JP2018514296A - 電気生理学的誘発電位の変化を測定し、表示し、および正確に検出するためのシステム、方法、およびコンピュータアルゴリズム - Google Patents

Abstract

患者の生理系に対する変化を改善されたモニタリングをし、検出をし、識別をするための自動化された誘発電位解析装置を説明する。装置は、患者の神経に対して刺激を加えた後、患者の生理系から電位データを得るための入力デバイスと、電位データを受け取り、解析するためのコンピューティングシステムとを含む。コンピューティングシステムは、電位データに基づいて複数の誘発電位波形（ＥＰ）を生成し、解析のスライディングウィンドウを利用して、生成されたＥＰの変化または傾向を測定し、ＥＰの全サブセットの間の波形の増加傾向の変化を表示し、ＥＰを生成する生理系に対する変化を表す、各サブセットに対する警報票決を判定するように構成された処理回路を含む。

Description

本発明は、一般に、誘発電位（ＥＰ：ｅｖｏｋｅｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）波形の変化を検出するためのコンピュータプログラムおよび方法に関し、より詳細には、数学アルゴリズムを使用して、ＥＰ波形を評価し、表示し、波形変化への警報を計算するシステム、方法、およびコンピュータ可読媒体に関する。

本願は、本願にその全体を引用して援用する、２０１５年５月４日に出願した「ＳＹＳＴＥＭ，ＭＥＴＨＯＤ，ＡＮＤ ＣＯＭＰＵＴＥＲ ＡＬＧＯＲＩＴＨＭ ＦＯＲ ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ，ＤＩＳＰＬＡＹＩＮＧ，ＡＮＤ ＡＣＣＵＲＡＴＥＬＹ ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ ＣＨＡＮＧＥＳ ＩＮ ＥＬＥＣＴＲＯＰＨＹＳＩＯＬＯＧＩＣＡＬ ＥＶＯＫＥＤ ＰＯＴＥＮＴＩＡＬＳ」という名称の米国仮特許出願第６２／１５６，８７４号の優先権を主張する。本願は、本願にその全体を引用して援用する、２０１３年５月１日に出願した「ＳＹＳＴＥＭ，ＭＥＴＨＯＤ，ＡＮＤ ＣＯＭＰＵＴＥＲ ＡＬＧＯＲＩＴＨＭ ＡＮＤ ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＺＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＣＬＡＳＳＩＦＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＥＬＥＣＴＲＯＰＨＹＳＩＯＬＯＧＩＣＡＬ ＥＶＯＫＥＤ ＰＯＴＥＮＴＩＡＬＳ」という名称の米国特許出願第１３／８７４，８６７号（米国特許出願公開第２０１４／００２０１７８号として公開された）にも関連する。

標準有人術中モニタリング
体性感覚誘発電位は、通常、末梢神経を繰り返し刺激した後の頭部または頸部および末梢神経から記録された合計電位である。外科手術時に体性感覚誘発電位を使用して患者をモニタリングすることにより、切迫損傷、特に神経損傷の早期発見が可能になることが分かっている。

そのようなモニタリングは、一般に、高性能の多チャンネル増幅器および表示機器を用いて、医師の監督の下で、高度な訓練を受けている技師を必要とする。残念ながら、そのような人材および機器は、それらの利用の可能性が限られており、事前の予約を必要とし、また費用がかかる。さらに、そのようなモニタリングは、有意な変化の認識およびこれらの変化の警報発信を困難にする、小さなサイズの電位および進行中のノイズにより、困難に満ちている。警報を自動的に生成するのに使用される現在のシステムにおいて、実質的なノイズおよびばらつきにより、誤警報が生じることがある。

本明細書に説明する実施形態は、電気生理学的誘発電位の変化を正確に検出するための改善されたシステム、方法およびデバイスに関する。既存のシステムへの改善は、信号ノイズによる誤検出／検出漏れ警報の低減を含む。したがって、改善されたシステム、方法およびデバイスは、より正確な警報を生成する。誤検出警報の数を低減することにより、周知のシステムと比較してより効率的なシステム、方法、およびデバイスも作り出される。

本明細書に説明する実施形態は、完了したアンサンブル平均の間の増加傾向の（漸進的な）変化を示しながら自動的に実時間で誘発電位波形（ＥＰ）に対する変化を検出し、表示するための方法、デバイス、システム、装置、および／または手段に関する。本明細書に説明する実施形態は、検出漏れおよび誤検出エラーを最小限に抑え、または除去しながら可変ノイズおよびバイアスの影響を低減したまたは除去した警報を生じさせることにも関する。本開示は、一般に、実時間におけるＥＰに対する変化の特性化および分類のためのコンピュータ信号処理および表示アルゴリズムに関する。開示される実施形態は、典型的には技師および医師によって提供される専門家の解析の代わりに使用することができる。さらに、様々な実施形態を他の機器と併せて使用することができる。例えば、ＥＰの変化を検出し次第、手術台を移動させまたは調整することができる。そのような移動により、患者は、患者の損傷を改善しまたは回避するために自動的に移動されることが可能になる。したがって、本明細書における様々な実施形態は、ＥＰに基づいて機器を自動的に制御することによってそのような機器の恩恵を拡大する。

体性感覚誘発電位（ＳＳＥＰ）を正確にモニタリングし、または検出しようとするとき、波形は、ランダムおよび周期性ノイズを除去するのに役立つために特定の頻度での取得および／または一緒に平均することを必要とすることがある。ノイズに大きな影響を受けた少数の異常波形でも、一緒に平均されたとき、対象波形の見掛けの振幅（高さ）または待ち時間（開始の時間）を顕著に変更することができる。これは刺激頻度の注意深い選択および波形のフィルタリングによって部分的に避けられるが、そのような方法は、対象波形が背景ノイズの周波数範囲内に含まれ、周期性背景ノイズが幾分周波数において変動するので、完全ではあり得ない。さらに、これらの方法は、１００〜３００の刺激および結果として得られる波形の完全な平均（アンサンブル平均またはＥＡ）を生じさせ、次いで、別のＥＡとの比較に基づいて任意の疑わしい変化を確認することを必要とし、それぞれが収集するのに最大で３分までかかる。

現在は遅発性の漸進的な（増加傾向の）変化を観察する方法またはノイズに影響された異常な出来事を無視する方法が何もない。専門家をこれらの波形を解釈することに完全に従事させることの費用は、結果として業務を最もリスクの高い外科手術だけに限定することになる。さらに、解釈は、事前の負の患者の転帰などの人的要因によって偏る可能性がある。

したがって、本明細書における実施形態は、一般に、電気生理学的誘発電位の変化を測定し、表示し、および正確に検出するためのシステム、方法、デバイスおよびコンピュータアルゴリズムに関する。いくつかの態様において、実施形態は、完了したアンサンブル平均の間の漸進的変化を示しながらを含む、自動的に実時間でＥＰに対する変化を検出し、表示することができる。また、いくつかの態様において、実施形態は、検出漏れおよび誤検出エラーを最小限に抑え、または除去しながらを含む、可変ノイズおよびバイアスの影響がない警報を提供することができる。本明細書に説明する実施形態は、一般に、専門化したデバイスおよびシステム上に実装された、実時間におけるＥＰに対する変化の特性化および分類のためのコンピュータ信号処理および表示アルゴリズムに関する。そのアルゴリズムを利用したこのシステムおよびデバイスは、典型的には技師および医師によって提供される専門家の解析と置き換わることができる。

本発明の例示的な実施形態において、電気生理学的誘発電位の変化を測定し、表示し、および正確に検出するためのシステム、方法、およびコンピュータアルゴリズムが開示される。この開示において、ＥＰとは、適切な電極を使用して検出された、特定の神経系の反復刺激への電気生理学的応答のアンサンブル平均化によって得られる電圧対時間信号と定義される。ＥＰの例は、体性感覚、聴覚または視覚ＥＰである。アルゴリズムは、進行中の臨床診断の間に取得されたＥＰの時間シーケンスに適用される。アルゴリズムは、下層の神経系の機能が進行中の臨床診断によって著しく影響されているかどうかを判定するために、基準値／正常なＥＰ、ならびに任意の前のＥＰに対してＥＰの特性に対する変化を確立する。アルゴリズムは、ＥＰのシーケンスを取得し、適切なフィードバックを提供して、安全で効果的な臨床ワークフローを確保するために開発された補助的ハードウェアおよびアルゴリズムと通信する。アルゴリズムは、誤検出および検出漏れが最小限に抑えられるように臨床的に効果的なアプリケーションの基礎をもたらす。

本発明の他の特徴および利点、ならびに本発明の様々な実施形態の構造および動作を添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。

本発明の前述のおよび他の特徴および利点は、添付の図面に示すように、以下の本発明の好ましい実施形態のより詳しい説明から明らかであろう。

従来の方法の誘発電位波形（ＥＰ）の取得および表示を示す図である。 本発明の例示的な実施形態による、ＥＰの取得、表示、および警報発信のスライディングウィンドウの方法を示す図である。 例示的な実施形態による、モデルＥＰ解析装置の構成図である。

好ましい実施形態を含む本発明の様々な例示的な実施形態を以下に詳細に説明する。特定の例示的な実施形態を説明するが、これは例示のためだけであることを理解されたい。他の構成要素および構成は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく使用できることを当業者は認識するであろう。

図１は、ＥＰが取得され、表示される従来のやり方を示す。この方法を使用して、刺激の連続が加えられ、結果として得られる個々の波形が、それぞれが取得されるにつれて、または最後のアンサンブル平均までの進行中の平均の進化する平均が取得され、表示されるにつれてのいずれかで表示される。臨床的解釈は、このアンサンブル平均に基づく。使用者が平均に満足した場合、使用者は、その平均をすべての他の平均が比較される「基準値」として設定し、またはそれを繰り返して、対象波形の存在および形態を確認することができる。次いで、次の刺激の連続を用いてプロセス全体が繰り返される。次いで、その連続と、基準値として選ばれた前の連続との比較が行われる。

フィルタリングを免れる、わずか５つまたは６つのノイズの多い個々の波形により、波形形態、振幅、および待ち時間が大きく変動することがあるので、この方法を電気的にノイズの多い環境で適用すると、自動化された警報発信システムが使用されている場合、潜在的な切迫損傷の誤った警報発信をもたらすことがある。これは、一般に、臨床的状況、予想波形、および時間に対する波形パターンの一般的傾向を考慮に入れた、個々の波形の専門的解釈を必要とする。

本発明の実施形態は、ＥＰ波形の表示、波形変化に対する警報の計算、および誤検出および検出漏れ警報の最小化のためのコンピュータ信号処理およびアルゴリズムに関する。このアルゴリズムは、典型的には技師および医師によって提供される専門家の解析と置き換わることができる。ＥＰマシン上にインストールされたソフトウェアにおいて起動するコンピュータアルゴリズムは、位置決めの影響、または任意の神経損傷もしくは異常を検出し、警報発信し、改善するために、任意の外科手術または患者が危険にさらされている状況において使用することができる。

図２は、本発明による、ノイズの変動を考慮に入れ、自動的に時間に対する波形の傾向を振り返って見る、自動的に計算された警報からメタデータを使用する解析および警報発信のスライディングウィンドウの例示的な描写を示す。

１つ以上のＥＰの組を収集した後、アンサンブル平均（ＥＡ：Ｅｎｓｅｍｂｌｅ Ａｖｅｒａｇｅ）が作成され、対象波形の基準値が計算される。基準値波形は、例えば、ウェーブレット解析、曲線の当てはめなどを含む任意の標準技法によって識別することができる。

次の「ｎ」の数の刺激では、新たなＥＡが前のＥＡと同様の波形を使用して作成されるが、新たなＥＡから、いくつかのＥＰが平均の初めから除去され、同様の数が終わりに加えられる。例えば、図２に示すように、ＥＰ２は、ＥＰ１の最初の２つのＥＰを組み込まず、終わりに２つの追加のＥＰを含む。したがって、進行中の刺激の連続に対して新たなＥＡを作成するＥＰデータの「スライディングウィンドウ」選択を達成する。ある好ましい実施形態において、新たなＥＡが出来事ごとに作成され、すなわち、「ウィンドウ」は１つのＥＰだけを前方にスライドさせ、前のＥＡに対する前のＥＰ選択に対して最初を削除し、追加の１つを終わりに加える。

全平均は、重複出来事ごとに更新し、表示することができ、穏やかな形態の変化を可能にして、視聴者に対して進化する。このようにして、視聴者は、ライブイベントまたは映画を見るのと同様に、時間に対するＥＰ波形形態の実時間の増加傾向の（漸進的な）変化を観察する。本発明の例示的な実施形態において、生成された重複ＥＡにより、非重複ＥＡの間に新たに収集した波形によって生じた基準値平均による漸増的結果の影響の表示が可能になる。

新たな各ＥＡ波形は識別され、目立った特性（例えば、振幅または待ち時間）は測定され、記録される。新たな値は、特性の基準値と比較され、警報票決（alert vote）が生成されるかどうかが判定される。特性が変化閾値、すなわち、使用者が警報を作動させるように設定した変化の程度に達した場合、警報票決が生成される。このプロセスは繰り返される。新たな各ＥＡが、警報を作動させるべきか、そうでないかに関して票決を生成する。ＥＡの数が特定の数（ｎ）に達したとき、典型的にはＥＡの初期刺激がもはや基準値ＥＡと重複しないとき、票決は集計され、好ましい実施形態において、そのとき初めて、警報を作動させるのに必要なイエスとノーとの警報票決の比（Ｙ／Ｎ）に応じて警報を作動させることができる。使用者は、警報発信プロセスの特異性へのそれらの望みに応じて必要な警報票決の比（Ｙ／Ｎ）を変えることができる。他の実施形態において、票決は、連続して集計することができ、イエス（Ｙ）の票決がある所定の数に達すると、または比が所定の値に達すると、警報を作動させることができる。

本発明の例示的な実施形態において、投票プロセスは非対称である可能性があるので、患者に対する神経損傷が可能でありまたは切迫している最終警報を使用者に対して作動させ（開始）および解除する（オフセット）ために異なる投票の比を使用することができる。

警報発信プロセスは、個々の重複出来事のメタデータ（警報発信票決）を調べる。データの任意の実際の変化が持続され、常に最終的には警報に対して１００％（または近くの）のＹ／Ｎ票決を出すので、警報発信プロセスの特異性は、ここで、投票に基づいて、システムの感受性に関係なく操作することができる。例えば、使用者は比をより特異的でないように変更することができ、票決の３０％または５０％だけを必要とするのに対し、より多くの特異性には票決の８０％を必要とする。このようにして、実際の持続的変化を検出することに対するプロセスの感受性を実際に変更せずに誤警報の数の低減があり得る。現在使用されるシステムにおいて、実質的なノイズおよびばらつきは、誤警報を生じることがあるが、本発明により使用される投票比は、ノイズの多い信号の影響を減少させる。本発明の例示的な実施形態において、大幅に異なる波形値を有するＥＡは、投票プロセスから廃棄することができ、周波数フィルタを免れる断続ノイズを除去することができる。したがって、実施形態は、ＥＰにおけるノイズの影響を処理する改善されたやり方を有する。このノイズの影響は、投票プロセス自体によってさらに無効にされる。

プロセスを前進させることは繰り返され、（投票では）警報が作動されたかどうかを判定するために最後の「ｎ」の数のＥＡを使用し、基準値と容易に視覚的に比較することができる累進的に変化する波形として各ＥＡまたはＥＡの平均群を表示する。様々な実施形態において、警報が作動されたとき、他の動作も行うことができる。例えば、警報の作動をもたらす情報を他の機器に送ることができる。別の例として、手術台の一部分を移動させるコマンドを手術台に送ることができる。受領し次第、手術台は移動することができ、したがって、患者の位置を移動させることができる。移動により、患者の神経損傷の危険が低減する。

本発明の例示的な実施形態において、プロセスが確立すると、円滑に進行中の重複ＥＡの生成が、より急激な初期損傷によるものでない麻酔の冷却または深さなどのプロセスによる段階的変化を識別することができる。

図３を参照すると、例示的な実施形態によれば、上に説明したＥＰ解析は、ＥＰ解析装置３０を用いて実装される。ＥＰ解析装置３０は、システムの動作および制御のためのハードウェアとソフトウェアとを含む。例示的な実施形態によれば、ＥＰ解析装置３０は、コンピューティングシステム３１と、入力デバイス３６と、表示デバイス３７とを含む。コンピューティングシステムは、プロセッサ３３とメモリ３４とを有する処理回路３２を備える。プロセッサ３３は、汎用プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、１つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、処理構成要素の群、または他の適切な電子処理構成要素として実装することができる。メモリ３４（例えば、メモリ、メモリユニット、記憶デバイスなど）は、本願に説明する様々なプロセスを完了させまたは容易にするためにデータおよび／またはコンピュータコードを記憶するための１つ以上のデバイス（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスク記憶装置など）である。メモリ３４は、揮発性メモリまたは不揮発性メモリでよく、またはそれらを含むことができる。メモリ３４は、データベース構成要素、オブジェクトコード構成要素、スクリプト構成要素、または本願に説明する様々な活動を支持するための任意の他の種類の情報構造を含むことができる。例示的な実施形態によれば、メモリ３４は、プロセッサ３３に通信可能に接続され、本明細書に説明する１つ以上のプロセスを実行するためのコンピュータコードを含む。メモリ３４は、それぞれが特定の種類の機能に関連したデータおよび／またはコンピュータコードを記憶することができる、様々なモジュールを含むことができる。

図３をさらに参照すると、コンピューティングシステム３１は、通信インターフェース３５をさらに含む。通信インターフェース３５は、直接接続またはネットワーク接続（例えば、インターネット接続、ＬＡＮ、ＷＡＮ、またはＷＬＡＮ接続など）を介して外部源とデータ通信を行うための有線または無線インターフェース（例えば、ジャック、アンテナ、送信機、受信機、送受信機、ワイヤー端子など）であり得、またはそれらを含むことができる。

Claims (15)

1. 患者の生理系に対する変化をモニタリングし、検出し、識別するための自動化された誘発電位解析装置であって、
   患者の神経に対して刺激を加えた後、前記患者の生理系から電位データを得るための入力デバイスと、
   前記電位データを受け取り、解析するためのコンピューティングシステムであって、
   前記電位データに基づいて複数の誘発電位波形（ＥＰ）を生成し、
   解析のスライディングウィンドウを利用して、前記生成されたＥＰの変化または傾向を測定し、
   ＥＰの全サブセットの間の波形の増加傾向の変化を表示し、
   前記ＥＰを生成する前記生理系に対する変化を表す、各サブセットに対する警報票決を判定する、
   ように構成された処理回路を備えるコンピューティングシステムと、
   を備えることを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、解析のスライディングウィンドウを用いて変化を測定するステップが、
   前記複数のＥＰの第１のサブセットのアンサンブル平均波形（ＥＡ）を計算するステップと、
   前記ＥＡを表示するステップと、
   前記複数のＥＰの第２のサブセットの第２のＥＡを計算するステップであって、前記第２のサブセットが、ＥＰの前記第１のサブセットから少なくとも１つの初期ＥＰを除去し、前記第１のサブセットの終了後から少なくとも１つの追加のＥＰを含み、および前記第１および第２のサブセットが、同じ数のＥＰを含み、複数のＥＡを生成するためのスライディングウィンドウを表す、計算するステップと、
   ＥＰの前記第１のサブセットと前記第２のサブセットとの間の増加傾向の変化を表示するために前記第２のＥＡを表示するステップとを含むことを特徴とする装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、ＥＰのサブセットにおける取得したＥＰ波形が、ＥＰの前のサブセットと比較して待ち時間、振幅または形態の変化閾値に達した場合、正の警報票決（positive alert vote）が作成されることを特徴とする装置。
4. 請求項１に記載の装置であって、前記装置が、外科手術環境における他のデバイスに統合されるようにさらに構成されることを特徴とする装置。
5. 請求項１に記載の装置であって、前記コンピューティングシステムが、他のデバイスが手動でまたは自動的に生理的変化を改善し、または軽減し、続いて取得したＥＰ波形を向上させることが可能になる前記外科手術環境におけるこれらのデバイスに情報を供給するようにさらに構成されることを特徴とする装置。
6. 請求項５に記載の装置であって、手術台をさらに備え、前記手術台が、前記コンピューティングシステムからの前記情報に応答して、前記患者の位置の調整を生じさせることによって前記生理的変化を改善し、または軽減するように調整可能であるように構成されることを特徴とする装置。
7. 請求項１に記載の装置であって、前記装置のコンピューティングシステムが、
   麻酔または血圧マシンから情報を得、
   ＥＰ波形の変化が麻酔または血圧変化によるときを判定するようにさらに構成されることを特徴とする装置。
8. 末梢神経構造への潜在的損傷を自動的に識別する方法であって、
   電気パルスを用いて末梢神経を刺激するステップと、
   神経系によって生成された、結果として得られる電気波形（ＥＰ）を記録するステップであって、前記結果として得られるＥＰが、神経路にわたって配置された電極を通して収集される、記録するステップと、
   前記取得したＥＰの変化を解析のスライディングウィンドウを利用して測定するステップと、
   ＥＰの全サブセットの間の波形の増加傾向の変化を表示するステップと、
   前記ＥＰの重複サブセットからの警報投票を利用して、使用者に前記変化への警報発信をするステップとを含むことを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、解析のスライディングウィンドウを利用して変化を測定するステップが、
   前記複数のＥＰの第１のサブセットのアンサンブル平均波形（ＥＡ）を計算するステップと、
   前記ＥＡを表示するステップと、
   前記複数のＥＰの第２のサブセットの第２のＥＡを計算するステップであって、前記第２のサブセットが、ＥＰの前記第１のサブセットから少なくとも１つの初期ＥＰを除去し、前記第１のサブセットの終了後から少なくとも１つの追加のＥＰを含み、および前記第１および第２のサブセットが、同じ数のＥＰを含み、複数のＥＡを生成するためのスライディングウィンドウを表す、計算するステップと、
   ＥＰの前記第１のサブセットと前記第２のサブセットとの間の増加傾向の変化を表示するために前記第２のＥＡを表示するステップとを含むことを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、前記第２のＥＡ波形が、待ち時間、振幅または形態の変化閾値に達した場合、正の警報票決（positive alert vote）が作成されることを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、判定された数のＥＡの正の警報票決（positive alert vote）と負の警報票決（negative alert vote）との比が閾値を超えたとき、警報が作動されることを特徴とする方法。
12. 請求項８に記載の方法であって、警報に関連した情報を自動化された手術台に渡すステップと、前記手術台の調整を通して患者の位置を再調整するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
13. 請求項９に記載の方法であって、前記手術台の調整が、自動的にまたは半自動的に実施されることを特徴とする方法。
14. 請求項８に記載の方法であって、警報に関連した情報を他のデバイスまたはプロセスに渡すステップをさらに含むことを特徴とする方法。
15. 請求項８に記載の方法であって、前記電極が、頸部または頭部に配置されることを特徴とする方法。

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