KR101006109B1 - 뉴로 피드백 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 뉴로 피드백 장치 및 방법에 관한 것으로, 이 장치는 피훈련자 두뇌로부터 발생되는 뇌파의 전위차를 측정하는 측정부; 임계치를 설정하되, 현재 및 이전에 측정된 전위차를 통계한 결과를 기초로, 상기 임계치를 자동으로 갱신하는 임계치 설정부; 및 상기 임계치의 변화를 알리는 신호를 상기 피훈련자에게 통지하는 통지부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 피훈련자는 뉴로 피드백 훈련을 편리하게 제공받을 수 있으며, 뉴로 피드백 기반의 훈련 효과를 극대화할 수 있다.

Description

뉴로 피드백 장치 및 방법{apparatus and method for neuro feedback}

도 1은 네 가지 파형에 대한 주파수 대역, 예시 파형, 뇌의 상태를 나타내는 테이블을 예시한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로 피드백 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로 피드백 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명은 뉴로 피드백 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 뉴로 피드백 기반의 훈련 효과를 극대화할 수 있도록 하는 뉴로 피드백 장치 및 방법에 관한 것이다.

뇌파(brain wave)란 대뇌 피질을 구성하는 신경 세포 군들의 전기적 활동을 두피에서 측정한 uV 수준의 미세한 신호를 나타내며, EEG(Electro EncephaloGram)란 뇌신경세포 활동에 수반되어 생성되는 전기적 변화를 측정, 기록하는 것을 의미한다.

뉴로 피드백이란 뇌의 특정 부위의 특정 뇌파를 자율적으로 조절함으로써 치료의 목표로 하는 뇌의 생리적 기능을 자율적으로 조절할 수 있는 능력을 습득할 수 있도록 훈련하는 것을 말한다. 이러한 뉴로 피드백은 조작적 조건 형성(operant conditioning)의 원리를 이용한 학습 과정으로서, 일정 기간 훈련을 하면 의식적으로 과도한 노력을 하지 않아도 특정 범위의 뇌파를 조절하는 방법을 학습사고, 학습된 결과를 장기간 기억하게 되는 뇌의 특성 즉, 자기 규제(self-regulation) 특성을 이용한다.

뇌파 신호는 뇌의 활동, 측정 시의 상태 및 뇌 기능에 따라 시공간적으로 변화하는데 뇌파의 측정은 뇌 기능과 장애를 진단하기 위한 필수적인 과정이다.

측정된 뇌파는 1~50Hz의 와 약 10~200uV의 진폭을 가지며, 주파수와 전압의 차이에 따라 정상 수면 상태인 델타파(0.2~4Hz, 20~200uV), 정서적으로 안정된 경우의 세타파(4~7Hz, 20~100uV), 긴장이 이완되어 있는 상태인 알파파(8~12Hz, 20~60uV), 깨어 있을 때 나타나는 베타파(12~30Hz, 2~20uV), 흥분할 때 나타나는 감마파(30~50Hz, 2~20uV) 등으로 구분된다.

도 1은 네 가지 파형에 대한 주파수 대역, 예시 파형, 뇌의 상태를 나타내는 테이블을 예시한다. α파형은 8~12Hz 주파수에 20~60uV 크기의 파형으로서, 정상 성인이 안정된 정신 상태에서 발생되고, 특히 후두부 및 두정부에서 잘 관찰된다. β파형은 12~30Hz의 주파수를 가지며, 뇌의 활발한 활동에 의해 빠르고 불규칙한 형태로 나타나며, 특히 어린이의 두정부와 측두부에서 잘 관찰된다. θ파형은 4~7Hz의 주파수를 가지며, 어린이의 두정부와 측두부에서 관찰되고, 성인에게서는 수면 시나 깊은 실망 등의 스트레스가 있을 때 혹은 뇌 질환이 있을 때 관찰된다. δ파형은 4Hz 이하 주파수 신호이고, 유아에게서도 관찰되고, 성인에게서는 깊은 수면 시나 심한 뇌 질환 시에 나타날 수 있다.

특히 알파 리듬은 뇌의 고유한 리듬으로 근원지는 시상(thalamus)으로 알려져 있으며, 대뇌피질이 복잡한 작업을 하지 않고, 휴식을 취하고 있을 때 우세해지며, 반대로 계산 등의 정보 처리를 할 경우에는 알파 차단 기전(alpha-blocking)에 의해 알파 파가 줄어들게 된다.

보통 눈을 뜬 상태에서 눈을 감게 되면, 후두엽에서 알파파가 증가하다가 다시 눈을 뜨는 알파파가 감소하는 현상이 쉽게 확인된다. 이는 눈을 뜨게 되면 외부 시각 자극에 의해 일차 시각 피질이 있는 후두엽에서 시각 정보 처리가 이루어져 알파 차단 효과에 의해 알파 소실 현상이 일어나기 때문이다.

일반적으로 졸리거나 서서히 의식이 없어질 수록 빠른 리듬은 서서히 사라지고 알파에서 쎄타, 델타 리듬 방향으로 점차 느려진 리듬이 우세해진다. 반대로, 암산, 추리 등의 작업을 수행하거나 정신적으로 지나치게 각성된 경우에는 느린 리듬은 서서히 사라지고 알파에서 베타, 감마 리듬 방향으로 점차 빠른 리듬이 우세해진다. 즉, 대뇌 피질 해당 부위에 있는 신경 세포 군의 전기적 활동이 왕성할 수록 그 부위에 혈류량이 많아지고, 포도당, 산소 소모량이 증가하여 베타, 감마와 같은 빠른 뇌파 리듬이 나타나는 경향이 있다.

종래의 뉴로 피드백 시스템에 따르면, 주로, 심리적 이완을 나타내는 주요 지표가 되고, 심리적 긴장이 해소될 수록 진폭이 커지는 특성을 가진 α파 전력 스펙트럼의 크기를 이용한다. 이 시스템은 피험자 두뇌의 각 부위 중, α파를 많이(dominantly) 발생시키는 부위에 대한 α파의 세기를 측정한 후, 측정된 값에 대한 정보를 실시간으로 환자(피험자)에게 피드백 시켜 줌으로써, 피험자로 하여금 자신의 상태를 알게 하여 만약 피험자가 심리적 불안정 상태에 있을 때, 그 상태로부터 조기에 벗어날 수 있도록 훈련시킴과 동시에 그 요령을 빨리 터득할 수 있게 한다.

그러나, 이러한 시스템은 측정된 값에 대한 정보를 단순히 실시간으로 환자(피험자)에게 피드백 시켜 줄뿐이기 때문에, 효과를 얻기 위해서는 피훈련자의 자발적인 노력에 의존해야만 하는 한계가 있다.

따라서, 뉴로 피드백 기반의 훈련을 효과적으로 피훈련자에게 제공하기 위한 뉴로 피드백 장치 및 방법이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 뉴로 피드백 기반의 훈련을 효과적으로 피훈련자에게 제공하기 위한 뉴로 피드백 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명의 제1 측면은 피훈련자 두뇌로부터 발생되는 뇌파의 전위차를 측정하는 측정부; 임계치를 설정하되, 현재 및 이전에 측정된 전위차를 통계한 결과를 기초로, 상기 임계치를 자동으로 갱신하는 임계치 설정부; 및 상기 임계치의 변화를 알리는 신호를 상기 피훈련자에게 통지하는 통지부를 포함하는 뉴로 피드백 장치를 제공한다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명의 제2 측면은 (a) 임계치를 초기화하는 단계; (b) 피훈련자 두뇌로부터 발생되는 뇌파의 전위차를 측정하는 단계; (c) 현재 및 이전에 측정된 전위차를 통계한 결과를 기초로, 상기 임계치를 자동으로 갱신하는 단계; 및 (d) 상기 임계치의 변화를 알리는 신호를 상기 피훈련자에게 통지하는 단계를 포함하는 뉴로 피드백 방법을 제공한다.

이하, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로 피드백 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예의 뉴로 피드백 장치는 임계치 설정부(200), 측정부(210), 및 통지부(220)를 포함하여 이루어진다.

측정부(210)는 피훈련자 두뇌로부터 발생되는 뇌파의 전위차를 측정한다. 이러한 기능을 수행하는 측정부(210)는 두뇌의 특정 부위에 부착하는 EEG 전극들로 구비하여 뇌파의 전위차를 측정하는 뇌파계 등으로 구성될 수 있음은 이 분야에 종사하는 자라면 충분히 이해할 수 있다.

임계치 설정부(200)는 임계치를 설정한다. 보다 구체적인 실시예로서, 임계치 설정부(200)는 현재 및 이전에 측정된 전위차를 통계한 결과를 기초로, 피훈련자(예컨대, 환자)가 뉴로 피드백 훈련을 포기하지 않도록 임계치를 자동으로 조절/ 갱신한다. 바람직하게, 현재 및 이전에 측정된 전위차를 통계한 결과를 갱신 시점 및 갱신에 따른 임계치의 변화량 등에 반영된다.

갱신 시점에 통계 결과를 반영하는 일례로는 전위차가 일정한 값으로 소정 시간 유지되는 경우에 한하여 갱신하는 것을 들 수 있으며, 임계치의 변화량에 통계 결과를 반영하는 일례로는 다음과 같다. 소정 시점부터 현재까지의 측정된 전위차가 지속적으로 현재 설정된 임계치(예컨대, B값)보다 현저히 낮은 값(예컨대 A값)을 가지면, 임계치를 A 값 보다 약간 큰 값으로 변경하여 훈련 의욕을 상기시키는 방법을 들 수 있다.

통지부(220)는 임계치 설정부(200)에 의해 임계치가 변경되면, 이 변경을 알리는 신호를 상기 피훈련자에게 통지한다. 또한, 부가적으로 통지부(220)는 측정부(210)에서 측정된 전위차가 현재 설정된 임계치를 초과하는 순간, 소리나 화면상의 신호를 통하여 피훈련자에게 통지한다.

도 2를 참조하면, 임계치 설정부(200)는 스코어 산출부(202) 및 임계치 갱신부(204)를 포함하여 이루어진다.

스코어 산출부(202)는 임계치가 유지되는 상황에서 뇌파를 측정한 기간에 반비례하고, 상기 측정한 기간 동안 측정된 전력 세기가 상기 임계치를 초과한 총 시간에 비례하는 스코어를 산출한다. 일례로, 임계치가 전력 세기 값 A이고, 임계치가 A 값을 유지하는 기간(이하, T 기간) 동안, 측정된 전력 세기가 A 값을 초과하는 횟수가 총 3회로 각각 T1, T2, T3의 초과 시간을 가지는 경우라면, 스코어는 (T1+T2+T3)/T가 된다.

임계치 갱신부(204)는 산출된 스코어를 기초로, 임계치를 높이거나 낮추어 갱신한다. 일례로, 산출된 스코어가 미리 설정된 목표 스코어를 초과하면, 임계치를 높이고, 다른 일례로, 산출된 스코어가 미리 설정된 스코어 값 이하이면, 임계치를 낮춘다. 바람직하게, 임계치를 높이거나 낮추는 경우에 있어서, 산출된 스코어에 비례하는 값으로 임계치를 설정한다.

한편, 도 2에는 도시되지 않았지만, 다른 실시예로서, 뉴로 피드백 장치는 뉴로 피드백 훈련을 위한 컨텐츠를 제공하는 컨텐츠 제공부(미도시)를 더 포함한다. 이 컨텐츠 제공부는 시각적, 청각적, 촉각적 컨텐츠 등을 제공하여, 피훈련자의 뇌파 조절을 돕는 역할을 수행한다. 이러한 컨텐츠의 일례로는 동영상, 이미지, 오디오 샘플 등을 들 수 있으며, 산출된 스코어 또는 측정된 뇌파에 응답하여 변화되는 실시예도 가능하다. 또한, 이러한 컨텐츠 제공부가 상술한 통지부(220)의 역할을 수행하는 실시예도 가능하다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로 피드백 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 뉴로 피드백 방법은 도 2에 도시된 뉴로 피드백 장치에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 2에 도시된 뉴로 피드백 장치에 관하여 이상에서 기술된 내용은 본 실시예에 따른 뉴로 피드백 방법에도 적용된다.

도 2를 참조하여 도 3에 도시된 흐름도를 설명하면 다음과 같다.

임계치 설정부(200)는 임계치를 초기화한다(S300). 여기서, 초기화되는 임계치 값은 피험자의 연령, 성별 등을 고려하여 결정될 수도 있고, 이전의 뉴로 피드백 훈련에 사용된 임계치를 활용하여 결정될 수도 있는 등 다양한 방법으로 결정 가능하다.

측정부(210)는 피훈련자 두뇌로부터 발생되는 뇌파의 전위차를 측정한다 (S310).

측정된 전력 세기를 기초로, 통지부(220)는 측정된 전위차가 임계치 설정부(200)에 의해 현재 설정된 임계치를 초과하면, 피훈련자에게 초과됨을 알리는 신호를 소리나 화면 상의 신호를 통하여 통지하고, 임계치 설정부(200)는 현재 및 이전에 측정된 전력 세기를 통계한 결과를 기초로, 임계치를 갱신한다(S320).

이러한 S300, S310, S320 단계로 이루어지는 과정은 반복되다가 소정의 종료 조건(예컨대, 미리 설정된 시간의 경과, 미리 설정된 반복 회수 돌파)에 의해 자동적으로 종료되거나 피훈련자에 의해 종료된다.

본 발명은 또한 컴퓨터 등의 머신이 읽을 수 있는 기록매체에 머신이 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 머신이 읽을 수 있는 기록매체는 머신에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 머신이 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 케리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통 한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 머신이 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 여러 머신에 분산되어, 분산방식으로 머신이 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

이러한 본원 발명인 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따르면, 피훈련자는 뉴로 피드백 훈련을 편리하게 제공받을 수 있으며, 뉴로 피드백 기반의 훈련 효과를 극대화할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 뉴로 피드백 훈련을 받는 피훈련자로부터 측정된 뇌파의 전위차를 통계한 값을 기초로 자동적으로 임계치를 조절함으로써, 오퍼레이터 없이 뉴로 피드백 훈련이 가능하다. 또한, 본 발명에 따르면, 뉴로 피드백 훈련을 받는 피훈련자로부터 측정된 뇌파의 전위차를 통계한 값을 기초로 자동적으로 임계치를 조절함으로써, 피훈련자가 뉴로 피드백 훈련을 포기하지 않도록 유도할 수 있으며, 그 결과, 뉴로 피드백 훈련의 효과를 더욱 높일 수 있게 된다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 피훈련자 두뇌로부터 발생되는 뇌파의 전위차를 측정하는 측정부;

   임계치를 설정하되, 현재 및 이전에 측정된 전위차를 통계한 결과를 기초로, 상기 임계치를 자동으로 갱신하는 임계치 설정부; 및

   상기 임계치의 변화를 알리는 신호를 상기 피훈련자에게 통지하는 통지부를 포함하고,

   상기 임계치 설정부는

   상기 임계치가 유지되는 상황에서 측정한 기간에 반비례하고, 상기 측정한 기간 동안 상기 측정된 전력 세기가 상기 임계치를 초과한 총 시간에 비례하는 스코어를 산출하는 스코어 산출부; 및

   상기 산출된 스코어를 기초로, 상기 임계치를 높이거나 낮추어 갱신하는 임계치 갱신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 뉴로 피드백 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 임계치 갱신부는

   상기 산출된 스코어가 미리 설정된 목표 스코어를 초과하면, 상기 임계치를 높이는 것을 특징으로 하는 뉴로 피드백 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 임계치 갱신부는

   상기 산출된 스코어가 미리 설정된 스코어 값 이하이면, 상기 임계치를 낮추는 것을 특징으로 하는 뉴로 피드백 장치.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 임계치 갱신부는,

   상기 산출된 스코어에 비례하는 값으로 상기 임계치를 설정하는 것을 특징으로 하는 뉴로 피드백 장치.
6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통지부는

   상기 측정된 전위차가 현재 설정된 임계치를 초과하는 순간, 소리나 화면상의 신호를 통하여 상기 피훈련자에게 통지하는 것을 특징으로 하는 뉴로 피드백 장치.
7. 삭제
8. (a) 임계치를 초기화하는 단계;

   (b) 피훈련자 두뇌로부터 발생되는 뇌파의 전위차를 측정하는 단계;

   (c) 현재 및 이전에 측정된 전위차를 통계한 결과를 기초로, 상기 임계치를 자동으로 갱신하는 단계; 및

   (d) 상기 임계치의 변화를 알리는 신호를 상기 피훈련자에게 통지하는 단계를 포함하고,

   상기 (c) 단계는

   (c1) 상기 임계치가 유지되는 상황에서 측정한 기간에 반비례하고, 상기 측정한 기간 동안 상기 측정된 전력이 상기 임계치를 초과한 총 시간에 비례하는 스코어를 산출하는 단계; 및

   (c2) 상기 산출된 스코어를 기초로, 상기 임계치를 높이거나 낮추어 갱신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 뉴로 피드백 방법.
9. 제8항에 기재된 방법을 컴퓨터 상에서 실행시키기 위한 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.

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