KR101211065B1

KR101211065B1 - 브레인 컴퓨터 인터페이스를 이용한 무선 제어시스템

Info

Publication number: KR101211065B1
Application number: KR1020100120419A
Authority: KR
Inventors: 이동훈; 이충헌
Original assignee: 동명대학교산학협력단
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-12-11
Also published as: KR20120076536A

Abstract

본 발명은 브레인 컴퓨터 인터페이스를 이용한 무선 제어시스템에 관한 것이다.
본 발명에서는 측정 대상의 뇌파신호를 검지하기 위한 센서부와, 상기 센서부로부터 전송된 미약한 뇌파신호를 증폭 및 필터링하기 위한 아날로그 회로로 구성되는 뇌파 측정용 증폭 모듈부와, 상기 뇌파 측정용 증폭 모듈부로부터 전송된 뇌파 신호를 디지털 신호처리 및 제어 신호 구현을 위한 디지털회로로 구성되는 뇌파 신호 적용 H/W 모듈부와, 상기 뇌파 신호 적용 H/W 모듈부측로부터 전송된 신호에서 필요한 신호만을 추출하기 위한 S/W 알고리즘을 포함하는 뇌파 신호처리부와, 상기 뇌파신호처리부에서 전송된 제어신호를 타겟 장치로 무선 전송 가능한 모듈 장치를 포함하는 제어신호 무선 전송 모듈부를 포함하는 브레인 컴퓨터 인터페이스를 이용한 무선 제어시스템이 제시된다.

Description

브레인 컴퓨터 인터페이스를 이용한 무선 제어시스템{Wireless Control System Using Brain Computer Interface}

본 발명은 뇌파를 측정하여 디지털신호로 변환하고, 변환된 디지털신호를 무선통신망을 이용하여 제어 대상에게 전달하는 시스템에 관한 것이다.

현대의 뇌 과학에 대한 연구는 매우 빠른 속도로 발전해 가고 있다. 사람의 행위에 따라 분석하고 유추하는 과거와는 달리 뇌 세포에서 일어나는 전기적인 신호를 획득하고 분석해서 직접 구동장치를 제어할 수 있게 되었다. 이러한 뇌 세포의 전기적 활동을 이용한 기술로 두뇌 인터페이스 기술(BCI:Brain Computer Interface)이 있다. BCI기술은 인간 컴퓨터 인터페이스(HCI:Human Computer Interface) 기술 중 하나이며, 현재 세계 여러 나라에서 연구가 이루어지고 있다.

브레인 컴퓨터 인터페이스를 통해서 온오프(ON/OFF)장치제어, 가전제품 제어, 로봇제어 및 생각만으로도 휠체어 제어가 가능한 연구 결과가 보고되어 지고 있다. 또한 자신의 뇌파 상태를 직접 보면서 스스로를 통제하여 원하는 뇌파 상태로 만드는 뉴로피드백 훈련 등 여러 가지 형태로 뇌를 활성화하고 뇌파를 이용한 연구들이 진행되고 있다. 이와 같은 기술을 구현하기 위해서는 뇌파에서 발생되는 전기신호를 측정하고 처리 및 해석 하는 기술이 요구된다. 일반적으로 생체 계측시스템을 구성하기 위해서는 기본적으로 네 가지 요소인 측정 대상, 센서부, 신호처리부, 그리고 출력부가 필요하게 된다. 측정 대상에 해당하는 뇌파는 1～100 Hz의 주파수와 약 10～100 ㎶의 매우 낮은 전위를 가진다. 이러한 미약한 뇌파신호를 실질적인 데이터로 사용하기 위해서는 높은 증폭률이 필요하며, 뇌파 속에 혼입된 잡음을 제거하기 위하여 하드웨어로 설계된 저역필터, 고역필터 및 노치필터 등이 필요하게 된다. 신호 증폭과 필터를 거친 뇌파 출력신호는 아날로그 뇌파신호임으로 디지털신호로 변환한 후 유선이나 무선으로 PC에 입력된다. 입력된 디지털 뇌파신호는 시간영역에서 뇌파신호 특징 값을 추출하던가 고속주파수변환(FFT)기법을 통해 주파수영역으로 전환한 후 신호처리 및 분석과정을 거친 후 특징 값을 추출하여 최종 사용하게 된다.

상기와 같은 형태의 기존 뇌파 측정 장치는 필요 이상의 크기와 유선을 이용한 데이터 전송방식을 주로 채택하고 있어서 최근에 연구하는 뇌파를 이용한 소형 및 휴대용 장치기술로 연동하기가 불편하였다.

따라서, 휴대가 가능하도록 소형화 된 EEG(electroencephalogram) 신호처리장치의 개발과, 블루투스 등의 무선통신망을 통하여 뇌파 데이터를 전송하여 다양한 외부 장치로 연동할 수 있는 발명이 요망된다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 뇌파 측정 장치의 소형화 및 뇌파 측정 신호의 무선 전송 장치와, 뇌파 신호를 이용한 외부 기기 제어 장치를 제공하는데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 해결 수단으로서, 본 발명에서는 측정 대상의 뇌파신호를 검지하기 위한 센서부와, 상기 센서부로부터 전송된 미약한 뇌파신호를 증폭 및 필터링하기 위한 아날로그 회로로 구성되는 뇌파 측정용 증폭 모듈부와, 상기 뇌파 측정용 증폭 모듈부로부터 전송된 뇌파 신호를 디지털 신호처리 및 제어 신호 구현을 위한 디지털회로로 구성되는 뇌파 신호 적용 H/W 모듈부와, 상기 뇌파 신호 적용 H/W 모듈부측로부터 전송된 신호에서 필요한 신호만을 추출하기 위한 S/W 알고리즘을 포함하는 뇌파 신호처리부와, 상기 뇌파신호처리부에서 전송된 제어신호를 타겟 장치로 무선 전송 가능한 모듈 장치를 포함하는 제어신호 무선 전송 모듈부를 포함하는 브레인 컴퓨터 인터페이스를 이용한 무선 제어시스템이 제시된다.

본 발명에 의하면, 신호계측 모듈의 소형화 및 무선화를 통한 신호 계측의 용이성을 제공하여 의공학 및 생리학 등 관련 연구에 활용할 수 있는 효과가 있다. 또한, 소형화 및 휴대성이 확보되어 뇌파를 다양한 곳에 적용 가능하도록 하는 효과가 있고, 뇌파를 이용한 기본적인 제어기술 확보로 의료용기기제작, 게임기 산업으로 적용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 브레인 컴퓨터 인터페이스를 이용한 무선 제어시스템의 실시예에 관한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예의 주요부인 뇌파 측정용 증폭 모듈부에 관한 개략적인 구성도이다.
도 3은 전치증폭회로부에 관한 상세 회로도이다.
도 4는 1차교류증폭회로부에 관한 상세 회로도이다.
도 5는 2차 저역필터부에 관한 상세 회로도이다.
도 6은 노치필터부에 관한 상세 회로도이다.
도 7은 2차 교류증폭회로부에 관한 상세 회로도이다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 관한 발명의 구성을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 브레인 컴퓨터 인터페이스를 이용한 무선 제어시스템의 실시예에 관한 개략적인 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 브레인 컴퓨터 인터페이스를 이용한 무선 제어시스템은, 측정 대상의 뇌파신호를 검지하기 위한 센서부(100)와, 상기 센서부(100)로부터 전송된 미약한 뇌파신호를 증폭 및 필터링하기 위한 아날로그 회로로 구성되는 뇌파 측정용 증폭 모듈부(200)와, 상기 뇌파 측정용 증폭 모듈부(200)로부터 전송된 뇌파 신호를 디지털 신호처리 및 제어 신호 구현을 위한 디지털회로로 구성되는 뇌파 신호 적용 H/W 모듈부(300)와, 상기 뇌파 신호 적용 H/W 모듈부(300)로부터 전송된 신호에서 필요한 신호만을 추출하기 위한 S/W 알고리즘을 포함하는 뇌파 신호처리부(400)와, 상기 뇌파신호처리부(400)에서 전송된 제어신호를 타겟 장치로 무선 전송 가능한 모듈 장치를 포함하는 제어신호 무선 전송 모듈부(500)를 포함하는 구성이다.

또한, 상기 제어신호 무선 전송 모듈부(500)로부터 전송받은 제어신호에 따라서 구동하는 제어대상디바이스(600)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 센서부(100)는 기존의 제작된 뇌파 측정 장비, 예를 들면, Biopac EEG100C를 이용할 수 있다.

본 발명의 뇌파 측정용 증폭 모듈부(200)는 전치증폭부를 이용하여 최초의 전극에 뇌파 신호를 분류 및 증폭하고, 이 신호는 하이패스필터(HPF)를 거치며 100증폭되고 로우패스필터(LPF)를 거치게 된다. 이후 전원 노이즈 제거를 위한 대역제거필터(Band Elimination filter)를 거친 후 최종 하이패스필터(HPF)를 거치면서 동시에 100 증폭되도록 하는 구성이다.

도 2는 본 발명의 뇌파 측정용 증폭 모듈부(200)에 관한 개략적인 구성도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 뇌파 측정용 증폭 모듈부(200)는 상기 센서부(100)로부터 전송된 미약한 뇌파신호를 안정적인 신호로 증폭하기 위한 전치증폭회로부(210)와, 상기 전치증폭회로부(210)로부터 전송된 신호에서 직류-오프셋 신호를 제거하여 증폭시키기 위한 1차교류증폭회로부(220)와, 상기 1차교류증폭회로부(220)로부터 전송된 신호에 대해 단일증폭을 수행하기 위한 셀런-키 방식의 2차저역필터부(230)와, 상기 2차저역필터부(230)로부터 전송된 신호에서 불필요한 60Hz의 전원노이즈를 제거하기 위한 노치필터부(240)와, 상기 노치필터부(240)로부터 전송된 신호에서 뇌파 영역 이외의 신호주파수를 제거하기 위한 2차 교류증폭회로부(250)를 포함한다.

도 3은 본 발명의 뇌파 측정용 증폭 모듈부(200)가 포함하는 전치증폭회로부(210)의 상세 회로도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 뇌파 측정을 위한 전치증폭회로부(100)는 생체전위증폭기용 소자인 예를 들면, INA128(TI사, 미국)을 사용하고, 차동증폭 형태로 구성된 INA128은 R_G값을 이용하여 V^- _{IN ,}V⁺ _IN의 두 전극의 뇌파 입력값의 차이 값을 증폭하며 두 입력의 공통성분은 제거하는 생체신호 계측용 계장증폭기로 구성된다.

상기 전치증폭회로부(210)의 증폭률은 수학식 1과 같이 증폭도를 결정할 수 있다. R_G 값을 5.6 ㏀ 저항으로 사용하여 증폭률은 10배로 설계하였다. 처음부터 증폭율을 올리면 불필요한 잡음도 증폭됨으로 증폭도의 적절한 조정이 필요하게 된다. 여기서는 V^- _IN,V⁺ _IN, Ref 세 단자를 이용하여 단극 유도법(Mono-polar)과 양극유도법(bi-polar)으로 측정 가능하도록 구성된다.

[수학식 1]

도 4는 본 발명의 뇌파 측정용 증폭 모듈부(200)가 포함하는 1차교류증폭회로부(220)의 상세 회로도이다. 본 발명의 1차교류증폭회로부(220)는 도 4에 도시한 바와 같이, 전치증폭기를 통해 획득된 뇌파신호는 1차 교류증폭회로를 통해서 직류-오프셋 신호를 제거하기 위해 0.48 Hz의 차단주파수를 갖는 고역필터와 100Hz이하의 뇌파신호에서 감쇄가 없도록 482 Hz정도에서 차단주파수를 갖는 저역필터 및 이득은 101배로 증폭할 수 있다. 즉, 이 주파수 대역을 벗어나는 뇌파는 불필요한 신호이므로 감쇄나 차단된다. 전치증포회로부(210)에서 발생되는 직류-오프셋 전압은 초단 전극에서의 발생되는 전기화학적 전압성분이 가장 크고, 그 외 연산증폭기 입력바이어스 전류에 의해서도 발생할 수 있다.

수학식 2 내지 수학식 4는 상기 1차 교류증폭회로부(220)의 각각의 필터의 차단주파수와 신호가 증폭되는 이득 값을 나타내는 수식이다. 고역필터의 차단주파수는 수학식 2, 저역필터의 차단주파수는 수학식 3 및 증폭기의 이득은 수학식 4와 같이 계산된다.

[수학식 2]

[수학식 3]

[수학식 4]

도 5는 본 발명의 뇌파 측정용 증폭 모듈부(200)가 포함하는 2차 저역필터부에 관한 상세 회로도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 단일 증폭을 갖는 셀런-키 방식의 2차 저역필터의 회로이다. 차단주파수는 50 Hz이며 단일이득의 저역필터의 특성을 나타낸다. 뇌파신호의 관심영역 주파수는 30 Hz이하에 거의 모든 신호가 있으므로 50 Hz의 저역필터로 구성되어 있다.

도 6은 본 발명의 뇌파 측정용 증폭 모듈부(200)가 포함하는 노치필터부의 상세 회로도이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 노치필터부는 뇌파 신호의 경우 신호가 매우 미약하며 불필요한 60 Hz의 전원노이즈를 제거하기 위한 구성이다. 본 발명의 노치필터부 회로에서 R과 C의 값으로 60 Hz의 주파수 성분 값을 제거하도록 수학식 5를 이용하여 설정하였다.

[수학식 5]

도 7은 본 발명의 뇌파 측정용 증폭 모듈부(200)가 포함하는 2차 교류증폭회로부의 상세 회로도이다. 상기 2차 교류증폭회로부는 상기 노치필터부 이후 뇌파 영역 이외의 신호 주파수를 제거하기 위한 구성이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 저역필터의 차단주파수는 482Hz로, 고역필터의 차단주파수는 0.482Hz로 설계하였고, 이득은 100배로 더 증폭시키는 구성이다. 이는 뇌파신호가 아닌 DC성분과 100Hz이하의 뇌파신호의 감쇄는 적게하기 위해 차단 주파수를 약 482정도로 설정하였지만 100Hz 정도에서 설정할 수도 있다.

100 : 센서부
200 : 뇌파측정용 증폭 모듈부
300 : 뇌파신호 적용 H/W모듈부
400 : 뇌파신호처리부
500 : 제어신호 무선 전송 모듈부
600 : 제어대상디바이스

Claims

측정 대상의 뇌파신호를 검지하기 위한 센서부와,
상기 센서부로부터 전송된 미약한 뇌파신호를 증폭 및 필터링하기 위한 아날로그 회로로 구성되는 뇌파 측정용 증폭 모듈부와,
상기 뇌파 측정용 증폭 모듈부로부터 전송된 뇌파 신호를 디지털 신호처리 및 제어 신호 구현을 위한 디지털회로로 구성되는 뇌파 신호 적용 H/W 모듈부와,
상기 뇌파 신호 적용 H/W 모듈부로부터 전송된 신호에서 필요한 신호만을 추출하기 위한 S/W 알고리즘을 포함하는 뇌파 신호처리부와,
상기 뇌파신호처리부에서 전송된 제어신호를 타겟 장치로 무선 전송 가능한 모듈 장치를 포함하는 제어신호 무선 전송 모듈부를 포함하고,
상기 뇌파 측정용 증폭 모듈부는,
상기 센서부로부터 전송된 미약한 뇌파신호를 안정적인 신호로 증폭하기 위한 전치증폭회로부와, 상기 전치증폭회로부로부터 전송된 신호에서 직류-오프셋 신호를 제거하여 증폭시키기 위한 1차교류증폭회로부와, 상기 1차교류증폭회로부로부터 전송된 신호에 대해 단일증폭을 수행하기 위한 셀런-키 방식의 2차저역필터부와, 상기 2차저역필터부로부터 전송된 신호에서 불필요한 60Hz의 전원노이즈를 제거하기 위한 노치필터부와, 상기 노치필터부로부터 전송된 신호에서 뇌파 영역 이외의 신호주파수를 제거하기 위한 2차 교류증폭회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레인 컴퓨터 인터페이스를 이용한 무선 제어시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어신호 무선 전송 모듈부로부터 전송받은 제어신호에 따라서 구동하는 제어대상디바이스를 더 포함하는 브레인 컴퓨터 인터페이스를 이용한 무선 제어시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 전치증폭회로부는 상기 센서부 중 두 전극의 뇌파 입력값의 차이 값을 증폭하며 두 입력의 공통성분은 제거하는 생체신호 계측용 계장증폭기로 구성된 것을 특징으로 하는 브레인 컴퓨터 인터페이스를 이용한 무선 제어시스템.