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성연 하
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1 원저 Frameless Stereotactic Image Guidance System 을이용한대뇌피질상의두피전극의국소화 성균관대학교의과대학삼성서울병원신경과, 원광대학교의과대학산본병원신경과 * 김대영주은연태우석한선정 * 조재욱서대원홍승봉 Cortical Localization of Scalp Electrodes on Three-Dimensional Brain Surface Using Frameless Stereotactic Image Guidance System Daeyoung Kim, M.D., Eun Yeon Joo, M.D., Woo Suk Tae, Ph.D., Sun Jung Han, M.D.*, Jae-Wook Cho, M.D., Dae Won Seo, M.D., Ph.D., Seung Bong Hong, M.D., Ph.D. Department of Neurology, Samsung Medical Center, Sungkyunkwan University School of Medicine, *Department of Neurology, Sanbon Medical Center, College of Medicine, Wonkwang University Background: The purpose of this study was to localize the cortical regions reflected by overlying scalp electrodes. Methods: We enrolled 10 patients with epilepsy (5 males, mean age 29.7 years old). Thin slice coronal T1 weighted MR images were obtained and then scalp EEG electrodes were placed based on an international system. Cortical locations of scalp electrodes were determined using a real-time frameless stereotactic image guidance system, Brainsight. Results: The locations of 19 scalp electrodes were marked on the 3D rendered cortical surface of one representative patient s MRI; Fp1 (Fp2) on the anterior pole of the middle frontal gyrus, Fz on the mid-point of the interhemispheric fissure in the frontal lobe, F3 (F4) on the mid-portion of the middle frontal gyrus, F7 (F8) on the pars triangularis of the inferior frontal gyrus, Cz on the interhemispheric fissure where a lateral precentral gyrus starts, C3 (C4) scattered around postcentral gyrus, T3 (T4) on the middle temporal gyrus, P3 (P4) on the angular gyrus, Pz on the mid-point of the interhemispheric fissure in the parietal lobe, T5 (T6) on the posterior part of the inferior temporal gyrus, and O1 (O2) on the occipital pole. Conclusions: The locations of scalp electrodes were well correlated with conventional concepts of their cortical locations. The individual differences of the scalp electrode locations may be due to the different sizes and morphologies of the brains in each of the patients. Real time cortical localization of scalp electrodes using the Frameless Stereotactic Image Guidance System may provide useful information for more accurate localization of focal cerebral activity in partial epilepsy patients. J Korean Neurol Assoc 25(2): , 2007 Key Words: Frameless stereotaxy, Scalp electrodes, EEG, MRI Received September 20, 2006 Accepted December 11, 2006 *Seung Bong Hong, MD, PhD. Department of Neurology, Samsung Medical Center, Sungkyunkwan University School of Medicine 50 Irwon-dong, Gangnam-gu, , Seoul, Korea. Tel: , Fax: sbhong@smc.samsung.co.kr *This study was supported by a grant of IN-SUNG Foundation for medical Research (CA68501), by a grant (no. A050462) of the Good Health R&D Project, Ministry of Health & Welfare, Republic of Korea, and by a grant (M103KV K ) from Brain Research Center of the 21 st Century Frontier Research Program funded by the Ministry of Science and Technology of the Republic of Korea. 서론 뇌는다양한전기활동을보이며이는뇌파기 (electroencephalography) 로기록할수있다. 뇌파는뇌의전기활동을 1/1000 초단위의높은시간해상도 (temporal resolution) 로분석할수있는장점이있지만, 공간해상도 (spatial resolution) 가낮은단점이있다. 최근간질을포함한다양한신경학적질환의진단과치료에있어뇌파의단점을극복하고뇌파의전기활동을자세히국소화하려는방법이연구되고있다. 국소화를위해서는뇌의해부학적구조상에서두피전극의정확한위치 J Korean Neurol Assoc Volume 25 No. 2,

김대영주은연태우석한선정조재욱서대원홍승봉 Figure 1. Frameless stereotactic image guidance system (a real- time MRI-navigator system, Brainsight ) 를아는것이필수적이다. 1 두피전극의위치를파악하기위해다양한연구가시행되었다.

3 이후뇌파전극을부착한후뇌전산화단층촬영 (brain computed tomography) 을시행하여전극의위치를연구하기도했으며, 4 자기공명영상 (magnetic resonance imaging, MRI) 촬영이가능한장치를이용하여뇌파전극을부착한상태에서뇌 MR 영상을얻고 5 뇌파전극에상자성 (paramagnetic) 의표지자를부착하여뇌 MRI

2 김대영주은연태우석한선정조재욱서대원홍승봉 Figure 1. Frameless stereotactic image guidance system (a real- time MRI-navigator system, Brainsight ) 를아는것이필수적이다. 1 두피전극의위치를파악하기위해다양한연구가시행되었다. 초기에는시신부검으로국제 뇌파계 (international system) 의해부학적위치를규명하려하였으며, 2 두개단순엑스선 (plain skull X-ray) 으로위치를파악하기도했다. 3 이후뇌파전극을부착한후뇌전산화단층촬영 (brain computed tomography) 을시행하여전극의위치를연구하기도했으며, 4 자기공명영상 (magnetic resonance imaging, MRI) 촬영이가능한장치를이용하여뇌파전극을부착한상태에서뇌 MR 영상을얻고 5 뇌파전극에상자성 (paramagnetic) 의표지자를부착하여뇌 MRI 상에서전극의위치를파악하기도했다. 6 그외초음파펄스 (ultrasonic pulse) 를이용한 frameless armless stereotactic wand 를사용하여전극의위치를파악한후이를환자의 MR 영상에등록시키는방법과 7 magnetic digitizer 를이용하여전극을 MR 영상에등록시키는방법도소개된바있다. 8,9 뇌 MRI 를이용한뇌파전극의위치측정방법으로두피전극의정확한위치파악은가능하지만, 6 자기장내에서사용할수있는전극이필요하고, 전극이붙어있는상태에서 MRI 를시행해야하므로이미진단적목적으로뇌 MRI 를시행한환자의경우재촬영에따른비용증가가예상되므로임상에서시행하기에는제한점이있다. 1 본연구에서는아직국내에서는생소한, 실시간 frameless stereotactic image guidance system 을이용하여두피전극을뇌의삼차원 MR 영상에등록한후그전극의위치를대뇌표면의고랑과이랑에따라국소화하였다. 비디오 -뇌파검사를위해입원했던 10명의간질환자를대상으로하였다. 미리시행한뇌 MRI 결과에서두개및뇌에구조적병변이있거나뇌수술을받은병력이있는환자들은제외하였다. 대상군의평균연령은 29.7 세 (16-41 세 ) 였으며남자 5명, 여자 5명이었다. 대상자들의간질증후군에따라전극을부착한위치가다르기때문에모든환자들에게공통적으로부착하는국제 뇌파계에포함된전극들의위치만측정하였다. 2. 방법 1) 삼차원 MRI (three dimensional magnetic resonance imaging) 의시행 MR 영상은 1.5 Tesla General Electric SIGNA system (GE Medical System, Milwaukee, Wisc., USA) 을이용하였으며 Coronal Spoiled-Gradient-Recalled sequence (SPGR) 를포 대상과방법 1. 대상 2006 년 4 월 1 일부터 5 월 31 일까지삼성서울병원에서 24 시간 Figure 2. Registered electrodes on three-dimensional reconstructed brain MR images. Small spheres represent the position of scalp electrodes. Straight lines on the spheres represent the trajectory of the pointer. 156 대한신경과학회지제 25 권제 2 호, 2007

Frameless Stereotactic Image Guidance System 을이용한대뇌피질상의두피전극의국소화 Figure 3. Location of EEG electrodes on three-dimensional rendering brain. Electrodes are marked as colored dots.

3 Frameless Stereotactic Image Guidance System 을이용한대뇌피질상의두피전극의국소화 Figure 3. Location of EEG electrodes on three-dimensional rendering brain. Electrodes are marked as colored dots. Dots of each color represent the electrodes placed on a patient. The representative brain in the figure is the one of patients enrolled in the study. 함하였다. SPGR 영상은 1.6 mm 의절편두께, 연속된 124 장의영상, 반복시간 (TR, time of repetition) 30 msec, 반향시간 (time of echo) 7 msec, 절편간격없음 (no slice gap), 숙임각 (FA, flip angle) 45도, FOV (field of view) cm, matrix , 여기횟수 (number of excitation) 1을매개변수로하여촬영하였다. SPGR 영상데이터는 DICOM3 (digital imaging and communications in medicine protocol) 를이용하여 fast-ethernet 을통해 computer workstation (Power Mac G4, Apple Computer Inc., Cupertino, CA) 으로전송하였다. 전송한 SPGR 영상은 frameless stereotactic image guidance system (Brainsight Frameless, Magnestim co., Whitland, UK) 에서제공한 software 를이용해 curvilinear 방법으로분할 (segmentation) 하였다. 뇌외곽형태의굴곡을그리면, 프로그램이자동으로슬라이스간격을 보정해주고, 미리지정한깊이에따라새로운뇌표면을만들어준다. 만들어진삼차원영상에는이랑과고랑의구조뿐아니라회색질과백색질의분포도자세하게나타낸다. 2) 전극위치의등록 (Co-registration of scalp electrodes on three-dimensional MRI surface) Frameless stereotactic image guidance system은정위고정틀 (stereotactic frame) 대신적외선위치감지카메라 (infrared position sensor camera, Polaris Camera, Magnestim Co., Whitland, UK) 를사용한다 (Fig. 1). 두피전극의위치를측정하기위하여우선대상자의 3차원뇌 MR 영상을 workstation 에등록시킨후환자의머리에추적자 (tracker) 를부착하였다. 추적자는 3개이상의구체가배열된형태를하고있으며, 위치감지카메라는구체들에서반사되는 J Korean Neurol Assoc Volume 25 No. 2,

4 김대영주은연태우석한선정조재욱서대원홍승봉 빛을포착한다. 위치감지카메라에의해좌표공간 (coordinate space) 이설정되면이공간내에서추적자의위치와움직임이감지되고이를 workstation 에서처리한다. MR 영상에서 3개의해부학적지점인코뿌리점 (nasion) 과양측귓바퀴앞점 (preauricular point) 을기준으로삼았으며, 추적자가부착된지시기로환자의 3개점의좌표를등록하여좌표공간내에서환자의머리가 3차원뇌 MR 영상과일치되도록하였다. 대상자의 MR 영상에위치감지카메라로부터얻어진좌표정보를덧씌워관상 (coronal), 시상 (sagittal), 축방향 (axial) MR 영상에서추적자의위치를교차확인하였다. 대상자의실제머리위치와일치하는 MR 영상이등록되면, 추적자가부착된지시기를각전극과평행하는가상의선과직각으로세워서, 3차원표면렌더링 (surface rendering) MR 영상위에그위치를표시하였다 (Fig. 2). 결과 대상군 10명의뇌 MR 영상소견은육안적판독에서모두정상이었다. 국제 뇌파계에따른총 19개의두피전극의위치는전극에서최단거리에있는뇌이랑또는고랑을기준으로결정하였다. 대상자 10명에서획득한두피전극 19개의위치를대표적환자의뇌 MRI 모델 (representative brain model) 위에모두표시하였고이를바탕으로각두피전극의공통적위치를파악하였다 (Fig. 3). Fp1 과 Fp2 는이마엽 (frontal lobe) 의위이마이랑 (superior frontal gyrus) 이끝나는이마극 (frontal pole) 에위치하였다. F3와 F4는중간이마이랑 (middle frontal gyrus) 의뒤쪽삼분의일에서이분의일사이에위치하였고 F7과 F8 은아래이마이랑 (inferior frontal gyrus) 의삼각부 (pars triangularis) 에위치하였다. 이상의전두전극들은대체로일정하게분포하여하나의이랑을벗어나지않았다. C3와 C4는중심앞및중심뒤이랑 (precentral and postcentral gyri) 의윗쪽사분의일에서이분의일에해당하는영역에비교적넓게분포되어있었다. 대상자 10명의 20개대뇌반구중에서 4개는중심고랑 (central sulcus) 위에위치하였으며 3개는앞중심고랑및이랑에, 11개는뒷중심고랑및이랑에, 나머지 2개는위마루소엽 (superior parietal lobule) 에위치하였다. T3와 T4는주로중간관자이랑 (middle temporal gyrus) 의중간부분에위치하였으나 20개대뇌반구중 4개는각각위관자이랑 (superior temporal gyrus), 아래관자이랑 (inferior temporal gyrus), 중간관자이랑의앞쪽삼분의일및뒤쪽삼분의일에위치하였다. P3와 P4는주로아래마루소엽 (inferior parietal lobule) 의모이랑 (angular gyrus) 에분포하였으나한명의대상자에서는양쪽모두모서리위이랑 (supramarginal gyri) 에위치하였다. T5와 T6는주로아래관자이랑의뒷부분, 관자뒤통수가장자리 (temporooccipital margin) 의바로앞부분에위치하였다. O1과 O2는각대뇌반구의뒤통수극에위치하였다. 이마엽의전극들의경우하나의이랑내에비교적균일하게위치하고있었으나그뒤쪽에위치하는중심, 관자, 마루, 뒤통수엽의전극들은대부분이랑 2개의폭정도로넓게퍼져있었다. 전극위치의차이는대부분대상자의차이에따라나타났다. T3와 T4는같은대상자에서도좌우대뇌반구간에차이를보였으나이를제외한나머지전극에서는좌우대뇌반구간의두피전극의위치차이는미미하였다. 정중전극들 (midline electrodes) 의경우 Fz는이마엽의반구간틈새 (interhemispheric fissure) 의중앙부위에비교적일정하게위치하였고 Cz는각반구의중심앞이랑들이만나는위치의반구간틈새에위치하였으며 Pz 는마루엽의반구간틈새의중간부위에위치하였다. Fz보다는 Cz와 Pz가반구간틈새의좌우및앞뒤방향으로넓게흩어져있었으나그정도가이랑하나의폭을넘지는않았다. 고찰 Frameless Stereotactic Image Guidance System을이용한두피전극의위치측정은뇌영상검사를시행한시간이나두피전극의종류및위치와관계없이수행할수있으며, 실시간으로두피전극을 3차원영상에등록하고위치를결정할수있다. 본연구에서소개한방법은이전의 ultrasonic frameless armless stereotactic wand를이용하거나 7 magnetic digitizer 를이용하는방법 8,9 과그원리는유사하지만, 컴퓨터기술의발달로이전방법에비해삼차원영상을처리하는절차가간소화되어, 소요시간과비용을줄일수있다. 또한실시간으로전극의위치를 orthogonal 영상으로교차확인하고삼차원으로재구성하여볼수있어서, 위치판정의오류가적고즉각적으로수정이가능하다는장점이있다. 10명의간질환자에서국제 뇌파계에따라부착한 19 개의전극위치를대뇌표면에국소화한결과를보면통상적으로추정되던위치와대체적으로일치했다. 이마관자전극 (F7, F8) 은이마아래이랑의삼각부에비교적일정하게위치하여잘알려진바와같이이마엽과관자엽앞극 (anterior pole) 의전기활동을반영할것으로생각된다. 관자전극 (T3, T4) 은중간관자이랑의중간부위에흩어져있었다. 158 대한신경과학회지제 25 권제 2 호, 2007

5 Frameless Stereotactic Image Guidance System 을이용한대뇌피질상의두피전극의국소화 중심고랑의위치를반영할것으로추정하는 C3 와 C4 전극은예상대로중심앞이랑과중심뒤이랑의상부에흩어져있었다. 이들은과거의연구의결과와일치하는소견이다. 9 두정엽의신호를담당하는것으로알려진 P3와 P4는대부분마루이랑에있어서아래마루소엽의뇌파신호를반영하는것으로나타났다. 뒤쪽관자엽의뇌파신호를나타내는것으로알려져있던 T5와 T6 전극은주로아래관자이랑뒷부분의 pre-occipital notch 에있었다. 본연구에서두피전극의위치는개인간의차이가있었고, 뇌의후반부 (posterior head) 로갈수록그편차가더커짐을관찰할수있었다. 또한정중전극들의경우 frontal vertex (Fz) 보다는 central vertex (Cz) 와 parietal vertex (Pz) 전극이반구간틈새 (interhemispheric fissure) 에서좌측혹은우측으로조금씩치우쳐있었다. 이전연구에서보면뇌후반구의정중전극들은두부의정중앙에위치하지않는경우가흔하다고한다. 9,10 뒤통수점 (inion) 의해부학적위치가사람에따라변이가있고, 전극을부착할때검사자가촉지로뒤통수점을찾아서기준을삼기때문에오차가발생할수있다. 대체적으로같은대상자에서좌우대뇌반구간의전극의위치차는미미하였으나관자엽에위치한전극 (T3 및 T4) 에서는좌우대뇌반구간의차이를볼수있었다. 이는뇌피질구조의해부학적비대칭성이관자언어부위 (temporal speech region) 를포함하는후실비안틈새주변 (posterior sylvian region) 에서가장두드러진다는과거연구결과와일치한다 이들연구에따르면실비안틈새의뒤쪽끝이우반구에서더큰각도로위를향하고있으며실비안틈재의전체길이도짧다. 이에따라위관자이랑의길이및경로도좌우반구간의뚜렷한차이가있으며, 이것으로관자전극의좌우위치차가설명될수있다. 일부대상자에서는전극의위치가통상추정되는곳에서크게벗어나는경우도있었다. 이런개인차는대뇌후반부로갈수록커졌으며, 그편위는두부의전후방향에서더뚜렷했다. 아마도뇌해부학적구조의개인차가대뇌낫 (falx cerebri) 에의해정중선이비교적뚜렷이구분되어있는좌우축 (leftright axis) 보다는전후축 (anterior-posterior axis) 을따라더커지기때문일것이다. 본연구에서전극의부착은실제임상에서일반적으로시행되는뇌파검사절차와동일하게시행되었다. 각대상자에서한차례의전극부착결과만이분석되었으며, 전극부착은여러뇌파기사들에의해이루어졌으나본병원뇌파실에서는항상줄자를이용하여거리를측정한후전극을붙이고있으며주기적으로정도관리를하고있어서뇌파기사들에따른차이는매우적다. 한명의뇌파기사가모든대상자의전극을부착하는 것과비교할때뇌파기사에따른변수가전극의위치에영향을미칠수있으나그차이는크지않을것으로생각된다. 본연구에서는뇌병변에따른고랑과이랑의전위 (displacement) 를배제하기위하여뇌 MRI 에서구조적병변이없는환자를선택하였음에도불구하고전극위치의변이를관찰할수있었다. 따라서뇌에구조적변형이나병변이있는환자의뇌파를판독할경우통상적으로알고있던전극의위치만으로고려한다면간질파 (epileptiform discharge) 의국소화에오류가발생할수있다. 따라서올바른뇌파판독을위해서는환자의해부학적뇌구조에대해사전에충분히숙지해야할것으로생각한다. 본연구방법은두피에부착시키는뇌파전극이반영하는대뇌피질의해부학적위치를쉽고간단하게파악할수있게한다. 본방법을이용하여발작간기뇌파 (interictal EEG) 에서필요한 19개의전극의위치를뇌 MR 영상에서조회하려고할때소요시간은약 20분정도이다. 통상적인방법에서는환자머리의위치를영상에등록할때필요한기준표식자 (fiducial marker) 를별도로붙여야했지만본연구방법을이용할경우이러한번거로움이줄어든다. 또한실시간으로환자의특정해부학적위치에지시기를위치시켜실시간으로 MR 영상위에서그위치를확인할수있다. Frameless stereotactic image guidance system 은환자개개인의형태학적뇌구조를감안하여뇌파전극의위치를정확히측정할수있어서, 간질초점의정확한국소화에도움을줄수있을것으로생각한다. REFERENCES 1. Michel CM, Murray MM, Lantz G, Gonzalez S, Spinelli L, Grave de Peralta R. EEG source imaging. Clin Neurophysiol 2004;115: Blume WT, Buza RC, Okazaki H. Anatomic correlates of the tentwenty electrode placement system in infants. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1974;36: Hellström B, Karlsson B, Müssbichler H. Electrode placement in EEG of infants and its anatomical relationship studied radiographically. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1963;15: Homan RW, Herman J, Purdy P. Cerebral location of international system electrode placement. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1987;66: Sijbers J, Vanrumste B, Van Hoey G, Boon P, Verhoye M, Van der Linden A, et al. Automatic localization of EEG electrode markers within 3D MR data. Magn Reson Imaging 2000;18: Yoo SS, Guttmann CR, Ives JR, Panych LP, Kikinis R, Schomer DL, et al. 3D Localization of surface EEG electrodes on high resolution anatomical MR images. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1996;102: Barnett GH, Kormos DW, Steiner CP, Morris H. Registration of J Korean Neurol Assoc Volume 25 No. 2,

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( )kju145.hwp 시각적성자극에의한대뇌활성의국지화 를이용한 분석 Location of Brain Electrical Source Activation according to Visually Stimulated Sexual Arousal: A Cross Spectral Analysis using Low Resolution Brain Electromagnetic Tomography