JP5801234B2 - てんかん発作検出装置およびてんかん発作検出プログラム - Google Patents
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Description
本発明は、てんかん発作検出装置およびてんかん発作検出プログラムに関する。
脳波とは、脳の微弱な電気活動によって生じる電位差の変化を、頭皮あるいは頭蓋内電極などによって測定し、その信号を増幅して波形として表現したものである。またてんかん発作とは、大脳皮質の神経細胞の過剰な放電に由来するさまざま徴候・症状である。
従来、てんかん発作は、脳波の突発性の異常波として検出されていた。通常は頭皮電極による脳波を用いるが、この方法による脳波はさまざまなノイズの影響を受けやすい。特にてんかん発作において、脳波に大きな影響を及ぼすノイズは、筋緊張にともなって誘発される筋電図である。てんかん発作には運動性発作や体動が伴うことが多いため、筋電図によって脳波の信号が覆われ、脳波によるてんかん発作の検出が不可能となることが多い。また頭皮電極による脳波では、側頭葉内側部など脳深部に限局したてんかん発作は検出できないことがほとんどである。
一方、頭蓋内電極を用いた脳波は、頭皮電極による脳波と比較して、筋電図の影響を受けることがなく、大脳深部の電気活動を記録することが可能である。しかし、頭蓋内電極の設置には脳神経外科手術を必要とするため侵襲性が高く、感染などの合併症の危険もあり、患者への負担が大きい。
脳波を利用せずてんかん発作を検出する方法としては、心拍数を秒刻みで測定し、頻脈に続いて徐脈が現れたことでてんかん発作を検出するというものがある（特許文献１）。
しかし、上記方法は、心拍数の変化のみに基づいててんかん発作を検出しているため、てんかん発作以外の事象をてんかん発作として誤検出する可能性があり、また、てんかん発作の検出感度を向上させることができない可能性がある。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、心拍間隔の減少と、心拍間隔のゆらぎの大きさの変化とに基づいててんかん発作を検出することにより、てんかん発作を誤検出なく、高感度に検出することを目的とする。
本発明の上記課題は、以下の手段によって解決される。
（１）連続する心拍において心拍間隔を測定し、任意の時点の心拍間隔を横軸座標、次の心拍間隔を縦軸座標として順次プロットした二次元直交グラフを作成するグラフ作成手段と、前記グラフにおいて、原点と横座標と縦座標とが等しい点を通過する直線に対する、プロットされた点群の垂直方向の分布の標準偏差と、この直線に対して平行方向の分布の標準偏差との比の変化に基づいててんかん発作を検出する発作検出手段と、を有するてんかん発作検出装置。
（２）連続する心拍において心拍間隔を測定し、任意の時点の心拍間隔を横軸座標、次の心拍間隔を縦軸座標として順次プロットした二次元直交グラフを作成するグラフ作成手順と、前記グラフにおいて、原点と横座標と縦座標とが等しい点を通過する直線に対する、プロットされた点群の垂直方向の分布の標準偏差と、この直線に対して平行方向の分布の標準偏差との比の変化に基づいててんかん発作を検出する発作検出手順と、をコンピュータに実行させるためのてんかん発作検出プログラム。
（３）連続する心拍において心拍間隔を測定し、任意の時点の心拍間隔を横軸座標、次の心拍間隔を縦軸座標として順次プロットした二次元直交グラフを作成するグラフ作成手段と、前記グラフにおいて、プロットの経時的軌跡の変化に基づいててんかん発作を検出する発作検出手段と、を有するてんかん発作検出装置。
心拍間隔の変化と、心拍間隔のゆらぎの大きさの変化とに基づいててんかん発作を検出することにより、てんかん発作を誤検出なく、かつ高感度に検出することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るてんかん発作検出装置およびてんかん発作検出プログラムについて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るてんかん発作検出装置１のブロック図である。
図１に示すように、本実施形態に係るてんかん発作検出装置１は、生体信号増幅器１００と情報処理装置２００とを有する。
生体信号増幅器１００は、被験者の心拍に伴う心筋細胞の活動電位の時間的変動を心電図信号として出力する装置である。生体信号増幅器１００は、例えば、被験者の胸部あるいは四肢に装着されて心電図信号を取り込む電極、心電図信号を増幅する増幅器、増幅器により増幅された心電図信号から雑音を取り除くフィルタ、増幅され雑音が取り除かれた心電図信号をデジタル化するＡＤ変換器、および、外部装置と双方向通信を行うための外部インタフェースを有して構成されることができる。
情報処理装置２００は、制御部２０１、データ記憶部２０２、表示部２０３、通信インタフェース部２０４、心拍間隔検出部２０５、グラフ生成部２０６、発作検出部２０７、および、入力部２０８を有する。情報処理装置２００は、例えば、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）により構成されることができる。
制御部２０１は、プログラムに従い情報処理装置２００の上記各構成要素の制御や各種の演算処理を行う。
データ記憶部２０２は、生体信号増幅器１００から受信した心電図データの他、各種データおよび各種プログラムを記憶する。
表示部２０３は、生体信号増幅器１００から受信した心電図データに基づいて心電図を表示することができる。さらに、表示部２０３は、グラフ生成部２０６により生成されたポアンカレプロットによるグラフを表示することができる。
ここで、ポアンカレプロットとは、連続する心拍において任意の時点の心拍間隔ＲＲｎを横軸座標、この次の心拍間隔ＲＲｎ＋１を縦軸座標として二次元直交グラフに順次プロットしたものである。ここで、心拍間隔ＲＲとは、心電図の任意の時点のＲ波のピークと次にくるＲ波のピークとの時間差である。心拍間隔ＲＲｎの添え字ｎは、心拍間隔ＲＲの順番を意味しており、心拍間隔ＲＲｎ＋１は心拍間隔ＲＲｎに続く次の心拍間隔を示している。
通信インタフェース部２０４は、生体信号増幅器１００から心電図データを受信する。また、生体信号増幅器１００との間で双方向通信をすることにより相互に各種情報の送受信を行う。
心拍間隔検出部２０５は、生体信号増幅器１００から受信した心電図データに基づいて、心拍間隔ＲＲを検出する。心拍間隔ＲＲの検出は、心電図波形をデータ記憶部２０２に保存し、保存した心電図波形において隣接するＲ波のピークをそれぞれ演算により検出し、Ｒ波のピークの間隔を算出することにより行うことができる。
グラフ生成部２０６は、心拍間隔検出部２０５により各心拍について連続して検出される心拍間隔ＲＲに基づいてポアンカレプロットによるグラフを生成する。すなわち、グラフ生成部２０６は、連続する心拍において任意の時点の心拍間隔ＲＲｎを横軸座標、この次の心拍期間ＲＲｎ＋１を縦軸座標として二次元直交グラフに順次プロットしてポアンカレプロットを作成する。
発作検出部２０７は、グラフ生成部２０６が生成したポアンカレプロットのグラフに基づいててんかん発作を検出する。発作検出部２０７によるてんかん発作の検出方法については後述する。
なお、発作検出部２０７は、てんかん発作を検出したときに、通信インタフェース部２０４を介して検出信号を出力することができる。これにより、検出信号をてんかん発作に伴う危険を回避する手段を開始するための契機として利用することができる。
入力部２０８は、被験者を特定するための情報が入力されるための装置である。入力部２０８から入力された被験者を特定するための情報は、当該被験者の心電図データやポアンカレプロットのグラフと関連付けられて、データ記憶部２０２に記憶される。
図２は、てんかん発作の発生前後を通じてポアンカレプロットがされたグラフを示す図である。図２に示されたグラフの横軸は心電図波形から得られた心拍間隔ＲＲｎを示しており、縦軸は心電図波形から得られた心拍間隔ＲＲｎに時間的に隣接する、次の心拍間隔ＲＲｎ＋１を示している。
図２の点線Ｐで囲まれた部分のポアンカレプロットは、てんかん発作発生前のポアンカレプロットであり、点線Ｉで囲まれた部分のポアンカレプロットは、てんかん発作発生後のポアンカレプロットである。
図２のグラフから判るように、てんかん発作が発生すると急激に心拍間隔ＲＲが減少するとともに、直線ＲＲｎ＋１＝ＲＲｎに対し垂直方向のポアンカレプロットの分布の幅であるゆらぎが減少する。すなわち、てんかん非発作時に図２のグラフ上の右上方でゆるやかなクラスターを形成していたポアンカレプロットが、てんかん発作時に急激に左下方に移動して直線ＲＲｎ＋１＝ＲＲｎ近傍に収束する。図２ではグラフ上に直線ＲＲｎ＋１＝ＲＲｎを表示したが、表示しなくてもよい。
本実施形態は、てんかん発作が発生することにより生じる２つの現象、すなわち、心拍間隔ＲＲが減少する現象、およびポアンカレプロットのゆらぎが減少する現象に基づいててんかん発作を検出する。このような特徴的な２つの現象を利用しててんかん発作を検出することにより、てんかん発作を誤検出なく、かつ高感度に検出することができる。
図３は、発作検出部２０７がてんかん発作を検出する際に用いられるパラメータについて説明するための図である。図２と同様に、図３に示されたグラフの横軸は心電図波形から得られた心拍間隔ＲＲｎを示しており、縦軸は心電図波形から得られた心拍間隔ＲＲｎに時間的に隣接する、次の心拍間隔ＲＲｎ＋１を示している。
図３に示された各点はポアンカレプロットであり、直線ＲＲｎ＋１＝ＲＲｎが併せて示されている。図３に示された矢印Ｖｄは、直線ＲＲｎ＋１＝ＲＲｎに対し垂直方向を示しており、矢印Ｖｄ上に太線で示したＳＤ１はポアンカレプロットの矢印Ｖｄ方向の分布の標準偏差を示している。図３に示された矢印Ｐｄは、直線ＲＲｎ＋１＝ＲＲｎに対し平行方向を示しており、矢印Ｐｄ上に太線で示したＳＤ２はポアンカレプロットの矢印Ｐｄ方向の分布の標準偏差を示している。
発作検出部２０７は、ポアンカレプロットの直線ＲＲｎ＋１＝ＲＲｎに対し垂直方向Ｖｄの分布の標準偏差ＳＤ１（以下、単に「ＳＤ１値」と称する）と、ポアンカレプロットの直線ＲＲｎ＋１＝ＲＲｎに対し平行方向Ｐｄの分布の標準偏差ＳＤ２（以下、単に「ＳＤ２値」と称する）とに基づいててんかん発作を検出する。具体的には、発作検出部２０７は、ＳＤ１値をＳＤ２値で除した値（以下、単に「ＳＤ１／ＳＤ２比」と称する）の変化に基づいててんかん発作を検出する。発作検出部２０７は、以前に算出されたＳＤ１／ＳＤ２比と今回算出されたＳＤ１／ＳＤ２比とを比較し、有意な差があると判断されたことによりてんかん発作を検出することができる。
このように、ＳＤ１／ＳＤ２比の変化に基づいててんかん発作を検出することにより、てんかん発作の誤検出率をより低下させるとともに、検出感度をより向上させることができる。
ＳＤ１／ＳＤ２比の変化によりてんかん発作を検出するための閾値は被験者ごとに設定されることが望ましい。これにより、てんかん発作の検出感度をさらに向上させることができる。
なお、ＳＤ１／ＳＤ２比を与えるＳＤ１値またはＳＤ２値に対し適当な重み付けがなされてもよい。
また、発作検出部２０７は、ＳＤ１値があらかじめ設定された閾値以下となり、かつ、ＳＤ２値があらかじめ設定された閾値以上となることによりてんかん発作を検出してもよい。すなわち、ＳＤ１値、ＳＤ２値それぞれについて個別の閾値を設定し、両方の値が閾値を超えたことによりてんかん発作を検出してもよい。
また、ＳＤ２値をＳＤ１値で除した値の変化に基づいててんかん発作を検出してもよい。
図４は、本実施形態に係るてんかん発作検出プログラムのフローチャートを示す図である。てんかん発作検出プログラムは情報処理装置２００により実行されることができる。
制御部２０１は、通信インタフェース部２０４を介して生体信号増幅器１００から心電図データを受信する（Ｓ４０１）。受信された心電図データはデータ記憶部２０２に保存される。
グラフ生成部２０６は、心拍間隔検出部２０５により記憶部２０２に保存された心電図データに基づいて検出された心拍間隔ＲＲを用いてポアンカレプロットによるグラフを生成する（Ｓ４０２）。
発作検出部２０７は、グラフ生成部２０６により生成されたポアンカレプロットに基づいてＳＤ１／ＳＤ２比を算出する（Ｓ４０３）。以前に算出したＳＤ１／ＳＤ２比と今回算出されたＳＤ１／ＳＤ２比との比較で有意な差があるかを判断する（Ｓ４０４）。
以前に算出したＳＤ１／ＳＤ２比と今回算出されたＳＤ１／ＳＤ２比との比較で有意な差がないと判断された場合は、ステップＳ４０１〜ステップＳ４０３を繰り返す（Ｓ４０４：ＮＯ）。
以前に算出したＳＤ１／ＳＤ２比と今回算出されたＳＤ１／ＳＤ２比との比較で有意な差があると判断された場合は（Ｓ４０４：ＹＥＳ）、発作検出部２０７は、通信インタフェース部２０４を介して検出信号を出力する（Ｓ４０５）。
ステップＳ４０１〜ステップＳ４０５は、ユーザーによりてんかん発作の検出の終了の指示が入力されるまで繰り返される（Ｓ４０６）。
てんかん発作は予測不能性と反復性を有するという特徴がある。従って、意識減損を伴う発作が起きた場合には患者は随意運動ができなくなるため患者本人のみならず他者を事故に巻き込む危険性があるが、てんかん発作は上述した特徴があるため、発作を検出できない限り常にこのような危険性を低下させることができない。
しかし、本実施形態に係るてんかん発作検出装置によりてんかん発作を検出し、検出信号を出力することによって、検出信号を契機として、てんかん発作に伴う危険を回避するための手段を開始することができる。例えば、第三者に通知するとか、被験者が機械を操作している場合に機械の停止機能を作動させるということが考えられる。
また、本実施形態に係るてんかん発作検出装置によりてんかん発作を検出し、検出信号を出力することによって、発作を抑制するための治療処理装置を作動させるための契機として検出信号を利用することができる。例えば、発作を抑制するための薬剤注入ポンプや、脳・神経刺激装置その他の治療装置を作動させるための契機としててんかん発作の検出信号を利用することができる。
（実施例）
本実施形態の実施例について説明する。
本実施形態の実施例について説明する。
[条件と方法]
（ａ）被験者は、１９名（男性１５名）、年齢１９〜６７歳。
（ａ）被験者は、１９名（男性１５名）、年齢１９〜６７歳。
（ｂ）難治性側頭葉てんかんのてんかん発作１９回について、サンプリング周波数２００Ｈｚまたは５００Ｈｚの心電計による心電図を用いて心拍間隔ＲＲを計測し、ポアンカレプロットを作成してＳＤ１／ＳＤ２比を算出した。
（ｃ）発作前後におけるＳＤ１、ＳＤ２、およびＳＤ１／ＳＤ２比の平均値の差が有意であるかどうかを検討した。
表１に示したｐ値とは、ＳＤ１，ＳＤ２，およびＳＤ１／ＳＤ２比がてんかん発作前後で差がないという帰無仮説を立てた場合、測定したデータが偶然に帰無仮説通りになる確率を表す。
[結果]
表１は、本実施例により測定されたＳＤ１値、ＳＤ２値、およびＳＤ１／ＳＤ２比と、ｐ値とを示している。
表１は、本実施例により測定されたＳＤ１値、ＳＤ２値、およびＳＤ１／ＳＤ２比と、ｐ値とを示している。
表1に示すように、てんかん発作前後のＳＤ１／ＳＤ２比の差は有意であり、ＳＤ１／ＳＤ２比の変化によっててんかん発作を検出することが十分に可能であることが実証された。
以上、本発明の実施形態に係るてんかん発作検出装置およびてんかん発作検出プログラムについて説明したが、本実施形態は以下の効果を奏する。
心拍間隔の変化と、心拍間隔のゆらぎの大きさの変化とに基づいててんかん発作を検出することにより、てんかん発作を誤検出なく、かつ高感度に検出することができる。
また、図５に示すように心拍間隔の変化を、ポアンカレプロットにおいて点群の経時的軌跡の移動として捉える。次に、心拍毎の心拍間隔のゆらぎを、原点と横座標と縦座標とが等しい点を通過する直線とプロットされた点との距離の変化により測定する。これにより、てんかん発作をより客観的に、誤検出なく、高感度に検出することができる。ただし、直線グラフの表示は、必須の条件ではない。
また、ポアンカレプロットによるグラフにおいて原点と横座標と縦座標とが等しい点を通過する直線に対して平行方向の分布の標準偏差と、同直線グラフに対し垂直方向の分布の標準偏差との比の変化に基づいててんかん発作を検出する。これにより、より優れた信頼性をもっててんかん発作を検出することができる。
また、ポアンカレプロットによるグラフにおいて原点と横座標と縦座標とが等しい点を通過する直線に対し平行方向の分布の標準偏差に対する、同直線グラフに対し垂直方向の分布の標準偏差の比が閾値以下となることによりてんかん発作を検出する。これにより、さらに優れた信頼性をもっててんかん発作を検出することができる。
また、上記閾値を被験者ごとに設定することにより、てんかん発作の検出感度をより向上させることができる。
また、てんかん発作を検出したときに検出信号を出力することにより、検出信号を患者が操作する機械を停止させる契機等に利用することができる。これにより、発作に伴う危険を回避することができる。
なお、本発明に係るてんかん発作検出装置およびてんかん発作検出プログラムは上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態においては、てんかん発作検出装置を情報処理装置とこれに実行させるためのプログラムにより構成されるものとして説明されているが、プログラムの一部または全部をカスタムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）といったハードウェアで置き換えられてもよい。
例えば、三次元直行グラフのＹＺ軸、ＸＺ軸またはＸＹ軸に、連続する心拍において心拍間隔を測定し、任意の時点の心拍間隔と、次の心拍間隔を順次プロットしてもよい。
１ てんかん発作検出装置、
１００ 生体信号増幅器、
２００ 情報処理装置。
１００ 生体信号増幅器、
２００ 情報処理装置。
Claims (9)
- 連続する心拍において心拍間隔を測定し、任意の時点の心拍間隔を横軸座標、次の心拍間隔を縦軸座標として順次プロットした二次元直交グラフを作成するグラフ作成手段と、
前記グラフにおいて、原点と横座標と縦座標とが等しい点を通過する直線に対する、プロットされた点群の垂直方向の分布の標準偏差と、この直線に対して平行方向の分布の標準偏差との比の変化に基づいててんかん発作を検出する発作検出手段と、
を有するてんかん発作検出装置。 - 前記発作検出手段は、前記平行方向の分布の標準偏差に対する前記垂直方向の分布の標準偏差の比があらかじめ設定された閾値以下となることにより前記発作を検出することを特徴とする請求項１に記載のてんかん発作検出装置。
- 前記閾値は、前記心拍間隔の被験者ごとに設定されることを特徴とする請求項２に記載のてんかん発作検出装置。
- 前記発作検出手段が発作を検出したときに、検出信号を出力する検出信号出力手段をさらに有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のてんかん発作検出装置。
- 前記心拍間隔を計測する心拍間隔計測手段をさらに有し、前記グラフ作成手段は、前記心拍間隔計測手段により計測された連続する心拍間隔の値についてプロットすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のてんかん発作検出装置。
- 連続する心拍において心拍間隔を測定し、任意の時点の心拍間隔を横軸座標、次の心拍間隔を縦軸座標として順次プロットした二次元直交グラフを作成するグラフ作成手順と、
前記グラフにおいて、原点と横座標と縦座標とが等しい点を通過する直線に対する、プロットされた点群の垂直方向の分布の標準偏差と、この直線に対して平行方向の分布の標準偏差との比の変化に基づいててんかん発作を検出する発作検出手順と、
をコンピュータに実行させるためのてんかん発作検出プログラム。 - 前記発作検出手順は、前記平行方向の分布の標準偏差に対する前記垂直方向の分布の標準偏差の比があらかじめ設定された閾値以下となることにより前記発作を検出することを特徴とする請求項６に記載のてんかん発作検出プログラム。
- 前記閾値は、前記心拍間隔の被験者ごとに設定されることを特徴とする請求項７に記載のてんかん発作検出プログラム。
- 前記発作検出手順において発作が検出されたときに、検出信号を出力する検出信号出力手順をさらにコンピュータに実行させることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載のてんかん発作検出プログラム。
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