JP2024056292A - Diagnostic support information providing system, diagnostic support device, symptom index providing device, and symptom index providing program - Google Patents
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Abstract
Description
特許法第30条第2項適用申請有り 1)令和3年10月30日に、日本女性医学学会雑誌 第36回学術集会プログラム・要旨集 第29巻 第1号 ISSN 2185-8861 第102頁に発表。 2)令和3年11月6日に、日本女性医学学会主催、日本女性医学学会学術集会 メインテーマ -女性医学:女性の健康の総合的門番-にて発表。Application for application of Article 30,
本発明は、更年期女性の血管運動神経症状とうつ症状の鑑別を補助する診断補助装置および診断補助情報提供システム、更年期症状に関する症状指標の提供をするための症状指標提供装置および症状指標提供プログラムに関する。 The present invention relates to a diagnostic support device and diagnostic support information providing system that assists in distinguishing between vasomotor symptoms and depressive symptoms in menopausal women, and a symptom index providing device and symptom index providing program for providing symptom indexes related to menopausal symptoms.
「更年期」とは、女性の閉経前後の5年間のことをいい、日本人では、平均として、45~55歳くらいの期間をいう。 "Menopause" refers to the five years before and after menopause in women, which for Japanese people is the period from about 45 to 55 years of age on average.
ここで、「閉経」とは、卵巣の活動性が次第に消失し、ついに月経が永久に停止した状態をいう。月経が来ない状態が12か月以上続いた時に、1年前を振り返って閉経としている。日本人の平均閉経年齢は約50歳であるものの、個人差が大きく、早い人では40歳台前半、遅い人では50歳台後半に閉経を迎えるとされている(非特許文献1を参照)。 Here, "menopause" refers to a state in which ovarian activity gradually disappears and menstruation finally stops permanently. When menstruation has ceased for 12 months or more, menopause is considered to have occurred one year prior. The average age of menopause for Japanese women is about 50 years old, but there is a large degree of individual variation, with some women reaching menopause as early as their early 40s and others as late as their late 50s (see Non-Patent Document 1).
上述の通り、閉経前の5年間と閉経後の5年間とを併せた10年間を「更年期」といい、またその更年期に現れる症状の中で器質的変化に起因しない症状を「更年期症状」と呼び、これらの症状の中で日常生活に支障をきたす病態が「更年期障害」と定義されている。 As mentioned above, the 10 years consisting of the 5 years before menopause and the 5 years after menopause are called the "menopause", and symptoms that appear during the menopause that are not caused by organic changes are called "menopausal symptoms", and among these symptoms, pathological conditions that interfere with daily life are defined as "menopausal disorders".
更年期障害の主な原因は、女性ホルモン(エストロゲン)が大きくゆらぎながら低下していくこと(内分泌因子)だとされ、その上に加齢などの身体的因子、成育歴や性格などの心理的因子、職場や家庭における人間関係などの社会的因子が複合的に関与することで発症すると考えられている。 The main cause of menopausal symptoms is said to be the large fluctuations and decline of female hormones (estrogen) (endocrine factors), and it is believed that the onset of menopausal symptoms is due to a complex combination of physical factors such as aging, psychological factors such as upbringing and personality, and social factors such as interpersonal relationships at work and at home.
ここで、更年期女性の社会・心理的な背景としては、i)成長した子供の自立(就職・結婚)、ii)夫との死別・定年退職、iii)夫婦間・子供との葛藤、iv)社会や家族からの疎外感・孤独感、v)近親者・友人の喪失体験、vi)老化による容姿・容貌の変化などがあげられる(非特許文献2を参照)。 The social and psychological backgrounds of menopausal women include i) the independence of grown children (employment and marriage), ii) the death of a husband and retirement, iii) conflicts between spouses and with children, iv) feelings of alienation and loneliness from society and family, v) the loss of close relatives and friends, and vi) changes in appearance and features due to aging (see Non-Patent Document 2).
この結果、明確な原因がないのに心身の不調を感じる状態を、「不定愁訴」と呼ぶ。 As a result, the state of feeling unwell physically or mentally without a clear cause is called "vague symptoms."
更年期症状は多岐に渡り、のぼせや発汗などの血管運動神経症状、不眠や不安感、抑うつ気分などの精神症状、頭痛や腰痛、関節痛、皮膚の乾燥感などの身体症状に分けられる。 Menopausal symptoms are diverse and can be categorized into vasomotor symptoms such as hot flashes and sweating, mental symptoms such as insomnia, anxiety, and depression, and physical symptoms such as headaches, back pain, joint pain, and dry skin.
統計によれば、更年期世代の約55%が更年期症状に悩んでおり、更年期前の世代の約30%は、更年期のような症状を自覚し、自分は更年期だと思っているとの報告もある(非特許文献3を参照)。 According to statistics, approximately 55% of the menopausal generation suffer from menopausal symptoms, and it has been reported that approximately 30% of the premenopausal generation are aware of menopausal-like symptoms and believe that they are in menopause (see Non-Patent Document 3).
そして、血管運動神経症状(汗をかきやすい、顔や手足が冷えやすい、顔がほてる)だけではなく、神経症状(怒りやすい、イライラする、寝付きが悪い、眠りが浅い、くよくよする、憂うつになる)も目立つのが、日本人の特徴である。 And it is characteristic of Japanese people that they are more likely to have not only vasomotor symptoms (easily sweating, cold face and hands and feet, hot face), but also neurological symptoms (easily angered, irritable, difficulty falling asleep, shallow sleep, worrying, depression).
(更年期診療におけるアンメットニーズ) (Unmet needs in menopausal care)
ところで、現在のところ、臨床の現場では、更年期障害の診断は問診(表)で行なわれている。たとえば、血液検査や現在の臨床検査は除外診断の意義しかない、というのが現状である。 Currently, in clinical practice, the diagnosis of menopausal disorders is made through interviews. For example, blood tests and current clinical tests are only useful for exclusion diagnosis.
すなわち、更年期障害の診断における客観的な指標は乏しいのが現状であり、また血中エストロゲン値や血中卵胞刺激ホルモン値も閉経約2年後までは変動が大きいため、それらの診断上の有用性は確立していない。また、完全閉経後であれば血中エストラジオール(E2)値は押し並べて低値であるが、E2値と更年期症状の重症度は相関しておらず、診断は専ら質問票、すなわち本人の自己申告に依存している。そのため、実臨床において、仮面うつ病や不安障害などの精神疾患との鑑別は特に困難である。 In other words, there are currently few objective indicators for diagnosing menopausal disorders, and because blood estrogen and follicle-stimulating hormone levels fluctuate greatly up until about two years after menopause, their diagnostic usefulness has not been established. Furthermore, blood estradiol (E2) levels are generally low after complete menopause, but E2 levels do not correlate with the severity of menopausal symptoms, and diagnosis relies solely on questionnaires, i.e., the individual's self-reporting. For this reason, in actual clinical practice, it is particularly difficult to differentiate from mental disorders such as masked depression and anxiety disorders.
一方で、更年期障害を主訴に受診した2210名を産婦人科医と精神科医で詳細に診断すると、エストロゲン欠落障害によると考えられる患者が、25.9%であり、気分障害によると考えられる患者が、27.4%(うつ病 13.1%)であり、不安障害によると考えられる患者が、11.2%であるとの報告もある(非特許文献4を参照)。 On the other hand, when obstetricians-gynecologists and psychiatrists performed detailed diagnoses on 2,210 patients who visited the hospital complaining of menopausal symptoms, it was reported that 25.9% of patients were thought to have estrogen deficiency disorder, 27.4% were thought to have mood disorders (13.1% were depressed), and 11.2% were thought to have anxiety disorders (see Non-Patent Document 4).
更年期障害を主訴に受診した患者を詳細に診察し、自律神経失調症は全体の半数であり、残りの半数は精神障害であったとの報告もある。なかでもうつ病を主とする気分障害と不安障害が多い。 A detailed examination of patients who visited the hospital complaining of menopausal symptoms has shown that half of the patients had autonomic nervous system disorders, while the other half had mental disorders. Of these, mood disorders, primarily depression, and anxiety disorders were most prevalent.
エストロゲン欠落症状であればホルモン補充療法が奏功するが、うつ病であれば精神療法が必要であり、その鑑別診断方法の確立は更年期女性のヘルスケアに極めて重要である。 If the symptoms are estrogen deficiency, hormone replacement therapy is effective, but if the symptoms are depression, psychotherapy is required, and establishing a method for differential diagnosis is extremely important for the health care of menopausal women.
(生体信号としての脳波計測と医療健康分野への応用) (Electroencephalography as a biosignal and its application in the medical and health fields)
一方で、生体の状態を客観的に計測する手法として、従来から、生体(人体)の脳波や、血中酸素飽和度を電気信号として取得して、生体の状態を測定することが行われている。脳波や、血中酸素飽和度を取得する装置として、額に貼り付けることにより取得可能な装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 On the other hand, as a method for objectively measuring the state of a living organism, the brain waves and blood oxygen saturation of the living organism (human body) have been acquired as electrical signals to measure the state of the living organism. A device that can acquire brain waves and blood oxygen saturation by attaching it to the forehead has been proposed as a device for acquiring brain waves and blood oxygen saturation (see, for example, Patent Document 1).
脳波や心電図など、生体内の活動に伴って発生する電位の変化は、生体の外部に取り付けられた電極を介して計測することができる。このようにして計測される電位の変化は、病院や研究機関等で、生体内の異常の有無や程度を非侵襲的に把握するための生体信号として従来用いられている。 Changes in electrical potential that occur with activity within the body, such as brain waves and electrocardiograms, can be measured through electrodes attached to the outside of the body. Changes in electrical potential measured in this way have traditionally been used as biosignals in hospitals, research institutions, and other settings to non-invasively determine the presence and severity of abnormalities within the body.
もっとも、従来の検査機器による検査は、上記のような特定の場所での比較的短時間の実施であれば、被検者にとっての身体的負担はあまり大きくない。しかし、検査の目的や被検者によってはその負担が不適切に大きい場合がある。 However, tests using conventional testing equipment do not place a significant physical burden on subjects if they are carried out for a relatively short period of time in specific locations such as those mentioned above. However, depending on the purpose of the test and the subject, the burden may be inappropriately large.
具体的な例としては、睡眠時の生体信号を取得するための検査が考えられる。複数装着される電極、電極が装着される箇所への塗布剤、電極と本体とを接続するケーブルの肌への接触等が、被検者に強い装着感又は違和感を与えて被検者の入眠を妨げたり、被検者の体内で起こる電気的活動に影響を与えたりする。この結果、被検者の普段の睡眠状態の生体信号が取得できない。 A specific example would be a test to obtain biosignals during sleep. The multiple electrodes that are attached, the ointment applied to the areas where the electrodes are attached, and the contact of the cables connecting the electrodes to the main unit with the skin can give the subject a strong feeling of discomfort or make them unable to fall asleep or affect the electrical activity occurring within the subject's body. As a result, it is not possible to obtain biosignals from the subject's normal sleeping state.
そこで、特許文献2では、被検者に与える装着感及び違和感が抑えられた、計測の簡便さと高性能とを両立させる生体信号計測装置として、複数の薄膜状の電極により生体信号を取得する構成において、粘着性を有するシートである貼付部の片面に露出するよう形成され、信号取得のための電極および貼付部は、いずれも伸縮性及び自在に屈曲が可能な柔軟性を有し、被検者の体表に貼り付けられると、その貼り付けられた場所の形状及び動きに追従する構成が開示されている。ここでは、取得した生体信号は、無線信号として外部の機器に送信される構成となっている。
そして、特許文献3では、このような特許文献2に開示されるようなシート型の脳波計において、さらに、血中酸素飽和度を計測する光学素子を設けることで、睡眠状態を評価して、いわゆる睡眠時無呼吸症候群を検証するための装置およびプログラムが開示されている。
このような脳波計測と精神症状、更年期症状との関係としては、概略以下のとおりである。 The relationship between such EEG measurements and psychiatric and menopausal symptoms is outlined below.
すなわち、血管運動神経症状は、ノルアドレナリンやセロトニン等の神経伝達物質分泌の変化により視床下部における体温調節機能が不適合を起こすことによって引き起こされると考えられており、睡眠にも影響を与えることが知られており、サーカディアンリズムの変化や血管運動症状により不眠が引き起こされる可能性が示唆されている。 In other words, vasomotor symptoms are thought to be caused by a maladaptation of the thermoregulatory function in the hypothalamus due to changes in the secretion of neurotransmitters such as norepinephrine and serotonin, and are known to affect sleep, suggesting that insomnia may be caused by changes in circadian rhythms and vasomotor symptoms.
一方で、睡眠時脳波測定は、その測定の煩雑さより更年期に特異的な変化が見られるとする報告は極めて限られており、睡眠パラメータに着目して、血管運動神経症状がある女性はない女性に比べて、総睡眠時間が減少していることや中途覚醒の回数が増加することなどの報告例があるのみである。 However, due to the complexity of sleep EEG measurement, there have been very few reports of menopausal-specific changes. Focusing on sleep parameters, the only reports have shown that women with vasomotor symptoms have reduced total sleep time and increased frequency of awakenings during the night compared to women without vasomotor symptoms.
しかしながら、総睡眠時間や中途覚醒の回数などは個人差が大きく、かつ個人内においても睡眠環境に大きく影響されるため、個々の睡眠脳波をもって、その被検者に、血管運動神経症状があるかどうかを判定することは、従来の睡眠パラメーター解析では困難である。 However, total sleep time and the number of awakenings vary greatly from person to person, and even within an individual, they are greatly influenced by the sleep environment, so it is difficult to determine whether a subject has vasomotor symptoms based on their individual sleep EEG using conventional sleep parameter analysis.
うつ病では、疾患の睡眠時脳波への影響も報告されており、脳波診断によるうつ病診断の報告も複数存在するが、最新のレヴューをみても実用化され市場に上市されたものはないのが現状である。
また、上述したような更年期症状の診断に関連して、脳波などの生体信号を入力として、人工知能技術を利用して解析し、たとえば、被検者の「ほてり」の発生確率を予測しようとする技術も報告されているものの、被検者の睡眠時間にわたる脳波データを用いて、更年期症状の鑑別に資するようなレベルでの補助情報を提供しようとするものではない(特許文献4を参照)。
In the case of depression, the effect of the disease on sleep electroencephalograms has been reported, and there are several reports of diagnosing depression using electroencephalograms; however, even looking at the most recent reviews, none of these have been put to practical use and are on the market.
Furthermore, in relation to the diagnosis of menopausal symptoms as described above, a technology has been reported that uses artificial intelligence technology to analyze biological signals such as electroencephalograms as input, for example, to predict the probability of a subject experiencing "hot flashes." However, this technology does not attempt to use electroencephalogram data covering the subject's sleeping hours to provide auxiliary information at a level that would be useful in distinguishing menopausal symptoms (see Patent Document 4).
以上のような背景がある中で、更年期障害に対して、適切な治療を行うためには、エストロゲン欠落症状と精神疾患とを客観的な指標に基づいて、医師が鑑別できることが極めて重要である。 In light of the above background, in order to provide appropriate treatment for menopausal disorders, it is extremely important that doctors are able to distinguish between estrogen deficiency symptoms and psychiatric disorders based on objective indicators.
本発明は、更年期女性の血管運動神経症状とうつ症状の医師による鑑別を補助するための情報を提供することが可能な診断補助装置および診断補助情報提供システムを提供することを目的とする。
また、本発明は、更年期女性の血管運動神経症状またはうつ症状に関する症状指標の提供をするための症状指標提供装置および症状指標提供プログラムを提供することを目的とする。
The present invention aims to provide a diagnostic support device and a diagnostic support information providing system capable of providing information to assist doctors in distinguishing between vasomotor symptoms and depressive symptoms in menopausal women.
Another object of the present invention is to provide a symptom index providing device and a symptom index providing program for providing a symptom index relating to vasomotor symptoms or depressive symptoms of menopausal women.
この発明の1つの局面に従うと、被検者の更年期症状に対する診断補助情報を提供するための診断補助情報提供システムであって、被検者からの脳波信号を取得するための脳波センサーと、脳波センサーからの脳波信号に基づく被検者の睡眠期間についての経時的な脳波データを記憶する記憶手段と、経時的な脳波データを入力として、被検者の睡眠状態が、複数の睡眠ステージのいずれに該当するかを所定の時間間隔で経時的に判定する睡眠段階判定手段と、経時的な睡眠ステージの判定結果を受けて、時間的なスムージング処理を実施するスムージング処理手段と、スムージング処理手段の出力を受けて、周波数成分に変換するための周波数変換手段と、被検者からの脳波信号に基づいて、被検者に対する診断補助情報を出力する症状予測手段とを備え、症状予測手段は、複数の学習対象者について計測された脳波データの周波数成分と対応する更年期症状の臨床上の指標とを学習データとして、予め機械学習により生成され、被験者からの脳波データについて周波数変換手段により変換された周波数成分を入力として診断補助情報を出力する第1の学習済みモデルを含む。
好ましくは、スムージング処理は、移動三角平均処理である。
好ましくは、症状予測手段は、複数の学習対象者について計測された脳波データの周波数成分と対応するうつ症状の臨床上の指標とを学習データとして、予め機械学習により生成され、被験者からの脳波データについて周波数変換手段により変換された周波数成分を入力として診断補助情報を出力する第2の学習済みモデルを含む。
好ましくは、睡眠段階判定手段は、脳波センサーにおいて被検者の頭部の異なる位置に配置された電極からの複数チャネルの脳波データを入力として受け、脳波データに対する特徴量を抽出するための、それぞれ異なるフィルタサイズを有する第1および第2の畳み込みニューラルネットワークと、第1および第2の畳み込みニューラルネットワークの出力を入力として受けて、睡眠ステージを出力する双方向再帰型ニューラルネットワークとを含む。
この発明の他の局面に従うと、脳波センサーにより取得された被検者の睡眠期間についての経時的な脳波データに基づいて、被検者の更年期症状に対する診断補助情報を提供するための診断補助装置であって、脳波センサーにより取得された脳波データを受信して、経時的な脳波データを入力として、被検者の睡眠状態が、複数の睡眠ステージのいずれに該当するかを所定の時間間隔で経時的に判定する睡眠段階判定手段と、経時的な睡眠ステージの判定結果を受けて、時間的なスムージング処理を実施するスムージング処理手段と、スムージング処理手段の出力を受けて、周波数成分に変換するための周波数変換手段と、被検者からの脳波信号に基づいて、被検者に対する診断補助情報を返信する症状予測手段とを備え、症状予測手段は、複数の学習対象者について計測された脳波データの周波数成分と対応する更年期症状の臨床上の指標とを学習データとして、予め機械学習により生成され、被験者からの脳波データについて周波数変換手段により変換された周波数成分を入力として診断補助情報を出力する第1の学習済みモデルを含む。
好ましくは、スムージング処理は、移動三角平均処理である。
好ましくは、症状予測手段は、複数の学習対象者について計測された脳波データの周波数成分と対応するうつ症状の臨床上の指標とを学習データとして、予め機械学習により生成され、被験者からの脳波データについて周波数変換手段により変換された周波数成分を入力として診断補助情報を出力する第2の学習済みモデルを含む。
この発明のさらに他の局面に従うと、脳波センサーにより取得された被検者の睡眠期間についての経時的な脳波データに基づいて、被検者の更年期症状に対する症状指標を提供するための症状指標提供装置であって、脳波センサーにより取得された脳波データを受信して、経時的な脳波データを入力として、被検者の睡眠状態が、複数の睡眠ステージのいずれに該当するかを所定の時間間隔で経時的に判定する睡眠段階判定手段と、経時的な睡眠ステージの判定結果を受けて、時間的なスムージング処理を実施するスムージング処理手段と、スムージング処理手段の出力を受けて、周波数成分に変換するための周波数変換手段と、被検者からの脳波信号に基づいて、被検者に対する症状指標を出力する症状予測手段とを備え、症状予測手段は、複数の学習対象者について計測された脳波データの周波数成分と対応する更年期症状の臨床上の指標とを学習データとして、予め機械学習により生成され、被験者からの脳波データについて周波数変換手段により変換された周波数成分を入力として症状指標を出力する第1の学習済みモデルを含む。
好ましくは、スムージング処理は、移動三角平均処理である。
好ましくは、症状予測手段は、複数の学習対象者について計測された脳波データの周波数成分と対応するうつ症状の臨床上の指標とを学習データとして、予め機械学習により生成され、被験者からの脳波データについて周波数変換手段により変換された周波数成分を入力として症状指標を出力する第2の学習済みモデルを含む。
この発明のさらに他の局面に従うと、症状指標提供プログラムであって、コンピュータを、請求項8記載の睡眠段階判定手段と、スムージング処理手段と、周波数変換手段と、症状予測手段として機能させる。
According to one aspect of the present invention, a diagnostic auxiliary information providing system for providing diagnostic auxiliary information for menopausal symptoms in a subject includes an electroencephalogram sensor for acquiring an electroencephalogram signal from the subject, a storage means for storing time-course electroencephalogram data for the subject's sleep period based on the electroencephalogram signal from the electroencephalogram sensor, a sleep stage determination means for determining over time at predetermined time intervals which of a plurality of sleep stages the subject's sleep state corresponds to, using the time-course electroencephalogram data as an input, a smoothing processing means for performing a temporal smoothing process upon receiving a result of the time-course sleep stage determination, a frequency conversion means for receiving an output of the smoothing processing means and converting it into frequency components, and a symptom prediction means for outputting diagnostic auxiliary information for the subject based on the electroencephalogram signal from the subject, wherein the symptom prediction means includes a first trained model that is generated in advance by machine learning using frequency components of the electroencephalogram data measured for a plurality of training subjects and corresponding clinical indicators of menopausal symptoms as learning data, and that outputs diagnostic auxiliary information using frequency components converted by the frequency conversion means for the electroencephalogram data from the subject as input.
Preferably, the smoothing process is a moving triangle average process.
Preferably, the symptom prediction means includes a second trained model which is generated in advance by machine learning using frequency components of EEG data measured on a plurality of training subjects and corresponding clinical indicators of depressive symptoms as training data, and which outputs diagnostic auxiliary information using frequency components converted by a frequency conversion means for the EEG data from the subjects as input.
Preferably, the sleep stage determination means includes first and second convolutional neural networks having different filter sizes for receiving as input multiple channels of EEG data from electrodes placed at different positions on the subject's head in the EEG sensor and extracting features from the EEG data, and a bidirectional recurrent neural network for receiving as input outputs of the first and second convolutional neural networks and outputting the sleep stage.
According to another aspect of the present invention, there is provided a diagnostic support device for providing diagnostic support information for menopausal symptoms of a subject based on time-course electroencephalogram data regarding the sleep period of the subject acquired by an electroencephalogram sensor, the device comprising: a sleep stage determination means for receiving the electroencephalogram data acquired by the electroencephalogram sensor, and determining at a predetermined time interval which of a plurality of sleep stages the sleep state of the subject corresponds to over time, using the time-course electroencephalogram data as an input; a smoothing processing means for performing a temporal smoothing process upon receiving a result of the time-course sleep stage determination; a frequency conversion means for receiving an output of the smoothing processing means and converting it into frequency components; and a symptom prediction means for returning diagnostic support information to the subject based on the electroencephalogram signal from the subject, the symptom prediction means including a first trained model that is generated in advance by machine learning using frequency components of the electroencephalogram data measured for a plurality of training subjects and corresponding clinical indicators of menopausal symptoms as training data, and that outputs diagnostic support information using frequency components converted by the frequency conversion means for the electroencephalogram data from the subject as input.
Preferably, the smoothing process is a moving triangle average process.
Preferably, the symptom prediction means includes a second trained model which is generated in advance by machine learning using frequency components of EEG data measured on a plurality of training subjects and corresponding clinical indicators of depressive symptoms as training data, and which outputs diagnostic auxiliary information using frequency components converted by a frequency conversion means for the EEG data from the subjects as input.
According to yet another aspect of the present invention, there is provided a symptom index providing device for providing a symptom index for menopausal symptoms of a subject based on time-course electroencephalogram data about the sleep period of the subject acquired by an electroencephalogram sensor, the symptom index providing device comprising: sleep stage determination means for receiving the electroencephalogram data acquired by the electroencephalogram sensor, and determining at predetermined time intervals over time which of a plurality of sleep stages the sleep state of the subject corresponds to, using the time-course electroencephalogram data as an input; smoothing processing means for performing a temporal smoothing process upon receiving a result of the time-course sleep stage determination; frequency conversion means for receiving an output of the smoothing processing means and converting it into frequency components; and symptom prediction means for outputting a symptom index for the subject based on the electroencephalogram signal from the subject, the symptom prediction means including a first trained model that is generated in advance by machine learning using frequency components of the electroencephalogram data measured for a plurality of training subjects and corresponding clinical indicators of menopausal symptoms as training data, and that outputs a symptom index using frequency components converted by the frequency conversion means for the electroencephalogram data from the subject as input.
Preferably, the smoothing process is a moving triangle average process.
Preferably, the symptom prediction means includes a second trained model which is generated in advance by machine learning using frequency components of EEG data measured on a plurality of training subjects and corresponding clinical indicators of depressive symptoms as training data, and which outputs a symptom indicator using frequency components converted by a frequency conversion means for the EEG data from the subjects as input.
According to yet another aspect of the present invention, there is provided a symptom index providing program for causing a computer to function as the sleep stage determining means, the smoothing processing means, the frequency conversion means, and the symptom predicting means recited in
本発明によれば、被検者の睡眠時間にわたる脳波データに基づいて、被検者の更年期症状に対する客観的な症状指標を得ることが可能となる。
また、被検者の睡眠時間にわたる脳波データに基づいて、更年期症状を呈する被検者からの脳波データに基づいて、うつ症状と血管運動神経症状との鑑別を補助する客観的な症状指標を得ることが可能となる。
According to the present invention, it is possible to obtain an objective symptom index for the menopausal symptoms of a subject based on electroencephalogram data covering the subject's sleeping hours.
In addition, based on EEG data from subjects exhibiting menopausal symptoms over their sleep time, it is possible to obtain objective symptom indicators that assist in distinguishing between depressive symptoms and vasomotor symptoms.
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 The following describes the embodiment with reference to the drawings.
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 The embodiments described below are all comprehensive or specific examples. The numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of the components shown in the following embodiments are merely examples and are not intended to limit the present invention. Furthermore, among the components in the following embodiments, components that are not described in an independent claim that indicates a superordinate concept are described as optional components.
また、以下の実施形態に係る生体信号測定装置および診断補助情報提供システム1000またはそれらを動作させるためのプログラムは、生体の疾患、より特定的には、更年期症状または更年期障害について、医師が診断を行うにあたり、その補助となる客観的な情報を提供することが可能な装置、システム及びプログラムである。
なお、後述するように、このようなシステムおよびプログラムは、医師の診断を補助するための情報を提供することを目的とするだけでなく、いわゆるヘルスケア分野において、更年期症状に関する参考情報となる症状指標の提供をするための症状指標提供装置および症状指標提供プログラムとして機能させることも可能である。
In addition, the biosignal measuring device and diagnostic auxiliary
As will be described later, such a system and program are not only intended to provide information to assist a doctor's diagnosis, but can also function as a symptom index providing device and a symptom index providing program for providing symptom indexes that serve as reference information on menopausal symptoms in the so-called healthcare field.
したがって、このような「補助となる客観的な情報」を、たとえば、医師の診断を受ける前の個人が、自身の健康情報として利用できるように参考指標として提供する場合などを排除するものではない。 Therefore, this does not exclude cases where such "supplementary objective information" is provided as a reference indicator that an individual can use as their own health information before receiving a doctor's diagnosis.
各実施形態において、診断補助情報提供システム1000は、生体信号測定装置10、計測端末2000および情報提供サーバー3000から構成される。
In each embodiment, the diagnostic assistance
また、生体信号測定装置10は、後述する生体からの信号を取得する電極を電極シートとして構成される脳波計を利用する。
In addition, the
そこで、以下では、このような構成の生体信号測定装置10を、電極シート型脳波計10´と呼び、被検者の脳波を計測する装置の例として説明する。
Therefore, in the following, the
ただし、被検者の脳波を計測する装置の構成、取得した脳波のデータから睡眠の状態の判定および更年期障害に関する補助情報を提供する構成は、このような構成に限定されるものではない。たとえば、計測端末2000および情報提供サーバー3000は、一体のコンピュータであってもよいし、脳波を計測する装置としても、電極シート型脳波計以外の構成の脳波計を使用してもよい。ただし、従来技術でも述べたように、睡眠時のユーザの脳波の計測のためには、電極シート型脳波計10´とすることで、被検者に与える装着感及び違和感が抑えられた、計測の簡便さと高性能とを両立させる生体信号計測を実現するのが望ましい。
However, the configuration of the device that measures the subject's brain waves and the configuration that provides the sleep state determination and supplementary information on menopausal disorders from the acquired brain wave data are not limited to such configurations. For example, the
図1は、本実施の形態の電極シート型脳波計10´、計測端末2000および情報提供サーバー3000を含む診断補助情報提供システム1000の使用態様を説明するための概念図である。
Figure 1 is a conceptual diagram for explaining the usage of a diagnostic assistance
図1に示すように、電極シート型脳波計10´は、睡眠時における被検者2の脳波を計測する。電極シート型脳波計10´は、被検者2(人体)の額に取り付けられて用いられる。電極シート型脳波計10´には、被検者2の脳波に基づく電気信号(以下、単に「脳波」とする)を取得する複数の電極が形成されている。また、電極シート型脳波計10´は、電極によって得られた脳波を無線で通信可能な通信部(図示せず)を備えており、取得した脳波のデータを計測端末2000に対して送信する。
As shown in FIG. 1, the electrode sheet-type electroencephalograph 10' measures the brain waves of the subject 2 during sleep. The electrode sheet-type electroencephalograph 10' is attached to the forehead of the subject 2 (human body) when in use. The electrode sheet-type electroencephalograph 10' is formed with a number of electrodes that acquire electrical signals based on the brain waves of the subject 2 (hereinafter simply referred to as "brain waves"). The electrode sheet-type electroencephalograph 10' also includes a communication unit (not shown) that can wirelessly communicate the brain waves acquired by the electrodes, and transmits the acquired brain wave data to the
なお、脳波データの電極シート型脳波計10´から計測端末2000への転送は、計測を実施しつつ、並行して、データ転送を行ってもよいし、電極シート型脳波計10´が一定期間分の脳波データを格納保持しておき、所定期間分の脳波データを一括して、計測端末2000に転送する構成としてもよい。
The EEG data may be transferred from the electrode sheet-type EEG device 10' to the
計測端末2000は、ネットワーク4を介して、情報提供サーバー3000と通信可能に接続しており、情報提供サーバー3000は、計測端末2000から受信した脳波データに基づいて、後述のような処理を行い、被検者2の更年期症状または更年期障害に対する補助情報を算出する。算出された補助情報は、情報提供サーバー3000から計測端末2000に返信され、計測端末2000に表示される。
The
なお、本実施形態において、「脳波を取得する」とは、電極シート型脳波計10´が被検者2に対して脳波信号を計測して、経時的な脳波データに変換することを意味する。
In this embodiment, "acquiring brain waves" means that the electrode sheet-type electroencephalograph 10' measures brain wave signals from the
電極は、被検者2の額に接触することにより、被検者2の脳波をリアルタイムで得る。これにより、電極は、被検者2の脳波を経時的に得ることができる。なお、電極は、複数設けられ、被検者2の額の異なる位置で脳波を取得する。
The electrodes contact the forehead of the subject 2 to obtain the brain waves of the subject 2 in real time. This allows the electrodes to obtain the brain waves of the subject 2 over time. Note that multiple electrodes are provided to obtain brain waves at different positions on the forehead of the
図2は、電極シート型脳波計10´の外観を示す図である。 Figure 2 shows the external appearance of the electrode sheet-type electroencephalograph 10'.
図2(a)に示すように、電極シート型脳波計10´は、パッチ型脳波計140と電極付きディスポーザブルシート110とから構成される。
As shown in FIG. 2(a), the electrode sheet-type electroencephalograph 10' is composed of a patch-
電極付きディスポーザブルシート110はプラグコネクタでパッチ型脳波計140と接続されている。
The disposable sheet with
図2(b)に示すように、電極シート型脳波計10´は、ユーザへの装着時にも、ヘッドギアのように被検者に装着される必要がなく、単に、ユーザの額に簡単にシートの両面テープで装着できる方式を採用している。電極2-7は、ユーザの額に均等に配置され、電極1は基準電極であって、額から離れた位置に配置され、特に限定されないが、たとえば、耳の後ろ側などでユーザの皮膚と電気的に接触するように配置することも可能である。
As shown in FIG. 2(b), the electrode sheet-type electroencephalograph 10' does not need to be worn by the subject like headgear, but can simply be attached to the user's forehead with double-sided tape. Electrodes 2-7 are evenly placed on the user's forehead, and
特に限定されないが、電極シート型脳波計10´としては、PGV株式会社製パッチ式脳波計HARU-1および改良型であるHaru-2の医療機器認証を取得した製品を使用することが可能である(HARU-1:クラスII、認証番号:302AFBZX00079000、Haru-2:クラスII、認証番号:304AFBZX00012000)。 Although not limited to this, the electrode sheet-type EEG monitor 10' may be a patch-type EEG monitor HARU-1 manufactured by PGV Corporation or its improved version, Haru-2, which has been certified as a medical device (HARU-1: Class II, Certification Number: 302AFBZX00079000, Haru-2: Class II, Certification Number: 304AFBZX00012000).
(電極シート型脳波計10´の構成) (Configuration of electrode sheet type electroencephalograph 10')
電極シート型脳波計10´については、特許文献2の国際公開第WO2017-122379号公報にも開示されているので、以下では、簡単にその構成について説明する。 The electrode sheet-type electroencephalograph 10' is also disclosed in International Publication No. WO2017-122379 (Patent Document 2), so its configuration will be briefly described below.
図3は、本実施の形態に係る電極シート型脳波計10´の構成の概要を示すブロック図である。 Figure 3 is a block diagram showing an outline of the configuration of the electrode sheet-type electroencephalograph 10' according to this embodiment.
電極シート型脳波計10´は、生体に起こる電位の経時的な変化を電極で計測して生体信号として取得し、この生体信号のデータを出力する装置である。ここでいう生体の電位の変化とは、例えば脳、又は心臓その他筋肉の活動によって生じる、微弱な電位(数十マイクロボルト~数十ミリボルト)の変化である。以下では、生体信号としては、脳波であるものとして説明する。 The electrode sheet-type electroencephalograph 10' is a device that uses electrodes to measure changes in the electrical potential occurring in a living body over time, obtains the changes as biosignals, and outputs the data on these biosignals. The changes in the electrical potential of the living body referred to here are, for example, changes in weak electrical potential (tens of microvolts to tens of millivolts) caused by activity of the brain, heart, or other muscles. In the following description, the biosignals will be described as brain waves.
電極シート型脳波計10´は、入力部100、制御部200、電源部300、及び出力部400を備える。
The electrode sheet-type electroencephalograph 10' includes an
入力部100は、電極付きディスポーザブルシート110に設けられ、生体の皮膚を介して検出可能な体内の電位を計測し、計測した電位の時系列変化を示す信号を制御部200へ出力する。入力部100は、信号取得部110、貼付部115、増幅部120、及びアナログ-デジタル変換器(図1及び以下ではA/D変換器と表記する)130を備える。なお、特に限定されないが、増幅部120とA/D変換部130とは、パッチ型脳波計140の内部に設けられる構成であってもよいし、プラグコネクタの部分に設けられる構成であってもよい。
The
信号取得部110は複数の薄膜状の電極であり、粘着性を有するシートである貼付部115の片面に露出するよう形成される。なお、以下では、信号取得部110が露出する側の貼付部115の面を貼付部115の表面といい、その反対側の面を裏面ともいう。貼付部115は、表面が生体の皮膚と接触するように生体に貼り付けられる。信号取得部110はこの状態で電位を検出する。複数の電極である信号取得部110はそれぞれに電位の計測が可能であり、各電極による電位の計測によって取得された生体信号は、個別の伝送路(チャネル)で増幅部120及びA/D変換器130を経て制御部200に入力される。なお、これらの電極の中には1個以上の基準電極と1個以上の計測電極とが含まれ、生体信号は、各計測電極と当該計測電極に対応する基準電極との間の電位差を計測して取得される。
電極の個数や配置は、測定目的や解析内容に応じて変更することが可能であって、必ずしも、図2(b)のような構成に限定されるものではない。
The
The number and arrangement of the electrodes can be changed depending on the purpose of measurement and the content of analysis, and are not necessarily limited to the configuration shown in FIG.
信号取得部110及び貼付部115は、いずれも伸縮性及び自在に屈曲が可能な柔軟性を有し、被検者の体表に貼り付けられると、その貼り付けられた場所の形状及び動きに追従する。
Both the
このような特性を有する貼付部115としては、例えば湿布等の基材に使われるシリコーン素材からなる粘着基材が用いられる。このような材料からなる貼付部115は高い伸縮性及び柔軟性に加えて水分透過性を有するため、装着時の被検者の違和感及び発汗を抑えることができる。また、このような材料は生体適合性が高いため、貼付部115は長時間の装着が可能である。
As an
また、電極である信号取得部110の素材としては、金属粒子を用いた伸縮導体を使用することができる。さらにこの伸縮導体は、貼付部115に形成される、信号を信号取得部110から貼付部115の外部まで伝送する配線の材料としても用いられる。この金属粒子としては、例えば銀ナノワイヤーが用いられ、これにより10000S/cm程度の導電率が得られる。したがって、被検者の生体信号は、低抵抗及び低ノイズの電極及び配線を通って後述の増幅部120に入力される。つまり、伸縮導体を材料とする信号取得部110及び配線は、伸縮性と、好適な透明性及び導電性を兼ね備え、その伸長性能により被検者の動きを妨げない。
In addition, a stretchable conductor using metal particles can be used as the material of the
このような信号取得部110及び配線が形成された貼付部110は、全体として伸縮及び屈曲自在で、かつ粘着性を有するシートであり、長時間の装着が可能である。
The
増幅部120は、信号取得部110から入力された生体信号を増幅してA/D変換器130に出力する。このような増幅部120は、基板上の、オペアンプを含む増幅回路として実現されてもよい。
The
A/D変換器130は、増幅部120から入力されたアナログ信号である生体信号をデジタル信号に変換して制御部200に出力する。なお、従来の医療機器と同等の精度(分解能)を得るために、本実施の形態における電極シート型脳波計10´のA/D変換器130は、アナログ信号を20ビット以上のビット数のデジタル信号に変換するA/D変換器で実現される。例えば24ビットのΔΣ型A/D変換器が用いられる。
The A/
制御部200は、電極シート型脳波計10´の動作全体を制御する。制御部200は、中央処理装置(以下、CPU(central processing unit)ともいい、図3ではCPUと表記)210、ベースバンドデジタル信号処理部(以下、ベースバンドDSP(digital signal processorともいい、図3ではDSPと表記))220、接触状態検出部230、クロック生成部240、電源管理部250、及び電力安定部260を備える。
The
CPU210は、記憶部(図示なし)からプログラムを読みだして実行し、電極シート型脳波計10´を構成する各構成要素の動作の管理や制御を行う。
なお、この記憶部は、所定期間にわたって測定された脳波データを、いったん格納するためにも使用することが可能である。
The
This storage unit can also be used to temporarily store electroencephalogram data measured over a predetermined period of time.
ベースバンドDSP220は、入力部100から入力されたデジタル信号に所定の処理をした上で出力部400を介して外部に出力する。
The
接触状態検出部230は、電極である信号取得部110と生体との接触状態を検出する電子回路(接触状態検出回路)である。具体的には、接触状態検出部230は、信号取得部110と生体の皮膚との間の接触インピーダンスを計測し、この接触インピーダンスの
大きさに基づいて接触状態の良不良を判定する。例えば装着時及び生体信号の計測中にこの判定が実行されることで、電極シート型脳波計10´の適正な装着状態が確保される。なお、接触状態が不良であると判定される基準は、設定により適宜変更されてよい。例えば入力部100が備える信号入力の経路が6チャネルである場合、この6チャネルのうち、被検者からの電極の外れ(リードオフ)が1チャネルでも検出された場合に不良と判定されてもよいし、過半数の4チャネルについてリードオフが検出された場合に不良と判定されてもよい。
The contact
クロック生成部240は、CPU210の内部クロックを生成するクロック生成回路である。
The
電源管理部250及び電力安定部260は、後述する電源部300と共に電源回路を構成し、電源部300から入力される電力を制御部200その他の構成要素を駆動させる電力として供給する。電源管理部250は例えばDC-DCコンバータを備え、入力部100及び出力部400には、電源管理部250で変圧された異なる電圧の電力がそれぞれ供給される。電力安定部260は、供給される電力を安定化するレギュレータである。
The
電源部300は、上記の電源管理部250及び電力安定部260を介して電極シート型脳波計10´の各構成要素の動作のために必要な電力を供給する。電源部300は充電回路310及び充電池320を備える。
The
充電回路310は、充電池320を充電するために、電極シート型脳波計10´の外部から電力を取り込み、取り込んだ電力を電圧及び電流を制御して充電池320に供給する回路である。充電回路310は電力を取り込むための接続端子330を備える。この接続端子330は、例えば商用電源のコンセントからケーブルを介して電力を取り込むための受電端子でもよいし、給電可能な外部の装置から受電可能なUSB(universal serial bus)等のポートでもよい。
The charging
充電池320は電極シート型脳波計10´の各構成要素に供給されるための電力が蓄電される、充電可能な電池である。充電池320は用途に応じた容量のものが用いられる。例えば、被検者の睡眠時のモニタリングが可能な程度に長い連続使用を可能とする程度の容量のものであってもよい。
The
出力部400は、無線でデータの送信が可能な無線通信モジュールであり、ベースバンドDSP220から出力された生体信号を電極シート型脳波計10´の外部の機器、例えば記憶装置、モニターなどの表示装置、又はこれらを備える計測端末2000へリアルタイムで出力する。本実施の形態における出力部400には、例えばBluetooth(登録商標)やWi-Fi(登録商標)等の通信規格に拠る通信方式が用いられる。また、電極シート型脳波計10´の連続使用時間の長時間化のために、Bluetooth(登録商標)Low Energy(BLE)のような低消費電力の通信方式が用いられてもよい。なお、リアルタイムで出力する場合は、情報量(送信レート)には各通信方式の帯域幅による上限があるため、A/D変換器130によるアナログ信号のサンプリングレートは、通信方式と計測のチャネル数とに応じて変更される。
The
上記の構成を有する本実施の形態に係る電極シート型脳波計10´は、貼付部115によって生体に貼り付けて使用される。この使用時において、上記の電源部300と出力部400とを備える電極シート型脳波計10´には、電力を常時供給する電源ケーブル、及び生体信号を常時出力するための通信ケーブルが不要である。したがって、電極シート型脳波計10´を装着する被検者は、これらのケーブルによる装着感を感じたり、動きの制限を受けたりしない。また、電極シート型脳波計10´には、被検者の動きや発汗などによってリードオフが生じても、複数の電極を用いることによる冗長性があり、また、リードオフ検出に基づく装着情況の監視が可能である。これにより、電極シート型脳波計10´を用いれば、例えば長時間にわたるモニタリングであっても高い確実性を持って実行することができる。
The electrode sheet-type electroencephalograph 10' according to the present embodiment having the above configuration is attached to a living body by the
図4は、診断補助情報提供システム1000の構成を説明するための機能ブロック図である。
Figure 4 is a functional block diagram for explaining the configuration of the diagnostic support
図4を参照して、診断補助情報提供システム1000は、被検者2から脳波データを取得するための電極シート型脳波計10´と、計測端末2000と、情報提供サーバー3000とを含む。
Referring to FIG. 4, the diagnostic assistance
計測端末2000は、特に限定されないが、たとえば、電極シート型脳波計10´からの3チャンネル分の脳波データを250Hzのサンプリングレートで取得した8時間分のデータを記録し、情報提供サーバー3000に送信するための脳波データ記録送信部2001と、情報提供サーバー3000が脳波データを分析した結果として返信された診断を補助するための情報を表示するための表示装置2008とを含む。
The
なお、ここで、8時間としたのは、被検者2の全睡眠時間分の脳波データを取得することを意味しており、この時間に限定されるものではない。 Note that the 8-hour period means that brainwave data is obtained for the entire duration of subject 2's sleep, and is not limited to this period.
情報提供サーバー3000は、睡眠ステージ推定部3100を含む。睡眠ステージ推定部3100は、計測端末2000から送信された被検者2から取得された脳波データに基づいて、後述する人工知能モデルを用いて、30秒間の脳波データに基づく睡眠ステージを予測する睡眠ステージ予測部3110と、睡眠ステージ予測部3110から出力される睡眠ステージラベルの情報を、30秒ごとに1ステージラベルとして記録する睡眠ステージ記録部3120と、脳波変数を計算するロジック部3130と、ロジック部3130により算出された睡眠変数を経時的に記録する睡眠変数記録部3140とを含む。
特に限定されないが、睡眠変数記録部3140により記録された睡眠変数の全部または一部を計測端末2000に返信する構成とすることもできる。
The
Although not particularly limited, the sleep
なお、本明細書では、睡眠ステージが算出される30秒間ごとの期間を「エポック」と呼ぶ。ただし、睡眠ステージを予測する時間間隔は、この間隔に限定されるものではない。 In this specification, the 30-second period during which the sleep stages are calculated is called an "epoch." However, the time interval for predicting the sleep stages is not limited to this interval.
情報提供サーバー3000は、さらに、経時的な脳波データに対してスムージング処理を実行するスムージング処理部3200を含む。
The
ここで、スムージングの手法としては、特に限定されないが、ここでは、「三角移動平均(TMA)」を用いる。三角移動平均とは、英語名Triangular Moving AverageでTMAと略され、移動平均の移動平均のことで、つまり単純移動平均を計算した後にさらにその値の移動平均を計算したものである。 The smoothing method is not particularly limited, but here we use the "Triangular Moving Average (TMA)". The Triangular Moving Average is an English name for the Triangular Moving Average, abbreviated as TMA, and is a moving average of moving averages, that is, it is calculated by first calculating a simple moving average and then calculating the moving average of that value.
「三角移動平均(TMA)」の算出方法は以下の通りである。
SMA = N期間の単純移動平均
三角移動平均(TMA) = SMAのN期間単純移動平均
The calculation method for the "Triangular Moving Average (TMA)" is as follows.
SMA = N-period Simple Moving Average Triangular Moving Average (TMA) = N-period Simple Moving Average of SMA
「三角移動平均(TMA)」は、上記のような方法で2重に単純移動平均して算出される。すなわち、2重に平滑化して算出される移動平均線で、単純移動平均や指数平滑移動平均線よりも、滑らかなラインが取得されるという特徴がある。
特に限定されないが、たとえば、後述するような本実施の形態を具体的に適用した例としては、三角移動平均のパラメータとして、SMIにおいて1回目の単純移動平均の窓サイズが15、2回目の単純移動平均のサイズも15としたときの判別精度が最も高いとの結果を得た。一方、SDSにおいて1回目の単純移動平均の窓サイズが10、2回目の単純移動平均のサイズも10としたときの判別精度が最も高いとの結果を得た。この観点からは、窓サイズは、たとえば、10~20程度が望ましい。なお、ここで、窓サイズとは、「エポック期間」を単位として表現してある。
The "Triangular Moving Average (TMA)" is calculated by taking a double simple moving average in the above-mentioned way. In other words, it is a moving average line calculated by doubly smoothing, and has the characteristic that a smoother line is obtained than a simple moving average or an exponentially smoothed moving average line.
Although not particularly limited, for example, as a specific application example of this embodiment as described later, the results show that the highest discrimination accuracy was obtained when the window size of the first simple moving average in SMI was 15 and the size of the second simple moving average was also 15 as parameters of the triangular moving average. On the other hand, the results show that the highest discrimination accuracy was obtained when the window size of the first simple moving average in SDS was 10 and the size of the second simple moving average was also 10. From this viewpoint, the window size is preferably, for example, about 10 to 20. Note that the window size here is expressed in units of "epoch period".
情報提供サーバー3000は、さらに、スムージング処理部3200において、睡眠ステージの離散的なデータを平滑化処理がされた後の連続波形データとして取得し記録する連続波形取得記録部3210と、連続波形取得記録部3210により記録された連続波形データを周波数成分に変換する周波数変換部3220と、周波数変換部3220からの周波数データから特徴量を抽出する特徴量抽出部3230とを含む。
The
特徴量抽出部3230は、特に限定されないが、たとえば、所定の周波数領域ごとの連続波形データの強度分布を抽出する。
たとえば、特に限定されないが、以下に説明する具体例では、結果の周波数スペクトルをわかりやすくみられるため、1ポイントが30s(1エポック期間)で算出した睡眠ステージを、1ポイントが1sに相当するものとして周波数スペクトルを算出した。そのため、本来のサンプリング数が、1/30Hzから1Hzになったことに相当する。
サンプリング数が1Hzとして、SMIとSDS両方とも0Hz~0.08Hzの範囲で、0.008Hzごとの領域について周波数強度を算出した。
The
For example, but not limited to, in the specific example described below, in order to easily see the frequency spectrum of the result, the sleep stage calculated with 1 point corresponding to 30 s (1 epoch period) is calculated with 1 point corresponding to 1 s. Therefore, it is equivalent to the original sampling rate being changed from 1/30 Hz to 1 Hz.
The sampling frequency was set to 1 Hz, and frequency intensities were calculated for each 0.008 Hz region in the range of 0 Hz to 0.08 Hz for both SMI and SDS.
特徴量抽出部3230からの特徴量に基づいて、うつ症状予測部3240は、うつ傾向を示す指標を算出し、更年期症状予測部3250は、更年期症状を示す指標を算出する。
Based on the features from the
うつ症状予測部3240と更年期症状予測部3250とから出力された各指標は、計測端末2000に返信され、計測端末2000の表示装置2008に表示される。
The indices output from the depression
特に、限定されないが、たとえば、指標としては、「うつ症状 あり/なし」「更年期症状 あり/なし」と、症状の傾向の存否だけを示す情報とすることができる。ただし、指標としては、このようなものに限定されず、たとえば、2クラスの分類ではなく、多クラスでの分類を前提として、各症状の程度(たとえば、3段階で、高、中、低など)示すものであってもよい。
あるいは、分類器の構成によっては、各症状の程度を確率としての数値で提示するものであってもよい。
本明細書においては、「症状指標」とは、このように、臨床的なデータに基づいて機械学習した人工知能により出力される被検者の更年期症状やうつ症状の程度を客観的に示す指標のことを意味するものとする。そして、特に、医療機器として医師の診断の補助となる情報の場合は、「診断補助情報としての症状指標」と呼び、特に、ヘルスケア分野での応用として、健康状態を示す情報の場合は、「参考情報としての症状指標」と呼ぶものとする。
In particular, but not limited to, the indicator may be information indicating only the presence or absence of a symptom tendency, such as "depression symptoms: yes/no" and "menopausal symptoms: yes/no." However, the indicator is not limited to this, and may be, for example, an indicator indicating the degree of each symptom (e.g., three levels, high, medium, low, etc.) on the premise of classification into multiple classes, rather than classification into two classes.
Alternatively, depending on the configuration of the classifier, the severity of each symptom may be presented as a numerical value representing a probability.
In this specification, the "symptom index" refers to an index that objectively indicates the degree of the subject's menopausal symptoms or depression symptoms, output by artificial intelligence that has undergone machine learning based on clinical data. In particular, when the information is used as a medical device to assist a doctor in making a diagnosis, it is called a "symptom index as diagnostic auxiliary information," and when the information is used as information indicating a health condition, particularly in the application in the healthcare field, it is called a "symptom index as reference information."
(睡眠ステージ予測部の構成) (Configuration of the sleep stage prediction section)
図5は、睡眠ステージ予測部での人工知能モデルの構成を説明するためのブロック図である。 Figure 5 is a block diagram to explain the configuration of the artificial intelligence model in the sleep stage prediction unit.
学習モデルとして、以下の文献に開示されているディープニューラルネットワークアーキテクチャDSNを採用した例について説明する。
公知文献1:A. Supratak, H. Dong, C. Wu, and Y. Guo, “DeepSleepNet: A model
for automatic sleep stage scoring based on raw single-channel EEG”, IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng., vol. 25, no. 11, pp. 1998 2008,Nov. 2017.
An example will be described in which the deep neural network architecture DSN disclosed in the following document is adopted as the learning model.
Public literature 1: A. Supratak, H. Dong, C. Wu, and Y. Guo, “DeepSleepNet: A model
for automatic sleep stage scoring based on raw single-channel EEG”, IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng., vol. 25, no. 11, pp. 1998-2008,Nov. 2017.
上記文献に開示されている学習モデルは、“DeepSleepNet(DSN)”と呼ばれる。 The learning model disclosed in the above document is called "DeepSleepNet (DSN)."
上記文献では、脳波から特徴量を抽出するアルゴリズムを開発し、生のシングルチャンネル脳波に基づく自動睡眠段階スコアリングのモデルが紹介されている。深層学習の特徴抽出能力を活用することで、手作業による特徴抽出のプロセスが自動化される。 In the above paper, an algorithm is developed to extract features from EEG, and a model for automatic sleep stage scoring based on raw single-channel EEG is introduced. By utilizing the feature extraction capabilities of deep learning, the manual process of feature extraction is automated.
この“DeepSleepNet”の特徴は、以下のとおりである。 The features of this "DeepSleepNet" are as follows:
i)第1層にフィルタサイズの異なる2つの1次元畳み込みニューラルネットワーク(Convolutional Neural Network:CNN)と双方向LSTM(BidLSTM:Bidirectional Long Short Term Memory)を利用したモデルアーキテクチャを有する。CNNは生の単一チャンネルEEGから時間不変の特徴を抽出するためのフィルタを学習することができ、一方、双方向LSTMは、睡眠ステージの遷移ルールなどの時間情報をモデルにエンコードするために学習することができる。 i) The model architecture uses two 1D convolutional neural networks (CNNs) with different filter sizes and a bidirectional long short term memory (BidLSTM) in the first layer. The CNN can learn filters to extract time-invariant features from raw single-channel EEG, while the bidirectional LSTM can be learned to encode temporal information, such as sleep stage transition rules, into the model.
ii)大規模な睡眠データセットに見られるクラス不均衡問題(すなわち、大多数の睡眠段階のみを分類するように学習すること)にモデルの学習に困難をきたすことを防ぎながら、バックプロパゲーションによって、モデルをエンドツーエンドで効果的に学習できる2段階の学習アルゴリズムを実装する。 ii) We implement a two-stage learning algorithm that can effectively train the model end-to-end using backpropagation while avoiding the class imbalance problem (i.e., learning to classify only the majority of sleep stages) that is difficult to train in large sleep datasets.
iii)モデルのアーキテクチャと学習アルゴリズムを変更することなく、モデルが、異なる特性(例えば、サンプリングレート)と採点基準(AASMとR&K)を持つ2つのデータセットの異なる生のシングルチャンネル脳波から睡眠段階採点のための特徴を、手作業で設計した特徴を利用せずに自動的に学習できる。
ここで、AASMとは、米国睡眠医学会(American Academy of Sleep Medicine)であり睡眠検査の仕様を規定しており、R&Kとは、睡眠時ポリソムノグラフィー(PSG)の標準的な検査手技と睡眠段階判定として、1968年RechtscaffenとKalesにより標準化されたものである。
iii) Without modifying the model architecture and learning algorithm, the model can automatically learn features for sleep stage scoring from different raw single-channel EEG data sets with different characteristics (e.g., sampling rate) and scoring criteria (AASM and R&K) without using any manually designed features.
Here, AASM stands for the American Academy of Sleep Medicine, which defines the specifications for sleep tests, and R&K is a standardized test technique for sleep polysomnography (PSG) and sleep stage determination that was standardized by Rechtscaffen and Kales in 1968.
すなわち、本実施の形態で採用するDSNは、元々、単一チャンネルの睡眠脳波をもとにエンドツーエンドで学習され、手作業で作られた特徴量には依存しない。DSNは、時不変な特徴を抽出するCNNによる特徴ネットワークと、睡眠段階の遷移ルールを決定する双方向LSTMによるシーケンスネットワークの2つの主要ネットワークから構成される。 In other words, the DSN used in this embodiment was originally trained end-to-end based on single-channel sleep EEG and does not rely on manually created features. The DSN is composed of two main networks: a feature network using CNN that extracts time-invariant features, and a sequence network using bidirectional LSTM that determines the transition rules for sleep stages.
なお、上記公知文献1では、ネットワークは単一チャンネルの脳波を入力するように設計されていたが、本実施の形態では、よりロバストなモデルを構築するために複数チャンネルの脳波を入力するようにしている。
また、LSTMは、単純な再帰型ニューラルネットワーク(Recurrent Neural Network:RNN)を改良したモデルであり、経時的な(順序を有する)データを処理するのに適した構成であれば、他の双方向再帰型ニューラルネットワークの構成を用いてもよい。
In the above-mentioned
In addition, the LSTM is a model that improves on a simple recurrent neural network (RNN), and other bidirectional recurrent neural network configurations may be used as long as they are suitable for processing time-series (ordered) data.
なお、このような睡眠ステージ予測部の構成および動作については、以下の文献に開示されている。 The configuration and operation of such a sleep stage prediction unit are disclosed in the following literature:
公知文献2:SHOYA MATSUMORI , KOSEI TERAMOTO, HIROYA IYORI, TAKANORI SODA,SHUSUKE YOSHIMOTO , AND HARUO MIZUTANI, “HARU Sleep: A Deep Learning-Based Sleep Scoring System With Wearable Sheet-Type Frontal EEG Sensors”, IEEE Access, Volume 10, 2022
Publication 2: SHOYA MATSUMORI, KOSEI TERAMOTO, HIROYA IYORI, TAKANORI SODA, SHUSUKE YOSHIMOTO, AND HARUO MIZUTANI, “HARU Sleep: A Deep Learning-Based Sleep Scoring System With Wearable Sheet-Type Frontal EEG Sensors”, IEEE Access,
図5を参照して、モデルの上部を構成する特徴ネットワークは、同じ入力を受け、異なるフィルタ設定を持つ畳み込みネットワークの2つのストリームCNN1とCNN2とを有する。各畳み込み層の流れは、1次元畳み込み層から始まり、バッチ正規化層、マックスプーリング層、ドロップアウト層が続く。 Referring to Figure 5, the feature network that constitutes the upper part of the model has two streams of convolutional networks, CNN1 and CNN2, that receive the same input but have different filter settings. Each convolutional layer stream starts with a 1D convolutional layer, followed by a batch normalization layer, a max pooling layer, and a dropout layer.
その後、3つの1次元畳み込み層とマックスプーリング層が使われ、最後に2つの出力ストリームが平坦化されて連結され、ドロップアウト層に供給される。各ストリームCNN1とCNN2とには、異なるレベルの特徴を捕らえるために、大小の異なるフィルタ設定が適用される。 After that, three 1D convolutional layers and a max pooling layer are used, and finally the two output streams are flattened, concatenated, and fed into a dropout layer. Different filter settings, large and small, are applied to each stream, CNN1 and CNN2, to capture different levels of features.
モデルの下部を構成するシーケンスネットワークは、全結合層によるスキップ接続によってバイパスされる主流の双方向LSTM層を有している。LSTM層(リカレントアーキテクチャ)は、睡眠専門家が分析に考慮することができる遷移ルールなど、異なる睡眠段階に存在する時間情報を捕捉するために導入されている。双方向LSTMは、LSTMの拡張モデルであり、順伝播に加えて逆伝播を含むことで、過去のステージと現在のステージの関係だけでなく、将来のステージも考慮することが可能となる。 The sequence network that constitutes the lower part of the model has a mainstream bidirectional LSTM layer that is bypassed by skip connections with a fully connected layer. The LSTM layer (recurrent architecture) is introduced to capture the temporal information present in different sleep stages, such as transition rules that sleep experts can take into account in the analysis. Bidirectional LSTM is an extension of LSTM that includes backpropagation in addition to forward propagation, allowing us to consider not only the relationship between past and current stages, but also future stages.
モデルの学習は,特徴ネットワークとシーケンスネットワークをそれぞれ最適化するプレトレーニングフェーズ(事前学習)とファインチューニングフェーズの2つの学習フェーズによって行われる。 The model is trained in two phases: a pre-training phase, which optimizes the feature network and the sequence network, and a fine-tuning phase.
事前学習段階では、単純な分類問題として教師付き学習により特徴ネットワークの最適化を行い、ネットワークの末尾にソフトマックス層を追加することにより、特徴ネットワークの最適化を行う。また、ファインチューニングフェーズでは、事前学習段階で学習させた特徴量ネットワークに、ソフトマックス層を置き換える形でシーケンスネットワークを追加し、両ネットワークを最適化する。 In the pre-training stage, a feature network is optimized using supervised learning for a simple classification problem, and a softmax layer is added to the end of the network to optimize the feature network. In the fine-tuning phase, a sequence network is added to the feature network trained in the pre-training stage, replacing the softmax layer, and both networks are optimized.
特に限定されないが、学習モデルの構成としては、上記公知文献1に従って、以下のような構成とすることができる。 Although not particularly limited, the learning model can be configured as follows, in accordance with the above-mentioned publicly known document 1:
すなわち、学習モデルでは、各CNNは4つの畳み込み層と2つのマックスプーリング層で構成される。 In other words, in the learning model, each CNN consists of four convolutional layers and two max pooling layers.
各畳み込み層は次の3つの操作を順次行う:フィルタによる1次元畳み込み、バッチ正則化、そして正規化線形関数(ReLU)による活性化関数処理である。 Each convolutional layer performs three operations in sequence: one-dimensional convolution with a filter, batch regularization, and activation function processing with a rectified linear unit (ReLU).
各プーリング層は、max演算を用いて入力をダウンサンプリングする。 Each pooling layer downsamples the input using the max operation.
特徴ネットワークでは、脳波から時間情報と周波数情報を取り込むことを目的に、CNN1とCNN2とのパラメータを選択する。例えば、図5では、CNN1の最初のConv1D層のフィルタサイズをFs/2(すなわち、サンプリングレート(Fs)の半分)に設定し、そのストライドサイズをFs/16にして、特定の脳波パターンが出現したときに検出できるようにしている。 In the feature network, the parameters of CNN1 and CNN2 are selected to capture time and frequency information from the EEG. For example, in Figure 5, the filter size of the first Conv1D layer of CNN1 is set to Fs/2 (i.e., half the sampling rate (Fs)) and its stride size is set to Fs/16 so that it can detect when a specific EEG pattern appears.
一方、CNN2のconv1D層のフィルタサイズは、EEGからの周波数成分をよりよく捕らえるためにFs×4に設定する。また、周波数成分を抽出するために細かな畳み込みを行う必要がないため、そのストライドサイズはCNN1のconv1層よりも大きいFs/2に設定する。 On the other hand, the filter size of the conv1D layer of CNN2 is set to Fs×4 to better capture the frequency components from the EEG. Also, since fine convolution is not necessary to extract the frequency components, the stride size is set to Fs/2, which is larger than that of the conv1 layer of CNN1.
これらに続く畳み込み層conv1Dのフィルタサイズとストライドサイズは固定サイズとする。特に限定されないが、たとえば、CNN1については、3つの層について、128フィルタで、(フィルタのカーネルサイズ、ストライドサイズ、活性化関数)=(8,1,ReLU)とし、CNN2については、3つの層について、64フィルタで、(フィルタのカーネルサイズ、ストライドサイズ、活性化関数)=(6,1,ReLU)との設定とすることができる。 The filter size and stride size of the following convolutional layer conv1D are fixed. Although not particularly limited, for example, for CNN1, the settings can be 128 filters for three layers, (filter kernel size, stride size, activation function) = (8, 1, ReLU), and for CNN2, the settings can be 64 filters for three layers, (filter kernel size, stride size, activation function) = (6, 1, ReLU).
大きなフィルタを持つ単一の畳み込み層ではなく、小さなフィルタサイズを持つ複数の畳み込み層を用いることで、パラメータ数や計算コストを削減し、なおかつ同程度のモデル表現力を実現できる。 By using multiple convolutional layers with small filter sizes instead of a single convolutional layer with a large filter, it is possible to reduce the number of parameters and computational costs while still achieving the same level of model expressiveness.
シーケンスネットワークでは、双方向LSTM層とfc層(全結合層)のパラメータを特徴ネットワークの出力より小さく設定し、1024とした。これは、オーバーフィッティングを防ぐために、重要な特徴のみを選択して組み合わせるようにモデルを制限するためである。 In the sequence network, the parameters of the bidirectional LSTM layer and the fc layer (fully connected layer) were set to 1024, which is smaller than the output of the feature network. This is to restrict the model to select and combine only important features to prevent overfitting.
(睡眠ステージ予測部3110の学習の実験例)
(データセット準備)
(Experimental example of learning of sleep stage prediction unit 3110)
(Dataset preparation)
睡眠ステージ予測部3110の性能を評価するため、以下の条件に従ってデータセットを作成した。
To evaluate the performance of the sleep
ここで、性能比較の基準としては、従来から睡眠状態の評価に使用される、睡眠時ポリソムノグラフィー(PSG)検査を用いて、これと対比する。 Here, the performance will be compared against a standard known as polysomnography (PSG) testing, which has traditionally been used to evaluate sleep states.
ここで、PSGに必要な脳波電極位置は前頭部(F3,F4),中心部(C3,C4)と後頭部(O1,O2)が基本であり,その配置は国際脳波学会の標準法(ten-twenty electrode system;10/20 法)に従う。眼電図(electro[1]oculogram; EOG)として,左外眼角から1cm下方(E1),右外眼角から1cm上方(E2)の位置に装着した電極と右乳様突起(M2)を結ぶ2誘導(単極導出)が用いられる。 The basic EEG electrode positions required for PSG are the frontal (F3, F4), central (C3, C4) and occipital (O1, O2) regions, and their placement follows the International Electroencephalography Society standard method (ten-twenty electrode system; 10/20 method). For the electrooculogram (EOG), two leads (unipolar leads) are used, connecting the electrodes attached 1 cm below the left lateral canthus (E1) and 1 cm above the right lateral canthus (E2) to the right mastoid process (M2).
学習用のデータセットでは、1-3chという選びうるすべてのパターンのチャンネルを採用し、データセットを構成した。電極シート型脳波計10´とPSGでは電極の数や位置が異なるため、同一条件での直接比較はできない。 The learning dataset was created using all possible channel patterns, from 1 to 3 channels. Because the number and position of electrodes differ between the electrode sheet-type EEG 10' and the PSG, a direct comparison under the same conditions cannot be made.
そこで、最も近くて同じ数のチャンネル、つまり、F3-M2、F4-M1のチャンネルを比較対象として検討した。また、チャンネル数が装置の性能に与える影響を調べるため、F3-M2、F4-M1、C3-M2、C4-M1の4チャンネルモデル、上記4チャンネルに加え、E1-M2、E2-M1の6チャンネルモデルも採用した。 Therefore, we used the closest and same number of channels, namely the F3-M2 and F4-M1 channels, as the comparison subjects. Also, to investigate the effect of the number of channels on the performance of the device, we used the four-channel models F3-M2, F4-M1, C3-M2, and C4-M1, as well as the six-channel models E1-M2 and E2-M1 in addition to the four channels mentioned above.
(DSNのトレーニング方法) (DSN training method)
ネットワークは、学習率0.0001のADAMオプティマイザを用いて、交差検証ごとに、事前学習に150エポック、ファインチューニングに100エポック、合計250エポックの学習を行った。 The network was trained for a total of 250 epochs per cross-validation using the ADAM optimizer with a learning rate of 0.0001, with 150 epochs for pre-training and 100 epochs for fine-tuning.
事前学習では勾配クリップを用い、勾配を最大ノルム10.0になるようにクリップした。学習データセットは、交差検証の手法により、学習データセットと検証データセットに分割された。一般に,交差検証は,データセットの特徴に基づき,患者内と患者間の2つのアプローチで行われる.被検者内交差検証では、訓練データと検証データの両方に同じ被検者のデータを含めるが、被検者間交差検証では、被検者ごとにデータを使用する。 Gradient clipping was used in pre-training, and gradients were clipped to a maximum norm of 10.0. The training dataset was divided into training and validation datasets using cross-validation. Generally, cross-validation is performed in two approaches, within-patient and between-patient, based on the characteristics of the datasets. In within-subject cross-validation, both the training and validation data include data from the same subject, while in between-subject cross-validation, data is used for each subject.
睡眠記録は患者への依存度が高い、つまり、患者ごとに類似した脳波パターンを持っている。そのため、モデルの検証には患者間交差検証を採用し、リーブワンアウト交差検証法を用いて検証を行った。リーブワンアウト交差検証では、トレーニングデータセットには、検証のための1人の被検者を除くすべての被検者が含まれる。 Sleep recordings are highly patient-dependent, i.e., different patients have similar EEG patterns. Therefore, we adopted between-patient cross-validation to validate the model, using the leave-one-out cross-validation method. In leave-one-out cross-validation, the training dataset includes all subjects except one subject for validation.
なお、睡眠段階としては、以下のような段階に分けられる。
・覚醒(Stage W)
・ノンレム睡眠
睡眠段階N1(Stage 1)
睡眠段階N2(Stage 2)
睡眠段階N3
睡眠段階3(Stage 3)
睡眠段階4(Stage 4)
・レム睡眠(Stage R)
The sleep stages are divided into the following stages:
・Awakening (Stage W)
・Non-REM sleep Sleep stage N1 (Stage 1)
Sleep stage N2 (Stage 2)
Sleep stage N3
・REM sleep (Stage R)
一般に、睡眠段階の分布は一様ではなく、N2段階が最大で全体の50%を占めるのに対し、N1段階はわずか7%に過ぎない。機械学習のアプローチは基本的にデータ分布を最適化するため、各クラス間のアンバランスが予測精度に大きく影響する。この問題はしばしばクラスインバランス問題と呼ばれ、様々な研究がこの問題に取り組むための方法を開発している。ここでは,クラスインバランス問題を解決するために,クラスウェイト法を利用する.この方法は,クラスラベル頻度に応じて損失計算を調整することで,サンプル数の少ないものから多いものまで,各クラスの貢献度を等しくするものである。 In general, the distribution of sleep stages is not uniform, with N2 stage accounting for up to 50% of the total, while N1 stage accounts for only 7%. Machine learning approaches essentially optimize data distribution, so the imbalance between classes significantly affects prediction accuracy. This problem is often called the class imbalance problem, and various studies have developed methods to address this issue. Here, we use a class weight method to solve the class imbalance problem. This method adjusts the loss calculation according to the class label frequency to equalize the contribution of each class, from those with a small number of samples to those with a large number of samples.
すべてのモデルは,精度,再現率,F1スコア等を用いて評価された。 All models were evaluated using precision, recall, F1 score, etc.
(人工知能モデルの評価) (Evaluation of artificial intelligence models)
精度はデータセット内のクラス分布を無視するため,アンバランスなデータセットの場合,精度の評価は十分とは言えない。そこで、ここでは、提案システムの性能を正確に評価するために、精度に加え、再現率、F1スコアの3つのメトリックスを用いた。 Accuracy ignores the class distribution in the dataset, so in the case of an unbalanced dataset, the evaluation of accuracy is not sufficient. Therefore, in order to accurately evaluate the performance of the proposed system, we used three metrics: recall, F1 score, and accuracy.
本実施の形態の電極シート型脳波計10´の総合精度は75%~78%、PSGの総合精度は78%~79%であり、電極シート型脳波計10´による判別の精度は十分高いといえる。 The overall accuracy of the electrode sheet-type electroencephalograph 10' in this embodiment is 75% to 78%, and the overall accuracy of the PSG is 78% to 79%, so it can be said that the accuracy of discrimination by the electrode sheet-type electroencephalograph 10' is sufficiently high.
また、電極シート型脳波計10´の最高得点はF4-M1を用いた3チャンネル条件で78.6%、PSG装置の最高得点は1チャンネル条件で79.6%であった。この結果から、本システムはPSG装置と同等の性能を達成したことがわかる。 The highest score for the electrode sheet-type electroencephalograph 10' was 78.6% under three-channel conditions using the F4-M1, while the highest score for the PSG device was 79.6% under one-channel conditions. These results show that this system achieved performance equivalent to that of a PSG device.
(うつ症状予測モデルおよび更年期症状予測モデルの構成)
図6は、電極シート型脳波計10´を用いて、ある被検者について、エポックごとに、睡眠ステージを判別した結果を示す図である。
(Construction of depression symptom prediction model and menopausal symptom prediction model)
FIG. 6 is a diagram showing the results of sleep stage discrimination for each epoch for a certain subject using the electrode sheet-type electroencephalograph 10'.
経時的に、ノンレム睡眠、レム睡眠の間をステージが遷移していることが示される。 The results show that stages of sleep transition between non-REM and REM over time.
図7は、図6のようにして判別された経時的な睡眠ステージについて、スムージング処理(三角移動平均処理)により、睡眠ステージの変化を平滑化した結果を示す図である。 Figure 7 shows the results of smoothing the changes in sleep stages over time determined as shown in Figure 6 using a smoothing process (triangular moving average process).
図4において説明した通り、このようにして睡眠ステージの変化を平滑化した経時変化の曲線をさらに周波数変換することで、特徴量を周波数成分として抽出する。 As explained in Figure 4, the time-dependent change curve with the sleep stage changes smoothed in this way is then frequency converted to extract features as frequency components.
このように、うつ症状予測部3240や、更年期症状予測部3250への入力を、経時変化そのものの特徴量ではなく、いったん、周波数空間での特徴量に変換することは、通常、約8時間程度の計測時間である「睡眠評価」のための入力データに対して、前処理として、データ量の圧縮を行っていることに相当する。
In this way, the input to the depression
図8は、うつ症状予測部3240および更年期症状予測部3250での学習モデルの構成および学習過程を説明するための図である。
Figure 8 is a diagram to explain the configuration and learning process of the learning model in the depressive
特に限定されないが、うつ症状予測部3240および更年期症状予測部3250では、正解ラベルの存在する教師あり学習のためのモデルとして、アンサンブル学習の一種であるランダムフォレストモデルを用いる場合について、説明する。
Although not limited to this, the depressive
図8を参照して、まず、学習データの元データから、演算装置が、ブーストラップで復元抽出するランダムサンプリングにより、N組のデータセット「データ1」…「データN」を生成し、記憶装置に格納する(STEP1)。
Referring to FIG. 8, first, the computing device generates N sets of data sets "
次に、データセットごとに、ランダムフォレスト法による教師あり学習として決定木を学習し、N個の決定木モデルを作成する(STEP2)。 Next, for each dataset, a decision tree is trained using supervised learning with the Random Forest method, and N decision tree models are created (STEP 2).
各決定木での予測処理を行って(STEP3)、N個の決定木モデルのよく結果の多数決処理により、最終的な予測結果を生成する(STEP4)。 Prediction processing is performed for each decision tree (STEP 3), and the final prediction result is generated by majority voting of the best results of the N decision tree models (STEP 4).
ただし、このようなクラス分類の学習モデルの構成としては、このような構成に限定されるものではなく、アンサンブル学習の手法としてバギング法やブースト法などを使用することも可能である。また、クラス分類器として使用できる学習モデルであれば、他の構成を採用することも可能である。
うつ症状予測部3240および更年期症状予測部3250では、このような学習処理により生成された学習済みモデルにより、入力される被検者のデータに応じた症状指標を出力する。
However, the configuration of the learning model for class classification is not limited to this configuration, and it is also possible to use bagging, boosting, or other methods as ensemble learning methods. Also, other configurations can be adopted as long as the learning model can be used as a classifier.
The depressive
(診断補助情報提供システム1000のハードウェア構成) (Hardware configuration of diagnostic support information provision system 1000)
図9は、計測端末2000のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
Figure 9 is a block diagram illustrating the hardware configuration of the
特に限定されないが、計測端末2000としては、タブレット端末やスマートフォン端末を使用する構成とすることができる。
Although not particularly limited, the
図9を参照して、図4で説明した脳波データ記録送信部2002に相当して、MPU(Micro Processing Unit)またはCPU(Central Processing Unit)などの演算装置2003、RAM2004、ROM2005等からなる記憶装置を備え、所定の基本OSやミドルウェア等のプログラムが実行されることにより、各部を制御したり、ソフトウェア構成上のネイティブプラットフォーム環境やアプリケーション実行環境を構築したりする。
Referring to FIG. 9, it corresponds to the EEG data recording and transmitting
表示装置2008としては、液晶パネルや有機ELパネルが使用され、操作装置2007としては、キー入力の他、表示パネルと一体となったタッチパネルであってもよいし、音声認識装置であってもよい。
A liquid crystal panel or an organic EL panel is used as the
脳波データ記録送信部2002において、記憶装置は、例えば、一時記憶装置としてのRAM2004や不揮発性記憶装置としてのフラッシュメモリ2005などの半導体メモリを含む。この不揮発性記憶装置は、各部での処理に用いられるドライバプログラム、オペレーティングシステムプログラム、アプリケーションプログラム、データ等を記憶する。さらに、脳波データ記録送信部2002において、脳波データは、この不揮発性記憶装置が記憶する。
In the brainwave data recording and
例えば、不揮発性記憶装置は、ドライバプログラムとして、IEEE802.11規格の無線通信方式や、Bluetooth(登録商標)規格の短距離通信方式、移動体通信(セルラー通信)の無線通信方式を実行する通信ドライバプログラム、操作装置2007を制御する入力デバイスドライバプログラム、表示装置2008を制御する出力デバイスドライバプログラム等を記憶する。
For example, the non-volatile storage device stores driver programs such as a communication driver program that executes a wireless communication method conforming to the IEEE 802.11 standard, a short-range communication method conforming to the Bluetooth (registered trademark) standard, and a wireless communication method for mobile communication (cellular communication), an input device driver program that controls the
また、不揮発性記憶装置は、オペレーティングシステムプログラムとして、例えば、Android(登録商標)OS、iOS(登録商標)等の基本OSや、IEEE802.11規格の無線通信方式、Bluetooth(登録商標)規格の短距離通信方式や移動体通信(セルラー通信)の無線通信方式での認証等を行う接続制御プログラム等を記憶する。 The non-volatile storage device also stores operating system programs, such as basic OSs such as Android (registered trademark) OS and iOS (registered trademark), and connection control programs that perform authentication in wireless communication methods such as the IEEE 802.11 standard, the Bluetooth (registered trademark) standard short-range communication method, and mobile communication (cellular communication) wireless communication method.
通信インタフェース2006は、無線LAN通信、Bluetooth(登録商標)規格の短距離通信、および必要に応じて、セルラー方式の移動体通信ネットワークの基地局(図示せず)を介して通信する移動体通信を実行するための機能を有する。
The
図10は、図4に示した情報提供サーバー3000のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
Figure 10 is a block diagram illustrating the hardware configuration of the
上述した通り、情報提供サーバー3000は、自身の筐体内の演算装置(CPU:Central Processing Unit)が演算処理を実行する構成であってもよいし、プログラムの処理の一部は、さらに他のサーバー上で実行される構成であってもよい。以下では、自身の筐体内の演算装置が演算処理を実行するものとして説明する。
As described above, the
図10を参照して、情報提供サーバー3000は、コンピュータ装置3010と、ネットワークと通信するためのネットワーク通信部3300と、外部からのデータを記録してコンピュータ装置3010に提供するための記録媒体(たとえば、メモリカード)3210とを備える。
Referring to FIG. 10, the
なお、例えば、記録媒体3210としては、USBメモリ、メモリカードや外付け記憶装置などを利用することができる。また、ネットワーク通信部3300としては、例えば、有線LANのルーターや無線LANのアクセスポイントを利用することができる。
For example, the
図10に示されるように、このコンピュータ装置3010を構成するコンピュータ本体は、ディスクドライブ3030およびメモリドライブ3020に加えて、それぞれバス3050に接続されたCPU(Central Processing Unit )3040と、ROM(Read Only Memory)3030およびRAM(Random Access Memory)3070を含むメモリと、不揮発性の書換え可能な記憶装置、たとえば、SSD(Solid State Drive)3080と、ネットワークを介しての通信や外部とのデータの授受を行うための入出力インタフェース3090とを含んでいる。ディスクライブ3030には、光ディスクが装着可能である。メモリドライブ3020にはメモリカード3210が装着可能である。
As shown in FIG. 10, the computer main body constituting this
後に説明するように、コンピュータ装置3010のプログラムが動作するにあたっては、そのコンピュータとしての動作の基礎となる情報を格納するデータやプログラムは、SSD3080に格納されるものとして説明を行う。
As will be explained later, when the programs of the
なお、図10では、コンピュータ本体に対してインストールされるプログラム等の情報を記録可能な媒体として、たとえば、DVD-ROM(Digital Versatile Disc)、メモリカードやUSBメモリなどでもよい。そのような場合に対応して、コンピュータ本体には、これらの媒体を読取ることが可能なドライブ装置(メモリドライブ3020、ディスクドライブ3030)が設けられる。
In FIG. 10, the medium capable of recording information such as a program to be installed in the computer main body may be, for example, a DVD-ROM (Digital Versatile Disc), a memory card, or a USB memory. In such cases, the computer main body is provided with a drive device (
コンピュータ装置3010の主要部は、コンピュータハードウェアと、CPU3040により実行されるソフトウェアとにより構成される。一般的にこうしたソフトウェアは 記憶媒体に格納されて流通またはネットワーク経由で流通し、ディスクドライブ3030やネットワーク通信部3300経由で取得されて SSD3080に一旦格納される。そうしてさらにSSD3080からメモリ中のRAM3070に読出されてCPU3040により実行される。なお、ネットワーク接続されている場合には、SSD3080に格納することなくRAMに直接ロードして実行するようにしてもよい。
The main components of the
コンピュータ装置3010として機能するためのプログラムは、その流通にあたっては、コンピュータ本体3010に、情報処理装置等の機能を実行させるオペレーティングシステム(OS)は、必ずしも含まなくても良い。プログラムは、制御された態様で適切な機能(モジュール)を呼び出し、所望の結果が得られるようにする命令の部分のみを含んでいれば良い。コンピュータシステム3010がどのように動作するかは周知であり、詳細な説明は省略する。
When distributed, a program for functioning as
さらに、CPU3040も、1つのコアのプロセッサであっても、あるいは複数のコアのプロセッサであってもよい。すなわち、シングルコアのプロセッサであっても、マルチコアのプロセッサであってもよい。
Furthermore, the
また、以上の説明では、計測端末2000と情報提供サーバー3000とは、別体のハードウェア機器であるものとして説明したが、たとえば、計測端末2000と情報提供サーバー3000とが1つのコンピュータ装置により実現されていてもよい。
In the above explanation, the
(簡略更年期障害指数SMI:Simplified Menopausal Index) (Simplified Menopausal Index (SMI))
図11は、簡略更年期指数(SMI)を算出するための自己採点のための問診票を示す図である。 Figure 11 shows a questionnaire for self-assessment to calculate the Simplified Menopausal Index (SMI).
短期間に心身両面に多彩な変化が押し寄せる更年期は、自覚がほとんどないものから、日常生活に支障をきたすものまで、症状の程度はさまざまである。その症状の程度を判断するための簡単な問診票が、簡略更年期指数(SMI)であり、日本人の症状に合わせて作られている。 Menopause brings about a multitude of changes to both the mind and body in a short period of time, with symptoms ranging in severity from barely noticeable to those that interfere with daily life. The Simplified Menopausal Index (SMI) is a simple questionnaire used to determine the severity of symptoms, and is tailored to suit the symptoms of Japanese people.
小山嵩夫医師らが、東京医科歯科大学で診療していた1990年頃から、蓄積した数百例のデータを基に、1992年に不定愁訴を共通の尺度を用いて手軽に把握し、診断・治療に結びつけることを目的として、簡略更年期指数(SMI)が策定された。 Since around 1990, when Dr. Koyama Takao and his colleagues were practicing at Tokyo Medical and Dental University, they had accumulated data on several hundred cases, and in 1992 developed the Simplified Menopause Index (SMI) with the aim of easily understanding vague symptoms using a common scale and linking it to diagnosis and treatment.
合計点から5段階に評価され、更年期障害かどうか、治療をすべきかどうかなどの「めやす」を示すものである。 The total score is evaluated on a 5-point scale, providing a guide to whether or not a woman is suffering from menopausal symptoms and whether or not she should undergo treatment.
症状の程度に応じ、自分で○印をつけてから点数を入れる問診票であり、どれか1つの症状でも強く出ていれば、強に○をするものとされる。 It is a questionnaire in which the patient marks the symptoms according to their severity and then enters a score. If any one symptom is severe, the patient is supposed to mark it as strong.
問診票の合計点をもとにチェックをし、以下のような更年期指数の自己採点の評価法を行うとされる。 A check will be done based on the total score of the questionnaire, and the self-assessment method of the menopausal index will be as follows:
0~25 点 … 異常なし。 0-25 points: no abnormalities.
26~50 点… 食事、運動などに注意。 26-50 points: Pay attention to diet, exercise, etc.
51~65 点…更年期・閉経外来を受診。医師の診察を受け、生活指導、カウンセリング、薬物療法。 51-65 points: Visit a menopause/menopause clinic. See a doctor, receive lifestyle advice, counseling, and drug therapy.
66~80 点…長期間(半年以上)の計画的な治療が必要。 66-80 points: Planned treatment over a long period (six months or more) is required.
81~100 点…各科の精密検査を受け、更年期障害のみである場合は、専門医での長期的な対応が必要。 81-100 points: After thorough medical examinations in each department, if the only symptom is menopausal symptoms, long-term treatment by a specialist is required.
教師あり学習のための「正解データ」として、以下の説明では、SMI 51 点以上を更年期症状有りと定義する。 In the following explanation, as "correct answer data" for supervised learning, an SMI score of 51 or higher is defined as the presence of menopausal symptoms.
(自己評価式抑うつ性尺度) (Self-Rating Depression Scale)
図12は、自己評価式抑うつ性尺度チェック表を示す図である。 Figure 12 shows the self-assessment depression scale checklist.
Zung(1965)の自己評価式抑うつ尺度(Self-rating Depression Scale:SDS)は抑うつ状態の程度を簡便に計量するために開発された質問紙形式の抑うつ尺度である。 Zung's (1965) Self-Rating Depression Scale (SDS) is a questionnaire-type depression scale developed to easily measure the degree of depression.
SDSは抑うつ症状を問う20の質問項目からなる。質問項目はその内容から,抑うつ主感情(2項目)、身体的症状(8項目)、精神的症状(10項目)に分類される。また、質問の表現形式からは、患者が自分の症状を訴えるときの否定的な表現で記述された10項目と、それとは逆に肯定的な表現で記述された10項目(逆転項目)とに分類される。回答方法は、症状の発生頻度を4つの選択肢の中から選ぶという形式になっており、各選択肢には1点から4点までの点数が割り当てられている。否定的な表現の項目と逆転項目とでは選択肢と点数の対応は逆である。回答者が得た20個の点数の合計はSDS得点と呼ばれ、抑うつ状態の程度を示す指標とされる。 The SDS consists of 20 questions about depressive symptoms. Based on their content, the questions are classified into main depressive feelings (2 items), physical symptoms (8 items), and mental symptoms (10 items). Based on the wording of the questions, they are further classified into 10 items written in negative terms, as when patients complain about their symptoms, and 10 items written in positive terms (reversed items). Respondents are asked to select the frequency of symptoms from four options, with each option assigned a score from 1 to 4 points. The correspondence between options and scores is reversed for negatively worded items and reversed items. The sum of the 20 points obtained by the respondent is called the SDS score, and is used as an index of the severity of the depressive state.
うつ症状のカットオフポイントを40点として、以下のように分類される。
40~47点:軽度
48~55点:中等度
56点~ :重度
The cut-off point for depressive symptoms is 40 points, and they are classified as follows:
40-47 points: mild 48-55 points: moderate 56 points and above: severe
中等度以上では治療が必要とされる。 Treatment is required for moderate to severe cases.
教師あり学習のための「正解データ」として、以下の説明では、SDS 48 点以上をうつ症状有りと定義する。 In the following explanation, as "correct answer data" for supervised learning, an SDS score of 48 or higher is defined as the presence of depressive symptoms.
[実験結果] [Experimental result]
以下では、大阪大学医学部附属病院の婦人科病棟に入院した30-50歳代の女性患者に対して実施した臨床研究の結果について説明する。 Below, we explain the results of a clinical study conducted on female patients in their 30s to 50s who were admitted to the gynecology ward at Osaka University Hospital.
実験の被検者に対しては、そのケアも想定すると、測定は入院患者で始めるのが望ましく、症状の鑑別の可能性の検討のためには、更年期症状の強い両側卵巣摘出患者で始めるのが望ましいと考えられ、倫理委員会の承認を得た2019年6月より測定を開始した(計153例測定)。 As for the experimental subjects, taking into consideration the care they would need to provide, it was thought that it would be best to begin measurements on hospitalized patients, and in order to examine the possibility of differentiating symptoms, it would be best to begin measurements on bilateral oophorectomy patients with severe menopausal symptoms. Measurements began in June 2019 after approval from the ethical committee (a total of 153 cases were measured).
このような患者とコントロール症例とを含めて、以下のようにして、症状指標を得た。
i)新型パッチ式計測シートによる睡眠中の脳波計測
ii)クッパーマン更年期指数(KSSI)、簡易更年期指数 (SMI)、
Zung 自己評価式抑うつ尺度 (SDS)、簡易抑うつ症状尺度(QIDS-J)について用紙を用いた問診
Including these patients and control cases, a symptom index was obtained as follows.
i) Measurement of brain waves during sleep using a new patch-type measurement sheet ii) Kupperman Menopausal Index (KSSI), Simplified Menopausal Index (SMI),
Zung Self-Rating Depression Scale (SDS) and Quick Inventory of Depressive Symptoms (QIDS-J) questionnaire
図13は、症例の選択の過程を示すフローチャートと症例の背景を示す図である。 Figure 13 shows a flowchart showing the case selection process and the background of the cases.
図13(a)は、研究対象者の選定の流れを説明している。同意症例:174例(健康人14例)に対して、計測としては、脳波:233測定(健康人35測定)を実施した。 Figure 13 (a) explains the process for selecting study subjects. 174 consenting cases (14 healthy subjects) were included in the study, and 233 EEG measurements (35 healthy subjects) were performed.
そのうち、主義習熟期間への該当や、除外基準の該当、測定失敗、同意撤回などによる除外の結果、最終的には、133症例、174測定を研究の対象としている。 Of these, 133 cases and 174 measurements were ultimately included in the study as a result of exclusion due to factors such as being within the learning curve, meeting the exclusion criteria, measurement failure, and withdrawal of consent.
また、図13(b)には、被検者の年齢、BMI値、卵巣機能の状態、各症状指標のまとめを示す。 Figure 13(b) also shows a summary of the subjects' ages, BMI values, ovarian function status, and symptom indicators.
図14は、SMI指標による睡眠の質の評価を示す図である。 Figure 14 shows the assessment of sleep quality using the SMI index.
睡眠の質を評価するための睡眠変数としては、以下のようものを取得する。
・睡眠時間から中途覚醒時間を除いた時間である「全睡眠時間」
・入眠から最終覚醒までの時間である「睡眠時間」
・SE: 睡眠効率(Sleep efficacy) (全睡眠時間/全就床時間)
・SOL: 入眠潜時(Sleep latency) (消灯時刻から最初の睡眠までにかかった時間)
・深睡眠潜時 (入眠後最初の深睡眠(stage3)までの時間)
・中途覚醒回数・時間
・WASO/SPT: 睡眠時間中の中途覚醒出現率
・SOREMP: レム睡眠潜時(REM latency) (入眠後最初のレム睡眠までの時間)
・REM/SPT: 睡眠時間中のレム睡眠出現率
The following sleep variables are obtained to evaluate sleep quality:
- "Total sleep time" is the time excluding the time spent awake during sleep
- "Sleep time" is the time from falling asleep to the final awakening
SE: Sleep efficiency (total sleep time/total time in bed)
SOL: Sleep latency (time taken from lights out to first sleep onset)
Deep sleep latency (time from falling asleep to the first deep sleep (stage 3))
・Number of awakenings during sleep and duration ・WASO/SPT: Occurrence rate of awakenings during sleep ・SOREMP: REM sleep latency (time from falling asleep to the first REM sleep)
・REM/SPT: REM sleep occurrence rate during sleep time
図14より、SMI中等症以上では、N3(深睡眠)が減少傾向であることがわかる。 Figure 14 shows that N3 (deep sleep) tends to decrease in patients with moderate to severe SMI.
図15は、SDS指標による睡眠の質の評価を示す図である。 Figure 15 shows the evaluation of sleep quality using the SDS index.
睡眠の質を評価するための睡眠変数としては、図14と同様である。 The sleep variables used to evaluate sleep quality are the same as those in Figure 14.
図15からは、人間の認識の範囲では、SDS中等症以上で特徴的な睡眠パターンは検出できなかった。 Figure 15 shows that, within the limits of human perception, no sleep patterns characteristic of moderate to severe SDS could be detected.
そこで、睡眠時の脳波計測により、うつ傾向、血管運動神経症状を有する症例に特徴的な睡眠時脳波パターンの検出を、上述したような診断補助情報提供システム1000の構成により検討した。
Therefore, we investigated the detection of sleep EEG patterns characteristic of cases with depressive tendencies and vasomotor symptoms by measuring EEG during sleep using the configuration of the diagnostic support
すなわち、人工知能技術を用いることにより、更年期症状を呈する患者について、自動的に、うつ病型や、Hot Flash型を分類することを試みた。 In other words, by using artificial intelligence technology, we attempted to automatically classify patients who exhibit menopausal symptoms into depression type and hot flash type.
図16は、更年期女性の電極シート型脳波計10´による脳波測定およびその人工知能解析の最終的な診断精度を示す図である。 Figure 16 shows the final diagnostic accuracy of electroencephalogram measurements of menopausal women using an electrode sheet-type electroencephalograph 10' and its artificial intelligence analysis.
更年期症状の診断補助としては、感度、陰性適中率がいずれも90%を超えており、更年期女性のスクリーニング検査として有効である可能性を示している。 As an aid in diagnosing menopausal symptoms, both the sensitivity and negative predictive value are over 90%, indicating that it may be an effective screening test for menopausal women.
更年期世代の45-55歳の女性とプレ更年期世代の35-44歳の女性を想定すると、少なくとも半数以上の女性が何らかの不定愁訴(更年期症状)を訴えている。それなりの症状を有しているものの、受診のハードルが高いために、医療機関に受診せずに我慢している女性は非常に多いものと思われる。
そして、その中でも相当数の女性が、これらの症状のために悩み苦しみ離職などに追い込まれている。そのような女性に対して、本実施の形態の症状指標提供装置は、簡単に自宅でエストロゲン欠落による更年期障害関連の症状か、それ以外の原因による精神症状なのかを診断する機会を提供する。それにより、女性の更年期に対するヘルスリテラシーを高め、これまで治療などの適切な対応を取れなかった女性の数を減らすことができる。
If we consider menopausal women aged 45-55 and pre-menopausal women aged 35-44, at least half of them are complaining of some vague complaints (menopausal symptoms). Although they have symptoms, it seems that there are a great many women who endure without visiting a medical institution because the hurdle of visiting a medical institution is high.
Among them, a considerable number of women suffer from these symptoms and are forced to quit their jobs. For such women, the symptom indicator providing device of this embodiment provides an opportunity to easily diagnose at home whether the symptoms are related to menopausal disorder caused by estrogen deficiency or mental symptoms caused by other reasons. This can increase women's health literacy regarding menopause and reduce the number of women who have not been able to take appropriate measures such as treatment.
なお、以上の説明では、本発明を更年期障害の鑑別を補助する情報を提供でき、更年期障害の症状についての健康情報を提供できる構成について説明した。ただし、本発明は、必ずしもこのような場合に限定されず、睡眠の状態が、疾患の鑑別や健康状態に関連している場合に、他の疾患・健康状態にも適用可能なものである。
今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。
In the above description, the present invention has been described as being capable of providing information to assist in the diagnosis of menopausal disorders and providing health information regarding symptoms of menopausal disorders. However, the present invention is not necessarily limited to such cases, and can also be applied to other diseases and health conditions when the state of sleep is related to the diagnosis of diseases or health conditions.
The embodiments disclosed herein are merely examples of configurations for specifically implementing the present invention, and do not limit the technical scope of the present invention. The technical scope of the present invention is indicated by the claims, not by the description of the embodiments, and is intended to include modifications within the literal scope of the claims and within the scope of equivalent meanings.
2 被検者、4 ネットワーク、10 生体信号測定装置、10´ 電極シート型脳波計、1000 診断補助情報提供システム、2000 計測端末、2002 脳波データ記録送信部、2008 表示装置、3000 情報提供サーバー、3100 睡眠ステージ推定部、3110 睡眠ステージ予測部、3120 睡眠ステージ記録部、3130 ロジック部、3140 睡眠変数記録部、3200 スムージング処理部、3210 連続波形取得記録部、3220 周波数変換部、3230 特徴量抽出部、3240 うつ症状予測部、3250 更年期症状予測部3250。
2 Subject, 4 Network, 10 Biosignal Measuring Device, 10' Electrode Sheet Type Electroencephalograph, 1000 Diagnostic Support Information Providing System, 2000 Measurement Terminal, 2002 Electroencephalogram Data Recording and Transmission Unit, 2008 Display Device, 3000 Information Providing Server, 3100 Sleep Stage Estimation Unit, 3110 Sleep Stage Prediction Unit, 3120 Sleep Stage Recording Unit, 3130 Logic Unit, 3140 Sleep Variable Recording Unit, 3200 Smoothing Processing Unit, 3210 Continuous Waveform Acquisition and Recording Unit, 3220 Frequency Conversion Unit, 3230 Feature Extraction Unit, 3240 Depression Symptom Prediction Unit, 3250 Menopausal
Claims (11)
被検者からの脳波信号を取得するための脳波センサーと、
前記脳波センサーからの脳波信号に基づく前記被検者の睡眠期間についての経時的な脳波データを記憶する記憶手段と、
前記経時的な脳波データを入力として、前記被検者の睡眠状態が、複数の睡眠ステージのいずれに該当するかを所定の時間間隔で経時的に判定する睡眠段階判定手段と、
経時的な前記睡眠ステージの判定結果を受けて、時間的なスムージング処理を実施するスムージング処理手段と、
前記スムージング処理手段の出力を受けて、周波数成分に変換するための周波数変換手段と、
前記被検者からの脳波信号に基づいて、前記被検者に対する診断補助情報を出力する症状予測手段とを備え、
前記症状予測手段は、複数の学習対象者について計測された脳波データの周波数成分と対応する更年期症状の臨床上の指標とを学習データとして、予め機械学習により生成され、前記被験者からの脳波データについて前記周波数変換手段により変換された周波数成分を入力として前記診断補助情報を出力する第1の学習済みモデルを含む、診断補助情報提供システム。 A diagnostic auxiliary information providing system for providing diagnostic auxiliary information for menopausal symptoms of a subject, comprising:
an electroencephalogram sensor for acquiring an electroencephalogram signal from a subject;
a storage means for storing time-course electroencephalogram data regarding the subject's sleep period based on the electroencephalogram signal from the electroencephalogram sensor;
a sleep stage determination means for determining, over time, at a predetermined time interval, which of a plurality of sleep stages the sleep state of the subject corresponds to, using the time-varying electroencephalogram data as an input;
a smoothing processing means for performing a time-smoothing process in response to the sleep stage determination results over time;
a frequency conversion means for receiving an output of the smoothing processing means and converting it into a frequency component;
a symptom prediction means for outputting auxiliary diagnostic information for the subject based on the electroencephalogram signal from the subject,
The symptom prediction means of this diagnostic auxiliary information providing system includes a first trained model that is generated in advance by machine learning using frequency components of electroencephalogram data measured on a plurality of training subjects and corresponding clinical indicators of menopausal symptoms as training data, and that outputs the diagnostic auxiliary information using frequency components converted by the frequency conversion means for the electroencephalogram data from the subjects as input.
前記脳波センサーにおいて前記被検者の頭部の異なる位置に配置された電極からの複数チャネルの前記脳波データを入力として受け、前記脳波データに対する特徴量を抽出するための、それぞれ異なるフィルタサイズを有する第1および第2の畳み込みニューラルネットワークと、
前記第1および第2の畳み込みニューラルネットワークの出力を入力として受けて、前記睡眠ステージを出力する双方向再帰型ニューラルネットワークとを含む、請求項3記載の診断補助情報提供システム。 The sleep stage determination means includes:
a first convolutional neural network and a second convolutional neural network, each having a different filter size, for receiving as an input the electroencephalogram data of a plurality of channels from electrodes arranged at different positions on the subject's head in the electroencephalogram sensor and extracting features from the electroencephalogram data;
a bidirectional recurrent neural network that receives outputs of the first and second convolutional neural networks as inputs and outputs the sleep stage.
前記脳波センサーにより取得された前記脳波データを受信して、前記経時的な脳波データを入力として、前記被検者の睡眠状態が、複数の睡眠ステージのいずれに該当するかを所定の時間間隔で経時的に判定する睡眠段階判定手段と、
経時的な前記睡眠ステージの判定結果を受けて、時間的なスムージング処理を実施するスムージング処理手段と、
前記スムージング処理手段の出力を受けて、周波数成分に変換するための周波数変換手段と、
前記被検者からの脳波信号に基づいて、前記被検者に対する診断補助情報を返信する症状予測手段とを備え、
前記症状予測手段は、複数の学習対象者について計測された脳波データの周波数成分と対応する更年期症状の臨床上の指標とを学習データとして、予め機械学習により生成され、前記被験者からの脳波データについて前記周波数変換手段により変換された周波数成分を入力として前記診断補助情報を出力する第1の学習済みモデルを含む、診断補助装置。 A diagnostic support device for providing diagnostic support information for menopausal symptoms of a subject based on time-dependent electroencephalogram data on the sleep period of the subject acquired by an electroencephalogram sensor, comprising:
a sleep stage determination means for receiving the electroencephalogram data acquired by the electroencephalogram sensor, and determining, at a predetermined time interval, which of a plurality of sleep stages the sleep state of the subject corresponds to, using the electroencephalogram data over time as an input;
a smoothing processing means for performing a time-smoothing process in response to the sleep stage determination results over time;
a frequency conversion means for receiving an output of the smoothing processing means and converting it into a frequency component;
a symptom prediction means for returning diagnostic auxiliary information to the subject based on the electroencephalogram signal from the subject,
The symptom prediction means is a diagnostic support device that includes a first trained model that is generated in advance by machine learning using frequency components of electroencephalogram data measured on a plurality of training subjects and corresponding clinical indicators of menopausal symptoms as training data, and that outputs the diagnostic support information using frequency components converted by the frequency conversion means for the electroencephalogram data from the subjects as input.
前記脳波センサーにより取得された前記脳波データを受信して、前記経時的な脳波データを入力として、前記被検者の睡眠状態が、複数の睡眠ステージのいずれに該当するかを所定の時間間隔で経時的に判定する睡眠段階判定手段と、
経時的な前記睡眠ステージの判定結果を受けて、時間的なスムージング処理を実施するスムージング処理手段と、
前記スムージング処理手段の出力を受けて、周波数成分に変換するための周波数変換手段と、
前記被検者からの脳波信号に基づいて、前記被検者に対する症状指標を出力する症状予測手段とを備え、
前記症状予測手段は、複数の学習対象者について計測された脳波データの周波数成分と対応する更年期症状の臨床上の指標とを学習データとして、予め機械学習により生成され、前記被験者からの脳波データについて前記周波数変換手段により変換された周波数成分を入力として前記症状指標を出力する第1の学習済みモデルを含む、症状指標提供装置。 1. A symptom index providing device for providing a symptom index for menopausal symptoms of a subject based on time-varying electroencephalogram data on a sleep period of the subject acquired by an electroencephalogram sensor, comprising:
a sleep stage determination means for receiving the electroencephalogram data acquired by the electroencephalogram sensor, and determining, at a predetermined time interval, which of a plurality of sleep stages the sleep state of the subject corresponds to, using the electroencephalogram data over time as an input;
a smoothing processing means for performing a time-smoothing process in response to the sleep stage determination results over time;
a frequency conversion means for receiving an output of the smoothing processing means and converting it into a frequency component;
a symptom prediction means for outputting a symptom index for the subject based on an electroencephalogram signal from the subject,
The symptom prediction means includes a first trained model that is generated in advance by machine learning using frequency components of electroencephalogram data measured on a plurality of training subjects and corresponding clinical indicators of menopausal symptoms as training data, and that outputs the symptom indicator using frequency components converted by the frequency conversion means for the electroencephalogram data from the subjects as input.
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| CN119950941A (en) * | 2025-01-09 | 2025-05-09 | 四川大学华西医院 | A sleeping cabin for emotional memory regulation |
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|---|---|---|---|---|
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