JP2018532436A - 数学的分析および機械学習を使用して病気を診断する方法およびシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2015年6月25日付けの米国仮出願第62/184,796号、名称「Latent Teratogen-Induced Heart Deficits Are Unmasked Postnatally with Mathematical Analysis and Machine Learning on ECG signals」の優先権および利益を主張し、その内容の全体を参照により本明細書に組み込む。
後述する動物モデルを使用して、数学的分析および機械学習を使用して病気を診断する例示のシステムおよび方法を示す。具体的には、例示のシステムおよび方法は、分数階微積分を用いて、後の位相空間分析で使用される逆FFTを用いた数値的方法を介して、単極ECGの次元数を増加させる。
図7は、例示的な一実施形態による、生後心室中隔欠損(VSD)の回復を示す図である。図7に示されるように、動物の心血管の違いが臨床的に区別不能な生後8〜10週で絶対最小値まで減退する、顕著な心血管の違いがある2頭の同齢個体の動物を選択する。動物は、例示のシステムおよび方法を使用して、(即ち、動物の心血管の違いが臨床的に区別不能な、この生後8〜10週の期間中)どの動物が薬物投与の影響を受けたかを識別するのに使用される。
先天性心疾患(CHD)は、出現率が出生数の約1.9〜7.5%である、最も一般的な種類の先天性異常である。最も一般的な出生時欠損は、中隔が左心室と右心室の間を閉止できない、全CHDの25〜40%の心室中隔欠損(VSD)である。VSDまたは他のCHDの生後開存もしくは外科的修復によって、健常な同齢個体に比べてこれらの患者の心臓病の生涯リスクが顕著に増加し、したがって、CHDのケアを専門とする心臓病専門医が、注意深く生涯にわたって観察および場合によっては介入することが必要となる。興味深いことに、存在するVSDの約80%が生後の最初の1年以内に自然に回復する。構造的損傷が臨床的に回復することは好都合な結果であるが、回復したVSDの長期的な機能上の結果に関する情報が不足している。
図15および16は、例示的な一実施形態による、図7〜10に関連して記載されるような臨床研究の結果を示す図である。具体的には、図15は、従来の基準では区別不能であった試験動物の2つの同齢個体に対するニューラルネットワーク分析の予測出力のプロットである。プロットは、基線間が明確に視覚的に分離している、処置済みおよび対照の同齢個体の試験データ(再現率85%)に対する全ての予測を示している。比較のため、ECG信号データにおける目印を使用して高内容データを自動的に検出する、心拍変動(HRV)分析を行った。図示されるように、HRVは、同齢個体の識別には成功しなかったが、例示の方法およびシステム(機械学習予測子を使用)は大幅に良好であることが見出され、これら2つの群を弁別することが可能であり、したがってそれらが異なることが示された。
本明細書に記載する分析方法は、データ収集から特徴抽出への移行において前処理を使用した。データチャネル除去およびハースト指数フィルタ処理は最初の操作である。データを受け入れる理想的な閾値は、その指数に対して0.7であると観察によって決定され、ECG信号の計算された指数と併せて、それらの信号の代表的な部分集合の視認検査を通して0〜1の範囲であった。第二に、非生物ノイズの存在を検出するように設計された、信号のウェーブレットモデルと、信号自体との間の残余が最小限であるセグメントを選択することによって、10秒の記録間隔のうち最もクリーンな5秒のウィンドウを形成した。ウェーブレットモデルは、MATLAB(商標)(MATHWORKS;Natick,MA)Wavelet Toolboxの機能性を使用して演算される。この5秒セグメント外のデータは破棄される。
Claims (21)
- データを前処理して病態を診断するのに機械学習で使用される変数を抽出する方法であって、
被験体と関連付けられた生体電位信号データを受信するステップであって、前記生体電位信号データが、1つ以上の電気リード線から収集された生体電位信号と関連付けられる、ステップと、
プロセッサにより、周波数領域内の前記生体電位信号データの1つ以上の分数階微分操作を数値的に実施し、前記1つ以上の分数階微分操作の結果を時間領域信号データに変換することによって、第1および第2の分数階微分信号データを生成するステップであって、前記第1および第2の生成された分数階微分信号データがそれぞれ、前記生体電位信号データと同じ長さおよび同じサンプリング周波数を含む、ステップと、
前記プロセッサにより、三次元空間を生成するステップであって、前記生体電位信号データ、前記第1の分数階微分信号データ、および前記第2の分数階微分信号データの対応する値がそれぞれ、前記空間内の三次元点を形成し、前記三次元空間の幾何学的特徴および力学的性質を、前記被験体を表す変数として、前記被験体の1つ以上の診断可能な病態を検出するのに機械学習で使用する、ステップと
を含む前記方法。 - 前記周波数領域内の前記生体電位信号データに対して1次値の第1の数値的な分数階微分を実施し、分数階微分された信号データに対して逆変換(例えば、逆FFT)を実施して、前記分数階微分された信号データを時間領域信号データに変換することによって、前記第1の分数階微分信号データは生成される、請求項1に記載の方法。
- 前記逆変換が、逆高速フーリエ変換(逆FFT)操作を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記生体電位信号データに対して2次値の第2の数値的な分数階微分を実施し、分数階微分された信号データに対して逆変換(例えば、逆FFT)を実施して、前記分数階微分された信号データを時間領域信号データに変換することによって、前記第2の分数階微分信号データは生成される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の分数階微分信号データおよび前記第2の分数階微分信号データがそれぞれ、時間領域信号データを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の分数階微分信号データが、π/2の次数の分数階微分によって生成される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2の分数階微分信号データが、0.5の次数の分数階微分によって生成される、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記三次元空間の前記幾何学的特徴および力学的性質が、前記空間内の前記三次元点のMMP(修正マッチング追跡)アルゴリズムを実施することによって生成される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生体電位信号データが、単一の電気リード線から収集された生体電位信号と関連付けられる、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生体電位信号の単一の電気リード線から収集した測定値が、前記被験体の胸囲線、前記被験体の腹囲線、前記被験体の手首、前記被験体の骨盤線、前記被験体の首、前記被験体の足首、前記被験体の前頭、および前記被験体の腕線から成る群から選択される場所におけるものである、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
- プロセッサにより、前記空間内の前記三次元点のアルファシェイプを生成するステップであって、前記三次元空間の前記幾何学的特徴および力学的性質が前記アルファシェイプの幾何学的特徴を含む、ステップを含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記空間内の前記三次元点のドロネー三角形メッシュを生成するステップであって、前記三次元空間の前記幾何学的特徴および力学的性質が前記ドロネー三角形メッシュの前記幾何学的特徴を含む、ステップを含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生体電位信号データが心電図(ECG)データを含む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記機械学習が、人工ニューラルネットワークアルゴリズムまたは回帰ランダムフォレストアルゴリズムを含む、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 被験体と関連付けられた生体電位信号データを受信するステップであって、前記生体電位信号データが、2つ以上の電気リード線から収集された生体電位信号と関連付けられる、ステップと、
プロセッサにより、周波数領域内の前記生体電位信号データの少なくとも1つにおける1つ以上の分数階微分操作を数値的に実施し、前記1つ以上の分数階微分操作の結果を時間領域信号データに変換することによって、分数階微分信号データを生成するステップであって、前記生成された分数階微分信号データが、前記生体電位信号データの前記少なくとも1つと同じ長さおよび同じサンプリング周波数を含む、ステップと、
前記プロセッサにより、三次元空間を生成するステップであって、前記生体電位信号データおよび前記分数階微分信号データそれぞれの対応する値がそれぞれ、前記空間内の三次元点を形成し、前記三次元空間の幾何学的特徴および力学的性質を、前記被験体を表す変数として、前記被験体の1つ以上の診断可能な病態を検出するのに機械学習で使用する、ステップとを含む、データを前処理して病態を診断するのに機械学習で使用される変数を抽出する方法。 - 前記生体電位信号の前記2つ以上の電気リード線から収集した測定値がそれぞれ、前記被験体の胸囲線、前記被験体の腹囲線、前記被験体の手首、前記被験体の骨盤線、前記被験体の首、前記被験体の足首、前記被験体の前頭、および前記被験体の腕線から成る群から選択される場所におけるものである、請求項15に記載の方法。
- 哺乳類の先天性心疾患(CHD)を判断する方法であって、
所定の間隔で記録される、哺乳類と関連付けられる生体電位記録値を受信するステップと、
前記生体電位記録値と関連付けられる変数を展開して、データセットを作成するステップと、
哺乳類がCHDを有するかを判断するために、前記データセットを分析するステップと
を含む前記方法。 - 前記哺乳類と関連付けられる前記生体電位記録値が、単一の表面リード線を備える測定機器を使用して記録される、請求項17に記載の方法。
- 測定機器が心内電位図装置を含む、請求項17または18に記載の方法。
- 測定機器がスマートウォッチまたはフィットネス用心臓バンドを含む、請求項17〜19のいずれか一項に記載の方法。
- ネットワーク接続された生体電位想定装置から生体電位データを受信するように構成された記憶デバイスと、
1つ以上のプロセッサと、
命令が格納されたメモリとを備え、前記命令が前記プロセッサによって実行されると、前記プロセッサが、
前記生体電位データと関連付けられた位相空間変数を生成し、
哺乳類がCHDを有するかを判断するために、前記位相空間変数を分析する、システム。
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