15세 미만 아동을 대상으로 한 집중상태에서 EEG 신호와 HRV의 상관관계 분석

An analysis of correlation between EEG signal and HRV during attentional status with children under 15 years

본 연구에서는 집중력 시에 통상적인 방법으로 사용되는 EEG 선호의 theta/alpha 값과 심박변이도(HRV) 변수들의 상관관계를 분석하기 위함이다. 각 주파수 대역에 따른 EEG 선호의 파행과 자율신경계 변화를 연구한 논문들을 바탕으로, 본 연구에서는 집중상태에 따른 theta파의 변화와 alpha파의 신호를 분석하여 theta/alpha 값으로 중추신경계 변화를 평가하였다. 또한 자율신경계에서 생리학적 변화는 HRV 변수들(beat interval, SDNN, RMSSD, NN50, LF, HF, LF/HF)로 평가/해석하였다. 실험방법은 신경 인지 검사 프로그램인 CNT 4.0을 이용하여 21 명의 건강한 피험자들의 청각 집중력 테스트를 수행하였고, EEG 신호와 PPG 신호를 분석하였다. EEG로부터 추출한 theta/alpha값과 PPG로부터 추출한 HRV변수들은 중다회귀분석을 이용하여 각각의 조합에 따른 두 지표간의 상관관계를 평가하였다. theta/alpha와 심혈관계의 변수들의 상호연관성은 {SDNN(2), HF(6)} 변수가 포함된 3차원 이상의 조합에서 상대적으로 유효하게 나타났다. 결과적으로 고차원 HRV 변수 조합이 저차원 조합보다 theta/alpha 와 상대적으로 높은 상관관계($R^2=0.253$; 7차원)를 나타내었고, 통계적 유의성(p<0.05)을 만족하였다.

This paper illustrates the inter-relationship between the theta/alpha ratio of the EEG signal and multiple HRV related parameters associated with the cardiovascular system response during event-related stimuli. Both EEG and PPG signals were simultaneously recorded in 21 healthy subjects. All subjects had their attention focused on the CNT program for nine minutes. Time-frequency analysis was applied to the EEG and PPG signals. The theta/alpha ratio was extracted from the EEG results, and the HRV features, including beat interval(1), SDNN(2), RMSSD(3), NN50(4), LF(5), HF(6), and LFIHF(7), were extracted from the PPG. Through multiple linear regression, the relationship ($R^2$) between the multiple combined features and the theta/alpha rhythm was identified. As a result, the combinations of $R^2$($R^2=0.253$; seven dimensions) and the theta/alpha ratio indicated a higher inter-relationship value than those of other combinations. The combinations of features that were greater than three dimensions, based on {SDNN(2), HF(6)}, generally showed higher $R^2$ value. We demonstrate that the high dimensional combinations had a higher correlation than did the low dimensional combinations.