Effect of Medical Symbols on Memory Focusing on fMRI Empirical Studies

의료 심볼이 기억에 미치는 영향

Abstract

This study measured the signal intensity (SI) of the hippocampus in relation to memory via fMRI analysis of 3 types of radiology symbols, 3 types of nuclear medicine symbols, and 3 types of oncology symbols among the most commonly employed medical symbols in hospitals. The following are the conclusions of the study. result of analyzing the SI values for symbol 1, symbol 2, and symbol 3 of the radiology, nuclear medicine, and oncology departments, symbol 3 had the highest SI value (1.72 ± 0.56) in radiology, symbol 2 had the highest SI value (1.69 ± 0.64) in nuclear medicine, and symbol 2 had the highest SI value (1.64 ± 0.63) in oncology. The overall mean of radiology, nuclear medicine, and oncology symbols was 1.62 ± 0.60 for nuclear medicine, 1.61 ± 0.59 for oncology, and 1.49 ± 0.49 for radiology. According to the overall SI measurement results, symbol 3 in radiology, symbol 2 in nuclear medicine, and symbol 2 in oncology were confirmed to have high SI values. If symbols with high SI values are used in a hospital, it is believed to be beneficial for navigating in any hospital.

이 연구는 이용하여 병원에서 주로 사용되는 의료 심볼 중 영상의학과 3종, 핵의학과 3종, 종양학과 3종의 심볼을 fMRI 분석을 통해 기억과 관련된 해마의 신호값(SI)을 측정하였으며 연구 결과. 영상의학과, 핵의학과, 종양학과의 심볼 1, 심볼 2, 심볼 3에 대한 SI값 분석결과 영상의학과는 심볼 3의 SI(1.72 ±0.56)값이, 핵의학과는 심볼2의 SI(1.69 ±0.64)값이, 종양학과는 심볼2의 SI(1.64 ±0.63)값이 각각 가장 높았다. 영상의학과, 핵의학과, 종양학과 심볼의 전체 평균은 핵의학과(1.62±0.60), 종양학과(1.61 ±0.59), 영상의학과(1.49±0.49)의 순이었다. 전체적인 SI 측정 결과값을 통해 본 결과 영상의학과의 경우 심볼3, 핵의학과의 경우 심볼2, 종양학과의 경우 심볼2 가 높은 SI 값을 확인할 수 있었다. SI 값이 높은 심볼을 병원에서 사용한다면 어느 병원에 방문하든 길찾기에 도움이 될 거라 생각된다.

Ⅰ. INTRODUCTION

질병의 진단을 위한 영상과 방사선을 이용한 치료분야는 현대의학 발전에 막대한 기여를 해왔다^[1]. 연간 국민의 의료방사선 검사 건수는 2016년 3억 1,200만여 건에서 2019년 3억 7,400만여 건으로 연평균 6.2% 증가했으며, 2019년에는 2016년 대비 약 25%가 증가한 것으로 나타났다^[2]. 여기에 핵의학과와 방사선종양학과의 검사 및 치료건수가 더해지면 더욱 많은 검사 건수가 예상이 된다. 종합병원은 다양한 의술이 수행하는 기능적 역할 뿐만아니라 심리적, 환경적으로 안정감을 줄 수 있는 형태의 가치와 영향을 가지고 있어야 한다^[3]. 규모가 큰 종합병원은 수많은 사람들이 병원 공간에 머물고 이동을 하게 되는데, 복잡한 병원의 구조상 검사실이나 진료실을 찾는 것이 매우 복잡하고 어렵다. 윤지선^[4]의 연구에 의하면 병원 이용자의 길 찾기 난이도는 검사실, 촬영실, 주사실이 가장 높은 것으로 나타났다. 병원 외래진료부 영역의 동선관계 분석에서 중앙진료부와 각 진찰실, 처치 및 주사실, 검사부, 방사선부 등이 가장 많은 연계적 특성을 보였다^[5]. 병원에 처음 방문한 환자에게는 복잡한 의료체계와 시스템으로 인해 공간의 명료성이 떨어지는데, 이는 환자가 처음 병원에 방문할 시 공간을 인지하는데 매우 취약한 것으로 분석되었다^[3]. 최근에는 병원의 복잡한 구조에서 목적지를 쉽게 찾기 위해 유도선과 심볼을 이용한 안내가 보편화되어 있다. 이처럼 복잡한 병원 구조에서 의미전달이 강한 심볼은 길찾기에 있어 매우 중요한 요소로 오래 전부터 사용되어졌다. 국제 표준화 기구인 ISO (International Organization for Standardization) 에서는 그래픽 심볼을 언어와 독립적으로 정보를 전달하기 위해 사용되며 특정 의미를 담고 있는 시각적으로 인지 가능한 형태라고 정의하고 있다^[6]. 이러한 심볼은 정보를 빠르고 정확하게 포착하여 이해할 수 있도록 사용자에게 전달할 수 있어 오늘날 상호간 하나의 약속으로 다양한 목적을 위해 사용되고 있다^[7]. 의료 심볼의 경우 병원 환경의 복잡한 공간적 특성 탓에 의료 심볼의 사용이 더욱 요구되고 있다. 소비자는 마음에 드는 디자인을 유심히 주의깊게 살펴보고 선호하는 디자인의 제품을 더 잘 기억하게 된다^[8]. ‘상’으로 이루어진 기억을 잠재적인 인식을 바탕으로 설명하기도 하였다^[9]. 인간은 다양한 환경에서 수많은 정보를 감각요소로 전달하지만 그 중 일부 자극만 받아들이고 모든 정보는 뇌가 처리할 수 있는 형태로 부호화되어 일시적 또는 장기기억으로 남아있게 되고^[10] 뇌조직의 혈액산소농도의존(BOLD)신호를 이용하여 정상인들의 기억에 관여하는 기능해부학적 실질을 확인할 수 있었다^[11]. 뇌에서 기억과 관련된 주요기능을 하는 부위인 해마는 Scoville, W. B.의 H. M. 실험에 의해서 그 중요성이 드러나기 시작했다^[12]. 지금까지 다수의 영상 연구들이 이런 연합 기억에 해마나 해마방화(parahippocampus)를 포함한 내측 측두 영역(medial temporal region)의 구조물이 관여하고 있음을 증명하였다^[13]. 강은주^[11]는 fMRI 연구를 통해 좌측해마가 그림과 단어에 다 관여하며 기억수행에 관여함을 확인하였으며. 자극-자극 연합을 유도한 기억 과제에서는 부호화와 인출 시에 모두 유사한 위치에서 해마의 활성화가 확인되었다^[13]. 그림정보가 문자정보와 결합되었을 경우에는 그림기억의 우수함을 확인되었다^[14]. 실제 병원에서 영상의학과, 핵의학과, 방사선종양학과를 상징하는 유사하고 다양한 형태의 심볼을 사용하고 있다. 하지만 이러한 심볼들이 병원을 이용하는 사람들에게 학습된 기억을 통해 길 찾기에 도움이 되는지에 대한 연구는 찾아보기가 어려웠다. 이 연구는 fMRI를 이용하여 국내에서 주로 사용되어 지고 있는 영상의학과, 핵의학과, 방사선종양학과의 심볼의 형태와 기억과의 관계를 알아보고 가급적이면 병원에서 동일한 심볼을 사용할 수 있는 근거를 마련하고 길찾기에 도움이 되고자 진행하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 연구 대상

연구 참여자는 모국어가 한국어인 오른손잡이 19세 이상 성인 남녀 26명을 대상으로 하였으며, 신경학적으로 건강한 피험자를 대상으로 연구의 목적 및 방법 등을 설명 후 참여 및 fMRI 검사 동의서를 받고 진행하였다.

2. 측정 도구

2.1. 실험방법

국내 43개 상급종합병원 홈페이지 진료과별 소개란에서 영상의학과, 핵의학과, 방사선종양학과의 심볼을 전수 수집하였으며, 그 중 주로 많이 사용되고 있는 영상의학과, 핵의학과, 방사선종양학과의 심볼 3개를 각각 선정하여, 시각디자인 전공 전문가의 자문을 받아 자극물을 제작하였다. 자극물을 이용하여 활성기(activation state)와 휴지기(resting state)에 따른 뇌의 활성화 부위(Hippocampus)를 알아보기 위해서 설계(Event related design)하였다. 설계방식 에서는 수행하는 과제의 개별 사건마다 수반된 혈액산소농도의존(BOLD) 신호 변화를 관찰 할 수 있는데 과제를 수행 하는데 있어서 시각 전후에서 얻어진 MRI 자료를 시간적으로 정렬시킨 후 평균하게 되면 연구 과제 수행에 의해 유발된 혈액산소농도의존(BOLD) 신호 변화를 잡음으로부터 분리시킬 수 있다. 검사를 위한 fMRI 장비는 K대학병원의 Philips Elision 3.0T (2022)의 32Channel Head coil을 이용 하여 진행하였다. 자극물 설계는 Nordic Neurolab (nnl)사의 fMRI Tool 및 Device 을 이용하였으며, 제작된 자극물은 MRI 스캐너 안의 두부코일(Head coil)에 부착된 반사 거울을 통해 피험자에게 제시하였다. 실험절차는 자극물에 대하여 각각 자극당 2초씩 화면에 제시하여 모두 9개를 제시하였다. 연구에 사용된 심볼은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. Symbols used.

3. 자료 수집 방법

3.1. fMRI를 이용한 BOLD effect 획득

1992년 오가와(Ogawa)등에 의해 처음 시작된 fMRI는 혈액 내 헤모글로빈의 산소함유 정도에 따른 T2*의 변화를 기반으로 하는 혈액산소농도의존 (Blood Oxygen Level Dependent, BOLD) 효과를 이용하는 방법이 현재 가장 널리 이용되고 있는 기본 원리이다^{[10,11,15,16]}. 신경세포가 활성화될 때 그 주위 국소부위에서 혈류량이 증가하는데 그 증가량이 신경세포의 산소소모 증가량 보다 훨씬 많게 된다^[15-17]. 따라서 활성화된 신경세포 주위의 모세혈관에는 산소를 운반하는 헤모글로빈 중에서 산소와 결합된 산소헤모글로빈(oxyhemoglobin)의 비율이 증가하고, 산소가 없는 탈산소헤모글로빈 (deoxy hemoglobin)의 비율은 오히려 감소한다. 산소헤모글로빈은 주변자기장에 영향을 끼치지 않는 반면 탈산소헤모글로빈은 주변자기장에 영향을 끼쳐 자기장의 균일성을 저하시키고 자기공명영상에서 T2*신호를 감소시킨다. 따라서 신경활성이 일어나는 부위에서 탈산소헤모글로빈의 비율이 감소하게 되면 T2*신호는 반대로 증가하게 된다^[15,16]. fMRI에서는 이러한 차이를 영상화하게 되는데, 국소부위 혈중 산소포화 수준에 따라 변화하는 MR 신호의 변화를 혈액산소농도의존(BOLD) 신호라고 한다. 혈액산소농도의존(BOLD)를 이용한 fMRI는 보통 뇌에 자극이 가해지지 않은 휴지기(resting state)와 자극이 가해지는 활성기(activation state)로 구분하여 이들의 신호강도(signal intensity, SI) 차이를 측정하게 된다(Eq. 1). 이러한 신호강도 (SI)값을 event related design (efMRI)방식을 선택하여 수행하는 것은 통계학적 자극설계를 할 경우 효율에 미치는 중요한 요소로서 제시된 자극 상의 시간 과 자극의 확률 분포가 포함된다. efMRI는 무작위한 자극 시퀀스로 자극형태의 인지 또는 예측으로 인한 활성화 신호의 감소나 변형을 막을 수 있으며 자극 전체에 대한 결과론적 상태가 아닌 시간상으로 변화되는 과정을 hemodynamic response를 통해 볼 수 있다. 따라서 각 paradigm의 시간 간격을 2초 또는 3초 이하로 짧게 설정 하여 본 연구에서 보고자하는 관심구역에서의 활성화된 신호를 얻을 수 있다.

\(\begin{aligned}S I(\%)=\frac{\left(S I_{a c t}-S I_{r e s t}\right)}{S I_{\text {rest }}} \times 100(\%)\end{aligned}\)       (1)

3.2. fMRI 영상분석

본 영상분석 기법은 MR 신호변화의 통계적 유의성을 검증하여 이를 삼차원적인 지도에 표시하게 되는데 이를 통계변수지도(statistical parametric map)라고 하며, 삼차원적 지도에서의 각 점에서 얻어진 자료는 SPM12 통계프로그램을 사용 하여 각점에서의 신호값을 측정하였다. 이를 바탕으로 본 연구에 기억과 관련된 해마의 시각적 데이터와 MR신호의 신호값(SI)을 측정하여 구체화된 자료를 제공하였다. 분석진행에 있어서 우선적으로 slice time correction, motion correction, Gaussian Smoothing (special), High-pass Filter을 거치게 되며 그 이후 EPI Bold data와 3D T1 해부학적 영상과 fusion하여 Bold data의 평균(mean) SI 값을 같이 기록하는 과정을 통하여 Bold image (functional data)의 해부학적 영상의 위치 Fig. 2, 3와 같이 알 수 있게 되며, 분석에 사용된 영상은 Fig. 4와 같이 나타난다.

Fig. 2. Left Hippocampus Measurement Area.

Fig. 3. Right Hippocampus Measurement Area.

Fig. 4. Analysis Images.

Ⅲ. RESULT

1. 검사 대상자의 SI 값 결과

영상의학과 심볼 1, 2, 3, 핵의학과 심볼 1, 2, 3, 종양학과 심볼 1, 2, 3에 대한 SI값 분석결과 영상의학과는 심볼 3 (1.72 ± 0.56)의 값이, 핵의학과는 심볼 2 (1.69 ± 0.64)의 값이, 종양학과는 심볼 2 (1.64 ± 0.63)의 값이 각각 가장 높게 나왔으며, 영상의학과는 심볼 2 (1.36 ± 0.45)의 값이, 핵의학과는 심볼 3 (1.54 ± 0.57)의 값이, 종양학과는 심볼 1 (1.58 ± 0.58)의 값이 상대적으로 가장 낮은 결과 값을 보였다. 영상의학과, 핵의학과, 종양학과 심볼의 전체 평균은 핵의학과(1.62 ± 0.60), 종양학과(1.61 ± 0.59), 영상의학과(1.49 ± 0.49)의 순이었으며, 결과 값은 Table 1 과 같다.

Table 1. Result of analyzing the SI values

2. 성별에 따른 SI 값 결과

성별에 따른 SI 값 분석 결과 영상의과에서는 남자가 심볼 3 (SI 1.92 ± 0.54), 여자가 심볼 3 (SI 1.57 ± 0.47)에 가장 높은 결과 값을 보였으며, 핵의학과에서는 남자가 심볼 3 (SI 1.75 ± 0.59), 여자는 심볼 2 (SI 1.73 ± 0.75)에서 가장 높은 값을 보였다. 종양학과에서는 남자가 심볼 1 (SI 1.77 ± 0.62)에서, 여자는 심볼 2 (SI 1.76 ± 0.77)으로 가장 높은 결과 값을 보였으며 결과는 Table 2와 같다.

Table 2. Gender-based SI value analysis

3. 연령별 SI 값 결과

연령에 따른 SI 값 분서결과 영상의학과는 30대를 제외한 20대(1.96 ± 0.42), 40대(1.66 ± 0.72), 50대 이상(1.79 ± 0.44)에서 심볼3의 SI 값이 가장 높았다. 핵의학과는 20대(1.71 ± 0.62), 30대(1.99 ± 0.69)에서는 심볼3이 가장 높았으며, 40대(2.02 ± 0.65), 50대(1.9 ± 0.74)에서는 심볼 2가 가장 높았다. 종양학과는 40대를 제외한 20대(1.6 ± 0.54), 30대(1.98 ± 0.55), 50대이상(1.82 ± 0.86)에서 심볼 1의 값이 가장 높았다. Table 3과 같다.

Table 3. Aged-based SI value analysis

Ⅳ. DISCUSSION

본 연구는 다양한 형태로 병원에서 사용되고 있는 영상의학과, 핵의학과, 종양학과를 상징하는 사인물을 fMRI를 이용하여 심볼의 형태와 기억과의 관계를 알아보기 위해 모국어가 한국어인 신경학적으로 건강한 오른손잡이 19세 이상 성인 남 · 여를 대상으로 실험을 진행하였다.

연구결과 심볼의 형태에 따른 결과는 영상의학과의 SI 값을 측정해본 결과 심볼 1 (1.39 ± 0.46), 심볼 2 (1.36 ± 0.45), 심볼 3 (1.72 ± 0.56)으로 심볼 3에서 가장 높은 SI 값을 보였다. 핵의학과 심볼 1(1.63±0.60), 심볼 2 (1.69 ± 0.64), 심볼 3 (1.54 ± 0.57), 종양학과 심볼 1 (1.58 ± 0.58), 심볼 2 (1.64 ± 0.63), 심볼3 (1.63 ± 0.57) 으로 확인되었다. 이는 박원선^[18]의 연구에서 심볼이 전달하여 주는 의미가 바로 이미지(image)인데, 심볼을 보는 순간 직감적으로 마음속에 떠올라야 하며, 신속 정확하게 인식, 기억, 회상될 수 있어야 성공한 심볼이라고 할 수 있다고 하였으나 그러한 면이 부족한 결과로 보인다.

성별에 따른 SI값 분석에서 영상의과에서는 남자가 심볼 3 (1.92 ± 0.54), 여자가 심볼 3 (1.57 ± 0.47)에서 모두 높은 결과 값을 보였다. 핵의학과는 남자가 심볼 3 (1.75 ± 0.59), 여자는 심볼 2 (1.73 ± 0.75)에서 각각 높은 값을 보였으며 종양학과는 남자가 심볼 1 (1.77 ± 0.62)에서, 여자는 심볼 2(1.76 ± 0.77)에서 각각 가장 높은 결과 값을 보였으며 결과는 Table 2과 같다. 또한 영상의학과 핵의학과 종양학과 심볼별 남녀 평균 SI값은 영상의학과 남자 (1.50 ± 0.46), 여자(1.47 ± 0.49), 핵의학과 남자(1.66 ± 0.46), 여자(1.54 ± 0.61), 종양학과 남자(1.61 ± 0.57), 여자(1.60 ± 0.61)의 값으로 영상의학과 핵의학과에서 남자가 좀 더 높았으며, 여자는 종양학과에서 근소하게 높았으며 결과는 Table 2와 같다. 이는 Olmstead^[19]의 연구에서 여성이 남성에 비해 높은 심볼의 이해도를 보인다고 하였는데 그 이유로 여성이 아동이나 고령자의 보호자로 병원의 방문횟수가 많아서 그런 것이라고 하였는데 그 결과와 상이하게 나타났다.

연령별 SI값 분석에서 영상의학과는 30대를 제외한 20대(1.96 ± 0.42), 40대(1.66 ± 0.72), 50대 이상 (1.79 ± 0.44)에서 심볼 3의 SI 값이 가장 높았다. 핵의학과는 20대(1.71 ± 0.62), 30대(1.99 ± 0.69)에서는 심볼 3이 가장 높았으며, 40대(2.02 ± 0.65), 50대 (1.9 ± 0.74)에서는 심볼 2가 가장 높았다. 종양학과는 40대를 제외한 20대(1.6 ± 0.54), 30대(1.98 ± 0.55), 50대 이상(1.82 ± 0.86)에서 심볼 1의 값이 가장 높았다. 20대, 30대보다 40대, 50대 이상에서 영상의학과, 핵의학과, 종양학과 모두에서 높은 SI 값을 Table 3과 같이 보였다. 이는 20대 30대보다 40대, 50대 이상에서 보호자로 또는 본인의 진료 목적으로 병원의 방문이 많아 심볼의 이해도가 높아진 결과로 생각된다. 다만 시공간적 제약으로 인하여 피험자 수가 남녀 26명(남 13명, 여 13명)으로 제한되었고 또한 피험자의 충분한 평균 연령대의 피험자가 제한되었다는 점에서 연구의 한계성이 존재한다.

Ⅴ. CONCLUSION

이 연구는 이용하여 병원에서 주로 사용되는 의료 심볼 중 영상의학과 3종, 핵의학과 3종, 종양학과 3종의 심볼을 fMRI 분석을 통해 기억과 관련된 해마(hippocampus) 의 신호값(SI)을 측정하였으며 연구 결과는 다음과 같다.

첫째, 영상의학과, 핵의학과, 종양학과의 심볼 1, 심볼 2, 심볼 3에 대한 SI값 분석결과 영상의학과는 심볼 3 (1.72 ± 0.56) 값이, 핵의학과는 심볼2 (1.69 ±0 .64) 값이, 종양학과는 심볼 2 (1.64 ± 0.63) 값이 각각 가장 높았다. 영상의학과, 핵의학과, 종양학과 심볼의 전체 평균은 핵의학과(1.62 ± 0.60), 종양학과(1.61 ± 0.59), 영상의학과(1.49 ± 0.49)의 순으로 나타났으며 결과는 Table 1과 같다.

둘째, 성별에 따른 분석에서 영상의과에서는 남자가 심볼 3 (1.92 ± 0.54), 여자가 심볼 3 (1.57 ± 0.47)에 가장 높은 결과 값을 보였으며, 핵의학과에서는 남자가 심볼 3 (1.75 ± 0.59), 여자는 심볼 2 (1.73 ± 0.75)에서 가장 높은 값을 보였다. 종양학과에서는 남자가 심볼 1 (1.77 ± 0.62)에서, 여자는 심볼 2 (1.76 ± 0.77)으로 가장 높은 결과 값을 보였다.

셋째, 연령별 SI값 분석에서 영상의학과는 30대를 제외한 20대(1.96 ± 0.42), 40대(1.66 ± 0.72), 50대 이상(1.79 ± 0.44)에서 심볼 3의 SI 값이 가장 높았으며, 핵의학과는 20대(1.71 ± 0.62), 30대(1.99 ± 0.69)에서는 심볼 3이 가장 높았고, 40대(2.02 ± 0.65), 50대(1.9 ± 0.74) 에서는 심볼 2가 가장 높았다. 종양학과는 40대를 제외한 20대(1.60 ± 0.54), 30대(1.98 ± 0.55), 50대 이상(1.82 ± 0.86)에서 심볼 1의 값이 가장 높았다.

전체적인 SI 측정 결과값을 통해 본 결과 영상의학과의 경우 심볼 3, 핵의학과의 경우 심볼 2, 종양학과의 경우 심볼 2가 높은 SI 값을 확인할 수 있었다. SI 값이 높은 심볼을 병원에서 사용한다면 어느 병원에 방문하든 길찾기에 도움이 될 거라 생각된다.