KR101720766B1 - 거리 변화를 고려한 안정 상태 시각 유발 전위 기반 뇌파 분석 장치 및 방법 - Google Patents

거리 변화를 고려한 안정 상태 시각 유발 전위 기반 뇌파 분석 장치 및 방법 Download PDF

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박희진
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Abstract

안정 상태 시각 유발 전위 기반한 뇌파 분석 시, 각각 점멸하는 복수의 시각 자극 중 둘 이상을 서로 상이한 점멸 주파수로 점멸시키는 시각 자극부를 통해 시각 자극을 제시하고, 시각 자극을 주시하는 피측정자의 SSVEP 신호를 실시간 측정하고, 사전에 설정된 참조 신호 중 실시간 측정된 SSVEP 신호와 대응된 참조 신호를 검출하고, 검출된 참조 신호의 주파수에 대응된 점멸 주파수를 갖는 시각 자극을 검출하고, 사전에 설정된 시각 자극 별 명령 중 검출된 시각 자극에 대응하는 명령을 검출하여 피측정자의 의도를 판단하되, 참조 신호는 시각 자극 별로 거리를 변화시켜가며 피측정자의 SSVEP 신호를 측정하여, 거리 별 SSVEP 신호의 잠복기들을 점멸 주파수를 갖는 신호에 각각 적용시켜 생성된 것이다.

Description

거리 변화를 고려한 안정 상태 시각 유발 전위 기반 뇌파 분석 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ANALYSIS OF BRAIN WAVE USING SSVEP}
본 발명은 안정 상태 시각 유발 전위(Steady State Visually Evoked Potentials, SSVEP)에 기반하여 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)를 처리하는 뇌파 분석 방법 및 장치에 관한 것이다.
뇌파(brain wave)는 뇌에서 발생한 전류 신호를 전극으로 측정(electroencephalography)한 것으로서, 유발적 뇌파와 자발적 뇌파로 구분할 수 있다. 자발적 뇌파는 사용자의 의지로 인해 발현되는 뇌파로서, 자발적으로 움직이거나 동작을 상상했을 때 발현된다. 유발적 뇌파는 외부 자극에 의해 사용자의 의지와는 상관없이 자연스럽게 발현 되는 뇌파로서 시각, 청각, 촉각 자극 등에 의해 발현된다.
한편, 대표적인 뇌파 신호인 SSVEP신호는 특정 주파수(예: 4Hz~90Hz)로 점멸하는 시각 자극에 대해 자연스럽게 발현되는 뇌 반응에 의한 신호로서, 외부 시각 자극과 동일한 주파수로 뇌의 후두엽 영역에서 발생한다.
종래에는 SSVEP신호를 마비 환자들이 의사소통이 가능하도록 도와주는 문자 입력기에 응용하거나 여러 기기의 제어 인터페이스에 사용하는 BCI 시스템들이 개발되었다. BCI는 뇌파를 이용하여 생각만으로 컴퓨터의 입력장치나 휠체어 등을 제어할 수 있도록 하는 기술로서, SSVEP에 기반한 BCI 시스템은 다른 뇌 신호와 달리 훈련 시간이 짧거나 필요 없고, 객체수의 제한이 비교적 적어 정확도와 정보 전송률(Information Transfer Rate, ITR)이 높다는 장점이 있다.
이와 관련하여, 대한민국 공개특허 제10-2013-0142476호(발명의 명칭: 진폭 변조된 안정상태 시각유발전위 시각자극을 이용한 뇌파 분석시스템)는, 시각자극의 진폭 변조를 이용하여 안정-상태 시각 유발 전위 분석을 통한 사용자 의도 인식 시스템을 개시하고 있다.
그러나, SSVEP 신호는 시각 자극과 사용자의 거리가 변화할 때, 불안정한 시스템의 성능을 보인다. 이는, 시각 자극과 사용자 간의 거리가 변함에 따라 뇌의 후두엽(Occipital area)에 도달하는 시각 자극의 정보가 변하기 때문이다. 따라서, 기존의 SSVEP 신호에 기반한 BCI 시스템에서는 시각 자극과 사용자의 눈의 거리가 고정된 상황에서 뇌파를 측정해야만 안정적인 성능 보장이 가능하다는 한계가 있엇다. 즉, 기존의 BCI 시스템은 시각 자극과 사용자의 거리가 변화하는 경우 뇌파의 정보가 변질됨으로 인해 성능이 저하되며, 특히 거리가 멀어지는 환경에서는 SSVEP 신호를 사용하기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 실시예는 거리 변화에 의한 뇌파 신호의 잠복기를 고려하여 SSVEP 신호를 분석 처리하는 뇌파 분석 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 안정 상태 시각 유발 전위 기반 뇌파 분석 장치는, 각각 점멸하는 복수의 시각 자극을 출력하되, 상기 시각 자극 중 둘 이상을 서로 상이한 점멸 주파수로 점멸시키는 시각 자극부; 상기 시각 자극을 주시하는 피측정자의 SSVEP 신호를 측정하는 뇌파 신호 측정부; 상기 뇌파 신호 측정부로부터 상기 시각 자극 별로 상기 피측정자 간의 거리를 변화시켜가며 측정된 SSVEP 신호들을 입력받고, 입력된 SSVEP 신호들로부터 상기 거리 별 잠복기(latency)를 추정하고, 상기 시각 자극의 점멸 주파수 별로 상기 잠복기를 적용시킨 참조 신호들을 생성하는 참조 신호 생성부; 상기 뇌파 신호 측정부로부터 실시간 측정된 SSVEP 신호를 입력받고, 상기 참조 신호들 중 상기 실시간 측정된 SSVEP 신호에 대응된 참조 신호를 검출하는 뇌파 신호 분석부; 및 상기 검출된 참조 신호의 주파수에 대응된 점멸 주파수를 갖는 시각 자극을 검출하고, 사전에 설정된 시각 자극 별 명령 중 상기 검출된 시각 자극에 대응하는 명령을 검출하는 의사 판단부를 포함한다.
또한 본 발명의 다른 측면에 따른 안정 상태 시각 유발 전위 기반 뇌파 분석 장치를 통한 뇌파 분석 방법은, 각각 점멸하는 복수의 시각 자극 중 둘 이상을 서로 상이한 점멸 주파수로 점멸시키는 시각 자극부를 통해 시각 자극을 제시하는 단계; 상기 시각 자극을 주시하는 피측정자의 SSVEP 신호를 실시간 측정하는 단계; 사전에 설정된 참조 신호 중 상기 실시간 측정된 SSVEP 신호와 대응된 참조 신호를 검출하는 단계; 상기 검출된 참조 신호의 주파수에 대응된 점멸 주파수를 갖는 시각 자극을 검출하는 단계; 및 사전에 설정된 시각 자극 별 명령 중 상기 검출된 시각 자극에 대응하는 명령을 검출하여 상기 피측정자의 의도를 판단하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 참조 신호는 상기 시각 자극 별로 거리를 변화시켜가며 상기 피측정자의 SSVEP 신호를 측정하여, 상기 거리 별 SSVEP 신호의 잠복기들을 상기 점멸 주파수를 갖는 신호에 각각 적용시켜 생성된 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, SSVEP 신호를 사용한 사용자 의도 인식 시 시각 자극과의 거리에 구애받지 않고 다양한 기기에서의 인터페이스 제어가 가능하다. 이처럼, SSVEP 신호를 사용하는데 거리의 제약이 없기 때문에, 기존에 마비 환자들을 대상으로 개발된 문자 입력기 시스템뿐만 아니라 정상인을 대상으로 한 BCI에 적용이 가능하며, 이동 환경에서의 사용자 의도 인식 시 보다 높은 정확성을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 분석 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시각 자극에 대한 거리 별 뇌파 측정 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 시각 자극에 대한 기대 뇌파 신호 및 실제 뇌파 신호를 비교한 일례를 도시하였다.
도 4는 시각 자극에 대한 거리 별 뇌파 신호의 위상 변화의 일례를 도시하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 참조 신호 생성 처리 및 뇌파 신호 분석 처리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 분석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 도면에서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한, 도면을 참고하여 설명하면서, 같은 명칭으로 나타낸 구성일지라도 도면에 따라 도면 번호가 달라질 수 있고, 도면 번호는 설명의 편의를 위해 기재된 것에 불과하고 해당 도면 번호에 의해 각 구성의 개념, 특징, 기능 또는 효과가 제한 해석되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함하며, 하나의 유닛이 둘 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 둘 이상의 유닛이 하나의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 분석 장치의 구성도이다.
도 1에서와 같이, 뇌파 분석 장치(100)는 시각 자극부(110), 뇌파 신호 측정부(120), 참조 신호 생성부(130), 뇌파 신호 분석부(140) 및 의사 판단부(150)를 포함한다.
시각 자극부(110)는 각각 점멸하는 복수의 시각 자극을 출력하되, 둘 이상의 시각 자극을 서로 상이한 점멸 주파수로 점멸시킨다.
예를 들어, 시각 자극부(110)는 복수의 발광점을 포함할 수 있다. 발광점은 모니터 등의 디스플레이 장치를 통해 출력되거나 복수의 발광 소자(Light Emitting Diode, LED)일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 이때, 시각 자극부(110)는 하나의 발광점 및 둘 이상의 발광점의 조합에 따른 점, 선, 면 형태의 시각 자극을 출력할 수 있다.
뇌파 신호 측정부(120)는 시각 자극부(110)로부터 출력된 시각 자극을 주시하는 피측정자의 뇌파 신호를 측정하고, 측정된 뇌파 신호를 참조 신호 생성부(130) 또는 뇌파 신호 분석부(140)로 전달한다.
이때, 뇌파 신호 측정부(120)는 뇌전도 검사(Electroencephalography)를 통해 측정된 뇌전도(Electroencephalogram, EEG)를 측정할 수 있으며, 특히 피측정자의 뇌의 시각 영역으로부터 유발된 뇌파 신호(즉, SSVEP)를 측정한다.
예를 들어, 뇌파 신호 측정부(120)는 국제 10-20 전극 배치 시스템(International 10-20 sensor placement system)을 적용하여 피측정자의 뇌 영역 중 복수의 채널에서 뇌파 신호를 측정할 수 있다. 이때, 뇌파 신호 측정부(120)는 SSVEP 신호 측정에 유리한 후두엽(Occipital brain) 영역의 8채널(PO8, PO4, POz, PO3, PO7, O2, Oz, O1)로부터 뇌파를 측정할 수 있다.
참조 신호 생성부(130)는 시각 자극와 피측정자 간의 거리를 변화시켜가며 측정된 뇌파 신호를 수집하고, 수집된 뇌파 신호들의 잠복기(latency)를 시각 자극의 점멸 주파수와 동일한 주파수의 신호에 적용하여 참조 신호(reference signal)를 생성한다.
즉, 피측정자가 특정 의도를 가지고 임의의 점멸 주파수로 점멸하는 시각 자극을 주시할 때, 그 거리에 따라 해당 시각 자극에 대한 SSVEP 신호가 상이하게 된다. 이에 따라 참조 신호 생성부(130)는 시각 자극 별로 거리에 따른 SSSVEP 신호를 미리 학습해둠으로써, 피측정자의 SSVEP 신호에 대응하는 시각 자극을 정확히 추출할 수 있도록 하는 기준을 생성 및 저장한다.
구체적으로, 참조 신호 생성부(130)는 뇌파 신호 측정부(120)로부터 시각 자극의 점멸 주파수 별로 시각 자극과 피측정자 간의 거리를 변화시켜가며 측정된 SSVEP 신호들을 입력받는다. 그리고 참조 신호 생성부(130)는 입력된 SSVEP 신호들로부터 각 거리 별 잠복기를 추정하고, 시각 자극 별 점멸 주파수와 동일한 주파수를 갖는 신호들에 각각 거리 별 잠복기를 적용시켜 참조 신호들을 생성한다.
한편, 참조 신호들을 생성하는 처리를 위해, 다음과 같은 절차에 따라 시각 자극이 제시될 수 있다. 이러한 시각 자극을 제시하는 절차는 참조 신호 생성부(130)의 제어에 따라 처리되거나, 시각 자극부(110)와 연동된 별도의 제어 수단(미도시)을 통해 처리될 수도 있다.
먼저, 복수의 지시 신호 별로 응시하여야할 시각 자극의 위치를 할당한다. 이때, 지시 신호는 시각 자극 별로 매칭된 특정 명령 및 시각 자극의 위치로 설정될 수 있다. 그런 다음, 각각의 시각 자극을 제시하기에 앞서 음향 신호 또는 시각 신호 등을 사용하여 지시 신호를 출력하여 피측정자에게 인지시킨다. 이를 위해, 뇌파 신호 장치(100)는 자체적으로 정보 출력 수단(예를 들어, 스피커 또는 모니터 등)을 더 포함할 수 있다. 이와 같이 피측정자가 응시하여야 할 시각 자극에 대한 지시 신호를 출력한 후, 시각 자극부(110)를 제어하여 해당 시각 자극을 제시한다. 이에 따라, 피측정자는 지시 신호에 따른 특정 시각 자극으로 시선을 옮겨 점멸하는 시각 자극을 주시하게 된다.
예를 들어, 명령 변화 알림을 출력하고, 해당 명령에 대응된 시각 자극의 위치를 안내하여 해당 시각 자극에 대한 피측정자의 주시를 유도한 후, 해당 명령에 대응된 시각 자극을 점멸시킨다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 시각 자극과 피측정인 간의 거리를 변화시켜가며 뇌파를 측정하는 과정 및 측정된 뇌파 신호를 처리하여 참조 신호를 생성하는 방법에 대해서 좀 더 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시각 자극에 대한 거리 별 뇌파 측정 과정을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 3은 시각 자극에 대한 기대 뇌파 신호 및 실제 뇌파 신호를 비교한 일례를 나타낸 도면이며, 도 4는 시각 자극에 대한 거리 별 뇌파 신호의 위상 변화의 일례를 나타낸 도면이다.
도 2에서는 시각 자극부(110)가 화면에 네 개의 시작 자극(P11 내지 P14)을 출력하되, 각각의 시각 자극은 7, 9, 11, 13Hz의 점멸 주파수로 세팅된 것을 예로서 나타내었다. 그리고 시각 자극과 피측정자의 거리는 1m, 2m, 3m로 변화하도록 세팅되어, 참조 신호 생성부(130)가 세 개의 거리에서 각각의 시각 자극에 대한 SSVEP 신호를 수집한 것을 나타내었다. 또한, 피측정자의 뇌 영역 중 Oz의 채널에서 측정된 SSVEP 신호를 이용하는 것을 나타내었다.
도 3에 도시한 바와 같이, 시각 자극의 점멸 주파수는 피측정자의 SSVEP 신호로 발현되되, 시각 자극과 피측정자 간의 거리 변화에 따라 위상 변화가 발생된다. 구체적으로, 사용자(즉, 피측정자)와 시각 자극과의 거리가 2m 인 경우와 3m 인 경우를 살펴보면, 각각의 경우에서 시각 자극의 점멸 주파수에 대한 이상적인(ideal) 기대 뇌파 신호(P20, P40)에 비해 실제 측정된 뇌파 신호(P10, P30)의 위상이 변화된 것을 알 수 있다. 또한, 두 경우를 비교해보면, 동일한 시각 자극에 대한 뇌파 신호임에도 거리가 2m인 경우의 측정 뇌파 신호(P10)와 거리가 3m인 경우의 측정 뇌파 신호(P30) 간에 위상이 상이한 것을 알 수 있다.
좀 더 구체적으로 살펴 보자면, 도 4에서와 같이 시각 자극과 피측정자 간의 거리를 세 개(1m, 2m, 3m)로 변화시킨 경우, 임의의 시각 자극의 점멸 주파수와 동일한 주파수의 신호(기본 신호)에 비해 나머지 거리들에서 해당 시각 자극에 대해 측정된 SSVEP 신호의 위상이 상이한 것을 알 수 있다. 또한, 동일 시각 자극에 대한 각 거리 별 SSVEP 신호 간에도 위상 차가 있는 것을 알 수 있다. 즉, 시각 자극에 대한 거리가 멀어질수록 시간 영역에서 피측정자의 SSVEP 신호에 잠복기가 발생하는 것을 의미하며, 이러한 잠복기는 주파수 영역에서 위상 변화로 나타나게 된다.
이러한 특성을 이용하여, 참조 신호 생성부(130)는 측정된 SSVEP 신호를 주파수 분석 처리하여 잠복기를 추정한다. 그리고 참조 신호 생성부(130)는 시각 자극의 점멸 주파수와 동일한 주파수의 신호를 생성하고, 생성된 신호에 각 SSVEP 신호들의 잠복기를 적용하여 위상을 변화시켜 참조 신호들을 생성한다. 즉, 참조 신호는 '시각 자극의 종류 및 거리' 별로 대응된다.
이때, 참조 신호 생성부(130)는 뇌파 신호 측정부(120)로부터 입력된 SSVEP 신호를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 통하여 위상 값을 구하고, 구해진 위상 값을 통해 SSVEP 신호의 잠복기를 추정한다. 이와 같은, SSVEP 신호를 통한 시각 자극 및 거리 별 잠복기를 추정하는 과정에 대해서는 하기 도 5에서 상세히 설명하도록 한다.
다시 도 1로 돌아가서, 뇌파 신호 분석부(140)는 뇌파 신호 측정부(110)로부터 피측정자가 의도를 가지고 시각 자극을 주시하여 발생된 SSVEP 신호를 실시간으로 입력받는다. 그리고 뇌파 신호 분석부(140)는 참조 신호 생성부(130)가 사전에 생성해둔 참조 신호들 중 상기 입력받은 SSVEP 신호에 대응하는 참조 신호(이하, '타겟 참조 신호'라고 지칭함)를 검출한다.
이때, 뇌파 신호 분석부(140)는 사전에 설정된 참조 신호들과 실시간으로 측정된 SSVEP 신호 간의 상관 분석을 처리하고, 참조 신호와 SSVEP 신호 간의 상관 계수가 가장 높은 참조 신호를 타겟으로 선택한다. 즉, 타겟으로 선택된 참조 신호의 주파수와 동일한 시각 자극의 점멸 주파수를 피측정자가 응시하고 있는 주파수로 선택하게 된다. 이와 같은, 참조 신호와 측정된 SSVEP 간의 상관 분석 처리에 대해서는 하기 도 5를 통해 상세히 설명하도록 한다.
의사 판단부(150)는 뇌파 신호 분석부(140)로부터 검출된 타겟 참조 신호의 주파수에 대응된 점멸 주파수를 갖는 시각 자극을 검출한다. 그리고 의사 판단부(150)는 사전에 설정된 시각 자극 별 명령 중 상기 검출된 시각 자극에 대응하는 명령을 검출한다.
구체적으로, 의사 판단부(150)는 각 시각 자극 별로 특정한 명령과 매칭하여 저장해두고, 뇌파 신호 분석부(150)를 통해 피측정자가 주시하고 있는 시각 자극의 주파수가 선택되면 이와 대응하는 명령을 검출하여 수행한다. 예를 들어, 피측정자의 의도에 따른 명령은, 사전에 연동된 다른 장치(예를 들어, 스마트 홈 가전 장치 등)의 동작을 제어하는 명령일 수 있다.
이하, 도 5를참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 참조 신호 생성부(130) 및 뇌파 신호 분석부(140)의 각 처리 동작에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 참조 신호 생성 처리 및 뇌파 신호 분석 처리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 참조 신호 생성부(130)는 뇌파 신호 측정부(120)를 통해 시각 자극 주파수에 대한 SSVEP 훈련 데이터(training data)를 수집하고, SSVEP신호의 위상(
Figure 112015117643518-pat00001
)을 추정한다. 그리고 참조 신호 생성부(130)는
Figure 112015117643518-pat00002
를 사용하여 SSVEP 신호 별 잠복기(
Figure 112015117643518-pat00003
)를 추정하고, 이를 통해 SSVEP 응답 위상(
Figure 112015117643518-pat00004
)을 구하여 참조 신호(
Figure 112015117643518-pat00005
)를 생성한다.
구체적으로,
Figure 112015117643518-pat00006
는 시각 자극의 제시 시간과 SSVEP 신호 발생 사이의 위상차이이다.
하기 수학식 1에서와 같이, 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT)를 사용하여
Figure 112015117643518-pat00007
를 추정한다.
<수학식 1>
Figure 112015117643518-pat00008
수학식 1에서,
Figure 112015117643518-pat00009
는SSVEP신호의 위상 값이며, Arg는 복소수의 인수(argument)이다. 이때, Arg(DFT(f))는 각 시각 자극의 점멸 주파수 f에 대하여 DFT 처리한 결과로서, 위상각을 의미하는 허수부 값만을 취하도록 한다.
다음으로, 하기 수학식 2를 통해 잠복기를 추정할 수 있다.
<수학식 2>
Figure 112015117643518-pat00010
L은 잠복기(Latency)를 의미하며,
Figure 112015117643518-pat00011
는 각 시각 자극의 점멸 주파수에 대한 SSVEP 응답(response)의 위상을 의미한다.
이때, 하기 수학식 3에서와 같이, SSVEP 위상과 SSVEP응답 위상의 차이는 360°의 배수로 표현 가능하다.
<수학식 3>
Figure 112015117643518-pat00012
수학식 3에서 n(f)는 시각 자극의 점멸 주파수와 관련된 정수(integer)이다.
이론상, 잠복기는 80~220ms 이내로 발생될 수 있다.
Figure 112015117643518-pat00013
을 찾기 위해, 상기 수학식 3을 하기 수학식 4와 같이
Figure 112015117643518-pat00014
추정 값을 구하는 수식으로 수정할 수 있다.
<수학식 4>
Figure 112015117643518-pat00015
Figure 112015117643518-pat00016
는 상기 수학식 1을 사용하여 구할 수 있으므로, n(f)를 변형하여
Figure 112015117643518-pat00017
를 추정할 수 있다. 이때, n(f)는 [□0.08f1-1□, □0.22fk□]에 속하며, 이때 "□a□" 는 a와 근접하는 정수를 의미한다.
n(f)에 정수 값을 입력하여 얻은
Figure 112015117643518-pat00018
행렬에 SNR(Signal to Noise Ratio)을 사용하여 가중치를 적용한다.
그리고 최소제곱법(least-squares fit)을 사용하여
Figure 112015117643518-pat00019
의 피팅라인(fitting line(degree/Hz))을 도출한다. 도출된 피팅 라인의 기울기를 구하고, 이를 360°로 나누어 잠복기의 추정 값(즉, SSVEP응답 위상)을 얻을 수 있다.
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 뇌파 신호 분석부(140)는 참조 신호(
Figure 112015117643518-pat00020
)와 멀티 채널로부터 EEG를 통해 얻은 SSVEP 신호(X) 간의 상관 관계 분석을 통해 상관 관계 값(
Figure 112015117643518-pat00021
)을 산출한다. 피측정자가 시각 자극을 응시할 때 SSVEP가 발생되므로, 응시하는 시각 자극의 점멸 주파수에 해당하는 참조 신호의
Figure 112015117643518-pat00022
가 가장 높게 나타난다. 따라서, 뇌파 신호 분석부(140)는 참조 신호와 SSVEP 신호 간의 상관 관계 값들 중에서 가장 높은 참조 신호의 점멸 주파수를 타겟 주파수로 인식한다.
이때, 뇌파 신호 분석부(140)는 위상 제약 정준 상관 분석(phase constrained Canonical Correlation Analysis, pCCA) 방식을 사용하여 참조 신호 및 뇌파 신호 간의 상관 분석을 처리할 수 있다. pCCA는 정준 상관 분석(Canonical Correlation Analysis, CCA) 방식에서 참조 데이터 셋을 개량한 방식으로서, 뇌파 신호의 위상 변환을 통해 추정된 시각 자극에 대한 잠복기를 참조 데이터 셋에 반영한다.
정준 상관 분석은 두 개의 변수 X(즉, 뇌파 신호)와 Y(즉, 참조 신호)사이의 상관 관계를 최대화하는 선형 결합의 쌍을 구하는 분석 방식이다.
먼저, 실시간으로 측정된 SSVEP 신호를 하나의 데이터 셋(data set)으로 구성하고, 각 시각 자극의 점멸 주파수에 해당하는 참조 데이터 셋을 구성한다. 참조 데이터 셋은
Figure 112015117643518-pat00023
,
Figure 112015117643518-pat00024
이고, 이때 fi는 점멸 주파수를 나타내며(예를 들어, f1=7Hz, f2=8Hz, f3=9Hz, f4=10Hz), t는 시간을 나타낸다.
다음으로, 이러한 두 데이터 셋 간의 상관 관계를 최대화하는 가중치 벡터를 찾고, 최대치인 상관 계수를 검출함으로써 피측정자의 의도에 대응된 시각 자극을 검출할 수 있다.
참조 신호는 다음 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 5>
Figure 112015117643518-pat00025
이때, Nh는 하모닉 주파수로서 점멸 주파수의 정수배이며, SSVEP와 함께 발현하는 신호이다.
한편, 이상의 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 뇌파 분석 장치(100)는, 시각 자극부, 메모리 및 프로세서로 구현될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 뇌파 신호 측정부(120), 참조 신호 생성부(130), 뇌파 신호 분석부(140) 및 의사 판단부(150)가 처리하는 각 연산 및 동작들은 하나의 프로그램 또는 서로 연동된 둘 이상의 프로그램의 형태로서 메모리(미도시)에 저장될 수 있다. 이처럼 메모리(미도시)에 저장된 하나 이상의 프로그램은 프로세서(미도시)에 의해 실행되며, 프로세서(미도시)는 각 프로그램이 실행됨에 따라 기설정된 처리들을 수행할 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 분석 장치(100)를 통한 뇌파 분석 방법에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 분석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 임의의 점멸 주파수로 점멸하는 시각 자극들에 대한 피측정인의 뇌파 신호(즉, SSVEP)를 측정한다(S610).
이때, 시각 자극 별 SSVEP 신호는 시각 자극과 피측정자 간의 거리를 변화시켜 가며 측정된다. 또한, 사전에 각 시각 자극 별로 명령이 매칭되어 있는 상태이다.
다음으로, 상기 측정된 뇌파 신호의 잠복기를 추정한다(S620).
이때, 상기 측정된 뇌파 신호를 주파수 분석하여 위상 값을 구하고, 구해진 위상 값에 기초하여 잠복기를 추정한다.
그런 다음, 상기 추정된 잠복기를 시각 자극의 점멸 주파수를 갖는 임의의 신호에 적용하여 위상을 변화시킨 참조 신호를 생성한다(S630).
이에 따라, 시각 자극 별로 거리의 변화에 따라 위상이 변화된 참조 신호들이 생성된다. 이처럼 생성된 참조 신호들은 실제 피측정자의 SSVEP 신호에 대응된 시각 자극을 검출하기 위한 기준 자료로써 저장될 수 있다.
참조 신호들이 생성 및 저장되어 있는 상태에서, 시각 자극부를 통해 시각 자극들을 제시하여 피측정자의 의도에 따른 SSVEP 신호를 실시간으로 측정한다(S640).
이때, 피측정자는 임의의 거리에서 시각 자극부를 주시할 수 있다.
다음으로, 피측정자의 의도에 따른 SSVEP 신호와 대응된 참조 신호를 검출한다(S650).
이때, 피측정자의 의도에 따른 SSVEP 신호와 사전에 설정된 참조 신호들을 상관 분석하여, 상관 계수가 가장 높은 타겟 참조 신호를 검출한다.
그런 후, 상기 검출된 참조 신호(즉, 타겟 참조 신호)의 주파수에 대응된 점멸 주파수를 갖는 시각 자극을 검출한다(S660).
그런 다음, 사전에 시각 자극 별로 매칭되어 있던 사용자(즉, 피측정자)의 의도를 판단하여, 해당 의도에 대응된 명령을 처리한다(S670).
즉, 시각 자극 별로 설정되어 있던 명령들 중 상기 검출된 시각 자극과 매칭된 명령을 검출하여 실행한다.
이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 SSVEP에 기반한 뇌파 분석 방법은 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 뇌파 분석 장치
110: 시각 자극부
120: 뇌파 신호 측정부
130: 참조 신호 생성부
140: 뇌파 신호 분석부
150: 의도 판단부

Claims (9)

  1. 안정 상태 시각 유발 전위(Steady State Visually Evoked Potentials, SSVEP) 기반 뇌파 분석 장치에 있어서,
    각각 점멸하는 복수의 시각 자극을 출력하되, 상기 시각 자극 중 둘 이상을 서로 상이한 점멸 주파수로 점멸시키는 시각 자극부;
    상기 시각 자극을 주시하는 피측정자의 SSVEP 신호를 측정하는 뇌파 신호 측정부;
    상기 뇌파 신호 측정부로부터 상기 시각 자극 별로 상기 피측정자 간의 거리를 변화시켜가며 측정된 SSVEP 신호들을 입력받고, 입력된 SSVEP 신호들로부터 상기 거리 별 잠복기(latency)를 추정하고, 상기 시각 자극의 점멸 주파수 별로 상기 잠복기를 적용시킨 참조 신호들을 생성하는 참조 신호 생성부;
    상기 뇌파 신호 측정부로부터 실시간 측정된 SSVEP 신호를 입력받고, 상기 참조 신호들 중 상기 실시간 측정된 SSVEP 신호에 대응된 참조 신호를 검출하는 뇌파 신호 분석부; 및
    상기 검출된 참조 신호의 주파수에 대응된 점멸 주파수를 갖는 시각 자극을 검출하고, 사전에 설정된 시각 자극 별 명령 중 상기 검출된 시각 자극에 대응하는 명령을 검출하는 의사 판단부를 포함하는 뇌파 분석 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 참조 신호 생성부는,
    상기 측정된 SSVEP 신호 별로 주파수 분석 처리를 통해 위상을 추정하고, 상기 위상을 사용하여 상기 점멸 주파수 및 상기 거리 별 잠복기들을 추정하고, 상기 점멸 주파수와 동일한 주파수 신호들에 상기 잠복기들을 적용하여 위상을 변화시켜 상기 참조 신호를 생성하는 뇌파 분석 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 뇌파 신호 분석부는,
    상기 실시간 측정된 SSVEP 신호와 상기 참조 신호들을 정준 상관 분석(Canonical Correlation Analysis )하고, 상기 참조 신호와 상기 실시간 측정된 SSVEP 신호 간의 상관 계수가 가장 높은 참조 신호의 주파수를 검출하는 뇌파 분석 장치.
  4. 안정 상태 시각 유발 전위(Steady State Visually Evoked Potentials, SSVEP) 기반 뇌파 분석 장치를 통한 뇌파 분석 방법에 있어서,
    각각 점멸하는 복수의 시각 자극 중 둘 이상을 서로 상이한 점멸 주파수로 점멸시키는 시각 자극부를 통해 시각 자극을 제시하는 단계;
    상기 시각 자극을 주시하는 피측정자의 SSVEP 신호를 실시간 측정하는 단계;
    사전에 설정된 참조 신호 중 상기 실시간 측정된 SSVEP 신호와 대응된 참조 신호를 검출하는 단계;
    상기 검출된 참조 신호의 주파수에 대응된 점멸 주파수를 갖는 시각 자극을 검출하는 단계; 및
    사전에 설정된 시각 자극 별 명령 중 상기 검출된 시각 자극에 대응하는 명령을 검출하여 상기 피측정자의 의도를 판단하는 단계를 포함하며,
    상기 참조 신호는,
    상기 시각 자극 별로 거리를 변화시켜가며 상기 피측정자의 SSVEP 신호를 측정하여, 상기 거리 별 SSVEP 신호의 잠복기들을 상기 점멸 주파수를 갖는 신호에 각각 적용시켜 생성된 것인 뇌파 분석 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 피측정자의 SSVEP 신호를 실시간 측정하는 단계 이전에,
    상기 시각 자극부를 통해 임의의 점멸 주파수로 점멸하는 시각 자극을 제시하는 단계;
    상기 시각 자극부로부터의 복수의 거리 별로 SSVEP신호를 수집하는 단계; 및
    상기 수집한 SSVEP신호로부터 거리 별 잠복기(latency)를 추정하여, 상기 추정된 잠복기를 상기 시각 자극의 주파수 별로 적용한 참조 신호들을 생성하여 저장하는 단계를 더 포함하는 뇌파 분석 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 참조 신호들을 생성하여 저장하는 단계는,
    상기 수집한 SSVEP 신호 별로 주파수 분석 처리를 통해 위상을 추정하는 단계;
    상기 추정된 위상을 사용하여 상기 점멸 주파수 및 상기 거리 별로 잠복기를 추정하는 단계; 및
    상기 점멸 주파수와 동일한 주파수를 갖는 신호들에 상기 잠복기를 적용하여 위상을 변화시켜 상기 참조 신호들을 생성하는 단계를 포함하는 뇌파 분석 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 임의의 점멸 주파수로 점멸하는 시각 자극을 제시하는 단계는,
    명령 변화 알림 및 임의의 명령에 대응된 시각 자극의 위치를 안내하여 해당 시각 자극에 대한 상기 피측정자의 주시를 유도하는 단계; 및
    상기 명령에 대응된 시각 자극을 점멸시키는 단계를 포함하는 뇌파 분석 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 시각 자극을 검출하는 단계는,
    상기 실시간 측정된 SSVEP 신호와 상기 참조 신호들을 정준 상관 분석(Canonical Correlation Analysis )하는 단계;
    상기 참조 신호와 상기 실시간 측정된 SSVEP 신호 간의 상관 계수가 가장 높은 참조 신호의 주파수를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 주파수와 대응된 점멸 주파수를 갖는 시각 자극을 검출하는 단계를 포함하는 뇌파 분석 방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 시각 자극을 제시하는 단계 이전에,
    상기 점멸 주파수 별로 상기 명령을 매칭하여 저장하는 단계를 더 포함하는 뇌파 분석 방법.
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