KR100223018B1 - 상관차원을 이용한 뇌파분석 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상관차원을 이용한 뇌파 분석 장치에 관한 것으로, 특히 뇌파시계열로부터 벡터 재구성함에 사용되는 시간지연의 결정과, 상관지수의 상대적 비를 통해 뇌의 상태를 변별하는 상관차원을 이용한 뇌파 분석 장치에 관해 개시된다.

Description

상관차원을 이용한 뇌파분석 장치

본 발명은 상관차원을 이용한 뇌파 분석 장치에 관한 것으로, 특히 뇌파시계열로부터 매립 차원에서의 벡터를 재구성함에 사용되는 시간지연의 결정과, 상관 지수의 상대적 비(이하, 상대상관지수라 함)를 통해 뇌의 상태를 판별할 수 있는 상관차원을 이용한 뇌파 분석 장치에 관한 것이다.

두뇌의 활동을 시공간적으로 파악하는 수단인 뇌파는 임상 및 뇌기능 연구에서 폭 넓게 이용되어 왔다. 최근에는 외부 자극에 의한 뇌파의 변조를 통해 사용자의 정신적 상태를 개선하는 바이오피이드백(Biofeedback)과 뇌파, 심전도, 피부저항 등의 생체신호를 통해 감성을 평가하고 이를 제품 개발에 응용하려는 감성공학, 그리고 언어나 신체의 동작을 거치지 않고 뇌파를 통해 인간과 기계와의 직접적인 인터페이스를 이루려고 하는 두뇌-컴퓨터 인터페이스 분야로 뇌파의 응용 범위는 넓어지고 있다.

상관차원은 카오스 역학적 분석법 중에서 가장 보편적으로 쓰이는 방법으로 알려져 있다. 종래의 상관차원을 이용한 뇌파 분석법은 일반적으로 뇌파 시계열로부터 시간지연을 이용하여 매립 차원에서의 벡터를 구성하는 제1단계, 벡터들에 대한 상관적분을 구하는 제2단계, 상관적분의 국소기울기를 이용해 상관지수를 얻는 제3단계, 매립 차원을 변화시키면서 얻은 상관지수들로부터 상관차원을 얻는 제4단계로 이루어진다. 추계적(stochastic)시계열은 매립차원에 따라 상관지수가 계속 증가하며, 카오스적 계는 상관지수가 일정한 값으로 수렴하게 되며, 그 수렴 값이 상관차원이 된다. 따라서, 상관차원의 측정을 통해, 시계열의 추계적, 카오스적 여부를 판별할 수 있다. 또한 수면시, 간질병 발작시, 뇌파의 상관차원은 정상인의 그것보다 훨씬 낮은 값을 가지므로 뇌질환의 정량적 판별도구로 활용될 수 있다.

그러나, 종래의 상관차원 측정법에서는 제1단계에서, 뇌파시계열로부터 자기 상관 함수와 같은 특정함수를 이용하여 시간지연을 구함으로써 시간지연의 매립차원에 대한 의존성을 무시하였으며, 제4단계에서, 실험에서 얻어지는 뇌파시계열 데이터는 크기가 제한되므로 높은 매립차원에서 상관지수를 얻기 어려웠고, 피험자간의 차이로 인해 신뢰성 있는 상관차원 값을 얻기 어려웠다.

따라서, 본 발명은 시간지연의 매립차원에 대한 의존성을 고려하여 시간지연을 결정하고, 제한된 데이터와 피험자간의 차이 속에서도 신뢰성 있는 두뇌상태 변별 방법을 얻을 수 있는 상관차원을 이용한 뇌파분석 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 상관차원을 이용한 뇌파분석 장치는 전극을 통하여 뇌파를 검출하고 검출한 신호를 증폭장치를 통하여 증폭한 후, 그 증폭된 신호를 아날로그/디지탈 변환기를 통하여 디지털 형태로 변환하여 컴퓨터로 보내며, 상기 컴퓨터 상의 중앙처리부는 피험자의 개인적 차이를 고려하여 다른 상태들에서 얻어진 상관지수들 간의 상대적 비를 구하는 수단, 상기 상관 지수들 간의 상대적 비를 이용하여 피험자들에 대한 평균값을 구하여 두뇌상태를 변별하는 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상관지수들 간의 상대적 비를 구하는 수단은 뇌파시계열로부터 매립차원에서 벡터를 재구성함에 사용되는 각 매립차원에서 최적의 시간지연을 결정하여 과소 또는 과대 평가를 방지하는 것을 특징으로 한다.

종래의 시간지연 결정법은 매립차원과는 관계없이 단일한 값을 주게 되어, 상관지수의 과소 또는 과대 평가를 가져오는 반면, 본 발명에서의 시간지연 측정법은 각 매립차원에서 최적의 시간지연을 결정하도록 되어 있어, 상관지수의 과소 또는 과대 평가를 방지한다. 그리고, 상관차원은 피험자간의 편차가 커서 그 평균값으로 두뇌의 상태를 변별하는데 어려움이 있는 반면, 본 발명의 상대상관지수는 다른 상태들에서 얻어진 상관지수의 상대적 비를 구함으로서 피험자간의 개인적 차이를 해결한다. 또한, 상대상관지수는 상관차원이 얻어지기 전의 낮은 매립차원에서도 그 기능을 다하므로, 임상 및 실험에서 얻어지는 크기가 제한된 데이터에 대해서도 효과적이다.

제1(a)도 내지 제1(e)도는 뇌파 시계열에 대한 상관 차원 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 구성도.

제2도는 시간지연의 변화에 따른 국소기울기의 변화를 나타낸 그래프.

제3(a)도 및 제3(b)도는 두 개의 다른 두뇌 상태에서 뇌파의 상관지수와 상대 상관지수를 나타낸 그래프.

제4도는 상관차원을 이용한 뇌파분석 장치의 구성도.

제5도는 상관차원을 이용한 뇌파분석 장치를 설명하기 위해 도시한 흐름도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

제1(a)도 내지 제1(e)도는 뇌파 시계열에 대한 상관차원 측정 방법을 설명하기 위해 도시한 구성도이다.

제1단계에서 N개의 데이터로 이루어진 뇌파계열(11)로부터, 시간지연τ를 이용하여 n차원 매립공간에서의 N'개의 벡터(12)를 재구성할 수 있다. 이때 N'=N-(n-1)τ이다. 뇌파 시계열(11)을 {V₁, V₂, V₃, .....V_N-1, V_N}로 표시하면, n 매립차원에서의 벡터(12)X_i는 다음과 같이 n개의 성분을 갖는 벡터로 표현된다.

제2단계에서, 두 벡터들 사이의 거리가 주어진 거리 r보다 작은 벡터 쌍들의 개수가 상관적분(13)C(r)이다. 제3단계에서, 상관적분(13)은 작은 r에 대해서 C(r)∼r^d의 축척을 보이는데, 지수 d가 상관지수(15)이다. 상기한 축척을 보이는 영역을 찾기 위해 국소기울기(상관적분의 대수적 그림에서 최인접점들 사이의 기울기, d 1nC(r)/d 1n r)(14)에서 평평한 부분(이하, 평원이라 함)을 찾는다. 그 부분에 대해 상관적분의 대수적 그림에서 최소자승법으로 상관지수(15)(d)를 구한다.

제2도는 시간지연의 변화에 따른 국소기울기의 변화를 나타낸 그래프이다.

시간지연의 변화에 따라 국소기울기(14)는 변화하는데, 시간지연의 값이 증가함에 따라 상관지수(15)는 과대평가(21), 최적평가(22)를 거쳐 과소평가(23)에 이르게 된다. 또한 매립차원이 커짐에 따라 최적평가(22)에 대한 시간지연은 감소하게 된다. 따라서, 종래의 자기상관함수 또는 상호정보량과 같은 특정함수에서 얻어지는 시간지연은 매립차원과는 관계없이 단일한 값을 가지므로, 매립차원에 따라 상관지수(15)의 과소평가(23), 과대평가(21)를 피할 수 없다. 본 발명에서는 각 매립차원에서 계산된 상관적분(13)의 국소기울기(14)에서 평원을 최대로 하는 시간지연(최적평가)를 피이드백 방식(1단계→2단계→3단계→1단계→......)으로 찾아 과소평가(23), 과대평가(21)를 방지한다.

제4단계에서, 상기한 제1, 제2, 제3단계의 과정을 매립차원의 값을 변화시키면서 반복한다. 추계적이지 않고, 카오스적인 계에서는 상관지수(15)의 값이 일정한 값으로 수렴하는데, 그 값이 상관차원(16)이다. 그러나 임상 또는 실험에서 얻어지는 뇌파시계열의 데이터는 제한되어 있어, 매립차원의 값이 큰 경우 국소기울기에서 평원을 찾기 힘들다. 또한, 두뇌의 다른 상태에서 측정된 뇌파에서 얻어진 상관차원의 값으로 두뇌의 상태를 변별하려할 때, 피험자 개인에 따라 상관차원의 값이 크게 달라 피험자에 대해 평균이 취해진 상관차원은 큰 편차로 인해 두뇌상태의 변별 방법으로서 적합하지 않게 된다.

본 발명에서는 피험자에 대해 평균이 취해진 상관차원 대신, 피험자 개인의 다른 상태들에서 얻어진 상관지수들의 비를 구하고, 그후에 피험자들에 대한 평균을 얻는다.

제3(a)도 및 제3(b)도는 두 개의 다른 두뇌 상태에서 뇌파의 상관지수와 상대 상관지수를 나타낸 그래프이다.

a, b의 두 상태에서 측정된 뇌파에 대한 상관지수(31)를 보인 것이다. 피험자간의 편차가 커서 상관차원(또는 상관지수)들로부터는 A상태와 B상태를 변별할 수 없다. 본 발명에서는, 피험자 개인에 대해 A상태에서 얻은 상관지수(dA)와 B상태에서 얻은 그것(dB)사이의 상대적인 비인 상대상관지수(32)(dB/dA)를 구하고, 이것을 피험자에 대해 평균을 취함으로써, 피험자에 대한 편차를 고려하더라도 신뢰성 있게 A상태와 B상태를 구별할 수 있도록 하였다.

제3(b)도에 도시한 바와 같이, 상대상관지수(32)는 편차를 고려하더라도 1보다 크다고 할 수 있다. 따라서 피험자 개인에 대해 A, B두 상태를 변별할 수 있다.

제4도는 본 발명에 따른 상관차원을 이용한 뇌파분석 장치의 구성을 보인다.

또한, 제5도는 각 장치에서 정보의 흐름을 보인다. 제4도 및 제5도를 참고로 먼저, 전극(1)을 통하여 뇌파를 검출하고(S1)검출한 신호를 증폭기(2)를 통하여 증폭한 후(S2), 그 증폭된 신호를 아날로그/디지털 변환기(3)를 통하여 디지털 형태로 변환하여(S3) 컴퓨터(4)로 보내게 된다. 그러면 상기 컴퓨터(4)는 전술한 바와 같은 상관차원을 이용한 뇌파 분석(S4)을 통하여 뇌파를 분석한다. 그후, 이러한 두뇌상태의 판별을 화면에 표시하게 된다(S5).

상술한 바와 같이, 종래의 시간지연 결정법은 매립차원과는 관계없이 단일한 값을 주게되어, 상관지수의 과소 또는 과대평가를 가져오는 반면, 본 발명에서의 시간지연 측정 방법은 각 매립차원에서 최적의 시간지연을 결정하도록 되어 있어 과소 또는 과대 평가를 방지한다.

그리고, 상관차원은 피험자간의 편차가 커서 그 평균값으로 두뇌의 상태를 변별하는데 어려움이 있는 반면, 본 발명의 상대상관지수는 피험자의 개인적 차이를 고려하여 다른 상태들에서 얻은 상관지수들 간의 상대적 비를 구함으로써 피험자간의 차이를 해결한다.

또한, 상대상관지수는 상관차원이 얻어지기 전의 낮은 매립차원에서도 그 역할을 다하므로, 임상 및 실험에서 얻어지는 제한된 데이터에 대해서도 유용하다.

따라서, 정상인의 인지적 또는 감성적 상태의 변별을 위한 도구로 사용될 수 있다.

Claims (2)

1. 전극을 통하여 뇌파를 검출하고 검출한 신호를 증폭장치를 통하여 증폭한 후, 그 증폭된 신호를 아날로그/디지탈 변환기를 통하여 디지털 형태로 변환하여 컴퓨터로 보내며, 상기 컴퓨터 상의 중앙처리부는 피험자의 개인적 차이를 고려하여 다른 상태들에서 얻어진 상관지수들 간의 상대적 비를 구하는 수단, 상기 상관 지수들 간의 상대적 비를 이용하여 피험자들에 대한 평균값을 구하여 두뇌상태를 변별하는 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 상관차원을 이용한 뇌파분석장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 상관지수들 간의 상대적 비를 구하는 수단은 뇌파시계열로부터 매립차원에서 벡터를 재구성함에 사용되는 각 매립차원에서 최적의 시간지연을 결정하여 과소 또는 과대 평가를 방지하는 것을 특징으로 하는 상관차원을 이용한 뇌파분석장치.