[디자인&뇌파] EEG 데이터 수집

 

UC Irvine의 스티브 럭 교수님께서 "깨끗한 데이터의 대체물은 없다"라고 말을 하시고,

IT업계에서도 "Gabage in, Gabage out"이라는 말을 자주 사용한다.

데이터를 분석하기 이전에 데이터가 좋지 않으면, 탁월한 스킬이 있더라도 좋지 않은 재료로 가공을 하는 것과 같다.

따라서 EEG 데이터를 수집할 때, 항상 좋은 데이터를 얻으려는 기본적인 생각 다음에 얻어야한다.

 

 

EEG 데이터 수집

EEG 전극은 두피에 부착이 되어서 수집이 된다.

피부에 전선을 붙일 수 있지만, 전도성 젤이나 크림을 사용한 습식 EEG가 가장 안정적인 데이터를 얻을 수 있다.

일부 금속은 부식 속도가 빨라 데이터 전송 정확도나 속도를 감소시킬 수 있다.

가장 일반적인 습식 전극은 은(Ag)과 은 염화물(AgCl)로 구성된 것으로, 종종 Ag/AgCl 전극이라고 한다.

전근의 젤 없이 피부에 직접 접촉하는 건식 EEG 전극도 있다.

일반적으로 적용이 더 빠르지만 습식 전극에 비해 운동 아티팩트에 더 취약할 수 있다.

(전극, 캡 또는 응답자의 움직임에 민감함; Saab et al., 2011).

 

전극

전극으로 정교한 기록을 얻을 수 있는데, Ag/AgCl 전극은 화학 반응으로 시간이 지나면 노이즈가 많이 일어난다.

따라서 시작하기 전에 전극 품질을 확인하는 것이 좋다.

전극의 색상이 탁하게 보이는 동안에도 기록은 가능하지만, 반짝반짝해야 더 좋은 질의 데이터를 얻을 수 있다.

실험이 끝나면 항상 전극을 부드러운 칫솔과 물로 잘 청소하고, 청소 후에는 알코올(70% 이소프로판올)로 소독해야한다.

 

 

10-20 시스템의 전극의 배치

일반적으로 American Encephalographic Society(1994)와 Oostenveld & Praamstra(2001)가 제공한 10-20 시스템과 10-5 시스템을 활용한다.

전극은 경도와 위도의 10% 및 20% 지점에 배치된다.

• Nasion (Nz): 눈 사이의 코 윗부분에 있는 함몰된 지점
• Inion (Iz): 머리 뒤쪽의 돌출된 부분
  (좌우 귀 앞쪽 지점 입을 벌리고 닫을 때 귀 앞쪽에서 느껴지는 함몰부분)
• A1, A2(두 귀, 좌측 A1/우측 A2)
• Vertex (Cz): 두 귀와 이마 중앙을 연결하는 선상에 위치한 지점
  (뇌의 정중앙, 즉 머리 꼭대기 부분)

 

전극 이름

전극이 위치한 뇌 영역 또는 엽을 나타내는 글자로 이루어졌다.

중앙선과 거리를 나타내는 숫자 또는 문자로 끝난다.

왼쪽 반구는 홀수, 오른쪽 반구는 짝수이다.

중앙선에서 멀어질 수록 숫자가 커지며, 중앙은 "z"를 붙인다.

• Fp = 전두엽 전면
• F = 전두엽
• C = 중심
• P = 두정엽
• O = 후두엽
• T = 측두엽

https://www.biorender.com/template/eeg-electrode-positioning-1020-system

 

10-20 시스템 전극 배치 절차

1. 줄자로 Nasion에서 Inion까지의 세로 거리를 측정한다. (예: 38cm)
2. 피부에 해가 끼치지 않는 수성 멸균 마커로 중심을 표시한다. (38/2 = 19cm)
3. 오른쪽에서 왼쪽 귀 앞쪽 지점까지의 수평 거리를 측정한다. (예: 30cm)
4. 표시된 위치가 절반과 교차하는 곳을 표시한다. (30/2 = 15cm)
5. 교차되는 곳은 10-20 시스템의 중심(Cz)이다.
6. 전극 배열(캡, 스트립, 헤드밴드 등)을 Cz에 맞춰 배치하고, 다른 전극을 확인한다.

 

최적의 전극 수

EEG 실험에 최적의 전극 수는 없다(Luck(2014), Michel et al(2004)).

전극의 수와 배치는 기존 결과와 발견에 따라 달라질 수 있다.

• 깊은 이해를 위한다면: 64채널 (MRI 기록과 함께 할 때)
• 일반적으로: 32채널 이하
• 더 깊은 연구를 위한다면: 128채널 (많인 시간 소요 예상)

 

전극 분포

• 두피 전체에 전극을 고르게 배치한다.
  • 두피 전체에 전극을 고르게 배치하면 더 보다 대표성 있는 결론을 도출할 수 있다(Michel et al., 2004).
    (대표성: 표본이 전체 집단을 잘 반영하는 정도. 표본이 대표성이 있으면, 전체 집단의 특성을 예측하거나 추론할 수 있음)
    
  • 문헌이나 이전 연구에서 특정 EEG 패러다임의 가장 강한 효과가 왼쪽 전두엽에서 기대된다고 할지라도, 왼쪽 전두엽에만 몇 개의 전극을 배치하고 다른 영역을 무시해서는 안 된다.
• 합리적인 수의 전극을 사용하고 다른 영역에서도 기록한다.
  • 이로 인해, 이팩트와 잡음을 구분할 수 있다.
  • 뇌 활동 변화는 관심 있는 전극에만 영향을 미칠 수 있지만, 잡음은 전극 위치와 상관없이 모든 전극에서 나타날 수 있다.

 

접지 전극과 기준전극

EEG는 여러 전극에서 얻어진다.

하지만 단일 지점(예: Cz)에서는 전압은 존재하지 않는다.

전기는 흐름이기 때문이다. (배터리의 +와-가 있는 것과 같은 개념)

 

따라서, 전위 차이를 측정하는 접지 전극과 기준 전극이 필요하다.

두 종류의 전극은 신호의 안정성과 정확성을 보장하기 위해서 사용된다.

 

접지전극(G)

EEG 전압은 Cz와 같은 전극과 접지 전극 간의 전위(또는 전류)를 반영한다.

Cz와 G의 전압 차이를 계산한다.

• Cz -G

접지 전극은 증폭기의 접지 회로에 연결되어 있기 때문에 접지 전극에서 항상 전기적 잡음이 포함되어있다.

따라서, 기준전극(R)이 필요하다.

 

기준전극(R)

증폭기는 Cz와 접지 전극(Cz – G)과 기준 전극과 접지 전극(R – G) 간의 전위를 기록한다.

Cz와 기준 전극간의 차이를 계산한다.

이를 바탕으로 증폭기는 Cz와 기준 전극 간의 차이를 계산한다.

• [Cz – G] - [R – G] = Cz – G – R + G
• G는 상쇄 --> Cz – R (접지 전극은 존재하지 않는 것처럼 계산됨)

따라서 증폭기의 출력은 기록 지점(Cz)과 기준 전극 간의 전기적 전위이다.

 

 

접지 전극과 기준 전극의 위치?

기준 전극의 위치에는 정해진 최적의 위치가 없다.

기준 전극의 선택은 모든 전극의 절대 전압에만 영향을 미치고, 상대적인 전압에는 영향을 미치지 않는다.

(기준 전극의 위치를 바꾸더라도 스칼프의 전압 분포는 그대로 유지된다(Michel et al., 2004).

 

일반적인 위치는?

접지전극 (Ground Electrode, G)

• 목적
  • 신호의 기준이 되는 전극으로, 뇌파 신호를 기록하는 전극들과 차이를 비교할 때 사용된다.
  • 전기적 안정성을 유지하기 위해 전극간의 전위 차이를 정확하게 측정할 수 있도록 한다.
• 위치
  • 보통 귀 뒤나 이마에 배치된다.
• 기능
  • 신호의 상대적 차이를 나타낸다.
  • 신호를 측정하는 각 전극은 접지 전극을 기준으로 전위를 계산한다
  • 접지 전극의 전위는 기준점으로 설정되어서 아티팩트(노이즈나 외부 간섭)을 최소화하는 데 도움을 준다.
  • 실제로 뇌의 전기적 활동을 측정하지 않지만, 전극의 전기적 기준을 제공하기 때문에 측정값을 더 신뢰할 수 있도록 한다.

 

기준전극 (Reference Electrode, R)

• 목적
  • EEG 신호를 측정할 때 비교 기준점 역할을 한다. 두 전극 간의 전위 차이를 측정할 때 기준 전극은 기준 위치로 사용된다.
• 위치
  • 정수리(Cz)나 귀 뒤(A1, A2), 어깨 등에 배치된다.
    • 단일 기준 전극 (전통적)
      • 하나의 기준 전극을 선택하고 다른 모든 전극은 이 기준 전극과의 전위 차이를 측정한다.
    • 다중 기준 전극 (최근)
      • 여러 기준 전극을 사용하여, 모든 전극의 평균 전위가 기준으로 사용된다.
• 기능
  • Cz와 A1 전극 간의 전위 차이를 측정한다고 할 때, A1이 기준 전극이 된다.
  • 기준 전극은 단일 지점에서 전압을 기록하지 않고, 다른 전극들과 차이를 비교한다.

 

요약하자면?

• 접지 전극:
  • 전기적 안정성 제공, 외부 잡음 차단, 신호의 기준점.
  • 외부 전기적 간섭을 차단하고 시스템의 전기적 기준(영점)을 설정할 때 사용한다.
• 기준 전극:
  • EEG 신호를 기록할 때 비교 기준 역할, 다른 전극들과의 전위 차이를 기록. 
  • EEG 신호를 측정하는 기준으로 사용되고, 전극들 간의 전위 차이를 바교할 때 사용한다.
  • 신경 활동을 반영하지 않고, 뇌파 신호의 상대적 차이를 기록한다.

 

 

10-10 시스템과 10-5시스템

10-20 시스템은 20%의 간격으로 배치되었다면, 10-10과 10-5는 10%와 5%의 간격으로 EEG 전극이 배치된다.

더 세밀하고 전극들이 밀접하게 배치되기 때문에 정밀한 고해상도의 뇌파 측정이 가능하다.

하지만 전극이 많아진다고 해서, 매우 질 좋은 데이터를 수집하는 것이 아니다.

 

https://www.researchgate.net/publication/323280362_FNIRS_Optodes%27_Location_Decider_fOLD_A_toolbox_for_probe_arrangement_guided_by_brain_regions-of-interest/figures?lo=1

 

 

References

https://go.imotions.com/eeg-guide

https://www.ternimed.de/EEG-Electrode-arrangement-according-to-the-international-10/20-system

https://www.researchgate.net/publication/323280362_FNIRS_Optodes%27_Location_Decider_fOLD_A_toolbox_for_probe_arrangement_guided_by_brain_regions-of-interest/figures?lo=1 

https://www.biorender.com/template/eeg-electrode-positioning-1020-system https://blog.naver.com/m3065615/221520267500