KR102214460B1 - The Recognition Method and Apparatus for Focus level using ECG - Google Patents

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심전도를 이용한 집중도 평가 방법 및 장치를 제시한다. 집중도 평가 방법은: 피험자로부터 검출된 ECG 데이터를 이용하여 다수의 시간 영역의 인디케이터 및 다수의 주파수 영역의 인디케이터를 추출하는 단계; 상기 시간 영역의 인디케이터와 주파수 영역의 인디케이터를 이용해 통합 인디케이터를 생성하는 단계; 상기 통합 인디케이터의 값을 임의의 임계치를 가지는 룰베이스에 비교하여 상기 피험자의 높은 집중과 낮은 집중을 평가하는 단계;를 포함한다.A method and apparatus for evaluating concentration using an electrocardiogram are presented. The concentration evaluation method comprises: extracting a plurality of time domain indicators and a plurality of frequency domain indicators using ECG data detected from a subject; Generating an integrated indicator using the time domain indicator and the frequency domain indicator; And evaluating the high concentration and low concentration of the subject by comparing the value of the integrated indicator to a rule base having an arbitrary threshold.

Description

심전도를 이용한 집중도 인식 방법 및 장치{The Recognition Method and Apparatus for Focus level using ECG}The Recognition Method and Apparatus for Focus level using ECG}

본 개시는 심전도를 이용하여 집중도를 인식하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는 심장 반응을 이용하여 특정 태스크에 대한 집중도를 평가하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present disclosure relates to a method and apparatus for recognizing concentration using an electrocardiogram, and more particularly, to a method and apparatus for evaluating concentration for a specific task using a cardiac response.

현대 사회는 한정된 자원을 두고 겨루는 경쟁 사회로서, 최소한의 노력으로 목표한 결과를 얻는 효율성이 중요한 요소로 작용한다. 태스크를 수행하는데 있어 효율성을 높이기 위해서는 높은 수준의 집중이 요구된 다. 만약 모든 주의가 수행하는 태스크에 집중하게 되면 주변에 대한 인식 및 시간의 흐름을 망각하게 되고, 흥미와 수행의 즐거움으로 인해 집중은 능동적으로 발생한다. 집중을 측정 및 평가하는 방법으로는 설문이나 인터뷰 같은 주관적인 정성적 측정 방법과 생리적인 반응을 이용하는 객관적인 정량적 측정 방법이 있다. 주관적 평가 방법은 해당 태스크가 완료된 후 수행이 되기에 실제로 집중이 발생한 시점과는 시간차가 존재하고, 시간의 흐름에 따라 변화하는 인간의 감성을 평가하지 못한다. 또한 피험자가 집중이 발생하는 순간을 정확하게 기억하기 힘들다는 단점이 존재한다. 따라서 생리적인 반응을 통해 객관적이고 정량적으로 집중도를 평가하는 방법에 대한 연구가 필요하다. FPS 게임을 태스크로 집중도를 평가한 기존 연구에 따르면 집중을 하게 되면 교감 신경이 활성화되어 각성도와 긍정도가 증가한다고 보고하였다. 부정적인 영상 자극을 제시함으로써 집중을 유발한 경우 심장 박동수가 감소한다고 보고하였다. 인지 부하를 요하는 자극을 제시하여 집중을 유발한 경우 심장 박동수가 증가한다는 연구 결과가 있다. 또한 태스크의 수준에 따라 집중이 유발된다고 보고하였다. 태스크의 수준이 낮을 경우에는 무관심과 이완감을 느끼고 수준이 높을 경우에는 각성과 몰입감을 느껴 집중을 유발한다. 기존 연구들은 인터랙션이 포함되지 않은 개별 태스크에서의 집중도의 생리적인 패턴결과만 보고하였다. 하지만 인간은 사회라는 공동체 속에서 자신의 감성을 표현하고 상대방의 감성에 공감하면서 관계를 형성하고 소통을 하는 것으로 알려지고 있다. 이 때 다른 사람들과의 상호작용에서 유발되는 감성을 사회 감성이라고 하고, 사회 감성은 타인과의 상호작용뿐만 아니라 상황, 맥락 등과 같은 환경적 요소도 작용을 하여 복합적으로 발생한다. 따라서, 상호작용을 하는 상황에서 유발되는 집중도의 차이에 따른 심장 반응의 패턴 분석을 통해 객관적이고 정량적으로 집중도를 인식하는 방법에 대한 연구가 필요하다. 이러한 연구는 콘텐츠를 비롯한 다양한 산업 분야에 집중도를 높일 수 있는 요소들을 개발하여 높은 효율 및 흥미의 서비스 제공이 가능할 것이다.Modern society is a competitive society that competes for limited resources, and the efficiency of obtaining the target result with minimal effort is an important factor. A high level of concentration is required to increase efficiency in performing tasks. If all attention is focused on the task performed, the perception of the surroundings and the passage of time are forgotten, and concentration is actively generated due to the interest and enjoyment of performance. Methods of measuring and evaluating concentration include subjective qualitative measurement methods such as questionnaires and interviews, and objective quantitative measurement methods using physiological responses. Since the subjective evaluation method is performed after the task is completed, there is a time difference from the point in time when concentration actually occurs, and it cannot evaluate human emotions that change with the passage of time. In addition, there is a disadvantage that it is difficult for the subject to accurately remember the moment when concentration occurs. Therefore, there is a need for research on a method of objectively and quantitatively evaluating concentration through physiological responses. According to an existing study that evaluated the degree of concentration using the FPS game as a task, it was reported that the sympathetic nerves are activated when concentration increases the level of arousal and positivity. It was reported that the heart rate decreased when concentration was induced by presenting a negative image stimulus. Research has shown that the heart rate increases when concentration is induced by presenting a stimulus that requires cognitive load. It is also reported that concentration is induced depending on the level of the task. When the level of the task is low, a feeling of indifference and relaxation is felt, and when the level of the task is high, a sense of arousal and immersion is felt, causing concentration. Previous studies reported only the physiological pattern results of concentration in individual tasks that did not include interaction. However, humans are known to express their emotions in the community of society and form relationships and communicate while empathizing with the other's emotions. At this time, the sensibility arising from interactions with other people is called social sensibility, and social sensibility arises complexly by interacting not only with interactions with other people, but also with environmental factors such as context and context. Therefore, there is a need for a study on a method of objectively and quantitatively recognizing the degree of concentration through the analysis of the pattern of the heart response according to the difference in concentration caused in an interactive situation. Such research will be able to provide high-efficiency and interesting services by developing elements that can increase concentration in various industrial fields including contents.

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모범적 실시 예에 따르면, 상호작용을 하는 상황에서 유발되는 집중도의 차이에 따른 심장 반응의 패턴을 통해 객관적이고 정량적으로 집중도를 인식하는 방법 및 장치가 제시된다.According to an exemplary embodiment, a method and apparatus for objectively and quantitatively recognizing the degree of concentration through a pattern of a cardiac response according to a difference in concentration caused in an interactive situation is provided.

모범적 실시 예에 따른 심전도를 이용한 집중도 평가 방법:은Concentration evaluation method using an electrocardiogram according to an exemplary embodiment:

피험자로부터 ECG 센서를 이용해 ECG 데이터를 검출하는 단계;Detecting ECG data from a subject using an ECG sensor;

상기 ECG 데이터를 이용하여 다수의 시간 영역의 인디케이터 및 다수의 주파수 영역의 인디케이터를 추출하는 단계;Extracting a plurality of time domain indicators and a plurality of frequency domain indicators using the ECG data;

상기 시간 영역의 인디케이터와 주파수 영역의 인디케이터를 이용해 통합 인디케이터를 생성하는 단계; 그리고Generating an integrated indicator using the time domain indicator and the frequency domain indicator; And

상기 통합 인디케이터의 값을 임의의 임계치를 가지는 룰베이스에 비교하여 상기 피험자의 높은 집중과 낮은 집중을 평가하는 단계;를 포함한다.And evaluating the high concentration and low concentration of the subject by comparing the value of the integrated indicator to a rule base having an arbitrary threshold.

모범적인 구체적 실시 예에 따르면, 상기 다수의 시간 영역의 인디케이터는 SDNN, pNN50, rMSSD를 포함하고, 그리고 상기 다수의 주파수 영역의 인디케이터는 HRV 스펙트럼으로부터 추출된 VLF(Very low frequency), LF(Low frequency), HF(high frequency) 포함하는 다수 밴드의 파워 값을 포함할 수 있다.According to an exemplary specific embodiment, the indicators of the plurality of time domains include SDNN, pNN50, and rMSSD, and the indicators of the plurality of frequency domains are very low frequency (VLF) and low frequency (LF) extracted from the HRV spectrum. ), may include a power value of a plurality of bands including a high frequency (HF).

모범적 구체적 실시 예에 따르면, 상기 HRV 스펙트럼:은 상기 ECG 데이터로부터 추출된 RRI로부터 추출할 수 있다.According to an exemplary specific embodiment, the HRV spectrum: may be extracted from the RRI extracted from the ECG data.

모범적인 구체적 실시 예에 따르면, 상기 RRI는 QRS 검출 알고리즘에 의해 상기 ECG 데이터로부터 추출하고, 그리고 상기 HRV 스펙트럼은 상기 RRI로부터 샘플링 데이터를 얻고 샘플링 데이터에 대한 FFT 분석에 의해 추출할 수 있다.According to an exemplary specific embodiment, the RRI may be extracted from the ECG data by a QRS detection algorithm, and the HRV spectrum may be sampled from the RRI and extracted by FFT analysis on the sampled data.

모범적인 구체적 실시 예에 따르면, 상기 HF의 주파수 범위는 0.15~04Hz,According to a specific exemplary embodiment, the frequency range of the HF is 0.15 ~ 04Hz,

상기 VLF의 주파수 범위는 0.0033~0.04Hz, 그리고 상기 LF의 주파수 범위는 0.04~0.15Hz 일 수 있다.The frequency range of the VLF may be 0.0033 to 0.04 Hz, and the frequency range of the LF may be 0.04 to 0.15 Hz.

모범적인 구체적 실시 예에 따르면, 상기 통합 인디케이터(Focus score)는 아래의 식에 의해 정의될 수 있다.According to an exemplary specific embodiment, the integrated indicator (Focus score) may be defined by the following equation.

Figure 112020070069277-pat00017
Figure 112020070069277-pat00017

모범적인 구체적 실시 예에 따르면, 상기 임계값은 17.183 로 설정될 수 있다.According to an exemplary specific embodiment, the threshold value may be set to 17.183.

모범적인 실시 예에 따르는 심전도를 이용한 집중도 평가 장치:는 상기 피험자로부터 ECG 신호를 검출하는 ECG 센서; 상기 ECG 신호를 전처리하는 전처리부; 그리고 상기 전처리부로부터의 신호를 이용하여 피험자의 높은 집중과 낮은 집중을 평가하는 분석부;를 포함할 수 있다.Concentration evaluation device using an electrocardiogram according to an exemplary embodiment: an ECG sensor for detecting an ECG signal from the subject; A preprocessor for preprocessing the ECG signal; And an analysis unit for evaluating high concentration and low concentration of the subject by using the signal from the preprocessor.

도1a는 본 발명의 실험에 사용되는 집중 콘텐츠 화면이다.
도1b는 본 발명의 실험에 사용되는 실험 환경을 보이는 사진이다.
도2는 모범적 실시 예에 따른 실험 절차를 보이는 흐름도이다.
도3은 모범적 실시 예에 따라 RRI (R-peak to R-peak Interval) 추출 방법을 예시한다.
도4는 시간 영역 인디케이터에 대한 통계 분석 결과를 보이는 차트이다.
도5는 주파수 영역 인디케이터 변수에 대한 통계 분석 결과를 보이는 차트이다.
도6은 주파수 영역 인디케이터 변수에서, VLF/HF 및 LF/HF 에 대한 통계분석 결과를 보이는 챠트이다.
도7은 주파수 영역 인디케이터 변수에서 취한 자연로그 값(lnLF, lnHF, lnVHF)의 통계분석 결과를 보이는 챠트이다.
도8은 모범적인 실시 예에 따른 통합 인디케이터에 대한 통계 분석 결과를 보이는 차트이다.
도9는 위와 같은 과정을 거쳐 도출된 룰베이스 및 데이터 패턴을 도시한다.
도10은 집중도의 통합 룰베이스 검증를 보이는 것으로 피험자 데이터의 분포 패턴을 보인다.
도11은 본 발명에 따른 분석 장치의 개략적 구성을 보이는 블록다이어그램이다.
1A is a screen of concentrated content used in the experiment of the present invention.
1B is a photograph showing an experimental environment used in the experiment of the present invention.
2 is a flow chart showing an experimental procedure according to an exemplary embodiment.
3 illustrates an RRI (R-peak to R-peak Interval) extraction method according to an exemplary embodiment.
4 is a chart showing a statistical analysis result of a time domain indicator.
5 is a chart showing statistical analysis results for a frequency domain indicator variable.
6 is a chart showing statistical analysis results for VLF/HF and LF/HF in the frequency domain indicator variable.
7 is a chart showing the statistical analysis results of natural log values (lnLF, lnHF, lnVHF) taken from the frequency domain indicator variable.
8 is a chart showing a result of statistical analysis of an integrated indicator according to an exemplary embodiment.
9 shows a rule base and a data pattern derived through the above process.
Fig. 10 shows the integrated rule base verification of concentration and shows the distribution pattern of subject data.
11 is a block diagram showing a schematic configuration of an analysis device according to the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 모범적 실시 예에 따른 집중도 인식 방법 및 장치에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, a method and apparatus for recognizing concentration according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

모범적인 실시 예에 따르면, 상호작용을 하는 상황에서 유발되는 집중도의 차이에 따른 심장 반응의 패턴을 통해 객관적이고 정량적으로 집중도를 인식하는 방법과 장치의 구현이 가능하다. 이러한 본 발명의 모범적 실시 예에 따라, 콘텐츠를 비롯한 다양한 산업 분야에 집중도를 높일 수 있는 요소들을 개발하여 높은 효율 및 흥미의 서비스 제공이 가능하게 된다.According to an exemplary embodiment, it is possible to implement a method and apparatus for objectively and quantitatively recognizing the degree of concentration through a pattern of a cardiac response according to a difference in concentration caused in an interactive situation. According to the exemplary embodiment of the present invention, elements that can increase concentration in various industrial fields including content are developed, thereby enabling the provision of services of high efficiency and interest.

본 발명은 ECG 센서를 이용해 피험자의 집중도 평가를 위한 로데이터(Raw data)를 추출하고 이 데이터는 프로세싱 장치에 의해 처리된다. 프로세싱 장치는 분석용 툴 또는 소프트웨어 및 이것이 실행되는 하드웨어 시스템을 가진다. 이러한 프로세싱 장치는 컴퓨터 기반의 장치, 알고리즘을 담고 있는 소프트웨어 및 이 소프트웨어가 구동할 수 있는 하드웨어를 포함하는 범용 컴퓨터 또는 전용 장치일 수 있다.The present invention extracts raw data for evaluating a subject's concentration using an ECG sensor, and the data is processed by a processing device. The processing device has a tool or software for analysis and a hardware system on which it is executed. Such a processing device may be a computer-based device, a general-purpose computer or a dedicated device including software containing algorithms and hardware capable of running the software.

상기와 같은 프로세싱 장치로부터의 처리 결과는 디스플레이 장치에 의해 표시될 수 있으며, 입력 수단으로서 일반적인 외부 인터페이스 장치, 예를 들어 키보드, 마우스 등을 더 포함할 수 있다.The processing result from the processing device as described above may be displayed by a display device, and may further include a general external interface device such as a keyboard and a mouse as input means.

도11은 상기와 같은 분석 장치의 개략적 구성을 보이는 블록다이어그램이다.11 is a block diagram showing a schematic configuration of the analysis device as described above.

피험자(100)의 몸에는 ECG 센서(110)가 부착되고, 이 센서(110)는 전처리부(120)에 연결되고, 전처리부(130)는 피험자로부터의 데이터를 이용해 높은 집중 또는 낮은 집중 등의 집중도를 평가하는 분석부(130)에 연결된다. 분석부(130)에 의해 생성된 결과는 디스플레이(140)에 의해 표시된다.The ECG sensor 110 is attached to the body of the subject 100, and the sensor 110 is connected to the pre-processing unit 120, and the pre-processing unit 130 uses data from the subject to provide high concentration or low concentration. It is connected to the analysis unit 130 that evaluates the degree of concentration. The result generated by the analysis unit 130 is displayed on the display 140.

본 발명에 따른 집중도 인식 방법 및 이를 적용하는 장치의 객관적 평가를 위하여 아래와 같은 실험이 실시되었다.The following experiment was conducted for objective evaluation of the concentration recognition method according to the present invention and a device applying the same.

<실험 참여자><Experiment Participants>

본 실험에 참여한 피험자는 자율신경계 병력이 없는 신체 건강한 60명 (남녀 각각 30 명, 평균 나이 23.88 ± 2.09 세)을 대상으로 하였다. 실험 전날 충분한 수면을 요청하여 피로를 최소화하였으며, 자율신경계에 영향을 줄 수 있는 카페인 및 알코올 섭취를 금하였다. 실험 참여도를 높이기 위해 피험자 비용을 지급하였으며 모든 실험은 상명대학교 윤리위원회의 심의를 받아 진행하였다.The subjects who participated in this experiment were 60 healthy subjects (30 males and females each, average age 23.88 ± 2.09 years old) without a history of the autonomic nervous system. Fatigue was minimized by requesting sufficient sleep the day before the experiment, and caffeine and alcohol consumption, which may affect the autonomic nervous system, were prohibited. In order to increase participation in the experiment, subject fees were paid, and all experiments were conducted under the deliberation of the Sangmyung University Ethics Committee.

<실험 설계 및 자극 구성><Experiment design and stimulation composition>

도1a는 본 발명의 실험에 사용되는 집중 콘텐츠 화면이며, 도1b는 본 발명의 실험에 사용되는 실험 환경을 보이는 사진이다.Fig. 1A is a screen of concentrated content used in the experiment of the present invention, and Fig. 1B is a photograph showing an experimental environment used in the experiment of the present invention.

자극(stimulus)으로서의 집중 실험 콘텐츠는 화살로 타깃을 맞추는 게임으로 유니티 게임 엔진 (Unity Technologies, USA)을 이용해 낮은 집중과 높은 집중 단계의 게임이 가능하도록 제작되었다. 태스크의 수준에 따라 집중 유발의 차이가 존재한다는 연구 결과를 반영하여 수준의 차이를 두어 실험 콘텐츠를 제작하였다. 낮은 집중 단계는 화살의 파워 게이지만을 맞추면 되지만, 높은 집중 단계는 파워 게이지와 타깃 위치를 동시에 맞춰야 되는 난이도 차이를 주어 제작되었다. 화살은 두 피험자가 한 번씩 번갈아 가면서 쏘았고 화면 왼쪽 상단에 명중률을 나타내어 집중을 유도하였다. 또한 태스크를 수행하는 동안 공동이 달성해야 되는 목표를 제시하여 두 피험자 사이에 사회적 관계를 형성시켰다. 자세한 집중 실험 콘텐츠 화면 및 실험 환경은 도1과 같다.Intensive experiment content as a stimulus is a game in which targets are matched with arrows, and it is designed to enable games with low concentration and high concentration levels using the Unity game engine (Unity Technologies, USA). Experimental content was produced by setting differences in levels by reflecting the research results that there is a difference in concentration induction according to the level of the task. The low concentration stage only needs to match the arrow's power gauge, but the high concentration stage is made by giving the difference in difficulty of matching the power gauge and target position at the same time. The arrows were shot by two subjects alternately, and the accuracy was displayed in the upper left corner of the screen to induce concentration. In addition, a social relationship was formed between the two subjects by presenting the goals that the joint should achieve during the task. The detailed intensive experiment content screen and experiment environment are shown in FIG. 1.

도2는 모범적 실시 예에 따른 실험 절차를 보이는 흐름도이다. 심전도 센서를 착용(Sensor attachment)한 후, 집중 태스크(Focus task)를 수행하기 전 실험 방법에 대한 설명(Introduction for task)을 하였고 원활한 태스크 수행을 위한 조작 연습(Pre-test for training)을 하였다. 집중 태스크(Focus task)에서, 시작 초기 3 분은 생체신호 레퍼런스(Reference)를 측정하였고 이후 3 분은 집중 태스크(Focus Tack)를 수행하였다. 순서효과를 제거하기 위해 낮은 태스크(Low focus tack)와 높은 태스크(High focus task) 순서는 무작위(Random order)로 선정하였다. 센서 탈착(Remove sensor)과 함께 태스크가 종료된 후 설문을 진행하였다. 2 is a flow chart showing an experimental procedure according to an exemplary embodiment. After wearing the ECG sensor (Sensor attachment), before performing the focus task, an introduction for task was given and pre-test for training was performed. In the Focus task, a biosignal reference was measured for 3 minutes at the beginning of the start, and a Focus Tack was performed for 3 minutes. In order to remove the order effect, the order of the low focus tack and the high focus task was selected as a random order. The questionnaire was conducted after the task was finished with the remove sensor.

데이터 수집 및 신호 처리는 다음과 같이 수행하였다. 심전도(Electrocardiogram, ECG)는 표준사지유도법의 Lead I으로 측정하였다. 이렇게 얻어지는 원형 신호(raw signal)는 전처리부(pre-processing part)에 의해 전처리 되는데, 예를 들어 MP 100 power supply(Biopac System Inc., USA)와 ECG 100C amplifier, NI-DAQ-Pad9205(National Instrument Inc., USA)등이 이용될 수 있다. 이들 요소를 포함하는 전처리부를 통해 센서로부터의 원형 신호가 증폭되고 그리고 500Hz의 샘플링 주파수로 디지털화된 ECG 신호를 얻을 수 있다.Data collection and signal processing were performed as follows. Electrocardiogram (ECG) was measured with Lead I of the standard limb guidance method. The raw signal obtained in this way is pre-processed by a pre-processing part. For example, MP 100 power supply (Biopac System Inc., USA), ECG 100C amplifier, NI-DAQ-Pad9205 (National Instrument) Inc., USA), etc. may be used. Through the preprocessing unit including these elements, a circular signal from the sensor is amplified and a digitized ECG signal can be obtained with a sampling frequency of 500 Hz.

전처리 과정을 통해 얻어진 ECG 신호는 QRS 검출 알고리즘을 통해 R 피크를 구하여 RRI(R-peak to R-peak interval)을 계산하였다.For the ECG signal obtained through the pre-processing process, the R peak was calculated through the QRS detection algorithm, and RRI (R-peak to R-peak interval) was calculated.

도3은 ECG로부터 QRS 검출 알고리즘을 통한 RRI (R-peak to R-peak Interval) 추출 방법을 예시한다. 도3에 도시된 바와 같이 ECG 신호로부터 QRS 검출 알고리즘을 통해 RRI를 추출하였다.3 illustrates a method for extracting RRI (R-peak to R-peak Interval) from ECG through a QRS detection algorithm. As shown in Figure 3, the RRI was extracted from the ECG signal through the QRS detection algorithm.

RRI를 이용하여 SDNN(standard deviation normal to normal)와 pNN50 (Percentage of RR intervals that differ more than 50ms), rMSSD(Root Mean Square of Successive Differences)등의 시간 영역의 데이터를 계산하였고, 그리고 RRI를 2Hz로 샘플링하여 FFT(fast fourier transform) 분석을 통해 주파수 영역의 데이터를 추출하기 위한 HRV(heart rate variability) 스펙트럼을 추출하였다. Time domain data such as SDNN (standard deviation normal to normal), pNN50 (Percentage of RR intervals that differ more than 50ms) and rMSSD (Root Mean Square of Successive Differences) were calculated using RRI, and RRI was set to 2Hz. By sampling, a heart rate variability (HRV) spectrum for extracting data in the frequency domain was extracted through fast fourier transform (FFT) analysis.

HRV 스펙트럼은 VLF (very low frequency, 0.0033-0.04 Hz), LF(low frequency, 0.04-0.15 Hz)와 HF(high frequency, 0.15-0.4 Hz) 대역의 파워를 각각 추출하였고, 이들로부터 주파수 영역 인디케이터인 VLF/HF와 LF/HF, lnVLF, lnLF, lnHF를 계산하였다. 심전도를 통해 추출한 파라미터는 총 12개이었으며, 이 과정에는 LabVIEW 2015(National Instrument Inc., USA)가 이용되었다. 이러한 분석 과정은 분석 소프트웨어가 실행되는 컴퓨터 기반 분석 장치에 의해 수행된다.HRV spectrum was extracted from the power of the VLF (very low frequency, 0.0033-0.04 Hz), LF (low frequency, 0.04-0.15 Hz) and HF (high frequency, 0.15-0.4 Hz) bands, respectively, and from these, a frequency domain indicator VLF/HF, LF/HF, lnVLF, lnLF, and lnHF were calculated. There were a total of 12 parameters extracted through the electrocardiogram, and LabVIEW 2015 (National Instrument Inc., USA) was used for this process. This analysis process is performed by a computer-based analysis device running analysis software.

위와 같이 데이터를 수집한 후 통계적 유의성 검증을 수행하였다. 집중도에 따른 통계적 유의성 검증은 SPSS 21(IBM, USA)를 이용하여 독립 표본 t검정으로 분석하였다. 도4는 시간 영역 인디케이터에 대한 통계 분석 결과를 보이는 차트이다.After collecting the data as above, statistical significance was verified. Statistical significance according to concentration was analyzed by independent sample t-test using SPSS 21 (IBM, USA). 4 is a chart showing a statistical analysis result of a time domain indicator.

분석결과, 높은 집중이 낮은 집중보다 RRI와 SDNN, rMSSD, pNN50의 모든 시간 영역 인디케이터의 값(M)에서 아래와 같이 높은 패턴을 보였고, 통계적으로서 유의미한 결과를 확인하였다.As a result of the analysis, the high concentration showed higher patterns in the values (M) of all time domain indicators of RRI, SDNN, rMSSD, and pNN50 than low concentration, and statistically significant results were confirmed.

RRI: RRI :

낮은 집중(Low focus): M = 648.54±47.20 Low focus: M = 648.54±47.20

높은 집중(High focus): M = 783.88±73.39High focus: M = 783.88±73.39

t(58) = -8.495, p = .000t(58) = -8.495, p = .000

SDNN: SDNN :

낮은 집중: M = 30.66±11.47Low concentration: M = 30.66±11.47

높은 집중: M = 44.41±12.80High concentration: M = 44.41±12.80

t(58) = -4.380, p = .000t(58) = -4.380, p = .000

rMSSD: rMSSD :

낮은 집중: M = 25.45±0.92Low concentration: M = 25.45±0.92

높은 집중: M = 27.97±1.32High concentration: M = 27.97±1.32

t(58) = -8.587, p = .000t(58) = -8.587, p = .000

pNN50: pNN50 :

낮은 집중: M = 3.89±5.67Low concentration: M = 3.89±5.67

높은 집중: M = 23.34±14.86High concentration: M = 23.34±14.86

t(58) = -6.697, p = .000t(58) = -6.697, p = .000

도5는 주파수 영역 인디케이터 변수에 대한 통계 분석 결과를 보이는 차트이다.5 is a chart showing statistical analysis results for a frequency domain indicator variable.

도5에 도시된 바와 같이, 낮은 집중보다 높은 집중이 LF, HF 값에서 큰 패턴을 보였으며, 통계적으로 유의미한 결과를 확인하였다. 그리고, VLF도 LF, HF와 같이 높은 집중이 더 큰 패턴을 보였지만, 통계적으로 유의미한 결과를 확인할 수 없었다As shown in Fig. 5, the higher concentration than the lower concentration showed a larger pattern in the LF and HF values, and statistically significant results were confirmed. In addition, VLF also showed a higher concentration pattern, such as LF and HF, but statistically significant results could not be confirmed.

LF: LF :

낮은 집중: M = 222.29±121.77Low concentration: M = 222.29±121.77

높은 집중: M = 467.76±289.83High concentration: M = 467.76±289.83

t(58) = -4.284, p = .000t(58) = -4.284, p = .000

HF: HF :

낮은 집중: M = 161.80±166.76Low concentration: M = 161.80±166.76

높은 집중: M = 309.57±211.25High concentration: M = 309.57±211.25

t(58) = -3.007, p = .004 t(58) = -3.007, p = .004

VLF: VLF :

낮은 집중: M = 396.99±339.53Low concentration: M = 396.99±339.53

높은 집중: M = 637.88±599.00High concentration: M = 637.88±599.00

t(58) = -1.916, p = .060t(58) = -1.916, p = .060

도6은 주파수 영역 인디케이터 변수에서, VLF/HF 및 LF/HF 에 대한 통계분석 결과를 보이는 챠트이다. 6 is a chart showing statistical analysis results for VLF/HF and LF/HF in the frequency domain indicator variable.

VLF/HF 의 값은 높은 집중이 낮은 집중보다 큰 패턴을 보였으나, 통계적으로 유의미한 결과를 확인할 수 없었다. 그리고 LF/HF의 값은 높은 집중이 낮은 집중보다 작은 패턴을 보였으며, 통계적으로 유의미한 결과를 확인할 수 없었다.As for the value of VLF/HF, high concentration showed a larger pattern than low concentration, but statistically significant results could not be confirmed. And, as for the value of LF/HF, high concentration showed a smaller pattern than low concentration, and statistically significant results could not be confirmed.

VLF/HF: VLF/HF :

낮은 집중: M = 0.605±0.603Low concentration: M = 0.605±0.603

높은 집중: M = 0.816±0.729High concentration: M = 0.816±0.729

t(58) = -1.222, p = .227t(58) = -1.222, p = .227

LF/HF: LF/HF :

낮은 집중: M = 3.071±6.385Low concentration: M = 3.071±6.385

높은 집중: M = 2.101±1.710High concentration: M = 2.101±1.710

t(58) = 0.804, p = .425t(58) = 0.804, p = .425

도7은 주파수 영역 인디케이터 변수에서 취한 자연로그 값(lnLF, lnHF, lnVHF)의 통계분석 결과를 보이는 챠트이다. 7 is a chart showing the results of statistical analysis of natural log values (lnLF, lnHF, lnVHF) taken from a frequency domain indicator variable.

도7을 참조하면, 높은 집중이 낮은 집중보다 lnLF와 lnHF의 값 모두 큰 패턴을 보였으며, 통계적으로 유의미한 결과를 확인하였다. lnVLF도 같은 패턴을 보였으나, 통계적으로 유의미한 결과를 확인할 수 없었다.Referring to FIG. 7, both lnLF and lnHF values of high concentration showed a larger pattern than low concentration, and statistically significant results were confirmed. lnVLF also showed the same pattern, but statistically significant results could not be confirmed.

lnLF: lnLF :

낮은 집중: M = 4.67±0.99Low concentration: M = 4.67±0.99

높은 집중: M = 5.49±0.79High concentration: M = 5.49±0.79

t(58) = -3.538, p = .001t(58) = -3.538, p = .001

lnHF: lnHF :

낮은 집중: M = 5.26±0.57Low concentration: M = 5.26±0.57

높은 집중: M = 6.09±0.51High concentration: M = 6.09±0.51

t(58) = -5.937, p = .000)t(58) = -5.937, p = .000)

lnVLF: lnVLF :

낮은 집중: M = 5.610±0.906Low concentration: M = 5.610±0.906

높은 집중: M = 6.060±0.925High concentration: M = 6.060±0.925

t(58) = -1.905, p = .062)t(58) = -1.905, p = .062)

이상과 같은 통계 분석 결과를 토대로, 시간 및 주파수 영역 인디케이터를 통한 통합 룰베이스(rule-base) 도출하고 이를 검증하였다.Based on the statistical analysis results as described above, an integrated rule base was derived and verified through time and frequency domain indicators.

위에서 언급한 바와 같이, 시간 및 주파수 영역 인디케이터의 통계 분석 결과, 통계적 유의미한 결과를 확인했고 낮은 집중과 높은 집중의 패턴 차이가 큰 RRI와 rMSSD, lnHF를 선정하였다. 선정된 인디케이터들은 값의 단위 차이가 존재하기에 단위를 비슷한 수준으로 맞춰주는 사전 작업을 진행하였다. RRI는 100으로 나눈 다음 자연로그를 취해 ln(RRI/100)를 계산하였고, rMSSD는 자연로그를 취해 lnrMSSD를 계산하여 인디케이터 통합을 하였다. 세 인디케이터들은 높은 집중이 낮은 집중보다 큰 패턴을 보여 모두 합하여 새로운 통합 인디케이터(Focus Score)를 생성하였다. 자세한 수식은 아래 식1과 같다.As mentioned above, statistical analysis results of time and frequency domain indicators confirmed statistically significant results, and RRI, rMSSD, and lnHF with large differences in patterns of low concentration and high concentration were selected. Since there is a difference in units of values for the selected indicators, preliminary work was performed to set the units to a similar level. RRI was divided by 100 and then the natural log was taken to calculate ln(RRI/100), and rMSSD was taken the natural log and lnrMSSD was calculated to integrate the indicator. The three indicators showed a pattern in which high concentration was larger than that of low concentration, and all were added together to create a new integrated indicator (Focus Score). The detailed formula is shown in Equation 1 below.

Figure 112020070069277-pat00018
Figure 112020070069277-pat00018

통합 인디케이터(Focus Score)의 통계 분석 결과, 높은 집중이 낮은 집중보다 큰 패턴을 보였으며(낮은 집중: M = 16.41±0.65, 높은 집중: M = 18.73±0.85), 통계적으로 유의미한 결과를 확인하였다(t(58) = -11.903, p = .000). 도8은 상기 통합 인디케이터에 대한 통계 분석 결과를 보이는 차트이다.As a result of statistical analysis of the integrated indicator (Focus Score), high concentration showed a larger pattern than low concentration (low concentration: M = 16.41±0.65, high concentration: M = 18.73±0.85), and statistically significant results were confirmed ( t(58) = -11.903, p = .000). 8 is a chart showing a statistical analysis result of the integrated indicator.

도9는 위와 같은 과정을 거쳐 도출된 룰베이스 및 데이터 패턴을 도시한다.9 shows a rule base and a data pattern derived through the above process.

도9에 도시된 바와 같이, 통합 인디케이터의 값을 플로팅하여 낮은 집중과 높은 집중에 따른 데이터 패턴을 확인하였고 선형 SVM (linear support vector machine)로 두 집중을 구분하는 룰베이스의 임계값 "17.183" 을 도출하였다.As shown in Fig. 9, the data pattern according to the low concentration and the high concentration was confirmed by plotting the value of the integrated indicator, and a threshold value "17.183" of the rule base that divides the two concentrations using a linear support vector machine (SVM) is determined. Was derived.

즉, 통합 인디케이터 값이 룰베이스 임계값인 17.183 보다 크면 높은 집중을 나타내고, 그 보다 작으며, 낮은 집중을 나타내는 것으로 판단할 수 있다.That is, if the integrated indicator value is greater than the rule base threshold value of 17.183, it may be determined that it indicates high concentration, less than that, and indicates low concentration.

위와 같은 통합 룰베이스를 검증하기 위하여, 룰베이스 도출하는데 활용되지 않은 30명의 데이터를 이용하였다.In order to verify the above integrated rule base, the data of 30 people who were not used to derive the rule base were used.

그 결과, 높은 집중의 경우 30개의 샘플 모두 정확히 구분하여 인식 정확도는 (30/30)×100 = 100%로 확인되었다. 낮은 집중의 경우 30개의 샘플 중 3개의 샘플이 높은 집중으로 구분되는 에러를 보여 인식 정확도는 (27/30)×100 = 90%로 확인되었다. 집중도의 통합 룰베이스 검증 결과 총 60개의 샘플 중 57개의 샘플을 정확히 구분하여 전체 인식 정확도는 (57/60)×100 = 95%로 확인되었다. 도10은 집중도의 통합 룰베이스 검증를 보이는 것으로 피험자 데이터의 분포 패턴을 보인다. 도10에 도시된 바와 같이 룰베이스 임계값 17.183 를 기준으로 그 위에 분포하는 데이터는 높은 집중을 나타내며, 그 아래 분포하는 데이터는 낮은 집중을 나타낸다.As a result, in the case of high concentration, all 30 samples were accurately classified, and the recognition accuracy was confirmed as (30/30)×100 = 100%. In the case of low concentration, 3 of the 30 samples showed an error that was classified as high concentration, so the recognition accuracy was confirmed as (27/30)×100 = 90%. As a result of the verification of the integrated rule base of concentration, 57 samples were accurately classified out of a total of 60 samples, and the overall recognition accuracy was confirmed as (57/60)×100 = 95%. Fig. 10 shows the integrated rule base verification of concentration and shows the distribution pattern of subject data. As shown in Fig. 10, based on the rule base threshold value of 17.183, data distributed above it indicates high concentration, and data distributed below it indicates low concentration.

본 실험은 상호작용을 하는 상황에서 유발되는 집중도의 차이에 따른 심장 반응의 패턴을 통해 객관적이고 정량적으로 집중도를 인식하는 방법을 개발하기 위한 것이다.This experiment is to develop a method of recognizing the degree of concentration objectively and quantitatively through the pattern of the cardiac response according to the difference in concentration caused in an interactive situation.

집중 실험의 콘텐츠는 화살로 타깃을 맞추는 게임으로 구성하였고 집중도의 차이를 주기 위해 난이도 차이를 부여하였다. 또한 공동이 달성해야 되는 목표를 제시하여 두 피험자 사이에 사회적 관계를 형성시켰다.The contents of the intensive experiment consisted of a game in which targets were matched with arrows, and a difference in difficulty was given to give a difference in concentration. In addition, a social relationship was formed between the two subjects by presenting the goals that the joint should achieve.

위에서 상세히 설명된 바와 같이 본 발명의 실험에 따르면, 심전도로부터 추출한 시간 영역 인디케이터인 RRI와 SDNN, rMMSD, pNN50에서 집중도 차이에 따라 통계적으로 차이가 유의미하였다. 주파수 영역 인디케이터에서는 LF와 HF, lnLF, lnHF가 집중도 차이에 따라 통계적으로 차이가 유의미하였다. 이 중 집중도의 차이에 따라 패턴의 차이가 큰 RRI와 rMSSD, lnHF를 선정하여 통합 인디케이터를 생성하였다. 통합 인디케이터를 통해 도출한 룰베이스를 낮은 집중과 높은 집중 60개의 데이터 샘플을 통해 검증한 결과, (57/60)×100 = 95%로 높은 인식 정확도를 보였다.As described in detail above, according to the experiment of the present invention, the difference was statistically significant according to the difference in concentration in the time domain indicators RRI, SDNN, rMMSD, and pNN50 extracted from the electrocardiogram. In the frequency domain indicator, LF, HF, lnLF, and lnHF were statistically significant according to the difference in concentration. Among them, RRI, rMSSD, and lnHF with a large difference in pattern were selected according to the difference in concentration to create an integrated indicator. As a result of verifying the rule base derived through the integrated indicator through 60 data samples of low concentration and high concentration, high recognition accuracy was shown as (57/60)×100 = 95%.

통합 룰베이스의 인디케이터로 선정된 RRI는 R 피크와 R피크 사이의 간격으로 심장 박동의 주기의 정보를 담고 있다. 낮은 집중보다 높은 집중에서 RRI 값이 큰 패턴을 보였는데, 이는 타깃의 위치와 화살의 파워게이지를 동시에 고려하여야 했기에 인지 부하가 발생하여 심장 박동수가 증가하였다고 해석할 수 있다. rMSSD는 심장 박동 간격 차이의 제곱 평균의 제곱근 값으로, 심박수의 변화 정보를 나타낸다. 낮은 집중보다 높은 집중에서 rMSSD값이 큰 패턴을 보였는데 이는 어려운 난이도로 인해 심장 간격의 변화가 크게 발생하였다고 해석할 수 있다. lnHF는 부교감 신경의 활성화 지표로, 본 실험의 자극 콘텐츠가 인지 부하와 같은 정적인 집중을 요하는 실험이었기에 높은 집중에서 큰 패턴을 보였다고 해석할 수 있다. RRI, selected as an indicator of the integrated rule base, contains information on the period of the heart rate as the interval between the R peak and the R peak. At higher concentrations than lower concentrations, the RRI value showed a larger pattern. This can be interpreted as an increase in the heart rate due to the occurrence of cognitive load because the target position and the arrow power gauge must be considered at the same time. rMSSD is the square root value of the square mean of the difference between the heart rate intervals and represents the change information of the heart rate. At higher concentrations than at lower concentrations, a pattern with higher rMSSD values was shown, which can be interpreted as a significant change in cardiac interval due to difficult difficulty. lnHF is an activation index of the parasympathetic nerve, and it can be interpreted that the stimulus content of this experiment was an experiment that required static concentration such as cognitive load, so it showed a large pattern at high concentration.

한정된 자원을 서로 차지하기 위해 겨루는 경쟁 사회에서 태스크의 효율을 높여주는 집중은 모든 산업 및 서비스 분야에서 중요하게 작용한다. 따라서, 본 발명의 연구에서는 상호작용을 하는 상황에서 유발되는 집중도의 차이에 따른 심장 반응의 패턴을 통해 객관적이고 정량적으로 집중도를 인식하는 방법을 개발하고자 하였고 높은 인식 정확도를 보이는 집중도 인식 방법을 제안하였다. 이러한 본 발명에서 제안한 집중도 인식 방법을 콘텐츠를 비롯한 서비스 분야와 더불어 다양한 분야에 적용한다면 집중도를 높일 수 있는 요소들을 개발하여 효율 및 흥미를 증진시킬 것이라 사료된다. 추후 다른 생리 반응으로 추가 연구가 가능하다.In a competitive society that competes for each other for limited resources, the concentration that increases the efficiency of tasks plays an important role in all industries and service sectors. Therefore, in the research of the present invention, a method of objectively and quantitatively recognizing the degree of concentration through the pattern of the heart response according to the difference in concentration caused in an interactive situation was proposed, and a method of recognizing the degree of concentration with high recognition accuracy was proposed. . If the concentration recognition method proposed in the present invention is applied to various fields as well as service fields including contents, it is considered that efficiency and interest will be improved by developing elements that can increase concentration. Further studies are possible with other physiological reactions later.

이러한 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be determined only by the appended claims.

Claims (10)

ECG 센서를 이용하여 피험자로부터 ECG 데이터를 검출하는 단계;
전처리부에 의해 상기 ECG 데이터를 디지탈화하는 단계;
컴퓨터 기반 분석 장치로 상기 ECG 데이터로부터 시간 영역의 인디케이터와 주파수 영역의 인디케이터에 의한 통합 인디케이터를 생성하여, 상기 피험자의 집중도를 평가하는 분석 단계;를 포함하되,
상기 분석 장치에 의한 분석 단계:는
디지털화된 상기 ECG 데이터로 부터 RRI (R-peak to R-peak Interval)를 추출하는 단계;
상기 RRI로부터 HRV (heart rate variability) 스펙트럼을 추출하는 단계;
상기 ECG 데이터를 이용하여 rMSSD (Root Mean Square of Successive Differences)를 포함하는 시간 영역의 인디케이터, 그리고 상기 HRV 스펙트럼으로부터 추출된 HF(high frequency) 밴드의 파워 값을 포함하는 주파수 영역의 인디케이터를 추출하는 단계;
상기 시간 영역의 인디케이터와 주파수 영역의 인디케이터를 이용하여 아래의 식에 의해 정의되는 통합 인디케이터(Focus score)를 생성하는 단계; 그리고
상기 통합 인디케이터의 값을 임의의 임계치를 가지는 룰베이스에 비교하여 상기 피험자의 높은 집중과 낮은 집중을 평가하는 단계;를 포함하도록 되어 있는, 심전도를 이용한 집중도 평가 방법.
Figure 112021500354723-pat00019
Detecting ECG data from the subject using an ECG sensor;
Digitizing the ECG data by a preprocessor;
An analysis step of generating an integrated indicator based on an indicator in a time domain and an indicator in a frequency domain from the ECG data with a computer-based analysis device to evaluate the concentration of the subject; including,
Analysis step by the analysis device:
Extracting RRI (R-peak to R-peak Interval) from the digitized ECG data;
Extracting a heart rate variability (HRV) spectrum from the RRI;
Extracting a time domain indicator including rMSSD (Root Mean Square of Successive Differences) using the ECG data and a frequency domain indicator including a power value of a high frequency (HF) band extracted from the HRV spectrum ;
Generating an integrated indicator (Focus score) defined by the following equation using the time domain indicator and the frequency domain indicator; And
Comparing the value of the integrated indicator to a rule base having an arbitrary threshold to evaluate the high concentration and low concentration of the subject.
Figure 112021500354723-pat00019
제1항에 있어서,
상기 시간 영역의 인디케이터는 SDNN(standard deviation normal to normal)와 pNN50 (Percentage of RR intervals that differ more than 50ms)를 더 포함하고,
상기 주파수 영역의 인디케이터는 HRV 스펙트럼으로부터 추출된 VLF(Very low frequency), LF(Low frequency)를 포함하는 다수 밴드의 파워 값을 더 포함하는, 심전도를 이용한 집중도 평가 방법.
The method of claim 1,
The time domain indicator further includes SDNN (standard deviation normal to normal) and pNN50 (Percentage of RR intervals that differ more than 50ms),
The indicator of the frequency domain further includes a power value of a plurality of bands including a very low frequency (VLF) and a low frequency (LF) extracted from the HRV spectrum.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 RRI는 QRS 검출 알고리즘에 의해 상기 ECG 데이터로부터 추출하고, 그리고
상기 HRV 스펙트럼은 상기 RRI로부터 샘플링 데이터를 얻고 샘플링 데이터에 대한 FFT 분석에 의해 추출하는, 심전도를 이용한 집중도 평가 방법.
The method of claim 1,
The RRI is extracted from the ECG data by a QRS detection algorithm, and
The HRV spectrum is obtained by obtaining sampled data from the RRI and extracting the sampled data by FFT analysis.
제2항에 있어서,
상기 VLF의 주파수 범위는 0.0033~0.04Hz,
상기 LF의 주파수 범위는 0.04~0.15Hz, 그리고
상기 HF의 주파수 범위는 0.15~0.4Hz 인, 심전도를 이용한 집중도 평가 방법.
The method of claim 2,
The frequency range of the VLF is 0.0033 ~ 0.04Hz,
The frequency range of the LF is 0.04 to 0.15 Hz, and
The frequency range of the HF is 0.15 ~ 0.4Hz, concentration evaluation method using an electrocardiogram.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 임계치는 17.183 인, 심전도를 이용한 집중도 평가 방법.
The method of claim 1,
The threshold value is 17.183, the concentration evaluation method using an electrocardiogram.
제1항, 제2항, 제4항, 제5항 또는 제7항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 집중도 평가 장치에 있어서,
상기 피험자로부터 ECG 신호를 검출하는 ECG 센서;
상기 ECG 신호를 전처리하는 전처리부; 그리고
상기 전처리부로 부터의 신호를 이용하여 피험자의 높은 집중과 낮은 집중을 평가하는 것으로 상기 통합 인디케이터(Focus score)를 이용하는 분석부;를 포함하는, 심전도를 이용한 집중도 평가 장치.
In the concentration evaluation apparatus for performing the method of any one of claims 1, 2, 4, 5 or 7,
An ECG sensor that detects an ECG signal from the subject;
A preprocessor for preprocessing the ECG signal; And
Containing, an analysis unit using the integrated indicator (Focus score) to evaluate the high concentration and low concentration of the subject by using the signal from the preprocessor; concentration evaluation device using an electrocardiogram.
삭제delete 삭제delete
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