JP6798905B2 - Abnormal index calculation device, abnormal index calculation method and abnormal index calculation program - Google Patents
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Description
本技術は、異常検出装置並びに異常検出方法及び異常検出プログラムに関する。 The present technology relates to an abnormality detection device, an abnormality detection method, and an abnormality detection program.
神経細胞は生物において様々な臓器の働きを調整し、中枢神経系では神経同士のネットワークを形成して活動する事で様々な情報処理を行う等をしていると考えられている。現在では細胞培養技術の発達により、生体から取り出した神経細胞や多能性幹細胞から分化した神経細胞を培養液中等で長期間に培養する事が可能になっている。 It is thought that nerve cells regulate the functions of various organs in living organisms, and in the central nervous system, they perform various information processing by forming a network of nerves and activating them. At present, with the development of cell culture technology, it has become possible to culture nerve cells extracted from a living body or nerve cells differentiated from pluripotent stem cells in a culture medium for a long period of time.
神経細胞の活動は、電気信号を用いて情報を伝達することにあり、神経細胞や神経線維における電気信号の発生の仕組みや、神経細胞を取り巻く膜の生化学的性質、神経細胞や神経線維に対する物質の薬理作用の解明のため、この神経細胞の膜内外の電位差を測定することが行われている。 The activity of nerve cells is to transmit information using electrical signals, such as the mechanism of electrical signal generation in nerve cells and nerve fibers, the biochemical properties of the membrane surrounding nerve cells, and the response to nerve cells and nerve fibers. In order to elucidate the pharmacological action of a substance, the potential difference between the inside and outside of the membrane of this nerve cell is measured.
培養神経細胞を測定対象とした場合、神経細胞の活動電位を測定する手法として、(1)細胞内電位記録法、(2)パッチ電極記録法、(3)細胞外電位記録法、が挙げられる。(1)と(2)はガラス微小電極を細胞内に刺入するか、細胞表面にあてて記録を行うものであることから直接的な膜電位を測定することはできるが、手技が困難であり細胞自体を傷つけるなど長期間の測定を行うことが困難である。これに対し(3)の細胞外電位記録法は、電極を細胞近傍に配置して細胞周囲に生じる電位変化を測定するものであり、技術的に比較的容易で、長時間の測定が可能であり、その応用範囲も広い。特に、多点平面電極(MEA:Multiple Electrode Array)を用いた細胞外電位記録法は、複数の電極や複数のサンプルから安定して同時計測できる方法として利用されている。 When cultured nerve cells are targeted for measurement, methods for measuring the action potential of nerve cells include (1) intracellular potential recording method, (2) patch electrode recording method, and (3) extracellular potential recording method. .. Since (1) and (2) are for inserting glass microelectrodes into cells or applying them to the cell surface for recording, it is possible to directly measure the membrane potential, but the procedure is difficult. It is difficult to perform long-term measurements such as damaging the cells themselves. On the other hand, the extracellular potential recording method (3) is to measure the potential change occurring around the cell by arranging the electrode near the cell, which is technically relatively easy and enables long-term measurement. Yes, and its application range is wide. In particular, the extracellular potential recording method using a multi-point planar electrode (MEA: Multiple Electrode Array) is used as a method for stable simultaneous measurement from a plurality of electrodes and a plurality of samples.
従来、細胞外電位記録法に用いる計測装置として、異なる細胞または細胞群にそれぞれ配置された異なる微小電極にそれぞれ接続された信号線の間で生じる電磁誘導によるノイズが発生しないように、1つの細胞または細胞群に配置された微小電極に接続された信号線と、他の細胞または細胞群に配置された微小電極に接続された信号線とが、実質的に分離されてアンプに接続されているものが提案されている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, as a measuring device used for the extracellular potential recording method, one cell is used so as not to generate noise due to electromagnetic induction generated between signal lines connected to different microelectrodes arranged in different cells or cell groups. Alternatively, the signal line connected to the microelectrodes arranged in the cell group and the signal line connected to the microelectrodes arranged in other cells or cell groups are substantially separated and connected to the amplifier. Those have been proposed (for example, Patent Document 1).
細胞の細胞電位変化の測定により得られた活動電位データから、細胞活動パターンの解析を行うためには、計測された細胞の活動波形データからノイズを除外し、細胞の活動パターンを検出する。また、細胞を用いて創薬スクリーニングや毒性評価を行うためには、候補試料の適用等により生じる物理的刺激、電気的刺激又は化学的刺激の有無による活動パターンの違いを評価する。 In order to analyze the cell activity pattern from the action potential data obtained by measuring the cell potential change, noise is excluded from the measured cell activity waveform data and the cell activity pattern is detected. In addition, in order to perform drug discovery screening and toxicity evaluation using cells, the difference in activity pattern depending on the presence or absence of physical stimulation, electrical stimulation or chemical stimulation caused by application of candidate samples is evaluated.
しかしながら、例えば刺激によって生じる異常な電位の変動を検出することは困難であった。特に、未知の異常な電位の変動を機械的に検出することは難しく、創薬スクリーニング等のために新規の候補試料に対して起こる電位の変動から未知の異常を検出することは困難であった。 However, it has been difficult to detect abnormal potential fluctuations caused by stimulation, for example. In particular, it is difficult to mechanically detect unknown abnormal potential fluctuations, and it is difficult to detect unknown abnormalities from potential fluctuations that occur in new candidate samples for drug discovery screening and the like. ..
そこで、本発明は、細胞外電位データから所定の標準とは異なる電位の変動パターンを検出するための技術を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a technique for detecting a fluctuation pattern of a potential different from a predetermined standard from extracellular potential data.
本発明に係る異常検出装置は、以下の通り例示できる。すなわち、異常検出装置は、異常検出において標準とする細胞外電位の経時変化を表すデータについて、第1の期間に測定された電位の値と、第1の期間とは別の第2の期間に測定された電位の値との関係を、第1の期間及び第2の期間を変更させながら学習して生成した予測モデルを用いて、標準と対比させる細胞外電位の経時変化を表すデータのうち第1の期間に対応する第3の期間に測定された電位の値に基づいて第2の期間に対応する第4の期間に測定される電位の予測値を求める予測処理部と、第4の期間において測定された電位の実測値と、予測値との差に基づいて、当該差の大きさに応じた指標値を算出する異常検出部とを備える。 The abnormality detection device according to the present invention can be exemplified as follows. That is, the abnormality detection device sets the potential value measured in the first period and the second period different from the first period with respect to the data representing the time-dependent change of the extracellular potential as the standard in the abnormality detection. Of the data representing the time course of the extracellular potential to be compared with the standard using a prediction model generated by learning the relationship with the measured potential value while changing the first period and the second period. A prediction processing unit that obtains a predicted value of the potential measured in the fourth period corresponding to the second period based on the value of the potential measured in the third period corresponding to the first period, and a fourth It is provided with an abnormality detection unit that calculates an index value according to the magnitude of the difference based on the difference between the measured value of the potential measured in the period and the predicted value.
このようにすれば、標準とする細胞外電位の経時変化の特徴を学習し、予測できるようになると共に、実測値について、予測値との差に基づいて標準と異なる電位であるか否か検出することができるようになる。すなわち、細胞外電位データから標準とは異なる電位の変動パターンを検出するための技術を提供することができる。 By doing so, it becomes possible to learn and predict the characteristics of the time-dependent change of the extracellular potential as a standard, and detect whether or not the measured value is different from the standard based on the difference from the predicted value. You will be able to. That is, it is possible to provide a technique for detecting a fluctuation pattern of a potential different from the standard from the extracellular potential data.
また、予測処理部は、第3の期間に測定された電位の値又はこれに基づく特徴量を入力とし、入力側の全ノードが出力側の全ノードと結合された全結合層及び各結合に関連付けられた所定の係数に基づいて第4の期間に測定される電位の特徴量又は予測値を求めるようにしてもよい。例えばこのように、いわゆる全結合層を含む構成を採用することができる。 In addition, the prediction processing unit uses the potential value measured in the third period or the feature amount based on the potential value as an input, and all the nodes on the input side are connected to all the nodes on the output side to the fully connected layer and each bond. The feature amount or predicted value of the potential measured in the fourth period may be obtained based on the associated predetermined coefficient. For example, in this way, a configuration including a so-called fully connected layer can be adopted.
また、予測処理部は、第3の期間に測定された電位の値又はこれに基づく特徴量を入力として、所定の畳み込みニューラルネットワークにより第4の期間に測定される電位の特徴量又は予測値を求めるようにしてもよい。例えば時系列的に変化する電位の値の特徴を捉えることができる。 In addition, the prediction processing unit inputs the potential value measured in the third period or the feature amount based on the potential value, and inputs the feature amount or the predicted value of the potential measured in the fourth period by a predetermined convolutional neural network. You may ask for it. For example, it is possible to capture the characteristics of potential values that change over time.
また、予測処理部は、第3の期間に測定された電位の値に基づく特徴量を入力とし、所定のデコンボリューショナルニューラルネットワークにより第4の期間に測定される電位の予測値を求めるようにしてもよい。特に電位の値から畳み込みで特徴量を生成する場合、いわゆる逆畳み込みにより対称的なニューラルネットワークによって出力値を生成することができる。 Further, the prediction processing unit receives a feature amount based on the potential value measured in the third period as an input, and obtains a predicted value of the potential measured in the fourth period by a predetermined deconvolutional neural network. You may. In particular, when the feature amount is generated by convolution from the potential value, the output value can be generated by a symmetric neural network by so-called deconvolution.
また、細胞外電位の値は、細胞に接するように配置される複数の電極を介して測定され、予測処理部は異なる電極によって同時期に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて、電位の予測値を求めるようにしてもよい。このようにすれば、細胞の少なくとも一部において同時期に発生した電位の変動パターンの共時的特徴に基づいて予測することができる。 In addition, the value of the extracellular potential is measured via a plurality of electrodes arranged so as to be in contact with the cell, and the prediction processing unit is a value of a plurality of potentials measured at the same time by different electrodes or a feature amount based on the value. May be used to obtain the predicted value of the potential. In this way, it is possible to make a prediction based on the synchronic characteristics of the fluctuation pattern of the potential generated at the same time in at least a part of the cell.
また、細胞外電位の値は、細胞に接するように配置される1又は複数の電極を介して測定され、予測処理部は、同一の電極によって第3の期間内における異なる時点に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて、電位の予測値を求めるようにしてもよい。このようにすれば、各電極で検出される電位の変動パターンの経時的変化の特徴に基づいて予測することができる。 In addition, the value of the extracellular potential is measured via one or more electrodes arranged so as to be in contact with the cell, and the prediction processing unit is measured by the same electrode at different time points within the third period. The predicted value of the potential may be obtained by using the value of the potential of or the feature amount based on the potential value of. In this way, it is possible to make a prediction based on the characteristics of the change over time in the fluctuation pattern of the potential detected at each electrode.
なお、課題を解決するための手段に記載の内容は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。また、課題を解決するための手段の内容は、コンピュータ等の装置若しくは複数の装置を含むシステム、コンピュータが実行す
る方法、又はコンピュータに実行させるプログラムとして提供することができる。該プログラムはネットワーク上で実行されるようにすることも可能である。また、当該プログラムを保持する記録媒体を提供するようにしてもよい。
The contents described in the means for solving the problems can be combined as much as possible without departing from the problems and technical ideas of the present invention. Further, the content of the means for solving the problem can be provided as a device such as a computer or a system including a plurality of devices, a method executed by the computer, or a program executed by the computer. The program can also be run on the network. Further, a recording medium for holding the program may be provided.
本発明によれば、細胞外電位データから所定の標準とは異なる電位の変動パターンを検出するための技術を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a technique for detecting a fluctuation pattern of a potential different from a predetermined standard from extracellular potential data .
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、実施形態は例示であり、本発明は下記の構成には限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment is an example, and the present invention is not limited to the following configuration.
<装置の構成>
図1は、本実施形態に係る測定装置の一例を示す斜視図である。測定装置1は、チップホルダ11と、電位計測装置12と、モニタ13と、機械学習装置14とを備える。チップホルダ11には、細胞群から細胞外電位を測定するための複数の電極を備えるチップ111が載置される。細胞は、細胞外電位が取得できるものであれば良く、神経細胞や筋肉細胞(例えば、心筋細胞)等が挙げられる。電位計測装置12は、内蔵するアンプによってチップ111の電極を介して測定される電位を増幅し、増幅された電位と、所定の基準電位(グラウンド電位)との差を計測する。また、電位計測装置12によって計測された電位の値は機械学習装置14へ出力され、機械学習装置14は測定された電位の値を記録する。このとき、複数の電極の各々で測定された電位は、同期をとって処理できるよう、例えば測定時刻と関連付けて記録される。また、機械学習装置14は、DNN(Deep Neural Network)を利用して測定データから電位の変化の特徴を学習したり、特徴を学習し
て生成した予測モデルを用いて測定データから将来的な電位の変化を予測する。すなわち、機械学習装置14は、異常検出処理における基準(「標準」とも呼ぶ)として用いる、任意の状態の細胞群から測定された電位の変化の特徴を学習する。本実施形態では、細胞群に対し外的な刺激のない正常時の電位変化を「基準データ」とし、当該基準データの特
徴を学習させる。なお、外的な刺激とは、例えば物理的、電気的又は化学的な刺激をいうものとする。なお、候補試料を適用する場合、候補試料の適用前後にわたる一連の細胞外電位のデータのうち、候補試料の適用前のデータを基準データとしてもよい。また、候補試料を溶解させるための溶媒又は複数の試料又は外的刺激を適用する場合、評価する試料や刺激以外を適用した外的刺激のあるデータを基準データとして扱うようにしてもよい。また、機械学習装置14は、ユーザが上述した基準と対比させる、何らかの状態の細胞群から測定された電位の値と、上述のモデルに基づいて予測された予測値とを比較する。機械学習装置14は、例えば何らかの候補試料を適用した細胞群の細胞外電位の値と予測モデルとを用いて予測値を算出すると共に、予測値と細胞外電位の実測値との差分に基づいて、基準データとは異なる変化を検出する。モニタ13は、測定された細胞外電位の値や予測値、これらの差分に関する情報、検出された異常値等を適宜表示する。
<Device configuration>
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a measuring device according to the present embodiment. The measuring
図2は、チップ(プローブ)111の一例を示す平面図である。チップ111の中央の領域には、組織切片が載置され、又は細胞が培養される。また、チップ111の中央の領域には、16個の測定電極1111(単に「電極」とも呼ぶ)が設けられており、細胞群のうち接触する領域に生じる電位を測定することができる。また、細胞群を載置する領域の周囲には、グラウンド電位を測定するための参照電極1112が設けられている。測定電極1111及び参照電極1112は、配線1113を介して電位計測装置12へ接続される。チップホルダ11は、図2に示すようなチップ111を複数載置し、複数の細胞群から電位データを測定できるようにしてもよい。なお、電極の数は1以上備えていればよく、また、電極を複数有する場合の配置に係る形状等は図2の例には限定されない。
FIG. 2 is a plan view showing an example of the chip (probe) 111. Tissue sections are placed or cells are cultured in the central region of
図3は、機械学習装置14の一例を示す機能ブロック図である。図3の機械学習装置14は、電位データ記憶部141と、機械学習部142と、予測モデル記憶部143と、予測処理部144と、予測結果記憶部145と、検証処理部146と、異常検出部147とを備える。機械学習装置14は、継続的に計測される電位の入力信号列を所定の期間(区間)ごとに区切り、ある所定数の区間の電位の値と後続の区間の電位の値との関係の特徴を学習する。また、ある区間について予測した電位の値と、電位計測装置12によって測定された実測値との差分に基づいて、基準時の電位の変化とは異なる異常値を検出する。
FIG. 3 is a functional block diagram showing an example of the
図4は、測定装置1の複数の測定電極1111によって測定された細胞外電位の値の一例を示すグラフである。図4の例は、横軸に沿って矢印の方向に時間の経過を表しており、縦方向には、8個の測定電極1111によって検出された電位の値を示すグラフが、測定のタイミングが同期するように示されている。具体的には、電位の値は所定のサンプリング間隔で継続的に測定される数値の列として記録される。
FIG. 4 is a graph showing an example of the value of the extracellular potential measured by the plurality of measuring
また、本実施形態では、ある所定数の区間の細胞外電位の実測値に対し、後続の区間の細胞外電位の実測値を教師値として学習のために用いる。例えば、図4の波形を時間軸上の所定期間ごとに区切る破線の目盛りは、グラフを所定の区間に区切る境界の一例を表している。なお、測定電極1111によって測定される電位のサンプリング間隔は、所定の区間とは一致していなくてもよく、例えば図4の目盛りで区切った区間内に複数の測定値を取得するようにしてもよい。また、本実施形態では、上述の基準データを、予測モデルの作成に用いる訓練データセット、及び作成した予測モデルの評価に用いる評価用データセットとする。また、作成した予測モデルの運用段階においては、細胞群に対し所定の候補試料を適用し、適用前後で測定される電位の値に基準時とは異なる変化が表れるか判定する。
Further, in the present embodiment, the measured value of the extracellular potential in a predetermined number of sections is used for learning as a teacher value with respect to the measured value of the extracellular potential in the subsequent section. For example, the scale of the broken line that divides the waveform of FIG. 4 for each predetermined period on the time axis represents an example of the boundary that divides the graph into predetermined sections. The potential sampling interval measured by the
電位データ記憶部141は、図4に示したような電位データを記憶する。本実施形態では、基準データ、及び細胞群に対し候補試料を適用した後の電位の測定データ(「試験データ」とも呼ぶ)が、予め電位データ記憶部141に記憶されているものとする。試験デ
ータは、ユーザが上述した基準データと対比させるための、任意の状態の細胞の細胞外電位の値である。なお、試験データについては、適用した候補試料を特定するための識別情報及び当該候補試料を適用した時点を示す情報を併せて保持しているものとする。
The potential
機械学習部142は、ニューラルネットワーク(NN:Neural Network)及び訓練データセットを利用して機械学習を行う。詳細には、機械学習部142は、特徴量算出部1421と、学習処理部1422とを有する。特徴量算出部1421は、入力される電位データに対し、所定の構成のNNに基づく処理を行い、電位の変化の特徴量を算出する処理を行う。具体的には、いわゆる畳み込みレイヤ(「畳み込み層」、「畳み込みNN」とも呼ぶ)や、全結合(FC:Full Connection)層(「全結合レイヤ」、「全結合NN」とも
呼ぶ)、逆畳み込み(デコンボリューション)レイヤ(「逆畳み込み層」、「逆畳み込みNN」とも呼ぶ)を用いる。そして、1つの電極で測定される電位データ若しくは複数の電極で測定される電極ごとの電位データ、又は複数の電極の少なくとも一部で測定される電位データの経時的変化の特徴量を算出したり、複数の電極の少なくとも一部で測定される、同時期の電位の共時的変化の特徴量を算出する。学習処理部1422は、電位データ記憶部141が保持している教師値とNNによって出力される特徴量との差に基づいて、NNの各層において適用される係数の値を更新する。
The
予測モデル記憶部143は、本実施形態において採用されるNNの構成や、機械学習部142によって生成された重み係数等のパラメータを記憶する。NNの構成、及びパラメータ等を、「予測モデル」と呼ぶものとする。
The prediction
予測処理部144は、電位データ記憶部141に保持されている評価用データや試験データ、及び予測モデル記憶部143に記憶されている予測モデルを用いて、将来的な電位の変化を予測する。予測結果記憶部145は、予測処理部144が予測した電位の予測値を記憶する。また、検証処理部146は、評価用データを用いて予測処理を行った結果について、実測値と比較し、予測処理の性能を評価する。また、異常検出部147は、試験データを用いて予測処理を行った結果である予測値について、実測値と比較し、これらの差分の大きさに基づいて、基準時とは異なる電位の変化を検出する。
The
機械学習部142はいわゆるコンピュータであり、プロセッサが所定のプログラムを実行することにより、上述した機械学習部142、予測処理部144及び検証処理部146として機能する。また、電位データ記憶部141、予測モデル記憶部143及び予測結果記憶部145は、具体的には、コンピュータが備える主記憶装置又は補助記憶装置によって実現される。
The
<装置構成>
図5は、コンピュータの一例を示す装置構成図である。機械学習装置14は、例えば図5に示すようなコンピュータである。図5に示すコンピュータ1000は、CPU(Central Processing Unit)1001、主記憶装置1002、補助記憶装置1003、通信I
F(Interface)1004、入出力IF(Interface)1005、ドライブ装置1006、通信バス1007を備えている。CPU1001は、プログラム(「ソフトウェア」又は「アプリケーション」とも呼ぶ)を実行することにより本実施の形態に係る処理等を行う。主記憶装置1002は、CPU1001が読み出したプログラムやデータをキャッシュしたり、CPUの作業領域を展開したりする。主記憶装置は、具体的には、RAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)等である。補助記憶装置1003は、CPU1001により実行されるプログラムや、本実施の形態で用いる設定情報などを記憶する。補助記憶装置1003は、具体的には、HDD(Hard-disk Drive)やSSD(Solid State Drive)、フラッシュメモリ等である。主記憶装置1002や補助記憶装置1003は、電位データ記憶部141、予測モデル記憶部143及び予測結果記憶部145
として働く。なお、説明の便宜上、図3では複数の記憶部を示したが、物理的には1つの記憶装置でも複数の記憶装置でもよい。通信IF1004は、他のコンピュータとの間でデータを送受信する。機械学習装置14は、通信IF1004を介して接続された図示していないコンピュータから電位データ受信するようにしてもよい。通信IF1004は、具体的には、有線又は無線のネットワークカード等である。入出力IF1005は、入出力装置と接続され、ユーザから入力を受け付けたり、ユーザへ情報を出力したりする。入出力装置は、具体的には、キーボード、マウス、ディスプレイ、タッチパネル等である。ドライブ装置1006は、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク等の記憶媒体に記録されたデータを読み出したり、記憶媒体にデータを書き込んだりする。そして、以上のような構成要素が、通信バス1007で接続されている。なお、これらの構成要素はそれぞれ複数設けられていてもよいし、一部の構成要素(例えば、ドライブ装置1006)を設けないようにしてもよい。また、入出力装置がコンピュータと一体に構成されていてもよい。また、ドライブ装置1006で読み取り可能な可搬性の記憶媒体や、フラッシュメモリのような可搬性の補助記憶装置1003、通信IF1004などを介して、本実施の形態で実行されるプログラムが提供されるようにしてもよい。そして、CPU1001がプログラムを実行することにより、上記のようなコンピュータを図3に示した機械学習装置14として働かせる。
<Device configuration>
FIG. 5 is a device configuration diagram showing an example of a computer. The
It includes an F (Interface) 1004, an input / output IF (Interface) 1005, a
Work as. Although a plurality of storage units are shown in FIG. 3 for convenience of explanation, one storage device or a plurality of storage devices may be physically used. The communication IF1004 transmits / receives data to / from another computer. The
なお、図3に例示した機能ブロックの一部を複数のコンピュータによって分担したり、処理するデータセットの一部を複数のコンピュータによって並列に処理したりしてもよい。また、コンピュータは、ネットワーク上のいわゆるクラウドサービスを提供するものであってもよい。 A part of the functional block illustrated in FIG. 3 may be shared by a plurality of computers, or a part of a data set to be processed may be processed in parallel by a plurality of computers. Further, the computer may provide a so-called cloud service on the network.
<機械学習処理>
図6は、測定装置1が実行する機械学習処理の一例を示す処理フロー図である。測定装置1は、まず、電位データのうち訓練データを用いて学習段階の処理を行う(S1)。本ステップでは、後述する構成のNN及び所定の係数を用いて、電位データに対し所定区間ごとに前段の区間の電位の値に基づいて予測値を算出すると共に、算出された予測値と当該区間の実測値との差分の大きさに基づいて係数を更新する処理を繰り返す。具体的には、予測値と実測値との差分の二乗値の総和が小さくなるようなパラメータを求める。
<Machine learning process>
FIG. 6 is a processing flow diagram showing an example of machine learning processing executed by the measuring
その後、測定装置1は、電位データのうち評価用データを用いてモデル評価段階の処理を行う(S2)。本ステップでは、後述する構成のNN及びS1で求められた係数を用いて、電位データに対し所定区間ごとに電位の予測値を算出すると共に、教師値と十分に一致するか評価する。本ステップにおいて教師値と十分に一致すると評価された予測モデルによれば、同様の細胞に対し同程度の性能で将来的な電位の変化を予測できると期待できる。
After that, the measuring
また、測定装置1は、電位データのうち試験データを用いて、運用段階の処理を行う(S3)。運用段階の処理については、図7を用いて詳述する。
In addition, the measuring
図7は、測定装置1が実行する運用段階の処理の一例を示す処理フロー図である。異常検出部147は、まず、所定の構成のNN及びS1で求められた係数を用いて、試験データの予測値を算出する(S11)。本ステップでは、前段の区間の測定値と上述した予測モデルとを用いて、後続の区間の電位の値を予測する。
FIG. 7 is a processing flow diagram showing an example of processing in the operation stage executed by the measuring
また、異常検出部147は、予測値と実測値との差分を算出する(S12)。本ステップにおける差分は、例えば予測値と実測値の差の二乗値を、所定の区間ごとに平均した値(「指標値」とも呼ぶ)として算出する。
Further, the
なお、指標値は、上述の例に限らず、予測値と実測値との差の大きさに応じた値を採用することができる。指標値として、例えば、予測値と実測値の差の絶対値を、所定の区間ごとに平均した値を算出するようにしてもよい。また、予測値と実測値の差の絶対値の累乗を所定の区間ごとに平均した値を用いるようにしてもよい。累乗を採用することにより、予測値と実測値との乖離の程度が明確に表れるようになる。 The index value is not limited to the above example, and a value corresponding to the magnitude of the difference between the predicted value and the measured value can be adopted. As the index value, for example, the absolute value of the difference between the predicted value and the measured value may be calculated by averaging the values for each predetermined section. Further, a value obtained by averaging the power of the absolute value of the difference between the predicted value and the measured value for each predetermined section may be used. By adopting exponentiation, the degree of discrepancy between the predicted value and the measured value becomes clear.
そして、異常検出部147は、差分の大きさに基づいて、基準時とは異なる電位の変化を検出する(S13)。本ステップでは、候補試料の適用前の区間における指標値を基準として、候補試料の適用後の区間における指標値の相対的な大きさを評価する。具体的には、候補試料の適用後の区間における指標値を、候補試料の適用前の区間における指標値で除することにより、正規化する。すなわち、正規化後の指標値が1.00に近いほど、候補試料の適用前後において測定される電位の値に候補試料の影響はないといえる。一方、正規化後の指標値が1.00を基準として大きくなるほど、又は小さくなるほど、候補試料の適用が測定される電位の値に大きく影響を与えたと検出できる。S13では、異常検出部147は、例えば所定の閾値との比較により、予測値と実測値との差分に基づく正規化後の指標値が基準値とは異なる異常値であるか否か検出する。このように、正規化後の指標値は、試験データと基準データとの差の大きさの程度を表す値といえる。なお、試験データに係る細胞外電位の測定値について異常か否かに分類せず、試験データと基準データとの差の大きさに応じた指標値を算出するだけでも、基準からの乖離の程度を知ることができるため有用である。
Then, the
図8は、細胞外電位の値の予測と異常検出を説明するための、電位の値の変化を模式的に示すグラフである。図8(1)〜(3)は、それぞれ電位の値を表す波形であり、右方向に向かって時間の経過に伴う値の変化を表している。また、縦の破線の直線は、予測に用いる期間と予測する対象となる期間を区切るタイミングの一例を示すものとする。本実施形態では、上述の通り基準時の電位の変化の特徴を学習することにより、図8(1)に示すように前段の予測に用いる期間の電位の値(実線の波形)から、後続の予測の対象となる期間の電位の予測値(破線の波形)が算出できるようになる。また、図8(2)に示すように、図8(1)で予測の対象となる期間の算出した予測値と実測値(図8(2)の太い実線の波形)とに差がない場合、実測値は基準に近い値であり、細胞群の活動に対し候補試料の影響はないと検出できる。また、図8(3)に示すように、図8(1)で予測の対象となる期間の算出した予測値と実測値(図8(3)の太い実線の波形)とに差がある場合、差の大きさによっては実測値は異常であると検出され、細胞群の活動に対し候補試料の影響が大きいと評価できる。以上のように、本実施形態では予測値と実測値との差の大きさによって異常を検出するため、未知の候補試料による細胞群への影響の大きさを評価することができる。なお、図8とは異なり予測に用いる期間の波形が異常時のものである場合に、基準時の波形を学習した予測モデルと組み合わせて予測値を算出しても、通常は予測値と実測値とが近い値になることはない。したがって、そのような場合であっても異常を検出できる。 FIG. 8 is a graph schematically showing changes in the potential value for explaining the prediction of the extracellular potential value and the detection of abnormality. 8 (1) to 8 (3) are waveforms showing potential values, respectively, and show changes in values with the passage of time toward the right. Further, the vertical broken line indicates an example of the timing for separating the period used for the prediction and the period to be predicted. In the present embodiment, as described above, by learning the characteristics of the change in potential at the reference time, as shown in FIG. 8 (1), the potential value (solid line waveform) during the period used for the prediction in the previous stage is followed. It becomes possible to calculate the predicted value (waveform of the broken line) of the potential during the period to be predicted. Further, as shown in FIG. 8 (2), when there is no difference between the predicted value calculated in the period to be predicted in FIG. 8 (1) and the measured value (the thick solid line waveform in FIG. 8 (2)). , The measured value is close to the standard value, and it can be detected that the activity of the cell group is not affected by the candidate sample. Further, as shown in FIG. 8 (3), when there is a difference between the predicted value calculated in the period to be predicted in FIG. 8 (1) and the measured value (the thick solid line waveform in FIG. 8 (3)). Depending on the size of the difference, the measured value is detected as abnormal, and it can be evaluated that the influence of the candidate sample on the activity of the cell group is large. As described above, in the present embodiment, since the abnormality is detected by the size of the difference between the predicted value and the measured value, the size of the influence of the unknown candidate sample on the cell group can be evaluated. Note that, unlike FIG. 8, when the waveform during the period used for prediction is an abnormal one, even if the predicted value is calculated by combining the waveform at the reference time with the learned prediction model, the predicted value and the measured value are usually obtained. And will never be close. Therefore, even in such a case, the abnormality can be detected.
なお、図6に示したS1〜S3は、連続した処理として実行される必要はなく、予めS1において作成された予測モデル(すなわち、NN及び係数)を備え、S3の運用段階の処理のみを行う測定装置1(本発明に係る「異常検出装置」)を提供するようにしてもよい。 Note that S1 to S3 shown in FIG. 6 do not need to be executed as continuous processing, are provided with a prediction model (that is, NN and coefficient) created in advance in S1 and perform only processing in the operation stage of S3. The measuring device 1 (“abnormality detecting device” according to the present invention) may be provided.
<ニューラルネットワークの構成>
図9は、複数の層(「レイヤ」とも呼ぶ)を含むNNの構成の一例を示す図である。図9のNNは、測定された電位の値が入力される入力層と予測結果を示す出力層との間で、複数の変換処理が行われる。入力層と出力層との間に存在するN1〜N5の構成及び処理を中間層と呼ぶ。また、図3に示した機械学習装置14の機械学習部142及び予測処理
部144は、図6に示したS1〜S3の各々において、図9に示すNNを繰り返し利用し、処理を行う。
<Construction of neural network>
FIG. 9 is a diagram showing an example of the configuration of an NN including a plurality of layers (also referred to as “layers”). In the NN of FIG. 9, a plurality of conversion processes are performed between the input layer into which the measured potential value is input and the output layer in which the predicted result is shown. The configuration and processing of N1 to N5 existing between the input layer and the output layer is called an intermediate layer. Further, the
まず、機械学習装置14の特徴量算出部1421は、所定区間ごとに区切られた電位データの入力を受けると、電極ごと且つ区間ごとに、時系列上連続する所定数の電位データを用いて、いわゆる畳み込みレイヤ(N1)による特徴量の算出を行う。なお、1つの区間には、複数の電位データが含まれるものとする。また、上述した時系列上連続する所定数を表す範囲を、N1における「ウィンドウ」と呼ぶものとする。N1においては、例えば1つの電位データごとにウィンドウをスライドさせて入力値を変更し、畳み込み処理を行う。
First, when the feature
図10は、畳み込みレイヤを説明するための図である。上述の通り、畳み込みレイヤにおいては、ウィンドウによって選択された連続する所定数の電位データ(図10:x)に対し、所定のサイズの行列で表される重み係数Wを乗じ、特徴量(図10:y)を得る。図10の横向きの矢印は1つの区間における時間の流れを表し、横向きの矢印上に示した目盛りの各々が1つの電位データを表すものとする。畳み込みレイヤでは、連続する所定数の電位データを含むウィンドウを例えば1つの電位データごと後方にスライドさせて処理対象となる入力データを選択し、特徴量の算出を繰り返す。また、算出された特徴量に対してさらに畳み込みレイヤによる特徴量の算出を繰り返してもよい。また、畳み込みレイヤにより算出した特徴量に対し、いわゆるプーリングによって例えば平均値(average pooling)をとり、時間変動に対する汎化性能を向上させるようにしてもよい。本実施形
態では、測定電極1111ごと且つ区間ごとに、測定値に対して畳み込みレイヤによる処理を行うことにより、波形の傾きやピークの大きさ等、各電極で測定される電位の値の区間内における経時的変化の特徴量を算出することができる。
FIG. 10 is a diagram for explaining a convolution layer. As described above, in the convolution layer, a predetermined number of continuous potential data (FIG. 10: x) selected by the window is multiplied by a weighting coefficient W represented by a matrix of a predetermined size, and a feature amount (FIG. 10). : Y) is obtained. It is assumed that the horizontal arrows in FIG. 10 represent the flow of time in one section, and each of the scales shown on the horizontal arrows represents one potential data. In the convolution layer, a window containing a predetermined number of continuous potential data is slid backward for each potential data, for example, input data to be processed is selected, and the calculation of the feature amount is repeated. Further, the calculation of the feature amount by the convolution layer may be repeated with respect to the calculated feature amount. Further, for the feature amount calculated by the convolution layer, for example, an average pooling may be taken by so-called pooling to improve the generalization performance against time fluctuations. In the present embodiment, the measured value is processed by the convolution layer for each
また、特徴量算出部1421は、図9のN1で算出された特徴量(N2における入力値)に対し、全結合層による新たな特徴量(N2における出力値)の算出を行う(図9:N2)。N2においては、電極ごと且つ区間ごとに、含まれる入力値から所定の関数に基づいて新たな特徴量を算出する。
In addition, the feature
図11は、全結合層を説明するための図である。図11は、1つの区間に含まれる入力値xと出力値yとの関係を表している。全結合層においては、入力側のユニットxに対して重み係数Wに応じた処理を行い、出力側のユニットyの値を算出する。なお、N2では、N1で算出された特徴量(図10:y)が入力値(図11:x)となる。また、入力側の全ユニットと出力側の全ユニットとが結合され、入力値xから新たな特徴量yが求められる。xは、所定の要素数のベクトルであり、行列で表すことができる。また、yも、所定の要素数のベクトルであり、以下の式(1)で求められる。
y=Wx+b ・・・(1)
ここで、Wは重み係数であり、xの要素数×yの要素数の行列で表される。また、bはバイアス項であり、yと同数のベクトルで表すことができる。N2によっても、各電極で測定される電位の値の区間ごとの特徴量を算出することができる。
FIG. 11 is a diagram for explaining a fully connected layer. FIG. 11 shows the relationship between the input value x and the output value y included in one section. In the fully connected layer, the input side unit x is processed according to the weighting coefficient W, and the value of the output side unit y is calculated. In N2, the feature amount (FIG. 10: y) calculated in N1 is the input value (FIG. 11: x). Further, all the units on the input side and all the units on the output side are combined, and a new feature amount y is obtained from the input value x. x is a vector having a predetermined number of elements and can be represented by a matrix. Further, y is also a vector having a predetermined number of elements, and is obtained by the following equation (1).
y = Wx + b ... (1)
Here, W is a weighting coefficient and is represented by a matrix of the number of elements of x × the number of elements of y. Further, b is a bias term and can be represented by the same number of vectors as y. With N2 as well, the feature amount for each section of the potential value measured at each electrode can be calculated.
また、特徴量算出部1421は、図9のN2で算出された特徴量を入力として、全結合層による特徴量の算出を行う(図9:N3)。特に複数の電極を備えるチップ111を用いる場合は、一部又は全部の電極によって同一の区間に測定された電位データに基づく特徴値を入力として、全結合層による特徴量の算出を行うようにしてもよい。
Further, the feature
全結合層の構成は、図11と同様である。また、N3においては、異なる電極で測定された電位データに対し、上述のN1〜N2の処理を行った結果の特徴値を入力として処理を行う。すなわち、N3においては、図11における入力値xは、同一の区間における一
部の電極又は全電極の特徴値となる。したがって、N3により、細胞群の少なくとも一部において同時期に発生した電位の変動パターンの共時的特徴量を算出することができる。細胞の電位の変動は広範囲の細胞群において一斉に起こる傾向もあるため、特に全電極のように複数の電極で同時期に発生した電位の変動の特徴を学習することで予測の精度を向上させることができる。
The structure of the fully connected layer is the same as that in FIG. Further, in N3, the potential data measured by different electrodes is processed by inputting the characteristic value as a result of performing the above-mentioned N1 to N2 processing. That is, in N3, the input value x in FIG. 11 is a characteristic value of some electrodes or all electrodes in the same section. Therefore, N3 can be used to calculate the synchronic features of the potential fluctuation patterns that occurred at the same time in at least a part of the cell group. Since cell potential fluctuations tend to occur all at once in a wide range of cell groups, the accuracy of prediction is improved by learning the characteristics of potential fluctuations that occurred at the same time in multiple electrodes, such as all electrodes. be able to.
また、特徴量算出部1421は、N3の出力値yを用いて、全結合層による新たな特徴量の算出を行う(図9:N4)。N4の処理はN2と同様であり、例えば電極ごと且つ区間ごとに、含まれる入力値から所定の関数に基づいて新たな特徴量を算出する。
In addition, the feature
その後、特徴量算出部1421は、電極ごと且つ区間ごとに、N4の出力値yを用いて、逆畳み込みレイヤによる電位の算出を行う(N5)。N5においては、図10に示した畳み込みの逆の処理を行う。すなわち、入力された特徴値(図10:y)から電位の値(図10:x)を算出する。このとき算出される電位の値は、処理対象の区間の後の区間の予測値である。
After that, the feature
学習処理部1422は、図6の学習段階の処理(S1)においては、N5において出力された特徴値と教師値との差分に基づいて、N1〜N5で用いられる関数の係数(例えば上述した重み係数やバイアス項の値)を修正する。すなわち、N5の出力値である予測値と、実測値である教師値との差が小さくなるように係数を修正する。係数の修正には、バックプロパゲーション等、既存の技術を利用することができる。S1においては、図9のNNを用いた予測値の算出と係数の修正とを繰り返し、訓練データセットに対して望ましい予測値を出力するための係数を求める。
In the learning stage processing (S1) of FIG. 6, the
また、生成された係数を含む予測モデルは、図6のS2及びS3において利用される。図6のモデル評価段階(S2)においては、例えば生成された予測モデルと評価用データセットとを用いて、予測処理部144が、電位の予測値を出力し、出力された予測値と実測値である教師値との差の二乗の総和に基づいて検証処理部146が、生成されたモデルの精度を評価する。また、図6の運用段階(S3)においては、S1で生成された予測モデルと試験データセットとを用いて、予測処理部144が、候補試料の適用前後における電位の予測値を算出する。また、予測値と実測値との差の大きさに基づいて、細胞群の活動の異常を検出し、候補試料が細胞群に与える影響の大きさを評価する。なお、異常であるか否かの判断は、予め定められた閾値との比較により行ってもよい。このとき、閾値は、細胞の種類や候補試料の種類ごとに定めておくようにしてもよい。
In addition, the prediction model including the generated coefficients is used in S2 and S3 of FIG. In the model evaluation stage (S2) of FIG. 6, for example, using the generated prediction model and the evaluation data set, the
なお、NNの各層間においては、適宜、任意の活性化関数(伝達関数)を用いて、例えば非線形分離できるようにするものとする。 In each layer of the NN, an arbitrary activation function (transfer function) is appropriately used to enable non-linear separation, for example.
<評価対象電極の選択>
なお、複数の電極を備えるチップ111を用いる場合、細胞外電位の値は化合物の適用前において、短期間における電位の急激な上昇及び下降として表れる細胞電位の変動が測定された電極を用いて図6の処理を行うようにしてもよい。このような電極を採用することにより、異常検出の精度を向上させることができる。
<Selection of electrodes to be evaluated>
When the
<効果>
本実施形態によれば、細胞外電位の基準時の値の変動パターンを学習することにより、基準時の電位の値を予測することができるようになる。また、予測値と実測値との差に基づいて、基準とは異なる電位の変動パターンを検出することができるようになる。特に、既知の異常時における電位の変化の特徴を検出するのではなく、基準時における予測値との差によって異常を検出するため、未知の異常を検出することができる。したがって、例
えば創薬スクリーニングのような場面において、細胞群に与える影響が未知の候補試料による細胞群への影響の一次的な評価に好適に用いることができる。
<Effect>
According to this embodiment, the value of the potential at the reference time can be predicted by learning the fluctuation pattern of the value of the extracellular potential at the reference time. In addition, it becomes possible to detect a fluctuation pattern of a potential different from the reference based on the difference between the predicted value and the measured value. In particular, it is possible to detect an unknown abnormality because the abnormality is detected not by detecting the characteristic of the change in potential at the time of a known abnormality but by the difference from the predicted value at the reference time. Therefore, in a situation such as drug discovery screening, it can be suitably used for the primary evaluation of the effect on the cell group by a candidate sample whose effect on the cell group is unknown.
<実施例>
図12は、ラットの神経細胞に対して化合物(候補試料)を適用した場合の結果を示す表である。本実施例では、ラットの初代培養細胞(Cell)である皮質神経細胞(Cortex)及び海馬神経細胞(Hippocampus)に対し、候補試料として興奮性の化合物(Compound)
である4−アミノピリジン(4-AP)、アスピリン(Aspirin)、ギャバジン(Gabazine)
、ピクロトキシン(Picrotoxin)、テオフィリン(Theophylline)、及び抑制性の化合物であるトリアゾラム(Triazolam)を適用した。各サンプルは、それぞれ適用前(Before
)、溶媒(DMSO:Dimethyl sulfoxide)のみを適用したとき、段階的に化合物の濃度を上げて適用したとき(Drug Low〜Drug High)、最後にテトロドトキシン(TTX:Tetrodotoxin)を適用したときの細胞外電位の値を適用後直ちに10分間ずつ測定した。溶媒の適用は溶媒による影響の評価を確認する為に行った。テトロドトキシンの適用は神経細胞の発火を抑え、ホワイトノイズ等を確認するために行った。また、基準時の電位の変化を示す値として、各サンプルそれぞれの化合物の適用前の区間のデータを学習させたそれぞれの予測モデルを生成した。(図6:S1)。なお、上述した所定の区間を2000ミリ秒とし、電位の値のサンプリング間隔は0.05ミリ秒とした。また、生成した予測モデルと化合物の適用前の区間のデータとを用いて予測の精度を評価し、一定の精度で細胞外電位の値を予測できることを確認した(図6:S2)。そして、生成した予測モデルによる予測値と、化合物の適用前後の実測値との差に基づいて、各化合物の影響を評価した(図6:S3)。
<Example>
FIG. 12 is a table showing the results when the compound (candidate sample) is applied to rat nerve cells. In this example, an excitatory compound (Compound) is used as a candidate sample for cortical neurons (Cortex) and hippocampal neurons (Hippocampus), which are primary cultured rat cells (Cells).
4-Aminopyridine (4-AP), Aspirin, Gabardine
, Picrotoxin, Theophylline, and the inhibitory compound Triazolam. Each sample is before application (Before)
), When only the solvent (DMSO: Dimethyl sulfoxide) is applied, when the compound concentration is gradually increased (Drug Low to Drug High), and finally when tetrodotoxin (TTX: Tetrodotoxin) is applied extracellularly. Immediately after application, the potential value was measured for 10 minutes each. The application of the solvent was carried out to confirm the evaluation of the influence of the solvent. The application of tetrodotoxin was performed to suppress the firing of nerve cells and to confirm white noise and the like. In addition, as a value indicating the change in potential at the reference time, each prediction model in which the data of the section before application of the compound of each sample was trained was generated. (Fig. 6: S1). The predetermined section described above was set to 2000 milliseconds, and the sampling interval of the potential value was set to 0.05 milliseconds. In addition, the accuracy of the prediction was evaluated using the generated prediction model and the data of the section before the application of the compound, and it was confirmed that the extracellular potential value can be predicted with a certain accuracy (Fig. 6: S2). Then, the influence of each compound was evaluated based on the difference between the predicted value by the generated prediction model and the measured value before and after the application of the compound (FIG. 6: S3).
本実施例では、各測定開始後2分を除く8分間の予測値と実測値との差分の2乗値の総和に基づく上記正規化後の指標値を、化合物及びその濃度ごとに算出した。ある測定電極1111から算出した化合物の適用前の指標値を基準として、テトロドトキシンの適用後の指標値の低下が小さい場合は、その測定電極1111の周辺の細胞において適用前にあまり発火が生じていなかった又は細胞の接着が不十分等で発火を測定出来ていなかったといえる。本実施例では、複数の測定電極1111を備えるチップ111を用いて細胞外電位の値を測定し、化合物の適用前の指標値を基準として、テトロドトキシンの適用後の指標値が3%以上低下した測定電極1111による指標値を平均し、その値を図12に示した。図12からわかるように、興奮性の化合物を適用した場合には上記正規化後の指標値が基準である1.00よりも高くなった。一方、抑制性の化合物を適用した場合には、上記正規化後の指標値が基準である1.00よりも低くなった。すなわち、予測値と実測値との差に基づいて化合物の影響を適切に評価することができたといえる。
In this example, the index value after the normalization based on the sum of the squared values of the differences between the predicted value and the measured value for 8 minutes excluding 2 minutes after the start of each measurement was calculated for each compound and its concentration. If the decrease in the index value after application of tetrodotoxin is small based on the index value before application of the compound calculated from a
<変形例1>
NNの構造は、図9に示した例には限定されない。上述したNNは、入力層と出力層との間に1層以上の中間層を備えているが、層の数や、各層に属するユニットの数等は、適宜変更することができる。また、図9に示したレイヤのうち、一部のレイヤによってNNを構成するようにしてもよいし、レイヤの順序を入れ替えるようにしてもよい。
<Modification example 1>
The structure of the NN is not limited to the example shown in FIG. The above-mentioned NN has one or more intermediate layers between the input layer and the output layer, but the number of layers, the number of units belonging to each layer, and the like can be appropriately changed. Further, among the layers shown in FIG. 9, the NN may be composed of some layers, or the order of the layers may be changed.
例えば、図9に示した入力層、全結合レイヤ、出力層からなるNNを採用するようにしてもよい。例えば全結合レイヤにおいては、電極ごと且つ区間ごとに、測定された電位データが図11の入力値xとなる。また、後続の区間における電位の予測値を出力値yとして求める。なお、入力層の値、及び出力層の値は、上述した実施形態と同様である。また、全結合レイヤは、図11に示した構成を複数段階繰り返す構成としてもよい。また、全結合レイヤは、異なる電極によって同時期に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて変換後の特徴量を算出するようにしてもよいし、同一の電極によって所定の期間内における異なる時点に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用い
て変換後の特徴量を算出するようにしてもよく、またこれらのレイヤを複数段階繰り返すようにしてもよい。
For example, the NN composed of the input layer, the fully connected layer, and the output layer shown in FIG. 9 may be adopted. For example, in the fully coupled layer, the measured potential data is the input value x in FIG. 11 for each electrode and each section. Further, the predicted value of the potential in the subsequent section is obtained as the output value y. The value of the input layer and the value of the output layer are the same as those in the above-described embodiment. Further, the fully connected layer may have a configuration in which the configuration shown in FIG. 11 is repeated in a plurality of stages. Further, the fully coupled layer may calculate the converted feature amount using a plurality of potential values measured at the same time by different electrodes or a feature amount based on the potential value, or may be determined by the same electrode. The converted features may be calculated using the values of multiple potentials measured at different time points within the period of, or the features based on the values, or these layers may be repeated in multiple steps. Good.
<変形例2>
また、図9に示した入力層、畳み込みレイヤ、全結合レイヤ、出力層からなる畳み込みNNを採用するようにしてもよい。この場合、例えば、同一の電極における同一の区間内において図10に示したような畳み込みレイヤの処理を行う。また、電極ごと且つ区間ごとに、畳み込みレイヤの出力値を入力値xとし、後続の区間における電位の予測値を出力値yとして全結合レイヤの処理を行う。なお、入力層の値及び出力層の値は、上述した実施形態と同様である。また、畳み込みレイヤ、全結合レイヤは、それぞれ図10、図11に示した構成を複数段階繰り返す構成としてもよい。また、畳み込みレイヤ、全結合レイヤは、異なる電極によって同時期に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて変換後の特徴量を算出するようにしてもよいし、同一の電極によって所定の期間内における異なる時点に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて変換後の特徴量を算出するようにしてもよく、またこれらのレイヤを複数段階繰り返すようにしてもよい。
<
Further, the convolution NN including the input layer, the convolution layer, the fully connected layer, and the output layer shown in FIG. 9 may be adopted. In this case, for example, the convolution layer as shown in FIG. 10 is processed in the same section with the same electrode. Further, for each electrode and each section, the output value of the convolution layer is set as the input value x, and the predicted value of the potential in the subsequent section is set as the output value y, and the fully coupled layer is processed. The value of the input layer and the value of the output layer are the same as those in the above-described embodiment. Further, the convolution layer and the fully connected layer may have a configuration in which the configurations shown in FIGS. 10 and 11, respectively, are repeated in a plurality of steps. Further, for the convolution layer and the fully coupled layer, the converted feature amount may be calculated using a plurality of potential values measured at the same time by different electrodes or a feature amount based on the potential value, or the same feature amount may be calculated. The converted features may be calculated using the values of multiple potentials measured at different time points within a predetermined period by the electrodes or the features based on the potential values, or these layers may be repeated in multiple steps. It may be.
<変形例3>
また、図9に示した入力層、畳み込みレイヤ、出力層からなる畳み込みNNを採用するようにしてもよい。この場合、例えば、同一の電極における同一の区間内において図10に示したような畳み込みレイヤの処理を行う。なお、入力層の値及び出力層の値は、上述した実施形態と同様である。また、畳み込みレイヤは、図10に示した構成を複数段階繰り返す構成としてもよい。また、畳み込みレイヤは、異なる電極によって同時期に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて変換後の特徴量を算出するようにしてもよいし、同一の電極によって所定の期間内における異なる時点に測定された複数の電位の値又はこれに基づく特徴量を用いて変換後の特徴量を算出するようにしてもよく、またこれらのレイヤを複数段階繰り返すようにしてもよい。
<Modification example 3>
Further, the convolution NN composed of the input layer, the convolution layer, and the output layer shown in FIG. 9 may be adopted. In this case, for example, the convolution layer as shown in FIG. 10 is processed in the same section with the same electrode. The value of the input layer and the value of the output layer are the same as those in the above-described embodiment. Further, the convolution layer may have a configuration in which the configuration shown in FIG. 10 is repeated in a plurality of steps. Further, the convolution layer may calculate the converted feature amount using a plurality of potential values measured at the same time by different electrodes or a feature amount based on the potential value, or may be determined by the same electrode. The converted features may be calculated using the values of a plurality of potentials measured at different time points within the period or the features based on the potential values, or these layers may be repeated in a plurality of steps. ..
<変形例4>
また、上述した変形例1〜3に対し、出力層の前に逆畳み込みレイヤを追加した畳み込みNNを採用するようにしてもよい。この場合、例えば、同一の電極における同一の区間内に測定された電位の値に基づく特徴量に対し、上述した逆畳み込みレイヤの処理を行う。また、逆畳み込みレイヤを複数段階繰り返す構成としてもよい。なお、逆畳み込みレイヤは、異なる電極によって同時期に測定された複数の電位の値に基づく特徴量を用いて変換後の特徴量又は予測値を算出するようにしてもよいし、同一の電極によって所定の期間内における異なる時点に測定された複数の電位の値に基づく特徴量を用いて変換後の特徴量又は予測値を算出するようにしてもよく、またこれらのレイヤを組み合わせて複数段階繰り返すようにしてもよい。
<Modification example 4>
Further, with respect to the above-described
<変形例5>
また、上述の実施形態では、ある期間の電位の変化に対し、後の期間の電位の変化を教師値として学習を行った。すなわち、例えば図13Aに示すように、学習元の期間(「第1の期間」とも呼ぶ)の電位の値を入力として、学習対象期間(「第2の期間」とも呼ぶ)の電位の値が出力されるように、2つの期間をスライドさせながら機械学習を行う。なお、運用段階においては、第1の期間に対応する予測元の期間(「第3の期間」とも呼ぶ)の電位の値を入力として、第2の期間に対応する予測対象期間(「第4の期間」とも呼ぶ)の電位の予測値を出力することができるようになる。しかしながら、学習(予測)元期間と学習(予測)対象期間との前後関係及び期間の長さは、上述の実施形態には限定されず、ある期間の電位の変化に対し、別の期間の電位の変化を学習及び予測することができる。
<
Further, in the above-described embodiment, learning is performed using the change in potential in a later period as a teacher value with respect to the change in potential in a certain period. That is, for example, as shown in FIG. 13A, the potential value of the learning target period (also referred to as “second period”) is set by inputting the potential value of the learning source period (also referred to as “first period”). Machine learning is performed while sliding the two periods so that they are output. In the operation stage, the potential value of the prediction source period (also referred to as “third period”) corresponding to the first period is input, and the prediction target period (“fourth period”) corresponding to the second period is input. It will be possible to output the predicted value of the potential (also called the period of). However, the context and length of the learning (prediction) original period and the learning (prediction) target period are not limited to the above-described embodiments, and the potential of another period is subject to a change in the potential of one period. Can learn and predict changes in.
図13Bは、ある期間の電位の変化に対し、その前の期間の電位の変化を学習及び予測する例を説明するための図である。図13Bに示す学習(予測)元期間及び学習(予測)対象期間は、図13Aの例とは前後関係が逆になっている。このようにした場合も、予測値と実測値との差に基づいて、基準時とは異なる電位の変化を検出し、異常と検出することができる。 FIG. 13B is a diagram for explaining an example of learning and predicting a change in potential in a period before that change in potential in a certain period. The learning (prediction) source period and the learning (prediction) target period shown in FIG. 13B have the opposite context to the example of FIG. 13A. Even in this case, it is possible to detect a change in potential different from the reference time based on the difference between the predicted value and the measured value, and detect it as an abnormality.
図13Cは、連続していない2つの期間の電位の変化に対し、その間の期間の電位の変化を学習及び予測する例を説明するための図である。図13Cでは、学習(予測)対象期間を基準として、その前後の所定の長さの期間を学習(予測)元期間としている。このようにした場合も、予測値と実測値との差に基づいて、基準時とは異なる電位の変化を検出し、異常と検出することができる。 FIG. 13C is a diagram for explaining an example of learning and predicting a change in potential during two discontinuous periods with respect to a change in potential between two periods. In FIG. 13C, a learning (prediction) target period is used as a reference, and a period having a predetermined length before and after the learning (prediction) target period is used as a learning (prediction) source period. Even in this case, it is possible to detect a change in potential different from the reference time based on the difference between the predicted value and the measured value, and detect it as an abnormality.
なお、学習(予測)元期間と、学習(予測)対象期間とは、隣接していなくてもよい。また、変形例5で説明した学習(予測)元期間と、学習(予測)対象期間との関係は、上述した実施形態及び変形例1〜4と組み合わせて実施することができる。 The learning (prediction) source period and the learning (prediction) target period do not have to be adjacent to each other. Further, the relationship between the learning (prediction) original period and the learning (prediction) target period described in the modified example 5 can be carried out in combination with the above-described embodiment and the modified examples 1 to 4.
なお、実施形態又は本変形例において2つの期間をスライドさせながら機械学習を行うとき、2つの期間は、始点同士又は終点同士の間隔が一定の関係にある期間であってもよい。すなわち、2つの期間の間隔及び各々の長さの関係を一定に保ちつつスライドさせることができる。また、機械学習の順序は、スライドさせる幅を一定にして隣接する期間へ順に処理対象の期間をスライドさせる必要はなく、間隔が一定である2つの期間の組合せを任意の方向に任意の大きさにスライドさせて処理対象としてもよい。また、2つの期間は、一方の期間に測定された電位の値を入力層への入力値として利用し、他方の期間に測定された電位の値を学習段階における教師値又は運用段階において予測値との差を算出するための実測値として利用する。このとき、上述の2つの期間は、図13Cに示したように連続しない複数の期間を含むようにしてもよい。 When machine learning is performed while sliding the two periods in the embodiment or the present modification, the two periods may be periods in which the intervals between the start points or the end points are in a certain relationship. That is, it is possible to slide while keeping the relationship between the interval between the two periods and the length of each period constant. Further, in the order of machine learning, it is not necessary to slide the period to be processed in order to the adjacent period with the sliding width constant, and the combination of the two periods having a constant interval can be arranged in any direction and have an arbitrary size. You may slide it to the processing target. In the two periods, the potential value measured in one period is used as the input value to the input layer, and the potential value measured in the other period is used as the teacher value in the learning stage or the predicted value in the operation stage. It is used as an actual measurement value to calculate the difference between. At this time, the above-mentioned two periods may include a plurality of discontinuous periods as shown in FIG. 13C.
なお、2つの期間について、ある予測元の期間に対し、予測対象の期間の開始タイミング及び長さ、並びに予測対象の期間において測定される電位の値を予測するようにしてもよい。すなわち、2つの期間の間隔及び各々の長さの関係は一定でなくてもよい。この場合、ある学習元の期間及びそこで測定される電位の値に対し、相関のある期間及びそこで測定される電位の値の特徴を学習する。すなわち、学習元の期間と学習対象の期間とを別個に変更させながら、予測元の期間の電位の値に基づいて精度良く電位の値を予測できる期間及びそこで測定される電位の値が学習できる。 For the two periods, the start timing and length of the period to be predicted and the value of the potential measured in the period to be predicted may be predicted for a certain prediction source period. That is, the relationship between the interval between the two periods and the length of each does not have to be constant. In this case, the characteristics of the correlation period and the potential value measured there are learned with respect to the period of a certain learning source and the potential value measured there. That is, while changing the learning source period and the learning target period separately, it is possible to learn the period in which the potential value can be accurately predicted based on the potential value in the prediction source period and the potential value measured there. ..
以上のように、学習元の期間(第1の期間)と学習対象の期間(第2の期間)を変更させながら学習する際には、学習元の期間(第1の期間)と学習対象の期間(第2の期間)との間隔及び各々の長さの関係を一定に保ちつつ変更して機械学習を行ってもよいし、学習元の期間と学習対象の期間とを独立して変更させながら機械学習を行ってもよい。いずれの場合も、学習元の期間に対応する予測元の期間(第3の期間)に測定された電位の値に基づいて、学習対象の期間に対応する予測対象の期間(第4の期間)に測定される電位の値が予測できるようになる。 As described above, when learning while changing the learning source period (first period) and the learning target period (second period), the learning source period (first period) and the learning target period Machine learning may be performed by changing the relationship between the interval with the period (second period) and the length of each while keeping it constant, or the period of the learning source and the period of the learning target are changed independently. However, machine learning may be performed. In each case, the prediction target period (fourth period) corresponding to the learning target period is based on the potential value measured in the prediction source period (third period) corresponding to the learning source period. It becomes possible to predict the value of the electric potential measured in.
<変形例6>
また、上述の実施例では神経細胞の細胞外電位の値について学習及び予測を行ったが、神経細胞に限らず細胞外電位の値について学習及び予測を行うことができる。例えば、筋肉細胞(例えば、心筋細胞)についても、上述の測定装置によって細胞外電位の値を測定することができ、神経細胞の場合と同様に細胞外電位の値の変化を学習及び予測するとともに異常を検出することができる。すなわち、細胞外電位を測定できる様々な細胞を対象
として所定の標準とは異なる異常な電位の変化を検出することができる。
<
Further, in the above-described embodiment, the extracellular potential value of the nerve cell is learned and predicted, but the extracellular potential value of the nerve cell can be learned and predicted. For example, for muscle cells (for example, myocardial cells), the extracellular potential value can be measured by the above-mentioned measuring device, and changes in the extracellular potential value can be learned and predicted as in the case of nerve cells. Abnormality can be detected. That is, it is possible to detect an abnormal change in potential different from a predetermined standard for various cells whose extracellular potential can be measured.
<その他>
本発明は、上述した処理を実行するコンピュータプログラムや、当該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を含む。当該プログラムが記録された記録媒体は、プログラムをコンピュータに実行させることにより、上述の処理が可能となる。
<Others>
The present invention includes a computer program that executes the above-mentioned processing and a computer-readable recording medium that records the program. The recording medium on which the program is recorded can perform the above-mentioned processing by causing the computer to execute the program.
ここで、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、データやプログラム等の情報を電気的、磁気的、光学的、機械的、または化学的作用によって蓄積し、コンピュータから読み取ることができる記録媒体をいう。このような記録媒体のうちコンピュータから取り外し可能なものとしては、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、光ディスク、磁気テープ、メモリカード等がある。また、コンピュータに固定された記録媒体としては、HDDやSSD(Solid State Drive)、ROM等がある。 Here, the computer-readable recording medium means a recording medium in which information such as data and programs is stored by electrical, magnetic, optical, mechanical, or chemical action and can be read from a computer. Among such recording media, those that can be removed from a computer include flexible disks, magneto-optical disks, optical disks, magnetic tapes, memory cards, and the like. Further, as the recording medium fixed to the computer, there are HDD, SSD (Solid State Drive), ROM and the like.
1 :測定装置
11 :チップホルダ
111 :チップ
1111 :測定電極
1112 :参照電極
1113 :配線
12 :電位計測装置
13 :モニタ
14 :機械学習装置
141 :電位データ記憶部
142 :機械学習部
1421 :特徴量算出部
1422 :学習処理部
143 :予測モデル記憶部
144 :予測処理部
145 :予測結果記憶部
146 :検証処理部
147 :異常検出部
1: Measuring device 11: Chip holder 111: Chip 1111: Measuring electrode 1112: Reference electrode 1113: Wiring 12: Potential measuring device 13: Monitor 14: Machine learning device 141: Potential data storage unit 142: Machine learning unit 1421: Feature quantity Calculation unit 1422: Learning processing unit 143: Prediction model storage unit 144: Prediction processing unit 145: Prediction result storage unit 146: Verification processing unit 147: Abnormality detection unit
Claims (8)
前記第4の期間において測定された電位の実測値と、前記予測値との差に基づいて、当該差の大きさに応じた指標値を算出する指標値算出部と、
を備える異常指標算出装置。 Regarding the data representing the time course of the normal extracellular potential as a standard in abnormality detection, the potential value measured in the first period and the second period different from the first period were measured. Using a prediction model generated by learning the relationship with the potential value while changing the first period and the second period, the extracellular potential of the target to be judged whether it is abnormal or not is compared with the standard. Predicted value of the potential measured in the fourth period corresponding to the second period based on the value of the potential measured in the third period corresponding to the first period among the data representing the change with time of Prediction processing unit that finds
An index value calculation unit that calculates an index value according to the magnitude of the difference based on the difference between the measured value of the potential measured in the fourth period and the predicted value.
Abnormality index calculation device including.
請求項1に記載の異常指標算出装置。 The prediction processing unit uses the potential value measured in the third period or the feature amount based on the potential value as an input, and all the nodes on the input side are connected to all the nodes on the output side to the fully connected layer and each bond. The abnormality index calculation device according to claim 1, wherein a feature amount or a predicted value of a potential measured in the fourth period is obtained based on an associated predetermined coefficient.
請求項1又は2に記載の異常指標算出装置。 The prediction processing unit receives the value of the potential measured in the third period or the feature amount based on the value as an input, and the feature amount or the predicted value of the potential measured in the fourth period by a predetermined convolutional neural network. The abnormality index calculation device according to claim 1 or 2.
請求項1から3のいずれか一項に記載の異常指標算出装置。 The prediction processing unit receives a feature amount based on the potential value measured in the third period as an input, and obtains a predicted value of the potential measured in the fourth period by a predetermined deconvolutional neural network. The abnormality index calculation device according to any one of Items 1 to 3.
請求項1から4のいずれか一項に記載の異常指標算出装置。 The value of the extracellular potential is measured via a plurality of electrodes arranged so as to be in contact with the cell, and the prediction processing unit is a plurality of values of the potential measured at the same time by different electrodes or features based on the same. The abnormality index calculation device according to any one of claims 1 to 4, wherein a predicted value of the potential is obtained using a quantity.
請求項1から4のいずれか一項に記載の異常指標算出装置。 The value of the extracellular potential was measured via one or more electrodes arranged in contact with the cell, and the predictive processing unit was measured by the same electrode at different time points within the third period. The abnormality index calculation device according to any one of claims 1 to 4, wherein a plurality of potential values or feature quantities based on the potential values are used to obtain a predicted value of the potential.
異常検出において標準とする正常時の細胞外電位の経時変化を表すデータについて、第1の期間に測定された電位の値と、前記第1の期間とは別の第2の期間に測定された電位の値との関係を、前記第1の期間及び第2の期間を変更させながら学習して生成した予測モデルを用いて、前記標準と対比させ異常か否かを判断する対象の細胞外電位の経時変化を表すデータのうち前記第1の期間に対応する第3の期間に測定された電位の値に基づいて前記第2の期間に対応する第4の期間に測定される電位の予測値を求め、
前記第4の期間において測定された電位の実測値と、前記予測値との差に基づいて、当該差の大きさに応じた指標値を算出する、
異常指標算出方法。 The computer
Regarding the data representing the time course of the normal extracellular potential as a standard in abnormality detection, the potential value measured in the first period and the second period different from the first period were measured. Using a prediction model generated by learning the relationship with the potential value while changing the first period and the second period, the extracellular potential of the target to be judged whether it is abnormal or not is compared with the standard. Predicted value of the potential measured in the fourth period corresponding to the second period based on the value of the potential measured in the third period corresponding to the first period among the data representing the change with time of Seeking,
Based on the difference between the measured value of the potential measured in the fourth period and the predicted value, an index value corresponding to the magnitude of the difference is calculated.
Abnormality index calculation method.
前記第4の期間において測定された電位の実測値と、前記予測値との差に基づいて、当該差の大きさに応じた指標値を算出する
処理をコンピュータに実行させる異常指標算出プログラム。 Regarding the data representing the time course of the normal extracellular potential as a standard in abnormality detection, the potential value measured in the first period and the second period different from the first period were measured. Using a prediction model generated by learning the relationship with the potential value while changing the first period and the second period, the extracellular potential of the target to be judged whether it is abnormal or not is compared with the standard. Predicted value of the potential measured in the fourth period corresponding to the second period based on the value of the potential measured in the third period corresponding to the first period among the data representing the change with time of Seeking,
An abnormality index calculation program that causes a computer to execute a process of calculating an index value according to the magnitude of the difference based on the difference between the measured potential value measured in the fourth period and the predicted value.
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