KR100508885B1 - 뇌파 파라미터를 사용한 뉴로피드백 훈련을 위한 무선 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지속적으로 변하는 뇌파 활동 수준에 관한 정보를 시각과 청각의 자극의 형태로 제공해 줌으로써 개인으로 하여금 뇌파 활동에 따른 뇌파의 특성을 변화시켜 훈련을 하도록 하는 뉴로피드백 훈련 무선 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 뉴로피드백 시스템은 전극이 부착된 헤드셋을 통해 두피로부터 생체전기 신호를 추출하는 뇌신호 검출부, 헤드셋으로부터 검출된 신호를 증폭, 필터링, 디지털 변환을 하여 그 신호를 무선으로 송신해주는 뇌신호 데이터 무선 송신부, 송신된 신호를 무선으로 수신하고 뉴로피드백 실행부와의 직렬 송수신을 담당하는 뇌신호 데이터 무선 수신부, 그리고 뇌신호 데이터 수신부로부터 수신된 직렬신호를 분석하여 개인의 정신생리적 상태를 디스플레이하고 게임의 형태로 뉴로피드백 훈련을 할 수 있게 한 뉴로피드백 실행부로 구성되어 있다.

또한, 본 발명의 방법은 머리에 쓰게 되어 있는 일련의 전극이 구비된 헤드셋으로부터 생체전기 신호(뇌파(EEG), 안전도(EOG), 근전도(EMG))를 추출하고, 그 신호를 뇌신호 데이터 무선 수신부와 직렬포트로 연결되어 있는 원격지에 위치되어 있는 호스트 컴퓨터에 무선 송신하여, 그래프, 수치, 영상 및 청각 신호의 형태로 뇌파(Electroencephalogram, 이하 EEG) 전류 활동 수준에 관한 정보를 모니터에 디스플레이하여, 개인으로 하여금 컴퓨터 게임의 형태로 설정된 훈련 세션과 프로토콜을 포함하는 뉴로피드백 훈련을 실행하도록 한다.

Description

뇌파 파라미터를 사용한 뉴로피드백 훈련을 위한 무선 시스템 { Wireless telemetric system and method for neurofeedback training using parameters of electroencephalogram(EEG) }

본 발명은 뇌파의 스펙트럼 특성에 기초하여 초점적 주의나 지속적 주의를 포함한 사용자의 정신 상태를 변화시키기 위한 뉴로피드백 훈련을 위한 무선 시스템과 피드백 방법을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해서 가볍고 편리하며 신뢰성 있는 뇌파 신호를 전송해 주는 스프레드 스펙트럼 무선 송수신 기술을 적용한 무선 RF 뇌파 전송 시스템을 개발함으로써 유선으로 인해 종래 사용자가 느꼈던 불편함을 제거함과 동시에 그 사용 범위도 확장시키고자 한다.

본 발명은 뉴로피드백(neurofeedback) 훈련을 위한 무선 시스템과 그 방법에 관한 것이며, 구체적으로 본 발명은 뇌파 활동의 파라미터에 의해 통제되는 일반 뉴로피드백 훈련 프로토콜이나 컴퓨터 게임으로 설계된 훈련을 이용하여 이완이나 주의 상태를 유도하거나 수행을 향상시킬 목적으로 뇌파의 실시간 스펙트럼 분석에 의해 도출된 파라미터에 기초하여 뉴로피드백을 실시하기 위한 라디오 텔레메트릭(Radio telemetric; 이하 무선 RF 송수신이라 부름) 시스템과 그 방법에 관한 것이다.

본 발명은 세 가지 주제 영역과 관련될 수 있다: 1) 바이오피드백(특히 뇌파(Electroencephalogram, 이하 EEG) 바이오피드백, 혹은 뉴로피드백), 2) 정신 상태와 관련된 뇌파(이하, EEG), 특히 인간 조작자의 수행에 적용될 수 있는 주의력 향상이나 주의-관련 장애를 가진 환자의 인지 기능 향상에 적용되는 뉴로피드백 절차, 그리고 3) 실시간 모니터링과 뉴로피드백 시스템을 위한 뇌파(EEG) 신호의 RF 무선 송신이다.

바이오피드백은 사람에게 이전에는 직접적으로 지각하지 않았던 한 가지 이상의 생리적 활동을 실시간으로 보여주고 이러한 생리적 피드백 정보를 활용하여 의도된 방향으로 생리적 활동을 변화시키도록 훈련을 시키고, 요구된 변화 목표에 도달할 때 보상을 해 줌으로써 바람직한 정신생리적 상태를 유도할 수 있게 해주는 기술이다. 바이오피드백 훈련은 생리 심리학과 응용 생리학에서 사용되는 조작적 조건화(operant conditioning)와 유사하다. 바이오피드백 기법은 선택된 어떤 생리적 활동(예, 심전도)의 획득과 처리를 위해 실시간으로 측정되는 선택된 목표 파라미터(예, 심장박동)의 제시로 구성될 수 있다. 목표 파라미터가 사전에 선택된 역치 수준에 도달될 때, 사용자는 그에 대한 보상으로 피드백 신호를 받게 된다. 예를 들어, 심장박동 바이오피드백을 수행하는 동안 분당 심박수가 75에서 70으로 떨어지고, 훈련의 목표가 심장박동을 분당 70으로 감소시키는 훈련 역치로 설정되어 있다면, 그에 대한 즉각적인 보상으로 청각 신호가 주어질 수 있다.

뉴로피드백은 사용자의 생리적 활동으로 뇌파(EEG)만을 사용하는 것을 의미한다. 즉 고속퓨리에 변환(Fast Fourier Transform 이하, FFT) 등에 의해 얻어진 특정한 대역폭의 스펙트럼 파워와 같은 선택된 뇌파(EEG) 활동이 바이오피드백을 위한 목표로서 사용된다. 뇌파(EEG)는 뇌에 의해 생성된 생체전기 활동(약 0.5에서 42 Hz의 주파수 범위에서 10-100 μV의 피크 진폭)으로 그 활동 신호는 전형적으로 두피에 부착된 센서에 의해 기록된다. 보다 정확하게 말하면, 여러 개의 뇌파(EEG) 전극, 즉 센서들이 두피의 표준화된 위치에 부착되어 내부 대뇌피질에 의해 생성되는 지속적이며, 자발적인 유발 생체전기 활동을 측정하게 된다. 피질에서 발생하는 많은 인지적 및 다른 정신 과정(예, 주의)이 특별한 생체전기 피질 활동과 관련되어 있으며, 뇌 활성화 상태 또한 이러한 뇌파(EEG) 파라미터에 의해 평가될 수 있다. 여러 인지 및 정신상태를 특징지어주는 다양한 뇌파(EEG)의 진폭 및 주파수 파라미터들이 있으며, 고속퓨리에 변환(FFT) 분석은 정의된 진폭의 뇌파(EEG) 리듬 활동 파라미터들을 평가하기 위한 가장 일반적인 방법 가운데 하나이다.

일반적으로 네 가지의 주요 뇌파(EEG) 대역들이 제시되어 있다. 일반적으로 눈을 뜨고 주의집중을 하거나 경계 상태에 있을 때 발생하는 베타리듬(13.0-40.0 Hz), 눈을 감은 상태에서 보다 이완되어 있으며, 경계가 늦추어졌을 때 주로 발생하는 알파 리듬(8.0-12.0 Hz), 보다 느린 뇌파 활동으로 특징지어지는 백일몽을 꾸는 것과 같은 상태에서 주로 발생하는 세타 리듬(4.0-8.0 Hz), 수면과 때때로 병리적인 뇌 활동과 관련되는 델타 리듬(0.5-4.0 Hz). 이외에도 감각운동 리듬(Sensorymotor Rhythm; SMR, 12.0-15.0 Hz)(이후, SMR이라고 부름)과 같은 특별한 뇌파 리듬도 보고되었다. 과학자 Sterman 등(1974)은 이 리듬이 간질 발작과 관련되어 있다고 보고 하였다.

또한, 감각운동 리듬(SMR)은 운동 과정의 억제와도 관련되어 있다. 그러나 현대 정신생리학에서는 흔히 느린 알파(8.0-10.0 Hz)와 빠른 알파(10.0-13.0 Hz), 느린 베타(13.0-20.0 Hz)와 빠른 베타(20.0-35.0 Hz)와 같이 보다 협소 대역의 리듬 그리고 보다 높은 주파수 대역(예, 감마, 36.0-42.0 Hz)을 사용하고 있다. 현재까지 이 분야에서는 1 Hz에 기초된 협소 EEG 활동 대역들이 그 자체로 어떤 기능적 중요성을 가지고 있으며, 정신 상태와 보다 더 정확하게 상관이 될 수 있는 것으로 알려져 있다.

정신 상태를 통제할 수 있는 능력은 뉴로피드백 훈련에 의해 얻어질 수 있는 것으로 알려져 있다. 정신 상태 통제 능력을 획득시키기 위한 많은 상이한 접근법이 뇌파(EEG) 바이오피드백에 적용되었다.

미국 특허 제 5,406,957는 뇌파 자료의 모니터링, 분석 및 이용에 관한 장치와 방법을 기재하고 있으며, 또 다른 미국 특허 제 4,928,704는 뇌파(EEG) 활동의 효과적인 자발적인 통제 능력을 개발시키기 위한 훈련 장치와 방법을 기재하고 있다. 통제된 실험실 환경에서 뇌파(EEG) 신호를 추출하기 위해 머리의 피질 영역들에 뇌파(EEG) 센서가 부착되고, 이렇게 하여 추출된 신호들은 증폭되고 이미 정의된 하위 주파수 대역인 알파, 세타, 베타 및 델타로 필터링되어 시각, 청각 혹은 촉각 자극의 형태로 사람에게 피드백되어 모니터를 할 수 있게 된다. 그러나 최근의 관심사는 주의를 훈련시키려는 목적으로 뉴로피드백을 사용하는 것이다. 상이한 장치와 뉴로피드백 방법들이 뇌파(EEG) 활동을 사용하여 사용자에게 주의 수준을 알려주고 주의력을 향상시켜주기 위하여 뇌파(EEG) 훈련을 시키기 위해 제안되었다. 미국 특허 제 5,377,100은 사람들의 주의 폭을 향상시키기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법은 뇌파(EEG) 탐지 하드웨어를 통해 사용자의 주의 수준을 난이도별로 구성된 비디오게임과 관련시킴으로써 사용자의 주의력 수준을 향상시키는 훈련 방법을 제공한다. 다른 미국 특허 제 5,447,166은 사용자의 뇌파(EEG) 신호와 물리적 반응을 모니터하고 이 신호와 반응을 변화시키기 위해 컴퓨터 프로그램을 사용하는 신경인지 적응 컴퓨터 인터페이스 시스템을 제안한다. 컴퓨터 신경망은 피훈련자의 초점적 주의 수준을 구체적으로 특징짓는 뇌파(EEG) 신호와 다른 생리적 변수들의 조합을 계산한다. 또한, 미국 특허 제 6,097,981은 무선 적외선 뇌파(EEG) 바이오피드백 시스템을 사용하여 뇌파(EEG) 반응을 분석하고 애니메이션을 통제할 수 있는 장치를 제안한다. 뇌파(EEG) 신호는 컴퓨터 애니메이션을 통제하는 데 사용될 수 있으며, 그러한 애니메이션 가운데 하나가 주의력 향상 게임과 관련되어 있다.

최근에 가장 일반적인 아동의 정신병적 장애 가운데 하나가 주의결핍(Attention Deficit Disorder 이하, ADD) 및 과잉활동 장애(Attention Deficit & Hyperactive Disorder 이하, ADHD)가 사회적 문제로 대두되고 있는 데, 학교 수업 문제, 부모 양육의 어려움, 그리고 대인관계에 문제점을 가지고 있는 이런 장애에 대해 적용되는 수량적 뇌파(EEG)와 뉴로피드백 치료가 아동들의 주의력과 인지 기능을 향상시키고 행동 문제를 감소시키는 중요한 치료기법의 하나로 평가받고 있다. 미국 특허 제 6,097,980은 과잉활동 장애(ADHD)에 대한 QEEG 진단을 위해 주파수 대역의 수와 두피 부착 위치의 수를 간략화시키는 법에 대해 제안한다. 즉 이 방법은 귀를 기준점(AA)하여 하나의 뇌 위치(Cz)에서 두 개의 주파수 대역(4.0-8.0 Hz와 13.0-21.0 Hz)의 FFT 스펙트럼 파워를 분석한다. 따라서 과잉활동 장애(ADHD)와 13.0-21.0 Hz에서 기록된 느린 베타의 파워에 대해 4.0-8.0 Hz의 세타의 파워에 대한 비율의 관계성이 조사된다. 이렇게 하여 계산된 평균은 과잉활동 장애(ADHD)가 없는 정상적인 아동들로부터 얻어진 규준 데이터베이스와 비교되어, 과잉활동 장애(ADHD)의 존재와 그 정도가 경정된다. 과잉활동 장애(ADHD)를 위한 뉴로피드백은 의약 치료에 따른 효과를 보지 못하거나 부작용을 보이는 아동과 성인 환자 모두에게 효과적인 대안으로 제시되고 있으며, 뉴로피드백에 따른 과잉활동 장애(ADHD) 치료 효과에 관한 연구는 훈련을 통해 전두엽이나 감각운동영역에서 발생하는 세타/베타 비율과 세차 대역의 진폭을 감소시킴으로써 괄목할만한 향상을 가져오는 것으로 나타나고 있다.

무선 RF 송신 범위는 뇌파(EEG) 시스템의 중요한 진보를 나타내며, 이 무선 시스템은 종래 의 기술분야에서 뉴로피드백 방법과 간접적으로 관련될 수 있는 몇 가지 응용 분야에 제한적으로 기재되어 있다. 미국 특허 제 5,755,230은 뇌파(EEG)를 포함한 생리적 활동의 모니터링을 목적으로 몇 개 채널을 이용한 RF 송신의 무선 시스템 프로그램에 대해 기재하고 있다. 또한 미국 특허 제 6,001,065는 비디오게임, 영화, 가상현실, 그리고 컴퓨터 애니메이션과 같은 다양한 전자 매체의 적극적 혹은 수동적 통제를 위해 생리 신호(예, EEG와 electromyograph;EMG)를 측정하고 분석하기 위한 단일 채널 RF 모니터링 장치를 제안한다. 이 시스템은 RF 무선 송신 방식으로 뇌파(EEG) 신호를 컴퓨터로 송신하여 가정용 전자제품과 같은 외부 장치를 제어한다.

무선 RF 송신 방식의 주요 장점은 기존의 유선 및 적외선 송신 방식보다 송신 범위가 넓어지며 작은 파워를 가지고도 간편한 뇌파(EEG) 시스템을 구축할 수 있다는 점이다. 생체 의학 분야에 적용하는 데 따른 문제점으로는 허가 없이 사용될 수 있는 주파수 대역(예, 미국의 경우 약 900 MHz)에서 뇌파 무선 RF 전송 신호가 보다 강력한 다른 일차 상용 주파수 파에 의해 간섭을 받을 수 있다는 것이다. 그러나 최근 RF 전송을 위한 스프레드 스펙트럼(spread spectrum) 기술을 뇌파 무선 RF 전송에 적용할 때 그러한 간섭 영향을 충분히 제거할 수 있다. 이전의 실시간 뇌파(EEG) 모니터링이나 뉴로피드백 무선 시스템 구현 기술에서는 그러한 스프레드 스펙트럼 송수신 방식의 적용을 고려하지 않았다.

지금까지 기술된 시스템들과 방법들이 사용자의 주의력 향상에 지향되어 있는 훈련을 포함하여 모두 뉴로피드백 사용을 위한 실시간 뇌파(EEG) 분석에 초점을 맞추고 있다고는 할지라도, 어느 것도 뇌파(EEG)의 스프레드 스펙트럼 무선 RF 전송 바이오피드백 시스템에 기초한 주의력 향상이나 이완 증진을 위한 장치와 그 방법에 초점을 맞추고 있지 않다. 또한 종래의 바이오피드백 시스템은 많은 제한 사항을 가지고 있다. 예를 들어, 미국 특허 제 6,097,981은 뇌파(EEG) 기반 바이오피드백 시스템에 따른 무선 장치와 그 방법에 대해 개진하고 있으나, 기술된 시스템은 적외선 전송을 사용하고 있으며, 그 적용은 주의 향상 게임에만 한정되어 있다. 적외선 전송 시스템의 주요 단점은 송신기 수신기 사이의 통로의 직진성과 거리의 범위에 대한 제한이다. 즉 송신기와 수신기 사이의 거리가 어느 정도 떨어져 있고 그 사이에 어떤 장애물이 있을 때 신호가 수신기에 도달하지 못하거나 왜곡이 일어날 수 있다는 것이다.

또한 종래의 기술은 실제로 순수한 뇌파(EEG) 신호를 추출하는 데 따른 부정확성을 가지고 있다. 즉 두피로부터 뇌파를 추출하는 것으로 가정하는 기존의 기술들은 실제로 근육 활동(예, EMG)이 혼입된 뇌파 신호를 사용하고 있으며, 뇌파로부터 근육활동을 필터링하는 기술이 결여되어 있다. 특히 헤드밴드 형식의 뇌파 센서 장치를 이마(전두엽으로 가정하여)에 부착하여 뇌파를 추출하는 시스템들은 이마에서 발생하는 근육의 움직임, 즉 근전도(이하, EMG라고 부름)은 물론 눈동자의 움직임으로 발생하는 신호, 즉 안전도(이하 EOG라고 부름), 즉 잡음들이 혼입된 신호를 뇌파로 가정하고 있기 때문에 매우 부정확한 뇌파 시스템으로 볼 수 있다. 따라서 이러한 시스템을 통해 사용자로 하여금 통제 능력을 획득하도록 하는 동기를 유지시키지 않은 채, 뇌파(EEG) 활동에 대한 어떤 중요한 수의적 통제 능력을 가르친다는 것은 불가능하다. 바이오피드백 시스템의 성공은 명백하게 통제의 난이도를 조성하고 조절하며, 목표 뇌파(EEG) 파라미터의 정확한 변화를 보상해 줌으로써 사용자로 하여금 훈련을 계속하도록 고무시키는 동기를 제공하는 수단(예를 들어, 게임 등)을 가지고 있어야 한다.

따라서 본 발명은 이러한 문제점들을 인식하고, 종래의 기술에서는 볼 수 없던 중요한 개선과 개발을 꾀하였다.

우선, 본 발명은 여러 뇌 위치에서 뇌파를 추출할 수 있는 시스템의 유연성을 대폭 높였다. 예컨대, 본 발명의 하위 시스템인 전극이 부착된 헤드세트 시스템은 뇌파(EEG) 추출 위치들을 적절하게 조합시킬 수 있게 하였고, 단극 유도법(monopolar configuration)과 양극 유도법(bipolar configuration)을 모두 사용할 수 있게 하였다. 즉, 귓불이나 귀 후면 돌기부분을 접지 그리고 이마의 정 중앙인 Fpz 위치를 기준점으로 하여 전두엽 F3, F4 위치나 감각운동영역 C3, C4 각각에 대해 단극 유도법을 적용시킬 수 있으며, Fp1-Fp2 위치의 경우 Fpz 위치를 접지점으로 하여 양극 유도법을 적용시킬 수 있다. 특히, 귀의 후면 돌출부위를 기준점으로 하고 Fpz 위치를 접지점으로 하여 두개골 상부 정중앙 Cz 위치에서 추출되는 신호에 단극 유도법을 적용하는 경우, 근육이나 눈동자의 움직임으로 일어나는 소음으로부터 영향을 받지 않게 된다.

또한, 본 발명은 뉴로피드백 훈련을 위한 뇌파(EEG) 리듬의 협소 하위 대역을 선택해서 그 조합의 편리성을 성취하였다.

나아가, 본 발명은 저-전력의 무선 RF 전송방법을 적용함으로써 사용자로 하여금 안전하게 무선으로 컴퓨터와 연결할 수 있게 해 주었다.

더 나아가, 본 발명은 다른 무선 RF 전송 출처로부터의 잡음과 간섭을 최소화시키는 것으로 알려진 스프레드 스팩트럼 송수신 방식을 처음으로 적용했다.

본 발명은 주의력을 향상시키고 수행을 증진시키는 데 지향되어 있는 전통적인 뉴로피드백 프로토콜과 게임 기반 훈련 절차 모두를 사용할 수 있게 해 주었다. 시각이나 청각 피드백 통제를 위한 뇌파(EEG) 활동 파라미터들이 이완 및 활동 상태를 나타내는 사용자의 뇌파(EEG) 특성과 비교하여 조정되고 선택되어지며, 또한 규준 데이터베이스와 비교하여 뉴로피드백 훈련의 목표와 역치가 적절하게 선택되고 조절될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 최소한 두 군데 이상의 두피 위치로부터 뇌파(EEG) 활동의 추출, 전처리, 무선 RF 전송, 실시간 분석 및 시청각적 제시를 위한 시스템과 그 방법에 관한 것이다.

본 발명의 구성은 구체적으로 다음과 같이 이루어진다.

사용자의 적어도 하나 이상의 두피 영역으로부터 생체 전기 신호를 검출하는 뇌신호 검출부와, 상기 뇌신호 검출부의 신호를 감지하는 감지 및 처리부와, 상기 감지 및 처리부에서 얻어진 뇌파 파라미터를 뉴로피드백 실행부(컴퓨터)로 무선 RF 전송하기 위한 뇌신호 데이터 송신부와 뇌신호 데이터 수신부간의 양방향 송수신하는 무선시스템과, 뇌신호 파라미터를 사용한 뉴로피드백 훈련을 위한 뉴로피드백 실행부(컴퓨터), 그리고 뉴로피드백을 위해서 뇌신호 파라미터를 사용하는 방법이 제공된다.

여기서, 상기 뇌신호 검출부는 사용자의 이마 또는 전-전두엽, 전두엽, 감각운동 영역으로부터 적어도 하나 이상의 생체전기 신호(안전도(EOG), 근전도(EMG), 뇌파(EEG))를 검출하기 위한 다원 전극 센서 배열로 이루어진다. 여기서, 헤드셋은 이마 정중앙과 양 귓불 또는 귀의 후방 돌출부(mastoid)에 위치하게 된 접지와 참조전극 세트로 이루어진다. 또한, 전극 센서 배열은 생체전기 신호 처리를 위한 단극 또는 양극 유도법의 선택적 적용이 가능하다.

여기서, 상기 전극 센서배열을 통해 사용자의 두피로부터 검출된 신호의 감지 및 처리단을 포함하는 무선 RF 뇌신호 데이터 송신부는 적어도 하나 이상의 뇌파(EEG) 신호와 하나의 안전도(EOG) 또는 근전도(EMG) 신호의 증폭, 필터링, A/D 변환을 위한 전기회로를 포함한다. 또한, 양방향 무선 RF 신호 송수신부는 적어도 하나 이상의 RF 신호에 대한 변조와 복조를 위한 스프레드 스펙트럼 송수신 수단을 포함한다. 그러나 스프레드 스펙트럼 송수신 수단 대신에, 주파수 천이 키잉(Frequency Shift Keying), 위상 천이 키잉(Phase Shift Keying), FM(Frequency Modulation) 변환 수단이 사용될 수도 있다. 또한, 양방향 무선 RF 신호 송수신부는 RS-232C 방식이나 USB의 직렬 입출력장치를 포함한다. 상기 다원 전극 센서 배열을 포함하여 헤드셋을 구성할 수 있다.

상기 뉴로피드백 실행부(컴퓨터)는 생체전기 신호의 실시간 분석을 처리하기 위한 컴퓨터 프로그램, 뉴로피드백을 위한 다중 선택 훈련 프로토콜 및 시청각 피드백을 포함한다. 또한, 뉴로피드백을 위한 훈련 프로토콜은 뇌파(EEG) 신호가 저장되고 그 신호가 동일한 사용자로부터 사전에 저장된 뇌파(EEG) 신호나 규준 데이터베이스와 비교되도록 한 컴퓨터 프로그램을 포함하며, 상기 뇌파(EEG) 신호를 컴퓨터 메모리에 저장된 역치값 혹은 안정기 기저수준이나 기준값(normative value)과의 변화를 비교할 수 있도록 한 컴퓨터 프로그램을 포함한다.

여기서, 뉴로피드백을 위한 다중 선택 훈련 프로토콜은 뇌파(EEG) 신호와 적어도 하나 이상의 이전에 저장된 생체전기 신호나 규준 데이터베이스와의 비교에 기초하여 역치를 변화시킬 수 있도록 한 컴퓨터 프로그램을 포함한다. 또한, 뉴로피드백을 위한 다중 선택 훈련 프로토콜은 이전에 저장된 뇌파(EEG) 신호나 규준 뇌파(EEG) 데이터베이스에 기초하여 역치값을 설정할 수 있도록 한 컴퓨터 프로그램을 포함한다. 뉴로피드백을 위한 다중 선택 훈련 프로토콜은 일련의 단계들로 진행하여 사용자의 주의를 증진시키고, 사용자의 뇌의 전기적 활동을 측정하고, 측정된 신호를 실시간으로 분석하여 분석된 전기 활동을 통해 의도된 변화가 나타났을 경우, 그에 상응하는 보상으로 시각적 디스플레이나 청각적 신호를 통해 최소한 하나의 피드백 출력 신호를 제공함으로써, 사용자로 하여금 정해진 시간 동안 하나의 전기 활동 수준을 유지하도록 유도하는 것을 특징으로 한다. 또한, 이 뉴로피드백을 위한 다중 선택 훈련 프로토콜은 일련의 단계로 진행하는 컴퓨터 게임에 의해 사용자의 주의를 증진시키며, 측정된 뇌의 전기 활동을 무선 RF 신호의 형태로 컴퓨터에 전송하는 것을 특징으로 한다.

뇌파는 기준 전극과 접지 전극을 포함하여 여러 개의 활성 뇌파(EEG) 전극이 설치되어 있는 헤드셋을 사용하여 국제 10-20 전극 시스템에 따라서 적절한 두피 위치들로부터 추출된다(각 전극의 임피던스는 10 kΩ 이하로 유지되게 하였다). 추출된 신호는 무선 RF 송수신부 채널을 통해 컴퓨터로 전달된다. 두피로 추출되는 뇌파(EEG) 신호에는 안구의 움직에 의해 발생되는 안전도(EOG) 성분과 두피 인접 근육의 움직임, 예를 들어 찡그림과 같은 것으로부터 발생되는 근전도(EMG) 성분을 포함하게 되는데, 이들 신호는 순수한 뇌파(EEG)를 추출하기 위해서는 제거되야 하는 잡음성분이다. 이들 신호의 진폭크기는 추출하려는 뇌파(EEG) 신호에 비해 수천배에서 수만배(mV단위)에 달한다. 이러한 잡음성분의 제거를 위해 적응필터링 기술을 적용한다. 적응필터링 기술이란 일반적인 필터의 특성 즉, 시간적으로 신호의 변동이 없고 정해진 주파수 대역을 갖는 신호의 필터링에 적용되는 것과는 달리 신호나 환경의 특성이 시간에 따라 계속해서 그 통계적인 특성이 변하는 신호의 필터링에 적용되는 기술이다. 뇌파(EEG)를 포함한 안전도(EOG) 그리고 근전도(EMG) 신호성분의 특성은 시간에 따라 그 특성이 변하는 비정상성(nonstationarity)의 특성을 가지고 있기 때문에 적응필터링 기술을 적용하여 잡음성분인 안전도(EOG)와 근전도(EMG) 신호를 제거한다. 잡음이 제거된 뇌파(EEG) 신호는 컴퓨터에 구축된 프로그램에 의해 실시간 고속퓨리에 변환(FFT)에 의해 분석된다. 분석된 뇌파(EEG) 활동의 파라미터들은 뉴로피드백 목적을 위해 사용된다.

예를 들어, 고속퓨리에 변환(FFT)을 통해 분석된 결과를 통해 설정된 주파수 대역에 발생하는 뇌파의 활동파워를 구할 수 있다. 활동파워는 평균제곱근(root mean square, 이하 RMS)으로 주어진다. 이러한 활동파워 중 분석상에서 의미있는 대역인 (1) 4.0-8.0 Hz 대역의 EEG 활동의 파워를 12.0-15.0 Hz 대역의 뇌파(EEG) 활동 파워로 나누거나 (2) 13.0-18.0 Hz 대역의 뇌파(EEG) 파워를 4.0-12.0 Hz 대역의 뇌파(EEG) 파워로 나눈 값 등과 같은 뇌파(EEG) 스펙트럼 파워 지수들이 사용자에게 제시되고, 사용자는 사전에 선정된 훈련 프로토콜이나 컴퓨터 게임 절차에 의해 정의된 방향과 정도로 지수를 변화시켜줌으로써 보상을 받게 된다.

뉴로피드백 절차와 게임의 설계는 뉴로피드백 훈련 세션이 진행되는 동안 보다 나은 결과를 얻도록 사용자의 동기를 충분한 수준으로 유지시킬 수 있도록 조절된다. 매 시행에서 구체적인 과제 난이도가 사용자의 이전 정신생리 자료에서 얻어진 범위 내에서 그리고 개인의 반응 변산도(Variability)내에서 일정 수준으로 유지된다. 개인별로 조정된 각 뉴로피드백 훈련 시행에서의 역치와 목표 선정은 최적 수준 내에서 너무 어렵거나 쉬운 훈련 목표를 피하고 적절한 훈련 과제의 난이도를 유지하기 위해 사용되는 접근이다.

본 발명에서는 주의력 증진을 위한 방법으로 뉴로피드백 절차나 뇌파(EEG) 컨트롤 컴퓨터 게임이 사용될 수 있다. 뇌파는 좌측 전두엽(F3)과 우측 전두엽(F4), 감각운동영역 중앙부(Cz), 좌측 감각운동영역(C3)이나 우측 감각운동영역(C4)에서 추출되며 목적에 따라 양극이나 단극 유도법을 적절히 적용하여 신호를 측정하게 되며, 뇌파(EEG) 대역의 비율에 기초된 지수가 목표 방향으로 접근해 갈 때마다, 즉 각 두피 위치에서 느린 베타 주파수 대역(13.0-18.0 Hz)의 EEG 파워가 증가되고 낮은 알파나 세타 주파수 대역(4.0-12.0 Hz)의 EEG 파워가 감소될 때마다 사용자에게 신호 보상을 해 준다. 또한 본 발명은 초점적-이완된 주의(예, 고도의 집중을 요하는 사격 선수와 같은) 훈련에 응용될 수 있다. 즉 이러한 상태는 좌반구에서 빠른 알파 대역(10.0-12.0 Hz)의 스펙트럼 파워를 증가시키고, 동시에 베타 대역(18.0-22.0 Hz)의 스펙트럼 파워를 감소시키며, 좌우반구 모두에서 세타 대역(6.0-8.0 Hz)의 스펙트럼 파워를 증가시킴으로써 달성된다. 또 다른 뉴로피드백 훈련 절차는 지속적 주의를 유지시키는 것으로, 사용자로 하여금 높은 수준의 주의를 유지하면서 과제를 수행할 수 있도록 하는 목적을 달성하도록 하기 위해 전체 베타 대역(18.0-42.0 Hz)의 파워를 증진시키고 세타(4.0-8.0 Hz)와 알파(8.0-12.0 Hz)의 스펙트럼 파워를 감소시키도록 한다.

피드백 신호는 어떤 표준적인 형태, 즉 바, 그래프, 챠트, 애니메이션, 그리고 청각 신호 등이 사용될 수 있다. 이 때 사용자가 그의 올바른 행동에 대한 정보를 어떻게 얻는지는 문제가 되지 않으며, 단지 그가 이러한 피드백 정보를 실시간으로 얻을 수 있는가 하는 것이 관건이다. 따라서, 본 발명은 사용자로 하여금 주의력을 증가시켜주고 목표 뇌파(EEG) 패턴을 얻을 수 있도록 해 줌으로써 수행을 증진시킬 수 있도록 뉴로피드백 장치와 그 방법을 제공하도록 하는 것은 물론 시스템의 무선화를 달성함으로써 편리하고 광범위한 적용을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 여러 두피 위치로부터 생체전기 신호를 검출하는 뇌신호 검출부, 검출된 신호를 감지하여 처리한 후에 무선 RF 디지털 송신 신호로 변조시켜 주는 뇌신호 데이터 무선 송신부, 무선 송신된 신호를 받아 호스트 컴퓨터로 신호를 보내는 뇌신호 데이터 무선 수신부 및 생체전기 신호 상태에 따라 뉴로피드백 훈련을 할 수 있도록 프로토콜과 알고리듬으로 구성된 프로그램을 실행하는 뉴로피드백 실행부를 포함하고 있다.

본원은 양호한 실시예 뿐만 아니라, 추가의 목적 및 효과들은 첨부한 도면을 참조하여 이하의 발명의 상세한 설명 및 실시예의 설명을 통해서 보다 명확히 이해할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일실시 예에 의한 무선 뉴로피드백 시스템 환경을 개략적으로 도시한 도식적 다이아그램이다. 도 1에 의하면 다중 전극이 부착되어 있는 헤드셋(2)을 사용자의 두피(1)에 위치시켜 헤드셋(2)의 활성 전극들을 통해 표준 뇌 위치(국제 10/20 시스템)로부터 수십 마이크로 볼트 단위의 미세한 뇌 신호를 검출하면, 검출된 신호는 뇌신호 데이터 무선 송신부(3)에서 밀리볼트 단위로 증폭되어 아날로그 필터링을 거친 다음 디지털로 변환된 후, 다시 RF 송신신호로 변조되어 송신안테나(4)를 통해 뇌신호 데이터 수신부(6)로 전송된다. 뇌신호 데이터 수신부(6)의 수신안테나(5)로부터 수신된 신호는 다시 복조되어 뉴로피드백 실행부(7)에서 읽을 수 있도록 부호화되어 직렬포트를 통해 뉴로피드백 실행부(7)로 들어간다. 뉴로피드백 실행부(7)는 신호에 대해 고속퓨리에 변환(FFT) 등을 포함한 각종 신호분석을 실시간으로 수행하고, 뉴로피드백 프로토콜을 실행한다. 뉴로피드백에 대한 피드백은 디스플레이(8) 상에 시각적 형태나 오디오 스피커(9)를 통한 청각적 형태로 제공된다.

도 2에 의하면, 본 발명에 의한 뉴로피드백 무선 송수신 시스템은 뇌신호 검출부(1), 뇌신호 데이터 무선 송신부(2), 뇌신호 데이터 무선 수신부(3) 및 뉴로피드백 실행부(4)로 구성되어 있다. 뇌신호 데이터 무선 송신부(2)와 뇌신호 데이터 무선 수신부(3)/뉴로피드백 실행부(4)사이에는 양방향 인터페이스로 구성된다.

뇌신호 검출부(1)는 전극들을 이용하여 사용자의 두피의 표준 위치로부터 3채널의 뇌파신호를 검출한다. 3채널의 전극들은 이마 혹은 전-전두엽(pre-frontal), 전두엽(pre-frontal) 및 감각운동(sensory-motor) 영역으로부터 단극 및 양극 유도법을 선택적으로 적용할 수 있는 뇌신호를 검출한다. 뇌신호 데이터 무선 송신부(2)는 커넥터(7)를 통해 헤드셋의 전극선들(6)과 접속되며, 이를 통해 전극들로부터 검출된 신호를 받아들인다. 뇌신호 데이터 무선 송신부(2)로 들어온 신호는 아날로그 신호 조정장치(8)를 통해 증폭, 전치증폭 및 필터링된다. 조정된 신호는 아날로그-디지털 변환 장치(9)로 들어가 디지털 신호로 변환되며, 변환된 신호는 저 파워 마이크로 컨트롤러(10)를 거쳐 RF 송수신기(13)에서 변조된 후에 송신안테나(14)를 통해 무선 RF 전송된다. 뇌신호 데이터 무선 송신부(2)의 제어는 스위치(12)를 통해 이루어진다. On/Off 스위치(12A)는 무선 송신부(2)를 작동시키거나 작동을 중지시킨다. 선택 스위치(12B)는 LCD(11)에 연속적인 신호 프롬프트(prompts)와 그 결과들을 디스플레이 해 줄 것인가를 선택하기 위한 것이다. 작동 스위치(12C)는 무선 송신부(2)가 신호의 획득, 처리, 및 전송을 시작하게 하는 작동 모드를 작동시키기 위한 것이다.

본 발명의 바람직한 점은 뇌파(EEG)가 단극 유도법과 양극 유도법 모두에 의해 기록될 수 있다는 것이다. 즉 두개골 정중앙 감각운동 피질 위치인 Cz를 기준으로 우측 전두엽 위치인 F4와 그에 대응하는 좌측 전두엽 위치인 F3의 신호를 비교하는 것이 양극 유도법에 해당된다. 정면 이마 부위인 Fpz는 접지전극의 위치가 된다. 양극 유도법은 접지전극에 대해 두 개의 활성 전극(예, F3와 F4)을 부착시키는 것을 포함한다. 이때 각 피질 영역에서 발생되는 전위차가 측정된다. 몇몇 뉴로피드백 접근에서는 중앙선을 중심으로 한 이러한 양극 유도법이 비교적 근전도(EMG) 잡음의 영향을 덜 받기 때문에 바람직하다. 또 다른 뇌파(EEG) 기록 기법은 단극 유도법을 위한 표준적인 참조 위치를 사용하는 것이다. 단극 유도법은 측정의 관심이 되는 위치에 활성전극을 부착하는 것을 포함한다. 이 방법에서는 참조전극이라 불리는 또 다른 전극이 비교적 전기적 활동이 적은 위치에 부착된다. 그러한 위치의 예는 양쪽 귀(A1, A2), 귓불(AA), 귀 후방 돌출부(mastoid) 등이 해당된다. 본 발명에서는 이러한 참조전극의 위치로 몸쪽 귀 후방 돌출부가 사용된다. 따라서 단극 유도법을 위해 Fpz를 접지 위치로 하여 C3-A1(좌측 귀 후방 돌출부), C4-A2(우측 귀 후방 돌출부), 혹은 Cz-귀 후방 돌출부 각각이 측정된다.

뇌신호 데이터 무선 송신부(2)에 장착된 송신안테나(14)로부터 전송된 무선 RF 신호는 뇌신호 데이터 무선 수신부(3)에 장착된 수신안테나(15)에 의해 수신된다. 수신된 신호는 RF 송수신기(16)를 통해 복조되고, 마이크로컨트롤러(17)를 통해 직렬 방식으로 부호화된다. 직렬포트(18)를 통해 신호 데이터는 뉴로피드백 실행부(4)로 들어간다. 뉴로피드백 실행부(4)는 부호화된 신호를 수신하고 분석하며, 또한 뉴로피드백 프로토콜을 포함하고 있는 호스트 컴퓨터(19), 사용자에게 시청각 모달리티를 통한 피드백 정보를 제공하기 위한 디스플레이(20)와 최소한 한 대의 이상의 오디오-스피커(21), 그리고 컴퓨터(19)와의 인터페이스를 위한 키보드(22)와 같은 주변 기기를 포함한다.

도 3은 뇌신호 검출 장치에서 사용되는 다중 전극이 내장된 헤드셋(2)을 도시한 것이며, 또한 헤드셋의 내부 전극선 연결배열을 보여주는 도시이다. 헤드셋(2)은 이마 중앙부를 가로질러 머리둘레에 위치하게 되는 이마 밴드(56), 머리 상부를 가로질러 양쪽 귀의 상단까지 위치하게 되는 횡단밴드(57), 이마 중앙부에서 두개골 중앙선을 따라 세로로 후미 중간까지 위치되는 종단밴드(58), 그리고 양쪽 귀나 귀의 후방 돌출부(mastoid)에 위치되도록 이마밴드(56)의 양쪽 귀 위치에 조인트(54)로 연결된 두 개의 참조밴드(59, 59A)로 구성된다. 헤드셋은 탄성재료가 이용되어 적절한 압력이 유지될 수 있도록 만들어지며, 사람의 머리 사이즈에 맞도록 스트랩(61, 61A, 62, 62A)을 이용하여 조절할 수 있게 설계된다. 호환형으로 이 헤드셋에는 참조밴드 위치에 내장형 이어폰, 진동 센서(예, 골도 진동), 마이크로폰 등을 장착하여 다기능 뉴로피드백 및 커뮤니케이션 헤드셋으로도 활용할 수 있다.

이마밴드(56)에는 이마 정중앙의 Fpz(접지전극)을 중심으로 좌측에 Fp1, 그리고 우측에 Fp2의 전극이 배치된다. 실제로 이마밴드 전극들은 안전도(EOG)와 근전도(EMG)를 검출한다. 횡단밴드(57)에는 두개골 정중앙 상부의 Cz를 중심으로 좌측에 C3, 그리고 우측에 C4의 전극이 배치되어 두개골 중앙의 감각운동영역으로부터 뇌파(EEG)를 검출하며, C3와 C4의 전방 위치에 각각 F3와 F4의 전극이 배치되어 전두엽 영역으로부터 뇌파(EEG)를 검출한다. C3-C4와 F3-F4는 뉴로피드백 프로토콜에 따라 선택된다. 두 개의 참조밴드(59, 59A)에는 각각 하나씩의 참조전극 A1과 A2가 배치된다.

뇌파 검출을 위한 전극은 금-금도금 혹은 은-은도금의 금속재질의 건식 및 습식이 사용되며, 머리카락을 고려하여 적절한 높이를 가진 톱니모양이나 만일 접착제를 사용한다면 컵모양의 접착면을 가지는 것이 바람직하다. 또한 특별한 전도성 접착제(예, TEN20TM, Weaver & Co.)나 뇌파(EEG) 전극 크림(예, EC2TM, Grass Instruments)이 전극의 임피던스를 낮게 유지하기 위해 사용될 수도 있다. 모든 전극은 헤드셋 내부에 실드선에 의해 커낵션(55)에 연결되어 전극에서 검출된 뇌신호들은 뇌신호 데이터 송신부에 들어간다.

도 4는 본 발명에 따른 귀나 귀의 후방 돌출부 A1(22)과 A2(25)를 기준으로 감각운동 피질 영역에 위치된 C3(23)와 C4(24) 각각의 신호를 측정하는 단극 유도법과 이마 정면 위치 Fpz(27)를 기준으로 전-전두엽 피질 영역에 위치된 Fp1(26)과 Fp2(28)의 전위차를 측정하는 양극 유도법이 가능하도록 구성된 전송단자의 전형적인 실행 구성을 도시한 것이다. 두피로부터 검출되는 뇌신호는 3채널을 통해 송신부로 수용된다. 헤드셋에 부착된 전극들로부터 나온 전선은 커넥터(29)를 통하여 신호 조정 및 송신을 위한 뇌신호 데이터 무선 송신부와 연결된다. 송신부는 뇌신호를 지속적으로 획득하고, 처리하며 전송할 수 있는 기능을 가진 소형 휴대용 장치이다. 전원은 내장형 충전 배터리(40)와 전압 조정기(41)에 의해 생성된다. 배터리(40)는 일반 핸드폰에서 사용되는 것과 유사한 충전용 8V DC가 선호된다. 사용자의 안전을 위해 배터리(40)는 전송단자가 헤드셋과 분리될 때만 충전될 수 있다.

전극선들은 채널별로 각각 증폭기(30) 혹은 전치증폭기(30A)에 서로 다르게 연결된다. 전치 증폭기(30A)는 최소한 0.5-50.0 Hz의 아날로그 대역폭을 가지는 EEG를 증폭하며, 외부잡음이 적고 높은 증폭비를 가지도록 설계된다. 송신부의 전치 증폭기(30A)는 100이라는 전극 신호의 초기 증폭비를 제공한다. 채널 1, 채널 2, 그리고 채널 3으로 들어오는 증폭된 아날로그 신호는 디지털로 변환되기 전에 대역(band-pass) 필터(31, 32)를 거쳐 약 0.5에서 45.0 Hz의 주파수 대역을 통과시키며, 이 신호는 다시 저역(low-pass 혹은 anti-alias) 필터(33, 34)를 거치게 된다. 채널 1로부터 들어온 신호(안전도(EOG), 근전도(EMG))는 전치증폭기의 동작 없이 바로 증폭기(30)를 통해 증폭된 후, 대역통과 필터(31)와 저역통과 필터(33)을 거쳐 아날로그-디지털 변환기(36)에 의해 디지털신호로 변환되지만, 채널 2와 채널 3으로부터 들어온 신호는 전치증폭기(30A)에 의해 1차 증폭된 후, 대역통과 필터(32)와 저역통과 필터(34)를 거쳐 증폭기(35)를 통과 한 후 2차 증폭을 실행한다. 그런 다음 아날로그-디지털 변환기(36)를 통해 디지털 신호로 변환된다. 디지털로 변환된 신호는 디지털 처리기인 저 파워 마이크로 컨트롤러(37)를 통해 처리된다. 아날로그-디지털 변환기(36)에서는 초당 256 회의 샘플링과 8비트(혹은 12 비트)의 분해능을 가진 디지털 처리를 해준다.

채널 1을 통해 전-전두엽 영역으로부터 양극 Fp1(26)-Fp2(28) 뇌신호를 표집할 때, 3개의 전극이 필요하다. 이 가운데 2개의 전극은 Fp1(26)과 Fp2(28)의 전위차를 측정하기 위한 것으로 이 전위차 입력 신호는 증폭기(30)를 거치게 되며, 나머지 하나의 전극은 참조전극으로 이마 정중앙 Fpz(27)에 위치된다. 채널 1은 증폭기(30)를 통해 보다 큰 증폭율을 갖는 신호를 대역통과 필터(31)와 저역통과 필터(33)를 통해 전송하며, 채널 2와 채널 3은 각각 다른 전치 증폭기(30A)를 통해 얻어진 큰 증폭율을 가진 신호를 각각 다른 대역통과 필터(32)와 저역통과 필터(34)를 통해 전송한다. 앞에서 언급했듯이 채널1의 신호원은 Fp1(26)과 Fp2(28)의 전극으로부터 추출이 되는데 이 부분에서 발생하는 신호를 보면 잡음 신호 성분들이 많이 포함되어 있다. 즉, 안구를 움직임으로 인해 각막과 망막 사이의 전위 차이에서 발생하는 안전도(EOG)와 두피의 근육 움직임에 의해 발생하는 근전도(EMG)가 바로 그것이다. 이러한 잡음성분들은 또한 주된 뇌파측정을 위해 구성된 채널2와 채널3의 신호들에 포함되어 있다. 이들 잡음 성분들을 제거하고 순수한 EEG 성분을 얻기 위해서 적응 필터인 적응 잡음 상쇄기(adaptive noise canceller, 이하 ANC)를 구현한다. 이 방법은 채널2와 채널3에의 신호에 포함된 순수 뇌파(EEG) 신호외의 잡음성분들을 채널1에서 추출한 잡음신호를 사용하여 상쇄(cancel) 시키는 기법이다. 이렇게 함으로써 채널2와 채널3의 최종 출력신호는 잡음성분이 제거된 순수 뇌파(EEG) 신호만을 얻을 수 있는 것이다.

두개골 중앙 왼쪽의 감각운동영역에 위치되는 C3 활성전극(23)과 왼쪽 귀나 후방 돌출부 위치에 부착되는 A1 참조전극(22)으로 검출되는 뇌파(EEG) 신호는 채널 2를 통해 전송되며, 두개골 중앙 우측의 C4 위치에 부착되는 활성전극(24)과 왼쪽 귀 후방 돌출부 A2 위치에 부착되는 참조전극(25)으로 검출되는 뇌파(EEG) 신호는 채널 3을 통해 전송된다. 이때 Fpz(27)는 이러한 단극 유도법에서 채널 2와 채널 3을 위한 접지 전극으로 사용된다.

뇌신호 획득이 시작되기 전에 피험자의 두피에서 전극의 임피던스가 마이크로 컨트롤러(37)에 의해 컨트롤되는 임피던스 검사 회로(38)에 의해 측정됨으로써, 이미 알려진 진폭과 근원 임피던스를 가진 신호들이 각 전극들을 통해 커넥터(29)를 경유한다. 합성 신호는 위에서 기술된 과정을 통해 마이크로 컨트롤러(37)에 의해 측정되고, 그것에 기초하여 각 전극의 임피던스가 피험자의 두피에 적합한지 계산된다. 만일 피험자의 머리에 부착된 어떤 전극의 임피던스가 높다면, "HIGH"라는 경고 메시지, 그리고 전극 임피던스가 10 kΩ이하이면, "OK" 메시지가 LCD 디스플레이(15)에 제시된다. 따라서 전극 임피던스 검사 프로그램을 작동시키면 각 채널에 대해 활성전극 입력 신호가 고정된 사각파 신호원으로 스위치되어 증폭율이 감소된다. 한편 각 채널의 출력 신호는 또한 마이크로 컨트롤러(37) 소프트웨어에 의해 평가되어 개개 전극의 임피던스가 100 kΩ 척도 범위에서 보다 정확하게 표시된다.

내부 교정 절차를 위한 교정(calibration) 회로(39)를 통해 모든 채널의 활동 전극 입력은 낮은 임피던스값을 가지는 고정된 사각파 신호원으로 스위치된다. 이것은 교정 목적을 위해 아날로그-디지털 변환기(36)에서 측정될 수 있는 고정된 진폭을 가진 전극 신호를 시뮬레이트해 준다. 교정 자료는 채널 2와 채널 3으로부터 기록되는 뇌파(EEG) 진폭을 정확하게 추정하기 위해 사용된다.

이 장치는 계속해서 피험자의 두피로부터 분석을 위한 EEG 신호를 획득한다. 마이크로 컨트롤러(37)는 교정된 값들을 분석하고, 그 결과를 RF 변조를 위해 부호화하며, 부호화된 신호는 RF 스펙트럼 송수신기(42)를 통해 변조된 후 전송된다. 본 발명이 요구하는 정밀한 무선 뇌파 전송 방식을 위해 적용된 스프레드 스펙트럼 변환 기술은 정보를 전송하는 데 요구되는 최소 대역폭보다 더 큰 주파수 대역에 RF 전송신호를 "확산"시키는 기술이다. 이 변환 기술에는 주파수 호핑(Frequency Hopping)과 직접 순서(Direct Sequence)라 불리는 두 가지 자료 전송 방식이 통상적으로 사용되는데, 본 장치는 주파수 호핑 방식을 채택한다. 또한 그리 정밀한 뇌파 전송 방식이 요구되지 않는다면, 스프레드 스펙트럼 변환 방식 대신에 주파수 천이 키잉 방식, 위상 천이 키잉 방식, 혹은 FM 변환방식이 적용될 수 있다. 이 변환 방식은 스프레드 스펙트럼 변환 방식과 비교할 때 자료 변환을 정밀하게 처리해주지 못한다는 단점이 있으나, 구축이 훨씬 더 용이하기 때문에, 의학용 진단과 같은 정밀한 자료를 요구하는 상황이 아닌 간단한 응용 상황에서는 매우 바람직한 방식이다. 스프레드 스펙트럼 무선 송수신을 충족시키기 위한 자료 전송 주파수 범위는 산업, 과학, 그리고 의학 분야에서 허가를 받지 않고도 사용할 수 있는 902-928 MHz 대역이다.

본 발명의 RF 전송은 양방향으로 구현된다. 즉 송신부는 또한 안테나(4)를 통해 스프레드 스펙트럼 송수신기(42)안의 스프레드 스펙트럼 수신기(44)를 경유하는 RF 신호를 수신할 수 있다. 들어온 신호는 전극 임피던스 검사를 작동시키고, 신호 획득 채널을 변경시키는 등의 마이크로 컨트롤러(37)의 조작을 제어하기 위해 사용된다.

도 5는 뇌신호 데이터 무선 수신부(45)가 뇌신호 데이터 무선 송신부로부터 전송된 무선 신호를 처리하는 과정을 설명하기 위한 블록 다이어그램이다. 직렬 부호기(50)는 직렬 케이블(52)과 연결된 RS-232C 직렬포트(53)를 통해 컴퓨터(7)로 직렬 부호화된 신호를 보낸다. 수신부(45)는 또한 직렬 케이블(52)을 통해 전원을 공급받으며, 전원은 전원조절기(51)에 의해 일정한 전압이 유지된다. 수신부(45)는 수신안테나(5)를 통해 송신안테나로부터 전송된 RF 신호를 받는다. 수신된 신호는 스프레드 스펙트럼 수신기(47)와 스프레드 스펙트럼 송신기(48)가 포함된 스프레드 스펙트럼 송수신기(46)를 통해 양방향 소통을 한다. 따라서 RF 신호는 수신안테나(5)를 통해 송신안테나로 전송될 수 있으며, 전송된 신호는 복조된 후에 송신부의 마이크로 컨트롤러의 작동을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 수신부(45)는 스프레드 스펙트럼 변-복조 포맷을 사용한다.

수신된 RF 신호는 스프레드 스펙트럼 송수신기를 통해 복호화되고, 이렇게 복호화된 신호는 마이크로 컨트롤러(49)를 거쳐 직렬 전송을 위해 부호화(50)되어 직렬포트(53)와 연결된 직렬 케이블(52)을 통해 컴퓨터(7)가 읽을 수 있도록 전송된다.

도 6은 뇌파(EEG) 입력 자료의 흐름을 설명하기 위한 플로우챠트로, 한 채널의 뇌파(EEG) 신호가 단계별로 처리되는 흐름을 보여주기 위한 도시이다. 작동이 시작되고(101), 신호가 감지되면(102) 임피던스 검사 단계(103)를 진행한다. 만일 임피던스가 10 kΩ 이하로 판정되면 뇌파(EEG) 신호를 조정단(201)을 진행하며, 그 이상이면 다시 신호 검출단계(102)로 돌아간다. 뇌파(EEG) 신호 조정단(201)에 들어온 신호는 전치증폭 단계(104)를 거쳐 고정 파라미터를 가진 아날로그 필터에 의한 필터링 단계(105)를 진행하며, 필터링된 신호는 다시 증폭단계(106)를 거쳐 아날로그-디지털 변환 단계(107)를 거쳐 디지털 신호로 변환된다. 각 디지털로 변환된 신호는 마이크로 컨트롤러(37) 내부에서 적응필터 알고리듬과 프로그래밍을 통해서 안전도(EOG)와 근전도(EMG)와 같은 잡은 성분들을 제거 시켜주는 단계(108)를 거친다. 적용된 적응필터는 상기에서 언급했던 적응 잡음 상쇄기(ANC)로서 채널1에서 발생하는 잡음 신호를 채널2와 채널3의 신호에 대입시켜서 잡음 성분만을 제거하는 방법이다. 이렇게하여 출력된 신호는 순수한 뇌파(EEG) 신호만을 포함하게 되며 이 신호는 신호전송 및 수신단(202)으로 들어간다.

신호전송 및 수신단(202)으로 들어온 잡음이 제거된 순수 뇌파(EEG) 디지털 신호는 RF 신호로 변조되어(109) 전송된다(110). 전송된 변조 신호는 신호전송 및 수신단(202)의 단계 111을 통해 체크가 이루어지는 데, 만일 RF 신호로 판정되면 다음 단계를 진행하고(112), 그렇지 않은 경우는 단계 111로 복귀한다. RF 신호로 판정된 신호는 복조화되고(112) RF 잡음 필터링 단계(113)를 통해 잡음이 제거된다. 잡음이 제거된 RF 신호는 다시 증폭되고(114) 직렬방식으로 부호화하여 직렬포트를 통해 디지털 신호 처리단(203)으로 전송된다(115).

디지털 신호 처리단(203)으로 들어온 신호는 실시간 고속퓨리에 변환(FFT) 등의 분석 단계(116)를 거치게 되는데 그 결과는 각 뇌파(EEG) 신호의 주파수 대역에 대한 파워 즉, 평균제곱근(RMS) 값으로 나타난다. 이렇게 하여 각 뇌파(EEG) 성분에 대한 파워를 구하고 그 결과 값으로부터 각 주파수에 대한 비율 파라미터를 계산한다(117). 비율 파라미터는 베타파 대역파워를 알파파 대역파워로 나눈 뇌활성화비(β/α)의 개념을 확장하여 베타파 대역파워를 쎄타파 대역파워로 나눈 비율(β/θ), 쎄타파 대역파워를 알파파 대역파워로 나눈 비율(θ/α)등의 각 뇌파(EEG) 성분간의 비율을 계산한다. 이러한 뇌파(EEG) 성분간의 비율계산은 각 뇌파성분들이 감성상태에 따라서 서로 독립적인 특성을 보이지 않고 상호 비대칭적인 특성을 보이는 결과를 이용하고자 구한다. 예를 들어 특정업무에 집중을 하는 동안 베타파의 파워가 상승하고 반면 알파파의 파워는 감소한다. 그 반면 명상에 잠기거나 마음의 안정을 취하는 경우 알파파의 파워가 증가하고 베타파의 파워는 감소하는 특성을 보여준다. 따라서 이러한 각 뇌파간의 연관성을 비율로 구함으로써 사람의 정신상태를 각기 따로 구하는 것보다는 더 효율적으로 구할 수 있다. 다음 단계에서 컴퓨터 프로그램은 뇌파(EEG) 패턴을 사전에 설정된 역치와 비교, 분류한다(118). 이렇게 하여 구해진 분석값은 피드백 단(204)으로 인가되는데 이 부분의 역할은 사용자가 원하는 정신상태에 이르도록 자극을 주는 일을 수행한다. 이것은 사용자의 감성상태를 파악한 결과 원하는 감성상태로 도달이 되지 않을 경우 시각적으로 자극을 주어 파워를 올리도록 도와주는 시각 피드백 장치(119)와 그와 더불어 청각적인 자극을 줄 수 있는 오디오 피드백 장치(120)로 구성되어 있다. 예를 들어 불안한 감성상태를 가지고 있는 사용자가 마음의 안정을 찾기 위한 방편으로 본 시스템을 이용하면 먼저 사용자의 뇌파상태가 파악되고 그 결과 불안한 감성상태를 보여주는 뇌파성분(예, 쎄타파 대역)의 파워가 증가하게 된다. 이를 안정한 감성상태로 만들기 위해서 시각적인 자극(예, 어머니가 간난아이를 안고 있는 모습)과 청각적인 자극(예, 시냇물 흐르는 소리, 새소리 등)이 사용자에게 피드백 된다. 그 후 사용자의 뇌파상태가 다시 파악이 되고 목적한 감성상태에 도달하였는지를 각 뇌파 분석 파라미터를 통해서 확인을 하고 계속 자극을 줄 것인지의 진행여부(121)를 결정하게 된다. 진행의 지속은 디지털 처리부(203)로 복귀하며, 그렇지 않으면 종료한다(122). 뉴로피드백 훈련의 목표와 역치 설정을 위해, 먼저 훈련 세션에 앞서 사용자의 안정상태에서의 뇌파(EEG) 데이터가 수집되고 데이터베이스화 된다. 이러한 기저데이터값을 기초로 하여 이전 또는 이후에 측정된 사용자의 뇌파(EEG) 기록과 비교하여 선정된 뇌파 파라미터의 변화를 정의한다. 만일 훈련 세션의 목표가 느린 베타 파워를 증가 시키는 것이라면, 역치는 기저값의 20%를 초과하는 수준에서 설정된다. 최초 사용자가 느린 베타 파워의 수준이 설정된 역치(기저값의 20% 초과)에 미치지 못할 경우, 그 파워의 향상을 위해서 시각이나 청각적인 자극이 사용자에게 피드백 된다. 이러한 피드백을 통해 만일 사용자의 느린 베타 파워의 수준이 설정된 역치 이상이 되면, 그 시행의 점수가 디스플레이로 제시된다. 점수는 역치를 초과한 전체 회수나 적중한 회수, 즉 사전에 정해진 시간동안 목표 파라미터가 역치 수준을 넘어섰을 때의 회수로 제시될 수 있다. 행동조성 프로토콜로 각 시행에서 역치는 계속되는 뇌파(EEG) 활동 수준에 대해 조정된다. 다시 말해 어느정도 시스템에 적응된 사용자의 느린 베타 레벨이 기본적으로 최초 설정된 역치(기저값의 20% 초과)를 뛰어넘는 값을 갖는다면 이제는 보다 나은 결과를 얻기 위해 역치값은 더 증가되도록 조정된다.(예, 기저값의 40%).

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만일 피험자가 요구된 정도의 목표 파라미터를 변화시키지 않을 때, 과제 난이도는 점점 쉬워지게 된다. 결국 보상 기준은 학습을 촉진시키기 위해 필요에 따라 난이도의 증가나 감소를 통해 정해질 수 있다.

본 발명에 의한 일반적인 뇌파(EEG) 뉴로피드백 절차에서 가능한 실시예들을 여섯 가지만 예시하면 다음과 같다.

1. 두개골 상부나 전부에서 훈련전 안정기 기저수준 이상의 느린 베타(13.0-18.0 Hz)가 발생할 때 청각적 혹은 시각적 피드백 보상을 해준다.

2. 세타(4.0-8.0 Hz)가 훈련 전 안정기 기저수준을 초과한다면 기저수준 이하로 세타를 감소시킬 때 청각적 혹은 시각적 피드백 보상을 해준다.

3. 상기 1과 2 모두에 대해서 청각적 혹은 시각적 피드백을 보상할 수 있다.

4. 훈련전 안정기 기저수준으로 빠른 베타(20.0-30.0 Hz)가 접근해 갈 때 청각적 혹은 시각적 피드백 보상을 해 준다.

5. 상기 3과 4에 대해 청각적 혹은 시각적 피드백 보상을 해준다.

6. 이외에 강화 계획에 따라 새로운 조합을 형성할 수 있다.상기의 뇌파(EEG) 뉴로피드백이 가능한 실시의 여섯가지 예에서 뇌파(EEG) 파라미터를 피드백 해주는 청각적 및 시각적 보상방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

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청각 피드백 보상음은 본 발명에 따른 뇌파(EEG) 훈련을 위해 사용되는 실시간 피드백을 위한 주요 기재이다. 음은 신속한 자기-통제 학습을 위해 충분한 볼륨과 지속시간으로 제시되어야 한다. 음질과 음향 특성 또한 통제 학습을 위해 중요하다. 예컨대, 음의 제시는 성인숙의 학위논문 "음의 대역과 음악의 종류가 뇌파에 미치는 효과"와 유은경의 학위논문 "쾌음과 불쾌음이 뇌파에 미치는 효과"에 의하여 뇌파(EEG) 알파 발생을 방해할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 알파 훈련의 목적을 위해서 이러한 알파 발생 방해를 최소화시켜주는 피드백 음으로 약 400 Hz에서 800 Hz 사이의 음이 선정된다. 그러나 세타 훈련의 경우, 주요 문제는 피험자가 수면에 떨어질 수 있는 졸림에 있다. 따라서 세타 훈련을 목적으로 할 경우, 피드백 음은 800Hz 이상의 하이 피치음이나 약 400 Hz 이하(바람직하기는 200 Hz)의 로우 피치음 모두가 사용될 수 있다. 이러한 피드백 음들은 디지털 합성음이나 디지털 녹음, 음악 등이 사용될 수 있다. 따라서 훈련의 목적에 따라 적절한 주파수의 음이 발생될 수 있도록 옵션에 따라 기본 주파수를 설정해 둘 수 있다: 세타훈련(800 Hz), 알파훈련(400Hz), SMR 훈련(1300Hz), 느린 베타훈련(1500Hz).

시각적 피드백 보상방법에는 시각적 디스플레이를 이용하는 것이다. 시각 디스플레이는 한국표준과학연구원의 보고서인 "감성 측정 및 평가 기술 개발"에 보고 되었듯이 어떤 특별한 형태에 제한되지 않고 사람의 감성상태를 변화 시킬 수 있는 다양한 형태가 사용된다. 바이오피드백에서 가장 전통적으로 사용되는 형태는 선형 및 바형 그래프, 파이챠트, 표, 스펙트럼 디스플레이, 뇌파의 파형, 애니메이션 등이다. 어떤 방법을 사용하든, 충족되어야할 조건은 피드백을 위해 선정된 뇌파(EEG) 파라미터(예, 느린 알파 대역의 파워)와 역치의 실시간 모니터링 가용성이다. 전형적으로 바이오피드백 디스플레이를 위해 몇 개의 화면을 분할하여 훈련 시행에 앞서 가장 선호되는 것을 선택하도록 하는 것이다. 청각 및 시각 피드백은 선택된 훈련 프로토콜에 따라 독립적 혹은 동시적으로 사용될 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 뉴로피드백 훈련 절차와 그 방법을 단계별로 설명하기 위한 플로우챠트이다. 사용자는 청각 및 시각 자극 모두에 의한 피드백을 통해 뇌파(EEG) 파라미터들에 대한 자기-통제를 촉진시키기 위한 훈련 단계(300)를 진행한다. 훈련이 개시되기에 앞서 사용자는 뉴로피드백 훈련 시스템의 디스플레이 모니터를 관찰할 수 있는 정면 위치에 마련된 팔걸이 의자에 편안히 앉아서 짧은 시간(약 5-10분)동안 안정을 취하며, 훈련에 관한 일반적인 지시와 설명을 듣는다. 이때 모니터와 사용자간의 거리는 시각 및 청각 피드백을 받는 데 지장이 없을 정도의 충분한 근거리(약 2m 내외)를 유지한다. 절차가 시작되면(301), 사용자는 전극이 부착된 헤드셋을 머리에 고정시킨다(302). 헤드셋은 도 3에 도시된 것과 같이 하나의 접지전극과 두 개의 참조전극, 그리고 여러 피질 영역에 위치되는 활성전극들이 배열되어 있다. 다음 단계(303)는 사용자가 기존의 사용자인지 확인한다. 만일 새로운 사용자일 경우, 프로그램에 등록하고, 사용자 정보 데이터베이스를 위해 그 사용자의 정보(예, 연령, 성, 주소 등)를 기재하고 다음 단계(304)를 진행한다. 단계 304는 사용자에게 사전 심리검사(예, 기분 척도 질문지 등)를 실시한다.

단계 305에 의한 뇌파(EEG) 자료 획득은 도 6에 따라 진행되며, 일반적으로 안정기 기저수준 검사가 선행된다. 먼저, 사용자의 전형적인 뇌파(EEG) 활동 프로파일을 얻기 위해 "눈을 뜬 상태"에서의 기저수준을 기록하는 데(306), 이를 통해 시스템의 모든 작동 상태의 정상여부 확인과 조정이 이루어진다. "눈을 뜬 상태"에서의 기저수준 기록은 일반적으로 사용자로 하여금 디스플레이 상의 어느 한 지점이나 대상에 집중하도록 한 상태에서 작고 밝은 불빛(예, LED)과 지속적인 배경음이 제시되는 동안 이루어진다. 그런 다음 "눈을 감은 상태"에서의 기저수준이 기록되는 데(307), 이는 일반적인 감각 자극이 없는 상태에서의 뇌파 활동의 성질을 결정하기 위한 것이다. 이 단계는 연속적인 배경음만이 제시되는 동안 실행된다. 다음 단계(308)에서 사용자는 일련의 스트레스 유발 자극 상황에 노출된다. 예컨대, 큰 폭발음(약 80 dB 이상), 계산과제, 난해한 독서자료 읽기, 퍼즐이나 기타 이용 가능한 인지 과제들이 사용된다. 이 단계(308)를 통해 유발된 스트레스 혹은 각성상태는 다음 단계(309)에서 보다 복잡한 심리 과제, 즉 주의과제나 정서적 심상 과제를 진행하는 데, 이런 두 단계(308, 309)를 통해 사용자의 뇌파(EEG) 반응 프로파일을 보다 정확하게 평가할 수 있다.

이후, 이완 단계(309)를 진행하게 되는 데, 이전에 획득된 정신생리 자료들이 자기-유도 이완 단계(309)를 진행하는 동안 얻어지는 사용자의 뇌파(EEG) 패턴을 평가하기 위해 사용되며, 후에 사용자에게 훈련 결과를 알려주기 위한 자료가 된다. 뇌파(EEG) 반응과 이완 프로파일은 사용자의 개인 데이터베이스에 입력되는 데, 만일 적절한 규준 데이터베이스가 확립되어 있다면, 기저수준과 스트레스 뇌파(EEG) 파일이 규준 자료와 비교되고(310), 다음 단계를 진행한다. 규준 데이터베이스와 사용자의 뇌파(EEG) 패턴 데이터베이스를 비교한 후, 다음 단계(311)에서 집중적으로 진행할 뉴로피드백 세션 유형을 정의한다. 그런 다음 훈련의 목표와 역치를 설정한다(312). 다음 단계(313)에서 상세한 훈련 절차와 훈련의 목표를 사용자에게 설명해주고 지시한다. 이때 사용자가 질문이나 의문 사항이 있으면 그에 설명을 해주게 되는데, 단 뉴로피드백 통제 능력을 증진시키는 법과 관련해서는 어떤 힌트도 제공해서는 안 된다. 뉴로피드백 성공의 원칙은 사용자로 하여금 목표 뇌파(EEG) 파라미터 통제 능력을 획득하기 위한 가장 효과적인 전략을 스스로 발견하도록 하는 것이며, 시각 및 청각적 피드백 보상은 바람직한 변화를 보상해 주지만, 부정확한 변화에 대해서는 보상을 해주지 않음으로써 사용자 스스로 가장 효과적인 변화 전략을 학습할 수 있도록 도와준다.

단계 314에서 모든 훈련 파라미터들이 설정되고 실제 훈련이 개시되기 위한 점검이 완료되면, 실제 훈련을 진행할 시행의 회수를 결정한다. 그런 다음 설정된 시행을 진행하게 되는 데(315), 한번의 훈련 시행에 걸리는 시간은 약 120초이다. 표준적인 훈련 시행에는 사전에 선정된 주파수 대역 내에서 뇌파(EEG) 파라미터들이 변화할 때 시각 및 청각적 피드백 제공이 포함된다. 한번의 시행이 완료되면 사용자는 그 다음 시행 여부를 결정하기 전에 8-10초간 휴식을 취하게 되는 데, 휴식을 취하는 동안에 청각 피드백은 중지되고, 완료된 시행에 대한 수행 점수, 즉 각 활동 뇌파(EEG) 파라미터나 선정된 뇌파(EEG) 파라미터 조합에 대한 결과를 제공한다(316).

이후, 단계(317)에서 훈련 시행의 반복 여부를 결정하게 된다. 시행의 계속은 단계 315로 복귀하게 되며, 단계 314에서 정한 시행 회수만큼 반복된다. 만일 시행을 더 이상 반복하지 않기로 결정한다면, 선택된 뇌파(EEG) 훈련 세션의 종합 결과 판정을 위해 세션 후 "눈을 뜬 상태"의 기저 수준 기록(318)과 "눈을 감은 상태"의 기저수준 기록(319)을 차례로 진행한다. 그 다음 단계(320)는 훈련 세션의 기록 요약을 제시한다. 그런 다음 세션 후 기분 척도 질문지나 다른 심리검사 질문지를 수행한다(321). 그 다음 단계(322)에서 훈련 세션을 통해 얻어진 뇌파(EEG)와 심리측정 자료 변화의 결과를 사용자의 심리 및 뇌파 활동 데이터베이스나 규준 데이터베이스와 비교하여 종합 판정 결과를 제시한다. 그 다음 단계(323)에서 새로운 훈련 세션을 진행하고자 한다면, 단계 311로 복귀하게 되고, 이때 이전 훈련 시행의 결과에 기초하여 수정된 훈련 목표와 역치에 따라 설정되는 새로운 훈련 세션을 시작하게 된다. 새로운 훈련 세션을 원하지 않는 경우, 훈련은 종료된다(324).

본 발명에 따른 뉴로피드백 무선 시스템과 그 방법에 따라, 몇 가지 훈련 목표가 훈련 세션을 통해 추구될 수 있다. 그 가운데 하나는 사용자가 뇌파 활동을 의식적으로 억제시키는 통제 능력을 향상시킴으로써 뇌파억제(예, 4.0-8.0 Hz 대역의 세타파 파워 억제)를 획득하는 것이다. 또 다른 목표는 뇌파증가(예, 12.0-15.0 Hz 대역의 SMR 증가)로, 사용자는 피드백에 반응하여 뇌파활동을 증가시키려는 노력을 통해 통제 능력을 향상시키는 것이다. 사용자가 훈련 세션을 마치면, 지시자는 자료를 분석하고 어떤 뇌파 통제를 강화시킬 필요가 있는지에 대해 사용자와 인터뷰를 진행한다. 인터뷰는 사용자가 사용한 전략을 구술하게 함으로써 그 전략의 효과에 대해 구체화시킬 수 있으며, 향후의 뉴로피드백 훈련을 위한 전략을 강화시키기 위해 중요하다. 그러나 본 발명은 지시자 없이도 사용될 수 있다. 시스템 자체에 충분한 지시를 제공하는 프로그램을 구축함으로써 지시자 없이도 사용자 스스로 자기-실시 뉴로피드백 훈련 시스템을 이용할 수 있다. 즉 시스템 내에 뇌파(EEG) 훈련 감독 기능을 구축시킴으로써 프로그램된 지시에 따라 훈련 세션을 진행할 수 있다.

본 발명의 응용 예로, 주의결핍/과잉활동 장애(ADD/ADHD)의 치료를 위한 프로토콜의 사용을 들 수 있다. 주의결핍/과잉활동 장애(ADD/ADHD) 치료를 위한 전형적인 뉴로피드백 훈련 프로토콜은 12.0-15.0 Hz 대역(SMR)이나 15.0-18.0 Hz 대역(느린 베타)을 고무시키고 동시에 4.0-8.0 Hz 대역(세타)과 22.0-30.0 Hz 대역(빠른 베타)를 억제시키는 것이다. 또한 활동 전극은 전형적으로 감각운동 피질(국제 10-20 시스템에 따라 Cz, C3, 그리고 C4)에 위치되며 참조전극은 귓불에 위치하여 단극 유도법으로 뇌파(EEG)를 측정한다.

본 발명에 따른 뉴로피드백 훈련 프로토콜은 감각운동 피질(C3나 C4)에서의 13.0-18.0 Hz 대역(15.0-18.0 Hz의 느린 베타와 12.0-15.0 Hz의 SMR)의 뇌파(EEG) 진폭을 증가시킬 때 주의력을 집중 시킬 수 있는 1300Hz 내지 1500Hz의 청각 피드백과 컬러차트 등의 시각 피드백 보상을 해 주는 동시에, 4.0-8.0 Hz의 저주파 대역과 22.0-40.0 Hz의 고주파 대역의 과도한 뇌파 활동을 억제시키는 것이다. 만일 좌반구 SMR 훈련(C3)이 실행된다면, 느린 베타 보상만이 제공될 것이고, 우반구 훈련의 경우에는 SMR 보상만이 제공될 것이다. 이러한 프로토콜은 간질, 두통, 혈압, 심혈관, 약물남용(알코올 중독, 마약 등) 등의 치료에도 적용될 수 있다.

이러한 훈련 프로토콜은 장애나 질병 문제에 대한 응용이외에도 뉴로피드백 스포츠 컴퓨터 게임(예, 골프, 사격, 당구 등)과 같이 정상인을 위한 수행 증진을 위해서도 적용될 수 있다. 예컨대, 골프 퍼팅 훈련 게임은 사용자의 뇌파(EEG) 활동 파라미터에 기초하여 퍼팅 표면에서 컵을 향해 굴러가는 골프공의 속도와 방향을 결정한다. 퍼팅 수행 전에 내적으로 집중된 상태에서 사용자의 뇌파(EEG) 패턴이 일반적으로 사전에 구축된 좋은 퍼팅 수행과 관련된 뇌파(EEG) 패턴 데이터베이스(실험을 통해 숙련된 골퍼가 훌륭한 퍼팅을 했을 때 보여주는 뇌파(EEG) 패턴의 데이터베이스화)에 접근했을 때 보다 나은 퍼팅 결과가 얻어지도록 함으로써 수행과 통제 능력을 향상시킬 수 있으며, 한편으로는 오락을 제공해 주는 수단도 제공한다.

따라서 사용자로 하여금 퍼팅 수행(스포츠 연구자들은 이를 피크 수행이라 부름)에 효과적인 주의 집중력을 향상시키도록 하는 뉴로피드백에 기초한 훈련을 허용하는 게임의 제공이 본 발명의 또 다른 목적이다. 이와 함께 골퍼 수행자에게 그의 뇌파(EEG) 활동 상태를 정확하게 알려주어 퍼팅 수행 전에 의도된 초점적 주의와 집중 상태에 도달할 수 있도록 뇌파(EEG) 파라미터를 지속적으로 변화시키도록 고무시키는 것이 또한 본 발명의 목적이다. 훈련 프로토콜은 좌반구에서 저주파수 대역인 6.0-12.0 Hz 대역의 뇌파(EEG) 파워를 증가시키는 동시에 그 보다 높은 주파수 대역인 18.0-42.0 Hz 대역의 뇌파(EEG) 파워를 감소시키도록 하는 것이다.

또한 뉴로피드백 훈련 프로토콜은 뇌신호 데이터 송신부와 양방향 송수신을 하게 되는 뉴로피드백 실행부인 호스트 컴퓨터 대신에 방향과 운동성을 가진 기계장치(예, 장난감 자동차 등을 포함한 완구류, 로봇 등)와 직접 송수신할 수 있도록 구현될 수 있다. 즉 뇌신호 데이터 송신부에 DSP칩을 구축하여 사전에 분석한 특정 뇌신호 파라미터를 방향과 운동성을 가진 기계 장치에 RF 신호의 형태로 전송할 수 있다. 따라서 호스트 컴퓨터에서 실행되는 뇌신호 실시간 분석을 DSP칩에서 실행시킴으로써 데이터 전송의 부하량을 줄이면서 특정 훈련 목표를 달성시킬 수 있다. 이 경우의 신호의 무선 전송방식은 FSK 방식이 바람직하다.

방향과 운동성을 가진 구동수단에는 마이크로컨트롤러에 의한 구동수단이 구축되어 있어, 전송된 뇌신호 파라미터에 따라 방향과 운동 속도를 조절해 줌으로써 사용자로 하여금 뉴로피드백 훈련을 보다 지루하지 않게 즐기면서 동기를 유발시킬 수 있게 된다. 일반인은 물론 특히 주의결핍/과잉활동 장애(ADD/ADHD) 사용자에게 매우 적합한 뉴로피드백 무선 시스템이 될 것이다.본 발명은 예시 및 설명의 목적을 위해 개시하고 있지만, 전술한 실시예의 형태로 제한하고자 하는 것은 아니다. 당업자라면 다수의 변형 및 수정이 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 전술한 양호한 실시예에 대하여 본 발명의 최상의 원리를 설명하기 위해 선택 및 개시하고 있지만, 당업자라면 본원 발명의 기술적 사상 및 범위를 이탈함이 없이 다양한 변형 및 수정이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 의하면, 기존의 뇌파 바이오피드백 유선 시스템을 완전 무선 시스템으로 전환시킴으로써 이런 종류의 시스템 효용성을 높일 수 있다는 장점을 지닌다. 즉 기존의 유선 시스템은 사용자와 시스템간에 많은 전선을 통해 인터페이스를 구축함으로써 불편을 주었으며, 또한 전선들로부터 들어오는 소음의 영향에 크게 노출되어 있었지만, 본 발명은 이러한 불편한 선들을 제거함으로써 사용자 편의성을 높이고, 전선들로부터 유입되는 잡음을 제거시켜 줄 수 있다. 또한 이러한 점을 인식하여 무선 바이오피드백 시스템을 구현하고자 했던 소수의 발명들은 기술상의 어려움, 즉 일반적인 무선 RF 송수신 방식으로는 데이터가 크게 손실되어 정밀한 자료를 획득하지 못함으로 인해 기껏해야 반 무선 방식이나 적외선 방식을 채택하고 있지만, 본 발명은 스프레드 스펙트럼 변환 방식을 적용함으로써 기존 방식의 한계를 획기적으로 넘어설 수 있으며, 따라서 완전 무선 뉴로피드백 시스템을 구현할 수 있음으로 해서 그 적용 범위를 크게 확장시킬 수 있다.

본 발명으로 인한 효과는 시스템과 사용자간의 거리를 크게 증가 시키고, 시스템의 크기를 최소화, 경량화시키며, 한 시스템으로 여러 사용자를 통제할 수 있으며, 그로 인한 사용자 중심의 인터페이스 구현이 가능하고, 다양한 뇌파(EEG) 분석기법을 이용하여 다양한 훈련 프로토콜을 적용할 수 있으며, 그로 인해 각종 장애 및 질병 치료는 물론 일반인과 전문인을 위한 수행 향상을 위한 뉴로피드백 훈련 도구로 활용할 수 있으며, 컴퓨터 게임을 통한 흥미와 오락을 가미한 뉴로피드백 훈련 및 온라인 게임이 가능하다는 데 각별한 효과가 있다.

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도 1은 본 발명에 따른 일실시 예에 의한 무선 뉴로피드백 시스템의 사용 환경을 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 뉴로피드백 시스템에서 사용하는 뇌신호 전송을 위한 구성을 도시한 블록 다이아그램.

도 3은 본 발명의 뇌신호 검출을 위해 사용되는 헤드셋 및 그 내부 전극선 연결배열 도면.

도 4는 뉴로피드백 시스템에 의한 뇌신호의 RF 전송 처리 과정.

도 5는 뉴로피드백 시스템에 의한 뇌신호의 RF 수신 및 뉴로피드백 실행을 위한 처리과정.

도 6은 뉴로피드백 시스템의 자료 처리에 대한 단계별 플로우챠트.

도 7은 본 발명에 따른 뉴로피드백 실행 절차를 단계별로 설명하는 플로우 챠트.

Claims (24)

1. 사용자의 두피 위치로부터 생체 전기 신호를 추출하고 실시간 분석하여 시청각적 인 피드백을 제시하기 위한 무선 뇌파 파라미터를 사용한 뉴로피드백 훈련을 위한 무선 시스템에 있어서,

   상기 생체 전기 신호 처리를 위한 단극 또는 양극 유도법의 선택적 이용과 이마 정중앙과 양 귓볼 또는 귀의 후방 돌출부(mastoid)에 위치하게 된 접지와 참조전극 세트로 구성되는 다원 전극 센서 배열과;

   상기 다원 전극 센서 배열을 통해 검출된 뇌파(EEG) 신호의 증폭, 필터링, 아날로그/디지털 변환과 상기 뇌파(EEG) 전극의 임피던스를 검사하여 각 전극의 임피던스가 10㏀ 이하로 유지되도록 경고 메시지를 발생하는 전기회로와;

   잡음제거 알고리즘을 포함하는 마이크로컨트롤러와;

   뇌신호를 무선으로 전송하기 위한 무선 RF 송신부;로 이루어진 헤드셋과;

   상기 헤드셋을 사용하여 사용자의 이마 또는 전-전두엽, 전두엽, 감각운동 영역으로부터 뇌파(Electroencephalogram 이하 EEG)를 추출하는 뇌신호 검출부와;

   상기 뇌신호 검출부로부터 얻어진 생체 전기 신호를 처리하여 상기 신호를 뇌신호 데이터 송신부와 뉴로피드백 실행부간에 적어도 하나 이상의 생체 전기 신호를 무선으로 전송할 수 있는 변조와 복조를 위한 주파수 호핑이나 직접 시퀸스 스프레드 스펙트럼 방식은 물론 주파수 천이 키잉, 위상 천이 키잉, 주파수 변조를 실행하고, RS-232C 방식 또는 USB 직렬 입출력수단을 이용하여 상기 무선 RF 신호 수신부와 뉴로피드백 실행부간의 인터페이스를 제공하는 양방향 무선 RF 신호 송수신부; 를 포함하여 이루어지는 뇌파 파라미터를 사용한 뉴로피드백 훈련을 위한 무선 시스템.
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8. 제1항에 있어서,

   상기 뉴로피드백 실행부는,

   뇌파(EEG) 신호의 실시간 분석을 처리하기 위해 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform 이하 FFT)이나 자기 조절(Autoregressive 이하 AR)과 같은 뇌파(EEG) 분석 프로그램과;

   상기 뇌파(EEG) 분석 프로그램을 통해 분석된 뇌파(EEG) 신호가 저장되고 상기 신호가 동일한 사용자로부터 사전에 저장된 뇌파(EEG) 신호나 규준 데이터베이스와 비교하여 역치를 변환시킬 수 있는 신경망 분석 프로그램과;

   상기 신경망 분석 프로그램으로 뇌파(EEG) 신호를 변환한 역치값을 컴퓨터 메모리에 저장하고, 안정기 기저수준이나 규준값과의 변화를 비교할 수 있도록 하고, 사용자의 훈련 목표요구에 따라 기본 훈련 프로토콜인 세타훈련, 알파훈련, SMR훈련, 느린 베타훈련과 상기 기본 훈련 프로토콜을 응용한 응용 프로토콜로 구성된 다중 선택 훈련 프로토콜과;

   상기 다중 선택 훈련 프로토콜에 의해 작용하는 시각 및 청각 피드백; 으로 이루어진 것을 특징으로 하는 뇌파 파라미터를 사용한 뉴로피드백 훈련을 위한 무선 시스템.
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13. 제8항에 있어서,

    상기 다중 선택 훈련 프로토콜은,

    일련의 프로그램을 통해 사용자 뇌의 전기적 활동을 측정하고, 상기 측정된 신호를 실시간으로 분석하여 분석된 전기적 활동을 통해 의도된 변화가 나타나는 경우 시각적 디스플레이나 청각적 신호를 통해 최소한 하나의 피드백 출력 신호를 나타나게 하는 것을 특징으로 하는 뇌파 파라미터를 사용한 뉴로피드백 훈련을 위한 무선 시스템.
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17. 제1항 또는 제8항에 있어서,

    상기 뉴로피드백 실행부는,

    뇌신호 데이터 수신부에 DSP칩을 구축하여 뇌신호 실시간 분석을 실행하고, 호스트 컴퓨터 대신에 방향과 운동성을 가진 구동수단을 사용하고, 상기 뇌신호 데이터 수신부와 마이크로컨트롤러에 의한 제어수단을 구축하여 전송된 뇌신호 파라미터의 조합에 따라 방향과 운동 속도를 조절할 수 있는 구동수단 사이에 신호를 무선 FSK 전송방식으로 사용하는 것을 특징으로 하는 뇌파 파라미터를 사용한 뉴로피드백을 위한 무선 시스템.
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