JP6193613B2 - てんかん発作のモニタリングシステム及びモニタリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、脊椎動物、例えばイヌにおけるてんかん発作をモニタリングする技術に関するものである。

てんかんとは、反復性のてんかん発作を生じる脳の慢性疾患であり、種々の原因によりもたらされる。てんかん発作の発生時期を予期することは非常に難しいことが知られている。

脊椎動物、例えばイヌのてんかん有病率はおおよそ１〜５％であり、累積発症率は最大で１０％程度であることが知られている。日本では、およそ１０万〜６０万頭のイヌがてんかんに罹患していると推定されている。参考のために述べると、ヒトのてんかん有病率は約１％（神経疾患の中で最多）であり、７５歳までの累積発症率は約３％である。また、ネコのてんかん有病率はイヌの約半分である。

てんかん発作が、てんかん重積状態（１５分以上続くてんかん発作）に至ると、自発的に止まらないことが多い。しかも、この状態になると、死に至るか、そうでなくとも後遺症が残ることが多い。このため、てんかんを自動的にモニタリングするシステムが望まれる。

また、てんかん治療においては、治療対象動物のてんかん発作回数を継続的に測定して、その推移を把握することが重要である。てんかん発作はいつ起きるか不明なので、この測定を作業者が行うことは、その作業者にかなりの負担となる。この観点からも、てんかん発作用の自動モニタリングシステムが望まれる。

従来から提案されているてんかん発作モニタリングシステムとしては、例えば、ケージ内に入った動物の動画を連続して撮影した後、録画を再生して、てんかん発作の回数を数えるという方法が知られている。しかしながら、この方法では、作業者の負担が大きいだけでなく、リアルタイムの監視ができないという問題がある。

また、ヒトのてんかん発作を検出するシステムとして、例えば下記特許文献１の技術が提案されている。この提案は、ヒトの四肢（例えば手首）に取り付けた三軸加速度計から得た加速度データによりてんかん発作を検出するというものである。しかしながら、この手法で実際にてんかん発作を判別できるのかどうか、この文献からは不明である。また、この技術をヒト以外の動物、例えばイヌに適用するための手段は、この文献には開示されていない。

特表２００９−５３７２２４号公報（００１３段落）

本発明は、前記した状況に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、脊椎動物、例えばイヌにおけるてんかん発作を自動的に検出できるモニタリング技術を提供することである。

（項目１）
脊椎動物におけるてんかん発作をモニタリングするためのシステムであって、
検出部と、解析部と、記録部とを備えており、
前記検出部は、三軸加速度計を備えており、
前記三軸加速度計は、前記脊椎動物の三軸方向における加速度データをそれぞれ検出する構成とされており、
前記解析部は、
前記三軸方向における加速度データから、てんかん発作解析用の解析データを生成する処理と、
前記記録部に記録されたテンプレートデータと前記解析データとを照合することによって、てんかん発作状態であるかどうかを判定する処理と
を行う構成とされている
ことを特徴とするてんかん発作モニタリングシステム。

（項目２）
前記三軸加速度計は、前記脊椎動物の体幹の正中線上に配置されいる
項目１に記載のモニタリングシステム。

（項目３）
前記解析データは、所定期間ごとの、Ｘ方向加速度と、Ｙ方向加速度と、Ｚ方向加速度と、これら三軸方向加速度の合成力とについての、平均値及び変動係数であり、
前記テンプレートデータは、てんかん発作状態と非てんかん発作状態の前記脊椎動物について前記解析データを取得することによって事前に生成されたものであって、
かつ、前記テンプレートデータは、てんかん発作状態群と非てんかん発作状態群とを有している
項目１又は２に記載のモニタリングシステム。

（項目４）
前記テンプレートデータと前記解析データとの照合は、前記テンプレートデータにおけるてんかん発作状態群及びと非てんかん発作状態群と前記解析データとのそれぞれのマハラノビス距離を算出し、前記解析データが、前記マハラノビス距離において前記てんかん発作状態群と非てんかん発作状態群のいずれに近いかによって実行される構成とされている
項目１〜３のいずれか１項に記載のモニタリングシステム。

（項目５）
前記三軸加速度計は、前記脊椎動物の肩甲骨間における背中側に取り付けられている
項目１〜４のいずれか１項に記載のモニタリングシステム。

（項目６）
さらに出力部を備えており、
前記出力部は、前記解析部における判定の結果を前記記録部に出力して記録する構成となっている
項目１〜５のいずれか１項に記載のモニタリングシステム。

（項目７）
さらに出力部を備えており、
前記出力部は、前記解析部における判定の結果を外部に通報する構成となっている
項目１〜５のいずれか１項に記載のモニタリングシステム。

（項目８）
前記てんかん発作は、強直・間代性発作である
項目１〜７のいずれか１項に記載のモニタリングシステム。

（項目９）
前記脊椎動物はイヌである
項目１〜８のいずれか１項に記載のモニタリングシステム。

（項目１０）
脊椎動物におけるてんかん発作をモニタリングするための方法であって、
脊椎動物の三軸方向における加速度データをそれぞれ検出するステップと、
前記三軸方向における加速度データから、てんかん発作解析用の解析データを生成するステップと、
予め準備されたテンプレートデータと前記解析データとを照合することによって、てんかん発作状態であるかどうかを判定するステップと
を備えることを特徴とするてんかん発作モニタリング方法。

（項目１１）
脊椎動物におけるてんかん発作をモニタリングするためのコンピュータプログラムであって、
脊椎動物の三軸方向における加速度データの入力を受け取るステップと、
前記三軸方向における加速度データから、てんかん発作解析用の解析データを生成するステップと、
予め準備されたテンプレートデータと前記解析データとを照合することによって、てんかん発作状態であるかどうかを判定するステップと
をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。

このコンピュータプログラムは、適宜な記録媒体（例えばＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤディスクのような光学的な記録媒体、ハードディスクやフレキシブルディスクのような磁気的記録媒体、あるいはＭＯディスクのような光磁気記録媒体）に格納することができる。このコンピュータプログラムは、インターネットなどの通信回線を介して伝送されることができる。

本発明によれば、前記の構成を備えることによって、脊椎動物、例えばイヌにおけるてんかん発作を自動的に検出するためのモニタリング技術を提供することが可能となる。

本発明のモニタリングシステム全体の概略を示すブロック図である。 対象動物であるイヌに三軸加速度計を取り付けた状態を示す説明図である。 図１のシステムを用いたモニタリング方法の全体的な手順を説明するためのフローチャートである。 図３のモニタリング方法における学習手順を説明するためのフローチャートである。 図３のモニタリング方法における検出手順を説明するためのフローチャートである。 実験例におけるてんかん発作判定の結果を示す説明図である。

（本実施形態の構成）
本発明の一実施形態におけるてんかん発作モニタリングシステムの構成を、添付の図面を参照しながら説明する。本実施形態のシステムは、脊椎動物の一例としてのイヌにおけるてんかん発作を対象としている。また、本実施形態は、てんかん発作として、強直・間代性発作を対象としている。強直・間代性発作は、てんかん重積状態に至った際に重症化しやすいことが知られている重大な発作だからである。ここで、本明細書における用語の定義は以下のとおりである。
・強直発作：左右ほぼ対称に全身が硬直する発作；
・間代発作：左右ほぼ対称に、全身的な筋肉のけいれんを起こす発作；
・強直・間代性発作：強直性けいれんから間代性けいれんに移行する、あるいはこれらが混在する一連の発作。ただし、本明細書では、強直発作のみ、あるいは間代発作のみの状態もこの用語に含まれるものとして扱う。また、この発作には、全般発作だけでなく、二次性全般化発作（部分発作から二次的に全般化した発作）の場合も含むものとする。
・脊椎動物：ヒト以外の脊椎動物、例えばイヌ。

本実施形態のモニタリングシステムは、検出部１と、解析部２と、記録部３とを備えている（図１参照）。さらに、このシステムは、出力部４を備えている。

検出部１は、三軸加速度計１１を備えている。三軸加速度計１１は、イヌの体幹の正中線上に配置されて、イヌの三軸方向における加速度データをそれぞれ検出する構成とされている。具体的には、本実施形態の検出部１は、三軸加速度計１１をイヌに取り付けるための取付具１２をさらに備えている（図２参照）。取付具１２は、両前足を通過させるための二つの穴と、これらの穴に前足を通した状態でイヌの背中側に位置する背面部とを備えている。つまり、本実施形態の取付具１２は、ジャケット状となっている。ただし、取付具１２としては、ジャケット状に限らず、ハーネスを利用したものでもよい。要するに、取付具１２としては、所望の位置に三軸加速度計１１を確実に保持できる構成であれば、種々の形態をとることができる。三軸加速度計１１は、取付具１２の背面部の外面に、着脱可能なように取り付けられる構成となっている。このように装着すると、本実施形態の三軸加速度計１１は、イヌの肩甲骨間における背中側に取り付けられるようになっている。ここで、この明細書における正中線とは、「左右対称形の動物における相称軸（あるいは相称面上の直線）」をいうものとする。例えば、イヌの背面であって、かつその脊椎上となる位置が、正中線上の位置となる。また、この明細書においては、三軸方向として、直交座標系におけるＸＹＺ方向を用いるが、適宜な変換式によって直交座標系と等価に変換できる座標系（例えば斜交座標系）上の三軸方向を用いることは可能である。

解析部２は、てんかん判定時において、
三軸加速度計１１で収集された三軸方向加速度データから、てんかん発作解析用の解析データを生成する処理と、
記録部３に記録されたテンプレートデータと解析データとを照合することによって、てんかん発作状態であるかどうかを判定する処理と
を行う構成とされている。

ここで、本実施形態で用いる解析データは、所定期間ごとの、Ｘ方向加速度と、Ｙ方向加速度と、Ｚ方向加速度と、これら三軸方向加速度の合成力とについての、平均値及び変動係数となっている。つまり、この実施形態では、解析データが、これら８個の要素データを含んでいる。なお、変動係数は、標準偏差を算術平均で割ったものであり、その算出方法はよく知られているので、詳しい説明は省略する。また、変動係数の逆数を解析データとして用いることも可能であるが、このように変動係数から導かれる数値も、この実施形態の説明においては変動係数という用語に含まれるものとする。

また、テンプレートデータは、てんかん発作状態と非てんかん発作状態の脊椎動物（本例ではイヌ）について解析データを取得することによって事前に生成されたものである。さらに、テンプレートデータは、少なくともてんかん発作状態群と非てんかん発作状態群という二つのグループあるいはクラスタを有している。

また、本実施形態において、テンプレートデータと解析データとの照合は、テンプレートデータにおけるてんかん発作状態群及び非てんかん発作状態群と解析データとのそれぞれのマハラノビス距離を算出し、このマハラノビス距離において、解析データがてんかん発作状態群と非てんかん発作状態群のいずれに近いかによって実行されるようになっている。

てんかん発作を判定するための具体的な手法は、本実施形態の動作として後述する。

出力部４は、解析部２における判定の結果を記録部３に出力して記録する構成となっている。ただし、出力部４は、解析部２における判定の結果を外部に通報する構成であってもよい。

（本実施形態の動作）
以下、図３〜図５を参照して、前記したシステムを用いたてんかん発作モニタリング方法を説明する。

（図３のステップＳＡ−１）
まず、てんかん発作判定の前提となるテンプレートデータを作成するための学習を行う。この学習の手順を、図４をさらに参照しながら説明する。

（図４のステップＳＢ−１）
学習においては、対象動物（本例ではイヌ）のてんかん発作時と非てんかん発作時（つまり通常時）のそれぞれについて、検出部１の三軸加速度計１１を用いて、三軸加速度を検出する。学習時における三軸加速度の検出は、好ましくは、後述する判定時における三軸加速度の検出と同様の取り付け状態で行われる。ただし、学習時と判定時とで異なる三軸加速度計を用いることも、必要なデータを得られるのであれば、可能である。

（図４のステップＳＢ−２）
ついで、前記のように検出された、三軸方向の加速度データから、てんかん発作解析用のテンプレートデータを生成する。前記したように、本実施形態で用いる解析データは、所定期間ごと（例えば１分ごと）の、Ｘ方向加速度と、Ｙ方向加速度と、Ｚ方向加速度と、これら三軸方向加速度の合成力とについての、平均値及び変動係数となっている。また、テンプレート作成時には、てんかん発作時のデータと非てんかん発作時のデータとを操作者が区別できるので、それぞれの群（てんかん発作状態群と非てんかん発作状態群）にデータをまとめておく。つまり、クラスタを生成しておく。

（図４のステップＳＢ−３）
ついで、クラスタを有するテンプレートデータを、記録部３に格納する。テンプレートデータ生成の実験例については後述する。

（図３のステップＳＡ−２）
つぎに、作成されたテンプレートを用いた、てんかん発作検出の手順について、図５をさらに参照しながら説明する。

（図５のステップＳＣ−１）
まず、検出部１の三軸加速度計１１が、イヌの三軸方向における加速度データを継続的に取得し、解析部２に送る。ここで、本実施形態では、取付具１２を用いて三軸加速度計１１を、イヌの肩甲骨間における背中側に取り付けたので（図２参照）、対象動物であるイヌの口や脚による妨害を受けることなく、測定を行うことができる。また、本実施形態では、取付具１２により、三軸加速度計１１を、イヌの体幹の正中線上に配置したので、対象動物であるイヌの口や脚による妨害を一層確実に防止できる。ただし、三軸加速度計１１の設置位置としては、正中線の直上でなく、その近傍であっても、妨害を防止できる位置であればよい。また、三軸加速度計１１を、対象動物の体幹（背中）の正中線上に配置したので、発作の動きの左右差や前後差が大きい場合でも加速度感知の可能性が高いという利点もある。例えば、左後肢を大きく動かすような発作が起きた場合、もしも体の右側に加速度計１１が装着されていたとすれば、発作を感知できない可能性がある。同様に、例えば体の後部側（後ろ足側）を大きく動かすような発作が起きた場合、もしも体の前脚近傍に加速度計１１が装着されていたとすれば、発作を感知できない可能性がある。これに対して、前記した実施形態では、三軸加速度計１１を対象動物の体幹の正中線上に配置したので、このような左右差や前後差の大きな発作も検出できる可能性が高いという利点がある。したがって、本実施形態では、部分発作（あるいは焦点発作ともいう）に分類されるような局所的なてんかん発作の検出も可能になるという利点がある。

（図５のステップＳＣ−２）
解析部２では、三軸方向における加速度データから、てんかん発作解析用の解析データを生成する。本実施形態で用いる解析データは、所定期間ごと（例えば１分ごと）の、Ｘ方向加速度と、Ｙ方向加速度と、Ｚ方向加速度と、これら三軸方向加速度の合成力とについての、平均値及び変動係数となっている。このデータの種類は、前記したテンプレートデータの場合と同じとされている。

（図５のステップＳＣ−３）
ついで、解析部２は、記録部３に予め準備されたテンプレートデータと、随時取得されている解析データとを照合する。具体的には、解析部２は、テンプレートデータにおけるてんかん発作状態群と非てんかん発作状態群と解析データとのマハラノビス距離を算出する。マハラノビス距離の算出方法としては、既存の手法を用いることができるので、詳しい説明は省略する。

（図５のステップＳＣ−４）
さらに、解析部２は、算出されたマハラノビス距離がどちらの群に近いかによって、てんかん状態か否かの判定を行う。例えば、ある時点で得られた解析データが、てんかん発作状態群のクラスタにより近いのであれば、対象のイヌはてんかん発作状態であると判定できる。

（図３のステップＳＡ−３）
解析部２は、判定結果を出力部４に送る。出力部４は、てんかん発作の発生状況（例えば発生時間、継続期間、発生回数など）を記録部３に記録することができる。あるいは、出力部４は、外部のシステムあるいは通信端末に対して、てんかん発作の発生を通知することもできる。例えば、通信システムを介して、飼い主の携帯端末に、てんかん発作の発生を知らせることができる。

前記した各実施形態の動作は、コンピュータに適宜のコンピュータソフトウエアを組み込むことにより実施することができる。

なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。

例えば、前記した各構成要素は、機能ブロックとして存在していればよく、独立したハードウエアとして存在しなくても良い。また、実装方法としては、ハードウエアを用いてもコンピュータソフトウエアを用いても良い。さらに、本発明における一つの機能要素が複数の機能要素の集合によって実現されても良く、本発明における複数の機能要素が一つの機能要素により実現されても良い。

また、機能要素は、物理的に離間した位置に配置されていてもよい。この場合、機能要素どうしがネットワークにより接続されていても良い。グリッドコンピューティングにより機能を実現し、あるいは機能要素を構成することも可能である。

また、前記実施形態では、イヌのてんかん発作を監視する例を説明したが、イヌに限らず、ネコなど、他の脊椎動物についても本発明を適用可能である。

また、前記実施形態では、ステップＳＣ−２における解析データの取得を、１分ごととしたが、これに限らず、もっと短い（例えば数秒ごと）、あるいはもっと長い（例えば数十分ごと）周期で取得することもできる。あるいは、時間帯や犬種などの条件によって異なる周期でデータを取得することも可能である。

（実験例）
以下、実際にてんかん状態の判定を行った例を説明する。

（実験条件）
・対象動物：自然発症のてんかん罹患犬５頭（３犬種）及び健常犬１頭
（すなわち、ビーグル４頭、ミニチュアダックスフンド１頭、ペキニーズ１頭の計６頭：ここでビーグル１頭のみが健常犬であり、残りはすべててんかん罹患犬である）

（実験例におけるテンプレートデータの作成）
前記対象動物のうち、てんかんに罹患しているビーグル２頭と罹患していないビーグル１頭を用いて、前記において説明したテンプレートデータを作成した。このとき、対象動物がてんかん状態であるか否かを操作者が確認して、それぞれのデータを、てんかん発作状態群と非てんかん発作状態群のどちらかに関連付けた。テンプレート用のデータ収集中に、対象動物全体で、８回のてんかん発作を発症した。そのうち４回が自然発作であり、残りの４回が薬物誘因発作であった。

（実験例におけるてんかん判定動作）
ついで、てんかんに罹患している３頭の対象動物（ビーグル、ペキニーズ及びミニチュアダックスフンド：これらはテンプレートデータ作成時の個体とは違う個体である）について、前記した実施形態の手法で三軸加速度データを取得し、判定を行った。結果を図６に示す。ここで２頭の対象動物をそれぞれＤｏｇ１、Ｄｏｇ２及びＤｏｇ３としている。対象動物Ｄｏｇ１のてんかん発作時には、てんかん発作群とのマハラノビス距離が６であり、非てんかん発作群とのマハラノビス距離が７１であった。これにより、てんかん発作であることを正確に判定できた。以下同様に、Ｄｏｇ１の非発作時、並びに、Ｄｏｇ２及びＤｏｇ３のてんかん発作時、非てんかん発作時のいずれについても、正しい判定を行うことができた。つまり、この実験例での判別成功率は１００％となった。したがって、前記した実施形態の手法により、精度の高いてんかん発作判定を実現可能であることがわかる。

１ 検出部
１１ 三軸加速度計
１２ 取付具
２ 解析部
３ 記録部
４ 出力部

Claims (6)

1. 脊椎動物におけるてんかん発作をモニタリングするためのシステムであって、
   検出部と、解析部と、記録部とを備えており、
   前記検出部は、三軸加速度計を備えており、
   前記三軸加速度計は、前記脊椎動物の三軸方向における加速度データをそれぞれ検出する構成とされており、
   前記解析部は、
   前記三軸方向における加速度データから、てんかん発作解析用の解析データを生成する処理と、
   前記記録部に記録されたテンプレートデータと前記解析データとを照合することによって、てんかん発作状態であるかどうかを判定する処理と
   を行う構成とされており、
   前記三軸加速度計は、前記脊椎動物の体幹の正中線上に配置されており、
   前記解析データは、所定期間ごとの、Ｘ方向加速度と、Ｙ方向加速度と、Ｚ方向加速度と、これら三軸方向加速度の合成力とについての、平均値及び変動係数であり、
   前記テンプレートデータは、てんかん発作状態と非てんかん発作状態の前記脊椎動物について前記解析データを取得することによって事前に生成されたものであり、
   かつ、前記テンプレートデータは、てんかん発作状態群と非てんかん発作状態群とを有しており、
   前記テンプレートデータと前記解析データとの照合は、前記テンプレートデータにおけるてんかん発作状態群及び非てんかん発作状態群と前記解析データとのそれぞれのマハラノビス距離を算出し、前記解析データが、前記マハラノビス距離において前記てんかん発作状態群と非てんかん発作状態群のいずれに近いかによって実行される構成とされており、
   前記てんかん発作は、強直・間代性発作であり、
   前記脊椎動物はイヌであり、
   前記テンプレートデータは、モニタリングの対象となる前記脊椎動物自体のデータを含まないものとなっている
   ことを特徴とするてんかん発作モニタリングシステム。
2. 前記三軸加速度計は、前記脊椎動物の肩甲骨間における背中側に取り付けられている
   請求項１に記載のモニタリングシステム。
3. さらに出力部を備えており、
   前記出力部は、前記解析部における判定の結果を前記記録部に出力して記録する構成となっている
   請求項１又は２に記載のモニタリングシステム。
4. さらに出力部を備えており、
   前記出力部は、前記解析部における判定の結果を外部に通報する構成となっている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のモニタリングシステム。
5. 脊椎動物におけるてんかん発作をモニタリングするための方法であって、
   脊椎動物の三軸方向における加速度データを、前記脊椎動物の体幹の正中線上に配置された三軸加速度計により、それぞれ検出するステップと、
   前記三軸方向における加速度データから、てんかん発作解析用の解析データを生成するステップと、
   予め準備されたテンプレートデータと前記解析データとを照合することによって、てんかん発作状態であるかどうかを判定するステップと
   を備えており、
   前記解析データは、所定期間ごとの、Ｘ方向加速度と、Ｙ方向加速度と、Ｚ方向加速度と、これら三軸方向加速度の合成力とについての、平均値及び変動係数であり、
   前記テンプレートデータは、てんかん発作状態と非てんかん発作状態の前記脊椎動物について前記解析データを取得することによって事前に生成されたものであり、
   かつ、前記テンプレートデータは、てんかん発作状態群と非てんかん発作状態群とを有しており、
   前記テンプレートデータと前記解析データとの照合は、前記テンプレートデータにおけるてんかん発作状態群及び非てんかん発作状態群と前記解析データとのそれぞれのマハラノビス距離を算出し、前記解析データが、前記マハラノビス距離において前記てんかん発作状態群と非てんかん発作状態群のいずれに近いかによって実行される構成とされており、
   前記てんかん発作は、強直・間代性発作であり、
   前記脊椎動物はイヌであり、
   前記テンプレートデータは、モニタリングの対象となる前記脊椎動物自体のデータを含まないものとなっている
   ことを特徴とするてんかん発作モニタリング方法。
6. 脊椎動物におけるてんかん発作をモニタリングするためのコンピュータプログラムであって、
   脊椎動物の体幹の正中線上に配置された三軸加速度計により測定された、脊椎動物の三軸方向における加速度データの入力を受け取るステップと、
   前記三軸方向における加速度データから、てんかん発作解析用の解析データを生成するステップと、
   予め準備されたテンプレートデータと前記解析データとを照合することによって、てんかん発作状態であるかどうかを判定するステップと
   をコンピュータに実行させるようになっており、ここで、
   前記解析データは、所定期間ごとの、Ｘ方向加速度と、Ｙ方向加速度と、Ｚ方向加速度と、これら三軸方向加速度の合成力とについての、平均値及び変動係数であり、
   前記テンプレートデータは、てんかん発作状態と非てんかん発作状態の前記脊椎動物について前記解析データを取得することによって事前に生成されたものであり、
   かつ、前記テンプレートデータは、てんかん発作状態群と非てんかん発作状態群とを有しており、
   前記テンプレートデータと前記解析データとの照合は、前記テンプレートデータにおけるてんかん発作状態群及び非てんかん発作状態群と前記解析データとのそれぞれのマハラノビス距離を算出し、前記解析データが、前記マハラノビス距離において前記てんかん発作状態群と非てんかん発作状態群のいずれに近いかによって実行される構成とされており、
   前記てんかん発作は、強直・間代性発作であり、
   前記脊椎動物はイヌであり、
   前記テンプレートデータは、モニタリングの対象となる前記脊椎動物自体のデータを含まないものとなっている
   ことを特徴とするコンピュータプログラム。

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