KR101323318B1 - Data processing method of functional magnetic resonance imaging for brain functional training - Google Patents

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KR101323318B1 KR1020120098587A KR20120098587A KR101323318B1 KR 101323318 B1 KR101323318 B1 KR 101323318B1 KR 1020120098587 A KR1020120098587 A KR 1020120098587A KR 20120098587 A KR20120098587 A KR 20120098587A KR 101323318 B1 KR101323318 B1 KR 101323318B1
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Abstract

PURPOSE: A functional magnetic resonance imaging data processing method for training brain function measures the neuroactivity rate in two or more interested areas, updating neuro feedback data in real time. CONSTITUTION: Two or more interested areas are set up (S100). A first measurement data is generated in the interested area (S200). Neuro feedback data is generated based on the first measurement data (S300). The neuro feedback data is provided to an experimentee (S400). The neuro feedback data is updated in real time based on a second measurement data (S500). [Reference numerals] (S100) Two or more interested areas are set up among multiple brain areas; (S200) First measurement data is created; (S300) Neurofeedback data is created; (S400) Neurofeedback data is provided; (S500) Second measurement data is created and the neurofeedback data is updated in real time based on the second measurement data; (S600) Evaluation data is created

Description

뇌 기능 훈련을 위한 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법{DATA PROCESSING METHOD OF FUNCTIONAL MAGNETIC RESONANCE IMAGING FOR BRAIN FUNCTIONAL TRAINING}DATA PROCESSING METHOD OF FUNCTIONAL MAGNETIC RESONANCE IMAGING FOR BRAIN FUNCTIONAL TRAINING}

본원은 기능성 자기공명영상기(functional Magnetic Resonance Imaging: fMRI)를 이용하여 피험자의 뇌 기능 자가 훈련을 돕는 장치가 기능성 자기공명영상 데이터를 처리하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of processing functional magnetic resonance image data by a device for helping a brain function self-training of a subject using a functional magnetic resonance imaging (fMRI).

인간의 뇌 기능에 대한 연구는 주로 뇌 병변을 동반한 환자를 대상으로 한 병소 연구(lesion study)를 통해 이루어졌으며, 그 밖에, 수술 중 뇌피질 자극법(intraoperative cortical stimulation), 경막하 전극 삽입 방법(subdural electrode insertion), 뇌 유발전위 검사 및 뇌 자기파 검사(magnetoencephalography) 등을 이용하기도 한다. 이러한 기존의 뇌 기능 연구는 침습적인 방법을 이용하는 것으로, 다른 뇌 기능의 손상에 의한 영향을 배제할 수 없는 점, 및 활동하는 정상인의 뇌 기능을 파악할 수 없다는 점 등의 한계가 있다.The study of human brain function has been mainly conducted through lesion studies of patients with brain lesions. In addition, intraoperative cortical stimulation and subdural electrode insertion methods ( subdural electrode insertion, brain induced potential tests, and brain magnetoencephalography (magnetoencephalography) may be used. Such conventional brain function research has an invasive method, and there are limitations in that it cannot exclude the effects of impairment of other brain functions, and it is impossible to grasp the brain function of an active person.

반면, 비침습적인 뇌 기능 측정 방법의 대표적인 예로는 기능적 뇌 자기공명영상(Functional Magnetic Resonance Imaging: fMRI), 양자방출 단층촬영(Positron Emission Tomography: PET), 및 뇌전도(electroencephalograph: EEG), 및 뇌자도(magnetoencephalography: MEG) 등이 있다.On the other hand, representative examples of non-invasive methods of measuring brain function include Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI), Positron Emission Tomography (PET), and Electroencephalograph (EEG), and Brain Map (magnetoencephalography: MEG).

그 중 기능적 뇌 자기공명영상(fMRI)은 방사선 조사의 위험이 없고, 공간 및 시간적 해상력(temporal and spatial resolution)이 비교적 높은 장점이 있어, 가장 널리 이용되고 있다.Among them, functional brain magnetic resonance imaging (fMRI) has no advantage of irradiation and has a relatively high spatial and temporal resolution, which is the most widely used.

기능적 뇌 자기공명영상(fMRI)은 뇌 신경의 활동성을 자기공명 신호의 변화로 측정하고, 측정한 결과를 시각화하여 나타내는 방법이다. 즉, 뇌 신경의 활동도에 따라, 국소적인 뇌 혈액량(cerebral blood volume: CBV), 뇌 혈류(cerebral blood flow: CBF), 및 산소섭취(oxygenation) 중 적어도 하나가 변화하는 것을 자기공명 신호의 변화로 감지함으로써, 각 뇌 영역 중 신경세포가 활성화된 영역을 측정하게 된다.Functional brain magnetic resonance imaging (fMRI) is a method of measuring the activity of the brain nerves by the change in the magnetic resonance signal, and visualizes the measurement results. That is, according to the activity of the brain nerve, at least one of the local brain blood volume (CBV), cerebral blood flow (CBF), and oxygen intake changes the magnetic resonance signal. By detecting as, the area of the neuron activated in each brain area is measured.

특히, 1993년 Biophysical 저널에 실린 S. Ogawa, R.S. Menon, D.W. Tank, S.G. Kim, H. Merkle, J.M. Ellermann JM 및 K. Ugurgill에 의한 논문 "Functional brain mapping by blood oxygenation level-dependent contrast magnetic resonance imaging. A comparison of signal characteristics with a biophysical model"은, 기능성 뇌 자기공명영상(fMRI)을 이용하여 BOLD(Blood Oxygen Level Dependent: 혈중산소농도) 신호를 측정함으로써, 대조물질을 주입하지 않고서도, 말초혈관과 정맥혈 내의 탈산소헤모글로빈 (deoxyhemoglobin: deoxyHb) 수치 변화를 이용하여 CBF의 변화를 감지하는 방식을 제안하였다.In particular, S. Ogawa, R.S., 1993, published in the journal Biophysical. Menon, D.W. Tank, S.G. Kim, H. Merkle, J.M. The article "Functional brain mapping by blood oxygenation level-dependent contrast magnetic resonance imaging.A comparison of signal characteristics with a biophysical model" by Ellermann JM and K. Ugurgill, BOLD (Blood) using functional brain magnetic resonance imaging (fMRI) By measuring the Oxygen Level Dependent signal, we proposed a method of detecting changes in CBF using changes in deoxyhemoglobin (deoxyHb) levels in peripheral blood vessels and venous blood without injecting a control material.

구체적으로, 소정의 패러다임에 의해 일부 뇌 영역에서 신경세포가 활성화되면, 활성화된 신경세포가 혈액 내 헤모글로빈으로부터 산소를 탈취하면서, 헤모글로빈이 환원되어 탈산소헤모글로빈(deoxyHb)으로 전환된다. 이때, 탈산소헤모글로빈(deoxyHb)은 자기장 불균일성(magnetic field inhomogeneity)을 유발하는 내재적 상자성 물질(intrinsic paramagnetic agent)이므로, 탈산소헤모글로빈(deoxyHb)의 농도가 높아지면, T2 강조 영상(T2 weighted image)에서 자기공명 신호의 차이로 감지된다. 이로써, 신경세포가 활성화된 뇌 영역이 추정될 수 있다.Specifically, when neurons are activated in some brain regions by a predetermined paradigm, hemoglobin is reduced and converted to deoxyhemoglobin (deoxyHb) while activated neurons deodorize oxygen from hemoglobin in the blood. At this time, since deoxyhemoglobin (deoxyHb) is an intrinsic paramagnetic agent that causes magnetic field inhomogeneity, when the concentration of deoxyhemoglobin (deoxyHb) increases, the T2 weighted image The difference is detected by the magnetic resonance signal. In this way, the brain region in which the nerve cells are activated can be estimated.

여기서, T2 강조 영상은 조직 간의 서로 다른 신호강도의 차이를 강조한 영상이다. 그리고, T2는 횡축이완시간(transverse relaxation time)으로서, 고주파를 가한 후 수소 원자들이 서로 부딪치면서 원래의 축과는 다른 방향으로 돌아가는 데 걸리는 시간을 지칭한다. Here, the T2-weighted image is an image that emphasizes the difference in signal strength between tissues. In addition, T2 is a transverse relaxation time, and refers to a time taken for the hydrogen atoms to collide with each other after applying high frequency to return in a direction different from the original axis.

이상과 같은 BOLD 기반의 기능성 뇌 자기공명영상(fMRI)을 이용하여, 피험자가 소정의 뇌 기능을 활성화시키는 과제 수행 기간과 뇌 기능을 휴식시키는 휴지기간 각각에서, 각 뇌 영역에 대응한 자기공명 신호를 측정하고, 측정된 자기공명 신호의 변화에 기초하여, 과제와 관련된 뇌 영역을 추정할 수 있다.Using the BOLD-based functional brain magnetic resonance imaging (fMRI) as described above, the magnetic resonance signal corresponding to each brain region in each subject performing period for activating a predetermined brain function and rest period for resting the brain function Can be estimated and based on the measured change in the magnetic resonance signal, the brain region related to the task can be estimated.

한편, 일반적으로 BOLD 기반의 기능성 뇌 자기공명영상(fMRI) 데이터는 통계분석 및 해부학적 라벨링(anatomical labeling)을 통해 시각화된 정보로 처리되어 사용자에게 제공되고 있다. In general, BOLD-based functional brain magnetic resonance imaging (fMRI) data is processed into visualized information through statistical analysis and anatomical labeling and is provided to the user.

이때, 시각화된 정보는 전문적인 지식을 소유한 사용자에 의해서만 해석 가능하다. 즉, 전문가의 별도 설명 없이, 피험자가 시각화된 정보만으로 본인의 뇌 기능 상태를 파악하기란 사실상 불가능하다.At this time, the visualized information can be interpreted only by a user possessing professional knowledge. In other words, it is virtually impossible for a subject to determine his or her brain function state using only the visualized information without an expert explanation.

그리고, 기능성 자기공명영상 데이터를 시각화된 정보로 처리하는 데에, 비교적 긴 시간이 소요되므로, 실시간 처리는 사실상 불가능하다.In addition, since it takes a relatively long time to process the functional magnetic resonance image data into visualized information, real-time processing is virtually impossible.

이러한 단점들로 인해, 기능성 자기공명영상(fMRI)은 비교적 뛰어난 공간적, 시간적 분해능을 갖는 장점이 있음에도 불구하고, 피험자의 자가 뇌 기능 훈련에 이용될 수 없었다.Due to these shortcomings, functional magnetic resonance imaging (fMRI) could not be used for subject's self brain function training, despite the advantage of having relatively good spatial and temporal resolution.

본원의 일 실시예는 기능성 자기공명영상기(fMRI)를 이용하여 피험자의 뇌 기능 자가 훈련을 돕는 장치가 기능성 자기공명영상 데이터(fMRI data)를 실시간으로 처리할 수 있는 방법을 제공한다.An embodiment of the present disclosure provides a method for a functional magnetic resonance imaging device (fMRI) that can be used in real-time processing the functional magnetic resonance imaging data (fMRI data) device for helping the brain function self-training of the subject.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본원의 일 실시예는 기능성 자기공명영상기를 이용하여 피험자의 뇌 기능 자가 훈련을 돕는 장치가 기능성 자기공명영상 데이터를 처리하는 방법에 있어서, (a) 소정의 뇌 기능에 관한 패러다임을 실시중인 피험자에 대해, 상기 기능성 자기공명영상기를 이용하여, 상기 피험자 뇌를 공간적으로 구분한 복수의 뇌 영역 중 상기 패러다임에 대한 신경 활성도가 소정의 임계 이상인 둘 이상의 관심 영역을 포함한 적어도 일부에서의 신경 활성도에 대응하는제 1 측정 데이터를 생성하는 단계; (b) 상기 제 1 측정 데이터에 기초하여, 상기 패러다임에 대응한 상기 피험자 뇌의 신경 활성도 상태, 및 상기 뇌 기능의 개선 목표에 관한 데이터인 뉴로피드백 데이터를 생성하는 단계; (c) 상기 뉴로피드백 데이터를 상기 피험자에게 제공하는 단계; 및 (d) 상기 패러다임을 실시중인 피험자에 대해, 상기 기능성 자기공명영상기를 이용하여, 상기 둘 이상의 관심 영역에서의 신경 활성도에 대응하는 제 2 측정 데이터를 생성하고, 상기 생성된 제 2 측정 데이터에 기초하여, 상기 뉴로피드백 데이터를 실시간으로 갱신하는 단계를 포함하는 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, an embodiment of the present invention is a method of processing a functional magnetic resonance image data in a device for helping the brain function self-training of the subject using a functional magnetic resonance imaging device, (a) a predetermined brain For a subject undergoing a paradigm related to function, the functional magnetic resonance imaging device includes two or more regions of interest in which the neural activity of the paradigm is greater than or equal to a predetermined threshold among a plurality of brain regions spatially divided by the subject's brain. Generating first measurement data corresponding to neural activity in at least some; (b) generating neurofeedback data based on the first measurement data, the neurofeedback data being data on a neuronal activity state of the subject brain corresponding to the paradigm, and an improvement target of the brain function; (c) providing the neurofeedback data to the subject; And (d) generating, by the functional magnetic resonance imaging device, second measurement data corresponding to neural activity in the two or more regions of interest and subjecting the subject undergoing the paradigm to the generated second measurement data. On the basis of this, there is provided a functional magnetic resonance image data processing method comprising the step of updating the neurofeedback data in real time.

본원의 일 실시예에 따른 기능성 자기공명영상 데이터(fMRI data) 처리 방법은 소정의 뇌 기능에 관한 패러다임에 대해 임계 이상으로 반응하는 둘 이상의 관심 영역을 도출한 후, 피험자의 뇌 기능 자가 훈련을 위한 뉴로피드백 데이터를 제공한 상태에서, 둘 이상의 관심 영역에서의 신경 활성도를 측정하여, 피험자에게 제공되고 있는 뉴로피드백 데이터를 실시간으로 갱신한다. Functional magnetic resonance image data (fMRI data) processing method according to an embodiment of the present application after deriving two or more regions of interest that responds more than a threshold to a paradigm related to a predetermined brain function, and then for training the brain function of the subject With neurofeedback data provided, neuronal activity in two or more regions of interest is measured to update the neurofeedback data being provided to the subject in real time.

이와 같이, 피험자가 뉴로피드백 데이터를 이용하여 뇌 기능 자가 훈련을 실시하는 동안, 피험자의 뇌 영역 전체에서의 신경 활성도에 대응하는 자기공명영상 데이터를 생성하는 것이 아니라, 피험자의 뇌 영역 중 일부인 둘 이상의 관심 영역에 대해서만 신경 활성도를 측정하여 뉴로피드백 데이터를 갱신하므로, 뉴로피드백 데이터의 갱신 및 제공이 실시간으로 이루어질 수 있다.As such, during the self-training of the brain function using the neurofeedback data, two or more of the brain regions of the subject are not generated by magnetic resonance imaging data corresponding to neural activity in the entire brain region of the subject. Since neurofeedback data is updated by measuring neural activity only for the region of interest, the update and provision of neurofeedback data may be performed in real time.

그리고, 뉴로피드백 데이터는 둘 이상의 관심 영역 각각에서의 시간 별 혈중산소농도(Blood Oxygen Level Dependent: BOLD) 신호를 포함한 상태 데이터, 둘 이상의 관심 영역 중 어느 한 쌍의 관심 영역 간의 기능적 연관도 데이터, 및 한 쌍의 관심 영역간의 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나를 포함하고, 패러다임에 대응한 피험자의 뇌 기능 훈련 목표를 나타내는 목표 데이터를 더 포함한다. 이때, 기능적 연관도는 한 쌍의 관심 영역이 소정의 시간 프레임 동안 함께 활성화되는 정도를 나타내고, 인과적 연관도는 한 쌍의 관심 영역이 상호 영향을 주고받는 정도를 나타낸다. 그리고 목표 데이터는 혈중산소농도 신호, 기능적 연관도 및 인과적 연관도 중 적어도 하나를 상향 또는 하향시키는 목표를 나타낸다.The neurofeedback data may include state data including Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) signals over time in each of the two or more regions of interest, functional correlation data between a pair of regions of interest in the two or more regions of interest, and And at least one of causal association data between the pair of regions of interest, and further comprising target data indicating a brain function training goal of the subject corresponding to the paradigm. In this case, the functional degree of association indicates the degree to which the pair of regions of interest are activated together for a predetermined time frame, and the causality of degree indicates the degree of influence of the pair of regions of interest. And the target data indicates a target for raising or lowering at least one of blood oxygen concentration signal, functional correlation, and causal association.

이러한 뉴로피드백 데이터를 피험자에게 제공함에 따라, 뇌 영역 개개가 아닌 다수의 뇌 영역이 연관되는 뇌 기능 별로 효과적인 자가 훈련이 실시될 수 있다.By providing such neurofeedback data to the subject, effective self-training can be performed for each brain function associated with multiple brain regions rather than individual brain regions.

또한, 뉴로피드백 데이터는 피험자의 청각 또는 시각을 통해 제공된다. 이때, 뉴로피드백 데이터가 시각을 통해 제공되는 경우에, 피험자가 이해하기 어려운 자기공명영상이나 불규칙한 신호 파형으로 제공되는 것이 아니라, 바그래프, 박스플롯, 라인그래프 및 중첩이미지 중 적어도 하나로 표시됨으로써, 피험자에게 본인의 뇌 기능 상태 및 목표를 더욱 용이하게 인지시킬 수 있다. 그러므로, 피험자의 뇌 기능 자가 훈련이 더욱 효과적으로 실시될 수 있다.Neurofeedback data is also provided through the subject's hearing or vision. In this case, when the neurofeedback data is provided through vision, the subject is displayed as at least one of a bar graph, a box plot, a line graph, and a superimposed image, instead of being provided as a magnetic resonance image or an irregular signal waveform that the subject cannot understand. Makes it easier for them to recognize their brain function status and goals. Therefore, the brain function self-training of the subject can be carried out more effectively.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2a는 블록 기반의 패러다임을 나타낸 타이밍도이고, 도 2b는 이벤트 기반의 패러다임을 나타낸 타이밍도이다.
도 3은 도 1의 둘 이상의 관심 영역을 도출하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 4는 도 1의 뉴로피드백 데이터를 생성하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 5a 내지 도 5d는 도 1의 뉴로피드백 데이터를 제공하는 단계에서, 뉴로피드백 데이터를 제공하는 예시들이다.
도 6은 도 1의 뉴로피드백 데이터를 실시간으로 갱신하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 7은 도 6의 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나를 도출하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 8a는 도 7의 기능적 연관도 데이터를 도출하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 8b는 도 7의 인과적 연관도 데이터를 도출하는 단계를 나타낸 순서도이다.
1 is a flowchart illustrating a method of processing functional magnetic resonance image data according to an embodiment of the present application.
FIG. 2A is a timing diagram illustrating a block based paradigm, and FIG. 2B is a timing diagram illustrating an event based paradigm.
3 is a flowchart illustrating a step of deriving two or more regions of interest of FIG. 1.
4 is a flowchart illustrating a step of generating neurofeedback data of FIG. 1.
5A through 5D are examples of providing neurofeedback data in providing the neurofeedback data of FIG. 1.
6 is a flowchart illustrating a process of updating the neurofeedback data of FIG. 1 in real time.
FIG. 7 is a flowchart illustrating a step of deriving at least one of the state data, the functional relevance data, and the causal relevance data of FIG. 6.
FIG. 8A is a flowchart illustrating a step of deriving functional correlation data of FIG. 7.
FIG. 8B is a flowchart illustrating steps of deriving causality relevance data of FIG. 7.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between . Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여, 본원의 일 실시예에 따른 기능성 자기공명영상기를 포함하는 뇌기능 훈련 장치에 의한 피험자의 뇌 기능 자가 훈련을 실시하는 방법에 대해 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a method of performing self-training brain function of the subject by the brain function training apparatus including a functional magnetic resonance imaging apparatus according to an embodiment of the present application will be described.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법을 나타낸 순서도이다. 그리고, 도 2a는 블록 기반의 패러다임을 나타낸 타이밍도이고, 도 2b는 이벤트 기반의 패러다임을 나타낸 타이밍도이다.1 is a flowchart illustrating a method of processing functional magnetic resonance image data according to an embodiment of the present application. 2A is a timing diagram illustrating a block based paradigm, and FIG. 2B is a timing diagram illustrating an event based paradigm.

도 3은 도 1의 둘 이상의 관심 영역을 도출하는 단계를 나타낸 순서도이고, 도 4는 도 1의 뉴로피드백 데이터를 생성하는 단계를 나타낸 순서도이며, 도 5a 내지 도 5d는 도 1의 뉴로피드백 데이터를 제공하는 단계에서, 뉴로피드백 데이터를 제공하는 예시들이다. FIG. 3 is a flowchart illustrating steps of deriving two or more regions of interest of FIG. 1, FIG. 4 is a flowchart illustrating steps of generating neurofeedback data of FIG. 1, and FIGS. 5A to 5D illustrate the neurofeedback data of FIG. 1. In the providing step, examples of providing neurofeedback data are provided.

또한, 도 6은 도 1의 뉴로피드백 데이터를 실시간으로 갱신하는 단계를 나타낸 순서도이고, 도 7은 도 6의 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나를 도출하는 단계를 나타낸 순서도이다. 도 8a는 도 7의 기능적 연관도 데이터를 도출하는 단계를 나타낸 순서도이고 도 8b는 도 7의 인과적 연관도 데이터를 도출하는 단계를 나타낸 순서도이다.6 is a flowchart illustrating updating the neurofeedback data of FIG. 1 in real time, and FIG. 7 illustrates deriving at least one of the state data, the functional correlation data, and the causal association data of FIG. 6. Flowchart. FIG. 8A is a flowchart illustrating the derivation of the functional relevance data of FIG. 7, and FIG. 8B is a flowchart illustrating the derivation of the causal association data of FIG. 7.

도 1에 도시한 바와 같이, 본원의 일 실시예에 따른 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법은 피험자 뇌를 공간적으로 구분한 복수의 뇌 영역 중 소정의 뇌 기능에 관한 패러다임에 의한 신경 활성도가 소정의 임계 이상인 둘 이상의 관심 영역을 설정하는 단계(S100), 패러다임을 실시중인 피험자에 대해, 기능성 자기공명영상기를 이용하여, 복수의 뇌 영역 중 둘 이상의 관심 영역을 포함한 적어도 일부에서의 신경 활성도에 대응하는 제 1 측정 데이터를 생성하는 단계(S200), 제 1 측정 데이터에 기초하여 패러다임에 대응한 피험자 뇌의 신경 활성도 상태, 및 뇌 기능의 개선 목표에 관한 데이터인 뉴로피드백 데이터를 생성하는 단계(S300), 생성된 뉴로피드백 데이터를 피험자에게 제공하는 단계(S400), 패러다임을 실시중인 피험자에 대해, 기능성 자기공명영상기를 이용하여 둘 이상의 관심 영역에서의 신경 활성도에 대응하는 제 2 측정 데이터를 생성하고, 생성된 제 2 측정 데이터에 기초하여 뉴로피드백 데이터를 실시간으로 갱신하는 단계(S500), 및 단계(S500)을 적어도 1회 반복한 이후에, 뇌 기능의 향상 여부를 나타내는 평가 데이터를 생성하는 단계(S600)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the functional magnetic resonance image data processing method according to an exemplary embodiment of the present application has a predetermined threshold of nerve activity due to a paradigm related to a predetermined brain function among a plurality of brain regions spatially divided by a subject brain. In step S100 of setting the two or more regions of interest, the subject corresponding to neural activity in at least a portion including two or more regions of interest of the plurality of brain regions is performed using a functional magnetic resonance imaging device. 1 generating measurement data (S200), generating neurofeedback data which is data on a neuronal activity state of a subject's brain corresponding to a paradigm based on the first measurement data, and an improvement target of brain function (S300); Providing the generated neurofeedback data to the subject (S400), for the subject undergoing a paradigm, functional magnetic resonance Generating second measurement data corresponding to neural activity in two or more regions of interest using an imager, and updating neurofeedback data in real time based on the generated second measurement data (S500), and step S500 After repeating at least once, generating the evaluation data indicating whether the brain function is improved (S600).

단계(S100, S200, S500 및 S600)에서의 패러다임은 소정의 뇌 기능을 활성화시키는 과제 수행 기간과, 소정의 뇌 기능을 휴식시키는 휴지 기간을 적어도 1회 반복시키는 과정을 포함한다. The paradigms in steps S100, S200, S500, and S600 include repeating at least one task performing period for activating a predetermined brain function and a rest period for resting a predetermined brain function.

일 예로, 오른손의 운동 기능에 관한 뇌 기능 상태를 알아보기 위하여, 과제 수행 기간에서 오른손을 움직이는 과제를 제시하고, 휴지 기간에서 정지 자세를 유지시키거나 또는 오른손이 아닌 다른 근육을 움직이는 과제를 제시할 수 있다.For example, in order to examine the state of brain function related to the motor function of the right hand, a task of moving the right hand may be presented in the task execution period, and a task of maintaining a stationary posture in the resting period or moving a muscle other than the right hand may be presented. Can be.

이때, 패러다임은 과제 수행 기간의 장단(長短)에 따라, 블록 기반(block-related) 또는 이벤트 기반(event-related)일 수 있다. 즉, 블록 기반의 패러다임은 과제 수행 기간이 휴지 기간보다 긴 것인 반면, 이벤트 기반의 패러다임은 과제 수행 기간이 휴지 기간보다 짧은 것일 수 있다.In this case, the paradigm may be block-related or event-related, depending on the length and the length of the task execution period. That is, in the block-based paradigm, the task execution period is longer than the rest period, whereas the event based paradigm may be the task execution period is shorter than the rest period.

예시적으로, 도 2a에 도시한 바와 같이, 블록 기반의 패러다임인 경우, 과제 수행 기간(Task)의 길이(TT)는 10초 이상인 것이 일반적이다. 그리고, 휴지 기간(Rest)의 길이(RT)는 과제 수행으로 인한 신경 활성도가 충분히 줄어들 수 있는 시간으로 설정된다. 일반적으로, 휴지 기간의 길이(RT)는 10초 이상이다.For example, as illustrated in FIG. 2A, in the case of a block-based paradigm, the length TT of the task execution period Task is generally 10 seconds or more. The length RT of the resting period Rest is set to a time at which neural activity due to the task is sufficiently reduced. Generally, the length RT of the rest period is at least 10 seconds.

반면, 도 2b에 도시한 바와 같이, 이벤트 기반의 패러다임인 경우, 과제 수행 기간(Task)의 길이(TT')는 10초 이하인 것이 일반적이다. 그리고, 휴지 기간(Rest)의 길이(RT')는 과제 수행으로 인한 신경 활성도가 충분히 줄어들 수 있는 시간으로 설정된다. 일반적으로, 휴지 기간의 길이(RT')는 10초 이상이다.On the other hand, as shown in Figure 2b, in the event-based paradigm, the length (TT ') of the task execution period (Task) is generally 10 seconds or less. In addition, the length RT 'of the rest period Rest is set to a time at which neural activity due to the task is sufficiently reduced. Generally, the length of the rest period RT 'is at least 10 seconds.

도 3에 도시한 바와 같이, 둘 이상의 관심 영역을 설정하는 단계(S100)는, 패러다임을 실시중인 피험자에 대해, 기능성 자기공명영상기를 이용하여 피험자 뇌에서의 신경 활성도에 대응하는 검사용 측정 데이터를 생성하는 단계(S110), 생성된 검사용 측정 데이터를 전처리하는 단계(S120), 전처리된 검사용 측정 데이터에 대한 통계 데이터를 생성하는 단계(S130), 전처리된 검사용 측정 데이터에 기초하여 레지스트레이션(registration)을 통해 해부학적 라벨링(anatomical labeling)을 생성하는 단계(S140), 및 생성된 해부학적 라벨링에 기초하여, 둘 이상의 관심 영역을 도출하는 단계(S150)를 포함한다.As shown in FIG. 3, in the step S100 of setting two or more regions of interest, the test measurement data corresponding to the nerve activity in the brain of the subject is measured using a functional magnetic resonance imaging device for a subject undergoing a paradigm. Generating (S110), preprocessing the generated inspection measurement data (S120), generating statistical data for the preprocessed inspection measurement data (S130), registration based on the preprocessed inspection measurement data ( generating anatomical labeling through registration (S140), and deriving two or more regions of interest based on the generated anatomical labeling (S150).

검사용 측정 데이터를 생성하는 단계(S110)에서, 기능성 자기공명영상기 내부에 위치한 피험자가 그에게 제공된 패러다임을 실시하는 동안, 기능성 자기공명영상기를 이용하여 피험자의 각 뇌 영역에서의 혈중산소농도에 대응한 신호들을 시간 별로 측정함으로써, 검사용 측정 데이터를 생성한다. 이때, 검사용 측정 데이터는 과제 수행 기간 및 휴지 기간 각각에서 적어도 1회 생성될 수 있다.In step S110 of generating measurement data for examination, while the subject located inside the functional MRI performs the paradigm provided thereto, the concentration of blood oxygen in each brain region of the subject is measured using the functional MRI. By measuring the corresponding signals over time, test measurement data is generated. In this case, the measurement data for inspection may be generated at least once in each of the task execution period and the rest period.

검사용 측정 데이터를 전처리하는 단계(S120)에서, 기능성 자기공명영상기로부터 전달된 검사용 측정 데이터는, 피험자의 움직임 또는 평균화 등에 의한 오차가 보정되도록 전처리된다. In the step S120 of preliminary processing of the measurement data for examination, the measurement data for examination transmitted from the functional magnetic resonance imager is preprocessed to correct an error due to a subject's movement or averaging.

이에, 단계(S120)는 슬라이스 시간차 보정(slice timing correction), 머리 움직임 보정(head motion correction), 견본을 이용한 공간적 표준화(spatial normalization to template), 및 공간적 평탄화(spatial smoothing) 중 적어도 하나를 사용하여, 검사용 측정 데이터를 전처리하는 단계를 포함할 수 있다.Accordingly, step S120 may be performed using at least one of slice timing correction, head motion correction, spatial normalization to template, and spatial smoothing. And preprocessing the measurement data for inspection.

통계 데이터를 생성하는 단계(S130)에서, 일반 선형 모형(General Linear Model: GLM)을 이용하여 전처리된 검사용 측정 데이터에 대해 통계 분석을 실시하고, 통계분석 결과에 기초하여 통계 데이터를 생성한다.In step S130 of generating statistical data, statistical analysis is performed on the measured measurement data for preprocessing using a general linear model (GLM), and statistical data is generated based on the statistical analysis result.

구체적으로, 통계 데이터를 생성하는 단계(S130)는 일반 선형 모형(GLM)을 이용하여, 전처리된 검사용 측정 데이터에 기초한 개인별 신경 활성화 패턴을 추정하는 단계, 및 개인별 신경 활성화 패턴에 기초하여, 통계 데이터를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 티-테스트(t-test)를 이용하여, 개인별 신경 활성화 패턴에 기초한 통계 데이터를 생성하는 단계를 포함할 수도 있다. 또한, 통계 데이터를 생성하는 단계는 고정요인모형(Fixed-effect model: FFX)을 이용하여, 개인별 신경 활성화 패턴에 기초한 집단 수준의 신경 활성화 패턴을 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 통계 데이터는 집단 수준의 신경 활성화 패턴에 더 기초하여 생성될 수 있다.Specifically, generating the statistical data (S130) is a step of estimating the individual neuronal activation pattern based on the pre-processed measurement data using the general linear model (GLM), and based on the individual neuronal activation pattern, statistics Generating data. In this case, the method may include generating statistical data based on an individual neural activation pattern using a t-test. In addition, the generating of the statistical data may further include estimating the neural activation pattern of the group level based on the individual neural activation pattern using a fixed-effect model (FFX). In this case, statistical data may be generated based further on population level neural activation patterns.

해부학적 라벨링을 생성하는 단계(S140)는 패러다임에 의한 피험자 뇌의 신경 활성도에 대응하는 검사용 측정 데이터를 표준화된 뇌 영상에 매핑하여, 뇌 영상을 생성하기 위한 것이다. 이때, 자동화된 뇌해부정보 라벨링 (Automated Anatomical Labeling: AAL) 및 브로드만 영역(Brodmann's area: BA) 중 적어도 하나를 사용한 레지스트레이션(registration)을 통해 해부학적 라벨링을 생성할 수 있다.Generating anatomical labeling (S140) is to generate brain images by mapping test measurement data corresponding to neuronal activity of the subject's brain by a paradigm to a standardized brain image. In this case, anatomical labeling may be generated through registration using at least one of automated anatomical labeling (AAL) and Broadmann's area (BA).

한편, 단계(S120, S130 및 S140)는 자기공명영상기에 의해 생성된 신호들로부터 뇌 영상을 도출하는 일반적인 알고리즘(예를 들면, SPM2 등)을 이용하여 일괄적으로 실시될 수 있다. Meanwhile, steps S120, S130, and S140 may be collectively performed using a general algorithm (eg, SPM2, etc.) for deriving a brain image from signals generated by the magnetic resonance imager.

이어서, 해부학적 라벨링에 기초하여, 피검자의 복수의 뇌 영역 중 패러다임에 대해 신경 활성도가 소정의 임계 이상인 둘 이상의 관심 영역을 도출한다. (S150) 예를 들어, 둘 이상의 관심 영역은 피검자의 뇌 영역 중 패러다임에 대해 다른 나머지 뇌 영역과 다른 패턴의 신호를 나타내는 것으로 도출될 수 있다. 또는, 다른 나머지 뇌 영역보다 높은 강도의 신호를 나타내는 것으로 도출될 수도 있다.Subsequently, based on anatomical labeling, two or more regions of interest are derived whose neuronal activity is above a predetermined threshold for a paradigm of the plurality of brain regions of the subject. For example, two or more regions of interest may be derived to represent signals of patterns different from the other brain regions with respect to a paradigm among brain regions of a subject. Or, it may be derived to represent a signal of higher intensity than the rest of the brain region.

다만, 도 3의 도시와 달리, 둘 이상의 관심 영역은 다수의 실험군을 이용한 해부학적 검사를 통해 기설정될 수도 있다. (S100)Unlike the illustration of FIG. 3, two or more regions of interest may be preset through anatomical examination using a plurality of experimental groups. (S100)

이어서, 도 1의 제 1 측정 데이터를 생성하는 단계(S200)에서, 기능성 자기공명영상기 내부에 위치한 피험자가 그에게 제공된 패러다임을 실시하는 동안, 기능성 자기공명영상기를 이용하여 피험자의 복수의 뇌 영역 중 둘 이상의 관심 영역을 포함한 적어도 일부에서의 혈중산소농도에 대응한 신호들을 시간 별로 측정함으로써, 제 1 측정 데이터를 생성한다. 이때, 제 1 측정 데이터는 과제 수행 기간 및 휴지 기간 각각에서 적어도 1회 생성될 수 있다.Subsequently, in the step S200 of generating the first measurement data of FIG. 1, while the subject located inside the functional MRI performs a paradigm provided thereto, a plurality of brain regions of the subject using the functional MRI The first measurement data is generated by measuring signals corresponding to blood oxygen levels in at least a portion including two or more regions of interest over time. In this case, the first measurement data may be generated at least once in each of the task execution period and the rest period.

도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 측정 데이터에 기초하여 뉴로피드백 데이터를 생성하는 단계(S300)는 제 1 측정 데이터를 전처리하는 단계(S310), 전처리된 제 1 측정 데이터에 기초하여, 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나를 생성하는 단계(S320), 목표 데이터를 생성하는 단계(S330) 및 단계(S320, S330)에 의해 생성된 데이터에 기초하여 뉴로피드백 데이터를 생성하는 단계(S340)를 포함한다.As shown in FIG. 4, the generating of the neurofeedback data based on the first measurement data (S300) may include preprocessing the first measurement data (S310) and based on the preprocessed first measurement data, based on the state data. The neurofeedback data is generated based on the data generated by the step S320, the generation of the target data S330, and the steps S320 and S330. It generates a step (S340).

제 1 측정 데이터를 전처리하는 단계(S310)는, 기능성 자기공명영상기로부터 전달된 제 1 측정 데이터에 대해 머리 움직임 보정(head motion correction)을 실시하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 측정 데이터의 전처리는 필수적인 보정 과정을 통해 최대한 신속하게 실시될 수 있다.Pre-processing the first measurement data (S310) may include performing head motion correction on the first measurement data transmitted from the functional magnetic resonance imager. In this case, the preprocessing of the first measurement data may be performed as quickly as possible through an essential correction process.

이와 같이 전처리된 제 1 측정 데이터에 기초하여 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나를 생성한다. (S320)Based on the preprocessed first measurement data, at least one of state data, functional relevance data, and causal relevance data is generated. (S320)

이때, 상태 데이터는 둘 이상의 관심 영역 각각에서의 혈중산소농도(Blood Oxygen Level Dependent: BOLD) 신호를 포함한다. 즉, 상태 데이터는 관심 영역 별로 생성된다. 그리고, 기능적 연관도(Functional Connectivity: FC) 데이터는 둘 이상의 관심 영역 중 어느 한 쌍의 관심 영역이 소정의 시간 프레임 동안 함께 활성화되는 정도를 나타내고, 인과적 연관도(Effectivie Connectivity: EC) 데이터는 한 쌍의 관심 영역이 상호 영향을 주고받는 정도를 나타낸다. In this case, the state data includes Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) signals in each of the two or more regions of interest. That is, state data is generated for each ROI. And, Functional Connectivity (FC) data indicates the extent to which a pair of regions of interest of two or more regions of interest are activated together for a predetermined time frame, and Effectivie Connectivity (EC) data indicates The degree of interest of the pair indicates the degree of mutual influence.

이러한 기능적 및 인과적 연관도 데이터를 생성하는 과정에 대해서는 이하에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.The process of generating such functional and causality data will be described in more detail below.

더불어, 목표 데이터도 생성한다. (S330). 이때, 목표 데이터는 패러다임에 대응한 피험자의 뇌 기능을 개선시키기 위한 훈련 목표를 나타낸다. 즉, 목표 데이터는 피험자에게 패러다임에 대응한 피험자의 뇌 기능을 자가 훈련시킬 방향을 안내하기 위한 것으로, 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 피험자에게 제공된 적어도 하나를 상향 또는 하향시키는 명령을 나타낸다. 이러한 목표 데이터는 상태 데이터, 기능적 연관도 및 인과적 연관도 중 적어도 하나, 및 실험자의 의도에 기초하여 설정되는 것일 수 있다.In addition, it generates target data. (S330). In this case, the target data represents a training target for improving brain function of the subject corresponding to the paradigm. That is, the target data is for guiding the subject in a direction to self-train the brain function of the subject corresponding to the paradigm, and up or down at least one provided to the subject among state data, functional relevance data, and causal relevance data. Indicates a command. Such target data may be set based on at least one of state data, functional relevance, and causal relevance, and the intention of the experimenter.

그리고, 단계(S320)에 의해 생성된 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나와, 단계(S330)에 의해 생성된 목표 데이터를 포함하는 뉴로피드백 데이터를 생성한다. (S340)Next, neurofeedback data including at least one of the state data, the functional correlation data, and the causal association data generated by the step S320 and the target data generated by the step S330 is generated. (S340)

이와 같이 생성된 뉴로피드백 데이터는 피험자의 시각 또는 청각을 자극하는 기기를 통해 피험자에게 제공된다. (S400) 이때, 피험자는 시각 또는 청각 자료로 제공되는 뉴로피드백 데이터를 통해, 본인의 뇌 기능 상태와 훈련 방향을 인지하게 된다.The neurofeedback data generated as described above is provided to the subject through a device that stimulates the subject's vision or hearing. In this case, the subject may recognize his or her brain function state and training direction through neurofeedback data provided as visual or auditory data.

예시적으로, 뉴로피드백 데이터는 바그래프(bar graph), 박스플롯(boxplot), 라인그래프(line graph) 및 중첩이미지(overlapped image) 중 적어도 하나로 표시되어, 상기 피험자의 시각을 통해 제공될 수 있다. In exemplary embodiments, the neurofeedback data may be displayed by at least one of a bar graph, a boxplot, a line graph, and an overlapped image, and may be provided through the subject's vision. .

즉, 도 5a에 도시한 바와 같이, 뉴로피드백 데이터가 바그래프로 표시되는 경우, 제 1 측정 데이터에 기초한 뉴로피드백 데이터의 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나는 막대 크기로 표시되고, 목표 데이터는 화살표로 표시될 수 있다.That is, as shown in FIG. 5A, when the neurofeedback data is displayed as a bar graph, at least one of the state data, the functional correlation data, and the causal association data of the neurofeedback data based on the first measurement data is a bar size. The target data may be indicated by an arrow.

또는, 도 5b에 도시한 바와 같이, 뉴로피드백 데이터가 라인그래프로 표시되는 경우, 제 1 및 제 2 측정 데이터에 기초한 뉴로피드백 데이터의 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나는 시간 별 신호 크기의 변화를 나타내는 라인그래프로 표시될 수 있다. 이때, 도 5b에 상세히 도시되어 있지 않으나, 목표 데이터는 라인을 상향 또는 하향시키는 화살표로 표시되거나, 별도의 청각 자료로 제공될 수 있다.Alternatively, as shown in FIG. 5B, when the neurofeedback data is displayed as a line graph, at least one of state data, functional relevance data, and causal relevance data of the neurofeedback data based on the first and second measurement data. May be displayed as a line graph indicating a change in signal size with time. In this case, although not shown in detail in FIG. 5B, the target data may be indicated by an arrow that raises or lowers the line, or may be provided as a separate auditory material.

또는, 뉴로피드백 데이터는, 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나와 목표 데이터가 상호 유사한 정도에 따라 다르게 보이는 중첩이미지로 표시될 수 있다. Alternatively, the neurofeedback data may be displayed as an overlapping image in which at least one of the state data, the functional relevance data, and the causal relevance data and the target data are different depending on the degree of similarity.

예를 들어, 도 5c에 도시한 바와 같이, 피험자가 금연에 관련된 뇌 기능을 자가 훈련하는 경우, 뉴로피드백 데이터는 흡연영상과 비흡연영상이 상호 중첩된 것으로 제공될 수 있다. For example, as illustrated in FIG. 5C, when a subject self-trains a brain function related to smoking cessation, neurofeedback data may be provided as a smoking image and a non-smoking image overlapping each other.

그리고, 피험자가 본인의 뇌 기능 자가 훈련을 효과적으로 실시한 경우, 즉, 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나가 목표 데이터와 유사할수록, 중첩이미지 중 비흡연영상이 흡연영상보다 분명하게 표시된다. When the subject effectively trains his / her brain function, that is, at least one of the state data, the functional correlation data, and the causal correlation data is similar to the target data, the non-smoking image of the superimposed image is higher than the smoking image. Clearly displayed.

반면, 도 5d에 도시한 바와 같이, 피험자가 본인의 뇌 기능 자가 훈련을 효과적으로 실시하지 못하는 경우, 즉, 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나가 목표 데이터와 상이할수록, 중첩이미지 중 흡연영상이 비흡연영상보다 분명하게 표시된다.On the other hand, as shown in FIG. 5D, when a subject fails to effectively train his or her brain function, that is, at least one of state data, functional relevance data, and causal relevance data differs from the target data, Smoking images of the overlapping images are displayed more clearly than non-smoking images.

한편, 피험자의 시각을 통해 뉴로피드백 데이터를 제공하기 위한 영상기기가 구비되어있지 않거나, 구비되었지만 영상기기로 인해 기능성 자기공명영상기에 고장이 발생되거나 측정 데이터의 오차율이 커질 수 있으므로, 이를 방지하기 위해, 뉴로피드백 데이터는 스피커에 의한 음성 또는 음향으로 피험자의 청각을 통해 제공될 수 있다. 즉, 뉴로피드백 데이터는 청각 자료로 변환되어, 소리로 피험자에게 제공될 수도 있다. 더불어, 뉴로피드백 데이터는 피험자의 시각 및 청각 모두를 통해 제공되는 것도 가능하다.On the other hand, it is not equipped with an imaging device for providing neurofeedback data through the subject's vision, or because the imaging device may cause a malfunction in the functional magnetic resonance imager or the error rate of the measurement data may be large, to prevent this The neurofeedback data may be provided through the subject's hearing as a voice or sound by a speaker. That is, the neurofeedback data may be converted into auditory data and provided to the subject in sound. In addition, neurofeedback data may be provided both through the subject's visual and auditory hearing.

이처럼, 뉴로피드백 데이터를 피험자의 시각 또는 청각을 통해 제공하면, 기능성 자기공명영상기 내부에 위치한 피험자가 뉴로피드백 데이터에 따라 본인의 뇌 기능을 활성화시키게 된다.As such, when the neurofeedback data is provided through the subject's vision or hearing, the subject located inside the functional magnetic resonance imager activates his brain function according to the neurofeedback data.

그와 동시에, 기능성 자기공명영상기를 이용하여 둘 이상의 관심 영역 각각에서의 혈중산소농도에 대응한 신호들을 시간 별로 측정함으로써, 제 2 측정 데이터를 생성하고, 생성한 제 2 측정 데이터에 기초하여, 피험자에게 제공중인 뉴로피드백 데이터를 실시간으로 갱신한다. (S500)At the same time, the second measurement data is generated by measuring signals corresponding to blood oxygen levels in each of the two or more regions of interest using the functional magnetic resonance imaging device over time, based on the generated second measurement data. Updates the neurofeedback data provided to the user in real time. (S500)

도 6에 도시한 바와 같이, 뉴로피드백 데이터를 갱신하는 단계(S500)는 기능성 자기공명영상기를 이용하여 둘 이상의 관심 영역에서의 신경 활성도에 대응하는 제 2 측정 데이터를 생성하는 단계(S510), 제 2 측정 데이터를 전처리하는 단계(S520), 전처리된 제 2 측정 데이터에 기초하여, 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나를 도출하는 단계(S530), 도출된 데이터에 기초하여, 뉴로피드백 데이터를 실시간으로 갱신하는 단계(S540), 및 피험자에게 갱신된 뉴로피드백 데이터를 제공하는 단계(S550)를 포함한다.As illustrated in FIG. 6, the updating of the neurofeedback data (S500) may include generating second measurement data corresponding to neural activity in two or more regions of interest using a functional magnetic resonance imager (S510). Preprocessing the 2 measurement data (S520); deriving at least one of state data, functional correlation data, and causal association data based on the preprocessed second measurement data (S530); based on the derived data Thus, updating the neurofeedback data in real time (S540), and providing the updated neurofeedback data to the subject (S550).

제 2 측정 데이터를 전처리하는 단계(S520)는 제 2 측정 데이터에 대해 머리 움직임 보정(head motion correction)을 실시하는 단계를 포함한다. 이때, 뉴로피드백 데이터의 갱신은 실시간으로 실시되어야 하므로, 제 2 측정 데이터는 머리 움직임 보정과 같이 짧은 시간 동안 단순하게 처리 가능한 보정 과정으로 실시되어야 한다.Preprocessing the second measurement data (S520) includes performing head motion correction on the second measurement data. In this case, since the update of the neurofeedback data is to be performed in real time, the second measurement data should be performed as a correction process that can be simply processed for a short time such as head movement correction.

다음, 전처리된 제 2 측정 데이터에 기초하여 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나를 도출한다. (S530)Next, at least one of state data, functional relevance data, and causal relevance data is derived based on the preprocessed second measurement data. (S530)

구체적으로, 도 7에 도시한 바와 같이, 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나를 도출하는 단계(S530)는 전처리된 제 2 측정 데이터에 기초하여, 상태 데이터를 도출하는 단계(S531)를 포함한다. 그리고, 상태 데이터에 기초하여 기능적 연관도 데이터를 도출하는 단계(S532), 또는 상태 데이터에 기초하여 인과적 연관도 데이터를 도출하는 단계(S533)를 더 포함한다.In detail, as illustrated in FIG. 7, the deriving of at least one of the state data, the functional relevance data, and the causal relevance data (S530) may be performed to derive the state data based on the preprocessed second measurement data. Step S531 is included. The method further includes deriving functional relevance data based on the state data (S532), or deriving causal relevance data based on the state data (S533).

이때, 상태 데이터는 앞서 언급한 바와 같이, 둘 이상의 관심 영역 각각에서의 혈중산소농도(BOLD) 신호를 포함한다.At this time, the state data includes a blood oxygen concentration (BOLD) signal in each of the two or more regions of interest, as mentioned above.

그리고, 도 8a에 도시한 바와 같이, 기능적 연관도 데이터를 도출하는 단계(S532)는, 한 쌍의 관심 영역 각각에서의 소정의 시간 프레임에 대응한 혈중산소농도 신호의 신호 강도를 저하시키는 디미닝(demeaning)을 실시하는 단계(S5321), 디미닝된 혈중산호농도 신호를 유효 주파수 대역으로 여과하는 BPF(bandpass filtering)을 실시하는 단계(S5322), BPF를 통과한 신호를 주파수 영역으로 변환하는 FFT(Fast Fourier Transform)을 실시하여 유효신호를 생성하는 단계(S5323), 및 유효신호에 따라 한 쌍의 관심 영역 간의 기능적 연관도를 추정하여 기능적 연관도 데이터를 생성하는 단계(S5324)를 포함한다.As shown in FIG. 8A, the step of deriving functional correlation data (S532) may include: dimining the signal intensity of the blood oxygen concentration signal corresponding to a predetermined time frame in each of the pair of ROIs; performing demeaning (S5321), performing BPF (bandpass filtering) to filter the demineralized blood coral concentration signal into an effective frequency band (S5322), and converting the signal passing through the BPF into a frequency domain. And generating a valid signal by performing Fast Fourier Transform, and generating functional correlation data by estimating a functional correlation between a pair of ROIs according to the valid signal (S5324).

또한, 도 8b에 도시한 바와 같이, 인과적 연관도 데이터를 도출하는 단계(S533)는 한 쌍의 관심 영역 각각에서의 소정의 시간 프레임에 대응한 혈중산소농도 신호의 신호 강도를 저하시키는 디미닝(demeaning)을 실시하는 단계(S5331), 디미닝된 혈중산호농도 신호를 유효 주파수 대역으로 여과하는 BPF(bandpass filtering)을 실시하는 단계(S5332), 및 BPF를 통과한 신호를 벡터자기회기모형(Vector autoregression: VAR)에 적용하여 한 쌍의 관심 영역 간의 인과적 연관도를 추정함으로써, 인과적 연관도 데이터를 생성하는 단계(S5333)를 포함한다.In addition, as shown in FIG. 8B, deriving causality data (S533) may include: dimining to reduce the signal intensity of the blood oxygen concentration signal corresponding to a predetermined time frame in each of the pair of ROIs; (demeaning) (S5331), performing a BPF (bandpass filtering) for filtering the demineralized blood coral concentration signal into an effective frequency band (S5332), and the signal passing through the BPF vector self-regression model ( Vector autoregression (VAR) to estimate causal associations between the pair of regions of interest, thereby generating causal association data (S5333).

이때, BPF를 통과한 신호를 벡터자기회기모형(Vector autoregression: VAR)에 적용하여 인과적 연관도를 추정하는 수식은 이하의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.At this time, the equation for estimating the causality by applying the signal passing through the BPF to the vector autoregression (VAR) can be expressed as Equation 1 below.

Figure 112012071916630-pat00001
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수학식 1에서, Xk(t)는 k 영역에서의 t 시간에 대응한 신호 강도(signal intensity)이고, Rkl ,j는 j 시간 이전의 Xl(t)값이 Xk(t)값에 기여한 정도를 나타내는 회기계수(regression coefficient)이며, εk(t)는 t 시간에서 측정된 잔여오류이다.In Equation 1, X k (t) is the signal intensity corresponding to t time in the k region, and R kl , j is the value of X l (t) before j time is the value of X k (t) Is a regression coefficient representing the contribution to, and ε k (t) is the residual error measured at time t.

이와 같이 단계(S530)에 의해 생성된 상태 데이터, 기능적 연관도 데이터 및 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나에 기초하여, 뉴로피드백 데이터를 실시간으로 갱신하고(S540), 이때의 갱신된 뉴로피드백 데이터를 실시간으로 피험자에게 제공한다. (S550)The neurofeedback data is updated in real time based on at least one of the state data, the functional association data, and the causal association data generated by the step S530 (S540), and the updated neurofeedback data is updated at this time. Provide to the subject in real time. (S550)

이와 같이, 뉴로피드백 데이터를 실시간으로 갱신하는 단계(S500)를 적어도 1회 반복하다보면, 피험자는 자신의 뇌 기능 상태를 인지하는 동시에, 목표 데이터에 기초한 훈련 목표에 따라 자신의 뇌 기능을 능동적으로 변화시킴으로써, 피험자의 뇌 기능 자가 훈련이 실시될 수 있다.As described above, when the neurofeedback data is updated in real time (S500) at least once, the subject recognizes his / her brain function status and actively activates his / her brain function according to the training target based on the target data. By changing, the brain function self training of the subject can be carried out.

이후, 단계(S500)에서 실시된 피험자의 뇌 기능 자가 훈련을 평가하기 위한 평가 데이터를 생성한다. (S600)Thereafter, the evaluation data for evaluating the brain function self-training of the subject carried out in step S500 is generated. (S600)

평가 데이터를 생성하는 단계(S600)는 패러다임을 실시중인 피험자에 대해, 기능성 자기공명영상기를 이용하여 피험자 뇌에서의 신경 활성도에 대응하는 평가용 측정 데이터를 생성하는 단계, 및 평가용 측정 데이터에 기초하여 패러다임에 대응한 뇌 기능의 향상 여부를 나타내는 평가 데이터를 생성하는 단계를 포함한다.Generating evaluation data (S600) may be performed based on the measurement data for the evaluation, which corresponds to the neuronal activity in the brain of the subject using a functional magnetic resonance imaging device, for the subject undergoing a paradigm, and the measurement data for evaluation. And generating evaluation data indicating whether the brain function is improved in response to the paradigm.

한편, 둘 이상의 관심 영역을 설정하는 단계(S100) 및 평가 데이터를 생성하는 단계(S600)는 비실시간(非實時間, non-real-time)으로 처리(處理)된다. 그러나, 피험자의 뇌 기능 자가 훈련이 실질적으로 실행되는 단계인 뉴로피드백 데이터를 갱신하는 단계(S500)는 실시간(實時間, real-time)으로 처리된다.On the other hand, the step of setting two or more regions of interest (S100) and the generation of evaluation data (S600) is processed in non-real-time (non-real-time). However, the step (S500) of updating the neurofeedback data, which is a step in which the subject's brain function self-training is actually executed, is processed in real-time.

이상과 같이, 본원의 일 실시예에 따른 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법은 기능성 자기공명영상기를 이용하여, 훈련 대상인 뇌 기능에 연관되는 둘 이상의 관심 영역에서의 신경 활성도만을 선택적으로 측정한 결과에 기초한 뉴로피드백 데이터를 피험자에게 제공한다. 이에 따라, 비교적 뛰어난 공간적, 시간적 분해능을 갖는 장점이 있는 기능성 자기공명영상을 이용하면서도, 실시간으로 뇌 기능 현황을 피험자에게 제공할 수 있어, 피험자의 뇌 기능 자가 훈련을 실시할 수 있다.As described above, the functional magnetic resonance image data processing method according to an embodiment of the present application is based on the result of selectively measuring neural activity in only two or more regions of interest associated with the brain function as a training subject using a functional magnetic resonance imager. Neurofeedback data is provided to the subject. Accordingly, while using a functional magnetic resonance image having an advantage of having a relatively excellent spatial and temporal resolution, the brain can be provided to the subject in real time, and the brain function self-training of the subject can be performed.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (11)

기능성 자기공명영상기를 이용하여 피험자의 뇌 기능 자가 훈련을 돕는 장치가 기능성 자기공명영상 데이터를 처리하는 방법에 있어서,
(a) 소정의 뇌 기능에 관한 패러다임을 실시중인 피험자에 대해, 상기 기능성 자기공명영상기를 이용하여, 상기 피험자 뇌를 공간적으로 구분한 복수의 뇌 영역 중 상기 패러다임에 대한 신경 활성도가 소정의 임계 이상인 둘 이상의 관심 영역을 포함한 적어도 일부에서의 신경 활성도에 대응하는제 1 측정 데이터를 생성하는 단계;
(b) 상기 제 1 측정 데이터에 기초하여, 상기 패러다임에 대응한 상기 피험자 뇌의 신경 활성도 상태, 및 상기 뇌 기능의 개선 목표에 관한 데이터인 뉴로피드백 데이터를 생성하는 단계;
(c) 상기 뉴로피드백 데이터를 상기 피험자에게 제공하는 단계; 및
(d) 상기 패러다임을 실시중인 피험자에 대해, 상기 기능성 자기공명영상기를 이용하여, 상기 둘 이상의 관심 영역에서의 신경 활성도에 대응하는 제 2 측정 데이터를 생성하고, 상기 생성된 제 2 측정 데이터에 기초하여, 상기 뉴로피드백 데이터를 실시간으로 갱신하는 단계를 포함하는 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법.
In the method for the functional magnetic resonance imaging data processing apparatus using the functional magnetic resonance imaging device to assist the self-training of the subject,
(a) For a subject who is carrying out a paradigm related to a predetermined brain function, the neural activity of the paradigm among a plurality of brain regions in which the brain of the subject is spatially separated using the functional magnetic resonance imaging device is greater than or equal to a predetermined threshold. Generating first measurement data corresponding to neural activity in at least some including at least two regions of interest;
(b) generating neurofeedback data based on the first measurement data, the neurofeedback data being data on a neuronal activity state of the subject brain corresponding to the paradigm, and an improvement target of the brain function;
(c) providing the neurofeedback data to the subject; And
(d) generating, based on the generated second measurement data, second measurement data corresponding to neural activity in the two or more regions of interest, using the functional magnetic resonance imaging device, for a subject in the paradigm; And updating the neurofeedback data in real time.
제 1 항에 있어서,
상기 뉴로피드백 데이터는
상기 둘 이상의 관심 영역 각각에서의 혈중산소농도(Blood Oxygen Level Dependent: BOLD) 신호를 포함하는 상태 데이터;
상기 둘 이상의 관심 영역 중 어느 한 쌍의 관심 영역이 소정의 시간 프레임 동안 함께 활성화되는 정도를 나타내는 기능적 연관도(Functional Connectivity: FC) 데이터; 및
상기 한 쌍의 관심 영역이 상호 영향을 주고받는 정도를 나타내는 인과적 연관도(Effective Connectivity: EC) 데이터 중에서 적어도 하나를 포함하는 것인 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법.
The method of claim 1,
The neurofeedback data is
State data comprising a Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) signal in each of the two or more regions of interest;
Functional connectivity (FC) data indicative of a degree to which a pair of regions of interest of the two or more regions of interest are activated together during a predetermined time frame; And
And at least one of causality (Effective Connectivity) data indicating an extent to which the pair of ROIs influence each other.
제 2 항에 있어서,
상기 뉴로피드백 데이터는
상기 패러다임에 대응한 상기 피험자의 뇌 기능을 개선시키기 위한 훈련 목표를 나타내는 목표 데이터를 더 포함하되,
상기 목표 데이터는 상기 상태 데이터, 상기 기능적 연관도 데이터 및 상기 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나를 상향 또는 하향시키는 목표를 나타내는 것인 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법.
3. The method of claim 2,
The neurofeedback data is
Further comprising target data indicating a training target for improving brain function of the subject corresponding to the paradigm,
And the target data indicates a target of raising or lowering at least one of the state data, the functional relevance data, and the causal relevance data.
제 3 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 뉴로피드백 데이터는 상기 피험자의 청각 또는 시각을 통해 제공되되,
상기 뉴로피드백 데이터는 바그래프(bar graph), 박스플롯(boxplot), 라인그래프(line graph) 및 중첩이미지(overlapped image) 중 적어도 하나로 표시되어, 상기 피험자의 시각을 통해 제공되는 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법.
The method of claim 3, wherein
In the step (c)
The neurofeedback data is provided through hearing or vision of the subject,
The neurofeedback data is represented by at least one of a bar graph, a boxplot, a line graph, and an overlapped image, and provides functional magnetic resonance image data provided through the subject's vision. Treatment method.
제 2 항에 있어서,
상기 (d) 단계는
상기 제 2 측정 데이터를 전처리하는 단계;
상기 전처리된 제 2 측정 데이터에 기초하여, 상기 상태 데이터, 상기 기능적 연관도 데이터 및 상기 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나를 생성하는 단계;
상기 생성된 적어도 하나의 데이터에 기초하여, 상기 뉴로피드백 데이터를 갱신하는 단계; 및
상기 피험자에게 상기 갱신된 뉴로피드백 데이터를 제공하는 단계를 포함하되,
상기 둘 이상의 제 2 측정 데이터를 전처리하는 단계는 상기 제 2 측정 데이터에 대해 머리 움직임 보정(head motion correction)을 실시하는 단계를 포함하는 것인 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법.
3. The method of claim 2,
The step (d)
Preprocessing the second measurement data;
Generating at least one of the state data, the functional relevance data and the causal relevance data based on the preprocessed second measurement data;
Updating the neurofeedback data based on the generated at least one data; And
Providing the subject with updated neurofeedback data;
And preprocessing the at least two second measurement data comprises performing head motion correction on the second measurement data.
제 5 항에 있어서,
상기 상태 데이터, 상기 기능적 연관도 데이터 및 상기 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나를 생성하는 단계는,
상기 전처리된 제 2 측정 데이터에 기초하여, 상기 상태 데이터를 생성하는 단계를 포함하는 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법.
The method of claim 5, wherein
Generating at least one of the state data, the functional relevance data and the causal relevance data,
And generating the state data based on the preprocessed second measurement data.
제 6 항에 있어서,
상기 상태 데이터, 상기 기능적 연관도 데이터 및 상기 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나를 생성하는 단계는,
상기 한 쌍의 관심 영역 각각에서의 상기 시간 프레임에 대응한 혈중산소농도 신호의 신호 강도를 저하(demeaning)시키고, 유효 주파수 대역으로 필터링한 후, 주파수 영역으로 변환시켜서 유효신호를 생성하고, 상기 생성된 유효신호에 따라 상기 한 쌍의 관심 영역 간의 기능적 연관도를 추정하여 상기 기능적 연관도 데이터를 생성하는 단계를 더 포함하는 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법.
The method according to claim 6,
Generating at least one of the state data, the functional relevance data and the causal relevance data,
Demeaning the signal strength of the blood oxygen concentration signal corresponding to the time frame in each of the pair of regions of interest, filtering to an effective frequency band, and converting to a frequency domain to generate an effective signal, and generating And generating the functional association data by estimating the functional association between the pair of ROIs according to the valid signal.
제 6 항에 있어서,
상기 상태 데이터, 상기 기능적 연관도 데이터 및 상기 인과적 연관도 데이터 중 적어도 하나를 생성하는 단계는,
상기 한 쌍의 관심 영역 각각에서의 혈중산소농도 신호의 신호 강도를 저하(demeaning)시키고, 유효 주파수 대역으로 필터링한 후, 벡터자기회기모형(Vector autoregression: VAR)에 적용하여 상기 한 쌍의 관심 영역 간의 인과적 연관도를 추정하고, 상기 추정 결과에 기초하여 상기 인과적 연관도 데이터를 생성하는 단계를 더 포함하는 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법.
The method according to claim 6,
Generating at least one of the state data, the functional relevance data and the causal relevance data,
The pair of ROIs are applied to a vector autoregression (VAR) by demeaning the signal strength of the blood oxygen concentration signal in each of the pairs of ROIs, filtering them into an effective frequency band. Estimating a causal association between the liver and generating the causal association data based on the result of the estimation.
제 1 항에 있어서,
상기 (d) 단계를 적어도 1회 반복한 이후에, 상기 뇌 기능의 향상 여부를 나타내는 평가 데이터를 생성하는 단계를 더 포함하되,
상기 평가 데이터를 생성하는 단계는
상기 패러다임을 실시중인 피험자에 대해, 상기 기능성 자기공명영상기를 이용하여 상기 피험자 뇌에서의 신경 활성도에 대응하는 평가용 측정 데이터를 생성하는 단계; 및
상기 평가용 측정 데이터에 기초하여 상기 패러다임에 대응한 뇌 기능의 향상 여부를 나타내는 평가 데이터를 생성하는 단계를 포함하는 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법.
The method of claim 1,
After repeating step (d) at least once, further comprising generating evaluation data indicating whether the brain function is improved.
Generating the evaluation data
Generating measurement data for evaluation corresponding to neural activity in the brain of the subject using the functional magnetic resonance imaging device for the subject in the paradigm; And
And generating evaluation data indicating whether the brain function corresponding to the paradigm is improved based on the measurement data for evaluation.
제 1 항에 있어서,
상기 (a) 단계 이전에, 상기 복수의 뇌 영역 중 상기 둘 이상의 관심 영역을 설정하는 단계를 더 포함하되,
상기 둘 이상의 관심 영역을 설정하는 단계는
상기 패러다임을 실시중인 피험자에 대해, 상기 기능성 자기공명영상기를 이용하여, 상기 피험자 뇌에서의 신경 활성도에 대응하는 검사용 측정 데이터를 생성하는 단계; 및
상기 검사용 측정 데이터에 기초하여, 상기 복수의 뇌 영역 중 상기 패러다임에 대해 신경 활성도가 소정의 임계 이상으로 반응하는 둘 이상의 관심 영역을 설정하는 단계를 포함하는 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법.
The method of claim 1,
Before the step (a), further comprising the step of setting the two or more regions of interest of the plurality of brain regions,
Setting the two or more regions of interest
Generating test measurement data corresponding to nerve activity in the brain of the subject using the functional magnetic resonance imaging device for the subject in the paradigm; And
And based on the measurement data for examination, setting two or more regions of interest in which nerve activity responds to the paradigm among the plurality of brain regions by a predetermined threshold or more.
제 1 항에 있어서,
상기 패러다임은 상기 소정의 뇌 기능을 활성화시키는 과제 수행 기간과, 상기 소정의 뇌 기능을 휴식시키는 휴지 기간을 적어도 1회 반복시키는 과정을 포함하는 것이되,
상기 과제 수행 기간이 상기 휴지 기간보다 긴 블록 기반(block-related), 또는 상기 과제 수행 기간이 상기 휴지 기간보다 짧은 이벤트 기반(event-related)인 기능성 자기공명영상 데이터 처리 방법.
The method of claim 1,
The paradigm may include repeating the task performing period for activating the predetermined brain function and at least one rest period for resting the predetermined brain function,
The method according to claim 1, wherein the task execution period is block-related longer than the idle period, or the task execution period is event-related shorter than the idle period.
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