KR100779071B1 - 뇌파를 이용한 집중력 향상 및 유지 장치, 그 방법 - Google Patents

Abstract

뇌파를 측정하고 측정된 값을 반영하여 집중력 향상 및 유지에 관한 컨텐츠를 사용자에게 제공하여 훈련하도록 함으로써 사용자의 집중력을 향상시키고 유지시키는 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명에 따라, 집중력 향상 및 유지 방법은 (a) 뇌파 신호를 검출하는 단계; (b) 상기 측정된 뇌파 신호중 알파 밴드의 신호와 베타 밴드의 신호의 파워값을 계산하는 단계; (c) 상기 계산된 파워값을 바탕으로 집중도를 계산하는 단계; 및 (d) 상기 계산된 집중도에 따라 대응되는 모드의 프로그램을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 사용자로 하여금 스스로 지속적인 집중 상태를 유지토록 도와주므로 사용자의 업무나 학습 효율을 높일 수 있다.

Description

뇌파를 이용한 집중력 향상 및 유지 장치, 그 방법{Apparatus for increasing and conservation of concentration using electroencephalogram signal, and method thereof}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 집중력 향상 및 유지 장치의 블록도,

도 2는 도 1에서의 뇌파 측정 센서와 피드백 제공부의 모형도,

도 3은 집중력 향상을 위해 두 명의 사용자가 하는 게임의 일실시예,

도 4는 집중력 향상 및 유지 방법의 흐름도,

도 5는 집중력 향상 모드시의 과정 흐름도,

도 6은 집중력 유지 모드시의 과정 흐름도이다.

본 발명은 신체정보의 처리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 뇌파를 측정하고 측정된 값을 반영하여 집중력 향상 및 유지에 관한 컨텐츠를 사용자에게 제공하여 훈련하도록 함으로써 사용자의 집중력을 향상시키고 유지시키는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

종래의 사람의 뇌파를 이용한 집중력 향상 방법은, 사용자에 신체에 센서를 부착하고, 사용자의 전면부에 위치하는 디스플레이 장치를 통해 제공되는 목표물에 사용자가 집중하면, 디스플레이 화면내에서 목표물을 향해 어떤 일이 발생하고 사용자는 그에 반응하는 방식으로 수행된다. 예를 들어, 디스플레이 화면에 타겟 모양의 목표물이 제시되고, 화살이 발사하여 타겟에 꽂히는 것에 대해 반응하는 것을 측정하여 집중력을 향상시킨다.

이렇게, 종래의 방법은 두 명의 사용자가 서로 경쟁하면서 집중력을 향상시키는 것이 아니라, 대부분 한 사람만이 상술한 방법에 따라 집중력을 향상시킨다. 그리고, 사용자의 집중도를 측정하는데 사용된 뇌파 등의 생체 신호를 피드백 받지 않는다. 또한, 집중력 향상 수단으로써, 저주파 음을 발생시켜 사용자에게 들려주거나, 눈을 가리게 한 채로 불꽃을 간헐적으로 발생시켜는 등의 자극을 통하여 사용자를 심리적으로 안정시키거나 긴장상태를 완화시킴으로써 집중력의 향상시킨다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 사용자의 뇌파를 측정하고 측정된 값을 반영하여 집중력 향상 및 유지에 관한 컨텐츠를 사용자에게 제공하여 사용자의 집중력을 향상시키는 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

다시 말하면, 사용자의 뇌파를 측정하여 알파 밴드와 베타 밴드의 파워 값에 대한 비율을 가지고 집중도를 계산하고, 계산된 집중도를 반영하는 2인의 게임을 사용자가 하도록 함으로써 집중력을 향상시킨다. 그리고, 사용자가 본 업무를 하는 동안 사용자의 집중도를 파악함으로 산만한 상태에서는 사용자에게 경고 등의 수단 을 통해 피드백을 해 주는 집중력 향상 및 유지를 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제는 본 발명에 따라, (a) 뇌파 신호를 검출하는 단계; (b) 상기 측정된 뇌파 신호중 알파 밴드의 신호와 베타 밴드의 신호의 파워값을 계산하는 단계; (c) 상기 계산된 파워값을 바탕으로 집중도를 계산하는 단계; 및 (d) 상기 계산된 집중도에 따라 대응되는 모드의 프로그램을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 집중력 향상 및 유지 방법에 의해 달성된다.

상기 알파 밴드의 신호는 8 내지 13 Hz의 신호이며, 상기 베타 밴드의 신호는 14 내지 30 Hz의 신호이고, 상기 집중도는, (알파 밴드 신호의 파워값) / (베타 밴드 신호의 파워값 x 학습율)에 따라 계산되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 기술적 과제는 (a) 사용자의 뇌파 신호에 포함된 알파 밴드의 신호와 베타 밴드의 신호의 파워값을 바탕으로 집중도를 계산하는 단계; 및 (b) 상기 계산된 집중도를 복수의 사용자에 대하여 계산하여 디스플레이하고, 두 사용자의 집중도의 우열관계에 따라 그 결과를 디스플레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 집중력 향상 및 유지 방법에 의해서도 달성된다.

한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 기술적 과제는 (a) 사용자의 뇌파 신호에 포함된 알파 밴드의 신호와 베타 밴드의 신호의 파워값을 바탕으로 집중도를 계산하는 단계; 및 (b) 상기 계산된 집중도가 소정의 임계값 이하인 경우에는 사용자에게 경보수단을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 집중력 향상 및 유지 방법에 의해서도 달성된다.

한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 기술적 과제는 뇌파 신호를 검출하는 센서; 상기 측정된 뇌파 신호중 알파 밴드의 신호와 베타 밴드의 신호의 파워값을 계산하고 집중도를 계산하는 프로세서; 상기 계산된 집중도에 따라 결정되는 모드의 프로그램을 저장하는 메모리; 상기 프로그램의 수행결과를 보여주는 디스플레이부; 및 상기 계산된 집중도에 따라 사용자에게 피드백 신호를 마련하여 제공하는 피드백 제공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 집중력 향상 및 유지 장치에 의해서도 달성된다.

상기 프로세서는, (알파 밴드 신호의 파워값) / (베타 밴드 신호의 파워값 x 학습율)에 따라 집중도를 계산하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 집중력 향상 및 유지 장치의 블록도이다.

집중력 향상 및 유지 장치는 센서(110), A/D 변환기(120), 프로세서(130), 메모리(140), 디스플레이부(150) 및 피드백 제공부(160)를 포함한다. 센서(110)는 사용자의 뇌파 신호를 측정한다. A/D 변환기(120)는 측정된 뇌파 신호를 디지털 데이터로 변환한다. 프로세서(130)는 변환된 뇌파 데이터를 분석하여 사용자의 집중도 상태를 판단한다. 메모리(140)는 판단된 집중도에 따라 대응되는 알고리즘과 컨 텐츠를 저장한다. 즉, 메모리(140)에는 후술하는 집중력 향상 프로그램이 저장된다. 집중력 향상 프로그램은 도 3을 참조하여 후술하는 예에 한정되는 것이 아니라 사용자의 반응을 즉각적으로 측정할 수 있는 수단 등을 통한 여러 가지 집중력 향상 프로그램이 가능하다.

디스플레이부(150)는 메모리에 저장된 컨텐츠를 사용자에게 보여준다. 피드백 제공부(160)는 사용자의 집중도에 따라 사용자의 상태를 프로세서(130)에 알려주어, 사용자의 상태를 반영한 컨텐츠를 디스플레이 하도록 한다. 그리고 피드백 제공수단으로써 매우 큰 소리를 발생시켜 사용자에게 들려주거나, 디스플레이부(150)에 경고를 알리는 일정한 패턴의 화면을 내보내도록 할 수도 있다.

도 2는 도 1에서의 뇌파 측정 센서와 피드백 제공부의 모형도이다.

즉, 도 1의 센서(110)와 피드백 제공부(160)가 인간의 신체에 여러 부분에 부착되어 뇌파 신호를 측정하고 귀를 통해서 음향신호로써 피드백 신호를 제공하는가 하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 센서는 4개를 구비하며, 각각 왼쪽 이마에 부착하는 센서1(210), 오른쪽 이마에 부착하는 센서2(220), 왼쪽 귀바퀴 아래에 부착하는 센서3(230) 및 목 뒤 부분에 부착하는 센서4(240)가 존재한다. 피드백 제공부(160)는 집중도에 따라서 음향신호를 만들어 사용자에게 제공하는 것으로 좌측 헤드폰(250) 및 우측 헤드폰(260)을 구비한다. 센서의 수, 부착위치, 피드백 제공수단은 본 실시예에 한정하는 것이 아니라 다양하게 구성할 수 있다.

도 3은 집중력 향상을 위해 두 명의 사용자가 하는 게임의 일실시예이다.

본 발명에 따른 집중력 향상을 위한 게임은 도 1의 메모리(140)와 디스플레 이부(150)에 대한 집중력 향상을 위한 콘텐츠 내용으로 이는 기본적으로 2명이 서로 집중력을 경쟁하는 게임으로 구성된다. 보다 상세하게는, 사용자1과 사용자2의 집중도를 측정하여 집중도가 더 낮은 사람쪽으로 볼링공을 굴려 볼링핀을 쓰러뜨리는 형태의 게임이다.

사용자 1인이 실시할 때는 메모리에 저장되어 있던 여러 사용자 평균의 집중력 뇌파 데이터를 가지고 컴퓨터와 경쟁하는 방식으로 한다. 이 때, 2인이 집중력을 경쟁하려면 도 2에 도시한 바와 같은 센서와 피드백 제공부가 두 개씩 존재하여 각각의 사용자에게 부착한다.

한편, 사용자는 자기의 본 업무(예, 학습)를 하는 동안 집중력을 유지할 필요성이 있다. 이 때에 본 장치는 사용자의 뇌파를 분석해 집중도가 떨어지는 순간에 사용자에게 피드백 신호를 제공한다. 피드백 신호의 제공유형으로써 두 가지의 예를 들 수 있다. 첫 번째는 도 2에 도시한 좌우측 헤드폰을 통해 몇초동안 사이렌과 같은 비상음을 발생시키는 방법이 있고, 두 번째는 디스플레이부의 화면 전체를 붉은 색 바탕으로 여러번 깜박깜박거리게 한다. 그러면 사용자는 자신이 산만한 상태임을 인지하고, 다시 자발적으로 집중하게 할 수 있다.

도 4는 집중력 향상 및 유지 방법의 흐름도이다.

1인 사용자 또는 2인 사용자는 도 2에 도시된 바와 같은 센서부와 피드백 제공부로 구성된 장치를 머리에 착용하면 실시간으로 센서가 뇌파를 검출한다(S410).검출된 뇌파 신호는 디지털 신호로 변환되고(S420), 디지털 신호에 대해 FFT 변환을 거쳐 알파 밴드, 베타 밴드의 파워 값을 구한다(S430). 알파 밴드는 8 ~ 13 Hz 의 뇌파 신호이고, 베타 밴드는 14~30 Hz 의 뇌파 신호이다. 인간이 집중하고 있을 때에는 베타 밴드의 뇌파 신호가 많이 방출되고, 그렇지 않고 안정된 상태 또는 평상시에는 알파 밴드의 뇌파 신호가 많이 방출된다. 다음으로, 알파밴드의 파워 값과 베타 밴드의 파워 값에 대한 비율인 집중도를 다음 수학식 1에 따라 계산한다(S440). 따라서 수학식 1에 따라서 계산된 집중도가 작은 값일수록 사용자의 집중상태가 높은 것으로 판단한다.

집중도 = 알파 밴드 파워 / ( 베타 밴드 파워 x 학습율)

계산된 파워 비율인 집중도에 따라 모드를 결정한다(S450). 모드에 따라 집중력 향상 모드 또는 집중력 유지 모드 프로그램을 수행한다(S460).

도 5는 집중력 향상 모드시의 흐름도이다.

집중력 향상 모드에서는 도 1에 도시한 메모리(140)에 저장되어 있는 집중력 향상 프로그램을 수행한다. 우선, 디스플레이부(150)를 통해 도 3에 도시한 바와 같은 집중력 향상 프로그램을 보여준다(S510). 그러면 1인용 또는 2인용 집중력 향상 게임을 시작한다(S520). 2인용 게임인 경우에는, 사용자 1에 대하여 수학식 1에 따라 계산된 파워 비율1과, 사용자 2에 대하여 수학식 1에 따라 계산된 파워 비율2를 비교한다(S530). 그리고, 비교한 값에 따라 디스플레이부의 화면을 갱신한다(S540). 예를 들어, 파워비율 1이 파워비율2보다 작으면, 즉, 수학식 1에 따라 계산한 사용자1의 집중도 값이 사용자2의 집중도 값보다 작으면, 사용자1이 사용자2보다 집중도가 높은 상태이므로 화면의 정중앙에 있는 볼링공을 상대편의 핀을 향 해 굴려서 상대편의 볼링 핀을 넘어뜨리는 방식으로 진행한다. 사용자2의 입장에서도 마찬가지로 집중도가 사용자1보다 작으면 사용자1쪽의 볼링핀을 향해 볼링공을 진행시킨다.

한편, 초기에 학습율(learning rate) 값의 획득을 위해서, 사용자1이 집중상태이고 사용자2가 산만상태인 경우, 사용자1이 산만상태이고 사용자2가 집중상태인 경우, 사용자1이 집중상태이고 사용자2가 집중상태인 경우 및 사용자1이 산만상태이고 사용자2가 산만상태인 경우의 4가지에 대해서 실험하면서 학습율 파라메터(learning rate) 값을 조정한다

학습율을 조정하는 것을 예를 들어 설명한다. 사용자1이 집중상태, 사용자2가 산만상태인 경우, 도 3의 볼링공은 집중도 값이 큰 사용자2 방향으로 빠르게 굴러간다. 이때 학습률을 경험적으로 조정하여 볼링공의 속도를 조절한다. 즉, 볼링공의 속도가 지나치게 느리거나 지나치게 빠른 것을 방지하기 위하여 학습율을 가지고 조정하는 것이다. 다음으로 사용자1과 사용자2가 모두 집중상태에 있으면 첫 번째 경우보다 더 느린속도로 조금이라도 집중력이 약한쪽으로 볼링공이 굴러가는데, 이 속도도 학습율을 조절함으로써 조절한다.

그리고, 학습율은 알파밴드의 뇌파와 베타밴드의 뇌파 사이의 비율, 즉 중요도를 조정한다. 예를 들어, 사용자2가 산만상태라고 하면 수학식 1에 따라 계산된 사용자2의 집중도 값이 사용자1의 집중도 값보다 커야 한다. 그런데, 학습율 변수를 고려하지 않고 알파 밴드의 뇌파와 베타 밴드의 뇌파를 실제로 측정하면, 사용자2의 뇌파신호의 비율이 더 작아질 수 있다. 따라서, 이를 보정하기 위하여 학습 율을 수학식 1에 삽입하여 집중도 값을 계산한다.

사용자가 한 사람일 때는 사용자2의 알파 베타 밴드 비율 값은, 100 인 이상에 대한 비율 값의 평균값을 메모리에 저장하고 있다가, 사용자가 1인일 때 사용자2 대신에 사용하며, 사용자1의 뇌파를 입력받아 수학식 1에 따라 계산된 집중도가, 상기 저장된 평균값보다 작으면 볼링공을 오른쪽으로 이동을 시키고, 상대적으로 크면 왼쪽으로 이동을 시키는 방법으로 운용한다(디스플레이 화면에서 사용자1은 왼쪽 편에, 사용자2는 오른쪽 편에 위치함).

도 6은 집중력 유지 모드시의 흐름도이다.

집중력 유지 모드는 사용자가 한 사람일 때만 수행된다. 수학식 1에 따라 계산된 파워 비율값이 계산된다. 계산식은 집중력 향상 게임 때 사용한 식과 동일하다. 다시 말하면, 집중력 모드로 들어오면, 사용자는 자기의 일(예, 학습 또는 업무)을 집중하여 처리한다. 이 때 집중력 유지 장치는 사용자의 뇌파를 받아서 알파 밴드와 베타 밴드의 파워 값에 대한 비율을 계산한다. 그리고, 그 값이 집중력 향상 모드에서 사용된 평균값과 비교된다(S610). 파워 비율이 평균값보다 작으면(집중상태임) 계속 사용자의 뇌파 신호를 계속 받고, 평균값보다 크면(산만한 상태) 사용자에게 경고한다(S620).

예를 들어, 도 2에서의 좌/우측 헤드폰(250, 260)을 통해 경고음으로 사이렌 소리를 5초간 내거나, 동시에 디스플레이 화면이 전체적으로 붉은 색을 5초간 5회 깜박깜박하도록 하므로 사용자로 하여금 산만한 상태를 알려준다. 사용자는 피드백을 받고서 다시 본인의 업무에 집중을 하게 되면 그 때 본 시스템은 사용자의 뇌파 를 분석하여 다시 평균값과 비교하여 해당하는 동작을 하게 된다.

한편, 전술한 집중력 향상 및 유지 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성 가능하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 집중력 향상 및 유지 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체, 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 사용자는 흥미 있는 집중력 게임을 통하여 자연스럽게 집중력을 향상시키며, 집중력 모드에서는 사용자가 산만한 상태일 때 시스템이 그 상태를 사용자에게 피드백을 해 줌으로 사용자로 하여금 스스로 지속적인 집중 상태를 유지토록 도와주므로 사용자의 업무나 학습 효율을 높일 수 있다.

Claims (9)

1. 게임 컨텐츠 프로그램에 대한 집중력 향상 모드 또는 유지 모드를 결정하여 집중력을 향상 및 유지하는 방법에 있어서,

   (a) 뇌파 신호를 검출하는 단계;

   (b) 상기 측정된 뇌파 신호중 알파 밴드의 신호와 베타 밴드의 신호의 파워값을 계산하는 단계;

   (c) 상기 계산된 파워값을 이용하여 (알파 밴드 신호의 파워값) / (베타 밴드 신호의 파워값 x 학습율) 에 따라 집중도를 계산하는 단계; 및

   (d) 상기 계산된 집중도에 따라 상기 프로그램에 대한 집중력 향상 또는 유지 모드를 결정하는 단계;를 포함하여 상기 결정된 모드에 따라 상기 게임 컨텐츠 프로그램이 수행되는 것을 특징으로 하는 집중력 향상 및 유지 방법.
2. 제1항에 있어서

   상기 알파 밴드의 신호는 8 내지 13 Hz의 신호이며, 상기 베타 밴드의 신호는 14 내지 30 Hz의 신호인 것을 특징으로 하는 집중력 향상 및 유지 방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. (a) 사용자의 뇌파 신호에 포함된 알파 밴드의 신호와 베타 밴드의 신호의 파워값을 바탕으로 (알파 밴드 신호의 파워값) / (베타 밴드 신호의 파워값 x 학습율)에 따라 집중도를 계산하는 단계; 및

   (b) 상기 계산된 집중도를 복수의 사용자의 집중도의 평균값을 포함하는 임계값과 비교하여 사용자에게 경보수단을 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 집중력 향상 및 유지 방법.
8. 뇌파 신호를 검출하는 센서;

   상기 측정된 뇌파 신호중 알파 밴드의 신호와 베타 밴드의 신호의 파워값을 계산하여 (알파 밴드 신호의 파워값) / (베타 밴드 신호의 파워값 x 학습율)에 따라 집중도를 계산하는 프로세서;

   상기 계산된 집중도에 따라 결정되는 모드의 프로그램을 저장하는 메모리;

   상기 프로그램의 수행결과를 보여주는 디스플레이부; 및

   상기 계산된 집중도에 따라 사용자에게 피드백 신호를 마련하여 제공하는 피드백 제공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 집중력 향상 및 유지 장치.
9. 삭제

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