qを得る。行列Pが上記の場合、行列Qは下記のようになる。 Next, a matrix Q is obtained by normalizing the matrix P such that the sum of the PSI values of each column or each row becomes 1. In the present embodiment, the matrix Q is obtained by normalizing so that the sum of the PSI values of each column becomes one. When the matrix P is as described above, the matrix Q is as follows.
続いて、この行列Qを固有値分解する。 Subsequently, the matrix Q is subjected to eigenvalue decomposition.
Q=VDV-1
上記の数式において、行列Dは、対角成分に行列Qの固有値が並ぶ行列となり、行列Vは、各列に行列Qの固有ベクトルが並ぶ行列となる。
Q = VDV -1
In the above formula, the matrix D is a matrix in which the eigenvalues of the matrix Q are arranged diagonally, and the matrix V is a matrix in which the eigenvectors of the matrix Q are arranged in each column.
次に、固有値分解の結果を参照して、固有値1に対応する行列Qの固有ベクトルv、すなわち、Qv=1vとなるvを求める。実際の数値計算に即して言うと、最も1に近い固有値に対応する行列Qの固有ベクトルvを求める。例えば、行列Qの1列目の対角成分が最も1に近い場合、行列Vの1列目の列ベクトルが求める固有ベクトルvとなり、行列Qの2列目の対角成分が最も1に近い場合、行列Vの2列目の列ベクトルが求める固有ベクトルvとなる。
Next, with reference to the result of the eigenvalue decomposition, an eigenvector v of the matrix Q corresponding to the
更に、固有ベクトルvを成分の和が1になるように規格化することによって、重要度ベクトルv’を得る。行列Qが上記の場合、重要度ベクトルv’は、下記のようになる。 Furthermore, the importance vector v 'is obtained by normalizing the eigenvector v so that the sum of the components becomes 1. When the matrix Q is as described above, the importance vector v 'is as follows.
このようにして得られた重要度ベクトルの各成分は、対応する脳波信号の各検出箇所の、脳内の情報伝達における相対的な重要度を示す重要度指標として用いることができる。特に、このようにして得られた重要度ベクトルの各成分を重要度指標として用いる場合、重要度の高い(重要度指標の値が大きい)検出箇所とネットワークを組んでいる検出箇所に高い重要度(値が大きい重要度指標)を割り当てることができる。上記の重要度ベクトルにおいては、Czの重要度が最も高く(0.215)なっており、Fp2の重要度が最も低く(0.188)なっている。つまり、被験者の脳内における情報処理のネットワークにおいては、Czの脳領域がその他の脳領域と協働した処理が相対的に大きなウェイトを占めており、FP2の脳領域がその他の脳領域と協働した処理は相対的にウェイトが小さいことが数値として示されている。よって、上記のようにして得られた重要度ベクトルの各成分を重要度指標として用いることにより、被験者の右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を正確に示す対称性指標を算出し、これに連動する刺激を被験者に与えることが可能になる。 Each component of the importance vector obtained in this way can be used as an importance index indicating the relative importance of information detection in the brain at each detection point of the corresponding brain wave signal. In particular, when each component of the importance vector obtained in this manner is used as an importance index, a high importance is assigned to a detection part having a high importance (a value of the importance index is large) and a detection part forming a network. (Importance index with a large value) can be assigned. In the above importance vector, the importance of Cz is the highest (0.215), and the importance of Fp2 is the lowest (0.188). In other words, in the information processing network in the subject's brain, the processing in which the Cz brain region cooperates with other brain regions occupies a relatively large weight, and the FP2 brain region cooperates with other brain regions. The numerical value indicates that the weight of the activated process is relatively small. Therefore, by using each component of the importance vector obtained as described above as an importance index, a symmetry that accurately indicates the degree of symmetry between information transmission in the right hemisphere and information transmission in the left hemisphere of the subject is obtained. An index can be calculated and a stimulus linked thereto can be given to the subject.
なお、固有ベクトルの算出方法は、固有値分解に限られず、他の演算方法で算出してもよいことは言うまでもない。 Note that the method of calculating the eigenvector is not limited to eigenvalue decomposition, and it goes without saying that the eigenvector may be calculated by another calculation method.
ここで、重要度の空間分布と病態指標との相関について図18から図21に基づいて説明する。図18は、健常者と、病態指標の異なる3名の患者(高FIMt、中FIMt、低FIMt)の重要度の空間分布を示した図である。なお、重要度の算出に用いるPSIは、何れも周波数fをα帯として算出した。 Here, the correlation between the spatial distribution of importance and the disease state index will be described with reference to FIGS. FIG. 18 is a diagram showing the spatial distribution of importance of healthy subjects and three patients (high FIMt, medium FIMt, low FIMt) having different pathological indices. Note that the PSI used for calculating the importance was calculated using the frequency f as the α band.
図示のように、健常者の重要度は、頭頂から前頭にかけて(図17のFz付近)を中心として、重要度の高い領域が広がっており、重要度の空間分布は、正中面に対して概ね左右対称となっている。高FIMtの患者についても、健常者と同様に重要度の空間分布は、正中面に対して概ね左右対称となっている。これに対し、中FIMtおよび低FIMtの患者の重要度の空間分布では、このような対称性が崩れている。 As shown in the figure, the importance of a healthy person is such that a region of high importance spreads from the crown to the frontal region (around Fz in FIG. 17), and the spatial distribution of the importance is approximately relative to the median plane. It is symmetrical. The spatial distribution of the degree of importance of a patient with high FIMt is substantially symmetric with respect to the median plane, similarly to a healthy person. On the other hand, such a symmetry is broken in the spatial distribution of the importance of patients with middle FIMt and low FIMt.
このような傾向を確認するため、被験者の数を増やし、各被験者の重要度を平均してその分布を調べた。この結果を図19に示す。健常被験者は4人、高FIMの被験者は13人、中FIMの被験者は17人、低FIMの被験者は10人である。図示のように、低FIMの被験者の重要度は、正中面に対して非対称であり、重要度の高い領域が右半球に偏っている。 In order to confirm such a tendency, the number of subjects was increased, the importance of each subject was averaged, and the distribution was examined. The result is shown in FIG. There are 4 healthy subjects, 13 subjects with high FIM, 17 subjects with middle FIM, and 10 subjects with low FIM. As shown in the figure, the importance of the subject with low FIM is asymmetric with respect to the median plane, and the region of high importance is biased toward the right hemisphere.
このような傾向は、右半球に損傷のある被験者であっても、左半球に損傷のある被験者であっても共通して見られた。すなわち、図20に示すように、左半球に損傷のある被験者13名と、右半球に損傷のある被験者26名について、重要度を平均してその分布を調べると、何れも正中面に対して非対称であり、重要度の高い領域が右半球に偏るという結果となった。 Such a tendency was commonly observed in subjects with damaged right hemisphere and subjects with damaged left hemisphere. That is, as shown in FIG. 20, when 13 subjects with a damaged left hemisphere and 26 subjects with a damaged right hemisphere are averaged and examined for their distributions, all of them have a relative median plane. The result was that the regions of high importance were skewed toward the right hemisphere.
さらに、図21に示すように、左半球に損傷のある被験者のうちFIMtが特に低かった4名(FIMtがそれぞれ38、42、63、64)と、右半球に損傷のある被験者のうちFIMtが特に低かった4名(FIMtがそれぞれ31、19、24、40)について、重要度を平均してその分布を調べた。こちらの結果においても、何れの被験者群の重要度の空間分布も、正中面に対して非対称であり、重要度の高い領域が右半球に偏るという結果となった。右半球に損傷のある被験者においても、右半球の重要度が高くなり、左半球の重要度が低くなることは、新たな知見である。 Further, as shown in FIG. 21, four subjects with particularly low FIMt (FIMt is 38, 42, 63, and 64, respectively) among subjects with damage to the left hemisphere, and FIMt among subjects with damage to the right hemisphere, The distribution was examined by averaging the importance of the four subjects who were particularly low (FIMt was 31, 19, 24, and 40, respectively). Also in this result, the spatial distribution of the importance of each subject group was asymmetric with respect to the median plane, and the region of high importance was biased toward the right hemisphere. It is a new finding that the right hemisphere becomes more important and the left hemisphere becomes less important even in a subject with an injury to the right hemisphere.
本実施形態で使用する対称性指標は、上述のような重要度分布の左右の半球間における対称性を数値で示した指標である。具体的には、正中面に対して対称な位置における重要度の差分(左右差)を対称性指標として算出する。正中面に対して対称な検出箇所間の重要度指標の差分は、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達が完全に対称であればゼロになり、非対称である程度が大きくなるほど大きな値となるので、対称性の程度を示す対称性指標として利用可能である。また、正中面に対して対称な検出箇所間の重要度指標の差分を対称性指標として利用すれば、対称性指標の算出のための演算処理が極めて簡易になる。 The symmetry index used in the present embodiment is an index that numerically indicates the symmetry between the left and right hemispheres of the importance distribution as described above. Specifically, a difference in importance (left-right difference) at a position symmetric with respect to the median plane is calculated as a symmetry index. The difference in the importance index between the detection points symmetric with respect to the median plane is zero if the information transmission in the right hemisphere and the information transmission in the left hemisphere are completely symmetric, and becomes larger as the degree of asymmetry increases to some extent. Therefore, it can be used as a symmetry index indicating the degree of symmetry. In addition, if the difference in the importance index between the detection points symmetric with respect to the median plane is used as the symmetry index, the arithmetic processing for calculating the symmetry index becomes extremely simple.
〔対称性指標と病態指標との相関〕
次に、対称性指標と病態指標との相関について、図22から図24に基づいて説明する。図22は、正中面に対して対称な位置にある電極(Fp1−Fp2、F3−F4、C3−C4)をペアとし、各ペアの重要度(同図においては「インポータンス」と表記。以下同様。)の差(同図においては「左右差」と表記。以下同様。)を該ペアの和で割ったものを、全ペアについて平均した値(対称性指標)を縦軸とし、横軸をFIMtとして実験結果をプロットし、対称性指標とFIMの相関を示した図である。また、図23は、ペアF4−F3の重要度の差を該ペアの重要度の和で割った値(対称性指標)を縦軸とし、横軸をFIMtとして実験結果をプロットした図であり、図24は、ペアC4−C3の重要度の差を該ペアの重要度の和で割った値(対称性指標)を縦軸とし、横軸をFIMtとして実験結果をプロットした図である。
[Correlation between symmetry index and disease state index]
Next, the correlation between the symmetry index and the disease state index will be described with reference to FIGS. In FIG. 22, electrodes (Fp1-Fp2, F3-F4, C3-C4) located symmetrically with respect to the median plane are paired, and the importance of each pair (in FIG. 22, denoted as "importance"). ) (In the figure, referred to as “left-right difference”; the same applies hereinafter) divided by the sum of the pairs, and the average value (symmetry index) for all pairs is used as the vertical axis, and the horizontal axis is used. FIG. 9 is a diagram plotting experimental results as FIMt and showing a correlation between a symmetry index and FIM. FIG. 23 is a diagram in which a vertical axis indicates a value (a symmetry index) obtained by dividing a difference in importance between the pairs F4 and F3 by a sum of the importance of the pair, and FIMt indicates a horizontal axis. FIG. 24 is a diagram in which the vertical axis indicates a value (symmetry index) obtained by dividing the difference in importance between the pairs C4 and C3 by the sum of the importance of the pair, and the horizontal axis indicates FIMt.
図22から図24の何れにおいても、対称性指標が小さいほど、FIMは大きくなるという結果となった。つまり、FIMが低い(機能的自立度の低い)被験者ほど、対称性指標が大きい(脳内の情報伝達に偏りがある)結果となった。また、相関の程度を示すp値も10-2のオーダーであり、対称性指標とFIMには相関があることが分かった。このため、上記実施形態の位相同期指数と同様に、対称性指標を小さくする(非対称性を小さくする)脳の使い方を被験者に認識させることにより、病態指標の改善を促すことが可能と考えられる。特に、図23に示すF4−F3間では、p値が極めて低い結果となっており、F4−F3間で求めた重要度の差が対称性指標として極めて好適であることが分かる。 22 to 24, the smaller the symmetry index, the larger the FIM. In other words, the lower the FIM (the lower the degree of functional independence), the larger the symmetry index (the information transmission in the brain is biased). Also, the p-value indicating the degree of correlation was on the order of 10 -2 , indicating that there is a correlation between the symmetry index and the FIM. Therefore, as in the case of the phase synchronization index in the above embodiment, it is considered that it is possible to promote the improvement of the pathological index by making the subject recognize how to use the brain to reduce the symmetry index (reduce the asymmetry). . In particular, the value of p is extremely low between F4 and F3 shown in FIG. 23, and it can be seen that the difference in importance obtained between F4 and F3 is extremely suitable as a symmetry index.
なお、対称性指標の増減は、上記実施形態と同様に、図3に示したような映像を提示することによって、被験者に認識させることができる。ただし、位相同期指数は病態指数と正の相関があるが、対称性指標は病態指数と負の相関がある。このため、映像との連動のさせ方を逆にしてもよい。例えば、図3(a)のように、オブジェクト21の長さを変化させることによって被験者への提示を行う場合、対称性指標が低下したときに、低下の程度に応じてオブジェクト21の長さを長くしてもよい。この場合、被験者には、上記実施形態と同様に、オブジェクト21の長さが長くなるように意識させる。無論、表示する映像は、対称性指標の増減を被験者が認識できるようなものであればよく、例えば対称性指標が増加したときにオブジェクト21を長くしてもよい。この場合、被験者には、オブジェクト21の長さが短くなるように意識させる。また、視覚以外の感覚刺激によって対称性指標の増減を被験者に認識させてもよい。
The increase or decrease of the symmetry index can be recognized by the subject by presenting a video as shown in FIG. However, the phase synchronization index has a positive correlation with the pathological index, while the symmetry index has a negative correlation with the pathological index. For this reason, the method of linking with the video may be reversed. For example, as shown in FIG. 3A, when presenting to a subject by changing the length of the
なお、健常者の重要度の分布は、通常、左右対称である。したがって、被験者の重要度の空間分布と健常者の重要度の空間分布との類似性を対称性指標として用いてもよい。たとえば、図25は、健常者の重要度ベクトルと被験者の重要度ベクトルとの内積をノルムの積で割った量、すなわちcosθを縦軸とし、横軸をFIMtとして実験結果をプロットした図である。図示のように、cosθの値と、FIMtとの間には正の相関があり、cosθを相対性指標として用いることができることが確認された。なお、健常者の重要度ベクトルと被験者の重要度ベクトルとのなす角θがゼロに近付くほど、cosθの値は1に近付く。そして、重要度ベクトルのなす角θがゼロに近いということは、両半球の重要度の対称性が高いことを意味する。 Note that the distribution of the importance of healthy persons is usually symmetric. Therefore, the similarity between the spatial distribution of the importance of the subject and the spatial distribution of the importance of the healthy person may be used as the symmetry index. For example, FIG. 25 is a diagram in which the vertical axis is the amount obtained by dividing the inner product of the importance vector of the healthy person and the importance vector of the subject by the product of the norms, that is, the plot of the experimental results is plotted with the horizontal axis being FIMt. . As shown, there is a positive correlation between the value of cos θ and FIMt, and it was confirmed that cos θ can be used as a relative index. Note that the value of cos θ approaches 1 as the angle θ between the importance vector of the healthy subject and the importance vector of the subject approaches zero. The fact that the angle θ formed by the importance vectors is close to zero means that the importance of both hemispheres is highly symmetric.
また、右半球内電極の重要度の空間分布と左半球内電極の重要度の空間分布との類似性、例えば、右半球内電極のベクトルと左半球内電極の重要度ベクトルとの内積をノルムの積で割った量を対称性指標として用いてもよい。右半球内電極のベクトルと左半球内電極の重要度ベクトルとのなす角θがゼロに近付くほど、cosθの値は1に近付く。そして、重要度ベクトルのなす角θがゼロに近いということは、両半球の重要度の対称性が高いことを意味する。 Also, the similarity between the spatial distribution of the importance of the right hemisphere electrode and the spatial distribution of the importance of the left hemisphere electrode, for example, norm is the inner product of the importance vector of the right hemisphere electrode and the importance vector of the left hemisphere electrode. May be used as the symmetry index. The value of cos θ approaches 1 as the angle θ between the vector of the right hemisphere electrode and the importance vector of the left hemisphere electrode approaches zero. The fact that the angle θ formed by the importance vectors is close to zero means that the importance of both hemispheres is highly symmetric.
なお、ここでは、2つの重要度ベクトルの類似性を、これら2つの重要度ベクトルの内積で評価する方法を説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、2つの重要度ベクトルの類似性は、相関係数など他の量を用いて評価しても構わない。 Here, the method of evaluating the similarity between two importance vectors by the inner product of these two importance vectors has been described, but the present invention is not limited to this. That is, the similarity between the two importance vectors may be evaluated using another amount such as a correlation coefficient.
〔処理の流れ〕
続いて、脳波信号処理装置2の実行する処理の流れを図26に基づいて説明する。図26は、脳波信号処理装置2の実行する脳波信号処理方法の一例を示すフローチャートである。
[Processing flow]
Subsequently, a flow of processing executed by the electroencephalogram
まず、脳波信号取得部11は、被験者の脳波信号を取得する(S11)。なお、取得する脳波信号には、各半球のそれぞれの複数個所で計測された脳波信号が含まれていればよいが、ここでは簡単のため各半球の各2カ所(F3、F4、C3、C4)で計測された4つの脳波信号(XR1、XR2、XL1、XL2)を取得する例を説明する。脳波信号取得部11は、取得した脳波信号のうちXR1を瞬時位相特定部12−1に渡し、以下同様に、脳波信号XR2、XL1、XL2を瞬時位相特定部12−2〜4に渡す。
First, the electroencephalogram
次に、瞬時位相特定部12−1〜4は、脳波信号取得部11から渡された脳波信号からターゲット周波数fにおける瞬時位相を特定する(S12)。なお、ターゲット周波数fは、操作者等により予め指定されている。そして、瞬時位相特定部12−1〜4は、各々が特定した瞬時位相φR1(f,t)、φR2(f,t)、φL1(f,t)、及びφL2(f,t)を位相同期指数算出部13に渡す。
Next, the instantaneous phase identification units 12-1 to 12-4 identify the instantaneous phase at the target frequency f from the brain wave signal passed from the brain wave signal acquisition unit 11 (S12). Note that the target frequency f is specified in advance by an operator or the like. Then, the instantaneous phase identification units 12-1 to 12-4 synchronize the instantaneous phases φR1 (f, t), φR2 (f, t), φL1 (f, t), and φL2 (f, t) which are respectively identified. The index is passed to the
次に、位相同期指数算出部13は、瞬時位相特定部12−1〜4から受け取った瞬時位相から位相同期指標を算出する(S13)。具体的には、瞬時位相特定部12−1〜4から受け取った4つの瞬時位相から16通りの組み合わせを作り、各組み合わせについて位相同期指標を算出する。そして、位相同期指数算出部13は、算出した位相同期指標を4行4列の行列G’として対称性指標算出部21に渡す。なお、位相同期指標を行列G’とする処理は、対称性指標算出部21が行うようにしてもよい。
Next, the phase synchronization
次に、対称性指標算出部21は、位相同期指数算出部13から受け取った位相同期指標から対称性指標を算出する(S14)。なお、図示していないが、対称性指標の算出は、位相同期指標から重要度を算出するステップ(重要度算出ステップ)と、算出された重要度から対称性指標を算出するステップ(対称性指標算出ステップ)を含む。つまり、対称性指標算出部21は、重要度指標算出手段および対称性指標算出手段としての機能を有する。無論、これらの手段を個別の機能ブロックとして構成してもよい。
Next, the symmetry
重要度算出ステップでは、対称性指標算出部21は、位相同期指標(ここでは4行4列の行列G’)を正規化した行列Gを算出し、この行列Gを固有値分解して、行列Vを得る。そして、これを正規化して行列V’を得る。この行列V’の成分が固有ベクトル(重要度)である。
In the importance calculation step, the symmetry
続いて、対称性指標算出ステップでは、対称性指標算出部21は、行列V’から対称性指標を算出する。なお、対称性指標は、図22に示したような、行列V’の成分である各電極間の重要度の差を両半球のそれぞれで平均した値であってもよい。また、図23、図24に示したような、正中面に対して対称な位置の2つの電極間の重要度の差分であってもよい。そして、対称性指標算出部21は、以上のようにして算出した対称性指標を映像信号生成部14に渡す。
Subsequently, in a symmetry index calculation step, the symmetry
この後、映像信号生成部14は、受け取った位相同期指標に応じた映像信号を生成し(S15、信号生成ステップ)、生成した映像信号を脳波信号処理装置1に接続又は内蔵されたディスプレイに供給する。これにより、上記の映像信号に基づいた映像がディスプレイに表示される(S16)。
Thereafter, the video
そして、上記S11〜S16の処理は、脳波信号処理を終了する(S17でYESと判定される)まで繰り返し行われる。この繰り返しによって、ディスプレイに表示された映像を見た被験者がその映像を変化させようと意識した結果を、その映像の変化によって略リアルタイムに被験者に伝達することが可能になる。これにより、被験者は、同期の程度が高くなるような脳の使い方を認識することができ、効率よく同期の程度を向上させることが可能になる。また、上述のように、同期の程度と病態指標は相関しているので、同期の程度を向上させることにより、病態の改善が期待できる。 Then, the processing of S11 to S16 is repeatedly performed until the brain wave signal processing ends (YES is determined in S17). By this repetition, it is possible to transmit the result of the subject who has watched the video displayed on the display conscious of changing the video to the subject in substantially real time by the change of the video. Thus, the subject can recognize how to use the brain to increase the degree of synchronization, and can efficiently improve the degree of synchronization. Further, as described above, the degree of synchronization is correlated with the disease state index. Therefore, improvement of the degree of synchronization can be expected to improve the disease state.
なお、上記実施形態では、被験者の頭部における重要度の空間分布から、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示す対称性指標を算出する例を示した。しかしながら、対称性指標は、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示すものであればよく、この例に限られない。 In the above embodiment, an example has been described in which a symmetry index indicating the degree of symmetry between information transmission in the right hemisphere and information transmission in the left hemisphere is calculated from the spatial distribution of importance in the subject's head. However, the symmetry index only needs to indicate the degree of symmetry between information transmission in the right hemisphere and information transmission in the left hemisphere, and is not limited to this example.
〔まとめ〕
本発明の一態様に係る脳波信号処理装置は、被験者の脳波を表す脳波信号を逐次取得して処理する脳波信号処理装置であって、上記被験者の頭部の第1位置における脳波信号と、該被験者の頭部の第2位置における脳波信号との位相同期の程度を示す位相同期指数を遂次算出する位相同期指数算出手段と、上記位相同期指数算出手段にて遂次算出された位相同期指数に応じた信号、又は、上記位相同期指数算出手段にて遂次算出された位相同期指数の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記位相同期指数に連動して変化する刺激を上記被験者に与える信号生成手段と、を備え、上記第1位置及び上記第2位置は、(1)上記被験者の頭部左半球上の互いに異なる2つの位置、(2)上記被験者の頭部右半球上の互いに異なる2つの位置、又は、(3)上記被験者の頭部正中線上の位置、及び、当該位置と異なる上記被験者の頭部上の位置である、ことを特徴とする。
[Summary]
An electroencephalogram signal processing device according to one aspect of the present invention is an electroencephalogram signal processing device that sequentially obtains and processes electroencephalogram signals representing electroencephalograms of a subject, wherein the electroencephalogram signal at a first position of the subject's head, Phase synchronization index calculating means for successively calculating a phase synchronization index indicating the degree of phase synchronization with the electroencephalogram signal at the second position of the subject's head, and a phase synchronization index sequentially calculated by the phase synchronization index calculating means Or a signal corresponding to the time average of the phase synchronization index sequentially calculated by the phase synchronization index calculation means and sequentially supplied to the stimulating device, thereby interlocking with the phase synchronization index. Signal generating means for applying a stimulus that changes to the subject, wherein the first position and the second position are: (1) two different positions on the left hemisphere of the subject's head; (2) The subject's head Two different locations on the hemisphere, or, wherein the (3) position of the head midline of the subject, and a position on the head of a different said subject with the position it.
また、本発明の一態様に係る脳波信号処理方法は、脳波信号処理装置が被験者の脳波を表す脳波信号を逐次取得して処理する脳波信号処理方法であって、上記脳波信号処理装置が、上記被験者の頭部の第1位置における脳波信号と、該被験者の頭部の第2位置における脳波信号との位相同期の程度を示す位相同期指数を遂次算出する位相同期指数算出ステップと、脳波信号処理装置が、上記位相同期指数算出ステップにて遂次算出された位相同期指数に応じた信号、又は、上記位相同期指数算出ステップにて遂次算出された位相同期指数の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記位相同期指数に連動して変化する刺激を上記被験者に与える信号生成ステップと、を含み、上記第1位置及び上記第2位置は、(1)上記被験者の頭部左半球上の互いに異なる2つの位置、(2)上記被験者の頭部右半球上の互いに異なる2つの位置、又は、(3)上記被験者の頭部正中線上の位置、及び、当該位置と異なる上記被験者の頭部上の位置である、ことを特徴とする。 Further, the electroencephalogram signal processing method according to one aspect of the present invention is an electroencephalogram signal processing method in which the electroencephalogram signal processing device sequentially acquires and processes electroencephalogram signals representing the electroencephalogram of the subject. A phase synchronization index calculating step of successively calculating a phase synchronization index indicating a degree of phase synchronization between the brain wave signal at the first position of the subject's head and the brain wave signal at the second position of the subject's head; A processing unit that outputs a signal corresponding to the phase synchronization index sequentially calculated in the phase synchronization index calculation step, or a signal corresponding to a time average of the phase synchronization index sequentially calculated in the phase synchronization index calculation step; Generating the stimulus and sequentially supplying the stimulus to the stimulus applying device to provide the subject with a stimulus that changes in conjunction with the phase synchronization index, wherein the first position and the second position Are (1) two different positions on the left hemisphere of the subject's head, (2) two different positions on the right hemisphere of the subject's head, or (3) on the midline of the subject's head. And a position on the head of the subject different from the position.
上記の構成によれば、逐次取得された脳波信号間の位相同期の程度、特に各種病態指標との間に有意な相関が認められるLHPS(Left Hemispheric Phase Synchronization:左半球内位相同期)、RHPS(Right Hemispheric Phase Synchronization:右半球内位相同期)、又はCPS(Central Phase Synchronization:正中位相同期)を、被験者にフィードバックして認識させることができる。これにより、上記被験者は、脳波信号間の位相同期の程度が高くなるように、自身の脳を自身の意思で制御することが可能になる。そして、このような制御を繰り返すことによって、上記被験者は、脳波信号間の位相同期が生じ易くなるよう、自身の脳をトレーニングすることが可能になる。 According to the above configuration, the degree of phase synchronization between sequentially acquired electroencephalogram signals, in particular, LHPS (Left Hemispheric Phase Synchronization), RHPS (Left Hemispheric Phase Synchronization), in which a significant correlation is recognized with various pathological indicators, The subject can be fed back to recognize Right Hemispheric Phase Synchronization (Central Phase Synchronization) or CPS (Central Phase Synchronization). This allows the subject to control his / her brain with his / her own intention so that the degree of phase synchronization between brain wave signals is increased. By repeating such control, the subject can train his / her brain so that phase synchronization between brain wave signals is likely to occur.
また、本発明の一態様に係る脳波信号処理装置において、上記脳波信号間の位相同期の程度が変化してから、その変化が上記刺激付与装置によって上記被験者に与えられる刺激に反映されるまでの遅延が15秒以下である、ことが好ましい。 Further, in the electroencephalogram signal processing device according to one aspect of the present invention, from the change in the degree of phase synchronization between the electroencephalogram signals until the change is reflected on the stimulus given to the subject by the stimulus applying device. Preferably, the delay is 15 seconds or less.
また、本発明の一態様に係る脳波信号処理装置において、上記被験者の頭部の上記第1位置における脳波信号から瞬時位相を遂次特定すると共に、該被験者の頭部の上記第2位置における脳波信号から瞬時位相を遂次特定する瞬時位相特定手段を備え、上記位相同期指数算出手段は、上記瞬時位相特定手段が特定した瞬時位相から上記位相同期指数を算出し、上記瞬時位相特定手段が上記瞬時位相の特定に用いるウィンドウ幅をT、上記瞬時位相特定手段が瞬時位相の算出に要する各計算時間をτとして、時刻tにおける脳波信号の値のサンプリングが完了してから、時刻tにおける瞬時位相の特定が完了するまでの遅延が、T/2+τ又はT/2+2×τと同程度である、ことが好ましい。 Also, in the electroencephalogram signal processing device according to one aspect of the present invention, the instantaneous phase is sequentially identified from the electroencephalogram signal at the first position of the subject's head, and the electroencephalogram at the second position of the subject's head. An instantaneous phase identifying means for sequentially identifying an instantaneous phase from the signal, wherein the phase synchronization index calculating means calculates the phase synchronization index from the instantaneous phase identified by the instantaneous phase identifying means, and the instantaneous phase identifying means Assuming that a window width used for specifying the instantaneous phase is T and each calculation time required for the instantaneous phase specifying means to calculate the instantaneous phase is τ, the instantaneous phase at the time t after the sampling of the value of the electroencephalogram signal at the time t is completed. Is preferably about the same as T / 2 + τ or T / 2 + 2 × τ.
また、本発明の一態様に係る脳波信号処理装置において、上記位相同期指数算出手段が位相同期指数の算出に用いるウィンドウ幅をT’、上記位相同期指数算出手段が位相同期指数の算出に要する計算時間をτ’として、時刻tにおける瞬時位相の特定を完了してから、時刻tにおける位相同期指数の算出が完了するまでの遅延が、T’/2+τ’と同程度である、ことが好ましい。 Further, in the electroencephalogram signal processing device according to one aspect of the present invention, the window width used by the phase synchronization index calculation means for calculating the phase synchronization index is T ′, and the calculation required by the phase synchronization index calculation means for calculation of the phase synchronization index is performed. It is preferable that the delay from completion of the specification of the instantaneous phase at time t to completion of the calculation of the phase synchronization index at time t is approximately equal to T ′ / 2 + τ ′, where τ ′ is the time.
また、本発明の一態様に係る脳波信号処理装置において、上記刺激付与装置は、ディスプレイであり、上記信号生成手段は、映像信号を生成して上記ディスプレイに逐次供給することにより、上記位相同期指数に連動して変化する視覚刺激を上記被験者に与える、ことが好ましい。 Further, in the electroencephalogram signal processing device according to one aspect of the present invention, the stimulus applying device is a display, and the signal generation unit generates a video signal and sequentially supplies the video signal to the display, thereby obtaining the phase synchronization index. It is preferable to provide the subject with a visual stimulus that changes in conjunction with the subject.
また、本発明の一態様に係る脳波信号処理装置において、上記刺激付与装置は、スピーカであり、上記信号生成手段は、音声信号を生成して上記スピーカに供給することにより、上記位相同期指数に連動して変化する聴覚刺激を上記被験者に与える、ことが好ましい。 Further, in the electroencephalogram signal processing device according to one aspect of the present invention, the stimulus applying device is a speaker, and the signal generation unit generates an audio signal and supplies the audio signal to the speaker, so that the phase synchronization index is increased. Preferably, the subject is provided with an auditory stimulus that changes in conjunction with the subject.
また、本発明の一態様に係る脳波信号処理装置において、上記刺激付与装置は、電気刺激装置又は機械刺激装置であり、上記信号生成手段は、信号を生成して上記電気刺激装置又は上記機械刺激装置に供給することにより、上記位相同期指数に連動して変化する体性感覚刺激を上記被験者に与える、ことが好ましい。 Further, in the electroencephalogram signal processing device according to one aspect of the present invention, the stimulus applying device is an electrical stimulator or a mechanical stimulator, and the signal generating unit generates a signal to generate the signal and the electrical stimulator or the mechanical stimulus. It is preferable that the subject is given a somatosensory stimulus that changes in conjunction with the phase synchronization index by supplying the subject with the somatic sensory stimulus.
また、本発明の一態様に係る脳波信号処理装置において、上記被験者は脳疾患患者であり、上記被験者の脳内における位相同期が生じ易くなるよう、当該被験者が自身の脳をトレーニングするためのトレーニング装置として機能する、ことが好ましい。 In the electroencephalogram signal processing device according to one aspect of the present invention, the subject is a brain disease patient, and the subject is trained to train his / her brain so that phase synchronization in the brain of the subject is likely to occur. It preferably functions as a device.
また、本発明の一態様に係る脳波信号処理装置において、上記第1位置及び上記第2位置は、上記被験者の頭部右半球上の互いに異なる2つの位置である、ことが好ましい。 In the electroencephalogram signal processing device according to one aspect of the present invention, it is preferable that the first position and the second position are two different positions on the right hemisphere of the subject's head.
また、本発明の一態様に係る脳波信号処理装置において、上記第1位置及び上記第2位置は、上記被験者の頭部左半球上の互いに異なる2つの位置である、ことが好ましい。 In the electroencephalogram signal processing device according to one aspect of the present invention, it is preferable that the first position and the second position are two different positions on the left hemisphere of the subject's head.
また、本発明の一態様に係る脳波信号処理装置において、上記位相同期指数算出手段は、上記被験者の頭部における互いに異なる3箇所以上の位置で取得された脳波信号を少なくとも用いて、各脳波信号間の位相同期の程度に応じた位相同期指数を遂次算出する、ことが好ましい。 Further, in the electroencephalogram signal processing device according to one aspect of the present invention, the phase synchronization index calculation means uses each of the electroencephalogram signals obtained at least at three or more different positions on the subject's head by using each of the electroencephalogram signals. It is preferable to sequentially calculate a phase synchronization index according to the degree of phase synchronization between the two.
本発明の他の態様に係る脳波信号処理装置は、被験者の頭部右半球および左半球のそれぞれにおいて複数の箇所で検出された各脳波信号を逐次取得して処理する脳波信号処理装置であって、上記各脳波信号から遂次算出された、当該各脳波信号間の位相同期の程度を示す位相同期指数から、上記脳波信号の各検出箇所の、上記被験者の脳内の情報伝達における相対的な重要度を示す重要度指標を逐次算出する重要度指標算出手段と、上記被験者の頭部における上記重要度指標の分布から、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示す対称性指標を逐次算出する対称性指標算出手段と、上記対称性指標算出手段にて逐次算出された上記対称性指標に応じた信号、又は、上記対称性指標算出手段にて逐次算出された上記対称性指標の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記対称性指標に連動して変化する刺激を上記被験者に与える信号生成手段と、を備えていることを特徴とする。 An electroencephalogram signal processing device according to another aspect of the present invention is an electroencephalogram signal processing device that sequentially acquires and processes each electroencephalogram signal detected at a plurality of locations in each of a right hemisphere and a left hemisphere of a subject's head, From the phase synchronization index indicating the degree of phase synchronization between the respective brain wave signals, which is successively calculated from the respective brain wave signals, the relative position of each detection point of the brain wave signal in information transmission in the brain of the subject is calculated. Importance index calculating means for sequentially calculating an importance index indicating importance, and a distribution of the importance index in the subject's head, the degree of symmetry between information transmission in the right hemisphere and information transmission in the left hemisphere. The symmetry index calculating means for sequentially calculating the symmetry index shown, and the signal according to the symmetry index sequentially calculated by the symmetry index calculating means, or the signal is sequentially calculated by the symmetry index calculating means Signal generation means for generating a signal according to the time average of the symmetry index and sequentially supplying the signal to the stimulus applying device, thereby giving a stimulus which changes in conjunction with the symmetry index to the subject. It is characterized by the following.
また、本発明の他の態様に係る脳波信号処理方法は、脳波信号処理装置が被験者の頭部右半球および左半球のそれぞれにおいて複数の箇所で検出された各脳波信号を逐次取得して処理する脳波信号処理方法であって、脳波信号処理装置が、上記各脳波信号から遂次算出された、当該各脳波信号間の位相同期の程度を示す位相同期指数から、上記脳波信号の各検出箇所の、上記被験者の脳内の情報伝達における相対的な重要度を示す重要度指標を逐次算出する重要度算出ステップと、脳波信号処理装置が、上記被験者の頭部における上記重要度指標の分布から、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示す対称性指標を逐次算出する対称性指標算出ステップと、脳波信号処理装置が、上記対称性指標算出ステップにて逐次算出された上記対称性指標に応じた信号、又は、上記対称性指標算出ステップにて逐次算出された上記対称性指標の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記対称性指標に連動して変化する刺激を上記被験者に与える信号生成ステップと、を含むことを特徴とする。 In the electroencephalogram signal processing method according to another aspect of the present invention, the electroencephalogram signal processing device sequentially acquires and processes each electroencephalogram signal detected at a plurality of locations in each of the right and left hemispheres of the subject's head. An electroencephalogram signal processing method, wherein the electroencephalogram signal processing device sequentially calculates, from the respective electroencephalogram signals, a phase synchronization index indicating a degree of phase synchronization between the electroencephalogram signals, to detect each of the detection points of the electroencephalogram signal. An importance calculation step of sequentially calculating an importance index indicating a relative importance in information transmission in the brain of the subject, and an electroencephalogram signal processing device, from the distribution of the importance index in the head of the subject, A symmetry index calculating step of sequentially calculating a symmetry index indicating a degree of symmetry between information transmission in the right hemisphere and information transmission in the left hemisphere, and the electroencephalogram signal processing device performs the symmetry index calculation step A signal corresponding to the symmetry index sequentially calculated in the above manner, or a signal corresponding to a time average of the symmetry index sequentially calculated in the symmetry index calculating step is generated and sequentially supplied to the stimulating device. A signal generating step of providing the subject with a stimulus that changes in conjunction with the symmetry index.
上記の構成によれば、被験者の頭部右半球および左半球の複数の箇所で検出された各脳波信号を各脳波信号から遂次算出された、当該各脳波信号間の位相同期の程度を示す位相同期指数から、各検出箇所の重要度指標を逐次算出する。なお、位相同期の程度が高い検出位置の組合せは、脳内の情報伝達において相対的に重要度が高いと言えるため、位相同期指数から上記の重要度指標を算出することができる。 According to the above configuration, each brain wave signal detected at a plurality of locations in the right and left hemispheres of the subject's head is sequentially calculated from each brain wave signal, and indicates the degree of phase synchronization between the brain wave signals. From the phase synchronization index, the importance index of each detection point is sequentially calculated. Note that a combination of detection positions with a high degree of phase synchronization can be said to have relatively high importance in information transmission in the brain, and thus the above-mentioned importance index can be calculated from the phase synchronization index.
そして、上記の構成によれば、被験者の頭部における上記重要度指標の分布から、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性を示す対称性指標を逐次算出する。なお、上記「分布」は、頭部における位置の分布である。 According to the above configuration, a symmetry index indicating the symmetry between information transmission in the right hemisphere and information transmission in the left hemisphere is sequentially calculated from the distribution of the importance index in the head of the subject. The “distribution” is a distribution of positions on the head.
ここで、上述のように、健常者の脳内における情報伝達は左右の半球間で対称となるが、脳疾患患者では非対称となる。このため、上記の対称性指標は、左半球内の位相同期指数と同様に、被験者の脳のトレーニングに利用することができる。 Here, as described above, information transmission in the brain of a healthy person is symmetric between the left and right hemispheres, but is asymmetric in a brain disease patient. For this reason, the above-mentioned symmetry index can be used for the training of the brain of the subject, similarly to the phase synchronization index in the left hemisphere.
すなわち、上記のようにして算出した対称性指標に連動して変化する刺激を被験者に与えることにより、対称性指標が大きくなるように(脳内の情報伝達が対称に近付くように)、当該被験者に自分の意思で脳を制御させることができる。そして、このような制御を繰り返すことによって、上記被験者は、脳内の情報伝達が両半球で対称に行われるように、自身の脳をトレーニングすることが可能になる。 That is, by giving the subject a stimulus that changes in conjunction with the symmetry index calculated as described above, the subject is increased so that the symmetry index becomes larger (so that information transmission in the brain approaches symmetry). Can control the brain on their own. By repeating such control, the subject can train his / her brain so that information transmission in the brain is performed symmetrically in both hemispheres.
また、本発明の他の態様に係る脳波信号処理装置において、上記重要度指標算出手段は、各脳波信号間の位相同期の程度を示す位相同期指数を成分とする行列を正規化した行列の固有ベクトルであって、固有値が最も1に近い固有ベクトルを算出し、該固有ベクトルの各成分を上記重要度指標として用いる、ことが好ましい。 Further, in the electroencephalogram signal processing device according to another aspect of the present invention, the importance index calculating means includes an eigenvector of a matrix obtained by normalizing a matrix having a component of a phase synchronization index indicating a degree of phase synchronization between the electroencephalogram signals. It is preferable to calculate an eigenvector whose eigenvalue is closest to 1, and use each component of the eigenvector as the importance index.
また、本発明の他の態様に係る脳波信号処理装置において、上記対称性指標算出手段は、上記被験者の正中面に対して対称な検出箇所間の上記重要度指標の差分を上記対称性指標として算出する、ことが好ましい。 Further, in the electroencephalogram signal processing device according to another aspect of the present invention, the symmetry index calculating means uses a difference of the importance index between detection points symmetric with respect to the median plane of the subject as the symmetry index. Preferably, it is calculated.
本発明の各態様に係る脳波信号処理装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記脳波信号処理装置が備える各部(ソフトウェア要素)として動作させることにより上記脳波信号処理装置をコンピュータにて実現させる脳波信号処理装置の制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。 The electroencephalogram signal processing device according to each aspect of the present invention may be realized by a computer, and in this case, the computer is operated as each unit (software element) included in the electroencephalogram signal processing device, whereby the electroencephalogram signal processing device is operated. The control program of the electroencephalogram signal processing device that realizes the above by a computer, and a computer-readable recording medium recording the control program also fall within the scope of the present invention.
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
[Appendix]
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, new technical features can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.
本発明に係る脳波信号処理装置は、例えば、脳疾患患者に対するリハビリテーション効果を増進するためのトレーニング装置として好適に利用することができる。また、脳の高次機能を強化する目的全般に利用することができ、ゲーム機等として利用することも可能である。 The electroencephalogram signal processing device according to the present invention can be suitably used, for example, as a training device for enhancing a rehabilitation effect on a brain disease patient. Further, it can be used for general purposes for enhancing higher-order functions of the brain, and can also be used as a game machine or the like.
1、2 脳波信号処理装置
12A、12B、12−n 瞬時位相特定部(瞬時位相特定手段)
13 位相同期指数算出部(位相同期指数算出手段)
14 映像信号生成部(信号生成手段)
21 対称性指標算出部(重要度指標算出手段、対称性指標算出手段)
100 コンピュータ
140 補助記憶装置(記録媒体)
X1、X2 脳波信号
Xn 脳波信号
PSI(f,t) 位相同期指数
1, 2 EEG
13 phase synchronization index calculation unit (phase synchronization index calculation means)
14. Video signal generation unit (signal generation means)
21 Symmetry index calculation unit (importance index calculation means, symmetry index calculation means)
100
X1, X2 EEG signal Xn EEG signal PSI (f, t) Phase synchronization index
Claims (6)
上記各脳波信号から遂次算出された、当該各脳波信号間の位相同期の程度を示す位相同期指数から、上記脳波信号の各検出箇所の、上記被験者の脳内の情報伝達における相対的な重要度を示す重要度指標を逐次算出する重要度指標算出手段と、
上記被験者の頭部における上記重要度指標の分布から、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示す対称性指標を逐次算出する対称性指標算出手段と、
上記対称性指標算出手段にて逐次算出された上記対称性指標に応じた信号、又は、上記対称性指標算出手段にて逐次算出された上記対称性指標の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記対称性指標に連動して変化する刺激を上記被験者に与える信号生成手段と、
を備えていることを特徴とする脳波信号処理装置。 An electroencephalogram signal processing device that sequentially acquires and processes each electroencephalogram signal detected at a plurality of locations in each of the subject's head right hemisphere and left hemisphere,
From the phase synchronization index indicating the degree of phase synchronization between the brain wave signals, which has been successively calculated from the brain wave signals, the relative importance of each detection point of the brain wave signal in information transmission in the brain of the subject is calculated. Importance index calculating means for sequentially calculating the importance index indicating the degree,
From the distribution of the importance index in the head of the subject, a symmetry index calculating means for sequentially calculating a symmetry index indicating a degree of symmetry between information transmission in the right hemisphere and information transmission in the left hemisphere,
A signal corresponding to the symmetry index sequentially calculated by the symmetry index calculation means, or a signal corresponding to a time average of the symmetry index sequentially calculated by the symmetry index calculation means is generated. By sequentially supplying to the stimulus imparting device, signal generation means for giving the subject a stimulus that changes in conjunction with the symmetry index,
An electroencephalogram signal processing device comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の脳波信号処理装置。 The importance index calculating means calculates an eigenvector of a matrix obtained by normalizing a matrix having a component of a phase synchronization index indicating a degree of phase synchronization between brain wave signals, and an eigenvector closest to 1 is calculated. Using each component of the eigenvector as the importance index,
The electroencephalogram signal processing device according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の脳波信号処理装置。 The symmetry index calculating means calculates a difference of the importance index between detection points symmetric with respect to the median plane of the subject as the symmetry index,
The electroencephalogram signal processing device according to claim 1 or 2, wherein:
脳波信号処理装置が、上記各脳波信号から遂次算出された、当該各脳波信号間の位相同期の程度を示す位相同期指数から、上記脳波信号の各検出箇所の、上記被験者の脳内の情報伝達における相対的な重要度を示す重要度指標を逐次算出する重要度算出ステップと、
脳波信号処理装置が、上記被験者の頭部における上記重要度指標の分布から、右半球における情報伝達と左半球における情報伝達との対称性の程度を示す対称性指標を逐次算出する対称性指標算出ステップと、
脳波信号処理装置が、上記対称性指標算出ステップにて逐次算出された上記対称性指標に応じた信号、又は、上記対称性指標算出ステップにて逐次算出された上記対称性指標の時間平均に応じた信号を生成して刺激付与装置に逐次供給することによって、上記対称性指標に連動して変化する刺激を上記被験者に与えるように上記刺激付与装置を制御する信号生成ステップと、
を含むことを特徴とする脳波信号処理方法。 An electroencephalogram signal processing method in which the electroencephalogram signal processing device sequentially acquires and processes each electroencephalogram signal detected at a plurality of locations in each of the subject's head right hemisphere and left hemisphere,
From the phase synchronization index indicating the degree of phase synchronization between the brain wave signals, the brain wave signal processing device sequentially calculates the brain wave signals from the brain wave signals. An importance calculating step of sequentially calculating an importance index indicating relative importance in transmission,
Symmetry index calculation in which the electroencephalogram signal processing device sequentially calculates a symmetry index indicating a degree of symmetry between information transmission in the right hemisphere and information transmission in the left hemisphere from the distribution of the importance index in the head of the subject. Steps and
The electroencephalogram signal processing device, according to the signal according to the symmetry index sequentially calculated in the symmetry index calculation step, or according to the time average of the symmetry index sequentially calculated in the symmetry index calculation step A signal generation step of controlling the stimulus providing device to provide the subject with a stimulus that changes in conjunction with the symmetry index by sequentially generating and supplying a signal to the stimulus providing device ,
An electroencephalogram signal processing method comprising:
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