JPH066118B2 - 脳波解析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、精神分裂症，うつ病等の内因性精神障害や脳
機能状態を判定するための脳波解析方法に関するもので
あり、特に脳波の左右非対称性を定量化して脳の機能状
態を推定する新規な脳波解析装置に関するものである。

〔従来の技術〕

α帯域波は、人間の脳波のうち特に安静，覚醒，閉眼時
に明確に観察される８〜１３Hzの規則性の高い波形とし
て知られており、古くから周波数分析の対象となり多く
の研究が行われている。

これまでわかっているα帯域波の諸性質の概要は以下の
通りである。

開眼によって抑制される。

同じ周期を持った光の明滅刺激によって誘発される。

頭皮上の部位によって周波数や出現の様式，諸性質が
異なる。

各種病態や薬物に対して変化は見られるもののそれら
は非特異的変化であることが多い。

頭皮上のα帯域波は１日のうちで周期的な変動を示し
ているらしい。

頭皮上のα帯域波は周波数の異なるいくつかの成分か
ら成り立っており、それらは固有の発振源を持っている
らしい。

従来、α帯域波については、その電位変動を部位別に記
録紙上に経時的に記録することより、振幅や周波数の変
動，部位による相互関係等が研究されている。

しかしながら、α帯域波の規則性にも限界があり、多く
の要素の集合として極めて複雑な振る舞をしていること
から、生理学的な意味合いも十分に検討されておらず、
その変化が肉眼的に容易に判別できる開閉眼，光刺激等
による振幅の減衰やアルソー波等が僅かに明らかにされ
ているにすぎない。

しかし近年、コンピュータの普及による定量技術の発達
により、従来は脳波上に特異的な変化がないとされてき
た機能性の精神疾患における微細な変化を明らかなもの
とし、その方向からα帯域波についてその機能を明らか
にしようとする道が開かれつつある。

例えば、それぞれの脳波についてフーリエ変換，あるい
は自己回帰モデル，最大エントロピー法等を用いた周波
数分析を行ったり、波形認識法を用いた分析を行う方
法、また単極誘導においてそれらにより求まるパワー値
を用いてトポグラフ化を行う方法等、さらには左右の関
係を知るため前記諸手段により求まる値を比較したり、
２つの信号間の相関関係をコヒーレンス関数により求め
る方法等が既に一般化している。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、近年、離断脳による研究や聴覚刺激を用いた
研究、さらには多くの臨床場面における観察の結果等か
ら、ヒト大脳皮質においては、解剖学的に規定されたあ
る機能の範囲において、左右の大脳半球はそれぞれが異
なった情報の処理を行っており、それらが相補的に機能
してはじめて硬度な情報処理が達成されることがわかっ
てきた。したがって、これらの左右非対称性は脳の情報
処理のうちでも比較的高級な、あるいは微妙な機能を示
すものであることが推定され、その非対称性を測定する
ことでこれまで測定されなかった脳の機能を解析するこ
とが可能となるものと期待される。

これまで、脳波によって左右の非対称性を測定する手法
としては、前述の如く単極誘導の脳波のそれぞれの分析
結果を比較したり、コヒーレンス関数を用いて２つの脳
波信号間の関係を定量的に求めることが行われている。

しかしながら、これらの手法では、前述の左右非対称性
に基づいて機能の解析を行うには検出力が低いという問
題を抱えている。

そこで本発明は、かかる従来の実情に鑑みて提案された
ものであって、脳の左右の非対称性を定量化するための
新たな手法を提供することを目的とし、高い検出力で脳
の機能を解析することが可能な脳波解析装置を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、長年に亘り精神分裂病におけるα帯域波の
左右差について研究を行ってきたが、その過程で次のよ
うな知見を得るに至った。すなわち、 ｉ）頭皮上対称位置にある両側同名部位間の半球間誘導
により求められた脳波を左右の機能差と見做し、この左
右差の消失を高次の機能の低下若しくは静止と見做すこ
とができること。

）前記のデータをトポグラフ化し頭皮上の分布パター
ンにより脳の部位別の、さらには個体内及び個体間の機
能の比較が可能となること。

である。

本発明の脳波解析装置は、前述の知見に基づいて完成さ
れたものであって、頭皮上に左右対称に配列される電極
と、該電極のうち左右対称部位のほぼ同一時刻における
脳電位の差を左右各大脳半球間の半球間誘導脳波として
時系列的に導出する誘導脳波検出手段と、前記誘導脳波
検出手段により導出された半球間誘導脳波に出現するα
帯域波の総エネルギー、パワー値、平均振幅のいずれた
をトポグラフ化して脳の部位別に表示する表示手段とを
有することを特徴とするものである。

半球間誘導脳波は、頭皮上対称位置にある両側同名部位
間から双極誘導によって直接導出してもよいし、あるい
は各部位からの脳波を単極誘導により導出し両側同名部
位の同時刻における脳波データをサンプリングして演算
によって求めてもよい。通常、脳波をコンピュータで処
理する場合、両耳結合電極を基準電極として、頭皮上の
各部位の電位変化をそれぞれ記録する。（単極誘導脳
波）このとき、左右対称位置にある電極Ａ，Ｂの脳電位
の差は、（ある時刻における電極Ａの電位）−（それと
同時刻における電極Ｂの電位）という計算式により求め
ることができる。このようにして時間を追って連続的に
求められた時系列の値は、基準電極を設けず電極Ａと電
極Ｂの電位差を直接計測（双極誘導）することにより求
めた時系列の値と同一になる。なお、単極誘導によった
場合には、各単極誘導の脳波と、これら単極誘導脳波か
ら演算される左右対称位置での脳電位の差の時系列デー
タである半球間誘導の脳波により、全く同一時刻の信号
を別の観点から捉えることができ、これら両者の分析結
果を比較検討することで、左右差発生のメカニズムをさ
らに詳しく解析することが可能となる。

上記半球間誘導脳波を得るに際して、電極の取り方は如
何なるものであっても良く、また電極を設置する部位の
数も適宜選定すれば良い。電極の取り方としては、例え
ば１０−２０法等が挙げられ、当該１０−２０法に基づ
く頭皮上の電極のうち１６部位を選べば８対の左右対称
部位における半球間誘導脳波を得ることができる。

また、特に上記半球間誘導脳波を単極誘導の脳波から求
める場合、基準電極は特に規定されないが、通常は両耳
結合電極が採用される。

なお、半球間誘導脳波を単極誘導の脳波から求める場
合、少なくとも両側同名部位における脳波データは同時
サンプリングして全く同一時刻のデータを演算処理する
ことが理想的であるが、両側同名部位間のサンプリング
の時間差が無視できる程度に小さければ逐次サンプリン
グであっても良い。

本発明においては、上述の半球間誘導脳波におけるα帯
域波から脳の部位別の機能状態を解析するわけである
が、解析に用いるデータとしては、 (a)α帯式波と基線によって囲まれる面積から求められ
る総エネルギー (b)種々の周波数分析によって求められるパワー値ある
いは平均振幅 (c)その他により求まる平均振幅 等が挙げられる。なかでも、半球間誘導脳波を周波数分
析してα帯域波のパワー値を求める方法は、検出力が高
く好適である。この場合、半球間誘導脳波の周波数分析
の手法としては、線形予測法自己回帰モデルによるのが
好ましいが、その他高速フーリエ変換や自己回帰モデ
ル，最大エントロピー法等によっても良い。

また、解析に用いるデータ（前述の総エネルギーやパワ
ー値，平均振幅等）は、全頭皮上の分布パターンをトポ
グラフ化することで視覚的に把握することが可能とな
り、機能状態を解析する上で有効である。

本発明の解析装置によれば、脳の各部位間又は個体間、
こらには状態等の変化による部位間関係の変化を単極誘
導に比べて鋭敏に捉えることができ、単極誘導では認識
できない異質な変化を捉えることが可能である。したが
って、本発明は、例えば内因性精神障害（精神分裂病，
うつ病等）等における治療効果の定量的な判定や、各種
中枢作用薬の主作用，副作用の定量的判定、各種の刺激
や状態による脳の機能状態の変化（例えばアルコールに
よる脳機能変化や全身に振動を与えた場合の脳機能変化
等。）の定量化等へ適用し得るものと考えられる。

〔作用〕

大脳半球は、肉眼的に見ると左右対称の形状をなしてい
る。そして、左右の半球共にある部位に対してある機能
が局在している。概ね、シルビウス溝を挾んで前方が大
脳の出力系，後方が入力系であり、前方から後方に向か
って意欲の中枢としての前頭前野、運動機能の統合を行
う運動連合野、直接運動をコントロールする一次運動
野、シルビウス溝、入力された体性感覚信号を受け取る
第一次体性感覚領、体性感覚性，聴覚性，視覚性のイン
パルスが最終的に集束する感覚連合領、視覚性のインパ
ルスの処理を行う一次，二次，三次視覚領である。

このように左右の大脳皮質は、大まかに言って左右対称
な機能を有しているが、左右の大脳半球はそれぞれ異な
った情報処理を行っており、それらが相補的に機能して
はじめて高度な情報処理が達成されると考えられる。し
たがって、解剖学的に規定された機能的左右対称性の範
囲で、左右が非対称であると言える。

本発明において測定される頭皮上対称位置にある両側同
名部位間の半球間誘導脳波は、左右の脳電位の差であっ
て、この差自体が前記左右の非対称性を示していると考
えられる。

この半球間誘導脳波にも８〜１３Hzのα帯域波を示す性
質があり、左右対称部位の半球間誘導脳波のそれぞれを
周波数分析しα帯域波のパワー値，平均振幅，総エネル
ギー等を求めると、これらの値が左右差，すなわち機能
差を定量化したものと考えられる。

そこで、例えばこれらパワー値の全頭皮上の分布パター
ンをトポグラフ化すると、前述した解剖学的左右対称性
の範囲内で、その個体内における相対的な脳の部位別の
機能の状態が把握される。

すなわち、運動領や感覚領等の機能がどのような状態に
あるかを推測することができ、例えば、「精神分裂症の
場合には、運動領では機能の充進状態が推定され、感覚
領では機能が休止ないし低下状態にあると推定され
る。」というように各部位毎の機能状態を捉えることが
可能である。また、個体間のトポグラフィを比較するこ
とにより、個体間の機能分布の差が判定される。

〔実施例〕

以下、本発明を具体的な測定結果に基づいて説明する。

脳波の測定方法 暗くした脳波室でベツド上に仰臥位になり閉眼状態を指
示したうえで安静を保たせ、脳波の記録紙上に記録を行
った。α波の出現の良いときにサンプリングを始め、８
１．９２秒間を連続してサイプリングしたが、途中でα
波の出現の良くない区間は破棄した。電極は、両耳結合
電極を基準電極とし、１０−２０法に基づく電極のうち
１６電極（前頭極，前頭，中心，頭頂，後頭，前側頭，
中側頭，後側頭，いずれも左右。）より単極誘導により
脳波を導出した。

本実施例では、脳波計より直接得られたアナログの電位
変動をパーソナルコンピュータ（日本電気社製，ＰＣ−
９８０１）に導き、Ａ／Ｄ変換ボード（ネオローグ電子
社製，ＰＣＮ−２０９８）でＡ／Ｄ変換を行い、データ
をサンプリングした。Ａ／Ｄ変換の精度は１２ビットで
ある。また、Ａ／Ｄ変換ボードの変換時間は、各チャン
ネ毎に１５μsec.を要し、さらにプログラムの所要時間
約６μsec.を加えて、各チャンネル間の時間差は約２１
μsec.である。したがって、各チャンネル間の時間差は
十分に小さいものである。

また、本実施例では、左右同名部位間のサンプリングの
時間差をなるべく小さくするために、Ａ／Ｄ変換するチ
ャンネルを、左前頭極，右前頭極，左前頭，右前頭…の
順とし、左右の同名電極を連続して行った。したがっ
て、左右の電位差を計算することによって、ほぼ同一時
刻における左右同名部位間の電位差，すなわち半球間誘
導脳波を単極誘導の脳波（基準電極は両耳結合電極）か
ら再現することができる。

脳波データの処理 １）単極誘導の脳波 線形予測法自己回帰モデルにより分析した。分析区間は
全て８１．９２秒８１９２ポイントとし、全てのデータ
に対して１０次から１００次まで次数を上げていった。
その結果、全てのデータで単一のピークが見られた２０
次のデータを選び、その周波数とパワー値を後述の二次
元脳電図の処理の対象とした。

α帯域波の分析方法として線形予測法自己回帰モデルを
採用したのは、次のような理由による。すなわち、一般
に、α帯域波の周波数分析方法としては、高速フーリエ
変換や自己回帰モデル，最大エントロピー法等が用いら
れているが、本法によれば他の方法と比較して平均的な
α帯域波の特徴（周波数，パワー値）を捉えることが可
能であり、得られたパワー値が線形である。また、本法
では自己回帰モデルの分析の次数を換えることによりパ
ワースペクトルの分析の精度を目的に合わせて選択する
ことができる。ここでα帯域波の全体像を的確に捉える
必要があり、１分析区間８１９２ポイントのデータに対
して比較的低い次数である２０次を選択した。

２）半球間誘導の脳波 先のデータのサンプリングではＡ／Ｄ変換した脳波をデ
ジタル情報として記録してあり、その位相ずれが再生時
にもまったく見られない。このため、２つの電極間のデ
ータから引算によって任意の双極誘導の脳波を求めるこ
とができる。

本実施例では、頭皮上の左右差を求めるために、頭皮上
対称位置にある両側同名部位の脳波（半球間誘導脳波）
を単極の場合と全く同一の脳波から求めて分析の対称と
した。すなわち、１６部位のうち左右対称の８対の電極
の各々について、同一時刻のデータの差を求めた。これ
によって求められた時系列データは、左右対称部位（両
側同名部位）間より導出された脳波と見做すことができ
る。分析の内容は単極誘導の場合と同様である。

３）二次元脳電図 前記１），２）で得られた周波数，パワー値情報からト
ポグラフを作成した。このトポグラフは基本的には１６
チャンネルのデータから等高線を推定するものである。

なお、半球間誘導の脳波の分析結果では、左右対称部位
毎にのみしか情報が得られないので、この場合には左右
とも同じ値を代入した。したがって、このトポグラフは
左右対称となっている。

また、全てのトポグラフは代入された値のうち最大値と
最小値の間を６等分して描かれている。

解析結果 全身に６０Hz程度の振動を与えると、入眼促進効果のあ
ることがわかっている。

そこで、このときの脳の機能の状態を単極誘導の脳波か
ら得られたトポグラフ及び半球間誘導の脳波から得られ
たトポグラフにより推定した。

トポグラフの作成に際しては、振動時のα帯域波のパワ
ー値を非振動時のα帯域波のパワー値で割り算し、これ
に１００をかけたもの（以下、パワー比と言う。）を代
入した。

第１表に単極誘導の脳波より求めた各部位のパワー比
を、第２表に半球間誘導の脳波より求めた各部位のパワ
ー比を示す。

また、第１図は単極誘導の脳波から得られたトポグラフ
であり、第２図は半球間誘導の脳波から得られたトポグ
ラフである。

先ず、単極誘導の脳波から得られたトポグラフでは、前
頭極領において他の部位に比べて著明なパワー値の変動
は見られず、前記入眼促進効果が脳のどのような機能状
態に由来しているのかを判定することは難しい。

これに対して、半球間誘導の脳波から得られたトポグラ
フ及びパワー比では、前頭極領におけるパワー値の低下
（すなわち左右差が消失して対称性が高くなってい
る。）が見られる。したがって、前記入眼促進効果は、
前頭極領における機能が静止していること，あるいは静
止状態に近いことによるものと推定される。

このような知見はこれまでの脳波の解析では得られなか
ったものであり、本発明方法の検出力の高さを如実に示
すものである。

そこで、内因性精神障害である精神分裂病及びうつ病患
者についても同様の解析を試みた。これまでのところ、
以下の事実が確認されている。

(a)精神分裂病において １．頭頂領で半球間誘導のα帯域波のパワー値が他の部
位に比べて相対的に低下する。

２．前頭領で半球間誘導のα帯域波のパワー値が他の部
位に比べて相対的に低下する。これが治療により増加
し、機能の回復が示唆され、臨床的にも前頭領に対応す
る運動機能が回復する。

３．軽症の分裂病（完全寛解期）においては、前頭領で
の半球間誘導のα帯域波のパワー値の低下は他部位に比
べてさほど著しくなく、機能があまり冒されていないこ
とが推定され、臨床的にも一致する。

(b)うつ病において １．前頭極領及び頭頂領において、α波の左右差が減少
し、機能の低下が推定される。

２．治療によって前頭極領及び頭頂領におけるα帯域波
のパワー値の上昇が他部位に比較して著しく、これに伴
って回復が認められる。

以上の結果は、精神分裂病やうつ病の神経生理学的な研
究のうえで、また臨床的な重症度を判定するうえで有用
な示唆を与えるものと考えられる。

〔発明の効果〕

以上の説明からも明らかなように、本発明においては、
頭皮上対称位置にある両側同名部位間の半球間誘導脳波
に基づいてα帯域波の例えばパワー値の分布パターンを
測定しているので、脳の左右差，すなわち機能状態を定
量化することができる。したがって、本発明によれば、
脳の各部位間あるいは個体間、さらには状態の変化等に
よる部位間関係の変化を単極誘導に比べて鋭敏に捉える
ことが可能であり、単極誘導では捉えられない異質な変
化を高い検出力をもって捉えることが可能である。

また、半球間誘導脳波を左右対称部位のほぼ同一時刻に
おける単極誘導の脳波の差より導出するようにし、半球
間誘導脳波のα帯域波のパワー値のトポグラフィと単極
誘導脳波のα帯域波のパワー値のトポグラフィとを併せ
て脳の部位別の機能状態を解析するようにすれば、全く
同一のデータを別の角度から比較検討することが可能と
なり、より一層信頼性の高い解析が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は全身に６０Hzの振動を与えたときの脳波と安静
・覚醒・閉眼状態の脳波を比較して得られた単極誘導の
トポグラフであり、第２図は同じく半球間誘導のトポグ
ラフである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】頭皮上に左右対称に配列される電極と、 該電極のうち左右対称部位のほぼ同一時刻における脳電
   位の差を左右各大脳半球間の半球間誘導脳波として時系
   列的に導出する誘導脳波検出手段と、 前記誘導脳波検出手段により導出された半球間誘導脳波
   に出現するα帯域波の総エネルギー、パワー値、平均振
   幅のいずれかをトポグラフ化して脳の部位別に表示する
   表示手段とを有することを特徴とする脳波解析装置。
2. 【請求項２】誘導脳波検出手段が半球間誘導脳波を左右
   対称部位間の双極誘導により導出するものであることを
   特徴とする請求項(1)記載の脳波解析装置。
3. 【請求項３】誘導脳波検出手段が半球間誘導脳波を左右
   対称部位間のほぼ同一時刻における単極誘導の脳波の差
   より求めるものであることを特徴とする請求項(1)記載
   の脳波解析装置。
4. 【請求項４】表示手段が単極誘導の脳波に出現するα帯
   域波のパワー値をトポグラフ化して半球間誘導脳波のそ
   れと併せて脳の部位別に表示するものであることを特徴
   とする請求項(3)記載の脳波解析装置。