뇌파의 측정과 파형분석

[忘憂法常]

뇌파의 측정과 파형분석 (출처; 2015.06.17 13:34 - 두막이)

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바로 다음 포스팅으로 넘어가도록 하겠습니다. 

이번에는 뇌파의 측정과 파형의 분석입니다. 전자공학도로서 일반 전류의 파형을 보는 것은 죽도록 해왔지만, 아주 미세한 증폭시킨 뇌파의 파형은 과연 어떻게 나타나는지 

저도 궁금하네요. (그렇게 안궁금한건 함정 )

그럼 바로 시작하도록 하겠습니다.

" 뇌전도를 측정하기 위한 측정 전극 "

먼저, 뇌파를 측정하기 위해서는 당연히 측정전극이 필요합니다. (일반 전류처럼 멀티미터로 측정이 된다면 얼마나 좋을까 싶지만 엄청 아프겠죠 ) 

 EEG 전극은 대뇌조직으로 부터의 이온전류를 EEG 전치 증폭기에 사용하는 전류로 변형시키는 역할을 합니다.

공통적으로 표면전극으로는 주로 Ag-AgCl 전극을 사용하며,  전극의 종류에는 클립전극, 바늘전극, 인두전극 등 다양하게 있지만, 크게 습식전극과 건식전극으로 구분할 수 있습니다.

습식전극 :  전위차(뇌파 측정 신호)를 보다 분명하게 측정하기 위해서 전해질(전극풀, 식염수 등)을 사용하여 측정하는 전극

건식전극 : 전해질 없이 사용자의 두개골에 직접 접착할 수 있는 전극

아무래도 습식전극보다는 건식전극이 사용자가 활용하는데 거부감이 덜 들지 않을까 생각합니다. 측정 후에  머리에 남은 전해질을 제거하기 위해 다시 머리를 감아야 할테니.... 생각만해도 끔찍하네요  

최근 기술의 발달로 새로운 형식의 건식전극 및 고분자 물질을 활용한 전극(관련기사 : http://www.dongascience.com/news/view/6115) 등이 많이 개발되었지만, 국내 측정전극의 정확도는 확신할 수 없는 것이 함정 (그렇다고 외국 제품도 100% 신뢰할 수 있다고는 할 수 없다네요. 누굴 믿어야 하는것인가 )

그래도 측정을 하지 않을 수는 없으니 조금 더 신뢰성 있는 EEG 건식 전극 알아봐야 할 것 같습니다.

이렇게 측정 방법 이외에 측정 부위, 목적 및 전기적인 특성에 의해 전극을 분류하기도 합니다. 

스칼프(scalp)전극 : 민둥산처럼 둥근 모양의 전극으로 실버패드/디스크/컵, 스테인레스 봉 및 연화은 선으로 제작

스피노이드(sphenoidal)전극 : 쐐기모양의 전극으로, 교대로 절연된 은과 나선 및 염화막이 입혀진 팁을 바늘로 근육조직을 통해 삽입

나소퍼린지(nasophryngeal)전극 : 첨단부에 은공이 달려있는 은봉을 코를 통하여 삽입

피질접촉(electrocorticographic)전극 : 대뇌피질에 직접 전극을 접촉시킬 수 있는 전극

대뇌삽입(intracerebal)전극 : 대뇌피질내로 직접 전극을 삽입시킬 수 있는 전극으로서 테프론으로 피막처리된 금이나 백금선으로 제작

뇌파의 정확한 신호를 측정하기 힘든 만큼, 다양한 종류와 목적의 전극이 있습니다. 전극을 통해서 받은 전류로 상태를 파악하기 위해서는 간단하게 측정할 수 있지만, 정확한 결과값을 내는 건식전극을 개발하거나, 사용하는 것이 최고 ! 이에 관한 연구와 특허는 아직도 활발히 진행 중에 있습니다.

"EEG신호측정 전극배열"

다음은 EEG 신호 측정 전극 배열입니다.

가장 널리 사용하는 신호 측정 전극 배열은 “10-20 EEG 전극배열”로 머리를 코/외후두융기/좌우의 귀와 같이 네 개의표준점을 기준으로 나눈 다음, 유연성 테이프자로 위치를 측정하여 이 길이의 10%/20%/20%/20%/20%/10% 위치를 표시하고, 정점에 설치하는 전극을 포함하여 한 개의 접지전극과 19개의 측정용 전극을 각 지정위치에 설치하는 방법입니다. 해당 측정 부위에 모두 전극을 달면, 아래와 같은 그림이 되겠네요.

<10-20 EEG 전극배열>

측정하기 싫 ....  게 생겼네요. 저희가 원하는 건 부분적인 뇌의 파형을 추출해 내는 것이고, 따라서 이를 위한 DB를 수집하기 위한 부분에만 선택적으로 전극을 붙일 수 있도록 설계 해야 되겠습니다. 예를 들면, 심리적 상태 및 쾌적성 평가를 담당하는 전두엽의 2채널만 측정을 해서 게임 중독 등의 이유로 전두엽의 기능 저하를 측정한다거나, 조금 더 크게  봐서  뇌의 전반적인 부분을 크게 보아 16~36채널 정도만 사용해도, 전반적인 사용자의 심리 상태를 파악하기 위한 기본적인 데이터는 받을 수 있을테니까요. 

 

"뇌전호(EEG) 전위측정"

전위의 측정은 아래 그림과 같이 단극측정과 쌍극측정 방법이 있습니다. 

 

<전극배열에 따른 측정신호의 변화>

간단하게(정말 간단하지는 않지만 ) 단극배열은 공통 중성점에 대해 각 프로브들의 출력전압 특성을 측정할 수 있는 반면 쌍극배열은 두 프로브 사이의 전위차이를 측정합니다. 그림에서 알 수 있듯이, 단극 측정을 통해서는 각 프로브에서 발생하는 전위만을 측정할 수 있는 반면 쌍극측정을 통해서는 신호원의 위치를 추적할 수 있다고 합니다.

조금 더 자세하게 들어가 보겠습니다. (각 부분의 신호 측정을 위해서 반드시 숙지해야 하는 정보임에 )

이를 정확하게 이해하기 위해서는 먼저 계측증폭기(INA128 등)의 동작원리를 이해해야 합니다. 즉 계측증폭기는 센서(일렉트로이드 : 사용자에게 부착하는 1회용 측정 전극 등)로 부터 입력되는 신호(+/-)에서 같은신호(동상신호)는 제거 되고, +, -단의 상이한 신호만을 증폭하는 역할을 합니다. 이와같은 방법으로 사용하는 것이 쌍극법이며, 단극법은 +단은 공통접지(GND) 또는 레퍼런스로 기준 신호를 정하고, - 단으로부터 들어오는 신호를 증폭하는 역할을 합니다. 그러므로 쌍극법은 잡음 등에 강하며, 단극법은 잡음에 약한 특징을 가지게 됩니다. 단극법은 잡음까지도 증폭하게 되기 때문입니다. 그러나 단극법은 센서 부착 위치의 뇌파 원형신호가 그대로 측정되는 반면에 쌍극법은 같은 뇌파는 제거 되어 측정이 됩니다.  그러나 두뇌 위치에서의(두 지점의) 뇌파 정도 차이를 보는데에는 쌍극법이 유용합니다.

정리해보면,

단극법 : 센서 부착 위치의 뇌파 원형신호가 그대로 측정  →  부착 위치 뇌파 신호의  정확성

쌍극법 : 잡음 등 노이즈에 강함 → 전반적인 뇌파 신호의 완전성

따라서, 어느 방법이 꼭 더 좋다기 보다는, 해당 전위 측정 방법은 원하는 용도에 맞춰 사용할 수 있는 안목이 있어야 될 것입니다.

<단극법과 쌍극법의 뇌파 측정과 그에 관한 뇌파 측정 결과 값의 비교>

"EEG 신호전압의 진폭 및 주파수대역에 따른 파형"

앞서 작성한 블로깅(뇌전도 기본과 정상뇌파의 구분 http://blog.naver.com/haejin5446/220360218112)에서  간단하게 설명했듯이 뇌파의 파형을 분석해 보면, 

파장에서 기본적으로 나오는 주파수에 따라 영역을 나누어 각각의 이름을 명한것을 볼 수 있습니다.  우선적으로 약한 EEG 신호를 측정하기 위해서는 높은 이득과 내/외부 잡음제거 특성을 갖는 입력전치증폭기가 필요하며, 각각의 뇌파는 다음과 같이 측정할 수 있습니다.

α-파 : 불면상태에 있는 사람의 두뇌 후부에서 발생한다.

β-파 : 고도의 불면상태와 비동기화 패턴에 의해 발생한다.

γ-파 : 주의력이나 감각자극에 의해 발생한다.

θ와 δ-파 : 수면상태를 나타낸다. 

 

beta	13~30Hz	측두 및 전두부
alpha	8~13Hz	후두부
theta	4~8Hz	소아, 취침중인 성인
delta	0.5~4Hz	태아, 취침중인 성인
스파이크	3Hz	간질환자

EEG 변화는 수면패턴에 의해 극단적인 변화를 보이며, 알콜중독, 약물중독, 폭력, 분노 등에 의해서도 EEG 파형이 급격하게 변하는 것을 관찰할 수 있습니다.  

그렇다면 이러한 파장을 어떻게 얻어 낼 수 있는 건가 ...... 에 대해서 심각하게 오랫동안 고민하였습니다. (참으로 어이없게도 모두 따로 측정하는지 알았다능 )

결론은 뇌파 샘플링 원본을 특별한 처리 없이 센서로 바로 뇌파 시그널 원본을 읽고, 뇌파(EEG) 주파수 구간별로 강도를 주파수 대역에 서로에 대한 상대값을 추출하는 방식으로 각 파장을 측정합니다. 아래는 뇌파의 주파수 구간별 강도에 대한 추가 설명입니다. 

- Brainwave Bands -

뇌파(EEG) 주파수 구간별 강도 (delta, theta, alpha, beta, gamma) 

주파수 대역 서로에 대한 상대값 1Hz (초당 1회 측정되는 값) 

# Delta: 1-3Hz 

# Theta: 4-7Hz 

1Hz (초당 1회 측정되는 값) 수면 상태에서 주로 나타나는 초 저주파 각성 상태에서 나타날 경우 뇌에 물리적인 충격이나 결손을 나타내는 것으로 추정 몸 동작이 인위적인 델타파를 만들 수도 있으나, 확실치 않음. # Alpha1: 8-9Hz # Alpha2: 10-12Hz  1Hz (초당 1회 측정되는 값) 휴식이나 자유로운 상태와 연관된 저주파 성분 평화로운 이미지를 떠올리면 눈을 감으면 증가 전두엽이나 후두엽 쪽에서 측정 가능. 마리화나를 피우면 확 증가한다고... # Beta1: 13-17Hz # Beta2: 18-30Hz 1Hz (초당 1회 측정되는 값) 작고 빠른 파형으로 집중력과 연관되고 뇌 중앙과 앞쪽에서 잘 관측됨  억눌리거나 저항하는 상태, 수학문제를 풀 때 베타파가 증가함  알콜 등에 의한 흥분상태에서 잘 나타나는 듯? # Gamma1: 31-40Hz # Gamma2: 41-50Hz 1Hz (초당 1회 측정되는 값) 의식, 지각 능력을 반영 베타파와 감마파가 주의력, 지각력, 인식력에 연관되어 있다. 

# Raw Output : 뇌파 샘플링 원본 (512Hz) 

특별한 처리 없이 센서로 읽어들인 뇌파 시그널의 원본

<NEUROSKY 라이브러리에서 제공하는 데이터 타입 종류 및 설명 발췌> 

 

"EEG 측정기의 구성"

 EEG 시스템은 환자의 두피에 설치된 20개의 전극으로부터 앞서 정의된 다양한 유형의 전위신호를 추출하며, EEG 기록계는 다음과 같은 요소들로 구성됩니다. 

시각자극/청각자극/감각자극 등의 트리거 입력장치

전극 및 채널선택기

차동형 입력신호 전치증폭기와 각 대역별 필터링 회로

기록계 및 모니터링 장치

전체 시스템을 통제하는 마이크로프로세서

시스템의 동작을 검사하기 위해 보정신호를 전극스위치 선택기에 연결합니다.  만약, 판독 눈금이 정격 내에 들어와 있지 않으면 증폭 시스템을 다시 조정하는 방식으로 진행되며, 전형적인 임상용 EEG 측정기는 8, 16 혹은 18개의 채널로 구성됩니다. 8개 채널이 가장 일반적인 것으로 20개의 두개전극으로부터 8개의 선택스위치를 통하여 신호를 기록하는 것을 기본으로 하고 있습니다.

신호의 측정을 위해서 해당 측정 부위와 관련된 자극이 필요하며, 이에 발생되는 유발전위의 차 혹은 전류를 측정하여 기록계에 출력하게 됩니다. 지금은 요소 정도를 알아보는 정도로 구성을 가름하고, 앞으로 연구하게 될 EEG 측정 PCB 보드의 회로도와 관련된 포스팅을 진행할 때, 조금 더 자세히 알아보도록 하겠습니다. 

개인적인 스터디와 포스팅을 겸해서 작성하다 보니, 누락된 부분이 많음을 느낍니다. 

보다 상세하게 정리하기 위해서 좀 더 열심히 ! 자료를 수집해야 겠습니다. 

기본적인 뇌파 파형을 보기 위해서 뉴로스카이의 MindWave Starter Kit을 구매하였는데, 

도착하는데로 이를 함께 사용해 가며 소스 코드와 함께 듀토리얼을 한글로 만들 예정입니다.