KR102513099B1 - 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
개인별 뇌파 데이터를 이용하여 개인의 신경생리학적 특성을 반영할 수 있도록 뇌파 기반의 개인 맞춤형 경두개 전기자극 주파수를 결정하여 경두개 전기자극의 효과를 극대화할 수 있는 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법은 사용자의 인지 과제 수행 중에 뇌파 데이터를 수집하는 단계; 상기 뇌파 데이터를 이용하여 후두엽 영역의 채널들에 대해 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석을 수행하는 단계; 및 상기 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과를 기초로 개인별 경두개교류자극을 위한 자극 주파수를 결정하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다량의 데이터베이스 없이 사용자에 대해 측정된 뇌파(electroencephalography: EEG) 데이터를 이용하여 신속·정확하게 경두개교류자극의 자극 주파수를 자동으로 결정하는 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법에 관한 것이다.
경두개 전기자극(transcranial electrical stimulation: tES)은 0.5 - 2 mA의 미세한 직류나 교류 등의 전류를 대상자의 두피에 비침습적으로 인가하여 뇌를 자극하는 방식으로, 뇌신경 활성 상태를 조절하여 뇌 기능 향상을 돕고, 정신적, 신체적 뇌 손상에 따른 후유 장애 회복에 활용될 수 있다. 경두개 전기자극은 특히 신경계 통증 및 우울증 등의 정신 질환 증상을 완화하거나, 알츠하이머와 같이 다양한 뇌병변 발병 후에 흔히 나타나는 인지 기능 장애를 개선하는 효과가 있다고 알려져 있다.
경두개 전기자극의 인가 위치는 대상자의 질환 및 치료 목적에 따라 상이한데, 인지 재활의 경우 뇌의 인지 영역에 전기 자극을 인가하게 된다. 이때, 자극 주파수는 인지 능력과 연관이 있다고 알려진 세타(theta) 대역(4-7 Hz) 혹은 감마(gamma) 대역(30-50 Hz)을 사용하여 인가될 수 있다. 이와 같이 인지 기능과 연관이 있다고 알려진 특정 자극 주파수를 경두개 교류자극의 자극 주파수로 사용하여 인지 기능의 향상 효과를 유도하는 방식은 하나의 고정된 주파수를 사용하기에, 개인마다 상이한 뇌의 신경생리학적 특성을 반영할 수 없으며, 사용자의 개인별 특성을 고려하지 못하여 뇌전기자극의 효과를 극대화하지 못하는 한계가 있다. 등록특허공보 제10-1949079호(2019.02.15. 공고)에는 개인별 고유 인지 주파수 동조 장치 및 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 기록 매체가 개시되어 있다.
본 발명은 개인별 뇌파 데이터를 이용하여 개인의 신경생리학적 특성을 반영할 수 있도록 뇌파 기반의 개인 맞춤형 경두개 전기자극 주파수를 결정하여 경두개 전기자극의 효과를 극대화할 수 있는 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법은 뇌파 데이터 수집부에 의해, 사용자의 인지 과제 수행 중에 뇌파 데이터를 수집하는 단계; 사건 관련 동기화 분석부에 의해, 상기 뇌파 데이터를 이용하여 후두엽 영역의 채널들에 대해 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석을 수행하는 단계; 및 자극 주파수 결정부에 의해, 상기 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석의 결과를 기초로 개인별 경두개교류자극을 위한 자극 주파수를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법은 기술 수행 수준 평가부에 의해, 상기 자극 주파수를 상기 사용자에게 인가한 후에 상기 사용자의 인지 과제 수행에 따른 기술 수행 수준을 평가하여 상기 자극 주파수 인가 전에 수행된 인지 과제 수행에 따른 기술 수행 수준과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 자극 주파수를 결정하는 단계는 사건 관련 동기화 분석 결과 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과를 기초로, 상기 사용자의 인지 과제 수행 중에 상기 후두엽 영역에서 사건 관련 동기화 값이 가장 크게 나타나는 주파수를 자극 주파수로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법을 실행시키도록 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치는 사용자의 인지 과제 수행 중에 뇌파 데이터를 수집하도록 구성되는 뇌파 데이터 수집부; 상기 뇌파 데이터를 이용하여 후두엽 영역의 채널들에 대해 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석을 수행하도록 구성되는 사건 관련 동기화 분석부; 및 상기 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과를 기초로 개인별 경두개교류자극을 위한 자극 주파수를 결정하도록 구성되는 자극 주파수 결정부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치는 상기 자극 주파수를 상기 사용자에게 인가한 후에 상기 사용자의 인지 과제 수행에 따른 기술 수행 수준을 평가하여 상기 자극 주파수 인가 전에 수행된 인지 과제 수행에 따른 기술 수행 수준과 비교하도록 구성되는 기술 수행 수준 평가부를 더 포함할 수 있다.
상기 자극 주파수 결정부는 사건 관련 동기화 분석 결과 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과를 기초로, 상기 사용자의 인지 과제 수행 중에 상기 후두엽 영역에서 사건 관련 동기화 값이 가장 크게 나타나는 주파수를 자극 주파수로 결정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 간단한 뇌파 측정을 통해 개인 맞춤형 자극 주파수를 모색하여 인지기능 향상을 위한 최적의 경두개 전기자극의 주파수를 제공해줌으로써 보다 효과적인 뇌전기 자극 치료를 수행할 수 있게 해준다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 뇌파와 경두개 전기자극기 모듈을 결합한 포터블 시스템에 적용하여 뇌전기 자극 재활의 홈케어 가능성을 높일 수 있으며, 시·공간 제약 없는 지속적인 치료를 통한 재활 효과 증대에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법의 순서도이다.
도 2는 뇌파 측정 및 전기자극 인가를 위한 전극 배치도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법의 성능 검증을 위한 실험 패러다임을 나타낸 개념도이다.
도 5는 인지기능 향상 효과를 검증하기 위해 인가된 실제 자극과 가짜 자극을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법에 따라 인지 과제 수행 중에 나타나는 ERD/ERS 패턴을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법의 자극 주파수에 따른 평균 기술 지수 성능을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법의 인지기능 관련 EEG의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 뇌파 측정 및 전기자극 인가를 위한 전극 배치도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법의 성능 검증을 위한 실험 패러다임을 나타낸 개념도이다.
도 5는 인지기능 향상 효과를 검증하기 위해 인가된 실제 자극과 가짜 자극을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법에 따라 인지 과제 수행 중에 나타나는 ERD/ERS 패턴을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법의 자극 주파수에 따른 평균 기술 지수 성능을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법의 인지기능 관련 EEG의 변화를 나타낸 그래프이다.
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 수 있으며, 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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 '~부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. '~부'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소에 의해 분리되어 수행되거나, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다. 본 명세서의 '~부'는 반드시 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되지 않으며, 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고, 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법은 사용자의 인지 과제 수행 중에 수집되는 뇌파 데이터를 이용하여 후두엽 영역의 채널들에 대해 사건 관련 동기화 분석(event related synchronization: ERS) 또는 사건 관련 비동기화 분석(event related desynchronization: ERD)을 수행하고, 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과를 기초로 개인별 경두개 교류자극을 위한 자극 주파수를 결정한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 개인별 뇌파 데이터를 이용하여 개인의 신경생리학적 특성이 반영된 자극 주파수의 전기자극 인가를 통해 경두개 전기자극의 효과를 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법의 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법은 사용자의 인지 과제 수행 중에 수집되는 뇌파 데이터를 이용하여 후두엽 영역의 채널들에 대해 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석을 수행하는 단계와, 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과를 기초로 개인별 경두개교류자극을 위한 자극 주파수를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
개인 맞춤형 경두개 교류자극의 자극 주파수를 결정하는 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저 본 발명의 실시예에 따른 성능을 검증하기 위하여, 피험자를 개인 맞춤 자극 주파수를 인가받는 그룹과, 고정된 자극 주파수를 인가받는 그룹으로 분류하였다 (S10).
다음으로, 뇌파 데이터 수집부를 이용하여 사용자의 인지 과제 수행 중에 혹은 인지 과제 수행 후에 뇌파 데이터를 수집할 수 있다(S20).
도 2는 뇌파 측정 및 전기자극 인가를 위한 전극 배치도이다. 도 2에서 'P3', 'P4'로 나타낸 전극은 각각 경두개 전기자극을 인가하기 위한 양극(anode) 전극과 음극(cathode) 전극이다. 뇌파 데이터 수집부는 도 2에 도시된 전극들 중 양극 전극과 음극 전극을 제외한 나머지 두피 전극을 통해 인지 과제 수행 중(혹은 수행 직후)의 뇌파 데이터를 수집할 수 있다.
사건 관련 동기화 분석부는 뇌파 데이터 수집부에 의해 수집된 뇌파 데이터를 이용하여 후두엽 영역의 채널들에 대해 사건 관련 동기화(ERS) 분석 또는 사건 관련 비동기화(ERD) 분석을 수행할 수 있다(S30). 사건 관련 동기화 분석부는 ERS 분석 및/또는 ERD 분석을 통해 시간축과 주파수축의 2차원 시간-주파수 영역에 대해 사용자의 인지 과제 수행과 동기화되어 뇌의 활성이 나타나는 영역을 추출할 수 있다. ERS/ERD 분석 방식은 이미 알려져 있으므로, 본 발명의 요지가 흐려지지 않도록 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
자극 주파수 결정부는 사용자의 뇌파 데이터에 대한 사건 관련 동기화 분석 결과(또는 사건 관련 비동기화 분석 결과)를 기초로 개인별 경두개교류자극을 위한 자극 주파수를 결정할 수 있다(S40). 이때, 자극 주파수 결정부는 사건 관련 동기화/비동기화 분석 결과에서 사용자의 인지 과제 수행 중에 후두엽 영역에서 사건 관련 동기화 값이 가장 크게 나타나는 주파수(예를 들어, 2차원 시간-주파수 영역 중 ERS 값이 가장 크게 나타나는 영역에 해당하는 주파수)를 자극 주파수로 결정할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 의하면, 간단한 뇌파 측정을 통해 개인 맞춤형 자극 주파수를 모색하여 인지기능 향상을 위한 최적의 경두개 전기자극의 주파수를 제공해줌으로써 사용자에게 보다 효과적인 뇌전기 자극 치료를 수행할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 뇌파와 경두개 전기자극기 모듈을 결합한 포터블 시스템에 적용하여 뇌전기 자극 재활의 홈케어 가능성을 높일 수 있으며, 시·공간 제약 없는 지속적인 치료를 통한 재활 효과 증대에 기여할 수 있다.
사용자의 사건 관련 동기화 분석 결과를 기초로 개인별 경두개 교류자극을 위한 자극 주파수가 결정되면, 개인별 자극 주파수를 이용하여 사용자에게 경두개 전기자극을 인가하고, 다시 사용자의 인지 과제 수행 중의 뇌파 데이터를 수집할 수 있다(S50). 이후, 단계 S20과 단계 S50에서 각각 수집된 뇌파 데이터를 기초로 사용자의 뇌파 변화 및 기술 수행 수준을 비교하는 과정을 수행할 수 있다.
사용자의 인지 과제 수행 중의 기술 수행 수준은 기술 수행 수준 평가부에 의해 평가될 수 있다. 기술 수행 수준 평가부는 개인별 자극 주파수의 인가 전과 후의 사용자의 기술 수행 수준을 평가하며, 이를 통해 사용자의 기술 수행 수준이 자극 주파수 인가 전과 비교하여 어느 정도로 개선되는지를 정량적으로 분석할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치를 나타낸 구성도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치(100)는 경두개 전기자극 주파수 분석부(102)와, 제어부(104)를 포함할 수 있다.
경두개 전기자극 주파수 분석부(102)는 사용자의 인지 과제 수행 중에 수집되는 뇌파 데이터를 이용하여 후두엽 영역의 채널들에 대해 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석을 수행하고, 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과를 기초로 개인별 경두개교류자극을 위한 자극 주파수를 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(104)는 뇌파 데이터를 이용하여 개인별 자극 주파수를 결정하기 위한 프로그램이 기록된 메모리와, 메모리에 저장된 프로그램의 실행을 통해 경두개 전기자극 주파수 분석부(102)를 제어하여 사용자의 뇌파 데이터를 기초로 경두개 교류자극 인가를 위한 개인별 자극 주파수를 결정하는 기능을 수행하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 개인 맞춤형 자극 주파수의 결정을 위해, 경두개 전기자극 주파수 분석부(102)는 뇌파 데이터 수집부(140), 및 경두개 전기자극 주파수 결정부(150)를 포함할 수 있다. 경두개 전기자극 인가부(110) 및 자극 주파수 조절부(120)는 경두개 전기자극 주파수 결정부(150)에 의해 결정된 자극 주파수에 따라 사용자에게 경두개 전기자극을 인가할 수 있다. 과제 수행 정보 입력부(130)는 기술 수행 수준 평가부에 해당하는 것으로, 사용자에게 자극 주파수가 인가되기 전과 후의 인지 과제 수행에 따른 기술 수행 수준을 평가/비교할 수 있다.
뇌파 데이터 수집부(140)는 사용자의 인지 과제 수행 중에(혹은 인지 과제 수행 후에) 뇌파 데이터를 수집할 수 있다. 실시예에서, 뇌파 데이터 수집부(140)는 사용자가 헤드셋 형태로 귀 부분이나 귀 주변 부분 혹은 두부 등에 착용하여 뇌파를 수집하는 착용형 뇌파 수집 장치를 포함할 수 있다. 뇌파 데이터 수집부(140)는 뇌파를 수집하기 위한 하나 이상의 뇌파 수집 전극과, 뇌파 수집 전극에 의해 수집되는 뇌파 데이터를 경두개 전기자극 주파수 결정부(150)로 전달하는 데이터 입출력부를 포함할 수 있다.
경두개 전기자극 주파수 결정부(150)는 뇌파 데이터 수집부(140)에 의해 수집된 뇌파 데이터를 이용하여 경두개 전기자극을 위한 개인별 자극 주파수를 결정할 수 있다. 실시예에서, 경두개 전기자극 주파수 결정부(150)는 뇌파 데이터 수신부(152), 사건 관련 동기화 분석부(154), 및 자극 주파수 결정부(156)를 포함할 수 있다.
사건 관련 동기화 분석부(154)는 뇌파 데이터 수신부(152)에 의해 뇌파 데이터 수집부(140)로부터 수신한 사용자의 뇌파 데이터(인지 과제 수행 중에 수집된 뇌파)를 이용하여 후두엽 영역의 채널들에 대해 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석을 수행할 수 있다. 자극 주파수 결정부(156)는 사용자의 뇌파 데이터에 대한 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과를 기초로 개인별 경두개 교류자극을 위한 자극 주파수를 결정할 수 있다.
자극 주파수 결정부(156)는 사용자의 뇌파 데이터로부터 도출된 사건 관련 동기화/비동기화 분석 결과의 2차원 시간-주파수 영역 중 사용자의 인지 과제 수행 중에 후두엽 영역에서 사건 관련 동기화 값이 가장 크게 나타나는 주파수를 자극 주파수로 결정할 수 있다.
경두개 전기자극 주파수 결정부(150)에 의해 결정된 자극 주파수는 자극 주파수 조절부(120)로 전달될 수 있다. 자극 주파수 조절부(120)는 경두개 전기자극 인가부(110)를 제어하여 경두개 전기자극 인가부(110)로부터 자극 주파수에 해당하는 경두개 전기자극이 사용자에게 제공될 수 있도록 할 수 있다.
경두개 전기자극 인가부(110)는 자극 주파수 조절부(120)에 따라 사용자에 개인별 자극 주파수의 경두개 전기자극을 인가할 수 있다. 경두개 전기자극 인가부(110)는 예를 들어, 양극/음극 전극(도 2의 도면부호 P3, P4)을 통해 사용자에게 자극 주파수의 경두개 전기자극을 인가할 수 있다.
과제 수행 정보 입력부(130)는 사용자의 인지 과제 수행에 따른 과제 수행 정보를 입력할 수 있다. 즉, 과제 수행 정보 입력부(130)는 자극 주파수 인가 전과 인가 후에 사용자의 인지 과제 수행 정보를 각각 입력받을 수 있다. 과제 수행 정보 입력부(130)는 사용자가 키보드, 마우스, 터치패드 등의 입력 인터페이스를 이용하여 간단한 수학 연산 등의 인지 과제 수행 결과를 경두개 전기자극 인가 전, 후로 각각 입력할 수 있도록 구성될 수 있다.
과제 수행 정보 입력부(130)는 기술 수행 수준 평가부에 의해 개인별 자극 주파수 인가 전과 후의 사용자의 인지 과제 수행에 따른 기술 수행 수준을 평가하고 비교함으로써, 사용자의 기술 수행 수준이 자극 주파수 인가 전과 비교하여 어느 정도로 개선되는지를 정량적으로 분석할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 간단한 뇌파 측정을 통해 개인 맞춤형 자극 주파수를 모색하여 인지기능 향상을 위한 최적의 경두개 전기자극의 주파수를 제공해줌으로써 보다 효과적인 뇌전기 자극 치료를 수행할 수 있게 해준다. 또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 뇌파와 경두개 전기자극기 모듈을 결합한 포터블 시스템에 적용하여 뇌전기 자극 재활의 홈케어 가능성을 높일 수 있으며, 시·공간 제약 없는 지속적인 치료를 통한 재활 효과 증대에 기여할 수 있다.
이하에서 상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법의 성능 검증을 위한 실험에 대해 설명한다. 간단한 인지 과제 수행 중에 측정한 뇌파 데이터를 활용하여 경두개 전기자극을 위한 개인별 자극 주파수를 결정하는 실험을 수행하였다.
EEG 데이터 수집에 앞서, 자극 주파수에 따른 인지기능 향상 효과를 비교하기 위해, 피험자들을 40 Hz (gamma tES) 고정 주파수를 사용하는 그룹과, 개인의 신경생리학적 특성을 반영하는 개별 자극 주파수(individual frequency tES: IF tES)를 사용하는 그룹으로 나누어 실험을 진행하였다.
모든 피험자들은 경두개전기자극의 실질적인 인지기능 향상 효과를 비교 검증하기 위해 실제 자극 인가부와 가짜 자극 인가부에 의해 실제 자극과 가짜(sham) 자극을 무작위 순서로 서로 다른 날에 인가 받도록 하였다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법의 성능 검증을 위한 실험 패러다임을 나타낸 개념도이다. 도 5는 인지기능 향상 효과를 검증하기 위해 인가된 실제 자극(tACS)과 가짜 자극(Sham)을 나타낸 예시도이다. 가짜 자극은 실제 자극 보다 훨씬 짧은 지속 시간 동안 인가되었다.
개발 알고리즘 구현 및 검증을 위해 피험자는 모니터에 나타나는 3자리 수에서 1자리 수를 십자 표시가 나타나는 10초 동안 반복적으로 빼는 과제를 반복 수행하였으며, 이를 통해 계산한 마지막 수를 키보드를 이용하여 입력하는 인지 과제를 자극 전, 후로 각각 40회씩 수행하였다. 인지 과제 시행 전에 피험자가 30초간 눈을 뜬 후 30초간 감도록 하였으며, 정답과 오답을 기록하여 기술 수행 수준을 평가하였다.
30명의 피험자를 대상으로 57개의 두피 전극을 통해 간단한 인지 과제 수행 중의 뇌파 데이터를 수집하였으며, tACS 자극 인가를 위해 양극(anode), 음극(cathode) 전극을 각각 P3/P4에 부착하였다. 뇌파 측정시 유입된 동잡음을 제거하기 위한 전처리 이후, 암산 시작 시점을 기준으로 전·후로 각각 2초, 10씩, 총 12초 구간을 하나의 시행(trial)으로 간주하여 분할(epoch)하였다.
안구전도(EOG)와 같은 동잡음을 제거하기 위해, 수집된 뇌파 신호에 대역 통과 필터(예를 들어, 4 ~ 50 Hz 대역 통과 필터)를 적용한 다음, 공통 평균 기준법(Common average reference: CAR) 및 적응형 필터(Adaptive filter)를 적용한 이후, 암산 시작 시점을 기준으로로 데이터(-2초 ~ 10초 구간)를 분할하였다. 다음으로, 생리학적 아티팩트(예를 들어, 크기가 75 μV 이상인 신호)를 제거하여 뇌파 데이터를 전처리하였다.
자극 인가 전 인지 과제 수행 중의 뇌파 데이터를 기반으로 사건 관련 동기화 분석(또는 사건 관련 비동기화 분석)을 수행하여 각 피험자의 개인 맞춤형 자극 주파수를 결정하였다. 개인 맞춤형 자극 주파수는 자극 인가 전에 측정한 인지 과제 수행 중의 데이터를 사용하여 후두엽 영역의 채널들에 대해 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석을 통해 결정하였다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법에 따라 인지 과제 수행 중에 나타나는 ERD/ERS 패턴을 나타낸 예시도이다. 다수의 전극에 의해 수집된 다수의 채널들 중 피험자의 인지과제 수행 중 후두엽 영역에서 눈에 띄게 나타나는 ERS 값이 가장 크게 확인된 주파수를 자극 주파수로 결정하였다.
성능 검증을 위해, 자극 주파수에 따라 모든 피험자들로부터 자극 전, 후에 측정한 각각의 40 시행(trial)에 해당하는 계산 정확도 및 1회 계산 당 소요시간을 통해 산출한 기술 지수(정확도/계산 시간)와, IF ± 2 Hz 대역에 대한 EEG-ERD/ERS값을 정량화하여 자극에 의한 인지기능의 행동적 변화와 EEG 패턴 변화를 확인하였다. 여기서 'IF(indivisual frequency)'는 개인 맞춤형 자극 주파수이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법의 자극 주파수에 따른 평균 기술 지수 성능을 나타낸 그래프이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법의 인지기능 관련 EEG의 변화를 나타낸 그래프이다.
자극 전·후에 측정한 계산 정확도 및 1회 계산 당 소요시간을 통해 기술 지수(정확도/계산 시간)를 정량화 하여 자극 주파수에 따른 인지기능의 행동적 변화를 확인하였다. 도 7 및 도 8의 도시에서 알 수 있듯이, 자극 주파수와 무관하게 실제 자극을 인가할 경우 자극 전 대비 자극 후 기술 지수가 유의미하게 증가하였다.
또한, IF ± 2 Hz (IF : 개인 맞춤형 자극 주파수) 대역에 대한 ERD/ERS 값을 정량화하여 자극 주파수에 따른 뇌파 패턴 변화를 확인하였다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 자극 주파수에 상관 없이 실제 자극을 인가할 경우 자극 전 대비 자극 후 평균 ERS가 감소하여 인지 기능이 유의미하게 증가하는 것을 확인하였다(윌콕슨 부호 순위 검정, p < 0.05).
IF 그룹(개인 맞춤형 자극 주파수를 인가한 그룹)의 경우, tES를 인가받을 경우, 자극 전 대비 자극 후 ERS가 감마(gamma) 그룹(고정된 감마 대역 주파수를 인가한 그룹) 보다 유의미하게 감소하는 것을 확인하였다. 이는 본 발명의 실시예에 따른 IF tES 방식이 고정된 감마 대역으로 자극을 인가하는 감마(gamma) tES와 비교하였을 때, 동일한 작업을 수행함에 있어 더 적은 뇌 자원을 사용하여 효율적으로 인지 기능을 향상시킬 수 있음을 시사한다.
상술한 실험 결과를 통해, 본 발명의 실시예에 의하면, 하나의 고정된 tES 자극 주파수를 인가하는 방법이 아닌, 개인의 신경생리학적 특성이 고려된 tES 자극을 인가함으로써, 효율적인 인지 기능 향상 효과를 유도할 수 있음을 확인하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 보다 효과적인 인지기능 향상을 위한 tES 자극 주파수를 제공하기 위해 EEG 기반의 개인 맞춤형 자극 주파수 결정 알고리즘을 제안하였으며, 개인 맞춤형 자극 주파수를 통해 tES 자극을 인가할 경우 기존의 고정된 자극 주파수 대비 동일한 작업을 수행함에 있어서 더 적은 뇌 자원을 사용하여 효율적으로 인지기능을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법에 의하면, 간단한 뇌파 측정을 통해 인지기능 향상을 위한 최적의 경두개전기자극의 주파수를 제공해 줌으로써 홈케어 뇌자극 시스템의 상용 가능성을 높이고, 보다 효과적인 뇌 전기 자극 치료 효과를 기대할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들의 구성 중 적어도 일부는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/ 또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(Arithmetic Logic Unit), 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(Field Programmable Gate Array), PLU(Programmable Logic Unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다.
처리 장치는 운영 체제 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(Processing Element) 및/또는 복수 유형의 처리요소를 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(Parallel Processor) 와 같은, 다른 처리 구성(Processing configuration)도 가능하다. 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 장치에 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.
실시예에 따른 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. 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), CDROM, DVD와 같은 광기록 매체(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.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 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 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
100 : 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치
102 : 경두개 전기자극 주파수 분석부
104 : 제어부
110 : 경두개 전기자극 인가부
120 : 자극 주파수 조절부
130 : 과제 수행 정보 입력부
140 : 뇌파 데이터 수집부
150 : 경두개 전기자극 주파수 결정부
152 : 뇌파 데이터 수신부
154 : 사건 관련 동기화 분석부
156 : 자극 주파수 결정부
102 : 경두개 전기자극 주파수 분석부
104 : 제어부
110 : 경두개 전기자극 인가부
120 : 자극 주파수 조절부
130 : 과제 수행 정보 입력부
140 : 뇌파 데이터 수집부
150 : 경두개 전기자극 주파수 결정부
152 : 뇌파 데이터 수신부
154 : 사건 관련 동기화 분석부
156 : 자극 주파수 결정부
Claims (7)
- 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법을 실행시키도록 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램으로서,
상기 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법은:
뇌파 데이터 수집부에 의해, 사용자의 인지 과제 수행 중에 뇌파 데이터를 수집하는 단계;
사건 관련 동기화 분석부에 의해, 상기 뇌파 데이터를 이용하여 후두엽 영역의 채널들에 대해 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석을 수행하는 단계; 및
자극 주파수 결정부에 의해, 상기 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과를 기초로 개인별 경두개교류자극을 위한 자극 주파수를 결정하는 단계를 포함하고,
상기 자극 주파수를 결정하는 단계에서, 상기 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과를 기초로 시간축과 주파수축의 2차원 시간-주파수 영역에 대해 사용자의 인지 과제 수행과 동기화되어 뇌의 활성이 나타나는 영역이 추출되어 상기 개인별 경두개교류자극을 위한 자극 주파수를 결정하는데 이용되고,
상기 자극 주파수를 결정하는 단계는 상기 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과에서 상기 사용자의 인지 과제 수행 중에 상기 후두엽 영역에서 사건 관련 동기화 값이 가장 크게 나타나는 주파수를 자극 주파수로 결정하는 단계를 포함하는, 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법을 실행시키도록 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램. - 청구항 1에 있어서,
기술 수행 수준 평가부에 의해, 상기 자극 주파수를 상기 사용자에게 인가한 후에 상기 사용자의 인지 과제 수행에 따른 기술 수행 수준을 평가하여 상기 자극 주파수 인가 전에 수행된 인지 과제 수행에 따른 기술 수행 수준과 비교하는 단계를 더 포함하는, 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 방법을 실행시키도록 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램. - 사용자의 인지 과제 수행 중에 뇌파 데이터를 수집하도록 구성되는 뇌파 데이터 수집부;
상기 뇌파 데이터를 이용하여 후두엽 영역의 채널들에 대해 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석을 수행하도록 구성되는 사건 관련 동기화 분석부; 및
상기 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과를 기초로 개인별 경두개교류자극을 위한 자극 주파수를 결정하도록 구성되는 자극 주파수 결정부를 포함하고,
상기 자극 주파수 결정부에 의해, 상기 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과를 기초로 시간축과 주파수축의 2차원 시간-주파수 영역에 대해 사용자의 인지 과제 수행과 동기화되어 뇌의 활성이 나타나는 영역이 추출되어 상기 개인별 경두개교류자극을 위한 자극 주파수를 결정하는데 이용되고,
상기 자극 주파수 결정부는 상기 사건 관련 동기화 분석 또는 사건 관련 비동기화 분석 결과에서 상기 사용자의 인지 과제 수행 중에 상기 후두엽 영역에서 사건 관련 동기화 값이 가장 크게 나타나는 주파수를 자극 주파수로 결정하는, 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 자극 주파수를 상기 사용자에게 인가한 후에 상기 사용자의 인지 과제 수행에 따른 기술 수행 수준을 평가하여 상기 자극 주파수 인가 전에 수행된 인지 과제 수행에 따른 기술 수행 수준과 비교하도록 구성되는 기술 수행 수준 평가부를 더 포함하는, 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치. - 삭제
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| KR1020220098989A KR102513099B1 (ko) | 2022-08-09 | 2022-08-09 | 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법 |
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| KR1020220098989A KR102513099B1 (ko) | 2022-08-09 | 2022-08-09 | 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법 |
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| KR1020220098989A KR102513099B1 (ko) | 2022-08-09 | 2022-08-09 | 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법 |
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| WO (1) | WO2024035098A1 (ko) |
Cited By (3)
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| CN116661609A (zh) * | 2023-07-27 | 2023-08-29 | 之江实验室 | 一种认知康复训练方法、装置、存储介质及电子设备 |
| CN117407729A (zh) * | 2023-12-15 | 2024-01-16 | 杭州般意科技有限公司 | 经颅交流电设备的刺激效果评估方法、装置、终端及介质 |
| WO2024035098A1 (ko) * | 2022-08-09 | 2024-02-15 | 고려대학교 세종산학협력단 | 개인 맞춤형 경두개 전기자극을 이용한 인지기능 향상 장치 및 방법 |
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| CN117407729A (zh) * | 2023-12-15 | 2024-01-16 | 杭州般意科技有限公司 | 经颅交流电设备的刺激效果评估方法、装置、终端及介质 |
| CN117407729B (zh) * | 2023-12-15 | 2024-03-01 | 杭州般意科技有限公司 | 经颅交流电设备的刺激效果评估方法、装置、终端及介质 |
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