JP5852331B2 - Data processing apparatus and program - Google Patents
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Description
本発明は、データ処理装置、及びプログラムに係り、特にノイズの影響除去に関する。 The present invention relates to a data processing apparatus and a program, and more particularly to noise removal.
脳磁計(MEG)等、微小信号を計測する装置では、外来の種々のノイズに信号が埋もれてしまうため、ノイズの除去が課題となっている。かかるノイズ除去の一手法として、従来より、複数回の測定結果を加算平均する方法が知られている。また特許文献1には、脳磁場信号に対して、心拍の発生時刻に同期させて加算平均を取ることにより、心磁によるノイズ信号を抽出する技術が開示されている。
In devices that measure minute signals, such as a magnetoencephalograph (MEG), the signals are buried in various external noises, and thus noise removal is an issue. As a method for removing such noise, a method of averaging a plurality of measurement results has been conventionally known.
しかしながら、上記加算平均を用いるノイズの除去方法では、測定回数をなるべく多くしなければならない。ところが測定の対象によっては多数回の測定が困難である場合もある。また脳磁計等の場合、測定回数を増大させるほど被験者の負担が大きくなってしまう。 However, in the noise removal method using the above-described average, the number of measurements must be increased as much as possible. However, depending on the object of measurement, it may be difficult to perform multiple measurements. In the case of a magnetoencephalograph or the like, the burden on the subject increases as the number of measurements increases.
本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、単一の測定結果からでも信号の推定を可能とするデータ処理装置を提供することを、その目的の一つとする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a data processing apparatus that can estimate a signal even from a single measurement result.
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、データ処理装置であって、測定されたデータを受け入れる受入手段と、少なくとも一つのノイズパラメータを含み、ノイズを模式的に表すノイズ演算式について、過去に得られたデータを用いて定められる基準に基づいて、前記ノイズパラメータを決定する手段と、前記測定されたデータに含まれる信号を模式的に表す信号演算式であって、少なくとも一つの信号パラメータを含む信号演算式と、前記受入手段が受け入れる測定されたデータと、前記ノイズ演算式とに基づいて、前記信号パラメータを推定する推定手段と、前記推定された信号パラメータと、前記信号演算式とを用いて、測定されたデータに含まれる信号の推定結果を生成し、出力する手段と、を含むこととしたものである。 The present invention for solving the problems of the above-described conventional example is a data processing apparatus, including a receiving means for receiving measured data, and a noise calculation expression that includes at least one noise parameter and schematically represents noise. A means for determining the noise parameter based on a criterion determined using data obtained in the past, and a signal arithmetic expression schematically representing a signal included in the measured data, wherein at least one An estimation means for estimating the signal parameter based on a signal calculation formula including a signal parameter, measured data received by the receiving means, and the noise calculation formula, the estimated signal parameter, and the signal calculation And a means for generating and outputting an estimation result of a signal included in the measured data using the equation.
本発明によれば、ノイズ及び信号を、パラメータを含んだ模式的な演算式として表現し、そのパラメータを推定するようにしたことで、単一の測定結果からでも信号の推定を可能とした。 According to the present invention, noise and a signal are expressed as a schematic arithmetic expression including a parameter, and the parameter is estimated, so that the signal can be estimated even from a single measurement result.
本発明の実施の形態に係るデータ処理装置を図面を参照しつつ説明する。本実施の形態のデータ処理装置1は、図1に例示するように、制御部11、記憶部12、操作部13、出力部14、及び入力インタフェース部15を含んで構成される。以下では、具体的に、脳磁計(MEG)の出力するデータ(時間変化する一連のデータ)を入力インタフェース部15を介して受け入れる例について説明するが、本実施の形態のデータ処理装置1は、脳磁計のデータを処理するものに限られない。
A data processing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As illustrated in FIG. 1, the
脳磁計のデータには、被験者のいない状態で脳磁計が出力するデータ(ノイズのみのデータ)と、被験者が安静な状態にあるときに脳磁計が出力するデータ(外的刺激を受けていない状態:安静時データと呼ぶ)と、被験者に対して外的刺激を与えたときに脳磁計が出力するデータ(ノイズ、自発脳磁場及び、刺激による誘発脳磁場が累算されたデータ:刺激時データと呼ぶ)とがある。 The magnetoencephalographic data includes the data output by the magnetoencephalograph in the absence of the subject (noise-only data) and the data output by the magnetoencephalograph when the subject is in a resting state (in the absence of external stimulation) : Data called resting data) and data output by the magnetoencephalograph when an external stimulus is given to the subject (data in which noise, spontaneous brain magnetic field, and brain magnetic field induced by stimulation are accumulated: data during stimulation Called).
制御部11は、CPU(Central Processing Unit)等のプログラム制御デバイスであり、記憶部12に格納されたプログラムに従って動作する。この制御部11は、入力インタフェース部15から入力される、外部の測定装置(ここでは例えば脳磁計とする)により測定されたデータを受け入れる。また、この制御部11は、少なくとも一つのノイズパラメータを含み、ノイズを模式的に表すノイズ演算式について、過去に得られたデータを用いて定められる基準に基づいて、ノイズパラメータを決定する。
The
さらに制御部11は、測定されたデータに含まれる信号を模式的に表す信号演算式であって、少なくとも一つの信号パラメータを含む信号演算式と、測定されたデータと、ノイズ演算式とに基づいて、信号パラメータを推定し、当該推定した信号パラメータと、信号演算式とを用いて、測定されたデータに含まれる信号の推定結果を生成し、出力する。この制御部11の詳しい処理の内容は後に説明する。
Further, the
記憶部12は、メモリデバイス等であり、制御部11によって実行されるプログラムを保持している。このプログラムは、例えばDVD−ROM(Digital Versatile Disc Read Only Memory)等のコンピュータ可読な記録媒体に格納されて提供され、この記憶部12に複写されたものであってもよい。また、この記憶部12は制御部11のワークメモリとしても動作する。
The
操作部13は、キーボードやマウスなどを含み、利用者の指示操作を受け入れて、制御部11に当該指示操作の内容を出力する。出力部14は、ディスプレイや、プリンタ、ネットワークインタフェース等であり、制御部11から入力される指示に従って、情報を出力する。
The
入力インタフェース部15は、USB(Universal Serial Bus)やパラレルポート等のデータの入力を受け入れるデバイスであり、ここでの例では脳磁計に接続されて、脳磁計が出力するデータを受け入れ、当該受け入れたデータを制御部11に出力する。
The
本実施の形態では、脳磁計から入力されるデータは時々刻々と変化する(時間変化する)。そして時刻tにおけるデータmtが、測定の対象たる信号stとノイズとの和により表現されているものとする。すなわち、
ノイズの各成分は、具体的に次のような形の演算式で表されるものとする。ベースラインドリフト成分τtの時間発展を、平滑化事前分布を用いた確率的トレンドモデルを採用し、
ここでvτ ,tはトレンドの変化を起こす外乱であり、平均ゼロ分散στのガウス分布と仮定しておく。なお、この(2)式、及び以下の説明において時刻t+jは、tから予め定めた単位時間(例えばTとする)を用いてj×Tだけ後の時刻を意味するものである。 Here, v τ, t is a disturbance that causes a trend change, and is assumed to be a Gaussian distribution with an average zero variance σ τ . In the expression (2) and the following description, time t + j means time after j × T using a predetermined unit time (eg, T) from t.
さらに(1)式におけるqtの時間発展を、サンプリング周波数と交流周波数とから決まる自己回帰モデル(ARモデル)を用いて、
ここでも同様に、vq ,tは平均ゼロ分散σqのガウス分布と仮定する。またΔTはサンプリング周波数と交流電源の周波数から決定される、離散化された周期を表す。 Here again, v q, t is assumed to be a Gaussian distribution with mean zero variance σ q . ΔT represents a discretized period determined from the sampling frequency and the frequency of the AC power supply.
定常ノイズ成分etの時間発展は次数lのARモデルを仮定する。すなわち、
これにおいても、ve ,tは平均ゼロ分散σeのガウス分布と仮定する。モデル化誤差成分ntは、平均ゼロ分散σnのガウス分布と仮定しておく。 Again, it is assumed that v e, t is a Gaussian distribution with mean zero variance σ e . The modeling error component n t is assumed to be a Gaussian distribution with a mean zero variance σ n .
本実施の形態の制御部11は、ノイズ演算式として、(1)から(4)式の和、
本実施の形態の制御部11は、機能的には、図2に例示するように、データ記録部21、モデル学習部22、ノイズパラメータ管理部23、信号推定部24、及び信号出力部25を含んで構成される。ここにデータ記録部21は、入力インタフェース部15を介して受け入れられるデータを記憶部12に蓄積して保持する。本実施の形態では、このデータ記録部21は、操作部13から入力される指示に従い、受け入れたデータを、ノイズのみのデータ、ノイズと自発脳磁場とを含んだデータ、ノイズ、自発脳磁場、及び誘発脳磁場を含んだデータのいずれかに分類して記憶部12に格納する。
The
モデル学習部22は、データ記録部21によって記憶部12に蓄積されたデータを参照し、過去に得られたデータ(被験者のいない状態で得られたノイズのみのデータ)を用いて定められる基準に基づいて、(6)式のモデルパラメータθベクトルの成分(各ノイズパラメータ)を決定する。
The
具体的に、このモデル学習部22は、過去に得られたノイズのみの時系列のデータm1,m2,…,mtを記憶部12から読み出す。そしてベクトルθが与えられたときにデータがこの順に観測される確率p(m1,m2,…,mt|θ)を最大とするベクトルθを求める。すなわち、現実の観測変数mtを生成する真の確率モデルは未知であるものの、当該真の確率モデルを、近似的に(5)式で与えられるものとし、真の確率モデルと近似的なモデルとの擬距離であるKL(カルバック・ライブラー)ダイバージェンス(KL情報量)を最小とする(5)式のパラメータ(ベクトルθの成分)を求めることとするのである。
Specifically, the
例えば上記KL情報量を最小とする赤池情報量基準を用いてベクトルθを決定すればよい。このためモデル学習部22は、上記確率p(m1,m2,…,mt|θ)の対数log(p(m1,m2,…,mt|θ))を対数尤度とし、赤池情報量基準AICを、
AIC=−2×p(m1,m2,…,mt|θ)+2×N
として演算する。ここにNは自由に設定できるモデルパラメータの数を表し、ここではθの次元である、(l+4)となる。
For example, the vector θ may be determined using the Akaike information amount criterion that minimizes the KL information amount. Therefore, the
AIC = −2 × p (m 1 , m 2 ,..., M t | θ) + 2 × N
Calculate as Here, N represents the number of model parameters that can be freely set, and here is (l + 4), which is the dimension of θ.
モデル学習部22は、このAICの値を、複数の予め定めたθである値の組ごとに演算する。具体的にここで予め定めたθの値の組は、
a1,a2,…,al,στ,σq,σe,σn
で張られるベクトル空間上に設定された複数の格子点とすることができる。そして演算したAICの値が最小となるθを、上記複数の予め定めたθである値の組のうちから選択する。つまりモデル学習部22は、AICの値を最小とするベクトルθを、まずはグリッドサーチにより大域的に粗く探索する。
The
a 1 , a 2 ,..., a l , σ τ , σ q , σ e , σ n
A plurality of grid points set on the vector space spanned by. Then, the θ that minimizes the calculated AIC value is selected from the plurality of values that are the predetermined θ. That is, the
モデル学習部22は、さらにグリッドサーチにより求めたベクトルθ(θ0とする)を初期値として、非線形最適化により最適化されたベクトル
ここで非線形最適化の一例としては、上記対数尤度log(p(m1,m2,…,mt|θ))をカルマンフィルタにより求める方法がある。上記グリッドサーチにより求めたベクトルθ0を初期値として、対数尤度を最大とするベクトルθを、例えば最急降下法により予め定めた終了条件を満足するまで繰り返し逐次的に更新して求め、当該求めたθを、
ノイズパラメータ管理部23は、モデル学習部22が演算により求めた
本実施の形態の信号推定部24は、自発脳磁場推定部24aと、誘発脳磁場推定部24bとを含んで構成される。自発脳磁場推定部24aは、記憶部12に格納されている、ノイズと自発脳磁場とを含んだ安静時データ(安静状態にある被験者を測定した脳磁場のデータ)を読み出す。ここで自発脳磁場推定部24aは、自発脳磁場が
また、これらの成分の各々はいずれも、次の準周期振動モデルで表現されるものとする。 Each of these components is expressed by the following quasi-periodic vibration model.
以上より、自発脳磁場の成分を表すモデルパラメータであるθベクトルは、
自発脳磁場推定部24aは、記憶部12に格納されているノイズと自発脳磁場とを含んだ時系列の安静時データm1,m2,…,mtを記憶部12から読み出す。
Spontaneous brain magnetic
また自発脳磁場推定部24aは、ノイズパラメータ管理部23に対してノイズパラメータを要求し、この要求に応答してノイズパラメータ管理部23が出力するノイズパラメータと(5)式とを用いて、ノイズの時系列推定データν1,ν2,…を得る。自発脳磁場推定部24aは、ノイズと自発脳磁場とを含んだ時系列の安静時データm1,m2,…,mtのそれぞれ対応する時刻のデータからノイズの時系列推定データの対応する時刻のデータを差引きして、m′i=mi−νiを求め、ノイズがないと仮定される状態のデータ、m′1,m′2,…,m′tを得る。
The spontaneous brain magnetic
そして自発脳磁場推定部24aは、(10)式で表されるベクトルθpが与えられたときに安静時データが実際に測定された時系列順に観測される確率p(m′1,m′2,…,m′t|θp)を最大とするベクトルθpを求める。この場合も、現実の観測変数m′tを生成する真の確率モデルは未知であるものの、当該真の確率モデルを、近似的に(7)式で与えられるものとし、真の確率モデルと近似的なモデルとの擬距離であるKL(カルバック・ライブラー)ダイバージェンス(KL情報量)を最小とする(7)式のパラメータ((10)式のベクトルθpの成分)を求めることとするのである。
Then, the spontaneous brain magnetic
例えば上記KL情報量を最小とする赤池情報量基準を用いて(10)式のベクトルθを決定すればよい。このため自発脳磁場推定部24aは、上記確率p(m′1,m′2,…,m′t|θp)の対数log(p(m′1,m′2,…,m′t|θp))を対数尤度とし、赤池情報量基準AICを、
AIC=−2×p(m′1,m′2,…,m′t|θp)+2×N
として演算する。ここにNは自由に設定できるモデルパラメータの数を表し、ここでは(10)式のベクトルθpの次元である、6となる。
For example, the vector θ in equation (10) may be determined using the Akaike information amount criterion that minimizes the KL information amount. Therefore, the spontaneous brain
AIC = −2 × p (m ′ 1 , m ′ 2 ,..., M ′ t | θ p ) + 2 × N
Calculate as Here, N represents the number of model parameters that can be freely set, and here is 6, which is the dimension of the vector θ p in equation (10).
自発脳磁場推定部24aは、このAICの値を、複数の予め定めたθpである値の組ごとに演算する。具体的にここで予め定めたθpの値の組は、σω 2(ただしωはδ,θ,α,β,γl,γhのそれぞれをとる)で張られるベクトル空間上に設定された複数の格子点とすることができる。そして演算したAICの値が最小となるθの値の組を、上記複数の予め定めたθpとしての値の組のうちから選択する。つまり自発脳磁場推定部24aは、AICの値を最小とするベクトルθpを、まずはグリッドサーチにより大域的に粗く探索する。
The spontaneous brain magnetic
自発脳磁場推定部24aは、さらにグリッドサーチにより求めたベクトルθp(θp0とする)を初期値として、非線形最適化により最適化された自発脳磁場のモデルのためのパラメータのベクトル
ここで非線形最適化の一例としては、上記対数尤度log(p(m′1,m′2,…,m′t|θp))をカルマンフィルタにより求める方法がある。上記グリッドサーチにより求めたベクトルθp0を初期値として、対数尤度を最大とするベクトルθpを、例えば最急降下法により予め定めた終了条件を満足するまで繰り返し逐次的に更新して求め、当該求めたθpを、
自発脳磁場推定部24aは、こうして求めた
誘発脳磁場推定部24bは、記憶部12に格納されている、ノイズと自発脳磁場とを含んだ刺激時データ(刺激を受けた状態にある被験者を測定した脳磁場のデータ)を読み出す。ここで誘発脳磁場推定部24bは、誘発脳磁場を次の2次の線型モデル
本実施の形態の誘発脳磁場推定部24bは、誘発脳磁場を、確率的入力を持つ2次の定常線形モデルとして(11)式で表現しておく。この(11)式においてモデルパラメータはシステム入力強度と、システム入力に対するモデルの応答を決めるシステムパラメータb1,b2である。
The induced cerebral magnetic
ここでは単一の線型モデルのインパルス応答で誘発脳磁場を近似できるものとして、この刺激(システム入力)の確率分布を次のようにして与える。すなわち、誘発脳磁場推定部24bは、システムパラメータとしてb1,b2をもつシステムのインパルス応答hの時系列h1,h2,…と、得られている刺激時データm1,m2,…との相互相関関数を求める。そして誘発脳磁場推定部24bは、刺激の確率分布が、上記相互相関の絶対値が最大となる時間的ラグt(誘発脳磁場が現れる時刻t)を中心とする二項分布
B(2t,0.5)
であるとする。ここでは時間が離散化されているので二項分布とした。また、入力強度はラグtでの相互相関関数の値を平均値Iとするガウス分布
N(I,σI 2)
としておく。
Here, assuming that the evoked brain magnetic field can be approximated by an impulse response of a single linear model, the probability distribution of this stimulus (system input) is given as follows. That is, the evoked cerebral magnetic
Suppose that Here, since time is discretized, a binomial distribution is adopted. The input intensity is a Gaussian distribution N (I, σ I 2 ) with the average value I being the value of the cross-correlation function at lag t.
Keep it as
誘発脳磁場推定部24bは、ノイズパラメータ管理部23に対してノイズパラメータを要求し、この要求に応答してノイズパラメータ管理部23が出力するノイズパラメータと(5)式とを用いて、ノイズの時系列推定データν1,ν2,…を得る。誘発脳磁場推定部24bは、また自発脳磁場推定部24aから入力される自発脳磁場に関するパラメータと(7)式とを用いて、自発脳磁場の時系列推定データg1,g2,…を得る。そして誘発脳磁場推定部24bは、刺激時データm1,m2,…,mtのそれぞれ対応する時刻のデータから、ノイズの時系列推定データの対応する時刻のデータ及び、自発脳磁場の時系列推定データの対応する時刻のデータを差引きして、m″i=mi−νi−giを求め、ノイズ及び自発脳磁場がないと仮定される状態のデータ、m″1,m″2,…,m″tを得る。
The evoked brain magnetic
(11)式では、モデルから直接にデータが得られるものではないので、上述のように刺激の確率分布を、ガウス分布を用いた演算式(これには上記パラメータb1,b2が含まれる)で表現しておき、この演算式における時刻tでの期待値μ(t)と分散σ2とを用いた確率差分方程式により、刺激に対する推定される誘発脳磁場の時刻tでの信号st及び時刻t−1での信号st-1を、その成分に含む状態ベクトルxの時間発展の演算式を得ておく。 In the equation (11), data cannot be obtained directly from the model. Therefore, as described above, the stimulus probability distribution is expressed by an arithmetic expression using the Gaussian distribution (this includes the parameters b 1 and b 2 ). ), And the signal s t at the time t of the evoked cerebral magnetic field estimated with respect to the stimulus is obtained by the stochastic difference equation using the expected value μ (t) at the time t and the variance σ 2 in this arithmetic expression. and a signal s t-1 at time t-1, previously obtained the time evolution of the computing equation of the state vector x includes in its components.
この演算式は、時刻t,t−1において推定される誘発脳磁場stから、時刻t+1において推定される誘発脳磁場st+1が得られる時間発展の確率(運動のモデル)p(st+1|st,st-1)を表す。 This arithmetic expression expresses the probability of time evolution (model of motion) p (s) from which the evoked brain magnetic field s t + 1 estimated at time t + 1 is obtained from the evoked brain magnetic field s t estimated at times t and t−1. t + 1 | s t , s t-1 ).
誘発脳磁場推定部24bは、システムパラメータb1,b2を用いて表される信号st,st-1を成分として含む状態ベクトルxtについて、初期状態p(x0)(これは誘発脳磁場が発生していないものとして既知である)と、上記時間発展の確率とを用いて、時刻tで観測されるデータがm″tであったとき、状態ベクトルがxtである確率p(xt|m″t)を演算する。本実施の形態の誘発脳磁場推定部24bは、この確率p(xt|m″t)を、次のように求める。
The evoked cerebral magnetic
すなわち、ベイズの定理より、
この(16)式は、時刻tで観測されるデータがm″tであったとき、状態ベクトルがxtである確率密度p(xt|m″t)が、観測のモデルp(m″t|xt)と、運動のモデルp(xt+1|xt)と、初期状態p(x0)とから推定できることを表す。 The equation (16), "When was t, probability state vector is x t density p (x t | m" data observed at time t is m t) is the model p observations (m " t | x t ), the motion model p (x t + 1 | x t ), and the initial state p (x 0 ).
誘発脳磁場推定部24bは、システムパラメータb1,b2を含むベクトルθsが与えられたときに確率p(xt|m″t)を最大にするベクトルθsを求める。具体的に誘発脳磁場推定部24bは、KL情報量を最小とする赤池情報量基準を用いてベクトルθsを決定する。このため誘発脳磁場推定部24bは、上記確率p(xt|m″t)の対数log(p(xt|m″t))を対数尤度とし、赤池情報量基準AICを、
AIC=−2×p(xt|m″t)+2×N
として演算する。ここにNは自由に設定できるモデルパラメータの数を表し、ここではθsの次元である、2となる。
The induced cerebral magnetic
AIC = −2 × p (x t | m ″ t ) + 2 × N
Calculate as Here, N represents the number of model parameters that can be freely set, and here is 2, which is the dimension of θs.
誘発脳磁場推定部24bは、このAICの値を、複数の予め定めたθsである値の組ごとに演算する。具体的にここで予め定めたθsの値の組は、
b1,b2
で張られるベクトル空間上に設定された複数の格子点とすることができる。そして演算したAICの値が最小となるθsを、上記複数の予め定めたθsとしての値の組のうちから選択する。つまり誘発脳磁場推定部24bは、AICの値を最小とするベクトルθsを、まずはグリッドサーチにより大域的に粗く探索する。
The evoked brain magnetic
b 1 , b 2
A plurality of grid points set on the vector space spanned by. Then, θs that minimizes the calculated AIC value is selected from the plurality of predetermined value sets as θs. That is, the evoked cerebral magnetic
誘発脳磁場推定部24bは、さらにグリッドサーチにより求めたベクトルθs(θs0とする)を初期値として、非線形最適化により最適化されたベクトル
ここで非線形最適化の一例としては、上記対数尤度log(p(xt|m″t))をカルマンフィルタにより求める方法がある。上記グリッドサーチにより求めたベクトルθs0を初期値として、対数尤度を最大とするベクトルθsを、例えば最急降下法により予め定めた終了条件を満足するまで繰り返し逐次的に更新して求め、当該求めたθsを、
信号出力部25は、誘発脳磁場推定部24bが演算により得た
さらに本実施の形態の制御部11は、以上の演算を、複数のセンサ(脳磁計の場合はSQUIDs)から得られた各データについて行い、センサごとに
そして制御部11は、複数のセンサの各々に対応して得られたパラメータと(11)式とを用い、各センサの位置における誘発脳磁場の時間変化波形を演算し、等磁界線図を作成して出力してもよい。この等磁界線図の作成処理は広く知られているので、ここでの詳細な説明を省略する。
The
[モンテカルロ法による演算]
ところで制御部11における(16)式の演算では、右辺分母の積分(ベイズ推定における、事前確率と事後確率との積を被積分関数とする積分)が解析的な解が得られないので困難になる。そこで本実施の形態の制御部11は、複数の演算素子を含み、次のように演算を行うこととしてもよい。
[Calculation by Monte Carlo method]
By the way, the calculation of the expression (16) in the
ここで複数の演算素子は、CPUでなく、GPU(Graphics Processing Unit)等の演算素子を用いてもよい。このように複数の演算素子を利用できる場合、制御部11は、各演算素子に対し、積分範囲内からランダムにxtとxt-1との値を選択させ、当該ランダムに選択した積分変数の値(複数ある場合はそれぞれ積分範囲からランダムに選択する)を被積分関数に代入して得た被積分関数値を、並列的に演算させる。そして制御部11は、各演算素子で得られた複数の被積分関数値を累算してモンテカルロ法により積分を遂行する。
Here, the plurality of arithmetic elements may use arithmetic elements such as GPU (Graphics Processing Unit) instead of the CPU. When a plurality of arithmetic elements can be used in this way, the
[ノイズのみのデータを得るタイミング]
また、以上の説明において、ノイズパラメータの決定に用いた、ノイズのみのデータは、演算を行う時点より過去であれば、いつ得られたものであってもよかった。例えば刺激データを得る直前(刺激データを実際に測定する被験者が入る直前に、測定に先立って得られたデータ)であってもよいし、刺激データを測定した後、被験者が退席してから得られたデータであってもよい。
[Timing for obtaining noise-only data]
In the above description, the noise-only data used for the determination of the noise parameter may be obtained at any time as long as it is in the past from the time of calculation. For example, it may be immediately before obtaining stimulus data (data obtained prior to measurement immediately before a subject who actually measures stimulus data enters), or obtained after the subject leaves after measuring stimulus data. It may be the data obtained.
[自発脳磁場をベイズ推定で求める例]
ここまでの説明において、自発脳磁場推定部24aは、(10)式で表されるベクトルθが与えられたときに、安静時データが、測定された時系列順に観測される確率p(m′1,m′2,…,m′t|θ)を最大とするベクトルθを求めていた。しかしながら、本実施の形態はこれに限られない。
[Example of obtaining spontaneous brain magnetic field by Bayesian estimation]
In the description so far, the spontaneous brain magnetic
すなわち、自発脳磁場推定部24aは、時刻tでの状態ベクトルxtとして、時刻t以前の自発脳磁場を表すデータgt,gt-1,…と、時刻t以前の各ノイズを表すデータτt,qt,qt-1, …, qt-T+2, et, …, et-l+1,nt…とを含めた
xt=[τt,qt,qt-1, …, qt-T+2, et, …, et-l+1,nt,gt,gt-1,…]T
を生成する。なお、肩のTは、転置を表す。
That is, the spontaneous brain magnetic
x t = [τ t , q t , q t−1 ,…, q t−T + 2 , e t ,…, et l−l + 1 , n t , g t , g t−1 ,…] T
Is generated. The shoulder T represents transposition.
ここで、各ノイズのデータや自発脳磁場のデータを、時刻tよりどれだけ前のデータから含めるかは、ノイズによって異なり、それぞれ時刻t+1における対応するノイズを予測するに十分な数とする。これは採用するモデルによっても異なり、例えば自発脳磁場でいえば、gt一つだけの場合もあり得る。
Here, how much noise data and spontaneous brain magnetic field data are included from the data before the time t depends on the noise, and the number is sufficient to predict the corresponding noise at the
自発脳磁場推定部24aは、誘発脳磁場推定部24bが行う(16)式の演算と同様の演算により、(10)式のベクトルθが与えられたときに確率p(xt|m′t)を最大にするベクトルθを求める。具体的に自発脳磁場推定部24aは、KL情報量を最小とする赤池情報量基準を用いてベクトルθを決定する。このため自発脳磁場推定部24aは、上記確率p(xt|m′t)の対数log(p(xt|m′t))を対数尤度とし、赤池情報量基準AICを、
AIC=−2×p(xt|m′t)+2×N
として演算する。ここにNは自由に設定できるモデルパラメータの数を表し、ここではθの次元である、6となる。
The spontaneous brain
AIC = −2 × p (x t | m ′ t ) + 2 × N
Calculate as Here, N represents the number of model parameters that can be freely set, and here is 6 which is the dimension of θ.
そして自発脳磁場推定部24aは、このAICを最小とするθを、既に述べたグリッドサーチや非線形最適化を組み合わせた方法で見出すこととしてもよい。
The spontaneous brain magnetic
この際の(16)式の演算においても、モンテカルロ法による演算を行うことができる。 In this case, the calculation of the equation (16) can also be performed by the Monte Carlo method.
[自発脳磁場もベイズ推定に含める例]
さらに、ここまでの説明では、誘発脳磁場推定部24bは、自発脳磁場推定部24aから入力される自発脳磁場に関するパラメータと(7)式とを用いて、自発脳磁場の時系列推定データg1,g2,…を得て、刺激時データm1,m2,…,mtのそれぞれ対応する時刻のデータから、ノイズの時系列推定データの対応する時刻のデータ及び、自発脳磁場の時系列推定データの対応する時刻のデータを差引きして、m″i=mi−νi−giを求め、ノイズ及び自発脳磁場がないと仮定される状態のデータ、m″1,m″2,…,m″tを得ていた。
[Example of including spontaneous brain magnetic field in Bayesian estimation]
Further, in the description so far, the evoked brain magnetic
しかしながら本実施の形態はこれに限られない。すなわち誘発脳磁場推定部24bは、刺激時データm1,m2,…,mtのそれぞれ対応する時刻のデータから、ノイズの時系列推定データの対応する時刻のデータを差引きして、m″i=mi−νiを求め、ノイズがないと仮定される状態のデータ、m″1,m″2,…,m″tを得ておき、次のように処理を遂行してもよい。
However, the present embodiment is not limited to this. That evoked
この場合、誘発脳磁場推定部24bは、時刻tでの状態ベクトルxtに、時刻t以前の自発脳磁場を表すデータgt,gt-1,…を含めて、
xt=[st,st-1,gt,gt-1,…]T
とする。なお、肩のTは、転置を表す。
In this case, the induced cerebral magnetic
x t = [s t , s t-1 , g t , g t-1 , ...] T
And The shoulder T represents transposition.
ここで、自発脳磁場を時刻tよりどれだけ前のデータから含めるかは、gt+1を予測するに十分な数とする。これは採用するモデルによっても異なり、例えばgt一つだけの場合もあり得る。 Here, how much the spontaneous brain magnetic field is included from the data before time t is a number sufficient to predict g t + 1 . It also depends on the model adopted, there may be a case, for example, g t only one.
誘発脳磁場推定部24bが行う(16)式の演算は、このように状態ベクトルの成分が増えても、既に説明した方法と同様に行うことができ、従って誘発脳磁場推定部24bは、既に述べたと同様にして
[ノイズもベイズ推定に含める例]
さらに、ここまでの説明では、誘発脳磁場推定部24bは、自発脳磁場の時系列推定データg1,g2,…を得て、刺激時データm1,m2,…,mtのそれぞれ対応する時刻のデータから、ノイズの時系列推定データの対応する時刻のデータ及び、自発脳磁場の時系列推定データの対応する時刻のデータを差引きして、m″i=mi−νi−giを求め、ノイズ及び自発脳磁場がないと仮定される状態のデータ、m″1,m″2,…,m″tを得ていた。
[Example of including noise in Bayesian estimation]
Furthermore, in the description up to this point, evoked
しかしながら本実施の形態はこれに限られない。すなわち誘発脳磁場推定部24bは、刺激時データm1,m2,…,mtのそれぞれ対応する時刻のデータから、自発脳磁場の時系列推定データg1,g2,…の対応する時刻のデータを差引きして、m″i=mi−giを求め、自発脳磁場がないと仮定される状態のデータ、m″1,m″2,…,m″tを得ておき、次のように処理を遂行してもよい。
However, the present embodiment is not limited to this. That evoked
この場合、誘発脳磁場推定部24bは、時刻tでの状態ベクトルxtに、時刻t以前の各ノイズを表すデータτt,qt,qt-1, …, qt-T+2, et, …, et-l+1,nt…を含め、
xt=[st, st-1,τt,qt, qt-1, …, qt-T+2,et, …, et-l+1,nt]T
とする。なお、肩のTは、転置を表す。
In this case, the evoked cerebral magnetic
x t = [s t , s t-1 , τ t , q t , q t-1 ,…, q t-T + 2 , e t ,…, e t-l + 1 , n t ] T
And The shoulder T represents transposition.
ここで、各ノイズのデータを、時刻tよりどれだけ前のデータから含めるかは、ノイズによって異なり、それぞれ時刻t+1における対応するノイズを予測するに十分な数とする。これは採用するモデルによっても異なる。
Here, how much data of each noise is included from the data before time t depends on the noise, and is a number sufficient to predict the corresponding noise at
誘発脳磁場推定部24bが行う(16)式の演算は、このように状態ベクトルの成分が増えても、既に説明した方法と同様に行うことができ、従って誘発脳磁場推定部24bは、既に述べたと同様にして
[ノイズも自発脳磁場もベイズ推定に含める例]
さらに誘発脳磁場推定部24bは、刺激時データm1,m2,…,mtのそれぞれを、そのまま上記m″1,m″2,…,m″tとして、次のように処理を遂行してもよい。
[Example of including noise and spontaneous brain magnetic field in Bayesian estimation]
Further evoked
すなわち誘発脳磁場推定部24bは、時刻tでの状態ベクトルxtに、時刻t以前の各ノイズを表すデータτt,qt,qt-1, …, qt-T+2, et, …, et-l+1,nt…を含め、
xt=[st,st-1,τt,qt, qt-1, …, qt-T+2,et, …, et-l+1,nt,gt,gt-1,…]T
とする。なお、肩のTは、転置を表す。
That is, the evoked cerebral magnetic
x t = [s t, s t-1, τ t, q t, q t-1, ..., q t-T + 2, e t, ..., e t-l + 1, n t, g t, g t-1 , ...] T
And The shoulder T represents transposition.
ここで、各ノイズのデータを、時刻tよりどれだけ前のデータから含めるかは、ノイズによって異なり、それぞれ時刻t+1における対応するノイズを予測するに十分な数とする。これは採用するモデルによっても異なる。
Here, how much data of each noise is included from the data before time t depends on the noise, and is a number sufficient to predict the corresponding noise at
また誘発脳磁場推定部24bは、時刻t以前の自発脳磁場を表すデータgt,gt-1,…も時刻tでの状態ベクトルxtに含める。ここで、自発脳磁場を時刻tよりどれだけ前のデータから含めるかは、gt+1を予測するに十分な数とする。これは採用するモデルによっても異なり、例えばgt一つだけの場合もあり得る。
The induced brain magnetic
誘発脳磁場推定部24bが行う(16)式の演算は、このように状態ベクトルの成分が増えても、既に説明した方法と同様に行うことができ、従って誘発脳磁場推定部24bは、既に述べたと同様にして
[グリッドサーチにおけるARモデルの変数変換]
さらにここまでの説明では定常ノイズ成分etの時間発展を表すARモデルにおいては、安定性の条件が見にくいので、次の方法により繰り返し変数変換を行って、1次のARモデルに変換してもよい。
[AR model variable conversion in grid search]
In yet AR model representing the time evolution of the stationary noise component e t in the previous sections, the stability condition is hard to see, performs iteration variable converted by the following method, be converted into first-order AR model Good.
すなわち、L次のARモデルをL−1次のARモデルに変換する方法として、
[他のモデル]
なお、一般に活動部位や刺激の種類に応じて、誘発脳磁場モデルの入力の確率分布は異なると考えられるうえ、線形モデルに限らず非線形なモデルが適当な場合が想定される。また本実施の形態は脳磁計のデータに限らず、一般的な測定データの処理に用いることができるものである。そこで利用者がそれぞれの仮説に従い、測定対象となるデータのモデル(ここでの例では誘発脳磁場のモデル)の確率分布を作成してもよい。本実施の形態の処理は、種々の確率分布を仮定した場合でも実行可能なものである。
[Other models]
In general, the probability distribution of the input of the evoked brain magnetic field model is considered to differ depending on the active site and the type of stimulus, and it is assumed that not only a linear model but also a non-linear model is appropriate. The present embodiment is not limited to magnetoencephalographic data, but can be used for processing general measurement data. Therefore, the user may create a probability distribution of a model of data to be measured (in this example, an induced brain magnetic field model) according to each hypothesis. The processing of the present embodiment can be executed even when various probability distributions are assumed.
また、自発脳磁場のモデルについても、ここでは(8)式によって表されるものとしたが、振幅の時間変化が大きい場合には、確率的入力項のパワーが時間的に変化するものと仮定し、当該パワーをパラメータを含む何らかの関数形で記述し、当該パラメータをモデルパラメータに含めて処理を行ってもよい。さらに、被験者の各自発脳磁場帯域のピーク周波数が典型的なものと大きく異なる場合は、中心周波数もモデルパラメータに含めてもよい。これらの場合も、上述の処理と同様にモデルパラメータの一つとして推定を行うことができる。 In addition, the model of the spontaneous brain magnetic field is also expressed here by equation (8). However, when the time change of the amplitude is large, it is assumed that the power of the stochastic input term changes with time. Then, the power may be described in some form of function including a parameter, and the process may be performed by including the parameter in the model parameter. Further, if the peak frequency of each subject's spontaneous brain magnetic field band is significantly different from the typical one, the center frequency may also be included in the model parameter. In these cases, estimation can be performed as one of the model parameters as in the above-described processing.
[動作]
本実施の形態は、以上の構成を有し、次のように動作する。すなわち、本実施の形態のデータ処理装置1は、ノイズのみのデータ、安静時データ、刺激時データを受け入れて記憶部12に保持しており、図3に例示するように、まずノイズのみのデータを用いて予め定めたノイズのモデルに含まれるノイズパラメータを推定する(S1)。
[Operation]
The present embodiment has the above configuration and operates as follows. That is, the
またデータ処理装置1は、安静時データに含まれるノイズを、上記推定したノイズパラメータと予め定めたノイズのモデルとを用いて除去し、ノイズを除去した安静時データを参照して、予め定めた安静時データのモデルに含まれるパラメータを推定する(S2)。
Further, the
そしてデータ処理装置1は、刺激時データから、処理S1で推定したノイズパラメータと予め定めたノイズのモデルとを用いて除去し、刺激時データに含まれる自発脳磁場を、処理S2で推定したパラメータと、予め定めた安静時データのモデルとを用いて除去する。そしてデータ処理装置1は、こうしてノイズ及び自発脳磁場を除去したデータを参照して、予め定めた刺激時データのモデル(誘発脳磁場のモデル)に含まれるパラメータを推定する(S3)。
Then, the
データ処理装置1は、処理S3で推定したパラメータと誘発脳磁場のモデルとを用いて、誘発脳磁場のデータを推定して出力する(S4)。
The
本発明の一実施例について説明する。ここでは被験者に、「ボタンを押してもらう」という刺激を与えたときの誘発脳磁場を得たときの例について述べる。 An embodiment of the present invention will be described. Here, we describe an example when the subject is given an evoked brain magnetic field when a stimulus “getting a button pressed” is given.
図4は、LPF(Low Pass Filter)を経た169回の測定データを加算平均した、従来の方法で得られた誘発脳磁場の波形(複数のセンサの信号を重ね合わせて表している、以下も同様)と、これらの波形から得られた等磁界線図である。図5は、ノイズを含めて実際に得られる時系列データの例と、当該時系列データを基に得られた等磁界線図である。この図5のようなデータを169回得て加算平均したものが図4に示した従来の結果である。 FIG. 4 shows the waveform of the induced cerebral magnetic field obtained by the conventional method obtained by averaging the measurement data of 169 times passed through the LPF (Low Pass Filter) (the signals of a plurality of sensors are overlapped). The same), and isomagnetic field diagrams obtained from these waveforms. FIG. 5 is an example of time-series data actually obtained including noise, and an isomagnetic field diagram obtained based on the time-series data. The conventional result shown in FIG. 4 is obtained by averaging 169 times of data as shown in FIG.
図6は、この図5に示したデータ(単一測定のデータ)に基づき、上記本実施の形態で説明した処理を経て本発明の実施例に係るデータ処理装置1が出力する誘発脳磁場の波形(複数のセンサの信号を重ね合わせて表している)と、これらの波形から得られた等磁界線図である。
FIG. 6 shows the induced brain magnetic field output from the
図4に示した従来の解析図と、図6に示した本実施例の解析図とを比較すると、略一致していることが理解される。 When the conventional analysis diagram shown in FIG. 4 is compared with the analysis diagram of the present embodiment shown in FIG.
図7は、自発脳磁場の強度が大きい場合のノイズを含めて実際に得られる時系列データの例と、当該時系列データを基に得られた等磁界線図である。この図7に例示したようなデータを複数回得て加算平均した、従来の方法によって推定された等磁界線図と、この図7に例示したような複数のデータのそれぞれから、本実施例のデータ処理装置1で推定して得た複数の等磁界線図(図8に例示する)とのコヒーレンスを演算して表したものを図9に示す。また、従来の方法で推定された等磁界線図を図10に示す。図9,図10から見られるように、図10で得られた等磁界線図のうち、信号の強度が大きい領域でのコヒーレンスは、図9に示されるように0.8を超えている。つまり、本実施例のデータ処理装置1での推定は、ロバストネスの面からも十分であることが理解される。
FIG. 7 is an example of time series data actually obtained including noise when the intensity of the spontaneous brain magnetic field is large, and an isomagnetic field diagram obtained based on the time series data. From the isomagnetic field diagram estimated by the conventional method obtained by averaging the data as illustrated in FIG. 7 a plurality of times and averaging, and the plurality of data as illustrated in FIG. FIG. 9 shows a calculation result of coherence with a plurality of isomagnetic field diagrams (illustrated in FIG. 8) obtained by estimation by the
1 データ処理装置、11 制御部、12 記憶部、13 操作部、14 出力部、15 入力インタフェース、21 データ記録部、22 モデル学習部、23 ノイズパラメータ管理部、24 信号推定部、25 信号出力部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
少なくとも一つのノイズパラメータを用いてノイズを模式的に表すノイズ演算式に含まれる前記ノイズパラメータを、過去に得られたノイズのみのデータを用いて定められる基準に基づいて決定し、ノイズの時系列推定データを得る手段と、
前記安静時データの対応する時刻のデータから前記ノイズの時系列推定データを差引きして、ノイズがないと仮定される状態のデータを得る手段と、
自発脳磁場に含まれる信号を模式的に、自発脳磁場の成分の和として近似的に表すときの、当該自発脳磁場の成分を表すモデルパラメータを、前記ノイズがないと仮定される状態のデータに基づいて求め、当該自発脳磁場の成分を表すモデルパラメータと、自発脳磁場に含まれる信号を模式的に、自発脳磁場の成分の和として近似的に表すモデルとに基づいて、自発脳磁場の時系列推定データを得る推定手段と、
前記刺激時データからの対応する時刻のデータから、前記ノイズの時系列推定データと、前記自発脳磁場の時系列推定データとを差引きしてノイズ及び自発脳磁場がないと仮定される状態のデータを得て出力する手段と、
を含むデータ処理装置。 Receiving means for receiving measured time-series resting data including noise and spontaneous brain magnetic field, and time-series stimulation data including noise, spontaneous brain magnetic field and evoked brain magnetic field ;
The noise parameter included in the noise calculation formula that schematically represents the noise using at least one noise parameter is determined based on a criterion determined using only noise data obtained in the past, and a time series of noise Means for obtaining estimated data ;
Means for subtracting the time series estimation data of the noise from the data at the corresponding time of the resting data to obtain data in a state assumed to be free of noise;
When the signal included in the spontaneous brain magnetic field is schematically expressed as a sum of the components of the spontaneous brain magnetic field, the model parameter representing the component of the spontaneous brain magnetic field is the data assumed to be free of noise. Based on a model parameter representing the component of the spontaneous brain magnetic field and a model schematically representing the signal contained in the spontaneous brain magnetic field as a sum of the components of the spontaneous brain magnetic field. An estimation means for obtaining time series estimation data of
The time series estimation data of the noise and the time series estimation data of the spontaneous brain magnetic field are subtracted from the data of the corresponding time from the stimulation time data, in a state where there is no noise and no spontaneous brain magnetic field. Means for obtaining and outputting data;
Including a data processing apparatus.
前記推定手段は、時刻tにおける安静時データがmtであったとき、時刻t以前の自発脳磁場を表すデータ及び時刻t以前のノイズを表すデータとを含めた状態ベクトルがxtである確率分布p(xt|mt)を最大とする前記モデルパラメータを、時刻tで状態ベクトルがxtである確率p(xt)を事前確率とし、時刻tで状態ベクトルがxtであったときに、前記自発脳磁場に含まれる信号を模式的に、自発の磁場の成分の和として近似的に表すモデルが表す時刻tでの安静時データの確率分布p(mt|xt)を事後確率とし、当該事前確率と事後確率の積を被積分関数とする積分結果を用いたベイズ推定により推定する推定手段であるデータ処理装置。 The data processing apparatus according to claim 1, wherein
When the resting data at time t is mt, the estimating means has a probability distribution p where the state vector including data representing the spontaneous brain magnetic field before time t and data representing noise before time t is xt. When the model parameter that maximizes (xt | mt) is a probability p (xt) that the state vector is xt at time t, and the state vector is xt at time t, the spontaneous brain magnetic field The probability distribution p (mt | xt) of resting data at time t represented by a model that approximately represents the signal included in the model as a sum of spontaneous magnetic field components is used as the posterior probability, and the prior probability and posterior A data processing apparatus which is estimation means for estimating by Bayesian estimation using an integration result having a product of probabilities as an integrand .
複数の演算装置要素を含み、
前記推定手段は、前記ベイズ推定における、前記事前確率と前記事後確率との積を被積分関数とする積分を行うにあたり、積分範囲内からランダムに選択される積分変数の値を代入したときの前記被積分関数の値の演算を、複数の演算装置要素に分散的に行わせ、モンテカルロ法により前記積分を遂行するデータ処理装置。 A data processing apparatus according to claim 2, wherein
Including a plurality of arithmetic unit elements;
It said estimating means, in the Bayesian estimation when performing integration to the integrand a product of the prior probability and the a posteriori probability, wherein when randomly assigns the value of the integration variables selected from the integration range A data processing apparatus for performing the integration by a Monte Carlo method by performing a calculation of a value of an integrand on a plurality of arithmetic element elements in a distributed manner.
前記ノイズの時系列推定データを得る手段は、前記安静時データまたは刺激時データの実際の測定に先立って、前記受入手段が受け入れるデータを、前記ノイズのみのデータとして用いるデータ処理装置。 A data processing device according to any one of claims 1 to 3,
The means for obtaining the time series estimation data of the noise uses data received by the receiving means as the data of only the noise prior to actual measurement of the resting data or stimulation data.
測定された、ノイズと自発脳磁場とを含んだ時系列の安静時データと、ノイズと自発脳磁場と誘発脳磁場とを含んだ時系列の刺激時データとを受け入れる受入手段と、
少なくとも一つのノイズパラメータを用いてノイズを模式的に表すノイズ演算式に含まれる前記ノイズパラメータを、過去に得られたノイズのみのデータを用いて定められる基準に基づいて決定し、ノイズの時系列推定データを得る手段と、
前記安静時データの対応する時刻のデータから前記ノイズの時系列推定データを差引きして、ノイズがないと仮定される状態のデータを得る手段と、
自発脳磁場に含まれる信号を模式的に、自発脳磁場の成分の和として近似的に表すときの、当該自発脳磁場の成分を表すモデルパラメータを、前記ノイズがないと仮定される状態のデータに基づいて求め、当該自発脳磁場の成分を表すモデルパラメータと、自発脳磁場に含まれる信号を模式的に、自発脳磁場の成分の和として近似的に表すモデルとに基づいて、自発脳磁場の時系列推定データを得る推定手段と、
前記刺激時データからの対応する時刻のデータから、前記ノイズの時系列推定データと、前記自発脳磁場の時系列推定データとを差引きしてノイズ及び自発脳磁場がないと仮定される状態のデータを得て出力する手段と、
として機能させるプログラム。 Computer
Receiving means for receiving measured time-series resting data including noise and spontaneous brain magnetic field, and time-series stimulation data including noise, spontaneous brain magnetic field and evoked brain magnetic field ;
The noise parameter included in the noise calculation formula that schematically represents the noise using at least one noise parameter is determined based on a criterion determined using only noise data obtained in the past, and a time series of noise Means for obtaining estimated data ;
Means for subtracting the time series estimation data of the noise from the data at the corresponding time of the resting data to obtain data in a state assumed to be free of noise;
When the signal included in the spontaneous brain magnetic field is schematically expressed as a sum of the components of the spontaneous brain magnetic field, the model parameter representing the component of the spontaneous brain magnetic field is the data assumed to be free of noise. Based on a model parameter representing the component of the spontaneous brain magnetic field and a model schematically representing the signal contained in the spontaneous brain magnetic field as a sum of the components of the spontaneous brain magnetic field. An estimation means for obtaining time series estimation data of
The time series estimation data of the noise and the time series estimation data of the spontaneous brain magnetic field are subtracted from the data of the corresponding time from the stimulation time data, in a state where there is no noise and no spontaneous brain magnetic field. Means for obtaining and outputting data;
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