KURENAI : Kyoto University Research Information Repository Title Author(s) Citation Issue Date Signal Extraction and Noise Removal Methods for Multichannel Electroencephalographic Data( Abstract_要旨 ) Kawaguchi, Hirokazu Kyoto University (京都大学) 2014-03-24 URL http://hdl.handle.net/2433/188593 Right 許諾条件により本文は2014-04-01に公開 Type Thesis or Dissertation Textversion ETD Kyoto University 京都大学論文題目博士（工学）氏名川口浩和 Signal Extraction and Noise Removal Methods for Multichannel Electroencephalographic Data （多チャネル計測された脳波データからの信号抽出とノイズ除去に関する研究）（論文内容の要旨）近年、非侵襲的に脳機能を計測・解析・可視化する脳機能イメージング技術が基礎科学研究に留まらず臨床現場においても広く用いられるようになって来ている。この脳機能イメージング技術には機能的磁気共鳴画像法 (fMRI)、脳磁図 (MEG)、脳波 (EEG)、近赤外分光法 (NIRS)など、計測原理の異なる様々なモダリティが存在する。その中でも脳波は、空間分解能が低いという欠点がある一方でミリ秒単位の高時間分解能を有しており、さらに最もコンパクトで計測方法も簡単であることから精神神経科を中心とした臨床の現場においても日常的に用いられている。脳波信号の発生機構には未解明の部分も残されているものの、脳内における活動電位はミリ秒単位でニューロンを伝搬すると考えられていることから、脳波信号から高次脳機能障害の診断や病態進行観察に役立つ生体指標を抽出することが期待されている。しかし、脳波の計測データには信号と共に脳由来もしくは脳以外を由来とする雑音が多く混在するため、脳波計測データは一般的に信号対雑音比（ SNR）が低いという短所を有する。そこで、本論文では脳波信号の SNR向上を目指し、多チャネル計測されたデータに対する信号抽出ならびに雑音除去に関する新たな手法の提案を行っている。さらに提案手法の有効性を示す事を目的として、実際に統合失調症患者から得られた臨床脳波計測データに適用し，提案手法の臨床データに対する有用性を検討している。本論文は 8章からなっており、その構成は次の通りである。第 1 章は序論であり、本論文における一般的な導入と従来の研究の概要について述べている。第 2 章では、研究背景、本論文で対象とする脳波計測の原理、経験的モード分解を始めとする時間領域解析手法、Hilbert-Huang Transform を始めとする時間－周波数解析手法、多変量経験的モード分解を始めとする多変量解析手法に加え、脳波計測データにおける「信号」と「雑音」について述べている。第 3 章では、特定の脳神経活動に伴って発生し、頭皮上に配置された電極において計測される電位変動を「信号」、それ以外の体内外を発生源として信号に重畳して計測される SNR 低下をまねく電位変動を「雑音」として扱い、「雑音」の中でも特に眼球運動アーティファクトを対象として、多変量解析手法である独立成分分析、時間領域解析手法であるカルマンフィルタと経験的モード分解を組み合わせることで、「信号」の損失を極力抑える工夫を施した雑音成分除去法を提案した。また、頭部を模した球モデルと眼球を模した電流ダイポールから計算された模擬脳波を用いて提案手法と先行研究との定量的な比較を行った。その結果、提案手法が先行研究と同等の眼球運動アーティファクト除去性能を有しているだけでなく、先行研究と比較して信号の損失を有意に抑制することが出来ることを示した。第 4 章では、事象関連電位（ Event-related potential: ERP）を「信号」、脳波律動（ α 波と β 波）を「雑音」として扱い、多変量解析手法である主成分分析と経験的モード分解を組み合わせることで ERP の損失を抑えつつ脳波律動を除去する手法を提案し 1 京都大学博士（工学）氏名川口浩和た。第 3 章と同じく、頭部を模した球モデルと ERP を模した電流ダイポールから計算された模擬脳波を用いて、 ERP の SNR 向上を目指した提案手法と先行研究との定量的な比較を行った。その結果、提案手法は先行研究と比較して ERP を保持しつつ大幅に背景脳波を除去出来ることを示した。さらに、認知課題として一般的に用いられる oddball 課題遂行時に 2 人の被験者から計測した脳波計測データに提案手法を適用した結果、模擬脳波適用時と同様に、脳波律動を除去しつつ ERP 波形を保持可能であることが示唆された。第 5 章では、手首の屈伸運動に基づく α 波の変動（事象関連同期 : Event-related synchronization; ERS, 事象関連脱同期 : Event-related desynchronization; ERD）を「信号」、 α 波以外の脳波律動を「雑音」として、多変量解析手法である多変量経験的モード分解を用いて ERS/ERD の高精細な抽出を試みた。実際に 5 人の被験者から計測した左手運動時の脳波計測データを用いて、提案手法と従来の時間－周波数分解手法である短時間フーリエ変換（ Short time Fourier transform; STFT）とウェーブレット変換（ Wavelet transform; WT）に基づく手法を比較した。その結果、従来の STFT や WT では捉えることの出来なかった α 波の ERS/ERD の微細な周波数変動を提案手法では捉えることが出来た。第 6 章では、第 3 章で提案した雑音成分除去手法を実際に統合失調症患者から計測された脳波に適用することで、統合失調症の初期患者群 10 人、前駆期患者群 10 人、健常者群 10 人の間における γ 波帯の活動の違いを取得しようと試みた。まずは第 3 章と同様に眼球運動アーティファクトを含んだ模擬脳波を作成し、眼球運動アーティファクト除去に伴う γ 波帯の信号の除去量を提案手法と先行研究で比較した。その結果、提案手法は先行研究よりも γ 波帯の信号の損失を有意に抑制することが出来ることがわかった。次に、提案手法を各群の実測脳波に適用したところ，提案手法を適用することにより、解析可能な試行数（アーティファクトが含まれていないと考えられる試行数）を約 2 倍に増やすことができた。さらに各群で γ 波帯の同期活動を比較した結果、健常者群と各患者群で一部に有意な違いを見出すことが出来た。第 7 章は検討であり、第 3～ 6 章で述べた研究成果に関する総括的な考察および今後の発展について述べている。第 8 章は結論であり、本論文で得られた成果について要約している。 2 氏名川口浩和（論文審査の結果の要旨）ヒト脳機能の非侵襲的計測法の中で，本論文が研究対象とした脳波(EEG)は，装置がコンパクトかつ計測も容易であり臨床現場を始め広く用いられている．しかし，計測が容易である反面，脳波の信号対雑音比（SNR）は十分高いものではなく，その向上が課題となっている．そこで本論文では、多チャネル計測された脳波データからの信号抽出とノイズ除去に関して新手法を提案し SNR 向上に関する検討を行い、主に以下に示す 4 つの知見を得ている。 (1) “信号”である脳波に対して、眼球運動によるアーティファクトが“雑音”となるケースについて、雑音成分の除去量のみに着目していた従来の眼球運動アーティファクト除去法とは異なり、本論文では雑音成分除去に伴う信号の損失量に着目した。独立成分分析・経験的モード分解・カルマンフィルタを組み合わせることで、信号の損失を抑えながら眼球運動アーティファクトを局所的に除去する新たな手法を開発し、その有用性を示した。 (2) 事象関連電位（ERP）が“信号”、α 波、β 波などの脳波律動が“雑音”となるケースについては、主成分分析・多変量経験的モード分解を組み合わせることで、試行数によることなく脳波律動のみを除去し、ERP の SNR 向上を可能とする雑音除去法を提案し、従来法に対する優位性を示した。 (3) 一方、脳波律動である α 波が“信号”、それ以外の脳波が“雑音”と見なせるケースについては、非定常かつ非線形信号の解析を可能とする多変量経験的モード分解を用いた時間－周波数解析手法によって、従来は捕捉出来なかった α 波の微細な変調を抽出することを可能とした。 (4) 最後に (1)で述べた眼球運動アーティファクト除去法を実際に統合失調症患者から得られた臨床脳波データに適用し、提案手法の臨床データに対する有用性を示した。以上のように、本論文で提案された新たな脳波解析手法は、雑音成分除去に伴う信号損失に関する問題を軽減し、SNR や時間－周波数解析の時空間分解能の向上を可能とするものであり、計測・解析技術や脳科学の進歩に貢献することはもとより、精神疾患や神経疾患などの診断支援といった臨床にとっても役立つことが期待できるものであり、学術上、実用上寄与するところが大きい。よって、本論文は博士（工学）の学位論文として価値あるものと認める。また、平成 26 年 2 月 21 日、論文内容とそれに関連した事項について試問を行って、申請者が博士後期課程学位取得基準を満たしていることを確認し、合格と認めた。 3