JP6759496B2 - EEG pattern classification device, EEG pattern classification method, EEG pattern classification program and neurofeedback system - Google Patents

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Description

本発明は、使用者(ユーザ)の脳波信号から脳活動の状態を分類するための脳波パターン分類装置、脳波パターン分類方法、脳波パターン分類プログラムおよび使用者に対してニューロフィードバックを実行するためのニューロフィードバックシステムの構成に関するものである。 The present invention presents an electroencephalogram pattern classification device for classifying the state of brain activity from a user's (user) brain wave signal, an electroencephalogram pattern classification method, an electroencephalogram pattern classification program, and a neuro for executing neurofeedback to the user. It relates to the configuration of the feedback system.

日本をはじめ多くの国で少子高齢化社会が問題になる中、ロボティクス技術を応用したアシスト機器への要望が高まっている。一方、バランスや歩行が可能なロボットが開発されてきている。例えば、運動に必要な作用力を空間上の任意の複数接触点に最適に配分し、ヒトと同じように各関節のトルクを発生できるロボットが存在する(特許文献1参照)。 With the declining birthrate and aging society becoming a problem in many countries including Japan, there is an increasing demand for assistive devices that apply robotics technology. On the other hand, robots capable of balancing and walking have been developed. For example, there is a robot that can optimally distribute the acting force required for exercise to any plurality of contact points in space and generate torque for each joint in the same manner as a human (see Patent Document 1).

また、近年では、上肢・下肢・体幹運動の支援をめざした外骨格型ロボットのようなリハビリテーションを支援するロボットの開発がますます要求されることとなってきている。たとえば、外骨格型ロボットは、患者の自立生活を促進するリハビリテーションにおいて、脳卒中等の患者のために使用される(特許文献2、特許文献3を参照)。 In recent years, there has been an increasing demand for the development of robots that support rehabilitation, such as exoskeleton robots that aim to support upper limb, lower limb, and trunk movements. For example, an exoskeleton type robot is used for a patient such as a stroke in rehabilitation that promotes an independent living of the patient (see Patent Documents 2 and 3).

このように、運動機能の代償や回復のための生体信号を用いたロボット制御では、患者の負担や、システムの簡便さの観点から、表面筋電図(Surface Electromyogram: sEMG)や、脳波(Electroencephalogram: EEG)など、非侵襲的での生体信号の検出を行うものが報告されている(非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3、非特許文献4を参照)。 In this way, in robot control using biological signals for compensation and recovery of motor function, surface electromyogram (sEMG) and electroencephalogram (Electroencephalogram) are used from the viewpoint of burden on the patient and simplicity of the system. : EEG) and other non-invasive detections of biological signals have been reported (see Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, and Non-Patent Document 4).

特に、アシストロボットとしてのデバイスをコントロールするために脳信号を使用することは、ポピュラーな研究方向になりつつある(非特許文献5)。 In particular, the use of brain signals to control a device as an assist robot is becoming a popular research direction (Non-Patent Document 5).

このように人間の脳活動の計測結果を直接外部装置の制御に使用するブレイン・マシン・インターフェース(BMI:Brain Machine Interface)は、ユーザーが自分の体の一部としてロボットをコントロールすることができるような、ウェアラブルデバイスに対する有望なインターフェースである。 In this way, the Brain Machine Interface (BMI), which uses the measurement results of human brain activity directly to control external devices, allows the user to control the robot as a part of his or her body. It is a promising interface for wearable devices.

また、外骨格型ロボットによる運動支援に非侵襲型のBMIを利用することによって、例えば、脳卒中によって害された意志・動作制御の改善において有用であると実証されてきている(非特許文献6)。
このようなリハビリテーションの手続きでは、運動を支援するデバイスを活性化するために、脳信号を使用する。そして、このような脳活動に基づく支援型の運動は、中枢神経系の可塑性を引き起こし、正常な運動制御の復元に結びつくと考えられている。
In addition, it has been demonstrated that the use of non-invasive BMI for exercise support by an exoskeleton type robot is useful for improving intention / motion control damaged by a stroke, for example (Non-Patent Document 6). ..
Such rehabilitation procedures use brain signals to activate devices that support exercise. It is thought that such supportive exercise based on brain activity causes plasticity of the central nervous system and leads to restoration of normal motor control.

つまり、感覚運動の律動(SMR:sensorimotor rhythms)に基づく内因性のBMIが、神経と筋肉の経路の神経細胞の可塑性を促進するための有効なツールとして、運動のニューロリハビリテーションにおいて使用されうることが示唆されてきている(非特許文献7)。このようなリハビリテーションのシステムは、使用者の脳活動がロボットなどによる被験者の運動の支援にフィードバックされることから、一種の「ニューロフィードバックシステム」であるといえる。 In other words, endogenous BMI based on sensorimotor rhythms (SMR) can be used in motor neurorehabilitation as an effective tool for promoting the plasticity of nerve cells in nerve and muscle pathways. It has been suggested (Non-Patent Document 7). Such a rehabilitation system can be said to be a kind of "neurofeedback system" because the brain activity of the user is fed back to the support of the subject's movement by a robot or the like.

たとえば、SMRに関して、運動あるいは運動感覚を使用者が想像する、いわゆる「運動想像」は、典型的には、脳波中のμ律動(7−13Hz)およびβ律動(13−30Hz)のパワー減少を伴うことが知られており、このようなパワー減少は、特に、運動する側と反対側の脳領野についての、事象関連脱同期(ERD:event-related desynchronization)と呼ばれる。
ERDに基づいたBMIシステムは、ニューロ人工器官(たとえば義足)のような外部装置をコントロールするために使用することができることが示されている。また、より具体的には、運動制御回復のためにERDに基づいたブレインロボット・インターフェース(BRI:Brain Robot Interface)の有効性を確認するための臨床試験も行われている(非特許文献8)。
For example, with respect to SMR, the so-called "motor imagination", in which the user imagines movement or kinesthetic sensation, typically results in a decrease in the power of μ rhythm (7-13 Hz) and β rhythm (13-30 Hz) in the brain wave. Known to accompany, such power loss is called event-related desynchronization (ERD), especially for the exercising and contralateral brain areas.
It has been shown that an ERD-based BMI system can be used to control external devices such as neuroprostheses (eg, artificial limbs). More specifically, clinical trials have also been conducted to confirm the effectiveness of an ERD-based Brain Robot Interface (BRI) for recovery of motor control (Non-Patent Document 8). ..

WO2007/139135号公報WO2007 / 139135 特開2014−104549号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-104549 特開2016−61302号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-61302

T. Kagawa and Y. Uno. Gait pattern generation for a power-assist device of paraplegic gait. The 18 th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication,pp. 633-638,2009.T. Kagawa and Y. Uno. Gait pattern generation for a power-assist device of paraplegic gait. The 18th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, pp. 633-638, 2009. Tomoyuki Noda,Norikazu Sugimoto,Junichiro Furukawa,Masa aki Sato,Sang-Ho Hyon,and Jun Morimoto. Brain-controlled exoskeleton robot for bmirehabilitaion. IEEE/RAS International Conference on Humanoid Robotics (Humanoids2012),Osaka,pp.21-27,2012.Tomoyuki Noda, Norikazu Sugimoto, Junichiro Furukawa, Masa aki Sato, Sang-Ho Hyon, and Jun Morimoto. Brain-controlled exoskeleton robot for bmirehabilitaion. IEEE / RAS International Conference on Humanoid Robotics (Humanoids2012), Osaka, pp.21-27, 2012. Tomoyuki Noda,Jun ichiro Furukawa,Tatsuya Teramae,and Jun Morimoto. An electromyogram based force control coordinated in assistive interaction. IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA2013),Karlsruhe,Germany,p. WeC6.4,May 2013.Tomoyuki Noda, Jun ichiro Furukawa, Tatsuya Teramae, and Jun Morimoto. An electromyogram based force control coordinated in assistive interaction. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA2013), Karlsruhe, Germany, p. WeC6.4, May 2013. Tomohiro Hayashi,Hiroaki Kawamoto,and Yoshiyuki Sankai. Control method of robot suit hal working as operator's muscle using biological and dynamical information. IEEE/RSJ International Conference on Inteligent Robots and Systems,pp. 3063-3068,2005.Tomohiro Hayashi, Hiroaki Kawamoto, and Yoshiyuki Sankai. Control method of robot suit hal working as operator's muscle using biological and dynamical information. IEEE / RSJ International Conference on Inteligent Robots and Systems, pp. 3063-3068, 2005. X. Perrin,R. Chavarriaga,F. Colas,R. Siegwart,and J. del R. Milln,“Brain-coupled interaction for semi-autonomous navigation of an assistive robot,”Robotics and Autonomous Systems,vol. 58,no. 12,pp. 1246 - 1255,2010,intelligent Robotics and Neuroscience.X. Perrin, R. Chavarriaga, F. Colas, R. Siegwart, and J. del R. Milln, “Brain-coupled interaction for semi-autonomous navigation of an assistive robot,” Robotics and Autonomous Systems, vol. 58, no . 12, pp. 1246 --1255, 2010, intelligent Robotics and Neuroscience. L. F. Nicolas-Alonso and J. Gomez-Gil,“Brain computer interfaces,a review.”Sensors (Basel,Switzerland),vol. 12,no. 2,pp. 1211-1279,Jan 2012.L. F. Nicolas-Alonso and J. Gomez-Gil, “Brain computer interfaces, a review.” Sensors (Basel, Switzerland), vol. 12, no. 2, pp. 1211-1279, Jan 2012. N. Mrachacz-Kersting,S. R. Kristensen,I. K. Niazi,and D. Farina,“Precise temporal association between cortical potentials evoked by motor imagination and afference induces cortical plasticity,”The Journal of Physiology,vol. 590,no. 7,pp. 1669-1682,2012.N. Mrachacz-Kersting, SR Kristensen, IK Niazi, and D. Farina, “Precise temporal association between cortical potentials evoked by motor imagination and afference induces cortical plasticity,” The Journal of Physiology, vol. 590, no. 7, pp. 1669-1682, 2012. K. Shindo,K. Kawashima,J. Ushiba,N. Ota,M. Ito,T. Ota,A. Kimura,and M. Liu,“Effects of neurofeedback training with an electroencephalogram-based brain-computer interface for hand paralysis in patients with chronic stroke: a preliminary case series study.”Journal of rehabilitation medicine,vol. 43,no. 10,pp. 951-957,Oct 2011.K. Shindo, K. Kawashima, J. Ushiba, N. Ota, M. Ito, T. Ota, A. Kimura, and M. Liu, “Effects of neurofeedback training with an electroencephalogram-based brain-computer interface for hand paralysis in patients with chronic stroke: a preliminary case series study. ”Journal of rehabilitation medicine, vol. 43, no. 10, pp. 951-957, Oct 2011.

しかしながら、BMIをリハビリテーションのシステムなどに応用しようとした場合、以下のような問題がある。 However, when trying to apply BMI to a rehabilitation system or the like, there are the following problems.

第1には、一般には、脳波計は、ユーザの頭皮にゲルを塗布することで電気的な接触を確保するため、このようなゲルを用いる脳波計システムは長いセットアップタイムが必要になる。 First, in general, electroencephalographs ensure electrical contact by applying gel to the user's scalp, so electroencephalograph systems using such gels require a long setup time.

第2には、脳波計からの信号は、一般に、大きな非定常性を有しており、BMIリハビリテーションを実行する1つのセッション内またはセッション間の信号変動が大きいという問題がある。 Secondly, the signal from the electroencephalograph generally has a large non-stationarity, and there is a problem that the signal fluctuation within or between one session in which BMI rehabilitation is performed is large.

第3には、一般には、使用者は、BMIについて「習熟不足」である傾向にあり、ユーザーのかなりの割合に対しては、予備的トレーニングが必要になる。 Third, users generally tend to be "insufficient" about BMI and require preliminary training for a significant proportion of users.

このような問題があるために、リハビリテーションなどのためにBMIを利用したニューロフィードバックトレーニングを実行できるようになるには、相当の準備期間が必要になり、また、トレーニングのセッション内またはセッション間で、システムの再調整が必要になるなどの問題があった。 Due to these problems, it takes a considerable amount of preparation time to be able to perform BMI-based neurofeedback training for rehabilitation, etc., and the system also requires a considerable amount of preparation time within or between training sessions. There were problems such as the need for readjustment.

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、非侵襲的に脳波信号の検出を行って、脳波パターンを分類する処理を行う場合にも、使用者による使用開始までの時間を短縮することが可能な脳波パターン分類装置、脳波パターン分類方法、脳波パターン分類プログラムを提供することである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to perform a process of non-invasively detecting an electroencephalogram signal and classifying an electroencephalogram pattern. It is an object of the present invention to provide an electroencephalogram pattern classification device, an electroencephalogram pattern classification method, and an electroencephalogram pattern classification program capable of shortening the time until the start of use by the user.

本発明の他の目的は、脳波信号を利用してニューロフィードバックを行う際にも、使用者による使用開始までの時間を短縮することが可能なニューロフィードバックシステムを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a neurofeedback system capable of shortening the time until the start of use by the user even when performing neurofeedback using an electroencephalogram signal.

この発明の1つの局面に従うと、対象者の運動想像による脳波パターンを非同期に分類するための脳波パターン分類装置であって、対象者の頭皮上の複数箇所において、対象者の脳の活動を検出する複数チャンネルの脳波信号を取得するための脳波計測手段と、複数チャンネルの信号の各々から、対象者による運動想像により誘発された所定の周波数帯域の成分を抽出するためのフィルタ手段と、フィルタ手段により抽出された、複数チャンネルの信号の周波数帯域の成分から、時間に沿ったスライディングウィンドウごとの処理により、適応的に空間フィルタにより特徴量を算出するための特徴量算出手段とを備え、特徴量算出手段は、現時点までの複数チャンネルの脳波信号の共分散行列から導出される空間フィルタを、共分散行列の指数移動平均を計算することにより適応的に更新する空間フィルタ更新手段と、指数移動平均における忘却係数を、指数移動平均の時定数に対するスライディングウィンドウのステップ幅の比に基づいて決定する忘却係数決定手段とを含み、特徴量算出手段からの特徴量に基づく分類処理により、当該特徴量に応じて対象者が運動想像を行ったことを示す信号を出力する分類処理手段とを備える。 According to one aspect of the present invention, it is a brain wave pattern classification device for asynchronously classifying brain wave patterns based on the subject's motion imagination, and detects the activity of the subject's brain at a plurality of locations on the subject's scalp. Brain wave measuring means for acquiring a plurality of channels of brain wave signals, a filter means for extracting a component of a predetermined frequency band induced by motion imagination by a subject from each of the signals of the plurality of channels, and a filtering means. A feature amount calculation means for adaptively calculating a feature amount by a spatial filter by processing for each sliding window along the time from the components of the frequency band of the signal of a plurality of channels extracted by The calculation means are a spatial filter updating means that adaptively updates the spatial filter derived from the covariance matrix of the brain wave signals of multiple channels up to now by calculating the exponential moving average of the covariance matrix, and the exponential moving average. Including the oblivion coefficient determining means for determining the oblivion coefficient in the above based on the ratio of the step width of the sliding window to the time constant of the exponential moving average, the feature amount is obtained by the classification process based on the feature amount from the feature amount calculating means. It is provided with a classification processing means for outputting a signal indicating that the subject has performed motion imagination accordingly.

好ましくは、空間フィルタの導出は、CSP(Common Spatial Patterns)法によるものであり、空間フィルタ更新手段は、学習期間において、トレーニングセットで導出されたCSP法における射影行列に、現時点での脳波信号についての白色化行列とトレーニングセットに対して算出された白色化行列の逆行列を乗算して得られる適応的な射影行列から、更新された空間フィルタを算出する適応白色化処理手段を含む。 Preferably, the derivation of the spatial filter is by the CSP (Common Spatial Patterns) method, and the spatial filter updating means is used for the projection matrix in the CSP method derived in the training set during the learning period, and the electroencephalogram signal at the present time. It includes an adaptive whitening processing means for calculating an updated spatial filter from an adaptive projection matrix obtained by multiplying the whitening matrix of the above and the inverse matrix of the whitening matrix calculated for the training set.

好ましくは、忘却係数決定手段は、忘却係数の時定数の複数の候補のうちから、分類処理手段の出力に対するn分割交差検証(n:2以上の自然数)により、時定数を決定する。 Preferably, the forgetting coefficient determining means determines the time constant from a plurality of candidates for the time constant of the forgetting coefficient by n-fold cross-validation (n: a natural number of 2 or more) with respect to the output of the classification processing means.

好ましくは、特徴量算出手段は、更新された空間フィルタにより導出される特徴量を、ゼロ平均の特徴量となるように変換する適応化特徴処理手段をさらに含む。 Preferably, the feature amount calculating means further includes an adaptive feature processing means that converts the feature amount derived by the updated spatial filter into a feature amount of zero average.

好ましくは、脳波計測手段は、ドライ式電極を用いたワイヤレス型ヘッドセットを含む。 Preferably, the electroencephalogram measuring means includes a wireless headset with dry electrodes.

この発明の他の局面に従うと、対象者の頭皮上の複数箇所において、対象者の脳の活動を検出する複数チャンネルの脳波信号を取得するための脳波計測装置からの信号に基づき、演算装置および記憶装置を有するコンピュータに対象者の運動想像による脳波パターンを非同期に分類する処理を実行させるための脳波パターン分類方法であって、複数チャンネルの信号の各々を記憶装置に格納し、格納された複数チャネルの信号から、演算装置が、対象者による運動想像により誘発された所定の周波数帯域の成分をフィルタリングにより抽出するステップと、演算装置が、時間に沿ったスライディングウィンドウごとの処理により、フィルタリングにより抽出するステップにおいて抽出された、複数チャンネルの信号の周波数帯域の成分から、適応的に空間フィルタにより特徴量を算出するステップとを備え、特徴量を算出するステップは、現時点までの複数チャンネルの脳波信号の共分散行列から導出される空間フィルタを、共分散行列の指数移動平均を計算することにより適応的に更新するステップと、指数移動平均における忘却係数を、指数移動平均の時定数に対するスライディングウィンドウのステップ幅の比に基づいて決定するステップとを含み、演算装置が、特徴量を算出するステップで算出された特徴量に基づく分類処理により、当該特徴量に応じて対象者が運動想像を行ったことを示す信号を出力するステップとを備える。 According to another aspect of the present invention, an arithmetic unit and an arithmetic unit based on a signal from a brain wave measuring device for acquiring a multi-channel brain wave signal for detecting the activity of the subject's brain at a plurality of locations on the subject's scalp. This is a brain wave pattern classification method for causing a computer having a storage device to perform a process of asynchronously classifying brain wave patterns based on the subject's motion imagination. Each of the signals of a plurality of channels is stored in the storage device, and the stored plurality of signals are stored. From the signal of the channel, the arithmetic unit extracts by filtering the components of a predetermined frequency band induced by the motion imagination by the subject, and the arithmetic unit extracts by filtering by the processing for each sliding window along the time. The step of calculating the feature amount is provided with the step of adaptively calculating the feature amount by the spatial filter from the components of the frequency band of the signal of the plurality of channels extracted in the step of performing the step. The step of adaptively updating the spatial filter derived from the covariance matrix by calculating the exponential moving average of the covariance matrix, and the oblivion coefficient in the exponential moving average of the sliding window for the time constant of the exponential moving average . The subject performed motion imagination according to the feature amount by the classification process based on the feature amount calculated in the step of calculating the feature amount by the arithmetic unit including the step of determining based on the step width ratio . It includes a step of outputting a signal indicating that.

この発明のさらに他の局面に従うと、対象者の頭皮上の複数箇所において、対象者の脳の活動を検出する複数チャンネルの脳波信号を取得するための脳波計測装置からの信号に基づき、演算装置および記憶装置を有するコンピュータに対象者の運動想像による脳波パターンを非同期に分類する処理を実行させるための脳波パターン分類プログラムであって、プログラムは、複数チャンネルの信号の各々を記憶装置に格納し、格納された複数チャネルの信号から、演算装置が、対象者による運動想像により誘発された所定の周波数帯域の成分をフィルタリングにより抽出するステップと、演算装置が、時間に沿ったスライディングウィンドウごとの処理により、フィルタリングにより抽出するステップにおいて抽出された、複数チャンネルの信号の周波数帯域の成分から、適応的に空間フィルタにより特徴量を算出するステップとを備え、特徴量を算出するステップは、現時点までの複数チャンネルの脳波信号の共分散行列から導出される空間フィルタを、共分散行列の指数移動平均を計算することにより適応的に更新するステップと、指数移動平均における忘却係数を、指数移動平均の時定数に対するスライディングウィンドウのステップ幅の比に基づいて決定するステップとを含み、演算装置が、特徴量を算出するステップで算出された特徴量に基づく分類処理により、当該特徴量に応じて対象者が運動想像を行ったことを示す信号を出力するステップとを備える処理を、コンピュータに実行させる。 According to yet another aspect of the present invention, an arithmetic unit is based on a signal from a brain wave measuring device for acquiring a multi-channel brain wave signal for detecting the activity of the subject's brain at a plurality of locations on the subject's scalp. A brain wave pattern classification program for causing a computer having a storage device to perform a process of asynchronously classifying brain wave patterns based on the subject's motion imagination. The program stores each of a plurality of channels of signals in the storage device. From the stored multi-channel signals, the arithmetic unit extracts the components of a predetermined frequency band induced by the motion imagination by the subject by filtering, and the arithmetic unit processes each sliding window over time. , A step of adaptively calculating a feature amount by a spatial filter from the components of the frequency band of a multi-channel signal extracted in the step of extracting by filtering, and a plurality of steps for calculating the feature amount up to now. The step of adaptively updating the spatial filter derived from the covariance matrix of the brain wave signal of the channel by calculating the exponential moving average of the covariance matrix, and the oblivion coefficient in the exponential moving average are the time constants of the exponential moving average. The subject moves according to the feature amount by the classification process based on the feature amount calculated in the step of calculating the feature amount by the arithmetic unit, including the step of determining based on the ratio of the step width of the sliding window to Have the computer perform a process that includes a step of outputting a signal indicating that the imagination has been performed.

この発明のさらに他の局面に従うと、対象者の脳内の運動想像を検知したことに応じて、対象者の運動を支援するニューロフィードバックシステムであって、対象者の脳内の運動想像による脳波パターンを非同期に分類するための脳波パターン分析装置を備え、脳波パターン分析装置は、対象者の頭皮上の複数箇所において、対象者の脳の活動を検出する複数チャンネルの脳波信号を取得するための脳波計測手段と、複数チャンネルの信号の各々から、対象者による運動想像により誘発された所定の周波数帯域の成分を抽出するためのフィルタ手段と、フィルタ手段により抽出された、複数チャンネルの信号の周波数帯域の成分から、時間に沿ったスライディングウィンドウごとの処理により、適応的に空間フィルタにより特徴量を算出するための特徴量算出手段とを備え、特徴量算出手段は、現時点までの複数チャンネルの脳波信号の共分散行列から導出される空間フィルタを、共分散行列の指数移動平均を計算することにより適応的に更新する空間フィルタ更新手段と、指数移動平均における忘却係数を、指数移動平均の時定数に対するスライディングウィンドウのステップ幅の比に基づいて決定する忘却係数決定手段とを有し、特徴量算出手段からの特徴量に基づく分類処理により、当該特徴量に応じて対象者が運動想像を行ったことを示す信号を出力する分類処理手段と、分類処理手段の出力が所定のしきい値を超えることに応じてトリガー信号を生成するしきい値判定手段とを含み、トリガー信号に応じて、対象者の運動を支援するアシストロボットとを備える。
According to still another aspect of the present invention, it is a neurofeedback system that supports the movement of the subject in response to the detection of the movement imagination in the subject's brain, and is a brain wave by the movement imagination in the subject's brain. A brain wave pattern analyzer for classifying patterns asynchronously is provided, and the brain wave pattern analyzer is for acquiring multi-channel brain wave signals for detecting the activity of the subject's brain at a plurality of locations on the subject's scalp. The frequency of the multi-channel signal extracted by the brain wave measuring means, the filter means for extracting the component of the predetermined frequency band induced by the motion imagination by the subject from each of the multi-channel signals, and the filter means. It is equipped with a feature amount calculation means for adaptively calculating the feature amount by a spatial filter by processing each sliding window along the time from the band component, and the feature amount calculation means is a multi-channel brain wave up to now. Spatial filter updating means that adaptively updates the spatial filter derived from the covariance matrix of the signal by calculating the exponential moving average of the covariance matrix, and the oblivion coefficient in the exponential moving average, the time constant of the exponential moving average. It has an oblivion coefficient determining means that determines based on the ratio of the step width of the sliding window to, and the subject performs motion imagination according to the feature amount by the classification process based on the feature amount from the feature amount calculating means. It includes a classification processing means that outputs a signal indicating that, and a threshold determination means that generates a trigger signal when the output of the classification processing means exceeds a predetermined threshold value, and is an object according to the trigger signal. It is equipped with an assist robot that supports the movement of the person.

本発明の脳波パターン分類装置、脳波パターン分類方法、脳波パターン分類プログラムによれば、適応的なアルゴリズムを使用することにより、非同期な状態で、脳波信号からの特徴量の非定常性に対応することが可能で、分類器の分類性能を改善することが可能である。 According to the electroencephalogram pattern classification device, the electroencephalogram pattern classification method, and the electroencephalogram pattern classification program of the present invention, it is possible to deal with the non-stationarity of the feature quantity from the electroencephalogram signal in an asynchronous state by using an adaptive algorithm. It is possible to improve the classification performance of the classifier.

本発明のニューロフィードバックシステムでは、上記のような脳波パターン分類手法を利用することで、使用者の感覚運動想像の分類が信頼度高く実行され、アシストロボットによる運動支援によるリハビリテーションを実施することが可能である。 In the neurofeedback system of the present invention, by using the above-mentioned electroencephalogram pattern classification method, the classification of the user's sensorimotor imagination is performed with high reliability, and rehabilitation by exercise support by the assist robot can be performed. Is.

下肢についてのニューロフィードバックを利用したニューロリハビリシステムの構成を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for explaining the structure of the neurorehabilitation system using the neurofeedback about the lower limbs. 本実施の形態における外骨格型ロボット1の構成事例を示す図である。It is a figure which shows the configuration example of the exoskeleton type robot 1 in this embodiment. 外骨格型ロボット1の自由度の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the degree of freedom of an exoskeleton type robot 1. 外骨格型ロボット1のブロック図の例である。This is an example of a block diagram of the exoskeleton type robot 1. 脳波パターンの分類処理を実行するための構成を説明する機能ブロック図である。It is a functional block diagram explaining the structure for executing the classification process of an electroencephalogram pattern. 非同期で適応的なCSPアルゴリズムをオンラインで実行する際のフローチャートである。It is a flowchart when the asynchronous and adaptive CSP algorithm is executed online. 適応化された特徴量の時間変動を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the time variation of the adapted feature quantity. 分類器の出力としきい値の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output of a classifier and a threshold. ロボット制御の状態を説明する図である。It is a figure explaining the state of robot control. 疑似的にオンライン処理を行った場合の交差検証の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of cross-validation at the time of performing the pseudo-online processing. 各被験者に対して、交差検証の各分割処理にわたって、自動的に選択された空間的パターンを示す図である。It is a figure which shows the spatial pattern automatically selected for each subject over each division process of cross-validation. 被験者S1の1つの試行のスライディングウィンドウ出力を示す図である。It is a figure which shows the sliding window output of one trial of the subject S1. 3つの適応化方法での交差検証されたall-or-nothingの疑似的なオンライン・パフォーマンスを比較する図である。It is a figure which compares the pseudo-online performance of cross-validated all-or-nothing by three adaptation methods. 実施の形態1での脳波パターン分析部40の学習とオンライン処理とを示す概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram showing learning and online processing of the electroencephalogram pattern analysis unit 40 in the first embodiment. 実施の形態2での脳波パターン分析部40の学習とオンライン処理とを示す概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram showing learning and online processing of the electroencephalogram pattern analysis unit 40 in the second embodiment.

以下、本発明の実施の形態の外骨格型ロボットおよび外骨格型ロボットの動作を制御するための脳波パターン分類装置の構成について、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。 Hereinafter, the configuration of the exoskeleton type robot according to the embodiment of the present invention and the electroencephalogram pattern classification device for controlling the operation of the exoskeleton type robot will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the components and processing steps having the same reference numerals are the same or equivalent, and the description thereof will not be repeated if they are not necessary.

また、外骨格型ロボットの関節を駆動するためのアクチュエータとしては、一例として、以下に説明する「空電ハイブリッド式のアクチュエータ」を例として説明する。 Further, as an actuator for driving the joint of the exoskeleton type robot, the "electrostatic hybrid type actuator" described below will be described as an example.

そこで、以下、本実施の形態において、歩行・姿勢リハビリテーションのための空電ハイブリッド式のアクチュエータによる外骨格型ロボットについて説明する。 Therefore, in the present embodiment, the exoskeleton type robot using the static-electric hybrid actuator for walking / posture rehabilitation will be described below.

ただし、本発明の空電ハイブリッド式外骨格型ロボットは、下肢の運動をアシストするための外骨格型ロボットに対してだけでなく、上肢の運動をアシストする外骨格型ロボットとしても使用することが可能である。 However, the static-electric hybrid exoskeleton type robot of the present invention can be used not only as an exoskeleton type robot for assisting the movement of the lower limbs but also as an exoskeleton type robot for assisting the movement of the upper limbs. It is possible.

また、以下の説明では、下肢の対としての運動をアシストする外骨格型ロボットについて説明するが、下肢のうちのいずれか一方、または、上肢のうちのいずれか一方の運動をアシストする外骨格型ロボットとして使用することも可能である。 Further, in the following description, an exoskeleton type robot that assists the movement of the lower limbs as a pair will be described, but the exoskeleton type that assists the movement of either one of the lower limbs or one of the upper limbs. It can also be used as a robot.

さらに、本発明の空電ハイブリッド式外骨格型ロボットは、対象となる人間の筋骨格系の運動をアシストするのであれば、上述したような「下肢のうちの少なくともいずれか一方、または、上肢のうちの少なくともいずれか一方の運動」に限定されるものではなく、たとえば、対象となる人間の肩の運動のみをアシストするものであってもよいし、起立または歩行時において足首の運動をアシストするものであってもよい。本明細書では、このような対象となる人間の運動のアシストを総称して、「対象となる人間の筋骨格系運動の支援(アシスト)」と呼ぶことにする。 Further, the static-electric hybrid exoskeleton type robot of the present invention can assist the movement of the target human musculoskeletal system, as described above, "at least one of the lower limbs, or the upper limb. The movement is not limited to at least one of them, and may be, for example, assisting only the movement of the shoulder of the target human, or assisting the movement of the ankle when standing or walking. It may be a thing. In the present specification, such assistance of the target human musculoskeletal movement is collectively referred to as "support (assist) of the target human musculoskeletal movement".

本実施の形態の外骨格型ロボットは、外骨格を有する。「外骨格」とは、人間の骨格構造に対応してロボットが有する骨格構造のことである。より特定的には、「外骨格」とは、外骨格型ロボットを装着する人間の体の一部を、外部から支えるフレーム(枠組み)構造のことをいう。 The exoskeleton type robot of the present embodiment has an exoskeleton. The "exoskeleton" is a skeletal structure possessed by a robot corresponding to a human skeletal structure. More specifically, the "exoskeleton" refers to a frame structure that externally supports a part of the human body that wears an exoskeleton type robot.

このフレーム構造には、さらに、フレーム構造の各部を人間の骨格構造に基づく運動に応じて動かすための関節が設けられる。 The frame structure is further provided with joints for moving each part of the frame structure in response to movement based on the human skeletal structure.

特に、下肢の運動をアシストする外骨格型ロボットは、ベースと下半身とを有し、足首、膝、腰の左右の位置に、能動6自由度の関節を有するロボットである。また、当該6つの関節は、空電ハイブリッド駆動の関節である。以下、このように、外骨格型ロボットにおいて、ユーザの関節に対してサポート力を与えるためにアクチュエータにより駆動される関節のことを「能動関節」と呼ぶ。
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1の下肢についてのニューロフィードバックを利用したニューロリハビリシステムの構成を説明するための概念図である。
In particular, the exoskeleton type robot that assists the movement of the lower limbs is a robot that has a base and a lower body and has joints with active 6 degrees of freedom at the left and right positions of the ankles, knees, and hips. The six joints are statically driven hybrid drive joints. Hereinafter, in the exoskeleton type robot, the joint driven by the actuator to give the support force to the user's joint is referred to as an "active joint".
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining the configuration of a neurorehabilitation system using neurofeedback for the lower limbs of the first embodiment.

使用者2の下肢には、後に説明するような外骨格型ロボット1が装着されている。外骨格型ロボット1の動作は、外部制御装置20からのコマンドに応じて、制御される。状況によっては、使用者2は、リハビリテーション中には、理学療法士3からの介添えを受ける。 An exoskeleton type robot 1 as described later is attached to the lower limbs of the user 2. The operation of the exoskeleton type robot 1 is controlled in response to a command from the external control device 20. Depending on the situation, the user 2 may be assisted by the physiotherapist 3 during the rehabilitation.

使用者2の頭部には、使用者2の脳活動を計測するための脳波計300が装着される。 An electroencephalograph 300 for measuring the brain activity of the user 2 is attached to the head of the user 2.

脳波計300からの計測データは、有線インタフェースの他、無線インタフェース、たとえば、Bluetooth(登録商標)などにより、外部制御装置20に伝送する構成とするこができる。脳波計300からの信号を基に、脳内の活動状況を示す情報や、ニューロフィードバックの状況を示す情報が、外部制御装置20により、表示装置212に表示される。 The measurement data from the electroencephalograph 300 can be transmitted to the external control device 20 by a wireless interface such as Bluetooth (registered trademark) in addition to the wired interface. Based on the signal from the electroencephalograph 300, information indicating the activity status in the brain and information indicating the status of neurofeedback are displayed on the display device 212 by the external control device 20.

脳波計300としては、湿式(ゲル式)の電極を使用するものでもよいものの、ここでは、特に限定されないが、脳波計300として、乾式(ドライ式)でワイヤレスの脳波計を使用するものとして説明する。 The electroencephalograph 300 may use a wet (gel type) electrode, but is not particularly limited here, but the electroencephalograph 300 will be described as a dry type (dry type) using a wireless electroencephalograph. To do.

上述したように、外骨格型ロボットをコントロールするためにドライ式ワイヤレス型のヘッドセットによって取得した脳波信号を使用する場合は、ゲルを使用する湿式システムと比較して、セットアップ時間をより短くし、ケーブルの引き回しによって引き起こされる困難を除去できる。このようなドライ式ワイヤレス型の脳波計については、たとえば、以下の文献に開示がある。 As mentioned above, when using EEG signals acquired by a dry wireless headset to control an exoskeleton robot, the setup time is shorter and the setup time is shorter than in a wet system using gel. Difficulties caused by cable routing can be eliminated. Such a dry wireless electroencephalograph is disclosed in the following documents, for example.

公知文献1)P. M. R. Reis,F. Hebenstreit,F. Gabsteiger,V. von Tscharner,and M. Lochmann,“Methodological aspects of EEG and body dynamics measurements during motion.”Frontiers in human neuroscience,vol. 8,p. 156,Mar 2014.
また、以下では、下肢に装着される外骨格型ロボットが支援する運動としては、一例として、スクワット運動を想定する。これは、スクワット運動は、足首、膝および股関節の機能的な協調を必要とするので、リハビリテーション・プログラムでも使用されるものだからである。
Known Documents 1) PMR Reis, F. Hebenstreit, F. Gabsteiger, V. von Tscharner, and M. Lochmann, “Methodological aspects of EEG and body dynamics measurements during motion.” Frontiers in human neuroscience, vol. 8, p. 156 , Mar 2014.
Further, in the following, as an example of the exercise supported by the exoskeleton type robot attached to the lower limbs, a squat exercise is assumed. This is because squat exercises are also used in rehabilitation programs because they require functional coordination of the ankles, knees and hips.

図2は、本実施の形態における外骨格型ロボット1の主要部を抽出して示す斜視図である。本外骨格型ロボット1は、10自由度である。 FIG. 2 is a perspective view showing an extracted main part of the exoskeleton type robot 1 according to the present embodiment. The exoskeleton type robot 1 has 10 degrees of freedom.

なお、このような外骨格型ロボットの構成事例については、類似の構成が、上述した特許文献2や特許文献3にも開示されている。 Regarding the configuration example of such an exoskeleton type robot, a similar configuration is also disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3 described above.

図2において、外骨格型ロボット1は、両脚に対応したフレーム構造、バックパック101、柔軟シート102、HAA拮抗筋103、HFE伸筋104、HFEモータ111、KFE伸筋105、 KFEモータ106、AFE伸筋・AAA拮抗筋107、AFE屈筋108、ユニバーサルジョイント109、フレーム構造に設けられたプーリー付回転関節110を備える。 In FIG. 2, the exoskeleton type robot 1 has a frame structure corresponding to both legs, a backpack 101, a flexible seat 102, a HAA antagonist muscle 103, an HFE extensor muscle 104, an HFE motor 111, a KFE extensor muscle 105, a KFE motor 106, and an AFE. It includes an extensor / AAA antagonist muscle 107, an AFE flexor muscle 108, a universal joint 109, and a rotary joint 110 with a pulley provided in a frame structure.

なお、図2では、バックパック101が運動を支援する構造に直接とりつけられているが、バックパック101は、この構造から取り外されていてもよい。 In FIG. 2, the backpack 101 is directly attached to the structure that supports the exercise, but the backpack 101 may be removed from this structure.

また、ユニバーサルジョイント109には、たとえば、光学式エンコーダを回転軸に取り付け、関節角度を計測する。プーリー付回転関節110も同様に光学式エンコーダを取り付ける。光学式エンコーダは、軸に取り付けるのではなく、軸に巻かれたベルトの移動方向と移動量を読み取る構成としてもよい。なお、ハイブリッド関節であるHFEおよびKFE関節においては、モータ付属のエンコーダを用いて関節角度を計測してもよい。 Further, for example, an optical encoder is attached to the rotation shaft of the universal joint 109 to measure the joint angle. An optical encoder is also attached to the rotary joint 110 with a pulley. The optical encoder may be configured to read the moving direction and the amount of movement of the belt wound around the shaft instead of being attached to the shaft. In the HFE and KFE joints, which are hybrid joints, the joint angle may be measured using an encoder attached to the motor.

図3は、外骨格型ロボット1の自由度の構成を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the degree of freedom of the exoskeleton type robot 1.

図3において、各関節において、「R_」との表示は、右側の関節であることを示し、「L_」との表示は、左側の関節であることを示す。 In FIG. 3, in each joint, the indication "R_" indicates that it is the right joint, and the indication "L_" indicates that it is the left joint.

図2および図3を参照して、全10自由度のうち、HFE関節とKFE関節はハイブリッド駆動としている。また、図2において、全10自由度のうち、左右のAFE関節は伸筋と屈筋による拮抗駆動を採用している。ハイブリッド駆動および拮抗駆動以外の関節は、パッシブな駆動である。ただし、より多くの関節、たとえば、全ての関節をハイブリッド駆動としてもよい。 With reference to FIGS. 2 and 3, the HFE joint and the KFE joint are hybrid-driven out of the total 10 degrees of freedom. Further, in FIG. 2, out of all 10 degrees of freedom, the left and right AFE joints employ antagonistic drive by extensor muscles and flexor muscles. Joints other than hybrid drive and antagonistic drive are passive drive. However, more joints, for example all joints, may be hybrid driven.

図2において、両脚が接続する胴体部には姿勢センサを搭載してベース部の姿勢を検出している。また、全ての関節にワイヤ式エンコーダ(またはモータ付属のエンコーダ)を取り付け、関節角度を計測できるようにしている。関節角度を検出することで、各関節に発生させる目標トルクが算出できる。 In FIG. 2, a posture sensor is mounted on the body portion to which both legs are connected to detect the posture of the base portion. In addition, wire-type encoders (or encoders attached to motors) are attached to all joints so that joint angles can be measured. By detecting the joint angle, the target torque generated in each joint can be calculated.

また、足底部には、床反力センサを搭載し、接触を想定する足底部が実際に接触しているかどうかを判定したり、ヤコビ行列に含まれるモデル誤差を修正するために補助的に使用する構成としてもよい。 In addition, a floor reaction force sensor is mounted on the sole of the foot, which is used as an auxiliary to determine whether or not the sole of the foot, which is supposed to be in contact, is actually in contact, and to correct model errors included in the Jacobian matrix. It may be configured to be used.

また、バックパック101内には制御器の他、エアマッスルのバルブおよび電動モータのドライバを内蔵している。 In addition to the controller, the backpack 101 contains an air muscle valve and an electric motor driver.

また、バックパック101内に、バッテリーと圧搾した空気ボンベ(またはCOガスボンベでもよい)、レギュレータを搭載し、電源ラインとエア供給が断絶した場合に備え、短時間の自律駆動を可能にする構成であってもよい。 In addition, a battery, a squeezed air cylinder (or a CO 2 gas cylinder may be used), and a regulator are mounted in the backpack 101 to enable short-time autonomous driving in case the power line and air supply are interrupted. It may be.

図4は、外骨格型ロボット1のブロック図の例である。 FIG. 4 is an example of a block diagram of the exoskeleton type robot 1.

外骨格型ロボット1を制御するためのコマンドが、外部制御装置20から、通信経路を介して外骨格型ロボットに与えられる。特に限定されないが、外部制御装置20は、汎用のパーソナルコンピュータを用いることが可能であり、通信経路としては、イーサネット(登録商標)ケーブルを用いることができる。もちろん、通信経路としては、その他の規格の有線通信の経路の他、無線による通信経路、たとえば、無線LAN(Local Area Network)や他の通信規格の無線などを使用してもよい。 A command for controlling the exoskeleton type robot 1 is given to the exoskeleton type robot from the external control device 20 via a communication path. Although not particularly limited, the external control device 20 can use a general-purpose personal computer, and an Ethernet (registered trademark) cable can be used as the communication path. Of course, as the communication path, in addition to the wired communication path of other standards, a wireless communication path, for example, a wireless LAN (Local Area Network) or a wireless communication standard may be used.

外部制御装置20は、ユーザからの指示入力を受ける入力部208と、コマンドを生成するためのプログラムや、様々な制御パラメータなど制御のために必要とされるデータが記録された不揮発性の記憶装置206と、外部制御装置20を起動するためのファームウェアが記憶されたROM(Read Only Memory)や、ワーキングメモリとして動作するRAM(Random Access Memory)などを含むメモリ204と、プログラムに応じて、コマンドを生成する処理を実行する演算装置210と、コマンドを通信経路を介して、外骨格型ロボットに送信するためのインタフェース(I/F)部202と、演算装置210の制御の下で、外骨格型ロボット1への制御の状態に関する情報などを表示するための表示装置212とを備える。 The external control device 20 is a non-volatile storage device in which an input unit 208 that receives an instruction input from a user, a program for generating a command, and data required for control such as various control parameters are recorded. Commands are issued according to the program, the 206, the memory 204 including the ROM (Read Only Memory) in which the firmware for starting the external control device 20 is stored, the RAM (Random Access Memory) that operates as the working memory, and the like. Under the control of the arithmetic unit 210 that executes the generated process, the interface (I / F) unit 202 for transmitting commands to the outer skeleton type robot via the communication path, and the arithmetic unit 210, the outer skeleton type It is provided with a display device 212 for displaying information and the like regarding the state of control of the robot 1.

上述のとおり、外部制御装置20が、汎用のパーソナルコンピュータである場合は、演算装置210は、CPU(Central Processing Unit)で構成され、不揮発性の記憶装置206としては、ハードディスクドライブやソリッドステートドライブなどを用いることができる。ただし、外部制御装置20の機能ブロックの一部または全部は、専用のハードウェアにより構成されてもよい。 As described above, when the external control device 20 is a general-purpose personal computer, the arithmetic unit 210 is composed of a CPU (Central Processing Unit), and the non-volatile storage device 206 includes a hard disk drive, a solid state drive, or the like. Can be used. However, a part or all of the functional blocks of the external control device 20 may be configured by dedicated hardware.

また、外部制御装置20は、たとえば、外骨格型ロボットが装着される使用者について、関節角などから関節トルクを推定するための推定モデルをキャリブレーション時に構成する処理を行う。構成された推定モデルにつての情報は、たとえば、記憶装置132などの記憶装置に記憶される。 Further, the external control device 20 performs a process of configuring an estimation model for estimating joint torque from the joint angle and the like at the time of calibration for a user to which the exoskeleton type robot is mounted, for example. Information about the constructed estimation model is stored in a storage device such as a storage device 132.

外骨格型ロボット1は、外骨格部12、内部制御装置10を備える。 The exoskeleton type robot 1 includes an exoskeleton portion 12 and an internal control device 10.

外骨格部12は、ベース121、下半身122、能動関節123、検出機構124を備える。さらに、能動関節123は、エアマッスル1231(図示せず)、電動モータ1232(図示せず)を備える。 The exoskeleton portion 12 includes a base 121, a lower body 122, an active joint 123, and a detection mechanism 124. Further, the active joint 123 includes an air muscle 1231 (not shown) and an electric motor 1232 (not shown).

また、内部制御装置10は、I/F部11、記録装置131、記憶装置 132、計測装置133、制御部134、出力装置135を備える。 Further, the internal control device 10 includes an I / F unit 11, a recording device 131, a storage device 132, a measuring device 133, a control unit 134, and an output device 135.

I/F部11は、外部制御蔵置20から指令されたトルクまたは位置指令等を受け付けることができる。 The I / F unit 11 can receive a torque, a position command, or the like commanded from the external control storage 20.

なお、ベース121は、腰の位置の骨格、腰の位置の能動関節123を含むと考えても良いし、腰の位置の骨格のみであると考えても良い。 The base 121 may be considered to include the skeleton at the waist position and the active joint 123 at the waist position, or may be considered to be only the skeleton at the waist position.

下肢122は、腿や足の位置の骨格、腿や足の位置の能動関節123を含むと考えても良いし、腿や足の位置の骨格のみであってもよい。 The lower limbs 122 may be considered to include a skeleton at the position of the thigh or foot, an active joint 123 at the position of the thigh or foot, or may be only a skeleton at the position of the thigh or foot.

能動関節123は、左右の足首、左右の膝、および腰の左右の各位置に配置されている能動の関節である。ここで、能動関節123とは、アクチュエータで能動的に動作することのできる関節である。つまり、能動関節123は、アクチュエータを備える。 The active joint 123 is an active joint located at each position of the left and right ankles, the left and right knees, and the left and right hips. Here, the active joint 123 is a joint that can be actively operated by an actuator. That is, the active joint 123 includes an actuator.

また、ここでの1以上の能動関節123は、ハイブリッド型である。つまり、能動関節123の少なくとも一部のものは、エアマッスル1231、電動モータ1232を備えるハイブリッド型である。なお、アクチュエータは、制御目標値となるトルク値を駆動信号として受け付け、受け付けたトルク値に基づいて制御する機能を有している。 Further, one or more active joints 123 here are of a hybrid type. That is, at least a part of the active joint 123 is a hybrid type including an air muscle 1231 and an electric motor 1232. The actuator has a function of receiving a torque value which is a control target value as a drive signal and controlling the actuator based on the received torque value.

アクチュエータとして、サーボモータを使用する場合、アクチュエータは、例えば、電流制御が可能な駆動回路を有し、電流に比例したトルクを発生させるサーボモータは、制御目標値として入力されたトルク値に、ギヤ比により決定されるトルク定数を乗じて駆動回路に指令することで入力されたトルクを発生させるトルク制御を実現する。特に、能動関節123にトルクセンサを配設し、当該トルクセンサにより検出した値を駆動回路にフィードバックすることにより、高精度のトルク制御が可能となる。 When a servomotor is used as the actuator, the actuator has, for example, a drive circuit capable of controlling current, and the servomotor that generates torque proportional to the current is set to a torque value input as a control target value. Torque control that generates the input torque is realized by multiplying the torque constant determined by the ratio and instructing the drive circuit. In particular, by disposing a torque sensor on the active joint 123 and feeding back the value detected by the torque sensor to the drive circuit, highly accurate torque control becomes possible.

検出機構124は、ロボットの状態を検出する。検出機構124は、例えば、各関節に配置されたエンコーダ、足平に配置された床反力センサ、骨盤部に配置された姿勢検出のためのジャイロセンサ、各エアマッスルの駆動力を検知するロードセルなどである。検出機構124は、関節の角度を検出する角度センサや、ロボットの姿勢を取得する姿勢センサ、外力センサなどでも良い。 The detection mechanism 124 detects the state of the robot. The detection mechanism 124 is, for example, an encoder arranged in each joint, a floor reaction force sensor arranged in the palm, a gyro sensor arranged in the pelvis for posture detection, and a load cell for detecting the driving force of each air muscle. And so on. The detection mechanism 124 may be an angle sensor that detects the angle of the joint, a posture sensor that acquires the posture of the robot, an external force sensor, or the like.

内部制御装置10は、能動関節123を動作させる。内部制御装置10は、I/F部11が受け付けた目標トルクまたは位置指令等に対応して、能動関節123を動作させる。 The internal control device 10 operates the active joint 123. The internal control device 10 operates the active joint 123 in response to a target torque or a position command received by the I / F unit 11.

計測装置133は、センサ等の検出機構124から検出結果を示す様々な信号(データ)を受け付ける。 The measuring device 133 receives various signals (data) indicating the detection result from the detection mechanism 124 such as a sensor.

制御部134は、制御目標値の算出等の様々な演算を行う。制御部134が外骨格の動作のために行う演算は、特許文献2や特許文献3の他、以下の公知文献に記載されている。 The control unit 134 performs various calculations such as calculation of a control target value. The operations performed by the control unit 134 for the operation of the exoskeleton are described in the following public documents in addition to Patent Document 2 and Patent Document 3.

公知文献2)B. Ugurlu,P. Forni,C. Doppmann,and J. Morimoto,“Torque and variable stiffness control for antagonistically driven pneumatic muscle actuators via a stable force feedback controller,”in Intelligent Robots and Systems (IROS),2015 IEEE/RSJ International Conference on,Sept-Oct 2015,p. in press.
出力装置135は、能動関節123に制御信号を出力する。出力装置135は、例えば、目標とするエアマッスルの圧力値やモータの制御値を能動関節123に出力する。より詳しくは、このような制御値は、モータドライバや圧力制御バルブなどに出力され、物理的なエネルギー(圧縮空気や電流)がモータやエアマッスルに供給される。
[脳波パターンの分類処理]
本実施の形態では、足の運動想像による脚外骨格のスクワット運動を引き起こすために、ドライ式ワイヤレス型の脳波計ヘッドセットに基づいた非同期型で適応的なBMIを説明する。
このような非同期で適応的なBMIにより、BRIのセットアップタイムの縮小およびセッション内非定常性の影響の緩和が実現される。
Known documents 2) B. Ugurlu, P. Forni, C. Doppmann, and J. Morimoto, “Torque and variable stiffness control for antagonistically driven pneumatic muscle actuators via a stable force feedback controller,” in Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE / RSJ International Conference on, Sept-Oct 2015, p. In press.
The output device 135 outputs a control signal to the active joint 123. The output device 135 outputs, for example, a target air muscle pressure value or a motor control value to the active joint 123. More specifically, such a control value is output to a motor driver, a pressure control valve, or the like, and physical energy (compressed air or current) is supplied to the motor or air muscle.
[Classification process of brain wave pattern]
In this embodiment, an asynchronous and adaptive BMI based on a dry wireless electroencephalograph headset will be described in order to induce squat movement of the exoskeleton by imagining the movement of the foot.
Such asynchronous and adaptive BMI can reduce the setup time of BRI and mitigate the effects of in-session non-stationarity.

なお、ここで、「非同期型BMI」とは、視覚刺激等の外部刺激が無いBMIのことであり、BMI使用者自身が意図したタイミングで動作するものをいう。 Here, the "asynchronous BMI" refers to a BMI that does not have an external stimulus such as a visual stimulus, and that operates at a timing intended by the BMI user himself / herself.

(非定常性を緩和する非同期の適応的な特徴抽出)
以下では、非同期処理の間に、高度に非定常な脳波(EEG:Electroencephalogram)信号からの足運動想像をデコードするために、ERDに基づいたBMIのための適応化アプローチを説明する。
なお、運動想像を検出するための脳波成分としては、ERDに限定されるものではなく、運動に関する事象関連同期(ERS:Event-Related Synchronization)であってもよいし、あるいは、他の脳波成分であってもよい。
(Asynchronous adaptive feature extraction to mitigate non-stationarity)
The following describes an adaptive approach for ERD-based BMI to decode foot motion imagination from highly non-stationary electroencephalogram (EEG) signals during asynchronous processing.
The electroencephalogram component for detecting the movement imagination is not limited to ERD, and may be event-related synchronization (ERS) related to movement, or another brain wave component. There may be.

非同期システムは、休息および運動想像の両方の期間において、連続的にEEG信号を分析し、ユーザーが自分のペースで運動の決定を行なうことを可能にする。
非同期システムは、運動想像を行っていない、非常に広範な非コントロール状態(つまり休息状態)を扱わなければならないので、そのような設計はより複雑なものとなる。
以下の公知文献3および公知文献4には、適応的な線形判別分析(LDA)を用いた分類器と適応的な空間フィルタとを組み合わせた技術が開示されている。
Asynchronous systems continuously analyze EEG signals during both rest and exercise imagination periods, allowing users to make exercise decisions at their own pace.
Such a design is complicated by the fact that asynchronous systems have to deal with a very wide range of uncontrolled states (ie resting states) that do not have motion imagination.
The following known documents 3 and 4 disclose a technique in which a classifier using adaptive linear discriminant analysis (LDA) and an adaptive spatial filter are combined.

公知文献3)W. Wojcikiewicz,C. Vidaurre,and M. Kawanabe,“Improving classification performance of bcis by using stationary common spatial patterns and unsupervised bias adaptation,”in Hybrid Artificial Intelligent Systems,ser. Lecture Notes in Computer Science. Springer Berlin Heidelberg,2011,vol. 6679,pp. 34-41.
公知文献4)R. Tomioka,J. Hill,B. Blankertz,and K. Aihara,“Adapting spatial filtering methods for nonstationary bcis,”transformation,vol. 10,p. 1,2006.
しかしながら、これらの従来技術は、あくまで「同期的な」BMIにおいて、適応化のための方法を開示しているのみであり、そのままでは、非同期的なBMIには不十分である。
Known Documents 3) W. Wojcikiewicz, C. Vidaurre, and M. Kawanabe, “Improving classification performance of bcis by using stationary common spatial patterns and unsupervised bias adaptation,” in Hybrid Artificial Intelligent Systems, ser. Lecture Notes in Computer Science. Springer Berlin Heidelberg, 2011, vol. 6679, pp. 34-41.
Known documents 4) R. Tomioka, J. Hill, B. Blankertz, and K. Aihara, “Adapting spatial filtering methods for nonstationary bcis,” transformation, vol. 10, p. 1, 2006.
However, these prior arts only disclose methods for adaptation in "synchronous" BMI, which, as they are, are insufficient for asynchronous BMI.

そこで、以下の本実施の形態では、これらの同期的なBMIに対して、主として、以下のような変更を加える。 Therefore, in the following embodiment, the following changes are mainly made to these synchronous BMIs.

第1に、同期的なBMIの中で使用される固定的な適応パラメータ(忘却係数)は、スライディングウィンドウ・アプローチを使って、フレームごとに適応化処理がなされなければならない非同期BMIに適合していない。このため、本実施の形態では、非同期BMIに適合するように、適応パラメータを決定する方法を用いる。 First, the fixed adaptive parameters (forgetting factors) used in synchronous BMI conform to asynchronous BMI, which must be adapted frame by frame using a sliding window approach. Absent. Therefore, in the present embodiment, a method of determining the adaptive parameter so as to conform to the asynchronous BMI is used.

第2に、従来法では、線形判別分析(LDA)の分類器のバイアス項は、新しい入力データに基づいて適応化されるのに対して、本実施の形態のアルゴリズムでは、分類器のバイアスを変更せず、入力される特徴量から特徴量の移動平均を減算することにより、入力される特徴量の平均を直接適応化させる。このような適応化は、脳波の非定常性にかかわらず、一貫した特徴の抽出に役立ち、あるいは、ユーザーにフィードバックとして適応的な特徴を直接供給するのに役立つ。
(システムの概観)
図5は、脳波パターンの分類処理を実行するための構成を説明する機能ブロック図である。
Second, in the conventional method, the bias term of the classifier of the linear discriminant analysis (LDA) is adapted based on the new input data, whereas in the algorithm of the present embodiment, the bias of the classifier is adjusted. The average of the input features is directly adapted by subtracting the moving average of the features from the input features without change. Such adaptation helps to extract consistent features, regardless of the non-stationarity of the EEG, or to provide the user directly with adaptive features as feedback.
(Overview of the system)
FIG. 5 is a functional block diagram illustrating a configuration for executing an electroencephalogram pattern classification process.

脳波計300において、EEG信号は、19個のチャネル(F7、Fp1、Fp2、F8、F3、Fz、F4、C3、Cz、P8、P7、Pz、P4、T3、P3、O1、O2、C4、T4)並びに参照信号および接地電位と共に、ドライ式ワイヤレス型・ヘッドセットによって収集される。
脳波計300からの計測データは、Bluetooth(登録商標)により送信されインターフェース202に送信され、インターフェース202内のバッファに格納される。
In the electroencephalograph 300, the EEG signal has 19 channels (F7, Fp1, Fp2, F8, F3, Fz, F4, C3, Cz, P8, P7, Pz, P4, T3, P3, O1, O2, C4, Collected by a dry wireless headset with T4) as well as a reference signal and ground potential.
The measurement data from the electroencephalograph 300 is transmitted by Bluetooth (registered trademark), transmitted to the interface 202, and stored in a buffer in the interface 202.

後述するように、EEG信号は、脳波パターン分析部40において、スライディングウィンドウ内の信号ごとに処理され、事前に足運動想像を検知するように訓練されたモデルに基づいて、非同期適応的に分析される。
脳波パターン分析部40のオンライン動作において、デコーダ出力がしきい値に達すると、スクワット運動を始めるためにトリガー信号が外骨格型ロボット1に送信される。
As will be described later, the EEG signal is processed by the electroencephalogram pattern analysis unit 40 for each signal in the sliding window, and is analyzed asynchronously and adaptively based on a model trained in advance to detect foot movement imagination. To.
In the online operation of the electroencephalogram pattern analysis unit 40, when the decoder output reaches the threshold value, a trigger signal is transmitted to the exoskeleton type robot 1 to start the squat movement.

(脳波パターンの分類のための適応的な特徴抽出とその分類)
脳波パターン分析部40は、足運動想像を検知するために非同期モードで使用され、分類の対象となる2つのクラスは、非コントロール状態と運動想像状態とである。
(Adaptive feature extraction and classification for classification of EEG patterns)
The electroencephalogram pattern analysis unit 40 is used in an asynchronous mode to detect foot movement imagination, and the two classes to be classified are the uncontrolled state and the movement imagination state.

このような2つのクラス間の分散の差を最大限にするような空間フィルタを見つけるために、従来のロバストなCommon Spatial Patterns (CSP)アルゴリズムに基づいて、本実施の形態では、これをさらに改良したアルゴリズムを使用する。 In order to find a spatial filter that maximizes the difference in variance between these two classes, this embodiment is further improved based on the conventional robust Common Spatial Patterns (CSP) algorithm. Use the algorithm that was used.

このような従来のCSPアルゴリズムについては、以下の文献に開示がある。 Such conventional CSP algorithms are disclosed in the following documents.

公知文献5)X. Yong,R. K. Ward,and G. E. Birch,“Robust common spatial patterns for eeg signal preprocessing.”Conference proceedings : Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Annual Conference,vol. 2008,pp. 2087-2090,2008.
ここで、以下に説明するように、使用者の頭皮上の複数の部分に配置される電極から取得される脳波信号の共分散行列に対して、適応的な重み付け処理を行うことで、特徴量抽出を行うので、このような重み付け処理を「空間フィルタ」と呼ぶ。
Known Documents 5) X. Yong, RK Ward, and GE Birch, “Robust common spatial patterns for eeg signal preprocessing.” Conference proceedings: Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Annual Conference, vol. 2008, pp. 2087-2090, 2008.
Here, as described below, by performing adaptive weighting processing on the covariance matrix of the electroencephalogram signals acquired from electrodes arranged in a plurality of parts on the user's scalp, the feature amount Since the extraction is performed, such a weighting process is called a "spatial filter".

以下、まず、公知文献5の内容を基に、簡単に、従来のロバストなCSPアルゴリズムについて、説明する。 Hereinafter, first, a conventional robust CSP algorithm will be briefly described based on the contents of the publicly known document 5.

(ロバストなCSPアルゴリズム)
CSPアルゴリズムは、運動イメージによる律動変調に基づくBMIの2クラス(C1またはC2)の分類問題において,特徴量を抽出する手法として多用されてる。
(Robust CSP algorithm)
The CSP algorithm is often used as a method for extracting features in the classification problem of two classes (C 1 or C 2 ) of BMI based on rhythmic modulation by motion images.

たとえば、運動想像状態がクラスC1であり、非コントロール状態がクラスC2である。 For example, the motion imaginary state is class C 1 and the uncontrolled state is class C 2 .

ここでは、EEG測定のチャネル数をpとし、Nを1回の1試行に含まれるサンプル数であるとし、Mをトレーニングセットの個数であるものとする。各試行の信号の集合Sを以下の式で定義する。 Here, it is assumed that the number of channels for EEG measurement is p, N is the number of samples included in one trial, and M is the number of training sets. The set S of signals for each trial is defined by the following equation.

このとき、CSPにおける最適化問題は以下の式で表される。 At this time, the optimization problem in CSP is expressed by the following equation.

ここで、C1は、全てのクラスC1のEEG試行を表し、ωは、空間フィルタの未知の重みベクトルまたは重み行列である。 Where C 1 represents all class C 1 EEG trials and ω is an unknown weight vector or matrix of spatial filters.

また、var関数は、以下のように算出できる。 The var function can be calculated as follows.

ここで、Λ1とΛ2とは、それぞれ、クラスC1とクラスC2とに属するEEG信号の共分散行列である。 Here, Λ 1 and Λ 2 are covariance matrices of EEG signals belonging to class C 1 and class C 2 , respectively.

CSPアルゴリズムは、以下のように要約できる;
1)行列Λ=(Λ1+Λ2)に対して白色化変換を実行する。
The CSP algorithm can be summarized as follows;
1) Perform whitening conversion on the matrix Λ = (Λ 1 + Λ 2 ).

すなわち、行列Λ=(Λ1+Λ2)に対する固有値分解により、以下のような条件を満たす行列P(白色化行列)を見つけて、行列Λを白色化する。 That is, by eigenvalue decomposition of the matrix Λ = (Λ 1 + Λ 2 ), the matrix P (whitening matrix) satisfying the following conditions is found, and the matrix Λ is whitened.

ここで、以下の関係が成り立つ。 Here, the following relationship holds.

2)直交行列Rと対角行列Dとを以下の条件を満たすように固有値分解により算出する。 2) The orthogonal matrix R and the diagonal matrix D are calculated by eigenvalue decomposition so as to satisfy the following conditions.

3)クラスC1およびクラスクラスC2に対しては、射影行列W=RTPの行によって、ωは、以下のようになる。 3) for the class C 1 and Class Class C 2 is the line of projection matrix W = R T P, ω is as follows.

その上で、共分散行列に、このような空間フィルタ(Common Spatial Pattern)ωを乗算して射影したた結果であるzp(t)の2乗平均の値(または、そのlogスケール値)を、特徴量として用いることができる。以下では、特徴量としては、logスケールを用いることとする。 Then, the covariance matrix is multiplied by such a spatial filter (Common Spatial Pattern) ω and projected, and the value of the squared average of z p (t) (or its log scale value) is calculated. , Can be used as a feature quantity. In the following, the log scale will be used as the feature quantity.

したがって、たとえば、この特徴量としては、以下のような値を用いることができる。 Therefore, for example, the following values can be used as this feature amount.

なお、特徴量としては、射影したた結果であるzp(t)の分散、またはzp(t)の分散を規格化した値(または、そのlogスケール値)を用いることも可能である。 As the feature quantity, it is also possible to use the variance of z p (t), which is the result of projection, or the standardized value (or its log scale value) of the variance of z p (t).

そして、このような特徴量に対して、線形判別分析を行うことで分類器を生成し、クラスの分類を実行することができる。 Then, by performing linear discriminant analysis on such features, a classifier can be generated and class classification can be executed.

また、このような分類器のロバスト性を向上させるために、共分散行列のロバストな評価値を得る方法として、M−estimater法、MVE(Minimum Volume Ellipsoid)法、MCD(Minimum Covariance Determinant)法、S−estimater法などを使用することができる。 Further, in order to improve the robustness of such a classifier, as a method for obtaining a robust evaluation value of a covariance matrix, the M-estimater method, the MVE (Minimum Volume Ellipsoid) method, the MCD (Minimum Covariance Determinant) method, etc. The S-estimater method or the like can be used.

これらの方法のうち、たとえば、MCD法については、以下の文献に開示がある。 Among these methods, for example, the MCD method is disclosed in the following documents.

公知文献6)P. J. Rousseeuw,“Least medians of squares regression,”Journal of American Statistical Association,vol. 79,pp. 851-857,1984.
公知文献7)P. J. Rousseeuw and K. V. Driessen,“A fast algorithm for the minimum covariance determinant estimator,”Technometrics,vol. 41,no. 3,pp. 212-223,1999.
(運動想像のEEG信号の分類のための非同期で適応的なCSP処理)
以上の前提の下に、本実施の形態における「適応的なCSPアルゴリズム」について説明する。
Known Documents 6) PJ Rousseeuw, “Least medians of squares regression,” Journal of American Statistical Association, vol. 79, pp. 851-857, 1984.
Known Documents 7) PJ Rousseeuw and KV Driessen, “A fast algorithm for the minimum covariance determinant estimator,” Technicals, vol. 41, no. 3, pp. 212-223, 1999.
(Asynchronous and adaptive CSP processing for classification of motion-imagined EEG signals)
Based on the above assumptions, the "adaptive CSP algorithm" in the present embodiment will be described.

(空間フィルタの学習処理)
まず、図5を参照して、トレーニングセットによる本実施の形態のCSPアルゴリズムの学習処理について説明する。なお、このようなトレーニングセットのデータは、メモリ204に格納されて、演算装置210により以下のような学習処理が実行される。
(Spatial filter learning process)
First, the learning process of the CSP algorithm of the present embodiment by the training set will be described with reference to FIG. The data of such a training set is stored in the memory 204, and the arithmetic unit 210 executes the following learning process.

学習期間において、CSP学習処理部422の制御により、フィルタ処理部402は、非同期で適応的なCSPでの信号処理のために、トレーニング・セットのEEG信号を、バンドパスフィルタリング(7−30Hz)し、足運動想像クラスに対して、運動想像の開始について、たとえば、0.5秒後から3.5秒後までの3秒間の事象を切り出す。
一方、CSP学習処理部422の制御により、フィルタ処理部402は、より長い非コントロールクラスに対して、運動想像の終了から、たとえば、2秒後から7秒後までの事象を切り出す。
During the learning period, under the control of the CSP learning processing unit 422, the filtering unit 402 bandpass filters (7-30Hz) the EEG signal of the training set for signal processing in the asynchronous and adaptive CSP. For the foot movement imagination class, for example, for the start of the movement imagination, an event for 3 seconds from 0.5 seconds to 3.5 seconds is cut out.
On the other hand, under the control of the CSP learning processing unit 422, the filtering unit 402 cuts out an event from the end of the motion imagination, for example, from 2 seconds to 7 seconds later, for a longer non-control class.

EEG信号は、たとえば、0.5秒の長さのスライディングウィンドウによって、0.5秒ステップで処理される。CSP学習処理部422の制御により、トレーニング・セットについて、対応する射影行列Wが算出される。 The EEG signal is processed in 0.5 second steps, for example, by a 0.5 second long sliding window. Under the control of the CSP learning processing unit 422, the corresponding projection matrix W is calculated for the training set.

さらに、CSP学習処理部422の制御により、適応白色化処理部404は、特に限定されないが、最も識別可能な空間フィルタを表わす、射影行列Wの最初の2行および最後の2行が選択される。 Further, under the control of the CSP learning processing unit 422, the adaptive whitening processing unit 404 is not particularly limited, but the first two rows and the last two rows of the projection matrix W representing the most identifiable spatial filter are selected. ..

なお、現実に使用者の脳活動パターンを分類してロボットの制御を実時間で行うオンライン処理においては、非同期で適応的なCSP処理では、以下に説明するように、空間フィルタは、特徴選択アルゴリズムによってさらに縮小されてもよい。 In the online processing that actually classifies the brain activity pattern of the user and controls the robot in real time, in the asynchronous and adaptive CSP processing, as explained below, the spatial filter is a feature selection algorithm. May be further reduced by.

すなわち、トレーニング・セットに対して、非コントロールの開始より2sから6.5sまでのスライディングウィンドウは、非コントロール・クラスと考えられ、一方、運動想像より0sから4.5sまでのスライディングウィンドウは、足運動想像クラスと考えられる。
トレーニング・セットに過剰適合するCSPのフィルタに関連した特徴を削除するために、トレーニング・セット上で、forests of treesアルゴリズムを走らせて、特徴の重要度を算出する。
その後Nを特徴の総数とするとき、その重要度が1/Nより大きい特徴を選択する。
このようなforests of treesアルゴリズムについては、以下の文献に開示がある。
That is, for the training set, the sliding window from 2s to 6.5s from the start of non-control is considered to be the non-control class, while the sliding window from 0s to 4.5s from the exercise imagination is the foot. It is considered to be an exercise imagination class.
To remove the filter-related features of the CSP that overfit the training set, run the forests of trees algorithm on the training set to calculate the importance of the features.
After that, when N is the total number of features, the features whose importance is greater than 1 / N are selected.
Such forests of trees algorithm is disclosed in the following documents.

公知文献8)P. Geurts,D. Ernst,and L. Wehenkel,“Extremely randomized trees,”Machine learning,vol. 63,no. 1,pp. 3-42,2006.
そして、上記のような選択を行う前の特徴量、あるいは、状況により上記の選択を行った後の特徴量を使用して、分類器学習処理部424は、クラスの分類のためにロジスティック回帰分類器を訓練する。
Known Documents 8) P. Geurts, D. Ernst, and L. Wehenkel, “Extremely randomized trees,” Machine learning, vol. 63, no. 1, pp. 3-42, 2006.
Then, using the feature amount before making the above selection or the feature amount after making the above selection depending on the situation, the classifier learning processing unit 424 uses logistic regression classification for class classification. Train the vessel.

ロジスティック関数は、0と1の間の連続的な確率出力を生成し、たとえば、0に近い値になるほど、非コントロールクラスに相当し、1に近くなるほど、足運動想像クラスに相当する。 The logistic function generates a continuous probability output between 0 and 1. For example, a value closer to 0 corresponds to a non-control class, and a value closer to 1 corresponds to a foot movement imagination class.

分類のための最良のしきい値を調整するために、all-or-nothingアプローチに従って、トレーニング・セットを使用することとしてもよい。 Training sets may be used according to the all-or-nothing approach to adjust the best threshold for classification.

all-or-nothingアプローチについては、以下の文献に開示がある。 The all-or-nothing approach is disclosed in the following literature.

公知文献9)A. Muralidharan,J. Chae,and D. M. Taylor,“Extracting attempted hand movements from eegs in people with complete hand paralysis following stroke.”Frontiers in neuroscience,vol. 5,p. 39,Mar 2011.
公知文献10)G. Lisi and J. Morimoto,“EEG single-trial detection of gait speed changes during treadmill walk,”PLoS ONE,vol. 10,no. 5,p. e0125479,05 2015.
all-or-nothingアプローチでは、具体的には、全体の試行(つまり同じクラスに属する連続するスライディングウィンドウのセット)は、最も高い確率のスライディングウィンドウによって表現される。 ここで、すべての試行には確率出力が割り当てられ、後述するように、しきい値調整部426は、受信動作特性(ROC)およびその最良の動作点の計算により、最良のしきい値を選択する。
Known Documents 9) A. Muralidharan, J. Chae, and DM Taylor, “Extracting attempted hand movements from eegs in people with complete hand paralysis following stroke.” Frontiers in neuroscience, vol. 5, p. 39, Mar 2011.
Known documents 10) G. Lisi and J. Morimoto, “EEG single-trial detection of gait speed changes during treadmill walk,” PLoS ONE, vol. 10, no. 5, p. E0125479, 05 2015.
In the all-or-nothing approach, specifically, the entire trial (ie, a set of consecutive sliding windows belonging to the same class) is represented by the most probable sliding window. Here, a probability output is assigned to all trials, and as will be described later, the threshold value adjustment unit 426 selects the best threshold value by calculating the receiver operating characteristic (ROC) and its best operating point. To do.

(オンライン処理)
図6は、図5に対応して、非同期で適応的なCSPアルゴリズムをオンラインで実行する際のフローチャートである。
(Online processing)
FIG. 6 is a flow chart for executing an asynchronous and adaptive CSP algorithm online, corresponding to FIG.

なお、オンラインで入力されるデータセットも、メモリ204に格納されて、演算装置210により以下のようなオンライン処理が実行される。 The data set input online is also stored in the memory 204, and the arithmetic unit 210 executes the following online processing.

図5よび図6を参照して、学習期間において、一旦、空間フィルタが計算された後は、オンライン処理でも、生のEEG信号は0.5秒の長さのスライディングウィンドウによって、0.5秒ステップで処理される。
スライディングウィンドウ内の信号は、学習期間と同様に、所定期間について、フィルタ処理部402により、7−30Hzの間でバンドパスフィルタ処理される(S100)。
With reference to FIGS. 5 and 6, once the spatial filter has been calculated during the learning period, even in online processing, the raw EEG signal is 0.5 seconds by a sliding window with a length of 0.5 seconds. Processed in steps.
The signal in the sliding window is bandpass filtered between 7 and 30 Hz by the filtering unit 402 for a predetermined period as in the learning period (S100).

ただし、オンライン処理については、非定常の影響を縮小するために、以下に説明するような空間フィルタの適応化処理を実行する。 However, for online processing, spatial filter adaptation processing as described below is executed in order to reduce the effects of unsteady state.

すなわち、適応白色化処理部404は、次のようにして、射影行列を適応化させる(S102)。 That is, the adaptive whitening processing unit 404 adapts the projection matrix as follows (S102).

ここで、Σnew -1/2は、現時点のスライディングウィンドウで入力されるEEG信号についての白色化行列であり、Σold 1/2は、トレーニングセットに対して算出された白色化行列の逆行列である。 Here, Σ new -1 / 2 is the whitening matrix for the EEG signal input in the current sliding window, and Σ old 1/2 is the inverse matrix of the whitening matrix calculated for the training set. Is.

Σnew -1/2を算出するために、入力されるEEG信号に対する共分散行列をオンラインで評価することが必要である。 In order to calculate Σ new -1 / 2 , it is necessary to evaluate the covariance matrix for the input EEG signal online.

そのために、次のような共分散行列の指数移動平均を計算する。 To do this, we calculate the exponential moving average of the covariance matrix as follows.

ここで、tは試行回数であり、Σは、共分散行列のオンライン評価であり、νは、忘却係数である。 Here, t is the number of trials, Σ is the online evaluation of the covariance matrix, and ν is the forgetting coefficient.

また、C(t)は、Sを現在の試行におけるEEG信号であるとするとき、C(t)=SSTである。 Also, C (t), when assumed to be EEG signal in the current attempts to S, a C (t) = SS T.

公知文献3に開示されたW. Wojcikiewiczらによる分析は同期的な性質を有していたため、一定値の忘却係数(例えばν=0.005)を使用していた。
本実施の形態では、非同期処理を扱うために、指数移動平均の時定数に基づいて忘却係数を以下のように決定する。:
Since the analysis by W. Wojcikiewicz et al. Disclosed in Known Document 3 had a synchronous property, a constant value forgetting coefficient (for example, ν = 0.005) was used.
In the present embodiment, in order to handle asynchronous processing, the forgetting coefficient is determined as follows based on the time constant of the exponential moving average. ::

ここで、ΔT=0.05は、スライディングウィンドウのステップ幅であり、TCは、移動平均の時定数である。
ここでは、学習期間において、被験者に応じて、上述した指数移動平均では、例として、2つの可能な選択肢である5秒あるいは10秒のうちから、TCの値を選択するために、n分割交差検証(nは、2以上の自然数であり、たとえば、n=10)を使用して決定されているものとする。すなわち、トレーニングセットに対して、後述する分類処理部410からのクラス判別の出力について、n分割交差検証により、より良好な分類結果を与えるTCの値を選択するものとする。ただし、移動平均の時定数TCの選択肢としては、より多くのものから選択することとしてもよい。
Here, ΔT = 0.05 is the step width of the sliding window, and TC is the time constant of the moving average.
Here, in the learning period, depending on the subject, in the exponential moving average described above, for example, n-fold cross-validation is used to select the TC value from among two possible options, 5 seconds or 10 seconds. It is assumed that validation (n is a natural number of 2 or more and is determined using, for example, n = 10). That is, for the training set, the TC value that gives a better classification result is selected by n-fold cross-validation for the output of class discrimination from the classification processing unit 410 described later. However, the moving average time constant TC may be selected from a larger number.

ここで、交差検証は、LOO(Leave-One-Run-Out)クロスバリデーションによるものとし、n分割交差検証では、(n−1)試行が、トレーニングセットとして使用され、1試行がテストセットとして使用される処理を、テストセットを順次変更しながら、n回実行される。 Here, cross-validation is based on LOO (Leave-One-Run-Out) cross-validation, and in n-fold cross-validation, (n-1) trials are used as a training set and one trial is used as a test set. The process to be performed is executed n times while sequentially changing the test set.

このような設定において、式(2)の中のtは、スライディングウィンドウの現行フレームを表わす。
続いて、Σ(t)の固有値分解が計算され、白色化行列Σnew -1/2は、以下のようにして得られる。
In such a setting, t in the equation (2) represents the current frame of the sliding window.
Subsequently, the eigenvalue decomposition of Σ (t) is calculated, and the whitening matrix Σ new- 1 / 2 is obtained as follows.

ここで、EとDは、それぞれ、Σ(t)の固有ベクトル行列と固有値行列である。
続いて、特徴量抽出部406は、式(1)の中の射影マトリックスWadaptを、オンラインで入力されるEEG信号のスライディングウィンドウ信号に乗算して、CSP射影空間へ射影することにより、特徴量を抽出する(S104)。
(特徴適応化処理)
適応化特徴処理部408は、適応化された射影マトリックスWadaptを使用して、スライディングウィンドウの現フレームを射影し、各射影zpのログ強度をlog(E[zp 2])として計算する。
続いて、適応化特徴処理部408は、ゼロ平均データセットとなるように、移動平均を差し引く(つまり適応的なベースラインの減算)ことにより、射影のログ強度を直接的に適応させる(S106)。
適応化特徴処理部408は、射影のログ強度の適応的な平均μを、以下のような指数移動平均によって評価する。
Here, E and D are an eigenvector matrix and an eigenvalue matrix of Σ (t), respectively.
Subsequently, the feature amount extraction unit 406 multiplies the projection matrix W adapt in the equation (1) by the sliding window signal of the EEG signal input online, and projects the feature amount onto the CSP projective space. Is extracted (S104).
(Characteristic adaptation processing)
The adaptation feature processing unit 408 projects the current frame of the sliding window using the adapted projection matrix W adapt, and calculates the log intensity of each projection z p as log (E [z p 2 ]). ..
Subsequently, the adaptive feature processing unit 408 directly adapts the log intensity of the projection by subtracting the moving average (that is, adaptive baseline subtraction) so as to obtain a zero average data set (S106). ..
The adaptive feature processing unit 408 evaluates the adaptive average μ of the projection log intensity by the exponential moving average as follows.

ここで、x(t)は、現フレームのログ強度であり、αは、忘却係数であり、この忘却係数に対して、TCは、式(3)におけるνと同様に、分割交差検証により最適化される。
適応化特徴処理部408は、移動平均を計算した後に、現在時間の特徴のゼロ平均評価を、以下の式で算出する。
Here, x (t) is the log intensity of the current frame, α is the forgetting coefficient, and for this forgetting coefficient, TC is optimized by cross-validation as in ν in the equation (3). Is converted.
After calculating the moving average, the adaptation feature processing unit 408 calculates the zero average evaluation of the feature at the current time by the following formula.

ここまでの処理で得られた、ゼロ平均の特徴量xzm(t)を使用して、後述する分類処理を実行することができる。 Using the zero-average feature amount x zm (t) obtained in the processes up to this point, the classification process described later can be executed.

ただし、アーティファクトの影響を縮小するために、適応化特徴処理部408は、ゼロ平均の特徴量(xzm)に対して、以下のような指数移動平均の計算により、低域フィルタ処理を付け加えてもよい。 However, in order to reduce the influence of the artifact, the adaptive feature processing unit 408 adds low-frequency filtering to the zero average feature (x zm ) by calculating the exponential moving average as follows. May be good.

ここで、ηは、TC=1秒とした式(3)により算出され、xa(t)は、適応化された特徴である。 Here, η is calculated by the equation (3) with TC = 1 second, and xa (t) is an adapted feature.

ただし、低域フィルタ処理としては、他の方法によってもよい。 However, other methods may be used as the low frequency filter processing.

このような一定の時定数を選択したのは、ERDを運動想像の判別に使用する場合、ERDが数秒以内に生じる現象であるという事実に基づき、より小さなTCでは、減衰が速すぎるので、ERDと見なすには早すぎるような過渡現象を含んでしまうからである。
(分類処理およびしきい値判定)
オンライン処理においては、分類処理部410は、学習期間で訓練された分類器を用いて、適応化特徴処理部408に対して分類処理を実行し、運動想像クラスに属する状態であるか否かを判別する(S108)。
その後、分類器の出力が所定のしきい値を超えることに応じて、しきい値判定部412は、外骨格型ロボット1を駆動するためのトリガ―信号を生成して、能動関節制御コマンド生成部30に対して出力する(S110)。
The reason for choosing such a constant time constant is based on the fact that when ERD is used to discriminate motion imagination, ERD is a phenomenon that occurs within a few seconds, and with a smaller TC, attenuation is too fast, so ERD This is because it contains a transient phenomenon that is too early to be regarded as.
(Classification processing and threshold judgment)
In the online processing, the classification processing unit 410 executes the classification processing for the adaptive feature processing unit 408 using the classifier trained in the learning period, and determines whether or not the state belongs to the motion imagination class. Determine (S108).
After that, the threshold value determination unit 412 generates a trigger signal for driving the exoskeleton type robot 1 according to the output of the classifier exceeding a predetermined threshold value, and generates an active joint control command. Output to unit 30 (S110).

処理が終了していなければ、処理はステップS100に復帰する。
(ロボット制御)
上述のとおり、外骨格型ロボット1は、PAM(空圧駆動の人工筋肉)および電動モータによって駆動される、股関節、膝関節および足首関節の屈曲および伸張する能動関節を有している。
If the process is not completed, the process returns to step S100.
(Robot control)
As mentioned above, the exoskeleton robot 1 has active joints that flex and extend the hip, knee and ankle joints driven by PAM (pneumatically driven artificial muscle) and electric motors.

このような外骨格型ロボット1の制御については、上述した公知文献2のUgurluらの文献に記載されているので、以下では、概略を説明する。 Since the control of such an exoskeleton type robot 1 is described in the above-mentioned document of Ugurlu et al. Of Known Document 2, the outline will be described below.

外骨格型ロボット1が被験者とロボットの重量を支持するのに必要な重力補償トルクを生成すると仮定すると以下の式が成り立つ: Assuming that the exoskeleton robot 1 generates the gravity compensation torque required to support the weight of the subject and the robot, the following equation holds:

ここで、θは関節角ベクトルであり、mは、総疑似重量のパラメータであり、mhumanは、人間の重量であり、mXoRは、外骨格型ロボットの重量である。
スクワット運動は、以下のように疑似重量のパラメータを変調することにより実現される。
Here, θ is a joint angle vector, m is a parameter of total pseudo-weight, m human is the weight of a human, and m XoR is the weight of an exoskeleton type robot.
The squat motion is realized by modulating the pseudo-weight parameter as follows.

ここで、tは時間であり、f=0.5Hzはスクワットする周波数であり、K=7は手動で調整された、スクワットの振幅である。
(実験結果)
以下、上述したようなシステムを動作させた場合の実験結果について説明する。
Where t is time, f = 0.5 Hz is the squat frequency, and K = 7 is the manually adjusted squat amplitude.
(Experimental result)
Hereinafter, the experimental results when the above-mentioned system is operated will be described.

まず、足運動想像データの収集は、24−29歳の3人の健康な被験者で実行された。 First, collection of foot movement imaginary data was performed on three healthy subjects aged 24-29 years.

被験者の運動想像の過去の経験は、被験者S1に対しては数年、被験者S2に対しては数週間、および被験者S3については経験なしと評価される。
しかしながら、被験者はいずれも、かつて以前に足運動想像を行ったことはない。
たとえ被験者S1に長期の体験があったとしても、足運動想像のまさに最初の実験から、彼が高いパフォーマンスを達成することができたことは注目される。したがって、そのような長い経験は提案されたBMIの要件ではない。
The past experience of subject's motion imagination is evaluated as several years for subject S1, several weeks for subject S2, and no experience for subject S3.
However, none of the subjects had previously imagined foot movements.
It is noteworthy that he was able to achieve high performance from the very first experiment of foot movement imagination, even if subject S1 had a long-term experience. Therefore, such long experience is not a requirement of the proposed BMI.

1回の試行中に、被験者は、8秒間のインターバルを置いて、4秒間の足運動想像を10回行った。各被験者に対して、数分間の休憩をはさんで、4回分のデータが収集された。 EEG信号は、500Hzのサンプリングレートで収集された。 During one trial, subjects performed 10 4-second foot movement imaginations with an 8-second interval. For each subject, four doses of data were collected with a few minute break. The EEG signal was collected at a sampling rate of 500 Hz.

図7は、適応化された特徴量の時間変動を説明するための図である。 FIG. 7 is a diagram for explaining the time variation of the adapted feature amount.

図7では、実施の形態1で説明された方法により、適応化された特徴量が、いかにして一定のゼロ平均を維持することができ、かつ運動想像に関連したERDを再生することができるかを示している。 In FIG. 7, by the method described in Embodiment 1, how the adapted features can maintain a constant zero average and reproduce the ERD associated with motion imagination. Is shown.

図7において、「基本的な適応化」とは、式(3)を除く式(1)から式(6)までの式の全体にわたって、忘却係数ν=0.005およびα=0.05と固定値を選択した場合に相当する。これは、公知文献3のW. Wojcikiewiczらによる手法と本質的に同等であり、適応化の比較対象として記載している。 In FIG. 7, the “basic adaptation” means the forgetting coefficient ν = 0.005 and α = 0.05 throughout the equations (1) to (6) excluding the equation (3). Corresponds to the case where a fixed value is selected. This is essentially equivalent to the method by W. Wojcikiewicz et al. In Known Document 3, and is described as a comparison target for adaptation.

図7の最下段の提案された適応化において、負方向のログ強度のピークは、運動想像(つまりグレー領域部分)に対応している。
図7のセグメント1とセグメント2の対比は、提案された適応化で、セグメント2のERDが、セグメント1に関して、強調されているこを示す。
In the proposed adaptation at the bottom of FIG. 7, the peak of the log intensity in the negative direction corresponds to the motion imagination (that is, the gray region portion).
The contrast between segment 1 and segment 2 in FIG. 7 shows that in the proposed adaptation, the ERD of segment 2 is emphasized with respect to segment 1.

セグメント3では、低域通過フィルタリングを行う場合、所望でない負のピーク(つまりアーティファクト)が縮小されていることを示す。
セグメント4では、強い非定常性は、生の特徴平均の低下をもたらしている。しかしながら、この場合、提案された適応化はERDを再現することまではできないものの、特徴平均は、誤って正になることなく、ゼロに近い値となっていることを示す。
図8は、分類器の出力としきい値の関係を示す図である。
Segment 3 shows that unwanted negative peaks (ie, artifacts) are reduced when performing low pass filtering.
In segment 4, the strong non-stationarity results in a decrease in the raw feature average. However, in this case, although the proposed adaptation cannot reproduce the ERD, it shows that the feature mean is close to zero without being erroneously positive.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the output of the classifier and the threshold value.

図8に示すように、すべての試行には、分類器による確率出力が割り当てられる。 As shown in FIG. 8, all trials are assigned a stochastic output from the classifier.

学習時において、しきい値調整部426は、受信動作特性(ROC:Receiver Operating Characteristic)およびその最良の動作点の計算により、最良のしきい値を選択することができる(図8の中の上段のグラフ)。
デコーダの疑似的なオンライン・パフォーマンスを評価するために、all-or-nothingアプローチによって導出されたしきい値は、オンラインで入力される信号を分類するために使用される(図8の中の下段のグラフ)。
At the time of learning, the threshold value adjusting unit 426 can select the best threshold value by calculating the receiver operating characteristic (ROC) and its best operating point (upper part in FIG. 8). Graph).
To evaluate the pseudo-online performance of the decoder, the thresholds derived by the all-or-nothing approach are used to classify the signals coming in online (bottom in Figure 8). Graph).

ここで、「疑似的な」とは、ロボットを動かさずに、脳波の分類に関する信号処理のみを行っている状態を示す。 Here, "pseudo" means a state in which only signal processing related to the classification of brain waves is performed without moving the robot.

このように、1つの試行当たり1つのスライディングウィンドウだけが、試行の全体を、誤ったトリガーであるかあるいは真のトリガーであると見なすのに十分であることがわかる。 Thus, it can be seen that only one sliding window per trial is sufficient to consider the entire trial as a false or true trigger.

図9は、ロボット制御の状態を説明する図である。 FIG. 9 is a diagram illustrating a state of robot control.

図9においては、被験者S1について、足運動想像によるロボットのスクワット運動を行った状態を示す。
非コントロール期間全体(つまり0−8s)は正確に分類された。
トリガーを誘発するのに必要な時間は、運動想像の開始(図中の斜線の棒)が表示されて)から、16s後であった。
FIG. 9 shows a state in which the robot squats the subject S1 by imagining the foot movement.
The entire uncontrolled period (ie 0-8s) was correctly classified.
The time required to trigger the trigger was 16 seconds after the start of motion imagination (the shaded bar in the figure was displayed).

この場合は、被験者は、運動想像の彼の最初の試みが失敗し、したがって、彼は一旦リラックスしてから、再度、足の運動を想像しなければならなかったと報告した。
したがって、図9における応答時間は、スクワット運動の2つのサイクルを示している。
図10は、疑似的にオンライン処理を行った場合の交差検証の結果を示す図である。
In this case, the subject reported that his first attempt at exercise imagination failed and therefore he had to relax once and then imagine the foot exercise again.
Therefore, the response time in FIG. 9 indicates two cycles of squat movement.
FIG. 10 is a diagram showing the result of cross-validation when pseudo-online processing is performed.

BMIシステムの定量的な疑似的オンライン・パフォーマンスは、各被験者に対して、別々に集められた較正データによって評価された。
交差検証されたall-or-nothingのデコーダの疑似的なオンラインパフォーマンスは、ROCおよびROC曲線下面積(AUC:Area Under the Curve)として図10の表に表示される。
AUCに基づいて、テストセット中のクラス識別性は被験者S1およびS2に、良といえる結果が得られ(0.8 ≦AUC≦0.89)、一方で、被験者S3にとって、それは可といえる結果であった(0.7≦AUC≦0.79)。
さらに、最初の2人の被験者は、オンライン処理時に、70%以上の精度を有しており、その精度は、通常、BMIコミュニケーションに必要であると考えられる値である。 図11は、各被験者に対して、交差検証の各分割処理にわたって、自動的に選択された空間的パターンを示す図である。
被験者S1については、空間フィルタが運動野の皮質中の活動を構成しており、筋運動感覚の足運動想像が正確に行なわれたことを示唆している。
被験者S2の頭皮地図は、後頭部の皮質中のアクティビティに対応しており、被験者が筋運動感覚であるというよりむしろ視覚的に、運動想像を行ったことを示している。
被験者S3については、抽出された空間フィルタは、交差検証の各回についてより不安定であり、最初の2つでは頭頂後頭葉皮質中のアクティビティを、あるいは、残りの2つでは感覚運動皮質中のアクティビティを示している。
これは、被験者S3に対して、疑似的なオンライン・パフォーマンスが全体として低調であることの理由を示すものと考えられる。
図12は、被験者S1の1つの試行のスライディングウィンドウ出力を示す図である。
Quantitative pseudo-online performance of the BMI system was evaluated for each subject by calibration data collected separately.
The pseudo-online performance of the cross-validated all-or-nothing decoder is shown in the table of FIG. 10 as the ROC and Area Under the Curve (AUC).
Based on the AUC, the class distinctiveness in the test set gave good results for subjects S1 and S2 (0.8 ≤ AUC ≤ 0.89), while it was acceptable for subjects S3 (8 ≤ AUC ≤ 0.89). 0.7 ≤ AUC ≤ 0.79).
In addition, the first two subjects have an accuracy of 70% or higher during online processing, which is a value normally considered necessary for BMI communication. FIG. 11 is a diagram showing for each subject an automatically selected spatial pattern over each segmentation process of cross-validation.
For subject S1, the spatial filter constitutes the activity in the cortex of the motor cortex, suggesting that the foot movement imagination of the muscular motor sensation was accurately performed.
The scalp map of subject S2 corresponds to activity in the cortex of the occipital region, indicating that the subject visually imagined movement rather than muscular motor sensation.
For subject S3, the extracted spatial filters were more unstable for each round of cross-validation, with activity in the parietal and occipital cortex in the first two, or in the sensorimotor cortex in the other two. Is shown.
This is considered to indicate the reason why the pseudo online performance is generally poor for the subject S3.
FIG. 12 is a diagram showing a sliding window output of one trial of subject S1.

予想通りに、図12上段のログ強度の負のピーク(つまりERD)が運動想像のより高い可能性に相当するので、適応的な特徴量に基づく分類器のロジスティック関数の確率出力は、ERDの検出をよく表現している。
確率出力がしきい値に達する場合は、足運動想像が行われていることが検知される。
As expected, the probabilistic output of the classifier's logistic function based on adaptive features corresponds to the higher probability of motion imagination, as the negative peak of log intensity (ie ERD) in the upper part of FIG. 12 corresponds to ERD. It is a good representation of detection.
When the probability output reaches the threshold value, it is detected that the foot movement imagination is being performed.

図13は、3つの適応化方法での交差検証されたall-or-nothingの疑似的なオンライン・パフォーマンスを比較する図である。 FIG. 13 compares the pseudo-online performance of cross-validated all-or-nothing with the three adaptation methods.

3つの適応化方法とは、提案された適応化の場合(図中、proposed)と、基本的な適応化の場合(図中、Basic)と、適応化処理無しの場合(図中、No Adapt)である。 The three adaptation methods are the proposed adaptation (proposed in the figure), the basic adaptation (Basic in the figure), and no adaptation process (No Adapt in the figure). ).

図13から、提案された適応化の疑似的なオンライン・パフォーマンスの平均が複数の被験者にわたって最も高いことが示される。
これは、セッション内の解析でさえ、EEG非定常性に対処するために適応的なBMIアルゴリズムを実装する必要性を示している。
FIG. 13 shows that the average pseudo-online performance of the proposed adaptation is highest across multiple subjects.
This indicates that even in-session analysis needs to implement an adaptive BMI algorithm to address EEG unsteadiness.

以上説明したように、本実施の形態の脳波パターン分類装置、脳波パターン分類方法、脳波パターン分類プログラムでは、適応的なアルゴリズムを使用することにより、非同期な状態で、脳波信号からの特徴量の非定常性に対応することが可能で、分類器の分類性能を改善することが可能である。 As described above, in the electroencephalogram pattern classification device, the electroencephalogram pattern classification method, and the electroencephalogram pattern classification program of the present embodiment, by using an adaptive algorithm, the feature amount from the electroencephalogram signal is unsteady in an asynchronous state. It is possible to cope with the steadyness and improve the classification performance of the classifier.

また、本実施の形態のニューロフィードバックシステムでは、使用者が自身の体の一部、たとえば、足の動きを想像し、外骨格ロボットの動きからの固有受容性の求心性入力の形式で感覚運動の律動のフィードバックが与えられる。ここで、「固有受容性」とは、体の位置や運動の情報を伝える感覚受容器に働きかけることをいい、「求心性」とは、末梢からの刺激や興奮を中枢へ伝達することをいう。したがって、たとえば、脳卒中患者がトレーニング中に徐々に運動想像を学習し、かつ同時に、神経細胞の可塑性を引き起こして、運動制御の復元に結びつけることが可能となる。 Further, in the neurofeedback system of the present embodiment, the user imagines the movement of a part of his / her body, for example, the foot, and the sensory movement is in the form of proprioceptive afferent input from the movement of the exoskeleton robot. Rhythm feedback is given. Here, "proprioceptor" means acting on sensory receptors that convey information on body position and movement, and "afferent" means transmitting stimuli and excitement from the periphery to the central nervous system. .. Thus, for example, stroke patients can gradually learn motor imagination during training and at the same time induce neuronal plasticity, which can lead to restoration of motor control.

しかも、そのような脳活動の計測システムは、プラグ・アンド・プレイ方式であって、迅速なセットアップができる共適応的なBRIシステムである。 Moreover, such a brain activity measurement system is a plug-and-play system, which is a co-adapted BRI system that can be set up quickly.

すなわち、本実施の形態のニューロフィードバックシステムでは、上記のような脳波パターン分類手法を利用することで、短いセットアップ時間で、使用者の感覚運動想像の分類が信頼度高く実行され、アシストロボットによる運動支援によるリハビリテーションを実施することができる。
[実施の形態2]
図14は、実施の形態1での脳波パターン分析部40の学習とオンライン処理とを示す概念図である。
That is, in the neurofeedback system of the present embodiment, by using the above-mentioned electroencephalogram pattern classification method, the user's sensory movement imagination classification is performed with high reliability in a short setup time, and the movement by the assist robot is performed. Supportive rehabilitation can be carried out.
[Embodiment 2]
FIG. 14 is a conceptual diagram showing learning and online processing of the electroencephalogram pattern analysis unit 40 according to the first embodiment.

図15は、実施の形態2での脳波パターン分析部40の学習とオンライン処理とを示す概念図である。 FIG. 15 is a conceptual diagram showing learning and online processing of the electroencephalogram pattern analysis unit 40 according to the second embodiment.

まず、図14に示すように、実施の形態1では、脳波計300から学習のために十分な量の一定数のデータ(図中、データセットData1,Data2,Data3)が取得され、蓄積された後に、これらの蓄積データの全体を用いて、脳波パターン分析部40の学習処理が実行される。 First, as shown in FIG. 14, in the first embodiment, a sufficient amount of a certain number of data (datasets Data1, Data2, Data3 in the figure) for learning were acquired and accumulated from the electroencephalograph 300. Later, the learning process of the electroencephalogram pattern analysis unit 40 is executed using all of these accumulated data.

そして、このような学習処理の完了した脳波パターン分析部40を使用して、オンライ処理で、脳波パターンの解析が事項される。 Then, using the electroencephalogram pattern analysis unit 40 that has completed such learning processing, analysis of the electroencephalogram pattern is a matter of online processing.

これに対して、図15に示す実施の形態2では、脳波計300から学習のために十分な量の一定数のデータが蓄積される前に(図中、データセットData1の取得の完了時点)、蓄積されたデータに基づいて、脳波パターン分析部40の学習処理を開始する。 On the other hand, in the second embodiment shown in FIG. 15, before a sufficient amount of data for learning is accumulated from the electroencephalograph 300 (in the figure, when the acquisition of the data set Data1 is completed). , The learning process of the electroencephalogram pattern analysis unit 40 is started based on the accumulated data.

データセットData1についての学習処理が終了した脳波パターン分析部40については、学習処理と並行して取得されていた次のデータセットData2と取得済みのデータセットData1とを合わせたデータについて、さらに、次のデータセットの取得処理と並行して、学習処理を実行することで、パラメータの更新を行う。 Regarding the electroencephalogram pattern analysis unit 40 for which the learning process for the data set Data1 has been completed, the data obtained by combining the next data set Data2 acquired in parallel with the learning process and the acquired data set Data1 is further described as follows. The parameters are updated by executing the learning process in parallel with the acquisition process of the data set of.

以下同様にして、次のデータセットのデータ取得と並行して、逐次的に、脳波パターン分析部40の学習処理を実行する。 Hereinafter, in the same manner, the learning process of the electroencephalogram pattern analysis unit 40 is sequentially executed in parallel with the data acquisition of the next data set.

以上のような構成とすれば、実施の形態1と比較して、より短いセットアップ時間で、脳波パターン分類処理を開始することが可能となる。 With the above configuration, it is possible to start the electroencephalogram pattern classification process in a shorter setup time as compared with the first embodiment.

したがって、このような脳波パターン分類処理を用いれば、より短いセットアップ時間で、ニューロフィードバックシステムによるリハビリテーションを開始することも可能となる。 Therefore, by using such an electroencephalogram pattern classification process, it is possible to start rehabilitation by the neurofeedback system in a shorter setup time.

今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time are examples of configurations for concretely implementing the present invention, and do not limit the technical scope of the present invention. The technical scope of the present invention is indicated by the scope of claims, not the description of the embodiment, and includes modifications within the scope of the wording of the claims and the scope of the equivalent meaning. Is intended.

1 外骨格型ロボット、10 内部制御装置、11 I/F部、12 外骨格、20 外部制御装置、30 能動関節制御コマンド生成部、40 脳波パターン分析部、121 ベース、122 下半身、123 能動関節、124 検出機構、131 記録処理部、132 記憶装置、133 計測装置、134 制御部、135 出力装置、402 フィルタ処理部、404 適応白色化処理部、406 特徴量抽出部、408 適応化特徴処理部、410 分類処理部、412 しきい値判定部、420 学習処理部、422 CSP学習処理部、424 分類器学習処理部、426 しきい値調整部。 1 exoskeleton type robot, 10 internal control device, 11 I / F part, 12 exoskeleton, 20 external control device, 30 active joint control command generation part, 40 brain wave pattern analysis part, 121 base, 122 lower body, 123 active joint, 124 Detection mechanism, 131 Recording processing unit, 132 Storage device, 133 Measuring device, 134 Control unit, 135 Output device, 402 Filter processing unit, 404 Adaptive whitening processing unit, 406 Feature extraction unit, 408 Adaptive feature processing unit, 410 Classification processing unit, 412 threshold value judgment unit, 420 learning processing unit, 422 CSP learning processing unit, 424 classifier learning processing unit, 426 threshold value adjustment unit.

Claims (8)

対象者の運動想像による脳波パターンを非同期に分類するための脳波パターン分類装置であって、
前記対象者の頭皮上の複数箇所において、対象者の脳の活動を検出する複数チャンネルの脳波信号を取得するための脳波計測手段と、
前記複数チャンネルの信号の各々から、対象者による運動想像により誘発された所定の周波数帯域の成分を抽出するためのフィルタ手段と、
前記フィルタ手段により抽出された、前記複数チャンネルの信号の周波数帯域の成分から、時間に沿ったスライディングウィンドウごとの処理により、適応的に空間フィルタにより特徴量を算出するための特徴量算出手段とを備え、
前記特徴量算出手段は、
現時点までの前記複数チャンネルの脳波信号の共分散行列から導出される空間フィルタを、前記共分散行列の指数移動平均を計算することにより適応的に更新する空間フィルタ更新手段と、
前記指数移動平均における忘却係数を、前記指数移動平均の時定数に対する前記スライディングウィンドウのステップ幅の比に基づいて決定する忘却係数決定手段とを含み、
前記特徴量算出手段からの特徴量に基づく分類処理により、当該特徴量に応じて前記対象者が前記運動想像を行ったことを示す信号を出力する分類処理手段とを備える、脳波パターン分類装置。
It is an electroencephalogram pattern classification device for asynchronously classifying electroencephalogram patterns based on the subject's motion imagination.
An electroencephalogram measuring means for acquiring a plurality of channels of electroencephalogram signals for detecting the activity of the subject's brain at a plurality of locations on the subject's scalp.
A filter means for extracting a component of a predetermined frequency band induced by motion imagination by a subject from each of the signals of the plurality of channels.
From the components of the frequency band of the signals of the plurality of channels extracted by the filter means, a feature amount calculation means for adaptively calculating the feature amount by the spatial filter by processing for each sliding window along the time. Prepare,
The feature amount calculation means is
Spatial filter updating means for adaptively updating the spatial filter derived from the covariance matrix of the multi-channel electroencephalogram signals up to the present time by calculating the exponential moving average of the covariance matrix.
The oblivion coefficient determining means for determining the oblivion coefficient in the exponential moving average is included based on the ratio of the step width of the sliding window to the time constant of the exponential moving average.
An electroencephalogram pattern classification device including a classification processing means for outputting a signal indicating that the subject has performed the motion imagination according to the feature amount by a classification process based on the feature amount from the feature amount calculation means.
前記空間フィルタの導出は、CSP(Common Spatial Patterns)法によるものであり、
前記空間フィルタ更新手段は、
学習期間において、トレーニングセットで導出されたCSP法における射影行列に、現時点での脳波信号についての白色化行列とトレーニングセットに対して算出された白色化行列の逆行列を乗算して得られる適応的な射影行列から、更新された前記空間フィルタを算出する適応白色化処理手段を含む、請求項1記載の脳波パターン分類装置。
The derivation of the spatial filter is based on the CSP (Common Spatial Patterns) method.
The spatial filter updating means is
Adaptive obtained by multiplying the projection matrix in the CSP method derived in the training set by the whitening matrix for the current EEG signal and the inverse matrix of the whitening matrix calculated for the training set during the learning period. The electroencephalogram pattern classification device according to claim 1, further comprising an adaptive whitening processing means for calculating the updated spatial filter from a projection matrix.
前記忘却係数決定手段は、前記指数移動平均の時定数の複数の候補のうちから、前記分類処理手段の出力に対するn分割交差検証(n:2以上の自然数)により、前記時定数を決定する、請求項1または2記載の脳波パターン分類装置。 The oblivion coefficient determining means determines the time constant from among a plurality of candidates for the time constant of the exponential moving average by n-fold cross-validation (n: a natural number of 2 or more) with respect to the output of the classification processing means. The electroencephalogram pattern classification device according to claim 1 or 2. 前記特徴量算出手段は、前記更新された空間フィルタにより導出される特徴量を、ゼロ平均の特徴量となるように変換する適応化特徴処理手段をさらに含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の脳波パターン分類装置。 Any one of claims 1 to 3, wherein the feature amount calculating means further includes an adaptive feature processing means for converting the feature amount derived by the updated spatial filter into a feature amount having a zero average. The electroencephalogram pattern classification device described in the section. 前記脳波計測手段は、ドライ式電極を用いたワイヤレス型ヘッドセットを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の脳波パターン分類装置。 The electroencephalogram pattern classification device according to any one of claims 1 to 4, wherein the electroencephalogram measuring means includes a wireless headset using a dry electrode. 対象者の頭皮上の複数箇所において、対象者の脳の活動を検出する複数チャンネルの脳波信号を取得するための脳波計測装置からの信号に基づき、演算装置および記憶装置を有するコンピュータに前記対象者の運動想像による脳波パターンを非同期に分類する処理を実行させるための脳波パターン分類方法であって、
前記複数チャンネルの信号の各々を前記記憶装置に格納し、格納された前記複数チャネルの信号から、前記演算装置が、対象者による運動想像により誘発された所定の周波数帯域の成分をフィルタリングにより抽出するステップと、
前記演算装置が、時間に沿ったスライディングウィンドウごとの処理により、前記フィルタリングにより抽出するステップにおいて抽出された、前記複数チャンネルの信号の周波数帯域の成分から、適応的に空間フィルタにより特徴量を算出するステップとを備え、
前記特徴量を算出するステップは、
現時点までの前記複数チャンネルの脳波信号の共分散行列から導出される空間フィルタを、前記共分散行列の指数移動平均を計算することにより適応的に更新するステップと、
前記指数移動平均における忘却係数を、前記指数移動平均の時定数に対する前記スライディングウィンドウのステップ幅の比に基づいて決定するステップとを含み、
前記演算装置が、前記特徴量を算出するステップで算出された特徴量に基づく分類処理により、当該特徴量に応じて前記対象者が前記運動想像を行ったことを示す信号を出力するステップとを備える、脳波パターン分類方法。
Based on the signal from the electroencephalogram measuring device for acquiring the electroencephalogram signal of multiple channels for detecting the activity of the brain of the subject at a plurality of places on the scalp of the subject, the subject is subjected to the computer having a computing device and a storage device. It is a brain wave pattern classification method for executing the process of asynchronously classifying the brain wave patterns by the motion imagination of.
Each of the signals of the plurality of channels is stored in the storage device, and the arithmetic unit extracts components of a predetermined frequency band induced by motion imagination by the subject by filtering from the stored signals of the plurality of channels. Steps and
The arithmetic unit adaptively calculates the feature amount by the spatial filter from the components of the frequency band of the signals of the plurality of channels extracted in the step of extracting by the filtering by the processing for each sliding window along the time. With steps
The step of calculating the feature amount is
A step of adaptively updating the spatial filter derived from the covariance matrix of the multi-channel EEG signals up to the present time by calculating the exponential moving average of the covariance matrix.
Including a step of determining the forgetting coefficient in the exponential moving average based on the ratio of the step width of the sliding window to the time constant of the exponential moving average.
The calculation device outputs a signal indicating that the subject has performed the motion imagination according to the feature amount by the classification process based on the feature amount calculated in the step of calculating the feature amount. EEG pattern classification method to prepare.
対象者の頭皮上の複数箇所において、対象者の脳の活動を検出する複数チャンネルの脳波信号を取得するための脳波計測装置からの信号に基づき、演算装置および記憶装置を有するコンピュータに前記対象者の運動想像による脳波パターンを非同期に分類する処理を実行させるための脳波パターン分類プログラムであって、
前記プログラムは、
前記複数チャンネルの信号の各々を前記記憶装置に格納し、格納された前記複数チャネルの信号から、前記演算装置が、対象者による運動想像により誘発された所定の周波数帯域の成分をフィルタリングにより抽出するステップと、
前記演算装置が、時間に沿ったスライディングウィンドウごとの処理により、前記フィルタリングにより抽出するステップにおいて抽出された、前記複数チャンネルの信号の周波数帯域の成分から、適応的に空間フィルタにより特徴量を算出するステップとを備え、
前記特徴量を算出するステップは、
現時点までの前記複数チャンネルの脳波信号の共分散行列から導出される空間フィルタを、前記共分散行列の指数移動平均を計算することにより適応的に更新するステップと、
前記指数移動平均における忘却係数を、前記指数移動平均の時定数に対する前記スライディングウィンドウのステップ幅の比に基づいて決定するステップとを含み、
前記演算装置が、前記特徴量を算出するステップで算出された特徴量に基づく分類処理により、当該特徴量に応じて前記対象者が前記運動想像を行ったことを示す信号を出力するステップとを備える処理を、コンピュータに実行させる、脳波パターン分類プログラム。
Based on the signal from the electroencephalogram measuring device for acquiring the electroencephalogram signal of multiple channels for detecting the activity of the brain of the subject at a plurality of places on the scalp of the subject, the subject is subjected to the computer having a calculation device and a storage device. It is a brain wave pattern classification program for executing the process of asynchronously classifying the brain wave patterns by the motion imagination of.
The program
Each of the signals of the plurality of channels is stored in the storage device, and the arithmetic unit extracts components of a predetermined frequency band induced by motion imagination by the subject by filtering from the stored signals of the plurality of channels. Steps and
The arithmetic unit adaptively calculates the feature amount by the spatial filter from the components of the frequency band of the signals of the plurality of channels extracted in the step of extracting by the filtering by the processing for each sliding window along the time. With steps
The step of calculating the feature amount is
A step of adaptively updating the spatial filter derived from the covariance matrix of the multi-channel EEG signals up to the present time by calculating the exponential moving average of the covariance matrix.
Including a step of determining the forgetting coefficient in the exponential moving average based on the ratio of the step width of the sliding window to the time constant of the exponential moving average.
The calculation device outputs a signal indicating that the subject has performed the motion imagination according to the feature amount by the classification process based on the feature amount calculated in the step of calculating the feature amount. A brain wave pattern classification program that causes a computer to perform the processing to be prepared.
対象者の脳内の運動想像を検知したことに応じて、前記対象者の運動を支援するニューロフィードバックシステムであって、
前記対象者の脳内の運動想像による脳波パターンを非同期に分類するための脳波パターン分析装置を備え、前記脳波パターン分析装置は、
前記対象者の頭皮上の複数箇所において、対象者の脳の活動を検出する複数チャンネルの脳波信号を取得するための脳波計測手段と、
前記複数チャンネルの信号の各々から、対象者による運動想像により誘発された所定の周波数帯域の成分を抽出するためのフィルタ手段と、
前記フィルタ手段により抽出された、前記複数チャンネルの信号の周波数帯域の成分から、時間に沿ったスライディングウィンドウごとの処理により、適応的に空間フィルタにより特徴量を算出するための特徴量算出手段とを備え、
前記特徴量算出手段は、
現時点までの前記複数チャンネルの脳波信号の共分散行列から導出される空間フィルタを、前記共分散行列の指数移動平均を計算することにより適応的に更新する空間フィルタ更新手段と、
前記指数移動平均における忘却係数を、前記指数移動平均の時定数に対する前記スライディングウィンドウのステップ幅の比に基づいて決定する忘却係数決定手段とを有し、
前記特徴量算出手段からの特徴量に基づく分類処理により、当該特徴量に応じて前記対象者が前記運動想像を行ったことを示す信号を出力する分類処理手段と、
前記分類処理手段の出力が所定のしきい値を超えることに応じてトリガー信号を生成するしきい値判定手段とを含み、
前記トリガー信号に応じて、前記対象者の運動を支援するアシストロボットとを備える、ニューロフィードバックシステム。
It is a neurofeedback system that supports the movement of the subject in response to the detection of the movement imagination in the brain of the subject.
The electroencephalogram pattern analyzer is provided with an electroencephalogram pattern analyzer for asynchronously classifying the electroencephalogram patterns based on the motion imagination in the subject's brain.
An electroencephalogram measuring means for acquiring a plurality of channels of electroencephalogram signals for detecting the activity of the subject's brain at a plurality of locations on the subject's scalp.
A filter means for extracting a component of a predetermined frequency band induced by motion imagination by a subject from each of the signals of the plurality of channels.
From the components of the frequency band of the signals of the plurality of channels extracted by the filter means, a feature amount calculation means for adaptively calculating the feature amount by the spatial filter by processing for each sliding window along the time. Prepare,
The feature amount calculation means is
Spatial filter updating means for adaptively updating the spatial filter derived from the covariance matrix of the multi-channel EEG signals up to the present time by calculating the exponential moving average of the covariance matrix.
It has a forgetting coefficient determining means for determining the forgetting coefficient in the exponential moving average based on the ratio of the step width of the sliding window to the time constant of the exponential moving average.
A classification processing means that outputs a signal indicating that the subject has performed the motion imagination according to the feature amount by the classification process based on the feature amount from the feature amount calculation means.
Includes a threshold value determining means that generates a trigger signal when the output of the classification processing means exceeds a predetermined threshold value.
A neurofeedback system including an assist robot that supports the movement of the target person in response to the trigger signal.
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