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문제 정의
- 본 연구에서 구현된 시스템의 성능을 확인하기 위하여, gap prepulse 기반의 소리자극에 대한 청성 후기 반응 측정 실험을 하였다. 그림 6은 최종 구현된 gap prepulse 기반의 소리자극에 의한 청성 후기 반응 측정 시스템을 이용한 실제 측정 모습을 보여 준다.
- 또한, 주자극 펄스의 반복 주기도 무작위로 선택되어 주자극 인가 시점을 예측하지 못하도록 한다. 본 연구에서는 이러한 동물에 대한 객관적 이명 유무 검사 방법에서 사용하는 gap prepulse 기반의 소리 자극을 사람에게도 적용할 수 있는 소리 자극 생성 및 DAQ 제어 소프트웨어를 설계 및 구현하였다. 그림 3.
- 또한, 구현된 시스템을 정상 청력을 가진 8인의 피험자에게 적용하는 실험을 통해 gap prepulse에 의한 청성 후기 반응을 획득하였으며, 청각 피질에서 발생하는 대표적 외인성 (exogenous) 반응인 N1-P2 첨두치 크기를 대상으로 gap prepulse에 의한 억제율 (inhibition)을 측정하였다. 이를 통해, 구현된 청성 후기 반응 측정 시스템이 이명 환자에 대한 객관적 이명 검사법 연구 및 개발 도구로서 이용될 수 있음을 평가 및 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 소리 인가는 왼쪽 귀에 실시하였고, 반대편 귀는 ear plug를 이용하여 외부 소음을 차폐하였다. EEG 측정은 AF3, AF4, F3, F4의 4개 채널을 통해 획득 및 저장되었고, 구현된 후처리 및 청성 후기 반응 추출 소프트웨어에 의해 그림 7과 같이 no gap response와 gap response를 획득하였다. 그림 7의 결과에서 보듯이 모든 실험 참가자들에서 N1-P2 첨두치가 확연하게 측정이 되었으며, 공통적 으로 no gap response의 N1-P2 첨두치가 gap response의 그것보다 크게 측정되었다.
- (a)와 (b)는 각각 LabVIEW로 구현된 소리 자극 생성 소프트웨어에서 간편하고 자유도가 높은 자극 패턴 조작부 및 생성된 소리 자극 디스플레이 GUI 를 보여준다. 구현된 소리 자극 조작부를 통해, 우선 gap prepulse 기반의 다양한 소리 자극 설정이 가능하도록 연구 설계자가 gap과 주자극의 위치, 반복 주기, gap의 무작위 삽입 여부를 결정할 수 있으며, 주자극 및 배경잡음으로는 tone noise, narrow band noise, white noise를 이용할 수 있도록 하였다. 특히, 그림 2와 같은 2가지 종류의 gap prepulse 기반의 소리 자극을 무작위 반복할 경우에도 배경 잡음이 일시적으로 끊어지지 않고 연속 출력되도록 하였다.
- 본 연구에서는 동물에 대한 객관적 이명 존재 유무 검사인 동물 놀람 반응 측정법에서 사용하는 gap prepulse 기반의 소리 자극법을 적용하여 객관적 이명 검사법 연구 및 개발 도구로서의 청성 후기 반응 뇌파 측정 시스템을 구현하였다. 구현된 시스템은 기존의 청성 유발 측정 장치와는 달리 무선 EEG 헤드셋을 이용하여 간편하게 EEG를 측정할 수 있으며, 다양한 소리자극 설계가 가능하도록 설계되었다. 구현된 본 시스템과 gap prepulse 기반의 소리 자극법을 이용하여, 8인의 정상 청력 피험자에 대한 청성 후기 반응 측정 실험을 실시하였으며, 전형적인 N1-P2 반응 신호를 획득할 수 있음을 확인 하였다.
- 구현된 시스템을 이용하여 정상 청력을 가진 총 8명의 피험자에 대해 각성 상태를 유지한 상태에서 각각 약 5분씩의 측정 과정을 총 3회씩 반복 시행 하였다. 소리 인가는 왼쪽 귀에 실시하였고, 반대편 귀는 ear plug를 이용하여 외부 소음을 차폐하였다.
- 본 연구에서는 GPIAS 방법에서 사용하는 gap prepulse 기반의 소리 자극법을 포함한 다양한 자극 법을 적용할 수 있고, 이명과 같은 청각 심리학적 특성과 연관되는 대뇌피질의 활동을 반영하는 청성 후기 반응을 복잡한 전극선 없이 편리하게 측정할 수 있는 무선 EEG 측정 헤드셋 기반의 청성 후기 반응 측정 시스템을 구현하였다. 또한, 구현된 시스템을 정상 청력을 가진 8인의 피험자에게 적용하는 실험을 통해 gap prepulse에 의한 청성 후기 반응을 획득하였으며, 청각 피질에서 발생하는 대표적 외인성 (exogenous) 반응인 N1-P2 첨두치 크기를 대상으로 gap prepulse에 의한 억제율 (inhibition)을 측정하였다. 이를 통해, 구현된 청성 후기 반응 측정 시스템이 이명 환자에 대한 객관적 이명 검사법 연구 및 개발 도구로서 이용될 수 있음을 평가 및 확인하고자 하였다.
- 생성된 소리 자극 신호는 DAC 포트, 오디오 앰프 및 insert earphone을 통해 피측정자에게 음향 신호로서 인가된다. 또한, 이러한 소리 자극과 청성 후기 반응 측정 신호와의 동기화와 gap 삽입 유무 식별을 위해 서로 다른 펄스 폭을 가지는 측정 trigger 신호를 별도의 DAC 포트 및 전기적 절연 분리 회로를 통해 EEG 측정 장치에 전달되도록 하였다. 측정된 EEG는 무선으로 PC로 전송되어 전극 와이어 없이 편리하게 실시간 저장되며, 저장된 EEG 데이터는 오프라인으로 EEG 후처리 및 청성 후기 반응 신호 추출 과정을 통해, 객관적 이명 검사의 연구 대상이 될 수 있는 gap prepulse에 의한 N1-P2 첨두치 크기 억제율을 측정 및 평가 확인하게 된다.
- 본 연구에서는 GPIAS 방법에서 사용하는 gap prepulse 기반의 소리 자극법을 포함한 다양한 자극 법을 적용할 수 있고, 이명과 같은 청각 심리학적 특성과 연관되는 대뇌피질의 활동을 반영하는 청성 후기 반응을 복잡한 전극선 없이 편리하게 측정할 수 있는 무선 EEG 측정 헤드셋 기반의 청성 후기 반응 측정 시스템을 구현하였다. 또한, 구현된 시스템을 정상 청력을 가진 8인의 피험자에게 적용하는 실험을 통해 gap prepulse에 의한 청성 후기 반응을 획득하였으며, 청각 피질에서 발생하는 대표적 외인성 (exogenous) 반응인 N1-P2 첨두치 크기를 대상으로 gap prepulse에 의한 억제율 (inhibition)을 측정하였다.
- 본 연구에서는 동물에 대한 객관적 이명 존재 유무 검사인 동물 놀람 반응 측정법에서 사용하는 gap prepulse 기반의 소리 자극법을 적용하여 객관적 이명 검사법 연구 및 개발 도구로서의 청성 후기 반응 뇌파 측정 시스템을 구현하였다. 구현된 시스템은 기존의 청성 유발 측정 장치와는 달리 무선 EEG 헤드셋을 이용하여 간편하게 EEG를 측정할 수 있으며, 다양한 소리자극 설계가 가능하도록 설계되었다.
- 구현된 시스템을 이용하여 정상 청력을 가진 총 8명의 피험자에 대해 각성 상태를 유지한 상태에서 각각 약 5분씩의 측정 과정을 총 3회씩 반복 시행 하였다. 소리 인가는 왼쪽 귀에 실시하였고, 반대편 귀는 ear plug를 이용하여 외부 소음을 차폐하였다. EEG 측정은 AF3, AF4, F3, F4의 4개 채널을 통해 획득 및 저장되었고, 구현된 후처리 및 청성 후기 반응 추출 소프트웨어에 의해 그림 7과 같이 no gap response와 gap response를 획득하였다.
- 그림 6은 최종 구현된 gap prepulse 기반의 소리자극에 의한 청성 후기 반응 측정 시스템을 이용한 실제 측정 모습을 보여 준다. 실험에 사용된 gap prepulse 기반의 소리자극 시퀀스에서 배경 잡음은 1 sec의 폭과 8 kHz, 40 dB SPL의 음압을 가지는 tone noise를 사용하였고, 주자극음 (main pulse)은 배경 잡음 시작 후 400 msec 시점에 시작되고 20 msec 폭과 100 dB SPL 의 음압을 가지는 white noise로 구성하였다. gap은 50 msec의 폭을 가지며 주자극음이 시작하기 전 100 msec 위치에 50%의 확률로 삽입되었다.
- 그림 4에서 보듯이, Gap prepulse 기반의 소리 자극 시퀀스가 피험자에게 인가됨과 동시에 각 자극의 시작 시점과 어떤 종류의 자극이 인가되는지를 펄스의 폭으로 알려주는 trigger 신호를 EEG 측정 장치에 입력한다. 이때 단순히 배경 잡음만 인가되는 경우, gap이 없는 자극의 경우, gap prepulse 자극의 경우의 순서로 점차 넓은 폭을 가지게 설계하였다. 이렇게 다른 펄스 폭을 가진 trigger 신호는 EEG 측정 장치 및 기록 소프트웨어에 의해 별도의 채널 신호로 기록되어 청성 후기 반응 신호 추출 과정에서 gap prepulse 자극과 no gap prepulse 자극에 의한 EEG 세그멘트들을 각각 분리할 수 있는 기준 신호의 역할을 하게 된다.
- 전체 시스템은 그림 1과 같이 PC 기반으로 동작 하는 gap prepulse 기반의 소리 자극 생성 및 DAQ (data acquisition) 제어 소프트웨어, EEG 증폭부 및 기록 (logging) 소프트웨어, 소리 자극과의 동기화된 EEG 측정을 위한 전기 절연 분리된 트리거 (trigger) 회로 및 획득된 EEG에 대한 후처리 및 청성 후기 반응 신호 추출 소프트웨어로 구성된다. 생성된 소리 자극 신호는 DAC 포트, 오디오 앰프 및 insert earphone을 통해 피측정자에게 음향 신호로서 인가된다.
- 그 다음, trigger 신호를 이용하여 EEG 신호 세그멘트를 분리할 때, 그림 4에서와 같이 눈깜임에 의한 안전도 신호 (EOG)가 실려 허용 크기 범위를 벗어나는 EEG 신호 세그멘트의 경우는 청성 후기 반응 신호 추출 과정에서 제거하게 된다. 최종 분리된 gap prepulse 자극과 no gap prepulse 자극에 의한 EEG 세그멘트들을 샘플 포인트 단위로 평균하여 각각의 대표 파형을 얻어내게 된다.
- 또한, 이러한 소리 자극과 청성 후기 반응 측정 신호와의 동기화와 gap 삽입 유무 식별을 위해 서로 다른 펄스 폭을 가지는 측정 trigger 신호를 별도의 DAC 포트 및 전기적 절연 분리 회로를 통해 EEG 측정 장치에 전달되도록 하였다. 측정된 EEG는 무선으로 PC로 전송되어 전극 와이어 없이 편리하게 실시간 저장되며, 저장된 EEG 데이터는 오프라인으로 EEG 후처리 및 청성 후기 반응 신호 추출 과정을 통해, 객관적 이명 검사의 연구 대상이 될 수 있는 gap prepulse에 의한 N1-P2 첨두치 크기 억제율을 측정 및 평가 확인하게 된다. 시스템 구현에 사용된 DAQ 장치는 NI사의 PXI-6251이며, EEG 측정을 위해 사용된 장치 및 기록 소프트웨어는 Emotiv사의 EEG neuroheadset 과 TestBench이다.
- 구현된 소리 자극 조작부를 통해, 우선 gap prepulse 기반의 다양한 소리 자극 설정이 가능하도록 연구 설계자가 gap과 주자극의 위치, 반복 주기, gap의 무작위 삽입 여부를 결정할 수 있으며, 주자극 및 배경잡음으로는 tone noise, narrow band noise, white noise를 이용할 수 있도록 하였다. 특히, 그림 2와 같은 2가지 종류의 gap prepulse 기반의 소리 자극을 무작위 반복할 경우에도 배경 잡음이 일시적으로 끊어지지 않고 연속 출력되도록 하였다. 이는 배경 잡음의 시작 부분이 gap prepulse와 다른 새로운 prepulse로서 작용하여 주자극에 의한 청성 후기 반응에 영향을 줄 가능성을 배제하기 위함이다.
대상 데이터
- 시스템 구현에 사용된 DAQ 장치는 NI사의 PXI-6251이며, EEG 측정을 위해 사용된 장치 및 기록 소프트웨어는 Emotiv사의 EEG neuroheadset 과 TestBench이다. 또한, 소리 인가를 위해 사용된 이어폰은 Auditory system사의 3A insert earphone이다.
- 측정된 EEG는 무선으로 PC로 전송되어 전극 와이어 없이 편리하게 실시간 저장되며, 저장된 EEG 데이터는 오프라인으로 EEG 후처리 및 청성 후기 반응 신호 추출 과정을 통해, 객관적 이명 검사의 연구 대상이 될 수 있는 gap prepulse에 의한 N1-P2 첨두치 크기 억제율을 측정 및 평가 확인하게 된다. 시스템 구현에 사용된 DAQ 장치는 NI사의 PXI-6251이며, EEG 측정을 위해 사용된 장치 및 기록 소프트웨어는 Emotiv사의 EEG neuroheadset 과 TestBench이다. 또한, 소리 인가를 위해 사용된 이어폰은 Auditory system사의 3A insert earphone이다.
성능/효과
- 구현된 시스템은 기존의 청성 유발 측정 장치와는 달리 무선 EEG 헤드셋을 이용하여 간편하게 EEG를 측정할 수 있으며, 다양한 소리자극 설계가 가능하도록 설계되었다. 구현된 본 시스템과 gap prepulse 기반의 소리 자극법을 이용하여, 8인의 정상 청력 피험자에 대한 청성 후기 반응 측정 실험을 실시하였으며, 전형적인 N1-P2 반응 신호를 획득할 수 있음을 확인 하였다. 특히, 모든 피험자에게서 동물 놀람 반응 억제 현상과 유사하게 gap prepulse에 의해 N1-P2 첨두치가 억제됨을 확인 및 평가하였다.
- 특히, 모든 피험자에게서 동물 놀람 반응 억제 현상과 유사하게 gap prepulse에 의해 N1-P2 첨두치가 억제됨을 확인 및 평가하였다. 이로써, 구현된 청성 후기 반응 측정 시스템이 이명 환자에 대한 gap prepulse 소리 자극법에 기반한 객관적 이명 검사법을 연구 및 검증하는 도구로서 이용될 수있음을 확인하였다. 향후, 각성 정도, 배경 잡음의 크기, gap의 위치, 주자극음의 종류 및 세기에 따른 N1-P2 첨두치 억제율의 변화 실험을 통해 최적 소리 자극 조건을 찾는 연구가 필요하며, 추가적인 임상시험으로 이명 환자에 대한 gap prepulse N1-P2 억제율을 측정하여 본 논문에서 구현된 시스템을 이용한 객관적 이명 검사의 가능성을 검증하는 것이 기대된다.
- 구현된 본 시스템과 gap prepulse 기반의 소리 자극법을 이용하여, 8인의 정상 청력 피험자에 대한 청성 후기 반응 측정 실험을 실시하였으며, 전형적인 N1-P2 반응 신호를 획득할 수 있음을 확인 하였다. 특히, 모든 피험자에게서 동물 놀람 반응 억제 현상과 유사하게 gap prepulse에 의해 N1-P2 첨두치가 억제됨을 확인 및 평가하였다. 이로써, 구현된 청성 후기 반응 측정 시스템이 이명 환자에 대한 gap prepulse 소리 자극법에 기반한 객관적 이명 검사법을 연구 및 검증하는 도구로서 이용될 수있음을 확인하였다.
후속연구
- 임상적으로약 100msec 전후에서부터 발생이 시작되는 청성 후기 반응 중 N1-P2 파는 청각 피질에서 발생하는 외인성 (exogenous) 반응으로서 소리 자극의 세기, 속도 등의 물리적 특성에 영향을 받는 것으로 알려져 있다[7]. 그러므로 동일한 주자극임에도 청성 후기 반응의 N1-P2 파가 서로 다르게 나오는 것은, GPIAS 발생 기전 가설[1-3]과 유사하게, gap prepulse가 청각 피질에서의 주자극 신호 처리에 영향을 끼치는 것으로 판단되며 이에 대한 추가적 검증 연구가 필요하다. Gap prepulse에 의한 청성 후기 반응의 N1-P2 첨두치 억제율 (gap prepulse inhibition, gPPI)을
- 하지만, 현재까지 동물에 대한 객관적 이명 검사방법으로 평가받는 GPIAS 측정에서 사용하는 gap prepulse 기반의 소리 자극법을 사람에 적용하여 청성 유발 전위 반응 (auditory evoked potential response)를 측정한 연구는 아직 보고된바 없다. 특히, gap prepulse에 의한 동물 놀람 반응 억제 현상과 유사하게, 청각 피질 활동을 반영하는 청성 후기 반응 (auditory late latency response, ALLR)에서 gap prepulse가 어떤 영향을 미치는지에 대한 심도 깊은 연구가 필요하다. 하지만, 현재 임상에서 쓰이고 있는 기존 상용의 청성 유발 전위 반응 측정 시스템은 제한된 몇 가지의 소리 자극 패턴 생성 및 측정 알고리즘 방법으로 되어 있어서 객관적 이명 검사 연구에 사용되는 GPIAS용 소리 자극 방법을 적용 하는데 어려움이 있다.
- 따라서 이명으로 인해 gap prepulse를 잘 인식하지 못하여 no gap 자극과 gap 자극이 혼동되거나 구별되지 못하는 이명환자들에게 있어서는 gap prepulse가 청각 중추에서의 주자극 (main pulse) 신호 처리에 끼치는 영향이 줄어들 것으로 추측된다. 향후, gap prepulse 소리 자극법에 기반한 객관적 이명 검사법의 검증을 위해서는 임상 실험을 통해 gap prepulse 에 의한 N1-P2 첨두치 억제율을 조사하여 이명환 자와 정상인 간의 차이를 비교하는 연구가 필요하다.
- 이로써, 구현된 청성 후기 반응 측정 시스템이 이명 환자에 대한 gap prepulse 소리 자극법에 기반한 객관적 이명 검사법을 연구 및 검증하는 도구로서 이용될 수있음을 확인하였다. 향후, 각성 정도, 배경 잡음의 크기, gap의 위치, 주자극음의 종류 및 세기에 따른 N1-P2 첨두치 억제율의 변화 실험을 통해 최적 소리 자극 조건을 찾는 연구가 필요하며, 추가적인 임상시험으로 이명 환자에 대한 gap prepulse N1-P2 억제율을 측정하여 본 논문에서 구현된 시스템을 이용한 객관적 이명 검사의 가능성을 검증하는 것이 기대된다.
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