Digital Polysomnography

Digital Polysomnography

 

 

컴퓨터화된 폴리그래프는 표준 폴리그래프를 대체했다. 일부 시스템은 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 아날로그 증폭기를 컴퓨터에 연결한다. 오늘날 대부분의 시스템은 디지털 수면다원검사를 기록하기 위해 아날로그-디지털 변환기를 통해 연결된 보조 장비와 함께 컴퓨터에 직접 연결된 디지털 증폭기를 사용한다. 그러나 컴퓨터를 사용한다고 해서 표준 계측 원리를 이해할 필요성이 줄어들지는 않다. 실제로 컴퓨터를 사용하려면 기술자가 수면다원검사 중에 기록된 다양한 생물물리학적 신호를 컴퓨터가 적절하고 정확하게 기록하고 있는지 판단할 수 있을 만큼 충분한 지식이 있어야 한다.

적절한 전극 및 센서 적용 기술과 정밀한 장비 교정은 여전히 ​​필수적이다. 정확한 신호 처리는 물론 아티팩트 인식 및 녹음 유지 관리도 보장되어야 한다. 직접 디지털 앰프가 포함된 시스템을 사용하려면 뛰어난 전극 적용 기술과 백업 채널이 필요하다. 이러한 시스템의 대부분은 녹음 중에 다시 몽타주하는 기능을 제공하지 않기 때문이다.

 

디지털 증폭기

 

디지털 증폭기는 모든 증폭기가 공통 기준 전극을 통해 연결되는 공통 기준을 사용한다. 공통 기준 전극은 기준점 역할을 한다. 기존 차동 증폭에서는 각 입력의 전기적 활동 간의 차이가 기록되는 반면, 디지털 차동 증폭은 약간 다르게 작동한다. 디지털 차동 증폭을 통해 시스템은 전극 쌍의 각 데이터 지점에서 전기 값을 기록하고 이를 공통 기준 전극의 전기 값과 비교한다. 공통 기준 전극의 활동 값은 전극 쌍 사이의 활동 값에서 제거되므로 파형 진폭이나 극성에 영향을 주지 않는다. 이를 통해 다른 쌍의 전극을 사용하여 기록 후 표시되는 활동을 다시 몽타주하거나 변경할 수 있다. 이것은 수학적으로는 작동하는 방식이다. 기존의 차동 증폭기는 두 개의 서로 다른 입력 (전극)에서 발생하는 전기 활동 간의 차이를 기록한다.

 

전극 (Electrode) 1		양의 (positive) 40µV 신호 기록
전극 (Electrode) 2		양의 (positive) 20µV 신호 기록
차이 (difference)		양의 (positive) 20µV 신호 기록

 

디지털 차동 증폭기는 두 개의 입력 (전극) 각각에서 발생하는 전기 활동을 기록하고 각각을 공통 기준 전극과 비교한다. 공통 기준 전극은 양의 10μV 신호를 기록한다.

 

전극 (Electrode) 1		양의 (positive) 40µV 신호 기록	40 µV – 10 µV = 30 µV
전극 (Electrode) 2		양의 (positive) 20µV 신호 기록	20 µV – 10 µV = 10 µV
차이 (difference)		양의 (positive) 20µV 신호 기록	20 µV

 

디지털 계측은 표준 극성 규칙을 변경하지 않는다. 음의 전위차는 상향 신호 편향을 유발하고, 양의 전위차는 하향 신호 편향을 유발한다. 디지털 DC 증폭기는 표준 DC 증폭기와 동일한 원리를 사용한다. 단일 입력과 접지 사이를 기록하고 왜곡되지 않은 입력 신호를 반영한다.

 

아날로그-디지털 (A-D) 변환

 

아날로그-디지털 (A-D) 변환은 지속적으로 변화하는 생물물리학적 신호를 디지털화하는 데 사용되며, 검토 및 채점을 위해 컴퓨터에 저장된다. 아날로그-디지털 변환기의 샘플링 속도는 녹음 신호의 수평 주파수 해상도를 결정한다. 각 신호는 컴퓨터 화면에 적절하게 표시하는 데 필요한 해상도에 따라 특정 속도로 샘플링된다. 이는 데이터를 적절하게 표현하려면 샘플링 속도가 기록하려는 주파수의 최소 두 배 이상이어야 한다는 나이퀴스트 샘플링 정리 (Nyquist sampling theorem)를 기반으로 한다. 앨리어싱 (Aliasing)은 샘플링 속도가 샘플링 중인 신호를 재생하기에 부적절할 때 발생한다. 앨리어싱은 느린 신호보다 빠른 신호에 더 큰 영향을 미친다. 예를 들어, 5Hz의 샘플링 속도만 사용하여 10Hz EEG 신호를 샘플링하는 경우 파형이 심각하게 왜곡되고 EEG 신호가 느려지는 오류가 발생한다. 즉, 10Hz EEG 신호는 부적절한 샘플링 속도 사용으로 인해 3 ~ 4Hz EEG 신호로 나타난다.

일반적으로 적절한 주파수 분해능을 위해서는 활동 주기당 최소 2개의 샘플링 포인트가 필요하지만 현재 시스템은 더 높은 샘플링 속도로 샘플링하는 경우가 많다. 예를 들어, 베타 활동의 경우 최대 30Hz의 EEG와 같은 빠른 활동에는 약 12/분 또는 0.2Hz의 호흡 데이터보다 더 많은 데이터를 샘플링하고 기록해야 한다. 이로 인해 EEG 신호는 일반적으로 호흡 노력이나 산소 측정 추적과 같이 천천히 변화하는 복잡하지 않은 신호보다 훨씬 더 높은 샘플링 속도가 필요하다. 샘플링 속도가 높을수록 디지털 녹음이 더 정확해진다. 복잡한 EEG 신호를 정확하게 기록하려면 초당 최소 200개 샘플의 샘플링 속도가 필요하다. 일부 장비에서는 데이터가 초당 500개 샘플로 샘플링되어 초당 250개 샘플로 저장된다. 더 높은 샘플링 속도를 사용하면 신호 위상 왜곡을 방지하는 데 도움이 된다.

천천히 변화하는 호흡 신호는 초당 25샘플의 샘플링 속도로 적절하게 기록 및 표시할 수 있으며, 산소 측정 또는 pH와 같은 신호는 초당 12.5샘플의 낮은 샘플링 속도로 샘플링할 수 있다. EKG의 적절한 분해능은 초당 125개 샘플의 샘플링 속도로 얻을 수 있다. 일반적으로 샘플링 속도가 디지털화할 신호 주파수의 두 배 이상인 경우 아날로그에서 디지털로 변환하는 동안 정보가 손실되지 않는다.

 

진폭 분해능은 각 디지털 값을 나타내는 데 사용되는 샘플당 비트 수를 기반으로 한다. 1바이트 (8비트)는 1마이크로볼트 분해능에서 256개 값 (+/- 128μV)을 나타낼 수 있다. 충분히 높은 샘플링 속도와 함께 EEG 데이터를 정확하게 표현하려면 1바이트이면 충분하다. 그러나 현재 컴퓨터 수면다원검사에 적합한 것으로 간주되는 최소 디지털 해상도는 샘플당 12비트이다. 대부분의 컴퓨터 시스템에서 실제 디지털 해상도는 상당히 높으며 현재 기술은 일반적으로 샘플당 32비트이다. 비트 전송률이 높을수록 진폭 분해능이 향상된다.

데이터가 검토되는 모니터의 디스플레이 해상도는 기록된 파형의 주파수와 형태를 정확하게 시각화하기에 충분해야 한다. 정확한 데이터 표현을 위해서는 고해상도 모니터가 필요하다. 디스플레이 해상도는 인치당 픽셀 수 또는 밀리미터 (mm)를 기준으로 하며 EEG 신호의 적절한 화면 해상도를 위해서는 최소 2픽셀/mm가 필요하다. 인치당 또는 밀리미터당 픽셀 수가 높을수록 화면 해상도가 좋아진다. 채점에 사용되는 컴퓨터에 표시되는 데이터는 파형 형태, 전압 및 주파수 측정 측면에서 기존 폴리그래프에서 얻은 동일한 데이터와 동일하게 나타나야 한다. 컴퓨터는 수면, 호흡 및 기타 매개변수의 정확한 점수를 매길 수 있는 방식으로 PSG 데이터의 다양한 채널을 표시할 수 있어야 한다.

 

에포크 (Epoch) 크기

 

일상적인 수면다원검사는 30초 에포크 크기를 사용하여 일상적으로 기록된다. 특정 전기 활동의 빈도를 결정하려면 표시되는 에포크의 크기를 알아야 한다. 주파수는 초당 사이클로 측정되므로 특정 활동의 빈도를 계산하려면 디스플레이 화면에서 1초 동안 보이는 wave의 수를 세면 된다.

디지털 계측의 장점 중 하나는 특정 디스플레이 요구 사항에 맞게 시간 기반을 변경할 수 있다는 것이다. 때로는 다른 에포크 크기를 사용하여 데이터를 보는 것이 도움이 될 수 있다. 상대적으로 느린 신호인 호흡 패턴의 명확한 시각화는 120초의 에포크 크기에서 가장 좋다. 발작 활동이 의심되는 경우 EEG 활동을 더 잘 시각화하기 위해 에포크의 크기를 10초로 변경해야 한다.

에포크 크기를 30초에서 10초로 변경하면 전위가 "확산"되어 빠른 주파수를 더 쉽게 계산할 수 있다. 예를 들어, 때때로 60사이클 간섭이 고주파 근육 활동과 혼동된다. 60주기 인공물 (artifact)은 매우 정현파적이고 규칙적인 반면, 근육 활동은 산발적이고 혼합된 주파수이다. 이렇게 높은 주파수의 단일파를 계산하는 것은 육안으로는 거의 불가능하지만, 에포크 크기를 줄이면 훨씬 쉬워진다. 에포크 크기를 변경해도 기록되는 활동은 변경되지 않으며 페이지에 표시되는 방식만 변경된다. 에포크 크기를 변경하는 것은 페이지의 시각적 이미지를 향상시키는 효과적인 방법이며 비정상적인 상황을 조사하는 데 사용해야 한다.

 

데이터 수집 및 저장

 

데이터를 수집하는 동안 일부 디지털 녹음 시스템에서는 화면 해상도의 품질이 다소 낮을 수 있다. 데이터 수집 중 화면 해상도는 녹음 품질과 수면 단계를 결정하기에 충분해야 한다. 또한 진행 중인 데이터 수집 중에 이전에 기록된 데이터를 검토할 수 있는 기능도 필수적이다. 대부분의 시스템에서는 분할 화면이나 되돌아보기 창을 사용하여 이전에 수집된 원시 데이터를 볼 수 있다. 이는 종이 PSG 기록 중에 이전 페이지를 다시 보는 것과 유사하다. 일부 시스템은 이전에 기록된 SaO2 또는 심박수 데이터의 추세를 추가적인 되돌아보기 기능으로 제공하며, 이는 CPAP 또는 산소 적정 중에 유용할 수 있다.

디지털 시스템은 실제로 녹음 후 필터링을 허용하기 위해 상대적으로 개방된 필터 설정으로 모든 신호를 녹음한다. 반면에 감도 설정은 적절한 녹음 매개변수 내에서 설정해야 한다. 기록 및 검토 프로세스 중에 이러한 계측기는 게인 설정을 사용하여 파형 및 활동을 더 잘 시각화하기 위해 디스플레이 크기를 변경할 수 있다. 마찬가지로, 기본 기록 데이터에 영향을 주지 않고 기록 및 검토 프로세스 중에 에포크 크기를 변경할 수 있다.

데이터 저장은 특히 종이 추적이 수반되지 않는 경우 안정적이고 안전해야 한다. 현재 사용되는 가장 일반적인 데이터 저장 방법은 컴퓨터 하드 드라이브이다. 대부분의 시스템은 먼저 데이터를 하드 드라이브에 저장한 다음 백업 CD, DVD, 이동식 하드 디스크 또는 테이프 스토리지 시스템에 저장한다.

하드 드라이브에 대한 데이터 저장은 표준이며 매 2초 이하의 속도로 짧은 세그먼트로 이루어져야 한다. 일반적인 16 채널, 8시간 수면다원검사 기록에는 50~60MB의 저장 공간이 필요하다. 디지털 비디오에는 추가 저장 공간이 필요하다. 디지털 비디오가 포함된 일반적인 수면다원검사에는 약 100MB의 저장 공간이 필요하다. 이동식 디스크 드라이브는 일반적으로 컴퓨터 하드 드라이브보다 쉽게 ​​사용할 수 있는 저장 공간이 더 많다. 일부 이동식 디스크 드라이브 (1~2TB)는 최대 200개의 PSG 녹음을 저장할 수 있다. 데이터가 처음 하드 드라이브에 저장되면 영구 저장 매체에 데이터를 다운로드 (복사)해야 하며, 다음 녹화를 위한 저장 공간을 확보하기 위해 원본 데이터를 삭제해야 한다.

PSG 녹화를 시작하기 전에 적절한 저장 공간을 사용할 수 있는지 확인하는 것이 매우 중요하다. 신뢰할 수 있는 데이터 저장과 채점 및 해석을 위해 손상되지 않은 데이터를 일관되게 검색하는 능력이 필수적이다. 의료 기록 (PSG)은 안정적으로 저장되고 일정 기간 동안 접근 가능해야 한다는 법적 요구 사항이 있다. 디지털 PSG 기록을 취급하고 보관하는 동안 이러한 요소를 염두에 두어야 한다.