JP2005287641A

JP2005287641A - 脳機能劣化度推定装置

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Publication number: JP2005287641A
Application number: JP2004104461A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Musha; 利光武者; Yukio Kosugi; 幸夫小杉
Original assignee: Rikogaku Shinkokai
Current assignee: Rikogaku Shinkokai
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】できるだけ少ないセンサを用いて、取扱が容易で安価な脳機能劣化度推定装置を提供する。
【解決手段】予め分かっているアルツハイマー病患者及び正常者の額部に該センサを取り付けて得られたNPV(数値データ化した該センサの出力信号の一定期間内におけるパワーのバリアンスを、該パワーの平均値の二乗値で規格化したもの)に対して得られる感度及び特異度からそれぞれ得られるアルツハイマー病患者及び正常者に対するNPV閾値を記憶するとともに、被験者の額部に一個のセンサを取り付けて得られるNPVと該NPV閾値とを比較し、該被験者のNPVが、該特異度のNPV閾値以上のときアルツハイマー病患者と判定し、該感度のNPV閾値以下のとき正常者と判定する。
【選択図】図24

Description

本発明は脳機能劣化度推定装置に関し、特に老人性痴呆障害等の脳機能劣化度を推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）は従来より下記に示すような方法で行われている。

（１）長谷川式簡易知能評価スケール（ＨＤＳ）
（２）国立精研式痴呆スクリーニング・テスト
（３）Ｎ式精神機能検査
（４）精神状態質問表（ＭＳＱ：Mental States Questionnaire）
（５）ミニ・メンタル・ステート検査（ＭＭＳＥ）法
（６）柄澤式「老人知能の臨床的判断基準」
（７）ファンクショナル・アセスメント・ステージング（ＦＡＳＴ）法
（８）クリニカル・ディメンシア・レーティング（ＣＤＲ）法
（９）ＧＢＳスケール
（１０）Ｎ式老年者用精神状態尺度（ＮＭスケール）
上記のような従来の痴呆症測定方法は、全て医師が被験者（患者）に対して問診する形式を採用しているため、次のような問題点があった。

1)聞き手が介在するため、その聞き手と被験者との固有の人間関係についての依存性が大きく、回答が常に客観的に正確に得られるとは限らず、判定結果にバラツキが生ずる。

2)被験者がテストを繰り返すうちに問診内容を学習してしまうことがあり、やはり客観的な判定結果が得られなくなる。

3)被験者が回答を拒否することもある。

4)初期痴呆症については識別能が低い。

また、ＳＰＥＣＴ（Single Photon Emission Computing Tomography）やＰＥＴ等を利用した方法は、放射性物質を血管内に注入し、それが脳内で放射線される放射線量計量の手がかりにするので、被曝があり、また診断コストが非常に高くなってしまう。

そこで本発明者は、安価で、非侵襲的、高感度、高信頼度で、しかも操作が簡単な脳活動測定（判定）装置を既に提案した（例えば、特許文献１参照。）。これを以下に説明する。

脳皮質内のニューロンが活動するときには起電力が発生し、皮質面に直角方向に電流が流れ、頭皮上に電位分布を発生する。この電位分布を脳内に仮定した一つの電流双極子で近似することができる。双極子がセンサ位置に発生する電位と測定電位との二乗誤差値をすべてのセンサについて平均した値が最小になるような双極子を等価双極子という。

帯域を限定した脳波に対する等価双極子はセンサ(電極)で記録された電位分布の間を通って頭皮上に滑らかな電位分布を作る。双極子度は等価双極子電位の近似度を表わしており、センサ位置でのこれら２種の電位の間の二乗誤差の平均値を最小にする。したがって双極子度は頭皮上電位の滑らかさの指標になる。皮質内ニューロン活動が一様であると双極子度は１に近いが、ニューロン活動に不均一が生じると、双極子度は減少する。双極子度の減少はニューロン活動の低下を表している。狭帯域脳波の双極子度は時間に関して概周期的に変動するので、そのピーク値の平均を平均双極子度という。

そして平均双極子度には閾値があり、それを境にして正常と痴呆症の区別ができることが明らかになったので、これに基づいて痴呆症、特にアルツハイマー型痴呆の定量化が可能になり、ある正診率で正常と痴呆症を識別することが可能になった。

双極子度のピーク値は時間的に揺らいでおり、ニューロン機能劣化に伴ってその標準偏差は増加する。このような標準偏差にも閾値があり、その閾値よりも標準偏差が大になるとアルツハイマー型痴呆症であると診断することができる。

アルファ波に関する平均双極子度Ｄ_αはアルツハイマー病の進行に伴って減少し、両側頭葉から頭頂葉にかけての脳血流量が平均双極子度Ｄ_αと正の相関を持って減少することがＳＰＥＣＴによって確かめられた。これは初期のアルツハイマー病に特徴的な傾向である。

被験者の頭部を球形状と仮定すると双極子度の計算が非常に簡単になる。この方法は、計算が非常に簡単になり、またＭＭＳＥ法のように判定結果にバラツキが生じることも少なく、さらにはＳＰＥＣＴ法などに比べてコストが大幅に低減でき、さらに正常と異常の識別感度が向上する。
特開２００２−２４８０８７号公報（要約、図１）

しかしながら、上記の特許文献1の場合には、被験者に例えば21個の多くのセンサを装着しなければならず、取扱が困難であると共にコストも高くつくという問題があった。

従って本発明は、できるだけ少ないセンサを用いて、取扱が容易で安価な脳機能劣化度推定装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明者は、センサの個数をできるだけ少なくするため、単一のセンサによって被験者の脳劣化度を判定することを試みた。このため、まず脳波のパワー(二乗値)の揺らぎが正常者とアルツハイマー病患者とではどの程度の割合で異なっているかを求め、これに基づいて、被験者がアルツハイマー病患者か正常者かを判定できるのではないかということに着目した。ただし、パワーバリアンス(分数)そのものは脳波振幅に依存してしまうが、振幅そのものは脳機能劣化には直接関係しないので、相対的な変化を得るため、正規化を行うこととした。

すなわち、下記の式(1)に示すように、一個のセンサについて一定の時間内の脳波振幅のパワーのバリアンスPVをまず計算する。

そして、下記の式(2)に示すように、このパワーバリアンスPVを、そのパワーの平均値の二乗値で規格化したパワーバリアンスNPVを求めるものである。

そして、このような規格化パワーバリアンスNPVを、一個のセンサを頭部に装着して求める。この一個のセンサを装着する箇所の候補は、図1に示すような、例えば21箇所(International １0-２0 standardによって決められた位置)である。

このような21箇所においてそれぞれ単一のセンサを順次取り付けるが、その取り付ける対象はまず正常者及びアルツハイマー病患者の各集団である。これらの正常者及びアルツハイマー病患者(以下、ADを称することがある。)の集団は、例えば上述したような既知の手法によって判定された者の集団として予め分かっているものとし、これらの各集団の各人について、一個のセンサを図1に示すような位置に順次取り付けて上記の式(2)で示したパワーバリアンスの規格化値を求める。

そして、正常者及びアルツハイマー病患者のそれぞれの集団において規格化パワーバリアンスNPVの分布(割合)を求める。

図2は、正常者及びアルツハイマー病患者に関するNPVに対する確率密度分布AとBを示している。分布Aに関して、一点鎖線Cで示された所与のNPVよりも左側の部分の面積を特異度と定義し、分布Bに関して、所与のNPVよりも右側の部分の面積を感度と定義する。

図3は、単一のセンサを図1に示した箇所2₁(以下、このセンサそのものをセンサ2₁等と称する場合がある。)に取り付けたときの正常者の特異度曲線Aとアルツハイマー病患者の感度曲線Bを示したものである。

ここで、実線で示す正常者の特異度特性曲線Aの「特異度」とは、例えばNPV=2.5の時、82％であり、これは、NPV≦2.5の領域に、例えば正常者集団100人の内、82人が属していることを示している。また、アルツハイマー病患者の感度特性曲線Bの「感度」とは、例えば、NPV=2.2の場合には77％であり、NPV≧2.2の領域に、例えば100人のＡＤ患者の中の77人が属していることを示している。

また、感度と特異度が等しくなるNPVをカットオフ値というが、図3(及び図24)の場合にはカットオフはNPV_CO=2.28となり、この値を境目にしてNPVが、NPV_COよりも大であればアルツハイマー病と判定し、NPV_COより小であれば正常と判定してもよいが、このときの識別能は65％である。さらに識別能を向上させるためにNPVに対して2つの閾値を導入する。例えば、NPV>2.58の場合には被験者をアルツハイマー病と判定するが、そのときには特異度が90％以上なので、正常者の10％を誤ってアルツハイマー病と判定する可能性がある。

一方、NPV＜2.08では被験者を正常と判定するが、感度が10％以下なので、アルツハイマー病患者の10％を誤って正常と判定する可能性がある。2.08＜NPV＜2.58の場合には、判定は行わずに、数ヶ月後に再度脳波測定を行い、NPVの増減によって正常か否かの判定を行う。

図4は、図1に示したセンサ2₂によって図3と同様に得られた正常者の特異度分布曲線A及びアルツハイマー病患者の感度特性Bを示している。同様に、図5〜図23は、それぞれ、センサ2₃〜2₂₁におけるそれぞれの正常者特異度特性Aとアルツハイマー病患者の感度特性Bとを示している。

このように、図3〜図23の特性曲線Bにおいて示されるように、アルツハイマー病患者では状態が悪くなるほど、規格化パワーバリアンスNPVの値は増加し、正常者の場合は逆にNPVの値は減少する。

これを、他のセンサ2₂〜2₂₁について図4〜図23を参照すると、このカットオフNPV_COの時の感度と特異度は、センサ2₁又は2₁₇が最も％が高く、すなわち、頭部の額部分に一個のセンサを取り付けることにより、アルツハイマー病患者であるか正常者であるかをより明確に他のセンサより判別できることが示されている。

そこで、本発明では、一個のセンサを額部分、特に箇所2₁に取り付けることとしたものである。

このようにして本発明に係る脳機能劣化度推定装置は、一個のセンサと、予め分かっているアルツハイマー病患者及び正常者の額部に該センサを取り付けて得られたNPVに対して得られる感度及び特異度からそれぞれ得られるアルツハイマー病患者及び正常者に対するNPV閾値を記憶するとともに、被験者の額部に該センサを取り付けて得られるNPVと該NPV閾値とを比較し、該被験者のNPVが、該特異度のNPV閾値を超えているときアルツハイマー病患者と判定し、該感度のNPV閾値を下回っているとき正常者と判定する装置と、該判定結果を出力する装置とを備え、該NPVが、数値データ化した該センサの出力信号の一定期間内における脳波信号のパワーのバリアンスを、該パワーの平均値の二乗値で規格化したものであることを特徴としたものである。

なお、上記の判定装置は、通信回路を経由して接続された計算センターにおいて必要な演算を行い、得られた計算結果を該通信回線を介して該出力装置に送り返すことができる。

また、本発明では、脳機能劣化度を自動推定するために、予め分かっているアルツハイマー病患者及び正常者の額部に一個のセンサを取り付けてNPVに対して得られる感度及び特異度からそれぞれ得られるアルツハイマー病患者及び正常者に対するNPV閾値を記憶するとともに、被験者の額部に該センサを取り付けて得られるNPVと該NPV閾値とを比較し、該被験者のNPVが、該特異度のNPV閾値を超えているときアルツハイマー病患者と判定し、該感度のNPV閾値を下回っているとき正常者と判定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が提供される。

さらに、本発明では、上記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も提供される。

以上のように本発明によれば、単一のセンサを額部に取り付けることにより、被験者がアルツハイマー病患者か正常者かを判定できるようにしているので、最も少ないセンサを用いて脳機能の劣化度を推定することが可能となり、且つ取扱が容易で安価な装置が実現できる。

図25は、本発明に係る脳機能劣化度推定装置の一実施例を示したものである。

この実施例では、まず、頭部１の図1に示した額部２_１に例えば脳波センサ又は脳磁センサ２_１を装着して脳内神経細胞活動に基づく電位を測定するか、或いは、予めセンサを配置したキャップを被る。

センサ２_１からの測定電位は増幅器３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では該データを予め指定した周波数帯域（例えばベータ波）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取り出して以下の処理を行うことが出来る。

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は演算プログラム等を記憶した媒体であり、ＲＡＭ１４はディジタイザー２３、キーボード２４、Ａ／Ｄ変換器５からの脳波データを記憶するメモリである。

なお、この脳波データは、図26に示すように、この場合のみデータ転送端末装置として動作するコンピュータ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を経由して臨床現場のコンピュータ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て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に装備される。

また、入力インタフェース１５には、図24に示したグラフの特性データ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と表示装置３１に表示された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。

上述の構成における本実施例の動作を図27に示すフローチャートにより以下に説明する。

まず、上述したような既存の手法に基づいて、例えば100人の正常者集団と100人のアルツハイマー病患者集団を予め求めておく。そして、これらの正常者集団及びアルツハイマー病患者集団の各人に図1に示したセンサ2₁(額部)を取り付ける。そして、各人において、センサ2₁の出力から一定期間として例えば120秒間における規格化パワーバリアンスNPVを上記の式(2)に基づいて計算する(ステップS1)。

ステップS1において計算した規格化パワーバリアンスNPVに対して、正常者集団の特性、すなわち特異度特性を求め、同様にアルツハイマー病患者集団の特性、すなわち感度特性を求める(ステップS2)。これは、図3又は図24(1)に示したのと同様の特性曲線グラフとなる。

そして、図24(1)に示す如く、特性曲線A及びBに対して、一例として所望の値=90％に対応する閾値NPV_L=2.08及びNPV_U=2.58を設定する(ステップS3)。

このようにして、正常者集団とアルツハイマー病患者集団に関する閾値NPV_L及びNPV_Uが設定されたので、被験者に対して同様にセンサ2₁を取り付け、同様に120秒間における規格化パワーバリアンスNPVを計算する(ステップS4)。

NPV＝NPV_Uのときの特異度は図24(1)に示す如く９０％になるので、NPV>NPV_Uの領域(ステップS5)には正常者の１０％しか属していない(同図(2)の右側斜線部参照。)。したがって、この領域に在る被験者に対してはアルツハイマー病であると判定し(ステップS6)、このときには、正常者の１０％に対してアルツハイマー病であると誤診する可能性にとどまる。

一方、NPV=NPV_Lのときに、同図(1)に示す如く、感度が９０％になるので、NPV<NPV_Lの領域(ステップS7)にはアルツハイマー病患者の１０％のみが含まれるので(同図(2)の左側斜線部参照。)、この被験者を正常者と判定し(ステップS8)、このときには、アルツハイマー病患者の１０％を正常者であると誤診する可能性にとどまる。

ステップS5及びステップS7を経由して、図24における閾値NPV_LとNPV_Uとの間にあることが分かった時には、正常者又はアルツハイマー病患者のいずれと判定しても不確定であるから、後日再検査を行うこととする(ステップS9)。

なお、上記の閾値NPV_L及びNPV_Uは、不確定領域を設けて、識別能を向上させるものであるが、NPVのカットオフ値NPV_COを用いると識別能は65％になるが、この単一の閾値を用いてもよい。

本発明に係る脳機能劣化度推定装置において、単一のセンサをどこに取り付ければよいかを探し当てるために設定した測定位置を頭部に示した平面図である。規格化パワーバリアンスNPVに対する正常者の特異度特性曲線とアルツハイマー病患者の感度特性を示した図である。センサ2₁を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₂を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₃を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₄を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₅を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₆を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₇を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₈を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₉を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₁₀を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₁₁を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₁₂を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₁₃を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₁₄を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₁₅を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₁₆を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₁₇を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₁₈を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₁₉を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₂₀を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₂₁を用いて測定したNPVの特異度特性及びアルツハイマー病患者の感度特性を示したグラフ図である。センサ2₁を採用した場合の特性とその閾値を示した図である。本発明に係る脳機能劣化度推定装置の一実施例を示したブロック図である。本発明に係る脳機能劣化度推定装置の変形例を示したブロック図である。本発明に用いる演算装置(判定装置)の処理手順を示したフローチャート図である。

符号の説明

１被験者の頭部
２，２_１脳波（脳磁）センサ
３増幅器
５Ａ／Ｄ変換器
１０コンピュータ
１１ＣＰＵ
１３ＲＯＭ（プログラム記録媒体）
１４ＲＡＭ
１５，１６，１７インタフェース
２４キーボード
２５外部記憶装置
３１ＣＲＴ
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

一個のセンサと、
予め分かっているアルツハイマー病患者及び正常者の額部に該センサを取り付けて得られたNPVに対して得られる感度及び特異度からそれぞれ得られるアルツハイマー病患者及び正常者に対するNPV閾値を記憶するとともに、被験者の額部に該センサを取り付けて得られるNPVと該NPV閾値とを比較し、該被験者のNPVが、該特異度のNPV閾値を超えているときアルツハイマー病患者と判定し、該感度のNPV閾値を下回っているとき正常者と判定する装置と、
該判定結果を出力する装置とを備え、
該NPVが、数値データ化した該センサの出力信号の一定期間内におけるパワーのバリアンスを、該パワーの平均値の二乗値で規格化したものであることを特徴とした脳機能劣化度推定装置。
請求項１において、
該判定装置が、通信回路を経由して接続された計算センターにおいて必要な演算を行い、得られた計算結果を該通信回線を介して該出力装置に送り返すことを特徴とした脳機能劣化度推定装置。
脳機能の劣化度を自動推定するために、
予め分かっているアルツハイマー病患者及び正常者の額部に一個のセンサを取り付けてNPVに対して得られる感度及び特異度からそれぞれ得られるアルツハイマー病患者及び正常者に対するNPV閾値を記憶するとともに、被験者の額部に該センサを取り付けて得られるNPVと該NPV閾値とを比較し、該被験者のNPVが、該特異度のNPV閾値を超えているときアルツハイマー病患者と判定し、該感度のNPV閾値を下回っているとき正常者と判定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。
請求項３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。