KR101607893B1 - 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치 및 그 운용 방법 - Google Patents

정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치 및 그 운용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 뇌파의 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법은, 전류, 주파수 또는 펄스폭이 상이한 하나 이상의 전기적 자극을 발생시키는 제 1 제어신호를 송신하는 단계, 발생된 각 전기적 자극에 대한 반응으로서 감지된 뇌파신호를 수신하는 단계, 수신된 뇌파신호에서 잡음을 제거하는 단계, 잡음이 제거된 뇌파에서 특징점을 추출하는 단계, 뇌파신호의 특징점에 기초하여 각 뇌파신호를 커맨드 별로 분류하는 단계, 및 전류, 주파수 또는 펄스폭 중 어느 하나를 변경시킨 제 2 차 제어신호를 송신하는 단계를 포함한다.

Description

정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치 및 그 운용 방법 {APPARATUS FOR GENERATING SSSEP AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 전기 자극을 이용한 SSSEP발생 시스템 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정상 상태 체감각 유발 전위를 발생하여 다양한 기기의 인터페이스를 제어할 수 있는 방법에 관한 것이다.
뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface) 기술은 사용자의 뇌에서 일어나는 신경세포들의 활동이 컴퓨터에 연결되어, 마우스나 키보드 등의 입력장치가 없어도 컴퓨터와 소통이 가능하게 만들어 줄 수 있다.
특히, 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술은 사고나 질병에 의해 운동신경에 장애가 있는 환자들의 움직임을 보조해 주기 위한 보철 제어나, 의사소통을 할 수 있도록 하는 스펠러 등에 주로 사용되어 왔다.
또한, 이러한 응용 장치에 사용자의 의도를 실시간으로 반영하기 위하여, 유발전위를 이용하기도 한다. 유발 전위란, 인체에 일정하게 직접적이거나 간접적인 자극을 가했을 때, 그 자극으로 인하여 인체에서 발생되는 전위를 말한다. 유발 전위는 뇌파 기록으로 관찰될 수 있다. 특히, 유발전위는 정보전달속도(Information Transfer Rate)가 높으므로 실시간으로 사용자의 의도를 빠르게 반영할 수 있고, 다른 뇌파를 사용하는 시스템들과 비교하여 학습 및 훈련시간이 짧으며, 기기 제어를 하기 위한 커맨드를 다양하게 만들 수 있다는 장점이 있다.
또한, 유발 전위는 자극의 종류에 따라 나뉘게 되는데, 이 중 시각자극에 의한 정상 상태 시각 유발 전위(Steady-State Visual Evoked Potential, SSVEP)와 촉각자극에 의한 정상상태 체감각 유발전위(Steady-State Somatosensory Evoked Potential, SSSEP)가 있다.
이와 관련하여 대한민국 공개특허 제10-2013-0108778호(발명의 명칭: ＳＳＶＥＰ 기반 차량 안전 주행 제어 시스템 및 방법)에서는 전방 차량의 운행 상태 및 운전자의 주의 상태를 파악하는 기술이 제안되었다.
그러나 정상 상태 시각 유발 전위는 뇌파 응답의 생리학적 기전을 이용하는 기법으로 일정 주기로 깜박이는 빛을 응시하면 대뇌 피질의 뇌파에서 빛이 깜박이는 주기와 동기화된 신호가 검출되는 원리를 이용하기 때문에, 시각 자극에 의한 노이즈를 유발할 수도 있다. 또한, 시각적인 자극에 기인하기 때문에, 시선의 제약을 가지며 눈의 피로를 야기시킬 수 있다.
한편, 일반적으로 촉각자극에 의한 정상상태 체감각 유발전위는 시선의 제약이 없다는 장점이 있으나, 반복적인 자극에 대한 순응현상의 문제점이 있다. 또한, 기계식 진동을 이용하여 자극을 유도하는 장치는, 진동을 유발하기 위한 하드웨어가 필요하기 때문에, 부피가 증가할 수밖에 없다.
또한, 기계식 진동을 이용한 자극의 종류는 시각자극의 종류보다 다양하게 구현되기 어렵기 때문에 커맨드가 다양하지 못하다. 커맨드가 다양하지 못하기 때문에, 사용자의 의도를 정확하게 파악하거나, 파악된 사용자의 의도대로 기기를 정밀하게 제어하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 정상 상태의 체감각 유발 전위의 다양한 커맨드를 제공할 수 있는 체감각 유발 전위의 발생 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 뇌파의 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법은, 전류, 주파수 또는 펄스폭이 상이한 하나 이상의 전기적 자극을 제공하는 제 1 제어신호를 송신하는 단계, 발생된 각 전기적 자극에 대한 반응으로서 감지된 뇌파신호를 수신하는 단계, 수신된 뇌파신호에서 잡음을 제거하는 단계, 잡음이 제거된 뇌파신호에서 특징점을 추출하는 단계, 뇌파신호의 특징점에 기초하여 각 뇌파신호를 커맨드 별로 분류하는 단계, 및 전류, 주파수 또는 펄스폭 중 어느 하나를 변경시킨 제 2 제어신호를 송신하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 제 2 측면에 따른 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치는 데이터 송수신부, 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 애플리케이션이 저장된 메모리; 및 애플리케이션을 실행하는 프로세서를 포함한다. 이때 프로세서는, 애플리케이션의 실행에 따라 전류, 주파수 또는 펄스폭이 상이한 하나 이상의 전기적 자극을 발생시키는 제 1 제어신호를 송신하고, 발생된 각 전기적 자극에 대한 반응으로서 감지된 뇌파신호를 수신하고, 수신된 뇌파신호에서 잡음을 제거하고, 잡음이 제거된 뇌파신호에서 특징점을 추출하고, 뇌파신호의 특징점에 기초하여 각 뇌파신호를 커맨드 별로 분류하고, 전류, 주파수 또는 펄스폭 중 어느 하나를 변경시킨 제 2 제어신호를 송신한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법은 전기자극을 통해 촉각을 유도하기 때문에 자발적인 상상에 의한 것에 비해 높은 성능을 보장할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 다양한 전류, 주파수 또는 펄스폭을 이용하여, 순응현상을 방지하고 다수의 커맨드를 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 휴대폰, 차량의 스티어링 휠, 햅틱 장비 등 전기촉각 자극을 사용하는 인터페이스가 많아지고 있다는 점에서 다양한 분야에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중앙처리장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 애플리케이션의 기능을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 자극제시 방법을 도시한 도면이다.
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.
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.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법 및 장치에 대하여 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치(10)는 자극부(100), 중앙처리장치(200), 및 감지부(300)를 포함한다. 자극부(100)와 감지부(300)는 중앙처리장치(200)의 실행에 따라, 중앙처리장치(200)와 신호를 송수신 할 수 있다. 이때, 자극부(100)와 감지부(300)는 중앙처리장치(200)와 별도로 존재할 수도 있고, 중앙처리장치(200)내에 결합된 형태로 구현될 수도 있다.
도 1에 표시되고 아래에 설명되는 기능 블록들은 가능한 구현의 예들일 뿐이다. 다른 구현들에서는 상세한 설명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 기능 블록들이 사용될 수 있다. 또한, 정상 상태 체감각 유발 전위 장치(10)의 하나 이상의 기능 블록이 개별 블록들로 표시되지만, 정상 상태 체감각 유발 전위 장치(10)의 기능 블록들 중 하나 이상은 동일 기능을 실행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합일 수 있다.
또한, 디스플레이가 추가적으로 더 포함될 수 있다. 디스플레이는 각 단계의 필요한 정보를 화면에 표시할 수 있다. 예를 들어, 중앙처리장치(200)의 실행에 따라, 전류, 주파수 또는 펄스폭과 같은 전기적 자극의 정도를 표시할 수도 있다.
자극부(100)는 중앙처리장치(200)로부터 제 1 및 제 2 제어신호를 수신하여 전기적 자극을 발생시킬 수 있다. 즉, 자극부(100)는 전류, 주파수 또는 펄스폭이 상이한 하나 이상의 전기적 자극을 발생시킨다. 이때, 중앙처리장치(200)로부터 제공되는 제 1 및 제 2 제어신호는, 전기 자극의 순서를 상이하게 배치하여 제공될 수도 있고, 전기 자극의 지속시간을 변경할 수도 있다. 또한, 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치(10)상에 스위치 형태로 입력할 수 있는 툴을 구비하여 사용자가 원하는 단계, 순서, 지속시간 등을 입력 받아 자극부로 제 1 및 제 2 제어신호를 송신할 수도 있다. 또한, 중앙처리장치(200)는 다양한 전기자극을 제공할 수 있는 소프트웨어를 포함할 수 있다.
또한, 자극부(100)에서는 사용자의 체감각 영역에서 촉각자극을 일으키도록 하는 전기적 자극을 제공할 수 있다. 이때의 자극은 촉각자극을 발생시키되, 신체에는 무해하며 사용자의 근육을 수축시키지 않는 정도의 전류, 주파수 또는 펄스폭이 바람직하다.
특히, 전기 자극으로 발생한 촉각 자극으로 인한 순응현상을 방지하기 위하여, 펄스폭을 조절하여 동일한 주파수의 진동 자극에도, 그 진동의 세기가 다르게 느껴지도록 제어할 수 있다. 이때, 주파수의 변형을 통해 특정 커맨드에 대응하는 주파수를 제어할 수 있다. 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치(10)는 순응현상이 일어나기 전에 먼저 전류, 주파수 또는 펄스폭 중 어느 하나를 변경시킨 제 2 제어신호를 자극부(100)로 송신할 수 있다.
일반적으로 유발 전위(Evoked Potential)에는 청각 유발 전위(AEP, Auditory evoked potential), 시각 유발 전위(Visual evoked potential), 체감각 유발 전위(SSEP, Somatosensory evoked potential), 운동 유발 전위(MEP, Motor evoked potential) 등이 다양하게 사용된다. 각 유발 전위를 유발하는 자극신호로서 각각 청각자극신호, 시각자극신호, 상지(上肢) 또는 하지(下肢) 신경의 자극신호, 운동영역 부위 두피에 대한 자극신호, 경추 부위의 전기자극신호 등이 사용된다. 여기에서는 자극 신호로서 체감각 유발 전위가 사용될 수 있다.
여기에서 자극 신호는 특별히 그 종류를 한정하지 않고, 감지부(300)를 통해서 감지되는 유발 전위는 자극신호가 가해진 피험자의 근육에 접촉된 전극으로부터 발생되는 것이면 모두 가능하다.
감지부(300)는 발생된 각 전기적 자극에 대한 반응으로서 생성된 뇌파를 감지하여 중앙처리장치(200)의 송수신부로 전송할 수 있다. 또한, EEG장비를 통해 자극에 대한 뇌파신호를 감지할 수 있다. 이때의 뇌파 측정은 국제 전극 시스템에 따라 최소 4개 이상의 채널에서 뇌파를 추출할 수 있다. 추출 방식은 비침습적 방식으로 마이크로 칩을 두피에 부착하는데, 체감각 영역으로부터 유발된 뇌파를 습득하기 때문에 감각운동기 피질(Sensory motor cortex) 영역에 채널을 부착한다.
먼저, 시스템 연산 속도 향상과 최적의 메모리 관리 측면에서 측정된 뇌파신호를 다운샘플링을 한다. EEG(Electroenceplography)로부터 추출된 뇌파는 다양한 잡음(Noise)성분을 포함한다. 잡음 성분의 종류에는 근전도(EMG)나 눈의 깜빡임 또는 안구의 움직임(EOG)성분 등이 있다. 이러한 잡음들은 EEG신호에 비해 수배 이상으로 크기 때문에 EEG신호를 얻기 위해서 제거되는 것이 바람직하다.
다음으로, 중앙처리장치(200)에 대하여 도 2 내지 도 3을 참고하여 보다 자세히 설명하도록 한다.
먼저, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중앙처리장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 중앙처리장치(200)는 메모리(210), 프로세서(220), 및 데이터 송수신부(230)를 포함할 수 있다.
메모리(210)는 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 애플리케이션(211)을 포함할 수 있다. 애플리케이션(211)의 기능은 도 3을 예를 들어 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 애플리케이션의 기능을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 애플리케이션(211)은 제어신호 발생부(2111), 잡음 제거부(2112), 특징점 추출부(2113), 및 뇌파신호 분류부(2114)를 포함할 수 있다.
프로세서(220)는 애플리케이션(211)의 실행에 따라, 먼저 제어신호 발생부(2111)에서 전류, 주파수 또는 펄스폭이 상이한 하나 이상의 전기적 자극을 발생시키는 제 1 제어신호를 발생하여, 자극부(100)로 송신할 수 있다. 이때의 데이터의 송신 및 수신은 송수신부(230)를 통해 수행될 수 있다.
다음으로, 프로세서(220)는 발생된 각 전기적 자극에 대한 반응으로서 감지된 뇌파신호를 수신하고, 이때, 잡음 제거부(2112)는 수신된 뇌파신호에서 잡음을 제거할 수 있다.
예를 들어, 잡음 제거부(2112)는 수신된 뇌파신호에서 근전도(EMG) 신호와 안전도(EOG)신호의 시간 주파수 성분을 파악하여 선형 분리를 할 수 있다. 또한, 독립 성분 분석법(Independent Component Analysis)을 이용하여 잡음을 제거할 수 있다.
필터를 이용하여 잡음을 제거할 수도 있는데, 노치필터(Notch filter)를 사용하여, 전원 주파수를 제거할 수 있다. 또한, 대역 통과 필터(band-pass filter)를 사용하여, 사용자가 목적하는 주파수 영역 외에 나머지 주파수 영역을 필터링 할 수도 있다.
다음으로, 특징점 추출부(2113)는 잡음이 제거된 뇌파신호에서 특징점을 추출할 수 있다. 여기에서, 특징점 추출부(2113)는 잡음이 제거된 뇌파신호를 주파수 영역으로 변환하고, 설정된 임계값 이상의 파워값을 갖는 주파수를 추출하여 특징점을 추출할 수 있다.
특히, 잡음이 제거된 뇌파를 공간 주파수 영역에서 분석할 수 있다. 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)와 같은 주파수 영역으로 신호를 변환해주는 기법을 사용하여 주파수 영역으로 변환한다. 특정 임계값을 설정하고 임계값 이상의 주파수 대역의 파워값을 갖는 주파수를 특징점으로 추출할 수 있다.
또한, 공통 공간 패턴(Common spatial pattern)필터링 기법을 이용하여 신호의 공간상의 특징을 극대화시킨다. 이는 감각운동기 피질 영역의 공간상의 경계가 뚜렷하지 않아 이를 극대화하기 위해 사용하는 기법으로서, 공간상의 특징을 극대화하고 밴드파워를 추출 후, 주파수 성분의 특징 또한 추출하기 위해 사용될 수 있다.
공간 필터링이 적용된 신호의 분산을 구하고 이에 로그를 적용함으로써 시간 영역에서 파워스펙트럼 밀도를 구하는 것과 같은 효과로서 밴드파워를 추출할 수 있다. 전술한 추출한 주파수 성분의 특징과 공간 필터가 적용된 밴드파워 특징점의 차원 결합을 통한 결합 특징점을 최종적으로 추출할 수 있다.
다음으로, 뇌파신호 분류부(2114)는 뇌파신호의 특징점에 기초하여 각 뇌파신호를 커맨드 별로 분류할 수 있다.
즉, 뇌파신호 분류부(2114)는 뇌파신호의 특징점에 기초하여 각 뇌파신호를 커맨드 별로 분류한다. 예를 들어, 추출된 특징점을 CCA(Canonical Correlation Analysis)방법을 통하여 분류한다. 특히, 추출된 특징점과 특정 커맨드에 대응하는 특정 주파수와의 관련 정도에 의해 분류할 수 있다.
다음으로, 중앙처리장치(200)는 전류, 주파수 또는 펄스폭 중 어느 하나를 변경시킨 제 2 제어신호를 송신할 수 있다. 즉, 제어신호 발생부(2111)는 전기적 자극으로 인하여 체감각의 순응반응이 발생되기 전에, 전류, 주파수 또는 펄스폭 중 어느 하나를 변경시킨 제 2 제어신호를 발생시켜 송신하여, 전기적 자극을 변경시킬 수 있다. 또한, 순응반응이 발생되면 전류, 주파수 또는 펄스폭 중 어느 하나를 변경시킨 제 2 제어신호를 송신하여, 제 2 제어신호를 수신한 자극부(110)에서 전기적 자극을 변경시킬 수 있다.
또한, 중앙처리장치(200)는 제 1 및 제 2 제어신호에 기초하여 전기적 자극을 발생시키는 자극부(100)를 더 포함할 수 있다. 이때의 자극부(100)는 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치(10)의 내부에 결합된 형태일 수도 있고, 외부에 배치 되어 분리된 형태일 수도 있다. 분리된 형태일 경우, 자극부(100)는 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치(10)의 송수신부(230)과 연결되어 네트워크를 통해 정보를 송수신 할 수 있다.
한편, 중앙처리장치(200)에 의해 생성된 뇌파신호를 수신하기 전에 뇌파 신호를 감지하여 송수신부(230)로 전송하는 감지부(300)를 더 포함할 수 있다. 마찬가지로, 이때의 감지부(300)는 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치(10)의 내부에 결합된 형태일 수도 있고, 외부에 배치 되어 분리된 형태일 수도 있다. 분리된 형태일 경우, 감지부(300)는 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치(10)의 송수신부(230)과 연결되어 네트워크를 통해 정보를 송수신 할 수 있다.
또한, 중앙처리장치(200)는 전술한 순응현상을 감지할 수도 있다. 예를 들어, 감지부(300)에서 얻어진 EEG신호는 중앙처리장치(200)에서 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transforms, FFT)를 통해, 일정구간에서의 주파수 크기로 출력될 수 있다. 또한, 중앙처리장치(200)는 사용자마다의 트레이닝 시간 동안의 임계값 및 각 주파수의 평균 피크값(peak)을 산출해 낼 수 있다. 만약, 순응반응이 일어나게 되면, 일정구간에서의 주파수 크기가 점점 감소하여 평균 피크값보다 작아질 수 있는데, 이 시점을 순응반응이 일어나는 시점으로 설정할 수 있다.
다음으로, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법은 전류, 주파수 또는 펄스폭이 상이한 하나 이상의 전기적 자극을 발생시키는 제 1 제어신호를 송신하는 단계(S400), 발생된 각 전기적 자극에 대한 반응으로서 생성된 뇌파신호를 수신하는 단계(S410), 수신된 뇌파신호에서 잡음을 제거하는 단계(S420), 잡음이 제거된 뇌파신호에서 특징점을 추출하는 단계(S430), 뇌파신호의 특징점에 기초하여 각 뇌파신호를 커맨드 별로 분류하는 단계(S440), 및 전류, 주파수 또는 펄스폭 중 어느 하나를 변경시킨 제 2 제어신호를 송신하는 단계(S450)를 포함한다.
먼저, 중앙처리장치(200)는 전류, 주파수 또는 펄스폭이 상이한 하나 이상의 전기적 자극을 발생시키는 제 1 제어신호를 송신한다(S400).
이때, 중앙처리장치(200)에 의해 송신된 제 1 제어신호로 인하여, 자극부(100)는 전류, 주파수 또는 펄스폭이 상이한 하나 이상의 전기적 자극을 발생할 수 있다.
또한, 자극부(100)에서 전기적 자극이 유발되어 사용자의 촉각을 발생시킬 수 있다. 이때, 전기적 자극이 신체에 무해하고 사용자의 근육을 수축시키지 않는 정도로 유지되도록 자극부(100)에서 발생되는 전류, 주파수 또는 펄스폭이 제어될 수 있고, 이때의 전기적 자극은 체감각에서 순응이 발생되기 이전에 전류, 주파수 또는 펄스폭의 변화로 조절될 수 있다.
예를 들어, 자극부(100)에 사용되는 전극이 음극과 양극의 형태로 하나의 채널을 이룰 수 있다. 즉, 한 전극에서 전기 자극이 주어지고, 이 전기 자극은 피부를 투과하여 체감각 신경을 자극하고, 다른 전극을 통해 빠져 나가게 될 수 있다. 이때 사용되는 전극은 패치형태로 얇고 피부에 밀착될 수 있다. 또한, 전극을 사용하기 위해 피부에 증류수 등을 도포하여 저항을 낮추어 줄 수 있다.
다음으로, 중앙처리장치(200)는 앞선단계(S400)에서 발생된 각 전기적 자극에 대한 반응으로서 감지된 뇌파신호를 수신한다(S410). 이때, 감지부(300)에서는 EEG장비를 통해 자극에 대한 뇌파신호를 감지할 수 있다.
다음으로, 중앙처리장치(200)는 앞선단계(S410)에서 수신된 뇌파신호에서 잡음을 제거한다(S420). 이때, 수신된 뇌파신호에서 근전도(EMG) 신호와 안전도(EOG)신호의 시간 주파수 성분을 파악하여 선형 분리를 할 수 있다. 또한, 독립 성분 분석법(Independent Component Analysis)을 이용하여 잡음을 제거할 수 있고, 노치필터(Notch filter) 및 대역 통과 필터(band-pass filter)를 사용하여, 사용자가 목적하는 주파수 영역 외에 나머지 주파수 영역을 필터링 할 수도 있다.
다음으로, 중앙처리장치(200)는 앞선단계(S420)에서 잡음이 제거된 뇌파신호에서 특징점을 추출한다(S430). 좀더 자세히 설명하자면, 잡음이 제거된 뇌파신호를 주파수 영역으로 신호를 변환하고, 설정된 임계값 이상의 파워값을 갖는 주파수를 추출하여 특징점을 추출할 수 있다.
다음으로, 중앙처리장치(200)는 앞선단계(S430)에서 추출된 뇌파신호의 특징점에 기초하여 각 뇌파신호를 커맨드 별로 분류한다(S440).
이때, 추출된 특징점을 CCA(Canonical Correlation Analysis)방법을 통하여 분류하고, 추출된 특징점과 특정 커맨드에 대응하는 특정 주파수와의 관련 정도에 의해 분류할 수 있다.
예를 들어, 특정 임계값을 설정하고 임계값 이상의 주파수 대역의 파워를 특징점으로 추출한다. 또한, 공통 공간 패턴(Common spatial pattern)필터링 기법을 이용하여 신호의 공간상의 특징을 극대화시킨다. 이는 감각운동기 피질 영역의 공간상의 경계가 뚜렷하지 않아 이를 극대화하기 위해 사용하는 기법으로써, 공간상의 특징을 극대화하고 밴드파워를 뽑음으로써 주파수 성분의 특징 또한 추출하기 위해 사용한다. 공간 필터링이 적용된 신호의 분산을 구하고 이에 로그를 적용함으로써 시간 영역에서 파워스펙트럼 밀도를 구하는 것과 같은 효과로 밴드파워를 추출할 수 있다.
전술한 추출한 주파수 성분의 특징과 공간 필터가 적용된 밴드파워 특징점의 차원 결합을 통한 결합 특징점을 최종적으로 추출할 수 있다. 추출된 특징점을 Multiclass Linear discriminant analysis(LDA)분류 알고리즘에 입력으로 넣어주면, 선형 분류기(LDA)는 공분산과 고유벡터를 이용하여 클래스 내의 분산은 최소화하고, 클래스 사이의 공분산은 최대로 하여 분류할 수 있다. 이를 통하여, 신속하게 분류할 수 있기 때문에, 실시간으로 변화하는 뇌파신호를 감지하여 분류할 때, 시간차를 줄일 수도 있다.
다음으로, 중앙처리장치(200)는 앞선단계(S440)로부터 뇌파신호를 분류한 후, 제공된 각 전기적 자극에 대한 체감각의 순응반응이 발생되기 전에, 전류, 주파수 또는 펄스폭 중 어느 하나를 변경시킨 제 2 제어신호를 송신한다(S450).
또는, 순응반응이 발생되면 전류, 주파수 또는 펄스폭 중 어느 하나를 변경시킨 제 2 제어신호를 송신할 수 있다. 이때, 제 2 제어신호는 자극부(100)로 송신되고, 이로 인해 전기적 자극이 제어될 수 있다. 이때의 각 전기적 자극에 대한 체감각의 순응반응은 뇌파신호를 모니터링하여 감지할 수도 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 자극제시 방법을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 자극부(100)는 두개의 전극으로 분류된 형태로, 사용자의 양팔에 위치되며, 팔의 말초신경 중 하나인 정중신경을 자극할 수 있다. 정중신경은 일반적으로 손바닥의 감각과 일부 손가락의 움직임, 손목의 뒤집힘 등의 운동기능에 관여하는 것으로 알려져 있다.
또한, 감지부(300)는 사용자의 머리에, 뇌파를 기록할 때 두피상의 전극배치법인 국제 10-20법에 기인하여 위치되어 있다. 이 방법으로 19개의 전극이 대뇌양반구위에 거의 같은 간격으로 배치될 수 있다.
도 5와 같이, 중앙처리장치(200)는 자극부(100) 및 감지부(300)와 연결된 형태일 수도 있고, 외부에 독립적으로 존재할 수도 있다.
또한, 경우에 따라 도 5와 같이 시각자극을 함께 유도할 수도 있다. 즉, 해당 주파수에 따라 화살표와 같은 방향 정보를 나타내거나 특정 커맨드를 나타내는 시각 정보를 화면에 제시하고, 시각자극에 해당하는 신호를 감지할 수도 있다. 이를 통하여, 특정 커맨드를 분류할 수도 있고, 특정 커맨드를 사용자에게 인지시킬 수도 있다.
이때, 프로세서(220)는 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 커맨드 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 이때, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 프로그램 커맨드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 한편, 기록매체에 기록되는 프로그램 커맨드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 커맨드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
한편, 이러한 기록매체는 프로그램 커맨드, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 또한, 프로그램 커맨드에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
전술한 본 발명의 일실시예에 의한 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법은 전류, 주파수 또는 펄스폭이 상이한 전기적 자극을 유발하고, 두피에서 뇌 파를 측정하여 우수한 성능으로 사용자의 의도를 판별할 뿐만 아니라 다양한 커맨드를 만들어 기기 인터페이스를 제어할 수 있도록 정상 상태 체감각 유발 전위(SSSEP)를 기반으로 수행된다. 본 발명의 일 실시예에 의한 정상 상태 체감각 유발 전위 발생장치는 4개 이상의 커맨드를 필요로 하고, 시선의 제약 없이 자율적으로 기기를 제어하기 위한 인터페이스를 구성하는데 활용이 가능하다. 따라서 척추손상으로 인한 사지 마비 환자들뿐만 아니라 일반인들의 편리한 기기 인터페이스 제어에 있어서도 큰 도움을 줄 수 있다.
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.
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.
10: 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치
100: 자극부
200: 중앙처리장치
210: 메모리
211: 애플리케이션
2111: 제어신호 발생부
2112: 잡음 제거부
2113: 특징점 추출부
2114: 뇌파신호 분류부
220: 프로세서
230: 송수신부
300: 감지부

Claims (15)

  1. 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법에 있어서,
    전류, 주파수 또는 펄스폭이 상이한 하나 이상의 전기적 자극을 발생시키는 제 1 제어신호를 송신하는 단계;
    상기 발생된 각 전기적 자극에 대한 반응으로서 감지된 뇌파신호를 수신하는 단계;
    상기 수신된 뇌파신호에서 잡음을 제거하는 단계;
    상기 잡음이 제거된 뇌파신호에서 특징점을 추출하는 단계;
    상기 뇌파신호의 특징점에 기초하여 각 뇌파신호를 커맨드 별로 분류하는 단계; 및
    상기 전기적 자극으로 인하여 체감각의 순응반응이 발생되기 전 또는 순응반응이 발생하는 경우, 상기 전류, 주파수 또는 펄스폭 중 어느 하나를 변경시킨 제 2 제어신호를 송신하는 단계를 포함하는 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발생된 전기적 자극은
    촉각자극을 발생시키되, 신체에 무해하고 사용자의 근육을 수축시키지 않는 정도의 전류, 주파수 또는 펄스폭을 가진 것인 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 뇌파신호는
    EEG장비를 통해 감지된 것인 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 잡음을 제거하는 단계는
    상기 수신된 뇌파신호에서 근전도(EMG)신호와 안전도(EOG)신호의 시간 주파수 성분을 파악하여 선형 분리를 하는 것을 포함하는 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 잡음을 제거하는 단계는
    독립 성분 분석법(Independent Component Analysis)을 이용하여 잡음(Noise)을 제거하는 것을 포함하고, 노치필터(Notch filter) 및 대역 통과 필터를 이용하는 것을 포함하는 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 특징점을 추출하는 단계는
    상기 잡음이 제거된 뇌파신호를 주파수 영역으로 변환하고, 설정된 임계값 이상의 파워값을 갖는 주파수를 추출하는 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 커맨드 별로 분류하는 단계는
    상기 추출된 특징점과 특정 커맨드에 대응하는 특정 주파수와의 관련 정도에 의해 분류하는 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치의 운용 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 기재된 방법을 컴퓨터 상에서 수행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  11. 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치에 있어서,
    데이터 송수신부;
    정상 상태 체감각 유발 전위 발생 애플리케이션이 저장된 메모리; 및
    상기 애플리케이션을 실행하는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는,
    상기 애플리케이션의 실행에 따라 전류, 주파수 또는 펄스폭이 상이한 하나 이상의 전기적 자극을 발생시키는 제 1 제어신호를 송신하고,
    상기 발생된 각 전기적 자극에 대한 반응으로서 감지된 뇌파신호를 수신하고,
    상기 수신된 뇌파신호에서 잡음을 제거하고,
    상기 잡음이 제거된 뇌파신호에서 특징점을 추출하고,
    상기 뇌파신호의 특징점에 기초하여 각 뇌파신호를 커맨드 별로 분류하고,
    상기 전기적 자극으로 인하여 체감각의 순응반응이 발생되기 전 또는 순응반응이 발생하는 경우, 상기 전류, 주파수 또는 펄스폭 중 어느 하나를 변경시킨 제 2 제어신호를 송신하는 것인 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 제어신호에 기초하여 전기적 자극을 발생시키는 자극부를 더 포함하는 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 뇌파신호를 감지하여 상기 송수신부로 전송하는 감지부를 더 포함하는 정상 상태 체감각 유발 전위 발생 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
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