KR102365940B1 - 동물의 감정 해석 및 조절 시스템 및 이를 이용한 동물의 감정 해석 및 조절방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 동물에 감정 상태를 파악하고, 조절할 수 있는 인터페이스 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 초음파 신호를 매개로, 동물 개체의 감정을 분석하여 해석할 수 있도록 하며, 동시에 인간의 음성신호를 통해 동물 개체에 초음파 형태로 감정조절 초음파 신호를 인가하고, 이에 따른 동물의 감정조절 변화를 제어하고 이에 따른 정보를 해석할 수 있도록 하는 시스템을 제공할 수 있다. 특히, 동물의 감정(good or bad)의 상태를 해석하여 파악할 수 있으며, 사람의 단순 감정 음성(좋아, 싫어 등)을 초음파 신호로 변환하여 동물에게 인가함으로써, 동물의 감정상태를 인위적으로 조절할 수 있도록 하는 장치를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 동물에 감정 상태를 파악하고, 조절할 수 있는 인터페이스 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
동물의 감정상태를 분석하고 분류하는 방법에 대한 관심은 최근 반려견의 증가에 따라 증가하고 있는 추세이다.
동물의 경우, 감정의 상태를 파악하는 것은 사람의 관점에서는 용이하지 않으며, 짖은 소리나 행동반응을 보고 이에 대한 해석을 통해 동물의 감정상태를 인지하는 것이 현재까지의 방법이다.
개와 같은 반려견의 경우, 인간의 의사표현을 인지하는 어느 정도의 지능이 있는 동물이나, 실험동물로서의 쥐와 같은 설치류의 경우에는 감정표현을 파악하는 것은 용이하지 않다.
실험을 위한 연구소에서의 쥐의 감정표현이나 다양한 환경에서 대상 동물에 대한 감정을 분석하고 해석하여 정보를 취득하거나, 대상 동물에 대한 감정을 조절할 수 있는 방식을 정립하는 것은 실험 결과에 대한 정확도와 결과해석의 신뢰성 측면에서 상당히 의미있는 것이다. 이에 동물에 대한 감정 상태를 해석하고, 조절할 수 있는 방식의 필요성이 커지고 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 초음파 신호를 매개로, 동물 개체의 감정을 분석하여 해석할 수 있도록 하며, 동시에 인간의 음성신호를 실험동물이 알아들을 수 있는 초음파 음성변환을 통해 동물 개체에 초음파 형태로 감정조절 초음파 신호를 인가하고, 이에 따른 동물의 감정조절 변화를 제어하고 이에 따른 정보를 해석할 수 있도록 하는 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는, 도 1에 도시된 것과 같이, 음성신호를 발생시키는 음성신호 발생모듈(P); 상기 음성신호 발생모듈(P)에서 발생된 음성신호를 수집하고, 상기 음성신호를 분류하여 매칭되는 초음파 패턴을 매칭하며, 대상 동물 개체에 대한 감정조절을 위한 조절 초음파을 형성하여 송신하는 조절 초음파 발생모듈(200); 및 상기 조절 초음파 발생모듈(200)에서 발생하는 초음파를 대상 동물개체(A)에 인가하고, 상기 동물개체(A)에서 발생하는 초음파를 수집하여 해석하여 동물의 감정상태를 표시하는 발생초음파 해석모듈(100);을 포함하는, 동물의 감정 해석 및 조절 시스템을 제공할 수 있도록 한다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 동물의 감정 해석 조절 시스템을 적용하여, 본 발명에서는, 초음파 수집부에서 동물개체(A)에서 발생시키는 발생초음파를 수집하는 1단계; 상기 1단계의 발생초음파를 초음파 분석부에서 파형을 추출하고, 이를 기반으로 상기 동물개체(A)의 감정상태를 분석하는 2단계; 및 상기 분석된 상기 동물개체(A)의 감정상태 정보와 초음파의 파형을 디스플레이부 상에 표시하록 하는 3단계;를 포함하는 동물의 감정 해석 및 조절 방법을 제공할 수 있도록 한다.
특히, 본 발명에서는 초음파 분석을 통해 동물의 감정을 해석하는 단계와, 사람의 음성('좋아', '싫어' 등)을 분석하여 초음파로 변환시키고, 이를 동물에게 노출시켜 동물의 감정을 조절하는 과정을 더 포함할 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 초음파 신호를 매개로, 동물 개체의 감정을 분석하여 해석할 수 있도록 하며, 동시에 인간의 음성신호를 통해 동물 개체에 초음파 형태로 감정조절 초음파 신호를 인가하고, 이에 따른 동물의 감정조절 변화를 제어하고 이에 따른 정보를 해석할 수 있도록 하는 시스템을 제공할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 동물의 감정(good or bad)의 상태를 해석하여 파악할 수 있으며, 사람의 단순 감정 음성(좋아, 싫어 등)을 초음파 신호로 변환하여동물에게 인가함으로써, 동물의 감정상태를 인위적으로 조절할 수 있도록 하는 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
구체적인 효과로, 동물에게 초음파을 인가(제어 초음파)하는 초음파 발신유닛을 통해 동물의 감정 상태를 변경시킬 수 있도록 하며, 초음파 발신신호에 따라 발생하는 동물의 감정상태 변화에 따라 발생하는 초음파(발생 초음파)를 수신하여 해석하여 동물의 감정상태를 해석할 수 있는 인터페이스 유닛을 구비하여, 초음파 음성 인터페이스를 통한 동물과 인간 간의 양방향 소통 기술 확보하여, 동물실험에 대한 객관적인 데이터 확보가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 시스템은 다양한 분야에 응용이 가능하며, 연구소나 실험실에 사용되는 쥐에 대한 일예를 들면 다음과 같은 응용이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 장치는, 마약 및 진통제 테스트의 경우 쥐의 행동양상만으로 판정해온 기존의 틀을 벗어나 동물의 의사표현을 이해함으로써, 보다 정교한 객관적 데이터를 확보할 수 있으며, 일반 반려동물(개, 고양이) 또는 고등동물 등이 발성하는 초음파 음성을 이해함으로써 동물의 감정을 이해의 폭을 넓힐 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 초음파 음성에 반응하는 도파민 세포 규명을 통해 제반 도파민 관련 뇌질환의 비약물적 치료 방법에 대한 새로운 패러다임 제시할 수 있으며, 실험동물이 마취된 상태에서도 초음파 인공 초음파에 의해 도파민 분비 조절이 가능하도록 하고, 그 기전에 중심 편도(Central Amygdala)가 있음을 규명함에 따라 초음파 음성을 사용한 도파민 조절에 대한 획기적인 연구 기반을 제공하여, 초음파 음성을 이용 도파민 관련 질환에 광범위하게 사용 가능하도록 함으로써, 중독, 기분 장애(mood disorders), 파킨슨 질환, 우울증 등을 해결하는 실마리를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 신생아의 의사 표시 시의 초음파 음성 패턴과 유사한 실험동물의 새끼의 초음파 음성 패턴의 분석을 통해 신생아의 의사 표현 이해 및 치료에 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동물의 감정 해석 및 조절 시스템을 구성하는 주요 구성도 이다.
도 2는 도 1의 시스템을 적용하는 방법 중, 사람의 음성패턴을 분석하고 이를 통해 감정제를 구현하고자 하는 조절초음파 형성의 과정을 도시한 순서도이다.
도 3은 도 1의 시스템을 적용하는 방법 중, 대상 동물에서 발생하는 초음파을 수집하여 분석하여 동물의 감정상태를 해석하고 데이터화하여 디스플레이하는 과정을 도시한 순서도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 동물의 감정 해석 및 조절 시스템에서 디스플레이부의 출력화면을 예시한 이미지이다.
도 5 내지 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 동물의 감정 해석 및 조절 시스템을 적용하여 동물의 감정을 해석하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 시스템을 적용하는 방법 중, 사람의 음성패턴을 분석하고 이를 통해 감정제를 구현하고자 하는 조절초음파 형성의 과정을 도시한 순서도이다.
도 3은 도 1의 시스템을 적용하는 방법 중, 대상 동물에서 발생하는 초음파을 수집하여 분석하여 동물의 감정상태를 해석하고 데이터화하여 디스플레이하는 과정을 도시한 순서도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 동물의 감정 해석 및 조절 시스템에서 디스플레이부의 출력화면을 예시한 이미지이다.
도 5 내지 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 동물의 감정 해석 및 조절 시스템을 적용하여 동물의 감정을 해석하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동물의 감정 해석 및 조절 시스템(이하, '본 발명'이라 한다.)의 구성도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 음성신호를 발생시키는 음성신호 발생모듈(P)과, 상기 음성신호 발생모듈(P)에서 발생된 음성신호를 수집하고, 상기 음성신호를 분류하여 매칭되는 초음파 패턴을 매칭하며, 대상 동물 개체에 대한 감정조절을 위한 조절 초음파을 형성하여 송신하는 조절 초음파 발생모듈(200) 및 상기 조절 초음파 발생모듈(200)에서 발생하는 초음파를 대상 동물개체(A)에 인가하고, 상기 동물개체(A)에서 발생하는 초음파를 수집하여 해석하여 동물의 감정상태를 표시하는 발생초음파 해석모듈(100)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 음성신호 발생모듈(P)은 사람의 음성신호를 발생시키는 마이크유닛을 적용할 수 있으며, 마이크유닛을 통해 발생되는 음성신호는 상기 음성신호 수집부(210)에 수집될 수 있도록 한다.
상기 조절 초음파 발생모듈(200)은, 상기 음성신호 발생모듈(P)에서 발생된 음성신호를 수집하고, 상기 음성신호를 분류하여 매칭되는 초음파 패턴을 매칭하며, 대상 동물 개체에 대한 감정조절을 위한 조절 초음파을 형성하여 송신하는 기능을 수행한다.
이를 수행하기 위해, 상기 조절 초음파 발생모듈(200)은 음성신호 발생모듈(P)에서 발생하는 음성신호를 수집하는 음성신호 수집부(210)와, 상기 음성신호를 분류하여, 분류된 음성신호에 대응되는 감정 제어 패턴을 분류하는 음성 패턴 분류부(220), 상기 음성신호에 대응하여 분류된 감정 제어패턴과 초음파 패턴을 매칭하는 초음파 매칭부(230), 상기 초음파 매칭부(230)에서 매칭된 초음파 패턴을 발생시키는 초음파 발생부(240), 상기 초음파 발생부(240)에서 형성한 초음파를 상기 동물개체(A)에 송신하는 초음파 송신부(250)를 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우, 사람의 음성의 경우, 단순한 감정표현의 언어를 예로 들면, 사람의 음성('좋아', '싫어' 등)을 분석하여 초음파로 변환시키고, 이를 동물에게 노출시켜 동물의 감정을 조절하는 과정을 수행시킬 수 있다.
특히, 이 경우, 상기 음성패턴 분류부(220)는, 수집되는 음성신호의 음역대를 분류하는 음성신호 고저분류부(221), 수집되는 음성신호의 단어를 분류하는 음성신호 단어분류부(222), 분류된 음성신호의 음역대의 정보와 음성신호 단어정보를 조합하여 최종 음성패턴을 결정하는 음성패턴 결정부(223)를 포함하여 구성될 수 있다. 일예로, 입력되는 음성신호가 "조용히 해주세요"와 같은 입력언어인 경우, 음성신호 고저분류부(221)이 음성 주파수의 고저를 판단하고, S분류로, '고level1-중level2-저level3'로 분류되는 기준에서 어느 하나에 해당될 수 있다. 동시에 명령어 음성에 대한 주요 단어에 대한 분류를 구분하고, P1분류로, "긍정 level(Y)-부정 level(N)"의 분류단어에 속하는 지, P2 분류로 "정지 level(G)-실행 level(R)"의 분류단어에 속하는지 등, 단어의 행동 실행 구분에 따른 다양한 인자를 분류하여 조합할 수 있다.
일예로, 음성주파수가 고레벨(S1)로, 부정level(P1N), 정지 level(P2G)로 구분되는 경우, 음성패턴 결정부(223)에서는 최종 음성패턴을 S1-P1N-P2G로 결정할 수 있다.
이후, 초음파 매칭부에서는, 위 해당 최종 음성패턴을 S1-P1N-P2G에 해당하는 주파수 대역을 매칭(이를테면, 20~30 kHz 의 범위에서 분류되는 주파수를 매칭 할 수 있음)하게 되고, 매칭되는 주파수를 초음파 발생부(240)에서 초음파를 형성하게 된다. (통상 20~30 kHz의 범위의 초음파 주파수는 후술하겠지만 동물에 대해 "싫음, 부정"의 감정을 유발하게 된다. 또한, 40-60 kHz는 '긍정분류'의 감정을 유발시키게 된다.)
따라서, 상술한 예시 분류에서 음성신호 고저분류와 음성신호 단어분류에 대한 분류는 위에 구분한 분류보다 상세한 소분류 항목들로 구성될 수 있도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에서의 발생 초음파 해석모듈(100)은, 동물개체(A)에서 발생하는 초음파를 수집하여 해석하거나 또는, 상기 조절 초음파 발생모듈(200)에서 발생하는 초음파를 대상 동물개체(A)에 인가하고, 상기 동물개체(A)에서 발생하는 초음파를 수집하여 해석하여 동물의 감정상태를 해석하여 표시하는 기능을 수행한다.
즉, 동물개체에서 발생하는 초음파를 해석하는 일반적인 경우의 동물의 감정상태를 파악하거나, 인위적으로 상기 조절초음파 발생모듈(200)에서 발생하는 조절초음파에 대한 반응으로 동물개체에서 나오는 초음파를 해석하여 동물의 감정상태를 파악하는 기능을 수행할 수 있다.
이를 위해, 상기 발생초음파 해석모듈(100)은, 상기 동물개체(A)에서 발생하는 발생 초음파를 수집하는 초음파 수집부(110)와, 상기 발생 초음파를 분석하여 동물의 감정상태를 분석하는 초음파 분석부(120), 상기 초음파 분석부에서 분석된 정보를 표시하는 디스플레이부(130) 및 상기 초음파 수집부 및 상기 초음파 분석부의 동작을 제어하며, 상기 디스플레이부가 상기 분석된 실험 동물의 감정 정보와 상기 초음파의 파형을 함께 표시하도록 제어하는 제어부(140)를 포함하여 구성될 수 있도록 한다.
상기 초음파 수집부(110)는 대상 동물개체가 발생시키는 초음파를 수집한다. 일예로, 동물개체가 실험용 쥐와 같은 연구동물인 경우, 상기 초음파 수집부(110)는 중독 약물을 투여한 실험 동물이 발생시키는 초음파 또는 스트레스에 노출된 실험 동물이 발생시키는 초음파를 수집할 수 있다.
초음파 분석부(120)는 상기 수집한 초음파의 파형을 추출하여, 상기 실험 동물의 감정을 분석한다. 즉, 초음파 분석부(120)는 먼저 상기 실험 동물의 감정에 따라 발생시키는 초음파 주파수를 분석한 정보를 분석하여 데이터베이스화 하고, 이와 같이 분석한 정보에 의하여 상기 실험 동물의 감정을 분석할 수 있다.
이 경우, 상기 초음파 분석부(120)는, 상기 동물개체(A)의 감정에 따라 발생시키는 초음파 주파수를 분석한 정보를 분석하여 데이터베이스화하는 데이터베이스를 더 포함하며, 감정 분석의 분류를 20-30 kHz는 '부정분류'로 해서, 40-60 kHz는 '긍정분류'의 대분류를 구비하도록 하도록 할 수 있다.
일예를 들면, 동물개체가 실험용 쥐와 같은 연구동물인 경우, 상기 초음파 수집부(110)는 중독 약물을 투여한 실험 동물이 발생시키는 초음파 또는 스트레스에 노출된 실험 동물이 발생시키는 초음파를 수집할 수 있는 상황에서, 초음파 분석부(120)는 실험 동물인 쥐에게 코카인 15 mg을 복강 투여 후 쥐가 발생시키는 초음파 음성을 분석할 수 있다. 이때, 상기 초음파 음성의 파형을 분석하여 '좋아'에 해당하는 초음파 음성(50 kHz)의 파형을 분석할 수 있다. 또한, 초음파 분석부(120)는 상기 실험 동물인 쥐에게 급성 스트레스를 가하여 불쾌함의 표시로 쥐가 발생시키는 초음파 음성을 분석하며, 이와 같은 급성 스트레스 모델을 이용해 초음파 음성 파형 분석과 비율을 분석하여 실시간으로 '싫어'에 해당하는 초음파 음성(22 kHz)의 파형을 분석할 수 있다.
즉, 초음파 분석부(120)는 이와 같이 분석된 실험 동물의 감정에 따라 발생시키는 초음파 주파수를 분석한 정보를 이용하여 상기 실험 동물의 감정을 분석할 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 초음파 수집부 및 상기 초음파 분석부의 동작을 제어하며, 상기 디스플레이부(140)가 상기 분석된 실험 동물의 감정 정보와 상기 초음파의 파형을 함께 표시하도록 제어할 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따르면, 실험 동물의 발성 초음파의 파형을 '좋아' 또는 '싫어'로 실시간으로 분석 및 데이터화하고, 디스플레이부(140)를 통해 '좋아' 또는 '싫어' 등의 감정 정보를 실시간으로 제공받을 수 있다.
도 2는 상술한 본 발명에서의 조절초음파 발생모듈의 동작순서를 도시한 것이다. 즉, 동물의 특정 감정을 유발하기 위한 방법으로 조절초음파을 발생시키는 경우, 본 발명에서는, 음성신호 수집부에서 사람의 음성신호를 수집하고, 음성신호 발생모듈(P)에서 발생하는 음성신호를 음성패턴 분류부에서 분류하고, 분류된 음성신호에 대응되는 감정 제어 패턴을 분류한다.
이후, 초음파 매칭부에서 상기 음성신호에 대응하여 분류된 감정 제어패턴과 초음파 패턴을 매칭하하고, 초음파 매칭부에서 매칭된 초음파 패턴을 초음파발생부에서 형성하고, 송신하게 된다.
도 3은 상술한 본 발명에서, 발생 초음파 해석모듈의 동작순서를 도시한 것이다. 본 발명의 발생 초음파 해석모듈의 경우, 초음파 주파수의 분석에 대한 결과를 데이터 베이스화하여 업데이트가 가능하도록 하며, 이에 대한 기계학습(mashine learnning)을 통해 보다 신뢰도 있는 감정 해석정보를 제공할 수 있도록 함이 바람직하다.
일반적으로, 실험동물(동물개체)의 경우, 발생시키는 초음파가 있게 되며(이는 통상의 초음파 발생이나 상술한 인위적인 초음파 자극에 대한 반응 초음파의 발생을 포함), 이 경우 발생되는 초음파의 파형을 추출하여 분석(S230)이 수행되게 된다.
분석된 초음파의 정보에 대해서는, 실험동물의 감정정보 및 초음파 파형을 표시하게 된다(도 4 참조:S240). 도 4는 본 발명에서의 동물 감정의 인터페이스 프로그램의 화면을 제시한 이미지로, 대상동물의 발생초음파를 감지하여 분석하는 영역에서, 20~30KHz 범위 내의 초음파 해석의 결과로 인해, 해당 동물의 현재 감정상태가 "싫어, 부정"의 상태임을 보이고 있는 것을 예시한 것이다.
[실험예]
이하에서는, 도 5 내지 도 14를참조하여, 상술한 본 발명에서의 동물의 감정조절 초음파의 발생과 이에 대한 해석방법을 응용하는 실험예를 설명하기로 한다.
본 실험예에서는, 조절 초음파 발생모듈가 발생시킨 초음파(이하, '조절초음파')에 노출된 실험 동물(쥐)이 발생시키는 초음파(이하, '발생초음파')를 분석 시에는, 먼저 일정 시간 동안 실험 동물(쥐)의 초음파에 노출 이전의 초음파 음성을 녹음하고, 먼저 실험 동물(쥐)의 발생초음파에 노출시킨 후 초음파 음성을 녹음하여, 초음파 음성의 파형을 분석하는 과정을 수행한다.
도 5를 참조하면, 22 kHz의 주파수 노출 시험 시에는, 30초 동안 기본 초음파음성을 기록한 후 22 kHz의 초음파를 실험 동물(쥐)에 노출시키면, 30 초 후부터 실험 동물(쥐)가 음성 초음파를 발성하였으며, 초음파 노출 이전(Pre)에 비교하여 약 3배 이상의 '싫어(22 kHz)' 초음파 음성을 발성하였음을 확인할 수 있다.
또한, 50 kHz의 주파수 노출 시험 시에는, 30초 동안 기본 초음파음성을 기록한 후 50 kHz의 초음파를 실험 동물(쥐)에 노출시키면, 30 초 후부터 실험 동물(쥐)가 음성 초음파를 발성하였으며, 초음파 노출 이전(Pre)에 비교하여 약 20배 이상의 '좋아(50 kHz)' 초음파 음성을 발성하였음을 확인할 수 있다.
도 6을 참조하면, 초음파의 설정된 인가를 위해, 본 실험에서는 조절 초음파 발생모듈 대신, 일정한 초음파를 발생시키는 초음파 스피커를 사용하였다. 초음파 스피커가 발생시킨 초음파에 노출된 실험 동물(쥐)의 EPM(Elevated Plus Maze) 내에서의 행동 반응을 분석하기 위하여, 실험 동물(쥐)가 위치한 EPM(Elevated Plus Maze)의 상부에 카메라를 설치하고, 초음파 스피커로부터 발생되는 '싫어(22 kHz)'에 해당하는 초음파에 노출시켰으며, '싫어(22 kHz)'에 노출된 실험 동물(쥐)은 노출 이전과 비교하여 오픈 암(open arm)에 머무르는 시간이 1/5 수준으로 줄어들었음을 확인할 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 초음파 스피커가 발생시킨 초음파에 노출된 실험 동물(쥐)의 접근 행동(approach behavior)을 분석하기 위하여, '좋아(50 kHz)'에 해당하는 초음파에 노출시키면, 상기 '좋아(50 kHz)' 초음파를 발생시키는 초음파 스피커가 위치한 제1 영역(Arena 1)로 접근 행동을 보이는 것을 확인할 수 있다.
또한, 초음파 스피커가 발생시킨 초음파에 노출된 실험 동물의 도파민 수치를 분석하기 위하여, 마취된 실험 동물(쥐)를 '싫어(22 kHz)'에 해당하는 초음파에 지속적으로 노출시키면, NAc(Nucleus Accumbens)에서의 도파민 분비가 비교 대상에 비하여 15% 감소하여, '싫어(22 kHz)'의 초음파 음성에 노출된 실험 동물(쥐)은 '싫어'에 해당하는 감정을 느낌을 확인할 수 있다. 반대로, 마취된 실험 동물(쥐)를 '좋아(50 kHz)'에 해당하는 초음파에 노출시키면, NAc(Nucleus Accumbens)에서의 도파민 분비가 비교 대상에 비하여 130% 증가하는 것으로 확인되었다.
그 뿐만 아니라, 본 발명의 일실시예에 따르면 초음파 스피커가 발생시킨 초음파에 노출에 의해 실험 동물의 마약중독 행동 억제 또는 마약중독 행동 유발을 통해 마약중독 조절의 분석이 가능하다.
즉, 코카인 중독모델에서 초음파 음성분석 장치를 이용해 쥐가 내는 초음파 음성을 분석하여 감정을 해석하고, '좋아(50 kHz)' 또는 '싫어(22 kHz)'에 해당하는 인공 초음파 자극 시에 뇌 도파민 조절을 통해 마약중독 행동을 억제하는 지를 행동학적, 음성학적, 도파민 전압전류법(voltammetry) 전기화학적 실험을 통하여 증명할 수 있으며, 예를 들어 급성 코카인 투여 모델, 코카인 자기 관리(self-administration) 모델 및 코카인 재발 모델을 사용하여 초음파 인터페이스 장치를 통해 마약중동 행동 억제 또는 유발이 가능한지 분석할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이 급성 코카인 투여 모델에서 '좋아(50 kHz)' 인공 초음파 자극 시 쥐의 초음파 음성 및 행동 분석하였으며, 코카인 투여는 쥐에서 '좋아(50 kHz)'의 음성 발성 및 과잉 보행행동 (hyper-locomotion)을 유발하는데, '좋아(50 kHz)'의 인공초음파 자극으로 NAc(측좌핵)의 도파민 분비를 증가시켜 마약 중독 행동을 차단시킬 수 있는 지를 시험할 수 있다.
먼저, 20분간 베이스라인(baseline) 측정 후 코카인(15 mg/kg)을 실험 동물(쥐)의 복강 투여 후 60분 동안 코카인 투여에 의한 초음파 음성 발성과 행동을 동시에 분석하였으며, '좋아(50 kHz)'에 해당하는 초음파 음성을 1분, 5분, 10분으로 그룹을 나누어 자극하여, 필로폰(0.1 mg/kg, ip)를 투여 후 초음파 음성과 보행량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이 급성 코카인 투여 모델에서 '좋아(50 kHz)' 인공 초음파 자극 시 측좌핵(NAc)의 도파민 분비에 미치는 영향을 분석하였으며, 코카인 투여에 의해 측좌핵(NAc)에서 도파민이 증가하는 데, 실험 동물(쥐)에서 '좋아(50 kHz)'의 인공 초음파 자극으로 그 효과가 억제되는 지를 시험하였다. 이때, 도 7에서와 같이 FSCV(Fast Scan Cyclic Voltammetry; 초고속 스캔 전류 순환법)이용 도파민 측정하며, 실험 동물(쥐)을 urethane(100 mg/kg, 복강주사)로 마취한 후, 전정위적 수술(stereotaxic surgery)를 이용하여 복측피개영역(ventral tegmental area)에서 측좌핵(NAc)으로 분사되는 내측전뇌다발(medial forebrain bundle: AP 1.7, ML 0.8, DV-8.0~8.2 from skull) 내로 자극기(stimulus electrode)를 삽입하고, 자극에 의해 분비되는 도파민 측정을 위해 중뇌변연계의 측좌핵 (nucleus accumbens shell: AP 1.7, ML 0.8, DV-6.5 from skull)내로 recording electrode (carbon fiber:직경 7 um, 길이 150-200 um)를 삽입하여 안정된 도파민 신호를 찾은 후, 2분마다 내측전뇌다발에 한번씩 2 mA의 자극을 주면서 유발된(evoked) 도파민을 측정할 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이 코카인 자가투여 모델에서 '좋아(50 kHz)' 인공 초음파 자극의 중독행동 억제 효과를 분석하였으며, 이때 코카인 자가 투여 동물모델에서 '좋아(50 kHz)'의 인공초음파 자극으로 도파민을 증가시켜 마약 자가 섭취를 억제할 수 있는지를 시험하였으며, 보다 구체적으로, 자가투여(self-administration) 훈련으로서 자가관리 조작 챔버(Self-administration operant chamber) 내에서 활성 레버(active lever)를 누르면 코카인 용액이 실라스틱 튜브(SILASTIC tubing)를 통하여 정맥에 주입되도록 하여 2-3 주간 4시간 씩 훈련하여 중독 동물을 만든 후, 실험 동물(쥐)가 좋아할 때 내는 소리인 초음파 음성 50 kHz를 들려주었을 때 활성 레버(active lever), 비활성 레버(inactive lever)의 반응수를 산출하여 측정할 수 있다.
또한, 도 11을 참조하면 코카인 자가투여 모델에서 '좋아(50 kHz)' 인공 초음파 자극의 중독 재발행동 억제 효과를 분석하기 위하여, 코카인 재발 동물모델에서 '좋아(50 kHz)'의 인공초음파 자극으로 도파민을 증가시켜 마약 중독 재발을 억제할 수 있는 지를 시험하였다. 이를 위하여 자가투여(self-administration) 훈련으로서 자가투여 조작 챔버(Self-administration operant chamber) 내에서 활성 레버(active lever)를 누르면 코카인 용액이 실라스틱 튜브(SILASTIC tubing)를 통하여 정맥에 주입되도록 하여 2-3 주간 4시간 씩 훈련하여 중독 동물을 만든 후, 소멸훈련 (extinction training)과 재발행동(cocaine reinstatement)으로서 자가 투여 훈련 후 하루에 4시간씩 조작 챔버(operant chamber)내에서 활성 레버(active lever)를 눌러도 코카인이 주입되지 않는 소멸훈련(visual discriminative stimulus을 함께 줌)을 받도록 한 후, 쥐들이 좋아할 때 내는 소리인 초음파 음성 50 kHz를 들려주었을 때 활성 레버(active lever), 비활성 레버(inactive lever)의 반응수를 산출하여 측정할 수 있다.
또한, '좋아(50 kHz)' 인공 초음파의 아미그달라 매개 기전 연구를 위하여, '좋아(50 kHz)'의 인공초음파 자극에 의한 마약중독 억제효과가 아미그달라(amygdala)를 매개하는 지를 시험하였다. 보다 구체적으로 세포외 기록법을 이용한 감정관련 뇌 영역의 신경발화율 측정 - 신경전기생리학적 방법으로서, 세포외 기록법(extracellular recording method)를 이용하여 1㎑에서 impedance가 12㏁인 epoxy-insulated tungsten microelectrode(A-M system, U.S.A.)를 감정조절 중추인 아미그달라 신경핵까지 삽입하고, 신경세포의 활동성은 4개의 채널로 구성된 예비증폭기와 신호증폭기(CyerAmp 380, Axon Instrument, U.S.A.)를 이용하여 6,000 ~ 9,000배 증폭하며, 오실로스코프(Tektronix, U.S.A.)를 통해 신경세포 활동성을 확인하면서 4 채널 신호분별기를 이용하여 신경활동성을 선별하여 아날로그-디지털변환기(POWER 1401, Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK)를 탑재한 개인용 컴퓨터에 수집된 데이터를 저장 및 분석할 수 있다.
아울러, 도 12를 참조하면 마취된 쥐에서 감정조절중추 중의 하나인 아미그달라 신경세포를 전기생리학적으로 기록하였을 때, 도 10의 C에서와 같이 자극 후 22 kHz 초음파 음성 자극 후에 바로 신경세포가 활성이 급격히 증가함이 확인되며, 이는 마취된 상태에서도 초음파 음성을 역으로 자극하게 되면 감정조절 중추를 흥분시킬 수 있음을 보여준다. 또한, 급성 코카인 동물모델에서 아미그달라신경 차단을 통한 초음파 효과 차단의 실험을 위하여, 이보텐산(ibotenic acid)으로 아미그달라 신경을 파괴하고, 코카인 투여 모델에서 '50 kHz' 초음파 음성 자극 효과가 아미그달라 파괴에 의해 차단되는 지를 초음파 음성분석/보행 행동 기록 장치를 통해 확인할 수 있다.
또한, 마약중독 '싫어(22 kHz)' 인공 초음파 음성 발성에 의한 코카인 중독 행동 유발 시험을 위하여, 세 가지 모델(급성 코카인 투여, 코카인 자기 관리(self-administration) 모델, 코카인 재발 모델)을 사용하여 개발한 초음파 음성 인터페이스를 사용해 '좋아(50 kHz)'와 상반되는 인공초음파 '싫어(22 kHz)'를 들려주었을 때 코카인 행동을 유발하는 지를 시험하였다. 보다 구체적으로 급성 코카인 투여 모델에서 '싫어(22 kHz)' 인공 초음파 자극 시 쥐의 초음파 음성 및 행동 분석하였으며, 코카인 투여하면 실험 동물(쥐)에서 '싫어(22 kHz)'의 음성발성 및 과잉 보행행동(hyper-locomotion)을 유발하는 데, '싫어(22 kHz)'의 인공초음파 자극으로 NAc(측좌핵)의 도파민 분비 감소 및 스트레스 증가로 보행량이나 마약 중독 행동을 오히려 유발하는 지를 시험하였다. 시험 방법으로는 20분간 베이스라인(baseline) 측정 후 코카인(15 mg/kg)을 복강 투여 후 60분 동안 코카인 투여에 의한 초음파 음성 발성과 행동을 동시에 기록하였으며, '싫어(22 kHz)' 인공 초음파를 통하여 1분, 5분, 10분으로 그룹을 나누어 자극함으로써 마약 중독 행동을 오히려 유발하는 지를 시험하였다.
또한, 도 13을 참조하면 급성 코카인 투여 모델에서 '싫어(22 kHz)' 인공 초음파 자극 시 측좌핵(NAc)의 도파민 분비에 미치는 영향 분석을 위하여, 코카인 투여에 의해 측좌핵(NAc)에서 도파민이 증가하는 데, 쥐에서 '싫어(22 kHz)'의 인공초음파 자극으로 그 효과에 변화를 주는 지를 생체 내 도파민 전압 전류법(in vivo dopamine voltammetry)을 통해 시험하였다. '싫어(22 kHz)' 음성을 쥐에게 노출했을 때에는 도파민 저하를 일으켜 '싫어'의 감정을 유발시키는 지 확인하고자, NAc(측좌핵)에서 도파민 분비를 전압 전류법(voltammetry)을 통해 실험하였다. 우레탄(Urethane)으로 마취된 쥐에서 MFB(Medial fiber bundle) 자극을 통해 유리된 도파민을 NAc(측좌핵)에 삽입된 탄소 섬유(carbon-fiber) 7 um를 통해 전기화학적으로 측정하여 마취된 실험 동물(쥐)를 '싫어(22 kHz)'의 초음파 음성을 지속적으로 노출시켰을 때 도파민이 베이스라인(baseline)에서 15 % 감소하므로, 초음파 노출은 NAc(측좌핵)의 도파민 분비에 직접적인 영향을 미침을 확인할 수 있다.
또한, 코카인 자가투여 모델에서 '좋아(50 kHz)' 인공 초음파 자극의 중독행동 억제 효과 시험을 위하여, 코카인 자가 투여 동물모델에서 '좋아(50 kHz)'의 인공초음파 자극으로 도파민을 증가시켜 마약 자가 섭취를 억제할 수 있는 지를 시험할 수 있으며, 구체적으로 자가투여(self-administration) 훈련으로서 자가관리 조작 챔버(Self-administration operant chamber) 내에서 활성 레버(active lever)를 누르면 코카인 용액이 실라스틱 튜브(SILASTIC tubing)를 통하여 정맥에 주입되도록 하여 2-3 주간 4시간 씩 훈련하여 실험 동물(쥐)이 중독되도록 하고, '좋아(50 kHz)' 초음파를 들여 주었을 때 활성 레버(active lever), 비활성 레버(inactive lever)의 반응수를 산출하여 측정할 수 있다.
또한, 도 14를 참조하면 코카인 자가투여 및 재발모델에서 '싫어(22 kHz)' 인공 초음파 자극의 중독 재발행동 억제 효과 시험을 위하여, 코카인 재발 동물모델에서 '싫어(22 kHz)'의 인공초음파 자극으로 도파민을 감소시켜 코카인 자가투여 및 재발 행동을 유발할 수 있는 지를 시험할 수 있다. 보다 구체적으로 자가투여(self-administration) 훈련으로서 자가관리 조작 챔버(Self-administration operant chamber) 내에서 활성 레버(active lever)를 누르면 코카인 용액이 실라스틱 튜브(SILASTIC tubing)를 통하여 정맥에 주입되도록 하여 2-3 주간 4시간 씩 훈련하여 실험 동물(쥐)이 중독되도록 하고, 소멸훈련 (extinction training)과 재발행동(cocaine reinstatement)으로서 자가 투여 훈련 후 하루에 4시간씩 조작 챔버(operant chamber)내에서 활성 레버(active lever)를 눌러도 코카인이 주입되지 않는 소멸훈련(visual discriminative stimulus을 함께 줌)을 받도록 한 후, 쥐들이 싫어할 때 내는 소리인 초음파 음성 22 kHz를 들려주었을 때 활성 레버(active lever), 비활성 레버(inactive lever)의 반응수를 산출하여 측정할 수 있다. 또한, 3 주간 코카인 자가투여 모델을 확립한 후, 다시 2-3주간 소멸훈련 (extinction training)을 받은 쥐에서 '싫어(22 kHz)' 자극은 도 12의 D에서와 같이 활성 레버(active lever) 반응수를 증가시키므로 초음파에 의한 코카인 재발행동이 유발됨을 확인할 수 있다.
또한, 자유롭게 이동 가능한(freely moving) 코카인 재발 모델 쥐에서 '싫어(22 kHz)' 인공 초음파가 도파민 분비에 미치는 실시간 영향 평가를 위하여, 무선 도파민 측정 센서(wireless dopamine measurement)를 이용해 '싫어(22 kHz)' 인공 초음파 자극에 의한 도파민 분비 정도를 실시간으로 모니터링 할 수 있으며, 이때 NAc(측좌핵)에 무선 도파민 측정 센서를 설치하여 7일의 회복기간을 둔 후 '싫어(22 kHz)' 초음파 신호를 들려주었을 때 실시간 도파민 변화를 측정하여 도파민을 측정할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 초음파 음성 인터페이스를 통한 동물과 인간 간의 양방향 소통 기술 확보하여, 동물실험에 대한 객관적인 데이터 확보가 가능하며, 마약 및 진통제 테스트의 경우 쥐의 행동양상만으로 판정해온 기존의 틀을 벗어나 동물의 의사표현을 이해함으로써, 보다 정교한 객관적 데이터를 확보할 수 있으며, 일반 반려동물(개, 고양이) 또는 고등동물 등이 발성하는 초음파 음성을 이해함으로써 동물의 감정을 이해의 폭을 넓힐 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 발생 초음파 해석모듈
110: 초음파 수집부
120: 초음파 분석부
130: 디스플레이부
200: 조절 초음파 발생모듈
210: 음성신호 수집부
220: 음성 패턴 분류부
230: 초음파 매칭부
240: 초음파 발생부
250: 초음파 송신부
110: 초음파 수집부
120: 초음파 분석부
130: 디스플레이부
200: 조절 초음파 발생모듈
210: 음성신호 수집부
220: 음성 패턴 분류부
230: 초음파 매칭부
240: 초음파 발생부
250: 초음파 송신부
Claims (8)
- 음성신호를 발생시키는 음성신호 발생모듈(P);
상기 음성신호 발생모듈(P)에서 발생하는 음성신호를 수집하는 음성신호 수집부(210), 상기 음성신호를 분류하여, 분류된 음성신호에 대응되는 감정 제어 패턴을 분류하는 음성 패턴 분류부(220), 상기 음성신호에 대응하여 분류된 감정 제어패턴과 초음파 패턴을 매칭하는 초음파 매칭부(230), 상기 초음파 매칭부(230)에서 매칭된 초음파 패턴을 발생시키는 초음파 발생부(240), 상기 초음파 발생부(240)에서 형성한 초음파를 동물개체(A)에 송신하는 초음파 송신부(250)를 포함하는 조절 초음파 발생모듈(200); 및
동물개체(A)에서 발생하는 초음파를 수집하여 해석하거나 또는, 상기 조절 초음파 발생모듈(200)에서 발생하는 초음파를 대상 동물개체(A)에 인가하고, 상기 동물개체(A)에서 발생하는 초음파를 수집하여 해석하여 동물의 감정상태를 표시하는 발생초음파 해석모듈(100);을 포함하며,
상기 음성패턴 분류부(220)는, 수집되는 음성신호의 음역대를 분류하는 음성신호 고저분류부(221); 수집되는 음성신호의 단어를 분류하는 음성신호 단어분류부(222); 분류된 음성신호의 음역대의 정보와 음성신호 단어정보를 조합하여 최종 음성패턴을 결정하는 음성패턴 결정부(223);를 포함하며,
발생 초음파 해석모듈(100)은, 상기 동물개체(A)에서 발생하는 발생 초음파를 수집하는 초음파 수집부(110); 상기 발생 초음파를 분석하여 동물의 감정상태를 분석하는 초음파 분석부(120); 상기 초음파 분석부에서 분석된 정보를 표시하는 디스플레이부(130); 및 상기 초음파 수집부 및 상기 초음파 분석부의 동작을 제어하며, 상기 디스플레이부가 상기 분석된 실험 동물의 감정 정보와 상기 초음파의 파형을 함께 표시하도록 제어하는 제어부(140)를 포함하는,
동물의 감정 해석 및 조절 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 초음파 분석부(120)는,
상기 동물개체(A)의 감정에 따라 발생시키는 초음파 주파수를 분석한 정보를 분석하여 데이터베이스화하는 데이터베이스를 더 포함하며,
감정 분석의 분류를 20-30 kHz는 '부정분류'로 해서, 40-60 kHz는 '긍정분류'의 대분류를 구비하도록 하는,
동물의 감정 해석 및 조절 시스템.
- 청구항 1의 동물의 감정 해석 및 조절 시스템을 적용하여, 동물의 감정 해석 및 조절을 수행하는 방법으로,
초음파 수집부에서 동물개체(A)에서 발생시키는 발생초음파를 수집하는 1단계;
상기 1단계의 발생초음파를 초음파 분석부에서 파형을 추출하고, 이를 기반으로 상기 동물개체(A)의 감정상태를 분석하는 2단계; 및
상기 분석된 상기 동물개체(A)의 감정상태 정보와 초음파의 파형을 디스플레이부 상에 표시하도록 하는 3단계;
를 포함하는 동물의 감정 해석 및 조절 방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 1단계 이전 또는 상기 3단계 이후에,
상기 동물개체(A)의 감정 상태를 조절할 수 있는 조절 초음파 송신 단계를 더 포함하는,
동물의 감정 해석 및 조절 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 조절 초음파 송신단계는,
a1) 음성신호 발생모듈(P)에서 발생하는 음성신호를 음성패턴 분류부에서 분류하고, 분류된 음성신호에 대응되는 감정 제어 패턴을 분류하는 단계;
a2) 초음파 매칭부에서 상기 음성신호에 대응하여 분류된 감정 제어패턴과 초음파 패턴을 매칭하는 단계;
a3) 초음파 매칭부에서 매칭된 초음파 패턴을 초음파발생부에서 형성하고, 송신하는 단계;를 포함하는,
동물의 감정해석 및 조절방법.
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| KR1020200086258A KR102365940B1 (ko) | 2020-07-13 | 2020-07-13 | 동물의 감정 해석 및 조절 시스템 및 이를 이용한 동물의 감정 해석 및 조절방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101108114B1 (ko) | 2010-02-16 | 2012-01-31 | 윤재민 | 애완견 연속 소리 분석 및 감정 표현, 대화 생성 시스템 및 방법 |
| KR101922132B1 (ko) | 2016-12-02 | 2018-11-26 | (주)너울정보 | 반려동물의 감정 상태 감지 방법 및 그 장치 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 김희영, 사람-실험동물 초음파 음성대화 인터페이스 개발. 중견연구자지원사업 최종(결과)보고서. pp.1~30 (2019.11.20.) (공지예외적용 미주장 문헌)* |
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