초록 ▼

□ 연구개요
1. 난치성 뇌전증 환자의 뇌파기반 뇌전증 병소 및 전파경로 파악 및 분석
- 선행연구 기반 발작 차단 관련 바이오마커 발굴 및 기존 환자 뇌파의 특성 분석
- 기존 DBS를 시술 받은 환자들의 수술 전 발작간기 발작파와 발작 시작 뇌파패턴분석 및 병소 국소화 데이터 확보
- DBS 시술 직후 시상핵 (전시상핵 혹은 중심내핵)에 삽입된 DBS 전극에 저주파(5Hz) 및 고주파(130Hz) 자극과 동시에 측정된 기존의 두피뇌파 자료 분석
- 개인 특성 및 자극 위치 차이와 연관된 연결성의 특징

□ 연구개요
1. 난치성 뇌전증 환자의 뇌파기반 뇌전증 병소 및 전파경로 파악 및 분석
- 선행연구 기반 발작 차단 관련 바이오마커 발굴 및 기존 환자 뇌파의 특성 분석
- 기존 DBS를 시술 받은 환자들의 수술 전 발작간기 발작파와 발작 시작 뇌파패턴분석 및 병소 국소화 데이터 확보
- DBS 시술 직후 시상핵 (전시상핵 혹은 중심내핵)에 삽입된 DBS 전극에 저주파(5Hz) 및 고주파(130Hz) 자극과 동시에 측정된 기존의 두피뇌파 자료 분석
- 개인 특성 및 자극 위치 차이와 연관된 연결성의 특징 분석 후 치료효과와의 연관성 확인
2. DBS 유발 전계(Electric field) 예측을 위한 개별환자 뇌모델링 및 자극모사
- 기존 DBS를 시술 받은 환자의 뇌영상 데이터를 기준으로 자극예측을 위한 컴퓨터 기반 뇌모델 구축
- 실제 DBS시술과 동일한 고주파 (130Hz) 및 저주파 (5Hz)로 시상자극을 모사하였을 때의 전계예측
- 시상핵에 가해지는 자극의 세기/방향과 자극으로 인한 뇌파패턴과의 상관관계 분석
- 치료효과와 관련있는 두피뇌파 패턴들이 나올 수 있도록 전계의 분포를 정밀 조절하는 방법론 개발
3. 장기적 DBS 치료 환자의 뇌파 획득 및 만성 전기자극 관련 뇌 네트워크 변화 분석
- 시술 후 최소 1년 경과된 기존 환자 뇌파 분석 후 발작 차단 관련 바이오마커 발굴 및 기존 환자 뇌파의 특성 분석
- 수술 전, 수술 직후 및 만성 자극 후 시기별 뇌파의 global network 특성 및 일관된 패턴 탐색
- 개인별 및 자극 파라미터 차이와 연관된 뇌파 연결성의 특성을 패턴화하고, 다양한 연관성 분석을 통해 장기적 DBS 치료효과를 예견하는 표지자 확인 및 일반화 가능성 타진
4. 컴퓨터기반 뇌모델을 이용하여 개인 맞춤형 DBS 치료전략 수립
- 시상핵에 가해지는 자극의 세기/방향과 패턴화된 연결성과의 상관관계 분석
- 치료효과가 있는 환자들의 뇌 네트워크 특성을 유도할 수 있는 정밀 뇌 자극조건 탐색법 개발

□ 연구 목표대비 연구결과
- 전시상핵 (anterior thalamic nucleus, ATN) 및 중심내핵 (centromedian nucleus, CMN)에 심부뇌자극술 (DBS)를 시행할 환자들의 수술 전 뇌파, 기능적 및 구조적 뇌영상을 토대로 최적의 치료효과를 유도하는 자극 조건 (stimulation paradigm) 확립
- DBS 시행 전 환자들의 뇌파와 의료영상 데이터를 이용하여 환자들의 interictal spikes 패턴을 분석하고, 개개인의 epileptic source 및 ictal propagating network을 확립함
- DBS 수술 1일 뒤 시상핵에 저빈도 (5Hz) 자극을 가하는 동안 자극 빈도에 동조 (synchronization)되는 두피뇌파 (driving response)를 분석하여, 동조되는 성향과 전극 위치와의 관계성을 확인하고, 자극 위치 및 조건에 따른 환자 별 뇌 전계 (electrical filed)의 특징을 데이터베이스화 함.
- 컴퓨터 기반 뇌영상모델과 수치최적화 방법을 이용하여 최적의 항경련 효과를 유도할 수 있는 DBS전극 위치를 찾음.
- 기존 DBS를 시술 받은 환자들의 장기적 치료효과를 분석하여, 상기 모델링 방법을 통한 예측이 실제 환자의 예후와 연계되는 지 확인 후 높은 연관성을 보이는 자극 위치와 parameter를 탐색함.
- DBS 후 최적의 항경련치료 효과를 유도할 수 있는 바이오마커 기반 뇌 자극 프로토콜 수립함.
- 현재 사용 중인 routine DBS 자극 방법과의 항경련치료 효과 비교/분석 후 해당 기술을 적용한 새로운 smart DBS 시스템 제작을 위한 전임상 데이터 획득
- 상기 기술을 종합하여 뇌전증 증후군별로 특징적 병리회로를 도출하고, 이와 상대적인 비교분석을 통해 개인별 맞춤치료가 가능한 알고리즘을 개발.
- 궁극적으로 DBS를 시술 받은 환자들의장기 예후 연관 임상적, 신경생리학적 특징들을 분석.
- 환자들의 comorbidity (기억, 행동, 인지, 정서기능의 저하) 개선 여부를 다양한 뇌기능평가 기법을 통해 확인하고, 최적의 효과를 유발하는 자극 조건 확립.
- 상기 환자 데이터를 통계기반 모델링, 뇌파분석, 계산 뇌모델을 통한 자극예측 예측 기법을 통해 시술 시행전 환자 선정에 적용하는 기법 개발.

□ 연구개발결과의 중요성
- 기존 환자의 뇌파 및 뇌영상을 활용하여 발작병소 및 뇌 network의 분석 알고리즘을 고도화하여, DBS 치료 효과를 높이는 새로운 임상치료기법 개발 및 적용이 가능함.
- 정확한 컴퓨터 기반 뇌모델 방법을 상기한 기술에 활용한다면, 뇌파기반 바이오마커의 진단적 실용성을 높이고, 치료에 적절히 활용할 수 있어 DBS 치료효과 향상에 기여할 것임.
- 시뮬레이션을 통한 인체 적용은 최근 전 의료영역에서 폭발적인 관심과 투자가 이루어지고 있는 분야로서, 컴퓨터 및 의공학의 학문적 발전 뿐 아니라 국가 산업경쟁력의 재고에 큰 도움을 줄 것임.
- 세계적인 수준의 학술지에 게재 가능함.
- 새로운 뇌파 연결성 분석 및 자극 최적화 기술은 세계적인 경쟁력을 얻는 기회가 될 것이며, 의료수익의 증대를 통한 경제적인 이득도 클 것으로 기대됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 난치성 뇌전증 환자의 뇌파기반 뇌전증 병소 및 전파경로 파악 및 분석 ... 4
• 1.2 DBS 유발 전계(Electric field) 예측을 위한 개별환자 뇌모델링 및 자극모사 ... 4
• 1.3 장기적 DBS 치료 환자의 뇌파 획득 및 만성 전기자극 관련 뇌 네트워크 변화 분석 ... 4
• 1.4 컴퓨터기반 뇌모델을 이용하여 개인 맞춤형 DBS 치료전략 수립 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• 2.1 EEG 데이터의 형태 ... 4
• 2.2 EEG데이터의 Nicolet을 이용한 필터처리 및 추출 ... 4
• 2.3 Stimulation artifact noise 제거 방법 ... 5
• 2.4 Matlab을 이용한 wPLI connectivity 계산 및 결과 도출 ... 6
• 2.5 R을 이용한 통계처리 ... 6
• 2.6 개별 환자 뇌영상을 이용한 뇌모델링 및 자극모사 ... 7
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 8
• 3.1 난치성 뇌전증 (간질)의 높은 유병률 및 의료, 사회적인 문제점 ... 8
• 3.2 난치성 뇌전증 환자에서 DBS를 이용한 발작억제치료의 효과 및 한계 ... 9
• 3.3 컴퓨터 기반 뇌파 분석 및 뇌자극 예측기술의 중요성 ... 9
• 4. 참고문헌 ... 9
• 5. 연구성과 ... 10
• 끝페이지 ... 10