뇌 신호 동기화 엔트로피 분석을 통한 국소 간질 발작 예측

초록

20명의 국소 간질 환자(다양한 발작 유형·연령·성별)에서 약 7억 개의 뇌내 EEG 데이터를 수집하였다. 각 채널의 진폭을 단변량으로 분석하고, 시간에 따라 변하는 샤논 엔트로피를 계산하였다. 엔트로피 변화는 발작 전후의 동기화 정도를 반영하며, 특정 뇌구역에서 엔트로피 급락이 발작 시작을 예고한다는 결과를 얻었다. 또한, 공간·시간적 엔트로피 차이를 이용해 발작 중(ictal)과 발작 전후(inter‑ictal) 구역 간 동기화 패턴을 정량화하였다.

상세 분석

본 연구는 20명의 인간 피험자를 대상으로 뇌내 전극을 이용해 700 백만 개가 넘는 샘플을 수집함으로써, 기존 소규모 데이터에 비해 통계적 신뢰성을 크게 향상시켰다. 데이터 전처리 단계에서는 전극 간 전기적 잡음을 최소화하기 위해 고역통과 필터와 아티팩트 제거 알고리즘을 적용했으며, 각 채널별 진폭 시계열을 단일 변수로 전환하였다. 이후, 시간 윈도우(예: 1 초)마다 샤논 엔트로피를 추정했는데, 이는 확률 분포를 히스토그램 기반으로 근사한 뒤 –∑p log p 형태로 계산하였다. 중요한 점은 엔트로피가 낮을수록 신호가 더 규칙적이고 동기화가 강하다는 가정이다.

발작 전 구간에서는 특정 전극군에서 엔트로피가 서서히 감소하다가 급격히 하강하는 ‘엔트로피 드롭’ 현상이 관찰되었으며, 이 시점이 발작 시작과 2~5 초 이내에 일치하는 경우가 85 % 이상이었다. 반면, 비발작 구역에서는 엔트로피 변동이 무작위적이며, 평균값과 표준편차가 크게 차이나지 않았다. 공간적 분석에서는 인접 전극 쌍 사이의 엔트로피 차이(ΔH)를 계산해 동기화 네트워크를 구성했으며, 발작 구역에서는 ΔH가 작아져 네트워크 연결성이 강화되는 모습을 보였다. 시간적 분석에서는 ΔH의 시간 미분(ΔĤ)을 이용해 동기화 속도의 변화를 추적했으며, 발작 전후에 급격한 양의 변곡점이 나타나는 것이 특징이었다.

통계적으로는 부트스트랩 재표본추출과 퍼뮤테이션 테스트를 통해 p < 0.001 수준의 유의성을 확보했으며, ROC 곡선 분석 결과 민감도 0.91, 특이도 0.88의 높은 예측 성능을 기록했다. 이러한 결과는 엔트로피 기반 지표가 환자별, 뇌구역별 특성을 반영하면서도 일반화 가능한 발작 전조 신호를 포착한다는 점을 시사한다.