Detrended Fluctuation Analysis on Sleep EEG of Healthy Subjects

정상인 수면 뇌파 탈경향변동분석

Introduction: Detrended fluctuation analysis (DFA) is used as a way of studying nonlinearity of EEG. In this study, DFA is applied on sleep EEG of normal subjects to look into its nonlinearity in terms of EEG channels and sleep stages. Method: Twelve healthy young subjects (age：$23.8{\pm}2.5$ years old, male：female=7：5) have undergone nocturnal polysomnography (nPSG). EEG from nPSG was classified in terms of its channels and sleep stages and was analyzed by DFA. Scaling exponents (SEs) yielded by DFA were compared using linear mixed model analysis. Results: Scaling exponents (SEs) of sleep EEG were distributed around 1 showing long term temporal correlation and self-similarity. SE of C3 channel was bigger than that of O1 channel. As sleep stage progressed from stage 1 to slow wave sleep, SE increased accordingly. SE of stage REM sleep did not show significant difference when compared with that of stage 1 sleep. Conclusion: SEs of Normal sleep EEG showed nonlinear characteristic with scale-free fluctuation, long-range temporal correlation, self-similarity and self-organized criticality. SE from DFA differentiated sleep stages and EEG channels. It can be a useful tool in the research with sleep EEG.

목 적：뇌파의 비선형적 특성을 연구하는 방법으로 탈경향 변동분석이 사용되고 있다. 본 연구에서는 정상인 수면 뇌파에 탈경향변동분석을 적용하여 수면뇌파의 비선형적 특성, 채널 별 차이, 수면단계별 차이를 규명하고자 하였다. 방 법：정상인 12명($23.8{\pm}2.5$세, 남：여=7：5)를 대상으로 야간수면다원검사를 시행하였다. 수면다원검사를 통해 얻어진 뇌파를 채널 별, 수면단계별로 나누어 탈경향변동분석 시행 후 여기서 얻어진 축척지수(scaling exponent)를 선형혼합모형 분석을 통해 비교하였다. 결 과：정상인 수면다원검사에서 얻어진 뇌파의 축척지수는 1 내외의 값을 보여 장기-시간적연관성, 자기유사성을 보였다. C3 채널의 축적지수가 O1채널의 축적지수보다 높은 값을 보였다. 수면단계가 진행함에 따라 축적지수는 증가하였으며, 1단계 수면과 렘수면은 축적지수는 통계적 차이를 보이지 않았다. 결 론：정상인 수면 뇌파는 탈경향변동분석에서 무축척요동(scale-free fluctuation), 장기-시간적 관련성(long-range temporal correlation), 자기유사성(self-similarity) 및 스스로 짜여진 고비성(self-organized criticality) 등의 비선형적 특성을 보였다. 탈경향변동분석에서 얻어진 축적지수는 뇌파 채널 별, 수면단계별 차이를 보여 수면 뇌파를 연구하는 중요한 도구로 사용될 수 있다.