JP4145344B1 - 脳活動測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】アルファ波に制限されること無く、脳疾患の種類及び度合と、ニューロン機能の低下/回復部分を明確に示すことができる脳活動測定装置を提供する。
【解決手段】被験者の頭部に取り付けられて該被験者の頭皮上電位を測定する複数個のセンサから出力された頭皮上電位のアルファ波の周波数より広い所定周波数帯域を更に一定周波数幅を持った所定個数の周波数バンクに分割し、分割した各周波数バンクのデータを時間軸上で所定時間幅のセグメントに分割し、各セグメントについて求めた規格化パワーバリアンス間の平均値と、所定の正常者集団について同様にして予め求めた規格化パワーバリアンス間の平均値及び標準偏差とから該被験者のZスコアを求め、全周波数バンクに渡る各脳波センサについての該Zスコアの平均値を脳表面上にマップ化する。
【選択図】図3

Description

本発明は脳活動測定装置に関し、特に老人性痴呆障害等の脳活動障害を判定するために脳活動状態を測定する装置に関するものである。
老人性痴呆に関しては、９０歳では３０％近くが痴呆状態になっているという統計もあり、これからの高齢化社会にとって大きな問題になりつつある。
これに伴い、このような痴呆障害をできるだけ早期に発見し重度の痴呆状態に至る前にその治療を行うことが望まれているが、この痴呆障害の測定（判定）装置としては、本発明者らが、被験者の頭部に取り付けられて該被験者の頭皮上電位を測定する複数個の脳波センサと、各脳波センサの出力信号中のアルファ波成分を数値データに変換して各サンプリング時点についての双極子度を求め、該双極子度のピーク発生時点における等価双極子による頭皮上電位と該測定頭皮上電位との二乗誤差の一定時間範囲内の平均値又は該平均値からのバリアンスを各脳波センサについて求め、これらの平均値又はバリアンスの頭皮上又はこれに対応する脳表面上の分布に関する等高線マップを作成する演算装置と、該等高線マップを出力する出力装置とを備えた脳活動測定装置、を既に提案している（例えば特許文献1参照。）。
特許第3581361号
上記の特許文献１では、脳内のどこかにニューロン機能の低下が存在することを、アルファ波の頭皮上電位分布を解析することにより検出しているため、下記の問題点がある。
イ）アルファ波をほとんど示さない人がかなりの数に上る。
ロ）開眼状態ではアルファ波は抑制されて非常に不安定である。
ハ）アルファ波は感性状態に大きく影響される。
ニ）アルファ波のみによる脳機能低下度の局在化は、SPECT（Single Photon Emission Computing Tomography）による脳血流低下部位との一致がよくない。
すなわち、特許文献１は、あくまでアルファ波に基づいた測定を行っているため、ニューロン機能低下部位を検出せず、脳疾患の種類及び度合が不明であり、また各種の治療によってどの部分のニューロン機能が回復したのかが不明である点に問題がある。
従って、本発明は、アルファ波に制限されること無く、脳疾患の種類及び度合と、ニューロン機能の低下/回復部分を明確に示すことができる脳活動測定装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明者は、大脳皮質内のニューロン機能が低下すると、ニューロン活動が不安定になることを発見した。この影響は局所的な脳波パワーのゆらぎとして現れる(T.Musha, T.Asada, F.Yamashita, T.Kinoshita, H.Matsuda, M.Uno,Z.Chen and W.R.Shankle, "A new EEG method for estimating cortical neuronal impairment that is sensitive to early stage Alzheimer’s disease," Clinical Neurophysiology, 113 (2002) 1052-1058)。この性質はアルファ波に限らず、これより広い脳波の周波数全域（例えば2〜40Hz）に及ぶことを確認した。
このため、本発明による脳活動測定装置は、被験者の頭部に取り付けられて該被験者の頭皮上電位を測定する複数個のセンサと、各センサから出力された頭皮上電位のアルファ波の周波数より広い所定周波数帯域を更に一定周波数幅を持った所定個数の周波数バンクに分割し、分割した各周波数バンクのデータを時間軸上で所定時間幅のセグメントに分割し、各セグメントについて求めた規格化パワーバリアンス(NPV)間の平均値と、所定の正常者集団について同様にして予め求めた規格化パワーバリアンス間の平均値及び標準偏差とから該被験者のZスコアを求め、全周波数バンクに渡る各脳波センサについての該Zスコアの平均値を脳表面上にマップ化する演算装置とを備え、以てニューロンの局所的な機能低下マップを作成する。
このマップは、被験者の脳活動が正常者からどの位ズレているか、すなわちニューロン活動の「異常性」を示すため、被験者のZスコアを算出する。異常性には2種類あって、Zスコア＞０であると、ニューロン活動のゆらぎが正常者集団よりも大きく、「不安定」となっていることを示し、これに対してZスコア＜０であると、ニューロン活動が正常者集団よりも「不活発」となっていることを示すことができる。
また、アルツハイマー患者等の脳疾患者の集団に対しての平均的な同様のZスコアマップを作成し、これを当該疾患の特徴を示すテンプレート（ひな型）とする。個々の被験者のZスコアと該テンプレートとの相互相関係数を求めることで、その類似性を数値的に表示することが出来る。
例えば、ここで、上記の一定周波数幅は１Hzで該所定個数が38個であり、該所定時間は2.56秒である。
また、上記のセンサを端末装置に設け、該演算装置を計算センターに設けると共に該端末装置と該計算センターとを通信回線を介して接続してもよい。
さらに本発明では、被験者の頭部に取り付けられた複数個のセンサの各々から測定された頭皮上電位のアルファ波の周波数より広い所定周波数帯域を更に一定周波数幅を持った所定個数の周波数バンクに分割し、分割した各周波数バンクのデータを時間軸上で所定時間幅のセグメントに分割し、各セグメントについて求めた規格化パワーバリアンス間の平均値と、所定の正常者集団について同様にして予め求めた規格化パワーバリアンス間の平均値及び標準偏差とから該被験者のZスコアを求め、全周波数バンクに渡る各脳波センサについての該Zスコアを脳表面上にマップ化する手順をコンピュータに実行させるためのプログラムを提供することができる。
上記のプログラムには、さらに、特定の脳疾患者について同様に該所定の正常者に対するZスコアを求め、これをテンプレートとして該被験者のZスコアとの類似度として相互相関係数を求める手順をコンピュータに実行させることができる。
さらに本発明では、上記のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も提供される。
本発明により、脳波形の許容する2Hzから40Hzの脳波全てを対象にしたので、周波数領域を拡大したことは本質的に重要で、開眼・閉眼に拘わらずに本発明を適用できることになる。
さらに、各種の脳疾患に関する標準テンプレートを実験的に作成しておけば、それらの疾患に関する鑑別診断を行うことが出来る。さらに、それぞれの脳疾患に対する治療効果の詳細をもこのマップの変化から知ることが出来る。
・構成例：図1及び図２
図1は、本発明に係る脳活動測定装置の構成例［1］を示したものである。この構成例では、まず、頭部１に例えば２１個前後の脳波センサ又は脳磁センサ（電極とも称するが、以下、センサで総称することがある。）２１〜２２１（以下、符号２で総称することがある）を装着して脳内神経活動に基づく頭皮上電位を測定するか、或いは、予めこれらのセンサを配置したキャップ又はヘルメットを被る。なお、この場合のセンサ２は、International １0-２0standardによって決められた位置に配置するとともに、基準電位として、例えば右耳朶にもセンサ（図示せず）を装着する。
センサ２で測定された頭皮上電位は増幅器３及びマルチプレクサ４を介してアナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）５に供給され、ディジタル化された測定電位（脳波）データは入力インタフェース（Ｉ／Ｆ）１５を介してコンピュータ１０に供給される。なお、入力インタフェース１５では該データをそのまま通過させてもよいし、或いは予め指定した周波数帯域（例えばアルファ波の周波数より広い所定の周波数帯域）を持つ成分のみをディジタル・フィルタリング処理を行ってから出力してもよい。
コンピュータ１０内では、ＣＰＵ１１がバス１２を介してＲＯＭ１３、ＲＡＭ１４、入力インタフェース１５、及び出力インタフェース１６に接続されている。上記ＲＯＭ１３は読取専用の記憶媒体であり、ＲＡＭ１４は、キーボード２４及びＡ／Ｄ変換器５からの脳波データを演算時に記憶するメモリである。
また、入力インタフェース１５には、プログラム等を格納した外部記憶装置２５が接続され、出力インタフェース１６にはコンピュータ１０の演算結果を表示するＣＲＴ等の表示装置３１と、この表示装置３１に表示されるデータや波形を記憶するプリンタ３２が出力装置として接続されている。なお、外部記憶装置２５は用いずに、全てＲＯＭ１３にプログラム等を予め格納しておいてもよい。
ここで、上記の脳波データは、図2の構成例[2]に示すように、データ転送端末装置として動作する臨床現場のコンピュータ１０のインタフェース１７から、インターネット等の通信回線４１を経由して演算装置としての計算センター４２に送り、ここで解析した結果を再び通信回線４１を経由してコンピュータ１０に送り返し、ＣＲＴ３１又はプリンタ３２などの出力装置において出力し、医師が診断の材料とするように構成してもよい。この場合は、プログラムとその記録媒体は計算センター42に装備される。
・動作例：ニューロン異常性マップの生成と異常性識別（図3〜図6）
上述の構成例における動作例を、図3及びこの一部（被験者、正常者集団、及び脳疾患者集団に共通な処理部分）をより具体的に示した図4のフローチャートに沿って以下に説明する。なお、頭部１に示されたセンサ群２を配置した後、図示しない電源を投入してコンピュータ１０を初期状態に設定しておく。また、頭部１に載置した２１個のセンサ２１〜２２１から脳内神経活動に基づく頭皮上電位の測定を一定のサンプリング時間間隔で行う。
(1)正常者集団のデータベース(NPV+σ)の作成（実線矢印ルート）
ステップS1a:
まず、既存のミニ・メンタル・ステート検査(MMSE)法やSPECT(Single Photon Emission Computing Tomography)等で予め一定人数の正常者集団を決めておき、一人づつセンサ2から頭皮上電位を測定する。
ステップS2:
この場合、各センサj(j=1〜21)の電位信号は右耳朶等を基準電位として記録しているので、その影響を排除するために、全センサ電位の平均値を基準電位として電位を再計算しておく。
ステップS3:
体動、筋電、アンプの飽和などのノイズによる電位補正を行う。
ステップS4:
バンドパスフィルタ処理により、α波の周波数帯域より広い一定の周波数帯域（例えば2〜40Hz）内にある信号を抽出する。
ステップS5:
センサ（チャンネル）ｊの信号時系列を周波数軸上でM(M=1〜38)個の周波数バンク（帯域）に分離する。この場合、周波数帯域幅は1Hzである。
ステップS6:
それぞれの周波数バンクmを時間軸上でN(N=1〜70)個のセグメントに分割し、それぞれのセグメントnについて規格化パワーバリアンス(Normalized Power Variance)NPVjmnを計算する。
このNPVjmnは、信号電圧をxとすると、次式で表わされる
NPVjmn = <x4>/<x2>2- 1・・・式(1)
ここで、<・・・>はセグメントn内での時間平均を表わす。
より具体的に表すと、
NPVm = <xj,m 4>n/<xj,m 2>n 2>overj>over n - 1・・・式(2)
となる。
ステップS7:
総てのセグメントn=1〜Nでの規格化パワーバリアンスNPVjmnを平均した値<NPVjmn> n を、各センサjと周波数バンクmを指定したときの規格化パワーバリアンスNPVjmとしてRAM１４に格納する。
ステップS8:
上記のステップS1a〜S7を全ての正常者に対してくり返すことにより、正常者集団についての群平均<NPVjm>NLと群の内部での標準偏差σjmを計算し、その結果をデータベースとしてRAM１４に格納する。
(2)被験者のZスコアマップの作成（二重実線矢印ルート）
ステップS1b:
被験者に装着したセンサ2からの頭皮上電位を測定する。
ステップS2〜S7:
上記の正常者集団の場合と同様にステップS2〜S7を実行して、被験者の規格化パワーバリアンスNPVjmを算出する。
ステップS9:
被験者のZスコアを、被験者の規格化パワーバリアンスNPVjmと正常者集団の平均規格化パワーバリアンス<NPVjm>NLと標準偏差σjmとから次式に従って求める。
Figure 0004145344
ステップS10:
このZjmを全周波数バンクMについて平均すると、センサjのみの関数Zjになるので、それが該被験者のセンサjのZスコア平均値になる。これを全センサについて求めてマップ化する。
このようにして作成した或る被験者の頭部1のZスコア平均値マップが図5に示されている。このZスコア平均値マップにおいては、プラスの数字をマイナスの数字がマップ化されているが、Zスコア平均値がマイナスの値を取るのは規格化パワーバリアンスNPVjが正常者集団のセンサｊに関する平均値<NPVj>よりも小さい値を取る場合である。つまり被験者のセンサｊのパワー変動が正常者の対応するセンサjのパワーゆらぎよりも小さいことを意味しており、正常者よりもニューロン活動が不活発になっているという異常性を表している。
逆に、Zスコア平均値のプラスの値は、ニューロン活動のゆらぎが正常者集団よりも大きく「不安定」となっているという異常性を表わしている。そして、絶対値が大きければ大きい程異常性を示す。
(3)脳疾患Aを持つ患者集団のデータベース（テンプレート）の作成（点線矢印ルート）
ステップS1c:
上記の正常者集団の場合と同様にして、MMSE法やSPECT等で脳疾患Aの患者集団を特定しておき、一人づつセンサ2からの頭皮上電位を測定する。
ステップS2〜S7:
上記の正常者集団又は被験者の場合と同様に、ステップS2〜S7を実行して脳疾患Aの患者の規格化パワーバリアンスNPVjmを算出する。
ステップS11:
脳疾患Aの患者の規格化パワーバリアンスNPVjmを該患者集団で平均した<NPVjm>Aを求める。
ステップS12:
脳疾患Aの患者集団のZスコアのテンプレートを、次式のように正常者集団の<NPVjm>NL及びσjmを用いて算出する。
Figure 0004145344
ステップS13:
ステップS9で求めた被験者のZjmと、ステップS12で求めた脳疾患Aの患者のテンプレートZA;jmとの相互相関係数を次式により計算する。
Figure 0004145344
このような相互相関係数を、正常者集団(NL)(52名)と、m(mild)AD（比較的症状が軽い脳疾患者）（21名）と、s(moderately severe)AD（比較的症状が重い脳疾患者）（28名）の3グループと、mAD及びsADの2種類のテンプレートによって求めたものが、図6に示されている。なお、図中の〇中の数字は被験者番号を示し、同じ横軸位置の×印は同じ被験者の相互相関係数を示している。
図6(1)：21名のmild AD患者と、mild ADのテンプレート（○印）及びmoderately severe ADのテンプレート（×印）との相互相関係数を示す。被験者がmild ADの場合、mild ADテンプレートとの組み合わせでは、予想通りに相互相関係数が高く類似度(Likelihood)は大きくなるが、moderately severe ADテンプレートに対しては相互相関係数が小さくなっており、はっきりと区別されていることがわかる。
同図(2)：28名のmoderately severe AD被験者群に、同じ２つのテンプレートを適用した場合で、これもはっきりと区別されていることがわかる。
同図(3)：52名の正常被験者群に、同じ２つのテンプレートを適用した場合で、いずれのテンプレートに対しても相互相関係数が低く類似度が低いことを示している。
なお、本発明は、上記実施例によって限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づき、当業者によって種々の変更が可能なことは明らかである。
本発明に係る脳活動測定装置の構成例[1]を示したブロック図である。 本発明に係る脳活動測定装置の構成例[2]を示したブロック図である。 本発明に係る脳活動測定装置の処理手順を示したフロチャート図である。 図3に示すフローチャートにおいて被験者、正常者集団、及び脳疾患者集団に共通な処理部分をより分かり易く示したフロチャート図である。 本発明に係る脳活動測定装置で得られるZスコア平均値のマップを例示した図である。 本発明に係る脳活動測定装置の被験者毎の相互相関係数（類似度）を示したグラフ図である。
符号の説明
1 被験者の頭部
2, 21〜221 脳波（脳磁）センサ
3 増幅器
4 マルチプレクサ
5 A/D変換器
10 コンピュータ
11 CPU
13 ROM
14 RAM
15, 16, 17 インタフェース
24 キーボード
25 外部記憶装置
31 CRT
32 プリンタ
41 通信回線
42 計算センター
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (7)

  1. 被験者の頭部に取り付けられて該被験者の頭皮上電位を測定する複数個のセンサと、
    各センサから出力された頭皮上電位のアルファ波の周波数より広い所定周波数帯域を更に一定周波数幅を持った所定個数の周波数バンクに分割し、分割した各周波数バンクのデータを時間軸上で所定時間幅のセグメントに分割し、各セグメントについて求めた規格化パワーバリアンス間の平均値と、所定の正常者集団について同様にして予め求めた規格化パワーバリアンス間の平均値及び標準偏差とから該被験者のZスコアを求め、全周波数バンクに渡る各脳波センサについての該Zスコアの平均値を脳表面上にマップ化する演算装置と、
    を備えたことを特徴とする脳活動測定装置。
  2. 請求項１において、
    該演算装置が、さらに、特定の脳疾患者集団について同様に該所定の正常者集団に対するZスコアを求め、これをテンプレートとして該被験者のZスコアとの類似度として相互相関係数を求めることを特徴とした脳活動測定装置。
  3. 請求項１において、
    該所定周波数帯域が2〜40Hzであり、該一定周波数幅が１Hzで該所定個数が38個であり、該所定時間が2.56秒であることを特徴とした脳活動測定装置。
  4. 請求項１において、
    該センサを端末装置に設け、該演算装置を計算センターに設けると共に該端末装置と該計算センターとを通信回線を介して接続したことを特徴とした脳活動測定装置。
  5. 被験者の頭部に取り付けられた複数個のセンサの各々から測定された頭皮上電位のアルファ波の周波数より広い所定周波数帯域を更に一定周波数幅を持った所定個数の周波数バンクに分割し、分割した各周波数バンクのデータを時間軸上で所定時間幅のセグメントに分割し、各セグメントについて求めた規格化パワーバリアンス間の平均値と、所定の正常者集団について同様にして予め求めた規格化パワーバリアンス間の平均値及び標準偏差とから該被験者のZスコアを求め、全周波数バンクに渡る各脳波センサについての該Zスコアを脳表面上にマップ化する手順をコンピュータに実行させるためのプログラム。
  6. 請求項５において、
    さらに、特定の脳疾患者について同様に該所定の正常者に対するZスコアを求め、これをテンプレートとして該被験者のZスコアとの類似度として相互相関係数を求める手順をコンピュータに実行させるプログラム。
  7. 請求項５又は６に記載のプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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