KR101490395B1 - 뇌파 측정을 위한 센서노드 및 다수의 센서노드를 포함하는 뇌파신호 처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 뇌파신호를 측정하는 시스템에 관한 것으로, 특히 측정된 아날로그 뇌파신호의 왜곡을 최소화하기 위한 센서노드 및 다수의 센서노드를 포함하는 뇌파신호 처리 시스템에 관한 것으로, 사람의 머리를 감싸도록 착용 가능한 헤드셋에 부착되어 사람의 뇌파를 감지하는 다수의 센서노드들과, 상기 다수의 센서노드들로부터 출력되는 뇌파신호를 수집, 가공하여 외부 장치로 전송하는 데이터 처리 모듈을 포함하는 뇌파신호 처리 시스템에 있어서, 상기 다수의 센서노드 각각은,
뇌파검출전극을 통해 검출된 아날로그 뇌파신호를 증폭하기 위한 증폭부와, 상기 증폭부에서 증폭된 아날로그 뇌파신호에 포함된 노이즈를 제거하기 위한 필터링부와, 상기 필터링부를 통해 노이즈 제거된 아날로그 뇌파신호를 샘플링 주파수에 맞게 디지털 변환하여 상기 데이터 처리모듈로 출력하기 위한 아날로그-디지털 변환기를 포함함을 특징으로 한다.

Description

뇌파 측정을 위한 센서노드 및 다수의 센서노드를 포함하는 뇌파신호 처리 시스템{SENSOR NODE FOR MEASURING AN ELECTROENCEPHALOGRAM AND ELECTROENCEPHALOGRAM PROCESS SYSTEM INCLUDING THE SENSOR NODE}

본 발명은 뇌파신호를 측정하는 시스템에 관한 것으로, 특히 측정된 아날로그 뇌파신호의 왜곡을 최소화하기 위한 센서노드 및 다수의 센서노드를 포함하는 뇌파신호 처리 시스템에 관한 것이다.

급속한 고령화 사회 진입으로 인한 고령 인구의 증가, 일상생활 및 사회생활에서의 스트레스 증가 등 다양한 원인으로 인해 미국에서만 200만 명 이상의 신경계 손상 환자들이 보고되고 있으며, 국내에서도 루게릭병(ALS), 파킨슨병이나 뇌졸중, 진행성 연수마비, 척수근육위축 등의 운동 장애가 있는 뇌 신경질환 및 퇴행성 뇌질환 환자의 수가 매년 증가 추세에 있다. 이에 따라 뇌 신경질환과 관련된 치료, 재활 및 관련 환자의 간호, 부양으로 인한 사회적 비용이 증가하고 있어 미국의 경우 알츠하이머 치매로 인한 의료비용이 연간 800억$(약 80조원)에 이르며, 뇌졸중의 경우 영구적인 신경기능 장애로 인한 사회, 경제적 비용이 약 2.3조 원에 이른다고 한다.

이와 같이 뇌신경 질환의 치료 및 재활을 위해 막대한 비용을 지불하고 있는 현실을 감안해 볼 때, 무엇보다 중요한 것은 뇌신경 조직의 주기적 검사를 통한 사전 예방이라 할 수 있을 것이다. 뇌신경 조직의 주기적 검사에는 보통 뇌파 측정기를 이용할 수 있다.

일반적인 뇌파 측정기는 사람의 머리 여러 곳에 부착되어 뇌파에 따른 전기신호를 발생시키는 다수의 전극들로 이루어진 뇌파 감지부와, 다수의 뇌파 감지부로부터 각각 출력되는 전기적 뇌파신호에서 잡음을 필터링하는 필터링부와, 그 필터링부 각각으로 부터 출력되는 여러 채널의 뇌파신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 다채널 AD 컨버터와, 디지털 변환된 뇌파신호를 분석하기 위한 데이터 처리모듈을 포함한다.

이러한 구성을 가지는 일반적인 뇌파 측정기에서는 각 뇌파 감지부로부터 얻어진 아날로그 형태의 뇌파신호가 길이가 긴 신호선을 통해 다채널 AD 컨버터까지 전송되기 때문에 여러 가지 간섭신호에 의해서 신호의 품질이 저하될 수밖에 없다. 따라서 전극을 통해 측정되는 아날로그 형태의 뇌파신호의 왜곡을 최소화할 수 있는 방안이 요구되는 바이다.

대한민국 공개특허공보 10-2004-0055504

이에 본 발명은 상술한 바와 같은 필요성에 따라 제안된 발명으로, 본 발명의 목적은 전극을 통해 측정한 뇌파신호를 신호 측정단에서 바로 직접 디지털 신호로 변환하여 아날로그 신호의 왜곡을 최소화할 수 있는 센서노드와 다수의 센서노드를 포함하는 뇌파신호 처리 시스템을 제공함에 있다.

더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 각각의 센서노드에서 측정된 뇌파신호를 디지털 변환함에 있어 디지털 신호의 왜곡이 발생되지 않도록 하기 위한 뇌파신호 처리 시스템을 제공함에 있으며,

더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 다수의 센서노드를 통해 측정된 뇌파 신호를 병목 현상 없이 데이터 처리모듈로 고속 전송할 수 있는 버스 구조의 뇌파신호 처리 시스템을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 센서노드는 사람의 머리를 감싸도록 착용 가능한 헤드셋에 부착되어 사람의 뇌파를 감지하는 센서노드로서,

뇌파검출전극을 통해 검출된 아날로그 뇌파신호를 증폭하기 위한 증폭부와;

상기 증폭부에서 증폭된 아날로그 뇌파신호에 포함된 노이즈를 제거하기 위한 필터링부와;

상기 필터링부를 통해 노이즈 제거된 아날로그 뇌파신호를 샘플링 주파수에 맞게 디지털 변환하여 뇌파신호를 수집 가공 처리하는 데이터 처리모듈로 출력하기 위한 아날로그-디지털 변환기;를 포함함을 특징으로 하며,

상기 센서노드는 사람의 머리에 접촉하여 뇌파를 검출하기 위한 두발잡음 극복형 능동전극을 더 포함함을 특징으로 한다.

아울러 상기 센서노드 각각의 아날로그-디지털 변환기는 데이터 처리모듈로부터 입력되는 동일 샘플링 클럭 주파수에 따라 아날로그 뇌파신호를 디지털 변환함을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 뇌파신호 처리 시스템은 사람의 머리를 감싸도록 착용 가능한 헤드셋에 부착되어 사람의 뇌파를 감지하는 다수의 센서노드들과, 상기 다수의 센서노드들로부터 출력되는 뇌파신호를 수집, 가공하여 외부 장치로 전송하는 데이터 처리 모듈을 포함하는 시스템으로서,

상기 다수의 센서노드 각각은,

뇌파검출전극을 통해 검출된 아날로그 뇌파신호를 증폭하기 위한 증폭부와;

상기 증폭부에서 증폭된 아날로그 뇌파신호에 포함된 노이즈를 제거하기 위한 필터링부와;

상기 필터링부를 통해 노이즈 제거된 아날로그 뇌파신호를 샘플링 클럭 주파수에 맞게 디지털 변환하여 상기 데이터 처리모듈로 출력하기 위한 아날로그-디지털 변환기;를 포함함을 특징으로 한다.

상기 시스템에서 상기 다수의 센서노드 각각은 상기 데이터 처리모듈과 연결되는 하나의 버스에 연결되어 직렬 데이터 통신함을 특징으로 하거나,

상기 다수의 센서노드들은 복수의 그룹으로 분할되고, 분할된 각 그룹의 센서노드들은 상기 데이터 처리모듈과 연결되는 복수의 버스에 연결되어 직렬 데이터 통신함을 또 다른 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 뇌파신호 처리 시스템의 센서노드는 두발잡음 극복형 능동전극에서 감지된 아날로그 뇌파신호를 아날로그 프런트 엔드부를 통해 신호 측정단에서 바로 직접 디지털 신호로 변환하기 때문에, 아날로그 뇌파신호의 전송라인 경유에 따른 왜곡을 최소화할 수 있는 이점이 있다.

더 나아가 본 발명의 실시예에 따른 각 센서노드 내의 아날로그-디지털 변환기는 후단의 데이터 처리모듈에서 출력되는 동일한 샘플링 클럭 주파수에 따라 아날로그 뇌파신호를 샘플링하여 디지털 변환하기 때문에, 채널별로 샘플링되는 디지털 뇌파신호들의 왜곡을 없앨 수도 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 센서노드들은 여러 버스 선을 통해 후단의 데이터 처리모듈과 연결되어 직렬 데이터 통신하는 구조를 가지기 때문에, 각 센서노드에서 측정되어 디지털 변환된 각각의 뇌파신호는 병목 현상 없이 정상적으로 데이터 처리모듈로 전달될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌파 측정을 위한 다수의 센서노드와 데이터 처리모듈이 실장된 헤드셋의 외관 사시도.
도 2는 도 1에 도시한 헤드셋에 구현된 다수의 센서노드와 데이터 처리모듈의 연결 상태 예시도.
도 3은 도 1에 도시한 헤드셋에 구현된 다수의 센서노드와 데이터 처리모듈의 또 다른 연결 상태 예시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 뇌파 측정을 위한 센서노드 각각의 블럭 구성도와 데이터 처리모듈의 블럭 구성 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 혹은 구성이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌파 측정을 위한 다수의 센서노드(200)와 데이터 처리모듈(300)이 실장된 헤드셋(100)의 외관 사시도를 도시한 것이며, 도 2는 도 1에 도시한 헤드셋(100)에 구현된 다수의 센서노드(200)와 데이터 처리모듈(300)의 연결 상태를 예시한 것이다. 도 3은 도 1에 도시한 헤드셋(100)에 구현된 다수의 센서노드(200)와 데이터 처리모듈(300)의 또 다른 연결 상태를 예시한 것이다.

우선 도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 다수의 센서노드(200)들은 사람의 머리를 감싸도록 착용 가능한 헤드셋(혹은 헤드 밴드부)(100) 내측에 부착되어 사람의 뇌파를 감지한다. 각각의 센서노드(200)에서 감지된 뇌파신호는 도 2와 도 3에 도시한 버스 선(400)를 통해 다채널 데이터 처리모듈(300)로 전송된다. 이러한 각 센서노드(200)의 구성과 다채널 데이터 처리모듈(300)의 구성은 도 4에서 상세 설명하기로 하고, 우선 본 발명의 실시예에 따른 각각의 센서노드(200)는 기본적으로 도 2에 도시한 바와 같이 다채널 데이터 처리모듈(300)과 연결되는 하나의 버스 선(400)에 연결되어 직렬 데이터 통신(

,SPI)한다. 이와 같이 각각의 센서노드(200)와 다채널 데이터 처리모듈(300)을 직렬 데이터 통신하도록 설계한 이유는 헤드셋 구현시 연결선을 최소화하기 위함이다.

의 경우 2가닥 선을 사용하기 때문에 헤드셋 구현시 SPI 보다 선을 하나 더 줄일 수 있어 바람직하다 할 수 있다.

한편 도 2와 같이 다채널 데이터 처리모듈(300)에 연결된 하나의 버스 선(400)에 다수의 센서노드(200)가 연결될 경우 만약 직렬 데이터 통신속도가 전송해야 할 데이터 양보다 낮다면 전송 데이터의 병목을 초래할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 뇌파신호 처리 시스템에서는 도 3에 도시한 바와 같이 다수의 센서노드들(200)을 복수의 그룹(A,B)으로 분할되고, 분할된 각 그룹(A,B)의 센서노드들(200)은 상기 데이터 처리모듈(300)과 각각 연결되는 복수의 버스 선(500, 600)에 연결하여 직렬 데이터 통신하도록 설계한다.

이와 같이 버스 선에 각 센서노드들(200)을 배치 설계함으로써 측정된 뇌파 데이터를 병목 현상 없이 정상적으로 데이터 처리모듈(300)로 전달할 수 있게 되는 것이다.

이하 뇌파신호 처리 시스템을 구성하는 각 센서노드(200)의 구성 및 데이터 처리모듈(300)에 대해 부연 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 뇌파 측정을 위한 센서노드(200) 각각의 블럭 구성도와 데이터 처리모듈(300)의 블럭 구성도를 예시한 것이다.

도 4를 참조하면, 우선 사람의 머리를 감싸도록 착용 가능한 헤드셋(100)에 부착되어 사람의 뇌파를 감지하는 다수의 센서노드(200) 각각은, 사람의 머리에 접촉하여 뇌파를 검출하기 위한 두발잡음 극복형 능동전극(S)에서 감지된 아날로그 뇌파신호를 적절한 크기로 증폭하고 필요 없는 대역을 필터링하여 깨끗한 아날로그 뇌파신호를 만들어 내는 아날로그 프런트 엔드(Analog Front-End:AFE)부(210)와, 상기 아날로그 프런트 엔드부(AFE:210)에서 출력되는 아날로그 뇌파신호를 디지털 뇌파신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC)(220)를 포함한다.

보다 구체적으로, 뇌파검출전극에 해당하는 두발잡음 극복형 능동전극(S)은 습식전극에서 보이는 젤에 관련된 불편함 및 젤 때문에 생기는 특성변화를 극복하기 위해 개발된 전극으로서, 피측정자의 뇌에서 발생하는 뇌파신호를 감지하는데 이용된다. 이러한 두발잡음 극복형 능동전극(S)은 시스템에 따라서 센서노드(200)의 일 구성요소로 포함될 수 있다.

한편 센서노드(200)를 구성하는 아날로그 프런트 엔드부(AFE:210)는 뇌파검출전극인 상기 두발잡음 극복형 능동전극(S)을 통해 검출되는 아날로그 뇌파신호를 적절한 크기로 증폭하기 위한 증폭부와, 상기 증폭부에서 증폭된 아날로그 뇌파신호에 포함된 노이즈를 제거하기 위한 필터링부를 포함한다. 참고적으로 상기 필터링부는 DC 전압, 호흡, 몸 움직임, 눈 깜빡임 등에 의한 노이즈를 제거하기 위한 필터와, 측정하고자 하는 주파수 대역범위를 갖는 뇌파만을 필터링하기 위한 필터 및 뇌파를 대역제한시켜 왜곡현상을 방지하고 뇌파 복원시 발생하는 왜곡현상을 방지하기 위한 필터를 포함함은 물론, 필터에서 최종 출력되는 아날로그 뇌파신호가 후단의 아날로그-디지털 변환기(220)의 입력범위에 들어가도록 게인 조정하기 위한 자동이득제어기(Automatic Gain Control)가 포함된다.

참고적으로 상술한 구성을 가지는 센서노드(200) 각각의 아날로그-디지털 변환기(220)는 데이터 처리모듈(300)로부터 입력되는 동일 샘플링 클럭 주파수에 따라 아날로그 뇌파신호를 디지털 변환한다. 이와 같이 각 센서노드(200)의 아날로그-디지털 변환기(220)가 동일한 샘플링 클럭 주파수를 이용하기 때문에 채널별로 샘플링된 디지털 뇌파신호의 왜곡을 없앨 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 다수의 센서노드(200)와 버스 선을 통해 연결되는 다채널 데이터 처리모듈(300)은 각각의 센서노드(200)들로 부터 디지털 뇌파신호를 수집 및 가공하여 스마트 기기(700)와 같은 외부 장치로 전송한다. 이를 위해 다채널 데이터 처리모듈(300)은 도시한 바와 같이 다수의 센서노드(200)를 제어하기 위한 노드 컨트롤러(Node Controller:NC)(310)와, 노드 컨트롤러(NC:310)에 의해 수집된 다수의 디지털 뇌파신호를 가공하여 뇌파를 분석하는 뇌파 분석용 DSP(Digital Signal Processor)(320)와, 상기 뇌파 분석용 DSP(320)로부터 출력되는 뇌파 데이터를 스마트 기기(700)와 같은 외부 원격기기로 무선 전송하기 위한 무선 통신부(Wireless Communication)(330)를 포함한다.

무선 통신을 통해 상기 다채널 데이터 처리모듈(300)과 연결 가능한 스마트 기기(700)에는 상기 데이터 처리모듈(300)로부터 전송된 뇌파분석 데이터에 따라 뇌질환 관련정보를 진단해 주는 진단 컨텐츠가 탑재되어 실행 가능하고, 더 나아가 진단된 뇌질환과 관련하여 재활에 도움이 되는 재활 컨텐츠 혹은 운동 제어 컨텐츠가 탑재되어 사용자에 의해 선택 실행 가능하다.

이상과 같이 뇌파측정을 위한 헤드셋(100)에 설치되어 스마트 기기(700)와 최종적으로 무선 통신 가능한 뇌파신호 처리 시스템의 동작을 부연 설명하면,

우선 사람의 머리를 감싸도록 착용 가능한 헤드셋(100)에 부착되어 있는 각각의 두발잡음 극복형 능동전극(S)을 통해 아날로그 뇌파신호가 감지되어 아날로그 프런트 엔드(AFE)부(210)로 전달된다. 이에 아날로그 프런트 엔드부(AFE)(210)의 증폭부에서는 입력되는 아날로그 뇌파신호를 적절한 크기로 증폭하여 출력하고, 아날로그 프런트 엔드부(AFE)(210) 내의 필터링부에서는 상기 증폭부에서 증폭된 아날로그 뇌파신호에 포함된 노이즈를 제거하여 후단에 위치한 아날로그-디지털 변환기(220)로 출력한다. 이에 각 센서노드(200) 내의 아날로그-디지털 변환기(220)는 후단의 데이터 처리모듈(300)에서 입력되는 샘플링 클럭 주파수에 따라 아날로그 뇌파신호를 디지털 뇌파신호로 변환하여 출력한다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 뇌파신호 처리 시스템의 센서노드(200)는 두발잡음 극복형 능동전극(S)에서 감지된 아날로그 뇌파신호를 아날로그 프런트 엔드부(210)를 통해 신호 측정단에서 바로 직접 디지털 신호로 변환하기 때문에, 아날로그 뇌파신호의 전송라인 경유에 따른 왜곡을 최소화할 수 있는 이점이 있다.

또한 각 센서노드(200) 내의 아날로그-디지털 변환기(220)는 데이터 처리모듈(300)에서 출력되는 동일한 샘플링 클럭 주파수에 따라 상기 아날로그 뇌파신호를 샘플링하여 디지털 변환하기 때문에, 채널별로 샘플링되는 디지털 뇌파신호들의 왜곡을 없앨 수 있는 효과도 있다.

한편 채널별 각 센서노드(200)의 아날로그-디지털 변환기(220)에서 디지털 변환된 뇌파신호는 도 2 혹은 도 3에 도시한 바와 같은 버스 선(400,500,600)을 통해 다채널 데이터 처리모듈(300)로 전달된다. 만약 도 3에 도시한 바와 같이 다수의 센서노드들(200)을 복수의 그룹(A,B)으로 분할하고, 분할된 각 그룹(A,B)의 센서노드들(200)을 구분하여 서로 다른 버스 선(500,600)에 연결하였다면, 설령 각 센서노드(200)와 데이터 처리모듈(300)간에 직렬 데이터 통신이 이루어지더라도 전송되는 데이터가 여러 버스 선으로 분산될 수 있기 때문에, 본 발명에서는 디지털 뇌파신호가 병목 현상 없이 정상적으로 데이터 처리모듈(300)로 전달될 수 있다.

다채널 데이터 처리모듈(300)에서는 각각의 센서노드(200)들로부터 전송된 다수의 디지털 뇌파신호를 가공하여 뇌파를 분석하고, 그 분석된 뇌파 데이터를 스마트 기기(700)와 같은 외부 원격기기로 무선 전송한다. 이에 스마트 기기(700)에서는 상기 데이터 처리모듈(300)로부터 전송된 뇌파분석 데이터에 따라 뇌질환 관련정보를 진단해 주거나, 진단된 뇌질환과 관련된 재활 혹은 운동 컨텐츠 등을 스마트 기기(700) 사용자에게 제공해 준다.

이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 제시하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경할 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 사람의 머리를 감싸도록 착용 가능한 헤드셋에 부착되어 사람의 뇌파를 감지하는 다수의 센서노드들과, 상기 다수의 센서노드들을 복수의 그룹으로 분할하고 그 분할된 그룹내의 센서노드들이 공통의 버스 선에 연결되되, 그 버스 선은 다수의 센서노드들로부터 출력되는 뇌파신호를 수집, 가공하여 외부 장치로 전송하는 다채널 데이터 처리 모듈에 연결되는 뇌파신호 처리 시스템에 있어서,
   상기 다수의 센서노드 각각은,
   뇌파검출전극을 통해 검출된 아날로그 뇌파신호를 증폭하기 위한 증폭부와;
   상기 증폭부에서 증폭된 아날로그 뇌파신호에 포함된 노이즈를 제거하기 위한 필터링부와;
   버스 선에 연결된 데이터 처리모듈로부터 그룹 내 센서노드로 입력되는 동일한 샘플링 클럭 주파수에 맞게 상기 노이즈 제거된 아날로그 뇌파신호를 디지털 변환하고, 디지털 변환된 뇌파신호를 버스 선을 통해 상기 데이터 처리모듈로 직렬 데이터 전송하는 아날로그-디지털 변환기;를 포함함을 특징으로 하는 뇌파신호 처리 시스템.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 다수의 센서노드 각각은,
   사람의 머리에 접촉하여 뇌파를 검출하기 위한 두발잡음 극복형 능동전극;을 더 포함함을 특징으로 하는 뇌파신호 처리 시스템.
6. 청구항 4에 있어서, 상기 다채널 데이터 처리 모듈 각각은,
   상기 다수의 센서노드를 제어하기 위한 노드 컨트롤러와;
   상기 노드 컨트롤러에 의해 수집된 다수의 디지털 뇌파신호를 가공하여 뇌파를 분석하는 뇌파 분석용 DSP(Digital Signal Processor)와;
   상기 뇌파 분석용 DSP로부터 출력되는 뇌파 데이터를 외부장치로 무선 전송하기 위한 무선 통신부;를 포함함을 특징으로 하는 뇌파신호 처리 시스템.
   
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