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방법 논문

심장 주기 단계를 이벤트 관련 전위 분석에 통합하기: 2차원 및 가상현실 환경을 위한 프로토콜

69 조회수

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DOI:

10.3791/69752

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2026년 5월 5일

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1Research Center for Genetics and Life Sciences, Sirius University of Science and Technology, 2Samara State Medical University, 3National Research University Higher School of Economics

이 논문에서

요약

이 프로토콜은 뇌파 및 심전도 기록을 동시에 활용하여 시각 사건 관련 전위의 위상 의존적 변조를 조사하는 접근법을 설명합니다. 프로토콜은 수축기 및 이완기 동안 자극 동기화, 심장상 분할, 사건 관련 전위 분석을 상세히 다루며, 기존 2차원 및 몰입형 가상현실 환경 모두에 적용 가능합니다.

초록

심장 박동은 생명을 유지할 뿐만 아니라 지각 및 신경 과정을 조절하여 사건 관련 전위(ERP)의 재현성에 영향을 미치는 근본적인 생리적 리듬입니다. 가상현실(VR)은 기존의 2차원(2D) 화면에 비해 매우 몰입감 있는 환경을 제공하지만, 동시에 움직임 아티팩트, 프레젠테이션 지연, 그리고 잠재적으로 더 강한 심원 조절 등 전기생리학적 기록에 독특한 도전 과제도 도입합니다. 이러한 요인들은 표준 뇌파검사(EEG) 전처리의 효율성을 저하시켜 상당한 데이터 손실로 이어질 수 있습니다. 이 연구는 동시 EEG와 심전도(ECG)를 결합하여 VR과 2D 조건 모두에서 심뇌 상호작용을 조사하는 상세한 프로토콜을 제시합니다. 이 접근법은 자극을 심장 신호와 정밀하게 정렬하고, VR로 인한 잠복 시간을 보정하며, 장기적인 인공물 관리를 포함합니다. 심장 수축기 또는 이완기 중 자극이 발생했는지에 따라 EEG 에포크를 분할한 결과, 수축기 동안 시각 ERP 진폭이 강력히 억제된 것으로 나타났습니다. 중요한 점은, 이 억제 효과가 VR과 2D 환경 모두에서 거의 동일하다는 점으로, 프로토콜의 효능을 입증하고 이 근본적인 심장-뇌 상호작용이 몰입 수준 변화에 강인함을 확인시켜 주었습니다. 따라서 이 프로토콜은 다양한 시각적 표현 방법에 적응할 수 있는 심장 인지에 미치는 영향을 조사하는 표준화된 틀을 제공합니다.

서론

심장의 리듬 활동은 점점 더 중요한 항상성 과정일 뿐만 아니라 뇌 기능과 인지의 근본적인 조절 요인으로 인식되고있습니다. 점점 더 많은 증거가 심장 신호가 지각, 주의력, 감정 조절, 의식 등 광범위한 신경인지 과정에 지속적인 영향을 미친다는 것을 보여줍니다 2,3. 이 심장-뇌 축은 심혈관 압력수용기와 기계수용기에서 나오는 구심성 내수용체 신호에 의해 매개되며, 이들은 뇌간을 통해 피질 영역으로 투사되어 외부 감각 정보와 통합됩니다 4,5. 따라서 뇌는 외부 자극을 수동적으로 처리하지 않고, 신체 내부 상태의 맥락 내에서 처리하며, 그 핵심 지표는 심장 주기의 위상이다.

중심 방법론적 도전은 심인성 신경 활동이 시각적 ERP로 측정된 외부 자극 처리에 어떤 영향을 미치는지 밝히는 것입니다. 이 상호작용의 가장 두드러진 전기생리학적 현상은 심장 박동 유발 전위(HEP)로, 심장 수축에 시간 고정된 특정 EEG 활동 패턴입니다. HEP는 뇌가 임박한 심장 박동과 감각 처리에 미치는 영향을 예측하는 부호화를 반영하는 내수용 주의 신경 표지자로 간주됩니다 7,8. 현대 모델에 따르면, 뇌는 이러한 심장 신호를 활용하여 외부 맥락 내에서 신체 내부 상태를 통합적으로 표현합니다 9,10. 경험적 증거에 따르면, 외부 자극의 처리, 특히 지각적 두드러짐과 기저 신경 상관관계는 심장수축기(11, 12, 13) 중 제시되는지에 따라 크게 달라진다. 수축기(수축기)에 제시된 자극은 신경 처리 억제와 일관되게 연관되어 있으며, 이는 이완기(이완기)에 제시된 자극에 비해 ERP 진폭 감소와 행동 반응 변화로 나타납니다14,15,16. 이 효과는 '체성감각 게이팅(somatosensory gateting)' 가설로 설명되며, 이 가설은 수축기15,17 동안 뇌가 심장 내수용 신호를 일시적으로 우선시하기 위해 외부 수용 신호 처리를 억제한다고 주장합니다.

심장-뇌 축에 대한 관심이 커지고 있음에도 불구하고, 표준 ERP 분석 프로토콜은 외부 자극에만 집중하여 자극 시작 시기에 대해 시기를 분할하여 진행 중인 심장 주기가 초래하는 심층적인 시험별 변동성을 무시합니다. 시각적 ERP의 심장 주기 조절을 정확히 포착하려면 근본적으로 다른 접근법이 필요합니다. 이는 자극 제시가 특정 심장 단계와 정밀하게 정렬되어야 하며, 동시 심전도 기록으로 확인됨18. 현재 문헌에는 원시 데이터 수집부터 통계 분석, 심장 위상까지 모든 처리 단계를 포괄적으로 설명하는 표준화되고 상세하며 쉽게 재현 가능한 프로토콜이 부족합니다.

또 다른 방법론적 도전은 신경과학에서 VR과 같은 몰입형 기술의 급속한 도입과 함께 발생합니다. VR 환경은 매우 몰입감 있고 몰입감 있는 맥락을 제공하여 통제되면서도 현실적인 실험 환경을 만들 수 있게 합니다19,20 . 하지만 VR 환경에서 고품질 EEG 및 ECG 데이터를 동시에 수집하는 것은 여러 기술적 어려움과 관련이 있습니다. 여기에는 잠재적인 모션 아티팩트, 헤드셋에서의 전자기 간섭, 그리고 자극 제시(종종 내재된 지연 포함), 데이터 수집, 모션 트래킹 시스템 간의 정밀한 시간 동기화가 중요하다는 점이 포함됩니다. 이러한 기술적 도전은 고전 2D 및 몰입형 VR 패러다임 간 심장 의존 신경 조절을 직접 비교하기 위해 특별히 설계된 견고한 분석 프로토콜의 부족을 초래했습니다. 이러한 공통된 틀의 부재는 몰입과 존재감이 뇌-몸 상호작용의 근본적인 메커니즘을 어떻게 조절하는지에 대한 연구를 궁극적으로 방해합니다.

이러한 도전 과제를 해결하기 위해, 본 연구는 동시 EEG 및 ECG 기록을 통합하여 시각 ERP의 심장 주기 조절을 조사하는 포괄적이고 단계적인 방법론적 프로토콜을 제시합니다. 이 접근법의 핵심은 신경 데이터를 심장 R-피크에 대해 분할하는 것으로, 수축기 또는 이완기 동안 자극의 발생 여부를 기준으로 분류할 수 있게 합니다. 무엇보다도, 심장 위기가 신경 반응에 유의미한 조절 영향을 미치는 특정 시간대를 식별하기 위해 전체 자극 후 시기를 데이터 기반으로 분석하는 것이 중요합니다. 이 연구의 주요 기여는 세 가지입니다: (1) 단순한 복제를 위해 완전하고 시각화된 프로토콜을 제공하고, (2) 표준 2D 모니터와 몰입형 VR 헤드셋을 사용해 획득한 데이터를 비교하도록 프로토콜을 조정 및 검증하며, (3) 감정 가치의 얼굴 자극이 환경의 몰입도에 따라 심장 영향이 신경 처리에 어떻게 차별적으로 조절되는지 밝혀 프로토콜의 유용성을 입증합니다.

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프로토콜

이 연구는 사마라 주립 의과대학 생명윤리위원회(프로토콜 코드 195, 2018년 10월 10일자)의 승인을 받았습니다. 모든 참가자는 연구 전에 사전 자발적 동의를 제공하였습니다. 최종 표본은 19세에서 21세 사이의 건강한 남성 자원봉사자 27명으로 구성되었습니다. 시험 세션 동안 각 참가자는 개별적으로 시행되는 일련의 표준화 평가를 완료했습니다. 시약과 사용된 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.

1. 자재 및 장비

참고: 적절할 경우 기능적으로 동등한 하드웨어와 소프트웨어를 사용하세요. 시스템 배치 및 연결 등 실험 환경에 대한 개요는 그림 1 을 참조하십시오. 실험 전에 다음 장비와 소프트웨어를 준비하세요. 일반적인 요구사항은 아래에 설명되어 있으며, 구체적인 구성은 재료표에 나열되어 있습니다.

  1. EEG/ECG 획득 시스템
    1. EEG와 ECG를 동시에 기록할 수 있는 증폭기 시스템을 사용하세요.
    2. 두피에서 재할당할 수 있는 EEG 전극을 사용해 심전도 기록을 하세요.
  2. 심전도 입력 옵션(EEG 시스템은 양극성 채널 지원)
    1. 가능하다면 전용 양극성 입력 채널을 사용해 심전도 기록을 하세요.
    2. 전용 양극 채널이 없으면 비임계 EEG 전극 두 개를 양극성 심전도 쌍으로 재배정하세요.
  3. 심전도 입력 옵션 (EEG 시스템은 단극 채널만 지원합니다)
    1. 차동 어댑터를 사용해 ECG 신호를 보조 입력(AUX) 또는 차동 입력으로 라우팅하세요.
    2. 선택한 입력 구성에 맞는 수동 전극과 일회용 접착 전극을 사용하세요.
  4. 경기부양책 발표
    1. 2D 프레젠테이션을 위해 고주사율(≥120Hz) 디스플레이가 있는 컴퓨터를 사용하세요.
    2. VR 프레젠테이션을 위해 신호 미러링을 위해 보조 모니터가 있는 헤드마운트 디스플레이를 사용하세요.
  5. 동기화 및 센서
    1. 포토다이오드나 포토센서와 장착 액세서리를 사용해 EEG 획득 시스템에 연결하세요.
  6. 소프트웨어
    1. 정확한 타이밍, 순서, 트리거 출력이 가능한 VR 런타임 환경과 자극 제어 소프트웨어를 사용하세요.
    2. 이벤트 처리, 전처리, ERP 분석을 지원하는 EEG/ECG 분석 소프트웨어를 사용하세요; 필요하다면 선택적으로 커스텀 스크립트를 사용하세요.
  7. 실험실 환경 및 부속품
    1. EEG 기록은 차폐되고 적절히 격리된 방을 사용하세요.
    2. 편안한 의자, 케이블 관리 솔루션, 피부 준비 용품, 전도성 젤, 그리고 헤드 마운트 디스플레이용 위생 재료를 제공합니다.

2. 시스템 설정 및 지연 감지

  1. 자극 발표 소프트웨어를 설치하고 설정하세요.
    1. VR 상태
      1. 헤드마운트 디스플레이에 필요한 공급업체별 VR 런타임을 설치하세요.
      2. 런타임 문서에 따라 실험적 자극 애플리케이션을 VR 헤드셋에 배포하세요.
      3. 초기 VR 시스템 설정은 트래킹 시스템(해당 시)을 보정하고, 제조사의 지침에 따라 플레이 영역 경계를 정의하여 안정적인 트래킹과 움직임 관련 아티팩트를 최소화하세요.
    2. 2차원 조건
      1. 불필요한 백그라운드 애플리케이션과 프로세스를 비활성화하여 데이터 수집 중 중단과 타이밍 지연을 최소화하여 자극 발표 워크스테이션을 최적화합니다.
  2. EEG 획득 소프트웨어에서 기록 몽타주를 만드세요.
    1. 새로운 작업 공간이나 녹화 구성을 만들고 연구 식별자에 따라 이름을 붙이세요.
    2. 증폭기 하드웨어 문서에 따라 EEG 채널을 할당하고 AUX 입력 채널을 예약하세요.
    3. 포토다이오드와 ECG 신호를 위한 두 개의 추가 채널을 추가하세요. 채널 이름, 종류, 단위를 적절히 설정하고, EEG와 동일한 기록 파일에 이 채널들을 포함하세요. ECG 채널에 일관되게 라벨을 붙이세요(예: "ECG").
  3. 포토다이오드를 사용해 자극 제시 지연을 측정합니다.
    1. 포토다이오드를 EEG 증폭기의 사용 가능한 AUX 입력에 연결하세요.
    2. VR 조건: 헤드셋 렌즈에 포토다이오드를 자극 고정 휘도 패치에 해당하는 위치에 장착합니다. 최소 100개의 자극 이벤트를 제시하고 포토다이오드 신호를 기록하여 디스플레이 지연 시간과 시도 간 흔들림을 측정합니다. VR 측정을 완료한 후, 포토다이오드를 2D 디스플레이로 옮깁니다.
    3. 2D 조건: 포토다이오드를 모니터의 전용 자극 고정 픽셀 영역 위에 배치합니다. 최소 100개의 자극 이벤트를 제시하고 포토다이오드 신호를 기록하여 의도된 트리거에 대한 디스플레이 지연과 지터를 측정합니다.
    4. 선택: 두 개의 포토다이오드가 있다면, 각 센서를 별도의 AUX 채널에 연결하고 동기화된 플래시를 제공하여 2D와 VR 지연 시간을 동시에 측정합니다.
    5. 지연 측정을 완료한 후 참가자의 시야를 가리지 않도록 포토다이오드를 2D 디스플레이에서 제거하세요.
    6. 각 프레젠테이션 환경별로 평균 디스플레이 지연 시간과 표준편차(지터)를 계산합니다.
    7. 2D 및 VR 조건에 대해 지연 시간과 지터 값을 별도로 문서화하세요.
    8. 지연 지터가 세션 전반에 걸쳐 안정적으로 유지되는지 확인하세요. 하드웨어 또는 소프트웨어 설정이 변경되면 지연 측정을 반복하세요.
  4. 심전도 기록 채널을 설정하세요.
    1. 사용 가능한 증폭기 기능을 기반으로 ECG 입력 구성을 결정하세요(양극성 채널 지원 대 단극성 채널만 지원; 1.2 및 1.3 단계 참조).
    2. 양극성 심전도 기록이 지원된다면, 녹화 소프트웨어에서 전용 양극성 심전도 입력을 활성화하고 채널 라벨 "ECG"를 예약하세요.
    3. 단극 채널만 사용 가능하다면, 차동 어댑터를 AUX 또는 차동 입력에 연결하고 이 입력을 기록 소프트웨어의 ECG 채널로 매핑하세요. 채널 라벨 "ECG"를 예약하세요.
    4. 이 단계에서는 심전도 전극을 삽입하지 마세요. 참가자 준비 중에 전극 배치 및 임피던스 점검을 수행하세요.

3. 참가자 준비

  1. EEG 캡 삽입
    1. 국제 10–10 또는 10–20 시스템에 따라 Cz 전극을 정렬하고 캡 크기를 참가자의 머리 둘레22에 맞게 조정하여 뇌파 캡을 장착합니다.
    2. 각 전극 부위의 머리카발을 면봉이나 둔한 끝이 달린 캐뉼라(직경 약 2–3mm)로 분리하세요. 임피던스를 줄이기 위해 순한 연마제나 피부 준비액을 발라.
    3. 각 전극을 놓고 전도성 젤을 바른 뒤, 전극 홀더를 부드럽게 돌려 두피에 단단히 닿도록 하세요. 인접한 전극 사이에 전도성 젤 다리를 만드는 것을 피하세요.
    4. 전극 임피던스를 측정하고 털 갈라짐을 반복하거나 추가 피부 준비를 하거나 필요에 따라 전도 젤을 추가하여 8 kΩ(또는 실험실 표준) 이하로 낮춥니다.
    5. EEG 케이블을 고정하여 움직임을 최소화하고 참가자가 편안함을 느끼는지 확인한 후 진행하세요.
  2. 심전도 전극 배치
    1. 양쪽 손목 안쪽(손바닥을 향한) 피부를 알코올 물티슈로 닦고 피부를 완전히 건조시키세요.
    2. 일회용 접착 전극을 손목에 부착하여 표준 사지 리드 I을 기록하고, 음극은 오른쪽 손목에, 양극은 왼쪽 손목에 위치시킵니다. 전극과의 접촉을 잘 확인하고 뼈 돌출부 위에 위치하지 않도록 하세요.
    3. 의료용 테이프로 ECG 케이블을 고정하고, 움직임 관련 아티팩트를 줄이기 위해 작은 느슨한 루프를 남깁니다.
    4. 정지 상태에서 심전도 신호를 확인하세요. R-피크가 명확하게 보이고 곧게 서 있는지 확인하세요. R-피크가 역전으로 보이면 전극 극성을 바꿔 넣으세요. ECG 신호가 시간이 지나도 안정적인지 확인하세요.
    5. EEG 및 ECG 기록에 단일 증폭기를 사용할 경우, 시스템에 따라 EEG와 ECG 접지 전극을 연결하세요. 여러 접지 접점이 가능할 경우, 신호 안정성을 높이기 위해 EEG와 ECG용 별도의 접지 전극을 배치하여 모든 접지 전극이 증폭기 내부에서 연결되도록 합니다.

4. VR 헤드셋 장착 (VR 상태만)

  1. 헤드셋 착용 전에 EEG 캡을 제거하거나 EEG 및 ECG 전극을 분리하지 마세요.
  2. VR 헤드셋의 상단 스트랩과 후면 조임 메커니즘을 느슨하게 하여 EEG 캡 위에 착용할 수 있도록 하세요.
  3. 참가자에게 VR 헤드셋의 앞부분을 얼굴에 위치시키라고 지시합니다. 뒤쪽 부분을 EEG 캡 위로 내리고 헤드셋이 단단히 착용될 때까지 스트랩을 점차 조이세요.
    1. 헤드셋이 EEG 전극에 과도한 압력을 가하지 않도록 주의하세요. 장시간 사용 시 착용감을 유지하면서 헤드셋 미끄러짐을 방지할 수 있도록 착용감을 조정하세요. EEG 신호에서 라인 잡음이나 압력 유발 아티팩트가 있는지 점검하고, 필요하다면 헤드셋을 재조정하세요.
  4. VR 디스플레이 출력을 보조 모니터로 미러링하여 자극 제시와 참가자 행동을 실시간으로 감독할 수 있게 합니다.
  5. 헤드셋 착용 후 EEG 전극 임피던스를 다시 확인하세요. 8 kΩ(또는 실험실 표준)를 초과하는 채널에는 전도성 젤을 다시 적용하세요. VR 상태 동안 주기적으로 임피던스 점검을 반복하세요.

5. 녹음

  1. 경기부양책 발표
    1. 시각 자극을 정확하고 재현 가능한 타이밍으로 제시하세요. EEG 기록 내 각 자극 시작에 대해 이벤트 트리거를 보내고 기록하세요. 2D 및 VR 환경 전반에 걸쳐 동일한 자극 타이밍 매개변수(예: 자극 지속 시간, 자극 간 간격)를 사용하세요.
  2. 참여자 모니터링
    1. 자극 제시 시 머리 움직임과 눈 깜빡임을 최소화하도록 지시하세요. 기록 중에는 EEG와 ECG 신호를 지속적으로 모니터링하세요. 필요하다면 전극 임피던스를 보정하거나 케이블을 조정하기 위해 실험을 일시정지하세요.
  3. 녹음 블록
    1. 두 프레젠테이션 환경(2D와 VR) 모두에서 데이터를 기록하세요. 적합할 경우 참가자 간 환경 질서를 균형 맞추어 질서 효과를 통제합니다.

6. EEG 전처리

  1. 데이터 가져오기 및 채널 검증
    1. 연속적인 EEG, ECG, 포토다이오드 데이터를 EEG 분석 소프트웨어로 가져오세요. 모든 채널 레이블, 유형, 단위가 올바르게 할당되었는지 확인하세요.
  2. 신호 필터링
    1. 로컬 전력선 주파수(50Hz 또는 60Hz)에 노치 필터를 적용하세요. 실험실 표준에서 요구하는 경우 고조파 주파수를 포함하세요.
    2. 실험실 표준에 따라 EEG 데이터에 밴드패스 필터를 적용하세요(예: 0.1–40 Hz).
  3. 이벤트 마커 보정 및 재라벨링
    1. 2.3단계에서 측정한 환경별 디스플레이 지연을 빼서 자극 이벤트 마커를 정확히 수정합니다. 후속 분석을 위해 지연 보정 자극 마커를 생성합니다.
    2. 자극 마커는 제시 환경에 따라 재분류합니다(예: 사건 접두사에 "2D_" 또는 "VR_").
  4. 인공물 탐지 및 교정
    1. 연속적인 데이터를 시각적으로 확인해 아티팩트가 있는지 확인하세요. 과도한 소음이나 움직임 아티팩트가 있는 구간을 식별하고 표시하세요. 적절한 경우 표준 실험실 절차를 따라 나쁜 채널을 보간하세요.
    2. 안구 및 근육 인위물을 식별하기 위해 독립 성분 분석(ICA)24 를 수행하세요. 구성 시간제 과정, 두피 지형, 스펙트럼 특성을 점검하세요. 객관적 기준이나 전문가 판단에 따라 산출물 관련 요소를 제거하세요. 적절할 경우, ICA 또는 회귀 기반 접근법을 확장하여 심장 관련 인공물을 모델링할 수 있습니다.
    3. 자극 고정 ERP와 동일한 전처리 매개변수를 사용하여 R-피크에 시간 고정된 ERP를 계산합니다. 결과 파형과 두피 토포그래피를 검사하여 잠재적인 심장장 인공물(CFA) 오염 가능성을 평가하세요25. 두피로 전달된 잔여 심장 활동량을 나타내는 EEG 신호(그림 2)에서 두피로 전달된 잔여 심장 활동량을 나타내는 뚜렷한 QRS 유사 복합체 또는 기타 ECG 관련 편향을 식별합니다.
      1. 상당한 심장 관련 활동이 관찰되면 추가 교정 절차, ECG를 연속 예측 변수로 사용하는 일반 선형 모델 기반 회귀26, 확장 ICA 기반 방법, 또는 머신러닝 기반 접근법27.
    4. 자극 고정 ERP와 HEP 간의 중복을 고려하세요. 회귀 기반 또는 탈합성 접근법과 같이 중첩되는 신경 반응을 명시적으로 모델링하는 방법을 사용하세요. 적절할 경우, 심장 관련 신경 효과의 견고성을 평가하기 위해 대리인 기반 절차나 대조군 분석을 적용하라(28,29).

7. 심장상 분절 (오프라인)

  1. R-피크 탐지
    1. 분석 소프트웨어를 사용해 ECG 신호에서 R-피크를 자동으로 감지합니다. 모든 감지된 사건을 수동으로 검토하고, 놓치거나 잘못 감지된 R-피크를 수정하여 정확한 심장 박동 타이밍을 보장합니다.
  2. 심장 위상을 정의하세요
    1. 개인별 심박수 차이와 박동 간 변동성을 고려하여 수축기와 이완기를 정의하세요. 가능하다면 고정된 시간창보다는 주기별 정의를 선호하세요.
      참고: 다음 접근법 중 하나를 사용하세요: (1) 수축기와 이완기를 각 개별 R-R 구간의 비율로 정의하며, 심박수와 심장기 지속 시간 간의 비선형 관계에 부합합니다; (2) 심전도 신호 품질이 허락할 때, T파 끝을 생리학적으로 접지된 마커로 사용하여 수축기 종료를 정의한다; (3) 신뢰할 수 있는 T파 탐지가 불가능할 경우, 고정된 시간적 창(예: R-피크 이후 첫 300ms)을 사용하여 수축기를 정의합니다. 이 근사값을 명확히 인정하고 이후 분석에서 개별 심박수 차이를 고려하세요.
  3. 자극에 심장 위상 라벨을 붙이세요
    1. 잠복 보정 자극 마커를 사용하여 각 자극을 자극 시작 시점의 심장 위(수축기 또는 이완기)에 할당합니다. 각 프레젠테이션 환경(2D 또는 VR)마다 단계별 라벨을 별도로 할당하고, 이벤트의 이름을 그에 맞게 재지정하세요(예: 2D_systole, VR_diastole).
  4. 모호한 재판 제외
    1. 참가자의 순간 심박수를 기준으로 계획된 ERP 분석 창이 두 심장 단계를 아우르는 임상시험을 식별하고 제거합니다.
  5. 예시 소프트웨어 구현
    참고: 다음 단계는 ECG 사건 감지 및 사건 재라벨링을 지원하는 EEG 분석 소프트웨어 패키지를 활용한 한 가지 가능한 구현 사례입니다.
    1. 자동 R-피크 감지: 이벤트 감지 메뉴를 열고 심장박동 감지 기능을 선택하세요. 신호 품질이 가장 높은 ECG 채널을 선택하고, 감지된 사건(예: "R-피크")에 라벨을 정의한 뒤, R-피크 이벤트 마커를 생성하는 탐지 알고리즘을 실행하세요.
    2. R-피크 감지 수동 검토: 겹쳐진 R-피크 마커와 함께 심전도 신호를 육안으로 검사합니다. 소프트웨어에서 제공하는 이벤트 편집 도구를 사용해 누락된 마커를 추가하고 잘못된 감지를 제거하세요.
    3. 심장 위상 기반 사건 재라벨링: 이벤트 조합 또는 선택 함수를 사용하여 시작 시 심장 단계에 따라 자극을 분류합니다.
      참고: 수축기 시험의 경우, 각 R-피크 이후 미리 정해진 수축기 구간 내에 발생하는 자극을 선택하세요. 이완기 시험의 경우, 다음 R-피크 이전에 미리 정해진 이완기 간격 내에 발생하는 특정 자극을 선택한다. 수축기와 이완기의 새로운 이벤트 카테고리를 만드세요. 이 절차는 각 심장 단계와 발현 환경에 따라 별도로 수행하세요.

8. 에포칭과 평균화

  1. 시기 조정 및 기준선 보정
    1. 심장기 라벨은 자극 시작 시점에 존재하는 심장 단계(예: 수축기 또는 이완기)만을 기준으로 지정합니다. 자극 시작과 관련된 ERP 시기를 정의하세요. 이 시기가 이후 심장 단계로 확장되도록 허용하면서도 단계 분류에는 영향을 주지 않습니다.
    2. 약 400ms 길이의 에포크 길이를 사용하세요. 더 긴 창(예: 600ms)이 필요한 경우, 분석 창이 이후 심장기까지 상당히 연장되는 임상시험은 제외합니다. 짧은 자극 전 간격(예: -50에서 0 ms, 또는 -50에서 -2 ms)을 사용하여 기준선 보정을 적용합니다.
  2. 평균화
    1. 네 가지 실험 조건인 2D_systole, 2D_diastole, VR_systole, VR_diastole에 대해 각각 ERP를 계산합니다. 각 질환별로 유지된 임상시험 수를 보고하세요.
  3. 전극 선택 고려사항
    1. 연구 질문과 관심 있는 ERP 성분의 성격에 따라 분석할 전극을 선택합니다. 시각 파라다임에는 후두 전극(O1, Oz, O2)을 사용하세요. 이는 신호 대 잡음비가 높은 표준 시각 ERP를 포착합니다.

9. 품질 관리 및 문제 해결

  1. 트리거-자극 잠시 지터
    1. 트리거 타임스탬프와 포토다이오드 측정 자극 시작 사이의 시험 간 지연 지터를 평가합니다. 특히 초기 ERP 구성 요소에서 시험 간 약 10ms를 초과하는 지터는 문제가 될 수 있습니다. 과도한 지터가 관찰되면 자극 타이밍, 하드웨어 동기화를 재평가하고 필요에 따라 런별 지연 보정을 적용합니다.
  2. 심전도 포화 또는 소음
    1. ECG 전극 접촉과 임피던스를 확인하세요. R-피크가 반전되면 전극 극성을 바꿉니다. 손목 기록이 계속 잡음이 크면 ECG 전극을 팔뚝으로 옮기세요.
  3. VR 헤드셋 압력 아티팩트
    1. EEG 전극에 가해지는 압력을 줄이기 위해 헤드셋 스트랩을 다시 장착하세요. 필요하다면 패드를 추가하고 영향을 받은 전극에 전도성 젤을 다시 발라주세요.
  4. 심장기 간 임상시험 수치 불균등
    1. ERP 에포크 창이나 자극 타이밍을 조정하여 수축기 및 이완기 전반에 걸쳐 균형 잡힌 샘플링을 보장합니다.
  5. 모호한 단계 시험
    1. 자극 시작이 심장 위상 경계 근처(예: R-피크 주변이나 수축기와 이완기 사이의 전환기 근처)에서 발생하고, 계획된 분석 창이 두 단계를 모두 아우르는 시험을 식별합니다. 이 재판들을 모호하게 표시하세요. 심전도 신호와 순간 R-R 간격을 검사하고, 모호한 임상시험은 추가 분석에서 제외합니다.

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결과

본 연구는 표준 2D 모니터와 몰입형 VR 환경에서 심전기(수축기 vs. 이완기) 동안 구심성 내수용 신호에 의한 ERP 조절을 조사하는 분석 프로토콜을 사용했습니다. EEG 에포크를 추출하여 동시에 기록된 ECG의 R-피크에 대해 분석하였습니다.

후두 전극(O1, Oz, O2)에서 기록된 시각 ERP에 적용한 비모수 클러스터 기반 순열 검사는 두 실험 환경에서 수축기와 이완기 간 ERP 파형에 지속적이고 통계적으로 유의미한 차이가 있음을 보여주었다(p < .001, 거짓 발견률 보정).

2D 환경에서는 유의미한 군집이 자극 후 186ms 시점에 시작되어 분석된 시대의 나머지 기간 동안 지속되었다. 이 클러스터 내 파형 진폭은 수축기에 시간 고정된 시험에서 일관되게 감소했으며, 이완기(diastole)에 비해 감소했습니다(그림 3

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토론

프로토콜 내 중요한 단계
제안된 프로토콜의 여러 단계는 유효한 심장 위상 의존적 ERP 효과를 얻기 위해 매우 중요합니다. 첫째, 자극 제시와 EEG 기록 간의 정확한 동기화가 필수적이며, 환경별 디스플레이 지연은 포토다이오드를 사용해 정량화하고 이벤트 마커 수준에서 보정해야 합니다. 보정되지 않은 지연이나 과도한 지터는 ERP 구성 요소의 시간 번짐을 초래할 수 있습니다. 둘째, ECG R-피크의 정확한 검출과 신뢰할 수 있는 심장상 정의가 매우 중요한데, 수축기 및 이완기 발병의 잘못 분류가 상 할당에 직접적인 편향을 초래하기 때문입니다. 셋째, R-피크에 시간 고정된 ERP를 이용한 CFA의 명시적 평가가 자극 고정 ERP에 차이를 줄 수 있는 잔류 심장 오염을 식별하는 데 필요하다25,27. 넷째, 자극 고정 ERP와 HE...

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공개 사항

저자들은 이해 충돌이 없다고 선언합니다.

감사의 글

이 작업은 «시리우스» 연방 직할지의 국가 프로그램 '시리우스» 연방 직할지의 과학기술 개발(협정 번호 28-03, 2024년 9월 27일)의 지원을 받았습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
액티캡 슬림 / 스냅브레인 프로덕츠 GmbHBP-185-220064채널의 능동 전극 캡.
actiCHamp Plus 다목적 올인원 실험실 앰프브레인 프로덕츠 GmbH주목 ACBM17120955주요 EEG 데이터 수집 시스템.
Ag/AgCl 일회용 전기제품 26mm니카-메디컬 주식회사해당 없음3리드 심전도용 일회용 전극
BIP2AUX 어댑터브레인 프로덕츠 GmbH해당 없음ECG 출력을 EEG 보조 입력에 연결합니다.
데스크톱 ROG Srtix ASUSTeK 컴퓨터 주식회사G835LR-SA117고성능 워크스테이션. VR 시스템(HTC Vive), 자극 제시 소프트웨어, EEG 기록 플랫폼(BrainVision Recorder)의 동시 작동에 사용됩니다.
HTC Vive  프로 아이HTC 코퍼레이션 주목 FA1142100443몰입형 자극 제시를 위한 VR 시스템.
포토 센서브레인 프로덕츠 GmbH해당 없음자극 시작 시 광학 탐지용입니다.
삼성 27인치 뷰피니티 S8  삼성전자주식회사주문서 0UYMHNBXB00044D2D 조건의 기본 디스플레이입니다.
삼성 27인치 뷰피니티 S8  삼성전자주식회사주목번호 0UYMHNBXB00030E실험자의 디스플레이. EEG 기록 소프트웨어 실행과 실험 중 데이터 모니터링에 사용됩니다.
차폐된 방 네이로이코니카 "전문가"네이로이코니카 어시스티브 주식회사S/N figure-materials-1K20210119011전자기로 차폐된 챔버.
스냅 리드 케이블뉴로소프트 주식회사해당 없음ECG 전극을 어댑터에 연결합니다
트리거박스 플러스브레인 프로덕츠 GmbHS/N TB-A100009-0624TTL 트리거의 동기화 인터페이스.

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