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脳情報インタフェースの精度向上に向けた多次元脳活動データ拡張の構築

研究課題

研究課題/領域番号 23K21686
補助金の研究課題番号 21H03480 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分61020:ヒューマンインタフェースおよびインタラクション関連
研究機関長岡技術科学大学

研究代表者

南部 功夫  長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (40553235)

研究分担者 和田 安弘  長岡技術科学大学, 工学研究科, 理事・副学長 (70293248)
アンドラデエドアルド カラベス  秋田工業高等専門学校, その他部局等, 講師 (30825013)
佐藤 貴紀  秋田工業高等専門学校, その他部局等, 講師 (60840759)
横山 寛  滋賀大学, データサイエンス学系, 助教 (10829823)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)
2024年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
2023年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2021年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円)
キーワード脳活動 / データ拡張 / 脳 / BCI / 転移学習 / 脳活動計測 / 脳波 / 筋活動
研究開始時の研究の概要

本研究では、スモールデータである非侵襲脳活動を用いたインターフェースの精度向上に向け、データ拡張およびデータ変換に関する検討を行う。敵対的生成ネットワークを用いたデータ拡張やデータ変換を用いることで、脳波や機能的近赤外分光計測法のデータ数を増加させ、大量のデータが必要な人工知能による識別器の利用を可能とすることを目指す。

研究実績の概要

本研究では、脳情報インターフェースの精度向上のため、以下の検討を行った。
(1)脳波と筋活動の変換
脳波と筋活動の同時計測データを用いて、それぞれのデータから別のデータを変換により生成する手法の検討を行った。特に、運動想起時の脳波から生成することを試みた。その結果、
(2)アンサンブル学習を用いた識別器
他の被験者のデータを使って補い、データ数を向上させることが転移学習の一つとして考えられるが、その場合には被験者の違いによって精度が悪化する可能性がある。そこで、アンサンブル学習に基づき、トレーニング時の被験者のモデルの出力からクラスの重みを決定する手法を提案し、精度が向上することを確認した。
(3)脳情報インターフェースの解析を行う場合には、課題そのものではなく教示中の視覚刺激による影響があり、精度の比較に問題が生じる場合がある。今回、視覚刺激時のデータを含む場合と含まない場合で精度の比較を行い、視覚刺激の影響で精度が誤って評価される可能性を示した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

転移学習のためのアンサンブル学習のアルゴリズムや、データ変換など、当初の予定通りに進んでいる。

今後の研究の推進方策

今後、データ拡張、データ生成、転移学習を組み合わせた手法や、異なるモダリティ間のデータ変換も検討を行う。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 6件)

  • [雑誌論文] Effects of Data Including Visual Presentation and Rest Time on Classification of Motor imagery of Using Brain-Computer Interface Competition Datasets2023

    • 著者名/発表者名
      Kento Suemitsu, Isao Nambu
    • 雑誌名

      IEEE Access

      巻: 11 ページ: 59542-59557

    • DOI

      10.1109/access.2023.3285236

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Transposed Convolution as Alternative Preprocessor for Brain Computer Interface using Electroencephalogram2023

    • 著者名/発表者名
      Kenshi Machida, Isao Nambu, Yasuhiro Wada
    • 雑誌名

      Applied Sciences

      巻: 13(6) 号: 6 ページ: 3578-3578

    • DOI

      10.3390/app13063578

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Sliding-Window Normalization to Improve the Performance of Machine-Learning Models for Real-Time Motion Prediction Using Electromyography2022

    • 著者名/発表者名
      Taichi Tanaka, Isao Nambu, Yoshiko Maruyama, Yasuhiro Wada
    • 雑誌名

      Sensors

      巻: 22(13) 号: 13 ページ: 5005-5005

    • DOI

      10.3390/s22135005

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Comparative Study of Ensemble Learning Methods for Improving Cross-Subject Classification of Motor Imagery in EEG-Based Brain-Computer Interfaces2023

    • 著者名/発表者名
      Quang Lam Dinh Pham, Isao Nambu
    • 学会等名
      ISEE2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] An Ensemble Learning Approach for Cross-subject Classification in Motor Imagery2023

    • 著者名/発表者名
      Quang Lam Dinh Pham, Isao Nambu
    • 学会等名
      IEEE EMBC2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 運動想起脳波における視覚提示時間を含む学習データは分類性能を過剰に評価する2023

    • 著者名/発表者名
      末満堅人 南部功夫.
    • 学会等名
      電子情報通信学会信越支部大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] アンサンブル学習に基づく運動想起の被験者間分類のアプローチ2022

    • 著者名/発表者名
      Pham Lam Dinh Quang, 南部功夫
    • 学会等名
      電子情報通信学会信越支部大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Sliding Window normalization による筋電を用いる他人のデータで学習した分類器の予測精度向上2022

    • 著者名/発表者名
      田中太一, 南部功夫, 圓山由子, 和田安弘
    • 学会等名
      日本ロボット学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Prediction of finger movement using electromyography2021

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Hoshino, Isao Nambu, Yasuhiro Wada,
    • 学会等名
      Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Decoding Individual Finger Movements from Single Trial EEG of Motor Execution and Imagery Using CNN2021

    • 著者名/発表者名
      Masaki Yasuhara, Isao Nambu, Yoshiko Maruyama, Yasuhiro Wada
    • 学会等名
      Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Verification of Normalization Method to Improve Usability and Versatility among Users of Applications that Predict Continuous Motion Using Electromyography2021

    • 著者名/発表者名
      Taichi Tanaka, Isao Nambu, Yoshiko Maruyama, Yasuhiro Wada
    • 学会等名
      Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Improvement of human error prediction accuracy in single-trial analysis of electroencephalogram2021

    • 著者名/発表者名
      Daiki Nishiura, Isao Nambu, Yoshiko Maruyama, Yasuhiro Wada
    • 学会等名
      Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Translation between Electroencephalography and Electromyography using Discovery Generative Adversarial Network2021

    • 著者名/発表者名
      Kok Yen Tham, Yoshiko Maruyama, Isao Nambu, Yasuhiro Wada
    • 学会等名
      電子情報通信学会信越支部大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 脳波における分類に寄与する学習データの抽出に向けたデータ拡張の検討2021

    • 著者名/発表者名
      末満堅人, 南部功夫, 和田安弘, 圓山由子
    • 学会等名
      電子情報通信学会信越支部大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 訓練データ数増加による聴覚BCIの識別精度向上に関する検討2021

    • 著者名/発表者名
      北出悠也, 圓山由子, 南部功夫, 矢野昌平, 和田安弘
    • 学会等名
      電子情報通信学会信越支部大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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