Transcript EEG란? - SSHS-RnE-RGB

서울과학고 R&E RGB팀
1.
EEG의 정의와 역사
2.
EEG와 뇌의 관계
3.
EEG와 생체 상태
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뇌파 (EEG;Electroencephalogram)
뇌의 전기적인 활동을 머리 표면에 부착한 전극에
의해 비침습적으로 측정한 전기신호.
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원리
◦ 뇌 세포가 활동할 때 생기는 전류에 의한 전위의 차이를
100만 배 정도의 전압 증폭을 하여 머리에 부착된 전극을
통해 얻어냄
◦ 뇌파의 변화를 파형으로 기록, 측정
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뇌에 이상이 생겼을 때에는 특색 있는 파동이 나타
나므로 뇌혈관 장애나 간질 등 뇌의 이상 유무를
진단
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1875년 영국의 생리학자 R.케이튼이 처음으로
토끼 ·원숭이의 대뇌피질에서 나온 미약한 전기
활동을 galvanometer로 기록한 것이 뇌파 최초
의 보고.
이때의 galvanometer는 종이에 출력되는 것이
아닌 거울을 달고 거기에 빛을 쪼여 전위에 따라
거울이 움직이면 그 반사된 빛을 벽에 비추어서
볼 수 있는 장치.
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1903년 Einthoven은 작은 전위에도 민감한
String Galvanometer을 발명.
이로 인해 미세한 크기의 뇌파도 측정 가능해짐.
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아들의 머리에 외상을 입은 환자의 두개골 결손부
의 피하에 2개의 백금전극을 삽입하여 기록.
뇌파가 두피에 전극을 얹기만 하여도 기록될 수 있
다는 것을 관찰.
이것을 심전도(ECG;Electrocardiogram)나 근전도
(EMG;Electromyog ram)와 같이 뇌전도라고 명명.
◦ 그의 공적을 기려 뇌파를 ‘베르거 리듬’ 이라고도 한다.
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사람을 대상으로 한 뇌파 연구는 1920년에 시작.
그의 초기 뇌파 연구에서는 측정용으로 string Galvanometer를 사용.
1926년에는 이중 코일 갈바노메터를 이용하여 실
험, 이 장치와 비분극(nonpolarizable)전극을 이
용하여 사람의 뇌파를 기록, 이를 1929년 처음으
로 보고.
처음의 기록에서는 전두엽과 후두엽에 전극을 부
착하여 단일 채널로 하여 1분에서 3분 정도 뇌파
를 기록하였습니다.
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Harvard University의 Gibbs 부부는 12명의 소
발작 아이들의 연구에서 특징적인 3Hz의 spikewave complex를 발견.
최초로 사람에서 간질파 기록.
이후 간질 연구에서 뇌파를 필수적으로 이용하게
된 계기가 됨.
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EEG Machine 사용
◦ EEG Mahince이란?
 뇌 세포가 활동할 때 생기는
전류에 의한 전위의 차이를 유
도하여 머리표면에 전극을 부
착하여 100만배 정도의 전압
증폭을 하여 뇌파의 변화를 파
형으로 기록, 측정하여 두뇌
상태를 간접적으로 파악할 수
있는 장비
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글리아세포
◦ 시냅스에서 이온, 분자의 흐름을 조정하고 신경세포들 간
의 구조 유지, 지탱, 보수 역할 등을 한다.
◦ 선택적으로 물질을 받아들이는 ‘관문’의 역할도 한다.
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뇌혈관장벽
◦ 뇌혈관 속에 있는 각종 물질 중 필요한 물질만 선별해서
통과시키는 역할.
◦ 모세혈관의 물질 투과성이 더 낮기 때문.
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특징 : 위의 두 종류에 의한 뇌파의 변화는 조금씩
천천히 일어난다.
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신경세포의 흥분의 전도는 Na+,K+,Cl-에 의해 이
루어지므로 뇌의 전기적 활동은 주로 신경세포에
서 이루어짐.
이에 의한 뇌파는 변화가 크고, 빠르며 다양하게
발생한다.
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뇌의 경우 작동기전이 대부분 밝혀져 있지 않아 특
정상태에 대한 이론적인 추정이 어려움
직접적인 임상실험과 분석을 통해서만 의미부여
및 해석이 가능
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사용하는 뇌파 측정기의 측정 가능한 전극수가 많
을수록 동시에 여러 부위의 뇌파의 양상 관찰 가능
보통 측정 가능한 전극수가 적은 경우, 연구목적과
관련 깊은 부분에만 집중적으로 전극을 부착하여
사용하기도 함.
◦ 출처 : http://www.laxtha.com
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생체 신호(Vital Signal)
◦ 심전도(ECG, Electrocardiogram)
◦ 근전도(EMG, Electromyogram)
◦ 뇌전도(EEG, Electroencephalogram)
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델타(δ), 세타(θ), 알파(α), 베타(β), 감마(γ) 파는
편리상 작위적으로 분류한 뇌파의 주파수 영역이
다.
보통 특정상태의 뇌파의 특징을 분석하고자 하는
연구자들은 0~50Hz의 각 주파수 성분에 대한
파워스펙트럼 분포를 먼저 관찰 후, 유의미하게
변하는 주파수 성분을 찾아 의미를 부여하기도
한다.
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α파 (8~12Hz)
◦ 긴장이완과 같은 편안한 상태에서 주로 나타나며, 안정되고
편안한 상태 일수록 진폭이 증가한다.
◦ 일반적으로 규칙적인 파동의 형태로 연속적으로 나타나며,
두정부와 후두부에서 가장 크게 기록되고 전두부에 가장 작
게 나타나는 특성이 있다.
◦ 특히 안정된 알파파가 나타나는 때는 눈을 감고 진정한 상태
에 있을 때이며, 눈을 뜨고 물체를 주시하거나 정신적으로
흥분하게 되면 알파파는 억제된다. 이 현상을 ‘알파 저지’라
고 한다.
◦ 알파파는 뇌의 발달과 밀접한 관계가 있고 유아기에는 4 ~
6Hz에서 측정되나, 그 후 나이가 들수록 주파수도 증가하여
20세 정도 성인의 값에 이르게 된다. 알파파를 유도하여 학
습 및 업무능률향상효과를 얻기도 한다.
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β파(13~40Hz)
◦ 주로 전두부에서 많이 나타나며, 깨어 있을 때, 말할 때
와 같이 모든 의식적인 활동을 할 때 나타난다.
◦ 특히, 불안한 상태나 긴장 시, 복잡한 계산 처리시에 우
세하게 나타나기도 한다.
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γ파(41~50)
◦ 베타파보다 더 빠르게 진동하는 형태로 정서적으로 더
욱 초조한 상태이거나 추리, 판단등의 고도의 인지정보
처리와 관련이 깊다고 보고되고 있다.
◦ 감마파를 이용하여 긍정/부정 의사를 확인하는 특허
같은 것 또한 나와있다.
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Θ파(4~7Hz)
◦ 쎄타파는 정서안정 또는 수면으로 이어지는 과정에서
주로 나타나는 파로 성인보다는 어린이에게 더 많이 나
타난다.
◦ 쎄타파는 기억력, 초능력, 창의력, 집중력, 불안해소 등
많은 다양한 상태와 관련되어 있다고 보고되고는 있으
나, 연구자들마다 실험프로토콜과 피험자 특성이 조금
씩 달라 각 대뇌피질 부위별 증감의 방향이 일치하지
는 않는 등 아직은 표준화된 결과들이 다소 부족한 상
태이다.
◦ 최면상태에서 유도할 수도 있다.
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δ파(0~3Hz)
◦ 델타파는 주로 정상인의 깊은 수면 시나 신생아의 경우 두드
러지게 나타난다.
◦ 만약 깨어 있는 사람에게서 델타파가 평균범위보다 매우 많
이 나타난다면 대뇌피질부위의 악성 종양 또는 마취, 혼수
상태관련 질병일 수 있다.
◦ 만약 건강한 정상인의 경우인데도 델타파가 두드러진다면
뇌파 측정시 눈을 깜박이거나 몸을 심하게 움직인 경우가 대
부분이다.
◦ 이러한 눈움직임이나 몸움직임에 의해 발생하는 잡음
(artifact)의 주파수 영역은 델타파 주파수 영역과 거의 일치
하므로 마치 델타파가 증가한 것처럼 보일 수 있다.
◦ 따라서 보통 장시간 뇌파 측정실험을 할 경우엔 눈움직임과
몸움직임이 필수적으로 발생하므로 보통 델타파의 파워증
감은 분석요소로 고려하지 않는다.
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카파파
◦ Kennedy, gottsdanker, Armington, 그리고 Gray는 사고
와 관련이 있는 듯한 약 10Hz의 파를 발견하였다. 그들은
이 파가 약 30$의 피실험자에게서 방생한다고 보고하였다.
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람다파
◦ Evans와 Gastaut은 인간에서 람다파를 발견하였다.
◦ 이 파는 시각피질 위에서 기록되었는데, 이것은 사람의 시야
에 존재하는 어떤 대상의 움직이는 상으로부터 초래되는 어
떤 형태의 시각반응을 나타내는 것으로 생각된다.
◦ 이 파는 모양잉 삼각형이며 진폭은 20~50uV인데 자극에
대한 반응으로서 150~250~msec 동안 지속된다.
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뮤파
◦ 뮤파는 gastaut가 보고하였으며, 날카로운 정점과 둥
근 음극부위를 가지고 있다.
◦ 이것은 전체 인구중 약 7%의 정상적인 EEG에서 나타나
며, Rolando열 위에서 기록될 수 있다.
◦ 주파수는 보통 9~11Hz이다.
◦ Kochino와 Niedermeyer[15]는 인간이 형태자극을 주
시할 때 뮤파가 증진된다는 것을 발견하였다.
◦ 그리고 이들은 또한 표집된 2,284명의 피실험자중
182명(8.1%)에서 뮤파의 증거가 나타났다고 보고하였
다.
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인간이 휴식을 취할 때 우세한 EEG 리듬의 주파수는
나이에 따라 변화한다.
유아에서는 빠르고 베타파와 유사한 파형이 보이지
만 후두 부위에서는 그 리듬이 그리고 0.5~2Hz의
파형이 주를 이룬다.
아동기에서는 이러한 느린 후두부위의 리듬이 속도
가 빨라지고 청년기에서는 성인의 알파파형이 나타
나기 시작한다.
알파 리듬의 주파수는 혈당 수준, 체론, 부신의
glucocorticoid hormone의 수준이 낮아짐에 따라
감소하며, 동맥의 CO₂분압이 높을수록 감소한다. 그
반대의 상황에서는 증가한다.
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사례1 : 손 동작 & 휴식 시
◦ 김영주, 김종화 외, 동작에 의한 EMG 와 EEG
coherence 연구
◦ 김영주, 김종화 외, 반복 동작으로 유발된 EMG 와 EEG
의 변화
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사례2 : 감정 인식
◦ 심귀보 외, EEG신호의 POWER SPECTRUM을 이용한
사람의 감정 인식 방법
◦ 김승환 외, 청각 자극에 의한 감성 상태의 뇌파에 대한
상관차원 추정
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파워 스펙트럼 법
◦ 파형이 복잡하기 때문에 [파워스펙트럼]법을 사용
◦ 뇌파가 특정 주파수로 진동하는 단순 진동들의 선형적 결
합이라고 가정하고, 이 신호에서 각각의 주파수 성분을
분해하여 그 크기(또는 파워)를 표시한 것
◦ 여러 진동수의 파형들이 중첩된 형태의 뇌파에서 일정 범
위의 진동수 영역을 추출 가능
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ICU 분석법
◦ Independent Component Analysis(독립성분분석)의 약
자
◦ 다양한 독립신호들의 선형 결합으로 나타나는 측정된 신
호에서 독립 신호를 추출, 잡음 제거 가능
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Beam Brain Electrical Activity mapping
◦ 1차원 데이터인 EEG 신호를 2차원적으로 바꾸어주는 시
스템
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알츠하이머 치매와 정신 분열병의 뇌파를 이용한
진단을 위한 연구-연세대 생체 전자기 및 신경 영
상 연구실
◦ 출처
(http://bem.yonsei.ac.kr/BioEST/Kor/research_detai
l/res9.html)
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과학적인 사고단계에서 뇌파의 상관특성
◦ 출처 : DBPIA
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약하게 마취된 고양이의 피질을 통해 적어도 3종
류의 피질 발생기가 있다고 함.
EEG를 일으키는 추체세포는 피질에 수직인 쌍극자
로 생각할 수 있다.
대뇌 피질은 기저선이 훨씬 더 오랫동안 변화되는
것을 비롯하여 훨씬 느린 생물전기 신호를 발생시
킨다. (DC전위) 이는 뇌의 복잡한 흥분과정에 관한
중요한 정보를 담고 있다는 증거를 제시하였다.
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1~2mm정도 떨어진 전극에서도 전기적 활동 양상
의 차이가 나타난다.
뉴런의 활동전위로는 EEG의 기원을 완전히 설명할
수 없다. ( 활동전위가 사라진 깊은 마취에서도 큰
진폭의 EEG가 나옴)
하지만 미세전극을 이용한 단일 뉴런에 대한 실험
에서 EEG의 상당 부분은 활동전위에 의해 영향을
받음을 알 수 있다.
출처: 뇌파의 전기적 모형(이배환 박형준 박용구
손진훈)
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뇌 활동 계측기술의 공학 응용(한국과학기술정보
연구원 이순요)
뇌파 분류에 유용한 주성분 특징(박성철, 이혜경
최승진-포항공대)