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문제 정의
- 그리고 앞서 각 실험으로부터 제안된 band들에 자율신경계의 활성 도와 관련된 정 보를 대 입 하여 전반적 인 동공움직 임 양상을 파악하고자 하였다. 즉 세 종류의 실험에서 제안된 band들이 교감신경계가 활성화되었을 때와 부교감신경계가 활성화되었을 경우로 재구성 되어 전반적인 동공의 움직 임 특성을 확인하였다.
- 따라서 본 논문에서는 연속적으로 측정이 가능한 비침습적인 시스템 [8]을 이용해서 동공의 크기와 변화양상 (주파수)을 확인하고 (동공변이율; pupil size variability, PSV), 일련의 자율신경계의 활성도변화와 관련된 실험을 분석함으로써 자율신경계의 활성도와 동공크기의 변화에 대한 체계적인 접근을 시도하고자 한다.
- 본 논문에는 자율신경 계 의 활성 도에 영 향을 준다고 알려 진 자세 변화, 졸음, 인지과제의 실험을 수행하여 변화된 자율신경계의 활성 양상을 동공의 크기와 움직임의 정보 (동공변이율; PSV) 에서관찰가능한지 확인하였다. 이러한 시도는 이미 동공의 크기가 자율신경계의 활성정도를 반영한다는 연구들 [4, 5, 10, 11]이 있음에 도 불구하고, 동공 빛 반사 (pupillary light reflex; PLR) 이 외 의연 구에서 동공의 크기정보에서 지표를 선정하여 체계적으로 분석한 성과는 없었기 때문에 동공변이율과 관련된 지표를 찾는 것을 목표로 행해졌다.
- 본 논문에서 우리는 자율신경계의 활성도에 영향을 미치는 것으로 알려진 세 종류의 실험 (자세변화, 졸음, 인지과제)으로부터 동공 변이 율 지표를 제 안하고자 하였으며, 이미 알려진 지표인 심 박 변이율을 참고하였다.
- 4 세)를 대상으로 세 종류의 자세 변화에 따른 자율신경 계 활성 도를 예측하는 실험을 수행했다. 이 실험은 외부의 빛에 의한 동공의 크기 변화를 최소화하고자 암실에서 수행되었다 (Fig. 2, [8]). 이 곳은 내부의 환경을 일정하게 유지하고 (평균온도: of24-25℃, 내부조명: 0.
- 확인하였다. 이러한 시도는 이미 동공의 크기가 자율신경계의 활성정도를 반영한다는 연구들 [4, 5, 10, 11]이 있음에 도 불구하고, 동공 빛 반사 (pupillary light reflex; PLR) 이 외 의연 구에서 동공의 크기정보에서 지표를 선정하여 체계적으로 분석한 성과는 없었기 때문에 동공변이율과 관련된 지표를 찾는 것을 목표로 행해졌다.
- 이러한 연구는 동공크기의 움직임특성을 확인하는 목적뿐만 아니 라 간편하고 정 확한 자율신경 계 의 활성 도를 예 측하는 지 표로서쉽게 사용되도록 하는데 목적이 있다.
제안 방법
- 10명의 건강한 피험자 (남자 10명, 24.3±2.0세)를 대상으로 두 종류의 자세변화(누운자세, 앉은자세)에 대한2회의 반복실험을 수행하였다. 각 실험은 5분간 진행되며 하루에 한 종류의 자세를 취하도록 하였다.
- 3) 동공크기의 움직임으로부터 각 실험에서 차이를 기술할 수 있는 주파수 대역을 제안하였고, 해당 대역에 대한 의미 (교감 활성 혹은부교감활성)를부여하였다. 각각의 실험에서 의미 있는 대역을 확인할 수 있었지만 세 실험에서 공통된 부분은 찾을수 없었다.
- 데이터는 초당 1000개의 sample을 획득하도록 설정하였다. 5분 동안 얻어진 심전도 데이터 는 컴 퓨터 에 저 장된 후에 실험을 마치 고 분석 (r-peak detection, interpolation and Fourier transfdrm)하였다. 이 때 사용한 HRV 의 지 표는 LF%, HF%, ratio, heart rate이 다.
- 0세)를 대상으로 두 종류의 자세변화(누운자세, 앉은자세)에 대한2회의 반복실험을 수행하였다. 각 실험은 5분간 진행되며 하루에 한 종류의 자세를 취하도록 하였다. 실험은 암실에서 아무런 자극도 제시하지 않은 채 시선을 고정할 수 있는 나 모양의 target을 암실 내의 모니터 (Fig.
- 그이유는주파수분석의 경우, 동공 크기의 절대적인 값에 다른지표들의 값이 영향을받기 때문이다. 그리고 각 실험에서 각각의 조건을 구분할 수 있는 영 역 (band)을 제 안 하고, 전체 PSD의 Total power와 각 band의 PSD의 합 (energy of band) 을 계산하고 통계적으로 분석하였다.
- 2)에 제시한 상태로 진행되었다. 그리고 각 실험이 끝난 후 졸음설문지에 졸음 정도를 평가하였다 (Stanford Sleepiness Scale; SSS, [12]). 졸음의 정도는8점 척도이며 각 점수에는 그 점수에 해 당하는 예 가 함께 표시 되 어 있다 (1 점 : vital and awake, 4 점: fbggy, 6점 : sleepy, fighting sleep, 8점 : asleep).
- 하지만 인지과제의 경우, 교감신경계가 활성화됨에도 불구하고 동공크기의 표준 편차 값이 그렇지 않은 경우보다 큰 점은 흥미로운 결과이다. 그리고 동공크기의 주파수 특성으로부터 세 실험 모두 각각 교감신경계 또는 부교감신경계의 활성을 반영하는 주파수 영역을 제안하고 평가하였다. 실험 1(자세변화)에서 제안한 영역 중에서, bandB(0.
- 세 실험 모두 각 자극에 의해 유발된 자율신경계의 활성도의 양상을 확인하기 위하여 두 종류의 자율신경활성도 예측 지표를 사용하였다. 하나는 기존에 널리 사용되고 있는 지표인 heart rate variability (HRV)이고, 다른 하나는 본 논문에서 제안하고자 하는 동공크기 변화 (pupil size variability; PSV)이다.
- 이때, 깨어있다고 응답한 경우의 데이터는 11개이고, 졸림을 호소한 경우의 데이터는 5개이다. 실험 III의 경우에 아무런 자극이 없는base의 5분과, 인지과제를수행하는초기 5분의 데이터를 바탕으로 분석을 수행하였다.
- 실험 I의 경우, 실험에 참가한 15명 모두 세 종류의 자세에서 얻어진 심전도 데이터를 바탕으로 분석하였다. 실험 II의 경우는 SSS (Stanford Sleepiness Scale)점수를 기준으로 깨어 있는 그룹(1점)과 졸림을 호소한 그룹(4점 이상)을구분하여 비교하였다. 이때, 깨어있다고 응답한 경우의 데이터는 11개이고, 졸림을 호소한 경우의 데이터는 5개이다.
- 실험 I의 경우, 실험에 참가한 15명 모두 세 종류의 자세에서 얻어진 심전도 데이터를 바탕으로 분석하였다. 실험 II의 경우는 SSS (Stanford Sleepiness Scale)점수를 기준으로 깨어 있는 그룹(1점)과 졸림을 호소한 그룹(4점 이상)을구분하여 비교하였다.
- 실험 I의 자세변화 실험은 한 명의 피험자가 약 25분에 걸쳐 세종류의 자세에 대해 정해진 순서에 따라 순차적으로 측정하는 방식으로 진행되었다. 그런데 이는 각 자세의 순서가 무작위화 되지 않았던 문제가 있다.
- 2). 실험은 초기 5분간의 인지과제를 수행하지 않는 대조구간과 이후20분 동안 진행되는 (두 자릿수 덧셈, 뺄셈) 인지과제 수행 구간으로 구분되어 연속적으로 진행되었다. 20분간 진행되는 인지과제 수행구간은 1 분간 5문제를 푸는 구간과 이후의 1 분 동안 문제를 풀지 않고 다음 문제를 기다리는 구간이 반복되어 구성된다.
- 심전도는 ECG module (AD Instruments, Powerlab/800, Australia)을 이용하여 측정하였다. 데이터는 초당 1000개의 sample을 획득하도록 설정하였다.
- 앞에서 언급한 동공의 움직임 정보를 보다 자세하게 관찰하기 위하여, 각 주파수 대역에 대해 통계분석을수행하여 비교적 세 자세에 따라 차이를 보이는 세 구간을 정의하였다 (Fig. 6). 그리고 동공 크기의 주파수 영역의 지표 (total power; TP, energy of band A~C) 들을 분석 한 결과 (Table 2), 몇 가지 흥미로운 점을 확인할 수 있었다.
- 하지만 실험 III의 분석에서 사용한 동공의 데이터는 심박변이율에서 분석한 데이터와는 약간 다르다. 이 경우는 인지 과제가 제시되기 전의 5분 동안의 기간과, 인지과제가 진행중인 20분 동안의 데이터를 재구성하여 분석하였다. 20분 동안 진행되는 인지과제수행 구간은 앞에서 언급한 바와 같이 1 분 동안 문제를 푸는 기간과 1 분 동안 다음 문제를 기다리 거나 준비하는 기간이 반복되어 구성된다.
- 하나는 기존에 널리 사용되고 있는 지표인 heart rate variability (HRV)이고, 다른 하나는 본 논문에서 제안하고자 하는 동공크기 변화 (pupil size variability; PSV)이다. 이 두 종류의 지표를 계산하기 위해 모든 실험에서 심전도와 동공의 크기를 측정하고 (Fig. 1), 분석하였다.
- 자율신경계의 활성 정도와 동공의 크기변화 사이의 관계를 살펴보기 위하여 자율신경계에 영향을준다고 알려진 세 종류의 실험을 진행하였다. 자발적인 자율신경계의 활성도에 변화를유발하기 위해 우리는(1) 자세변화 [9, 15], ⑵ 졸음/피곤함 [6, 18], ⑶ 인지 과제 [10, 11]의 실험을 수행하였으며, 그 프로토콜은Fig.
- 하였다. 즉 세 종류의 실험에서 제안된 band들이 교감신경계가 활성화되었을 때와 부교감신경계가 활성화되었을 경우로 재구성 되어 전반적인 동공의 움직 임 특성을 확인하였다. 이 분석을 통해 다른 종류의 실험 임 에도 부교감신경 계 와 교감신경 계의 활성도를 반영하는 대역이 비슷한지, 아니면 실험에 사용한 자극의 종류에 따라 다른지의 경향을 확인할 수 있다.
- 시간영 역 에서는 전체 분석구간의 양상을 그래프로 파악하였고, 이때 평균 동공크기와 동공 크기의 표준편차를 계산하였고 통계분석 (t-test)하였다. 평균 동공의 크기 직관적으로 가장 쉽게 자율신경계의 활성도를 예측할 수 있는 지표이고, 동공크기의 표준편차 역시 비교적 쉽게 자율신경계의 활성도를 예측하는데 사용할 수 있다 [6], 주파수 영역에서는 세 실험의 각 조건에 대해 동공크기를 1 초 평균 데이터로 재구성하여 주파수 분석하였다. 이때 주파수 분석에 사용한 데이터는 평균값을 제거한 후사용 되었다.
- 모든 피험자는 실험자의 지시에 따라 세가지 특정한 자세를 취하게 된다. 피험자가취하게 되는자세는 누운자세, 앉은자세, 선 자세이 며 각 자세는 5분 동안 유지 하도록 하였다. 세 자세는 일정 한 간격을 두고 연속적으로 요구되며 전체 실험시간은 약25분이다.
- 하나는 기존에 널리 사용되고 있는 지표인 heart rate variability (HRV)이고, 다른 하나는 본 논문에서 제안하고자 하는 동공크기 변화 (pupil size variability; PSV)이다. 이 두 종류의 지표를 계산하기 위해 모든 실험에서 심전도와 동공의 크기를 측정하고 (Fig.
대상 데이터
- 15명의 건강한 피험자(남자 14명, 여자 1명, 24.5±2.4 세)를 대상으로 세 종류의 자세 변화에 따른 자율신경 계 활성 도를 예측하는 실험을 수행했다. 이 실험은 외부의 빛에 의한 동공의 크기 변화를 최소화하고자 암실에서 수행되었다 (Fig.
- 9명의 건강한 피험자 (남자 5명, 여자4명, 25.2±2.3세)를 대상으로 25분간의 인지과제 실험을 수행하였다 (Fig. 2). 실험은 초기 5분간의 인지과제를 수행하지 않는 대조구간과 이후20분 동안 진행되는 (두 자릿수 덧셈, 뺄셈) 인지과제 수행 구간으로 구분되어 연속적으로 진행되었다.
- 이용하여 측정하였다. 데이터는 초당 1000개의 sample을 획득하도록 설정하였다. 5분 동안 얻어진 심전도 데이터 는 컴 퓨터 에 저 장된 후에 실험을 마치 고 분석 (r-peak detection, interpolation and Fourier transfdrm)하였다.
- 각 실험은 5분간 진행되며 하루에 한 종류의 자세를 취하도록 하였다. 실험은 암실에서 아무런 자극도 제시하지 않은 채 시선을 고정할 수 있는 나 모양의 target을 암실 내의 모니터 (Fig. 2)에 제시한 상태로 진행되었다. 그리고 각 실험이 끝난 후 졸음설문지에 졸음 정도를 평가하였다 (Stanford Sleepiness Scale; SSS, [12]).
- 실험 II의 경우는 SSS (Stanford Sleepiness Scale)점수를 기준으로 깨어 있는 그룹(1점)과 졸림을 호소한 그룹(4점 이상)을구분하여 비교하였다. 이때, 깨어있다고 응답한 경우의 데이터는 11개이고, 졸림을 호소한 경우의 데이터는 5개이다. 실험 III의 경우에 아무런 자극이 없는base의 5분과, 인지과제를수행하는초기 5분의 데이터를 바탕으로 분석을 수행하였다.
- 분석에서 사용한 데이터 그룹과 동일하다. 즉 실험 I에서는 자세 변화실험에 참가한 15명의 각자세에서의 동공크기를 분석하였고, 실험 II에서는 SSS 점수를 기준으로 선택된 데이터가 분석에 사용되었다. 하지만 실험 III의 분석에서 사용한 동공의 데이터는 심박변이율에서 분석한 데이터와는 약간 다르다.
데이터처리
- 나누어 자세하게 하였다. 시간영 역 에서는 전체 분석구간의 양상을 그래프로 파악하였고, 이때 평균 동공크기와 동공 크기의 표준편차를 계산하였고 통계분석 (t-test)하였다. 평균 동공의 크기 직관적으로 가장 쉽게 자율신경계의 활성도를 예측할 수 있는 지표이고, 동공크기의 표준편차 역시 비교적 쉽게 자율신경계의 활성도를 예측하는데 사용할 수 있다 [6], 주파수 영역에서는 세 실험의 각 조건에 대해 동공크기를 1 초 평균 데이터로 재구성하여 주파수 분석하였다.
- 20분 동안 진행되는 인지과제수행 구간은 앞에서 언급한 바와 같이 1 분 동안 문제를 푸는 기간과 1 분 동안 다음 문제를 기다리 거나 준비하는 기간이 반복되어 구성된다. 실험 #의 분석에서는 인지과제 기간 중 문제를 준비하는 1분의 데이터들을 모아서 인지과제가 진행되기 이전의 5분의 데이터를 1분 간격으로 재구성한 것과 비교하였다. 실제로 문제를 푸는 구간이 아니라 문제를 기다리거나 준비하는 기간을 비교 대상으로 삼은 가장 큰 이유는 실험에서 사용한 인지 과제의 난이도를 정 량화하지 못했기 때문이다.
- 심박변이율 (heart rate variability; HRV)의 분석은 세 종류의 실험 모두 앞에서 언급한 LF%, HF%, ratio와 heart rate를 계 산하여 [15, 16] 각 실험의 자극간에 차이가 있는지 t-test를 통해 수행하였다. 실험 I의 경우, 실험에 참가한 15명 모두 세 종류의 자세에서 얻어진 심전도 데이터를 바탕으로 분석하였다.
성능/효과
- 1) 심박변이율은 자세변화에 의한 자율신경계의 활성도의 차이를 유의한 수준에서 (P<0.01) 반영하였다. 하지만 졸음과 인지 과제의 경우는 차이를 관찰하지 못했다.
- 2) 동공의 크기는세 실험 모두 교감신경계가활성화됨에 따라 동공이 커지는 경향을 보였다. 자세변화와 졸음실험의 결과, 동공 크기의 표준편차에서는 부교감신경 계의 활성도가 증가하는 경우 큰 값을 보였다.
- 4) 심박변이율은 말초수준의 심혈관계의 활성 (자세변화)과 깊이 관여되어있고, 동공크기로부터의 정보는 대뇌수준(졸음, 인지과제)과 말초수준 (자세 변화)을 동시 에 반영하는 지표인 것으로 보인다.
- 결론적으로 동공크기의 평균과 표준편차 정보에서는 비교적 일관성 있는 (자세 변화, 졸음 실험)결과를 얻을 수 있었다. 하지만 이보다 복잡한 동공의 움직임과 관련된 주파수 영역의 정보에서는 공통된 영역을 분명히 보여주지는 못했다.
- Table 1 에서는 통계적으로는 유의하지 않지만 누운 자세에서의 동공크기의 표준편차가 가장 컸다. 따라서 주파수 영역에서의 total power도 누운 자세의 데이터에서 가장 큰 값을 보일 것이라 생각했지만, 의외로 앉은 자세에서의 데이터가 가장 큰 경향을 보였다 (하지만 통계적인 유의성은 없었다). 통계적으로 세 자세에 의해 유발된 자율신경계의 활성도 차이를 보여주는 구간은 band B오* band C였다.
- 4Hz를 기준으로 지표를 정해서 자율신경계의 활성정도를 예측하는데 널리사용되 고 있다. 본 논문의 자세변화의 실험 에서는 기 존의 심 박 변이율에서 일반적으로 보고되던 결과 [15]와 동일하게 누워 있는 자세에서는 부교감신경계의 활성도가 교감신경계의 것보다 우세하고, 앉거나 서있는 경우는 교감신경 계의 활성도가 우세함을 확인할 수 있었다. 하지만 심박변이율은 졸음에 의해 유발된 부교감신경 계의 활성정도는 보여주지 못했다.
- 세 종류의 실험에서의 일반적인 양상을 확인하기 위해 각band 에 의미를 부여한 후 (교감활성 반영, 부교감활성 반영) 분포를 도시한 결과에서는 저주파 대역 (band D; 0.012~0.013Hz)에서 상반되는 의미로 해석했던 영역이 겹치는 것을 확인할 수 있었다. 부교감신경계의 활성과 관계된 부분은 주로 0.
- 그리고 동공크기의 주파수 특성으로부터 세 실험 모두 각각 교감신경계 또는 부교감신경계의 활성을 반영하는 주파수 영역을 제안하고 평가하였다. 실험 1(자세변화)에서 제안한 영역 중에서, bandB(0.209-0.215Hz)는 부교감신경계의 활성도를 반영하며, band C(0.24~0.4Hz)는 교감신경계의 활성도를 반영하는 것을 관찰할 수 있었다. 교감신경 계가 동공의 고주파 움직 임과 관련이 있다는 것을 의미하는 것이다.
- 교감신경 계가 동공의 고주파 움직 임과 관련이 있다는 것을 의미하는 것이다. 실험 II (졸음)의 경우는제안한세 대역에 졸리지 않은 경우와 졸린 경우의 동공의 움직임에서 차이를확인할수 있었다. 제안한bandD(0.
- 1621)에서 모두 졸린 경우의 값이 컸으며, 이 결과는위의 세 band 가부 교감신경계의 활성정도를 반영한다는 것을 의미한다. 실험 III (인지 과제) 의실험에서는 제안한 세 영역인 band G (0~0.03Hz), band H (0.186~0.192Hz), band K (0.475~0.495Hz)에서 모두 인지과제시에 큰 값을 보였다. 따라서 이 세 대역은 교감신경계의 활성과 관련되 어 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 즉 세 종류의 실험에서 제안된 band들이 교감신경계가 활성화되었을 때와 부교감신경계가 활성화되었을 경우로 재구성 되어 전반적인 동공의 움직 임 특성을 확인하였다. 이 분석을 통해 다른 종류의 실험 임 에도 부교감신경 계 와 교감신경 계의 활성도를 반영하는 대역이 비슷한지, 아니면 실험에 사용한 자극의 종류에 따라 다른지의 경향을 확인할 수 있다.
- 커지는 경향을 보였다. 자세변화와 졸음실험의 결과, 동공 크기의 표준편차에서는 부교감신경 계의 활성도가 증가하는 경우 큰 값을 보였다. 하지만 인지과제의 경우는 예상과 달리 교감신경계의 활성도가 증가하는 경우에 큰 값을 보였다.
- 실험 II (졸음)의 경우는제안한세 대역에 졸리지 않은 경우와 졸린 경우의 동공의 움직임에서 차이를확인할수 있었다. 제안한bandD(0.012~0.013Hz), band E (0.094~0.098Hz), band F (0.159~0.1621)에서 모두 졸린 경우의 값이 컸으며, 이 결과는위의 세 band 가부 교감신경계의 활성정도를 반영한다는 것을 의미한다. 실험 III (인지 과제) 의실험에서는 제안한 세 영역인 band G (0~0.
- Total power에서는 통계적인 유의성을 확인할 수 없었지 만 (졸린 경우의 값이 깨어있는 경우보다 큰 경향을 보인다), 제안한 나머지 세 band에서는 차이를 확인할 수 있었다. 즉 0.012~0.013Hz, 0.094~0.098Hz, 0.159-0.162Hz 대역에서 깨어 있는 경우와 졸린 경우의 차이를 보였으며, 주파수 영역의 신호는 세 band 모두 졸린 상태에서 큰 값을 보였다. 이 결과로부터 위의 대역은적어도 졸린 경우의 부교감신경계의 활성도를 반영하는 영역이라고 생각할 수 있다.
- 12, Table 6) 동공크기의 표준편차(Table 5)와 같은 양상을 확인할 수 있다. 즉 과제 중의 쉬는 구간이 과제를 수행하지 않고 있는 구간보다 동공의 움직 임 이 활발하며 그 결과는 total power를 증가시키 고, 제안한 세 band에서 모두 큰 값을 보였다. 이 결과는 인지과제에 의해 유발된 교감신경 계의 활성이 동공의 크기를 약간 크게 만들고, 움직임 역시 활발하게 한다는 것을 의미한다.
후속연구
- 하지만 이보다 복잡한 동공의 움직임과 관련된 주파수 영역의 정보에서는 공통된 영역을 분명히 보여주지는 못했다. 실제로 동공이 자극의 종류와 관계없이 비슷한 양상으로 동작하는지, 자극에 따라 약간씩 다른 방식으로 동작하는지에 대한 연구가 필요할 것이다.
- 그러나 1 이상의 주파수대역의 파워스펙트럼이 아주 작은 크기 를 나타내기 때문에 본 논문과 같이 비교적 작은 피 험자 수를 채택한 경우는 유의한 분석을 하기가 어려워 제외하였다. 여러 실험에 의한 동공크기 변화뿐만 아니라 동공크기 변화 자체의 속성을 합리적으로 이야기할 수 있어야 할 것이다.
- 시험이 필요할 수도 있다. 이런 방법을 통해 교감신경계나 부교감신경계 중 어느 하나가 우세한 경우와 서로 경쟁하는 경우 등에서의 동공의 반응양상을 확인하고, 동공변이율 지표를 보다 더 체계화하는데 사용할 수 있을 것이다.
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