[디자인&뇌파] EEG 측정의 기초와 뇌 영상 기법 종류

 

비침습적 기법을 활용한 EEG 측정

뇌가 만드는 전기 활동을 기록하기 위해서 침습적, 비침습적 기법을 활용한다.

두개골을 열지 않고도 측정가능한 비침습적 기법을 활용한 EEG를 설명한다.

• 침습적(invasive): 주사, 수술 등 몸을 통과하는 행위
• 비침습적(non-invasive): 몸을 통과하지 않는 행위

전극(센서)을 두피 표면에 배치하고 전기 신호 데이터를 기록한다.

이전 글에 말했던 것처럼, 피질에 배치된 뉴런들은 피라미드 구조로 배열이 되어있기에 안정적으로 신호를 얻을 수 있다.

 

EEG는 1920년대 독일 신경학자 한스 베르거(Hans Berger)가 인간에게 저비용, 비침습적, 수동적인 기록 방식으로 처음 적용하였다.(Jung & Berger, 1979)

 

 

시간해상도 (Time Resolution)

EEG는 다른 이미징 기법이나 순수 행동 관찰 기법과 비교했을 때보다 나은 장점인 "시간 해상도"가 있다.

 

시간해상도를 통해 일 초 내에 여러 전극으로부터 수백~수천 장의 전기 활동의 스냅샷 촬영이 가능하다.
따라서 행동의 기저가 되는 인지 및 감정적 처리의 시간 경과를 정확하게 연구하는 기술로 자리 잡았다.

 

EDA(Electrodermal Activity)이나 GSR(Galvanic Skin Response)와 같은 다른 생리학적 기록은 몇 개의 전극만 필요하다.

반면에, EEG 기록은 10개에서 500개 이상의 다양한 센서 배열을 사용하여 수행된다.

따라서, 빠르게 착용할 수 있는 탄성 캡이나 매쉬, 고정 격자에 장착되어서 동일한 위치에 일관된 데이터를 수집할 수 있도록 한다.

• EDA (Electrodermal Activity): 전기 피부 활동으로, 피부의 전기적 변화를 기록한다. 땀샘에 의해 발생하는 피부 전도도 변화로 감정적인 상태나 신체적인 각성 상태 등을 파악할 때 활용한다.
• GSR (Galvanic Skin Response): 전기 피부 반응으로, 피부의 전기 전도도가 자극에 반응하여 변하는 정도를 측정하는 방법이다. EDA와 거의 같은 의미로 사용되지만, GSR은 스트레스, 긴장, 공포 등 심리적인 상태를 감지하는데 유용하다.

높은 시간 해상도

 

 

증폭기 (Amplifier)

전기 신호가 미세하기 때문에, 기록된 데이터를 디지털화한 다음 증폭기로 전송하여 데이터를 기록한다.

EEG 시스템은 전극 수, 기록 품질, 디지털화 품질, 증폭기의 품질, 샘플링 속도에 따라서 가격이 달라진다.

샘플링 속도가 높은 EEG 시스템일수록 비싸지며, 그만큼 품질이 보장된다.

 

데이터를 증폭한 다음, 전압 값을 시계열로 표시할 수 있는데 100년 전에는 종이에 플롯 했다.

임상 환경에서의 EEG 기록은 여전히 종이 기반으로 이루어지기도 한다.

하지만 대부분의 학문적 및 상업적 연구에서는 컴퓨터 화면에 전압을 연속적인 값으로 표시되어 기록된다.

• 시계열(Time series): 시간의 흐름에 따라, 순차적으로 기록된 데이터

 

일반적인 증폭기(google image)와 EEG 전극 증폭기(Laxtha의 QEEG-32FX)

 

시계열 (time series)

시계열(time series)은 시간의 흐름에 따라 순차적으로 기록된 데이터를 의미한다.

즉, 특정 시간 간격으로 측정된 값들이 시간 순서대로 나열된 데이터이다.

시계열 데이터는 시간에 따라 변화하는 패턴을 분석하여 미래를 예측하거나, 특정 현상의 원인을 이해하는 데 사용된다.

• 예: 날씨 데이터(기온, 강수량, 습도 등), 경제 데이터(주식, 주가, GDP 등), 의료 데이터(ECG-심전도, EMG-근전도, EEG-뇌파)

시계열 데이터는 대표적으로 ARIMA(통계모델)이나 LSTM(머신러닝모델)을 활용해서 예측, 이상 감지, 주기 패턴 분석 등을 한다.

시계열 데이터로 추세, 계절성, 순환성, 불규칙성 등을 알아낼 수 있다.

• 추세 (Trend): 시간이 지남에 따라 증가하거나 감소하는 경향을 보이는 데이터의 장기적 변화
• 계절성 (Seasonality): 일정한 주기(예: 매년, 매달)로 반복되는 패턴을 가진 데이터의 특징
• 순환성 (Cycle): 계절성보다 더 긴 주기로 나타나는 변동성으로, 예를 들어 경기 순환과 같은 불규칙한 주기
• 불규칙성 (Irregularity): 예측할 수 없는 임의의 변동으로, 예기치 않은 사건이나 외부 요인으로 인해 발생하는 변동

 

 

뇌 영상 기법 종류와 EEG의 비교

• 자기뇌파계 (Magnetoencephalography, MEG)
  • MEG는 신경 활동에 의해 생성된 자기장을 기록한다.
  • EEG와 마찬가지로 MEG도 뛰어난 시간 해상도를 가지고 있고, EEG보다 더 깊은 신경 활동을 포착할 수 있다.
  • MEG 스캐너는 크고 고정되어 있으며, 비용이 많이 들고 많은 기술적 유지 보수 및 훈련이 필요하다.

• 양전자 방출 단층촬영 (Positron Emission Tomography, PET)
  • PET는 방사성 핵종의 붕괴로 인해 발생하는 감마 방사선을 이용하는 핵 영상 기법이다.
  • 수집 방식이 감마 방사선을 활용하기에 아티팩트(잡음)에 덜 민감하다.
  • 하지만, EEG같이 높은 시간 해상도를 제공하지 못한다.
  • PET를 통해 인지 활동 중 신경의 대사 활동(예: 포도당 대사)을 모니터링할 수 있다.
• 기능적 자기공명영상 (Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)
  • fMRI는 신경 활동의 변화와 관련된 혈류 변화를 측정한다.
  • 신경 활동이 증가하면 산소가 필요하기에 산소가 혈액에 의해 전달되고 산소화된 혈액은 비산소화된 혈액과 다른 자기적 특성을 가지고 있다.
  • fMRI는 이 특성을 이용해 수소 원자의 자기장 왜곡도 측정한다.
  • fMRI는 우수한 공간 해상도를 제공하는 반면, EEG의 시간 해상도는 부족하다.

MEG: https://www.youtube.com/watch?v=uwxR3wEeZnM

 

PET: https://www.youtube.com/watch?v=FU6DmvQWFbs

 

fMRI: https://www.youtube.com/watch?v=BmQR57V5TVU

 

 

 

References

https://go.imotions.com/eeg-guide, https://www.youtube.com/watch?v=uwxR3wEeZnM, https://www.youtube.com/watch?v=FU6DmvQWFbs, https://www.youtube.com/watch?v=BmQR57V5TVU, google image