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문제 정의
- 다시 말해 두뇌의 어떤 정보처리 상황이 그렇지 않은 상황에 비해 얼마나 더 많은 혈류량 및 대사가 증감하였는가를 측정하여 얻은 데이터의 통계분석을 함으로써 뇌 활성화 부위를 검출할 수 있게 된다[11,12]. 결과적으로 fMRI의 궁극적인 목표는 뇌의 신경세포의 활동성을 관찰하고자 하는 것이다.
- 본 연구에서는 학습집중력을 향상 시킬 수 있는 시트를 제작하여 뇌의 알파파 변화와 학습집중력 변화를 측정하여 얻은 데이터와 뇌신경망을 지도화 할 수 있는 BOLD기법을 이용 Functional MRI영상을 획득하여 뇌 활성화 부위를 관찰하고 비교 분석하는 실험으로 학습집중력 관련 제품을 개발하는 도구로 fMRI의 유용성을 재조명해 해보고자 한다.
제안 방법
- 그리고 기능적 영상(functional Image)과 해부학적 영상(anatomical image)을 서로 부합되도록 상관정렬(coregister)한 후 피검자로부터 얻어진 영상데이터를 표준화된 뇌의 해부학적 위치(standard anatomical space)와 일치시켜 그 차이를 없애고 피검자의 평균치를 산출 가능하게 하는 표준화 과정을 거쳐 각 부위별 자기공명 신호변화의 변별력을 높이기 위해 공간적 편평화(spatial smoothing)를 거친 후 통계적 분석을 실시한다. 그리고 획득한 fMRI영상을 분석하였다.
- 뇌파측정은 조용한 환경에서 피검자의 몸움직임을 통제한 상태에서 시행되었다. 눈 움직임에 의한 잡음혼입을 막기 위해 측정시 피검자가 눈을 감도록 하였으며, 과제수행시 피검자의 성실한 자세를 유도하기 위해 목표자극인 경우 반응키를 누르도록 지시하였다.
- 사용된 전극은 금으로 도포된 접시형태의 디스크전극이며, 피부와의 접촉저항을 최소화하기 위해 먼저 알코올 솜을 이용하여 머리표면의 이물질을 닦아낸 후 접시전극에 뇌파전용 전극풀을 묻혀 부착하였다. 또한 부착된 접시전극 위에 거즈를 살짝 덮어줌으로써 전극풀이 빨리 굳지 않고 머리표면에 잘 고정되어 있도록 처치하였다. 뇌파측정은 조용한 환경에서 피검자의 몸움직임을 통제한 상태에서 시행되었다.
- 머리표면 총 8부위에서 모노폴라 방식으로 뇌파를 측정하였으며, 10/20-국제전극배치법에 의해 차례로 Fp1, Fp2, F3, F4, T3, T4, P3, P4 위치에 측정전극을 부착하였다. 기준전극은 A1, 접지전극은 뒷목에 부착하였다.
- 0, T1 SE방법을 사용하였으며 I-view bold program을 이용하여 분석하였다. 실험에 있어 어떠한 자극이나 동작 등 상황을 부여하지 않았으며 단지 학습집중력 향상 시트를 몸에 지녔을 때의 뇌 혈류량 변화만을 관찰하였으며 시간은 대략 10분 동안 fMRI 영상을 획득하였다. fMRI영상에 있어 공통된 가장 중요한 부분은 피검자로 하여금 발생되어지는 신호잡음(signal noise)을 최소화하는데 노력하는 것과 하드웨어, 소프트웨어적으로 가장 적합한 영상 자료를 얻는 것이다.
- 중심부위에는 전자파를 흡수할 수 있는 은입자 도포층, 가운데층은 원적외선 방출을 담당하는 발산층과 저에너지 방사선을 차폐하는 바륨 차폐층 그리고 원적외선 방출을 증폭시키는 황토 도포층으로 제작하였다. 은입자 도포층은 0.5mm두께의 은입자를 도포하였고 원적외선 발산층과 저에너지 방사선 차폐층은 토르마린과 바륨 분말을 160℃에서 도포하였으며 시트 보호층은 황토성분이 함유된 천으로 구성하였다.
- 이러한 비등방성을 강조해 얻은 확산텐서영상으로 백질의 구조적인 integrity와 orientation에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이 연구에서 이용한 확산텐서자기공명영상기법은 32개의 다른 방향으로 diffusion- gradient를 걸어주고 각각의 방향에서의 확산영상을 획득하여 비등방성지도(anisotropic map)를얻는다. Diffusion tensor tractography(DTT)는 백질(white matter) tracts의 integrity를 3차원 구조로 시각화할 수 있는 새로운 신경영상기법으로써 환자의 재활치료 및 향후 결과를 미리 예측할 수 있는 검사의 한 방법으로 각광 받고 있다.
- 학습집중력을 향상시키는 시트의 제작은 그림 1에서와 같이 4층으로 제작하였다. 중심부위에는 전자파를 흡수할 수 있는 은입자 도포층, 가운데층은 원적외선 방출을 담당하는 발산층과 저에너지 방사선을 차폐하는 바륨 차폐층 그리고 원적외선 방출을 증폭시키는 황토 도포층으로 제작하였다. 은입자 도포층은 0.
- 학습집중력 시트를 부착하고 있을 때와 시트를 부착하고 있지 않았을 때로 구분하여 뇌 자기공명영상(fMRI)을 획득하여 신호강도를 측정하였다. 영상의 획득은 TR : 533.
- 효과적이고 경제적인 학습집중력 향상 시트를 개발하기위하여 원적외선을 방출하는 시트를 자체 제작하여 뇌파측정과 학습집중력측정, fMRI영상을 획득하여 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 0Tesla Phillips사의 Intra Achieva 장치의 head coil을 사용하였으며 실험대상 물질은 우회전 포논에너지(bio energy)를 방사하는 물질인 네오라드(neorad)제품을 사용하였다. 그리고 뇌파 및 학습집중력 측정 장치는 (주)락싸 CANS3000 뇌파 바이오피드백을 사용하였다[14,15].
- 뇌파는 전산화 뇌파측정기인 QEEG-8(모델명:LXE3208, LAXTHA Inc.)장비를 이용하였다. 피검자의 뇌파는 256Hz 샘플링 주파수, 0.
- 대상자는 6명(남자 3명, 여자 3명), 평균연령 23.5세로 하였고, 사용 장비는 3.0Tesla Phillips사의 Intra Achieva 장치의 head coil을 사용하였으며 실험대상 물질은 우회전 포논에너지(bio energy)를 방사하는 물질인 네오라드(neorad)제품을 사용하였다. 그리고 뇌파 및 학습집중력 측정 장치는 (주)락싸 CANS3000 뇌파 바이오피드백을 사용하였다[14,15].
- 기준전극은 A1, 접지전극은 뒷목에 부착하였다. 사용된 전극은 금으로 도포된 접시형태의 디스크전극이며, 피부와의 접촉저항을 최소화하기 위해 먼저 알코올 솜을 이용하여 머리표면의 이물질을 닦아낸 후 접시전극에 뇌파전용 전극풀을 묻혀 부착하였다. 또한 부착된 접시전극 위에 거즈를 살짝 덮어줌으로써 전극풀이 빨리 굳지 않고 머리표면에 잘 고정되어 있도록 처치하였다.
데이터처리
- 원하는 뇌 영상을 얻기 위해서는 먼저 피검자의 움직임에 의한 신호변화를 최소화하기 위한 재배열이 필요하다. 그리고 기능적 영상(functional Image)과 해부학적 영상(anatomical image)을 서로 부합되도록 상관정렬(coregister)한 후 피검자로부터 얻어진 영상데이터를 표준화된 뇌의 해부학적 위치(standard anatomical space)와 일치시켜 그 차이를 없애고 피검자의 평균치를 산출 가능하게 하는 표준화 과정을 거쳐 각 부위별 자기공명 신호변화의 변별력을 높이기 위해 공간적 편평화(spatial smoothing)를 거친 후 통계적 분석을 실시한다. 그리고 획득한 fMRI영상을 분석하였다.
이론/모형
- 학습집중력 시트를 부착하고 있을 때와 시트를 부착하고 있지 않았을 때로 구분하여 뇌 자기공명영상(fMRI)을 획득하여 신호강도를 측정하였다. 영상의 획득은 TR : 533.7, TE : 10.0, FA : 70.0, T1 SE방법을 사용하였으며 I-view bold program을 이용하여 분석하였다. 실험에 있어 어떠한 자극이나 동작 등 상황을 부여하지 않았으며 단지 학습집중력 향상 시트를 몸에 지녔을 때의 뇌 혈류량 변화만을 관찰하였으며 시간은 대략 10분 동안 fMRI 영상을 획득하였다.
성능/효과
- 좀더 구체적으로 알아보면 활성화된 신경세포 주위의 모세혈관에는 뇌의 활동에 필요한 에너지를 생성하기 위해서 평소보다 산소 요구량이 더 많이 증가하게 된다. 결과적으로 산소와 결합된 옥시헤모글로빈(oxy hemoglobin)의 비율이 증가하고 산소가 없는 디옥시헤모글로빈(deoxy hemoglobin)의 비율은 오히려 감소하게 된다. 이때 옥시헤모글로빈(oxy hemoglobin)은 주변 자기장에 영향을 끼치지 않는 반면 디옥시헤모글로빈(deoxy hemoglobin)은 주변 자기장에 영향을 끼치게 되는데 서로 자기장의 불균일성을 유발하여 자기공명 촬영시 T2 신호는 감소하게 된다.
- 그리고 절대 알파파 값과 절대 베타파 값의 비를 나타내는 학습집중력을 측정한 결과 그림 3에서와 같이 학습집중력 향상 시트를 부착하기 전 데이터 값이 0.29±0.05이었으며 학습집중력 향상 시트를 부착한 후 값은 0.74±0.05 값으로 변화를 보였다.
- 둘째, 자체 제작한 시트를 가지고 기능적 자기공명영상을 획득·비교한 결과 원적외선의 방출하는 시트의 영향으로 뇌의 전두엽과 전측두엽이 활성화되어지는 모습을 확인하였다.
- 비침습적으로 인간의 뇌의 기능을 생체 내에서 직접 영상화할 수 있는 도구로써 응용이 가능한 기능적 자기공명영상을 획득한 결과 학습집중력 향상 시트를 부착하기전의 영상은 그림 4와 같이 획득되어졌으며 학습집중력 향상 시트를 부착 한 후의 영상은 그림 5와 같았다.
- 여기에서 시트 부착 전후의 뇌의 혈류량 변화와 뇌의 기능적 변화를 알 수 있는 결과로 뇌의 전, 측두엽 부분의 혈류량이 활성화되어진 것을 알 수 있었다.
- 첫째, 자체 제작한 원적외선을 방출하는 시트가 뇌파 중 알파파의 증가를 가져왔으며 절대알파파와 베타파의 비인 학습집중력이 향상되는 결과를 보였다.
- 학습집중력 향상 시트를 부착하였을 때 뇌파 중 알파파의 증가를 20분 측정하여 얻은 결과 그림 2에서 보는 바와 같이 학습집중력 향상 시트를 착용하기 전의 값이 0.3±0.05이었으나 학습집중력 향상 시트를 부착하고 측정한 값은 0.58±0.05로 나타나 알파파의 변화를 확인할 수 있었다.
후속연구
- 그러므로 기능적 자기공명 영상(fMRI)은 학습 집중력 제품을 개발 활용하는 데 매우 유용한 도구로 쓰여질 것으로 사료되며 향후 fMRI를 이용한 뇌기능 연구의 기술적 측면에서 수년내 급속한 발전이 예상되는데 실시간대에 뇌활성화를 관찰할 수 있어서 인간의 뇌기능의 이해와 함께 임상적 유용성이 매우 클 것으로 사료된다.
- 이러한 결과로 기능적 자기공명영상이 뇌 부위별 신경 작용 규명과 학습집중력 제품들의 효용성을 입증하고 새로운 기술을 개발하는 분야에서 많은 활용을 할 수 있을 것으로 사료된다.
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