An Introduction to Quantitative Analyses of Sleep EEG Via a Wavelet Method

뇌Wavelet 방법론을 이용한 수면뇌파분석 고찰

Objective: Among various methods developed to quantitatively explore electroencephalograms (EEG), we focused on a wavelet method that was known to yield robust results under nonstationary conditions. The aim of this study was thus to introduce the wavelet method and demonstrate its potential use in clinical sleep studies. Method: This study involved artificial EEG specifically designed to validate the wavelet method. The method was performed to obtain time-dependent spectral power and phase angles of the signal. Synchrony of multichannel EEG was analyzed by an order parameter of the instantaneous phase. The standard methods, such as Fourier transformation and coherence, were also performed and compared with the wavelet method. The method was further validated with clinical EEG and ERP samples available as pilot studies at academic sleep centers. Result: The time-frequency plot and phase synchrony level obtained by the wavelet method clearly showed dynamic changes in the EEG waveforms artificially fabricated. When applied to clinical samples, the method successfully detected changes in spectral power across the sleep onset period and identified differences between the target and background ERP. Conclusion: Our results suggest that the wavelet method could be an alternative and/or complementary tool to the conventional Fourier method in quantifying and identifying EEG and ERP biomarkers robustly, especially when the signals were nonstationary in a short time scale (1-100 seconds).

목 적 : 본 연구는 뇌파를 정량분석하는 새로운 방법의 하나인 wavelet 방법을 소개하고 아울러 그것이 임상 수면뇌파 분석에 유용하다는 것을 검증하기 위해 시도되었다. 방 법 : Wavelet 방법을 검증하기 위해 수학적으로 만들어진 인공뇌파들과, 입면주기 임상 뇌파 샘플 하나와 GoNoGo 프레임으로 측정된 ERP 샘플 하나가 사용되었다. Wavelet방법론으로 계산된 time-frequency 파워 스펙트럼과 위상 동조화 정도가 Fourier 및 moving windows 방법으로 계산된 스펙트럼과 coherence 결과들과 비교 분석되었다. 결 과 : Wavelet 방법은 인공뇌파에 인위적으로 포함된 파형의 특징들을 성공적으로 분해해내었다. 임상뇌파 샘플로 한 검증에서도 그 유효성이 확인되었는데, 입면주기 전후로 보이는 스펙트럼의 변화를 유의미하게 확인할 수 있었으며, 표적(target) 및 배경(background) ERP 파형의 특징을 시간-주파수 도표(time-frequency plot)으로 잘 표현하였다. 결 론 : 이러한 결과를 미루어볼 때, wavelet 방법은 임상 뇌파를 정량 분석함에 있어서, Fourier 방법을 효과적으로 대체 혹은 보완함을 알 수 있었다. 특히, 뇌파가 수초에서 수백초의 짧은 시간단위에서 급격한 변화를 보이는 입면주기뇌파와 ERP 분석에 wavelet 방법의 적합성이 크다고 볼 수 있다.