专利名称：生物信号处理装置、处理方法和处理程序的制作方法
技术领域：
本发明涉及适于在诸如测量或分析脑波的技术领域中使用的生物信号处理装置、 生物信号处理方法和生物信号处理程序。
背景技术：
将由脑部传输的波(脑波)观测为在头部特定位置设置的电极之间的电势的变化。通常，能够视觉识别出在所观测的波形中包括的诸如α波的特征波形成分。然而，由于脑波以外的波成分引起的电势上的变化(在下文中将其称为伪影)不可避免地叠加到脑波上。因此，需要有专业的技能才能从混有伪影的脑波中成功识别出特征波形成分。已经公开了一种着眼于具有特定波形的伪影并使用特定计算来检测伪影的检测技术，并且公开了一种通过使用频率分析的结果(周期图成分)进行计算来提取α波的相对值的提取技术(例如，日本未审专利申请公开No. 2004-350797)。
发明内容
然而，在上述检测技术中，不能识别出具有特定波形的特定伪影以外的伪影。另一方面，在上述提取技术中，从同时获取脑波以外的肌电图的描述可以看出，除非同时观测脑波以外的生物信号，否则难以判断α波的相对值实际上取决于α波还是由伪影造成。此外，在上述的提取技术中，难以同时识别α波和脑波的其它成分。期望提供能够提高特定波形成分的识别准确度的生物信号处理装置、生物信号处理方法和生物信号处理程序。根据本发明的一个实施方式，提供了一种生物信号处理装置，包括获取所观测的生物信号的频谱的获取单元；通过在由时间轴、频率轴和强度轴所限定的空间中绘制由获取单元所获得的频谱的要素来生成三维波形的生成单元；以及使用对由生成单元所生成的三维波形在时间频率域的横截面进行观测的沿强度轴的位置和在该位置的横截面状态作为识别标准来检测指定的波形成分的检测单元。此外，根据本发明的一个实施方式，提供了一种生物信号处理方法，包括以下步骤获取所观测的生物信号的频谱；通过在由时间轴、频率轴和强度轴所限定的空间中绘制由获取步骤中所获得的频谱的要素来生成三维波形，以及使用沿强度轴的对在生成步骤中所生成的时间频率域中的三维波形的横截面进行观测的位置和在该位置的横截面状态作为识别标准来检测指定的波形成分。此外，根据本发明的一个实施方式，提供了一种生物信号处理程序，该程序使得计算机获取所观测的生物信号的频谱，通过在由时间轴、频率轴和强度轴所限定的空间中绘制由获取步骤中所获得的频谱的要素来生成三维波形，以及通过使用沿强度轴的对在生成步骤中所生成的时间频率域中的三维波形的横截面进行观测的位置和在该位置的横截面状态作为识别标准来检测指定的波形成分。
尽管沿强度轴的对时间频率域中的三维波形的横截面进行观测的位置取决于已被指定的波形成分的类型，但是即使叠加有伪影，该位置也不会变化。另一方面，时间频率域中的三维波形的横截面的状态不期望地随着伪影发生变化。然而，诸如横截面的沿轴的位置、大小和形状的所有要素不太可能都发生变化，已经确认，取决于指定的波形成分的诸如位置、大小或形状中的至少一个要素保持不变。因此，通过使用沿强度轴的观测在时间频率域中的三维波形的横截面的位置和在该位置的横截面的状态作为识别标准，即使没有同时获得观测目标生物信号以外的生物信号，都能与伪影类型无关地识别指定的波形成分。此外，如果指定了两种类型的波形成分，当在三维波形中观测在取决于两种类型的波形成分中各个类型的强度位置上的横截面状态时，能够观测到关于诸如横截面的位置、大小或形状中的至少一个要素的所要识别的波形成分的特征。因此，即使将两种波形成分混在同一观测周期中，也能同时识别出这些波形成分。由此，能够实现可提高特定波形成分的识别准确度的生物信号处理装置、生物信号处理方法和生物信号处理程序。
图1是示出生物信号处理装置的构成的框图；图2是示出分析单元的构成的框图；图3是示出生物信号处理的功能构成的框图；图4A至图4C是示出实验的结果(1)的图；图5是示出用于提取特征脑波成分的标准的图；图6A至图6C是示出实验的结果O)的图；图7是示出脑波处理过程的流程图；图8A至图8B是示出当已经将两种类型的特征脑波成分指定为识别目标时的显示例的简图。
具体实施例方式在下文中将描述本发明的实施方式。实施方式将以下列顺序进行描述1.实施方式1-1.生物信号处理装置的构成1-2.分析单元的构成1-3.脑波处理的功能构成1-4.用于脑波处理的过程1-5.有益效果2.其它实施方式1.实施方式1-1.生物信号处理装置的构成图1描述了生物信号处理装置1。生物信号处理装置1包括放大单元10和分析单元20。
放大单元10将由脑部传输的波(在下文中将其称为脑波信号)观测为在头部特定位置设置的探针电极与在头部不同于该位置的位置上设置的参考电极之间的电势变化， 并放大脑波信号。分析单元20被配置为对由放大单元10执行放大处理所获得的脑波信号执行各种处理，并显示和保持该处理结果。1-2.分析单元的构成如图2所示，通过将各个硬件连接到负责控制的中央处理单元(CPU)21来配置分析单元20。更具体地，例如，只读存储器(ROM) 22、用作CPU 21的工作存储器的随机存取存储器(RAM) 23、输入对应于用户进行的操作的指令的操作输入单元M、接口 25、显示单元沈和存储单元27通过总线28连接。ROM 22存储用于执行各种处理的程序。放大单元10与接口 25连接。显示单元沈可以是液晶显示器、电致发光(EL)显示器、等离子体显示器等。此外， 存储单元27可以是以硬盘(HD)为代表的磁盘，或者可以是半导体存储器、光盘等。作为替代，可采用诸如通用串行总线(USB)存储器或者压缩闪存(CF)存储器的便携式存储器。从存储在ROM 22中的多个程序中，CPU 21将对应于由操作输入单元Μ、模块等发布的指令的程序加载到RAM 23中。CPU 21于是根据加载程序适当地控制显示单元沈和存储单元27。1-3.脑波处理的功能构成在本实施方式中，当通过接口 25从放大单元10接收脑波信号时，CPU21将涉及处理生物信号的程序(在下文中，可将其称为生物信号处理程序)加载到RAM 23中。在这种情况下，如图3所示，CPU 21起到频率分析单元31、高通滤波单元32、三维绘图单元33、特征波检测单元34和显示控制单元35的作用。频率分析单元31对脑波信号执行傅里叶变换处理或者小波变换处理，并获得脑波在每个单位时间的各频率成分的幅度(在下文中将其称为频谱)。更具体地，获得功率谱 (在每个单位时间内频率成分的能量比)和/或振幅谱(功率谱的平方根)。作为观测的结果已获得如图4A所示的脑波信号时，由频率分析单元31所执行的分析的结果(频谱的要素)是在将这些结果绘制在由时间轴、频率轴和强度轴限定的空间中后如图4B所示的结果。需要注意的是，如图4B所示的强度轴是指向垂直于图的方向，并且所使用的单位是μ V。此外，在图4Β中，较稠密部分表示较高的强度(电势(幅度))。高通滤波单元32对由频率分析单元31获得的在每个单位时间的频谱执行高通滤波处理，并提取高于预定频率的脑波成分。更具体地，当假设单位时间为t、频率为f、由频率分析单元31获得的频谱(当将在每一单位时间x(t)中的脑波分解为各个频率成分时由矩阵表示的各个要素)为S(f，t) 时，如以下表达式所示，通过将各个频率成分乘以频率成分的平方根来对脑波的高频成分加权S' = f1/2 · S ......(1)结果，由于脑波的衰减原本会被埋藏在其它成分中的成分能够变得显著。三维绘图单元33在由时间轴、频率轴和强度轴限定的空间中绘制由高通滤波单元32执行提取所获得的频谱(由矩阵表示并由上述公式(1)中的“S' ”表示的各要素)， 从而以三维方式生成脑波图样(在下文中将其称为三维脑波图样)。当已经对如图4B所示的频谱执行高通滤波处理并且高通滤波处理的结果已经由三维绘图单元33绘制在由时间轴、频率轴和强度轴限定的空间上时，获得如图4C示出的频谱。需要注意的是，在图4C中强度轴和用于强度轴的单位与图4B中的相同。根据作为由三维绘图单元33进行的绘图的结果生成的三维脑波图样，特征波检测单元34检测特征脑波成分(在下文中可以被称为特征脑波成分)，并且该特征脑波成分的类型已从多种特征脑波成分中被指定为识别目标。如图5所示，这里用于提取特征脑波成分的标准包括沿强度轴的对时间频率域中的三维脑波图样的横截面(在下文中可以将其称为岛)LD进行观测的位置(在下文中可以将其称为特定强度值)Sp,以及在特定强度值Sp处的岛LD的状态。特定强度值Sp与特征脑波成分的每种类型相关联并存储在存储单元27中。在本实施方式中，岛LD的状态包括频率宽度、频率宽度的位置fwp、重心G和面积 AR，它们的容限(tolerance)与特征脑波成分的相应类型相关联并存储在存储单元27中。特定强度值Sp是取决于特征脑波成分类型的值。随着特征脑波成分以外的成分被叠加的量减小，岛LD的频率宽度和该频率宽度的位置fVp从特定的频率宽度和该特定频率宽度的位置偏离的量倾向于减小。随着特征脑波成分以外的成分的被叠加的量减小，岛LD的重心G从中心偏离的量趋向于减小。随着特征脑波成分以外的成分被叠加的量增大，岛LD的面积AR趋向于增大， 并且随着脑波信号的衰减量增大而趋向于减小。特征脑波成分的类型包括δ波(0. 5Hz至4Ηζ)、θ波(4Hz至8Hz)、α波(8Hz至 13Hz)、β波(14Ηζ至30Ηζ)和纺锤波(12Hz至14Hz)。此外，还包括慢波和棘波。在下文中将描述特征波检测单元34采用的具体提取方法。在第一阶段，特征波检测单元34从存储单元27读取由操作输入单元M指定的作为识别目标的与特征脑波成分类型相关联的例如特定强度值Sp、频率宽度、频率宽度的位置fVp、重心G和面积AR的容限。在第二阶段，特征波检测单元34识别在三维脑波图样中的、在已从存储单元27读取的特定强度值Sp的单个或多个岛LD，并检测岛LD的频率宽度、频率宽度的位置fwp、重心G和面积AR。当已经获得如图4C所示的三维脑波图样时，在与纺锤波相关联的特定强度值Sp 处的时间频率域的横截面(岛LD)是在图6A中所示的那些。在第三阶段，特征波检测单元34从特定强度值Sp处的单个或多个岛LD (在第二阶段中已经对其进行检测)检测出其频率宽度、频率宽度的位置fVp、重心G和面积AR都在从存储单元27中读取的相应容限内的岛LD作为要识别的特征脑波成分。需要注意的是，当已经获得如图6A所示的岛LD时，已经检测出的岛LD (也就是在与纺锤波相关联的容限内的岛LD)如图6B所示。显示控制单元35使得使用经接口 25提供的脑波信号的、被指定为显示目标的全部或部分脑波信号在显示单元26上以标记被附加在脑波信号上的形式显示，所述标记用于指示对应于由特征波检测单元34检测的岛LD的波形部分的存在。
更具体地，例如，如图6C所示，以不同于脑波信号的颜色显示用于指示对应于岛 LD的波形的存在的线，其中该岛LD与指定的特征脑波成分相匹配并已由特征波检测单元 34检测出。图6C示出了图4A所示的观测结果以及对应于如图6B所示的岛LD的波形部分。1-4.用于脑波处理的过程接下来，将参照图7的流程图描述由分析单元20执行的用于脑波处理的过程。一旦接收到脑波信号(图4A)，分析单元20的CPU 21就开始脑波处理的过程。过程进入到第一步骤SP1，获得脑波信号的频谱(图4B)。该过程随后进入第二步骤SP2。在第二步骤SP2中，CPU 21对第一步骤SPl中获得的频谱执行高通滤波处理。该过程进入到第三步骤SP3。在第三步骤SP3中，CPU 21通过在由时间轴、频率轴和强度轴限定的空间中绘制在第二步骤SP2中获得的作为高通滤波处理结果的每个频谱要素以生成三维脑波图样(图 4C)。该过程进入到第四步骤SP4。在第四步骤SP4中，在第三步骤SP3中生成的三维脑波图样中，CPU21识别与指定为识别目标的特征脑波成分类型相关联的特定强度值Sp处的岛LD (图6A)。该过程进入第五步骤SP5。在第五步骤SP5中，CPU 21判断在第四步骤SP4中识别的岛中，是否存在这样的岛 LD，其与指定为识别目标的特征脑波成分的类型相关联的频率宽度、频率宽度的位置fwp、 重心G、面积AR都在各自的容限内。如果有在容限内的岛LD，过程进入到第六步骤SP6，CPU 21使得已观测到的全部或部分脑波信号在显示单元沈上以将标记附加到对应于在第五步骤SP5中检测到的岛LD 的脑波信号部分的方式显示(图6C)。随后结束脑波处理的过程。另一方面，如果没有位于容限内的岛LD，CPU 21不执行第六步骤SP6而结束脑波处理的过程。1-5.有益效果利用上述构成，生物信号处理装置1在由时间轴、频率轴和强度轴限定的空间中绘制观测到的脑波信息的频谱要素，从而生成三维脑波图样(图4C)。此外，生物信号处理装置1使用沿强度轴的对在时间频率域中的三维脑波图样的横截面(岛LD)进行观测的位置(特定强度值Sp)以及该位置上横截面的状态作为识别标准来检测指定的特征脑波成分(图5)。生物信号处理装置1随后在显示单元沈上以将标记附加在脑波信号上的方式显示指定为显示目标的全部或部分脑波信号(图6C)，所述标记用于指示对应于从三维脑波图样检测出的岛LD的波形部分的存在。由于使用在由时间轴、频率轴和强度轴限定的空间中绘制的在特定强度值Sp处的三维脑波图样的横截面状态作为识别标准来检测特征脑波图样，相比于从时间频率域或时间强度域的平面检测特征脑波图样，能够以精细的方式识别波形成分。更具体地，特定强度值Sp (在该值处观测横截面(岛LD))取决于指定的特征脑波成分的类型；然而，即使叠加了伪影，特定强度值Sp也不会变化。另一方面，在特定强度值Sp处的横截面(岛LD)状态随伪影进行非期望的变化。然而，诸如横截面的沿轴的位置、大小和形状的所有要素不太可能全都发生变化，并且利用如图所示的实验已确认，取决于指定的特征脑波成分的例如位置、大小或形状中的至少一个要素保持不变。因此，通过使用在特定强度值Sp处的三维脑波图样的横截面的状态作为识别标准，即使不能同时获得脑波以外的生物信号，也可以识别指定的特征脑波成分，而与伪影的类型无关。由于不需要专门技术就能够识别特征脑波成分，因此在视觉识别观测波形方面有优势。此外，例如，如果将两种特征波形成分指定为识别目标，特征波检测单元34查找对应于两种特征脑波成分中每一种的特定强度值Sp处的横截面(岛LD)的状态。在这种情况下，即使两种特征脑波成分混合在相同的观察周期中，可在至少一个要素方面观测特征脑波成分的特征，例如，其中至少一个要素为对应于每种特征脑波成分的在特定强度值Sp处的横截面(岛LD)的位置、面积或形状。从而，根据相应的特定强度值Sp处的横截面(岛LD)能够同时识别两种特征脑波成分。需要注意的是，如果已经将两种类型的特征脑波成分指定为识别目标，显示控制单元35以将标记附加在与在由特征波检测单元34检测出的两种类型的特定强度值Sp处的各岛LD相对应的部分的方式显示观测到的脑波信号。更具体地，如图8A和8B所示，以彼此不同的颜色显示用于指示与由特征波检测单元34检测的两种类型的特定强度值Sp处的岛LD相对应的波形的存在的线，并且这些线的颜色也不同于脑波信号的颜色。图8A示出了 α波和纺锤波被指定为识别目标的情况，图 8Β示出了 α波和慢波被指定为识别目标的情况。如图8Α和8Β所看到的那样，即使两种特征脑波成分混合在相同的观测周期中，也可以同时识别出两种特征脑波成分。由于不需要专门技术就能识别特征脑波，因此在视觉识别观测波形方面有显著的优势。此外，由于将频谱的要素绘制在由时间轴、频率轴和强度轴限定的空间中，并且用于识别的特定要素与容限进行比较而不用对频率分析的结果进行特殊计算处理，因此处理很简单。这在处理负担等方面有显著优势。此外，在本实施方式中，在由时间轴、频率轴和强度轴所限定的空间中绘制频谱的要素之前的阶段，通过对频谱执行高通滤波处理来对频谱的高频成分进行加权(图4Β)。因此，可以突出原本容易受到脑波衰减或者埋藏于其它成分中的指定特征脑波成分。结果，相比于省去高通滤波处理的情况，即使叠加了各种伪影，也能够更精确地识别出指定的特征脑波成分。在上述构成中，相比于从时间频率域或时间强度域的平面检测波形成分，可以更精细的方式识别波形成分，从而实现能够提高特定波形要素的识别精度的生物信号处理装置1。2.其它实施方式在上述实施方式中，将脑波信号作为观测目标。然而，观测目标不局限于上述实施方式，例如，可采用通过观测作为观测目标的从生物体传输的各种波而获得的诸如肌电势或眼电势的生物信号。在上述实施方式中，获取每个单位时间的频率成分(功率谱和/或振幅谱)的幅度。然而，获取的目标还可包括相位谱。在上述实施方式中，将频率宽度、频率宽度的位置fwp、重心G和面积AR用作岛LD 的状态。然而，要识别的作为岛LD的要素并不局限于上述实施方式中的那些。例如，可采用岛LD的形状。随着特征脑波成分以外的成分的被叠加量变小，岛LD的形状趋向于接近圆(包括椭圆)。此外，不仅是岛LD的状态，而且岛LD和包括岛LD的三维波形的峰Pld之间的三维波形部分3dwp的状态也可用作识别标准。更具体地，如图5所示，三维波形部分3dwp的状态可以是在岛LD的区域中能够获得的最长部分SG、相对于时间轴的倾角ICT等。随着特征脑波成分以外的成分的被叠加量变小，倾角ICT趋向于增大。当除岛LD的状态之外还将包括岛LD的三维波形部分3dwp的状态用作识别标准时，由于可以更精确的方式识别波形成分，因此能够进一步提高特定波形成分的识别精度。可以理解的是，只要不偏离本文公开的范围，可以修改由生物信号处理装置1执行的处理内容，即使该修改没有在上述“实施方式”和“其它实施方式”中进行描述。本发明包括于2010年6月10日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-133109所公开的主题，其全部内容结合于此作为参考。本领域技术人员应当认识到，根据设计要求和其他因素，可以有多种修改、组合、 子组合和改进，只要它们包含在所附的权利要求书或其等同替换的范围之内。
权利要求
1.一种生物信号处理装置，包括 获取单元，获取所观测的生物信号的频谱；生成单元，通过在由时间轴、频率轴和强度轴所限定的空间中绘制由所述获取单元所获得的所述频谱的要素来生成三维波形；以及检测单元，使用沿所述强度轴的对由所述生成单元所生成的三维波形在时间频率域的横截面进行观测的位置和在该位置处的横截面状态作为识别标准来检测指定的波形成分。
2.根据权利要求1所述的生物信号处理装置，还包括加权单元，对由所述获取单元获得的所述频谱的高频成分进行加权； 其中，所述生成单元在由时间轴、频率轴和强度轴所限定的空间中绘制其高频成分已由所述加权单元加权的频谱的要素。
3.根据权利要求2所述的生物信号处理装置，还包括显示控制单元，以附加上用于指示由所述检测单元所检测的波形成分的存在的标记的方式显示所述生物信号的全部或部分。
4.根据权利要求3所述的生物信号处理装置， 其中，所述生物信号是脑波信号。
5.根据权利要求2所述的生物信号处理装置，其中，所述横截面的状态包括横截面的沿频率轴的宽度、横截面的重心和横截面的面积中的至少一个。
6.根据权利要求2所述的生物信号处理装置，其中，所述检测单元还使用位于所述横截面和包括所述横截面的三维波形的峰之间的三维波形的状态作为识别标准。
7.—种生物信号处理方法，包括 获取所观测的生物信号的频谱；通过在由时间轴、频率轴和强度轴所限定的空间中绘制在获取步骤中所获得的所述频谱的要素来生成三维波形；以及使用沿所述强度轴的对在生成步骤中所生成的三维波形在时间频率域的横截面进行观测的位置和在该位置处的横截面状态作为识别标准来检测指定的波形成分。
8.—种生物信号处理程序，所述程序使得计算机 获取所观测的生物信号的频谱；通过在由时间轴、频率轴和强度轴所限定的空间中绘制由获取步骤所获得的所述频谱的要素来生成三维波形；以及使用沿强度轴的对在生成步骤中所生成的三维波形在时间频率域的横截面进行观测的位置和在该位置处的横截面状态作为识别标准来检测指定的波形成分。
全文摘要
本发明涉及生物信号处理装置、处理方法和处理程序。该生物信号处理装置，包括获取所观测的生物信号的频谱的获取单元，通过在由时间轴、频率轴和强度轴所限定的空间中绘制由获取单元所获得的频谱的要素来生成三维波形的生成单元，以及通过使用沿强度轴的对由生成单元所生成的在时间频率域中的三维波形的横截面进行观测的位置和该位置的横截面状态作为识别标准来检测指定的波形成分的检测单元。
文档编号A61B5/0476GK102293646SQ20111014502
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月31日 优先权日2010年6月10日
发明者中岛悠策, 和田成司, 富田尚 申请人:索尼公司