KR102282101B1 - Method and system for determining state of object using functional near-infrared spectroscopy - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 기능적 근적외선 분광법을 이용한 대상체의 상태를 결정하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for determining the condition of a subject using functional near-infrared spectroscopy.
현대 사회는 고령화 시대에 따라 노인층의 인구가 급격하게 증가하고 있으며, 사용자의 운동 능력, 인지 능력, 사고력 등과 관련된 치매, 알츠하이머, 파킨슨병 등 다양한 퇴행성 뇌질환을 진단, 예방 또는 치료하기 위해 사용자의 행동적 구현에 관련된 뇌 영역을 분석하여 사용자 상태를 빠르고 정확하게 확인하기 위한 방법이 요구되고 있다.특히 사용자가 사고로 인한 신체 일부가 마비된 경우 사용자의 뇌 영역 중 움직임을 계획 및 제어하기 위한 뇌 영역이 최소한 하나 이상의 영역에서 손상이 나타나는 경우라고 볼 수 있는데 이와 같이 손상된 뇌 영역을 치료하기 위한 다양한 치료 방법이 개발되고 있다.In modern society, the population of the elderly is rapidly increasing according to the aging era, and the user's actions to diagnose, prevent or treat various degenerative brain diseases such as dementia, Alzheimer's disease, and Parkinson's disease related to the user's exercise ability, cognitive ability, and thinking ability. There is a need for a method to quickly and accurately check the user's state by analyzing the brain region related to the realization of the target. In particular, when the user is paralyzed due to an accident, there is a brain region for planning and controlling movement among the user's brain regions. It can be seen that damage appears in at least one area, and various treatment methods are being developed to treat the damaged brain area.
또한, 질환에 따른 뇌 영역의 손상을 치료하기 위한 방법도 개발되고 있다. 파킨슨병(Parkinson's disease)의 경우 도파민(dopamine) 신경세포의 소실로 인해 발생하는 신경계의 만성 퇴행성 뇌질환으로, 파킨슨병의 환자는 60세 이상에서 인구의 약 1퍼센트 정도로 추정되고 있다.In addition, a method for treating damage to a brain region due to a disease is being developed. Parkinson's disease (Parkinson's disease) is a chronic degenerative brain disease of the nervous system caused by the loss of dopamine neurons.
이에 파킨슨병에 대한 유무 및 진행 상황을 확인하기 위한 다양한 진단 또는 검사 방식이 개발되고 있다.Accordingly, various diagnostic or test methods are being developed to check the presence and progression of Parkinson's disease.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기능적 근적외선 분광법을 이용한 대상체의 상태를 결정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method and apparatus for determining the state of a subject using functional near-infrared spectroscopy.
구체적으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 뇌 질환에 관련된 뇌 영역을 분석하여 사용자의 상태를 결정하여 이를 통해 뇌 질환을 빠르고 정확하게 진단, 예방 또는 치료하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.Specifically, an object of the present invention is to provide a method and apparatus for quickly and accurately diagnosing, preventing, or treating a brain disease by analyzing a brain region related to a brain disease and determining the user's condition.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 기능적 근적외선 분광법을 이용한 대상체의 상태를 결정하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 기능적 근적외선 분광법(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)을 이용한 대상체의 상태를 결정하기 위한 방법은, 대상체에 대한 뇌 자극을 수행하여 상기 대상체의 fNIRS 데이터를 획득하는 단계; 상기 획득된 fNIRS 데이터를 이용하여 상기 대상체의 움직임을 제어하는 SMA(Supplementary Motor Area) 영역에 대한 분석 데이터를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 분석 데이터를 기초로 상기 대상체의 상태를 결정하는 단계를 포함한다.In order to solve the above problems, a method and an apparatus for determining the state of an object using functional near-infrared spectroscopy according to an embodiment of the present invention are provided. According to an embodiment of the present invention, a method for determining a state of an object using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) includes: acquiring fNIRS data of the object by performing brain stimulation on the object; calculating analysis data for a supplementary motor area (SMA) region that controls the movement of the object by using the acquired fNIRS data; and determining the state of the object based on the calculated analysis data.
본 발명의 실시예에 따른 기능적 근적외선 분광법을 이용한 대상체의 상태를 결정하기 위한 시스템은, 대상체에 대한 뇌 자극을 수행하도록 구성된 자극 발생부; 상기 뇌 자극에 의해 상기 대상체의 fNIRS 데이터를 획득하도록 구성된 데이터 획득부; 상기 획득된 fNIRS 데이터를 이용하여 상기 대상체의 움직임을 제어하는 SMA 영역에 대한 분석 데이터를 산출하도록 구성된 분석 데이터 산출부; 및 상기 산출된 분석 데이터를 기초로 상기 대상체의 상태를 결정하도록 구성된 상태 결정부를 포함한다.A system for determining a state of an object using functional near-infrared spectroscopy according to an embodiment of the present invention includes: a stimulus generator configured to perform brain stimulation on the object; a data acquisition unit configured to acquire fNIRS data of the subject by the brain stimulation; an analysis data calculation unit configured to calculate analysis data for an SMA region that controls the movement of the object by using the acquired fNIRS data; and a state determining unit configured to determine the state of the object based on the calculated analysis data.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.The details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
본 발명은 사람의 움직임을 제어하는 SMA 영역의 fNIRS 데이터를 이용하여 대상체의 상태를 결정함으로서, 뇌 질환을 빠르고 정확하게 진단, 예방 또는 치료할 수 있다. The present invention can quickly and accurately diagnose, prevent, or treat a brain disease by determining the state of a subject using fNIRS data of an SMA region that controls human movement.
또한, 본 발명은 대상체의 결정된 상태를 모니터링 또는 피드백 데이터로서 제공함으로써, 파킨슨병 환자 또는 사고로 인해 신체 일부가 마비된 환자들과 같이 자유롭게 움직이지 못하는 대상체에게 치료를 위한 적절한 자극 신호를 줄 수 있다. In addition, by providing the determined state of the subject as monitoring or feedback data, the present invention can provide an appropriate stimulus signal for treatment to a subject who cannot move freely, such as a Parkinson's disease patient or a patient whose body part is paralyzed due to an accident. .
또한, 본 발명은 SMA 영역의 fNIRS 데이터를 이용하여 결정된 대상체의 상태를 기초로 신경 퇴화 질환에 대한 예방적 치료를 특성화 및 개발할 수 있다. In addition, the present invention can characterize and develop a prophylactic treatment for a neurodegenerative disease based on the subject's status determined using the fNIRS data of the SMA region.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.The effect according to the present invention is not limited by the contents exemplified above, and more various effects are included in the present specification.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기능적 근적외선 분광법을 이용한 대상체 상태 결정 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자극 발생 장치에 대한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 데이터 획득 장치에 대한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전자 장치에 대한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 대상체 상태 결정 시스템에서 기능적 근적외선 분광법을 이용하여 대상체의 상태를 결정하기 위한 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 z-score 분석 방식을 이용하여 산출된 SMA 영역에서의 분석 데이터를 나타내는 예시도이다.1 is a schematic diagram illustrating a system for determining a state of an object using functional near-infrared spectroscopy according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a stimulus generating device according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram of an apparatus for acquiring data according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram of an electronic device according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic flowchart illustrating a method for determining a state of an object using functional near-infrared spectroscopy in a system for determining a state of an object according to an embodiment of the present invention.
6 is an exemplary diagram illustrating analysis data in an SMA region calculated using a z-score analysis method according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조부호가 사용될 수 있다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like components.
본 문서에서, "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.In this document, expressions such as "has," "may have," "includes," or "may include" refer to the presence of a corresponding characteristic (eg, a numerical value, function, operation, or component such as a part). and does not exclude the presence of additional features.
본 문서에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는(3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.In this document, expressions such as "A or B," "at least one of A and/and B," or "one or more of A or/and B" may include all possible combinations of the items listed together. . For example, "A or B," "at least one of A and B," or "at least one of A or B" means (1) includes at least one A, (2) includes at least one B; Or (3) it may refer to all cases including both at least one A and at least one B.
본 문서에서 사용된 "제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제1 사용자 기기와 제2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.As used herein, expressions such as "first," "second," "first," or "second," may modify various elements, regardless of order and/or importance, and refer to one element. It is used only to distinguish it from other components, and does not limit the components. For example, the first user equipment and the second user equipment may represent different user equipment regardless of order or importance. For example, without departing from the scope of rights described in this document, the first component may be named as the second component, and similarly, the second component may also be renamed as the first component.
어떤 구성요소(예: 제1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어((operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소(예: 제1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.A component (eg, a first component) is "coupled with/to (operatively or communicatively)" to another component (eg, a second component) When referring to "connected to", it will be understood that the certain element may be directly connected to the other element or may be connected through another element (eg, a third element). On the other hand, when it is said that a component (eg, a first component) is "directly connected" or "directly connected" to another component (eg, a second component), the component and the It may be understood that other components (eg, a third component) do not exist between other components.
본 문서에서 사용된 표현 "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한(suitable for)," "~하는 능력을 가지는(having the capacity to)," "~하도록 설계된(designed to)," "~하도록 변경된(adapted to)," "~하도록 만들어진(made to)," 또는 "~ 를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성된(또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to)" 것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된)프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(generic-purpose processor)(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.As used herein, the expression "configured to (or configured to)" depends on the context, for example, "suitable for," "having the capacity to ," "designed to," "adapted to," "made to," or "capable of." The term “configured (or configured to)” may not necessarily mean only “specifically designed to” in hardware. Instead, in some circumstances, the expression “a device configured to” may mean that the device is “capable of” with other devices or parts. For example, the phrase “a processor configured (or configured to perform) A, B, and C” refers to a dedicated processor (eg, an embedded processor) for performing the operations, or by executing one or more software programs stored in a memory device. , may mean a generic-purpose processor (eg, a CPU or an application processor) capable of performing corresponding operations.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.Terms used in this document are only used to describe specific embodiments, and may not be intended to limit the scope of other embodiments. The singular expression may include the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. Terms used herein, including technical or scientific terms, may have the same meanings as commonly understood by one of ordinary skill in the art described in this document. Among the terms used in this document, terms defined in a general dictionary may be interpreted with the same or similar meaning as the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this document, ideal or excessively formal meanings is not interpreted as In some cases, even terms defined in this document cannot be construed to exclude embodiments of this document.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.Each feature of the various embodiments of the present invention may be partially or wholly combined or combined with each other, and technically various interlocking and driving are possible, as will be fully understood by those skilled in the art, and each embodiment may be independently implemented with respect to each other, It may be possible to implement together in a related relationship.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기능적 근적외선 분광법을 이용한 대상체 상태 결정 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a system for determining a state of an object using functional near-infrared spectroscopy according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 대상체 상태 결정 시스템(100)은 대상체의 두피로부터 측정된 기능적 근적외선 분광법(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS) 데이터를 이용하여 대상체의 상태를 결정하기 위한 시스템으로, 대상체의 뇌에 자극을 주도록 구성된 자극 발생 장치(110), 대상체의 두피로부터 fNIRS 데이터를 획득하도록 구성된 데이터 획득 장치(120) 및 획득된 fNIRS 데이터를 분석하여 대상체의 상태를 결정하도록 구성된 전자 장치(130)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the system for determining the state of an
먼저, 자극 발생 장치(110)는 대상체의 뇌에 자극을 주기 위한 자극 신호를 생성하고, 생성된 자극 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 자극 발생 장치(110)는 뇌 자극을 위한 가상 현실(Virtual Reality, VR) 영상을 제공하는 HMD (Head Mouted Display) 장치일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다양한 실시예에서 자극 발생 장치(110)는 대상체의 시각, 청각 및 촉각 등 중 적어도 하나에 관련하여 뇌 자극을 위한 콘텐츠를 제공하기 위한 다양한 장치일 수 있다.First, the stimulation generating
이러한 자극 발생 장치(110)가 HMD 장치인 경우 HMD 장치는 대상체의 머리에 장착되어 대상체가 실제와 유사한 공간적, 시간적 체험이 가능하도록 대상체에게 가상 현실을 위한 뇌 자극 컨텐츠를 제공함과 동시에, 사용자의 생체 데이터를 획득하여 가상 체험을 진행 중인 사용자의 신체적, 인지적, 감정적 변화를 감지할 수 있는 복합 가상 체험 장치일 수 있다. 예를 들어, 뇌 자극 컨텐츠는 영화, 애니메이션, 광고, 또는 홍보 영상 등과 같은 비-인터랙티브(non-interactive) 영상 및 게임, 전자 매뉴얼, 전자 백과사전 또는 홍보 영상 등과 같이 사용자와 상호 활동적으로 이루어지는 인터랙티브(interactive) 영상을 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 여기서, 영상은 3차원 영상일 수 있으며, 스테레오스코픽(Stereoscopic) 영상이 포함될 수 있다. When the stimulus generating
이러한 HMD 장치는 사용자의 머리에 착용 가능한 구조로 형성되고, 가상 현실을 위한 다양한 뇌 자극 컨텐츠를 HMD 장치 내부의 표시부를 통해 표시하는 형태로 구현될 수 있다.Such an HMD device may be formed in a structure that can be worn on the user's head, and may be implemented in the form of displaying various brain stimulation contents for virtual reality through a display unit inside the HMD device.
또한, HMD 장치가 표시부를 구비하는 경우 대상체가 HMD 장치를 착용할 시 대상체가 뇌 자극 컨텐츠를 확인할 수 있도록 표시부의 일면이 대상체의 얼굴에 대향하도록 배치될 수 있다. Also, when the HMD device includes a display unit, one surface of the display unit may be disposed to face the face of the subject so that the subject can check brain stimulation contents when the subject wears the HMD device.
다양한 실시예에서 자극 발생 장치(110)는 대상체가 실제로 보고 만지는 감각적 효과를 느껴 생생한 가상 현실 환경에 몰입하도록 장갑, 옷 등과 같은 특수 장비를 더 포함할 수 있다. In various embodiments, the stimulus generating
다음으로, 데이터 획득 장치(120)는 대상체의 뇌 자극에 의해 발생되는 fNIRS 데이터를 획득하기 위한 장치로서, fNIRS 데이터를 획득하기 위해 사용되는 복수의 광원 및 복수의 광원 각각에 대응하는 검출부를 포함할 수 있다.Next, the
구체적으로, 데이터 획득 장치(120)는 복수의 광원 및 복수의 광원 각각으로부터 근적외선을 검출하고, 각 광원과 한 쌍으로 배치되는 검출부를 포함할 수 있다. 이러한 데이터 획득 장치(120)는 광원 및 검출부가 n x m 행렬의 형태로 배치되고(n, m은 자연수), 대상체의 두피 전체를 감싸기 위한 모자 형태로 구현될 수 있다. 그러나, 데이터 획득 장치(120)는 이와 같은 형태로 한정되지 않으며, 대상체의 두피로부터 근적외선을 검출하기 위한 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이와 같이 배치된 광원과 검출부 사이의 영역에 채널(channel)이 형성되며, 형성된 채널 내에서 근적외선이 검출될 수 있다. Specifically, the
데이터 획득 장치(120)는 복수의 광원을 통해 대상체의 두피로 광을 조사하고, 조사된 광에 의해 두피로부터 방출된 근적외선 중 대상체의 움직임을 제어하는 뇌 영역인 SMA(supplementary motor area) 영역에 해당하는 근적외선을, 각 광원과 쌍을 이루는 검출부를 통해 검출하여 SMA 영역의 fNIRS 데이터를 획득할 수 있다. 데이터 획득 장치(120)는 획득된 fNIRS 데이터를 전자 장치(130)로 전달할 수 있다.The
전자 장치(130)는 fNIRS 데이터를 이용하여 대상체의 상태를 결정하기 위한 장치로서, 태블릿 PC(Personal Computer), 노트북 및/또는 PC 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The
구체적으로, 전자 장치(130)는 데이터 획득 장치(120)로부터 수신된 fNIRS 데이터를 이용하여 SMA 영역에 대한 분석 데이터를 산출하고, 산출된 분석 데이터를 기초로 대상체의 상태를 결정할 수 있다. 여기서, SMA 영역은 대상체의 움직임을 계획하고, 이를 실현 또는 통제하는 역할을 수행하는 뇌 영역이며, 예를 들어 사람의 상지 또는 하지의 운동, 눈 운동 또는 손 운동 등을 할 경우 활성화될 수 있다. Specifically, the
분석 데이터를 산출하기 위해 전자 장치(130)는 전력 스펙스럼 분석(power spectrum analysis) 및 z-score 분석을 수행할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 대상체의 상태를 결정하기 위한 다양한 데이터 분석 방식이 이용될 수 있다.In order to calculate the analysis data, the
이러한 분석 방식을 통해서 산출된 분석 데이터를 기초로 대상체의 상태를 결정하기 위해 전자 장치(130)는 패턴 분석 방식(pattern mining) 및 머신 러닝 방식(machine learning) 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.In order to determine the state of the object based on the analysis data calculated through the analysis method, the
패턴 분석 방식을 이용하는 경우 전자 장치(130)는 분석 데이터를 기초로 분석 패턴을 생성하도록 학습된 패턴 생성 모델을 이용하여 대상체의 분석 패턴을 생성할 수 있다. 이때, 패턴 생성 모델은 클러스터링 알고리즘에 기초하는 모델일 수 있다. When using the pattern analysis method, the
전자 장치(130)는 이와 같이 생성된 분석 패턴을 기초로 사용자의 상태를 확률적으로 예측하도록 학습된 상태 예측 모델을 이용하여 대상체의 상태를 결정할 수 있다. 여기서, 대상체의 상태는 대상체가 특정 질병 환자인 경우 치료를 위한 자극 콘텐츠를 제공했을 때 제공된 자극 콘텐츠에 의해 변화되는 행동적 패턴을 의미할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(130)는 운동 능력이 어느 정도인지, 균형 감각이 어느 정도인지, 학습 효능(learing efficacy)을 가지는지, 운동 감각이 있는지, 움직임을 계획(planing)하는지 및/또는 공감각이 있는지 여부 등과 같은 대상체 상태를 결정할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The
머신 러닝 방식을 이용하는 경우 전자 장치(130)는 분석 데이터를 기초로 대상체의 상태를 예측하기 위한 예측 모델을 이용하여 대상체의 상태를 결정할 수 있다. 예를 들어, 예측 모델은 DNN(Deep Neural Network), CNN(Convolutional Neural Network), DCNN(Deep Convolution Neural Network), RNN(Recurrent Neural Network), RBM(Restricted Boltzmann Machine), DBN(Deep Belief Network), SSD(Single Shot Detector) 모델 또는 U-net을 기반으로 하는 예측 모델일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.When using the machine learning method, the
다양한 실시예에서 전자 장치(130)는 이와 같이 결정된 상태를 모니터링하거나, 결정된 상태에 대한 피드백 데이터를 제공할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(130)는 대상체의 운동 능력이 어느 정도인지, 균형 감각이 어느 정도인지, 학습 효능을 가지는지, 운동 감각이 있는지, 움직임을 계획하는지 및/또는 공감각이 있는지 등을 나타내는 모니터링 데이터 또는 피드백 데이터를 제공할 수 있다.In various embodiments, the
다양한 실시예에서 전체 시스템은 외부 자극에 대한 뇌 영역 fNIRS 데이터를 대상체의 움직임 상태에서 측정하여 뇌활성화, 뇌질환 등 뇌상태를 진단할 수 있다.In various embodiments, the entire system may measure brain region fNIRS data for external stimuli in the movement state of the object to diagnose brain conditions such as brain activation and brain diseases.
이와 같이 본 발명은 사람의 움직임을 제어하는 SMA 영역의 fNIRS 데이터를 이용하여 대상체의 상태를 결정하고, 이를 모니터링 또는 피드백 데이터로서 제공함으로써, 파킨슨병 환자 또는 사고로 인해 신체 일부가 마비된 환자들과 같이 자유롭게 움직이지 못하는 대상체에게 치료를 위한 적절한 자극 신호를 줄 수 있고, 대상체의 뇌가 제대로 작동하는지 또는 정상인지 여부를 시공간적 또는 실시간으로 확인할 수 있다.As described above, the present invention determines the state of an object using fNIRS data of the SMA region that controls human movement, and provides it as monitoring or feedback data, so that patients with Parkinson's disease or patients whose body parts are paralyzed due to an accident and An appropriate stimulation signal for treatment may be given to a subject that cannot move freely, and whether the subject's brain is functioning properly or is normal may be checked in spatiotemporal or real time.
하기에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 기능적 근적외선 분광법을 이용한 대상체 상태 결정 시스템(100)을 구성하는 자극 발생 장치(110), 데이터 획득 장치(120) 및 전자 장치(130)에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 2 to 4 , the
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자극 발생 장치에 대한 블록도이다. 2 is a block diagram of a stimulus generating device according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 자극 발생 장치(200)는 영상 재생 장치(210) 및 입력 장치(230)를 포함한다. 영상 재생 장치(210)는 입력 장치(230)와 유/무선 통신으로 연결될 수 있다. 제시된 실시예에서 자극 발생 장치(200)는 도 1의 자극 발생 장치(110)를 의미하며, 영상 재생 장치(210)는 가상 현실 영상을 재생하는 HMD 장치로 가정하여 설명한다.Referring to FIG. 2 , the
먼저, 영상 재생 장치(210)는 통신부(212), 센싱부(214), 표시부(216), 저장부(218) 및 제어부(220)를 포함한다.First, the
통신부(212)는 영상 재생 장치(210)가 외부 장치와 통신이 가능하도록 연결한다. 통신부(212)는 유/무선 통신을 이용하여 전자 장치(130)와 연결되어 다양한 데이터를 송수신할 수 있다. 여기서, 다양한 데이터는 가상 현실 콘텐츠일 수 있으며, 가상 현실 콘텐츠는 1인칭 또는 3인칭 게임 콘텐츠일 수 있다. 예를 들어, 3인칭 게임 콘텐츠는 대상체와 매칭되는 아바타를 포함할 수 있으며, 아바타는 대상체의 외형과 유사하게 구현될 수 있다.The
센싱부(214)는 사용자의 머리 움직임을 감지하기 위한 움직임 센서를 포함하고, 움직임 센서를 통해 사용자의 머리 움직임을 감지하여 감지 신호를 출력할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 머리 움직임을 감지하기 위한 다양한 센서가 이용될 수 있다.The
표시부(216)는 사용자에게 각종 콘텐츠(예: 텍스트, 이미지, 비디오, 아이콘, 배너 또는 심볼 등)를 표시할 수 있다. 구체적으로, 표시부(216)는 통신부(212)를 통해 수신되거나 저장부(218)에 저장된 가상 현실 콘텐츠를 표시할 수 있다.The
저장부(218)는 대상체의 뇌에 자극을 주기 위해 사용되는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부(218)는 가상 현실 콘텐츠를 저장할 수 있다.The
다양한 실시예에서 저장부(218)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 영상 재생 장치(210)는 인터넷(internet)상에서 상기 저장부(218)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage)와 관련되어 동작할 수도 있다.In various embodiments, the
제어부(220)는 통신부(212), 센싱부(214), 표시부(216) 및 저장부(218)와 동작 가능하게 연결되며, 대상체의 뇌에 자극을 주기 위해 사용되는 가상 현실 콘텐츠를 제공하기 위한 다양한 명령들을 수행할 수 있다. The
구체적으로, 제어부(220)는 통신부(212)를 통해 수신되거나, 저장부(218)에 저장된 가상 현실 콘텐츠를 표시부(216)를 통해 표시할 수 있다. 예를 들어, 가상 현실 콘텐츠가 3인칭 게임 콘텐츠인 경우 3인칭 게임 콘텐츠는 대상체에 대응하는 아바타를 포함할 수 있다. 이러한 경우 제어부(220)는 아바타를 생성하기 위한 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다. Specifically, the
다양한 실시예에서 제어부(220)는 대상체의 입력 장치(230) 조작에 의해 가상 현실 콘텐츠에 관련된 사용자 인터페이스를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(220)는 대상체의 입력 장치(230) 조작에 의해 아바타 생성을 위한 사용자 인터페이스를 제어하여 대상체와 유사한 외형을 갖는 아바타를 생성할 수 있다.In various embodiments, the
다양한 실시예에서 제어부(220)는 센싱부(214)를 통해서 사용자의 머리 움직임을 감지하고, 사용자의 머리 방향에 대응하여 가상 현실 콘텐츠를 재생하여 표시할 수 있다.In various embodiments, the
입력 장치(예: 컨트롤러 등)(230)는 영상 재생 장치(210)와 연결되고, 대상체가 영상 재생 장치(210)에 연결된 입력 장치(230)를 조작하여 영상 재생 장치(210)의 표시부(216)를 통해 표시되는 가상 현실 콘텐츠에 관련된 사용자 인터페이스를 제어할 수 있다.The input device (eg, a controller, etc.) 230 is connected to the
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 데이터 획득 장치에 대한 블록도이다. 3 is a block diagram of an apparatus for acquiring data according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 데이터 획득 장치(300)는 광원(302), 검출부(304) 및 데이터 송신부(306)를 포함한다. 제시된 실시예에서 데이터 획득 장치(300)는 도 1의 데이터 획득 장치(120)를 의미할 수 있다. 다양한 실시예에서 데이터 획득 장치(300)는 대상체의 두피 전체를 감싸는 동시에 밀착 가능하도록 모자 형태로 구현될 수 있다.Referring to FIG. 3 , the
광원(302)는 복수개로 구비되고, n x m 행렬의 형태로 배치되어 광을 두피로 조사할 수 있다.The
검출부(304)는 광원(302)에 대응하여 광원(302)과 한 쌍으로 구비되어 n x m 행렬의 형태로 배치될 수 있다. The
이와 같이 배열된 광원(302) 및 검출부(304) 사이에 채널이 형성되고, 검출부(304)는 채널 내에서 근적외선을 검출하여 fNIRS 데이터를 획득할 수 있다.A channel is formed between the
데이터 송신부(306)는 획득된 fNIRS 데이터를 유선 또는 무선 통신을 통해 전자 장치(130)로 전달할 수 있다. The
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전자 장치에 대한 블록도이다. 4 is a block diagram of an electronic device according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 전자 장치(400)는 데이터 수신부(402), 전처리부(404), 분석 데이터 산출부(406) 및 상태 결정부(408)를 포함한다. 제시된 실시예에서 전자 장치(400)는 도 1의 전자 장치(130)를 의미할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the
먼저, 데이터 수신부(402)는 데이터 획득 장치(120)로부터 fNIRS 데이터를 수신할 수 있다.First, the
전처리부(404)는 fNIRS 데이터의 생물학적 또는 기술적 아티팩트(artifact)를 제거하기 위한 전처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, 전처리부(404)는 이동 평균 저대역 필터(moving average low-pass filter)를 적용하여 전처리를 수행할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 아티팩트를 제거하기 위한 다양한 필터가 이용될 수 있다.The
분석 데이터 산출부(406)는 특정 샘플링 시간 간격으로 SMA 영역에 관련된 채널에 대응하여 전처리된 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 기반하여 옥시(oxy) 및 디옥시(deoxy)-헤모글로빈(hemoglobin)의 농도 변화를 나타내는 Δ[oxy-HB] 데이터를 획득할 수 있다. The analysis
분석 데이터 산출부(406)는 Δ[oxy-HB] 데이터를 분석하여 분석 데이터를 생성할 수 있다. 구체적으로, 분석 데이터 산출부(406)는 2개의 분석 방식을 이용하여 분석 데이터를 생성하는데, 예를 들어 2개의 분석 방식은 전력 스펙트럼 분석 방식 및 z-score 분석 방식을 포함할 수 있다. The analysis
먼저, 분석 데이터 산출부(406)는 뇌 영역을 식별하기 위해 전력 스펙트럼 분석 방식을 이용하여 전력 스펙트럼 값을 산출할 수 있다. 예를 들어, 분석 데이터 산출부(406)는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform)을 이용하여 시계열 데이터(즉, 특정 샘플링 시간 간격으로 수집된 Δ[oxy-HB] 데이터)를 주파수 영역으로 변환하고, 특정 주파수 범위를 갖는 근접 주파수 윈도우 내에서 전력을 산출할 수 있다. First, the analysis
다음으로, z-score 분석 방식을 이용하여 분석 데이터를 산출하기 위해 분석 데이터 산출부(406)는 x(t) ≡ Δ[oxy-HB](t)인 fNIRS 데이터를, z(t) = [x(t)- M0]/SD0와 같은 수학식을 이용하여 시계열 z-score 값(z(t))으로 변환할 수 있다. 여기서, M0 및 SD0는 기준 시간 범위(t) 동안 Δ[oxy-HB] 데이터의 평균값 및 표준 편차를 의미할 수 있다. Next, in order to calculate the analysis data using the z-score analysis method, the analysis
분석 데이터 산출부(406)는 이와 같은 분석 방식들을 이용하여 전력값 및 z-score 값을 SMA 영역에 대한 분석 데이터로서 산출할 수 있다. The analysis
상태 결정부(408)는 산출된 분석 데이터를 기초로 대상체의 상태를 결정할 수 있다. 구체적으로, 상태 결정부(408)는 패턴 분석 방식 및 머신 러닝 방식 중 적어도 하나를 이용하여 대상체의 상태를 결정할 수 있다. 여기서, 상태 결정부(408)는 대상체의 운동 능력이 어느 정도인지, 균형 감각이 어느 정도인지, 학습 효능(learing efficacy)을 가지는지, 운동 감각이 있는지, 움직임을 계획하는지 및/또는 공감각이 있는지 여부를 대상체의 상태로서 결정할 수 있다.The
먼저, 패턴 분석 방식을 이용하는 경우 상태 결정부(408)는 분석 데이터 패턴을 생성하도록 학습된 패턴 생성 모델을 이용하여 SMA 영역의 분석 데이터 패턴을 생성할 수 있다. 이때, 패턴 생성 모델은 클러스터링 알고리즘에 기초하는 모델일 수 있다. 예를 들어, 분석 데이터 패턴을 생성하기 위해 패턴 생성 모델은 클러스터링 알고리즘을 반복적으로 수행하여 복수개의 SMA 영역의 분석 데이터 각각에 대한 실루엣의 평균값을 산출하고, 평균값이 가장 급격하게 증가하는 패턴의 개수 중 가장 작은 값을 갖는 패턴의 개수를 최적 패턴 개수로 결정할 수 있다. 나아가, 패턴 생성 모델은 클러스터링 알고리즘을 이용하여, 결정된 최적 패턴 개수를 기초로 복수개의 SMA 영역의 분석 데이터에 대한 패턴을 그룹화함으로써 하나의 SMA 영역의 분석 데이터 패턴을 생성할 수 있다.First, when using the pattern analysis method, the
다양한 실시예에서 상태 결정부(408)는 패턴 생성 모델을 이용하여 미리 결정된 시간 간격으로 대상체에 대한 SMA 영역의 분석 데이터를 복수회 산출함에 따라 생성된 복수개의 동일한 SMA 영역의 분석 데이터에 대한 클러스터링(clustering)을 수행할 수 있다.According to various embodiments, the
다양한 실시예에서 상태 결정부(408)는 패턴 생성 모델을 이용하여 복수개의 SMA 영역의 분석 데이터 중 두 개의 선택된 분석 데이터에 대한 유사도 및 비유사도 행렬을 산출하고, 산출된 유사도 및 비유사도를 기초로 상기 두 개의 분석 데이터에 대한 상관관계를 결정할 수 있다. 나아가, 상태 결정부(404)는 분석 데이터 간의 상관관계, 및 최적 패턴 개수를 기초로, 하나의 분석 데이터 패턴을 생성할 수 있다.In various embodiments, the
다음으로, 상태 결정부(408)는 SMA 영역의 분석 데이터 패턴을 기초로 대상체의 상태를 확률적으로 예측하도록 학습된 상태 예측 모델을 이용하여 대상체의 상태를 예측할 수 있다. 이때, 상태 예측 모델은 대상체와 상이한 복수의 표본 대상체에 대하여 SMA 영역의 분석 데이터를 산출하고, 상태 예측 모델을 이용하여 복수개의 SMA 영역의 분석 데이터 각각에 대한 패턴을 생성하고, 생성된 각 패턴을 그룹화하여 복수의 표본 대상체 각각에 대한 하나의 분석 데이터 패턴을 생성하고, 생성된 각 분석 데이터 중 대상체의 상태와 연관된 패턴을 결정하는 단계에 의해 트레이닝된 예측 모델일 수 있다.Next, the
상태 결정부(408)는 상태 예측 모델을 이용하여 미리 결정된 상태와 연관된 패턴 및 대상체에 대한 분석 데이터 패턴을 비교하여 비교 결과를 기초로 대상체의 상태를 확률적으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 상태 결정부(404)는 대상체의 운동 능력이 어느 정도인지, 균형 감각이 어느 정도인지, 학습 효능을 가지는지, 운동 감각이 있는지, 움직임을 계획하는지 및/또는 공감각이 있는지 등 결정할 수 있다.The
다음으로, 머신 러닝 방식을 이용하는 경우 상태 결정부(408)는 분석 데이터를 기초로 대상체의 상태를 예측하도록 사전 학습된 상태 예측 모델을 이용할 수 있다. 예를 들어, 상태 예측 모델은 다른 대상체들의 분석 데이터를 기초로 학습되는 다양한 학습 모델에 기초할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 다양한 실시예에서 이용되는 예측 모델들은 DNN, CNN, DCNN, RNN, RBM, DBN, SSD 모델 또는 U-net을 기반으로 하는 예측 모델일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Next, when using the machine learning method, the
다시 말해서, 상태 결정부(408)는 대상체의 분석 데이터를 입력으로 하여 대상체의 상태, 즉 운동 능력이 어느 정도인지, 균형 감각이 어느 정도인지, 학습 효능을 가지는지, 운동 감각이 있는지, 움직임을 계획하는지 및/또는 공감각이 있는지 등을 예측하도록 사전 학습된 상태 예측 모델을 이용하여, 대상체의 상태를 예측할 수 있다. In other words, the
이와 같이 본 발명은 대상체의 SMA 영역에 대한 분석 데이터를 이용하여 대상체의 상태를 결정함으로써, 대상체가 뇌 질환자인지 결정하거나, 뇌 질환 예방을 위한 지표를 제공할 수 있다.As described above, the present invention may determine whether the subject has a brain disease or provide an index for preventing a brain disease by determining the state of the subject using the analysis data for the SMA region of the subject.
하기에서는 대상체 상태 결정 시스템(100)에서 기능적 근적외선 분광법을 이용하여 대상체의 상태를 결정하기 위한 방법에 대해서 도 5를 참조하여 설명하도록 한다. Hereinafter, a method for determining the state of the object using the functional near-infrared spectroscopy in the object
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 대상체 상태 결정 시스템에서 기능적 근적외선 분광법을 이용하여 대상체의 상태를 결정하기 위한 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다. 5 is a schematic flowchart illustrating a method for determining a state of an object using functional near-infrared spectroscopy in a system for determining a state of an object according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 5를 참조하면, 대상체 상태 결정 시스템(100)은 대상체에 대한 뇌 자극을 수행하여 대상체의 움직임을 제어하는 SMA 영역의 fNIRS 데이터를 획득한다(S500). 구체적으로, 대상체 상태 결정 시스템(100)은 자극 발생 장치(110)에 의해서 대상체로의 뇌 자극을 수행하고, 데이터 획득 장치(120)를 통해 대상체의 SMA 영역에 대한 fNIRS 데이터를 획득할 수 있다. 여기서, SMA 영역에 대한 fNIRS 데이터는 복수의 쌍을 이루는 광원 및 검출부 사이에 형성된 채널 중 SMA 영역에 관련된 채널 내에서 획득되어 전자 장치(130)로 전달될 수 있다.1 and 5 , the object
대상체 상태 결정 시스템(100)은 획득된 fNIRS 데이터를 이용하여 SMA 영역에 대한 분석 데이터를 산출한다(S510). 구체적으로, 대상체 상태 결정 시스템(100)은 전자 장치(130)를 통해 전력 스펙트럼 분석 및 z-score 분석을 이용하여 SMA 영역에 대한 분석 데이터를 산출할 수 있다. 이러한 산출 방식은 상기에서 언급한 바와 같이 수행될 수 있다.The object
대상체 상태 결정 시스템(100)은 산출된 분석 데이터를 기초로 대상체의 상태를 결정한다(S520). 구체적으로, 대상체 상태 결정 시스템(100)은 전자 장치(130)를 통해 패턴 분석 방식 및 머신 러닝 방식 중 적어도 하나를 이용하여 대상체의 상태를 결정할 수 있다. 이와 같이 결정된 상태는 질병 환자인 대상체의 질병 치료 또는 질병 진행을 지연시키기 위한 피드백 데이터로서 제공되거나, 질병 예방을 위한 모니터링 데이터로서 제공될 수 있다. 또한 이러한 피드백 데이터 및 모니터링 데이터에 의해 사용자는 대상체의 뇌가 제대로 작동하는지 또는 정상인지 여부를 시공간적 또는 실시간으로 확인할 수 있다.The object
하기에서는 z-score 분석 방식을 이용하여 산출된 SMA 영역에서의 분석 데이터를 기반으로 대상체의 상태를 결정하기 위한 방법을 도 6을 참조하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a method for determining the state of an object based on analysis data in the SMA region calculated using the z-score analysis method will be described with reference to FIG. 6 .
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 z-score 분석 방식을 이용하여 산출된 SMA 영역에서의 분석 데이터를 나타내는 예시도이다.6 is an exemplary diagram illustrating analysis data in an SMA region calculated using a z-score analysis method according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 분석 데이터는 SMA 영역에서 시계열 z-score 값으로 나타낼 수 있다. 일반적으로, SMA 영역은 대상체의 움직임을 계획하고 통제하는 영역이므로, 대상체가 어떠한 움직임을 수행할 경우 SMA 영역의 활동이 증가하여 SMA 영역의 시계열 z-score 값은 기준선(z-score=0)을 중심으로 점차 증가하는 값을 가진다.Referring to FIG. 6 , the analysis data may be represented as a time series z-score value in the SMA region. In general, since the SMA area is an area that plans and controls the movement of an object, when the object performs any movement, the activity of the SMA area increases, so that the time series z-score value of the SMA area exceeds the baseline (z-score=0). It has a value that gradually increases with the center.
대상체에 대한 특정 이벤트가 발생되면 특정 이벤트가 발생된 구간(600, 602, 604, 606)에서 SMA 영역의 시계열 z-score 값들은 점차 기준선보다 작은 값을 가지도록 감소한다. 여기서, 특정 이벤트는 대상체가 움직임을 익히고, 능숙해지는 경우를 의미한다. 대상체가 움직임을 빠르게 배울수록 시계열 z-score 값들의 기울기는 급격하게 감소할 수 있다.When a specific event for the object occurs, the time series z-score values of the SMA region in the
대상체의 움직임에 제약이 있거나 대상체가 하기 어려운 움직임을 하는 경우에도 대상체의 SMA 영역 활동이 증가하여 뇌 활성화가 증가될 수 있다. 예를 들어, 대상체가 새로운 움직임 또는 운동(예: 테니스, 수영, 복싱 등)을 수행할 경우 움직임을 주관하는 SMA 영역의 활동은 증가하고, SMA 영역에서 새로운 움직임 또는 운동을 실행하고 익히려는 계획이 활성화될 수 있다. 이를 통해 대상체는 새로운 움직임 또는 운동을 익히거나 실행할 수 있다. 대상체가 이러한 움직임 또는 운동에 능숙해지면 SMA 영역의 활동은 점차 감소하게 되어 대상체가 덜 능동적이고, 더 자연스럽고, 덜 계획적이며, 덜 노력하여 해당 움직임 또는 운동을 수행할 수 있다.또한, 파킨슨병 환자 또는 사고로 인해 신체 일부가 마비된 환자들의 경우 환자들의 머리에 자극 발생 장치(110)를 착용시키고, 자극 발생 장치(110)를 통해 다양한 뇌 자극 콘텐츠를 재생시킴으로써, 환자들의 뇌 질환 치료를 위한 자극 신호를 줄 수 있다. 이러한 경우 전자 장치(130)는 데이터 획득 장치(120)로부터 획득된 fNIRS 데이터를 기반으로 환자들의 SMA 영역에 대한 분석 데이터를 산출하고, 산출된 분석 데이터를 이용하여 환자의 상태를 결정한 후 결정된 환자 상태를 기반으로 치료를 위한 뇌 자극 콘텐츠를 제공할 수 있다. 파킨슨병 환자 또는 신체 일부가 마비된 환자들은 SMA 영역의 활동이 미미하거나, SMA 영역이 비활동할 수 있으므로, 자극 발생 장치(110)를 통해 환자들의 SMA 영역 활동을 점차적으로 증가시키기 위한 뇌 자극 콘텐츠를 제공함으로써, 이러한 환자들의 뇌 질환 치료를 도울 수 있다.Even when the movement of the object is restricted or the object makes a difficult movement, the activity of the SMA region of the object may increase, and thus brain activation may be increased. For example, when an object performs a new movement or exercise (eg, tennis, swimming, boxing, etc.), the activity in the SMA area that is responsible for the movement increases, and the plan to execute and learn the new movement or exercise in the SMA area increases. can be activated. Through this, the object may learn or execute a new movement or exercise. As the subject becomes proficient in these movements or movements, the activity in the SMA area gradually decreases, allowing the subject to perform the movements or movements with less active, more natural, less deliberate, and less effort. In addition, patients with Parkinson's disease Alternatively, in the case of patients whose body parts are paralyzed due to an accident, the
이와 같이 본 발명은 대상체의 운동 능력 또는 균형 감각 등과 같은 행동적 구현에 관련된 SMA 영역에서의 fNIRS 데이터를 이용하여 대상체의 상태를 결정함으로써, 대상체가 SMA 영역의 활성화가 떨어지는 뇌 질환에 걸렸는지를 진단할 수 있다.As such, the present invention determines whether the subject has a brain disease in which activation of the SMA region is poor by determining the state of the subject using fNIRS data in the SMA region related to the behavioral implementation such as the subject's motor ability or sense of balance. can
또한, 본 발명은 대상체의 결정된 상태를 모니터링 데이터 또는 피드백 데이터로서 제공함으로써, 이러한 데이터를 이용하여 파킨슨병 등과 같은 뇌 질환을 예방하거나 치료하기 위한 적절한 자극 신호를 생성할 수 있다.In addition, the present invention provides the determined state of the subject as monitoring data or feedback data, so that an appropriate stimulation signal for preventing or treating a brain disease such as Parkinson's disease may be generated using the data.
또한, 본 발명은 SMA 영역에서의 분석 데이터를 이용하여 대상체의 뇌 영역이 제대로 동작하고 있는지 또는 정상인지 여부를 시공간적으로 또는 실시간으로 확인할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to determine whether the brain region of the subject is operating properly or is normal, spatio-temporal or real-time, by using the analysis data in the SMA region.
본 발명의 실시예에 따른 장치 및 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.The apparatus and method according to an embodiment of the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination.
컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.The program instructions recorded on the computer readable medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in the computer software field. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - Includes magneto-optical media and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in more detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and various modifications may be made within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. . Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.
100: 대상체 상태 결정 시스템
110: 자극 발생 장치
120: 데이터 획득 장치
130: 전자 장치100: object state determination system
110: stimulus generating device
120: data acquisition device
130: electronic device
Claims (16)
대상체에 대한 뇌 자극을 수행하여 상기 대상체의 fNIRS 데이터를 획득하는 단계;
상기 획득된 fNIRS 데이터를 이용하여 상기 대상체의 움직임을 제어하는 SMA(Supplementary Motor Area) 영역에 대한 분석 데이터를 산출하는 단계; 및
상기 산출된 분석 데이터를 기초로 상기 대상체의 상태를 결정하는 단계를 포함하며,
상기 결정하는 단계는,
상기 대상체에 특정 이벤트가 발생된 상황에서,
SMA 영역에 대한 분석 데이터 값이 기준선을 중심으로 증가할수록 상기 대상체가 움직임에 제약이 있는 상태인 것으로 결정하고, 분석 데이터 값이 기준선을 중심으로 감소할수록 상기 대상체가 움직임에 능숙한 상태인 것으로 결정하는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 방법.A method for determining the state of an object using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) performed by an electronic device included in a system for determining the state of an object, the method comprising:
obtaining fNIRS data of the subject by performing brain stimulation on the subject;
calculating analysis data for a supplementary motor area (SMA) region that controls the movement of the object by using the acquired fNIRS data; and
Comprising the step of determining the state of the object based on the calculated analysis data,
The determining step is
In a situation where a specific event occurs in the object,
As the analysis data value for the SMA region increases around the baseline, it is determined that the subject is in a state with limited movement, and as the analysis data value decreases around the baseline, the object is determined to be in a state of proficient movement. A method for determining subject status using fNIRS.
운동 능력 및 균형 감각 중 적어도 하나를 나타내는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 방법.According to claim 1, wherein the state of the object,
A method for determining a subject's status using fNIRS, wherein the method is indicative of at least one of motor ability and a sense of balance.
패턴 분석 방식(pattern mining) 및 머신 러닝 방식(machine learning) 중 적어도 하나를 기반으로 수행되는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 방법.The method of claim 1, wherein determining the state of the object comprises:
A method for determining a state of an object using fNIRS, which is performed based on at least one of a pattern mining method and a machine learning method.
상기 대상체에 대한 뇌 자극을 수행하기 위해 상기 대상체의 머리에 착용되어 가상 현실 영상을 제공하는 HMD(Head Mounted Display) 장치가 이용되는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 방법.According to claim 1,
A method for determining a state of an object using fNIRS, wherein a head mounted display (HMD) device that is worn on the head of the object and provides a virtual reality image is used to perform brain stimulation on the object.
복수의 광원을 통해 상기 대상체의 두피에 광을 조사하는 단계; 및
상기 복수의 광원 각각에 대응하는 검출부를 통해 상기 광이 조사된 두피에서 상기 fNIRS 데이터를 검출하는 단계를 포함하는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 방법.The method of claim 1, wherein the acquiring of fNIRS data of the subject comprises:
irradiating light to the scalp of the subject through a plurality of light sources; and
and detecting the fNIRS data from the scalp irradiated with the light through a detector corresponding to each of the plurality of light sources.
상기 두피를 통해 전달되는 근적외선 광 세기의 변화를 나타내고, 이동 평균 저대역 필터(moving average low-pass filter)를 통해 아티팩트(artifact)가 제거된 데이터인, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 방법.According to claim 5, wherein the fNIRS data,
A method for determining a state of an object using fNIRS, which is data representing a change in the intensity of near-infrared light transmitted through the scalp and from which artifacts are removed through a moving average low-pass filter.
상기 분석 데이터를 산출하기 위해 전력 스펙트럼 분석 방식(power spectrum) 및 z-score 분석 방식이 이용되는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 방법.According to claim 1,
A method for determining a state of a subject using fNIRS, wherein a power spectrum analysis method and a z-score analysis method are used to calculate the analysis data.
상기 대상체에 대한 질병 검사를 위한 모니터링 데이터로서 제공되거나, 상기 대상체의 질병 치료를 위한 피드백 데이터로서 제공되는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 방법.According to claim 1, wherein the determined state,
A method for determining a subject's status using fNIRS, which is provided as monitoring data for a disease test for the subject or as feedback data for treating a disease in the subject.
상기 뇌 자극에 의해 상기 대상체의 기능적 근적외선 분광법(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS) 데이터를 획득하도록 구성된 데이터 획득부;
상기 획득된 fNIRS 데이터를 이용하여 상기 대상체의 움직임을 제어하는 SMA(Supplementary Motor Area) 영역에 대한 분석 데이터를 산출하도록 구성된 분석 데이터 산출부; 및
상기 산출된 분석 데이터를 기초로 상기 대상체의 상태를 결정하도록 구성된 상태 결정부를 포함하며,
상기 상태 결정부는,
상기 대상체에 대한 특정 이벤트가 발생된 상황에서, 기준선을 중심으로 분석 데이터 값이 증가할수록 상기 대상체가 움직임에 제약이 있는 상태인 것으로 결정하고, 기준선을 중심으로 분석 데이터 값이 감소할수록 상기 대상체가 움직임에 능숙한 상태인 것으로 결정하는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 시스템.a stimulus generating unit configured to perform brain stimulation on the object;
a data acquisition unit configured to acquire functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) data of the object by the brain stimulation;
an analysis data calculation unit configured to calculate analysis data for a supplementary motor area (SMA) region that controls the movement of the object by using the acquired fNIRS data; and
and a state determination unit configured to determine the state of the object based on the calculated analysis data,
The state determination unit,
In a situation in which a specific event for the object occurs, it is determined that the object is in a state of restricted movement as the analysis data value increases around the baseline, and as the analysis data value decreases around the baseline, the object moves A system for determining a subject's status using fNIRS, which determines a condition proficient in
운동 능력 및 균형 감각 중 적어도 하나를 나타내는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 시스템.The method of claim 9, wherein the state of the subject is,
A system for determining subject status using fNIRS, wherein the system exhibits at least one of motor ability and a sense of balance.
패턴 분석 방식(pattern mining) 및 머신 러닝 방식(machine learning) 중 적어도 하나를 기반으로 상기 대상체의 상태를 결정하는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 시스템.The method of claim 9, wherein the state determining unit,
A system for determining a state of an object using fNIRS, which determines the state of the object based on at least one of a pattern mining method and a machine learning method.
상기 대상체에 대한 뇌 자극을 수행하기 위해 상기 대상체의 머리에 착용되어 가상 현실 영상을 제공하는 HMD(Head Mounted Display) 장치가 이용되는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 시스템.The method of claim 9, wherein the stimulus generating unit,
A system for determining a state of an object using fNIRS, wherein a head mounted display (HMD) device that is worn on the head of the object and provides a virtual reality image is used to perform brain stimulation on the object.
복수의 광원을 통해 상기 대상체의 두피에 광을 조사하고,
상기 복수의 광원 각각에 대응하는 검출부를 통해 상기 광이 조사된 두피에서 상기 fNIRS 데이터를 검출하도록 구성되는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 시스템.The method of claim 9, wherein the data acquisition unit,
Irradiating light to the scalp of the subject through a plurality of light sources,
and detecting the fNIRS data from the scalp irradiated with the light through a detector corresponding to each of the plurality of light sources.
상기 두피를 통해 전달되는 근적외선 광 세기의 변화를 나타내고, 이동 평균 저대역 필터(moving average low-pass filter)를 통해 아티팩트(artifact)가 제거된 데이터인, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 시스템.The method of claim 13, wherein the fNIRS data,
A system for determining a state of an object using fNIRS, which is data representing a change in the intensity of near-infrared light transmitted through the scalp and from which artifacts are removed through a moving average low-pass filter.
상기 분석 데이터를 산출하기 위해 전력 스펙트럼 분석 방식(power spectrum) 및 z-score 분석 방식을 이용하는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 시스템.10. The method of claim 9, wherein the analysis data calculation unit,
A system for determining subject status using fNIRS, wherein a power spectrum analysis method and a z-score analysis method are used to calculate the analysis data.
상기 대상체에 대한 질병 검사를 위한 모니터링 데이터로서 제공되거나, 상기 대상체의 질병 치료를 위한 피드백 데이터로서 제공되는, fNIRS를 이용한 대상체 상태 결정 시스템.10. The method of claim 9, wherein the determined state,
A system for determining a subject's status using fNIRS, which is provided as monitoring data for a disease test for the subject or as feedback data for treating a disease in the subject.
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KR20230097332A (en) | 2021-12-24 | 2023-07-03 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | System for early diagnosis of dementia and Method for early diagnosis of dementia using the same |
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