운동기능과 관련된 뇌지도화 연구 분야에서 기능적 근적외선분광영상...

특수교육재활과학연구

Journal of Special Education & Rehabilitation Science

Vol. 51, No. 3, pp. 151~166, 2012.

운동기능과 관련된 뇌지도화 연구 분야에서

기능적 근적외선분광영상 기법의 활용 가능성*

권 용 현** ㆍ 강 종 호***

< 요 약 >

기능적 근적외선분광영상은 근적외선의 파장이 부위별 뇌 조직의 특성에 따라 투과성이

다른 물리적 특성을 이용하여 뇌 혈류량의 변화를 감지하는 뇌지도화 기법이다. 본 연구에서

는 기능적 근적외선분광영상을 기능적 자기공명영상과 비교하여 재활영역에서의 활용 가능

성에 대해 조사하였다. 정상 성인 20명을 대상으로 기능적 근적외선분광영상 촬영군(n=10)

과 기능적 자기공명영상 촬영군(n=10)으로 무작위 할당하고 동일한 손 운동과제를 수행하

는 동안 각각의 뇌영상을 촬영하여, 이　때 활성화되는 뇌 영역의 표준화된 좌표와 산소-헤

모글로빈 및 부피소를 측정하였다. 두 영상의 분석 결과, 모두 일차운동감각영역에서 활성화

가 나타났고 그 활성화된 표준화 좌표값도 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다. 기능적

분광영상에서 측정된 산소-헤모글로빈의 수치는 0.0060746를 보였고, 기능적 자기공명영

상에서 측정된 부피소는 260.10로 측정되었다. 따라서 동일한 운동과제를 수행하는 동안 기

능적 근적외선분광영상에서 활성화되는 뇌 좌표 영역이 우수한 시공간 해상도와 높은 신뢰

도를 가진 기능적 자기공명영상과 같은 결과를 보여, 재활영역에서 많이 사용하고 있는 운동

과제의 수행에 따른 뇌 영역의 신경생리학적 특성에 관한 연구의 활용에 많은 가능성이 있음

을 확인하였다. 새로운 뇌지도화 기법으로 개발된 기능적 근적외선분광영상은 움직임에 대한

artifact의 영향을 받지 않고 이동이 용이한 뇌지도화 영상장치로서, 기존의 기능적 자기공명

* 이 논문은 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구

사업임(No. 2012R1A1B4003477).

** 영남이공대학교 물리치료학과 조교수(제1저자 : [email protected])

Assistant Professor. Department of Physical therapy, Yeungnam College of Science and Technology

*** 부산가톨릭대학교 물리치료학과 교수(교신저자 : [email protected])

Assistant Professor. Department of Physical therapy, Catholic University of Pusan

특수교육재활과학연구(제51권 제3호)152

영상에서 실험하기 불가능한 균형 및 보행 등의 움직임을 연구하는 재활영역에서 활용 가능

성이 높을 것으로 기대된다.

핵심어 : 기능적 근적외선분광영상, 기능적 자기공명영상, 운동기능, 대뇌피질

Ⅰ. 서 론

대뇌피질 및 피질하 구조의 기질적인 뇌손상 (brain parenchymal damage)을 가진 환자

들은 운동 및 감각장애, 인지 및 언어장애와 같은 다양한 신경학적 증상을 보인다(Broeren,

Rydmark, & Sunnerhagen, 2004; Janet & Roberta, 2011; Mulder, 1991; Partridge

& Edwards, 1996; 김중선, 권중원, 남석현, 2011). 이러한 신경학적 손상으로 기능적

활동과 독립적인 일상생활동작을 수행하는데 많은 어려움을 겪고 있으며, 운동기능의 장

애들을 회복시키기 위해 물리치료사를 비롯한 재활 전문가들은 다양한 치료적 접근법을

제시하고 있다(김은경, 강종호, 이현민, 2010; 김경, 이종대, 서교철, 2011). 1960년대부

터 보바스 치료 및 고유수용성 신경근 촉진법 등의 신경생리학적인 이론에 근거한 신경계

물리치료기법이 대두되기 시작하였고, 이러한 신경생리학적 치료적 접근은 1990년에 접어

들어 운동제어와 운동학습의 이론이 접목되면서 더욱 발전하게 되었다(Mulder, 1991;

Partridge, Edwards, 1996; Schmidt, 2005; Shumway-Cook & Woollacott, 2001). 신

경계 손상 환자를 위한 치료적 기법들은 반사-수직계층적 이론(reflex-hierarchical reflex

theory), 시스템 이론(systematic theory)와 모듈이론(modular theory) 등의 운동제어

및 학습 이론과 같은 신경생리학 및 신경과학의 발달로 함께 진보하게 되었다(Janet &

Roberta, 2011; Schmidt, 2005).

신경과학은 1990년대 초에 기능적 자기공명영상(functional magnetic resonance

image, fMRI)의 개발과 상용화로 인해 획기적인 전기를 마련하게 되었고, 살아있는 인간의

뇌 기능을 여러 가지 실험적인 기법을 사용하여 뇌의 부위별 기능 및 신경회복과 재생에

관한 다양한 뇌 기능을 연구하였다(Cramer & Bastings, 2000; Mazziotta, 1994; 김연희,

2000; 권용현 등, 2011; 권용현, 김중선, 2005; 박민철, 배성수, 이미영, 2011). 이러한

신경과학의 발전으로 기존의 신경물리치료에서 적용해 왔던 치료기법의 과학적인 치료적

입증을 하게 되었고, 환자의 기능적 회복에 따른 신경생리학적 회복기전을 연구할 수 있

게 되었다(Arya 등, 2011; Carey & Seitz, 2007; Kwon & Jang, 2010; Steinle &

Corbaley, 2011; You 등 , 2005). 인간의 뇌는 특정 기능의 수행에 따라 뇌 국소 부위

운동기능과 관련된 뇌지도화 연구 분야에서 기능적 근적외선분광영상 기법의 활용 가능성 153

의 대사 증가로 인해 조직에 공급되는 산소의 증가를 나타나게 되는데, 이때 필요 이상으

로 발생된 산소가 활성화된 뇌조직의 유출정맥내의 산소-헤모글로빈(oxy-hemoglobin)

의 양을 증가시켜 상대적으로 탈산소-헤모글로빈(deoxy-hemoglobin)의 농도가 감소하

는 현상을 보이게 된다(Fox & Raichle, 1986; 정경호, 2003). 이러한 신경생리학적 현

상을 BOLD(blood oxygen level-dependent)기법을 사용하여 국소적인 신경활성화 부

위를 영상으로 표현하는 것이 fMRI를 통한 뇌영상기법(neuroimaging technique)이다.

fMRI는 공간 분해능(spatial resolution)이 뛰어나고 방사성 동위원소를 혈관 내에 주

입할 필요가 없고 방사선의 노출이 없어 반복적인 검사가 가능한 것이 장점이 있어, 집중,

의식, 기억, 감성 등을 연구하는 인지심리학 분야나 운동 및 감각, 운동학습 등의 운동과

학(movement science) 분야, 뇌질환 환자의 회복 기전과 예후를 판정하는 임상의학 분

야 등 다양한 영역에서 활용해 오고 있다(Cramer, Bastings, 2000; Mazziotta, 1994;

권용현 등, 2011; 김연희, 2000). 또한 재활영역에서는 운동신경의 회복 기전과 치료적

적용에 대한 효과의 입증에 많이 활용하고 있다. 한편, fMRI의 발전과 더불어 근적외선

분광을 이용한 뇌지도화 기법이 최근 대두되었다. 기능적 근전외선분광영상(functional

near-infrared spectroscopy, fNIRS)은 국제적으로 표준화된 뇌영역 지표인 10/20 시

스템을 머리 표면에 적용하고, 600~100nm 파장의 근적외선의 광원(light source)이 조

사되고 서로 다른 뇌 부위의 조직학적 특성에 따라 파장의 길이가 다른 흐트지는 광원의

투과성을 감지하는 탐지기(detector)가 흡수함으로써, 대뇌피질의 혈류변화를 비침습적인

방법으로 측정할 수 있는 뇌지도화 기법이다. fNIRS는 fMRI와 양자방출 단층촬영(positron

emission tomography, PET)에 비해 시공간해상도가 우수하고 장비의 구성이 간단하고

이동이 가능한 장점이 있어 최근 신경과학 분야에 다양하게 사용되고 있다(Okamoto &

Dan, 2007; 이승덕, 2009; 탁성호, 예종철, 2009).

뇌신경과학 분야에서 fNIRS의 우수한 활용 가능성에도 불구하고 fMRI에 비해 상대적

으로 활발한 연구가 진행되지 않고 있다. 특히 국내에서는 fNIRS의 분석 방법에 대한 원

리와 활용 가능성에 대한 제언한 단지 몇 편의 연구만이 진행된 상황이다(이승덕, 2009;

탁성호, 예종철, 2009). fNIRS는 대상자의 움직임에 대한 artifact가 없는 장점이 있어

대단위 동작에 대한 운동 기능을 연구하는 재활과학 분야에서 매우 유용하게 활용될 수

있는 장비로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 fMRI에서 수행된 운동과제와 같은 패러다임

을 fNIRS에서 수행하였을 때의 뇌 활성화 부위가 일치하는지를 확인하여 운동과학을 연

구하는 재활영역에서의 활용 가능성을 확인하고자 하였다.


Ⅱ. 연구 방법

1. 연구 대상

본 연구에 참여한 대상자는 Edinburg Handedness Inventory 우성 손의 판별 검사에

서(Oldfield, 1971), 오른손잡이로 판명된 20세 이상의 정상 성인 20명이 참여하였다. 대

상자는 기능적 근적외선분광영상 촬영군 10명과 기능적 자기공명영상 촬영군 10명으로

무작위 할당되었다. fNIRS 촬영군(남자 6명, 여자 4명)의 평균나이는 22.3세(표준편차;

2.11)이었고, fMRI 촬영군(남자 7명, 여자 3명)의 평균나이는 21.8세(표준편차; 1.75)이

었다. 대상자는 과거 신경학적 및 정신과적인 문제가 없는 자, 최근 3년 이내에 손목관절

이하에서 근골격계 질환의 병력이 없는 자, 최근 1개월 이내에 본 연구와 유사한 운동 과

제를 이용한 실험에 참여한 적이 없는 자로 선별하였다. 모든 대상자는 연구의 목적과 실

험 절차에 대해 충분히 이해하고 자발적인 동의를 한 후에 본 실험에 참여하였다.

2. 실험 방법

1) 운동 수행 과제

기능적 근적외선분광영상 및 기능적 자기공명영상을 촬영하는 동안에 수행된 운동과제

는 휴식 및 운동 주기가 동일한 실험 패러다임으로 적용되었다. 운동 패러다임은 블록 설

계(block design)를 이용하여 휴식 주기와 운동 주기로 구분된 두 가지의 서로 다른 주기

로 구성되었고, 휴식-운동-휴식-운동-휴식-운동 순으로 진행되었다. 각 주기는 30초간

실시되었고 각각 총 3번의 주기가 번갈아 반복되도록 구성하였다. 운동 과제는 주용 손인

오른손으로 손가락을 굴곡-신전하는 운동을 수행하도록 하였고, 운동의 속도는 박절기

(metronome)를 이용하여 0.5Hz의 빈도로 수행하였다.

2) 기능적 근적외선분광영상의 촬영 및 분석

기능적 근적외선분광영상 장치(FOIRE-3000; Shimadzu, Kyoto, Japan)는 780, 805,

830nm의 지속적인 주파수 파장으로 이용하는 레이저 다이오드로 구성되어 있다. 15개의

광원(light source)와 15개의 탐지기(detector)로 구성된 30개의 optode를 가진 49 채

널 시스템을 사용하여 초당 10Hz의 샘플링 주기로 대뇌 피질의 뇌 활성도를 측정하였다.

수정된 Beer-Lambert 법칙에 근거하여 대뇌피질의 집중화 정도(cortical concentration

level)의 변화에 따른 산소-헤모글로빈(oxy-hemoglobin, HbO)과 전체-헤모글로빈


(total-hemoglobin)을 수집하였다(Cope & Delpy, 1988). Optode는 4번째 광원과 7번째

탐지기 사용의 18번째 채널 아래 Cz가 위치되도록 하는 국제적으로 표준화된 10/20 시스

템을 활용하여 위치를 확정하였다(Fig 1-A). 기능적 근적외선분광영상의 자료는 MATLAB

(The Mathworks, USA) 환경에서 구현되는 NIRS-SPM(http://bisp.kaist.ac.kr/NIRS-

SPM) 프로그램 패키지를 사용하여 분석되었다. Gaussian smoothing은 2초의 자료에 대

한 최대 절반의 최고 폭으로 기능적 근적외선분광영상 시스템에서 발생하는 노이즈를 보

정하기 위해 적용되었고, wavelet-MDL 기반의 detrending 알고리즘은 대상자의 호흡과

움직임으로 발생하는 신호의 왜곡 현상을 교정하기 위해 사용되었다(Tak 등, 2011; Ye

등, 2009). Stand-alone의 적용은 몬트리올 신경과학 연구소(the Montreal Neurological

Institut)에서 개발된 표준화된 뇌 모형 위에 획득된 optode와 채널의 공간적 등록

(spatial registration)을 위해 사용되었다(Tak 등, 2011; Ye 등, 2009). NIRS-SPM

프로그램을 통해 휴식주기와 운동주기에서 수집된 각 주기의 평준화된 자료를 t-검증으로

뇌지도화를 계산하였고, 산소-헤모글로빈(oxy-hemoglobin, HbO)과 전체-헤모글로빈

(total-hemoglobin, HbT)은 높이 역치(height threshold)를 uncorrected p 값이 0.05

보다 낮은 수준에서 활성 지도를 얻었다. 손 운동과제를 수행하는 동안 산소-헤모글로빈

과 전체-헤모글로빈의 서로 다른 측면을 분석하기 위해 관심영역(region of interest)을

일차 감각운동피질(primary sensory-motor cortex, SM1)으로 설정하여 분석하였다.

활성화된 뇌 영역은 공간적 정상화(spatial normalization)의 처리 후, 개별적 활성화 지

도를 집단으로 합산(grouping)하였고, 관심영역 내에서 뇌 혈류량과 피질 활성도의 변화

를 반영하는 HbO와 HbT가 측정되었다.

<그림 2-1> 기능적 근적외선 분광 영상 실험 장면


3) 기능적 자기공명영상의 촬영 및 분석

기능적 자기공명영상 장치 안에서 대상자가 편안하게 누운 자세에서 머리와 몸통, 손을

제외한 상지를 움직일 수 없도록 고정되었다. 기능적 자기공명영상의 촬영은 1.5T MR

scanner(Gyroscan Intera System, Philips, German)를 이용하여 두부코일로 single

shot Echo Planar Imaging(EPI)으로 Blood Oxygen Level Dependent(BOLD) 기법을

적용하였다. 뇌 절편은 운동 및 휴식 주기 동안 한 개의 뇌 볼륨 당 총 20장의 뇌 절편을

획득하였고, 총 65 볼륨의 영상을 촬영하였다. 기능적 자기공명영상의 촬영 변수는 TR(time

of repeat)이 2100ms, TE(time of echo)는 50ms, Flip angle은 70°, Field of View

(FOV)는 210mm이었다. 매트릭스 크기는 64×64, 뇌 절편 당 두께는 5mm이었다. 기능적

자기공명영상촬영 후에는 T1 영상을 촬영하였고, 촬영된 영상의 기준은 전교련과 후교련

(anterior commissure-posterior commissure) 연결선에 평행하게 수평면(transverse

plane)으로 20장의 뇌 절편을 얻었다. T1에 대한 자기공명영상의 촬영 변수는 TR이

940ms, TE가 15ms이었으며, 나머지 조건은 기능적 자기공명영상 촬영의 변수와 같았

다. 총 획득한 기능적 자기공명 영상에서 초기 앞부분의 수집된 영상 자료는 볼륨 내의

수소원자핵의 수직자화가 안정적인 부분포화에 도달하기 전에 얻어지는 영상으로 정확한

뇌 혈류 정보를 가질 수 없을 것으로 판단하여 초기 앞 5 볼륨의 영상은 분석에서 제외하

였다. 촬영된 영상은 MATLAB(Mathworks, Inc., USA) 환경 내에서 구현되는 SPM8

소프트웨어(Statistical Parametric Mapping 8 version, Wellcome Department of

Cognitive Neurology, London, UK)로 분석하였다. SPM8 프로그램을 통한 분석에서 머

리의 움직임을 보정하기 위한 재배열(realign)을 적용 하였으며, 각 피험자의 T1 MRI 영

상에 재배열 절차에서 생성된 mean-image와 EPI 영상을 상관정렬(coregister) 하였다.

또한, 정상인에서는 각 개인이 뇌 형태적 차이를 교정하기 위하여 표준화된 뇌 공간에

template image(Montreal Neurologic Institute)를 사용하여 정상화하였고, smoothing

은 8mm isotrophic Gaussian Kernel을 사용하였다. 최종 분석된 자료를 바탕으로

BOLD 신호의 변화를 얻기 위하여 운동 주기와 휴식 주기를 감산(subtraction)하였다.

high-pass filter를 이용하여 모델의 구성의 저주파 잡음을 제거하였고 low-pass filter

를 이용하여 조건들의 반복제시에 의한 hrf(hemodynamic response function)의 효과를

제거하였다. 이렇게 분석된 모델과 영상 처리된 결과는 ANCOVA를 이용하여 분석하였고,

뇌 전체 영역에서 나타나는 활성의 변화는 조건들간의 부피소(voxel) 대 부피소를 짝비교

t-검정으로 분석하였다. 본 연구의 집단 결과 분석은 고정효과모델(fixed effect model)

을 이용하여 통계 역치를 부피소 수준에서 정하였으며 높이 역치(height threshold)를

uncorrected p 값이 0.05보다 낮은 수준에서 범위역치(extent threshold)는 부피소 5개를

기준으로 활성 지도를 얻었다. 활성화된 뇌 영역은 공간적 정상화(spatial normalization)


의 처리 후, 개별적 활성화 지도를 집단으로 합산(grouping)하였고, 관심영역(region of

interest)을 일차 감각운동피질(primary sensory-motor cortex, SM1)으로 설정하여

분석하였다. 또한 관심영역 내에서 뇌 혈류량과 피질 활성도의 변화를 반영하는 척도인

부피소(voxel counts)와 Talairach 좌표값이 측정되었다.

3. 통계 처리

기능적 근적외선분광영상 촬영군과 기능적 자기공명영상 촬영군의 두 집단에서 성별에

대한 차이를 알아보기 위해 chi-square test를 사용하였고, 나이와 x/y/z축에 대한

talairach 좌표값의 집단 간 차이를 검정하여 위해 독립 t-검정을 사용하였다. 모든 자료

는 PASW 18.0(SPSS Inc, Chicago, IL, US) 소프트웨어를 사용하였고, 통계학적 유의

수준은 0.05로 설정하였다.

Ⅲ. 연구 결과

손 운동을 수행하는 동안, fNIRS의 뇌 활성도 분석에서 일차운동감각영역에서 뇌 활성

화가 나타났다(그림 3-1). fNIRS 촬영군에서 측정된 평균 산소-헤모글로빈의 수치는

0.0056±0.0024이었고, the Montreal Neurological Institute에서 제공한 표준화된

Talairach 좌표에서 x 좌표값은 -40.60±4.03, y 좌표값은 -24.80±5.47, z 좌표값은

58.30±5.63로 나타났다(표 3-1). fNIRS와 동일한 운동 과제를 수행하는 동안, fMRI의

뇌활성도 분석에서도 일차운동감각영역에서 뇌활성도가 관찰되었다(그림 3-1). 이때 측

정된 평균 부피소는 260.10±140.33이었고, 표준화된 Talairach 좌표에서 x 좌표값은

-39.50±4.40, y 좌표값은 -21.40±7.01, z 좌표값은 59.80±5.69로 나타났다(표 3-1).

fNIRS 촬영군과 fMRI 촬영군에서의 각각 x, y, z 좌표값에 대한 집단 간 차이는 통계적

으로 유의한 차이를 보이지 않았다(p<0.001).


<표 3-1> 기능적 근적외선분광영상 촬영 집단과 기능적 자기공명영상 촬영 집단의

활성도 및 좌표값 비교

(평균±표준편차)

fNIRS 촬영군 fMRI 촬영군

좌표값

(Talairach coordinates)

x -40.60±4.03 -39.50±4.40

y -24.80±5.47 -21.40±7.01

z 58.30±5.63 59.80±5.69

뇌 활성도

(HbO level/voxel counts)0.0060746±0.002252 260.10±142.33

<그림 3-1> 기능적 근적외선분광영상 및 기능적 자기공명영상에서의 뇌 활성화


Ⅳ. 논 의

본 연구는 기능적 근적외선분광영상(fNIRS)을 최근 약 20년 동안 신경과학 분야의 뇌

지도화 연구에서 독보적인 연구 장비로 활용되어 온 기능적 자기공명영상(fMRI)과 비교

하여 운동과 관련된 재활과학 분야에서의 활용 가능성에 대해 알아보고자 하였다. 즉, 두

가지의 뇌지도화 기법에서 동일한 손 운동과제를 수행하도록 하고, 이때 나타나는 뇌 활

성화의 양상(cortical activation pattern)과 활성화된 영역의 좌표값을 비교하였다. 평가

하기 위해 뇌지도화 연구에서 가장 보편적인 운동과제이다. 또한 굴곡 및 신전 운동의 속

도에 따라 뇌 활성도가 다르게 나타나므로 0.5Hz의 고정 빈도를 사용하였다. 특히 손 운

동 과제의 반복적 실험에 의한 학습효과를 배제하기 위해 참여자를 fNIRS군과 fMRI군으

로 구분하여 실시하였다. 그 결과, fNIRS와 fMRI는 오른쪽 손 운동을 수행하는 동안에

그에 해당하는 뇌 영역인 왼쪽 일차운동감각영역에서 뇌 활성도가 나타났고, 두 기법에서

나타난 표준화된 뇌 좌표의 x, y, z값 모두에서 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다.

따라서 fNIRS는 fMRI와 같이 인체의 특정 분절에서 수행되는 움직임에 따라 나타나는

뇌 혈류의 변화를 정확하게 반영할 수 있는 뇌지도화 기법으로 생각된다.

최근까지 fMRI와 더불어 양자방출 단층촬영(positron emission tomography, PET)과

단광자방출 전산화 단층촬영(single photon emission computerized tomography,

SPECT) 등과 같은 뇌지도화 기법들은 비침습적인 방법으로 생체 내에서 인지 또는 운동

기능을 수행하는 동안의 활성화 되는 뇌 영역, 기억과 학습에 기인한 행동학적 변화에 따

른 뇌 신경망의 변화, 뇌 손상 후 회복 양상 등의 신경생리학적 기전의 연구에 활용되어

왔다(Cramer & Bastings, 2000; Kononen 등, 2012; 김연희, 2000). 그 중 fMRI는 뛰

어난 시공간적 해상도(spatiotemporal resolution)와 폭넓은 활용성으로 신경과학 분야의

독보적인 뇌지도화 기법이다(Cramer & Bastings, 2000). 일반적으로 운동과 관련된 뇌

지도화 연구에서는 본 연구에서 활용된 손 운동과제가 가장 보편적으로 사용되는데, 이는

fMRI, PET, SPECT의 촬영기(scanner) 안에서 수행할 수 있는 운동범위가 제한되어 있

고, 과도한 동작 시에 머리가 움직이게 되면 영상의 artifact가 심하게 나타나서 작은 단

위의 동작만이 수행 가능하기 때문이다. 본 연구 결과는 많은 선행 연구들에서 손 운동에

관여하는 뇌 영역이 반대측 뇌반구의 일차운동감각영역이라는 것과 일치하는 결과를 보였

다(Jang 등, 2003; Kwon & Jang, 2010; Son, Kwon, & Jang, 2010). 이러한 fMRI

결과와 같이, fNIRS에서도 일차운동감각영역에서 활성화가 관찰되었으며, 표준화 뇌 좌표

인 Talairach coordinates에서도 동일한 결과를 보였다. 따라서 fNIRS도 재활영역에서

많이 사용하고 있는 손 운동과제를 수행하는 동안에 활성화되는 뇌 영역을 정밀하게 반영


하고 있는 것으로 판단된다.

fNIRS와 fMRI에서 측정된 뇌 활성도의 결과를 보면, 산소-헤모글로빈의 정도가 측정

된 fNIRS의 뇌 활성도는 평균0.00607로 나타났고, 부피소 값으로 측정된 fMRI는 평균

260정도가 관찰되었다. fNIRS의 산소-헤모글로빈은 생체조직에 투과된 적외선의 optical

density의 변화로 신경세포의 활성화에 따른 산화-헤모글로빈의 농도 변화를 측정한 것

으로, 대뇌피질의 혈류역학(hemodynamics) 변화를 감지하는 가장 많이 사용되는 방법이

다(Irani 등, 2007; Perrey, 2008; 탁성호, 예종철, 2009). fMRI는 혈액 내에 있는 산소

가 뇌 세포의 활동으로 산소가 해리되는 혈류역학의 변화를 감지하는 방법이며, 이때 활

성화된 뇌 부위에 혈류역학의 정도를 부피소로 나타낸다(Ogawa 등, 1990). 따라서 같은

속성의 동일한 동작을 수행하더라도 서로 다른 뇌 세포의 생리학적 특성을 측정하기 때문

에 두 지수에 대한 직접적인 비교 분석이 불가능하다. 그러나 두 변수간의 직접적인 비교

분석은 불가능하더라도, 이러한 두 가지 측정 변수는 여러 선행 연구들에서 실험자 내 및

실험자 간 신뢰도가 잘 확립되어 있어 신경생리학적 연구에 지속적으로 사용되고 있다

(Kimberley, Khandekar, & Borich, 2008; Leff 등, 2011; Maitra, Roys, & Gullapalli,

2002). 또한 활성화된 뇌의 이미지에서 동일한 과제를 수행하였지만, fNIRS가 fMRI보다

뇌 활성도가 확연하게 더 많이 나타났다. 이러한 원인은 두 가지의 뇌지도화기법이 서로

다른 공간해상도와 측정 변수들로 인한 것으로 생각된다. fNIRS는 뇌에서 근적외선의

optical density의 변화량을 측정할 수 있는 최소한의 각 채널 간 간격이 대략 3.5cm 정

도로 제한되어 있는데, fMRI의 일반적인 공간해상도는 1~5mm 정도의 뇌 영역을 감별하

여 판단할 수 있다(Crame & Bastings, 2000; 탁성호, 예종철, 2009). 따라서 fNIRS가

뇌 혈류량을 탐지하는 각 채널이 상대적으로 넓게 분포되어 운동 수행 시 활성화된 산소

-헤모글로빈의 수치에 대한 측정이 넓게 확대되어 시각화되기 때문으로 판단된다. fNIRS

에서는 뇌활성도가 두정엽 부위에까지 확산되어 나타났는데, 이는 손의 운동기능에 직접

적으로 관여하는 피질척수로가 일차운동영역 뿐만 아니라 두정엽의 일차감각영역에서의

신경 세포체에서 분지하기 때문으로 판단된다(Davidoff, 1990). 또한 후두정엽(posterior

parietal cortex)는 집중력과 관련된 기능을 수행하는 부위로 알려져 있으며, 한정된 시간

내에 일정 속도의 손 운동 과제를 수행하는데 관여되었을 것으로 생각된다(Kim 등,

1999).

fNIRS는 근육내의 산소 포화도를 측정하기 위한 광학 기법(optical method)에서 유래

되었고, 살아있는 동물의 정상 생체 조직을 관찰하기 위한 비침습적 광학 기법에서 교육된

Frans Jöbsis의 연구에서 시작되었다(Chance 등, 1962; Ferrari & Quaresima, 2012).

그는 근적외선의 특정 파장 범위에서 상대적으로 높은 뇌조직의 투명도(brain tissue

transparency)가 실시간 비침습적인 방법으로 헤모글로빈의 산화를 탐지할 수 있다고 보


고하였다(Piantadosi, 2007). 그 후 상업화된 fNIRS가 일본의 Hamamatsu Photonics사

에 의해 처음으로 개발되어, 현재에는 256채널의 유무선이 겸용되는 제품이 미국 NIRx

Medical Technologies company에 의해 제조되고 있다(Ferrari & Quaresima, 2012).

생체에 대한 임상 연구는 1990년대에서부터 활발하게 진행되기 시작하여 현재에 이르고

있으며, 뇌지도화 기법을 위한 많은 장점이 있음에도 불구하고 다른 뇌지도화 기법들에

비해 상대적으로 많은 연구가 진행되지 않았다. fNIRS를 활용한 여러 선행 연구들은

fNIRS의 물리학적 특성 및 분석 방법, 대단위 운동의 뇌 활성화, 뇌손상 환자의 회복 기

전 등 다양한 분야에서 활발하게 사용되고 있다(Arenth, Ricker, & Schultheis, 2007;

Irani 등, 2007; Koh 등, 2007; Perrey, 2008; Ye 등, 2009). 운동기능에 관련된

fNIRS의 연구들은 본 연구에서 사용한 손가락 굴곡-신전운동이나 엄지손가락의 대립 운

동(finger to thumb opposition) 또는 손가락 타판(finger tapping)의 손 운동에서부터

상지 뻗기(arm reaching), 걷기와 달리기, 자전기타기 등의 다양한 기능적 활동들에 대한

신경생리학적 특성을 연구하고 있다(Leff 등, 2011).

fMRI은 신경과학의 발전에 획기적인 전기를 마련하는 계기가 되었고, 이로 인해 운동과

학과 관련된 재활 분야에서 움직임의 신경생리학적 속성과 과학적 근거에 기초한 신경물

리치료의 이론적 토대를 마련할 수 있도록 하였다. 현재 fMRI는 독자적인 실험을 넘어 텐

서확산영상(diffuse tensor image), 뇌파(electroencephalography) 등의 다양한 뇌지도

화 기법들과 동시에 사용되고 있다(Carmichael 등, 2012; Huster 등, 2012; Jang 등,

2005). 그러나 fMRI는 고강도 자기장의 영향을 받고 있는 협소한 공간 안에서만 실험이

가능하고, 촬영 시 머리 움직임에 대해 민감하게 반응하여 제한된 동작만의 실험이 가능

한 단점이 있다. 이로 인해 고강도 자기장의 영향으로 정량적 운동 기능을 동시에 평가할

수 있는 장치의 반입이 어렵고, 균형과 보행 등과 같이 움직임이 큰 동작의 실험이 불가

능하였다. 그러나 fNIRS는 fMRI의 단점을 보완하여 재활과학 분야에서 필요로 하는 다양

한 기능적 활동에 대한 신경생리학적 관점의 연구와 뇌손상 환자들의 대동작에 대한 신경

회복 기전을 연구할 수 있는 뇌지도화 기법이 될 수 있을 것으로 생각된다. 따라서 본 연

구결과에서 제시한 바와 같이, fNIRS는 기존의 신뢰와 타당도가 입증된 fMRI와 동일한

뇌 활성 좌표를 보여 주었기 때문에, 뇌손상 환자들이 보행 및 균형과 같은 대단위 동작

을 회복하는 신경과학적 기전을 규명할 수 있도록 하고, 다양한 치료적 기법에 대한 임상

적 효과를 입증할 수 있기 때문에 임상적 활용의 중요성이 높을 것으로 기대된다. 본 연

구의 제한점은 작은 대상자의 선정과 동일 피험자에서의 반복 측정이 불가능한 것이다.

향후에는 이러한 문제점을 보완한 연구와 다양한 신체 부위와 운동과제를 사용한 많은 정

보를 포함한 추가 연구가 진행될 필요가 있다고 생각된다.


Ⅴ. 결론 및 제언

본 연구에서는 fNIRS를 시공간해상도가 뛰어난 기존의 가장 대표적인 뇌지도화 기법

중의 하나인 fMRI와 비교한 결과, 표준화된 뇌 좌표값에서 동일한 결과가 나타났음을 확

인하였다. fNIRS는 이동성이 용이하고 분석이 간편하며, 머리의 움직임에 따른 artifact의

영향을 상대적으로 영향을 적게 받기 때문에, fMRI에서 불가능하였던 대단위 운동 동작에

대한 신경생리학적 기전의 연구를 가능하게 할 것이다. 또한 뇌지도화 기법과 동시에 사

용 가능한 정량적인 운동 자료를 수집할 수 있는 근전도 등의 장비와 동시에 사용이 가능

할 수 있는 유용한 뇌지도화 기법으로, 운동과 관련된 재활과학 분야에서의 활용 가능성

이 매우 높을 것으로 생각된다.

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<Abstract>

Possibility of Practical Application of Functional

Near-Infrared Spectroscopy in Neuroimaging Technique

Related to Motor Performance

Kwon, Yong Hyun ㆍ Kang, Jong Ho

Functional near-infrared spectroscopy(fNIRS) is newly highlighted-optical

neuroimaging method that detects the hemodynamic response to cortical

activation according to brain activities such as cognitive or motor performance.

The purpose of this study is to investigate the possibility of practical application

of fNIRS in the field of rehabilitation science, compared with functional

MRI(fMRI). We recruited twenty healthy subjects, who were randomly allocated

into fNIRS group(n=10) and fMRI group(n=10). fNIRS and fMRI were scanned,

and standardized Talairach coordinates and hemodynamic response (oxy-hemoglobin/

voxel counts) were analyzed respectively, while subjects performed hand motor

task with 1Hz of flexion-extension movement. As results of data analysis,

primary sensorimotor cortex was focally activated in all of fNIRS and fMRI.

However, no significant difference was observed in standardized Talairach

coordinates with an x-y-z axis. Therefore, Talairach coordinates of fNIRS

during hand motor performance was the same as that of fMRI, which had high

reliability and excellent spatial resolution. fNIRS is non-invasive neuroimaging

technique, which did not affect to motion artifact and take an advantage of easy

to move. So, we expect that fNIRS have a great possibility of human movement

study in terms of balance and gait performance, and so forth.

Key Words : Functional near-infrared spectroscopy, Functional magnetic resonance imaging, Cortical

activation, Motor task

논문접수 : 2012. 07. 29 / 논문심사일 : 2012. 08. 13 / 게재승인 : 2012. 09. 13

운동기능과 관련된 뇌지도화 연구 분야에서 기능적 근적외선분광영상...

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