KR102494997B1

KR102494997B1 - 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법 및 장치

Info

Publication number: KR102494997B1
Application number: KR1020200126233A
Authority: KR
Inventors: 김원식; 김재욱
Original assignee: 한국 한의학 연구원
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2023-02-06
Anticipated expiration: 2040-09-28
Also published as: KR20220042873A

Abstract

생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른, 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법은, 대상자의 뇌파와 연관되는 감성적 각성도를 측정하는 단계; 상기 대상자에 대한 쾌-불쾌 정도를 측정하는 단계; 및 상기 감성적 각성도가, 상기 대상자의 자율신경계와 연관되는 육체적 각성도와 동일한 방향으로 변화하면, 상기 감성적 각성도와 상기 쾌-불쾌 정도를 이용하여, 상기 대상자가 갖는 정신적 스트레스를 평가하는 단계를 포함한다.

Description

생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR MENTAL STRESS EVALUATION METHOD BY MEASURING UNPLEASANTNESS AND AFFECTIVE-AROUSAL BASED ON BIOMEDICAL SIGNALS}

본 발명은, 인간이 느끼는 정신적 스트레스 정도를 생체신호 기반으로 평가하기 위한, 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 다음의 문헌에 개시되어 있다.
1) 공개번호 : 10-2013-0082859 (2013-07-22) "스트레스 관리용 기능성 게임 제공 장치 및 방법"
2) 공개번호 : 10-2019-0043319 (2019-04-26) "사용자의 활동에 대응하는 스트레스 지수를 제공하는 방법 및 전자 장치"
3) 공개번호 : 10-2020-0080494 (2020-07-07) "감정 노동자를 위한 스트레스 관리 장치 및 그것의 동작 방법"
4) 공개번호 : 10-2021-0007357 (2021-01-20) "심전도 기반의 스트레스 완화 장치 및 그 방법"
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사회가 복잡해지고, 복잡해지는 사회 내에서 경제 활동을 영위하는 현대인은 정신적 스트레스에 직면해 있다.

기존의 정신적 스트레스 평가법은 문진에 의한 임상적 평가, 혈압, 심박수, 피부 온도, 발한 등의 생리지표, 카테콜아민이나 코르티솔 등의 체액성 스트레스 마커의 측정 등 주로 의료기관에서 대면 접촉에 의한 평가가 주를 이루었다.

또한, 생체신호 기반 스트레스 평가 관련 기존 기술은, 자율신경계를 구성하는 교감신경계의 항진 정도를 평가하거나, 여기에 뇌파를 측정하여 우측 전전두엽의 활성화(불쾌 지표)와 우측 두정측두엽의 활성화(감성적 각성도 지표)를 평가하는 정도에 머무르고 있다.

이러한 기존의 평가법들은 많은 장비와 시간을 필요로 하여, 개인의 스트레스 지수를 파악하는 데에, 장애가 될 수 있다.

따라서, 언택트(untact) 시대를 맞아, 온라인으로 개인의 생체신호에 기초하여, 정신적 스트레스를 정량적으로 평가할 수 있는, 새로운 스트레스 평가 모델이 절실히 요구되고 있다.

본 발명의 실시예는, 생체신호 기반 정신적 스트레스 평가 알고리즘을 제공하는, 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법 및 장치를 제공하는 것을 해결 과제로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는, 만성스트레스성(우울증) 해마 위축에 의한 치매를 조기에 예측하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는, 스트레스 자극-반응에 따른 성격, 체질(기질) 평가를 수행하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는, 인간과 교감 가능한 인터랙티브 콘텐츠를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 감정노동자의 감정부조화에 기인한 스트레스 평가를 수행하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는, 생체신호 기반 감성측정 장비의 정확도/신뢰도를 향상하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는, 생체신호 기반 치매 조기예측 정확도/신뢰도를 향상하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는, 생체신호 기반 체질(기질) 분류 정확도 및 신뢰도를 향상하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는, 감성적 각성도 측정 기반 정신적 스트레스 정량화 기술을 통해, 인터랙티브 콘텐츠 시장을 창출하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른, 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법은, 대상자의 뇌파와 연관되는 감성적 각성도를 측정하는 단계; 상기 대상자에 대한 쾌-불쾌 정도를 측정하는 단계; 및 상기 감성적 각성도가, 상기 대상자의 자율신경계와 연관되는 육체적 각성도와 동일한 방향으로 변화하면, 상기 감성적 각성도와 상기 쾌-불쾌 정도를 이용하여, 상기 대상자가 갖는 정신적 스트레스를 평가하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 동일한 방향으로 변화한다는 것은, 상기 감성적 각성도가, 상기 육체적 각성도와 동시에 동일한 '+' 또는 '-' 방향으로 변화한다는 것을 의미할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른, 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 장치는, 대상자의 뇌파와 연관되는 감성적 각성도와, 상기 대상자에 대한 쾌-불쾌 정도를 측정하는 측정부; 및 상기 감성적 각성도가, 상기 대상자의 자율신경계와 연관되는 육체적 각성도와 동일한 방향으로 변화하면, 상기 감성적 각성도와 상기 쾌-불쾌 정도를 이용하여, 상기 대상자가 갖는 정신적 스트레스를 평가하는 평가부를 포함하여 구성할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 생체신호 기반 정신적 스트레스 평가 알고리즘을 제공하는, 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 만성스트레스성(우울증) 해마 위축에 의한 치매를 조기에 예측할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 스트레스 자극-반응에 따른 성격, 체질(기질) 평가를 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 인간과 교감 가능한 인터랙티브 콘텐츠를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 감정노동자의 감정부조화에 기인한 스트레스 평가를 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 생체신호 기반 감성측정 장비의 정확도/신뢰도를 향상할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 생체신호 기반 치매 조기예측 정확도/신뢰도를 향상할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 생체신호 기반 체질(기질) 분류 정확도 및 신뢰도를 향상할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 감성적 각성도 측정 기반 정신적 스트레스 정량화 기술을 통해, 인터랙티브 콘텐츠 시장을 창출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정신적 스트레스 평가 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른, Russel의 2차원 감성평면과 감성그리드를 융합하여 개발한 방사상 5점 척도의 2차원 감성평가 도표를 예시한 도면이다.
도 3은 각성-이완을 평가하기 위한 심전도(electrocardiogram: ECG)와, 심박변이도(heart rate variability: HRV), 및 Poincare Plot 사이의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 전극부착 위치와 얼굴근전도(facial electromyogram: fEMG)의 측정을 예시하기 위한 도면이다.
도 5는 심전도로부터 심박변이도(HRV)와 Poincare plot분석을 이용한 각성도를 평가하는 구체적인 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, 정신적 스트레스 평가 방법을 도시한 흐름도이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것이며, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정신적 스트레스 평가 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는, 측정부(110) 및 평가부(120)를 포함하여 구성할 수 있다.

우선, 측정부(110)는 대상자의 뇌파와 연관되는 감성적 각성도를 측정한다. 즉, 측정부(110)는 대상자가 갖는 감성에 따라 변화하는 뇌파에 관한 각성 정도를 측정하는 역할을 할 수 있다.

감성적 각성도의 측정에 있어, 측정부(110)는 상기 대상자의 호흡변화와 심전도, 또는 상기 호흡변화와 광혈량도(photoplethysmogram: PPG)를 동시에 측정할 수 있다.

여기서, 호흡변화는 대상자가 감성 변화를 일으켜 들숨(흡기)과 날숨(호기)이 불규칙하게 이루어지는 정도를 지칭할 수 있다.

또한, 심전도는 심장의 박동에 따라 심근에서 발생하는 활동전위(action potential)를 전압계로 기록한 것일 수 있다.

또한, 광혈량도(PPG)는 광(적외선)과 감지기를 이용하여 측정되는, 혈관에서의 혈액 흐름 정도를 지칭할 수 있다.

즉, 측정부(110)는 감성에 따른 뇌파의 변화를 가늠할 수 있도록, 호흡변화, 심전도, 광혈량도(PPG) 중에서, 생체적으로 상호 연관되어 있는 복수 개를 동시에 측정할 수 있다.

이후, 측정부(110)는 상기 동시 측정 중, 호흡성동성부정맥(respiratory sinus arrhythmia: RSA)이 나타나는 구간을 포함한 인접구간을, 상기 감성적 각성도로서 측정할 수 있다.

여기서, 호흡성동성부정맥(RSA)은, 상기 호흡변화에 의한 맥박의 불규칙적 변화를 나타내는 부정맥으로 정의 할 수 있다. 호흡성동성부정맥(RSA)은 호흡 주기에 따라 심박수가 불규칙적으로 나타나는 것이며, 예컨대 흡기 시 교감신경이 항진되어 심박수가 비규칙적으로 올라갈 수 있고, 호기 시 부교감신경이 항진되어 심박수가 비규칙적으로 내려가는 증상을 예시할 수 있다.

다른 실시예에서, 측정부(110)는 시간영역의 시계열 신호인, 상기 대상자의 심전도, 또는 광혈량도(PPG)를 측정할 수 있다.

이후, 측정부(110)는 상기 심전도 또는 상기 광혈량도(PPG)에 대해 푸리에 변환을 통하여, 주파수 영역의 심박변이도 스펙트럼을 출력할 수 있다. 즉, 측정부(110)는 시간-주파수 사이의 차원 변환을 통해, 심전도 또는 광혈량도를, 심박변이도 스펙트럼으로 표현할 수 있다.

또한, 측정부(110)는 상기 심박변이도 스펙트럼 중 중간주파수(Medium Frequency: MF) 영역을 포함한 인접구간에서의 LF/HF를 상기 감성적 각성도로서 측정할 수 있다. 여기서, 낮은주파수(LF) 영역은 0.01~0.08 Hz, 중간주파수(MF) 영역은 0.08~0.15 Hz, 높은주파수(HF) 영역은 0.15~0.4 Hz의 주파수 영역일 수 있다.

또 다른 실시예에서, 측정부(110)는 우측 두정측두엽(P4)과, 앞이마중앙부분(Fz)의 활성화가 동시에 일어나는 경우, 상기 감성적 각성도를 논리곱 참으로 측정할 수 있다. 즉, 측정부(110)는 대상자의, 얼굴을 포함한 머리에 부착된 다수의 전극 중에서, 우측 두정측두엽(P4)과, 앞이마중앙부분(Fz)에 부착된 특정의 전극에서 뇌파(electroencephalogram: EEG)의 알파대역(8-13 Hz) power 수치가 동시에 증가 또는 감소하는 것이 감지됨에 따라, 측정되는 감성적 각성도가 유효한 것으로 확인할 수 있다.

또한, 측정부(110)는 상기 대상자에 대한 불쾌도를 측정한다. 즉, 측정부(110)는 대상자가 갖는 감성에 따라 얼굴이 변화하는 것을 감안하여 상기 대상자의 불쾌도를 측정하는 역할을 할 수 있다.

불쾌도 측정에 있어, 측정부(110)는 얼굴근전도(facial electromyogram: fEMG) 측정을 위한 좌측 눈썹 또는 우측 눈썹 위에 위치한 fEMG의 값 M2는 증가하나 좌측 볼 또는 우측 볼에 위치한 fEMG의 값 M1은 증가하지 않는 배타적논리합(exclusive OR)과, 우측 전전두엽의 활성화(즉, 우측 전전두엽의 알파파워 감소), 가 동시에 참일 때, 상기 불쾌 정도를 측정할 수 있다.

여기서, 근전도검사법(electromyography)은 전극을 이용하여 특정 근육 내부의 전기적 활동을 기록하거나, 전기 자극에 의한 신경 전도 속도를 측정하는 기법일 수 있다.

본 발명의 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 대상자의, 얼굴을 포함한 머리에 부착된 다수의 전극 중에서, 좌측 눈썹 또는 우측 눈썹 위의 fEMG 전극이 측정한 수치가 증가하고 좌측 볼 또는 우측 볼에서 fEMG전극이 측정한 수치가 감소하면서, 동시에 우측 전전두엽에서 EEG전극이 측정한 신호로부터 우측 전전두엽의 활성화가 증가되는 조건에서, 불쾌한 정도를 측정할 수 있다.

평가부(120)는 상기 뇌파로 측정한 감성적 각성도가, 상기 대상자의 자율신경계와 연관되는 육체적 각성도와 동시에 동일한 방향으로 변화하면, 상기 감성적 각성도와 상기 불쾌 정도를 이용하여, 상기 대상자가 갖는 정신적 스트레스를 평가한다. 즉, 평가부(120)는 감성적 각성도가 정신적 스트레스에 주로 기여하여 육체적 각성도에 영향을 주는 반면에 그 역은 반드시 성립하지는 않음에 착안하여, 뇌파로 측정한 감성적 각성도와 자율신경계로 측정한 육체적 각성도가 동시에 동일한 '+' 또는 '-' 방향으로 측정되는 조건 하에서, 정신적 스트레스를 평가하는 역할을 할 수 있다.

정신적 스트레스를 평가하는 데에 있어, 평가부(120)는 동방결절(sinoatrial node)의 교감신경 조절과 부교감신경 조절을 구분하기 위한 전체적인 심신경(neurocardiac) 기능을 측정하는 비침습적인 생리지표로서의, 심박변이도(HRV)를 이용하여, 상기 대상자가 갖는 감성상태를 평가할 수 있다.

심박수는 동방결절(sinoatrial node)에 있는 심박 조율 세포의 고유한 자발성에 자율신경계가 영향을 미쳐 결정되는데, 교감신경과 부교감신경 모두의 지배를 받아 이들의 서로 상반된 작용으로 균형을 이루어 조절될 수 있다.

심박변이도(HRV)는 동방결절에 미치는 자율신경계의 영향이 체내 및 외부 환경의 변화에 따라 시시각각으로 변화하는데 이러한 시간에 따른 심박의 주기적인 변화를 지칭할 수 있다.

심박변이도(HRV)의 total power (TP) 증가는 건강한 사람의 경우 심박동이 불규칙하고 복잡한 양상을 보일 수 있고, 이는 혈중 산소농도, 체온, 혈압 등의 변화에 민감하게 반응하여 빠른 시간 내에 생리적인 균형 상태를 이룰 수 있다는 의미일 수 있다.

심박변이도(HRV)의 total power (TP) 감소는 심박동의 역동적 변화와 복잡성이 감소되었음을 지칭하며, 끊임없이 변화하는 환경에 대한 체내 적응 능력이 감소됨을 의미할 수 있다.

즉, 평가부(120)는 심박변이도(HRV)에 대한 total power (TP)의 증감을 분석하여, 대상자의 내적 또는 외적 자극에 대한 대처 능력을 평가할 수 있다.

심박변이도(HRV)의 파워스펙트럼은, LF 영역, MF 영역, 및 HF 영역으로 구분될 수 있다.

여기서, 상기 LF 영역은 주로 교감신경계의 활성도를 반영하고 약간의 부교감신경계의 활성도도 반영하는 영역이고, 상기 HF 영역은 거의 부교감신경계의 활성도를 반영하며, MF 영역은 교감신경계와 부교감신경계의 활성도가 혼합된 영역이지만 부교감신경계의 활성도를 더 많이 반영하는 영역이며, 화(anger)가 나거나 고마운 마음을 가질 때 활성화되는 영역이다(McCraty, 1995).

따라서, 상기 MF영역의 power가 증가하는 경우, 평가부(120)는 상기 대상자의 감성변화가 있는 것으로 평가할 수 있다.

일실시예에 따라, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 정신적 스트레스를 평가하는 데에 활용되는 감성적 각성도를 측정할 수 있다.

이를 위해, 측정부(110)는 심박변이도(HRV)의 LF/HF와, Poincare plot의 SD2/SD1가 동시에 증가하는 경우, 상기 감성적 각성도 또는 육체적 각성도가 증가하는 것으로 측정할 수 있다.

즉, 측정부(110)는 심박변이도(HRV)의 LF 영역과 HF 영역의 비율(LF/HF)과, Poincare plot의 타원에서 장반경(SD2)과 단반경(SD1)의 비율(SD2/SD1)이 동시에 증가 함에 따라, 감성적 각성도 또는 육체적 각성도가 커지는 방향으로 측정할 수 있다.

실시예에 따라, 평가부(120)는 설문지를 보충 자료로 활용하여, 상기 대상자에 대한 정신적 스트레스를 보다 정확하게 평가할 수 있다.

이를 위해, 평가부(120)는, 설문지에 의해 진단되는, 상기 대상자의 생리 및 행동을 더 이용하여, 상기 정신적 스트레스를 평가한다.

여기서, 설문지는 대상자의 활력 징후(vital sign)와 습관 등의 행동 패턴을 파악할 수 있는 질의를 포함하고, 대상자가 보유하는 단말기 등을 통해 제공될 수 있다.

즉, 평가부(120)는 감성적 각성도와 쾌-불쾌 정도에 더해, 설문지에 의한 대상자의 답변을 활용하여 대상자의 정신적 스트레스를 보다 정밀하게 정량화 할 수 있다.

실시예에 따라, 평가부(120)는 Russell의 2차원 감성평면을 이용하여, 상기 대상자에 대한 정신적 스트레스를 시각적으로 평가할 수 있다.

이를 위해, 평가부(120)는 상기 쾌-불쾌 정도와, 상기 감성적 각성도로 이뤄지는 좌표가, Russell의 2차원 감성평면의 제2사분면에 나타나면 스트레스 초기로 평가할 수 있다.

또한, 평가부(120)는 상기 좌표가 상기 2차원 감성평면의 제3사분면에 나타나면, 스트레스 말기로 평가할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 스트레스 자극-반응에 따른 성격과 기질 평가를 수행할 수 있다.

본 발명은, 정신적 스트레스를 평가하기 위하여 불쾌 정도는 우측 전전두엽의 활성화 정도와 얼굴 근전도를 측정하여 평가하고, 각성도는, 감성적 각성도가 정신적 스트레스에 주로 기여하고 이것은 육체적 각성도에 영향을 주는 반면에 그 역은 반드시 성립하지는 않음에 착안하여, 뇌파에서의 각성도와 심전도에서의 각성도가 동시에 동일한 '+' 또는 '-' 방향으로 변할 때를 감성적 각성도의 변화로 평가 함으로써, 정확도를 높일 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 심리(설문지), 생리(뇌파, 심전도 등), 행동(얼굴근전도) 반응을 함께 측정하여, 정신적 스트레스 정도에 대한 일관성을 평가함으로써, 신뢰도를 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 스트레스 초기와 말기를 구분하기 위하여 Russell의 2차원 감성평면에서 감성 좌표가 스트레스 초기에는 제2사분면에 나타났다가 만성 스트레스에서는 제3사분면으로 이동하는 현상뿐만 아니라, 심전도의 심박변이도 스펙트럼 분석에서 total power의 감소 정도와 Poincare plot에서 타원면적이 감소하는 정도를 함께 평가 함으로써, 정확도와 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른, Russel의 2차원 감성평면과 감성그리드를 융합하여 개발한 방사상 5점 척도의 2차원 감성평가 도표를 예시한 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, Russell의 2차원 감성평면은, 쾌-불쾌 축(X축)과 각성-이완 축(Y축)으로 구성되며, 스트레스 초기에는 감성반응이 제2사분면에 나타났다가 만성스트레스가 되면 감성반응이 제3사분면으로 이동하는 특성을 가지고 있다.

각성되는 방식으로는, 인지적 각성, 감성적 각성, 육체적 각성의 3가지를 예시할 수 있다. 정신적 스트레스를 평가하려면 불쾌 정도와 각성도를 평가해야 하는데, 각성도는 감성적 각성도를 평가해야 한다.

Russell의 2차원 감성평면과 감성그리드 융합 도표는, 스트레스 초기에는 감성반응이 제2사분면에 나타났다가 만성스트레스가 되면 제3사분면으로 이동한다. 즉, Russell의 2차원 감성평면과 감성그리드 융합 도표에서는 만성스트레스가 되면 감성적 각성도가 오히려 감소하는 경향이 있다. Heller의 감성모델에서는, 스트레스 초기에는 우측 전전두엽(불쾌)과 우측 두정측두엽(각성)이 활성화되었다가 말기에는 우측 두정측두엽의 감성적 각성도가 감소한다.

예컨대, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 대상자에 관한, 감성적 각성도와, 쾌-불쾌 정도로 이뤄지는 좌표가, 도 2의 Russell의 2차원 감성평면의 제2사분면에 나타나면(예: 불안해하는, 초조해하는), 대상자에 대한 정신적 스트레스를 스트레스 초기로 평가할 수 있다.

또한, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 지속적인 측정에 의해, 감성적 각성도와, 쾌-불쾌 정도로 이뤄지는 좌표가, 도 2의 방사상2차원 감성평면의 제3사분면으로 이동하여 나타나면(예: 지루한, 무기력한), 대상자에 대한 정신적 스트레스를 스트레스 말기로 평가할 수 있다.

도 3은 각성-이완을 평가하기 위한 심전도(electrocardiogram: ECG)와, 심박변이도(heart rate variability: HRV), 및 Poincare Plot 사이의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

대상자에 배치된 전극을 통해 ECG 를 Raw signal 로 획득하면, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 이를 심박변이도(HRV)와 Poincare Plot으로 도시하여 시각화 할 수 있다.

자율신경계 반응은, 도 3과 같이, 스트레스 초기에 HRV의 LF/HF와 Poincare plot의 SD2/SD1이 증가하였다가, 스트레스 말기에는 HRV의 total power (TP)와 Poincare plot의 Area of Poincare plot (A_PP)가 감소하는 것이 특징이다.

예컨대, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 심장의 박동 변화(Heart rate variability: HRV)를 HRV 도면 상에서, LF와 HF의 Power spectrum으로 분석하여 도시하여 보여줄 수 있다.

또한, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 대상자의 긴장도를 Poincare plot의 SD2/SD1이 증감하는 그래프 형태로 도시하여 보여 줄 수 있다.

도 4는 전극부착 위치와 얼굴근전도(facial electromyogram: fEMG)의 측정을 예시하기 위한 도면이다.

도 4에는, 감성반응에 상응하는 뇌파의 전극배치(a)와 얼굴근전도의 전극배치(b)를 예시하여 도시하고 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 전극은 대상자의 양쪽 귓불(A1, A2), 양쪽 앞이마(FP1, Fp2), 앞이마중앙부분(Fz), 두정측두부위(P4)에 배치되어, 대상자로부터 뇌파를 측정할 수 있다.

또한, 전극은, 얼굴근전도 측정을 위해 우측 눈썹(M2)과, 좌측 볼(M1)에도 배치될 수 있다. 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 예컨대, 눈썹주름근의 근전도(M2) 증가를 확인하여, 대상자가 불쾌 감성을 느끼는 것으로 평가할 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

또는

수학식 1에서 Pn(r)은 전극번호 n에서의 평균적 power 비율이며, 이 위치에서의 뇌 피질 활성화 정도를 나타낼 수 있다. 즉, 수학식 1은 n번 전극 위치에서의 알파대역(8-13 Hz) power Pn(α)를, 개인차를 줄이기 위하여 total power Pn(t)으로 나누어 표현한 수식일 수 있다.

뇌 피질의 활성화 정도와 알파대역의 power는 반비례하므로 최종적으로 수학식 1로 표현될 수 있다.

PFp1(r)과 PFp2(r)는 각각 Fp1과 Fp2에서 개인별 total power 차이를 보정한 뇌 피질의 활성화 정도를 나타낼 수 있다.

수학식 2는 Fp1과 Fp2에서의 뇌 피질의 활성화 비를 log 변환한 수식이다. Heller의 감성모델을 참고하면, 수학식 2의 Aff(Va)는 쾌락도(Affective-Valence) 지표이며 '+'이면 쾌이고, '-'이면 불쾌로 평가할 수 있다.

수학식 3의 Aff(Ar)은 P4 또는 Fz 위치에서 뇌 피질의 활성화 정도를 나타내는 감성적 각성도(Affective-Arousal) 지표이며 증가할수록 각성상태가 높아지는 것으로 평가되고, 감소할수록 각성상태가 낮아지는 것으로 평가될 수 있다.

예컨대, Aff(Va)와 Aff(Ar) 각각 절대치의 최대값을 '1'로 규격화시킨 감성벡터가 2상한으로 향하고 있으며, 동시에 얼굴근전도에서 눈썹주름근의 근전도는 증가하고 뺨의 근전도는 감소하는 경우, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 대상자의 불쾌도와 감성적 각성도가 동시에 증가하는 감성(예: 공포감)을 느꼈다고 평가할 수 있다.

또한, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 측정된 뇌파로부터 LORETA(low-resolution electromagnetic tomography)를 분석하여, 우측 전전두엽(Fp2) (부정감성 척도)과 우측 두정측두엽(P4) 및 앞이마중앙부분(Fz) (감성적 각성도 척도)이 모두 활성화됨을 확인할 수 있다.

심전도의 심박변이도를 분석한 결과 호흡성동성부정맥(RSA)이 관측되는 경우, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 해당 구간에 대해 공포/놀람의 감성적 각성도가 육체적 각성도에 영향을 준 것을 확인할 수 있다.

또한, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 측정된 뇌파로부터 LORETA(low-resolution electromagnetic tomography) 분석을 통해, 우측 전전두엽(부정감성 지표)과 우측 두정측두엽 및 앞이마중앙부분(감성적 각성도 지표)이 활성화 됨을 확인할 수 있다.

또한, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 예컨대, 거미를 피해 도망가는 상황에서 심전도의 심박변이도를 분석한 결과 육체적 각성도 지표로서 LF/HF와 Poincare plot의 SD2/SD1가 동시에 증가함을 확인할 수 있다.

[표 1]

표 1은 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정에 의한 스트레스 정량화 평가 지표에 관한 표이다.

정신적 스트레스에는 감성적 각성도가 주로 영향을 주므로 이를 구분해서 측정해야 한다.

표 1을 참고하면, Fp1와 Fp2는 쾌-불쾌를 반영하는 뇌파의 전극위치이며, '+' 값은 1~3 범위의 쾌 감성 정도를 나타내고, '-' 값은 1~3 범위의 불쾌한 정도를 나타낸다.

Fz와 P4는 감성적 각성도를 반영하는 뇌파의 전극 위치이며, 1~3 범위로 나타낸다. Fz와 P4는 뇌 피질의 활성도가 '1/(알파 대역 파워)'에 비례함에 근거하여 점수가 부여될 수 있다.

얼굴근전도는 큰광대근의 근전도가 증가하면 쾌 감성으로 처리하고, 눈썹주름근의 근전도가 증가하면 불쾌 감성으로 처리한다.

또한, 본 발명에서는, 느끼는 스트레스를 설문지로 평가할 수 있다. 예컨대, 본 발명은, '심리(설문), 생리(뇌파, 심전도 등), 행동반응(얼굴근전도)'을 복합적으로 측정하여 스트레스 정량화 레벨의 일관성을 평가함으로써, 신뢰도를 향상시킨다.

표 1에서의 약어는 아래와 같다.

'ST-L, ST-M, ST-H'는 느끼는 스트레스가 낮음, 중간, 높음을 나타낸다.

'Fp1, Fp2, Fz, P4, M1, M2'는 각각 긍정감성(쾌), 부정감성(불쾌), 각성도, 얼굴근전도를 반영하는 뇌파 전극 위치를 나타낸다.

LF (vs. HF)은 HRV의 낮은(vs. 높은) 주파수 영역 파워를 나타낸다.

TP(total power)는 HRV의 전체 주파수 영역 파워를 나타낸다.

HRV는 심박변이도를 나타낸다.

SD1, SD2는 Poincare plot의 타원에 대한 단반경 및 장반경을 나타낸다.

A_PP는 Poincare plot의 타원에 대한 면적을 나타낸다.

관상동맥질환(coronary artery disease: CAD)을 협십증(angina pectoris: AP)과 급성관동맥증후군(acute coronary syndrome: ACS)으로 세분화하여 HRV의 특성을 연구한 결과에서는, 내부 및 외부로부터의 자극에 대한 자율신경계의 활발한 대처능력 정도를 나타내는 교감신경계 지표 SD2/SD1가 control 군(대조군)에 비하여 AP군에서 증가한 후 ACS군에서는 다시 급격히 감소하는 패턴을 보일 수 있다.

이것은, 스트레스를 받으면, 초기에는 교감신경계의 반응이 증가되지만 만성스트레스 상태에서는 그 반응이 감소하는 양상과도 유사할 수 있다.

또한, 이것은 생체시스템이 내적 또는 외적의 negative한 자극에 반응하여 그 항상성을 유지하려는 메커니즘으로 해석할 수 있으며, negative한 자극이 만성적으로 지속될 때는 생체시스템의 대처력이 소진되어 상태가 악화되는 현상으로 해석할 수 있다.

이러한 악순환(vicious cycle)은 만성심부전과 만성스트레스와 더불어 관성동맥질환 환자에서도 관측이 됨을 확인하였으며, 이때 안정형 협심증(angina pectoris: AP)군에 비하여 급성관동맥증후군(acute coronary artery syndrome: ACS)군에서 유의하게 감소하는 'TP, LF/HF, A_PP, SD2/SD1'은 AP군과 ACS군을 감별하는데 유용하게 활용될 수 있다.

도 5는 심전도로부터 심박변이도(HRV)와 Poincare plot분석을 이용한 각성도를 평가하는 구체적인 일례를 설명하기 위한 도면이다.

도 5에는, 대상자가 똑바로 누운 자세(Supine) (a), 우측으로 누운 자세(Right) (b), 좌측으로 누운 자세(Left) (c)에서 심박변이도의 LF/HF와 Poincare plot의 SD2/SD1 비율을 비교하여 도시한다.

도 5(a)(b)(c)에서와 같이, Poincare Plot은 심전도의 R-피크와 R-피크 사이의 간격(RR-interval: RRI)들을 시간에 따라 순차적으로 나열했을 때 n번째 간격(RRI(n))을 x축 좌표, n+1번째 간격(RRI(n+1))을 y축 좌표로 시간에 따라 순차적으로plotting 하여 타원형태로 분포시킬 수 있다. 여기서, SD1은 타원의 단반경을 나타내고, SD2는 타원의 장반경을 나타낼 수 있다.

SD2/SD1은 교감신경계 활성화 지표인데, 도 5(b)의 우측으로 누운 경우 가장 작고, 도 5(c)의 좌측으로 누운 경우 가장 높게 나타날 수 있다.

도 5(d)(e)에서는 정상인(control) 집단과 관상동맥 질환(coronary artery disease: CAD) 집단에 대해, 똑바로 누운 자세(Supine), 우측으로 누운 자세(Right), 좌측으로 누운 자세(Left)에서의, 교감 신경계 활성화(5(d))와 부교감 신경계 활성화 (5(e))를 예시하여 표시하였다.

도 5(d)(e)에 도시한 바와 같이, 교감 신경계 활성화 지표(normalized LF: nLF)는, CAD 집단이 control 집단에 비하여 우측으로 누우면 감소하고, 똑바로 누우면 증가하는 상호작용 패턴을 보인다. 반면, 부교감 신경계 활성 지표(normalized HF: nHF)는, CAD 집단이 control 집단에 비하여 우측으로 누우면 증가하고, 똑바로 누우면 감소하는 상호작용 패턴을 보인다.

여기에서 nLF는 LF영역과 (LF+HF)영역의 power 비율(LF/(LF+HF))을 나타내고, nHF는 HF영역과 (LF+HF)영역의 power 비율(HF/(LF+HF))을 나타낸다.

이를 통해, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 누운 자세효과가 중증의 관성동맥 질환 환자에게서 유의미(significant: p<0.5)하게 관찰될 수 있음을 입증한다.

이하, 도 6에서는 본 발명의 실시예들에 따른 정신적 스트레스 평가 장치(100)의 작업 흐름을 상세히 설명한다.

본 실시예에 따른 정신적 스트레스 평가 방법은 정신적 스트레스 평가 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, 정신적 스트레스 평가 방법을 도시한 흐름도이다.

우선, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 대상자의 뇌파와 연관되는 감성적 각성도를 측정한다(610). 단계(610)는 대상자가 갖는 감성에 따라 변화하는 뇌파에 관한 각성 정도를 측정하는 과정일 수 있다.

감성적 각성도의 측정에 있어, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 상기 대상자의 호흡변화와 심전도, 또는 상기 호흡변화와 광혈량도(PPG)를 동시에 측정할 수 있다.

여기서, 호흡변화는 대상자가 감정 변화를 일으켜 들숨(흡기)과 날숨(호기)이 불규칙하게 이루어지는 정도를 지칭할 수 있다.

즉, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 감성에 따른 뇌파의 변화를 가늠할 수 있도록, 호흡변화, 심전도, 광혈량도(PPG) 중에서, 생체적으로 상호 연관되어 있는 복수 개를 동시에 측정할 수 있다.

이후, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 상기 동시 측정 중, 호흡성 동성부정맥(RSA)이 나타나는 구간을 포함한 인접 구간을, 상기 감성적 각성도로서 측정할 수 있다.

여기서, 호흡성 동성부정맥(RSA)은, 상기 호흡변화에 의한 맥박의 불규칙적 변화를 나타내는 부정맥으로 정의할 수 있다. 호흡성 동성부정맥(RSA)은 호흡 주기에 따라 심박수가 불규칙적으로 나타나는 것으로, 예컨대 흡기 시 교감신경이 항진되어 심박수가 비규칙적으로 올라갈 수 있고, 호기 시 부교감신경이 항진되어 심박수가 비규칙적으로 내려가는 증상을 예시할 수 있다.

다른 실시예에서, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 시간영역의 시계열 신호인, 상기 대상자의 심전도, 또는 광혈량도(PPG)를 측정할 수 있다.

이후, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 상기 심전도 또는 상기 광혈량도(PPG)에 대해 푸리에 변환을 통하여, 주파수 영역의 심박변이도 스펙트럼을 출력할 수 있다. 즉, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 시간-주파수 사이의 차원 변환을 통해, 심전도 또는 광혈량도를, 심박변이도 스펙트럼으로 표현할 수 있다.

또한, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 상기 심박변이도 스펙트럼 중 중간주파수 영역(MF 영역)의 Power가 증가하면 감성변화가 발생한것으로 측정할 수 있다. 여기서, 낮은주파수(LF) 영역은 주파수 0.01~0.08 Hz, 중간주파수(MF) 영역은 주파수 0.08~0.15 Hz, 높은주파수(HF) 영역은 주파수 0.15~0.4 Hz의 주파수 영역일 수 있다.

또 다른 실시예에서, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 우측 두정측두엽(P4)과, 앞이마중앙부분(Fz)의 활성화가 동시에 일어나는 경우, 상기 감성적 각성도를 논리곱 참으로 측정할 수 있다. 즉, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 대상자의, 얼굴을 포함한 머리에 부착된 다수의 전극 중에서, 우측 두정측두엽(P4)과, 앞이마중앙부분(Fz)에 부착된 특정의 전극에서 뇌파(electroencephalogram: EEG)의 알파영역(8-13 Hz) power 수치가 동시에 증가 또는 감소하는 것이 감지됨에 따라, 측정되는 감성적 각성도가 유효한 것으로 확인할 수 있다.

또한, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 상기 대상자에 대한 쾌-불쾌 정도를 측정한다(620). 단계(620)는 대상자가 갖는 감성에 따라 얼굴이 변화하는 것을 감안하여 상기 대상자의 쾌-불쾌 감을 측정하는 과정일 수 있다.

쾌-불쾌 정도의 측정에 있어, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 얼굴의 근전도(fEMG) 측정을 위한 우측 눈썹에 위치한 fEMG의 값 M2는 증가하나 좌측 볼에 위치한 fEMG의 값 M1은 증가하지 않는 배타적논리합과, 우측 전전두엽의 활성화가 동시에 참일 때, 쾌-불쾌 정도 중 불쾌 정도를 측정할 수 있다.

본 발명의 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 대상자의, 얼굴을 포함한 머리에 부착된 다수의 전극 중에서, 좌측 눈썹 또는 우측 눈썹 위의 fEMG 전극이 측정한 수치가 증가하고 좌측 또는 우측 뺨에서 fEMG전극이 측정한 수치가 감소하면서, 동시에 우측 전전두엽에서 EEG전극이 측정한 신호로부터 우측 전전두엽의 활성화가 증가되는 조건에서, 불쾌한 정도를 측정할 수 있다.

또한, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 상기 감성적 각성도가, 상기 대상자의 자율신경계와 연관되는 육체적 각성도와 동일한 방향으로 변화하면, 상기 감성적 각성도와 상기 쾌-불쾌 정도를 이용하여, 상기 대상자가 갖는 정신적 스트레스를 평가한다(630). 단계(630)는 감성적 각성도가 정신적 스트레스에 주로 기여하여 육체적 각성도에 영향을 주는 반면에 그 역은 반드시 성립하지는 않음을 착안하여, 뇌파에서의 각성도와 심전도에서의 각성도가 동시에 동일한 '+' 또는 '-' 방향으로 변할 때를 감성적 각성도의 변화로 평가 함으로써, 정확도를 높일 수 있다.

정신적 스트레스를 평가하는 데에 있어, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 동방결절의 교감신경 조절과 부교감신경 조절을 구분하기 위한 전체적인 심신경(neurocardiac) 기능을 측정하는 비침습적인 생리지표로서의, 심박변이도(HRV)를 이용하여, 상기 대상자가 갖는 감성상태를 평가할 수 있다.

심박변이도(HRV)의 TP (total power) 증가는 건강한 사람의 경우 심박변이도(HRV)가 불규칙하고 복잡한 양상을 보일 수 있고, 이는 혈중 산소농도, 체온, 혈압 등의 변화에 민감하게 반응하여 빠른 시간 내에 생리적인 균형 상태에 이룰 수 있다는 의미일 수 있다.

심박변이도(HRV)의 TP (total power) 감소는 심박동의 역동적 변화와 복잡성이 감소되었음을 지칭하며, 끊임없이 변화하는 환경에 대한 체내 적응 능력이 감소됨을 의미할 수 있다.

즉, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 심박변이도(HRV)에 대한 TP (total power)의 증감을 분석하여, 대상자의 내적 또는 외적 자극에 대한 대처 능력을 평가할 수 있다.

심박변이도(HRV)의 파워스펙트럼을, LF 영역, MF 영역, 및 HF 영역으로 구분될 수 있다.

여기서, 상기 LF 영역은 주로 교감신경계의 활성도를 반영하고 약간의 부교감신경계의 활성도도 반영하는 영역이고, 상기 HF 영역은 거의 부교감신경계의 활성도를 반영하며, MF 영역은 교감신경계와 부교감신경계의 활성도가 혼합된 영역이지만 부교감신경계의 활성도를 더 많이 반영하는 영역이며, 화(anger)가 나거나 고마운 마음을 가질 때 활성화될 수 있다

이를 위해, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 심박변이도(HRV)의 LF/HF와, Poincare plot의 SD2/SD1 동시에 증가하는 경우 육체적 각성도 증가로 측정할 수 있다.

실시예에 따라, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 설문지를 보충 자료로 활용하여, 상기 대상자에 대한 정신적 스트레스를 보다 정확하게 평가할 수 있다.

이를 위해, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는, 설문지에 의해 진단되는, 상기 대상자의 생리 및 행동을 더 이용하여, 상기 정신적 스트레스를 평가한다.

여기서, 설문지는 대상자의 활력징후(vital sign), 습관 등의 행동 패턴을 파악할 수 있는 질의를 포함하고, 대상자가 보유하는 단말기 등을 통해 제공될 수 있다.

즉, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 감성적 각성도와 쾌-불쾌 정도에 더해, 설문지에 의한 대상자의 답변을 활용하여 대상자의 정신적 스트레스를 보다 정밀하게 정량화 할 수 있다.

실시예에 따라, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 Russell의 2차원 감성평면을 이용하여, 상기 대상자에 대한 정신적 스트레스를 시각적으로 평가할 수 있다.

이를 위해, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 상기 쾌-불쾌 정도와, 상기 감성적 각성도로 이뤄지는 좌표가, Russell의 2차원 감성평면의 제2사분면에 나타나면 스트레스 초기로 평가할 수 있다.

또한, 정신적 스트레스 평가 장치(100)는 상기 좌표가 상기 2차원 감성평면의 제3사분면에 나타나면, 스트레스 말기로 평가할 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 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. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

100 : 정신적 스트레스 평가 장치
110 : 측정부
120 : 평가부

Claims

정신적 스트레스 평가 장치에 의해 구현되는 정신적 스트레스 평가 방법에 있어서,
상기 정신적 스트레스 평가 장치의 측정부에서, 대상자가 갖는 감성에 따라 변화하는 뇌파에 관한 감성적 각성도를 측정하는 단계;
상기 측정부에서, 상기 대상자가 갖는 감성에 따라 변화하는 얼굴에 관한 쾌 불쾌 정도를 측정하는 단계; 및
상기 감성적 각성도가, 상기 대상자의 자율신경계와 연관되는 육체적 각성도와 동일한 방향으로 변화하면,
상기 정신적 스트레스 평가 장치의 평가부에서, 상기 감성적 각성도와 상기 쾌 불쾌 정도를 이용하여, 상기 대상자가 갖는 정신적 스트레스를 평가하는 단계
를 포함하고,
상기 대상자가 갖는 정신적 스트레스를 평가하는 단계는,
[수학식 1]

을 통해, 정신적 스트레스를 평가하는 단계
를 포함하고,
상기 [수학식 1]에서의 Pn(r)은, 전극번호 n에서의 평균적인 power 비율이며, 전극번호 n에서의 뇌 피질 활성화 정도를 나타내는
생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법.
제1항에 있어서,
상기 감성적 각성도를 측정하는 단계는,
상기 대상자의 호흡변화와 심전도, 또는 상기 호흡변화와 광혈량도(photoplethysmogram: PPG)를 동시에 측정하는 단계; 및
상기 동시 측정 중, 호흡성 동성부정맥(respiratory sinus arrhythmia: RSA)이 나타나는 구간을, 상기 감성적 각성도로서 측정하는 단계
를 포함하고,
상기 호흡성 동성부정맥(RSA)은,
상기 호흡변화에 의한 맥박의 불규칙적 변화를 나타내는 부정맥인
생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법.
제1항에 있어서,
상기 감성적 각성도를 측정하는 단계는,
시간영역의 시계열 신호인, 상기 대상자의 심전도, 또는 광혈량도(PPG)를 측정하는 단계;
상기 심전도 또는 상기 광혈량도(PPG)에 대해 푸리에 변환을 통하여, 주파수 영역의 심박변이도 스펙트럼을 출력하는 단계; 및
상기 심박변이도 스펙트럼 중 중간주파수 영역(Medium Frequency, MF 영역: 0.08~0.15 Hz)의 Power가 증가하면 감성변화가 발생한 것으로 측정하는 단계
를 포함하는 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법.
제1항에 있어서,
상기 감성적 각성도를 측정하는 단계는,
우측 두정측두엽(P4)과, 앞이마 중앙부분(Fz)의 활성화가 동시에 일어나는 경우, 상기 감성적 각성도를 논리곱 참으로 측정하는 단계
를 포함하는 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법.
제1항에 있어서,
상기 쾌 불쾌 정도를 측정하는 단계는,
좌측 눈썹 또는 우측 눈썹 위에 위치한 얼굴근전도(facial electromyogram: fEMG)의 값 M2는 증가하나 좌측 볼 또는 우측 볼에 위치한 fEMG의 값 M1은 증가하지 않는 배타적논리합(exclusive OR)과, 우측 전전두엽의 활성화가 동시에 참일 때, 상기 쾌 불쾌 정도 중 불쾌 정도로 측정하는 단계
를 포함하는 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법.
제1항에 있어서,
상기 정신적 스트레스 평가 방법은,
상기 평가부에서, 동방결절의 교감신경 조절과 부교감신경 조절을 구분하기 위한 전체적인 심신경(neurocardiac) 기능을 측정하는 비침습적인 생리지표로서의, 심박변이도(heart rate variability: HRV)를 이용하여, 상기 대상자가 갖는 각성상태를 평가하는 단계
를 더 포함하는 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법.
제6항에 있어서,
상기 심박변이도(HRV)의 파워스펙트럼은,
부교감신경계의 활성도 보다 높은 비율로 교감신경계의 활성도를 반영하는 LF 영역(0.01~0.08 Hz), 부교감신경계의 활성도 만을 반영하는 HF 영역(0.15~0.4 Hz), 및 교감신경계와 부교감신경계의 활성도가 혼합된 영역이지만 교감신경계의 활성도 보다 부교감신경계의 활성도를 높게 반영하는 MF 영역(0.08~0.15 Hz) 으로 구분되고,
상기 대상자가 갖는 각성상태를 평가하는 단계는,
교감신경계와 부교감신경계의 활성도 균형에 관한 LF/HF가 증가하는 경우, 상기 대상자의 감성적 각성도 또는 육체적 각성도가 증가하는 것으로 평가하는 단계; 및
상기 MF영역의 Power가 증가하는 경우, Poincare plot의 타원에서 장반경(SD2)과 단반경(SD1)의 비율(SD2/SD1)이 동시에 증가되면 감성적 각성도가 증가하는 것으로 평가하는 단계
를 포함하는 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법.
제1항에 있어서,
상기 정신적 스트레스 평가 방법은,
상기 평가부에서, 상기 감성적 각성도와 상기 쾌 불쾌 정도에 더해, 설문지의 답변에 따른, 상기 대상자의 생리 및 행동반응을 이용하여, 상기 정신적 스트레스를 평가하는 단계
를 더 포함하는 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법.
제1항에 있어서,
상기 대상자가 갖는 정신적 스트레스를 평가하는 단계는,
상기 감성적 각성도와, 상기 쾌 불쾌 정도로 이뤄지는 좌표가, Russell의 2차원 감성평면의 제2사분면에 나타나면 스트레스 초기로 평가하는 단계; 및
상기 좌표가 상기 2차원 감성평면의 제3사분면에 나타나면, 만성스트레스로 평가하는 단계
를 더 포함하는 생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법.
대상자가 갖는 감성에 따라 변화하는 뇌파에 관한 감성적 각성도와, 상기 대상자가 갖는 감성에 따라 변화하는 얼굴에 관한 쾌 불쾌 정도를 측정하는 측정부; 및
상기 감성적 각성도가, 상기 대상자의 자율신경계와 연관되는 육체적 각성도와 동일한 방향으로 변화하면,
상기 감성적 각성도와 상기 쾌 불쾌 정도를 이용하여, 상기 대상자가 갖는 정신적 스트레스를 평가하는 평가부
를 포함하고,
상기 평가부는,
[수학식 1]

을 통해, 정신적 스트레스를 평가하고,
상기 [수학식 1]에서의 Pn(r)은, 전극번호 n에서의 평균적인 power 비율이며, 전극번호 n에서의 뇌 피질 활성화 정도를 나타내는
생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 장치.
제10항에 있어서,
상기 측정부는,
상기 대상자의 호흡변화와 심전도, 또는 상기 호흡변화와 광혈량도(PPG)를 동시에 측정하고, 상기 동시 측정 중, 호흡성 동성부정맥(RSA)이 나타나는 구간을, 상기 감성적 각성도로서 측정하며,
상기 호흡성 동성부정맥(RSA)은,
상기 호흡변화에 의한 맥박의 불규칙적 변화를 나타내는 부정맥인
생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 장치.
제10항에 있어서,
상기 측정부는,
시간영역의 시계열 신호인, 상기 대상자의 심전도, 또는 광혈량도(PPG)를 측정하고,
상기 심전도 또는 상기 광혈량도(PPG)에 대해 푸리에 변환을 통하여, 주파수 영역의 심박변이도 스펙트럼을 출력하며,
상기 심박변이도 스펙트럼 중 중간주파수 영역(MF 영역: 0.08~0.15 Hz)의 Power가 증가하면 감성변화가 발생한 것으로 측정하는
생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 장치.
제10항에 있어서,
상기 측정부는,
우측 두정측두엽(P4)과, 앞이마 중앙부분(Fz)의 활성화가 동시에 일어나는 경우, 상기 감성적 각성도를 논리곱 참으로 측정하는
생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 장치.
제10항에 있어서,
상기 측정부는,
좌측 눈썹 또는 우측 눈썹 위에 위치한 fEMG의 값 M2는 증가하나 좌측 볼 또는 우측 볼에 위치한 fEMG의 값 M1은 증가하지 않는 배타적논리합(exclusive OR)과, 우측 전전두엽의 활성화가 동시에 참일 때, 상기 쾌 불쾌 정도 중 불쾌 정도로 측정하는
생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 장치.
제10항에 있어서,
상기 평가부는,
동방결절의 교감신경 조절과 부교감신경 조절을 구분하기 위한 전체적인 심신경(neurocardiac) 기능을 측정하는 비침습적인 생리지표로서의, 심박변이도(HRV)를 이용하여, 상기 대상자가 갖는 각성상태를 평가하는
생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 장치.
제15항에 있어서,
상기 심박변이도(HRV)의 파워스펙트럼은,
부교감신경계의 활성도 보다 높은 비율로 교감신경계의 활성도를 반영하는 LF 영역(0.01~0.08 Hz), 부교감신경계의 활성도 만을 반영하는 HF 영역(0.15~0.4 Hz), 및 교감신경계와 부교감신경계의 활성도가 혼합된 영역이지만 교감신경계의 활성도 보다 부교감신경계의 활성도를 높게 반영하는 MF 영역(0.08~0.15 Hz)으로 구분되고,
상기 평가부는,
교감신경계와 부교감신경계의 활성도 균형에 관한 LF/HF가 증가하는 경우, 상기 대상자의 감성적 각성도 또는 육체적 각성도가 증가하는 것으로 평가하고,
상기 MF영역의 Power가 증가하는 경우, Poincare plot의 타원에서 장반경(SD2)과 단반경(SD1)의 비율(SD2/SD1)이 동시에 증가되면 감성적 각성도가 증가하는 것으로 평가하는
생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 장치.
제10항에 있어서,
상기 평가부는,
상기 감성적 각성도와 상기 쾌 불쾌 정도에 더해, 설문지의 답변에 따른, 상기 대상자의 생리 및 행동반응을 이용하여, 상기 정신적 스트레스를 평가하는
생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 장치.
제10항에 있어서,
상기 평가부는,
상기 감성적 각성도와, 상기 쾌 불쾌 정도로 이뤄지는 좌표가, Russell의 2차원 감성평면의 제2사분면에 나타나면 스트레스 초기로 평가하고,
상기 좌표가 상기 2차원 감성평면의 제3사분면에 나타나면, 만성스트레스로 평가하는
생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 장치.
제1항에 있어서,
상기 대상자가 갖는 정신적 스트레스를 평가하는 단계는,
하기의 [수학식 2] 및 [수학식 3]을 통해, 상기 정신적 스트레스를 평가하는 단계
를 더 포함하고,
상기 [수학식 2]는,

이고, 상기 [수학식 2]의 Aff(Va)은, 쾌락도(Affective Valence) 지표이며 '+'이면 쾌이고, '-'이면 불쾌로 평가하고,
상기 [수학식 3]은,

또는
이고, 상기 [수학식 3]의 Aff(Ar)은, P4 또는 Fz 위치에서 뇌 피질의 활성화 정도를 나타내는 감성적 각성도(Affective Arousal) 지표이며 증가할수록 각성상태가 높아지는 것으로 평가되고, 감소할수록 각성상태가 낮아지는 것으로 평가하는
생체신호 기반 불쾌도 및 감성적 각성도 측정을 이용한 정신적 스트레스 평가 방법.