KR100282733B1 - 헤드밴드를 이용한 실시간 뇌파측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피험자로부터 뇌파를 측정하여 뇌파 분석용 컴퓨터에 구비된 직렬포트를 통하여 실시간으로 전달하는 실시간 뇌파측정장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 뇌파측정장치는 다수의 전극들을 사용하여 상기 피험자 두피의 소정의 위치들에서의 다수 채널의 뇌파신호들을 감지하는 뇌파감지부; 뇌파감지부에서 감지된 다수 채널의 뇌파신호들의 진폭을 증폭하는 증폭부; 증폭된 다수 채널의 뇌파신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하는 아날로그/디지털변환부; 아날로그/디지털변환부에서 산출된 각 채널의 디지털값을 실시간 부호화하는 부호화부; 부호화부에 의해 부호화된 뇌파신호를 직렬포트로 전송하는 컴퓨터인터페이스부를 구비한 인터페이스부; 및 인터페이스부와 유선으로 접속되고, 직렬포트에 접속하는 직렬포트접속부를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 뇌파 분석용 컴퓨터 내부에 별도의 뇌파처리 하드웨어를 구비하지 않더라도 뇌파 분석용 컴퓨터의 하나의 직렬포트를 통하여 여러 채널의 뇌파신호를 실시간으로 감지하여 전송할 수 있다.

Description

헤드밴드를 이용한 실시간 뇌파측정장치{Real-time brain wave estimation apparatus using a headband}
본 발명은 뇌파를 측정하는 장치에 관한 것으로, 특히 피험자로부터 뇌파를 측정하여 뇌파 분석용 컴퓨터에 구비된 직렬포트를 통하여 실시간으로 전달하는 실시간 뇌파측정장치에 관한 것이다.
뇌파는 인간의 두피에서 측정되며, 수십 마이크로 볼트의 전위차와 주로 30㎐ 이하의 주파수를 지닌 파장으로서, 인간의 의식상태를 반영하는 물리값이다. 뇌파에는 알파파, 베타파, 쎄타파 및 델타파 등 4가지 종류가 있다. 베타파는 13㎐ 이상의 주파수를 지닌 뇌파로서, 보통 인간의 오감이 기능할 때의 일상활동에 관련되어 있다. 알파파는 8 ~ 13㎐의 주파수를 지닌 뇌파로서, 이완된 창조적 상태에 관련되어 있다. 쎄타파는 4 ~ 8㎐의 주파수를 지닌 뇌파로서, 학습장애를 지닌 청소년에게서 종종 발견된다. 델타파는 0.5 ~ 4㎐의 주파수를 지닌 뇌파로서, 정상 수면 상태에서 전형적이다. 현재까지, 뇌파에 관한 많은 연구가 이루어지고 있으나 뇌파에 담겨있는 정보를 충분히 해석하지는 못하여, 그 판독은 아직 난해한 문제로 남아있다.
뇌파를 판독하는 방법으로는 시간 영역에서의 판독 방법과 주파수 영역에서의 판독 방법이 있다. 시간 영역에서의 뇌파를 판독하는 것은 많은 경험과 숙련이 요구되는 것이며, 미세한 차이를 구분하기 어렵다. 현재 널리 사용되는 주파수 분석 방법에서는 실시간으로 피험자의 상태를 쉽게 판독할 수 있도록 측정된 신호를 처리하는 것이 필요하다.
종래의 뇌파측정장치는 주로 페이스트(paste)를 이용하여 피험자의 두피에 부착하는 컵전극을 사용하고, 측정된 다수 채널의 뇌파신호들을 입력하고 분석하기 위해서는 뇌파 분석용 컴퓨터에 별도의 내장형 카드를 구비하여야 한다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 뇌파 분석용 컴퓨터 내부에 별도의 뇌파처리 하드웨어를 구비하지 않더라도 뇌파 분석용 컴퓨터의 직렬포트를 통하여 4채널의 뇌파신호를 감지하여 제공하는 뇌파측정장치를 제공함을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 뇌파측정장치의 사용 환경을 개념적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 뇌파측정장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에서 사용되는 헤드밴드의 구조를 헤드밴드를 피험자의 머리에 착용한 상태에서 상측에서 본 단면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 헤드밴드를 정면에서 바라본 도면이다.
도 3c는 도 3a에 도시된 헤드밴드를 후면에서 바라본 도면이다.
도 3d는 도 3b에서 A에서 A' 사이를 자른 경우의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 부호화 과정을 설명하기 위한 도면이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 피험자의 두피로부터 뇌파를 측정하여 뇌파를 분석하는 컴퓨터에 구비된 하나의 직렬포트로 전달하는 뇌파측정장치는 다수의 전극들을 사용하여 상기 피험자 두피의 소정의 위치들에서의 다수 채널의 뇌파신호들을 감지하는 뇌파감지부; 상기 뇌파감지부에서 감지된 다수 채널의 뇌파신호들의 진폭을 증폭하는 증폭부; 상기 증폭된 다수 채널의 뇌파신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하는 아날로그/디지털변환부; 상기 아날로그/디지털변환부에서 산출된 각 채널의 디지털값을 실시간 부호화하는 부호화부; 상기 부호화부에 의해 부호화된 뇌파신호를 상기 직렬포트로 전송하는 컴퓨터인터페이스부를 구비한 인터페이스부; 및 상기 인터페이스부와 유선으로 접속되고, 상기 직렬포트에 접속하는 직렬포트접속부를 포함함을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 뇌파측정장치의 사용 환경을 개념적으로 도시한 것이다. 도 1에 의하면 피험자가 전극이 부착된 헤드밴드(1)를 착용하거나 피험자의 두피에 컵전극(2)을 부착하거나 헤드밴드(1) 및 컵전극을 모두 사용하게 되면, 이 전극들과 유선으로 연결된 인터페이스부(3)는 두피에 나타나는 수십 마이크로 볼트의 전압을 수 볼트의 전압으로 증폭한 다음 디지털 값으로 변환하고 컴퓨터(4)가 직렬포트를 통해 읽을 수 있도록 부호화한다. 컴퓨터(4)는 뇌파신호를 고속 푸리에변환하여 각 주파수 대역별로 뇌파의 강도를 구한다.
도 2에 의하면, 본 발명에 의한 뇌파측정장치의 일실시예는 뇌파감지부(20), 인터페이스부(22) 및 직렬포트접속부(28)를 포함하여 구성된다.
뇌파감지부(20)는 다수의 전극들을 사용하여 피험자 두피의 소정의 위치들에서의 4개의 채널의 뇌파신호들을 감지한다. 본 발명의 일실시예에서 뇌파감지부(20)는 2채널의 헤드밴드와 2채널의 컵전극들을 구비한다. 2채널의 헤드밴드는 전두엽에서의 뇌파를 간편하게 측정하기 위한 것이고, 2채널의 컵전극들은 전두엽 이외의 위치, 즉 두정엽, 측두엽 또는 후두엽 부분 중 측정하고자 하는 부위에서의 뇌파를 선택적으로 측정하기 위한 것이다.
인터페이스부(22)는 뇌파감지부와 유선으로 접속되는데, 잡음방지를 위해 실드선이 사용되는 것이 바람직하다. 인터페이스부(22)는 증폭부(23), 아날로그/디지털변환부(24), 부호화부(25) 및 컴퓨터인터페이스부(26)를 구비한다. 증폭부(23)는 뇌파감지부(20)에서 감지된 미약한 뇌파신호들의 진폭을 증폭하는데, 먼저 잡음제거를 위해 뇌파신호들을 필터링한 후, 대략 50,000배 증폭한다. 아날로그/디지털변환부(24)는 증폭된 다수 채널의 뇌파신호들을 각각 1초에 120번 샘플링하여, 디지털값으로 변환한다. 부호화부(25)는 각 채널의 식별자와 각 채널별 1바이트의 디지털값을 순차적으로 실시간 부호화한다. 컴퓨터인터페이스부(26)는 부호화부(25)에 의해 부호화된 디지털신호를 컴퓨터의 직렬포트로 전송한다.
직렬포트접속부(28)는 인터페이스부(22)와 유선으로 접속되고, 컴퓨터의 직렬포트에 접속하기 위한 RS232-C 방식의 9핀 커넥터 또는 25핀 커넥터가 사용될 수 있다.
도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d 및 도 3e는 본 발명의 일실시예로서 사용되는 헤드밴드의 구조를 도시한 것이다. 도 3a는 본 발명의 일실시예로서 사용되는 헤드밴드를 피험자의 머리에 착용한 상태에서 상측에서 본 단면도이다. 피험자가 헤드밴드를 착용하였을 때, 헤드밴드에 부착된 5개의 전극(30)들은 피험자의 앞이마(즉, 전두엽 부위)에 밀착되고, 헤드밴드를 피험자의 머리에 고정시키기 위한 잠금장치(32)는 피험자의 뒷머리 부위에 위치한다. 헤드밴드는 실드선(34)을 통해 증폭부(23)에 연결된다.
도 3b는 도 3a에 도시된 헤드밴드를 정면(헤드밴드를 착용한 상태에서 피험자의 머리와 접촉되지 않는 부분)에서 바라본 도면이다. 헤드밴드의 정면은 연질의 PVC(Polyvinyl chloride) 부재(36)로 감싸여 있다.
도 3c는 도 3a에 도시된 헤드밴드를 후면(헤드밴드를 착용한 상태에서 피험자의 머리와 접촉되는 부분)에서 바라본 도면이다. 헤드밴드의 후면은 연질의 PVC 부재(36) 위에 제1쿠션(38)이 형성되어 있고, 제1쿠션(38)에 5개의 전극(30)들이 부착되어 있다. 연질의 PVC 부재(36)와 전극(30)들 사이에 부착된 제1쿠션(38)은 각 피험자의 머리의 크기와 모양에 관계없이 전극(30)들이 두피에 적절하게 밀착되도록 한다.
도 3d는 도 3b에서 A에서 A' 사이를 자른 경우의 단면도이다. 전극접속부(44)는 얇고 탄력이 있는 제1쿠션(38)에 의해 측면이 지지되어 부착되어 있고, 전극접속부(44)와 연질의 PVC 부재(36) 사이에는 연질 PCB(Printed Circuit Board)(40)가 위치한다. 전극접속부(44)와 연질 PCB(40)와의 접속방법으로는 여러 형태의 구현이 가능한데, 예를 들어 나사를 이용한 기계적인 힘을 이용하여 접촉을 유지할 수 있다. 연성 PCB 뒷면에는 제2쿠션(42)이 들어있어 착용감과 두피에의 밀착을 돕는다. 전극을 장시간 사용하는 경우 이물질이 코팅되거나 전극의 부식, 전극의 손상(예를들면, 도면이 벗겨지는 경우)이 일어날 수 있다. 이때, 인체와의 접촉저항이 커져서 측정이 부정확해지는 것에 대비하여 본 발명에 의한 헤드밴드의 일실시예에서의 전극(30)은 탈착식으로 교체가 가능하도록 구성된다. 즉, 전극(30)에는 전극접속부(44)와의 물리적인 탈착이 가능하도록 돌출부가 형성되어 있다. 그리고, 전극접속부(44)는 전극(30)의 돌출부와 결합하기 위한 홈이 구비된다.
도 3e는 도 3d에 도시된 연성 PCB(40)를 도시한 것이다. 5개의 전극(30)들 중, 중앙 전극은 접지전극, 왼쪽 2개 전극들은 좌뇌 전두엽 부위의 뇌파를 측정하기 위한 전극들, 오른쪽 2개의 전극들은 우뇌 전두엽 부위의 뇌파를 측정하기 위한 전극들로 사용된다. 전극(30)은 피험자의 머리에 부착된 경우 상하 방향으로 길고, 좌우 방향으로 짧은 것이 바람직하다(예를들면, 타원 형태). 각 피험자별 머리모양과 크기가 다르므로 5개 전극이 너무 넓게 퍼져 있으면 접촉불량이 발생하기 쉽다. 따라서, 좌우 방향의 넓이를 짧게 하기 위하여 전극의 크기도 좌우 방향으로 너무 크기 않은 것이 바람직하고, 충분한 접촉면적을 유지하기 위해서는 상하 방향으로는 긴 형태가 바람직하다. 전극은 전도성이 좋고 부식이 되지 않은 금속(예를들면, 금도금 금속)을 사용하는 것이 바람직하다.
전극들에 연결된 5개의 도선들은 증폭부(23)로 연결되며, 잡음방지를 위하여 실드선(34)이 사용된다. 이때, 전극(30)과 실드선(34) 사이의 연결은 연성 PCB(40)를 통해 이루어진다. 연성 PCB(40)는 전극(30)과 접촉되는 전극 패드(44)와 실드선(34)과 연결되는 실드선 패드(46) 및 이들 패드들을 연결하는 배선으로 이루어진다. 전극(30)과 전극 패드(44) 사이의 접촉은 기계적으로 이루어지고, 실드선(34)과 실드선 패드(46)와의 접촉은 납땜으로 연결된다. 연성 PCB(40)는 피험자의 머리 모양에 따라 변형되는 헤드밴드의 구조 내부에서 설치되어 장시간 사용되더라도 접촉불량이 발생되는 것을 방지한다. 본 발명의 일실시예에서 사용되는 연성 PCB(40)는 양면 PCB로서, PCB 뒷면인 전면접지면에는 접지전극이 연결되고, 또한 실드선의 접지선에 연결된다. 실드선(34)을 구성하는 실드도선들은 각각 증복부(23)의 실딩 케이스 또는 접지면에 연결된다. 이와 같은 구조에 의해 헤드밴드의 두피 전극(30)과 증폭부(23)까지의 연결이 실딩되고, 결과적으로 잡음의 혼입이 방지된다.
증폭부(23)는 좌뇌를 뇌파를 측정하는 왼쪽 2전극 사이의 전위차를 증폭하여 하나의 채널의 뇌파신호를 산출하고, 우뇌의 뇌파를 측정하는 오른쪽 2전극 사이의 전위차를 증폭하여 또 다른 하나의 채널의 뇌파신호를 산출한다.
도 4는 본 발명에 의한 부호화 과정을 설명하기 위한 도면이다. 문자 'A' 다음에는 채널1의 1바이트의 데이터가, 문자 'B' 다음에는 채널2의 1바이트의 데이터가, 문자 'C' 다음에는 채널3의 1바이트의 데이터가, 문자 'D' 다음에는 채널4의 1바이트의 데이터가 위치하도록 한다. 여기서, 각 채널별로 식별자를 둔 것은 전송 오류를 최소화하기 위함이다. 수신단에서는 각 채널별 식별자가 확인되지 않은 데이터는 버리게 된다. 이와 같이 부호화된 뇌파신호는 1초에 120번 전송됨으로써, 컴퓨터의 하나의 직렬포트로 여러 개의 뇌파채널을 실시간으로 송신할 수 있다.
본 발명에 의한 피험자의 두피로부터 뇌파를 측정하여 뇌파를 분석하는 컴퓨터에 구비된 하나의 직렬포트로 전달하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 다수의 전극들을 사용하여 피험자 두피의 소정의 위치들에서의 다수 채널의 뇌파신호들을 감지한다. 이때 페이스트를 사용하지 않고 간편하게 측정하고자 할 때에는 도 3a 내지 도 3e에 도시된 헤드밴드를 사용한다. 제안된 구조에서는 2채널의 뇌파를 측정할 수 있으나, 동일한 발명 사상에 의해 1채널의 뇌파를 측정하는 헤드밴드 및 3채널 이상의 뇌파를 측정하는 헤드밴드도 용이하게 구현할 수 있다. 또한, 2채널 헤드밴드를 2인이 동시에 사용하면 2인의 뇌파를 동시에 측정하는 4채널 모드가 된다. 한편, 1인의 피험자가 사용할 경우에는 2채널은 헤드밴드 전극들에 할당되고, 나머지 2채널은 헤드밴드로 측정하기 어려운 부위에서 다른 전극(예를 들면, 컵전극)을 사용하여 측정하거나, 4채널 모두 헤드밴드의 전극과는 다른 전극을 사용할 수도 있다.
이와 같이 감지된 다수 채널의 뇌파신호들의 진폭을 증폭하고, 증폭된 다수 채널의 뇌파신호들을 각 채널별로 디지털화하며, 각 채널별의 디지털값들을 각 채널의 식별자와 함께 실시간 부호화한다. 부호화된 뇌파신호는 뇌파를 분석하는 컴퓨터에 구비된 하나의 직렬포트로 전송되어 분석된다.
본 발명에 의하면, 2채널의 헤드밴드와 2채널의 컵전극들은 구비하여 뇌파 측정의 목적에 따라 적절하게 응용할 수 있다.
또한, 뇌파 분석용 컴퓨터 내부에 별도의 뇌파처리 하드웨어를 구비하지 않더라도 뇌파 분석용 컴퓨터의 직렬포트를 통하여 여러 채널의 뇌파신호를 실시간으로 감지하여 전송할 수 있다.

Claims (5)

  1. 피험자의 두피로부터 뇌파를 측정하여 뇌파를 분석하는 컴퓨터에 구비된 하나의 직렬포트로 전달하는 뇌파측정장치에 있어서,
    다수의 전극들을 사용하여 상기 피험자 두피의 소정의 위치들에서의 다수 채널의 뇌파신호들을 감지하는 뇌파감지부;
    상기 뇌파감지부와 유선으로 접속되고, 감지된 다수 채널의 뇌파신호들을 증폭하고, 증폭된 다수 채널의 뇌파신호들을 디지털화하고, 실시간부호화하는 인터페이스부; 및
    상기 인터페이스부와 유선으로 접속되고, 상기 직렬포트에 접속하는 직렬포트접속부를 포함함을 특징으로 하는 뇌파측정장치.
  2. 제1항에서, 상기 인터페이스부는
    상기 뇌파감지부에서 감지된 다수 채널의 뇌파신호들의 진폭을 증폭하는 증폭부;
    상기 증폭된 다수 채널의 뇌파신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하는 아날로그/디지털변환부;
    상기 아날로그/디지털변환부에서 산출된 각 채널의 디지털값을 실시간 부호화하는 부호화부; 및
    상기 부호화부에 의해 부호화된 뇌파신호를 상기 직렬포트로 전송하는 컴퓨터인터페이스부를 구비함을 특징으로 하는 뇌파측정장치.
  3. 제2항에서, 상기 부호화된 뇌파신호는
    각 채널의 식별자 및 각 채널에 대응하는 디지털값이 순차적으로 포함하고,
    상기 식별자 및 상기 디지털값은
    각각 1바이트의 값임을 특징으로 하는 뇌파측정장치.
  4. 제2항에서, 상기 뇌파감지부는
    피험자의 좌우 전두엽의 뇌파를 측정하는 2채널의 헤드밴드; 및
    2채널의 컵전극들을 구비함을 특징으로 하는 뇌파측정장치.
  5. 제1항에서, 상기 뇌파감지부는
    띠 형태의 기본부재;
    상기 기본부재 위에 설치되고, 다수의 전극 패드들, 다수의 실드선 패드들 및 상기 다수의 전극 패드들과 상기 다수의 실드선 패드들을 연결하는 배선들을 구비한 연성 PCB;
    각각 상기 전극 패드들과 대응되고, 탈착을 위한 돌출부를 지닌 다수의 전극들; 및
    각각 상기 전극 패드들과 대응되고, 그 일단은 대응하는 전극 패드와 접촉되고, 그 타단은 대응하는 전극의 돌출부와 물리적으로 결합되는 홈을 구비한 다수의 전극접속부를 구비한 헤드밴드임을 특징으로 하는 뇌파측정장치.
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