JP6897336B2 - Signal processing device - Google Patents
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本発明は、音楽等の入力信号から得られるパルス列のパワースペクトルを補正する信号処理装置に関し、補正されたパルス信号は、例えば、一対の電極に出力することで電気刺激として生体に作用させることができる。 The present invention relates to a signal processing device that corrects a power spectrum of a pulse train obtained from an input signal such as music, and the corrected pulse signal can be exerted on a living body as an electrical stimulus by outputting the corrected pulse signal to, for example, a pair of electrodes. it can.
従来、電気刺激により痛みを緩和する方法としては、末梢神経や、脊髄後索の近傍に配置した電極からパルス状の電流を流し、脊髄膠様質および上位中枢に存在する抑制系の神経群を賦活化する方法が用いられてきた。 Conventionally, as a method of relieving pain by electrical stimulation, a pulsed current is passed from a peripheral nerve or an electrode placed near the posterior cord of the spinal cord, and the nerve group of the inhibitory system existing in the spinal cord gland and the upper central nervous system is used. A method of activation has been used.
また、刺激の効果を長時間持続させる目的で、パルス頻度を時間とともに不規則的に変化させる方法も提案されている(下記特許文献1参照。)。また、そのパルス頻度の変化は、ゆらぎのパワースペクトルが所謂「1/fゆらぎ則」に従う場合に、生体に与える刺激感が過度の唐突感を与えず、かつ適度に新鮮な快い刺激として感じられることが知られてきた。
Further, for the purpose of sustaining the effect of stimulation for a long time, a method of irregularly changing the pulse frequency with time has also been proposed (see
ところで、この1/fゆらぎ則に従うパルス列の変化を生成する一つの方法としては、名曲として知られるクラッシック音楽の周波数変動を表す一定時間間隔のゼロクロス回数の時間的変化を、分周回路などによって、経皮的電気刺激に適する周波数に変換するなどの方法が用いられ、特に、パルス列抽出の元となった音楽をヘッドホンあるいはスピーカーを介して聴取することで、聴覚から受けるリラックス効果をも期待できることから、音声信号と、これから抽出されるパルス列の時間的関係を調整する技術も提案されている(下記特許文献2参照。)。
By the way, as one method of generating the change of the pulse train according to this 1 / f fluctuation rule, the temporal change of the number of zero crosses at a fixed time interval representing the frequency fluctuation of the classic music known as a masterpiece is divided by a frequency divider circuit or the like. Methods such as converting to a frequency suitable for percutaneous electrical stimulation are used, and in particular, by listening to the music that is the source of the pulse train extraction through headphones or speakers, the relaxing effect received from hearing can be expected. , A technique for adjusting the temporal relationship between the audio signal and the pulse train extracted from the audio signal has also been proposed (see
しかしながら、音楽の嗜好はヒトそれぞれ異なることから、聴取者のリラックス効果を最大限に引き出すためには、音楽の周波数ゆらぎが、所謂「1/fゆらぎ則」に従わない音楽であっても、聴取者の好みを優先して、選曲を行った方が好ましいという選曲上のジレンマが生じていた。実際、意図的にランダムな刺激効果を狙った音楽の一部では、その周波数ゆらぎが白色雑音に近いものも存在し、これから生成したパルス列を電気刺激として生体に与えた場合には、過度な唐突感を与え、場合によっては、恐怖感をも誘発しかねないことから、その改善が望まれている。しかしながら、通常高域の変動を除去する目的で用いられる最も低次のローパスフィルタでも、その周波数特性は、1/f2特性となってしまい、1/fゆらぎ特性を出力することは必ずしも容易ではない。 However, since each person has different tastes for music, in order to maximize the relaxing effect of the listener, even if the frequency fluctuation of the music does not follow the so-called "1 / f fluctuation rule", it is listened to. There was a dilemma in music selection that it was preferable to prioritize the preference of the person. In fact, in some music that intentionally aimed at a random stimulus effect, the frequency fluctuation is close to white noise, and when the pulse train generated from this is given to the living body as an electrical stimulus, it is excessively abrupt. It gives a feeling and may induce a feeling of fear in some cases, so improvement is desired. However, even the lowest-order low-pass filter normally used for the purpose of removing fluctuations in the high frequency range has 1 / f 2 characteristics, and it is not always easy to output 1 / f fluctuation characteristics. Absent.
本発明の目的は、入力信号から得られるパルス列の周波数ゆらぎのパワースペクトルが希望する特性から大幅に逸脱した場合に、パワースペクトル特性を好ましい形になるように補正する手段を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a means for correcting the power spectrum characteristics so as to be preferable when the power spectrum of the frequency fluctuation of the pulse train obtained from the input signal deviates significantly from the desired characteristics.
例えば、周波数ゆらぎのパワースペクトルが1/f様の特性を持つ刺激は、生体との親和性が高いことが指摘されているが、このような傾向は安静状態でのヒトの心拍変動や脳波のα波成分について見られるだけではなく、アフリカマイマイの神経系など、より低次の神経系の活動についても観察されることが指摘されている(上記非特許文献1参照)。さらには、生体末梢神経自体にも、このような1/f様の特性を持つ刺激の伝搬に有利に作用するメカニズムが内在する可能性があり、最も原始的な神経の一つであるヤリイカの巨大軸索を伝搬するパルス列についても、ある長さを伝搬した後には、このような1/f様の特性を示すことが見出されている(上記非特許文献2参照。)。この原因は、先行して伝搬するパルスが軸索の活動性に与える疲労が直ぐには回復せず、後に続くパルスの伝搬速度に影響を与え、入力部で極端に短い間隔で進行する2つのパルスのうちの後側のパルスの伝搬速度は低下し、2つのパルス間隔は開いてくる。反対に入力時点で広い間隔を置いて加えられた2つのパルスのうちの後側のパルスは、先行パルスとの距離を維持して進行し、2つのパルスのうちの前側のパルスがそれよりも前のパルスの影響で速度低下を起こしている場合には、2つのパルス間隔を詰めるように、作用する。
For example, it has been pointed out that stimuli with a frequency fluctuation power spectrum of 1 / f-like characteristics have a high affinity with living organisms, but such a tendency tends to occur in human heart rate variability and brain waves in a resting state. It has been pointed out that not only the α wave component is observed, but also the activity of lower-order nervous systems such as the nervous system of Giant African Snail is observed (see Non-Patent
従来、この種の解析では、先行する1つのパルスからの間隔のみに依存した速度低下で説明が試みられていたが、生体で観測される現象を説明できていなかった。すなわち、実際のイカ巨大神経軸索では、白色ノイズを印加し、伝搬されていくことで、1/f様の特性が観測されるのに対し、コンピュータシミュレーションでは、極度の密度変調が生じ、スペクトルの傾斜が極度に急峻となり、1/f様の特性からは、大幅に逸脱するものとなっていた(図5(a)参照)。発明者らは、生体内の軸索の疲労が、現実には、先行パルスとの間隔だけでは決まらず、それよりもさらに先行する複数のパルスの蓄積が影響しているとの認識に基づき、この効果を「平均周波数」という形でパラメータ表現することで、神経軸索中を伝搬するパルス列の挙動をより正確にモデル化し、結果として、パルス列の密度変調から得られる周波数ゆらぎのパワースペクトル特性を所望の特性、例えば1/f様の特性により近づけることができることを見出し、本発明を完成するに至った。 Conventionally, in this type of analysis, an attempt has been made to explain the velocity reduction depending only on the interval from one preceding pulse, but the phenomenon observed in the living body has not been explained. That is, in the actual squid giant nerve axon, white noise is applied and propagated to observe 1 / f-like characteristics, whereas in computer simulation, extreme density modulation occurs and the spectrum. The slope of 1 / f became extremely steep and deviated significantly from the 1 / f-like characteristics (see FIG. 5 (a)). The inventors are based on the recognition that axon fatigue in the living body is not actually determined only by the interval with the preceding pulse, but is influenced by the accumulation of multiple pulses further preceding it. By expressing this effect as a parameter in the form of "average frequency", the behavior of the pulse train propagating in the nerve axon is modeled more accurately, and as a result, the power spectrum characteristic of the frequency fluctuation obtained from the density modulation of the pulse train is obtained. We have found that the desired characteristics, for example, 1 / f-like characteristics, can be brought closer to each other, and have completed the present invention.
すなわち本発明は、音楽の入力信号から得られるパルス列のパルス間隔を時系列的に順次更新して該パルス列のパワースペクトルを1/f様特性に近いパルス列として補正し、補正されたパルス信号を生体刺激装置用に出力する信号処理装置であって、
前記パルス列内の時系列的に隣接する少なくとも3つのパルスにおいて、最後行パルスと該最後行パルスに先行する少なくとも2つの先行パルスとから、先行するパルスほど重み付けを減少させて算出された加重平均周波数である平均周波数を算出し、神経軸索上を伝搬するパルスをシミュレートした所定のパルス伝搬モデルにおける平均周波数と伝播速度との関係を用いて、算出された前記平均周波数を伝播速度に変換し、前記パルス伝搬モデルをパルスが該伝播速度で所定距離だけ伝搬される際に要する時間を遅延時間として求める処理を行い、該遅延時間を前記最後行パルスの時刻に加算することにより前記最後行パルスの時刻を更新するよう構成されていることを特徴とするものである。
That is, in the present invention, the pulse interval of the pulse train obtained from the music input signal is sequentially updated in chronological order, the power spectrum of the pulse train is corrected as a pulse train having characteristics close to 1 / f-like characteristics, and the corrected pulse signal is used as a living body. A signal processing device that outputs for a stimulator
In at least three pulses that are adjacent in time series in the pulse train, the weighted average frequency is calculated by reducing the weight of the leading pulse from the last row pulse and at least two leading pulses preceding the last row pulse. The average frequency is calculated, and the calculated average frequency is converted into the propagation speed by using the relationship between the average frequency and the propagation speed in a predetermined pulse propagation model that simulates a pulse propagating on the nerve axon. performs processing for obtaining the time required for the pulse propagation model when a pulse is propagated by a predetermined distance in the propagation velocity as the delay time, the last by the Turkey be added to the delay time at the time of the last row pulse It is characterized in that it is configured to update the time of a row pulse.
このように、パルス列内の時系列的に隣接する少なくとも3つのパルスにおいて、最後行パルスと該最後行パルスに先行する少なくとも2つの先行パルスとから、平均周波数を算出し、算出された平均周波数に応じた遅延時間を求める処理を行い、その遅延時間を最後行パルスに加算することにより、複数個先行するパルスの伝搬に伴う神経の疲労効果を平均周波数に応じた遅延時間として表現することができ、この平均周波数に応じた遅延時間をパラメータの一つとして適切に調整することで、出力パルス列のパワースペクトルを目的に合った形にデザインすることが可能になり、入力信号として音楽から抽出したパルス列が例えば1/f様特性から逸脱していた場合にも、その逸脱を修正して1/f様特性に近いパルス列として生体刺激に用いることができる。 In this way, in at least three pulses that are adjacent in time series in the pulse train, the average frequency is calculated from the last row pulse and at least two preceding pulses preceding the last row pulse, and the calculated average frequency is obtained. By performing the process of obtaining the corresponding delay time and adding the delay time to the last row pulse, the nerve fatigue effect associated with the propagation of multiple preceding pulses can be expressed as the delay time according to the average frequency. By appropriately adjusting the delay time according to this average frequency as one of the parameters, it becomes possible to design the power spectrum of the output pulse train in a shape that suits the purpose, and the pulse train extracted from music as an input signal. For example, even if the deviation deviates from the 1 / f-like characteristic, the deviation can be corrected and used for biological stimulation as a pulse train close to the 1 / f-like characteristic.
なお、本発明の信号処理装置にあっては、前記処理を再帰的に複数回行うことにより前記最後行パルスの時刻を更新するよう構成されていることが好ましく、このようにすれば、最後行パルスの時刻を更新するにあたり、最後行パルスの伝搬中に刻々と変化し得る速度を反映させることができ、出力パルス列のパワースペクトルを目的に合った形により近づけることができる。 The signal processing apparatus of the present invention is preferably configured to update the time of the last line pulse by performing the process recursively a plurality of times. In updating the pulse time, it is possible to reflect the speed that can change from moment to moment during the propagation of the last row pulse, and the power spectrum of the output pulse train can be made closer to the desired shape.
また、本発明の信号処理装置にあっては、前記平均周波数は、前記最後行パルスと該最後行パルスに先行する少なくとも2つの前記先行パルスとから、先行するパルスほど重み付けを減少させて算出された加重平均周波数とする。このようにすれば、先行するパルス程、神経疲労に伴う最後行パルスへの遅延の影響が小さくなる現象を反映させることができ、出力パルス列のパワースペクトルを目的に合った形により近づけることができる。 Further, in the signal processing apparatus of the present invention, the average frequency is calculated from the last-row pulse and at least two leading pulses preceding the last-row pulse by reducing the weighting of the leading pulse. The weighted average frequency . In this way, it is possible to reflect the phenomenon that the effect of the delay on the last pulse due to nerve fatigue becomes smaller as the pulse precedes, and the power spectrum of the output pulse train can be made closer to the desired shape. ..
さらに、本発明の信号処理装置にあっては、前記平均周波数が所定値を超える場合には、前記最後行パルスは前記パルス列から消去されるよう構成されていることが好ましく、このようにすれば、短い時間間隔をおいて二つの電流パルスが神経軸索に与えられた場合(周波数が高い場合)に、活動電位が励起されなくなる現象を反映させることができ、出力パルス列のパワースペクトルを目的に合った形により近づけることができる。 Further, in the signal processing apparatus of the present invention, it is preferable that the last row pulse is erased from the pulse train when the average frequency exceeds a predetermined value. It is possible to reflect the phenomenon that the active potential is not excited when two current pulses are applied to the nerve axon (when the frequency is high) at short time intervals, and the purpose is to power spectrum of the output pulse train. It can be closer to the shape that fits.
さらに、本発明の信号処理装置にあっては、前記平均周波数に応じた遅延時間は、或る神経軸索上を伝搬するパルスの伝搬モデルを用いて算出される。パルス伝搬モデルには、例えば実在するヤリイカから計測された値からモデル化した、パルスの周波数伝搬速度特性線図を用いることができる。より詳細には、パルス伝搬モデルは、周波数が高くなるに連れて遅延時間が大きくなる特性を含むことが好ましい。例えば実在するヤリイカの巨大神経軸索をモデル化したパルスの周波数‐伝搬速度特性線図(図4参照)は、一定値c未満の周波数となる疎なパルスは最大速度v(c)で伝搬され、その後、或る一定値bまでは周波数の増大に伴い速度が線形に減少し、上記或る一定値bを超えると全く伝搬されない(パルスが消滅する)という特性を有している。 Further, in the signal processing apparatus of the present invention, the delay time according to the average frequency is calculated by using a propagation model of a pulse propagating on a certain nerve axon. As the pulse propagation model, for example, a pulse frequency propagation velocity characteristic diagram modeled from a value measured from an existing squid can be used. More specifically, the pulse propagation model preferably includes a characteristic that the delay time increases as the frequency increases. For example, in the frequency-propagation velocity characteristic diagram (see FIG. 4) of a pulse modeled on a giant nerve axon of a real spear squid, a sparse pulse having a frequency less than a certain value c is propagated at a maximum velocity v (c). After that, the velocity decreases linearly with the increase of the frequency up to a certain constant value b, and when it exceeds the certain constant value b, it is not propagated at all (the pulse disappears).
本発明によれば、入力信号から得られるパルス列の周波数ゆらぎのパワースペクトルが希望する特性から大幅に逸脱した場合に、パワースペクトル特性を好ましい形になるように補正する手段を提供することができる。 According to the present invention, when the power spectrum of the frequency fluctuation of the pulse train obtained from the input signal deviates significantly from the desired characteristic, it is possible to provide a means for correcting the power spectrum characteristic so as to have a preferable shape.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。実施形態の信号処理装置10は、図1に示すように、信号取得部12と、モノラル変換部14と、無音区間除去部16と、パルス生成部18と、パルス区間縮小部20と、パルス間引き調整部22と、パルス伝搬シミュレーション部24とを備えており、これらの各部12,14,16,18,20,22,24は、CPU(Central Processing Unit)がROMからプログラムを読み出すことによって実行されてもよいし、FPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等の集積回路によって実行されてもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the
信号取得部12は、処理すべき信号として音楽等の音声データを取得する。
The
モノラル変換部14は、信号取得部12で取得した音声データをモノラルの波形信号へ変換する。
The
無音区間除去部16は、モノラルへ変換された波形信号から無音区間を検出して除去する。無音区間とは、取得した音声データにおいて所定時間に亘って無音の状態が続く区間のことである。無音区間除去部16は、波形信号の大きさが無音判定閾値(例えば−60dB)以下の区間が例えば3秒続いた場合に無音区間と判定して除去する。
The silent
パルス生成部18は、波形信号のゼロクロスの時刻と同期したパルス列を生成する。
The
パルス区間縮小部20は、生成されたパルス列から、パルス間隔が大きい区間を検出して所定の間隔まで縮小させる。パルス区間縮小部20は、例えば20ms以上のパルス間隔を20msまで縮小させる。
The pulse
一般的な音楽データから生成されたパルス列では、パルス間隔が1ms以下となる密な区間も多いため、パルス間引き調整部22は、密な区間において例えば10パルスで1パルスになるようパルスの間引きを行う。
Since there are many dense sections in which the pulse interval is 1 ms or less in the pulse train generated from general music data, the pulse thinning
このようにして適度な間隔に調整されたパルス列はパルス伝搬シミュレーション部24へ入力される。パルス伝搬シミュレーション部24は、パルス列の各パルスが例えばヤリイカの巨大神経軸索上を伝搬していく際の各パルス間隔の変化をシミュレートして出力するものであり、具体的には、まずヤリイカの巨大神経軸索等からパルス伝搬モデルを作成し、このパルス伝搬モデルを用いてパルスが所定の総距離Xだけ伝搬される際に要する時間を遅延時間として元のパルスの時刻に加算し更新することにより、入力されたパルス列の各パルス間隔を順次調整するものである。
The pulse trains adjusted at appropriate intervals in this way are input to the pulse
図2は、パルス伝搬シミュレーション部24でパルス列の各々のパルスに対して順次実行される計算フローチャートである。ステップS1においてパルス伝搬シミュレーション部24は、時刻更新すべきパルス(以下、最後行パルスとも記す。)の時刻tiと、該最後行パルスに先行する少なくとも2つ(図2では3つ)のパルス(以下、先行パルスとも記す。)の時刻・・・ti−3,ti−2,ti−1とを読み込む。図2は、最後行パルスの時刻tiと3つの先行パルスの時刻ti−3,ti−2,ti−1とを読み込む例を示しているが、最後行パルスの時刻tiと2つの先行パルスの時刻ti−2,ti−1とを読み込むものでもよく、後行パルスの時刻tiと4つ以上の先行パルスの時刻・・・ti−4,ti−3,ti−2,ti−1とを読み込むものでもよい。
FIG. 2 is a calculation flowchart in which the pulse
ステップS2では、パルス伝搬シミュレーション部24は、読み込んだ時刻・・・ti−3,ti−2,ti−1,tiから各パルス間隔・・・τi−2,τi−1,τiを計算する。図3は、最後行パルスおよび3つの先行パルスから3つのパルス間隔を求める場合を示した模式図である。パルス間隔・・・τi−2,τi−1,τiは後行のパルスの時刻から先行のパルスの時刻を引くことで求める(例えば、τi=ti−ti−1)。
In step S2, the pulse
ステップS3では、パルス伝搬シミュレーション部24は、ステップS1で読み込んだパルスから平均周波数fiを計算する。実施形態では、次式のように、パルス間隔τi−2,τi−1,τiの逆数値に、神経疲労の時系列履歴の深さに応じて一定割合aで減少する係数を掛けて線形結合し、加重平均周波数fiを計算する。
fi ={1/τi+ a (1/τi−1) + a2 (1/τi−2) + ・・・}/(1 + a + a2 + ・・・)
なお、aは0より大きくかつ1未満の任意の数であり、例えばa=1/e=約0.367とすることができる。eは自然対数の底である。aとして、1/eより大きな数値(例えば0.4、0.5、0.6等)や小さな数値(0.3、0.2、0.1等)を採用してもよい。
In step S3, the pulse
f i = {1 / τ i + a (1 / τ i-1 ) + a 2 (1 / τ i-2 ) + ・ ・ ・} / (1 + a + a 2 + ・ ・ ・)
Note that a is an arbitrary number greater than 0 and less than 1, and can be, for example, a = 1 / e = about 0.367. e is the base of the natural logarithm. As a, a numerical value larger than 1 / e (for example, 0.4, 0.5, 0.6, etc.) or a numerical value smaller than 1 / e (0.3, 0.2, 0.1, etc.) may be adopted.
続くステップS4では、ステップS2で求めた加重平均周波数fiのパルスが神経軸索上を伝搬する際の伝搬速度viに変換する。図4は、実在するヤリイカの巨大神経軸索から計測された値からモデル化した、パルスの周波数と伝搬速度との変換モデルである。このグラフのように、このモデルでは、周波数が一定値bを超える密なパルスは神経軸索上を伝搬されず、消滅する。また、周波数が一定値cを下回る疎なパルスは最大速度v(c)で伝搬される。そして、一定値c以上一定値b以下の中間周波数のパルスは周波数の増大に連れて伝搬速度が線形に減少する関係になる。したがって、ステップS4において、加重平均周波数fiが一定値bを超える場合には、ステップS5で時刻tiのパルスを除去した後、ステップS1に戻り、次のパルスの時刻ti+1と、これに先行するパルスの時刻とti−3,ti−2,ti−1を読み込み、当該次のパルスに係るパルス間隔と先行するパルス間隔とから加重平均周波数fiを計算し、図4のモデルから加重平均周波数fi+1を伝搬速度vi+1に変換する。 In step S4, it converts the propagation velocity v i when the pulse of the weighted mean frequency f i obtained in step S2 is propagating on nerve axons. FIG. 4 is a conversion model between the pulse frequency and the propagation velocity, which is modeled from the values measured from the giant squid giant nerve axons. As shown in this graph, in this model, dense pulses whose frequency exceeds a certain value b are not propagated on the nerve axon and disappear. Further, a sparse pulse whose frequency is below a certain value c is propagated at the maximum velocity v (c). Then, a pulse having an intermediate frequency of a constant value c or more and a constant value b or less has a relationship in which the propagation velocity linearly decreases as the frequency increases. Therefore, in step S4, when the weighted mean frequency f i exceeds a predetermined value b, after removal of the pulse at time t i in step S5, the process returns to step S1, a time t i + 1 of the next pulse, to time of the preceding pulse and t i-3, reads the t i-2, t i- 1, calculates the weighted mean frequency f i and a pulse interval and the preceding pulse interval according to the following pulse, of Fig. 4 converting the weighted mean frequency f i + 1 to the propagation velocity v i + 1 from the model.
ステップS6では、ステップS4で求めた伝搬速度viから、最後行パルスが神経軸索上を微小距離Δx伝搬されるのに要する時間Δtiを計算する。微小距離Δxは、上記総距離Xを任意の自然数で除算した値とすることができる。一例として、総距離Xが0.5m、ステップS2〜ステップS8の繰り返し回数を10回すると、微小距離Δxは0.05mとなる。 In step S6, the propagation velocity v i obtained in step S4, the last row pulse to calculate the time Delta] t i required on nerve axons to being small distance Δx propagation. The minute distance Δx can be a value obtained by dividing the total distance X by an arbitrary natural number. As an example, when the total distance X is 0.5 m and the number of repetitions of steps S2 to S8 is 10 times, the minute distance Δx becomes 0.05 m.
ステップS7では、最後行パルスの時刻tiにステップS6で求めた時間Δtiを加算することで最後行パルスの新たな時刻tiを求める。 In step S7, determine a new time t i of the last row pulse by adding the time Delta] t i obtained in step S6 at time t i of the last row pulse.
つづくステップS8では、微小距離Δxの積算値が総距離Xに到達したか否かを判定し、「NO」の場合にはステップS2に戻り、上記新たな時刻tiを用いて同様の計算を繰り返し行う。一方、「YES」の場合には、ステップS9において、ステップS7で求めた新たな時刻tiで最後行パルスの当初の時刻tiを更新する。このように順次時刻更新され、パルス間隔の調整されたパルス列は、パルス整形回路や電力増幅回路を経て経皮装着用電極や磁気発生コイル等の生体刺激装置へ出力したり、図示しない記憶装置に記憶したりすることができる。 At the next step S8, it is determined whether the integrated value of a minute distance Δx reaches total distance X, the process returns to step S2, in the case of "NO", the same calculation using the new time t i Repeat. On the other hand, if "YES" in step S9, and updates the initial time t i of the last row pulse in the new time t i obtained in step S7. The pulse train whose time is sequentially updated in this way and whose pulse interval is adjusted is output to a biostimulator such as a percutaneous mounting electrode or a magnetic generation coil via a pulse shaping circuit or a power amplification circuit, or to a storage device (not shown). Can be memorized.
以上の処理系によれば、進行型フィルタであるパルス伝搬シミュレーション部24を進行するパルス(時刻tiのパルス)の等価的な伝搬速度は、直前に印加されたパルス(時刻ti−1のパルス)のみではなく、複数個先行するパルス(時刻ti−3,ti−2,ti−1のパルス)の進行に伴う疲労効果を加重平均周波数fiというパラメータで表現することができ、このパラメータを適切に調節することで、出力パルス列のパワースペクトルを目的に合った形にデザインすることが可能になり、例えば音楽から抽出したパルス列が例えば1/f様特性から逸脱していた場合にもその逸脱を修正した系列として生体刺激に用いることができる。図5(b)は、パルス伝搬シミュレーション部24に、ガウス分布を持つホワイトノイズを印加したときの出力部におけるパルス列のパワースペクトルを示したもので、加重平均周波数法によって、1/fと特性(点線)に近づいていることがわかる。
According to the above processing system, the equivalent propagation velocity of a pulse traveling the pulse
また、本実施形態の信号処理装置10にあっては、パルスが総距離Xだけ伝搬されるのに要する時間を求める処理を、微小距離Δxに分けて再帰的に複数回行うようにしたので、最後行パルスの時刻tiを更新するにあたり、最後行パルスの伝搬中に刻々と変化し得る速度を反映させることができ、出力パルス列のパワースペクトルを目的に合った形により近づけることができる。
Further, in the
また、本実施形態の信号処理装置10にあっては、平均周波数fiとして、最後行パルスと該最後行パルスに先行する少なくとも2つの先行パルスとから、先行するパルスほど重み付けを減少させて算出した加重平均周波数fiを用いることで、先行するパルス程、神経疲労に伴う最後行パルスへの伝搬遅延の影響が小さくなる現象を反映させることができ、出力パルス列のパワースペクトルを目的に合った形により近づけることができる。
Further, in the
さらに、本実施形態の信号処理装置10にあっては、最後行パルスに係る平均周波数fiが所定値bを超える場合には、該最後行パルスはパルス列から消去されるよう構成されているので、短い時間間隔をおいて二つの電流パルスが神経軸索に与えられた場合(周波数が高い場合)に、活動電位が励起されなくなる現象を反映させることができ、出力パルス列のパワースペクトルを目的に合った形により近づけることができる。
Further, in the
図6は、ガウス分布により生成したパルス列と実際の音楽データ(NATプロジェクトPR動画前奏曲)から生成したパルス列とを実施形態の信号処理装置10で処理する前後の周波数特性を示した図であり、図6(a)は、平均パルス間隔8ms、パルス間隔の標準偏差2msによって生成された初期パルスの周波数特性であり、ほぼホワイトノイズに近い特性を示している。一方図6(c)は、前述した音楽データの冒頭部におけるゼロクロスパルスを、10回ごとのパルスに間引きして抽出した初期パルス列の周波数特性であり、ホワイトノイズよりも少し傾きをもったパルス列である。
FIG. 6 is a diagram showing frequency characteristics before and after processing the pulse train generated by the Gaussian distribution and the pulse train generated from the actual music data (NAT project PR moving image prelude) by the
これらの初期特性に差を持った図6(a),(c)のパルス列をヤリイカの巨大神経軸索のパルス伝搬特性をモデルとした、伝搬フィルタとしてのパルス伝搬シミュレーション部24に通すとそれぞれ図6(b),(d)のように特性が変化する。パルス伝搬シミュレーション部24において、加重平均周波数fiは、最後行パルスに係るパルス間隔τiと、この1つ前のパルス間隔τi−1とを用い、fi={1/τi + a (1/τi−1)}/(1+a)から求めた。ここで、a=1/e=0.367とし、サンプルの除去は図4に示した最大周波数b(約260Hz)を超えるサンプルとした。またパルスが伝搬する総距離Xを0.5m、微小距離Δxを0.05mとし、図2の計算フローチャートのステップS2〜S8を繰り返し10回行ってパルスの時刻更新を行った。このようなパルス伝搬シミュレーション部24を通した結果、図6(b),(d)に示すように、周波数とパワーの逆数の比がほぼ1となり、元のパルスが1/f特性から乖離していても1/f特性を生み出すことを可能にした。また参考程度に図7に図6に対応したパルス間隔の時系列のデータの一部を示す。
The pulse trains of FIGS. 6 (a) and 6 (c) having differences in these initial characteristics are passed through the pulse
図8は、ガウス分布により生成したパルス列(平均パルス間隔8ms、パルス間隔の標準偏差2ms)のパルス時刻更新処理にあたり、加重平均周波数fiを求める際の平均する周波数(パルス間隔の逆数)の項数を変化させた場合の1000回分の処理結果の平均を示した図であり、図8(a)は、更新すべき最後行パルスの2つ前までのパルスを用いて加重平均周波数fiを求め、パルス時刻更新処理を行った場合の周波数特性を示しており、図8(b)は、更新すべき最後行パルスの3つ前までのパルスを用いて加重平均周波数fiを求め、パルス時刻更新処理を行った場合の周波数特性を示している。更新すべき最後行パルスの2つ前までのパルスから得られた加重平均周波数fiを用いた場合には、図8(a)から分かるようにパルス列のパワースペクトルが1/fに近い特性となっているものの高周波の領域でその特性が失われているのに対し、更新すべき最後行パルスの3つ前までのパルスから得られた加重平均周波数fiを用いた場合には、図8(b)から分かるように高周波の領域を含めてより1/f特性に近いパワースペクトルが得られている。
Figure 8 is a section of the pulse train generated by Gaussian Upon pulse time update process (average pulse interval 8 ms, the standard deviation 2ms pulse interval), (reciprocal of the pulse spacing) average frequency for obtaining the weighted mean frequency f i a view showing the average of 1000 times the processing result obtained by changing the number, FIG. 8 (a), the weighted mean frequency f i by using a pulse of up to two before the last line pulse to be updated calculated shows the frequency characteristic in the case of performing pulse time update process, FIG. 8 (b), obtains a weighted mean frequency f i by using a pulse of up to three before the last line pulse to be updated, the pulse The frequency characteristics when the time update processing is performed are shown. In the case of using the weighted mean frequency f i obtained from the pulse up to two before the last line pulse to be updated, a characteristic close to the
以上図示例に基づき本発明を説明したが、本発明は実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載内で変更、修正、追加が可能である。 Although the present invention has been described above based on the illustrated examples, the present invention is not limited to the embodiments, and changes, modifications, and additions can be made within the scope of the claims .
かくしてこの発明の信号処理装置によれば、入力信号から得られるパルス列の周波数ゆらぎのパワースペクトルが希望する特性から大幅に逸脱した場合に、パワースペクトル特性を好ましい形になるように補正することが可能である。 Thus, according to the signal processing apparatus of the present invention, when the power spectrum of the frequency fluctuation of the pulse train obtained from the input signal deviates significantly from the desired characteristic, the power spectrum characteristic can be corrected to a preferable shape. Is.
10 信号処理装置
12 信号取得部
14 モノラル変換部
16 無音区間除去部
18 パルス生成部
20 パルス区間縮小部
22 パルス間引き調整部
24 パルス伝搬シミュレーション部
10
Claims (4)
前記パルス列内の時系列的に隣接する少なくとも3つのパルスにおいて、最後行パルスと該最後行パルスに先行する少なくとも2つの先行パルスとから、先行するパルスほど重み付けを減少させて算出された加重平均周波数である平均周波数を算出し、神経軸索上を伝搬するパルスをシミュレートした所定のパルス伝搬モデルにおける平均周波数と伝播速度との関係を用いて、算出された前記平均周波数を伝播速度に変換し、前記パルス伝搬モデルをパルスが該伝播速度で所定距離だけ伝搬される際に要する時間を遅延時間として求める処理を行い、該遅延時間を前記最後行パルスの時刻に加算することにより前記最後行パルスの時刻を更新するよう構成されていることを特徴とする信号処理装置。 The pulse interval of the pulse train obtained from the music input signal is sequentially updated in chronological order, the power spectrum of the pulse train is corrected as a pulse train having characteristics close to 1 / f, and the corrected pulse signal is output for the biostimulator. It is a signal processing device that
In at least three pulses that are adjacent in time series in the pulse train, the weighted average frequency is calculated by reducing the weight of the leading pulse from the last row pulse and at least two leading pulses preceding the last row pulse. The average frequency is calculated, and the calculated average frequency is converted into the propagation speed by using the relationship between the average frequency and the propagation speed in a predetermined pulse propagation model that simulates a pulse propagating on the nerve axon. performs processing for obtaining the time required for the pulse propagation model when a pulse is propagated by a predetermined distance in the propagation velocity as the delay time, the last by the Turkey be added to the delay time at the time of the last row pulse A signal processing device characterized in that it is configured to update the time of a row pulse.
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