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문제 정의
- 본 연구에서는 수술 중 계측된 뇌파의 스펙트럼 분석 파라미터중 환자의 진정 수준을 반영 한다고 알려진 SEF의 유효성과 임상적용의 한계를 확인하고 이러한 임상 적용의 한계를 극복하기 위하여 새로운 파라메미터를 도출하고자 한다. 이를 위해 바이스펙트럼 분석을 통해 새로운 파라미터를 도출하고 얻어진 파라미터로 지표를 주줄하여 그 유용성 을 확인 하였다.
- 이러한 파라미터들 중 환자의 진정 수준상태와 높은 연관성 이 있는 SEF(Spectral Edge Frequency)와 본 연구에서 개발한 바이스펙트럼 파라미터를 비교 . 분석하여 마취심도 판별을 위한 새로운 분석 파라미 터 지 수를 검 줄하고자 한다. SEF 정의는 전체 누적파워스펙트럼에 대하여 하위 주파수의 파워스펙트럼 누적 합이 전체 파워스펙트럼의 95%를 넘어서는 지점의 주파수를 의미한다.
- 높은 신뢰를 받지 못하고 있다. 이를 극복하기 위하여 뇌파의비선형성을 표현할 수 있는 바이스펙트럼 분석을 통해 새로운 지표 개발을 시도하고자 하였다. 이를 위해 2차원 맵을 통해 바이스펙트럼 분석이 마취 단계별로 특성화된 양상으로 나타남을 확인함으로써 바이스펙트럼 분석의 유용성을 검증 하였고, 실제 마취 지표를 개발하기 위하여 최상위 파워 스펙트럼 밀도 분포 자료를 동시에 수집 하였다.
제안 방법
- 위 와 같은 다양한 제 약 요소들로 인하여 수술 전 비교 데 이 터 계측을 위하여 수술 1일 전 병실 대기 중인 환자로부터 수술전 데이터를 계측하였다. 각성 단계의 환자 역시 회복단계에서의 손 떨림과 같은 다양한 계측 방해 요소가 존재하여 회복실 계측 역시 용이 하지 못하므로 수술 1일 후 병실 대기 중인 환자로부터 계측 한다. 본 실험에서 계측된 수술 전, 중, 후의 데이터는 위에 기술된 것과 같이 불연속적으로 획득된 데이터를 이용하여 실험을 하였다.
- 계측된 뇌파 신호는 생체 신호 처리에 많이 사용되어지고 있는 기저선 보정 (base line correction)과 선형성분 보정(Linear detrend)등의 두 가지 전 처리 과정을 수행하였다. 기저선 보정은 계측 신호에 내재된 오프셋 전압값을 제거하기 위해 사용하였다.
- 이 때매 5초 간격의 분석 마다 최고 PSD(power spectrum density) 값을 보인 상위 10개의 피크값를 저장하고, 분석 종료 후 전체 피크의 출현 빈도를 각성과 마취 중으로 구분하여 그 피크 출현 분포의 유의 성 을 관찰 하였다. 관찰된 전체 피 크 분포양상을 근거 로 마취와 각성 두 단계에서 최다 빈도를 보인 피크 10개 좌표를 각각 추출하여 각성 좌표 지점의 PSD합과 마취 중 좌표지점의 PSD 합의 비교를 통해 인덱스 연산을 실행하였다.
- 6 ㎎/㎏ 1회 정 맥주사를 하였다. 그리고 흡입 마취제인 enflurane을 투여하기 위해 기관내 삽관을 시 행 하고, 비 탈 분극성 근이 완제 인 vecuronium을 45분마다 투여 하였다. 수술 중 enflurane 농도는 1.
- 본 연구에서 실험 환자들 에게서 거의 동일한 위치에서 피크 출현 현상을 보임으로써 유의한 특성을 관찰할 수 있었다. 따라서 이 피크 출현 정보를 인덱스 추출에 이용하여 마취 심도를 평가 하였다.
- 본 논문에서는 바이스펙트럼 분석을 통해 분석된 데이터를 맵형 태로 출력 하여 변화 양상을 2차원적 인 형 태 로 관찰하였다. 이 때매 5초 간격의 분석 마다 최고 PSD(power spectrum density) 값을 보인 상위 10개의 피크값를 저장하고, 분석 종료 후 전체 피크의 출현 빈도를 각성과 마취 중으로 구분하여 그 피크 출현 분포의 유의 성 을 관찰 하였다.
- 분석을 실행 하였다. 본 연구에서는 실시간 (매 5초)으로 비선형 바이스펙트럼 분석을 실행하였고, 그 결과를 2차원 맵의 형태로 출력 하였다. 마취 진행 단계에 따른2차원 맵은 주요 마취진행 과정, 즉 수술전(각성상태), 수술중(마취중), 수술후(각성상태)의 상태를 잘 반영 하는 것으로 관찰되어 졌다.
- 선형 분석 결과를 토대로 하여 보다 많은 뇌파의 비선형 요소를 고려한 분석을 실행하기 위하여 비선형 분석 기법의 하나인 바이스펙트럼 분석을 실행 하였다. 본 연구에서는 실시간 (매 5초)으로 비선형 바이스펙트럼 분석을 실행하였고, 그 결과를 2차원 맵의 형태로 출력 하였다.
- 12명 환자 전체에 대해 매 5초 간격으로 실행된 바이스펙트럼 분석에서 최상위 파워스펙트럼 밀도 10개 좌표의 출현 빈도를 통합한 결과이다. 수술 전·후의 상태는 각성으로 통합 처리 하였다.
- 하여 수술 전, 수술 중, 수술 후 의 3단계 로 구분 한다. 수술 중 마취 단계의 진행은 입회한 마취 담당의의 시술 중구두 선언에 따라 진행 하며 그에 따라 뇌 전위 계측을 수행하고, 수술 진행 상황을 기록하였다.
- 또한뇌파검사에 심리적 거부감을 나타내지 않는 환자를 대상으로 한다. 수술실에 도착한 환자는 순간적인 의식소실을 목적으로 Thiopental sodium 4 ㎎/㎏을 투여하고, 기관내 삽관을 용이하게 시행하기 위해 속상수축 근이 완제 인 succinylcholin 0.6 ㎎/㎏ 1회 정 맥주사를 하였다. 그리고 흡입 마취제인 enflurane을 투여하기 위해 기관내 삽관을 시 행 하고, 비 탈 분극성 근이 완제 인 vecuronium을 45분마다 투여 하였다.
- 수술전-마취중-수술후 전기간에 걸쳐 매 5초 간격으로 바로 직전 5초의 데이터를 포함하여 10초간 데이터를 SEF와 바이 스펙트럼 분석을 하였다. 파워스펙트럼 밀도 분석 파라메터인 SEF 파라미터를 기준으로 바이스펙트럼의 2차원 파워스펙트럼 밀도 맵과 최상위 10개의 PSD 피크 좌표 데이터를 인덱스 추출을 위하여 저장 .
- 이러한 이 유로 수술 직 전의 다양한 사전 처 치 등이 안정 적 인 뇌 파 계 측에 많은 장애 요소로 작용 하게 된다. 위 와 같은 다양한 제 약 요소들로 인하여 수술 전 비교 데 이 터 계측을 위하여 수술 1일 전 병실 대기 중인 환자로부터 수술전 데이터를 계측하였다. 각성 단계의 환자 역시 회복단계에서의 손 떨림과 같은 다양한 계측 방해 요소가 존재하여 회복실 계측 역시 용이 하지 못하므로 수술 1일 후 병실 대기 중인 환자로부터 계측 한다.
- 수술후(각성상태) 상태에서는수술 전과 유사하게 파워스펙트럼 밀도 분포는 전구간 1 ~ 32Hz에 걸쳐 나타나고 주요 짙은 적색으로 나타나는 피크는 10, 10Hz 주파수 좌표 이상의 구간에서 주로 출현하고 있음을 확인할 수 있다. 위와 같은 유의한 파워 스펙트럼 밀도 분포의 변화를 정 략적으로 나타내기 위하여 각 단계별 주요 피크(짙은 적색으로 나타난)10개를 데이터 분석 시 함께 별도로 저장하였다. 본 연구에서 실험 환자들 에게서 거의 동일한 위치에서 피크 출현 현상을 보임으로써 유의한 특성을 관찰할 수 있었다.
- 태로 출력 하여 변화 양상을 2차원적 인 형 태 로 관찰하였다. 이 때매 5초 간격의 분석 마다 최고 PSD(power spectrum density) 값을 보인 상위 10개의 피크값를 저장하고, 분석 종료 후 전체 피크의 출현 빈도를 각성과 마취 중으로 구분하여 그 피크 출현 분포의 유의 성 을 관찰 하였다. 관찰된 전체 피 크 분포양상을 근거 로 마취와 각성 두 단계에서 최다 빈도를 보인 피크 10개 좌표를 각각 추출하여 각성 좌표 지점의 PSD합과 마취 중 좌표지점의 PSD 합의 비교를 통해 인덱스 연산을 실행하였다.
- 이 피크 정보를 이용하여 환자의 마취 상태를 반영하는 새로운 지표 추출을 위하여 바이 스펙트럼 분석 중 저장된 주요 파워 스펙트럼 밀도피크좌표 데이터의 출현 양상을 12명 환자데이터 전체를 대상으로 추출 합산하여 Table 1과 같은 양상을 관찰 하였다. 12명 환자 전체에 대해 매 5초 간격으로 실행된 바이스펙트럼 분석에서 최상위 파워스펙트럼 밀도 10개 좌표의 출현 빈도를 통합한 결과이다.
- 이를 극복하기 위하여 뇌파의비선형성을 표현할 수 있는 바이스펙트럼 분석을 통해 새로운 지표 개발을 시도하고자 하였다. 이를 위해 2차원 맵을 통해 바이스펙트럼 분석이 마취 단계별로 특성화된 양상으로 나타남을 확인함으로써 바이스펙트럼 분석의 유용성을 검증 하였고, 실제 마취 지표를 개발하기 위하여 최상위 파워 스펙트럼 밀도 분포 자료를 동시에 수집 하였다. 이를 이용하여 12명의 환자에게서 획득된 데이터를 분석하여 각성(수술전, 수술후) 상태와 마취중(수술중) 두 상태로 분류하여 이들 최상위 파워스펙트럼 밀도가 특징적으로 구별되어짐을 확인할 수 있었다.
- 새로운 파라메미터를 도출하고자 한다. 이를 위해 바이스펙트럼 분석을 통해 새로운 파라미터를 도출하고 얻어진 파라미터로 지표를 주줄하여 그 유용성 을 확인 하였다.
- 따라서 본 실험에서는256 Hz의 샘플링율로 계측 하였으며, 뇌파 계측기는 EEG, Plethmograph , ECG 등을 동시 계측 할 수 있는 Physiolab 800(제작사: 세로텍) 모델을 사용하여 계측하였다. 입력 신호에 대한필터 설정은 저주파대역 필터(LPF) 35Hz, 고주파대역 필터(HPF) 1Hz, 이득 (gain) 설정은 100K, 8채널 NI DAQ500(12 bit resolution) A/D Converts를 사용하여 계측을 수행하였다.
- 추출된 좌표는 마취와 각성 상태에서 가장 높은 파워스펙트럼 밀도 변위를 나타낸 지점이기 때문에 동일 시간대 데이터 중 마취인 자를 잘 반영하는 주파수 좌표의 파워 스펙트럼 밀도와 각성 상태를 반영하는 주파수 좌표의 파워스펙트럼 밀도 수치를 직접 비교함으로써 마취 상태를 반영 하는 지표로 추출하여 사용할 수 있었다.
- 분석을 하였다. 파워스펙트럼 밀도 분석 파라메터인 SEF 파라미터를 기준으로 바이스펙트럼의 2차원 파워스펙트럼 밀도 맵과 최상위 10개의 PSD 피크 좌표 데이터를 인덱스 추출을 위하여 저장 . 분석하였다.
대상 데이터
- 계측 대상 인원은 총 12명의 ASA1, ASA2 등급의 수술 환자를 대상으로 하였다. 전극은 은/염화은 전극을 사용 하였으며, 전극을 효과적으로 부착하기 위하여 접착식 패치 형태의 일회용 전극을 사용 하였다.
- 영향을 미치므로 배제 하였다. 또한 소아의 경우 뇌파의 상태가 성인과 다르게 불안정 하게 나타나므로 뇌파가 안정된 15세 이상의 성인을대상으로하여 진행 하였다. 또한뇌파검사에 심리적 거부감을 나타내지 않는 환자를 대상으로 한다.
- 또한 소아의 경우 뇌파의 상태가 성인과 다르게 불안정 하게 나타나므로 뇌파가 안정된 15세 이상의 성인을대상으로하여 진행 하였다. 또한뇌파검사에 심리적 거부감을 나타내지 않는 환자를 대상으로 한다. 수술실에 도착한 환자는 순간적인 의식소실을 목적으로 Thiopental sodium 4 ㎎/㎏을 투여하고, 기관내 삽관을 용이하게 시행하기 위해 속상수축 근이 완제 인 succinylcholin 0.
- 각성 단계의 환자 역시 회복단계에서의 손 떨림과 같은 다양한 계측 방해 요소가 존재하여 회복실 계측 역시 용이 하지 못하므로 수술 1일 후 병실 대기 중인 환자로부터 계측 한다. 본 실험에서 계측된 수술 전, 중, 후의 데이터는 위에 기술된 것과 같이 불연속적으로 획득된 데이터를 이용하여 실험을 하였다.
- 이를 이용하여 12명의 환자에게서 획득된 데이터를 분석하여 각성(수술전, 수술후) 상태와 마취중(수술중) 두 상태로 분류하여 이들 최상위 파워스펙트럼 밀도가 특징적으로 구별되어짐을 확인할 수 있었다. 이러한 특징을 나타내는 주요 피크 주파수 좌표 10개 지점을 인덱스 생성을 위하여 선별 하였다. 이들 좌표들은 특징적 으로 피 크가 많이 출현하는 주파수 좌표 지 점 으로 인덱스 생성의 기본 자료로 사용하였으며, 인덱스 값의 범위는 0~ 100로 표현되 어지 게 하였다.
- 하였다. 전극은 은/염화은 전극을 사용 하였으며, 전극을 효과적으로 부착하기 위하여 접착식 패치 형태의 일회용 전극을 사용 하였다. 전극의 배치는 국제 뇌파 및 임상뇌 대사 학회 연맹(International Federation of societies for Electroencephalography and Clinical Neurophysiology)에서 주천한 10-20 전극 배치법에 따라 실제 계측 전극은 전두엽 FP1 전극, 그라운드 (Gnd) 전극, 귓불의 레퍼런스(reference) 전극 등 3개 지점 에 부착하였다.
- 전극은 은/염화은 전극을 사용 하였으며, 전극을 효과적으로 부착하기 위하여 접착식 패치 형태의 일회용 전극을 사용 하였다. 전극의 배치는 국제 뇌파 및 임상뇌 대사 학회 연맹(International Federation of societies for Electroencephalography and Clinical Neurophysiology)에서 주천한 10-20 전극 배치법에 따라 실제 계측 전극은 전두엽 FP1 전극, 그라운드 (Gnd) 전극, 귓불의 레퍼런스(reference) 전극 등 3개 지점 에 부착하였다. 10-20 전극 배치법은 각 전극간 배치 비율이 두정부(Cz) 를 중심으로 앞으로는 nasion, 뒤로는 inion, 옆으로는 양쪽 귓바퀴의 윗부분까지의 비율을 각각 50으로 가정 했을 때 전극간20%, naision, inion 귓바퀴 부분에서 10%의 비율로위치를잡은것이다.
데이터처리
- 그리고 세부적인 의식, 또는 진정 상태 변화와 같은 뇌의 상태를 판독 하고자 하는 경우 특정 인자에 따라 파라미 터를 추출 해 야 할 필요성 이 있다. 이러한 파라미터들 중 환자의 진정 수준상태와 높은 연관성 이 있는 SEF(Spectral Edge Frequency)와 본 연구에서 개발한 바이스펙트럼 파라미터를 비교 . 분석하여 마취심도 판별을 위한 새로운 분석 파라미 터 지 수를 검 줄하고자 한다.
이론/모형
- 주로 추출되어진다. 따라서 본 실험에서는256 Hz의 샘플링율로 계측 하였으며, 뇌파 계측기는 EEG, Plethmograph , ECG 등을 동시 계측 할 수 있는 Physiolab 800(제작사: 세로텍) 모델을 사용하여 계측하였다. 입력 신호에 대한필터 설정은 저주파대역 필터(LPF) 35Hz, 고주파대역 필터(HPF) 1Hz, 이득 (gain) 설정은 100K, 8채널 NI DAQ500(12 bit resolution) A/D Converts를 사용하여 계측을 수행하였다.
성능/효과
- 하였다. 12명 환자 전체에 대해 매 5초 간격으로 실행된 바이스펙트럼 분석에서 최상위 파워스펙트럼 밀도 10개 좌표의 출현 빈도를 통합한 결과이다. 수술 전·후의 상태는 각성으로 통합 처리 하였다.
- 6과 같이 나타났다. 12명 환자들의 신호를 이용하여 마취심도지표를 추출한 결과 각성은 60 ~ 90 사이의 수치를 보이고 마취 상태는50~21 정도의 값을보였다.
- 1과 같이 마취 심도에 대한 유의한 변화를 보여 주기는 한다. 12명의 분석 과정에서 대략 SEF 인자는 각성 중27 ~ 28, 마취 상태에서는 19 ~ 24 정도의 수치를 보였으며, 환자 상태에 대한 판정 인자로 SEF는 유용한 파라미터 임을 확인 하였다. 그림 1 을 60초 구간으로 이동 평균 (moving average) 처리를 실행하였으며 그 결과는 아래의 Fig.
- 이들 좌표들은 특징적 으로 피 크가 많이 출현하는 주파수 좌표 지 점 으로 인덱스 생성의 기본 자료로 사용하였으며, 인덱스 값의 범위는 0~ 100로 표현되 어지 게 하였다. 그 결과 마취 중인 환자로부터 는 20 ~ 50 이내의 수치를 계측 하였고, 각성 상태인 수술전 또는 마취 회복 후의 환자로부터 는 최고 90 ~ 60이상의 값을 나타내는 지 표를 추출하였다. 향후 추가적인 연구분석을통해 마취와각성의 변별지표의 유용성 검증을 위해 다양한 약물 및 다양한 수술 환자를 대상으로 지표 추출을 시도 해 볼 필요성 이 있다.
- 위와 같은 유의한 파워 스펙트럼 밀도 분포의 변화를 정 략적으로 나타내기 위하여 각 단계별 주요 피크(짙은 적색으로 나타난)10개를 데이터 분석 시 함께 별도로 저장하였다. 본 연구에서 실험 환자들 에게서 거의 동일한 위치에서 피크 출현 현상을 보임으로써 유의한 특성을 관찰할 수 있었다. 따라서 이 피크 출현 정보를 인덱스 추출에 이용하여 마취 심도를 평가 하였다.
- 수술 전인 각성 상태에서의 파워스펙트럼 밀도 분포는 1 ~ 32 Hz 전구간에 걸쳐 나타나고, 짙은 적색의 피크는 주로 10, 10Hz 주파수 좌표 이상의 구간에서 주로 출현하고 있음을 확인할 수 있다. 수술 중 데이터 에서 는 파워 스펙트럼 밀도 분포가 현격하게 1 ~ 15Hz 이내에 집중되어 짐을확인할 수 있고, 또한 적색으로 표시되는 주요피크가 10, 10Hz주파수좌표지점 이내에 집중되어 나타남을 확인 할 수 있다.
- 수술 중 데이터 에서 는 파워 스펙트럼 밀도 분포가 현격하게 1 ~ 15Hz 이내에 집중되어 짐을확인할 수 있고, 또한 적색으로 표시되는 주요피크가 10, 10Hz주파수좌표지점 이내에 집중되어 나타남을 확인 할 수 있다. 수술후(각성상태) 상태에서는수술 전과 유사하게 파워스펙트럼 밀도 분포는 전구간 1 ~ 32Hz에 걸쳐 나타나고 주요 짙은 적색으로 나타나는 피크는 10, 10Hz 주파수 좌표 이상의 구간에서 주로 출현하고 있음을 확인할 수 있다.
- 수술 중 데이터 에서 는 파워 스펙트럼 밀도 분포가 현격하게 1 ~ 15Hz 이내에 집중되어 짐을확인할 수 있고, 또한 적색으로 표시되는 주요피크가 10, 10Hz주파수좌표지점 이내에 집중되어 나타남을 확인 할 수 있다. 수술후(각성상태) 상태에서는수술 전과 유사하게 파워스펙트럼 밀도 분포는 전구간 1 ~ 32Hz에 걸쳐 나타나고 주요 짙은 적색으로 나타나는 피크는 10, 10Hz 주파수 좌표 이상의 구간에서 주로 출현하고 있음을 확인할 수 있다. 위와 같은 유의한 파워 스펙트럼 밀도 분포의 변화를 정 략적으로 나타내기 위하여 각 단계별 주요 피크(짙은 적색으로 나타난)10개를 데이터 분석 시 함께 별도로 저장하였다.
- 위의 12명 환자데이터 분석 결과마취 진행 전·후의 각성 상태에 있는 환자의 SEF 수치는 28 내외에서 계측되고 마취상태에 놓인 환자의 SEF 수치 19 ~ 24 내외 구간에 존재 하고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 대부분의 환자는 마취 와 각성을 나타내는 지 표의 편차가4 이내 이고 가장 좁은 환자에서 2.
- 이를 위해 2차원 맵을 통해 바이스펙트럼 분석이 마취 단계별로 특성화된 양상으로 나타남을 확인함으로써 바이스펙트럼 분석의 유용성을 검증 하였고, 실제 마취 지표를 개발하기 위하여 최상위 파워 스펙트럼 밀도 분포 자료를 동시에 수집 하였다. 이를 이용하여 12명의 환자에게서 획득된 데이터를 분석하여 각성(수술전, 수술후) 상태와 마취중(수술중) 두 상태로 분류하여 이들 최상위 파워스펙트럼 밀도가 특징적으로 구별되어짐을 확인할 수 있었다. 이러한 특징을 나타내는 주요 피크 주파수 좌표 10개 지점을 인덱스 생성을 위하여 선별 하였다.
후속연구
- 그 결과 마취 중인 환자로부터 는 20 ~ 50 이내의 수치를 계측 하였고, 각성 상태인 수술전 또는 마취 회복 후의 환자로부터 는 최고 90 ~ 60이상의 값을 나타내는 지 표를 추출하였다. 향후 추가적인 연구분석을통해 마취와각성의 변별지표의 유용성 검증을 위해 다양한 약물 및 다양한 수술 환자를 대상으로 지표 추출을 시도 해 볼 필요성 이 있다.
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