広帯域増幅器を擁する身体装着型ディジタルレコーダの試作と応用ソフトの開発

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13558095
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 山本 光璋 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 教授 (40004618)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 片山 統裕 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 助手 (20282030) ; 中尾 光之 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 助教授 (20172265)
• Keywords: 非侵襲生体情報計測 / ポリソムノグラフ / 携帯型ポリグラフ / 低雑音 / 広帯域神経情報 / プログラマブル / 歯科治療 / フラッシュメモリ

Research Abstract

認知神経科学、行動神経科学、非侵襲的脳活動計測などの分野においては、自然の生活状態を含む諸々の環境下で生体情報計測を行なうことが重要である。ヒトや動物から得られる多チャンネル広帯域神経情報をエリアシングフリーで基本的ディジタル処理を行って、メモリカードに記録する身体装着可能な装置を開発し、その性能を評価することが本研究の目的である。そのために先ず、神経科学という応用分野を考慮し、取り扱うべき信号種、それぞれの信号が持つ周波数帯域、増幅器の入力換算雑音レベル、チャンネル数、メモリ容量、などを決定した。回路はCMOSで製作した。A/D変換器と一体化した低雑音演算増幅器の選択とアンチ・エリアシング・フィルタ回路の検討、さらに、標本化、ディジタルフィルタ処理、およびリサンプリング、大容量フラッシュメモリへの格納処理などを行うゲートアレーを設計製作するとともに、これらの回路を動作させるためのファームウエア・プログラムを作成した。製作は全て専門メーカの(株)ディジテックス研究所に依頼した。具体的には次のようなシステムを実現した。(1)最大サンプリング周波数: 1kHz (2)大容量フラッシュメモリカード装備 (3)入力換算ノイズレベル: p-p2μV(300Hzまで) (4) チャンネル数: 24チャンネル (5)本体重量: 300g (6)連続計測時間: 24時間以上 (7)通過帯域、ゲイン: プログラマブル (8)刺激・計測・標本化パラメータ: 適応的設定可。基本ソフトとしては計測したポリグラフ信号波形を確認するための波形ビューアソフト及びMATLAB(MathWorks, Inc)対応のデータフォーマット変換ソフトを製作した。また、本システムを用いて睡眠障害などの不定愁訴を伴う歯科治療患者を対象とした計測実験を行ない、治療前後での不定愁訴の改善がみられるかどうか客観評価を行なった。その結果、ポリソムノグラフにより睡眠の質が改善していることが裏付けられた。測定実験にあたっては、ヒトを対象とした実験に関する倫理規定を順守するとともに、インフォームドコンセントを得た。

Research Products

• [Publications] M.Nakao, M.Yamamoto, et al.: "Quantitative Characteristics of Alpha and Theta EEG Activities during Sensory Deprivation"Psych. and Clin. Neurosci.. 55・3. 191-192 (2001)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto, et al.: "Synchronization between Hippocampal Theta Waves and PGO Wavea during REM Sleep"Psych. and Clin. Neurosci.. 55・3. 189-190 (2001)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto, et al.: "Phase Shift of Coupled Oscillator Model with Feedbacks in Response to Multiple Bright Light Exposure"Psych. and Clin. Neurosci.. 55・3. 295-297 (2001)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto, et al.: "An Optimal Control Model of 1/f Fluctuations in Heart Rate Variability"IEEE EMB Magazine. 20・2. 77-87 (2001)
• [Publications] M.Nakao, M.Yamamoto, et al.: "Hypothalamic Sleep-Promoting Mechanisms : Coupling to Thermoregulation"Archives Italiennes de Biologie. 139. 63-75 (2001)
• [Publications] M.Yamamoto, M.Nakao, et al.: "Pain Threshold Sensor Using Thermally Isolated Resistors for Heating and Temperature Measurement"Technical Digest of 18th Sensor Symposium. 89-92 (2001)
• [Publications] N.Katayama, M. Nakao, M. Yamamoto et al.: "Mutual Entrainment in A Brain Slice-Artificial Oscillator Hybrid"Proc. NOLTA. 375-378 (2001)
• [Publications] N. Katayama, M.Nakao, M.Yamamoto: "Computation in Single Neuron with Dendritic Trees"Brainware: Bio-inspired Architechture and Its Hardware Implementation. 179-205 (2001)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "生体リズムの多振動体モデル"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2001-105. 17-22 (2001)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "フィードバック機構を有するサーカディアンシステムのモデル化"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2001-106. 23-30 (2001)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "睡眠段階移行期における生体信号ダイナミクスの変化"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2001-107. 31-38 (2001)
• [Publications] 山本, 中尾, 片山他: "急速眼球運動予測性脳幹スパイク電位の電流源推定"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2001-108. 39-46 (2001)
• [Publications] 山本, 中尾, 片山: "統合的生体情報計測システムの歯科治療への応用"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2001-109. 47-54 (2001)
• [Publications] 山本, 中尾, 片山他: "薄膜サーモードを用いた刺痛反応時間計測システムの構築"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2001-110. 55-62 (2001)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "Sequence法による圧受容器反射ゲインの推定とその状態依存性"日本エム・イー学会東北支部大会講演論文集. 28 (2001)
• [Publications] 片山, 中尾, 山本他: "海馬薄切標本におけるニューロン活動の多チャンネル計測と解析"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2001-113. 79-86 (2001)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "レム睡眠期におけるヒト顔面部からの脳幹スパイク電位計測"日本エム・イー学会東北支部大会講演論文集. 32 (2001)
• [Publications] 山本, 中尾, 片山他: "咬合治療前後における睡眠及び愁訴の変容"第26回日本睡眠学会定期学術集会抄録集. 218 (2001)
• [Publications] 山本, 中尾, 片山: "統合的生体情報計測システムの歯科治療への応用"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2001-109. 47-54 (2001)
• [Publications] 山本, 中尾, 片山他: "薄膜サーモードを用いた刺痛反応時間計測システムの構築"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2001-110. 55-62 (2001)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "Sequence法による圧受容器反射ゲインの推定とその状態依存性"日本エム・イー学会東北支部大会講演論文集. 28 (2001)
• [Publications] 片山, 中尾, 山本他: "海馬薄切標本におけるニューロン活動の多チャンネル計測と解析"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2001-113. 79-86 (2001)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "レム睡眠期におけるヒト顔面部からの脳幹スパイク電位計測"日本エム・イー学会東北支部大会講演論文集. 32 (2001)
• [Publications] 山本, 中尾, 片山他: "咬合治療前後における睡眠及び愁訴の変容"第26回日本睡眠学会定期学術集会抄録集. 218 (2001)