(57)【要約】カオス的多次元システムの振る舞いの特徴付けは、そのシステムと関連付けられた多数の信号を測定し、且つ各信号に基づいて、時空的応答をそのシステムから生成することにより達成される。その後、各時空的応答に対するカオス性プロファイルが生成される。ある期間にわたって、動的同調及び／又は動的非同調のあるレベルが、選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループと関連付けられたカオス性プロファイルの間に存在するか否かの決定が行われる。この場合、予測変数は、臨界チャネルグループの既定数「ｘ」、１グループ当たりのチャネルの既定数「ｙ」、及びチャネルの総数Ｎで表す。そしてシステムの振る舞いの特徴付けは、この決定に基づく。
2005537115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多次元システムを解析する方法であって、
各信号が前記多次元システムの異なる空間的位置と関連付けられた対応するチャネルを表す複数の信号を取得する過程と、
前記複数の信号のうちの対応する１つの信号の関数として、各チャネルに対する位相空間表現を生成する過程と、
対応する位相空間表現の発散率を反映する信号プロファイルを、各位相空間表現に対して生成する過程と、
多数の可能な予測変数の中から選択された選択予測変数に対して、１つ以上の臨界チャネルグループに対する信号プロファイルを導出する過程であって、各信号プロファイルが、各臨界チャネルグループのチャネル間の相関レベルを反映する過程と、
少なくとも１つの臨界チャネルグループと関連付けられた信号プロファイルの関数として、前記多次元システムの状態ダイナミクスを特徴付ける過程と
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
臨界チャネルグループと関連付けられた各信号プロファイルを、閾値と比較する過程を更に有し、
前記多次元システムの状態ダイナミクスを特徴付ける前記過程が、前記比較の結果に基づくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
臨界チャネルグループと関連付けられた各信号プロファイルを、非同調閾値及び同調閾値と比較する過程を更に有し、
前記多次元システムの状態ダイナミクスを特徴付ける前記過程が、前記比較の結果に基づくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
臨界チャネルグループと関連付けられた各信号プロファイルが、前記非同調閾値を超えた否かを決定する過程と、
臨界チャネルグループと関連付けられた各信号プロファイルが、前記同調閾値未満に減少するか否かを決定する過程と
を更に有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記同調閾値のうちの少なくとも１つ及び前記非同調閾値が、適応性パラメータであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
非カオス的システムの振る舞いを示すシステム事象を検知する過程と、
複数の予測変数ごとに、各チャネルグループに対する信号プロファイルを導出する過程であって、各信号プロファイルが、各チャネルグループのチャネル間の相関レベルを反映する過程と、
前記複数の予測変数ごとに、多数の臨界チャネルグループを識別する過程と
を更に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
各予測変数と関連付けられた前記臨界チャネルグループに対する相関レベルを反映する前記信号プロファイルの関数としての前記複数の予測変数の中から前記選択予測変数を選択する過程を更に有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
多数の各システム事象の後、各予測変数の多数の臨界チャネルグループを更新する過程を更に有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
各予測変数と関連付けられた前記臨界チャネルグループに対する相関レベルを反映する前記信号プロファイルの関数として前記複数の予測変数の中から前記選択予測変数を選択する過程を更に有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記多数の臨界チャネルグループを予測変数ごとに識別する前記過程が、前記システム事象の前の各予測変数の各チャネルグループと関連付けられた信号プロファイルの相関レベルの限定部分における信号値に基づくことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記多数の臨界チャネルグループを予測変数ごとに識別する前記過程が、前記システム事象の後の各予測変数の各チャネルグループと関連付けられた信号プロファイルの相関レベルの限定部分における信号値に基づくことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
発作警告を提供する方法であって、
各時系列信号が脳の異なる位置と関連付けられた複数の時系列信号を取得する過程であって、各信号及び各信号に対応する位置が、対応するチャネルを構成する過程と、
前記時系列信号のうちの対応する１つの関数として、各チャネルに対する時空的応答を生成する過程と、
前記対応する時空的応答の発散率を反映するカオス性値のシーケンスを有する各信号プロファイルを、各時空的応答に対して生成する過程と、
少なくとも１つの発作関連事象を検知する過程と、
少なくとも１つの各発作関連事象の後、予測変数ごとの各チャネルグループと関連付けられた同調レベルを、複数の予測変数ごとに決定し、且つ各チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルに基づいて、予測変数ごとの多数の臨界チャネルグループを決定する過程と、
各予測変数と関連付けられた前記臨界チャネルグループの前記同調レベルに基づいて、前記複数の予測変数の中から選択予測変数を選択する過程と、
前記選択予測変数の１つ以上の前記臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルが、統計的に有効である時を決定する過程と、
前記選択予測変数の少なくとも１つの前記臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルが、統計的に有効であると決定された時に、発作警告を発生する過程と
を有することを特徴とする方法。
【請求項１３】
信号プロファイルを各時空的応答に対して生成する前記過程が、各時空的応答のリアプノフ指数値のシーケンスを生成することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記リアプノフ指数値が、短期リアプノフ指数値であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
各チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを、前記複数の予測変数ごとに決定する前記過程が、時間窓内の前記同調レベルに基づいており、該時間窓の大部分が、少なくとも１つの同調過渡事象としての発作関連事象の前であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
各チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを、前記複数の予測変数ごとに決定する前記過程が、発作としての少なくとも１つの発作関連事象の前の第１の時間窓内の同調レベル、及び発作としての少なくとも１つの発作関連事象の後の第２の時間窓内の同調レベルに基づくことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
各チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを、前記複数の予測変数ごとに決定する前記過程が、各チャネルグループに対するＴ−指標値のシーケンスを生成する過程を有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の予測変数の中から前記選択予測変数を選択する前記過程が、前記複数の各予測変数の前記臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを比較する過程を有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記選択予測変数が、他の予測変数と関連付けられた前記臨界チャネルグループと比較して、発作前に比較的高い同調レベルを示す臨界チャネルグループを有することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記選択予測変数が、他の予測変数と関連付けられた前記臨界チャネルグループと比較して、発作後に非同調を示す臨界チャネルグループを有することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記選択予測変数が、他の予測変数と関連付けられた臨界チャネルグループと比較して、同調過渡事象の間に比較的高い同調レベルを示す臨界チャネルグループを有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記選択予測変数が、発作前と同調過渡事象の前に比較的高い同調レベルを示し、且つ発作後に比較的非同調を表現する臨界チャネルグループを有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
前記選択予測変数の１つ以上の前記臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルが、統計的に有効である時を決定する前記過程が、前記選択予測変数の各臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを、少なくとも１つの閾値と比較する過程を有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２４】
前記選択予測変数の各臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを、少なくとも１つの閾値と比較する前記過程が、
前記選択予測変数の各臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを、同調閾値と比較する過程を有することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記選択予測変数の各臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを、少なくとも１つの同調閾値と比較する前記過程が、
前記選択予測変数の各臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを、非同調閾値と比較する過程を更に有し、
該選択予測変数の１つ以上の前記臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルが、統計的に有効であるとする決定は、前記同調レベルが前記非同調閾値を超えたとし、且つ次の非同調閾値が前記同調閾値未満に減少したとすることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記選択予測変数の少なくとも１つの臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルが、統計的に有効であると決定された時に、発作予測を発生させる過程を更に有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２７】
各連続発作関連事象の後に、前記選択予測変数の各臨界チャネルグループを更新する過程を更に有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２８】
前記選択予測変数の各臨界チャネルグループを更新する前記過程が、
前記選択予測変数の各チャネルグループと関連付けられ、且つ時間窓内である前記同調レベルの関数としての前記選択予測変数に対する１つ以上の臨界チャネルグループを再選択する過程を有し、該時間窓の大部分が、同調過渡事象としての前記発作関連事象の前であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記選択予測変数の各臨界チャネルグループを更新する前記過程が、
前記選択予測変数の各チャネルグループと関連付けられ、且つ発作としての発作関連事象の前の第１の時間窓、及び発作としての発作関連事象の後の第２の時間窓の範囲内である前記同調レベルの関数としての前記選択予測変数に対する１つ以上の臨界チャネルグループを再選択する過程を有することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
発作警告を提供する方法であって、
複数の予測変数の中から選択予測変数を選択する過程と、
各信号が脳の異なる位置と関連付けられた複数の各時系列信号を取得する過程であって、各信号及び各信号に対応する位置が、対応するチャネルを構成する過程と、
前記時系列信号のうちの対応する１つの関数として、各チャネルに対する時空的応答を生成する過程と、
前記対応する時空的応答の発散率を反映するカオス性値のシーケンスを有する各信号プロファイルを、各時空的応答に対して生成する過程と、
前記選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルが、統計的に有効であるか否かを決定する過程と、
前記選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルが、統計的に有効であると決定された場合に、発作警告を発生する過程と
を有することを特徴とする方法。
【請求項３１】
前記選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルが、統計的に有効であるか否かを決定する前記過程が、
前記選択予測変数の１つ以上の各臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを、少なくとも１つの閾値と比較する過程を有することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記選択予測変数の１つ以上の各臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを、少なくとも１つの閾値と比較する前記過程が、
前記選択予測変数の１つ以上の各臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを、同調閾値と比較する過程を有することを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記選択予測変数の１つ以上の各臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを、少なくとも１つの閾値と比較する前記過程が、
前記選択予測変数の１つ以上の各臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルを、非同調閾値と比較する過程を更に有し、
該選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルが、統計的に有効であるとする決定は、前記同調レベルが前記非同調閾値を超えたとし、且つ次の非同調閾値が前記同調閾値未満に減少したとする決定を含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルが、統計的に有効であると決定された時に、発作予測を発生する過程を更に有することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
各発作関連事象の後に、前記選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループを更新する過程を更に有することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
前記選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループを更新する前記過程が、
前記選択予測変数の各チャネルグループと関連付けられ、且つ時間窓内である前記同調レベルの関数としての選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループを再選択する過程を有し、前記時間窓の大部分が、同調過渡事象としての発作関連事象の前であることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループを更新する前記過程が、
前記選択予測変数の各チャネルグループと関連付けられ、且つ発作としての発作関連事象の前の第１の時間窓、及び発作としての発作関連事象の後の第２の時間窓の範囲内である前記同調レベルの関数としての前記選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループを再選択する過程を有することを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
発作停止を提供する装置であって、
各センサが患者の脳の対応する位置と関連付けられた時系列信号を取得するように構成された複数のセンサと、
前記時系列信号に基づいた発作警告を発生させる処理手段であって、
該処理手段が、
前記患者の脳の対応する位置に沿って、且つ個別のチャネルを構成する各時系列信号を受け取る手段と、
複数の信号のうちの対応する１つの信号の関数として、各チャネルに対する位相空間表現を生成する手段と、
前記対応する位相空間表現の発散率を反映する各信号プロファイルを、各位相空間表現に対して生成する手段と、
多数の予測変数の中から選択された選択予測変数と関連付けられた多数の各臨界チャネルグループに対する信号プロファイルを導出する手段であって、各信号プロファイルが、各臨界チャネルグループのチャネル間の同調レベルを反映する手段と、
前記選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループと関連付けられた同調レベルが、統計的に有効であるか否かを決定する手段と、
前記選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループと関連付けられた前記同調レベルが、統計的に有効であると決定された場合に、発作警告を発生する手段とを具備する処理手段と、
前記処理手段に結合された発作停止装置であって、発作警告信号が生成された場合に、抗発作治療を前記患者に投入する手段を有する装置と、
を具備することを特徴とする装置。
【請求項３９】
前記処理手段が、
多数の各発作関連事象の後に、前記選択予測変数に対する１つ以上の臨界チャネルグループを更新する手段を更に具備することを特徴とする請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記１つ以上の臨界チャネルグループを更新する前記手段が、
前記選択予測変数の各チャネルグループと関連付けられ、且つ時間窓内である前記同調レベルの関数としての前記選択予測変数の前記１つ以上の臨界チャネルグループを再選択する手段を具備し、該時間窓の大部分が、同調過渡事象としての前記発作関連事象の前であることを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記１つ以上の臨界チャネルグループを更新する前記手段が、
前記選択予測変数の各チャネルグループと関連付けられ、且つ発作としての発作関連事象の前の第１の時間窓、及び発作としての発作関連事象の後の第２の時間窓の範囲内である前記同調レベルの関数としての前記選択予測変数の前記１つ以上の臨界チャネルグループを再選択する手段を具備することを特徴とする請求項３９に記載の装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
米国連邦の後援による研究及び開発を再度格付けする言明
本願の主題と関連付けられた研究及び開発への努力は、復員軍人省及び第８Ｒ０１ＥＢ００２０８９−０３号を付与された国立衛生研究所の国立生物医学イメージング・生物工学研究所（ＮＩＢＩＢ／ＮＩＨ）により後援された。
【０００２】
関連特許
本願は、本願と共通の譲受人に譲渡された２００１年１０月１６日発行の米国特許第６，３０４，７７５号に関する。米国特許第６，３０４，７７５号は、参考として全て本明細書に取り入れられている。
【０００３】
発明の分野
本発明は、信号処理の分野に関する。特に、本発明は、多次元システムと関連付けられた時系列信号（脳により生成された電気信号及び／又は電磁信号等）の処理に関する。
【０００４】
背景
多次元システムは、自律的に振る舞いを表現するシステム、又はシステムの入力に応答して複数の変数の関数として振る舞いを表現するシステムである。カオス的システムは、正常作用中のカオス的振る舞い（すなわち、ランダム応答により特徴付けられる振る舞い）を表現するシステムである。脳もまた、正常作用中のカオス的振る舞いを表現する多次元システムの例である。かなり多くの人々の脳が、非カオス的振る舞いにより特徴付けられる周期的で異常なエピソードを体験する。この異常な振る舞いは、多種多様な条件により引き起こされる。癲癇は、これらの条件のうちの１つである。
【０００５】
癲癇は、大脳皮質内の発作性放電によって引き起こされる再発性脳機能障害により特徴付けられる慢性疾患である。あらゆる時間において、世界中で約５０，０００，０００人の人々が癲癇を罹患している。癲癇患者に治療が施されない場合、癲癇に苦しむ人は、発作の再発を体験する傾向が強くなる。発作の再発は、通常、いくらかの意識障害のレベルの障害を伴う。いくつかの形態の癲癇は、医学療法により十分に治療可能である。しかしながら、医学療法は、側頭葉癲癇（ＴＬＥ）及び前頭葉癲癇（ＦＬＥ）を含む他の形態の癲癇に対しては効力が小さい。ＴＬＥ及びＦＬＥに関しては、発作を抑制するため、発作性放電開始の原因であり、且つ癲癇誘発病巣として知られる海馬及び／又は大脳皮質の部分を切除する場合がある。
【０００６】
医学界では、発作予測及び／又は発作警告を提供する技法を開発する試みを頻繁に行ってきた。この場合、発作予測が発作発病時間の長期予測に関し、発作警告が切迫発作を助長する条件の長期指示を含むことは、容易に理解できる。このような技法は、いずれも確実に多数の臨床用途及び非臨床用途を有する。例えば、ある癲癇患者に対してより効果的に治療を行うために、切迫発作の防止を目的として、適量の抗発作薬を患者の血流へ投薬するように設計された移植装置のような装置と関連させてこのような技法が使用される可能性がある。
【０００７】
別の例において、外科手術中に切除すべき癲癇誘発病巣の位置の正確な指示を容易にするために、このような技法は、術前評価中に使用可能である。発作中に、癲癇誘発病巣への血液の流れが大幅に増大することは、理解できる。ある放射線標識配位子が、適時的に患者の血流へ注入された場合、放射線写真術を使用して、増大した血液の流れを監視することが可能となる。これにより、医師による癲癇誘発病巣の境界位置の正確な指示が可能となる。完全な発作予測技法及び／又は発作警告技法は、予め切迫発作の指示を適切に提供し、上記の放射線配位子等を施すための十分な準備時間を与える。
【０００８】
脳の生理学的状態を評価するための最も重要なツールの１つは、脳電図（ＥＥＧ）である。ＥＥＧの解析及び解釈のための基準は、熟練の臨床脳波測定者によるＥＥＧのグラフィックトレーシングの目視検査である。しかしながら、発作発病の予測方法又はＥＥＧの目視解析による発作発病前の適切な発作警告を提供する方法は、確立されていない。更に、従来の信号処理技法のＥＥＧ信号に対する使用によりもたらされる実用的情報はわずかであった。脳が時間的特性及び空間的特性を有する非線形信号を発生させる多次元システムであるため、これらの従来の技法の効果は、限定されていた。従って、標準的な線形時系列解析方法を採用した従来の信号処理技法では、効果的な発作警告及び発作予測を提供する際に重要となる時空的特性は、検出不可能である。
【０００９】
しかしながら、本願と共通の譲受人に譲渡された米国特許第６，３０４，７７５号では、切迫発作前に、効果的に正確な発作警告及び発作予測を発生させることが可能なシステム及び方法が述べられている。脳内のある複数の部位により表現された時空的特徴を、脳内の他の複数の部位により表現された時空的特徴と比較した場合、この特許文献で述べられたシステム及び方法は、脳内の他の部位による時空的特徴よりも、脳内のある部位による時空的特徴を有効利用している。これは、ある部位によるこれらの時空的特徴は、非発作時間中のこれらの同一の部位により表現された時空的特徴と比較した際、切迫発作前に顕著な差異を有するためである。実際に、これらの時空的特徴は、発作発生前の数時間前、及び場合によっては数日前に顕著となる。このように、米国特許第６，３０４，７７５号に述べられたシステム及び方法は、これらの差異を発作過渡標識として使用する。
【００１０】
米国特許第６，３０４，７７５号では、特に、その中でも切迫発作の適時警告（ＩＳＷ）、発作易罹患期間検知（ＳＳＰＤ）及び発作切迫時間予測（ＴＩＳＰ）を提供する技法が述べられている。この技法は、脳により生成された電気信号又は電磁信号の取得に関する。この場合、各信号は、単一のＥＥＧ電極又はＥＥＧチャネルに対応する。各信号には、事前処理が施され（増幅、フィルタリング、計数化等を施され）、サンプリングされる。その結果、本明細書では、エポックと表記するある期間にわたって、各信号に対するデジタルサンプルのシーケンスが得られる。その後、このサンプルは、信号エポックごとの位相空間ポートレート生成のために使用される。
【００１１】
各位相空間ポートレートに対する発散率反映パラメータは、位相空間内の隣接する軌跡に基づいて計算される。この場合、発散率は、順次対応する信号のカオス性レベルを反映する。米国特許第６，３０４，７７５号において、この目的のために使用されるパラメータは、短期最大リアプノフ指数（ＳＴＬＭＡＸ）である。
【００１２】
一般に、各ＥＥＧ信号（すなわち、各ＥＥＧチャネル）と関連付けられた複数のＳＴＬＭＡＸ値は、他の各チャネルと関連付けられた複数のＳＴＬＭＡＸ値と比較される。米国特許第６，３０４，７７５号において、Ｔ−統計量の適用により各チャネルに対する統計値（すなわち、Ｔ−指標値）のシーケンスを得ることによって、比較を実現することが好ましい。この場合、Ｔ−指標値のシーケンスは、各チャネル対を構成する２つのチャネルと関連付けられた時空的応答間の相関レベル又は同調レベルを表す。
【００１３】
まず、この技法が採用された場合、処理は、初期化期間へ進む。この初期化期間中、多数の「臨界」チャネル対が識別される。この場合、臨界チャネル対は、発作発病前に比較的高い同調レベル（すなわち、予め規定された期間の比較的小さいＴ−指標値）を表現するチャネル対として、米国特許第６，３０４，７７５号において規定されている。
【００１４】
初期化期間中、患者は、１回以上の発作を体験する。各発作後、臨界チャネル対のリストが更新される。結果として、臨界チャネル対のリストが、十分に細分化されているとみなされると、初期化期間は終結する。その後、適時的なＩＳＷ、ＳＳＰＤ及び／又はＴＩＳＰの生成時に、ＩＳＷ機能、ＳＳＰＤ機能及びＴＩＳＰ機能を活性化し、臨界チャネル対と関連付けられたＴ−指標値を監視し、採用する。
【００１５】
初期化期間の終了後においても、各発作後に臨界チャネル対のリストは、更新される。脳は、脳自体を各発作後に完全にリセットするとは限らないので、リストの更新は重要である。また、患者の生理学的状態は、経時変化するので、リストの更新は重要である。その結果、任意の既定チャネルと関連付けられた時空的特徴は、経時変化する。従って、以前に臨界チャネル対として識別されたチャネル対を、臨界チャネル対から除外する必要がある。一方で、以前に臨界チャネル対として識別されなかったチャネル対をリストに追加し、且つ続いて次のＩＳＷ、ＳＳＰＤ又はＴＩＳＰの生成時に使用する必要がある。
【００１６】
発明の概要
本発明は、米国特許第６，３０４，７７５号に基づき成立した。本発明は、臨界チャネルの選択／再選択を最適化することにより、この特許に基づき成立した。最終的には、臨界チャネルの時空的応答は、ＩＳＷ、ＳＳＰＤ及びＴＩＳＰを生成するための基底として使用される。
【００１７】
米国特許第６，３０４，７７５号の発行以来、２つ以上のチャネルと関連付けられた時空的応答の非同調は、臨界チャネル選択の場合を考えるための重要な要素であると判断されてきた。米国特許第６，３０４，７７５号においては、同調のみが考慮された。従って、本発明は、同調データ及び非同調データの両方を考慮することにより、より効果的な臨界チャネル選択を提供し、更には、より効果的なＩＳＷ、ＳＳＰＤ及びＴＩＳＰの発生を提供する。
【００１８】
また、２つ以上のチャネルは、有効な同調レベルを表現すると判断されてきた。それにもかかわらず、それに続く発作は、発生しない。実際は、発作が発生しないにもかかわらず、ＩＳＷの発行前の状態は存在する。実際の発作の前の状態と同一であるが、実際には発作の症状の発現のない状態の事象は、本明細書では、「近似発作」と表記する。発作が発生しないにもかかわらず、これらの「近似発作」関連事象の前のＴ−指標値は、価値を有する。従って、本発明は、発作事象及び「近似発作」関連事象を含む全ての発作関連事象と関連付けられた同調データを考慮することにより、より効率的且つ効果的な臨界チャネル選択プロセスを提供する。
【００１９】
本発明では、処理データの量を制限することにより、臨界チャネル選択プロセスを、更に最適化する。本発明では、発作関連事象（すなわち、発作事象又は近似発作事象）の検知後、発作関連事象の前、発作関連事象が発作である場合は発作関連事象の後、の予め規定された時間窓内に発生する制限量の統計データ（Ｔ−指標値等）を処理する。このようにして、このデータの処理及び続く臨界チャネル選択は、より迅速且つ効率的に実現される。
【００２０】
従って、本発明の目的は、効率的且つ効果的な臨界チャネル選択に基づいて、発作発病前に適切なＩＳＷ、ＳＳＰＤ及びＴＩＳＰを提供することである。
【００２１】
本発明の別の目的は、抗発作薬による介入治療、及び神経刺激治療等のような発作介入技法と関連させて本発明のＩＳＷ特徴、ＳＳＰＤ特徴及びＴＩＳＰ特徴を利用することである。
【００２２】
本発明の更に別の目的は、術前評価手順及び診断手順を含む様々な患者参加型の用途と関連させて本発明のＩＳＷ特徴、ＳＳＰＤ特徴及びＴＩＳＰ特徴を利用することである。
【００２３】
本発明の第１の態様によると、上記の明らかにされた目的及び他の目的は、多次元システム解析方法を通して実現される。その方法は、多次元システムの異なる空間的位置と関連付けられた対応するチャネルを表す複数の各信号の取得に関する。各チャネルに対する位相空間表現は、複数の信号のうちの対応する１つの信号の関数として、生成される。その後、対応する位相空間表現の発散率を反映する各信号プロファイルは、各位相空間表現に対して生成される。１つ以上の臨界チャネルグループに対する信号プロファイルは、多数の可能な予測変数の中から選択された選択予測変数に対して導出される。各信号プロファイルは、各臨界チャネルグループのチャネル間の相関レベルを反映する。最終的に、多次元システムの状態ダイナミクスは、少なくとも１つの臨界チャネルグループと関連付けられた信号プロファイルの関数として特徴付けられる。
【００２４】
本発明の別の態様によると、上記の明らかにされた目的及び他の目的は、発作警告の提供方法を通して実現される。本発明のこの態様は、特に、脳の異なる位置と関連付けられた複数の各時系列信号の取得に関する。この場合、各信号及び各信号に対応する位置は、対応するチャネルを構成する。各チャネルに対する時空的応答は、時系列信号のうちの対応する１つの関数として、生成される。その後、対応する時空的応答の発散率を反映するカオス性値のシーケンスを有する各信号プロファイルは、各時空的応答に対して生成される。次に、１つ以上の発作関連事象は検知される。各発作関連事象の後、複数の予測変数ごとの各チャネルグループと関連付けられた同調レベルが判定される。予測変数ごとの多数の臨界チャネルグループは、各チャネルグループと関連付けられた同調レベルに基づいて判定される。選択予測変数は、最終的に、各予測変数と関連付けられた臨界チャネルグループの同調レベルに基づいて、複数の予測変数の中から選択される。そして、その方法は、選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループと関連付けられた同調レベルが、統計的に有効であるか否かを判定することに関し、同調レベルが統計的に有効であると判定された場合、発作警告を発生させることに関する。
【００２５】
本発明の更に別の態様によると、上記の明らかにされた目的及び他の目的は、発作警告の提供方法を通して実現される。本発明のこの態様は、特に、複数の予測変数の中から選択予測変数を選択することと、脳の異なる位置と関連付けられた複数の各時系列信号を取得することに関する。この場合、各信号及び各信号に対応する位置は、対応するチャネルを構成する。次に、各チャネルに対する時空的応答は、時系列信号のうちの対応する１つの関数として生成される。その後、対応する時空的応答の発散率を反映するカオス性値のシーケンスを有する各信号プロファイルは、各時空的応答に対して生成される。選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループと関連付けられた同調レベルが、統計的に有効であるか否かの判定が行われる。同調レベルが統計的に有効であると判定された場合、発作警告を発生させる。
【００２６】
本発明の更に別の態様によると、上記の明らかにされた目的及び他の目的は、発作停止を提供する装置を通して実現される。その装置は、患者の脳の対応する位置と関連付けられた時系列信号を取得するように構成された複数の各センサと、時系列信号に基づいた発作警告を発生させる処理手段とを具備する。処理手段は、患者の脳の対応する位置に沿い、且つ個別のチャネルを構成する各時系列信号を受け取る手段を具備する。また、処理手段は、複数の信号のうちの対応する１つの信号の関数として、各チャネルに対する位相空間表現を生成する手段と、対応する位相空間表現の発散率を反映する各信号プロファイルを、各位相空間表現に対して生成する手段と、多数の予測変数の中から選択された選択予測変数と関連付けられた多数の各臨界チャネルグループに対する信号プロファイルを導出する手段とを具備する。この場合、各信号プロファイルは、各臨界チャネルグループのチャネル間の同調レベルを反映する。更に、処理手段は、選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループと関連付けられた同調レベルが、統計的に有効であるか否かを判定する手段と、選択予測変数の１つ以上の臨界チャネルグループと関連付けられた同調レベルが、統計的に有効であると判定された場合、発作警告を発生させる手段とを具備する。発作停止装置は、処理手段に結合される。この際、発作停止装置は、発作警告信号が生成された場合、抗発作治療を患者に投入する手段を具備する。
【００２７】
本発明の目的及び利点は、添付の図面と関連させた以下の本発明の詳細な説明より理解できる。
【００２８】
発明の詳細な説明
癲癇性発作を含む発作は、複数の病期事象である。様々な病期は、発作前病期、発作病期、発作後病期及び発作間病期を含む。図１（ａ）から（ｅ）は、癲癇性発作の様々な病期を経た患者の推移としての典型的な脳電図（ＥＥＧ）信号を示す。ＥＥＧ信号は、癲癇誘発病巣上に横たわる電極から記録される。より具体的には、図１（ａ）は、発作前病期中のＥＥＧ信号の時間シーケンスを示す。発作前病期は、発作発病前の期間を表す。図１（ｂ）は、発作前病期と発作病期との間の過渡期間中のＥＥＧ信号の時間シーケンスを示す。発作病期は、発作発病を含む。次に、図１（ｃ）は、癲癇性発作の範囲内の発作病期中のＥＥＧ信号を反映する。この際、発作病期は、発作発病より開始し、発作終了まで継続する。図１（ｂ）と同様に、図１（ｄ）は、過渡期間を含む。この場合、図１（ｄ）は、発作病期から発作後病期への過渡中のＥＥＧ信号の時間シーケンスを示す。図１（ｄ）は、発作の終了を含む。次に、図１（ｅ）は、発病後病期中のＥＥＧ信号を示す。この場合、発作後病期は、その直後に発作が終了する期間を含む。
【００２９】
上述したように、発作前病期は、発作発病前の期間を表す。より重要なことは、発作前病期は、脳において時空的カオスの状態から空間秩序的且つ低減型時間的カオスの状態への動的過渡が行われる時間を表す。以下、これを更に詳細に説明するが、この発作前病期中の動的過渡は、様々な皮質部位と関連付けられた時空的応答の動的同調により特徴付けられる。特に、これらの様々な皮質部位における時空的応答の動的同調を、更に、
（１）  上記の様々な各皮質部位に対応する最大リアプノフ指数値（すなわち、ＬＭＡＸ）の漸進的収束（すなわち、同調）であって、ＬＭＡＸが対応する皮質部位の時空的応答と関連付けられたカオス尺度を提供することと、
（２）  様々な皮質部位と関連付けられたＬＭＡＸプロファイルの漸進的位相ロッキング（すなわち、位相同調）とによって特徴付けることが可能である。
しかしながら、カオス性プロファイルの動的同調の他の（例えば、リアプノフ指数プロファイルの一次導関数、二次導関数又はより高次の導関数の中の）尺度が適用されてもよいことは理解できる。
【００３０】
当業者には容易に理解できるように、図１（ａ）から（ｅ）に示すいずれかのＥＥＧ信号等のＥＥＧ信号は、時系列信号である。この時系列信号は、対応する電極の位置付けが行われる脳の特定の部分の時空的相互作用と関連付けられた時空的応答を表す。脳は、複合的多次元システムのため、ＥＥＧ信号及び他の既知の等価信号は、脳により表現される完全な時空的特徴を可視的に反映することはなく、また、反映することもできない。そのため、ＥＥＧ信号のみからの発作前病期が検知不可能な間は、発作予測及び／又は発作警告の提供のためのＥＥＧ信号を処理する従来の線形法及び非線形法は、脳により表現される重要な時空的特徴を示すことに関して一般に効果的ではないことが証明されている。更に、これらの重要な時空的特徴は、発作発病よりもかなり前に存在する。いくつかの事例では、これらの重要な時空的特徴は、発作発病の数日前に存在する。このように、発作前病期中に脳により表現されるこれらの時空的特徴は、全ての完全な発作予測方式において不可欠である。
【００３１】
ＥＥＧ信号の不足をより明確に示すために、図２は、左側頭葉癲癇の発病を含む２０秒のＥＥＧセグメントを示す。図２のＥＥＧセグメントは、１２個の左右相称配置型の海馬深さの電極（すなわち、電極ＬＴＤ１〜電極ＬＴＤ６及び電極ＲＴＤ１〜電極ＲＴＤ６）、８個の硬膜下側頭電極（すなわち、電極ＲＳＴ１〜電極ＲＳＴ４及び電極ＬＳＴ１〜電極ＬＳＴ４）及び８個の硬膜下眼窩前頭電極（すなわち、電極ＲＯＦ１〜電極ＲＯＦ４及び電極ＬＯＦ１〜電極ＬＯＦ４）から記録された。発作発病は、左の深さの電極内（特に、電極ＬＴＤ１〜電極ＬＴＤ３内）において、一連の高振幅波、鋭波及び低速波の複合体として、約１．５秒のＥＥＧセグメントで開始する。しかしながら、発作発病は、電極ＬＴＤ２内で最も顕著に開始する。発作は、数秒以内に右硬膜下側頭電極ＲＳＴ１に拡散する。その後、発作は、右の深さの電極ＲＴＤ１〜電極ＲＴＤ３に拡散する。特に重要なことは、ＥＥＧ信号が、通常、発作が約１．５秒のＥＥＧセグメントで発病する前に見られることである。
【００３２】
本発明は、切迫発作の早期警告（ＩＳＷ）の提供が可能な技法に関する。本発明は、発作前病期中に起こる上記の時空的変化に着目することにより早期のＩＳＷを提供する。更に、図２に示すように、本発明は、ＥＥＧ信号が発作前病期中の切迫発作の指示も明示しない場合においても、この特性を提供する。しかしながら、ＩＳＷの提供に加えて、本発明は、発作易罹患期間検知（ＳＳＰＤ）の提供も可能である。すなわち、本発明は、発作の数日前の発作間期間中等、発作の発生のかなり前の脳の異常活動の存在の検知を提供する。更に、本発明は、発作切迫時間予測（ＴＩＳＰ）の提供が可能である。この場合、ＴＩＳＰは、発作発病前における経過が予期される時間量を反映する。
【００３３】
当業者には容易に理解できるように、本発明は、臨床適応性及び非臨床適応性の両方を有する。図３Ａ及び図３Ｂは、臨床用途への利用に、より適した方法の好適な実施の形態を示すフローチャートを示す。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、この方法は、初期化期間を含む。初期化期間の第１の目的は、細分化臨界チャネル集合の確立である。初期化期間後、ＩＳＷ、ＳＳＰＤ及びＴＩＳＰを複数回発行するために、臨界チャネルと関連付けられた複数の統計値（Ｔ−指標値等）に対して連続的に解析が行われる。以下、これをより具体的に説明する。
【００３４】
また、当業者には理解できるように、図３Ａ及び図３Ｂに示す方法は、コンピュータベース式の方法である。図３Ｃに示す方法も、同様にコンピュータベース式の方法である。このように、これらの方法が、より大きなコンピュータベース式システムには不可欠な要素であること、及びソフトウェア、ファームウェア又はその２つの組み合わせによって主に実現されることは、理解できる。本明細書では、説明を容易にするために、ソフトウェア、ファームウェア又はそれらの組み合わせを、「発作警告アルゴリズム及び発作予測アルゴリズム」又は、単に「アルゴリズム」と表記する。
【００３５】
図３Ａ及び図３Ｂの方法と関連付けられた個別のステップを見ると、ステップ３０１は、セットアップ手順を表す。このセットアップ手順中に、臨床医は、様々なパラメータ、パラメータ値及び閾値レベルを選択する機会又は規定する機会が与えられる。例えば、臨床医が使用すべき電極の数、及び各電極の位置を規定することは、この時点で行われる。多数の電極プロファイルが、コンピュータベース式システムの一部であるメモリ又はコンピュータベース式システムと関連付けられたメモリ内に格納されることは、理解できる。次に、ユーザは、カスタマイズ化されたユーザインタフェースとの対話を介してこれらのプロファイルの１つを選択及び／又は修正を行ってもよい。ユーザインタフェースも、コンピュータベース式システムの一部であるか、又はコンピュータベース式システムと関連付けられたグラフィックユーザインタフェース（ＧＵＩ）であることが好ましい。
【００３６】
また、セットアップステップ３０１の間に、臨床医は、可能な選択リストから、各チャネルの時空的応答の発散（すなわち、カオス性）レベルを測定するために使用されるべきパラメータを選択する選択肢が与えられてもよい。好適な実施の形態において、この目的のために使用されるべきパラメータは、ＬＭＡＸ又はＬＭＡＸの等価の「短期」パラメータ（ＳＴＬＭＡＸ）である。同様に、臨床医は、選択リストから、様々なチャネルの相関（同調）レベルの判定の際に使用されるべき統計的検定を選択する選択肢が与えられてもよい。好適な実施の形態において、使用される統計的検定は、Ｔ−検定である。この場合、本明細書では、Ｔ−検定の適用の結果として生成された複数の値を、Ｔ−指標値として表記する。ＳＴＬＭＡＸ値及びＴ−指標値が、図３Ａ及び図３Ｂの方法において、特に、どのように使用されるかを以下の説明によって明確にする。
【００３７】
ある所望のパラメータの選択に加えて、セットアップステップ３０１の間に、臨床医は、様々な閾値の規定を行ってもよい。本明細書では、１つのこのような閾値を、非同調閾値ＴＤとして表記する。この場合、ＴＤは、Ｔ−指標値を表す。このＴ−指標値よりも上位において、対応するチャネルグループは、有効的且つ統計的に非同調化されると考えられる。本明細書では、別の閾値を同調閾値ＴＥとして表記する。この場合、ＴＥは、Ｔ−指標値を表す。このＴ−指標値よりも下位において、対応するチャネルグループは、十分に且つ統計的に同調化されると考えられる。ＴＤＩＦＦは、ＴＤとＴＥとの間の距離又は差分を表す値である。この場合、ＴＤ及び／又はＴＥを、Ｔ−指標値に関する患者の状態の任意の変化と共に適応変化させるようにしてもよい。これらの閾値の関連性は、以下の説明により更に明確となる。
【００３８】
セットアップステップ３０１の間に、臨床医による選択又は規定が可能な更に他のパラメータ及び／又はパラメータ値は、チャネルグループ数（Ｇ）及び臨界チャネル数（Ｋ）を含む。チャネルグループ数（Ｇ）には、臨界チャネルが割り当てられる。臨界チャネル数（Ｋ）は、特定の臨界チャネルグループに割り当て可能である。再び、１つの臨界チャネルグループ数（Ｇ）及びチャネルグループ当たりのチャネル数（Ｋ）との関連性を、以下の説明によって明確にする。
【００３９】
尚、セットアップステップ３０１の間に、臨床医により規定されたいくつかのパラメータは、他のパラメータの適応性を保持した状態で固定されてもよい。固定パラメータは、一定の値を有するパラメータである。適応性パラメータは、１つ以上の要因に応じて経時的且つ自動的に変化する値を有するパラメータである。一例として、ＴＤＩＦＦは、レベル反映同調とレベル反映非同調との間の相関レベルにおける差分を表す。セットアップステップ３０１の間に、臨床医が、ＴＤＩＦＦ値が非常に小さい値となるようにパラメータ値をＴＥ又はＴＤに割り当てる場合、受け入れ不可能な大量の誤警告（すなわち、実際の発作が後に起こらないＩＳＷ）が発生する。ＴＤＩＦＦが非常に大きい値である場合、受け入れ不可能な大量の警告失敗（すなわち、実際の発作の前にＩＳＷを発生させる失敗）が発生する。しかしながら、ＴＥ及び／又はＴＤに適応性がある場合、それらのパラメータ値は、警告の失敗数及び／又は誤警告数が受け入れ可能になるまで、アルゴリズムによってインクリメンタルに調整されてもよい。
【００４０】
セットアップステップ３０１の後、アルゴリズムは、ステップ３０３に示すように、脳により生成された電気信号又は電磁信号の取得を開始する。好適な実施の形態において、これらの各信号は、前述したように単一のＥＥＧチャネルに対応する。各信号は、事前処理が施される。事前処理は、通常、信号増幅、フィルタリング及び計数化を含む。各計数化信号は、サンプリングされる。位相空間ポートレートのシーケンスは、各計数化信号に対して生成される。この場合、各位相空間ポートレートは、エポックと呼ばれる対応する時間窓に分割されたサンプルに基づく。
【００４１】
複数のＳＴＬＭＡＸ値は、位相空間内の隣接する軌跡に基づいて、及び既定チャネルと関連付けられた連続的な各位相空間ポートレートに対して、チャネルごとに計算される。この場合、既定チャネルの位相空間ポートレートと関連付けられたＳＴＬＭＡＸ値は、既定チャネルに対応する時空的信号の拡散率又はカオス性レベル率を反映する。その後、ＳＴＬＭＡＸ平均値が計算される。この場合、ＳＴＬＭＡＸ平均は、「スライド」時間窓の範囲内の多数のＳＴＬＭＡＸ値に基づいた平均拡散率を表す。以下、ＳＴＬＭＡＸ及びＳＴＬＭＡＸ平均の計算を更に詳細に説明する。
【００４２】
その後、既定チャネルの位相空間ポートレートと関連付けられたＳＴＬＭＡＸ平均値は、他の各チャネルに対応する位相空間ポートレートと関連付けられたＳＴＬＭＡＸ平均値と比較される。本発明の好適な実施の形態において、「スライド」時間窓内の２つのチャネル間の差分の標準偏差を考慮に入れたＴ−統計量の適用により比較が実現される。上述したように、この比較により、各チャネル対に対する一連の統計値（すなわち、Ｔ−指標値）が得られる。この場合、既定チャネル対と関連付けられたＴ−指標値は、チャネル対を構成する２つのチャネルの時空的応答の間の相関レベルを反映する。各チャネル対に対するＴ−指標値の算出は、ステップ３０７により示される。
【００４３】
好適な実施の形態において、アルゴリズムは、（例えば、オペレータからのＥＥＧ記録又は外部コマンドを終了することによって）全てのプロセスが終結していない場合及び全てのプロセスが終結するまでの間、ステップ３０３からステップ３０７の実行を継続する。これにより、先に明示したように、アルゴリズムは、各チャネルと関連付けられた電気信号又は電磁信号の取得及び処理を続ける。更に、好適な実施の形態及び適切な確立技法によると、アルゴリズムは、ステップ３０９に示すように、希望に応じて様々なデータのグラフィック表現をＧＵＩを介して表示する。様々なデータは、各チャネル又は選択数のチャネルと関連付けられた電気信号と、各チャネルに対するＳＴＬＭＡＸ値又は選択数のチャネルに対するＳＴＬＭＡＸ値と、臨界チャネルから構成された各チャネルグループに対するＴ−指標値又は選択数のチャネルグループに対するＴ−指標値とを含む。また、アルゴリズムは、後の表示、参照又は解析に備えて、１つ以上の適切なデータファイル内にこのデータを格納してもよい。
【００４４】
上述したように、アルゴリズムは、患者が最初の発作を体験するまで、決定ステップ３１１のうちの「ＮＯ」パスに従って、電気信号又は電磁信号の取得及び処理を継続する。最初の発作後、決定ステップ３１１のうちの「ＹＥＳ」パスにより示すように、アルゴリズムは、ステップ３１３に示す最初の臨界チャネル選択を行う。以下、この選択の関連事項及び実現方法をより詳細に説明する。
【００４５】
発作は、多数の技法のうちのいずれかの使用により検知されてもよいことは明らかである。例えば、発作は、臨床医が患者の行動を物理的に観察することにより検知されてもよい。あるいは、アルゴリズムがＴ−指標値の数の急速な減少を検知することにより、発作を検知してもよい。また、米国特許第６，３０４，７７５号に記載されたように、発作は、発作を示すあるＥＥＧ信号の出現を観察することにより検知してもよい。他の発作検知方法が採用されてもよい。
【００４６】
本発明の好適な実施の形態によると、発作が検知された場合、アルゴリズムは、状態フラグの設定等により発作の発生に標識をつける。また、アルゴリズムは、発作発病時間をメモリ内に格納する。アルゴリズムそれ自体が発作を検知する場合、アルゴリズムは、自動的に状態フラグを設定し、発作発病時間を格納する。アルゴリズムは、臨床医の行為に応答してフラグを設定し、発作発病時間を格納する。この場合、発作を検知するのは、臨床医である。それにもかかわらず、状態フラグの設定を受けたアルゴリズムは、ステップ３１３に示す最初の臨界チャネル選択を実行する。
【００４７】
一般に、ステップ３１３に従った最初の臨界チャネル選択は、多数の予測変数ごとの各チャネルグループに対するＴ−指標平均値を計算することに関する。この場合、チャネルの総数（Ｎ）が与えられた場合、予測変数は、１つのチャネルグループ当たりのチャネルの特定数（Ｋ）と組み合わせた臨界チャネルグループの特定数（Ｇ）である。通常、Ｇは、１〜５の範囲内であり、Ｋは、３〜６の範囲内である。Ｇが１〜５の範囲内で変化し、且つＫが３〜６の範囲内で変化する場合、可能な予測変数は２０個である：Ｇ１Ｋ３，Ｇ２Ｋ３，Ｇ３Ｋ３．．．Ｇ５Ｋ６。チャネルの総数Ｎが与えられた場合、アルゴリズムは、各予測変数ＧｘＫｙに対する「ｙ」個のチャネルの可能な各組み合わせを検討する。例えば、チャネルの総数が３０個の場合（Ｎ＝３０の場合）の予測変数Ｇ３Ｋ５を考える。この予測変数Ｇ３Ｋ５に対して、３０個のチャネルを５個の各チャネルのグループにグループ化するための異なる手段は、１４２，５０６通りである。５個のチャネルの部分集合を、２つ以上のグループに所属させてもよい。アルゴリズムは、これらの１４２，５０６個の各チャネルグループ、及び他の予測変数ごとの各チャネルグループに対して、Ｔ−指標平均値を計算する。各グループに対するＴ−指標平均値は、チャネル対と関連付けられたＴ−指標値に基づいて、予測変数ＧｘＫｙごとに計算される。チャネル対は、対応する各グループを構成する。尚、アルゴリズムは、発作発病直前に限定されない発作発病前の１０分の時間窓内のＴ−指標値、及び発作発病直後に限定されない発作発病後の１０分の時間窓内のＴ−指標値等の限定データ量に依存する。その後、アルゴリズムは、各予測変数に対して最も関連性のあるチャネルグループを判定する。この判定は、各グループにおける上記のＴ−指標値の２組（すなわち、発作発病の１０分前と発作発病の１０分後）に基づく。この場合、選択チャネルグループは、Ｔ−指標平均値が、発作発病後に非同調を表す条件と組み合わせることにより、発作発病前のＴ−指標最小平均値を表す。最も関連性のある振る舞いを表現する「ｘ」個の選択グループは、いくつかの予測変数ＧｘＫｙ又は全ての予測変数ＧｘＫｙに対して、臨界チャネルグループとして識別される。予測変数Ｇ３Ｋ５に対する３個（ｘ＝３）の最も関連性のあるチャネルグループは、臨界チャネルグループとして識別される。次に、１つ以上の最適予測変数ＧｘＫｙＯｐｔＮは、初期化期間（すなわち、ステップ３１１〜ステップ３３１）中に予測性能に基づいて識別される。
【００４８】
最初の臨界チャネル選択後、臨床医は、決定ステップ３１５に従って、選択の受け入れ又は拒絶を行う機会が与えられる。臨床医が、最初の選択の拒絶を決定した場合、アルゴリズムは、続く発作が発生するまで、決定ステップ３１５のうちの「ＮＯ」パスに従って、データの収集、処理、表示及び格納を継続する。続いて、受け入れ可能な臨界チャネル選択が行われる。臨床医は、任意の数の理由のために最初の選択を拒絶してもよい。このような理由の例は、臨床医が発作を通常の発作ではなかったと判定することである。結果として、チャネルの時空的応答は、通常の発作を示さない。
【００４９】
最初の発作と受け入れ可能な臨界チャネル選択の後、決定ステップ３１５のうちの「ＹＥＳ」パスにより示すように、アルゴリズムは、ステップ３１７に示す予測変数ＧｘＫｙごとの各チャネルグループに対するＴ−指標平均値の算出を継続する。次に、ステップ３１９により、アルゴリズムは、予測変数ごとに各臨界チャネルグループと関連付けられたＴ−指標平均値を使用する。アルゴリズムは、Ｔ−指標平均値を、セットアップステップ３０１の間に臨床医により規定された１つ以上の閾値（例えば、ＴＤ及びＴＥ）と比較する。また、好適な実施の形態において、アルゴリズムは、各臨界チャネルグループに対してＴ−指標平均値の変化を計算する。この計算結果は、続いてＴＤＩＦＦと比較される。ＴＤは、５〜８の範囲内に設定され、且つＴＥは、３以下の範囲内に設定されることが予期される。ＴＤＩＦＦは、２〜７の範囲内の単一の独立パラメータとして使用される。好適な実施の形態において、最適閾値は、初期化期間（すなわち、ステップ３１１〜ステップ３３１）中に判定される。尚、最適閾値は、予測変数に依存する。すなわち、最適閾値は、異なる予測変数ＧｘＫｙに対して異なる値となる。
【００５０】
本発明において、予測又は警告は、１つ以上の予測変数ＧｘＫｙに対する１つ以上の臨界チャネルグループのＴ−指標プロファイル内で、発作前同調過渡が観察された場合に発せられる。過渡はＴＥ及びＴＤの値に依存するので、ＴＥ及びＴＤの値の判定は、極めて重要である。好適な実施の形態において、これらの値は、患者の状態に基づいて適応調節される。例えば、ＴＤ値は、以前の時間間隔（２０分間隔等）でＴ−指標最大値に等しくなるように設定されてもよい。次に、ＴＥ値は、予め設定された距離ＴＤＩＦＦ未満のＴＤの関数として判定される。同調過渡は、Ｔ−指標平均プロファイルがＴＤを超える場合に観察され、続いてＴＥ未満に減少する。
【００５１】
ステップ３０９と同様に、ステップ３２１は、全ての臨界チャネルグループ又は選択数の臨界チャネルグループに対して、アルゴリズムが、Ｔ−指標平均値及び１つ以上の上記の閾値と比較されるＴ−指標平均値を連続表示可能であることを示す。図１３は、複数の記録ＥＥＧ信号、対応する複数のＳＴＬＭＡＸ値又はＳＴＬＭＡＸプロファイル、及び３つの選択臨界チャネルグループに対する複数のＴ−指標平均プロファイルのリアルタイム表示を示す。この表示は、決定ステップ３２３に従って、アルゴリズムが、次の発作関連事象の発生を待機した状態で継続される。この場合、発作関連事象は、発作又は同調過渡事象を含む。アルゴリズムが、発作又は同調過渡事象が発生していないと判定した場合、アルゴリズムは、上述したように、決定ステップ３２３のうちの「ＮＯ」パスに従って、データの収集、処理、表示及び格納を継続し、予測変数ごとにＴ−指標平均値の算出及び比較を行う。一方、アルゴリズムが、決定ステップ３２３のうちの「ＹＥＳ」パスに従って、発作関連事象が発生したと判定した場合、アルゴリズムは、いくつかの予測変数ＧｘＫｙ又は全ての予測変数ＧｘＫｙに対する臨界チャネルグループの再選択及び更新を行う。この再選択及び更新は、決定ステップ３２５に従った判定と同様に、発作関連事象が発作又は同調過渡のいずれであるかに応じて行われる。
【００５２】
上述したように、アルゴリズムは、多数の手段のうちのいずれかの手段によって発作が発生した、又は発生していると判定する。これとは対照的に、アルゴリズムは、同調過渡事象が発生したと判定する可能性もある。アルゴリズムは、アルゴリズムにＩＳＷを発行させないような状態の検知により、新規の発作事象が発生したと判定してもよい。そのため、１つ以上の臨界チャネルグループに対応するＴ−指標平均値が、いずれの予測変数ＧｘＫｙに対しても予め規定された統計的に有効な期間にＴＥ未満に減少する場合、アルゴリズムは、同調過渡事象が発生したと確定する。以下、ＩＳＷの発行の断定を受けた状態を詳細に説明する。
【００５３】
アルゴリズムが、発作関連事象を発作と判定した場合、アルゴリズムは、決定ステップ３２５のうちの「発作」パスに従って、全ての予測変数ＧｘＫｙ又はいくつかの予測変数ＧｘＫｙに対する臨界チャネルグループを再選択する。ステップ３１３に示すように、再選択は、全ての予測変数ＧｘＫｙ又はいくつかの予測変数ＧｘＫｙに対する可能な各チャネルグループに対応するＴ−指標平均値に基づいて実現される。再び、好適な実施の形態によると、アルゴリズムは、発作発病前の予め規定された時間窓（例えば、発作発病直前に限定されない１０分の時間窓）内のＴ−指標平均値、及び発作発病後の予め規定された時間窓（例えば、発作発病直後に限定されない１０分の時間窓）内のＴ−指標平均値のみに依存する。アルゴリズムは、現在の発作と関連付けられたＴ−指標平均値への依存に加えて、以前の発作関連事象と関連付けられたＴ−指標平均値にも依存することは、理解できる。この依存が存在する場合、データに対して複数の適切な重み係数を割り当てることが好ましい。この割り当ては、現在の発作と関連付けられたＴ−指標平均値が、以前の発作及び／又は近似発作事象と関連付けられたＴ−指標値よりも、臨界チャネル再選択に重大な影響を与えるように行われる。
【００５４】
あるいは、アルゴリズムが、発作関連事象を同調過渡事象と判定した場合、アルゴリズムは、決定ステップ３２５のうちの「同調過渡」パスに従って、臨界チャネルグループを再選択する。しかしながら、この再選択は、臨界チャネルが同調過渡事象を示す振る舞いを表現した１つ以上の予測変数のみに対して行われる。好適な実施の形態において、同調過渡事象と関連付けられた臨界チャネルの再選択は、可能な各チャネルグループに対するＴ−指標平均値を考慮に入れて行われる。この再選択は、同調過渡事象が発生したとする判定の前の予め規定された時間窓（例えば、２０分の時間窓）内に行われるか、あるいは、過渡事象の発生した後に、大部分が判定前であるが、その判定とはオーバーラップしない時間窓内に行われる。再び、再選択プロセスには、以前の発作関連事象と関連付けられたＴ−指標平均値を計算に入れてもよい。この場合、現在の同調過渡事象と関連付けられたＴ−指標平均値が、以前の同調過渡事象と関連付けられたＴ−指標平均値よりも再選択プロセスにおける差分が大きくなるように、Ｔ−指標平均値に適切な重み係数を割り当てる。
【００５５】
まず、例えば、図３Ａに示す方法が採用された場合、その方法が新規の患者と関連させて使用された際、初期化期間が存在する。初期化期間の主な目的は、前述したように、アルゴリズムによる１つ以上の最適予測変数の細分化及び確立によって、臨界チャネル選択を可能にするような期間を提供することである。この臨界チャネルの振る舞いは、続いて発作警告及び発作予測の発行に依存する。これにより、アルゴリズムは、ステップ３３１に示すように、初期化期間の終了を通知するいくつかの指示を定期的に確認する。このような指示は、臨床医の入力に応答して生成された電気信号の形態を取り入れてもよい。この際、臨床医は、臨界チャネル選択のための１つ以上の最適予測変数が、現在十分に安定し、且つ細分化されていると判定した。あるいは、臨床医は、セットアップステップ３０１の間に、所定数の発作関連事象（Ｓ）の観点から初期化期間を規定するための選択肢が与えられてもよい。アルゴリズムが、そのような判定を行わない場合（すなわち、アルゴリズムが、初期化期間が終了していないと判定した場合）、上述したように、アルゴリズムは、決定ステップ３３１のうちの「ＮＯ」パスに従って、時空的応答データの収集、処理、表示及び格納を継続する。アルゴリズムは、Ｔ−指標平均値の算出及び比較を行い、次の発作関連事象を待機する。しかしながら、アルゴリズムが、初期化期間が終了したと判定した場合、アルゴリズムは、決定ステップ３３１のうちの「ＹＥＳ」パスに従って、ステップ３３３に示すように、１つ以上の特定の予測変数ＧｘＫｙの選択、及び選択予測変数ＧｘＫｙと関連付けられたｘ個の各臨界チャネルグループを構成する臨界チャネルの識別により、初期化期間の終了に標識をつける。ステップ３３３により、例えば、予測変数Ｇ３Ｋ５の選択が行われた場合、各々が５個の臨界チャネルを含む３個の臨界チャネルグループが識別される。この際、これらの５個の臨界チャネルの３個のグループは、その大部分が初期化期間中の発作関連事象を示す振る舞いを表現した。その後、図３Ｂの方法により示すように、プロセスは、初期化後期間以降に移行する。
【００５６】
具体的には、図３Ｂは、初期化期間終了後にＩＳＷ、ＳＳＰＤ及び／又はＴＩＳＰを発行する方法を表すフローチャートである。尚、初期化期間中のＩＳＷ、ＳＳＰＤ及び／又はＴＩＳＰの発生は、対応するパラメータを有する１つ以上のデフォルト予測変数又は１つ以上の臨床医選択予測変数を使用することにより、確実に実行可能である；しかしながら、図３Ａ及び図３Ｂに示す実施の形態によると、そのような動作は、事実上行われない。結果的に、図３Ｂの方法における最初のステップは、ステップ３４１である。この際、アルゴリズムは、発作警告特徴及び発作予測特徴を活性化させる。これらの特徴は、状態フラグを設定することによって、あるいは、後に適切な状態下においてＩＳＷ、ＳＳＰＤ及び／又はＴＩＳＰをアルゴリズムに発行させる同様の任意のプロセスによって、ソフトウェアを「切替」に設定することにより自動的に活性化させてもよい。
【００５７】
ステップ３４３において、アルゴリズムは、ステップ３３３の間に選択された予測変数と関連付けられた全ての可能なチャネルグループのＴ−指標平均値を算出する。しかしながら、アルゴリズムは、ステップ３４５に従って、臨界チャネルグループと関連付けられたＴ−指標平均値のみを、上記の閾値と比較する。この場合、ＩＳＷ、ＳＳＰＤ及び／又はＴＩＳＰの発生は、これらの比較結果に基づく。再び、これらの算出及び比較と関連付けられたデータに対して、ステップ３４７によってＧＵＩを介して表示及び格納を行ってもよい。
【００５８】
アルゴリズムは、ステップ３４３〜３４７の実行を継続すると同時に、図３Ａのステップ３２３によりアルゴリズムが行った際とほぼ同様の方法で、決定ステップ３４９に示すように、次の発作関連事象を指示するために状態を監視する。アルゴリズムが、決定ステップ３５１のうちの「発作」パスに示すように、発作が発生していると判定した場合、アルゴリズムは、発作発病時間を格納し、その後、ステップ３３３の間に選択された予測変数に対応する臨界チャネルグループを再選択する。再び、好適な実施の形態において、再選択は、発作発病時間前の予め規定された時間窓（例えば、１０分の時間窓）にわたる選択予測変数と関連付けられた全ての可能なチャネルグループのＴ−指標平均値の解析、及び発作発病時間後の予め規定された時間窓（例えば、１０分の時間窓）にわたる選択予測変数と関連付けられた全ての可能なチャネルグループのＴ−指標平均値の解析に基づく。アルゴリズムは、決定ステップ３５９のうちの「ＹＥＳ」パスによりプロセスが終結するまで、決定ステップ３５９のうちの「ＮＯ」パスに従って、このプロセスを繰り返す。
【００５９】
アルゴリズムが、警告及び／又は予測の発行のために必要な制約条件が満足されたと判定した場合、アルゴリズムは、決定ステップ３５１のうちの「警告」パスに従って、ステップ３５３に示すように、ＩＳＷ、ＳＳＰＤ又はＴＩＳＰを発生させる。次に、アルゴリズムは、ステップ３５５により１つ以上の予測変数の臨界チャネルグループを再選択する。この例では、再選択は、同調過渡事象の前の予め規定された期間（例えば、２０分の時間窓）、又は大部分が同調過渡事象の前である予め規定された期間にわたる選択予測変数と関連付けられた全てのチャネルグループのＴ−指標平均値のみに基づく。以下、複数のＩＳＷ、ＳＳＰＤ及びＴＩＳＰをより詳細に説明する。アルゴリズムは、決定ステップ３５９のうちの「ＹＥＳ」パスに従ってプロセスが終了するまで、プロセスの繰り返しを継続する。
【００６０】
尚、本発明の好適な実施の形態によると、アルゴリズムが、各発作関連事象の後に、１つ以上の予測変数の臨界チャネルグループの再選択及び更新を継続することは、重要である。すなわち、各発作と各同調過渡の後に、ステップ３５５及びステップ３５７により、グループの再選択及び更新を継続することは、重要である。そのため、初期化期間前と初期化期間後の臨界チャネル選択プロセスは、反復的且つ適応的であるということができる。この選択プロセスを行う理由は、切迫発作の前兆である癲癇誘発病巣と脳との時空的同調のリセット機構であるという観測に基づく。「Epileptic Seizures as Neural Resetting Mechanisms」（J. C. Sackellares他、Epilepsia、第３８巻、１８９ページ（１９９７年））、及び「Dynamical Resetting of Human Brain at Epileptic Seizures: Application of Nonlinear Dynamics and Global Optimization Techniques」（IEEE Transactions on Biomedical Engineering、２００３年出版）を参照。１つの発作関連事象から次の発作関連事象まで、臨界チャネルを有する１つ以上の予測変数を連続的に更新することは、重要である。これは、脳が各発作後に脳自体を完全にリセットするとは限らないことにより、任意のチャネルと関連付けられた時空的特徴が経時的に変化する可能性があるためである。そのため、以前に臨界チャネルグループに所属すると識別されたチャネルが、現在、そのグループとの非関連性を保証する時空的応答を表現している可能性がある。同様に、以前に臨界チャネルグループに所属していないと識別されたチャネルが、現在、そのグループに含まれることを保証する振る舞いを表現している可能性がある。この反復的且つ適応的な臨界チャネルの細分化により、誤警告の数が減少し、発作検知及び発作予測の感度が向上する。
【００６１】
図３Ｃは、非臨床用途におけるＩＳＷ、ＳＳＰＤ及び／又はＴＩＳＰを発生させるための方法を表すフローチャートである。図３Ｃに表された方法が、図３Ａに表された方法とほぼ同一であることは、明らかである。しかしながら、図３Ｃに表された非臨床用方法は、顕著な初期化期間を採用しないという１つの点で異なる。このように、アルゴリズムが、特定の予測変数ＧｘＫｙを選択する期間が存在しない。その代わりに、臨床医は、セットアップステップ３６１の間にこの選択を行ってもよい。あるいは、アルゴリズムは、デフォルト選択を提供することも可能である。また、初期化期間が存在しないので、最初の臨界チャネル選択の受け入れ後、ステップ３７６に示すように、発作警告特徴及び発作予測特徴が活性化される。これにより、アルゴリズムは、ＩＳＷ、ＳＳＰＤ及び／又はＴＩＳＰを発行するための対応条件が満足されたと判断された場合、決定ステップ３８３のうちの「ＹＥＳ」パス、決定ステップ３８５のうちの「警告」パス、及びステップ３８７に従って、ＩＳＷ、ＳＳＰＤ及び／又はＴＩＳＰを発行する。その後、アルゴリズムは、ステップ３８９に示すように、図３Ｂのステップ３５５で述べた方法と同様の方法で、臨界チャネルグループを再選択する。その代わりに、アルゴリズムが、決定ステップ３８３のうちの「ＹＥＳ」パス及び決定ステップ３８５のうちの「発作」パスに従って、発作を検知した場合、次に、アルゴリズムは、ステップ３９１に示すように、図３Ｂのステップ３５７でアルゴリズムが臨界チャネルグループを再選択した方法と同様の方法で、臨界チャネルグループを再選択する。
【００６２】
本発明の典型的な実施の形態によると、図３Ａから図３Ｃに示す方法では、一般的な手順を示すことが意図される。以下、様々な工程の実現のために使用される具体的な技法及びその代替の方法を、より詳細に説明する。
【００６３】
それぞれ、図３Ａに示すステップ３０５、及び図３Ｃに示す３６３は、脳により生成された電気信号又は電磁信号の取得に関する。本発明の好適な実施の形態によると、電極は、電気電位の記録のために使用される。この場合、各電極は、個別のチャネルに対応する。この際、記録は、差動増幅器を使用して行われる。参照用記録において、複数の電極のうちの１つは、全てのチャネルと共通する。電極は、各チャネルと関連付けられた信号が、脳内の特定の解剖学的部位から導出されるように、推測配置される。電極配置は、表面位置等を含んでもよい。この場合、電極は、患者の頭皮上に直接配置される。あるいは、頭蓋内位置から信号を得るために必要な場合、硬膜下電極アレイ及び／又は硬膜下深さの電極が、採用される場合もある。しかしながら、当業者には明らかなように、電極の特定の配置は、患者並びに信号が記録されるべきアプリケーションに依存する。
【００６４】
図４Ａは、脳の下面、及び多数の硬膜下深さの電極及び硬膜下電極の典型的な位置から見た図を示す。図４Ａに示すように、電極は、海馬内の前後平面に沿って位置付けられた６つの右側頭深さ（ＲＴＤ）の電極及び６つの左側頭深さ（ＬＴＤ）の電極を含む。また、図４Ａは、眼窩前頭皮質表面下に位置付けられた４つの右眼窩前頭（ＲＯＦ）硬膜下電極及び４つの左眼窩前頭（ＬＯＦ）硬膜下電極と、側頭下皮質表面下に位置付けられた４つの右側頭下（ＲＳＴ）硬膜下電極及び４つの左側頭下（ＬＳＴ）硬膜下電極とを含む。図４Ｂは、硬膜下電極アレイの配置及び使用、並びに下方右側頭葉上の電極の一片を示す。
【００６５】
本発明の別の実施の形態によると、脳により発生した磁界を記録するために、脳磁気図記録法（ＭＥＧ）が採用されてもよい。ＭＥＧと共に、複数の超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）と呼ばれるセンサアレイを使用することによって、脳内部電流源と関連付けられた磁界の検出及び記録を行う。
【００６６】
更に別の実施の形態によると、１つ又は少数のニューロンと関連付けられた磁界電位を測定するために、脳内に微小電極を埋埴してもよい。例えば、手術手順実行前に癲癇誘発病巣の位置を高精度で規定する必要がある場合に、微小電極の使用は、選択アプリケーションに対して非常に好都合であることは、理解できる。
【００６７】
また、図３Ａのステップ３０３及び図３Ｃのステップ３６３は、各チャネルと関連付けられた信号の事前処理に関する。これらの事前処理ステップは、信号増幅、フィルタリング及び計数化等を含む。好適な実施の形態において、遮断周波数０．１〜１Ｈｚの高域フィルタ及び遮断周波数７０〜２００Ｈｚの低域フィルタを含むフィルタが採用される。用途及び／又は信号記録環境に応じて、他のフィルタが採用されてもよい。例えば、電力線、又は６０Ｈｚサイクルで稼動する任意の電気備品又は電気器具の付近へ信号を記録する場合、６０Ｈｚのノッチフィルタ又は時間変化型デジタルフィルタを採用してもよい。事前処理により、各チャネルに対するデジタル時系列が生成される。
【００６８】
更に、ステップ３０３及びステップ３６３は、位相ポートレートの生成に関し、特に、各チャネルに対するｐ次元位相空間ポートレートに関する。この場合、ｐは、脳状態を適切に埋め込むために必要な次元数を表す。本発明の好適な実施の形態において、ｐ次元位相空間ポートレートは、次のようにして生成される。この場合、ｐは、発作前の状態の間に現れる発作状態の動的特徴を獲得するために、少なくとも７であると仮定する。まず、各チャネルと関連付けられたデジタル信号は、オーバーラップしない連続時間セグメント又はオーバーラップする連続時間セグメントにわたってサンプリングされる。本明細書では、連続時間セグメントをエポックと表記する。各エポックは、周波数成分、振幅、力学的特性（例えば、カオス性又は複雑さ）及び定常性等の信号特徴に応じて、約５秒から約２４秒の持続時間の範囲内で変化する。一般に、定常性が増大すると、エポックの長さは、増大する。本発明の典型的な実施の形態において、信号は、１エポック当たり約２，０００回サンプリングされる。この場合、エポックは、約１０秒の持続時間である。
【００６９】
次に、既定エポックの間に得られた各信号と関連付けられたサンプルは、対応するチャネルに対する位相空間ポートレートを構築するために使用される。本発明の好適な実施の形態において、位相空間ポートレートは、「遅延法（the Method of Delays）」と呼ばれる方法を使用して構築される。遅延法は、当該技術においてよく知られている。動的な非線形システムの解析に関するこの方法の詳細な記載は、例えば、「Phase Space Topography of the Electrocorticogram and the Lyapunov Exponent in Partial Seizures」（Iasemidis他、Brain Topogr.、第２巻、１８７ページ〜２０１ページ（１９９０年））に見ることができる。一般に、位相空間ポートレートは、時間遅延τにより分割され、且つｐ次元位相空間内にプロットすべき点であるｐ個の連続サンプル値の各固有シーケンスを、単独処理することによる遅延法を使用して構築される。本発明の典型的な実現において、τは、４つのサンプル（２０ｍｓｅｃ）に等しい。
【００７０】
図５Ａは、左側頭皮質起因発作の発病時の典型的なＥＥＧ信号と関連付けられた６秒のエポックを示す。図５Ｂは、異なる透視側面から見た場合における図５Ａの典型的なＥＥＧ信号に対応する３次元投影位相空間ポートレートを示す。図５Ｂの位相空間ポートレートに出現するオブジェクトは、「アトラクタ」と呼ばれる。アトラクタは、位相空間の範囲内の領域を表す。位相空間内では、システム構造が変化するまで、システム状態が発達し、且つシステム状態の位相空間への閉じ込めが維持される。
【００７１】
それぞれ、図３Ａのステップ３０５及び図３Ｃのステップ３６５は、各チャネルと関連付けられたアトラクタのカオス性の定量化に関する。これを達成するために使用可能な異なる技法が存在することは、明らかである。しかしながら、本発明の好適な実施の形態によると、各アトラクタのカオス性は、リアプノフ指数を使用して定量化される。リアプノフ指数は、位相空間内において互いに近接する軌跡の点の対の間の平均発散率（すなわち、拡散又は収縮）を表す。多次元システムにおいて、可能なリアプノフ指数の数は、再構成された状態空間の次元（ｐ）に等しい。そのため、システムの振る舞いの定量化は、１つ以上のリアプノフ指数のシーケンスを算出することに関する。例えば、状態空間を特徴付ける次元数が７である場合、７つの異なるリアプノフ指数シーケンスは、システムの振る舞いと関連付けられたカオス性を定量化する際に計算される。しかしながら、カオス性測定の精度と信号処理の効率との間のバランスを確定するために、本発明の好適な実施の形態に従って、最大リアプノフ指数（すなわち、ＬＭＡＸ）のみが使用される。しかしながら、当業者には容易に理解できるように、感度及び発作予測精度を最適化するためには、２つ以上のリアプノフ指数（すなわち、ＬＭＡＸと他のリアプノフ指数）を利用することが望ましい。例えば、可能最高精度で発作発病時間を予測することが不可欠な場合、ＬＭＡＸより大きいリアプノフ指数を使用することが望ましい。
【００７２】
更に、本発明の好適な実施の形態によると、ＬＭＡＸ値が、最終的にエポックごとに導出されることにより、各チャネルに対する経時的なＬＭＡＸ値のシーケンスが得られる。このＬＭＡＸ値のシーケンス（本明細書では、ＬＭＡＸプロファイルと表記する）は、対応するチャネルの経時的なカオス性を表す。リアプノフ指数の計算及び利用に関してより完全な説明は、例えば、「Determining Lyapunov Exponents from a Time Series」（Wolf他、Physica D、第１６巻、２８５ページ〜３１７ページ（１９８５年））、及び「Lyapunov Exponents from Times Series」（Phys. Rev. A、第３４巻、４９７１ページ〜４９７２ページ（１９８６年））に見ることができる。「Phase Space Topography of the Electrocorticogram and the Lyapunov Exponent in Partial Seizures」とタイトルされたIasemidis他の刊行には、短期リアプノフ指数（すなわち、ＳＴＬＭＡＸ）の計算方法及び利用方法が述べられている。この場合、方法では、癲癇患者のＥＥＧからのＬＭＡＸの正確な推定のための最も重要な特徴であるＥＥＧデータの非定常性を考慮に入れている。この特徴が非常に重要であるのは、癲癇患者からのＥＥＧにおける極端な過渡事象（癲癇性スパイク、高速波又は低速波の過渡事象等）の存在に起因する。
【００７３】
図３Ａのステップ３０７、ステップ３１７及びステップ３１９、図３Ｂのステップ３４３及びステップ３４５、並びに図３Ｃのステップ３６７、ステップ３７７及びステップ３７９は、ＬＭＡＸプロファイルの同調に対する評価に関し、特に、ＳＴＬＭＡＸプロファイルに関する。「スライド」時間窓の範囲内の連続ＳＴＬＭＡＸ値にわたる差分の平均及び標準偏差を算出することにより、評価を実現してもよい。「スライド」時間窓と関連付けられた時間の長さは、約１０分（すなわち、約６０エポックの時間スパン）である。この結果、予測変数の各チャネルグループに対する経時的なＴ−指標平均値のシーケンスが得られる。
【００７４】
一般に、図３Ａのステップ３０７及び図３Ｃのステップ３６７では、各チャネルと関連付けられたＳＴＬＭＡＸプロファイルを、他の各チャネルと関連付けられたＳＴＬＭＡＸプロファイルと比較することにより、対応する信号対が同調の徴候を示すか否かを判定することに関する。本発明の目的のために、「同調」の用語は、チャネル対を構成する２つの信号の測度間の振幅及び／又は位相における相関又は収束を表す。信号対の間の相関の程度を定量化するために、任意の数の統計的方法を採用してもよいが、Ｔ−指標対が本発明の好適な実施の形態による目的のために採用される。
【００７５】
Ｔ−指標対の割り当てにより、Ｔ−指標は、オーバーラップする多数の「スライド」時間窓ごとに、又はオーバーラップしない多数の「スライド」時間窓ごとに、各チャネル対に対して導出される。この場合、時間窓の持続時間は、約１分から２０分の間で変化する。上述したように、本発明の好適な実施の形態において、これらの「スライド」時間窓の持続時間は、約１０分である。最適には、これらの時間窓と関連付けられた時間の長さは、十分な解像度と最小限の計算量とを使用して、発作前病期中の動的な時空的過渡を獲得する必要がある。発作前の過渡は、最終的には臨界チャネルグループと関連付けられたＳＴＬＭＡＸプロファイルの漸進的同調により特徴付けられるので、ＳＴＬＭＡＸプロファイルと統計的有効レベルとの間の同調率が、これらの時間窓の最適長さを判定する。
【００７６】
図７は、代表的な数の各チャネル対と関連付けられた複数のＳＴＬＭＡＸプロファイルの間の比較を示す。具体的には、図７は、左側頭深さの電極ＬＴＤ１と関連付けられた信号に対応するＳＴＬＭＡＸプロファイルと、６つの他の代表的な電極部位と関連付けられたＳＴＬＭＡＸプロファイルとの間の比較を示す。６つの他の代表的な電極部位は、左眼窩前頭電極ＬＯＦ３、右眼窩前頭電極ＲＯＦ３、左側頭下電極ＬＳＴ４、右側頭下電極ＲＳＴ４、左側頭深さの電極ＬＴＤ３及び右側頭深さの電極ＲＴＤ２である。図７は、６つの代表的なチャネル対に対するＳＴＬＭＡＸプロファイルのみの比較を示すが、本発明の好適な実施の形態においては、それぞれ、図３Ａのステップ３０７及び図３Ｃのステップ３６７は、全てのチャネル対に対するＳＴＬＭＡＸプロファイルの比較を含む。例えば、信号が２０個の異なる電極部位で記録される場合、１９０個の異なるチャネル対が存在するので、手順ステップ３０７は、通常、１９０個のＬＭＡＸプロファイルの比較を含む。
【００７７】
図８は、図７に示す６つのチャネル対と対応するＴ−指標を示す。図８に示すＴ−指標プロファイルから、各チャネル対と関連付けられた全てのＳＴＬＭＡＸプロファイルが発作前病期中に（すなわち、０〜６０分の時間枠中に）漸進的に同調化されることは、明らかである。この同調の間、各チャネル対は、発作後病期中に漸進的に非同調化される。しかしながら、ＳＴＬＭＡＸプロファイルが同調化される割合及び程度、並びに非同調化される割合及び程度は、変化する。図８において、電極ＬＴＤ１及び電極ＬＴＤ３と関連付けられたチャネル対は、他の５つのチャネル対よりも、比較的高い同調レベル（すなわち、比較的低いＴ−指標値）を実証している。また、電極ＬＴＤ１及び電極ＲＴＤ２を関連付けられたチャネル対は、特に、発作前病期中に比較的高い同調レベルを示す。図８は、発作発病の６０分前のＴ−指標値及び発作発病の６０分後のＴ−指標値のみを示すが、発作前期間は、通常、発作発病の約１５分前から２時間程度前に開始する。しかしながら、非常に重要なことは、Ｔ−指標値の低減（特に臨界チャネルと関連付けられたＴ−指標値の低減）等の同調の徴候が、発作発病よりかなり前に顕著に表れることへの着目である。実際に、臨界チャネルが実際の発作の数日前に切迫発作の徴候を表すことは、可能である。
【００７８】
図３Ａのステップ３１３、ステップ３２７及びステップ３２９、図３Ｂのステップ３５５及びステップ３５７、並びに図３Ｃのステップ３７３、ステップ３８９及びステップ３９１は、全て臨界チャネルの選択又は再選択に関し、特に、臨界チャネルグループの選択又は再選択に関する。一般に、臨床医により規定された制約条件が与えられた場合、この選択プロセスを制御するアルゴリズムの部分は、最終的にはこれらの臨界チャネルグループ識別のシークを行う。図３Ａの方法ステップに含まれる初期化期間中に、アルゴリズムは、上述した全ての予測変数ＧｘＫｙに対する臨界チャネルグループ識別のシークを行う。図３Ｂのステップに含まれる初期化期間後、図３Ｃに示す非臨床的方法によると、アルゴリズムは、少なくとも１つの選択予測変数と関連付けられた臨界チャネルグループ識別のシークを行う。
【００７９】
それぞれ、図３Ｂのステップ３５３及び図３Ｃのステップ３８７は、ＩＳＷ、ＳＳＰＤ及び／又はＴＩＳＰの発生に関する。以下、これらのステップに従ったＩＳＷ、ＳＳＰＤ及び／又はＴＩＳＰの発生のために採用された具体的な技法をより詳細に説明する。これらの特徴のうち、最初に説明する特徴は、早期のＩＳＷ特徴である。一般に、統計的に有効な期間に、選択予測変数と関連付けられた１つ以上の臨界チャネルグループが、大幅に非同調化され（すなわち、Ｔ−指標平均値がＴＤよりも大きく）、その後臨界チャネルグループが同調化された（すなわち、Ｔ−指標平均値がＴＥ未満である）場合に、ＩＳＷは、トリガーされる。具体的には、１つ以上の臨界チャネルグループと関連付けられ、且つ以前に非同調閾値を超えたＴ−指標平均値が、統計的に有効な期間に、統計的に有効な同調閾値未満に減少した場合、ＩＳＷは、発生する。好適な実施の形態において、その閾値は、ＴＥである。更に、好適な実施の形態によると、ＩＳＷをトリガーするために、Ｔ−指標平均値をＴＥ未満に維持する必要のある統計的に有効な期間は、通常、０分から１．５時間の間のいずれかに設定される。例えば、１５分間にＴＥ＝２．０９未満であるＴ−指標平均値は、ＩＳＷの発行が正当な警告であることを示す９９パーセントの信頼水準と同等である。閾値ＴＥ、及びＴ−指標平均値を閾値ＴＥ未満に維持する必要のある持続時間を、ＩＳＷの感度を増減させることにより、任意の既定患者に対する誤警告（すなわち、偽陽性）の発生率を減少させるか、あるいは警告失敗（すなわち、偽陰性）の発生率を減少させるように適応調節してもよいことは、理解できる。
【００８０】
ＩＳＷは、任意の数の手段によって実現されてもよい。例えば、ＩＳＷは、可聴警告、可視警告、又は可聴警告と可視警告との両方の組み合わせを含んでもよい。実際は、ＩＳＷは、内部ソフトウェア変数又は内部ソフトウェアフラグを設定するか、あるいはリセットするのみである。この場合、変数又はフラグの設定又はリセットにより、抗発作薬の自動投薬等の従属事象がトリガーされる。従って、ＩＳＷは、本発明が採用されるべき特定の臨床用途又は非臨床用途に応じて具体的に実現される。
【００８１】
次の特徴は、ＴＩＳＰ特徴である。一度アルゴリズムがＩＳＷを発生させると、同調率（すなわち、臨界チャネルグループと関連付けられたＳＴＬＭＡＸプロファイルが収束を継続する割合）は、発作発病前の時間量の推定に使用されてもよい。本発明の好適な実施の形態によると、図９に示すように、１つ以上の各臨界チャネルグループに対して、「スライド」時間窓にわたる対応するＴ−指標平均プロファイルの傾きを連続導出することにより、この推定が実現される。傾斜直線が時間（ｔ）軸と交差する点は、推定発作発病時間を表す。そのため、時間（ｔ）軸に沿った現在の時間と推定発作発病時間との間の差分は、ＴＩＳＰを表す。再び、「スライド」時間窓の長さは、変化する。最初は、時間窓を比較的小さい時間間隔（例えば、１５分間隔）に設定してもよい。その後、時間窓を患者個人ごとに適応最適化してもよい。
【００８２】
３つのうちの最後の特徴は、ＳＳＰＤ特徴である。発作前の数日間又は一連の発作の最初の発作でない場合の数時間にわたって、一般的に、ある重要部位の中に段階的な同調が存在する。本発明は、この同調を利用することにより、ＳＳＰＤ特徴を提供する。特に、本発明の好適な実施の形態に従って、ＳＳＰＤ特徴は、ＩＳＷ特徴とほぼ同様の方法で実現される。すなわち、ＳＳＰＤ特徴は、選択予測変数と関連付けられた１つ以上の各臨界チャネルグループに対するＴ−指標プロファイルを生成し、且つこれらのＴ−指標平均プロファイルを観測することにより実現される。通常、数分間よりもむしろ、数時間又は数日にわたって、Ｔ−指標平均プロファイルの生成及び観測を行う。
【００８３】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、２つの異なる電極対と関連付けられ、且つ１０日間にわたって算出されたＴ−指標平均プロファイルを示す。しかしながら、類似のＴ−指標平均プロファイルが、２つ以上のチャネルから構成される各臨界チャネルグループに対して生成されることは理解できる。患者は、記録の最初の１３５時間中は、非発作状態である。しかしながら、患者は、次の９０時間にわたって、時間（単位：時間）軸に沿って位置付けられた２４個の矢印に示すように、２４回の発作を体験する。
【００８４】
図１０Ａは、特に、病巣電極ＲＴＤ３及び体側性側頭下電極ＬＳＴ４と関連付けられたＴ−指標プロファイルを示す。この特定のチャネル対に対して、段階的に動的同調が発生する。この場合、Ｔ−指標プロファイル値は、記録の３日後に限りＴＥ未満に減少する。最初の発作の発病時に、罹患皮質部位のリセット（すなわち、非同調）を開始する。
【００８５】
以下、図１０Ｂを参照すると、左右相称の海馬電極ＬＴＤ３及び海馬電極ＲＴＤ３と関連付けられたＴ−指標プロファイルが、記録まで約１日の統計的に有効な閾値ＴＥ未満に減少することにより、電極対と関連付けられた信号が最初の発作の約４日前に同調化を示すことは、特に着目すべきである。更に、この電極対と関連付けられた多くの信号は、最初の発作までに同調化の状態を維持する。その後、罹患皮質部位は、漸進的にリセットを開始する。再び、本発明は、この振る舞いを利用することにより、ＳＳＰＤ特徴を提供する。尚、図１０Ａ及び図１０Ｂで使用した時間解像度（すなわち、単位：時間）に起因して、各個人の発作は、これらの図面に可視化不可能となった後にリセットされる。
【００８６】
上述したように、図３Ａから図３Ｃに示す方法は、チャネル対のＳＴＬＭＡＸプロファイル間の比較に依存する。この場合、各ＳＴＬＭＡＸプロファイルは、対応する電極部位で測定された信号から導出される。いくつかの例において、全ての予測変数又は１つの選択予測変数に対するチャネルの各グループと対応する複数のＳＴＬＭＡＸプロファイルを直接比較することは、有益である。このような例において、通常、グループは、３つ以上のチャネルから構成される。このグループへのＴ−統計量の採用は適切ではない。例えば、３つ以上のチャネルのグループと関連付けられたＳＴＬＭＡＸプロファイルを比較する場合、Ｆ−統計量又はＦ−指標統計量（すなわち、ＡＮＯＶＡ統計量）を、Ｔ−統計量の代わりに採用してもよい。更に別の例は、ニューラルネットワーク技法及びパターン認識技法の採用により、２つ、３つ以上のＳＴＬＭＡＸプロファイルのグループ間の同調レベルを解析する方法である。
【００８７】
図１１は、上述した本発明の様々な特徴を内蔵するオンラインシステム１１００を示す。オンラインシステム１１００は、診断用途並びに患者の治療に関する用途を含む任意の数の臨床用途又は非臨床用途において使用される。例えば、オンラインシステム１１００は、次の臨床解釈（例えば、発作伝搬パターンの解釈及び判定）のためのＥＥＧ信号又はＭＥＧ信号の収集及び処理を行うために使用されてもよい。また、オンラインシステム１１００は、ローカルリンク又は遠隔リンクを介して、病院又は診療所の職員メンバーに切迫発作の注意を促すために使用してもよい。システム１１００の使用により、職員メンバーは、患者の負傷を防止するために、あるいは適時医療介入を提供するために十分な時間を有することが可能となる。適時医療介入は、発作自体を防止し；発作を観察し；又は発作中に実行すべき他の手順の準備及び実施を行うために行われる。他の手順は、手術前診断を目的とする発作中のＳＰＥＣＴ画像、発作中のＦＭＲＩ画像又は発作中のＰＥＴ画像を得るために必要な放射性標識配位子又は他の物質の投与等である。
【００８８】
癲癇性発作の制御のための現在の方法は、癲癇誘発病巣の外科的切除に加えて、薬理的な（すなわち、抗癲癇薬の）治療を含む。現在容認されている薬理的アプローチは、長期的に一定時間間隔で服用すべき定量の１つ以上の抗癲癇薬（フェニトイン、フェノバルビタール、カルバマゼピン、ジバルプロックスナトリウム等）の処方である。この目的は、脳内の安定状態の濃度を実現することである。この濃度は、最適な発作制御を行うように十分大きくし、副作用の危険を低減するように十分小さくする。
【００８９】
上述の現在容認されている薬理的アプローチを使用する場合、図１２は、本発明のシステムレベルの別の実施の形態を示す。具体的には、図１２は、リアルタイムデジタル信号処理チップ１２１０等の体内留置型素子を含む薬理的抗癲癇発作システムを示す。体内留置型素子１２１０は、中でも、本発明に従った発作警告及び発作予測（ＡＳＷＰ）を提供可能な上述のアルゴリズムを含む。図１２に示すように、体内留置型素子１２１０により生成されたＩＳＷ信号、ＴＩＳＰ信号及びＳＳＰＤ信号は、制御器１２２０へ伝送される。続いて、制御器１２２０は、刺激器１２３０から患者の血流へ少量の抗痙攣剤等の混合物の放出をトリガー可能である。刺激器１２３０は、留置型貯留層に含まれるか、又は接続される。この目的は、発作前過渡病期中の少量の抗痙攣剤の放出による全ての切迫発作の中断であることは、明らかである。
【００９０】
また、図１２は、治療介入システム１２００が、抗痙攣剤による治療投入に加えて、迷走神経刺激器等を介した電気刺激又は磁気刺激を投入してもよいことを示す。現在、迷走神経刺激器は、所定の持続時間及び所定の強度を用いて、任意の方法により外部指定の時間間隔で患者の首の迷走神経に電気インパルスを投入するために使用されている。これとは対照的に、本発明は、図１２に示す典型的な実施の形態に従って、指定の持続時間及び強度を用いて、首の迷走神経に電気インパルスを投入するが、インパルスは、発作前過渡状態の間のみ投入される。この目的を達成するために、体内留置型素子１２１０は、詳細に上述したように、進行中の脳の電気的活動の力学的解析に基づいて、発作前過渡状態を検知する。発作前状態が検知された場合、体内留置型迷走神経刺激器のトリガーにより、電気パルスが首の迷走神経に投入される。しかしながら、当業者には容易に理解できるように、脳深部刺激器等の迷走神経刺激器以外の装置を、癲癇患者用の脳ペースメーカを作製するために、本発明と関連させて使用してもよい。
【００９１】
本発明は、多数の典型的な実施の形態と関連して説明された。しかしながら、当業者には容易に理解できるように、本発明の趣旨の範囲を逸脱せずに、上述の形態以外の特定の形態で本発明を採用可能である。実際に、突発性位相過渡により特徴付けられる他の医療プロセス（心臓ペースメーカ、脳卒中診断及び脳卒中防止、機能性脳障害等）、非医療プロセス、非線形プロセス、多次元力学的プロセスに、本発明を採用してもよいことは、明らかである。以上、様々な実施の形態が例証されたが、いずれの方法においても、それらの実施の形態は、本発明を限定すると考えるべきではない。本発明の趣旨は、上記の説明よりもむしろ添付の請求の範囲により与えられる。請求の範囲内の本発明の全ての変更及び均等の要素は、本発明に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】図１（ａ）から（ｅ）は、癲癇性発作の様々な病期を経た患者の推移としての典型的な単一のチャネルＥＥＧ信号を示す。
【図２】図２は、発作発病前と発作発病中の通常の連続多重チャネルＥＥＧセグメントを示す。
【図３Ａ】、
【図３Ｂ】、
【図３Ｃ】図３Ａから図３Ｃは、本発明の典型的な実施の形態に従って早期のＩＳＷ、ＳＳＰＤ及びＴＩＳＰを提供する技法を表すフローチャートである。
【図４Ａ】、
【図４Ｂ】図４Ａ及び図４Ｂは、異なる電極の配置及び使用、並びに電極構成を示す。
【図５Ａ】、
【図５Ｂ】図５Ａ及び図５Ｂは、エポックにわたる代表的な電極チャネルと関連付けられたＥＥＧ信号、及び遅延法（the Method of Delays）を使用してＥＥＧ信号から再構築されたアトラクタを含む対応する位相空間ポートレートを示す。
【図６】図６は、複数の記録ＥＥＧ信号、対応する複数のＳＴＬＭＡＸ値又はＳＴＬＭＡＸプロファイル、及び選択臨界チャネルグループに対する複数のＴ−指標平均値のリアルタイム表示である。
【図７】図７は、代表的な数の各チャネル対と関連付けられた複数のＬＭＡＸプロファイルを示す。
【図８】図８は、図７に示す代表的な数のチャネル対に対するＬＭＡＸプロファイル（例えば、Ｔ−指標プロファイル推定）を比較する手順を示す。
【図９】図９は、本発明の典型的な実施の形態に従ったＴＩＳＰ特徴を示す。
【図１０Ａ】、
【図１０Ｂ】図１０Ａ及び図１０Ｂは、２つの電極対と関連付けられ、且つ１０日間にわたって算出された複数のＴ−指標プロファイルを示す。
【図１１】図１１は、本発明のＩＳＷ特徴、ＳＳＰＤ特徴及びＴＩＳＰ特徴を内蔵するオンラインシステムを示す。
【図１２】図１２は、本発明に従ってＩＳＷ、ＳＳＰＤ及びＴＩＳＰの提供が可能な体内留置型素子を内蔵する治療介入システムを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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