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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김경환
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 연세대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
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본 연구는 설명가능한 기계학습을 기반 사건관련뇌전위 분석을 통해 기존 사건관련뇌전위 연구에서 발생하는 다중 비교 문제를 효과적으로 개선하고, 하지불안증후군 환자에서 나타나는 인지기능 저하의 원인을 대뇌 피질 차원에서 밝히고자 하였다.
하지불안증후군 진단을 받은 9명의 환자와 정상인 13명을 대상으로 task 수행 중 19개의 두피전극으로 피험자의 뇌전위를 얻었다. 두피전극에서 측정한 뇌전위에 신호원 국소화 기법을 적용하여 대뇌 피질 상의 전류 밀도 시계열을 추정한 뒤, Molleweide Projection 기법을 적용하여 2차원 이미지로 데이터를 변환하여 CNN 학습에 사용하였다. 하지불안증후군과 정상 대조군의 대뇌 피질 전류 밀도를 나타내는 2D 이미지를 이용하여 환자를 분류하는 CNN 분류기를 학습하였으며, 학습한 CNN에 설명가능한 기계학습을 적용하여 환자를 판단하는데 중요한 영향을 미친 대뇌 피질 입력 데이터를 특정하였다.
분류기는 단일 시행 사건관련뇌전위로부터 얻은 데이터로 91%의 높은 분류 성능을 보였다. 설명가능한 기계학습을 통해 찾은 하지불안증후군 인지기능 저하 특성을 반영하는 대뇌 피질 영역은 좌측의 상전두엽, 상두정엽, 뇌섬엽, 측두엽, 측후두엽, 우측 상측두엽으로 관찰되었다. 선행 연구를 통해 좌측 상전두엽은 이차 시각 관련 영역인 좌측 하측두엽, 측후두엽, 상두정엽과 함께 선택적 주의력, 집행 기능, 주의 할당에 관여하는 영역으로 작업기억 회상에 있어 밀접한 연관이 있음을 확인하였다. 또한 좌측 뇌섬엽, 우측 상측두엽은 작업기억 회상의 효율을 높이는 의미기억과 연관이 있음을 확인하였다.
결론적으로 본 연구를 통해 하지불안증후군을 단일 시행 사건관련뇌전위기반으로 높은 일반화 성능을 보이는 분류기를 개발할 수 있었으며, 이를 통해 조기 진단 등에 활용될 수 있는 가능성을 보였다. 또한 설명가능한 기계학습 기법을 통해 환자군의 하지불안증후군의 작업기억 저하는 선택적 주의, 주의 할당, 의미기억 등의 기능 결함으로 인한 것임을 대뇌 피질 활동을 통해 밝힐 수 있었다.
하지불안증후군 진단을 받은 9명의 환자와 정상인 13명을 대상으로 task 수행 중 19개의 두피전극으로 피험자의 뇌전위를 얻었다. 두피전극에서 측정한 뇌전위에 신호원 국소화 기법을 적용하여 대뇌 피질 상의 전류 밀도 시계열을 추정한 뒤, Molleweide Projection 기법을 적용하여 2차원 이미지로 데이터를 변환하여 CNN 학습에 사용하였다. 하지불안증후군과 정상 대조군의 대뇌 피질 전류 밀도를 나타내는 2D 이미지를 이용하여 환자를 분류하는 CNN 분류기를 학습하였으며, 학습한 CNN에 설명가능한 기계학습을 적용하여 환자를 판단하는데 중요한 영향을 미친 대뇌 피질 입력 데이터를 특정하였다.
분류기는 단일 시행 사건관련뇌전위로부터 얻은 데이터로 91%의 높은 분류 성능을 보였다. 설명가능한 기계학습을 통해 찾은 하지불안증후군 인지기능 저하 특성을 반영하는 대뇌 피질 영역은 좌측의 상전두엽, 상두정엽, 뇌섬엽, 측두엽, 측후두엽, 우측 상측두엽으로 관찰되었다. 선행 연구를 통해 좌측 상전두엽은 이차 시각 관련 영역인 좌측 하측두엽, 측후두엽, 상두정엽과 함께 선택적 주의력, 집행 기능, 주의 할당에 관여하는 영역으로 작업기억 회상에 있어 밀접한 연관이 있음을 확인하였다. 또한 좌측 뇌섬엽, 우측 상측두엽은 작업기억 회상의 효율을 높이는 의미기억과 연관이 있음을 확인하였다.
결론적으로 본 연구를 통해 하지불안증후군을 단일 시행 사건관련뇌전위기반으로 높은 일반화 성능을 보이는 분류기를 개발할 수 있었으며, 이를 통해 조기 진단 등에 활용될 수 있는 가능성을 보였다. 또한 설명가능한 기계학습 기법을 통해 환자군의 하지불안증후군의 작업기억 저하는 선택적 주의, 주의 할당, 의미기억 등의 기능 결함으로 인한 것임을 대뇌 피질 활동을 통해 밝힐 수 있었다.
목차
그림 차례 iii표 차례 iv국 문 요 약 v제 1장 서론 11.1 하지불안증후군과 진단 11.2 하지불안증후군의 인지기능 저하 21.3 작업기억 41.4 사건관련뇌전위 기반 인지기능 연구 71.5 신호원 국소화 분석 91.5.1 뇌전위의 발생 원리 91.5.2 뇌신호원 국소화 분석 91.6 사건관련뇌전위 연구의 한계 131.7 기계학습을 이용한 데이터 기반 연구 151.8 연구 목표 20제 2장 재료 및 방법 222.1 피험자 및 실험 222.1.1 피험자 222.1.2 실험 과정 232.1.3 뇌전위 기록 242.2 데이터 분석 252.2.1 뇌신호원 국소화 252.2.2 전류 밀도 이미지 생성 262.2.3 하지불안증후군 단일 시행 전류 밀도 분류를 위한 컨볼루션 신경망 분류기 구조 272.2.4 분류기 학습 및 검증 292.2.5 Layer-wise Relevance Propagation 기반 하지불안증후군 인지기능 저하를 반영하는 대뇌 피질 활동 특성 결정 302.2.6 행동 반응 통계 분석 322.2.7 대뇌 피질 전류 밀도와 임상 점수 간 상관관계 분석 33제 3장 결과 343.1 행동 반응 결과 343.2 분류기 성능 343.2.1 CNN 구조에 따른 성능 비교 343.2.2 제안된 분류기 성능 363.3 대뇌 피질 상 하지불안증후군 특성의 기여도 분포 383.4 중요 영역의 뇌활동과 임상 점수 간의 상관 관계 40제 4장 고찰 414.1 행동 반응 결과 414.2 분류기 성능 424.3 하지불안증후군의 작업기억 저하 반영 대뇌 피질 활동 444.4 중요 영역의 뇌활동과 임상 점수 간의 상관 관계 464.5 연구 한계점 47제 5장 결론 49참 고 문 헌 51ABSTRACT 61
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