てんかん焦点の局在診断には、ビデオ画像と脳波を同期記録したビデオ脳波記録が欠かせません。
1970年代以降に開発されたビデオ脳波記録は、てんかんモニタリングでは必要不可欠な検査装置として普及してきています。
しかしながらビデオ画像と脳波という膨大なデータをいかに効率よく判読するかは、煩雑な業務に追われる医師にとって重要な問題ということができます。
最近は画像と脳波をデジタルで収録できるようになり、収録媒体の技術革新と相まって従来と比べて判読に拘束される時間が格段に減ってきています。
また、デジタル記録になっていることからコンピュータによる解析も可能になり新しいてんかんモニタリングの時期を迎えているといえます。
ここでは、わが社で販売するニコレー社製BMSI長時間デジタルビデオ脳波システムを説明し、さらに最近のコンピュータ解析の動向を紹介します。
最新型ニコレー社製BMSI長時間デジタルビデオ脳波システム
これは当社で販売する最新型ニコレー社製BMSI長時間デジタルビデオ脳波システムです。
構成は高性能128ch脳波アンプ、昼夜連続カメラ、大容量ハードディスクを備えたコンピュータそれにモニターです。
脳波は基準電極をリファレンスに電極毎に収録され、記録後にモンタージュや感度、フィルタなど自由に変更して再生することが可能になっています。
患者画像は1秒間に30フレームの精度のものをMPEG方式で圧縮し、脳波とともに同期して同じフォルダーに収録されます。
再生時には脳波と画像を同期して1つの画面で見ることが可能で、発作時の脳波と患者像を詳しく検討することができるようになっています。
Insightを用いた圧縮波形表示と画像の同期再生
夜は赤外線カメラに自動的に切り換り昼夜連続した記録も可能
さらに、後述するスパイクや発作の自動検出プログラムを活用することによって、長時間記録されたデータの中から異常な部位を検索し易くなりました。
長時間記録データは何らかのデジタル媒体に収録することになりますが、この装置ではリアルタイムに内臓のハードディスクへ収録し後から別の媒体(CD・MO・DVDなど)に必要なデータをコピーする方法を採用しています。
これは多チャネルで運用した場合の書き込みエラーを防止するためでもあります。
さらにインフラの整備が整っていれば、ネットワークでの運用も可能となり、収録中であっても他の場所から判読や解析ができるようになってくるはずです。
最近のパソコンは高速で内蔵できるハードディスクの容量も大きく、画像データを含めて長期間の連続データの格納も無理なく行えるようになってきています。
長時間の脳波はコンパクトなデジタル媒体に収録可能になりましたが、記録されている脳波は従来のものと何ら変わるものではありません。
つまり、収録された脳波と画像を時間をかけて判読しなければならないということです。
測定が長時間になればなる程、判読に要する時間も多く必要になります。
この作業を効率よく行うために、コンピュータによる発作とスパイクの自動検出について古くから研究が重ねられてきました。
その中でもモントリオール神経研究所のGotmanら(1)の方法は多くの臨床例で改善を重ね、北米を中心に実用化され臨床の場で多く使われてきています。
長時間記録の目的は発作を中心とした部分の脳波記録であり、発作の部分だけでも自動的に検出できれば判読に要する労力がかなり改善されます。
この装置はGotman方式を基本とした自動検出プログラムを内蔵し、スパイクと発作の自動検出を行っています。
発作の検出パラメータは以下の項目です。
| Amplitude Threshold： |
背景脳波の平均振幅 |
| Detection Threshold： |
発作認識の感度 |
| Minimum Frequency： |
検出する最低周波数 |
| Coefficient of Variation： |
脳波の律動性 |
| Detect Short Burst： |
4秒以上のバースト |
Revealでのリアルタイム検出画面
Spike,Spike Burst,Rhythmic Burstを自動検出し
その状態を時系列で表示しています。
これによりすでに発作があったかどうかも一目瞭然です
(青色のバーが発作(Rhythmic Burst)の部分を示す)。
近年、Wilsonら(2)による新しいスパイクおよび発作の検出・解析プログラムSpike DetectorおよびReveal(Persyst Development Corporation. Prescot. AZ)が開発され、リアルタイムにスパイクや発作波の出現をモニタリングできるようになりました。
検出されたスパイクを波形の形と
スパイクが形成する電位マッピングの形から分類し、
スパイクが頭皮上でどのような分布に優位性があるかを調べます。
このプログラムは発作の検出のほかに発作間歇期に出現するスパイクを自動検出し、それらのスパイクを統計的にクラスタ分析を行い、頭皮上の電位分布図(Voltage Topography)として表示できるようにもなってます。
グリッド電極を埋没した記録で得られたスパイクを
脳表写真上に描いたもので、スパイクの焦点とその広がりを
知ることができます。
さらに、ここで分類されたスパイクを市販のダイポール解析プログラムにまとめてエクスポートする機能も持っています(3)。
選択されたスパイクの一覧
多くのスパイクの中からダイポール解析に有効なスパイクを集めて
Synapointにエクスポートできます。
また、脳外科では頭蓋内電極を留置して脳波を記録することは少なくないため、多極のグリッド電極での記録においては、同定した脳波上の発作起始部と解剖学的な位置を合わせて考える必要があります。
それを補助するために、グリッド電極を留置した状態の写真を利用し、その画像の上にスパイクの電位分布図を重畳表示するプログラムPrism(Persyst社)も利用できるようになっています(4)(5)。
実形状モデルでのダイポール推定 (Synapoint)
MRI画像から実形状モデルを作成し、
複数のスパイクを一括して推定できます。
脳波記録からてんかん焦点部位を同定できれば、その後の治療に大いに貢献できます。
最近MEG(脳磁図)を用いたてんかん焦点部位の同定を行う施設が増えてきましたが、脳波でも脳表に近い部位の焦点はダイポール解析プログラムを用いて推定可能になってきました。
また、MEGと脳波とでは必ずしも同一現象を見ていないことから、最終診断には両者の結果を合わせて考察するようになってきています。
その結果、脳波のダイポール推定も研究分野だけでなく臨床でも利用され始めました。
当社では Synapoint(NEC基礎研究所)を用いたシステムを提供し、Revealで自動検出されたスパイクをクラスタ処理し代表的な複数のスパイクをSynapointに転送し、同時に複数スパイクを高速に計算できます。
解析は3層球モデルで推定する方法と患者自身の MRIから実形状推定モデルを作成し解析を行う方法が選択できるようになっています。
施設がネットワークで運用可能であれば、それを利用して別の場所で脳波と画像を見ることができます。
Ethernetで転送レート100Mbit/secの場合、1時間の脳波と画像データは約1分で転送できます。
また、リアルタイムに運用する場合は、脳波計側のデータ書き込み時間を細かく設定すれば端末側でもほぼリアルタイムにそれを見ることができます。
画像と脳波それに音声が1つの媒体に収録されるようになり、データの管理が容易になったばかりでなくネットワークを介して運用が可能になりました(リモートモニタリング)。
すでに欧米では臨床の中でリモートモニタリングが使われており、遠く離れた場所からはWEBを利用したモニタリングも試みられています。
- Gotman.J: Automatic recognition of epileptic seizures in the EEG, Electroenceph.Clin.Neurophysiol.54:1982 ,530-540
- Wilson,S.B.,Harner,R.N.Duffy,F.H : Spike detection ・,Correlation and reliability of human experts. Electroenceph.Clin.Neurophysiol.,1996,98(3),186-198
- A.Ochi,H.Otsubo,A.Shirasawa ,et al: Systematic approach to dipole localization of interictal EEG spikes in children with extratemporal lobe epilepsies.ClinNeurophysiol.,111(2000)161-169
- Shirasawa.A.,Otsubo.H.,Wilson,S.B :Computerrized Voltage Topographic Mapping on Subdural Grids to Analyze Epileptic Zones.Epilepsia,Vol.39,Suppl.6,1998
- Hiroshi Otsubo,M.D.,Atsushi Shirasawa,Shiro Chitoku,M.D et al:Computerrized brain-surface voltage topographic mapping for localization of intracranial spikes from electrocorticography. J.Neurosurg.Volume94,1005-1009,2001
人間の脳波が1929年にはじめて記録されてから70年以上経過しますが、脳波は脳の機能を反映する手軽で時間分解能の高い検査であることから、てんかん診断では欠かすことのできない検査です。
近年の脳波計の技術革新はコンピュータ導入により、その時間分解能の向上とデジタル化による画像診断との組み合わせで空間分解能を獲得したことは画期的といえます。
てんかんは発作を伴う脳の異常放電ですが、脳波のみの記録ではてんかんの診断を正確に行うことができない症例もあり、そのような症例では発作症状と脳波の変化とを同時に記録してはじめて、てんかん焦点の局在やてんかんの正確な鑑別診断が可能となります。
ここでは、現在国内で販売している最新のデジタルビデオ脳波同時記録装置を紹介し、最近のてんかんモニタリングと様々な脳波解析について述べていきます。1)2)
ニコレーバイオメディカル社製
128chデジタルビデオ脳波計
これは当社で販売するニコレー社製長時間デジタルビデオ脳波システム(BMSIシステム)です。
構成は高性能128ch脳波プリアンプ、赤外線対応カメラ、大容量ハードディスクを備えたコンピュータそれにモニターです。
脳波は基準電極をリファレンスに電極毎に収録され、記録後にモンタージュや感度、フィルターなど自由に変更して再生することが可能になっています。
患者画像は1秒間に30フレームの精度のものをMPEG方式で圧縮し、脳波とともに同期して同じフォルダーに収録されます。
再生時には脳波と画像を同期して1つの画面で見ることが可能で発作時の脳波と患者像を詳しく調べることができます。
てんかんの脳波記録では多チャンネル記録の脳波計が必要です。
それも64chとか、128chという非常に多くの記録です。
なぜこの様に多くのチャネルを必要とするのでしょうか?
その答えは“頭蓋内記録”にあります。
通常の脳波検査は、頭皮上に19個の皿電極をつけて記録するのが一般です。
しかし、抗てんかん薬が効かない難治性の局在関連性てんかんでは、脳外科医による病巣切除術が行われます。
この切除部位を決定するために行う脳波検査が頭蓋内電極(グリッド電極など)です。
左は約5mmから1cm間隔の格子状に電極が取り付けられたシリコンでできているシート型の電極で、約6cm2のシートには100個以上の電極が並ぶことになり、これを記録するには100ch以上の脳波計が必要になる訳なのです。
この電極を用いることにより、1cm毎の脳表面の脳波を記録することが可能になり、発作の原因となる場所を正確に同定できます。
右は128ch電極による頭蓋内脳波です。
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128chグリッド電極を用いた頭蓋内脳波
中央部分が発作に伴う発作発射記録
複数ページの同一画面表示
9ページ分の脳波を同一画面に表示しており
スパイク発射の時間的推移が良くわかります。
コンピュータを用いたデジタル脳波ではその再生にある種の制約があります。
それは専用の再生プログラムが必要であることと波形のCRTへの描画精度であり、このことがデジタル脳波計の普及の大きな妨げにもなっています。
ニコレーではWindowsコンピュータがあれば特別な再生プログラムがなくても、記録した結果を見ることができるプログラム EEG to Go を開発しペーパーレス脳波計普及への問題を克服しています。
このことは記録を依頼した医師や施設に結果を返すときにも有効で、デジタル脳波計を持たない施設でもデジタル脳波で記録された結果が見られる訳です。
また描出精度の問題を解決するために、コンピュータ画面でも記録紙に近い描画を可能にする技術を開発し、ペーパーレス時代に対応しています。
また、後述するInsightプログラムを用いれば複数ページを1つの画面に表示することができ、記録紙を複数枚見ている時と同じ状態を表示できます。
てんかん患者の脳波記録では、発作時の記録が重要で記録の90%の目的は発作時の記録です。
そのために患者や付き添いなどがイベントスイッチを押して、判読の時に発作の場所を検索するのを解りやすくしています。
しかし、睡眠中であったりイベントスイッチが押せない状態の発作も少なくありません。
そのためにニコレーでは記録中に発作が起きたかどうかをチェックするスパイク＆発作検出プログラムを同時に走らせています。
コンピュータによる発作とスパイクの自動検出について古くから研究が重ねられてきています。
その中でもモントリオール（MNI）のGotmanらの方法は多くの臨床例で改善を重ね、北米を中心に実用化され臨床の場で多く使われてきています。
長時間記録の目的は発作を中心とした部分の脳波記録であり、発作の部分だけでも自動的に検出できれば判読に要する労力がかなり改善されます3)。
ニコレーではGotman方式を基本とした自動検出プログラムを内蔵し、スパイクと発作の自動検出を行っています。
発作の検出パラメータは以下の項目です。
| Amplitude Threshold： |
背景脳波の平均振幅 |
| Detection Threshold： |
発作認識の感度 |
| Minimum Frequency： |
検出する最低周波数 |
| Coefficient of Variation： |
脳波の律動性 |
| Detect Short Burst： |
4秒以上のバースト |
また近年、Wilsonらによる新しいスパイクおよび発作の検出・解析プログラムReveal(Persyst Development Corporation. Prescot. AZ)が開発され、より精度良くスパイクや発作波の解析が行えるようにもなっています4)。
ビデオ・脳波同時表示
鮮明なデジタルビデオと脳波記録が連動されて表示、
さらに音声も同時に再生されます。
従来のビデオ脳波はテープに記録していたために再生にはかなりの時間を要していました。
すなわち、記録データから発作の部分を探し出すのに多くの時間が必要だったのです。
これはテープを巻き戻す時間に他ありませんが、デジタル方式ではこの巻き戻し時間が省略され、検索スピードが著しく改善されています。
発作の自動検出プログラムを同時に使用すれば、一瞬のうちに発作の時点を探し出すことができます。
さらにデータはビデオ画像と脳波それに音声が1つのファイルになっているために結果の保存が容易です。
従来は脳波と画像は別々の媒体(MOとビデオテープ)に収録されていたために、結果の保存には多くのスペースを必要としていました。
また、近年はコンピュータの画面をプロジェクターを使い直接スクリーンに映すことができるようになり、症例検討会や学会などでも鮮明な脳波とビデオ画像を多くの人に見てもらうことができます。
デジタル脳波計の普及に伴って、その判読をコンピュータで行うケースが増えてきました。
また、大きな施設では複数のメーカーの脳波計が入っており、それらで記録された脳波を判読するにはそれぞれのメーカーの判読プログラムが必要になります。
当社では複数のメーカーの脳波を判読可能なプログラムInsightをライナップしています。
このプログラムはビデオ画像付きの記録であっても再生が可能で、現在国内に納入されている日本光電、NECメディカル、バイオロジック、ニコレーで記録された脳波を判読することができます。
また、このプログラムは長時間のデータを一つの画面に表示することが可能で、発作部分を容易に見つけることができます。
なお、後述する市販の解析プログラムへ複数の興味ある波形を一括して転送することも可能です。
スパイク解析
自動検出されたスパイクをクラスタ分析し
代表的なスパイクを頭皮上に波形とともに
トポグラフ表示できます。
発作間歇期に出現するスパイクを複数解析することにより病巣の側方性(Laterality)や部位 (Phase reversal)を同定する試みも行われています。
当社ではSpike DetectorおよびRevealで自動検出されたスパイクをSpikeReview(Persyst社)で解析する方法を提供しています。
自動検出されたスパイクは波形の形やスパイクの電位分布によって分類され (Cluster解析)、近似度の高いのものから表示します。
ここで分類されたスパイクの頭皮上電位分布をトポグラフ表示し判読の援助を行っています。
頭蓋内脳波の解析
グリッド電極で記録されたスパイク発射を
脳表面でのトポグラフ表示することにより
発射部位が視覚的にわかります。
前述したように頭蓋内脳波は脳表に多数の電極を貼り付けて記録するので記録された脳波と電極の場所の同定は難しいです。
これは脳表に装着したグリッド電極の位置上に発作に伴う脳波変化をトポグラフ表示したものです。
これにより発作を起こしている場所の同定が視覚的に見えてきます5)。
ダイポール位置の推定
Synapoint-Proでは短時間で
ダイポール位置の推定が行えます。
頭皮上で計測された脳波から脳内の主な活動源を電流双極子として推定するもので、てんかんスパイクや誘発電位の起源を知る上で有用な方法で、MEG(脳磁図)などで広く利用されているものです。
最近さまざまなプログラムが出回ってきていますが、当社ではNEC基礎研究所で開発されたSynapointProを販売しています。
このプログラムはスパイク解析プログラムで抽出したスパイクを複数まとめて解析ができ、しかもMRI画像があれば簡単に実形状モデルを用いて解析ができます6)7)。
時間周波数解析
Short Spectrum Eyeを用いて
短時間の脳波周波数変化を捉えることができます
(横軸が時間、縦軸が周波数)。
脳波の特性を客観的に評価する方法としてFFTによる周波数解析(パワースペクトル解析)が一般的です。
FFTは短時間で周波数解析できることから広く利用されていますが、時間分解能は良くありません。
すなわち、短時間に起こる変化は捉えることが難しいのです。
従来短い時間の周波数変化を捉える方法として、ウエーブレット解析が行われていますが、定量解析には不向きでした。
近年、国産でウエーブレット解析の弱点を克服したMBFA法を用いたプログラムShort Spectrum Eye(グラム(株))が開発され、脳波の時間周波数領域の研究が定量的に行えるようになりました。
前述したような各種解析プログラムを使用する際に最も注意しなければならない点は"解析に見合う前処理を行う"ことです。
例えばマッピング解析などでは解析目的以外の波形が結果に大きく影響を与える場合がありますので、フィルタリングを行うとか、リファレンスを変えるとかの工夫が必要です。
また、ダイポール解析なども筋電図や基線変動が影響を与える場合があるので注意が必要です。
コンピュータによって簡単に結果は得られるが、それが信頼できる結果かどうかは前処理にかかっています。
最新式のデジタルビデオ脳波システムについて報告しましたが、10年前から比べると隔世の感がある脳波計です。
これも今日のコンピュータ技術が大きく貢献している訳です。
しかし、患者自身への負担は昔から変わりません。
それは電極装着の負担や時間的な拘束です。
そのためにもできるだけ短時間で多くの情報を得、得られた結果を有効に活用する努力が必要といえます。
コンピュータを用いた脳波解析について、永年ご指導をいただいているトロント小児病院の大坪宏先生に深謝いたします。
- 白澤 厚：BMSI長時間デジタルビデオ脳波システム．機能的脳神経外科の最先端 P441-445、 2002年、先端医療技術研究所
- 白澤 厚：長時間脳波モニタリングと解析支援ソフト．第37回日本臨床神経生理学会技術講習会テキスト P171－174、2000年、京都
- Gotman.J: Automatic recognition of epileptic seizures in the EEG, Electroenceph.Clin.Neurophysiol.54:1982 ,530-540
- Wilson,S.B.,Harner,R.N.Duffy,F.H : Spike detection ・,Correlation and reliability of human experts. Electroenceph.Clin.Neurophysiol.,1996,98(3),186-198
- Shirasawa.A.,Otsubo.H.,Wilson,S.B :Computerrized Voltage Topographic Mapping on Subdural Grids to Analyze Epileptic Zones.Epilepsia,Vol.39,Suppl.6,1998
- A.Ochi,H.Otsubo,A.Shirasawa ,et al: Systematic approach to dipole localization of interictal EEG spikes in children with extratemporal lobe epilepsies.ClinNeurophysiol.,111(2000)161-169
- Hiroshi Otsubo,M.D.,Atsushi Shirasawa,Shiro Chitoku,M.D et al:Computerrized brain-surface voltage topographic mapping for localization of intracranial spikes from electrocorticography. J.Neurosurg.Volume94,1005-1009,2001
