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문제 정의
- 다시 말해 두뇌의 어떤 정보처리 상황과 그렇지 않은 상황에 비해 얼마나 더 많은 혈류 및 대사가 증감 하였는가를 측정하여 얻은 데이터와의 통계분석을 함으로써 뇌 활성화 부위를 검출 할 수 있게 된다. 결과적으로 fMRI의 궁극적인 목표는 뇌의 신경세포의 활동성을 관찰 하고자 하는 것이다.
- 본 연구에서는 학습집중력을 향상 시킬 수 있는 시트를제작하여 뇌의 알파파 변화와 학습 집중력 변화를 측정하여 얻은 데이터와 뇌신경망을 지도화 할 수 있는 ·BOLD기법을 이용 Functional MRI영상을 획득하여 뇌 활성화 부위를 관찰하고 비교 분석하는 실험을 수행하여 학습집중력 관련 제품을 개발하는 도구로 fMRI의 유용성을 조명해 해보고자 한다.
제안 방법
- 뇌파측정은 조용한 환경에서 피검자의 몸움직임을 통제한 상태에서 시행되었다. 눈움직임에 의한 잡음혼입을 막기위해 측정시 피검자가 눈을 감도록 하였으며, 과제수행시 피검자의 성실한 자세를 유도하기 위해 목표자극인 경우 반응키를 누르도록 지시하였다.
- 또한 기능적 자기공명영상을 획득 비교하여 실시간 적으로 뇌의 전두엽과 전측두엽이 활성화 되어지는 모습을 확인 하였다. 기능적 자기공명영상이 뇌의 부위별 신경작용의 규명과 학습작용과 같은 뇌를 활용하여 집중력을 향상 시키는 분야와 관련된 여러 분야에서 활용할 수 있을 것으로 사료되며, 의료분야에서도 신경질환 환자의 수술 후 후유장애 예방, 또한 중풍이나 치매 등 증상이 나타나야만 알 수 있었던 질병을 미연에 예방할 수 있을 것이며, 나아가 뇌 기능의 가소성을 촉진할 수 있는 각종 치료법의 개발에 매우 유용하게 쓰여 질 수 있을 것이라 사료 된다.
- 사용된 전극은 금으로 도포된 접시형태의 디스크전극이며, 피부와의 접촉저항을 최소화하 기위해 먼저 알코올 솜을 이용하여 머리표면의 이물질을 닦아낸 후 접시전극에 뇌파전용 전극풀을 묻혀 부착하였다. 또한 부착된 접시전극위에 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, T 1 SE방법을 사용하였으며 I-view bold program을 이용하여 분석 하였다. 실험에 있어 어떠한 자극이나 동작 등 상황을 주어지고 하지 않았으며 단지 학습집중력 향상 시트를 몸에 지녔을 때의 뇌 혈류량 변화만을 관찰 하였으며 시간은 대략 10분 동안 fM RI영상을 획득 하였다. fMRI영상에 있어 공통된 가장 중요한 부분은 피험자로 하여금 발생되어지는 신호잡음(signal noise)을 최소화 하는데 노력해야 되며 하드웨어, 소프트웨어적으로 가장 적합한 영상 자료를 얻는 것이다.
- 이러한 비등방성을 강조해 얻은 확산텐서영상으로 백질의 구조적인 integrity와 orientation에 대 한 정보를 얻을 수 있다. 이 연구에서 이용한 확산텐서자기공명영상기법은 32개의 다른 방향으로 diffusion gradient를 걸어 주고 각각의 방향에서의 확산영상을 획득하여 비등 방성지도(anisotropic map)을 얻는다. Diffusion tensor tractography(DTT)는 백질(white matter) tracts의 integrity를 3차원 구조로 시각화 할 수 있는 새로운 신경영상의 기법으로서 본 연구에서 뇌손상으로 손상된 신경로가 2-3개월에 걸친 재활치료후 회복된 운동 신경이 기능적 뇌자기공명영상(fMRI) 과 DTT 영상에서 일치된 결과를 보였고, 회복된 뇌신경로가 3차원 영상으로 시각화가 가능하고, 앞으로 환자의 재활치료 및 향후 결과를 미리 예측할 수있는 검사의 한 방법으로 각광 받고 있다.
- 중심부위에는 전자파를 흡수 할 수 있는 은 입자 전도층, 가운데층은 층은 원적외선 방출을 담당하는 발산층과 저에너지 방사선을 차폐하는 바륨차폐층 그리고 층을 보호하는 보호층으로 제작하였다. 전도층은 0.5mm두께의 은입자를 도포하였고 원적외선 발산층과 차폐층은 토르마린과 바륨 분말을 160o C에서 도포하였으며 보호층은 황토성분이 함유된 천으로 구성하였다.
- 학습집중력을 향상시키는 시트의 제작은 그림1에서와 같이 4층으로 제작하였다. 중심부위에는 전자파를 흡수 할 수 있는 은 입자 전도층, 가운데층은 층은 원적외선 방출을 담당하는 발산층과 저에너지 방사선을 차폐하는 바륨차폐층 그리고 층을 보호하는 보호층으로 제작하였다. 전도층은 0.
- 학습 집중력 시트를 부착하고 가지고 있을 때와 물질을 가지고 있지 않았을 때로 구분하여 뇌 자기공명영상(fMRI)을 획득하여 신호강도를 측정 하였다. 영상의 획득은 TR : 533.
대상 데이터
- 0Tesla Phillips사의 Intr a Achieva 장치의 head coil을 사용하였으며 실험대상 물질은 우회전 포논에너지(bio energy)를 방사하는 물질인 네오라드(neorad)제품을 사용하였다. 그리고 뇌파 및 학습 집중력 측정 장치는 (주)락싸 CAN S3000 뇌파 바이오피드백 을 사용하였다.
- 뇌파는 전산화 뇌파측정기인 QEEG-8(모델명:LXE 3208, LAXTHA Inc.)장비를 이용하였다. 피검자의 뇌파는 256Hz 샘플링 주파수, 0.
- 대상자는 6명 남자 3명, 여자3명 평균연령 23.5세로 하였으며, 사용 장비는 3.0Tesla Phillips사의 Intr a Achieva 장치의 head coil을 사용하였으며 실험대상 물질은 우회전 포논에너지(bio energy)를 방사하는 물질인 네오라드(neorad)제품을 사용하였다. 그리고 뇌파 및 학습 집중력 측정 장치는 (주)락싸 CAN S3000 뇌파 바이오피드백 을 사용하였다.
- 기준전극은 A1, 접지전극은 뒷목에 부착하였다. 사용된 전극은 금으로 도포된 접시형태의 디스크전극이며, 피부와의 접촉저항을 최소화하 기위해 먼저 알코올 솜을 이용하여 머리표면의 이물질을 닦아낸 후 접시전극에 뇌파전용 전극풀을 묻혀 부착하였다. 또한 부착된 접시전극위에 거즈를 살짝 덮어줌으로써 전극풀이 빨리 굳지 않고 머리표면에 잘 고정되어 있도록 처치하였다.
데이터처리
- 원하는 뇌 영상을 얻기 위해서는 먼저 피험자의 움직임에 의한 신호변화를 최소화 하기위한 재배열이 필요하다. 그리고 기능적 영상(functional Image) 과 해부학적 영상(anatomical image)을 서로 부합되도록 상관정렬(coregister)한 후 피험자로부터 얻어진 영상데이터를 표준화된 뇌의 해부학적 위치(stan dard anatomical space)와 일치시켜 그 차이를 없애고 피험자의 평균치의 산출을 가능하게 하는 표준화 과정을 거쳐 각 부위별 자기공명 신호변화의 변별력을 높이기 위해 공간적 편평화(spatial smoothing) 를 거친 후 통계적 분석을 실시한다그리고 획득한 f MRI영상을 비교 분석 하였다.
- 학습 집중력 시트를 부착하고 가지고 있을 때와 물질을 가지고 있지 않았을 때로 구분하여 뇌 자기공명영상(fMRI)을 획득하여 신호강도를 측정 하였다. 영상의 획득은 TR : 533.7, TE : 10.0, FA : 70.0, T 1 SE방법을 사용하였으며 I-view bold program을 이용하여 분석 하였다. 실험에 있어 어떠한 자극이나 동작 등 상황을 주어지고 하지 않았으며 단지 학습집중력 향상 시트를 몸에 지녔을 때의 뇌 혈류량 변화만을 관찰 하였으며 시간은 대략 10분 동안 fM RI영상을 획득 하였다.
성능/효과
- 좀더 구체적으로 알아보면 활성화된 신경세포 주위의 모세혈관에는 뇌의 활동에 필요한 에너지를 생성하기 위해서 평소보다 더 많은 산소 요구량이 증가 하게 된다. 결과적으로 산소와 결합된 옥시헤모글로빈(oxy hemoglobin)의 비율이 증가하고 산소가 없는 디옥시헤모글로빈(deox y hemoglobin)의 비율은 오히려 감소하게 된다. 이때 옥시헤모글로빈(oxy hemoglobin)은 주변 자기장에 영향을 끼치지 않는 반면 디옥시헤모글로빈(deox y 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 [그림3]에서와같이 학습 집중력 향상 시트를 부착하기전 데이터가 0.3±0.05이었으며 학습집중력 향상 시트를 부착한후 값이 0.58±0.05 값을 보였다.
- 비침습적으로 인간의 뇌의 기능을 생체 내에서 직접 영상화 할 수 있는 도구로서 응용이 가능한 기능적 자기공명영상을 획득한 결과 학습집중력 향상 시트를 부착하기전의 영상이 [그림4]와 같이 획득되어졌으며 학습집중력 향상 시트를 부착 한 후의 영상은 [그림5]와 같았다.
- 이러한 결과는 시트 부착 전후의 뇌의 혈류량변화를 알 수 있어 뇌의 기능적 변화를 알 수 있는 결과로 뇌의 전,측두엽 부분의 혈류량이 활성화 되어진 것을 알 수 있었다. 현재 뇌의 전두엽은 기억력, 사고력 등의 고등 행동을 관장하는 곳으로 알려져 있다.
- 학습집중력 향상 시트를 부착하였을 때 뇌파 중 알파파의 증가를 20분 측정하여 얻은 결과 [그림2]에서 보는 바와 같이 학습 집중력 시트를 착용하기 전의 값이 0.29±0.05 이었으며 학습집중력 향상 시트를 부착하고 측정한 값이 0.74±0.05로 나타나 알파파의 변화를 확인 할 수 있었다.
- 효과적이고 경제적인 학습집중력 향상 시트를 개 발하기위하여 놔파측정과 fMRI영상을 비교 분석하여 학습집중력 향상 시트가 영역에 영향을 주어 뇌의 알파파와 학습 집중력를 향상 시키는 것을 확인 하였다.
후속연구
- 또한 기능적 자기공명영상을 획득 비교하여 실시간 적으로 뇌의 전두엽과 전측두엽이 활성화 되어지는 모습을 확인 하였다. 기능적 자기공명영상이 뇌의 부위별 신경작용의 규명과 학습작용과 같은 뇌를 활용하여 집중력을 향상 시키는 분야와 관련된 여러 분야에서 활용할 수 있을 것으로 사료되며, 의료분야에서도 신경질환 환자의 수술 후 후유장애 예방, 또한 중풍이나 치매 등 증상이 나타나야만 알 수 있었던 질병을 미연에 예방할 수 있을 것이며, 나아가 뇌 기능의 가소성을 촉진할 수 있는 각종 치료법의 개발에 매우 유용하게 쓰여 질 수 있을 것이라 사료 된다.
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