「生体情報工学」（東京電機大学出版局）の増補１３０５０５１章序論１．１生体情報工学生体情報の計測、処理、制御を工学の立場から取り扱う生体情報工学を、 Biological Information Engineering と英語表記した．これは文献（星宮、86）によるものである．生物情報（バイオ情報）と計算機科学の融合が起こり、生物情報科学（Bioinformatics バイオインフォマティクス）の分野が作られてきた。バイオインフォマティクスに関する米国連邦保健局ＮＩＨ(National Institute of Health) の定義は． What is Bioinformatics ? - Research, development, or application of computational tools and approaches for expanding the use of biological, medical, behavioral or health data including those to acquire, store, organize, archive, analyze, or visualize such data. (Working definition of Bioinformatics -July 17, 2000) である．日本国内で、研究会、学会でこの名称を用いるところは、遺伝子、タンパク質などのミクロなレベルを対象としている学問である分子生物学、生化学などと計算機の融合の領域を意味しているようである．ＮＩＨの定義はより広い領域を意味している．ＮＩＨの定義を基にすると、生体情報工学は現在では Bioinformatics Engineering を包含しているように思える．認知科学は、人間のこころの仕組みの解明を目指す学問で、心の中の表象（表現）のレベルでの理解と、情報処理システム（視覚、音声などの入力に対して情報処理を施して運動として出力するシステム）とみなすこと、の２つが中心である．課題は、知覚、思考、学習、記憶、意識、感情、信念システム、行為実現、技能、発達、言語、相互作用である．生体情報工学には、この領域も含むことになる．１．１．５生体工学バイオニクスbionicsは生物的原理と物理的原理を融合することによって技術の新しいフロンテイアを目指すとの理念のもとに提唱された学問である。生命の基本単位を表すギリシャ語 bion に応用を意味する語尾 ics を付けたものである．生体工学 Biological Engineering と医用工学 Medical Engineering はそれぞれ目指すところが違うので厳密には分けて考えた方がいいが、研究者や手法として共通の面が多いので、まとめて医用生体工学Biomedical Engineering と呼ばれることが多い．ｓ１−1/10 Y センサ1 （ヨーイングを検出）検ヨ出ー器イングヨーイング（左右方向のブレ）センサ２（ピッチングを検出）センサ回路モータ1 （上下方向に駆動）角速度信号ブレ補正光学系サーボ回路光軸の方向 X Z ピッチング（上下方向のブレ）モータ2 （左右方向に駆動）図Ｓ１．１手振れ補正カメラの構成１．２機械と生体の比較例：カメラの手ぶれ補正と前庭動眼反射１．２．１カメラの手ぶれ補正手ぶれ補正のシステムでは、基本的には、手ぶれの検出と手ぶれの補正の２つの機能が必要であり、現在の機器では、それぞれについて、（１）手ぶれ（動きベクトル）の検出の方法として、 i) センサにより角速度検出する方式、 ii) 画像から手ぶれを検出する方式、（２）手ぶれ補正の方法として、 i) 機械的な補正方式（レンズあるいはプリズムを駆動して補正）、 ii) 画像処理による補正方式（取り込んだ画像を移動させて手ぶれを除去）、がある．カメラに搭載されたシステム（大石、９４）の概略は図Ｓ１．１に示す．圧電振動ジャイロ（角速度センサ）を２個用い水平、垂直２方向の動き、つまり、カメラのヨーイング方向（左右方向）とピッチング方向（上下方向）の手ぶれの角速度を検出する．検出された角速度に応じて、ヨーイング方向とピッチング方向にそれぞれ専用に設けられたモータを駆動し、手ぶれ補正光学系を制御する．ここでは位置、速度のフィードバックを用いたサーボ系が用いられている．１．２．２前庭動眼反射＜前庭動眼反射による眼球の動き＞ｓ１−2/10 図Ｓ１．２頭部の正弦波状の回転（上段）に対する眼球の頭部に対する回転（中段）、眼球運動の中の前庭動眼反射による緩徐相cumulative eye positionの成分（下段）。前庭反射の振る舞いがヒトを用いて調べられている．図Ｓ１．１に計測結果の一例を示す（宗木、７４）．ヒトをイスに座らせ、そのイスを水平面内において左右に正弦波状に回転させる．なお暗所において開眼の状態である．頭部に対する眼球の回転角度は眼電位を計測することにより検出する（付録１ー１参照）．図の上段は頭の回転角度で、中段はこのときの眼球運動（頭部に対する回転角）である．頭部の回転の周波数と同じゆっくりとした動きが見られる．これが前庭動眼反射による成分である．下段に前庭動眼反射の応答を示す．急速相を取り除いて得られる緩徐相の成分cumulative eye positionである．図に見られるように、緩徐相成分は頭部位置とほぼ１８０度位相がずれ、逆の方向に回転して頭の動きを補償している．なお、正弦波の入力（頭の回転角度）に対して正弦波の出力（緩徐相成分）となっており、本実験条件の下では前庭動眼反射の系は概ね線形系と考えることができる．ものを眺めているとき、頭を動かすと、このような反射が働き、網膜上の像のブレの補正に役立っているのであろう．なお図Ｓ１．2は、暗所での前庭動眼反射の応答であっ ------------------------------------------------------------------------注１：人体の構成単位は細胞cellである．一定の機能を分担するようになる細胞の集団を組織tissueという．上皮組織，筋組織，神経組織などがある．数種類の組織からなり，さらに高次の機能を営む形態を器官または臓器organという．例えば、心臓である．協同して働く器官を群にまとめて系統systemという．視覚系、運動系といｓ１−3/10 て、明るい所でのブレ防止に前庭動眼反射がどの程度貢献しているかは、十分には明確にされていない．いずれにせよ網膜上の像のブレが生じるとき、前庭動眼反射、急速眼球運動などいくつかの機能がその防止のために並列に働いていることは間違いない．＜前庭動眼反射の周波数特性＞前庭動眼反射の周波数特性がネコを用いて計測されている．頭部回転θｈを入力、前庭動眼反射による眼球の回転角度θeを出力としている．結果の一例を図Ｓ１．３に示す（ Carpenter, 72 ）．図の上部がゲイン、下部が位相であり、正常ネコの結果を×印でプロットしている．０．１Ｈｚ近傍でゲインは１．０であり、位相は約１８０度進んで図Ｓ１．３前庭動眼反射の周波数特性ネコの結果、小脳があるときと除去されたとき．ｓ１−4/10 おり、頭の回転を補償していることが分かる．ただし、ゲインは周波数が高くなると減少し、位相の進みも減少している．この特性は、伝達関数Gvor (s) で表現すると、近似的に Gvor (s) = Θe (s) 0 . 5 ( 1+ 0.57 s ) = Θh (s) s ( 1+ 0.047 s ) （Ｓ１ー１）で表される（宗木、７４）．図Ｓ１．３の波線がこの関数の周波数特性である．前庭動眼反射に対して重要な役割を果たしている前庭小脳を除去し、同様にして周波数特性を測定している．図Ｓ１．３に⃝印でプロットしている．図に示すように、小脳が除去されたときは、ゲインは低周波数の領域では１．０より小さく前庭動眼反射はほとんど２０° D1 右 D7 Vh 右 1s 図Ｓ１．４前庭動眼反射の応答正弦波状頭部回転に対する眼球運動を示す．Ｖｈは頭の回転角速度（６０deg/s, 0.17Hz）、Ｄ１は左右が逆転するプリズムを装着する前、Ｄ７は装着後７日目、の眼球の回転角度．（Gonshor 、76）頭の動きを補償していない．この周波数特性は、近似的に Gvor (s) = 16 ( 1+ 1.4 s ) （Ｓ１ー２） s ( 1+ 8.84 s ) と表現される．図の実線はこの式から得られるゲインと位相である．＜前庭動眼反射の適応＞前庭動眼反射は実は開ループ制御系になっている．小脳はこの反射弓に大きく関わっている．小脳は前庭器官からの信号を受け、頭が動いたとき、プルキンエ細胞から前庭核への抑制性信号をどれだけ出力すれば適切な眼球運動が起こるかを計算している訳である．ｓ１−5/10 図Ｓ１．５前庭動眼反射のゲインの変化横軸は実験開始からの日数で、最初の上向きの矢のときゴーグルを装着し、次の矢のとき、それを外している．このフィードフォワード型制御系において小脳は計算機の役目を果たし、パーセプトロンと同様の学習機械であると言われている．教師信号は下オリーブ核からの視覚情報である．網膜上の像を処理し、視野にブレが生じたかどうか、そしてそれはどれだけかという処理・判断結果である．視覚環境を正常から異常な状態に変化させたときの実験結果を説明する（Gonshor 、76）．ヒトに左右が逆になるメガネ（ゴーグル）をかけて日常生活を送らせた場合である．このメガネをかけると、頭を動かした場合、前庭動眼反射は余計にものがブレて見えるように働く．この反射はないほうがよい．このメガネを掛ける前の前庭動眼反射の応答を測定している．図Ｓ１．４に結果の一例を示す．曲線Ｖｈのようにヒトの頭をゆっくりと左右に回転（正弦波状、角速度振幅６０度/s、０．１７Hz）させる．このときの眼球運動（頭部に対する回転角）を曲線D１に示す．このメガネをつけさせて１週間後に、ヒトを回転台にのせて眼球運動を計測した結果が曲線D７である．緩徐相成分の振幅が曲線D１より小さくなっている（約１／４に減少）．ゲインが装着後にどのように変化したを図Ｓ１．５に示す．周波数は０．１７Ｈｚであり、角速度についてのゲインを求めている．つまり、眼球運動の角速度の緩徐相成分の振幅を e とし、頭部回転速度の振幅を h とすると、ゲインは e / h である（付録１− ２）．装着後ゲインが減少していることが示されている．左右が逆に見えるような視覚環境下にすると、前庭動眼反射のゲインが時間と共に徐々に減少するという結果である．７日目にメガネを外しているが、メガネをはずすと、ゲインはゆっくりと増加している．そｓ１−6/10 して、元に戻る．（生体情報工学の図１．５のＤ９は図Ｓ１．５の９日の結果に対応する．）なお、このような前庭動眼反射のゲイン変化という適応・学習に小脳が深く関わっていることがウサギを用いた実験により明らかにされている．１．６課題課題１．１の解答ヒント：自分の右手は体の正面の左側に見える．左側に見えるが、体性感覚からは右手として認知されているので、動かしている右手を右手と認知するとき、当初頭では混乱がおきる．課題１．２の解答ヒント：直角プリズムを利用すればよい．一例を図Ｓ１．６に示す．図Ｓ１−６左右が逆に見えるプリズムｓ１−7/10 付録１−１電気眼球図ＥＯＧー眼球運動の計測ー眼球運動の測定法として、網膜と角膜との間の電位差を利用する方法がある。この電位を計測、記録したものが電気眼球図 Electro-oculogram（ＥＯＧ）である。角膜は網膜に対して０．４∼１．０ｍＶ正の電位を有している。その発生メカニズムはよく分かっていない。図Ｓ１-７に示すように眼球を回転させ注視の向きを変えるとき、この静止電位も眼球と共に回転する（齋田、８４)。眼の左右に皮膚電極を置くことにより、この電位差を検出できる。その電圧変化は眼球の回転角度と関数関係がある。つまり静電位のベクトルの水平方向成分に比例したものが得られる。出力の電位ＶEOG は視線の向きを θとすると、 VEOG = k sin (S1-3) である．ただしｋは比例定数である．３０度程度の眼球の回転に対して約１ｍＶ程度の電圧が得られる。一対の電極を左右に置くとき水平方向の眼球運動が計測され、上下方向に置くときには上下方向の眼球運動が計測される。なお一対の電極を１つの眼に置くときにはその眼だけの運動を検出できる。図Ｓ1-７電気眼球図の測定の原理ｓ１−8/10 付録１−２周波数特性伝達関数と位相、ゲインの関係は以下の通りである．入力をｘ（ｔ）、出力をｙ（ｔ）とし、伝達関数をＧ（ｓ）とする．入力、出力のラプラス変換をＸ（ｓ）、Ｙ（ｓ）とすると、複素数であるので、 X (s) = X ( j ) e j ΘX ( ) Y (s) = Y ( j ) e j ΘY( ) (Ｓ１-4) (S１-５) と表される．ここで、ωは角周波数、 Θ X ( ) 、 Θ Y ( ) はそれぞれＸ（ｓ）、Ｙ（ｓ）の位相である．また、伝達関数Ｇ（ｓ）も複素数であるので、 G(s) = Y (s) X(s) (Ｓ１−６) G (s) = G ( j ) e j Θ G ( ) (Ｓ１−７) と表現される．したがって、ゲインについては G( j ) = Y (j ) X( j ) (Ｓ１−８) の関係があり、位相については Θ G ( ) = ΘY ( ) − Θ X ( ) (Ｓ１−９) の関係がある．ゲイン、位相ともに周波数の関数であることに注意．なお、入出力を角度とする場合と角速度とする場合、線形系ではゲインは同じ値になる．ゲイン特性と位相特性を図で表現したものがボード線図である．実際のシステムを対象とするとき、正弦波入力を与えて、十分時間が経過した状態での出力の振幅と位相を測定する．正弦波入力の周波数を低い周波数から十分高い周波数まで変化させて、この測定を繰り返す．一般に横軸は対数目盛の周波数、縦軸はゲイン（単位はｄＢ）および位相（度）である．ｓ１−9/10 参考文献（Gonshor, 76) A.Gonshor & G.Melvill Jones： Extreme vestibulo-ocular adaptation induced by prolonged optical reversal of vison, J. Physiol., Vol.256, pp.381-414 (1976 ) （日下、95) 日下博也：手振れ補正、テレビジョン学会誌、vol.49, No.2, pp.131134 （1995) （大石、９４）大石末之：アマチュアをプロにする「手振れ防止」のテクニック、エレクトロニクス、７月号、pp.31-34 (1994) （宗木、７４）宗木好一郎、藤井克彦：前庭動眼反射機構の数学モデル、第１７回自動制御連合講演会、No.1112,pp.215-216（１９７４） (Carpenter,72) R.H.S.Carpenter: Cerebellectomy and the transfer function of the vestibulo-ocular reflex in the decerebrate cat, Proc. Roy. Soc. Lond. B, Vol. 181, pp. 353-374 (1972) (齋田、８４）齋田真也：眼球運動の計測、工業技術院製品科学研究所報告 No.99, pp.20-24 (1984) ｓ１−10/10