KR102293430B1 - Apparatus for function of vestibulo-ocular reflex based on virtual reality and multiple bio-sensor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가상현실 및 다중 생체신호 센서 기반의 전정-안반사 기능 평가 장치에 관한 것으로, 이는 피검사자의 착석 및 회전을 지원하는 회전 의자; 피검사자의 머리에 착용되어, 피검사자 눈 전체를 감싸는 머리 착용형 디스플레이 장치; 피검사자의 안구 회전을 센싱하는 시선추적기(eye tracker); 피검사자의 머리 회전을 센싱하는 머리 움직임 센서(IMU sensor); 및 암시야 제공을 위한 검사 화면을 생성하여 상기 머리 착용형 디스플레이 장치를 통해 재생한 후, 상기 시선추적기와 상기 머리 움직임 센서의 센싱 결과로부터 머리 회전 대비 안구 회전 비율을 산출 및 정량화하여 VOR(Vestibulo-Ocular Reflex) 이득과 비대칭 비율 중 적어도 하나를 산출 및 제공하는 제어 장치를 포함한다. The present invention relates to an apparatus for evaluating vestibular-ocular reflex functions based on virtual reality and multiple biosignal sensors, comprising: a swivel chair that supports sitting and rotation of a subject; a head-wearable display device that is worn on the subject's head and covers the entire subject's eyes; Eye tracker (eye tracker) for sensing the eye rotation of the subject; Head movement sensor (IMU sensor) for sensing the head rotation of the subject; And after generating an examination screen for providing a dark field and playing it through the head-wearable display device, calculate and quantify the ratio of eye rotation to head rotation from the sensing results of the eye tracker and the head motion sensor to calculate and quantify the VOR (Vestibulo- and a control device for calculating and providing at least one of an Ocular Reflex) gain and an asymmetry ratio.

Description

가상현실 및 생체신호 센서 기반의 전정-안반사 기능 평가 장치{Apparatus for function of vestibulo-ocular reflex based on virtual reality and multiple bio-sensor}Apparatus for function of vestibulo-ocular reflex based on virtual reality and multiple bio-sensor}

본 발명은 전정-안반사 기능 평가 장치에 관한 것으로, 최소한의 장비를 통해 휴대성을 확보함과 동시에 측정 방식을 간소화 하고 검사의 효율성 및 정확성을 극대화시킬 수 있도록 하는 가상현실 및 생체신호센서 기반의 전정-안반사 기능 평가 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus for evaluating vestibular-ocular reflex functions, which is based on virtual reality and biosignal sensors that can secure portability through minimal equipment, simplify measurement methods, and maximize test efficiency and accuracy. It relates to an apparatus for evaluating vestibular-ocular reflex function.

양측 내이(內耳)에 위치하는 측반고리관(lateral semicircular canal)은 전정 기관 중 인체 균형 유지에 가장 중요하며, 손상 시 심한 어지럼증을 유발한다.The lateral semicircular canal, located in the inner ear on both sides, is the most important for maintaining human balance among the vestibular organs and causes severe dizziness when damaged.

측반고리관의 기능을 측정하는 검사로서는 냉온교대온도안진검사(bithermal caloric test), 회전의자검사(rotation test), 비디오두부충동검사(video head impulse test) 등이 있으나, 일상 생활에서의 인체 회전 속도를 고려하였을 때에 가장 생리적인 검사로서는 회전의자검사가 인정받고 있다.Tests that measure the function of the lateral semicircular canal include the bithermal caloric test, the rotation test, and the video head impulse test. Considering that, the most physiological test is the swivel chair test.

종래의 회전의자검사 장비는 도 1에서와 같이, 별도 암실(11)을 필요로 하므로 그 크기가 매우 큰 특징이 있다. 이는 통상적으로 병원 전정 검사실 내에서 가장 큰 공간을 차지하며 고가(高價) 장비이다. As shown in FIG. 1, the conventional rotating chair inspection equipment requires a separate dark room 11, and thus has a very large size. It typically occupies the largest space in a hospital vestibular laboratory and is an expensive piece of equipment.

종래의 회전의자검사 장비는 머리 회전을 유발하기 위해 서보 모터(servo motor)(13)를 사용하지만, 장비의 크기 등을 고려하였을 때에 성인을 정해진 가속도로 가속 및 감속하기에는 모터의 성능이 부족하여 일상생활 중에 사용되는 생리적 범위의 머리 회전 주파수인 1-4 Hz 대역의 검사는 불가능하다. 이에 따라 주로 0.01-0.64 Hz 범위가 검사되고 있으나, 이는 매우 느리게 머리를 회전하는 상태로 일상생활 중 경험 빈도가 낮은 편이다. Conventional swivel chair inspection equipment uses a servo motor 13 to induce head rotation. However, considering the size of the equipment, the motor performance is insufficient to accelerate and decelerate an adult at a predetermined acceleration. It is impossible to test in the 1-4 Hz band, which is the physiological range of head rotation frequencies used in life. Accordingly, the range of 0.01-0.64 Hz is mainly examined, but this is a state in which the head rotates very slowly, and the frequency of experience in daily life is low.

종래의 회전의자검사 장비는 시각-전정상호작용(visual-vestibular interaction, VVOR), 시각 고정(visual fixation, VFX) 효과를 분석하기 위해 마치 철길 모양으로 명-암이 반복되는(rail road stripe) 회전하는 불빛을 사용하거나(VVOR), 회전의자(12)에 부착되어 의자 회전에 따라 회전하는 레이저를 사용한다. 하지만 고정된 회전각속도의 시각 자극만 가능하여 다양한 범위의 시각-전정상호작용, 시각 고정 효과를 볼 수 없고, 시각 자극의 강도가 약하다는 단점이 있다. Conventional swivel chair test equipment rotates like a railroad stripe with light-dark repetitions in order to analyze the effects of visual-vestibular interaction (VVOR) and visual fixation (VFX). using a light (VVOR) or a laser that is attached to the swivel chair 12 and rotates according to the chair rotation. However, since only visual stimulation with a fixed rotational angular velocity is possible, a wide range of visual-vesicle interactions and visual fixation effects cannot be seen, and the strength of the visual stimulus is weak.

종래의 회전의자검사 장비에서 둥근 모양의 거대한 스크린 혹은 외벽(外壁)을 설치하는 이유는 검사 중 시각 주시점이 있는 경우, 인체는 특정 지점을 시각적으로 주시하려는 생리적 작용이 우세하여 전정-안반사에 의한 안구 회전이 강력하게 억제되기 때문이다(회전의자검사의 경우 대략 80% 이상 억제됨). 그 결과, 특히 검사 중 머리 회전 속도가 50ㅀ/sec 이하일 경우 검사 시행을 위해서는 암시야(暗視野, dark field)를 유지할 필요가 있기 때문이다. The reason for installing a large round screen or an outer wall in the conventional swivel chair examination equipment is that when there is a visual gaze point during the examination, the physiological action of the human body to visually gaze at a specific point is dominant, and the This is because eye rotation is strongly inhibited (in the case of the swivel chair test, approximately 80% or more is inhibited). As a result, especially when the head rotation speed during the examination is less than 50 ㅀ/sec, it is necessary to maintain a dark field in order to conduct the examination.

또한 종래의 회전의자검사 장비는 정해진 주파수의 회전이 이루어지도록 도 1와 같이 매우 무거운 회전의자(12)를 자체 제작하였다. 이 때문에 한번 설치한 장비를 이동 설치 시에 고장이 잦고, 비용이 매우 많이 발생하는 문제가 동반된다. In addition, the conventional swivel chair inspection equipment self-manufactured a very heavy swivel chair 12 as shown in FIG. 1 to rotate at a predetermined frequency. For this reason, it is accompanied by a problem of frequent breakdowns and very high cost when moving and installing the equipment once installed.

종래의 회전의자검사 장비를 통해 측정하고자 하는 기본이 되는 전정 기능은 전정-안반사(vestibulo-ocular reflex, VOR) 기능으로, 이는 머리가 회전하는 반대 방향으로 안구 회전을 유발하는 생리적 반사를 의미한다. The basic vestibular function to be measured through the conventional swivel chair examination equipment is the vestibulo-ocular reflex (VOR) function, which means a physiological reflex that induces eye rotation in the opposite direction to the rotation of the head. .

전정-안반사 기능을 통해 인간을 포함한 동물은 머리 회전에 관계없이 특정 지점 혹은 물체를 지속적으로 주시할 수 있는데, 전정 기능 이상이 발생하면, 도 2에서와 같이 전정-안반사에 이상이 발생하여, 머리가 회전하는 만큼 안구가 반대방향으로 회전하지 못하는 현상이 발생한다. Through the vestibular-ocular reflex function, animals, including humans, can continuously gaze at a specific point or object regardless of head rotation. , as the head rotates, the eyeball cannot rotate in the opposite direction.

그러나 종래의 회전의자검사 장비는 생리적으로 가장 중요한 주파수 대역의 검사 결과를 얻지 못하고 검사 방식이 고정되어 검사로부터 얻을 수 있는 정보가 제한되어 있다는 한계가 있다. However, the conventional swivel chair test equipment has a limitation in that the test results of the most physiologically important frequency band cannot be obtained, and the test method is fixed, so that the information that can be obtained from the test is limited.

국내공개특허 10-2016-0005519(공개일: 2016년01월15일)Domestic Patent Publication 10-2016-0005519 (published on January 15, 2016)

이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 머리 착용형 디스플레이 장치, 시선추적기, 및 머리 움직임 센서와 같은 기존 장비와 완전히 다른 기술을 적용하여 피검사자의 전정-안반사 기능을 언제 어디서나 측정할 수 있으며, 측정 동작의 효율성 및 생리적 적합성 또한 극대화시킬 수 있도록 하는 가상현실 기반의 전정-안반사 기능 평가 장치를 제공하고자 한다. Accordingly, in order to solve the above problems, the present invention is to measure the vestibular-ocular reflex function of the subject at any time and anywhere by applying a technology completely different from existing equipment such as a head worn display device, an eye tracker, and a head motion sensor. It is intended to provide a virtual reality-based vestibular-ocular reflex function evaluation device that can maximize the efficiency and physiological compatibility of measurement motions.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면 피검사자의 착석 및 회전을 지원하는 회전 의자; 피검사자의 머리에 착용되어, 피검사자 눈 전체를 감싸는 머리 착용형 디스플레이 장치; 피검사자의 안구 회전을 센싱하는 시선추적기(eye tracker); 피검사자의 머리 회전을 센싱하는 머리 움직임 센서(IMU sensor); 및 암시야 제공을 위한 검사 화면을 생성하여 상기 머리 착용형 디스플레이 장치를 통해 재생한 후, 상기 시선추적기와 상기 머리 움직임 센서의 센싱 결과로부터 머리 회전 대비 안구 회전 비율을 산출 및 정량화하여 VOR(Vestibulo-Ocular Reflex) 이득과 비대칭 비율 중 적어도 하나를 산출 및 제공하는 제어 장치를 포함하는 가상현실 및 생체신호 센서 기반의 전정-안반사 기능 평가 장치를 제공한다. As a means for solving the above problems, according to an embodiment of the present invention, a swivel chair that supports the seating and rotation of the subject; a head-wearable display device that is worn on the subject's head and covers the entire subject's eyes; Eye tracker (eye tracker) for sensing the eye rotation of the subject; Head movement sensor (IMU sensor) for sensing the head rotation of the subject; And after generating an examination screen for providing a dark field and playing it through the head-wearable display device, calculate and quantify the ratio of eye rotation to head rotation from the sensing results of the eye tracker and the head motion sensor to calculate and quantify the VOR (Vestibulo- Provided is an apparatus for evaluating vestibular-ocular reflex functions based on virtual reality and biosignal sensors including a control device for calculating and providing at least one of ocular reflex) gain and asymmetry ratio.

상기 제어 장치는 기 설정된 머리 회전과 안구 회전을 유도하는 검사 화면을 생성 및 재생한 후, 상기 시선추적기와 상기 머리 움직임 센서의 센싱 결과로부터 머리 회전 대비 안구 회전 비율을 산출 및 정량화하여 VOR(Vestibulo-Ocular Reflex) 이득과 비대칭 비율 중 적어도 하나를 산출 및 제공하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. The control device generates and reproduces a test screen for inducing preset head rotation and eye rotation, and then calculates and quantifies a head rotation to eyeball rotation ratio from the sensing results of the eye tracker and the head motion sensor to calculate and quantify the VOR (Vestibulo- Ocular Reflex) It is characterized in that it further comprises a function of calculating and providing at least one of a gain and an asymmetry ratio.

또한 상기 제어 장치는 기 설정된 머리 회전과 안구 회전을 유도하는 검사 화면을 구성 및 제공하되, 머리 회전 대비 안구 회전 비율, 머리와 안구의 회전 각도와 속도를 다단 조정할 수 있는 것을 특징으로 한다. In addition, the control device configures and provides an examination screen for inducing preset head rotation and eye rotation, and it is characterized in that it is possible to adjust the ratio of the eye rotation to the head rotation, and the rotation angle and speed of the head and the eyeball in multiple stages.

더하여, 상기 제어 장치는 머리 회전 각도 대비 안구 회전 각도로부터 회전 각도 기반 이득을 산출하고, 최대 머리 회전 각속도 대비 최대 안구 회전 각속도로부터 최대 회전 각속도 기반 이득을 산출하고, 최대 머리 회전 각가속도 대비 최대 안구 회전 각가속도로부터 최대 회전 각가속도 기반 이득을 산출한 후, 상기 회전 각도 기반 이득, 상기 최대 회전 각속도 기반 이득, 상기 최대 회전 각가속도 기반 이득 중 적어도 하나를 상기 전정-안반사 이득으로 선택 및 제공하는 것을 특징으로 한다. In addition, the control device calculates a rotation angle-based gain from the eyeball rotation angle versus the head rotation angle, calculates a maximum rotational angular velocity-based gain from the maximum eyeball rotation angular velocity versus the maximum head rotation angular velocity, and calculates the maximum eye rotation angular acceleration versus the maximum head rotation angular acceleration After calculating the maximum rotational angular acceleration-based gain from , at least one of the rotational angle-based gain, the maximum rotational angular velocity-based gain, and the maximum rotational angular acceleration-based gain is selected and provided as the vestibular-ocular reflection gain.

뿐 만 아니라 상기 제어 장치는 "

Figure 112019097008413-pat00001
"의 식에 따라 상기 비대칭 비율을 산출하며, 상기 회전 정도는 회전 각도, 회전 각속도, 회전 각가속도 중 어느 하나 인 것을 특징으로 한다. In addition, the control device
Figure 112019097008413-pat00001
The asymmetry ratio is calculated according to the equation ", and the degree of rotation is any one of a rotation angle, a rotation angular velocity, and a rotation angular acceleration.

마지막으로, 상기 제어 장치는 머리 회전이 기 설정된 목표 주파수 내에 들어오지 못하면, 머리 회전의 재시도를 요구한 후 전정-안반사 기능 평가 동작을 다시 한번 더 수행하는 것을 특징으로 하는 가상현실 및 생체신호 센서 기반의 전정-안반사 기능 평가 장치.Finally, when the head rotation does not come within a preset target frequency, the control device requests a retry of the head rotation and then performs the vestibular-ocular reflex function evaluation operation once again. Virtual reality and biosignal sensor Based vestibular-ocular reflex function evaluation device.

상기 회전 의자는 상기 제어 장치의 제어하에 자동 회전되거나, 피검사자 또는 검사자에 의해 수기 회전되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다. The swivel chair is characterized in that it is automatically rotated under the control of the control device, or is manually rotated by a subject or an inspector.

본 발명은 머리 착용형 디스플레이 장치를 통해 가상현실 방식으로 전정-안반사 기능 측정을 위한 정보를 피검사자에게 제공하고, 시선추적기 및 머리 움직임 센서를 통해 피검사자의 반응을 측정할 수 있도록 한다. 즉, 머리 착용형 디스플레이 장치, 시선추적기 및 머리 움직임 센서와 같은 기존 장비 대비 새로운 플랫폼을 활용하여 피검자의 능동 회전, 검사자의 수기 회전과 같은 간단한 동작을 통해 피검사자의 전정-안반사 기능을 측정하도록 함으로써, 검사를 단순화 하고 장치의 휴대성을 확보한다. The present invention provides information for measuring vestibular-ocular reflex function to a subject in a virtual reality method through a head-worn display device, and allows the subject's reaction to be measured through an eye tracker and a head motion sensor. In other words, by utilizing a new platform compared to existing equipment such as a head-worn display device, eye tracker, and head movement sensor, the subject's vestibular-ocular reflex function is measured through simple movements such as active rotation of the subject and hand rotation of the examinee. , simplifying the inspection and ensuring the portability of the device.

또한 머리 착용형 디스플레이 장치를 통해 머리 회전과 연동된 보다 다양한 시각 자극 정보를 피검사자에게 제공하도록 함으로써, 피검사자의 시각-전정상호작용을 보다 자세하고 정확하게 측정할 수 있다. 또한 기존 장비에서는 구현할 수 없었던 머리 회전 대비 안구 회전 비율을 다단 조정하여 시각과 전정-안반사 간 상호 작용을 정밀하게 평가한다. In addition, by providing the subject with a variety of visual stimulus information linked to the rotation of the head through the head mounted display device, the visual-vestibular interaction of the subject can be measured in more detail and accurately. In addition, the interaction between vision and vestibular-eye reflex is precisely evaluated by adjusting the ratio of eye rotation to head rotation in multiple stages, which could not be realized with existing equipment.

도 1은 종래의 기술에 따른 회전의자검사 장비를 도시한 도면이다.
도 2는 전정 기능 이상에 따른 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 기반 전정-안반사 기능 평가 장치를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전정-안반사 기능 평가 방법을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a view showing a rotating chair inspection equipment according to the prior art.
2 is a diagram for explaining a phenomenon caused by an abnormality in vestibular function.
3 is a diagram illustrating a virtual reality-based vestibular-eye reflex function evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 are diagrams for explaining a vestibular-ocular reflex function evaluation method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.Objects and effects of the present invention, and technical configurations for achieving them will become clear with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 피검사자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.And the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary depending on the intention or custom of the examinee and the operator.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. Only the present embodiments are provided so that the disclosure of the present invention is complete, and to fully inform those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, the scope of the invention, the present invention is defined by the scope of the claims will only be Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 기반 전정-안반사 기능 평가 장치를 도시한 도면이다. 3 is a diagram illustrating a virtual reality-based vestibular-eye reflex function evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전정-안반사 기능 평가 장치(100)는 회전 의자(110), 머리 착용형 디스플레이 장치(120), 시선추적기(eye tracker, 130), 머리 움직임 센서(140), 및 제어 장치(150) 등을 포함한다. 3, the vestibular-ocular reflex function evaluation apparatus 100 of the present invention includes a rotating chair 110, a head-wearable display device 120, an eye tracker 130, a head motion sensor ( 140), and a control device 150, and the like.

회전 의자(110)는 피검사자의 착석 및 회전을 지원하는 장치로, 회전 가능한 일반 의자 모두로 구현 가능하다. 즉, 본 발명은 종래의 자체 제작 의자 대신에 기성품 의자를 활용할 수 있다. The swivel chair 110 is a device that supports the seating and rotation of the subject, and may be implemented as any rotatable general chair. That is, the present invention can utilize a ready-made chair instead of the conventional self-made chair.

또한 회전 의자(110)는 검사자가 피검자의 머리 회전을 유발하기 위해 직접 수기로 회전시키거나(manual rotation), 피검자가 머리 착용형 디스플레이 장치(120)를 통해 화면 표시되는 가이드에 따라 자신의 머리를 능동 회전시킬 수 있다(active rotation). 물론, 필요시에는 제어 장치(150)의 제어 하에 좌판 및 등받이를 모터 기반으로 기 설정된 회전 각도 및 속도로 자동 회전되는 방식으로 구현될 수도 있을 것이다. In addition, the rotating chair 110 rotates the examinee's head manually to induce the subject's head to rotate (manual rotation), or the subject rotates his/her head according to a guide displayed on the screen through the head wearable display device 120 . Active rotation is possible. Of course, if necessary, the seat plate and the backrest may be automatically rotated at a preset rotation angle and speed based on the motor under the control of the control device 150 .

머리 착용형 디스플레이 장치(120)는 피검사자의 머리에 착용되어, 눈 전체를 감싸는 HMD(Head Mounted Display) 등으로 구현될 수 있다. 이는 제어 장치(150)에서 제공하는 검사 화면을 가상현실 방식으로 재생함으로써, 피검사자가 마치 가상현실 세계 내에 존재하는 듯 한 몰입감을 제공할 수 있도록 한다. The head mounted display device 120 may be implemented as a head mounted display (HMD) that is worn on a subject's head and covers the entire eye. This allows the test screen provided by the control device 150 to be reproduced in a virtual reality method, thereby providing an immersive feeling to the subject as if they were present in the virtual reality world.

특히, 머리 착용형 디스플레이 장치(120)는 눈 부분에 밀착 착용되는 것이 바람직한데, 이는 종래 회전의자검사 장비의 스크린 또는 외벽 대신에 검사 시행을 위한 암시야를 유지할 수 있도록 하기 위함이다. In particular, the head-wearable display device 120 is preferably worn close to the eyes, in order to maintain a dark field for examination instead of the screen or outer wall of the conventional swivel chair examination equipment.

시선추적기(130)는 피검사자의 안구 회전을 센싱하도록 한다. 이때, 안구 회전은 안구 회전 각도, 안구 회전 속도, 눈 감김, 동공 크기 등일 수 있다. The eye tracker 130 senses the eye rotation of the subject. In this case, the eyeball rotation may be an eyeball rotation angle, an eyeball rotation speed, an eye closed, a pupil size, or the like.

머리 움직임 센서(140)는 머리 착용형 디스플레이 장치(120)에 결합되는 관성측정센서(inertial measurement unit sensor, IMU sensor) 또는 모션캡쳐 센서(motion capture sensor)로 구현되어, 피검사자의 머리 회전을 센싱하도록 한다. 이때, 머리 회전은 머리 회전 각도, 머리 회전 속도 등일 수 있다. The head motion sensor 140 is implemented as an inertial measurement unit sensor (IMU sensor) or a motion capture sensor coupled to the head wearable display device 120 to sense the head rotation of the subject. do. In this case, the head rotation may be a head rotation angle, a head rotation speed, or the like.

즉, 본 발명은 종래의 자체 제작 의자를 통해 기 설정된 회전 패턴을 만드는 방식이 아닌, 머리 움직임 센서(140)를 통해 회전 패턴을 측정하도록 함으로써, 일반의 회전 의자 모두를 활용하여 전정-안반사 기능 평가 동작을 수행할 수 있도록 한다. 그 결과, 장치 부피 및 구현 비용을 최소화시키켜 휴대성을 확보하고, 검사 방식을 간소화 할 수 있도록 한다. That is, the present invention is not a method of making a preset rotation pattern through a conventional self-made chair, but by measuring the rotation pattern through the head motion sensor 140, utilizing all of the general rotation chair vestibular-ocular reflex function Evaluate action can be performed. As a result, it is possible to secure portability and simplify the inspection method by minimizing the device volume and implementation cost.

제어 장치(150)는 머리 회전에 연동되어 시각 자극(안구 회전)을 유도하는 검사 화면을 생성하여 머리 착용형 디스플레이 장치(120)를 통해 재생하도록 한다. 그리고 이와 동시에 시선추적기(130)와 머리 움직임 센서(140)의 센싱 결과를 기반으로 머리 대비 안구 회전 비율을 산출 및 정량화하여 전정-안반사 이득과 비대칭 비율, 시각-전정상호작용, 시고정효과를 획득 및 제공하도록 한다. The control device 150 generates an examination screen that induces a visual stimulus (eye rotation) in association with the head rotation and reproduces it through the head wearable display device 120 . And at the same time, based on the sensing results of the eye tracker 130 and the head motion sensor 140, calculate and quantify the head-to-eye rotation ratio to obtain vestibular-eye reflex gain and asymmetry ratio, visual-vesicular interaction, and fixation effect. to obtain and provide.

즉, 본 발명은 관성측정센서(IMU sensor) 또는 모션캡쳐 센서(motion capture sensor)와 같이 머리 회전을 측정하는 장비와 시선추적기(eye tracker)와 같이 안구 회전을 평가할 수 있는 장비를 구비하고, 이 두 가지 장비에서 얻어지는 정보를 시간적으로 통합하여 분석함으로써, 머리 회전 자극에 대하여 적절한 전정-안반사가 발생하여 반대방향의 안구 운동이 실시간 적절한 각도, 각속도, 각가속도로 발생하는지 여부를 확인하도록 한다. That is, the present invention is equipped with equipment for measuring head rotation, such as an inertial measurement sensor (IMU sensor) or a motion capture sensor, and equipment for evaluating eye rotation, such as an eye tracker, and this By temporally integrating and analyzing the information obtained from the two devices, it is possible to check whether the proper vestibular-ocular reflex occurs in response to the head rotation stimulus, and whether the eye movement in the opposite direction occurs at an appropriate angle, angular velocity, and angular acceleration in real time.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전정-안반사 기능 평가 방법을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a view for explaining a vestibular-ocular reflex function evaluation method according to an embodiment of the present invention.

먼저, 피검사자 또는 검사자의 요청하에 검사 모드를 결정하고(S1), 검사 모드에 대응되는 검사 화면을 구성한 후, 이를 머리 착용형 디스플레이 장치(120)를 통해 가상 현실 방식으로 재생하도록 한다(S2). First, an examination mode is determined at the request of the examinee or the examiner (S1), an examination screen corresponding to the examination mode is configured, and then it is reproduced in a virtual reality method through the head worn display device 120 (S2).

본 발명의 검사 모드는 기본 전정-안반사(VOR) 검사 모드, 시각-전정 상호작용 검사 모드(visual vestibulo-ocular reflex, VVOR), 시각 고정 효과 검사 모드(visual fixation, VFX)로 나뉠 수 있다. The test mode of the present invention may be divided into a basic vestibulo-ocular reflex (VOR) test mode, a visual vestibulo-ocular reflex (VVOR) test mode, and a visual fixation effect test mode (VFX).

그리고 기본 전정-안반사(VOR) 검사 모드에서는 기본적으로 가상현실 화면을 어둡게 구성하고, 시선 고정이 될 만한 어떠한 주시점도 표시되지 않는 화면을 구성하여 순수한 전정-안반사 측정이 가능하도록 한다. 즉, 암시야 제공을 위한 검사 화면을 구성 및 제공하고, 해당 상태에서의 전정-안반사 측정이 가능하도록 한다. And in the basic vestibular-ocular reflex (VOR) test mode, the virtual reality screen is basically darkened, and a screen that does not display any gaze points that can fix the gaze is configured to enable pure vestibular-ocular reflex measurement. That is, it configures and provides an examination screen for providing a dark field, and enables the vestibular-ocular reflex measurement in the corresponding state.

그리고 시각-전정 상호작용 검사 모드(VVOR)에서는 현실 세계에서의 상황을 가상현실 화면 하에서 나타내는 도 5의 (a) 및 도 5의 (b)에서와 같이, 다양한 비율로 머리 회전 대비 안구 회전이 조정될 수 있도록 하는 검사 화면을 구성 및 제공하여, 피검사자가 머리 회전 대비 증폭된 안구 회전을 발생하도록 한다. 특히, 도 5의 (a)와 같이 머리 회전 정도와 안구 회전 정도가 동일하게 설정하는 것에서 더 나아가, 도 5의 (b)와 같이 머리 회전 정도 대비 안구 회전 정도를 증가시켜 줄 수 있도록 한다. 이는 증폭 시각-전정 상호작용 평가 모드(Augmentation visual-vestibular interaction test mode)에 대응되는 것으로, 현실 세계에서의 예를 든다면 머리 회전과 같은 방향으로 진행하는 자동차를 안정적으로 주시하는 능력을 평가할 수 있도록 한다. And in the visual-vestibular interaction test mode (VVOR), as in FIGS. 5 (a) and 5 (b), which show the situation in the real world under the virtual reality screen, the eye rotation versus the head rotation is adjusted at various ratios. By constructing and providing an examination screen that enables the test, the subject generates an amplified eye rotation compared to the head rotation. In particular, in addition to setting the degree of head rotation and the degree of eye rotation to be the same as shown in (a) of FIG. 5, it is possible to increase the degree of eye rotation compared to the degree of head rotation as shown in FIG. This corresponds to the Augmentation visual-vestibular interaction test mode. In the real world, for example, it is possible to evaluate the ability to stably gaze at a car moving in the same direction as the head rotation. do.

마지막으로 시각 고정 효과 검사 모드(VFX)에서는 기존 검사에서 머리 회전과 동일한 각속도로 시각 목표가 회전하여 완전 시각 효과만을 평가할 수 있었던 기존의 검사에 대비하여 도 5의 (c)에서와 같이, 다양한 비율로 머리 회전 대비 안구 회전이 억제될 수 있도록 하는 검사 화면을 구성 및 제공하여, 피검사자가 머리 회전 대비 억제된 안구 회전을 발생하도록 한다. 이는 억제 시각-전정 상호작용 평가 모드(Suppression visual-vestibular interaction test mode)로, 현실 세계에서의 예를 든다면 머리 회전과 반대방향으로 방향으로 진행하는 자동차를 안정적으로 주시하는 능력을 평가할 수 있도록 한다. Finally, in the visual fixation effect inspection mode (VFX), the visual target rotates at the same angular velocity as the head rotation in the existing inspection, and as shown in FIG. A test screen is configured and provided so that the eyeball rotation can be suppressed compared to the head rotation, so that the examinee generates the suppressed eyeball rotation compared to the head rotation. This is the Suppression visual-vestibular interaction test mode, which allows us to evaluate the ability to stably gaze at a car moving in the direction opposite to head rotation, for example in the real world. .

단계 S1을 통해 검사 화면이 가상 현실 방식으로 재생되고, 피검사자가 이에 반응하여 안구 및 머리를 움직이면, 시선추적기(130) 및 머리 움직임 센서(140)를 이용하여 안구 및 머리 회전을 즉각적으로 측정하도록 한다(S2,S3). Through step S1, the examination screen is reproduced in a virtual reality method, and when the subject moves the eyeball and head in response to this, the eyeball and head rotation are immediately measured using the eye tracker 130 and the head movement sensor 140. (S2,S3).

머리 회전 데이터에 대해서 측정 잡음(noise) 제거 과정을 거친 후 인공지능(AI) 기반 기계학습(machine learning)을 통해 회전량, 회전 특성의 정밀한 추정값을 획득한다. 그리고 얻어진 추정값에 대한 푸리에 변환(Fast Fourier transform)을 시행하여 주파수 특성을 분석한 후 목표 검사 주파수와 비교하여, 목표 주파수 대비 측정값의 적정성을 평가한다. 만약, 머리 회전이 부적절한 경우에는 머리 회전의 재시도를 요구한 후, 동일 검사 화면을 다시 한번 재생하도록 한다. 반면, 적절한 머리 회전이 이루어진 경우에는 목표 범위의 회전이 이루어진 유효 구간 및 머리 회전 정도(회전 각도, 각속도, 각가속도)를 추출한다(S4).After the head rotation data is subjected to the measurement noise removal process, precise estimates of the rotation amount and rotation characteristics are obtained through artificial intelligence (AI)-based machine learning. Then, the frequency characteristic is analyzed by performing a Fast Fourier transform on the obtained estimated value, and then the appropriateness of the measured value compared to the target frequency is evaluated by comparing it with the target inspection frequency. If the head rotation is inappropriate, a retry of the head rotation is requested, and then the same examination screen is reproduced again. On the other hand, when the proper head rotation is made, the effective section in which the rotation of the target range is made and the degree of head rotation (rotation angle, angular velocity, angular acceleration) are extracted (S4).

이와 동시에 안구 움직임 데이터로부터 자발적 안구 운동, 안진(nystagmus), 눈 깜박임(eye blinking) 등의 잡음을 제거한 후, 인공지능(AI) 기반 기계학습을 시행하여 안구 회전에 대한 정밀한 추정값을 획득한다. 그리고 획득된 추정값에 대한 푸리에 변환(Fast Fourier transform)을 시행하여 주파수 특성을 분석하고, 적정 회전 구간 및 주파수에서의 안구 회전 정도(회전 각도, 각속도, 각가속도)를 추출한다(S5). At the same time, after removing noises such as spontaneous eye movement, nystagmus, and eye blinking from the eye movement data, artificial intelligence (AI)-based machine learning is performed to obtain a precise estimate of eye rotation. Then, the frequency characteristic is analyzed by performing a Fast Fourier transform on the obtained estimated value, and the degree of eye rotation (rotation angle, angular velocity, angular acceleration) in an appropriate rotation section and frequency is extracted (S5).

그리고 나서, 머리 회전 정도(각도, 각속도, 각가속도) 대비 안구 회전 정도(각도, 각속도, 각가속도)를 이하의 수학식에 따라 산출한 후, 이들 중 적어도 하나를 포함하는 전정-안반사 이득, 그리고 비대칭 비율을 획득 및 제공한다(S6). Then, after calculating the degree of eye rotation (angle, angular velocity, angular acceleration) relative to the degree of head rotation (angle, angular velocity, angular acceleration) according to the following equation, vestibular-ocular reflex gain including at least one of them, and asymmetry A ratio is obtained and provided (S6).

즉, 수학식 1에 따라 머리 회전 각도 대비 안구 회전 각도로부터 회전 각도 기반 이득을 산출하고, 수학식 2에 따라 최대 머리 회전 각속도 대비 최대 안구 회전 각속도로부터 최대 회전 각속도 기반 이득을 산출하고, 수학식 3에 따라 최대 머리 회전 각가속도 대비 최대 안구 회전 각가속도로부터 최대 회전 각가속도 기반 이득을 산출한 후, 회전 각도 기반 이득, 최대 회전 각속도 기반 이득, 최대 회전 각가속도 기반 이득 중 적어도 하나를 포함하는 전정-안반사 이득을 생성 및 출력하도록 한다. That is, according to Equation 1, a rotation angle-based gain is calculated from the eyeball rotation angle versus the head rotation angle, and the maximum rotational angular velocity-based gain is calculated from the maximum eyeball rotation angular velocity versus the maximum head rotation angular velocity according to Equation 2, and Equation 3 After calculating the maximum rotational angular acceleration-based gain from the maximum eyeball rotation angular acceleration compared to the maximum head rotational angular acceleration according to to create and output.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019097008413-pat00002
Figure 112019097008413-pat00002

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019097008413-pat00003
Figure 112019097008413-pat00003

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019097008413-pat00004
Figure 112019097008413-pat00004

이때, 유효 구간은 기계학습, 푸리에 변환 기반 분석을 통해 파악된 목표 범위의 회전이 이루어진 구간을 의미한다. In this case, the effective section means a section in which rotation of the target range identified through machine learning and Fourier transform-based analysis is made.

그리고 비대칭 비율은 이하 수학식 4에 따라 획득 가능하다. And the asymmetry ratio can be obtained according to Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019097008413-pat00005
Figure 112019097008413-pat00005

이때, 회전 정도는 회전 각도, 각속도, 각가속도 중 어느 하나이다. In this case, the degree of rotation is any one of a rotation angle, an angular velocity, and an angular acceleration.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 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. 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.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. 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. 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.

Claims (7)

피검사자의 착석 및 회전을 지원하는 회전 의자;
피검사자의 머리에 착용되어, 피검사자 눈 전체를 감싸는 머리 착용형 디스플레이 장치;
피검사자의 안구 회전을 센싱하는 시선추적기(eye tracker);
상기 머리 착용형 디스플레이 장치에 결합되어, 피검사자의 머리 회전의 각도 및 속도에 대한 회전 패턴을 센싱하는 머리 움직임 센서(IMU sensor); 및
암시야 제공을 위한 검사 화면을 생성하여 상기 머리 착용형 디스플레이 장치를 통해 재생한 후, 상기 시선추적기와 상기 머리 움직임 센서의 센싱 결과로부터 머리 회전 대비 안구 회전 비율을 산출 및 정량화하여 전정-안반사 이득과 비대칭 비율 중 적어도 하나를 산출 및 제공하는 제어 장치를 포함하고,
상기 제어 장치는 상기 머리 회전의 데이터 및 상기 안구 회전의 데이터에 대해서 측정 잡음을 제거하고, 기계학습을 통해 회전량 및 회전 특성의 추정값을 획득한 후에, 푸리에 변환을 수행하여 목표 주파수 대비 측정값의 적정성을 평가하는 것을 특징으로 하는 가상현실 및 생체신호 센서 기반의 전정-안반사 기능 평가 장치.
a swivel chair that supports the subject's seating and rotation;
a head-wearable display device that is worn on the subject's head and covers the entire subject's eyes;
Eye tracker (eye tracker) for sensing the eye rotation of the subject;
a head movement sensor coupled to the head wearable display device and sensing a rotation pattern for an angle and speed of a head rotation of a subject; and
After generating an examination screen for providing a dark field and playing it through the head-wearable display device, the vestibular-eye reflex gain is calculated and quantified from the sensing results of the eye tracker and the head motion sensor to calculate and quantify the ratio of eye rotation to head rotation and a control device for calculating and providing at least one of:
The control device removes measurement noise from the head rotation data and the eyeball rotation data, obtains estimated values of the rotation amount and rotation characteristics through machine learning, and then performs a Fourier transform of the measured value versus the target frequency. Vestibular-ocular reflex function evaluation device based on virtual reality and biosignal sensor, characterized in that it evaluates the appropriateness.
제1항에 있어서, 상기 제어 장치는
기 설정된 머리 회전과 안구 회전을 유도하는 검사 화면을 생성 및 재상한 후, 상기 시선추적기와 상기 머리 움직임 센서의 센싱 결과로부터 머리 회전 대비 안구 회전 비율을 산출 및 정량화하여 전정-안반사 이득과 비대칭 비율 중 적어도 하나를 산출 및 제공하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상현실 및 생체신호 센서 기반의 전정-안반사 기능 평가 장치.
According to claim 1, wherein the control device
After generating and reimagining a test screen that induces preset head rotation and eye rotation, the vestibular-ocular reflex gain and asymmetry ratio are calculated and quantified by calculating and quantifying the ratio of eye rotation to head rotation from the sensing results of the eye tracker and the head motion sensor. Virtual reality and biosignal sensor-based vestibular-ocular reflex function evaluation device, characterized in that it further comprises a function of calculating and providing at least one of.
제1항에 있어서, 상기 제어 장치는
기 설정된 머리 회전과 안구 회전을 유도하는 검사 화면을 구성 및 제공하되, 머리 회전 대비 안구 회전 비율, 머리와 안구의 회전 각도와 속도를 다단 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 가상현실 및 생체신호 센서 기반의 전정-안반사 기능 평가 장치.
According to claim 1, wherein the control device
A virtual reality and biosignal sensor-based system that configures and provides a test screen that induces preset head rotation and eye rotation, wherein the ratio of eye rotation to head rotation, and angle and speed of head and eye rotation can be adjusted in multiple steps Vestibular-ocular reflex function evaluation device.
제1항에 있어서, 상기 제어 장치는
머리 회전 각도 대비 안구 회전 각도로부터 회전 각도 기반 이득을 산출하고, 최대 머리 회전 각속도 대비 최대 안구 회전 각속도로부터 최대 회전 각속도 기반 이득을 산출하고, 최대 머리 회전 각가속도 대비 최대 안구 회전 각가속도로부터 최대 회전 각가속도 기반 이득을 산출한 후, 상기 회전 각도 기반 이득, 상기 최대 회전 각속도 기반 이득, 상기 최대 회전 각가속도 기반 이득 중 적어도 하나를 상기 전정-안반사 이득으로 선택 및 제공하는 것을 특징으로 하는 가상현실 및 생체신호 센서 기반의 전정-안반사 기능 평가 장치.
According to claim 1, wherein the control device
Calculate the rotational angle-based gain from the eyeball rotation angle versus the head rotation angle, calculate the maximum rotational angular velocity-based gain from the maximum eyeball rotational angular velocity versus the maximum head rotational angular velocity, and calculate the maximum rotational angular acceleration-based gain from the maximum eyeball rotational angular acceleration versus the maximum head rotational angular acceleration After calculating , at least one of the rotation angle-based gain, the maximum rotational angular velocity-based gain, and the maximum rotational angular acceleration-based gain is selected and provided as the vestibular-ocular reflection gain. of the vestibular-ocular reflex function evaluation device.
제1항에 있어서, 상기 제어 장치는
"
Figure 112021039505571-pat00006
"의 식에 따라 상기 비대칭 비율을 산출하며, 상기 우측 회전 정도 및 상기 좌측 회전 정도는 회전 각도, 회전 각속도, 회전 각가속도 중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 가상현실 및 생체신호 센서 기반의 전정-안반사 기능 평가 장치.
According to claim 1, wherein the control device
"
Figure 112021039505571-pat00006
"Calculate the asymmetry ratio according to the formula, wherein the right rotation degree and the left rotation degree are any one of a rotation angle, a rotation angular velocity, and a rotation angular acceleration. Functional evaluation device.
제1항에 있어서, 상기 제어 장치는
머리 회전이 기 설정된 목표 주파수 내에 들어오지 못하면, 머리 회전의 재시도를 요구한 후 전정-안반사 기능 평가 동작을 다시 한번 더 수행하는 것을 특징으로 하는 가상현실 및 생체신호 센서 기반의 전정-안반사 기능 평가 장치.
According to claim 1, wherein the control device
If the head rotation does not come within the preset target frequency, after requesting a retry of the head rotation, the vestibular-ocular reflex function based on virtual reality and bio-signal sensor, characterized in that once again the vestibular-ocular reflex function evaluation operation is performed evaluation device.
제1항에 있어서, 상기 회전 의자는
상기 제어 장치의 제어하에 자동 회전되거나, 피검사자 또는 검사자에 의해 수기 회전되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 가상현실 및 생체신호 센서 기반의 전정-안반사 기능 평가 장치.
According to claim 1, wherein the swivel chair is
Vestibular-ocular reflex function evaluation device based on virtual reality and biosignal sensor, characterized in that it is rotated automatically under the control of the control device or manually rotated by a subject or an examiner.
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