[논문]근적외선 분광 및 기능자기공명영상의 동시 측정을 통한 고해상도의 뇌기능 영상화

탁성호; 예종철

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제안 방법

근적외선 분광신호는 기능 자기공명영상 신호에 비해서 채널수가 적고 채널 간의 간격이 넓은 sparse한 특성을 가지므로, 각 voxel이매우 밀집하게 모여 있는 기능자기공명영상의 뇌 활성 영역 분석 방법을 그대로 적용할 수 없다. 따라서 본 연구실에서는 interpolation을 하여 근적외선 분광 신호로부터 조밀한 뇌활성 영역을 얻고, interpolation kernel을 고려한 통계 알고리듬을 개발하여, 신뢰성 있는 높은 시간/공간해상도의 뇌활성 영역을 추출할 수 있는 통합소프트웨어 NIRS-SPM(Statistical para metric mapping for near-infrared spectroscopy, http:// bisp.kaist.ac.kr/NIRS-SPM)[12]을 개발하였다. 그림 6은 NIRS-SPM 소프트웨어의 Schematics를 보여준다.

성능/효과

Wavelet-MDL 알고리듬은 실험 설계와 관련된 유의미한 신호의 trend는 배제하고, 불필요한 global bias만 estimation함을 확인할 수 있다. (1) Detrending, (2) general linear model을 통한 七一통계값의 획득, ⑶ 근적외선 분광신호의 coordinate와 기능 자기공명 영상의 coordinate alignment의 단계를 마치면, 최종적으로 NIRS-SPM-^ Sun's tube formula [15]로부터 p-value를 계산하여, 신뢰성 있는 뇌 활성 영역을 보여준다. Sun's tube formula를 기반으로 in terpolating kemerl을 고려하여 p-value를 구하는 식은 다음과 같다.
그림 7은 (a) Whvelet-MDL 기반의 알고리듬과 (b) 일반적인 알고리듬을 적용하여, 근적외선 분광신호로부터 이obal bias를 추정한 결과를 보여준다. Wavelet-MDL 알고리듬은 실험 설계와 관련된 유의미한 신호의 trend는 배제하고, 불필요한 global bias만 estimation함을 확인할 수 있다. (1) Detrending, (2) general linear model을 통한 七一통계값의 획득, ⑶ 근적외선 분광신호의 coordinate와 기능 자기공명 영상의 coordinate alignment의 단계를 마치면, 최종적으로 NIRS-SPM-^ Sun's tube formula [15]로부터 p-value를 계산하여, 신뢰성 있는 뇌 활성 영역을 보여준다.
그림 8(a)은 기능자 기 공명 영상신호로부터 얻은 뇌활성 영역, (b)은 근적외선 분광 신호로부터 얻은 뇌활성 영역을 보여주며, 손가락의 움직임을 담당하는 뇌의 primary motor cortex 영역에 정확히 일치함을 확인할 수 있다. 또한, SPM을 사용하여 분석한 기능자기공명영상 신호의 결과와 NIRS- SPM을 통한 근적외선분광신호의 분석 결과가 거의 일치함을 확인할 수 있다.
하지만, 근적외선 분광신호의경우, 뇌혈류량(cerebral blood flow)의 변화와 밀접한 관계를 가진 토탈헤모글로빈(total-hemoglobin)을 높은 시간해상도로 측정하며, 뇌혈류량과 신경활성의 관계를 밝히기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으므로 [8], 궁극적으로는 neural activity오} vascular activity 의 관계가 밝혀질 것으로 기대한다. 셋째, 근적외선 분광 시스템은 fWI과 PET과 같은 뇌 기능 영상 장비에 비해서 상대적으로 간편하고, 이동 가능하다. 또한, 피험자의 움직임에 의한 artifact가 적으므로, 인지 실험 (cognitive experiment) 에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
하지만, 근적외선 분광 시스템은 신호 측정의 정확한 해부학적 위치를 파악하기 어려우며, 다른 영상 장비에 비해서 공간해상도가 좋지 못한 단점을 가지고 있다. 이는 interpolation고卜 interpolating kernel을 고려한 p-value 계산 알고리듬 개발 및 소프트웨어(NIRS-SPM)의 구현을 통해서 충분히 보완될 수 있음을 본 논문에서는 보여주었다. 빠르게 변하는 뇌의 생리학적 반응을 정확하게 측정하고 통계 분석할 수 있는 근적외선 분광 시스템과 NIRS-SPM 소프트웨어의 통합 framework은 기존의 인지기능 실험에서 밝히지 못한 다양한 뇌의 생리학적 반응과 원리들을 발견할 수 있을 것이다.

후속연구

빠르게 변하는 뇌의 생리학적 반응을 정확하게 측정하기 위해서는 높은 시간 해상도가 필수적이며, 이는 다른 영상장비에 대해서 빠른 시간 해상도를 가진 근적외선분광 장비가 해답이 될 수 있을 것이다. 또한, 근적외선 분광 장비가 가진 단점을 보완하여, 높은 공간해상도로 신뢰성 있는 뇌 활성 영역을 분석할 수 있는 소프트웨어인 NIRS-SPM을 사용한다면, 기존의 인지기능 실험에서 밝히지 못한 다양한 뇌의 생리학적 반응 및 원리들을 발견할 수 있을 것이라 기대된다.
이는 interpolation고卜 interpolating kernel을 고려한 p-value 계산 알고리듬 개발 및 소프트웨어(NIRS-SPM)의 구현을 통해서 충분히 보완될 수 있음을 본 논문에서는 보여주었다. 빠르게 변하는 뇌의 생리학적 반응을 정확하게 측정하고 통계 분석할 수 있는 근적외선 분광 시스템과 NIRS-SPM 소프트웨어의 통합 framework은 기존의 인지기능 실험에서 밝히지 못한 다양한 뇌의 생리학적 반응과 원리들을 발견할 수 있을 것이다.
fMRI는 디옥시헤모글로빈의 농도변화에 따른 BOLD(Blood oxygenation level dependent) 신호의 변화를 간접적으로 측정하므로, 현재까지 신경활성과 측정신호간의 정확한 메커니즘이 밝혀져 있지 않다[7]. 하지만, 근적외선 분광신호의경우, 뇌혈류량(cerebral blood flow)의 변화와 밀접한 관계를 가진 토탈헤모글로빈(total-hemoglobin)을 높은 시간해상도로 측정하며, 뇌혈류량과 신경활성의 관계를 밝히기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으므로 [8], 궁극적으로는 neural activity오} vascular activity 의 관계가 밝혀질 것으로 기대한다. 셋째, 근적외선 분광 시스템은 fWI과 PET과 같은 뇌 기능 영상 장비에 비해서 상대적으로 간편하고, 이동 가능하다.

참고문헌 (15)

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M. M. Plichta, S. Heinzel, A.C. Ehlis, p. Pauli, A,J. Fallgatter, 'Model-based analysis of rapid eventrelated functional near-infrared spectroscopy(NIRS)

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