连成非线形振动子を用いたてんかん波焦点とその周辺脳波との関係性の解析（改订版）
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ブログはこちらから https://kenyu-life.com/ 日本機械学会の年次大会2018で発表した資料です。 発表した分野は、「医工学テクノロジー推進会議」分野の「医工学テクノロジーによる医療福祉機器開発」セッションにて研究報告をしました。 Created by 上原賢祐
连成非线形振动子を用いたてんかん波焦点とその周辺脳波との関係性の解析（改订版）
- 1. 連成非線形振動子を用いた てんかん波焦点とその周辺脳波との関係性の解析 ○上原 賢祐, 小川 朋美, 齊藤 俊 （山口大学） 日本機械学会年次大会2018 ＠関西大学 (2018.9.12) 医工学テクノロジーによる医療福祉機器開発 てんかん（脳疾患）???脳細胞神経の電気的信号授受の崩壊 体の制御不能状態（てんかん発作） てんかん性脳波 健常時よりも鋭い波形 異常な部位 難治てんかん：てんかん患者全体の３０％は飲み薬が効かない 外科治療???異常な部位の切除を行う ?侵襲性が大きいこと ?術後障害が残る可能性がある場合手術不可
- 2. インプラント型てんかん発作抑制デバイス（脳冷却） 脳冷却装置（ペルチェ） マルチ 脳波センサー バッテリーや 制御系は胸部へ 申請非 臨 床 試 験 臨 床 試 験 検 知 手 法 脳 冷 却 デバイス安全性の考慮した設計 （生物学的，電気的安全性） 解析手法の検討 （てんかんに寄らず汎用的に検討） センシング分解能 制御系設計?性能試験 動物テスト （冷却温度，速度，範囲） 我々の考える将来とスタディロードマップ てんかん脳波 Uehara, K. and Saito, T., Dependency ECoG Band Spectrum in Epilepstic Discharges Upon Local Cooling Rate on Brain, Proceedings of the ASME 2017 International Mechanical Engineering Congress and Exposition,(2017), pp.V003T04A096. Kida, H. et al, Focal brain cooling terminates the faster frequency components of epileptic discharges induced by prnicillin G in anesthetized rats, Clinical Neurophysiology, 123(2012), pp.1708-1713.
- 5. ··x + A ·x + Bx + Cx3 = P1cosωt + P2sinωt 時事刻々と変化する実測値脳波の波形に合うようにモデルパラメータの値を同定する手法 線形項 非線形振動子：粘性減衰振動を示す線形項 ＋ 非線形項 = 外部入力項 非線形項 外部入力項 解析手法：EPIA（Experimental Parameter Identi?cation Analysis） 実験的パラメータ同定解析 てんかん焦点 P(t) A B C x てんかん焦点の実測値 モデル出力 x 解析時間窓 N N の中でError関数を最小にする parameter を同定していく
- 6. EPIA（Experimental Parameter Identi?cation Analysis）：実験的パラメータ同定解析 ???脳波の新しい非線形解析手法，先行研究にて得られた結果と実用可能性について ··x + A ·x + Bx + Cx3 = P1cosωt + P2sinωt ＜EPIAの結果と実用可能性について＞ てんかんが生じると、非線形パラメータCが消失する A B C Time (s) Time (s) 0.5s毎に同定された A，B，C 0.5秒毎にモデルの出力を実験値（脳波）に合わせる てんかんによって脳波の状態が変わった場合，パラメータにはどのような影響があるか？ 小川朋美 他5名，”狭帯域てんかん性異常脳波を模擬するDu?ng振動子パラメータ特性”，日 本機械学会 Dynamics and Design Conherence 2017，No.17-13，(2017). ?数学的に，脳波挙動のモデリングが可能 ?医学的に，病態?状態推定などを行うことが可能
- 7. 非線形振動子による多点脳波の動的モデリング EPIA： Pa(t) Pb(t) ?Bab xa xb Bb Cb Ab Aa Ba Ca b aてんかん焦点 周辺の脳波 ··xa + Aa ·xa + Baxa + Cax3 a+ 周辺の脳波 ··xb + Ab ·xb + Bbxb + Cbx3 b+ 線形項 非線形項 連成項 外部入力項＋ ＋ ＝ てんかん焦点 P(t) = Pcosωt + Qsinωt 共通パラメータ ?Bab xa = Pb(t) xb = Pa(t) ?Bab ?Bab 同時に多チャンネルの解析を行うことで検知精度や予兆を推定できる？
- 8. てんかん脳波取得のためのラット実験 実測値データ：てんかんモデルラットを用いた5ch脳波計測 睡眠ラット （体重400g） ラット 固定台 体温維持マット 生理食塩水 毛，頭皮， 頭蓋骨，硬膜 の除去 脳波測定センサー (0.0) 前方向 横方向 頭蓋骨 てんかん誘発剤投与 脳波取得 ?サンプリング数：2 msec ?計測時間 2,000秒 ?アルファ波帯域（8-13 Hz）の脳波データ Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 (?V) Time (sec)
- 9. 解析範囲 (0.0) 前方向 横方向 頭蓋骨 てんかん誘発剤投与 実験データの解析範囲 Ch1 (?V) Time (sec) Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 Time (sec) Time (sec) てんかん発生前 0~90 秒間 てんかん発生後 1100 ~ 1190 秒間
- 10. 解析範囲 (0.0) 前方向 横方向 頭蓋骨 てんかん誘発剤投与 実験データの解析範囲 Ch1 (?V) Time (sec) Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 Time (sec) Time (sec) てんかん発生前 0~90 秒間 てんかん発生後 1100 ~ 1190 秒間 ··xa + Aa ·xa + Baxa + Cax3 a+ 周辺の脳波 ··xb + Ab ·xb + Bbxb + Cbx3 b+ てんかん焦点 Ch2 xa = Pb(t) xb = Pa(t) ?Bab ?Bab 解析窓を 0.4s として パラメータ同定を行う 連成はてんかん焦点Ch2に対して，他のCh1,3,4,5と実施する
- 11. 解析結果および考察 : （てんかん発生後/てんかん発生前）の変化 -10 -7.5 -5 -2.5 0 2.5 5 Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2 Cb Ca ?Bab 0 0.4 0.8 1.2 1.6 Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2 同定パラメータの平均値の比 同定パラメータのRMS値の比周辺 焦点 連成 Cb Ca ?Bab周辺 焦点 連成 ··xa + Aa ·xa + Baxa + Cax3 a+ 周辺の脳波 ··xb + Ab ·xb + Bbxb + Cbx3 b+ てんかん焦点 Ch2 xa = Pb(t) xb = Pa(t) ?Bab ?Bab てんかんが発生すると，各パラメータはどうなるのか 非線形パラメータCb Ca てんかんが生じると系の持つ非線形性がほとんど低下する（同側のCh3,Ch4側ではほぼ１） てんかんのような異常な状態においては，脳波の持つ非線形性（ゆらぎ）は小さくなるという 先行研究の結果を支持する → 異常度合いの広がりを調べることのできる手法である可能性 Ch1 Ch3 Ch4 Ch5 Ch2 Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2
- 12. 解析結果および考察 : （てんかん発生後/てんかん発生前）の変化 -10 -7.5 -5 -2.5 0 2.5 5 Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2 Cb Ca ?Bab 0 0.4 0.8 1.2 1.6 Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2 同定パラメータの平均値の比 同定パラメータのRMS値の比周辺 焦点 連成 Cb Ca ?Bab周辺 焦点 連成 ··xa + Aa ·xa + Baxa + Cax3 a+ 周辺の脳波 ··xb + Ab ·xb + Bbxb + Cbx3 b+ てんかん焦点 Ch2 xa = Pb(t) xb = Pa(t) ?Bab ?Bab てんかんが発生すると，各パラメータはどうなるのか 共通の連成パラメータ てんかんが発生すると，連成パラメータは大きくなる（Ch5は，負にかなり大きくなる） てんかん焦点が周囲に伝播する方向や強度を推定できる可能性を示唆しており，パーソナラ イズが必要な装置開発に有益なパラメータの一つであると考えられる． ?Bab Ch1 Ch3 Ch4 Ch5 Ch2 Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2
- 13. 解析結果および考察 : （てんかん発生後/てんかん発生前）の変化 -10 -7.5 -5 -2.5 0 2.5 5 Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2 Cb Ca ?Bab 同定パラメータの平均値の比 周辺 焦点 連成 ··xa + Aa ·xa + Baxa + Cax3 a+ 周辺の脳波 ··xb + Ab ·xb + Bbxb + Cbx3 b+ てんかん焦点 Ch2 xa = Pb(t) xb = Pa(t) ?Bab ?Bab てんかんが発生すると，各パラメータはどうなるのか 異常性 目的：てんかん焦点とその周辺脳波の関係性を調査 Ch1 Ch3 Ch4 Ch5 Ch2 Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2 Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 伝播方向 ?同定されたパラメータを確認することによって，異常性や伝播方向の定量化ができる ?インプラントデバイスの脳波センサーを取り付け位置の議論に必要な研究である Ch1 Time (sec) Ch2 Ch3 Ch4 Ch5
- 14. 解析結果および考察 : （てんかん発生後/てんかん発生前）の変化 -10 -7.5 -5 -2.5 0 2.5 5 Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2 Cb Ca ?Bab 同定パラメータの平均値の比 周辺 焦点 連成 ··xa + Aa ·xa + Baxa + Cax3 a+ 周辺の脳波 ··xb + Ab ·xb + Bbxb + Cbx3 b+ てんかん焦点 Ch2 xa = Pb(t) xb = Pa(t) ?Bab ?Bab てんかんが発生すると，各パラメータはどうなるのか 異常性 インプラントデバイス開発に向けたてんかん波検知手法の今後の課題 Ch1 Ch3 Ch4 Ch5 Ch2 Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2 Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 伝播方向 解析するための窓幅問題や，モデルの問題，モデルパラメータの特性とヒトの 状態との関係，実験系のセンサー取り付け位置や数，などなどなど 本解析手法の実用化のためにもさらなる調査が必要である Ch1 Time (sec) Ch2 Ch3 Ch4 Ch5
- 16. More 追加資料
- 17. 引用：日本神経治療学会治療指針作成委員会，標準的神経治療：高齢発症てんかん，神経治療学会， Vol. 29, No.4 (2012), pp. 459 - 479. 日本のてんかんの発症率と高齢化の問題 てんかんの発症率 先天性のもので 投薬完治 高齢者の発症率が ものすごく多い 高齢者は増加するという確定した未来 日本の世代別人口推移 キーワード： １．高齢者（40?50%），難治てんかん（30％） → 無視できない膨大な数，珍しくない病気． ２．多様性のある社会 → 高齢者だけではなく身体障碍者と健常者という分類がない 誰もが活動できる多種多様な社会の実現 ３．テクノロジー → QOLをどのように担保するのか？
- 18. てんかん（脳疾患）とは Christine Lowe Having an Epileptic Seizure (Graphic) — from YouTube https://www.youtube.com/watch?v=MRZY2a2jnuw&t=100s 脳神経細胞の電気的信号授受の崩壊 体の制御不能状態（てんかん発作） てんかん性脳波 健常時よりも鋭い波形 てんかん患者全体の３０％は飲み薬が効かない難治てんかん 外科治療???異常な部位の切除を行う ?侵襲性が大きいこと ?術後障害が残る可能性がある場合手術不可 薬物治療 外科治療 異常な部位
- 20. 解析手法 てんかん焦点の実測値 モデル出力 xa 周辺脳波の 実測値 モデル出力 xb 解析時間窓 N N の中でError関数を最小にする parameter を実数型遺伝的アルゴリズムを 用いて同定する 同定されたパラメータの値によっててんかん焦点とその周辺脳波の関係性を調査する 非線形振動子による多点脳波の動的モデリング ··xa + Aa ·xa + Baxa + Cax3 a+ 周辺の脳波 ··xb + Ab ·xb + Bbxb + Cbx3 b+ 線形項 非線形項 連成項 外部入力項＋ ＋ ＝ てんかん焦点 共通パラメータ ?Bab xa = Pb(t) xb = Pa(t) ?Bab ?Bab
- 21. 解析結果および考察 ··xa + Aa ·xa + Baxa + Cax3 a+ 周辺の脳波 ··xb + Ab ·xb + Bbxb + Cbx3 b+ てんかん焦点 xa = Pb(t) xb = Pa(t) ?Bab ?Bab -10 -7.5 -5 -2.5 0 2.5 5 1 Epilepsy = Normal Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2 Ab Bb Cb Aa Ba Ca ?Bab 0 0.75 1.5 2.25 3 1 Epilepsy = Norma Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2 Ab Bb Cb Aa Ba Ca ?Bab 同定パラメータの平均値の比 同定パラメータのRMS値の比 インプラントデバイス開発に向けたてんかん波検知手法の今後の課題 モデルパラメータのそれぞれの値は，同時に決定するので，全体から大きく外れ る傾向を持つパラメータに関しては，疑うべき箇所である． 本解析手法の実用化のためにもさらなる調査が必要である
- 22. 解析結果および考察 : （てんかん発生後/てんかん発生前）の変化 -10 -7.5 -5 -2.5 0 2.5 5 Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2 Cb Ca ?Bab 0 0.4 0.8 1.2 1.6 Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2 同定パラメータの平均値の比 同定パラメータのRMS値の比周辺 焦点 連成 Cb Ca ?Bab周辺 焦点 連成 ··xa + Aa ·xa + Baxa + Cax3 a+ 周辺の脳波 ··xb + Ab ·xb + Bbxb + Cbx3 b+ てんかん焦点 Ch2 xa = Pb(t) xb = Pa(t) ?Bab ?Bab てんかんが発生すると，各パラメータはどうなるのか 今後の検討事項 解析するための窓幅問題や，モデルの問題，モデルパラメータの特性とヒトの 状態との関係など，本解析手法の実用化のためにもさらなる調査が必要である． Ch1 Ch3 Ch4 Ch5 Ch2 Ch1-2 Ch3-2 Ch4-2 Ch5-2
- 23. □Ch3-Ch2の連成???てんかんの伝播はみられるが，Ch1よりはかなり小さい Ch3-Ch2の連成???Ch3（青）とCh2（赤）の実測値とその波形のズレ Time (sec) Time (sec) Time (sec) Ch2 Ch3 Ch3-2 Ch3-2 Time (sec) 各実測値に対するシミュレーションとの同時プロットから，ある程度モデル出力が 波形にあっていることが確認できる
- 24. Ch1とCh3のてんかん波の伝播度合い 上：Ch1-2 下：Ch3-2 の結果：Ch1により伝播している．実験系の難しさもある Time (sec) Ch3-2Ch1-2
- 25. □Ch1-Ch2の連成???Ch1に対するてんかん波の影響が最も大きかった パラメータ 左側：Ch1 右側：Ch2 （健常n：紫 てんかんe：緑） シミュレーション結果 左側：健常脳波 右側：てんかん波 (実测値：紫 シミュレーション：緑)
- 26. □Ch3-Ch2の連成???てんかんの伝播はみられるが，Ch1よりはかなり小さい パラメータ 左側：Ch3 右側：Ch2 （健常n：紫 てんかんe：緑） シミュレーション結果 左側：健常脳波 右側：てんかん波 (実测値：紫 シミュレーション：緑)
- 27. □Ch4-Ch2の連成???てんかんの伝播はみられない．BやCの違いが気になる． パラメータ 左側：Ch4 右側：Ch2 （健常n：紫 てんかんe：緑） シミュレーション結果 左側：健常脳波 右側：てんかん波 (実测値：紫 シミュレーション：緑)
- 28. □Ch4-Ch5の連成???てんかんの伝播はみられない．反対側なので未知 パラメータ 左側：Ch5 右側：Ch2 （健常n：紫 てんかんe：緑） シミュレーション結果 左側：健常脳波 右側：てんかん波 (実测値：紫 シミュレーション：緑)
- 30. 先行研究
- 31. 先行研究
- 32. 先行研究
- 33. 先行研究
- 34. 先行研究
- 35. 先行研究
- 36. 先行研究