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뇌파 분석을 이용한 치매 진단 장치Apparatus for Alzheimer's disease diagnosis using EEG(electroencephalogram) analysis

분야보건의료
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기술개요

전 세계적으로 고령화가 급속히 진행 중에 있으며, 이와 함께 치매 환자도 급격히 증가하고 있다. 따라서 치매환자를 관리하고 치료하기 위해 경제적 비용이 기하급수적으로 증가할 것은 명확하다. 최근 들어, 치매증상이 나타나는 것을 지연하고 개선할 수 있는 치료약들이 개발되고 있으며, 더욱 효능이 개선된 치료약들을 개발하기 위한 투자와 노력이 계속되고 있다. 그러나 상기 치료약은 치매의 초기 단계에 사용해야 효능이 있기 때문에 치매의 조기 진단과 조기 치료가 핵심적인 이슈가 되고 있다. 치매를 진단하기 위해 심리학적인 문진을 통한 치매 진단 방법이 일반적으로 행하여지고 있다. 그러나 심리학적인 문진을 통한 치매 진단 방법으로는 치매의 상태를 검사하고 진단하는데 수일 동안의 시간과 많은 비용이 소요된다. 더구나 상기 심리학적인 문진을 통한 치매 진단 방법은 임상적인 증상이 나타나기 전에 치매의 초기 상태를 진단할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 현재 계속해서 연구가 진행되고 있는 치매를 진단하기 위한 또 다른 종래의 기술들은 fMRI 또는 PET를 이용하여 뇌영상을 촬영하여 치매 진행 정도를 진단하는 방법과 치매 환자로부터 추출한 혈액이나 뇌척수액을 분석하여 치매 진행 정도를 진단하는 바이오마커(Bio-marker) 방법, 뇌파(EEG 또는 MEG)를 측정하여 치매를 진단하는 방법 등이 존재한다. 치매의 초기 상태에서 뇌에서 아세틸콜린 관련 기능의 이상 현상은 많은 실험적 증거로 증명되었으며, 아세틸콜린과 베타아밀로이드 사이의 긴밀한 관계도 실험적으로 확인되고 있다. 뇌 안의 베타 아밀로이드 또는 아세틸콜린의 변화를 PET를 이용한 뇌영상 촬영기술을 이용하여 측정하여 치매를 조기에 진단할 수 있는 기술이 개발 중이다. 그러나 뇌영상 촬영 방식에 대한 기술 개발이 완료된 후에도 장비가 고가이므로 널리 사용되는데 제한이 있다. 바이오마커 방법은 치매 환자로부터 직접적으로 혈액이나 최척수액을 추출하는데 고통이 뒤따르며, 추출한 혈액이나 뇌척수액을 분석하여 치매 진행 상태를 진단하는데 상당한 시간이 소요되는 단점이 있다. 한편, 뇌파(EEG 또는 MEG)를 측정하여 치매를 진단하는 방법은 치매 환자의 배경 뇌파 또는 휴식 뇌파를 측정하고 측정된 뇌파를 정상인의 배경뇌파 또는 휴식 뇌파와 비교하여 치매환자의 치매를 진단한다. 상기 배경 뇌파 또는 휴식 뇌파는 의자에 눈을 감고 가만히 앉아있을 때의 뇌파를 의미한다. 종래의 기술에 의하면 측정된 뇌파는 주파수 성분에 따라 델타(0-4Hz), 세타(4-8Hz), 알파(8-12Hz), 베타(15-30Hz), 그리고 감마(30-60Hz) 대역으로 구분하고 있다. 그러나 지금까지 델타(delta), 세타(theta), 알파(alpha), 베타(beta) 그리고 감마(gamma) 대역의 주파수 성분들의 생성 원리와 생리학적인 의미 및 역할은 잘 알려져 있지 않다. 따라서 뇌파를 측정하여 치매 환자의 치매를 진단하는 방법에서 각 대역의 주파수 성분들은 치매 환자의 행동에 무관하게 각각 하나로 생각되어 있으며, 통상적으로 치매 환자의 배경 뇌파 또는 휴식 뇌파 중 세타 대역의 주파수 성분을 정상인의 배경 뇌파 또는 휴식 뇌파 중 세타 대역의 주파수 성분과 비교하여 치매 환자의 치매를 진단하였다. 도 1 은 치매가 중등도 이상으로 진행된 치매 환자의 휴식 상태 중 측정된 뇌파와 정상인의 휴식 상태 중 측정된 뇌파를 도시하고 있다. 도 1의 (a) 중 아래의 파형은 눈을 감고 휴식 상태 중 시간 축 상에서 측정된, 치매정도가 중등도 이상으로 진행된 환자의 뇌파를 도시하고 있으며, 위의 파형은 정상인의 뇌파를 도시하고 있다. 그리고 도 1의 (b)는 눈을 감고 휴식 상태 중 주파수 축 상에서 측정된, 치매정도가 중등도 이상으로 진행된 환자의 세타 대역의 주파수 성분(1)과 정상인의 세타 대역의 주파수 성분(2)을 도시하고 있다. 도 1의 (a)(b)에서 도시하고 있는 것과 같이, 눈을 감고 휴식을 취하는 동작 중 측정된, 치매정도가 중등도 이상으로 진행된 환자의 세타 대역의 주파수 성분의 크기는 정상인의 세타 대역의 주파수 성분의 크기보다 크게 나타내고 있음을 알 수 있다. 한편, 도 2 는 치매 초기 환자가 눈을 감고 휴식 상태 중 측정된 뇌파와 정상인이 눈을 감고 휴식 상태 중 측정된 뇌파를 도시하고 있다. 도 2의 (a) 중 아래의 파형은 눈을 감고 휴식 상태 중 시간 축 상에서 측정된 치매 초기 환자의 뇌파를 도시하고 있으며, 위의 파형은 정상인의 뇌파를 도시하고 있다. 그리고 도 2의 (b)는 눈을 감고 휴식 상태 중 주파수 축 상에서 측정된 치매 초기 환자의 세타 대역의 주파수 성분(1)과 정상인의 세타 대역의 주파수 성분(2)을 도시하고 있다. 도 2의 (a)(b)에서 도시하고 있는 것과 같이, 눈을 감고 휴식을 취하는 동작 중 측정된 치매 초기 환자의 세타 대역의 주파수 성분의 크기와 정상인의 세타 대역의 주파수 성분의 크기는 크게 차이가 없음을 알 수 있다. 이처럼, 치매 초기 환자에게서는 세타 대역의 주파수 성분과 정상인의 세타 대역의 주파수 성분은 큰 차이가 없어 뇌파(EEG 또는 MEG)를 측정하여 치매를 진단하는 방법은 치매를 조기에 진달 할 수 없는 문제점이 있다. 그리고 이러한 문제점은 최근 개발되고 있는 치매 치료약의 경우 치매의 초기 단계에 사용해야 효능이 있기 때문에 치매 치료에 있어 매우 큰 문제라고 할 수 있다. 따라서 치매를 조기에 진단하는 방법이 현재 절실히 필요한 실정이다. 2.2 기술의 내용 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 다채널 뇌파 측정 시스템으로부터 측정된 뇌파 신호를 기반으로 특정 주파수 혹은 특정 주파수 대역에서 동기화(synchronized)되는 뇌파 신호가 발생하는지를 측정 및 평가하여 치매를 조기에 진단할 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명의 다른 목적은 GFS 또는 GSI를 통해 분류된 치매 의심군 중 MMSE, CDR 또는 GDS 정보를 이용한 재 판단하여 치매정도를 판단하여 보다 정확하게 치매정도를 측정하고 평가할 수 있는 뇌파 분석을 이용한 치매 진단 장치를 제공하는데 있다. 【과제의 해결 수단】 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 뇌파 분석을 이용한 치매 진단 장치의 특징은 뇌파 신호를 측정하기 위한 복수의 채널을 갖는 전극들을 구비하고 있는 측정부와, 상기 측정부에서 측정된 뇌파 신호를 증폭하는 증폭부와, 상기 증폭된 뇌파 신호를 기반으로 특정 주파수 혹은 특정 주파수 대역에서 얼마나 동기화(synchronized)된 뇌파 신호가 발생하는지를 측정하는 치매 진단부와, 상기 치매 진단부에서 측정된 동기화 여부에 기반하여 치매를 진단하는 치매 판단부를 포함하는데 있다. 바람직하게 상기 치매 진단부에서 동기화 여부를 측정하기 위한 특정 주파수 혹은 특정 주파수 대역 정보를 제공하고, 상기 치매 판단부에 MMSE, GDS 및 CDR 정보 중 적어도 하나의 정보를 제공하는 메모리부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게 상기 치매 진단부는 GFS(Global Field Synchronization) 및 GSI(Global Synchronization Index) 중 어느 하나를 이용하여 뇌파 신호의 동기화를 측정하는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 뇌파 분석을 이용한 치매 진단 장치의 다른 특징은 뇌에서의 뉴론 활동(neuronal activation)에 기초하는 전위 측정을 일정한 샘플링 간격(fixed sampling interval)으로 수행하여 뇌파 신호를 측정하는 뇌파 측정부와, 상기 뇌파 측정부에서 측정된 뇌파 신호를 기반으로 특정 주파수에서 동기화된 뇌파 신호가 발생하는지 GFS(Global Field Synchronization) 및 GSI(Global Synchronization Index)를 이용하여 측정하는 동기화 측정부와, 상기 동기화 측정부에서 측정된 특정 주파수별 뇌파 신호의 동기화 여부에 따라 분류된 치매 의심군을 치매정도를 산술적으로 계산하는 MMSE, GDS 및 CDR 정보 중 어느 하나를 이용하여 치매 의심환자군 또는 치매 환자군으로 설정하는 설정부를 포함하여 구성되는데 있다. 바람직하게 상기 동기화 측정부는 각 채널의 전극에서 측정된 뇌파 신호를 푸리에 변환(fourier transform)을 수행하여 특정 주파수(f)에서 복소수 값으로 산출하는 복소수 값 산출부와, 상기 산출된 복소수 값을 복소수 평면(complex plane)에 대응시켜 복소평면 상의 각 점들의 분포에 대해 주성분 분석(Principal Component Analysis : PCA)을 수행하여, 2개의 고유치(eigenvalues)( , )를 추출하는 고유치 산출부와, 상기 산출된 고유치( , )를 수식 에 적용시켜 GFS 값을 산출하는 GFS 값 산출부와, 상기 산출된 GFS 값이 0보다 1에 가까운 값을 가지면 측정된 뇌파 신호가 동기화되어 있는 것으로 판단하고, 1보다 0에 가까운 값을 가지면 측정된 뇌파 신호가 동기화되지 않은 것으로 판단하는 동기화 확인부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게 상기 동기화 측정부는 특정 주파수에서 측정된 모든 뇌파 신호에 상응하는 전극의 쌍들에 대해서 동기화를 계산하고 이를 행렬 형태로 조합하는 행렬 조합부와, 상기 조합된 행렬을 고유치 분해(eigenvalues decomposition)를 통해 동기화 행렬의 패턴을 분석하여 고유치(eigenvalues)를 추출하는 고유치 추출부와, 상기 추출된 고유치 중 가장 큰 값( )을 수식 에 적용시켜 GSI 값을 산출하는 GSI 값 산출부와, 상기 산출된 GSI 값이 0보다 1에 가까운 값을 가지면 측정된 뇌파 신호가 동기화되어 있는 것으로 판단하고, 1보다 0에 가까운 값을 가지면 측정된 뇌파 신호가 동기화되지 않은 것으로 판단하는 동기화 확인부를 포함하며, 상기 수식 중 M은 측정된 뇌파 신호의 개수(=전극의 개수)를 의미하며, 는 대리 데이터(surrogate data)들을 이용한 고유치 계산에 따른 평균적인 고유치인 것을 특징으로 한다. 바람직하게 상기 특정 주파수는 델타(delta), 쎄타(theta), 알파(alpha), 베타1(beta1), 베타2(beta2), 베타3(beta3), 감마(gamma), 풀(Full)대역의 주파수 성분 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 바람직하게 상기 행렬 조합부는 coherence, phase coherence, equal-time correlation 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 전극의 쌍들에 대해서 동기화를 산출하는 것을 특징으로 한다.

기술특징

본 발명에 따른 뇌파 분석을 이용한 치매 진단 장치는 다음과 같은 효과가 있다. 첫째, 측정된 뇌파 신호를 기반으로 특정 주파수 혹은 특정 주파수 대역에서 얼마나 동기화(synchronized)된 뇌파 신호가 발생하느냐를 통해 치매를 진단함에 따라 치매를 조기에 진단할 수 있는 정보를 제공하거나 치매를 조기에 진단할 수 있다. 둘째, GFS 또는 GSI를 통해 분류된 치매 의심군 중 MMSE, GDS 또는 CDR 정보를 이용한 재판단을 통해 치매정도를 판단하므로 보다 정확한 치매정도 측정 및 평가를 수행할 수 있다. 셋째, 치매 환자의 뇌파를 측정하여 치매를 진단하기 때문에 치매 환자에게 고통을 주지 않고 치매상태를 진단할 수 있다.

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