뇌파 신호의 분석

뇌파 신호의 분석

 

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뇌파 신호를 통계적 또는 수리물리적 방법을 이용하여 분석하기 위해서는 디지털 뇌파기로 측정을 하여야 하며, 측정된 신호를 적절한 과정을 거쳐서 수치 데이터로 전환 하는 과정이 필요하다. 디지털 뇌파기의 개념과 아날로그 신호의 디지털화 과정을 이해하고 뇌파 분석을 위한 뇌파 신호의 전처리 과정이 있다.

 

Digital EEG system

 

 

디지털 뇌파 시스템은 아날로그 앰프 시스템과 전극 및 잭박스, 그리고 아날로그 - 디지털 변환기 (analog to digital converter ; ADC)와 신호를 나타내는 모니터와 저장하는 저장 장치로 구성되어 있다. 디지털 전 환기는 일정한 시간 간격으로 연속적인 아날로그 뇌파 신호를 측정한다. 샘플 주파수의 1/2에 해당하는 주파수가 디지털화된 신호를 왜곡되지 않게 표현할 수 있는 최대의 주파수가 되는데, 이 주파수를 Nyquist frequency라고 한다. 두개골은 고주파가 억제되므로 두피 뇌파의 경우 200 ~ 400Hz의 샘플 주파수이면 파형을 나타내는데 충분하지만, 두개강내 뇌파의 경우에는 좀 더 빠른 샘플 주파수가 필요하다.

 

뇌파 분석 절차

 

연구 목적에 맞는 적절한 뇌파 절편을 선택하는 것이 우선이다. 이 절편의 단위를 epoch이라고 하는데, epoch의 길이가 너무 길면 뇌파 신호가 정상성 (stationarity)을 유지하지 못하고 너무 짧으면 주파수 해상도 (frequency resolution)이 낮기 때문에 고려해야 한다. 보통 뇌파의 스펙트럼 분석에는 약 5 ~ 10초 정도의 길이가 1 epoch으로 선택하며, 5초인 경우에 최 대 주파수 해상도는 1/5 = 0.2 Hz가 된다. 분석에 사용할 절편은 잡파가 삽입되지 않으면서 분석하고자 하는 방법의 의미에 부합되는 부분을 선택해야 한다. 이때, 저주파 및 고주파 영역의 필터 설정과 기준 전극의 선택이 중요한데, 연구 목적에 따라 설정 해야 하며 결과 해석시에 고려할 수 있도록 명시하는 것이 좋다. 선택된 절편은 상용 디지털 뇌파기에서 제공하는 모듈이나 범용 소프트웨어를 이용하여 수치 데이터 (아스키 데이터)로 전환시킨다. 대표적인 것으로는 Insight4 라는 프로그램이 있다. 전환된 수치 데이터는 채널 수 * (시간 (sec) * 샘플 주파수 (sampling rate))의 크기를 가지는 행렬 데이터로서 각종 분석에 사용하게 된다.

 

선형 및 비선형 분석

 

뇌파 분석은 방법이 아주 다양하기 때문에 어떤 방법을 적용해야 정확한 결과를 도출할 수 있는지가 중요하다. 이것은 마치 통계를 처리하기 위한 데이터가 있을 때, 어떤 통계 방법을 사용해야 적당한지와 비슷하다고 할 수 있다. 또한, 같은 방법이라고 하도 계산되는 구체적인 알고리즘이나 함수가 다를 수 있기 때문에 이를 정확히 인지하고 이해하고 있어야 한다. 최근 상용으로 여러 분석 프로그램들이 제공되고 있는 데, 국내에서 개발된 Complexity5라는 프로그램과 독일에서 개발된 Dataplore6가 있으며, 일반용으로는 TISEAN (TIme Series Analysis) 7이 있으며, Matlab8 등의 범용 공학계산용 프로그램을 이용한 방법도 많이 활용되고 있다. 뇌파 분석은 컴퓨터를 이용하여 통계적, 수학적, 그리고 물리학적 계산 과정을 거쳐서 결과를 도출하고 통계적 검증을 하게 된다.