背景 BCI (Brain Computer Interface) α波阻止(α波ブロック) システム

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背景
脳波のアルファ波帯域に着目
したBrain Computer Interface
„
„
堀
潤一*
徳武 篤志‡
潤一*†
篤志‡
斉藤 義明*
宮川 道夫*
義明*
道夫*†
*新潟大学工学部
†新潟大学超域研究機構
‡新潟大学大学院自然科学研究科
コミュニケーションは人が基本的な生活
を行う上で必須のもの
末期ALS（筋萎縮性側索硬化症）など神経性
難病者のためのインタフェースとして
脳波(EEG)
脳波(EEG)を用いたインタフェース
（BCI: Brain Computer Interface）
点 け !!
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BCI (Brain Computer Interface)
運動関連脳電位を用いたBCI（Ide, 2001）
„
視覚誘発脳波P300を用いたBCI（Yamada, 1996）
„
„
左右掌握運動時の脳波
„
„
視覚刺激を提示し,目的の文字を選択
„
8～13Hzの周波数帯域
β波に比べて振幅が大きい
安静時（リラックス状態）に出現
興奮時にα波は周期性を失う⇒α波阻止
β波を用いたBCI（MCTOS）
„
→
→
額の3点で脳波を検出
リラックス時（α波）
刺激提示の待ち時間が必要
背景雑音の影響を受け易い
„
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システム概要
„
„
多チャンネル信号処理
フィルタ処理
瞬目・雑音除去
!!
α波帯域に着目したBCIの開発
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フィルタ処理
頭部に貼付した多チャンネル電極から脳波を検出
周波数特性，空間分布を考慮し特徴抽出
ムッ
興奮時（β波）
ON!
原波形
8-13Hz
BPF
絶対値処理
amplitude [μV]
„
α波阻止(α波ブロック)
„
„
ON!
包絡処理
出力
time [s]
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多チャンネル信号処理
評価方法
電極情報を組合せることにより,確度の向上を図る
„
„
„
チャンネル1
„
出力
意思区間
論理積
意思状態を意図的に作成し，その際の脳波を記録
システムで，ON/OFFを検出
意思区間内に出力あり，意思区間外に出力なしを正出力
意思区間内
ON!!
意思区間外
トリガ信号
チャンネル2
出力
意思区間のみで出力
確度
正出力数
＝
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意思作成タスク
実験
„
検出条件：
„
„
„
自動的な
イメージ
他動的な
イメージ
a
a.
b
c
円筒形のものを見て「動け」とイメージ
b.
点滅灯に伴い消えたら「点け」とイメージ
c.
点滅灯に伴い点灯したらボタンを押すイメージ
d.
被験者が自発的にボタン押す動作
e.
閉眼状態で被験者が自発的にボタン押す動作
„
5次バンドパスフィルタ：8～13Hz
包絡区間長： 0.5s
組合せ数：2～4チャンネル
組合せ：論理積，論理和，排他的論理和
電極配置（国際10-20法）
意思タスク
„
„
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回数：各50回
意思区間内：5秒以内，意思区間外：5秒以上でランダム
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周波数スペクトル
eye blink
detected
α-wave
blocking
電極
F4
„
„
脳波計：日本光電EEG-1100
サンプリング周波数 : 1kHz
被験者：２0歳代健常男性5名
座位開眼安静状態
処理条件
„
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Fz
„
„
„
検出波形(移動) intention
×100[%]
全合図回数
組合せ数：2～4チャンネル
組合せ ：論理積，論理和，排他的論理和
比較
O1
O2
0
eye blink
10 20 30
40 50
Hz
意思区間外
trigger
10 [μV]
5 [Sec]
0
10 20 30
40 50
Hz
意思区間内
α波[8～13Ｈｚ] ，β波[30～50Ｈｚ]付近で変化
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包絡区間長による確度
タスクb(点灯イメージ)，α波の場合
100%
90%
80%
70%
60%
50%
タスクｂ（点灯イメージ），α波の場合
100%
84%
80%
74%
84%
1電極
2電極
3電極
抱絡区間長
90%
確度
確度
電極数と電極配置
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4電極
0.1秒
0.2秒
0.3秒
0.4秒
0.5秒
80%
70%
60%
50%
O1⊕ P4
C4
C4・P4+O1
単一電極
C4・P4+O1・O2
2電極
3電極
電極数
電極数の増加に伴い確度向上
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タスクによる確度の変化
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被験者による違い・再現性
1電極
2電極
3電極
4電極
被験者A
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
1電極
電極数
α波帯域の場合
„
„
確度
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
2電極
3電極
4電極
電極数
1電極
β波帯域の場合
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a
„
タスクによりα波阻止が起こる区間が変化
„
„
„
„
„
„
„
最適電極配置による精度，操作性の向上が必要．
„
他動的なイメージ（動く,点く等）
：意思区間内で起こる
自動的なイメージ（ボタンを押す等）：意思区間外で起こる
伝達意思の種類の検討が必要
イメージと動作，開眼時と閉眼時でほぼ同じ現象
評価
„
開発システムの客観的評価法（確度）の検討
1電極
2電極
aⅡ
aⅢ
b
bⅡ
3電極
4電極
電極数
bⅢ
ｃ
ｄ
a
ｂ
ｃ
cⅡ
ｄ
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まとめ
脳波のα波帯域を考慮した多チャンネル組合
せ処理により，BCI構築を試みた．
実験の結果
„
„
„
タスクc，d，eがほぼ同じ結果
„
4電極
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考察
電極数を増加させることにより確度が向上．
3電極
α波の場合
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„
2電極
電極数
α波では，タスクa，b →確度の向上 c，d，e →確度の低下
α波の方がβ波より50％から離れる
タスクc，d，eでほぼ同じ結果
„
被験者B
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
確度
確度
確度
（包絡区間長0.4秒）
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
4電極
„
„
周波数帯域は8～13Ｈｚが有効
組合せ数に伴う確度の向上が見られた
他動的タスクと自動的タスクに違いが見られた
最高確度88.7％が得られ，システムとして有用
今後の課題
„
„
使用電極の限定
解析システムの改善
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