[논문]경두개직류자극 전기장의 분포 특성에 비등방성 전기 전도율이 미치는 영향 분석 :3차원 고해상도 유한요소 두뇌 모델을 통한 연구

김상혁; 서현상; 조영선; 이원희; 김태성

doi:10.9718/jber.2011.32.4.305

[국내논문] 경두개직류자극 전기장의 분포 특성에 비등방성 전기 전도율이 미치는 영향 분석 :3차원 고해상도 유한요소 두뇌 모델을 통한 연구
Changes in Distribution of Electrical Field in tDCS with Ring Electrode Due to Tissue Anisotropy: a 3D High Resolution Finite Element Head Model Study 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.32 no.4, 2011년, pp.305 - 311

김상혁 (경희대학교 생체의공학과) , 서현상 (경희대학교 생체의공학과) , 조영선 (경희대학교 생체의공학과) , 이원희 (컬럼비아대학교 의공학과) , 김태성 (경희대학교 생체의공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

For effective stimulation with tDCS, spatial focality of induced electrical field(EF) and current density(CD) is one of the important factors to be considered. Recently, there have been some studies to improve the spatial focality via different types of electrodes and their new configurations: some improvements using ring electrodes were reported over the conventional pad electrodes. However, most of these studies assumed isotropic conductivities in the head. In this work, we have investigated the effect of tissue anisotropy on the spatial focality of tDCS with the 4 + 1 ring electrode configuration via a 3-D high-resolution finite element(FE) head model with anisotropic conductivities in the skull and white matter. By examining the profiles of the induced EF from the head models with isotropic and anisotropic conductivities respectively, we found that the spatial focality of the induced EF significantly drops and get diffused due to tissue anisotropy. Our analysis suggests that it is critical to incorporate tissue anisotropy in the effective stimulation of the brain via tDCS.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

25 mA가 전류가 흘러나오게 된다. 본 연구에서는 대뇌 피질 신경의 활성 정도를 비교하기 위해서 전기장 및 전류 밀도 분포의 특성을 분석하였다[21]. 그리고 직류 전류에 의해 유도되는 두뇌 내부 전기장의 분포는 아래 준정적 라플라스 방정식 (quasi-static Laplace equation)에 의해 산출된다[22].

가설 설정

표준 등방성 두뇌 모델의 등방성 전도율은 백질 = 0.14 S/ m, 회질 = 0.33 S/m, CSF = 1.79 S/m, 두개골 = 0.0132 S/ m, 두피 = 0.33 S/m, 그리고 전극 = 5.8 x 107 S/m 로 가정하였다 [13-14].
비등방성 두뇌 모델의 두개골과 백질의 비등방성 전도율을 설정하기 위해, 전도율 텐서 (conductivity tensor)와 확산 텐서 (diffusion tensor)는 동일한 고유 벡터를 가진다고 가정한다[15-16]. 이에 따라, 두개골과 백질의 voxel에 대응되는 전도율 텐서의 고유값과 고유 벡터는 확산 텐서를 통해 산출한 결과를 반영하며, 체적 구속 알고리즘(volume constraint algorithm)을 이용하여 rank-2 텐서의 2차 형식으로 산출된다[14].

제안 방법

Holdefer 등 [10]은 뇌전도 전극배치법을 참고하여 양극과 음극의 위치를 바꾸어 가면서 최초로 백질(white matter)의 비등방성 전도율(anisotropic conductivity)# 고려하여 유도 전류 밀도 (induced current density)를 해석하였다. 전류의 흐름 및 분포도가 비등방성의 영향을 받는다는 것과 두개골(skull) 의 등방성 전도율의 다양한 설정으로, 두개골에 의한 저항효과(shunting effect)에 대해서도 언급하였다. 그러나 이러한 기존의 연구는 단순 뇌모델 사용, 등방성 전도율 사용, 2D 모델 사용 등의 한계 때문에, 고정밀 결과 분석 및 비등방성 전도율 영향 분석이 미비하다.
본 연구에서는 MRI 및 DT-MRI에 기반한 유한요소 모델링 기술[12]을 이용하여 3차원 고해상도 두뇌 모델을 구축하였으며, 백질의 비등방성 전도율을 고려함은 물론, 두개골의 비등방성 전도율 또한 고려하였다. Datta 등[8]의 연구에서 종래의 전극보다 분포 양상이 국소 지역에 집중되는 양상을 보여 주었던 4 + 1 링 형 전극을 구성하여, 실제 상황에 근접한 모델을 통해 등방성과 비등방성 각각의 상황에서 경두개직류자극에 의한 전기장의 강도(intensity) 및 분포 차이를 비교 분석하였다.
두개골과 백질의 비등방성이 유도 전기장의 분포에 미치는 영향을 조사하기 위해, 두 가지 다른 형태의 전기 전도율을 가지는 두뇌 모델들을 생성하였다. 첫 번째 형태는 등방성두뇌 모델로 모든 영역이 등방성 전도율 갖도록 설정하며, 나머지 다른 형태는 비등방성 두뇌 모델로 CSF, 회질 및 두피는 등방성 전도율을 두개골과 백질은 비등방성 전도율을 가지도록 설정하였다.
백질의 비등방성 전도율은 고유 벡터 중에서 신경 섬유 방향의 전도율을 나머지 수직인 방향 전도율의 10 배가 되도록 설정하였다[17]. 두개골의 비등방성 전도율은 두개골 표면에 대한 방사방향(radial direction)과 접선 방향(tangential direction)의 전도율은 실험적으로 가장 많이 사용되는 1:2, 1:5, 1:7, 1:10의 비율을 가지도록 4가지 경우를 선정하여 모델을 세분화하였다[18]. 백질과 두개골의 전도율 설정과 세분화한 내용은 표 1에 상세하게 명시되어 있다.
전극의 형태는 4 + 1 링 형 전극(하나의 양극을 네 개의 음극이 링 형태로 둘러싼 배치(그림 2))으로, 두 가지 전극 구성을 설정하였다. 전극 구성 Ie C₃에 양극 전극을, Cz, P3, T7, F3 근방에 음극 전극을 배치하였고, 전극 구성 Ⅱ는 전극 구성 I에서 음극 전극의 위치만 변경하여 C1, CP3, C₅, FC₃ 근방에 배치하여, 전극 구성 n의 양극과 음극 사이의 거리는 전극 구성 I의 절반이 되도록 설정하였다.
설정하였다. 전극 구성 Ie C₃에 양극 전극을, Cz, P3, T7, F3 근방에 음극 전극을 배치하였고, 전극 구성 Ⅱ는 전극 구성 I에서 음극 전극의 위치만 변경하여 C1, CP3, C₅, FC₃ 근방에 배치하여, 전극 구성 n의 양극과 음극 사이의 거리는 전극 구성 I의 절반이 되도록 설정하였다. 전극의 양극에 인가되는 전류는 1 mA로, 각각의 음극에서 0.
두뇌 전체의 유도 전기장은 위 식을 토대로, 직접소거법을 기반으로 한 Ansys의 희소 솔버 (sparse solver) 를 통해 계산된다. 대뇌 피질에서의 전기장의 프로파일과 최대치를 가지는 지점에서 대뇌 피질 아래 5 mm 지점까지 감소한 정도를 이용하여 각 모델의 분포도를 비교 분석하였다.
각 모델의 전기장 분포의 균일성 (uniformity)을 비교 하기 위해서, 밝기 히스토그램 기반 특성을 이용한 텍스쳐 분석 (texture analysis) 방법을 사용하였다. 균일성은 밝기 값분포를 나타낸 척도로서 아래와 같은 식에 의해 계산된다.
선 프로파일을 보여주고 있다. 대뇌 피질 표면에서 전기장 최대치를 가지는 지점을 기준으로 양쪽 접선 방향 쪽으로의 유도 전기장 강도를 관측 하였다.
각 모델의 전기장 분포의 균일성을 비교하기 위해 양극 전극 아래의 전후절단면에서의 전기장의 양상을 조사하였다. 이에 대한 결과로 전극 구성 I의 경우, 등방성 모델과 비교하여 Aniso.
본 연구에서 조직 비등방성이 경두개직류자극의 효과에 미치는 영향을 조사하기 위해, 고해상도 유한요소 두뇌 모델을 이용하였으며, 또한 링형 전극을 양극과 음극의 거리에 따라 두 가지 전극 구성으로 나누어 등방성과 비등방성 모델에 적용, 각각의 전기장의 분포 양상을 비교 분석하였다.
두뇌 모델들을 생성하였다. 첫 번째 형태는 등방성두뇌 모델로 모든 영역이 등방성 전도율 갖도록 설정하며, 나머지 다른 형태는 비등방성 두뇌 모델로 CSF, 회질 및 두피는 등방성 전도율을 두개골과 백질은 비등방성 전도율을 가지도록 설정하였다.

대상 데이터

특히, DT-MR1에서 획득한 FA(fractional anisotropy, 분할 비등방성) map을 이용하여 백질 영역의 전기적 비등방성을 반영하기에 최적화된 메쉬를 생성할 수 있으며, 이에 대해서는[12]에 상세하게 기술되어 있다. 최종적으로 두뇌 모델은 160, 249 개의 절점과 1, 009, 740개의 사면체 요소로 구성되며 여섯 개의 영역(전극, 두피, 두개골, CSF, 회질, 백질)로 구분된다.

이론/모형

3차원 고해상도 유한 요소 두뇌 모델을 구축하기 위해, MRI와 DT-MRI 정보에 효과적으로 메쉬를 생성하는 적응적 유한요소 메쉬 생성 기법 (adaptive FE mesh generation) 인, wMesh 기법을 사용하였다[11-12]. 이 방법은 두뇌의 복잡한 기하 정보를 반영하기 위해 MRI와 DT-MRI에 획득한 해부학적 특징을 이용하여 메쉬를 구축하는 방식이다.
이에 따라, 두개골과 백질의 voxel에 대응되는 전도율 텐서의 고유값과 고유 벡터는 확산 텐서를 통해 산출한 결과를 반영하며, 체적 구속 알고리즘(volume constraint algorithm)을 이용하여 rank-2 텐서의 2차 형식으로 산출된다[14]. 백질의 비등방성 전도율은 고유 벡터 중에서 신경 섬유 방향의 전도율을 나머지 수직인 방향 전도율의 10 배가 되도록 설정하였다[17].
전극의 위치는 국제전극배치법인 10-20 전극배치법(international 10-20 EEG system)을 참고하여 배치하였고 [19],고해상도 유한요소 두뇌 모델(그림 1)과 함께 상용 유한요소 소프트웨어인 ANSYS [20]를 이용하여, 경두개직류자극을시뮬레이션하였다.
본 연구에서는 대뇌 피질 신경의 활성 정도를 비교하기 위해서 전기장 및 전류 밀도 분포의 특성을 분석하였다[21]. 그리고 직류 전류에 의해 유도되는 두뇌 내부 전기장의 분포는 아래 준정적 라플라스 방정식 (quasi-static Laplace equation)에 의해 산출된다[22].
두뇌 전체의 유도 전기장은 위 식을 토대로, 직접소거법을 기반으로 한 Ansys의 희소 솔버 (sparse solver) 를 통해 계산된다. 대뇌 피질에서의 전기장의 프로파일과 최대치를 가지는 지점에서 대뇌 피질 아래 5 mm 지점까지 감소한 정도를 이용하여 각 모델의 분포도를 비교 분석하였다.

성능/효과

Datta 등[8]의 연구에서 종래의 전극보다 분포 양상이 국소 지역에 집중되는 양상을 보여 주었던 4 + 1 링 형 전극을 구성하여, 실제 상황에 근접한 모델을 통해 등방성과 비등방성 각각의 상황에서 경두개직류자극에 의한 전기장의 강도(intensity) 및 분포 차이를 비교 분석하였다. 등방성과 비등방성 모델의 대뇌 피질에서의 유도 전기장의 프로파일을 분석함으로써, 비등방성에 의해 유도 전기장의 강도가 대폭 하락함과 동시에 공간적 집중률이 증가하는 것을 관측할 수 있었다. 본 연구를 통하여 경두개직류자극을 적용할 시 조직 비등방성을 고려하는 것이 매우 중요한 요소임을 입증하였다.
등방성과 비등방성 모델의 대뇌 피질에서의 유도 전기장의 프로파일을 분석함으로써, 비등방성에 의해 유도 전기장의 강도가 대폭 하락함과 동시에 공간적 집중률이 증가하는 것을 관측할 수 있었다. 본 연구를 통하여 경두개직류자극을 적용할 시 조직 비등방성을 고려하는 것이 매우 중요한 요소임을 입증하였다.
비등방성 모델(그림 3(b), (d))은, 등방성 모델과 비교하면 전반적으로 전기장의 강도가 약해지는 양상을 보여주고 있다. 전기장의 확산 양상을 전기장의 접선 성분과 방사 성분의 비율을 통해 살펴보면, 등방성 모델은 방사 성분이 접선 성분보다 강세를 보이지만, 비등방성 모델은 접선 성분이 방사 성분보다 큰 양상을 보이는 것을 관측할 수 있다. 이를 통해 두개골에 적용된 비등방성이 대뇌 피질 표면에서 전기장의 방향에도 영향을 미치며, 또한 저항 효과를 발생시킴을 확인할수 있다.
전기장의 확산 양상을 전기장의 접선 성분과 방사 성분의 비율을 통해 살펴보면, 등방성 모델은 방사 성분이 접선 성분보다 강세를 보이지만, 비등방성 모델은 접선 성분이 방사 성분보다 큰 양상을 보이는 것을 관측할 수 있다. 이를 통해 두개골에 적용된 비등방성이 대뇌 피질 표면에서 전기장의 방향에도 영향을 미치며, 또한 저항 효과를 발생시킴을 확인할수 있다.
전반적으로 양극과 음극의 거리가 가까운 전극 구성 II에서는 전극 구성 I에 비해 더 높은 집중률을 가지는 결과를 보여준 반면에, 유도 전기장의 세기는 거리가 가까워짐에 따라, 전극 구성 II에서 더 낮은 강도를 보여 주었다. 결국 전극 구성 II에서 유입 전류를 증대 시키는 것이 집중률을 높임과 동시에 비표적 영역의 자극 될 확률은 저하되므로, 국소적인 지역의 자극할 경우에는 전극 구성 II가 I에 비해 유리하리라 사료된다.
두개골 모델에 비등방성이 고려 됨에 따라, 전기장 강도는 비등방성 모델의 결과가 등방성 모델에 비해 감소 되지만, 집중률이 높아지는 것을 관측 할 수 있었고, 이는 경두개직류자극을 수행 할 시, 두개골의 비등방성에 의해 저항효과가 발생하여, 실제로는 전류의 많은 부분이 대뇌로 진입하지 못하며, 백질 지역의 비등방성에 의해 전기장의 확산이 줄어드는 것을 추론 할 수 있다. 이러한 결과는 실제 임상분야에서 경두개직류자극를 적용 할 시, 두개골 저항 효과에 대한 전류 손실을 고려하여 직류 전류의 크기를 결정하여야 함을 의미한다.

후속연구

없었던 중요한 현상들을 관측 할 수 있었다. 향후에는 대뇌 피질 특유의 고랑(sulcus), 이랑(gyrus), 내/외치밀골(inner/ outer compact bone)과 해면골(spongy bone)등을 반영하는 좀 더 정밀한 모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 실제 임상에서의 안정성 및 정확성을 향상 시킬 수 있을 것이며, 더나아가 다양한 새로운 시도들의 의미를 제대로 검증 할 수있을 것이다.

참고문헌 (22)

M.A. Nitsche, P.S. Boggio, F. Fregni, and A. Pascual-Leone, "Treatment of depression with transcranial direct current stimulation (tDCS): a review," Exp. Neurol., vol. 219, pp. 14-19, 2009.

상세보기
F.C. Hummel and L.G. Cohen, "Non-invasive brain stimulation: a new strategy to improve neurorehabilitation after stroke?," Lancet Neurol., vol. 5, pp. 708-712, 2006.

상세보기
T. Wagner, F. Fregni, S. Fecteau, A. Grodzinsky, M. Zahn, and A. Pascual-Leone, "Transcranial direct current stimulation: a computer-based human model study," NeuroImage, vol. 35, pp. 1113-1124, 2007.

상세보기
F. Fregni, P.S. Boggio, M.C. Santos, M. Lima, A.L. Vieira, S.P. Rigonatti, M.T. Silva, E.R. Barbosa, M.A. Nitsche, and A. Pascual-Leone, "Noninvasive cortical stimulation with transcranial direct current stimulation in Parkinsons disease," Movement Disord., vol. 21, pp. 1693-1702, 2006.

상세보기
F. Fregni, S. Thome-Souza, M.A. Nitsche, S.D. Freedman, K.D. Valente, and A. Pascual-Leone, "A controlled clinical trial of cathodal DC polarization in patients with refractory epilepsy," Epilepsia, vol. 47, pp. 335-342, 2006.

상세보기
M.A. Nitsche and W. Paulus, "Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation," J. Physiol., vol. 527.3, pp. 633-639, 2000.
A. Datta, M. Elwassif, F. Battaglia, and M. Bikson, "Transcranial current stimulation focality using disc and ring electrode configurations: FEM analysis," J. Neural Eng., vol. 5, pp. 163-174, 2008.

상세보기
A. Datta, V. Bansal, J. Diaz, J. Patel, D. Reato, and M. Bikson, "Gyri -precise head model of transcranial direct current stimulation: Improved spatial focality using a ring electrode versus conventional rectangular pad," Brain Stimulation, vol. 2, pp. 201-207, 2009.

상세보기
P. Faria, A. Leal, and P.C. Miranda, "Comparing different electrode configurations using the 10-10 international system in tDCS: a finite element model analysis," in Proc. 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS, Minnesota, USA, Sep. 2009, pp. 1596-1599.
R.N. Holdefer, R. Sadleir, and M.J. Russell, "Predicted current densities in the brain during transcranial electrical stimulation," Clin. Neurophysiol., vol. 117, pp. 1388-1397, 2006.

상세보기
W.H. Lee, T.-S. Kim, M.H. Cho, and S.Y. Lee, "Numerical Evaluation of the Effect of Feature Maps on Content-Adaptive Finite Element Mesh Generation," J. Biomed. Eng. Res., vol. 28, pp. 8-16, 2007

원문보기 상세보기
W.H. Lee, T.-S. Kim, A.T. Kim, and S.Y. Lee, "3-D diffusion tensor MRI anisotropy content-adaptive finite element head model generation for bioelectromagnetic imaging," in Proc. 30st Annual International Conference of the IEEE EMBS, Vancouver, Canada, Aug. 2008, pp. 4003-4006.
S. Kim, T.-S. Kim, Y. Zhou, and M. Singh, "Influence of conductivity tensors on the scalp electrical potential: Study with 2-D finite element models," IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 50, pp. 133-139, 2003.

상세보기
C.H. Wolters, A. Anwander, X. Tricoche, D. Weinstein, M.A. Koch, and R.S. MacLeod, "Influence of tissue conductivity anisotropy on EEG/MEG field and return current computation in a realistic head model: a simulation and visualization study using high-resolution finite element modeling," NeuroImage, vol. 30, pp. 813-826, 2006.

상세보기
P.J. Basser, J. Mattiello, and D. LeBihan, "MR diffusion tensor spectroscopy and imaging," Biophys. J., vol. 66, pp. 259-267, 1994.

상세보기
D.S. Tuch, V.J. Wedeen, A.M. Dale, J.S. George, and J.W. Belliveau, "Conductivity mapping of biological tissue using diffusion MRI," Ann. N.Y. Acad. Sci., vol. 888, pp. 314-316, 1999.

상세보기
H.S. Suh, S.H. Kim, W.H. Lee, and T.-S. Kim, "Realistic simulation of transcranial direct current stimulation via 3-d high-resolution finite element analysis: Effect of tissue anisotropy," in Proc. 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS, Minnesota, USA, Sep. 2009, pp. 638-641.
C.H. Wolters, A. Anwander, X. Tricoche, D. Weinstein, M.A. Koch and R.S. MacLeod, "Influence of tissue conductivity anisotropy on EEG/MEG field and return current computation in a realistic head model: a simulation and visualization study using high-resolution finite element modeling," NeuroImage, vol. 30, pp. 813-826, 2006

상세보기
A. Delorme and S. Makeig, "EEGLAB: an open source toolbox for analysis of single-trial EEG dynamics including independent component analysis," J. Neurosci. Meth., vol. 134, pp. 9-21, 2004.

상세보기
ANSYS. Available: http:// www.ansys.com
J.B. Ranck, "Which elements are excited in electrical stimulation of mammalian central nervous system: a review," Brain Research, vol. 98, pp. 417-440, 1975

상세보기
R. Plonsey and D.B. Heppner, "Considerations of quasi-stationarity in electrophysiological systems," Bull. Math. Biophys., vol. 29, pp. 657-664, 1967.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format