先 進 的 統 合 センシング 技 術 平 成 19 年 度 採 択 研 究 代 表 者 H22 年 度 実 績 報 告 本 田 学 独 立 行 政 法 人 国 立 精 神 神 経 医 療 研 究 センター 神 経 研 究 所 疾 病 研 究 第 七 部 部 長 脳 に 安 全 な 情 報 環 境 をつくるウェアラブル 基 幹 脳 機 能 統 合 センシングシステム 1. 研 究 実 施 の 概 要 情 報 環 境 と 脳 との 不 適 合 によって 発 生 する 特 異 なストレスは 生 命 活 動 を 制 御 する 基 幹 脳 ( 脳 幹 視 床 視 床 下 部 などからなる 生 命 の 基 幹 的 機 能 を 担 う 脳 部 位 )の 機 能 異 常 を 導 き 情 動 自 律 神 経 系 や 内 分 泌 免 疫 系 の 不 調 を 介 して 様 々な 現 代 病 の 原 因 となる 本 研 究 では 安 全 安 心 な 情 報 環 境 の 創 出 に 資 するために 多 チャンネルバイタルセンサからのシグナルを 統 合 することによ り 小 型 軽 量 で 高 確 度 なウェアラブル 基 幹 脳 機 能 センシング 技 術 を 創 成 し 日 常 生 活 空 間 で 簡 便 に 使 用 できるシステムの 実 用 化 を 目 的 とする 研 究 4 年 次 にあたる 平 成 22 年 度 は 当 初 計 画 どおり これまで 各 研 究 機 関 で 個 別 に 開 発 してい た 要 素 がほぼ 完 了 し 開 発 要 素 を 評 価 用 シミュレータ 内 に 統 合 して 実 証 試 験 を 行 うための 調 整 を 開 始 した 具 体 的 には 基 幹 脳 活 性 指 標 再 構 成 技 術 の 開 発 については 磁 気 共 鳴 画 像 - 脳 波 同 時 計 測 システムを 用 いて ウェアラブルセンサの 実 用 的 形 態 としてメガネ 型 センサも 視 野 に 入 れ た 検 討 を 行 い 前 額 部 と 耳 介 後 部 にある 乳 突 部 に 設 置 した 電 極 から 記 録 される 脳 波 成 分 からも 高 い 精 度 で 基 幹 脳 活 性 を 推 定 しうることを 見 出 した また 呼 吸 や 心 拍 などのヴァイタルデータの 導 入 についても 検 討 した ウェアラブルセンサシステム 開 発 では 基 幹 脳 活 性 指 標 (FBA-index) 導 出 のためのデジタル 信 号 処 理 技 術 の 開 発 を 進 め システムへの 実 装 を 行 い 基 本 性 能 を 確 認 した システム 校 正 臨 床 評 価 用 シミュレータの 構 築 については 基 幹 脳 活 性 変 動 効 果 をもったシステム 校 正 用 音 響 映 像 統 合 ソフトウェアを 制 作 した また シミュレータにおいて 呈 示 する 音 響 映 像 情 報 の 調 整 を 行 ない 健 常 者 および 臨 床 例 で 探 索 的 検 討 を 開 始 した さらに 非 拘 束 化 PET 装 置 について より 被 験 者 の 自 由 度 を 高 めるための PET 支 持 機 構 の 検 討 を 行 った 今 後 は システム 校 正 臨 床 評 価 用 シミュレータを 用 いた 実 証 試 験 を 実 施 し 各 開 発 要 素 にフィ ードバックをかけていく 予 定 である 1
2. 研 究 実 施 体 制 (1) 国 立 精 神 神 経 医 療 研 究 センター グループ 1 研 究 分 担 グループ 長 : 本 田 学 ( 独 立 行 政 法 人 国 立 精 神 神 経 医 療 研 究 センター 神 経 研 究 所 疾 病 研 究 第 七 部 部 長 ) 基 幹 脳 機 能 統 合 センシングシステムの 開 発 と 臨 床 評 価 (2) 情 報 通 信 研 究 機 構 グループ 1 研 究 分 担 グループ 長 : 片 桐 祥 雅 ( 独 立 行 政 法 人 情 報 通 信 研 究 機 構 専 攻 研 究 員 ) 基 幹 脳 機 能 統 合 センシングシステムの 設 計 と 試 作 (3) 国 際 科 学 振 興 財 団 グループ 1 研 究 分 担 グループ 長 : 大 橋 力 ( 財 団 法 人 国 際 科 学 振 興 財 団 主 席 研 究 員 ) 基 幹 脳 機 能 統 合 センシングシステム 校 正 評 価 用 シミュレータにおける 基 幹 脳 活 性 化 統 合 ソ フトウェア 構 築 (4) 放 送 大 学 グループ 1 研 究 分 担 グループ 長 : 仁 科 エミ ( 放 送 大 学 教 授 ) 基 幹 脳 機 能 統 合 センシングシステム 校 正 評 価 用 シミュレータの 視 覚 情 報 環 境 構 築 と 運 用 (5) アクション リサーチ グループ 1 研 究 分 担 グループ 長 : 前 川 督 雄 (( 株 )アクション リサーチ 研 究 開 発 部 部 長 ) 基 幹 脳 機 能 統 合 センシングシステム 校 正 評 価 用 シミュレータ 構 築 (6) 神 戸 高 専 グループ 1 研 究 分 担 グループ 長 : 山 本 誠 一 ( 神 戸 市 立 工 業 高 等 専 門 学 校 電 気 工 学 科 教 授 ) 基 幹 脳 機 能 統 合 センシングシステム 校 正 用 PET の 非 拘 束 化 設 計 と 運 用 2
3. 研 究 実 施 内 容 ( 文 中 に 番 号 がある 場 合 は(4-1)に 対 応 する) 研 究 全 体 の4つの 柱 (1. 基 幹 脳 活 性 指 標 再 構 成 技 術 の 開 発 2.ウェアラブルセンサシステムの 開 発 3.システム 校 正 臨 床 評 価 用 シミュレータを 用 いたシステム 校 正 とフィードバック 4. 臨 床 試 験 の 実 施 )のうち 今 年 度 に 実 施 した1~3について 平 成 22 年 度 の 研 究 実 施 内 容 を 項 目 ごとに 述 べる 1. 基 幹 脳 活 性 指 標 再 構 成 技 術 の 開 発 本 プロジェクトで 開 発 中 のウェアラブルセン サから 時 々 刻 々と 計 測 される 脳 波 をもちいて 基 幹 脳 活 性 の 代 用 指 標 をリアルタイムで 導 くため に 自 発 脳 波 α 帯 域 成 分 と fmri によって 記 録 される 基 幹 脳 活 性 との 間 の 時 間 的 関 係 に 着 目 して 解 析 を 行 った 前 年 度 までの 検 討 では 後 頭 部 から 記 録 された 脳 波 α 波 から 基 幹 脳 活 性 を 推 定 可 能 であることを 示 したが 領 域 代 表 か ら ウェアラブルセンサの 実 用 的 形 態 として 特 にメガネ 型 センサの 実 用 性 が 高 いことであろう との 示 唆 を 頂 いた そのため 本 年 度 は メガネ 型 センサの 開 発 も 視 野 に 入 れて 前 額 部 と 耳 介 後 部 にある 乳 突 部 に 設 置 した 電 極 から 記 録 される 脳 波 成 分 から 基 幹 脳 活 性 を 推 定 することが 可 能 か どうか 検 討 した その 結 果 眼 球 運 動 などの 補 正 を 行 えば これらの 電 極 から 記 録 される 脳 波 成 分 も 高 い 精 度 で 基 幹 脳 活 性 を 推 定 しうることを 見 出 した( 図 1) 図 1 メガネ 型 センサで 使 用 可 能 な 前 額 部 および 乳 突 部 に 設 置 した 電 極 から 記 録 された 脳 波 α 帯 域 成 分 と 基 幹 脳 活 性 との 相 関 呼 吸 や 心 拍 など 自 律 神 経 系 の 活 動 を 反 映 すると 言 われている 簡 便 に 計 測 可 能 なヴァイタルデ ータを 統 合 することによって 基 幹 脳 活 性 のより 正 確 な 推 定 が 可 能 になるかどうかを 検 討 するため 呼 吸 及 び 心 電 図 の 位 相 および 振 幅 データが 脳 のどの 部 位 の 活 性 と 相 関 するかを 検 討 した その 結 果 呼 吸 および 心 拍 の 位 相 成 分 は 脳 の 中 の 髄 液 の 信 号 と また 振 幅 成 分 は ほぼ 脳 実 質 全 体 の 信 号 と 非 特 異 的 に 相 関 することが 示 された このことは 通 常 の 相 関 解 析 における 説 明 変 数 と して 単 に 心 拍 や 呼 吸 のデータを 組 み 込 むことは 脳 全 体 の 活 性 を 反 映 する 点 では 有 効 であるもの の 脳 の 基 幹 脳 の 活 性 をピンポイントで 特 定 するには 適 していないことを 示 しており 呼 吸 や 心 拍 変 動 などのヴァイタル シグナルの 取 り 込 み 方 にはさらに 工 夫 が 必 要 であることが 示 唆 された 2.ウェアラブルセンサシステムの 開 発 ウエアラブル 基 幹 脳 機 能 センシングシステムの 主 要 機 能 の 設 計 試 作 を 終 え プロトタイプによ る 機 能 評 価 を 行 いつつ 全 体 計 画 では 次 年 度 から 着 手 する 臨 床 システムとしての 最 適 化 の 検 討 を 前 倒 しで 現 在 進 めている 3
まず 前 年 度 までの 研 究 成 果 をふまえ 脳 波 α 波 の 25 秒 以 上 のゆっくりとした 周 期 をもった 変 動 成 分 から 基 幹 脳 活 性 指 標 (FBA-index)を 構 成 する 手 法 の 検 討 をおこなった そしてこれを 実 現 するためのデジタル 信 号 処 理 技 術 の 開 発 を 進 め FBA-index 導 出 アルゴリズムを 開 発 し システム への 実 装 を 行 った このシステムの 基 本 性 能 を 確 認 した また 前 項 で 述 べた 研 究 成 果 を 踏 まえ 前 額 部 と 乳 突 部 とにお いたディスポーザル 電 極 から 脳 波 を 記 録 することが 可 能 で アンプ 送 信 機 電 源 を 内 蔵 しスタンドアロンで 使 用 できるヘアバンド 型 ウェ アラブルセンサの 開 発 を 行 い( 図 2) 実 用 化 に 向 けた 高 確 度 校 正 を 行 った さらに メガネ 型 センサへの 実 装 を 目 指 すため 高 密 度 実 装 による 基 板 の 小 型 化 の 設 計 を 完 了 し 現 在 試 作 基 板 作 図 2 ヘアバンド 型 脳 波 センサ 製 中 である 加 えて 本 検 討 内 容 を 技 術 移 転 し 社 会 実 装 を 実 現 するために パートナー 企 業 との 打 合 せを 開 始 した また 多 人 数 同 時 測 定 技 術 を 基 盤 とし 多 チャンネルワイヤレス 脳 波 計 および 標 準 12 誘 導 心 電 計 測 システムをバイプロダクト( 技 術 移 転 対 象 )として 実 現 し 医 療 福 祉 分 野 への 活 用 を 進 めてい る 3.システム 校 正 臨 床 評 価 用 シミュレータを 用 いたシステム 校 正 とフィードバック これまでに 収 集 してきた 基 幹 脳 活 性 化 効 果 をもつ 音 源 の 候 補 について 前 年 度 までに 開 発 し た 情 報 の 物 理 構 造 を 定 量 的 に 評 価 する 手 法 4) を 用 いて 解 析 し 複 雑 性 や 音 律 構 造 などを 明 らか にした 3,6,7,8) その 中 から 特 に 高 い 複 雑 性 と 超 高 周 波 成 分 を 有 する 音 源 を 選 択 して 独 自 に 開 発 した 編 集 システム 2) を 用 いて 基 幹 脳 活 性 変 動 効 果 をもった 音 響 ソフトウェアを 制 作 した また 基 幹 脳 活 性 化 効 果 をもつ 映 像 ソフトウェアと 統 合 したシステム 校 正 用 音 響 映 像 統 合 ソフトウェアを 制 作 した また 基 幹 脳 機 能 統 合 センシングシステ ム 校 正 評 価 用 シミュレータにおいて 呈 示 する 音 響 情 報 の 調 整 を 行 った 具 体 的 に は 可 動 性 に 優 れた 音 響 パネルモジュー ル 方 式 ( 特 許 出 願 済 )をもちいて 室 内 音 響 特 性 の 調 整 を 行 った また シミュレー 図 3 超 広 帯 域 音 響 呈 示 用 スピーカーの 指 向 特 性 および 過 渡 応 答 特 性 タに 実 装 しているスピーカーの 特 性 を 改 善 するため 円 形 リング 型 スーパーツイーターによって 可 聴 域 上 限 をこえる 空 気 振 動 まで 広 い 指 向 性 を 確 保 するとともに 電 気 信 号 から 空 気 振 動 への 変 換 器 として 過 渡 応 答 特 性 位 相 特 性 などの 物 理 特 性 の 向 上 をはかった( 図 3) 同 時 に 基 幹 脳 活 性 化 を 導 き 得 る 感 覚 感 性 面 の 表 現 能 力 の 向 上 をはかった さらに 視 覚 情 報 についても シミュレ ータ 内 で 呈 示 可 能 な 条 件 の 下 で 空 間 密 度 を 変 えることにより 基 幹 脳 活 性 がどのように 変 動 する かを 検 討 し その 結 果 に 基 づいて 校 正 用 シミュレータの 映 像 呈 示 システムを 調 整 した また 前 年 度 までに 既 に 開 発 済 の 被 験 者 の 拘 束 度 を 低 減 した PET 装 置 (PET-Hat) 5) について 4
小 型 化 と 性 能 の 高 度 化 を 検 討 PET 支 持 機 構 の 検 討 を 行 い 特 許 を 取 得 した 1) して 論 文 発 表 を 行 うとともに 被 験 者 の 自 由 度 をより 高 めるための 4. 成 果 発 表 等 (4-1) 原 著 論 文 発 表 論 文 詳 細 情 報 1. S.Yamamoto, M.Imaizumi, T.Watabe, H.Watabe, Y.Kanai, E.Shimosegawa, J.Hatazawa, Development of a Si-PM-based high-resolution PET system for small animals, Physics in Medicine and Biology, vol.55, No.19, pp.5817-5831, 2010. (DOI:10.1088/0031-9155/55/19/013) 2. E.Nishina, M.Morimoto, A.Fukushima, R.Yagi, Hypersonic sound track for Blu-ray Disc AKIRA, ASIAGRAPH Journal, vol.4-1, pp.53-58, 2010. 3. N.Kawai, M.Morimoto, M.Honda, E.Onodera, E.Nishina, N.Kawai, T.Oohashi, Study on the Sound Structure of Georgian Traditional Polyphony (1): Analysis of the Temperament Structure, The Fifth International Symposium of Traditional Polyphony Proceedings. (in press). 4. M.Morimoto, M.Honda, E.Nishina, N.Kawai, T.Oohashi, Study on the Sound Structure of Georgian Traditional Polyphony (2): Quantitative Analysis of Fluctuation Structure, The Fifth International Symposium of Traditional Polyphony Proceedings. (in press). 5. S.Yamamoto, M. Honda, T. Oohashi, K. Shimizu, M. Senda, Development of a brain PET system, PET-Hat: a wearable PET system for brain research, IEEE Transaction on Nuclear Science. (in press). 6. 福 島 亜 理 子, 仁 科 エミ, 大 橋 力, 茅 原 拓 朗, 広 田 光 一, 廣 瀬 通 孝, コンテンツ 特 性 がステレオ バランス 感 覚 におよぼす 影 響 についての 音 量 調 整 行 動 を 指 標 とする 評 価, ヒューマンインタフ ェース 学 会 論 文 誌, pp.91-98, Vol.13, No.1, 2011. 7. 八 木 玲 子, 中 村 明 一, 仁 科 エミ, < 江 戸 の 音 >の 超 知 覚 構 造 尺 八 の 響 きを 対 象 として, 民 族 藝 術, vol.27, pp.110-115, 2011. 8. 森 本 雅 子, 河 合 徳 枝, グルジア 伝 統 ポリフォニーの 音 律 構 造 について, 民 族 藝 術, vol.27, pp.124-129, 2011. (4-2) 知 財 出 願 1 平 成 22 年 度 特 許 出 願 件 数 ( 国 内 3 件 ) 2 CREST 研 究 期 間 累 積 件 数 ( 国 内 8 件 ) 5