(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）記録された原脳波時系列と該原脳波時系列に混入した心電図アーチファクト波形とから、上記原脳波時系列を上記心電図アーチファクト波形の周期毎に分割し、分割した各々の心電図アーチファクト波形の頂点時刻を同期させて加算平均し、この加算平均して求めた波形を電位０となる時刻によって要素波形に分割し、この要素波形毎に振幅及び持続時間を正規化して、上記原脳波時系列に混入した心電図アーチファクト波形の正規化標準波形を作成し、
（ｂ）この心電図アーチファクト正規化標準波形を用いて、該正規化標準波形の相似波形を作成し、この相似波形と上記原脳波時系列との相関を計算し、この相関の最も高い相似波形の相似パラメータから、波形変動特性を考慮した心電図アーチファクト推定時系列を作成し、
（ｃ）上記原脳波時系列から上記心電図アーチファクト推定時系列を差し引き、脳波時系列成分のみを抽出することを特徴とする、脳波解析方法。
【請求項２】
（ａ）記録された原脳波時系列と脳波記録と同時記録した心電図時系列とを心電図波形周期毎に分割し、該個々の心電図波形より０電位を基準として波形を分割し、それぞれの要素波形から振幅に関するパラメータと持続に関するパラメータを抽出し、該パラメータを用いて脳波時系列を正規化し、この脳波時系列を加算平均することによって心電図アーチファクト波形の正規化標準波形を作成し、
（ｂ）上記心電図アーチファクト波形の正規化標準波形を上記パラメータを用いて逆正規化して、波形変動特性を考慮した心電図アーチファクト推定時系列を作成し、
（ｃ）上記原脳波時系列から上記心電図アーチファクト推定時系列を差し引き、脳波時系列成分のみを抽出することを特徴とする、脳波記録の解析方法。
【請求項３】
前記相似波形の相似パラメータは、前記分割した波形毎の各々の要素波形の、持続時間、前記頂点時刻及び振幅であることを特徴とする、請求項１に記載の脳波解析方法。
【請求項４】
前記正規化標準波形は、心電図アーチファクト波形の測定毎にこの心電図アーチファクト波形の正規化標準波形を求め、この正規化標準波形を重み付きで既使用中の正規化標準波形に加算平均して更新することを特徴とする、請求項１又は３に記載の脳波解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、波形形状把握に基づいた心電図アーチファクト除去処理による脳波解析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
脳機能の状態を調べる有効かつ簡便な方法として脳波記録方法があるが、一般的な脳波記録方法としては、耳朶に基準電極をおく導出法が用いられる。しかしながら、この方法では、耳朶にしばしば脳電位が混入する（耳朶活性化現象）ため、正確な電位マップ等を求める際の障害となる。そこで、脳電位の影響が及ばない頭部外に基準電極を設置する方法が採用されているが、この方法では、脳波よりも非常に大きい振幅（１０倍以上）を有する、心臓の鼓動によって生ずる電位、すなわち、心電図アーチファクト（脳波測定にとって雑音）が混入するため、この心電図アーチファクトの除去が重要となる。
【０００３】
従来の頭部外基準電極による脳波記録方法としては、人体の胸面と背面とに電極を設置し、２電極間に適当な抵抗を挟んだものを基準電極として用いる方法  「Y. Ishiyama, M. Ebe, I. Honma and Z. Abe: Elimination of EKG artifacts  from EEG s recorded with balanced non-cephalic reference electrode  method, Electroenceph. clin. Neurophysiol., 53, 662/665, 1982 」があるが、これは抵抗値の変動などで心電図アーチファクトを精度良く除去できない場合があった。また、脳波と同時に記録した心電図をトリガー信号として心電図Ｒ波による頂点同期加算平均によってアーチファクト形状を推定し除去する方法  ［M. Nakamura and H. Shibasaki: Elimination of EKG artifacts from EEG records; A New method of Non-cephalic Referential EEG Recording,Electroenceph. clin. Neurophysiol., 66, 88/92, 1987 ］があるが、個々の心電図アーチファクトの形状変動が無視できないので、除去精度が低いという問題点があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、高精度に心電図アーチファクトの除去を行うことができる、波形形状把握に基づいた心電図アーチファクト除去処理による脳波解析方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の脳波解析方法は、（ａ）記録された原脳波時系列とこの原脳波時系列に混入した心電図アーチファクト波形とから、原脳波時系列を心電図アーチファクト波形の周期毎に分割し、分割した各々の心電図アーチファクト波形の頂点時刻を同期させて加算平均し、この加算平均して求めた波形を電位０となる時刻によって要素波形に分割し、この要素波形毎に振幅及び持続時間を正規化して、原脳波時系列に混入した心電図アーチファクト波形の正規化標準波形を作成し、（ｂ）この心電図アーチファクト正規化標準波形を用いて正規化標準波形の相似波形を作成し、この相似波形と原脳波時系列との相関を計算し、この相関の最も高い相似波形の相似パラメータから波形変動特性を考慮した心電図アーチファクト推定時系列を作成し、（ｃ）原脳波時系列から心電図アーチファクト推定時系列を差し引き、脳波時系列成分のみを抽出することを特徴とする。
【０００６】
上記構成において、前記相似波形の相似パラメータは、好ましくは、前記分割した波形毎の各々の要素波形の、持続時間、前記頂点時刻及び振幅である。また、前記正規化標準波形は、好ましくは、心電図アーチファクト波形の測定毎にこの心電図アーチファクト波形の正規化標準波形を求め、この正規化標準波形を重み付きで既使用中の正規化標準波形に加算平均して更新する。
【０００７】
また、本発明の脳波解析方法は、（ａ）記録された原脳波時系列と脳波記録と同時記録した心電図時系列とを心電図波形周期毎に分割し、個々の心電図波形より０電位を基準として波形を分割し、それぞれの要素波形から振幅に関するパラメータと、持続に関するパラメータを抽出し、パラメータを用いて脳波時系列を正規化し、この脳波時系列を加算平均することによって心電図アーチファクト波形の正規化標準波形を作成し、（ｂ）この心電図アーチファクト波形の正規化標準波形を上記パラメータを用いて逆正規化して、波形変動特性を考慮した心電図アーチファクト推定時系列を作成し、（ｃ）原脳波時系列から心電図アーチファクト推定時系列を差し引き、脳波時系列成分のみを抽出することを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、心電図アーチファクト波形の正規化標準波形を、原脳波時系列または同時記録した心電図時系列から求めるから、正確な波形形状把握が成された心電図アーチファクト正規化標準波形を得ることができる。
正確な心電図アーチファクト正規化標準波形を用い、要素波形毎に相似係数法または逆正規化法に基づいて原脳波時系列から心電図アーチファクト推定時系列を得るようにすれば、心電図アーチファクト個々の変動特性を含んだ正確な心電図アーチファクト推定時系列を得ることができる。
原脳波時系列から正確な心電図アーチファクト推定時系列を差し引くようにすれば、脳波成分のみを抽出することができる。
さらに、本発明によれば、正確な脳波測定が可能になると共に、これまでの脳波測定方法では実現できなかった遠隔電場誘発脳電位の正確な頭上マップの作成や脳波活動量（脳電位）の絶対値の測定も可能になる。
また、正規化標準波形を、心電図アーチファクト波形の測定毎に更新するので、実時間処理など逐次的に脳波データの処理を行う場合に、より高度な心電図アーチファクト除去が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の脳波解析方法の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
脳波の記録は、国際１０−２０法に従って設置された頭皮上の電極と、脳電位の影響が及ばない左手に設置した基準電極との電位差を記録することで行った。
【００１０】
心電図アーチファクトの除去の全体手順は、（ａ）記録された原脳波時系列から、この原脳波時系列に混入した心電図アーチファクト波形の正規化標準波形を作成し、（ｂ）この心電図アーチファクト正規化標準波形を用いて、原脳波時系列から波形変動特性を伴った心電図アーチファクト推定時系列を作成し、（ｃ）心電図アーチファクト推定時系列を原脳波時系列から差し引き、脳波時系列成分のみを抽出する、段階から成る。
上記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の手順を以下に順番に説明する。
【００１１】
（ａ）正規化標準波形の作成
正規化標準波形の作成法には２つの方法がある。一つは、処理対象である脳波時系列の情報のみを用いた同期加算平均による方法、もう一つは、同時記録した心電図の情報を用いる方法である。
【００１２】
最初に、同期加算平均による方法を説明する。
図１は、本発明の同期加算平均法による正規化標準波形の作成方法を示す図である。
図１（Ａ）に示すように、頭部外基準電極法により記録した原脳波時系列ｙ（ｔ）は、心電図波形と脳波が重畳しているが、心電図波形が支配的であり、心電図アーチファクト波形の最大振幅時刻、すなわちＲ波頂点時刻を検出する。原脳波時系列ｙ（ｔ）のｋ個目の頂点時刻をｔp （ｋ）とし、その時刻より２００ｍｓさかのぼった時刻から、次の頂点時刻ｔP （ｋ＋１）より２００ｍｓ前までの波形を一つの心電図アーチファクト波形と定義し、図１（Ｂ）に示すように、これらを一つの頂点時刻に同期させてそろえ、次の加算平均式によって加算平均を行うことで脳波の影響を相殺し、図１（Ｃ）に示すように、心電図アーチファクト加算平均波形ｙ* （ｔ）を得る。
【００１３】
【数１】
0003864390.tif 000002
【００１４】
続いて、得られた心電図アーチファクト加算平均波形の振幅と持続時間を規格化し、心電図アーチファクトの正規化標準波形を作成する。加算平均波形ｙ* （ｔ）を電位が０となる時刻によって分割し、それぞれの波形をＰ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ１波、Ｔ２波とする。分割された個々の波形に対して、振幅を１に、各要素波形の頂点時刻を境に前後の持続を１に正規化し、図１（Ｄ）に示すように、正規化標準波形ｘ（τ）を得る。
心電図アーチファクト波形は、心臓の心房、心室それぞれの動きに起因するため、要素波形毎に変動特性も異なる。そのため、心電図アーチファクト波形を電位０となる時刻によって要素波形に分割し、処理を行うことによって、高精度の心電図アーチファクト除去が可能になる。
【００１５】
次に、脳波記録と同時に記録した心電図の情報を用いる正規化標準波形の作成方法を説明する。
図２は、本発明の脳波記録と同時に記録した心電図の情報を用いる正規化標準波形の作成方法を示す図である。
図２（Ａ）に示すように、頭部外基準記録脳波時系列ｙ（ｔ）と同時記録した心電図ｕ（ｔ）より、個々の心電図波形を抜き出す。個々の心電図波形より、図２（Ｂ）に示すように、０電位を基準として波形を分割し、それぞれの要素波形から振幅に関するパラメータ〔Ｈp （ｋ），ＨQ （ｋ），ＨR （ｋ），ＨS （ｋ），ＨT1（ｋ），ＨT2（ｋ））と、持続に関するパラメータ（ＤP f （ｋ），  ＤQ f （ｋ），ＤR f （ｋ），ＤS f （ｋ），ＤT1f （ｋ），ＤT2 f（ｋ），  ＤP b （ｋ），ＤQ b （ｋ），ＤR b （ｋ），ＤS b （ｋ），ＤT1b （ｋ），  ＤT2b （ｋ）〕を抽出する。図２（Ｃ）に示すように、これらのパラメータを用いて脳波時系列ｙ（ｔ）を正規化し、振幅と持続に関する変動を抑えた脳波時系列ｙ**（τ）を得る。この脳波時系列ｙ**（τ）を加算平均することによって、図（Ｄ）に示す正規化標準波形ｘ（τ）を得る。
【００１６】
（ｂ）心電図アーチファクト推定時系列の作成
次に、心電図アーチファクト推定時系列の作成について説明する。
個々の心電図アーチファクト波形は、その持続時間と振幅にばらつきが大きいため、それぞれの要素波形毎に変動特性を考慮した心電図アーチファクト推定時系列を作成することによって、心電図アーチファクト推定時系列の精度が向上する。アーチファクト推定時系列の作成方法には、相似係数を用いる方法と、心電図情報を用いた逆正規化による方法の二つがある。
【００１７】
最初に、相似係数を用いる方法を説明する。
図３は、本発明の相似係数を用いた心電図アーチファクト推定時系列の作成方法を示す図である。
相似係数を用いた方法は、持続の推定と振幅の推定という二つの段階を踏む。図３に示すように、始めに、正規化標準波形ｘ（τ）に対して相似係数を導入し、相似波形を作成する。相似波形は、分割したＰ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ１波、Ｔ２波のそれぞれの要素波形に対して作成する。相似波形の作成は、波形振幅が最も大きく、その変動も最も大きいＲ波部分から行い、続いてその両隣のＱ波とＳ波、Ｐ波とＴ１波、最後にＴ２波の順で行う。Ｒ波部分について説明すると、Ｒ波部分の正規化標準波形に対して、持続時間を変化させるための相似パラメータαR （ｋ）とβR （ｋ）、及びＲ波部分の頂点時刻ｌR （ｋ）を導入し、Ｒ波に対する相似波形ｓR （ｔ）を下記式によって作成する。
【００１８】
【数２】
0003864390.tif 000003
【００１９】
この相似波形ｓR （ｔ）と原脳波時系列ｙ（ｔ）との間で相似係数を計算し、その時の相似パラメータαR （ｋ），βR （ｋ），ｌR （ｋ）を求める。相似係数の計算は、下記の式によって行う。
【００２０】
【数３】
0003864390.tif 000004
【００２１】
上記式中、バーｓ及びバーｙを、明細書ではそれぞれｓm ，ｙm と表示する。ｓm ，ｙm はｙ（ｔ）とＳR （ｔ）それぞれの相似係数計算区間における平均値を表す。［数３］は、相似パラメータαR （ｋ），βR （ｋ），ｌR （ｋ）を変化させて脳波時系列との相関を計算し、その値が最も大きいものを求めることを意味している。［数３］を満たすときの相似波形をｓR （ｋ，ｔ）とする。
【００２２】
続いて、得られた相似波形ｓR （ｋ，ｔ）を用いて、振幅の推定を行う。振幅推定のためのパラメータａR （ｋ）を導入し、原脳波時系列ｙ（ｔ）と相似波形ｓR （ｋ，ｔ）の間の誤差が最も小さくなるように、即ち
【数４】
0003864390.tif 000005
によって係数ａR （ｋ）を決定する。係数ａR （ｋ）は最小二乗法によって
【数５】
0003864390.tif 000006
を求めることによって一意に求めることができる。これによってＲ波部分の心電図アーチファクト推定波形が得られた。
【００２３】
同様の手順をＲ波部分の両隣にあるＱ波，Ｓ波に対しても行い、続いてＰ波，Ｔ１波部分、最後にＴ２の波部分の心電図アーチファクト推定波形を求める。Ｐ波，Ｑ波，Ｒ波，Ｓ波，Ｔ１波，Ｔ２波に対してそれぞれ求めた心電図アーチファクト推定波形を全ての時間軸上で足し合わせることで、ｋ個目の心電図アーチファクトに対する推定波形ｘ* （ｋ，ｔ）を得る。同様にして、全てのｋにおいてｘ* （ｋ，ｔ）を得ることによって、心電図アーチファクト推定時系列を作成する。
【００２４】
次に、心電図情報を用いた逆正規化による心電図アーチファクト推定時系列の作成方法を説明する。
図４は、本発明の心電図情報を用いた逆正規化による心電図アーチファクト推定時系列の作成方法を示す図である。
上記に説明した、正規化標準波形の作成で抽出した心電図アーチファクトの振幅に関するパラメータ〔Ｈp （ｋ），ＨQ （ｋ），ＨR （ｋ），ＨS （ｋ），  ＨT1（ｋ），ＨT2（ｋ）〕と、持続に関するパラメータ〔ＤP f （ｋ），ＤQ f （ｋ），ＤR f （ｋ），ＤS f （ｋ），ＤT1f （ｋ），ＤT2f （ｋ），ＤP b （ｋ），ＤQ b （ｋ），ＤR b （ｋ），ＤS b （ｋ），ＤT1b （ｋ），ＤT2b （ｋ）〕を用いて、図４に示したように正規化標準波形ｘ（τ）の持続と振幅を変化させる逆正規化の手順を踏むことで、ｋ個目の心電図アーチファクトに対する推定波形ｘ* （ｋ，ｔ）を得る。同様にして、全てのｋにおいてｘ* （ｋ，ｔ）を得ることによって、心電図アーチファクト推定時系列を作成する。
【００２５】
（ｃ）差し引き
以上の手順で作成した心電図アーチファクト推定時系列を原脳波時系列ｙ（ｔ）から
【数６】
0003864390.tif 000007
のごとく差し引くことで、心電図アーチファクトの除去された処理脳波時系列  ｚ（ｔ）を得る。
【００２６】
図５は、本発明の脳波記録処理法によって心電図アーチファクトが除去された脳波データを示す図である。
図５（Ａ）は、波形形状把握を伴った本発明方法による結果で、図５（Ａ）において上から順に原脳波時系列ｙ（ｔ）、心電図アーチファクト推定波形ｘ* （ｋ，ｔ）、処理脳波時系列ｚ（ｔ）を表す。最下段の処理脳波時系列ｚ（ｔ）中からは心電図アーチファクトがほぼ完全に除去されているのが分かる。一方、図５（Ｂ）は、従来の単純同期加算平均による除去法による結果であり、特に心電図Ｒ波の部分に大きな残差が残っている。したがって、波形形状把握を伴った本発明方法によるアーチファクト除去精度が優れていることが分かる。
【００２７】
次に、正規化標準波形の更新方法について説明する。
全ての脳波データを一括して処理する方式においては必要ないが、実時間処理など逐次的に脳波データの処理を行いたい場合には、心電図アーチファクトの波形変動特性を考慮して正規化標準波形の形状を更新することで、より高度な心電図アーチファクト除去が可能となる。
図６は、本発明の正規化標準波形更新の概念を示す図である。
ｋ−１個目の心電図アーチファクト除去に用いた正規化標準波形をｘ（ｋ−１，τ）とし、これにｋ個目に検出された心電図アーチファクト波形の振幅と持続時間を規格化したものを重み付きの加算平均によって足しあわせることで、更新された心電図アーチファクトの正規化標準波形ｘ（ｋ，τ）を得る。
【００２８】
【発明の効果】
上記説明から理解されるように、本発明の脳波解析方法によれば、脳波時系列から心電図アーチファクトを高精度で除去することができ、高精度の脳波測定が可能になる。
また、本発明の脳波解析方法によれば、脳電位の絶対量の測定、遠隔電場誘発脳電位の正確な頭皮上マップの作成など、これまで困難とされてきた脳波解析が可能となる。
また、本発明の脳波解析方法はコンピュータのソフトウエアによって実現されるため、特別な装置を新たに製作する必要がなく、光磁気デスクなどの電子媒体に記録された脳波データさえあれば、脳波解析ができるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の同期加算平均法による正規化標準波形の作成方法を示す波形図である。
【図２】本発明の脳波記録と同時に記録した心電図の情報を用いる正規化標準波形の作成方法を示す波形図である。
【図３】本発明の相似係数を用いた心電図アーチファクト推定時系列の作成方法を示す波形図である。
【図４】本発明の心電図情報を用いた逆正規化による心電図アーチファクト推定時系列の作成方法を示す波形図である。
【図５】本発明の脳波記録処理法によって心電図アーチファクトが除去された脳波データを示す波形図である。
【図６】本発明の正規化標準波形更新の概念を示す波形図である。
【符号の説明】
ｔp （ｋ）      心電図アーチファクトＲ波頂点時刻
ｙ（ｔ）        原脳波時系列
ｙ* （ｔ）      加算平均波形
ｙ* * （ｔ）    正規化した原脳波時系列
ｘ（τ）        正規化標準波形
ｘ* （ｋ，τ）  心電図アーチファクト推定波形
ｕ（ｔ）        心電図時系列
ｓ（ｋ、ｔ）    正規化相似波形
αT1（ｋ）、βT1（ｋ）    持続時間の相似パラメータ
ＨR （ｋ）、ＨT1（ｋ）    振幅の正規化パラメータ
ＤT1f （ｋ）、ＤT1b （ｋ）    持続時間の正規化パラメータ
Ｐ，Ｑ，Ｒ、Ｓ、Ｔ１、Ｔ２    要素波形
【図１】
0003864390.tif 000008
【図２】
0003864390.tif 000009
【図３】
0003864390.tif 000010
【図４】
0003864390.tif 000011
【図５】
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【図６】
0003864390.tif 000013