뇌파신호(아날로그) 분석과 기록전략

 

상큼한 월요일입니다. 아침부터 비가 와서 날씨가 많이 꿉꿉하네요  (꿉꿉하다 라는 표현이 맞는 표현인가요)

원래 이번 포스팅에서는 뇌파의 유발에 대해서 포스팅하려 했지만,

파형의 분석이 안되는 상태에서 뇌파를 유발시켜 봤자 상태를 분석할 수 없다는 생각이 먼저 드네요

그래서 파형 분석에 대해서 좀 더 심도있게 공부한 후에 다음 유발법에 대해서 알아보겠습니다.

                                                                                                                                                                              

" 뇌파(아날로그) 신호분석 시작 "

1. Calibration(고정곡선: 기계 점검)

드디어 뇌파를 분석하기 위한 첫 신호가 나옵니다. 기존에 몇 천만원씩 하는(실제로 그렇게 많은 부품이나 기술이 들어가는 것이 아님에도 불구하고) 기계에서 나오는 아날로그 신호를 분석하기 위한 가장 기본적인 기법에서 부터 각 부분의 기능과 역할에 대해서 먼저 알아보겠습니다. 당연한 이야기지만 신호를 측정하기 위해서 먼저 기준 신호를 잡고 파형을 고정시켜야 되겠죠? 이를 'Calibration(고정곡선: 기계 점검)'이라 하겠습니다. 뇌파의 교정 곡선은 두가지의 목적이 있습니다. 

첫째, 뇌파 전압 측정. 

둘째, 모든 채널이 같은 방법과 같은 신호로 증폭되는지 확인 

예를 들어, 어떤 뇌파의 높이가 14mm 일때, 교정 곡선을 50uV에 7mm가 되도록 하면 이 신호의 진폭은 100uV일 것이라고 생각할 수 있는 것 입니다. 이렇게 고정 곡선을 통해서 퇴파의 전압을 측정할 수 있고, 측정단(앞선 포스팅에서 언급했던 10-20 EEG System)의 결과값이 동일한 증폭 값을 가지는지 파형을 보고 분석할 수 있게 되는것 입니다. 고정곡선은 뇌파 검사를 기록하기 전과 끝에 아래와 같이 교정곡선을 따로 그려줍니다. (일직선 상에서 높이, 모양이 같게)

2. Biocalibration(전극을 붙인 다음 점검)

이는 환자의 뇌파가 증폭기에의해 올바르게 실행되고 있는지 그리고 전체 기록 시스템이 완전한지를 검사하기 위해 사용하는 단계입니다. 비교적 높은 진폭의 뇌파 주파수를 얻을 수 있는(높게 나와서 시각적으로 바로 확인하기 위해서) Frontopolar(전두극) 전극과 반대편의 Occipital(후두부, 후두골) 전극을 연결하여 검사합니다. 아래 그림과 같이 모든 채널의 기록이 동일하게 나와야 정상 신호라고 판단할 수 있습니다.

3. Amplifiers(신호 증폭)

뇌파 기계의 각각의 증폭기에는 입력1과 입력2라는 2개의 입력 단자가 있습니다. (각 +, -) 이 입력 단자가 차동 증폭되는데 차동증폭은 교류 잡음을 포함하여 뇌로부터 나온 것이 아닌 전기적 전위를 제거하는데 주목적이 있다. (입력 1) - (입력 2)가 음성이면 상향, 양성이면 하향, 같으면 일직선으로 나타납니다. (- 단자가 높으면 아날로그 파형이 상향으로 나타남)

 

뇌파의 경우 입력된 전압을 증폭시키는 증폭기의 작용은 Sensitivity(민감도)라는 용어를 사용합니다. 민감도는 펜 경사도에 대한 입력 전압의 비로서, 단위는 uV/mm를 사용합니다. 일반적으로 사용하는 민감도는 7 이며, 이것은 50uV의 교정 신호에 약 7mm의 펜 경사도를 일으킨다고 합니다.

민감도의 숫자가 증가하면 증폭도는 낮아집니다. 즉 10은 7보다 교정 신호가 더 작습니다.

4. Filters

필터는 목적에 따라 여러가지로 분류할 수 있지만, 대중적으로 뇌파로부터 비교적 높거나 낮은 주파수의 전파를 제거하는데 사용합니다. 그래서 가장 중요한 1 ~30Hz 사이의 전파를 왜곡 없이 깨끗이 기록할 수 있게 합니다. 대부분의 뇌파 기계는 3가지의 필터를 가지고 있습니다. 

1. Low frequency filter(time constant) : 서파의 진폭을 감소

LFF : 로우패스필터, 감소 없이 좀 더 높은 주파수가 증폭기를 통과

2. High frequency filter : 속파의 진폭을 감소

HFF : 하이패스필터, 의미 있고 감소 없이 좀 더 높거나 좀 더 낮은 파형을 통과

+ 속파의 사이즈를 감소 → 임상 뇌파에서 의의가 있다고 여겨지는 것보다 빠른 주파수가 들어 왔을 때 사용

특히! 진단적으로 중요한 극파나 예파가 함유돼 있는 속파 성분일 때

3. 60 Hz filter(AC filter) : 약 60 Hz파의 진폭을 선택적으로 감소 → 교류의 간섭을 막음

AC필터는 가능한 사용을 제한

* 뇌파의 일부 성분(극파 등)은 60Hz 주파수와 혼합 → 60Hz 필터는 이 성분을 감소시켜 인식

* 부정확하게 진행되는 전극 접촉 불량이나 부적절한 입력이 통과 

따라서 AC필터는 교류 간섭의 원인을 제거 할 수 없는 경우에 한하여 제한적으로 사용

 

 

	Delta (델타)	Theta (세타)	Alpha (알파)	SMR (Sensory Motor Rhythm)	Beta (베타)	Gamma (감마)
출현부위	다양하다	후두부와 측두부에서 기록	두정엽과 특히 후두부에서 잘기록된다	전두부와 두정엽에서 기록	전두부에서 잘기록 된다	전두부에서 잘기록된다
진폭	100~200uv 진폭크고, 불규칙	10~50uV 규칙적인 서파	10~15uV 뇌파의 기본파	10~15uV 느린베타 파라고도함	5~10uV	5uV이하 속파
특징	수면중, 간질, 뇌종양등 임상적 지표로 사용	정서불안 및 수면중 또는 노령자 ADHD등에서 출현	안정상태 및 폐안상태에서 많이 출현되며, 알파브로킹현상으로 간질구별	집중시 잘 나타나는 파형	긴장하거나 스트레스 상황에서 많이 나타남	고도의 인지작용시, 좌우뇌비율지표로도 사용되고있음 [출처] 주파수에 의한 뇌파 분류|작성자 펀펀 브레인

 

<이해를 돕기 위한 뇌파의 분류표>

5. Writing(종이의 속도 : 국제 표준 30mm/s)

이렇게 총 5가지의 단계를 통해서 뇌파의 아날로그 신호를 종이에 기록합니다. 우리는 종이에 기록하는 것이 아니라 이 신호를 디지털 신호로 컨버팅하여 출력하고자 합니다. 그렇다면 이 신호를 어떻게 디지털로 변환할까요? 다음 블로깅에서 보다 자세히 알아보도록 하겠습니다.

" 신호의 기록전략(단극, 쌍극유도) "

저번 블로깅을 통해서 뇌파 전위 측정의 단극법과 쌍극법에 대해서 간단하게 알아 보았습니다. 다시 한번 정리해 보면,

쌍극 유도

이웃한 전극 시간의 전위적 변화를 뚜렷이 구별할 수 있습니다. 그러므로 기준 전극 몽타주보다 좀 더 정확하게 주위의 전위들의 기원 장소를 밝혀 낼 수 있습니다. 하지만, 쌍극유도는 파형과 넓게 분포된 전위의 전폭을 왜곡하고 한 개 의 채널에서 연결된 두 개의 기록 전극을 상쇄시킵니다. 

위 사진 중 우측하단에 있는 그래프에서 두 전극 사이에 전위차가 없는 경우 일직선이 나타나게 됩니다. 하지만 이들 전극은 위상 역전을 보여주는 다른 전극과 연결되어 있어 그 전위를 찾을 수 있습니다. 이 전위를 찾는 전극의 규칙이 위의 그림에서 나타나는 화살표의 방향으로 설명할 수 있습니다. 이 부분에 대해서는 전극의 연결과 측정부분에서 조금 더 자세하게 다루도록 하겠습니다.

단극 유도

기준 전극 기록은(단극 유도) 전위 변화의 모습을 왜곡 없이 나타내고, 특히 넓게 분포된 전위의 기록에 유용합니다. 하지만, 전체적인 비활동성을 찾아내기는 불가능합니다. 기준 전극은 머리의 여러 부위에 놓인 전극을 입력1에 연결하고, 전기적 전위가 없는 위치에 입력2(이 전극을 기준 전극이라고 합니다.)를 연결하여 측정합니다. 

 시중에 출시되고 있는 귀에 기준전극을 부착하고 뇌파의 정보를 출력해 내는 전극 제품들은 대부분이 이런 단극 유도를 이용한 전극입니다. 이번에 구매한 Neuro Sky의 MindWave도 귓볼에 기준전극을 잡는 단극법을 이용하더라구요  경우에 따라 단극법과 쌍극법을 함께 구동해야 할텐데 이를 어떻게 측정하며, PCB보드에서는 이를 어떻게 받아 들이는지를 블로깅을 진행해가며, 천천히 알아보도록 하겠습니다.

<상용화 된 단극법을 활용하는 MindWave>

하지만 안타깝게도 이렇게 상용화 된 제품들은 프로그램마다 사용하는 저장방식이 달라 다른 전문 분석 프로그램에서 사용하려면 먼저 구입한 프로그램에서 호환이 가능한 저장 방식이 지원되는지를 확인해야합니다. 많은 업체들이 자신의 소프트웨어에서만 사용 가능한 저장방식을 고집하니까요 

아래는 바이오 서라운드 시스템 카페(http://cafe.naver.com/brainip)에 올라온 국내외 뇌파 측정기들이 갖고 있는 오류에 대한 자료입니다.

아래 그림은 카페회원님께서 락싸의 헤드밴드를 이용하여 측정한 뇌파 파형입니다. 그런데 위의 뇌파 파형은 잘못된 것입니다.

측정 파형 상태는 매우 깨끗하게 측정되었으나, 중요한 한가지가 잘못된 예 입니다.

 

무엇이 문제 일까요?

위의 파형에서 눈을 감았을때와 눈을 떴을때의 파형의 위상이 반대로 되었다는 것입니다.

그러므로 위의 파형은 전체적으로 뇌파 파형의 위상이 역으로 측정 되었음을 의미 합니다.

 

뇌파 기록에서 극성(polarity)은 심전도와 반대이며,

기선에서 상향으로 기록되는 파형을 음성파(negative wave),

하향으로 기록되는 파형을 양성파(positive wave)라고 합니다.

 

그러므로 위의 뇌파 측정 파형은 잘못 된것 입니다.

올바른 뇌파 측정기의 뇌파 상태는 위의 그림에서의 파형의 방향이 반대로 되어야 합니다.

 

그런데 더 큰 문제는 국내외의 대부분의 뇌파 장치들이 이러한 오류를 범하고 있음에도 불구하고

이러한 문제가 있다는 것 조차 인식을 못하고 있다는것 입니다.

 

아마도 정확한 신경세포의 활동전위에 대한 인식부족으로 뇌파측정기가 만들어 지고 있기 때문이라 생각 되는데...

이러한 문제로 국내에서 제작된 뇌파측정기를 활용한 논문등이 국제학회에서 인정 받지 못하고,

국내용 논문에 머물고 있는 것이 현실 입니다.

 

이제는 이러한 문제를 개선하여, 국제 공인에 한걸음 다가갈수있는 계기가 되었으면 합니다. 

 

(참고) 뉴런의 흥분은 세포 바깥쪽에서 보면 음성(-)전위로서 얻어지기 때문에

         전기생리학에서는 일반적으로 음성(-)전위의 전위 변화는 상향의 흔들림으로 기록된다.

따라서 임상뇌파에서도 활성 전극의 음성파형은 상향으로 표시된다. 

<눈을 뜨고 감았을 때의 정상 파형>

따라서 기존 상용화 된 전극 혹은 제품을 사용하더라도, 뇌파를 분석할 수 있는 기본적인 지식을 기반으로 분석해야 됨을 다시 한 번 느낄 수 있습니다. 아는 만큼 보인다라는 말이 그래서 있는것이 아닐까요  이렇게 뇌파를 측정하기 위해서 알아야 되는 지식의 기반이 엄청 폭 넓음을 블로깅을 통해서 다시 한 번 알게 되네요 ........ 이 밖에도 뇌파 검사실에서 최소한 사용해야 하는 표준안이 있습니다. 최소한 18, 16, 8채널의 쌍극 혹은 기준 전극 몽타주에 대한 측정이 뒷받침 되어야지 신뢰 있는 검사 결과라고 명시하고 있네요. 최소한 16채널의 이상이 되면은 아래 3가지의 몽타주로 충분한 신뢰성을 얻을 수 있습니다. 

1. 전두부와 후두부를 연결하는 세로의 쌍극 몽타주

2. 머리를 가로질러 연결하는 가로의 쌍극 몽타주

3. 기준 전극 몽타주

16채널 이라 함은 16개의 전극을 측정 전극으로 쓴다는 말인데, 우리가 원하는 것은 보다 간단하고 직관적인 측정과 결과값임에 당황하지 않을 수 없습니다  하지만 이 밖에도 특정 부위(전두엽 Fp1, Fp2 등)를 측정하여 얻을 수 있는 결과 값에 대한 신뢰도를 높히기 위한 표준이 있습니다. 

여기서는 Eye Movement(눈 움직임)에 대해서만 간단히 알아보고 넘어가겠습니다. 실제로 우리가 공학적(프로그래밍)으로 필요한 사실이나 결과값은 의료용으로 진단을 하기 위한 기본 자료가 아닌 하나의 Action을 취하기 위한 조건이 될 수 있으니까요 ! (라고 긍정적으로 생각해봅니다 16개라니... )

" Eye Movemonet의 측정을 위한 전극 조합 "

뇌파 기계는 뇌파와 생리학적인 활동을 기록할 수 있습니다. 이러한 활동의 전기적 신호들은 뇌파에서는 다소 왜곡되어 있지만 다른 방법들과 함께 구할 수 있습니다. 이를테면, 눈 움직임은 항상 두 채널에서 기록합니다. 즉 한 채널에서의 모니터링은 신뢰도가 떨어진다고 볼 수 있습니다.  만약 두 채널이 사용될 때, 한 전극은 왼쪽 눈 옆의 약간 위쪽에 두고 첫 번째 채널의 입력 1에 연결합니다. 두 번째 전극은 다른 쪽 눈의 약간 아래에 놓고 두 번째 채널의 입력1에 연결합니다. 두 개의 채널의 입력 2는 왼쪽 귀나 턱에 기준 전극과 연결합니다. 

대부분의 눈 움직임은 두 채널에서 반대 방향으로 움직입니다. 반면 눈 움직임이 전두극이나 기준 전극에서 나오면 뇌 활동을 같은 방향으로 기울고, 한 전두극에서 나오면 한 채널만이 기웁니다. 만약 눈 움직임이 한 채널에서 모니터링 되면 그 전극 입력1, 입력2에 E1, E2와 연결하여 기록을 수평과 수직 눈 운동의 구별과 눈 움직임과 뇌파의 구별이 잘 안됩니다.

이번에 구매한 MindWave의 경우 한 채널에서 측정된 결과값으로 눈의 깜빡임을 구분해 낼 수 있다고 나와 있습니다. 신뢰성이 떨어지는 결과를 어떻게 바로 잡았는지 이에 대한 자세한 설명 혹은 프로그래밍 자료는 제품을 수령하고 차근차근 블로깅하도록 하겠습니다  설램설램

 

이번 블로깅에서는 뇌파를 측정하기 위한 기본적인 작업에 대해서 정리해 보았습니다. 

실제로 파형을 보고 분석을 위해서는 사용자에게서 나오는 인공산물(두피의 움직임, 눈 깜빡임 등)을 구분해 내고,

이미 결과를 알고 있는 정상 뇌파의 파형을 보고 연령대에 따라서 변화하는 정도에 따른 예제를 통해  알아보는 것이 좋을 것 같습니다. 

따라서 다음 포스팅에는 정상 뇌파분석 예제 및 인공산물 등의  잡파 구별에 대해 포스팅하도록 하겠습니다.

감사합니다