KR102538311B1 - 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 - Google Patents
통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS)를 통합한 장치와, 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS)를 통합한 장치를 원격으로 제어하고 측정된 데이터를 관리하는 소프트웨어로 구성되어 경량, 소형이자 무선의 경두개 직류전류 자극 및 기능성 근적외선 분광 장치를 통해 사용자의 대뇌 전전두엽 부분의 뇌기능 활성화인 뇌 혈역학적 활성화 정도를 측정할 수 있고, 별도의 보조 채널을 통해 뇌 활성화와 무관하며 인체 활동에 의해 발생하는 잡음들을 제거하여 저 잡음의 고품질 혈역학 신호를 추출하며, 인지능력 활성화와 집중력 증진은 물론 우울증, 스트레스 등을 개선할 수 있는 다양한 전류 자극 프로그램을 선택하여 활용할 수 있고 블루투스 통신 규격이 내장된 저전력 블루투스 모듈을 통해 고속의 저전력 소비를 구현하면서 스마트폰과 노트북 PC 등 다양한 블루투스 지원 장비와 연결되어 사용자의 뇌기능 활성화 척도인 혈역학적 활성화 정보를 관리하며, 낮은 제작 단가를 가지고 짧은 시간 동안에 대량 생산이 가능하고, 뇌기능 활성화 척도인 혈역학적 활성화 정보를 클라우드 스토리지 상에 저장하여 빅데이터의 형태로 관리하며, 이를 기반으로 개별 사용자에게 최적화된 난이도의 인지 활동 게임과 혈역학적 활성화 분석 결과를 제공할 수 있는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 뇌 신경 조절(neuromodulation) 기술과 측정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 근적외선 분광기(fNIRS)와 경두개 직류전류 자극기(tDCS)를 하나의 통합 장비로 구성하고, 프로그램을 통해 해당 통합 장비가 뇌기능 활성화를 증진시키도록 작동시키고 그 증진된 양을 측정할 수 있으며, 뇌기능 활성화 척도인 혈역학적 활성화 정보를 클라우드 스토리지 상에 저장하여 빅데이터의 형태로 관리하며, 이를 기반으로 개별 사용자에게 최적화된 난이도의 인지 활동 게임과 혈역학적 활성화 분석 결과를 제공할 수 있는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템에 관한 것이다.
20세기 뇌과학 연구의 대표적 패러다임인 뇌 영상기술(neuroimaging)의 발전에 힘입어, 뇌의 해부학적 구조뿐 아니라 고등 인지 활동을 포함한 각종 기능에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 뇌 영상기술은 뇌의 활성화를 관측할 수 있을 뿐, 그 자체로는 뇌 신경의 활성을 보조하거나 증진할 수 없다는 명확한 한계를 지니고 있다.
이러한 상황에서 뇌의 활성도를 변화시킬 수 있는 기술로서 각종 신경 조절 기술이 각광받게 되었으며, 고령화 사회를 맞아 최근 뇌 신경 조절을 위한 뇌 자극 방법이 매우 빠르게 성장하고 있으며 향후 맞춤형 신경 조절 기술에 대한 수요는 더욱 늘어날 전망이다.
신경 조절 기술은 신경계의 일부를 활성시키거나 억제시키는 기술이다. 뇌는 전기화학적인 신호를 통해 정보를 전달한다. 그래서 뇌를 조절하기 위해서 전류를 직접 가하는 방식이나 화학물질을 투여하는 방식이 주로 사용되고 있으며, 대표적인 신경 조절 기술로는 경두개 직류전류 자극술(transcranial direct current stimulation, tDCS)이 있다.
경두개 직류전류 자극술(tDCS)은 직류전류를 활용한 신경 조절 기술로, 보다 구체적으로는, 두피를 통하여 미세전류를 흘려주면 그 중의 10 ~ 20 %에 해당하는 직류 전류가 뇌 피질(cortical area)에 도달하여 활동 전위(action potential)을 유발하지 않는 역치 이하 전위 변화를 일으키고 이를 이용해 뇌신경의 활성 양상에 영향을 미치는 기술이다.
이러한 경두개 직류전류 자극술(tDCS)은 특정 신경세포를 직접 자극하는 것이 아닌 비 침습적으로 두피의 특정 영역에 미세전류를 흘려 원하는 지점에 있는 신경세포들에 대한 활성화를 증진시킬 수 있다는 점이 특징이다. 또한 직접 신경세포의 활동 전위를 만들어내는 것이 아니라 기본적인 휴지 전위를 높여 활동 전위가 잘 생길 수 있도록 만들어주는 기술이라는 점도 중요한 특징이다.
한편, 뇌 기능 활성을 모니터링하는 방법 중 기능적 근적외선 분광법(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)은 기능적 자기공명영상(fMRI)과 비교하여, 높은 시간해상도로 신경 활성의 변화에 따른 산화 헤모글로빈(Oxy Hb) 및 탈산화 헤모글로빈(Deoxy Hb)의 농도변화를 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있어 기능적 자기공명영상(fMRI)의 단점을 보완하는 비침습적인 뇌기능 계측방법으로 최근 주목받고 있다.
기능적 근적외선 분광법(fNIRS)은 600nm 내지 1000nm 파장의 근적외선을 이용해서 뇌의 혈류변화를 비침습적으로 계측하는 방법이며, 계측 원리는 근적외선을 이용한 뇌 혈류의 산화 해모글로빈 농도 측정에 바탕을 두고 있다.
보다 구체적으로는, 두 가지 이상의 근적외선 빛을 생체 조직에 조사하고, 생체 조직을 투과한 빛을 검출하며 산화 헤모글로빈(Oxy Hb)의 농도와 탈산화 헤모글로빈(Deoxy Hb)의 농도를 산출할 수 있다. 뇌의 활성화 영역은 혈액 속의 산화 헤모글로빈(Oxy Hb)에 의해 수송된 산소를 소비하고, 산화 헤모글로빈(Oxy Hb)는 탈산화 헤모글로빈(Deoxy Hb)으로 변한다. 이 두 가지 헤모글로빈은 근적외선 영역에서 서로 다른 광 흡수 특성 (absorption coefficients)을 가지며, 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)으로 측정한 이들의 농도 변화는 뇌 활동의 척도로서 사용될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 근적외선 분광법과 경두개 직류전류 자극법을 설명하기로 한다.
도 1은 근적외선 분광법의 개념을 나타낸 도면이고, 도 2는 종래의 근적외선 분광기의 예시 도면이다.
근적외선 분광법이란 근적외선을 이용하여 비침습적으로 신체의 혈 역학적 활성화를 조사하는 방법론으로 의료, 연구 목적으로 널리 이용되고 있다. 그중 기능적 근적외선 분광법(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)은 인지 작용에 의한 뇌의 생리적 활동 양상을 조사하는 기법으로 대뇌 피질의 혈 역학적 활성화를 측정하는 가장 대표적인 뇌 영상 방법이다.
도 3은 경두개 직류전류 자극법의 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 종래의 경두개 직류전류 자극기 예시 도면이다.
경두개 직류전류 자극법(transcranial direct current stimulation, tDCS)이란 전극을 두피에 접촉한 후 미세 전류 자극을 가하여 뇌 신경세포의 활성화를 촉진하는 신경 조절 방법론으로, 경두개 직류전류 자극법은 수많은 의학적 임상과 연구를 통해 인지기능 개선 등에 효과적인 것으로 입증된, 가장 대표적인 뇌신경 조절 방법론이다.
그러나 이러한 종래 근적외적 분광기와 경두개 직류전류 자극기에는 다음과 같은 문제가 있었다.
기존의 의료, 연구용 뇌 영상 장비들은 일반적으로 고가이며 착용 방법 및 사용 방법이 복잡하여, 일반 사용자가 일상적인 목적으로 활용하기가 어려웠다.
또한 기존의 근적외선 분광법(fNIRS) 또는 타 뇌 영상 기법 (뇌전도 등)을 이용한 뇌기능 활성화 모니터링 장치는 착용하는 동안 뇌기능 활성화 정도를 모니터링할 수 있을 뿐 뇌기능 활성화를 증진하거나 하는 등 뇌기능 활성화의 보조적인 기능을 지니고 있지 않고 있다.
그리고 종래의 경두개 직류전류 자극법(tDCS) 혹은 뇌 신경 조절 장비를 이용한 뇌 활성화 증진 장치는 뇌기능 활성화의 변화를 정량적으로 측정할 수 없고 단지 뇌기능 자극만 하기 때문에 사용자는 장치의 효과를 정확히 알 수 없었다.
한편, 뇌전도 등 신경세포의 전기적 활동을 측정하는 뇌 영상 기법과 달리 fNIRS는 근적외선만을 이용하기에 tDCS의 전기 자극과는 간섭을 일으키지 않는다. 따라서 fNIRS와 tDCS는 상호 보완적으로 동시에 운용하는 것이 가능하므로 이에 대한 다양한 연구가 기대된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS)을 통합한 장치와, 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS)을 통합한 장치를 원격으로 제어하고 측정된 데이터를 관리하는 소프트웨어로 구성되어 경량, 소형이자 무선의 경두개 직류전류 자극 및 기능성 근적외선 분광 장치를 통해 사용자의 대뇌 전전두엽 부분의 뇌기능 활성화인 뇌 혈역학적 활성화 정도를 측정할 수 있고, 별도의 보조 채널을 통해 뇌 활성화와 무관하며 인체 활동에 의해 발생하는 잡음들을 제거하여 저 잡음의 고품질 혈역학 신호를 추출하며, 뇌기증 활성화와 집중력 증진은 물론 우울증, 스트레스 등을 개선할 수 있는 다양한 전류 자극 프로그램을 선택하여 활용할 수 있고 블루투스 통신 규격이 내장된 저전력 블루투스 모듈을 통해 고속의 저전력 소비를 구현하면서 스마트폰과 노트북 PC 등 다양한 블루투스 지원 장비와 연결되어 사용자의 뇌기능 활성화 척도인 혈역학적 활성화 정보를 관리하며, 낮은 제작 단가를 가지고 짧은 시간 동안에 대량 생산이 가능하고, 뇌기능 활성화 척도인 혈역학적 활성화 정보를 클라우드 스토리지 상에 저장하여 빅데이터의 형태로 관리하며, 이를 기반으로 개별 사용자에게 최적화된 난이도의 인지 활동 게임과 혈역학적 활성화 분석 결과를 제공할 수 있는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 사용자의 이마에 착용되어 근적외선 분광법을 위한 광전극(발광 다이오드(LED) 및 광 센서 다이오드)을 탑재하여 사용자의 대뇌 전전두엽 부분의 뇌기능 활성화인 뇌 혈역학적 활성화 정도를 측정하고, 사용자인 사용자의 경두개에 직류전류를 자극하며, 근적외선 분광법을 위한 광전극에서 측정된 빛 신호를 수신하여 혈역학적 활성화 정보로 변환하고 저장하고, 혈역학적 활성화를 유발할 수 있는 암산 게임, 단어 유추 게임, 사물 인지 게임, 작업 기억 게임을 포함하는 단순하며 흥미를 유발하는 게임 형태의 인지적 활동을 제공한 후 필터 및 특징 추출 알고리즘을 적용하여, 사용자의 혈역학적 활성화 정보를 가공하고 정량화하여 블루투스 통신으로 페어링된 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)로 전송하는 개별 사용자들의 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100); 페어링된 상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 사용자의 fNIRS 신호가 측정되어 난이도가 점진적으로 상승하는 암산 게임, 단어 유추 게임, 사물 인지 게임, 작업 기억 게임 등 단순하며 흥미를 유발하는 게임을 제공하고, 사용자가 통과한 최고 난이도의 게임에서 측정된 혈역학 결과 신호를 바탕으로 사용자의 최적화 난이도와 해당 난이도에서의 혈역학 반응의 크기를 기반으로 한 혈역학 매개변수를 산출하는 어플리케이션 소프트웨어가 설치된 복수의 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200); 및 복수의 상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)의 어플리케이션 소프트웨어와 통신하며, 복수의 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)를 통해 복수의 사용자로부터 측정된 결과 신호를 데이터베이스화하여 저장하거나 어플리케이션 소프트웨어의 요청에 따라 개별 사용자에게 필요한 데이터를 산출하여 전송하는 클라우드 서버(300);를 포함하여 구성되고, 상기 클라우드 서버(300)는, 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100), 복수의 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200) 및 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 관리 PC(400)와 통신하는 통신부(310)와, 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 및 스마트 디바이스(200)의 사용자 정보가 저장되는 회원정보 저장부(320)와, 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 이용한 사용자의 점수를 스마트 디바이스(200)로부터 수신하여 저장되는 활성화 데이터 사용자 점수 저장부(330)와, 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 이용한 사용자의 활성화 데이터를 스마트 디바이스(200)로부터 수집하는 사용자 활성화 데이터 수집부(340)와, 사용자 활성화 데이터 수집부(340)에서 수집한 정보를 사용자별로 분류하는 활성화 데이터 사용자별 분류부(350)와, 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 이용한 사용자의 만족도 정보를 수집하여 분류하는 활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부(360)와, 상기 활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부(360)에서 분류한 사용자 만족도에 대하여 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 사용조건 정보에 따라 분석하는 활성화 만족도 데이터 조건 분석부(370)와, 상기 활성화 만족도 데이터 조건 분석부(370)에서 분석한 만족도 조건을 저장되는 사용자 만족도 조건 저장부(380); 및 상기 통신부(310), 회원정보 저장부(320), 활성화 데이터 사용자 점수 저장부(330), 사용자 활성화 데이터 수집부(340), 활성화 데이터 사용자별 분류부(350), 활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부(360), 활성화 만족도 데이터 조건 분석부(370) 및 사용자 만족도 조건 저장부(380)를 제어하는 제어부(390)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템을 제공한다.
여기서 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)는, 사용자의 이마에 착용되어 근적외선 분광법을 위한 발광 다이오드(LED) 및 광 센서 다이오드로 구성되는 광전극이 탑재되어 사용자의 대뇌 전전두엽 부분의 뇌기능 활성화인 뇌 혈역학적 활성화 정도를 측정하는 근적외선 분광기(fNIRS)(110)와, 사용자의 이마에 착용되어 경두개에 직류전류를 자극하는 경두개 직류전류 자극기(tDCS)(120) 및 상기 근적외선 분광기(fNIRS)(110)에서 측정된 빛 신호를 수신 받아서 혈역학적 활성화 정보로 변환하고 저장하며, 혈역학적 활성화를 유발할 수 있는 암산 게임 형태의 인지적 활동을 제공하고, 필터 및 특징 추출 알고리즘을 적용하여, 사용자의 혈역학적 활성화 정보를 가공하고 정량화하는 구동회로와 배터리 및 배터리의 충전 및 기기 전체의 전원을 관리하는 파워 서플라이가 탑재된 구동 회로 및 배터리부(130);를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
그리고 구동 회로 및 배터리부(130)는, 상기경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)에서 필요한 전원을 공급하는 전원공급부(131)와, 상기 근적외선 분광기(fNIRS)(110)를 통해 착용자의 이마에 착용되어 광전극(발광 다이오드(LED) 및 광 센서 다이오드)을 통해 사용자의 대뇌 전전두엽 부분의 뇌기능 활성화인 뇌 혈역학적 활성화 정도가 측정되면 이를 활성화 정보로 변환하는 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132)와, 상기 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132)에서 변환된 사용자의 혈역학적 활성화 정보를 가공하고 정량화하는 필터 및 특징추출 알고리즘부(133)와, 상기 필터 및 특징추출 알고리즘부(133)에서 정량화된 혈역학적 정보를 저장하는 메모리부(134)와, 상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 각종 동작을 조작하기 위한 패널(panel)로 구성되 조작패널부(135)와, 소프트웨어가 설치된 소프트웨어 설치 디바이스(200)와 블루투스 통신을 수행하는 통신부(136)와, 상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 전원 공급 온오프를 전원스위치부(137) 및 상기 전원공급부(131), 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132), 필터 및 특징추출 알고리즘부(133), 메모리부(134), 조잘패널부(135), 통신부(136) 및 전원스위치부(137)를 제어하는 제어부(138)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
한편 클라우드 서버(300)를 구동하는 서버 소프트웨어는, 각각의 사용자로부터 전송받은 데이터를 기반으로 사용자 정보 보관과 실시간 분류에 활용되며, 상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템은, 상기 클라우드 서버(300)와 연동되어 클라우드 서버(300)에 저장된 데이터를 빅데이터화하여 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 성능 개선을 수행하는 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 관리 PC(400)를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)에는 GUI 형태로 사용자에게 간편한 조작 인터페이스를 제공하도록 구성된 어플리케이션 소프트웨어가 설치된 것을 특징으로 한다.
그리고 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)는, 사용자가 소유하고 있는 계정을 통해 본인의 스마트 디바이스(200) 본인의 뇌기능 활성화에 대한 기록을 열람하되, 하나의 장비로 계정을 다르게 하여 가족이나 친구를 포함하는 다중 사용자의 뇌기능 활성화 정보를 기록하고 관리할 수 있는 것을 특징으로 한다.
한편 클라우드 서버(300)는, 상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 통해 뇌 활성화를 측정할 때의 측정 결과가 암호화되어 상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)를 통해 데이터베이스(Database) 상에 저장되고, 사용자가 자신의 데이터를 열람하려 한다면 해당하는 데이터는 데이터베이스로부터 상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)로 다운로드되며, 상기 클라우드 서버(300)는, 사용자가 본인의 측정 기록 이외에도 본인의 뇌 활성화 측정에 대한 평가를 요청하면 분류 알고리즘(classification algorithm)을 통해 실시간으로 평가된 뇌 활성화 점수가 사용자의 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)로 다운로드 되는 것을 특징으로 한다.
여기서 뇌 활성화 점수에 대한 평가는, 미리 설정된 암산 게임, 단어 유추 게임, 사물 인지 게임, 작업 기억 게임을 포함하는 인지 활성화 유발 게임을 상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)에 설치하고, 상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 착용한 사용자가 상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)와 페어링 한 후 게임을 하면서, 사용자의 fNIRS 신호 측정하며, 난이도가 점진적으로 상승하도록 프로그램된 게임을 수행하되, 상기 게임은 사용자가 통과하지 못할 때까지 계속되며, 사용자가 통과한 최고 난이도의 게임에서 측정된 혈역학 신호를 바탕으로 사용자의 최적화 난이도와 해당 난이도에서의 혈역학 반응의 크기를 기반으로 한 혈역학 매개변수가 산출되는 것에 의해 평가되는 것을 특징으로 한다.
그리고 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템에서, 상기 어플리케이션 소프트웨어가 설치된 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)는, 상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)의 어플리케이션을 시작(S200)하여 기능을 선택하는 단계(S210)와, 기능선택을 통해 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 제어 혹은 이전 사용자 기록 열람의 동작을 수행하여 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 제어시 사용자는 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 머리에 착용되고, 상기 어플리케이션 소프트웨어는 장치와 블루투스로 연결(페어링)하는 단계(S230)와, 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 제어(S240)하여 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)로부터 기록된 데이터를 수신받으며, 사용자 기록 열람의 경우 상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)의 어플리케이션 소프트웨어는 상기 클라우드 서버(300)와 통신하여, 상기 클라우드 서버(300)에 기록된 사용자 기록을 다운로드하는 단계(S250) 및 상기 어플리케이션 소프트웨어를 사용한 이후 측정 및 데이터 열람을 포함하는 사용 기록은 상기 클라우드 서버(300)에 기록(업데이트)되는 단계(S260)를 포함하여 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 사용자가 착용하는 하드웨어인경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 장치와, 장치를 원격으로 제어하고 측정된 데이터를 관리하는 소프트웨어로 구성되어 경량, 소형이자 무선의 경두개 직류전류 자극 및 기능성 근적외선 분광법 장치를 제공할 수 있다.
둘째, 근적외선 분광법을 위한 광전극(발광 다이오드 및 광 센서 다이오드)을 탑재하여 사용자의 대뇌 전전두엽 부분의 뇌기능 활성화인 뇌 혈역학적 활성화 정도를 측정할 수 있고, 경두개 직류전류 자극을 하면서 동시에 근적외선 분광법으로 뇌기능 활성화 정도를 측정할 수 있다.
셋째, 외부로 노출되는 전선 혹은 광섬유를 사용하지 않고, 헤어 밴드 형태로 만들어 간편하게 착용할 수 있다.
넷째, 장치를 구동하는 데에 필요한 모든 tDCS 및 fNIRS 모듈과 전력 공급 모듈은 독자적인 기술로 설계되어 높은 품질의 다양한 경두개 직류전류 자극과 근적외선 분광 영상 측정이 가능하며 5시간 이상의 연속적인 작동이 가능하다.
다섯째, 종래 근적외선 분광기의 정규 광전극 채널 이외에, 별도의 보조 채널을 통해 뇌 활성화와 무관하며 인체 활동에 의해 발생하는 잡음(눈 깜박임, 심장 박동, 호흡, 혈압 변화로 인해 발생하는 잡음으로 아티팩트라고도 함)들을 제거하여 저 잡음의 고품질 혈역학 신호를 추출할 수 있다.
여섯째, 다양한 패턴의 경두개 직류전류 자극 프로그램을 통해 사용자는 뇌기능 활성화와 집중력을 증진할 수 있을 뿐 아니라 다른 뇌기능 활성화는 물론 우울증, 스트레스 등을 개선할 목적으로도 최적화된 전류 자극 프로그램을 선택하여 활용할 수 있다.
일곱째, 최신 블루투스 통신 규격이 내장된 저전력 블루투스 모듈을 탑재하여 고속의 신호 송수신을 하는 동시에 최소한의 전력 소비를 구현하였으며 스마트폰과 노트북 PC 등 다양한 블루투스 지원 장비와 연결되어 사물 인터넷 분야의 어플리케이션으로 확장될 수 있다.
여덟째, 간단한 암산 게임, 단어 유추 게임, 사물 인지 게임, 작업 기억 게임 등 단순하며 흥미를 유발하는 게임들을 통해 착용자 개인에게 최적화된 난이도의 인지적 활동을 제공하며 이를 통해 최선의 혈역학적 활성화를 이끌어내며, fNIRS를 통해 이를 측정하여 개별 사용자에게 최적화된 난이도의 인지 활동 게임을 제공할 수 있다.
아홉째, 기판과 장치 외부 인클로져(enclosure)를 제외하면 상용화된 부품만을 이용하여 제작할 수 있으므로, 매우 낮은 제작 단가를 가지고 짧은 시간 동안에 대량 생산이 가능하다.
열째, 사용자의 뇌기능 활성화 척도인 혈역학적 활성화 정보를 서버를 통해 빅데이터 형태로 관리하여 개별 사용자에게 최적화된 난이도의 인지 활동 게임과 혈역학적 활성화 분석 결과를 제공할 수 있고, 사용자의 뇌 활성화 발전에 대한 추세를 도출하며, 최신 데이터셋을 반영하여 실시간으로 성능이 개선된 사용자별 최적의 전류 자극 프로그램을 제공 및 선택하도록 할 수 있다.
도 1은 근적외선 분광법의 개념을 나타낸 도면,
도 2는 종래의 근적외선 분광기의 예시 도면,
도 3은 경두개 직류전류 자극법의 개념을 설명하기 위한 도면,
도 4는 종래의 경두개 직류전류 자극기 예시 도면,
도 5는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 이용되는 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(enclosure)의 실시예를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 이용되는 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(enclosure)의 다른 실시예를 나타낸 도면,
도 7은 광전극 간의 거리에 따라 서로 다른 깊이의 채널이 형성되는 방식을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 근적외선 분광기용 광전극 모듈이 지닌 광전극 및 채널 배치의 실시예를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 다이오드가 실장된 연성기판의 예시 도면,
도 10은 경두개 직류 전기 자극기 전극의 위치와 활성화가 증진되는 대뇌의 영역을 설명하기 위한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 경두개 직류 전기 자극기용 전도성 실리콘 전극의 실시예들을 나타낸 도면,
도 12는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 이용되는 전력공급부의 실시예를 설명하기 위한 도면,
도 13은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 마이크로프로세서의 실시예를 설명하기 위한 도면,
도 14는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 수정된 비어-램버트 법칙(modified Beer-Lambert law)을 통해 빛 신호가 혈역학 신호로 변환되는 원리를 설명하기 위한 도면,
도 15는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용하여 뇌기능 활성화를 유도하기 위한 개별 사용자에게 최적화된 난이도의 인지적 활동을 유도하는 암산 게임의 예를 나타낸 도면,
도 16은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용한 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 수행과정의 실시예를 설명하기 위한 흐름도,
도 17은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용한 뇌기능 활성화 증진에 대한 모니터링 결과를 요약하여 보여주는 방식을 나타낸 도면,
도 18는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치의 실시예를 설명하기 위한 블록 구성도,
도 19본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템의 실시예를 설명하기 위한 도면,
도 20은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템에서 어플리케이션 소프트웨어 실행 화면의 실시예를 나타낸 도면,
도 21은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 운용에서 서버의 역할을 설명하기 위한 도면,
도 22는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템에서 스마트 디바이스 어플리케이션 소프트웨어의 기능 및 동작을 나타낸 흐름도,
도 23은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템에서 클라우드 서버의 실시예를 설명하기 위한 블록 구성도,
도 24는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 운용 방법의 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 종래의 근적외선 분광기의 예시 도면,
도 3은 경두개 직류전류 자극법의 개념을 설명하기 위한 도면,
도 4는 종래의 경두개 직류전류 자극기 예시 도면,
도 5는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 이용되는 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(enclosure)의 실시예를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 이용되는 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(enclosure)의 다른 실시예를 나타낸 도면,
도 7은 광전극 간의 거리에 따라 서로 다른 깊이의 채널이 형성되는 방식을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 근적외선 분광기용 광전극 모듈이 지닌 광전극 및 채널 배치의 실시예를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 다이오드가 실장된 연성기판의 예시 도면,
도 10은 경두개 직류 전기 자극기 전극의 위치와 활성화가 증진되는 대뇌의 영역을 설명하기 위한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 경두개 직류 전기 자극기용 전도성 실리콘 전극의 실시예들을 나타낸 도면,
도 12는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 이용되는 전력공급부의 실시예를 설명하기 위한 도면,
도 13은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 마이크로프로세서의 실시예를 설명하기 위한 도면,
도 14는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 수정된 비어-램버트 법칙(modified Beer-Lambert law)을 통해 빛 신호가 혈역학 신호로 변환되는 원리를 설명하기 위한 도면,
도 15는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용하여 뇌기능 활성화를 유도하기 위한 개별 사용자에게 최적화된 난이도의 인지적 활동을 유도하는 암산 게임의 예를 나타낸 도면,
도 16은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용한 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 수행과정의 실시예를 설명하기 위한 흐름도,
도 17은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용한 뇌기능 활성화 증진에 대한 모니터링 결과를 요약하여 보여주는 방식을 나타낸 도면,
도 18는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치의 실시예를 설명하기 위한 블록 구성도,
도 19본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템의 실시예를 설명하기 위한 도면,
도 20은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템에서 어플리케이션 소프트웨어 실행 화면의 실시예를 나타낸 도면,
도 21은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 운용에서 서버의 역할을 설명하기 위한 도면,
도 22는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템에서 스마트 디바이스 어플리케이션 소프트웨어의 기능 및 동작을 나타낸 흐름도,
도 23은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템에서 클라우드 서버의 실시예를 설명하기 위한 블록 구성도,
도 24는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 운용 방법의 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀 두고자 한다. 또한 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
도 5는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 이용되는 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(enclosure)의 실시예를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 이용되는 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(enclosure)의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(enclosure)의 실시예들은 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 근적외선 분광기(110) 및 경두개 직류전류 자극기(120)와 그들의 구동 회로 및 배터리부(130)를 포함하는 헤어 밴드 형태로 착용 가능하도록 구성된다.
통상의 인쇄 회로 기판으로 제작되는 구동 회로는 크게 세 가지 세부 회로로 이루어지는데, 전원공급부, 전극 및 광전극 구동부, 통신 및 제어부이다.
도 5와 도 6은 상기의 구동 회로가 실장되는 장치 외부 인클로져(enclosure)의 두 가지 예를 보여주고 있다.
장치 외부 인클로져(enclosure)는 열가소성 폴리우레탄 등의 탄성을 가진 플라스틱으로 제작되어 착용자의 이마에 근적외선 분광기(110)의 광전극과 경두개 직류전류 자극기(120)의 전극(+, -)을 부드럽게 밀착시키는 동시에 구동 회로와 배터리부(130)를 보호케이스를 통해 보호하도록 구성된다. 그리고 경두개 직류전류 자극기(120)에는 각각 + 전극(120a)과 - 전극(120b)이 착용자의 이마에 부착되도록 된다. 착용자의 뒤통수 부분에는 구동 회로를 수납하는 구동 회로 및 배터리 보호 케이스 (130)를 구성하는 배터리를 보호하고 수납하는 배터리 수납부가 구성되어 있어 무게중심이 장비 전체에 골고루 배분되도록 하는 것이 바람직하다.
도 6에서와 같이 기구부의 헤어밴드 모양의 플라스틱 장치 외부 인클로져(enclosure) 중 광전극 모듈(111, 112)과 + 전극(120a)과 -전극(120b)이 착용자의 이마에 잘 밀착할 수 있도록 내측 외주면에 구성되며, 기구의 양단에 배터리 수납부 (131)와 구동회로 수납부 (132)가 구동 회로 및 배터리를 수납한다.
도 7은 광전극 간의 거리에 따라 서로 다른 깊이의 채널이 형성되는 방식을 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 근적외선 분광기용 광전극 모듈이 지닌 광전극 및 채널 배치와 그에 따른 채널 형성의 실시예를 나타낸 도면이다.
광전극 간의 거리에 따라 서로 다른 깊이의 채널이 형성되는 방식은 도 7에 나타낸 바와 같은데, 근적외선 분광기(fNIRS)법 시스템은 빛 신호를 발생하는 에미터 광전극인 LED(111)와 빛 신호를 탐지하는 디텍터 광전극인 포토다이오드(PD)(112) 사이의 거리에 따라서 서로 다른 깊이의 조직을 조사하는 채널을 형성할 수 있다. 도 7에서는 근적외선 분광법 시스템에서 광전극 간의 거리에 따라 채널이 형성되는 것을 보여주고 있다.
본 발명에서는 도 8에서와 같이, 3cm 간격을 지니며 대뇌 피질의 조직을 조사하는 2개의 정규 채널(ch 1, 2)과 1cm 간격을 지니며 피부에서의 혈류반응을 조사하는 2개의 보조 채널(ch s1, s2)이 탑재된다. 여기서 보조 채널을 통해 측정된 신호는 뇌 활성화와 무관한 인체 활동에 의한 정보(예로써, 눈 깜박임, 심장 박동, 호흡, 혈압 변화로 인해 발생하는 잡음으로 아티팩트라고도 함)만을 담고 있기에 정규 채널 신호의 잡음을 제거하는 데에 활용될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 다이오드가 실장된 연성기판의 예시 도면이고, 도 10은 경두개 직류전류 자극기 전극의 위치와 활성화가 증진되는 대뇌의 영역을 설명하기 위한 도면이며, 도 11은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 경두개 직류전류 자극기용 전도성 실리콘 전극의 실시예들을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 다이오드가 실장된 연성기판의 실시예는 도 9에 나타낸 바와 같은데, 본 발명의 기구부 중 근적외선 분광기 모듈은 연성 기판 상에 실장되어, 유연성을 지닌 기구부의 장치 외부 인클로져(enclosure)의 휘어짐에 따라 휘어지고 착용자의 이마 두상에 맞는 부드러운 밀착을 제공하도록 한다. 장치 외부 인클로져(enclosure) 중 모듈과 착용자의 이마가 맞닿는 부분에는 실리콘 패딩(도 11 참조)이 덧대어져 편안하고 정확한 착용을 돕는 동시에, 외부 빛에 의한 간섭을 차단하도록 한다.
경두개 직류전류 자극기는 도 10에서와 같이, 하나의 양전극(120a)과 하나의 음전극(120b)을 통해 두피에 미세전류를 흘려주면 그 중 10~20% 가량 직류전류가 대뇌 피질에 도달하여 뇌신경의 활성을 촉진한다. 이는 뇌 신경의 활동 전위를 유발하지 않는 낮은 전류를 통하여 신경세포의 안정막 전압을 조절하며 자발성 방전율 및 수용체 활성화에 변화를 주는 기전을 통하여 뇌신경의 조절기능을 하게 된다. 도 10에서는 경두개 직류전류 자극기의 두 전극(120a, 120b)이 착용자의 이마 양쪽에 위치한 경우 대뇌의 전전두엽 부분에 대한 활성화가 증진되는 것을 보여주고 있다.
그에 따라 본 발명에서는 착용자의 양쪽 눈썹 위에 위치하는 두 개의 전극을 탑재하도록 하는데, 양 눈썹 위쪽에 위치한 두 전극은 고등 사고와 인지 활동 및 단기 기억을 담당하는 대뇌 전전두엽(Prefrontal cortex)에 미세전류를 발생하여 신경 조절을 할 수 있다. 이때, 두 전극(120a, 120b)은 마이크로프로세서 제어부(도 18 참조)의 동작에 따라 역동적으로 양전극과 음전극의 역할을 모두 수행할 수 있으며, 미리 프로그래밍된 대로 설정된 펄스를 발생시켜 사용자의 뇌 활성화에 최적화된 미세전류가 발생되도록 한다.
이러한 두 개의 전극(120a, 120b)은 도 11에서 보여주는 바와 같이 다양한 형태의 실리콘 전극으로 제작이 가능하며, 사용자는 최적의 접촉 저항(contact resistance)과 착용감을 지니는 전극을 선호에 따라 유동적으로 선택하여 활용할 수 있도록 할 수 있다. 아울러 해당 전극은 예를 들면, 볼 조인트 구조로 하여 손쉬운 탈부착이 가능하므로 교체와 세척 등의 유지보수가 용이하다는 이점을 제공할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 이용되는 전력공급부의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 이용되는 전력공급부의 실시예는 도 12에 나타낸 바와 같은데, 단일 셀의 리튬-폴리머 배터리와 충전 모듈로 구성되는 충전기 및 배터리부에 의해 구동되며, 충전기 및 배터리부(131a)에 의해 공급되는 전력은 두 개의 제1, 제2전원공급부(131b, 131c)로 나뉘어지되, 제1전원공급부(131b)는 리니어 레귤레이터인 LDO(Low Dropout)로 구성되는 제3전원공급부(131d)로 전원을 공급하도록 구성되어 있어 매우 낮은 수준의 대기전력을 달성하도록 구성하였다. 이러한 전력공급부(131)는 도 18 상의 전원 스위치부에 해당하는 통상의 택타일 (tactile) 스위치를 통해 켜지거나 꺼지도록 구성할 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 마이크로프로세서의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 마이크로프로세서는 하나의 실시예로, 본 발명은 도 18의 제어부에 해당하는 최신형의 저전력 블루투스 마이크로프로세서에 의해 제어되도록 구성되는데, 해당 마이크로프로세서는 예를 들면 ARM사의 Cortex-M4 코어를 채용한 초저전력 MCU 시리즈인 STM32WB 또는 동등한 성능을 가진 MCU를 탑재하여 고속의 제어 및 통신을 수행할 수 있는 한편 수 mA의 전류로 작동할 수 있는, 매우 낮은 수준의 전력 소모를 하도록 구성한다. 해당 마이크로프로세서는 실시간 운영체제 (real-time operating system, RTOS)를 통해 다음의 작업들을 동시에 수행하도록 하였다.
첫째, fNIRS 모듈 구동: 내장 DAC를 통해 에미터 광전극을 제어하고 빛 신호를 발생시키며 내장 ADC를 통해 디텍터 광전극으로부터 관측된 빛 신호를 측정한다.
둘째, tDCS 제어: 내장된 펄스 너비 변조(pulse width modulation, PWM)기능을 통하여, 미리 프로그래밍 된 다양한 미세전류 패턴을 전극으로 발생시킨다.
셋째, 기구 제어 및 통신: 기구 상의 전원 조작 및 스마트 기기를 통한 원격 조작 등 사용자의 조작에 대응하여 장비가 운용되도록 하였다.
그리고 본 발명의 소프트웨어부(제어부 프로그램)는 다음과 같은 역할들을 수행하도록 프로그램된다.
첫째, 기구부 상의 fNIRS 모듈에서 측정된 빛 신호를 수신 받아서 혈역학적 활성화 정보로 변환하고 저장한다.
둘째, 사용자의 대뇌로부터 혈역학적 활성화를 유발할 수 있는 암산 게임, 단어 유추 게임, 사물 인지 게임, 작업 기억 게임 등 단순하며 흥미를 유발하는 게임 형태의 인지적 활동을 제공한다.
셋째, 필터 및 특징 추출 알고리즘을 적용하여, 사용자의 혈역학적 활성화 정보를 가공하고 정량화한다.
도 14는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 수정된 비어-램버트 법칙을 통해 빛 신호가 혈역학 신호로 변환되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 수정된 비어-램버트 법칙을 통해 빛 신호가 혈역학 신호로 변환되는 원리는 도 14에 나타낸 바와 같은데, 이 신호는 수정된 비어-램버트 법칙(modified Beer-Lambert law)을 통해 혈류반응 신호로 변환된다. 이후 주성분 분석 기법(Principal Component Analysis, PCA)과 독립 성분 분석 기법(Independent Component Analysis, ICA)를 통해 보조 채널과 정규 채널의 공통된 성분, 즉 생리적 활동에 따른 잡음이 추출되어 제거된, 즉 생리적 활동에 따른 잡음이 제거된 뇌 활성화 신호는 이후 대역통과 필터를 거쳐 사용자의 인지 활동과 연관된 주파수 대역의 뇌 신호가 산출된다.
도 15는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용하여 뇌기능 활성화를 유도하기 위한 개별 사용자에게 최적화된 난이도의 인지적 활동을 유도하는 암산 게임의 예를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용하여 뇌기능 활성화를 유도하기 위한 개별 사용자에게 최적화된 난이도의 인지적 활동을 유도하는 암산 게임의 예를 나타내고 있는데, 본 발명은 개별 착용자에게 최적화된 난이도의 인지적 활동을 도 15와 같은 암산 게임 형태로 제공한다. 이를 통하여 사용자는 최고 수준의 뇌기능 활성화를 이끌어 낼 수 있다. 해당 방법론은 암산 게임 외에도 단어 유추 게임, 사물 인지 게임, 작업 기억 게임 등 다양한 인지 활성화 유발 게임에도 동일하게 적용된다. 개별 사용자에게 최적화된 난이도의 인지적 활성화를 유도하는 방법은 다음 1 내지 4와 같다.
1. 사용자는 장비를 스마트폰 등의 장비에 페어링 한 후 장비를 착용한다.
2. 사용자의 fNIRS 신호를 측정하며, 난이도가 점진적으로 상승하도록 프로그램된 암산 게임을 수행한다.
3. 게임은 사용자가 통과하지 못할 때까지 계속되며, 서로 다른 난이도의 게임 간 휴식 시간은 30초 이상 주어지도록 프로그램된다.
4. 사용자가 통과한 최고 난이도의 게임에서 측정된 혈역학 신호를 바탕으로 사용자의 최적화 난이도와 해당 난이도에서의 혈역학 반응의 크기를 기반으로 한 혈역학 매개변수가 산출된다.
도 16은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용한 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 수행과정의 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용한 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 수행과정의 실시예는 도 16에 나타낸 바와 같은데, 우선, 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 무선 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 전원을 켜고, 스마트폰, 스마트 패드, 데스크톱 컴퓨터, 노트북, 태블릿 등 소프트웨어가 설치된 소프트웨어 설치 디바이스(200)간 블루투스 페어링을 한다.
뇌활성화 증진(tDCS)과 뇌활성화 모니터링(fNIRS) 중 뇌활성화 증진을 선택하면, 경두개 직류 전류 자극기(tDCS)가 구동되어 사용자 최적화 전류패턴을 준비한다(S110). 그리고 착용자인 사용자의 최적화 경두개 직류전류를 발생시켜 자극한다(S120).
이와 같이 사용자의 최적화 경두개 직류전류를 발생시켜 자극하는 한편 뇌활성화 모니터링을 선택하면 소프트웨어가 설치된 스마트 기기에서 미리 설정된 소프트웨어를 구동시키고, 사용자는 활동 게임을 시작한다(S130).
게임을 통과하였는가를 판단하여(S140), 통과한 경우 게임 난이도를 상승시키고(S150), 통과하지 못한 경우에는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)에서는 착용자의 최적화 난이도 및 혈역학 반응 매개변수를 도출한다(S160).
그리고 작동결과는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 메모리부 및 시스템 서버 (300)에 업데이트된다(S170).
그에 따라 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용한 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 수행과정에서는 이전 단계의 게임에서부터 다시 자극을 주면서 인지활동 게임을 시작하게 된다.
도 17은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용한 뇌기능 활성화 증진에 대한 모니터링 결과를 요약하여 보여주는 도면이다.
본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용한 뇌기능 활성화 증진에 대한 모니터링 결과 결과는 사용자의 뇌 활성화 및 인지적 수행 능력의 변화를 요약해서 보여준다.
도 18는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치의 실시예를 설명하기 위한 블록 구성도이고, 도 19는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템의 실시예를 설명하기 위한 도면이며, 도 20은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템에서 어플리케이션 소프트웨어를 활용 화면의 실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 실시예는 도 18에 나타낸 바와 같은데, 근적외선 분광기(fNIRS)(110), 경두개 직류전류 자극기(tDCS)(120)와, 구동 회로 및 배터리부(130)를 포함하여 구성된다.
여기서 근적외선 분광기(fNIRS)(110)는, 사용자의 이마에 착용되어 근적외선 분광법을 위한 광전극(발광 다이오드(LED) 및 광 센서 다이오드)를 탑재하여 사용자의 대뇌 전전두엽 부분의 뇌기능 활성화인 뇌 혈역학적 활성화 정도를 측정한다.
경두개 직류전류 자극기(tDCS)(120)는 착용자의 이마에 착용되어 경두개에 직류전류를 자극한다.
구동 회로 및 배터리부(130)는 필터 및 특징 추출 알고리즘을 적용하여, 사용자의 혈역학적 활성화 정보를 가공하고 정량화하는 구동회로와 배터리 및 배터리의 충전 및 기기 전체의 전원을 관리하는 파워 서플라이가 탑재된 것으로, 전원공급부(131), 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132), 필터 및 특징추출 알고리즘부(133), 메모리부(134), 조작패널부(135), 통신부(블루투스)(136), 전원스위치부(137) 및 제어부(138)를 포함하여 구성된다.
전원공급부(131)는 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)에서 필요한 전원을 공급하며, 도 12와 같이 구성된다.
광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132)는 근적외선 분광기(fNIRS)(110)를 통해 착용자의 이마에 착용되어 광전극(발광 다이오드(LED) 및 광 센서 다이오드)을 통해 사용자의 대뇌 전전두엽 부분의 뇌기능 활성화인 뇌 혈역학적 활성화 정도가 측정되면 이를 활성화 정보로 변환한다. 이때, 도 14에서 설명한 바와 같이 수정된 비어-램버트 법칙(modified Beer-Lambert law)을 통해 혈류반응 신호로 변환된다. 이후 주성분 분석 기법(Principal Component Analysis, PCA)과 독립 성분 분석 기법(Independent Component Analysis, ICA)를 통해 보조 채널과 정규 채널의 공통된 성분, 즉 생리적 활동에 따른 잡음이 추출되어 제거되고, 생리적 활동에 따른 잡음이 제거된 뇌 활성화 신호는 이후 대역통과 필터를 거쳐 사용자의 인지 활동과 연관된 주파수 대역의 뇌 신호가 산출되는 방식이다
필터 및 특징추출 알고리즘부(133)는 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132)에서 변환된 사용자의 혈역학적 활성화 정보를 가공하고 정량화한다. 예를 들어, 평균, 최솟값, 최댓값, 분산, 중앙값, 첨도(kurtosis), 편포도(skewness) 의 특징 정보가 계산된다.
메모리부(134)는 필터 및 특징추출 알고리즘부(133)에서 정량화된 혈역학적 정보를 저장한다.
조작패널부(135)는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 각종 동작을 조작하기 위한 패널(panel)로 구성된다. 예를 들어 근적외선 분광기(fNIRS)(110)나 경두개 직류전류 자극기(tDCS)(120)의 구동 제어를 포함하는 조작을 수행할 수 있다.
통신부(136)는 소프트웨어가 설치된 소프트웨어 설치 디바이스(스마트폰, 데스크톱 컴퓨터, 노트북, 태블릿 등)(200), 바람직하게는 스마트 패드나 스마트 폰, 태블릿 혹은 PC 등과 블루투스 통신을 수행하여 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)와 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)가 페어링되면 서로 간에 통신을 지원한다.
전원스위치부(137)는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 전원을 켜고 끄기 위한 스위치이다.
제어부(137)는 기본적으로 전원공급부(131), 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132), 필터 및 특징추출 알고리즘부(133), 메모리부(134), 전원 스위치부(135) 및 통신부(136)를 제어하며, 펌웨어가 탑재되어 운영체제 없이 작동하기에, 정밀한 동작 타이밍과 낮은 전력소모를 구현할 수 있다는 이점을 가진다. 이러한 펌웨어는 저전력 블루투스 통신 라이브러리를 탑재하고 있다. 펌웨어가 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)의 어플리케이션 소프트웨어로부터 수신된 트리거 신호를 감지하면 장비의 작동을 시작(혹은 중단)하며, 운용 중에 측정된 신호를 어플리케이션 소프트웨어로 전송한다. 이때, 사용자의 fNIRS 신호가 측정되어 난이도가 점진적으로 상승하는 게임을 하도록 하고, 앞에서도 설명한 바와 같이, 사용자가 통과한 최고 난이도의 게임에서 측정된 혈역학 신호를 바탕으로 사용자의 최적화 난이도와 해당 난이도에서의 혈역학 반응의 크기를 기반으로 한 혈역학 매개변수가 산출되도록 하는 제어한다.
참고로, 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)는 어플리케이션 소프트웨어가 설치되어 사용자가 편리하게 조작할 수 있는 인터페이스(게임 포함)를 제공하는 한편, 사용자의 조작을 통해 본 발명 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)와 서버(클라우드)(300)와 통신하여 데이터를 송수신한다. 이러한 어플리케이션 소프트웨어는 PC, 스마트폰 및 태블릿 기기에서 최적화된 작동을 위해 안드로이드, iOS 및 윈도우즈 어플리케이션으로 구현되도록 하였다.
이러한 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)는 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)에서 측정된 데이터를 클라우드 스토리지(서버)(300)에 저장되어 관리된다. 따라서 사용자는 소유하고 있는 계정을 통해 본인의 스마트 디바이스(200)(소프트웨어 설치 스마트 디바이스)를 통해 어디서든 본인의 뇌기능 활성화에 대한 기록을 열람할 수 있으며, 하나의 장비로 계정을 다르게 하여 가족이나 친구 등 다중 사용자의 뇌기능 활성화 정보를 기록하고 관리할 수 있다. 이렇게 모인 데이터는 빅데이터의 형태로 구축되어 기계 학습을 통한 시스템의 성능 향상에 활용된다.
한편 필터 및 특징추출 알고리즘부(133)에서 전처리가 완료된 뇌기능(혈역학) 특징 정보(평균, 최솟값, 최댓값, 분산, 중앙값, 첨도(kurtosis), 편포도 (skewness) 등)는 후술하는 도 19의 클라우드 서버(300)로 송신되어 관리된다.
이러한 본 발명 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템은, 복수의 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100), 복수의 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200), 클라우드 서버(300) 및 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 관리 PC(400)를 포함하여 구성된다.
우선, 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)는, 근적외선 분광기(fNIRS)(110), 경두개 직류전류 자극기(tDCS)(120) 및 구동 회로 및 배터리부(130)를 포함하여 구성되며, 사용자의 이마에 착용되어 근적외선 분광법을 위한 광전극(발광 다이오드(LED) 및 광 센서 다이오드)을 탑재하여 사용자의 대뇌 전전두엽 부분의 뇌기능 활성화인 뇌 혈역학적 활성화 정도를 측정하고, 착용자의 경두개에 직류전류를 자극한다. 그리고, 근적외선 분광법을 위한 광전극에서 측정된 빛 신호를 수신하여 혈역학적 활성화 정보로 변환하고 저장하며, 혈역학적 활성화를 유발할 수 있는 게임 형태의 인지적 활동을 제공한 후 필터 및 특징 추출 알고리즘을 적용하여, 사용자의 혈역학적 활성화 정보를 가공하고 정량화하여 블루투스 통신으로 페어링된 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)로 전송한다.
스마트 패드나 스마트 폰, 태블릿 또는 PC 등으로 구성된 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)는 페어링된 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 사용자의 fNIRS 신호가 측정되어 난이도가 점진적으로 상승하는 암산 게임을 제공하고, 사용자가 통과한 최고 난이도의 게임에서 측정된 혈역학 결과 신호를 바탕으로 사용자의 최적화 난이도와 해당 난이도에서의 혈역학 반응의 크기를 기반으로 한 혈역학 매개변수를 산출한다.
사용자는 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)에 설치된 어플리케이션 소프트웨어를 통해 시스템을 운용할 수 있는데, 어플리케이션 소프트웨어는 도 20에서와 같이 GUI 형태로 사용자에게 간편한 조작 인터페이스를 제공하도록 구성된다. 사용자는 어플리케이션 소프트웨어를 조작하여 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 제어하거나 클라우드 서버(300)와 통신하여 데이터를 송수신 할 수 있도록 하였다.
클라우드 서버(300)는 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)로부터 전송된 복수의 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)의 어플리케이션 소프트웨어와 통신하며, 복수의 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)를 통해 복수의 사용자로부터 측정된 결과 신호를 데이터베이스화 하여 저장하거나 어플리케이션 소프트웨어의 요청에 따라 개별 사용자에게 필요한 데이터를 산출하여 전송한다.
이러한 클라우드 서버(300) 하드웨어는 타워형 서버로 구성될 수 있는데 타워형 서버는 일체형 구성으로, 낮은 소음과 우수한 발열관리의 이점을 지니고 있으며 확장성과 유지보수가 편리한 장점이 있다. 이러한 본 발명의 클라우드 서버(300)는 1대당 1000명 이상의 동시 접속자에 대하여 24시간 안정적으로 데이터를 제공하기 위해 Intel사의 Xeon E-2300 보드를 탑재할 수 있다. 이러한 Xeon E-2300은 14nm 공정의 로켓레이크 아키텍쳐를 기반으로 하며 읽기, 쓰기, 저장, 전송 또는 처리 중에 발생하는 데이터 손상을 자동으로 감지하고 수정하는 ECC 메모리와의 호환성을 지원한다. 서버 하드웨어는 기본적으로 256 GB 의 RDIMM 램과 10TB의 HDD를 탑재하지만, 운영자는 동시접속자의 증가 등 높은 연산 처리량이 예상되는 경우에는 필요에 따라서 시스템의 메모리를 확장 수 있다.
이러한 클라우드 서버(300)를 구동하는 서버 소프트웨어는, 각각의 사용자로부터 전송받은 데이터를 기반으로 한 데이터베이스를 구축한다.
클라우드 서버(300)의 데이터베이스는 기본적으로, 1) 사용자 정보 보관과 2) 실시간 분류에 활용된다.
휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 관리 PC(400)는 클라우드 서버(300)와 연동되어 클라우드 서버(300)에 저장된 데이터를 빅데이터화하여 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 성능 개선 등 연구적인 목적으로 이용할 수 있다.
도 21은 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 운용에서 클라우드 서버의 역할을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 운용에서 클라우드 서버(300)의 역할은 도 21에 나타낸 바와 같은데, 사용자가 뇌 활성화를 측정할 때마다 측정 결과는 암호화되어 데이터베이스(Database) 상에 저장된다. 반대로 사용자가 자신의 데이터를 열람하려 한다면 해당하는 데이터를 데이터베이스로부터 사용자 단말(Smart Device)로 다운로드된다.
데이터베이스 상에는 참여자들의 뇌 활성화 데이터(User Data Storage)가 저장되어서 빅데이터를 형성하고 있기 때문에 데이터베이스 상의 데이터는 각종 분류기 등 뇌 활성화를 평가하는 인공지능 알고리즘을 학습시키는 데에 활용될 수 있다.
또한 클라우드 서버(300)의 리소스는 온라인 분류기를 학습시키고 실시간 분류 작업을 수행하는 데에 활용될 수 있다. 따라서 클라우드 서버(300)상의 분류 알고리즘은 항상 최신 데이터셋을 반영하여 실시간으로 성능이 개선된다.
사용자가 본인의 측정 기록 이외에도 본인의 뇌 활성화 측정에 대한 평가를 요청할 수 있는데, 그런 경우 미리 설정된 최신 분류 알고리즘(classificaion algorithm)을 통해 실시간으로 평가된 뇌 활성화 점수가 사용자의 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)로 다운로드 된다. 이러한 뇌 활성화 점수는 도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같은 암산 게임과 그에 따른 혈역학 반응 매개변수에 등을 통해 미리 설정된 방식으로 점수화될 수 있다.
또한 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 관리 서버(400)에 구축되는 데이터는 빅데이터로 가공되는데 해당 빅데이터는 인지 뇌과학 이론에 기반한 분류 알고리즘의 개발과 평가를 위해 활용된다. 물론, 개인정보는 철저히 보호된다. 그리고 해당 빅데이터를 활용하여 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 개발할 수 있으며 사용자의 뇌 활성화 발전에 대한 추세를 도출할 수 있다. 그리고 데이터베이스의 관리와 분류 알고리즘 업데이트를 통해 본 발명을 유지보수할 수 있으며 지속적인 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 성능을 개선할 수 있다.
도 22는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템에서 어플리케이션 소프트웨어의 기능 및 동작을 나타낸 흐름도이다.
본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템에서 어플리케이션 소프트웨어의 기능 및 동작은 도 22에 나타낸 바와 같은데, 사용자는 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)의 어플리케이션을 시작(S200)하여 기능을 선택한다(S210).
기능선택을 통해 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 제어 혹은 이전 사용자 기록 열람의 동작을 수행할 수 있다.
휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 제어시 사용자는 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 머리에 착용하고, 어플리케이션 소프트웨어는 장치와 블루투스로 연결(페어링)하여(S230), 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 제어한다(S240). 이때, 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)로부터 기록된 데이터를 수신받으며, 각종 제어 동작은 도 16에서와 같이 제어할 수 있다.
한편 사용자 기록 열람의 경우 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)의 어플리케이션 소프트웨어는 클라우드 서버(300)와 통신하여, 클라우드 서버(300)에 기록된 사용자 기록을 다운로드한다(S250). 사용자가 어플리케이션 소프트웨어를 사용한 이후, 측정 및 데이터 열람 등의 모든 사용 기록은 클라우드 서버(300)에 기록(업데이트)된다(S260).
도 23은 본 발명에 따른 클라우드 서버의 실시예를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
본 발명에 따른 클라우드 서버(300)의 실시예는 도 23에 나타낸 바와 같이. 통신부(310), 회원정보 저장부(320), 활성화 데이터 사용자 점수 저장부(330), 사용자 활성화 데이터 수집부(340), 활성화 데이터 사용자별 분류부(350), 활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부(360), 활성화 만족도 데이터 조건 분석부(370), 사용자 만족도 조건 저장부(380) 및 제어부(390)를 포함하여 구성된다.
통신부(310)는 스마트 디바이스(200) 및 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 관리 PC(400)와 통신한다.
회원정보 저장부(320)는 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 및 스마트 디바이스(200)의 사용자 정보를 저장한다. 이러한 사용자 정보는 연령, 성별, 직업(학생(초, 중, 고, 대학 이상), 직장인 직업 정보(사무직, 기술직, 연구직, 생산직, 운전지 등)) 등을 체크리스트 등을 제공하여 사용자가 입력하면 이를 저장한다.
활성화 데이터 사용자 점수 저장부(330)는 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 이용한 사용자의 점수를 스마트 디바이스(200)로부터 수신하여 저장한다. 이러한 정보는 누적(업데이트)된다.
사용자 활성화 데이터 수집부(340)는 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 이용한 사용자의 활성화 데이터를 스마트 디바이스(200)로부터 수집한다.
활성화 데이터 사용자별 분류부(350)는 사용자 활성화 데이터 수집부(340)에서 수집한 정보를 사용자별로 분류한다.
활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부(360)는 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 이용한 사용자의 만족도 정보를 수집하여 분류한다. 이때, 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 사용조건 정보 역시 스마트 디바이스(200)로부터 수집된다.
활성화 만족도 데이터 조건 분석부(370)는 활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부(360)에서 분류한 사용자 만족도에 대하여 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 사용조건 정보에 따라 분석한다.
사용자 만족도 조건 저장부(380)는 활성화 만족도 데이터 조건 분석부(370)에서 분석한 만족도 조건을 저장한다. 이러한 만족도 조건에 대한 데이터는 사용자 정보와 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 사용조건에 따라 빅데이터화하여 이용될 수 있다.
제어부(390)는 통신부(310), 회원정보 저장부(320), 활성화 데이터 사용자 점수 저장부(330), 사용자 활성화 데이터 수집부(340), 활성화 데이터 사용자별 분류부(350), 활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부(360), 활성화 만족도 데이터 조건 분석부(370) 및 사용자 만족도 조건 저장부(380)를 제어한다.
도 24는 본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 운용 방법의 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명에 따른 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 운용 방법은 도 24에 나타낸 바와 같은데, 클라우드 서버(300)에서 조건에 따라 수행되는 것으로, 우선 회원정보를 수집하여 저장한다(S300).
그리고 사용자의 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)에 대한 활성화 데이터 점수를 스마트 디바이스(200)로부터 수신하여 활성화 데이터 사용자 점수 저장부(330)에 저장한다(S310).
그리고 사용자 활성화 데이터 수집부(340)에서는 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 이용한 사용자의 활성화 데이터를 스마트 디바이스(200)로부터 수집한다(S320).
이어 활성화 데이터 사용자별 분류부(350)에서는 사용자 활성화 데이터 수집부(340)에서 수집한 정보를 사용자별로 분류한다(S330).
그러면 활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부(360)에서는 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 이용한 사용자의 만족도 정보를 수집하여 분류한다(S340). 이때, 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 사용조건 정보가 스마트 디바이스(200)로부터 수집된다.
한편 활성화 만족도 데이터 조건 분석부(370)는 활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부(360)에서 분류한 사용자 만족도에 대하여 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 사용조건 정보에 따라 분석한다(S350).
그리고 분석된 사용자 만족도 조건은 사용자 만족도 조건 저장부(380)에 저장된다(S360).
이러한 사용자 만족도 조건은 클라우드 서버(300)에 업데이트되는데(S370), 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 관리 PC(400)의 작업자 또는 연구진에서는 해당 데이터를 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 관리 PC(400)를 통해 빅데이터로 가공하게 되고, 해당 빅데이터는 인지 뇌과학 이론에 기반한 분류 알고리즘의 개발과 평가를 위해 활용된다. 이러한 해당 빅데이터는 클라우드 서버(300)에서 활용하여 인공지능(AI)에 의한 사용자의 뇌 활성화 발전에 대한 추세를 도출할 수도 있고, 데이터베이스의 관리와 분류 알고리즘 업데이트를 통해 유지보수는 물론, 새로운 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 모델의 성능 개선, 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)의 소프트웨어 업데이트 등에 이용할 수 있다.
이상과 같은 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 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 한다.
100 : 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치
110 : 근적외선 분광기 120 : 경두개 직류전류 자극기
130 : 구동 회로 및 배터리부 131 : 전원공급부
132 : 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부
133 : 필터 및 특징추출 알고리즘부
134 ; 메모리부 135: 조작패널부
136 : 통신부 137 : 전원스위치부
138 : 제어부
200 : 소프트웨어 설치 스마트 디바이스
300 : 클라우드 서버
310 : 통신부 310 : 회원정보 저장부
330 : 활성화 데이터 사용자 점수 저장부
340 : 사용자 활성화 데이터 수집부
350 : 활성화 데이터 사용자별 분류부
360 : 활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부
370 : 활성화 만족도 데이터 조건 분석부
380 : 사용자 만족도 조건 저장부 390 : 제어부
400 : 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 관리 PC
110 : 근적외선 분광기 120 : 경두개 직류전류 자극기
130 : 구동 회로 및 배터리부 131 : 전원공급부
132 : 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부
133 : 필터 및 특징추출 알고리즘부
134 ; 메모리부 135: 조작패널부
136 : 통신부 137 : 전원스위치부
138 : 제어부
200 : 소프트웨어 설치 스마트 디바이스
300 : 클라우드 서버
310 : 통신부 310 : 회원정보 저장부
330 : 활성화 데이터 사용자 점수 저장부
340 : 사용자 활성화 데이터 수집부
350 : 활성화 데이터 사용자별 분류부
360 : 활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부
370 : 활성화 만족도 데이터 조건 분석부
380 : 사용자 만족도 조건 저장부 390 : 제어부
400 : 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 관리 PC
Claims (9)
- 사용자의 이마에 착용되어 근적외선 분광법을 위한 광전극(발광 다이오드(LED) 및 광 센서 다이오드)를 탑재하여 사용자의 대뇌 전전두엽 부분의 뇌기능 활성화인 뇌 혈역학적 활성화 정도를 측정하고, 착용자인 사용자의 경두개에 직류전류를 자극하며, 근적외선 분광법을 위한 광전극에서 측정된 빛 신호를 수신하여 혈역학적 활성화 정보로 변환하고 저장하고, 혈역학적 활성화를 유발할 수 있는 암산 게임, 단어 유추 게임, 사물 인지 게임, 작업 기억 게임을 포함하는 단순하며 흥미를 유발하는 게임형태의 인지적 활동을 제공한 후 필터 및 특징 추출 알고리즘을 적용하여, 사용자의 혈역학적 활성화 정보를 가공하고 정량화하여 블루투스 통신으로 페어링된 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)로 전송하는 개별 사용자들의 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100);
페어링된 상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 사용자의 fNIRS 신호가 측정되어 난이도가 점진적으로 상승하는 게임을 제공하고, 사용자가 통과한 최고 난이도의 게임에서 측정된 혈역학 결과 신호를 바탕으로 사용자의 최적화 난이도와 해당 난이도에서의 혈역학 반응의 크기를 기반으로 한 혈역학 매개변수를 산출하는 어플리케이션 소프트웨어가 설치된 복수의 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200); 및
복수의 상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)의 어플리케이션 소프트웨어와 통신하며, 복수의 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)를 통해 복수의 사용자로부터 측정된 결과 신호를 데이터베이스화하여 저장하거나 어플리케이션 소프트웨어의 요청에 따라 개별 사용자에게 필요한 데이터를 산출하여 전송하는 클라우드 서버(300);를 포함하여 구성되고,
상기 클라우드 서버(300)는,
상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100), 복수의 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200) 및 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 관리 PC(400)와 통신하는 통신부(310)와, 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 및 스마트 디바이스(200)의 사용자 정보가 저장되는 회원정보 저장부(320)와, 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 이용한 사용자의 점수를 스마트 디바이스(200)로부터 수신하여 저장되는 활성화 데이터 사용자 점수 저장부(330)와, 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 이용한 사용자의 활성화 데이터를 스마트 디바이스(200)로부터 수집하는 사용자 활성화 데이터 수집부(340)와, 사용자 활성화 데이터 수집부(340)에서 수집한 정보를 사용자별로 분류하는 활성화 데이터 사용자별 분류부(350)와, 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 이용한 사용자의 만족도 정보를 수집하여 분류하는 활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부(360)와, 상기 활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부(360)에서 분류한 사용자 만족도에 대하여 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 사용조건 정보에 따라 분석하는 활성화 만족도 데이터 조건 분석부(370)와, 상기 활성화 만족도 데이터 조건 분석부(370)에서 분석한 만족도 조건을 저장되는 사용자 만족도 조건 저장부(380); 및 상기 통신부(310), 회원정보 저장부(320), 활성화 데이터 사용자 점수 저장부(330), 사용자 활성화 데이터 수집부(340), 활성화 데이터 사용자별 분류부(350), 활성화 데이터 사용자별 만족도 분류부(360), 활성화 만족도 데이터 조건 분석부(370) 및 사용자 만족도 조건 저장부(380)를 제어하는 제어부(390)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)는,
착용자의 이마에 착용되어 근적외선 분광법을 위한 발광 다이오드(LED) 및 광 센서 다이오드로 구성되는 광전극이 탑재되어 사용자의 대뇌 전전두엽 부분의 뇌기능 활성화인 뇌 혈역학적 활성화 정도를 측정하는 근적외선 분광기(fNIRS)(110)와, 착용자의 이마에 착용되어 경두개에 직류전류를 자극하는 경두개 직류전류 자극기(tDCS)(120) 및 상기 근적외선 분광기(fNIRS)(110)에서 측정된 빛 신호를 수신 받아서 혈역학적 활성화 정보로 변환하고 저장하며, 혈역학적 활성화를 유발할 수 있는 게임 형태의 인지적 활동을 제공하고, 필터 및 특징 추출 알고리즘을 적용하여, 사용자의 혈역학적 활성화 정보를 가공하고 정량화하는 구동 회로 및 배터리부(130);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 구동 회로 및 배터리부(130)는,
상기경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)에서 필요한 전원을 공급하는 전원공급부(131)와,
상기 근적외선 분광기(fNIRS)(110)를 통해 착용자의 이마에 착용되어 광전극(발광 다이오드(LED) 및 광 센서 다이오드)을 통해 사용자의 대뇌 전전두엽 부분의 뇌기능 활성화인 뇌 혈역학적 활성화 정도가 측정되면 이를 활성화 정보로 변환하는 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132)와
상기 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132)에서 변환된 사용자의 혈역학적 활성화 정보를 가공하고 정량화하는 필터 및 특징추출 알고리즘부(133)와,
상기 필터 및 특징추출 알고리즘부(133)에서 정량화된 혈역학적 정보를 저장하는 메모리부(134)와,
상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 각종 동작을 조작하기 위한 패널(panel)로 구성되 조작패널부(135)와,
소프트웨어가 설치된 소프트웨어 설치 디바이스(200)와 블루투스 통신을 수행하는 통신부(136)와,
상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 전원을 켜고 끄기 위한 전원스위치부(137) 및
상기 전원공급부(131), 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132), 필터 및 특징추출 알고리즘부(133), 메모리부(134), 조잘패널부(135), 통신부(136) 및 전원스위치부(137)를 제어하는 제어부(138)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 클라우드 서버(300)를 구동하는 서버 소프트웨어는, 각각의 사용자로부터 전송받은 데이터를 기반으로 사용자 정보 보관과 실시간 분류에 활용되며,
상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템은,
상기 클라우드 서버(300)와 연동되어 클라우드 서버(300)에 저장된 데이터를 빅데이터화하여 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 성능 개선을 수행하는 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템 관리 PC(400)를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)에는 GUI 형태로 사용자에게 간편한 조작 인터페이스를 제공하도록 구성된 어플리케이션 소프트웨어가 설치된 것을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)는,
사용자가 소유하고 있는 계정을 통해 본인의 스마트 디바이스(200) 본인의 뇌기능 활성화에 대한 기록을 열람하되, 하나의 장비로 계정을 다르게 하여 가족이나 친구를 포함하는 다중 사용자의 뇌기능 활성화 정보를 기록하고 관리할 수 있 는 것을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 클라우드 서버(300)는,
상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 통해 뇌 활성화를 측정할 때의 측정 결과가 암호화되어 상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)를 통해 데이터베이스(Database) 상에 저장되고, 사용자가 자신의 데이터를 열람하려 한다면 해당하는 데이터를 데이터베이스로부터 상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)로 다운로드되며,
상기 클라우드 서버(300)는, 사용자가 본인의 측정 기록 이외에도 본인의 뇌 활성화 측정에 대한 평가가 요청되면 분류 알고리즘(classification algorithm)을 통해 실시간으로 평가된 뇌 활성화 점수가 사용자의 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)로 다운로드 되는 것을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 뇌 활성화 점수에 대한 평가는,
미리 설정된 암산 게임, 단어 유추 게임, 사물 인지 게임, 작업 기억 게임을 포함하는 인지 활성화 유발 게임을 상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)에 설치하고, 상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 착용한 사용자가 상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)와 페어링 한 후 게임을 하면서, 사용자의 fNIRS 신호 측정하며, 난이도가 점진적으로 상승하도록 프로그램된 게임을 수행하되, 상기 게임은 사용자가 통과하지 못할 때까지 계속되며, 사용자가 통과한 최고 난이도의 게임에서 측정된 혈역학 신호를 바탕으로 사용자의 최적화 난이도와 해당 난이도에서의 혈역학 반응의 크기를 기반으로 한 혈역학 매개변수가 산출되는 것에 의해 평가되는 것을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템에서,
상기 어플리케이션 소프트웨어가 설치된 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)는,
상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)의 어플리케이션을 시작(S200)하여 기능을 선택하는 단계(S210)와 기능선택을 통해 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 제어 혹은 이전 사용자 기록 열람의 동작을 수행하여 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100) 제어시 사용자는 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 머리에 착용되고, 상기 어플리케이션 소프트웨어는 장치와 블루투스로 연결(페어링)하는 단계(S230)와, 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)를 제어(S240)하여 상기 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)로부터 기록된 데이터를 수신받으며, 사용자 기록 열람의 경우 상기 소프트웨어 설치 스마트 디바이스(200)의 어플리케이션 소프트웨어는 상기 클라우드 서버(300)와 통신하여, 상기 클라우드 서버(300)에 기록된 사용자 기록을 다운로드하는 단계(S250) 및 상기 어플리케이션 소프트웨어를 사용한 이후 측정 및 데이터 열람을 포함하는 사용 기록은 상기 클라우드 서버(300)에 기록(업데이트)되는 단계(S260)를 포함하여 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 시스템.
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| Publication number | Publication date |
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