KR102556503B1 - 뇌파 및 심박신호를 활용한 신경자극 기반 뉴로피드백 장치 - Google Patents

뇌파 및 심박신호를 활용한 신경자극 기반 뉴로피드백 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 사용자의 신체에 부착되어 미주신경 부위에 전기 자극을 제공하는 본체를 포함하는 뉴로피드백 장치에서 본체는, 타원형이되 길이방향의 일측 및 타측이 중심을 향해 오목하게 들어간 형상으로 마련되어 좌우 대칭되는 구조로 마련되고, 사용자의 목에 부착되는 프레임; 프레임 후면에 위치하여 미주신경 부위에 전기 자극을 제공하는 복수의 전극을 포함하고 사용자의 경동맥의 옆에 위치하는 미주신경 부위의 직상부 피부에 부착되는 미주신경 자극부; 프레임의 후면에서 상기 프레임의 좌우 대칭의 중심에 위치하여 사용자의 심박수를 감지하는 심박 센서; 프레임 전면에 위치하여 사용자의 명령을 입력받는 조작부; 및 신호를 송수신하기 위해 상기 프레임의 측면에 형성되는 복수의 접속 포트를 포함하고, 미주신경 자극부의 복수의 전극은, 프레임의 좌우 대칭되는 구조에서 좌우에 하나씩 마련되어 프레임이 사용자의 피부에 부착되면, 상기 미주신경의 방향과 수직하게 배치된다.

Description

뇌파 및 심박신호를 활용한 신경자극 기반 뉴로피드백 장치 {NEUROSTIMULATION-BASED NEUROFEEDBACK DEVICE USING BRAIN WAVES AND HEARTBEAT SIGNALS}
본 발명은 뇌파 및 심박신호를 활용한 신경자극 기반 뉴로피드백 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사용자의 뇌 및 신경계 상태를 실시간으로 파악하고 이에 기초하여 뉴로피드백을 제공하는 뇌파 및 심박신호를 활용한 신경자극 기반 뉴로피드백 장치에 관한 것이다.
정상적인 수면은 건강한 삶에 필수 불가결한 요소로, 수면은 인간수명의 1/3을 차지한다. 그러나 현대인들은 업무과다, 스트레스, 노화, 생활환경 및 질환 등의 다양한 원인으로 성인 중 10% 이상이 수면장애를 호소하며 성인의 1/3 정도는 일생동안 어떤 형태로든 수면장애를 경험하는 것으로 알려져있다. 수면장애는 흔히 신경정신질환의 초기증상으로 나타나며 일부 정신질환은 수면생리의 특징적인 변화를 동반한다. 미국 수면 협회의 통계에 따르면 미국인의 60%가 때때로 수면장애를 겪으며, 미국 교통안전 위원회에서는 이러한 수면장애로 인해 연간 약 1,000건의 교통사고가 발생하고, 이로 인해 1,500명 이상이 사망하는 등 수면장애를 심각한 사회문제로 인식하고 있다. 또한 현대사회에 들어 증가된 스마트폰의 사용과 같은 생활습관 역시 잠을 잘 못이루게 하는 용인으로 대두되고 있다.
특히 멜라토닌 부족에 의한 수면장애의 경우에는 근래에, NTS(Nucleus Tractus Solitarius)를 거쳐 LC(Locus coeruleus)를 자극하고, LC는 노르에피네프린(NE) 분비를 촉진시켜 DRN(Dorsal Raphe Nucleus)를 자극, 이로 인해 세로토닌(5-HT) 분비 및 멜라토닌이 증가되도록 하는 미주신경자극을 통해 개선할 수 있는 것으로 알려져있다.
이에 따라 중추신경과 연결되어 있는 미주신경을 자극하여, 자율신경 기능 및 뇌 신경망의 활성을 돕는 치료 방법으로, 인지기능을 주관하는 대뇌피질 및 해마의 시냅스 가소성을 촉진하여 인지기능을 향상시킬 수 있는 미주신경자극술이 사용되고 있다.
이러한 종래의 신경자극 기술은 기존에 설정된 특정 진동수(Hz) 및 강도(mA)의 자극만을 제공하는 방식이다. 하지만 사용자의 특성 및 상태에 따라 자극의 반응은 달라지기 때문에 종래의 고정된 패턴의 자극으로는 적합한 신경자극을 제공하지 못하게 되고, 이러한 한계점은 결과적으로 미주신경자극에 대한 효과가 적다는 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2004-0085440호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 수면 중 측정되는 뇌파와 심박 신호를 통해 수집된 자율신경계 활성화 정보와 실시간 수면 단계 분류 결과에 기초하여 수면 중 사용자에게 최적화된 개인 맞춤형 미주신경자극을 제공하는 것이다.
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상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자의 신체에 부착되어 미주신경 부위에 전기 자극을 제공하는 본체를 포함하는 뉴로피드백 장치에 있어서, 상기 본체는, 타원형이되 길이방향의 일측 및 타측이 중심을 향해 오목하게 들어간 형상으로 마련되어 좌우 대칭되는 구조로 마련되고, 사용자의 목에 부착되는 프레임; 상기 프레임 후면에 위치하여 상기 미주신경 부위에 전기 자극을 제공하는 복수의 전극을 포함하고 상기 사용자의 경동맥의 옆에 위치하는 미주신경 부위의 직상부 피부에 부착되는 미주신경 자극부; 상기 프레임의 후면에서 상기 프레임의 좌우 대칭의 중심에 위치하여 상기 사용자의 심박수를 감지하는 심박 센서; 상기 프레임 전면에 위치하여 사용자의 명령을 입력받는 조작부; 및 신호를 송수신하기 위해 상기 프레임의 측면에 형성되는 복수의 접속 포트를 포함하고, 상기 미주신경 자극부의 복수의 전극은, 상기 프레임의 좌우 대칭되는 구조에서 좌우에 하나씩 마련되어 상기 프레임이 상기 사용자의 피부에 부착되면, 상기 미주신경의 방향과 수직하게 배치된다.
여기서 상기 사용자의 머리에 부착되어 상기 사용자의 뇌파를 측정하는 뇌파측정부; 및 상기 복수의 접속 포트 중 하나와 연결되어 상기 본체와 상기 뇌파측정부를 연결하는 제1 연결케이블을 더 포함하고, 상기 뇌파측정부는, 소정의 폭을 가지며, 상기 제1 연결케이블을 통해 상기 본체와 연결되면 상기 사용자의 목 주변에서 귀 뒤를 지나 머리 일부에 걸쳐 부착되는 마련되는 제1 밴드; 상기 제1 밴드의 일단에 위치하고, 상기 사용자의 머리 일부에 탈부착되어 상기 사용자의 좌 전전두엽(Fp1) 영역에서 뇌파를 측정하는 패치형의 제1 뇌파 센서; 상기 제1 뇌파 센서의 후단에 위치하고, 상기 사용자의 머리 일부에 탈부착되어 상기 사용자의 우 전전두엽(Fp2) 영역에서 뇌파를 측정하는 패치형의 제2 뇌파 센서; 상기 제2 뇌파 센서의 후단에 위치하고, 상기 사용자의 귀 주변에 탈부착되어 뇌파 측정을 위한 레퍼런스 신호를 제공하는 레퍼런스 전극; 상기 레퍼런스 전극의 후단에 위치하고, 상기 사용자의 귀 주변에 탈부착되어 뇌파 측정을 위한 그라운드 신호를 제공하는 그라운드 전극; 및 상기 그라운드 전극의 후단에 위치하여 상기 제1 연결케이블의 타단에 삽입 연결되는 제1 연결부를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 밴드에서, 상기 제1 뇌파 센서, 상기 제2 뇌파 센서, 상기 레퍼런스 전극 및 상기 그라운드 전극이 배치되는 부분은 상기 소정의 폭보다 큰 직경을 가지는 원형의 형상으로 마련될 수 있다.
또한, 상기 제1 연결케이블은, 제1 케이블; 상기 제1 케이블의 일단에 위치하여 상기 본체의 접속 포트 중 하나에 삽입되는 돌출단자로 마련되는 제1 단자; 및 상기 제1 케이블의 타단에 위치하여 상기 뇌파측정부의 상기 제1 연결부가 삽입되는 통공을 포함하는 제1 소켓을 포함할 수 있다.
상기 사용자의 목 주변에 부착되어 상기 뉴로피드백 신호에 대응하는 전기 자극을 출력하는 전극을 포함하는 턱끝혀근자극부; 및 상기 복수의 접속 포트 중 다른 하나와 연결되어 상기 본체와 상기 턱끝혀근자극부를 연결하는 제2 연결케이블을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 턱끝혀근자극부는, 상기 제2 연결케이블을 통해 상기 본체와 연결되면, 상기 사용자의 턱끝혀근 부위의 직상부 피부에 부착되는 제2 밴드; 상기 제2 밴드의 일단 후면에 위치하여 상기 사용자의 턱끝혀근 부위에 상기 전기 자극을 제공하고, 패치형으로 마련되어 상기 턱끝혀근 부위의 직상부 피부에 부착되는 턱끝혀근 전극; 및 상기 제2 밴드의 타단에 위치하여 상기 제2 연결케이블에 삽입 연결되는 제2 연결부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 연결케이블은, 제2 케이블; 상기 제2 케이블의 일단에 위치하여 상기 본체의 접속 포트 중 하나에 삽입되는 돌출단자로 마련되는 제2 단자; 및 상기 제2 케이블의 타단에 위치하여 상기 뇌파측정부의 상기 제2 연결부가 삽입되는 통공을 포함하는 제2 소켓을 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 뇌파 및 심박신호를 활용한 신경자극 기반 뉴로피드백 장치 및 방법을 제공함으로써, 수면 중 측정되는 뇌파와 심박 신호를 통해 수집된 자율신경계 활성화 정보와 실시간 수면 단계 분류 결과에 기초하여 최적화된 개인 맞춤형 미주신경자극을 제공할 수 있다.
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도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로피드백 장치를 사용자가 착용한 모습을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로피드백 장치의 구성을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로피드백 시스템 구성을 설명하기 위한 블록도, 그리고
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로피드백 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로피드백 장치를 사용자가 착용한 모습을 설명하기 위한 도면, 그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로피드백 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 뉴로피드백 장치는 사용자의 신체의 일부에 접촉하여 사용자의 뇌파와 심박 및 움직임을 측정 또는 감지하고, 측정 또는 감지된 결과에 기초하여 신경자극에 대한 전극의 세기 및 주파수를 실시간으로 조절하여 사용자에게 맞춤형 신경자극을 제공하기 위해 마련된다.
본 실시예에 따른 뉴로피드백 장치는 미주신경 자극을 위한 뉴로피드백 신호를 생성하여 전기 자극을 출력하기 위하여 본체(100), 뇌파측정부(200), 턱끝혀근자극부(300), 제1 연결케이블(400) 및 제2 연결케이블(500)을 포함하여 마련될 수 있다.
본체(100)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 프레임(F), 미주신경 자극부(170), 심박 센서(130), 조작부(120) 및 복수의 접속 포트(181, 183)를 포함하여 마련될 수 있다.
먼저 프레임(F)은 도시된 바와 같이 타원형으로 마련되되, 길이 방향의 일측 및 타측이 중심을 향해 오목하게 들어간 형상으로 마련됨으로써, 좌우 대칭되는 구조로 마련될 수 있다.
그리고 프레임(F)의 전면에는 사용자의 명령을 입력하기 위한 조작부(120)가 위치하고, 프레임(F)의 후면에는 미주신경을 자극하기 위한 전기 자극을 출력하는 미주신경 자극부(170)와 심박 센서(130)가 위치할 수 있다.
그리고 프레임(F)의 후면은 미주신경 자극부(170)에서 출력되는 전기 자극이 사용자의 미주신경 부위에 제공되거나 사용자의 심박수를 감지하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 사용자의 경동맥의 옆에 위치하는 미주신경 부위의 직상부 피부에 부착가능하도록 마련된다.
이를 위해 프레임(F)의 후면은 미주신경 자극부(170) 및 심박 센서(130)가 마련되는 위치를 제외한 부분이 겔 패드와 같은 점착식부재로 마련되어 착용자의 피부에 점착된 상태를 유지하여, 본체(100)가 사용자의 피부로부터 임의로 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
또한 프레임(F)의 후면은 사용자의 목에 접할 수 있도록 만곡된 형상으로 마련될 수 있으며, 프레임(F)이 사용자의 미주신경 부위에 부착되는 밀착력을 겔 패드와 같은 점착식부재만 마련되는 경우보다 향상시키기 위하여 스트랩과 같은 별도의 고정부재를 더 포함하여 마련될 수도 있다.
이러한 프레임(F)의 내부에는 전기 자극을 생성하기 위한 각종 모듈과 전선들이 위치할 수 있다.
한편 미주신경 자극부(170)는 프레임(F)의 후면에 위치하여 미주신경 부위에 뉴로피드백 신호에 대응하는 전기 자극을 출력하는 복수의 전극으로 제1 전극(171) 및 제2 전극(173)을 포함하여 마련될 수 있다.
제1 전극(171) 및 제2 전극(173)은 좌우 대칭되는 구조로 마련되는 프레임(F)의 좌우에 하나씩 마련되어 프레임(F)이 사용자의 미주신경 부위의 직상부 피부에 부착될 때 도 1에 도시된 바와 같이 미주신경이 방향과 수직하게 배치되어 미주신경 부위에 전기 자극을 제공할 수 있으며, 이러한 제1 전극(171) 및 제2 전극(173)은 패치형 전극으로 마련되어 미주신경 부위의 피부에 직접 부착될 수 있다.
이러한 제1 전극(171) 및 제2 전극(173)을 포함하는 미주신경 자극부(170)에 의해 미주신경 자극을 위한 뉴로피드백 신호에 대응되는 전기 자극을 제공할 수 있게 된다. 그리고 제1 전극(171) 및 제2 전극(173)은 도시된 바와 같이 원형의 전극으로 마련될 수 있다.
한편 심박 센서(130)는 프레임(F)의 후면에 위치하되, 좌우 대칭되는 구조로 마련되는 프레임(F)의 좌우 대칭의 중심에 위치하여 사용자의 심박수를 감지하기 위해 마련될 수 있다. 즉 심박 센서(130)는 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 전극(171, 173) 사이에 마련된다.
한편, 조작부(120)는 프레임(F)의 전면에 위치하여 사용자의 명령을 입력받기 위한 것으로, 사용자에 의한 조작에 의해 본체(100)의 전원이 온/오프 될 수 있도록 한다.
그리고 복수의 접속 포트(181, 183)는, 신호를 송수신하기 위해 마련되는 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 프레임(F)의 측면에 각각 형성될 수 있으며, 이러한 복수의 접속 포트(181, 183)에는 제1 연결케이블(400) 또는 제2 연결케이블(500)이 연결되며, 이러한 제1 연결케이블(400) 또는 제2 연결케이블(500)을 통해 본체(100)가 뇌파측정부(200) 또는 턱끝혀근자극부(300)와 연결될 수 있다.
이를 위해 복수의 접속 포트(181, 183)는 도시된 바와 같이 프레임(F)의 일측 및 일측과 인접한 타측에 형성될 수 있으며, 제1 연결케이블(400)의 제1 단자(420) 또는 제2 연결케이블(500)의 제2 단자(520)가 삽입가능하도록 하는 소켓 형상으로 마련될 수 있다.
이러한 복수의 접속 포트(181, 183) 중 제1 연결케이블(400)과 연결되는 일측의 접속 포트(181)는, 도 2에 도시된 바와 같이 좌우 대칭으로 형성되는 프레임(F)의 오목하게 들어간 부분에 형성될 수 있다. 이러한 일측의 접속 포트(181)의 위치는 제1 연결케이블(400)을 통해 본체(100)와 연결되는 뇌파측정부(200)가 사용자의 귀 주변을 거쳐 사용자의 머리 일부에 부착됨과 동시에 프레임(F)이 사용자의 미주신경 부위의 직상부 피부에 부착될 때 미주신경 자극부(170)의 복수의 전극(171, 173) 미주신경의 방향과 수직하게 배치될 수 있도록 하기 위한 위치이다.
또한 복수의 접속 포트(181, 183) 중 제2 연결케이블(500)과 연결되는 일측과 인접한 타측에 형성된 접속 포트(183)는 도 2에 도시된 바와 같이 프레임(F)의 오목하게 들어간 부분이 아닌 좌우 대칭으로 형성되는 프레임(F)의 길이 방향의 일단인 타측에 형성될 수 있다. 이러한 일측과 인접한 타측에 형성된 접속 포트(183)의 위치는 제2 연결케이블(500)을 통해 본체(100)와 연결된 턱끝혀근자극부(300)의 턱끝혀근 전극(320)이 사용자의 턱끝혀근 부위의 피부에 부착될 수 있도록 하는 위치이다.
이러한 본체(100)를 통해 본 실시예에 따른 뉴로피드백 장치는 뉴로피드백 신호에 대응하는 전기 자극을 미주신경 부위에 제공할 수 있게 된다.
그리고 본체(100)는 사용자의 움직임을 감지하기 위한 움직임 센서(140)로 관성 센서를 더 포함하여 마련될 수 있다.
한편, 뇌파측정부(200)는 사용자의 머리에 부착되어 사용자의 뇌파를 측정하기 위해 마련되는 것으로 뇌파측정부(200)에서 측정된 뇌파는 뉴로피드백 신호를 생성하기 위한 데이터로 활용되기 위해 본체(100)에 마련된 제어부로 전송될 수 있다.
이러한 뇌파측정부(200)는 제1 연결케이블(400)을 통해 본체(100)와 연결되고 제1 연결케이블(400)을 통헤 본체(100)와 신호를 송수신할 수 있으며, 제1 밴드(210), 제1 뇌파 센서(220), 제2 뇌파 센서(230), 레퍼런스 전극(240), 그라운드 전극(250) 및 제1 연결부(260)를 포함하여 마련될 수 있다.
먼저 제1 밴드(210)는 뇌파측정부(200)가 본체(100)와 일부 연결된 상태에서 사용자의 목 주변에서 귀 뒤를 지나 머리 일부에 걸쳐 사용자에게 부착되기 위해 위해 마련되는 것으로 도시된 바와 같이 소정의 폭을 가지는 띠 형상으로 마련될 수 있으며 사용자의 머리에 접할 수 있도록 인체 굴곡에 대응하여 변경가능한 재질로 마련될 수 있다. 여기서 소정의 폭이라 함은 제1 뇌파 센서(220), 제2 뇌파 센서(230), 레퍼런스 전극(240), 그라운드 전극(250)이 배치될 수 있는 폭을 의미하는 것으로, 적어도 제1 뇌파 센서(220), 제2 뇌파 센서(230), 레퍼런스 전극(240), 그라운드 전극(250)의 직경 이상으로 마련될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 본체(100)와 연결된 뇌파측정부(200)에서 본체(100)와 가장 거리가 먼 부분을 제1 밴드(210)의 일단으로 상정한 경우, 제1 밴드(210)의 일단에서 본체(100)와 거리가 가까운 타단의 순서대로 제1 밴드(210)의 후면에는 제1 뇌파 센서(220), 제2 뇌파 센서(230), 레퍼런스 전극(240) 및 그라운드 전극(250)이 위치하며, 제1 밴드(210)의 타단에는 제1 연결케이블(400)과 결합되는 제1 연결부(260)가 마련된다.
그리고 제1 밴드(210)는 제1 뇌파 센서(220), 제2 뇌파 센서(230), 레퍼런스 전극(240) 및 그라운드 전극(250)이 배치되는 부분은 소정의 폭보다 큰 직경을 가지는 원형의 형상으로 마련되어, 도시된 바와 같이 원형의 형상으로 마련되는 제1 뇌파 센서(220), 제2 뇌파 센서(230), 레퍼런스 전극(240) 및 그라운드 전극(250)보다 큰 직경을 가진 원형으로 형성됨으로써 제1 뇌파 센서(220), 제2 뇌파 센서(230), 레퍼런스 전극(240) 및 그라운드 전극(250)를 안정적으로 고정시킬 수 있는 것은 물론, 뇌파측정부(200)가 사용자의 피부에 밀착되는 면적을 넓힐 수 있게 되므로 밀착력을 향상시킬 수 있다.
특히 도 2에서와 같이 제1 뇌파 센서(220)와 제2 뇌파 센서(230) 사이에도 소정의 폭보다 큰 직경을 가지는 원형의 형상을 마련하고, 해당 원형의 후면에는 젤패드와 같은 점착식 부재를 접착시켜 사용자의 머리에서 뇌파측정부(200)가 임의로 이탈하는 것을 방지할 수 있다.
한편 제1 뇌파 센서(220)는, 제1 밴드(210)의 일단 후면에 위치하고, 패치형으로 마련되어 사용자의 머리 일부에 탈부착가능하도록 마련될 수 있다. 이러한 제1 뇌파 센서(220)는 사용자의 좌 전전두엽(Fp1) 영역에서 뇌파를 측정하기 위해 마련된다.
한편 제2 뇌파 센서(230)는 제1 밴드(210)의 후면에서 제1 뇌파 센서(220)의 후단에 위치하고, 제1 뇌파 센서(220)와 동일하게 패치형으로 마련되어 사용자의 머리 일부체 탈부착가능하도록 마련될 수 있다. 그리고 제2 뇌파 센서(230)는 사용자의 우 전전두엽(Fp2) 영역에서 뇌파를 측정할 수 있다.
그리고 제1 뇌파 센서(220) 및 제2 뇌파 센서(230)에서 측정된 뇌파 신호는 제1 연결부(260)를 통해 본체(100)로 전달될 수 있다.
한편, 레퍼런스 전극(240)은 제1 밴드(210)의 후면에서 제2 뇌파 센서(230)의 후단에 위치하고, 사용자의 귀 주변에 탈부착가능하도록 마련되어 뇌파 측정을 위한 레퍼런스 신호를 제공하기 위해 마련된다.
그리고 그라운드 전극(250)은 제1 밴드(210)의 후면에서 레퍼런스 전극(240)의 후단에 위치하고, 사용자의 귀 주변에 탈부착가능하도록 마련되어 뇌파 측정을 위한 그라운드 신호를 제공하기 위해 마련된다.
본 실시예에 따른 뉴로피드백 장치는 제1 밴드(210)에 레퍼런스 전극(240) 과 그라운드 전극(250)을 함께 배치함으로써 레퍼런스 신호와 그라운드 신호를 제공하기 위한 별도의 수단을 추가로 구비할 필요가 없게 된다.
한편, 제1 연결부(260)는 뇌파측정부(200)가 제1 연결케이블(400)을 통해 본체(100)와 연결되기 위해 마련되는 것으로, 그라운드 전극(250)의 후단인 제1 밴드(210)의 타단에 위치하고, 제1 연결케이블(400)의 제1 소켓(430)에 삽입되어 제1 연결케이블(400)과 결합될 수 있다.
이에 뇌파측정부(200)는 제1 연결부(260)와 제1 연결케이블(400)의 결합을 통해 측정된 뇌파 신호, 레퍼런스 신호 및 그라운드 신호를 본체(100)로 전달할 수 있게 된다.
한편 턱끝혀근자극부(300)는 사용자의 목 주변에 부착되어 뉴로피드백 신호에 대응하는 전기 자극을 출력하기 위해 마련되는 것으로, 제2 연결케이블(500)을 통해 본체(100)와 연결될 수 있고, 제2 밴드(310), 턱끝혀근 전극(320) 및 제2 연결부(330)를 포함하여 마련될 수 있다.
먼저 제2 밴드(310)는 턱끝혀근 전극(320)을 고정시키고, 턱끝혀근 전극(320)이 사용자의 턱끝혀근 부위에 부착될 수 있도록 하기 위해 마련되는 것으로 도시된 바와 같이 소정의 폭을 가지는 띠 형상으로 마련될 수 있다. 여기서 소정의 폭이라 함은 턱끝혀근 전극(320)이 배치될 수 있는 폭을 의미하는 것으로 적어도 턱끝혀근 전극(320)의 직경 이상으로 마련될 수 있다.
그리고 턱끝혀근 전극(320)을 포함하는 턱끝혀근자극부(300)가 사용자의 목 또는 턱 주변에 부착될 수 있도록 제2 밴드(310)의 후면은 겔 패드와 같은 점착식부재를 포함하여 마련될 수 있으며, 이러한 제2 밴드는 사용자의 피부 중에서 턱끝혀근 부위의 직상부 피부를 포함하는 영역에 부착되는 것이 바람직하다.
또한 제2 밴드(310)는 제1 밴드(210)와 마찬가지로 턱끝혀근 전극(320)이 배치되는 부분은 소정의 폭보다 큰 직경을 가지는 원형의 형상으로 마련되어 턱끝혀근자극부(300)가 사용자의 피부에 밀착되는 밀착력을 향상시킬 수 있다.
그리고 제2 밴드(310)의 일단의 후면에는 턱끝혀근 전극(320)이 위치하고, 제2 밴드(310)의 타단에는 제2 연결부(330)가 위치할 수 있으며 제2 밴드(310)의 길이는 제2 연결케이블(500)을 통해 본체(100)와 연결된 상태에서 사용자의 턱끝혀근에 전기 자극을 제공할 수 있도록 턱끝혀근 전극(320)이 턱끝혀근 부위에 도달될 수 있는 길이인 것이 바람직하다.
한편, 턱끝혀근 전극(320)은 사용자의 턱끝혀근 부위에 뉴로피드백 신호에 대응하는 전기 자극을 출력하기 위해 마련되는 것으로, 제2 밴드(310)의 일단 후면에 위치하고, 패치형으로 마련되어 사용자의 턱끝혀근 부위의 직상부 피부에 부착될 수 있다.
그리고 제2 연결부(330)는 턱끝혀근자극부(300)가 제2 연결케이블(500)을 통해 본체(100)와 연결가능하도록 마련되는 것으로, 제2 밴드(310)의 타단에 위치하여 제2 연결케이블(500)의 제2 소켓(530)의 통공 내에 삽입되어 제2 연결케이블(500)과 연결될 수 있다.
이를 통해 턱끝혀근자극부(300)는 뉴로피드백 신호에 대응하는 전기 자극을 턱끝혀근 전극(320)을 출력하여 사용자에게 제공할 수 있게 된다.
한편 제1 연결케이블(400)은 본체(100)와 뇌파측정부(200)를 연결하여 상호 신호를 송수신할 수 있도록 하기 위해 마련되는 것으로, 제1 케이블(410), 제1 단자(420) 및 제1 소켓(430)을 포함하여 마련될 수 있다.
제1 케이블(410)은 도통 가능한 소재로 마련됨으로써 본체(100)와 뇌파측정부(200) 간에 신호가 송수신가능하도록 할 수 있으며, 일단은 제1 단자(420)와 연결되고 타단은 제1 소켓(430)과 연결될 수 있다.
제1 단자(420)는 제1 연결케이블(400)이 본체(100)와 연결될 수 있도록 하기 위해 마련되는 것으로, 제1 케이블(410)의 일단에 위치할 수 있다.
그리고 제1 단자(420)는 본체(100)의 복수의 접속 포트(181, 183) 중 하나의 접속 포트(181)에 끼워짐으로써 본체(100)와 연결되는데, 도면에 도시된 바와 같이 하나의 접속 포트(181)에 삽입되기 위해 돌출단자로 마련됨으로써 본체(100)와 연결될 수 있다.
제1 소켓(430)은 제1 연결케이블(400)이 뇌파측정부(200)와 연결될 수 있도록 하기 위해 마련되는 것으로 제1 케이블(410)의 타단에 위치하고, 뇌파측정부(200)의 제1 연결부(260)가 삽입됨으로써 뇌파측정부(200)와 연결되고, 제1 연결부(260)가 삽입가능하도록 내부에 통공이 형성된 소켓으로 형성된다.
이러한 제1 연결케이블(400)을 통해 뉴로피드백 장치에서의 본체(100)는 뇌파측정부(200)와 연결가능해지고, 제1 연결케이블(400)을 통해 뇌파측정부(200)와 각종 신호를 송수신할 수 있게 된다.
한편, 제2 연결케이블(500)은 본체(100)와 턱끝혀근자극부(300)를 연결하여 상호 신호를 송수신할 수 있도록 하기 위해 마련되는 것으로, 제2 케이블(510), 제2 단자(520) 및 제2 소켓(530)을 포함하여 마련될 수 있다.
제2 케이블(510)은 도통 가능한 소재로 마련됨으로써 본체(100)와 턱끝혀근자극부(300) 간에 신호가 송수신가능하도록 할 수 있으며, 일단은 제2 단자(520)와 연결되고 타단은 제2 소켓(530)과 연결될 수 있다.
제2 단자(520)는 제2 연결케이블(500)이 본체(100)와 연결될 수 있도록 하기 위해 마련되는 것으로, 제2 케이블(510)의 일단에 위치할 수 있다.
그리고 제2 단자(520)는 본체(100)의 복수의 접속 포트(181, 183) 중 나머지 하나의 접속 포트(183)에 끼워짐으로써 본체(100)와 연결되는데, 도면에 도시된 바와 같이 제1 단자(420)와 마찬가지로 나머지 하나의 접속 포트(183)에 삽입되기 위해 돌출단자로 마련됨으로써 본체(100)와 연결가능하다.
제2 소켓(530)은 제2 연결케이블(500)이 턱끝혀근자극부(300)와 연결될 수 있도록 하기 위해 마련되는 것으로 제2 케이블(510)의 타단에 위치하고, 턱끝혀근자극부(300)의 제2 연결부(330)가 삽입됨으로써 턱끝혀근자극부(300)와 연결되고, 제2 연결부(330)가 삽입가능하도록 내부에 통공이 형성된 소켓으로 마련된다.
이러한 제2 연결케이블(500)을 토해 뉴로피드백 장치에서의 본체(100)는 턱끝혀근자극부(300)와 연결가능해지고, 제2 연결케이블(500)을 통해 턱끝혀근자극부(300)와 각종 신호를 송수신할 수 있게 된다.
이상의 구성을 통해 사용자는 본체(100)만을 이용하여 미주신경자극을 제공받을 수 있으며, 본체(100)와 탈부착가능한 뇌파측정부(200), 제1 연결케이블(400), 턱끝혀근자극부(300) 및 제2 연결케이블(500)을 선택적으로 연결가능하게 된다.
이를 통해 본 실시예에 따른 뉴로피드백 장치는 사용자의 필요에 따라 본체(100)를 뇌파측정부(200) 및 턱끝혀근자극부(300) 중 하나와 연결하거나, 뇌파측정부(200) 및 턱끝혀근자극부(300)를 동시에 연결하는 할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로피드백 시스템 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
본 발명의 뉴로피드백 장치를 포함하는 뉴로피드백 시스템은 이상의 도 1 및 도 2를 통해 설명된 바와 같이 본체(100), 뇌파측정부(200), 턱끝혀근자극부(300), 제1 연결케이블(400) 및 제2 연결케이블(500)을 포함하여 마련될 수 있으며, 본체(100)는 뉴로피드백 제어 방법을 수행하기 위한 소프트웨어(어플리케이션)가(이) 설치되어 실행될 수 있다. 그리고 본체(100)에 포함되는 모든 구성과 뇌파측정부(200) 및 턱끝혀근자극부(300)의 구성은 뉴로피드백 장치에서 실행되는 뉴로피드백 제어 방법을 수행하기 위한 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
먼저 본체(100)는 사용자의 신체로부터 측정 또는 감지되는 생체신호에 대응되는 데이터를 수신하고 분석하여 뉴로피드백신호를 생성하며, 생성된 뉴로피드백신호에 따라 사용자의 신체 중 기설정된 영역에 전기 자극을 제공하기 위해 마련되며, 사용자의 신체 일부에 부착되도록 마련될 수 있다.
이를 위해 본체(100)는 통신부(110), 조작부(120), 심박센서(130), 움직임센서(140), 저장부(150), 제어부(160), 미주신경자극부(170) 및 신호 입출력부(180)를 포함할 수 있다. 이러한 구성은 본체(100)에서 실행되는 뉴로피드백 제어 방법을 수행하기 위한 소프트웨어에 의해 제어될 수 있으며, 본체(100)를 이루는 구성은 통합 모듈로 형성되거나, 하나 이상의 모듈로 이루어질 수 있는 것은 물론, 이와 반대로 각 구성은 별도의 모듈로 이루어질 수도 있다.
먼저 통신부(110)는 외부 기기 또는 외부 네트워크로부터 필요한 정보를 송수신하기 위해 마련되는 것으로 이를 통해 학습 데이터나 뉴로피드백 제어 방법을 위한 소프트웨어를 입력받을 수 있다.
조작부(120)는 상술한 바와 같이 사용자 명령을 입력받기 위한 입력 수단으로 본체(100)를 구성하는 프레임(F)의 외부에 마련되는 버튼으로 마련되어 사용자에 의한 가압을 통해 명령을 입력받을 수 있고, 조작부(120)가 가압되는 시간에 따라 본체(100)의 전원이 켜지거나 꺼지도록 설정될 수 있다. 또한 조작부(120)가 일정 시간동안 가압되는 횟수에 따라 본체(100)의 모드가 변경될 수도 있다.
한편, 심박센서(130)는 사용자의 심박을 측정하기 위해 마련되는 것으로, 본체(100)의 후면에 위치하여 사용자의 목 주변에서 심박을 측정하고, 심박센서(130)에서 측정된 심박은 심박 데이터로서 제어부(160)로 전달될 수 있다. 이러한 심박센서(130)는 광전용적맥파(PPG) 센서로 마련될 수 있으며, 본체(100)의 프레임(F) 후면에 마련되어 사용자의 신체에 접촉되도록 형성될 수 있다.
그리고 심박센서(130)는 미주신경자극부(170) 또는 턱끝혀근자극부(300)에서 제공하는 뉴로피드백신호에 대응되는 전기 자극에 대한 사용자의 심박인 광전용적적맥파 신호를 연속적으로 검출하여 검출된 심박 데이터를 제어부(160)로 연속적으로 전달할 수 있다.
움직임센서(140)는 사용자의 움직임을 감지하기 위해 마련되는 것으로 본체(100)의 프레임(F) 내부에 마련될 수 있으며, 본 실시예에서의 움직임센서(140)는 관성센서로 마련될 수 있다. 이러한 움직임센서(140)를 통해 수면 중에 있는 사용자의 움직임을 감지할 수 있게 된다. 그리고 움직임센서(140)에서 감지된 사용자의 움직임은 움직임 데이터로서 제어부(160)로 전달될 수 있다.
움직임센서(140) 역시 심박센서(130)와 마찬가지로 미주신경자극부(170) 또는 턱끝혀근자극부(300)에서 제공하는 뉴로피드백신호에 대응되는 전기 자극에 대한 사용자의 움직임을 연속적으로 감지하여 검출된 움직임 데이터를 제어부(160)로 연속적으로 전달할 수 있다.
한편 저장부(150)는 뉴로피드백 제어 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록되고, 제어부(160)가 동작함에 있어 필요한 저장 공간을 제공하여 제어부(160)가 처리하는 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장하며, 휘발성 저장매체 또는 비휘발성 저장 매체를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 저장부(150)는 뉴로피드백 제어 방법을 수행하면서 누적되는 데이터가 저장될 수 있다. 또한 저장부(150)에는 사용자에 대해 맞춤형 뉴로피드백 모델을 미리 구축하여 저장되어 있을 수 있다.
한편 제어부(160)는 측정된 뇌파 데이터와 측정된 심박 데이터 및 감지된 움직임 데이터를 분석하고, 전기 자극을 위한 뉴로피드백신호를 생성하고, 생성된 뉴로피드백신호에 대응되는 전기 자극이 미주신경자극부(170) 및 턱끝혀근자극부(300)를 통해 출력되도록 할 수 있다.
그리고 제어부(160)는 연속적으로 검출된 뇌파 데이터, 심박 데이터 및 움직임 데이터를 분석하여 사용자의 현재 임상 지표를 생성하고, 생성된 현재 임상 지표에 대응하는 뉴로피드백 신호를 생성할 수 있다.
또한 제어부(160)는 뉴로피드백 장치가 사용자에게 착용되어 전원이 켜지면 뇌파측정부(200), 심박센서(130) 및 움직임센서(140)로부터 수신되는 데이터에 포함된 신호의 세기를 반응도로 하여 뉴로피드백 장치가 사용자의 신체 일부에 정상적으로 부착되었는지를 판단할 수 있다.
구체적으로 뇌파 데이터, 심박 데이터 및 움직임 데이터에 포함된 신호의 세기가 일장 세기 미만인 경우에는 부착위치의 변경이 필요한 것으로 판단하여 이와 관련된 신호를 출력하여 사용자에게 안내할 수 있도록 하여 반응도가 기설정된 반응도 이상인 것으로 판단되면 뇌파측정부(200), 심박센서(130) 및 움직임센서(140)에서 연속적으로 뇌파 데이터, 심박 데이터 및 움직임 데이터가 검출되도록 할 수 있다.
그리고 본 발명의 뉴로피드백 장치는 조작부(120)의 조작에 따라 모드 변경이 가능한데, 본 발명에서의 모드는 측정모드와 자극모드를 포함할 수 있다.
측정모드는 뇌파측정부(200), 심박센서(130) 및 움직임센서(140)를 통한 뇌파 신호, 심박 신호 및 움직임 신호를 측정만 하여 저장부(150)에 뇌파 데이터, 심박 데이터 및 움직임 데이터를 저장하되, 별도의 뉴로피드백 신호를 생성하고 그에 대응하는 전기 자극을 생성하지 않는 모드일 수 있다.
이러한 모드는 조작부(120)의 조작에 의해 뉴로피드백장치에 전원이 켜진 이후에 조작부(120)를 통해 기설정된 시간 동안 2회의 조작부(120)의 가압이 감지되면 설정되는 모드일 수 있으며, 기설정된 시간은 1초 내지 2초일 수 있다. 즉 2초 이내에 조작부(120)에 가압이 2회 이상 발생하면 제어부(160)는 측정모드로 변경하여 각종 신호에 대한 데이터를 수집만하여 저장부(150)에 저장되도록 하고, 별도의 뉴로피드백신호를 생성하지 않도록 제어할 수 있다.
한편 자극 모드는 본 발명의 뉴로피드백장치의 기본모드로 뉴로피드백장치의 전원이 켜진 이후 별도의 조작부(120)를 통한 가압이 감지되지 않으면 측정된 뇌파 데이터, 심박 데이터 및 움직임 데이터를 분석하고 그에 기초하여 뉴로피드백 신호를 생성하는 모드이다.
이에 도면에는 미도시되었으나, 본 발명의 본체(100)는 사용자에게 부착위치의 변경 또는 모드 상태를 안내하기 위한 스피커부 또는 디스플레이부와 같은 별도의 출력부(미도시)를 더 포함하고, 제어부(160)는 출력부(미도시)를 통해 부착위치의 변경을 안내하거나 자극모드 또는 측정모드를 안내하는 음성이나 이미지가 출력되도록 할 수 있다. 이를 위해 출력부(미도시)에서 출력되는 음성이나 이미지는 사전에 저장부(150)에 저장되어 있을 수 있다.
제어부(160)에서 뉴로피드백 신호를 생성하기 위해서 본 실시예에 따른 제어부(160)는 기계학습 기반의 학습부(165)를 포함하도록 마련되어 뉴로피드백신호를 생성하기 위한 뉴로피드백 알고리즘을 구축할 수 있다.
신경자극 제공 뉴로피드백 알고리즘은 기계학습 기반의 뉴로피드백 모델로서, 사용자의 수면장애를 개선을 위한 전기자극을 제공하기 위해서는 사용자의 뇌파 신호를 측정하여 사용자 개인의 수면 단계를 분류할 수 있어야 한다. 본 과정에서는 미리 사용자의 뇌 신호를 측정하거나 본 뉴로피드백 장치를 최초로 사용하였을 때 측정된 데이터에 기초하여 뉴로피드백 모델의 학습을 진행한다. 맞춤형 뉴로피드백 모델을 구축하기 위해서 이러한 사용자 특성에 따라 측정된 뇌파 신호, 심박 신호 및 움직임 신호에 기초하여 자율신경계 활성화 정보와 사용자 특성에 따른 수면 단계를 분류한다. 그리고, 뇌파 신호, 심박 신호, 움직임 신호 및 이를 분석한 임상 지표를 기계 학습 알고리즘의 입력 변수로 변환한 후 사용자의 수면 단계를 분류하고 분류된 수면 단계에서의 적절한 신경자극에 대응되는 뉴로피드백 신호를 생성할 수 있다.
임상 지표는 뇌파 데이터에 기초한 파워 스펙스트럼 밀도(power spectra density), 심박 데이터에 기초한 심박변이(heart rate variability), 움직임 신호에 기초한 움직임 정도 중 적어도 하나일 수 있다.
따라서 제어부(160)는 뉴로피드백 알고리즘에 따라 수면 중인 착용자로부터 검출된 뇌파 데이터, 심박 데이터 및 움직임 데이터를 분석하여 자율신경계 활성화 정보와 실시간 수면 단계 분류 결과를 산출하고, 이를 통해 생성된 사용자의 현재 임상 지표로부터 사용자에게 최적화된 개인 맞춤형 미주신경자극과 턱끝혀근자극을 생성할 수 있게 되는데, 적절한 미주신경자극과 턱끝혀근자극이라 함은 검출된 데이터들 중에서 뇌파 데이터를 이용한 파워 스펙트럼 밀도와 심박 데이터를 이용한 심박 변이 지표를 활용하여 사용자가 설정한 부교감신경 활성화 목표 상태에 도달되도록 하는 자극일 수 있다.
수면 중 미주신경자극을 통한 부교감 신경의 활성화는 뇌파의 저주파 및 알파밴드의 크기를 증가시켜 시냅스의 가소성이 촉진되어 인지기능의 상승으로 이루어지므로, 제어부(160)는 연속적으로 검출되는 뇌파 데이터 및 심박 데이터를 활용함으로서 실시간으로 착용자의 부교감 신경 활성화 정도를 판단할 수 있다.
이를 통해 제어부(160)는 뉴로피드백 알고리즘에 따라 산출된 사용자 맞춤형 전기 자극을 위한 뉴로피드백신호를 실시간으로 연속적으로 생성하여 생성된 뉴로피드백 신호를 미주신경자극부(170) 및 턱끝혀근자극부(300)로 전달함으로써 실시간으로 사용자에게 맞는 미주신경자극 및 턱끝혀근자극을 제공할 수 있다.
한편 미주신경자극부(170)는 착용자의 미주신경을 포함하는 기설정된 영역 내에서 미주신경을 자극하기 위해 마련되는 것으로, 본체(100)의 프레임(F) 후면에 위치하고, 패치형으로 마련되어 사용자의 인체에 탈부착가능하도록 마련된다.
그리고 미주신경자극부(170)는 제어부(160)로부터 전달받은 뉴로피드백 신호에 대응되는 전기 자극을 출력하기 위해 제1 전극(171) 및 제2 전극(173)을 포함하여 마련된다.
제1 전극(171) 및 제2 전극(173)에서는 제어부(160)로부터 전달받은 뉴로피드백 신호에 대응되는 세기 및 주파수의 전류를 출력함으로써 제1 전극(171) 및 제2 전극(173)이 부착된 사용자의 미주신경 영역에 전기 자극을 제공할 수 있다.
제1 전극(171) 및 제2 전극(173)을 통한 미주신경자극은 NTS(Nucleus Tractus Solitarius)를 거쳐 LC(Locus Coeruleus)를 자극하며 LC는 노피에피네프린(NE) 분비를 촉진시켜 DRN(Dorsal raphe Nucleus)를 자극함으로써, 세로토닌(5-HT) 분비 및 멜라토닌을 증가시킬 수 있다.
따라서 미주신경자극부(170)는 중추신경과 연결되어 있는 미주신경을 자극하여 자율신경 기능 및 뇌 신경망의 활성을 도와 인지기능을 주관하는 대뇌피질 및 해마의 시냅스 가소성을 촉진할 수 있다.
제1 전극(171) 및 제2 전극(173)은 뉴로피드백신호에 대응되는 전기 자극을 제공함에 있어서 제1 전극(171) 및 제2 전극(173)에서 동시에 전기 자극이 출력되거나 제1 전극(171) 및 제2 전극(173) 중 하나에서만 전기 자극이 출력될 수 있다.
신호 입출력부(180)는 본체(100)가 뇌파측정부(200) 또는 턱끝혀근자극부(300) 중 적어도 하나와 각종 신호를 송수신하기 위해 마련되는 것으로, 제1 신호 입출력부(181) 및 제2 신호 입출력부(183)를 포함할 수 있다.
제1 신호 입출력부(181)는 본체(100)와 뇌파측정부(200)를 연결하는 제1 연결케이블(400)과 연결되어 뇌파측정부(200)와 각종 신호를 송수신하여 제어부(160)로 전달할 수 있다.
제2 신호 입출력부(183)는 본체(100)와 턱끝혀근자극부(300)를 연결하는 제2 연결케이블(500)과 연결되어 턱끝혀근자극부(300)와 각종 신호를 송수신하여 제어부(160)로 전달할 수 있다.
도 3 및 도 4에서 신호 입출력부(180)에 포함되는 제1 신호 입출력부(181) 및 제2 신호 입출력부(183)의 구성은 도 1 및 도 2에 도시된 복수의 접속 포트(181, 183)와 동일한 구성이나, 설명의 편의를 위해 도 1 및 도 2에서는 접속 포트(181, 183)로 설명하고, 도 3 및 도 4에서는 제어부(160)와의 신호 송수신을 수행하는 제1 신호 입출력부(181) 및 제2 신호 입출력부(183)를 포함하는 신호 입출력부(180)로 설명하였다.
한편 뇌파측정부(200)는 수면 중인 착용자의 뇌파를 측정하여 측정된 뇌파 신호를 뇌파 데이터로써 본체(100)로 전달하기 위해 마련되며, 제1 뇌파 센서(220), 제2 뇌파 센서(230), 레퍼런스 전극(240), 그라운드 전극(250) 및 제1 연결부(260)를 포함하여 마련될 수 있다.
제1 뇌파 센서(220)는 패치형으로 마련되어 사용자의 머리 일부에 탈부착되고, 사용자의 좌(左) 전전두엽(Fp1) 영역에서 제1 뇌파 신호를 측정할 수 있다.
한편 제2 뇌파 센서(230)는 역시 제1 뇌파 센서(220)와 마찬가지로 패치형으로 마련되어 사용자의 머리 일부에 탈부착가능하도록 마련되고, 사용자의 우(右) 전전두엽(Fp2) 영역에서 제2 뇌파 신호를 측정할 수 있다.
이러한 제1 뇌파 센서(220) 및 제2 뇌파 센서(230)는 미주신경자극부(170)에서 제공하는 뉴로피드백신호에 대응되는 전기 자극에 대한 사용자의 뇌파 데이터를 연속적으로 검출하여 본체(100)로 전달할 수 있다.
한편, 레퍼런스 전극(240) 및 그라운드 전극(250)은 제1 뇌파 센서(220) 및 제2 뇌파 센서(230)에서 뇌파 신호 측정을 위한 레퍼런스 신호와 그라운드 신호를 제공하기 위해 마련될 수 있다.
본 발명에서의 뇌파측정부(200)는 레퍼런스 전극(240) 및 그라운드 전극(250)을 포함함으로써 사용자의 귀 영역에서 그라운드 신호와 레퍼런스 신호를 획득할 수 있게 된다.
따라서 레퍼런스 신호와 그라운드 신호를 제공하기 위한 별도의 수단을 추가로 구비할 필요가 없으며, 제1 뇌파 센서(220) 및 제2 뇌파 센서(230)와 레퍼런스 전극(240) 및 그라운드 전극(250) 간의 임피던스 매칭을 통해 측정하고자 하는 뇌파 신호의 정확성을 향상시킬 수 있게 된다.
레퍼런스 전극(240) 및 그라운드 전극(250)이 사용자와 접촉하는 접촉면적은 제1 뇌파 센서(220) 및 제2 뇌파 센서(230)가 사용자와 접촉하는 접촉 면적과 동일한 크기로 마련되는 것이 바람직하나, 이러한 사이즈는 임피던스 매칭을 고려하여 그 사이즈가 변경될 수 있다.
그리고 제1 연결부(260)는 뇌파측정부(200)가 본체(100)와 연결되기 위해 마련되며, 도 2에 도시된 바와 같이 본체(100)와 뇌파측정부(200)를 연결하는 제1 연결케이블(400)의 타단에 위치한 제1 소켓(430)에 삽입되어 연결됨으로써 본체(100)와 각종 신호를 송수신할 수 있다.
한편 턱끝혀근자극부(300)는 본체(100)로부터 수신된 뉴로피드백 신호에 대응되는 전기 자극을 출력하여, 사용자의 턱끝혀근을 포함하는 기설정된 영역 내에 전기 자극을 제공하기 위해 마련된다.
이를 위해 턱끝혀근자극부(300)는 사용자의 턱끝혀근을 포함하는 기설정된 영역 내에 뉴로피드백 신호에 대응되는 세기 및 주파수의 전류를 출력함으로써 전기 자극을 제공할 수 있다.
이를 위해 턱끝혀근자극부(300)는 턱끝혀근 전극(320)과 제2 연결부(330)를 포함하여 마련될 수 있다. 턱끝혀근 전극(320)은 뉴로피드백 신호에 대응되는 세기 및 주파수의 전류를 출력하기 위해 마련된다.
본 발명에서의 뉴로피드백 장치는 턱끝혀근자극부(300)를 통해 사용자의 턱끝혀근 주변의 경피신경을 자극하기 위한 전기 자극을 제공함으로써 혀를 전방 방향으로 이동하게 할 수 있다. 이를 통해 상기도(upperairway)를 확보할 수 있으며 근육들의 이완 등으로 폐쇄성 수면무호흡 증상이 야기되는 수면무호흡 환자에게 효과적인 예방 및 대응을 가능하게 할 수 있다.
그리고 이상에서 설명된 제1 전극(171), 제2 전극(173), 제1 뇌파 센서(220), 제2 뇌파 센서(230), 레퍼런스 전극(240), 그라운드 전극(250) 및 턱끝혀근 전극(320)은 전극패치로 원형 단면의 시트 형상을 가지며 변형이 가능한 재질로 이루어지나 원형 시트에 한정되지 않고, 사각이나 이외의 다른 형상 시트일 수 있다. 그리고 각 전극(171, 173, 240, 250, 320) 및 센서(220, 230)들은 본체(100) 프레임(F)의 후면, 제1 밴드(210) 및 제2 밴드(310)에 접하는 일면 중앙에는 도전성 단자가 위치하고 타면에는 하이드로겔층이 도포되어 도전성 단자를 덮어 단자가 본체(100) 프레임(F)의 후면, 제1 밴드(210) 및 제2 밴드(310)에 고정되도록 하고 하이드로겔층은 사용자의 피부에 접촉될 수 있다.
제2 연결부(330)는 턱끝혀근자극부(300)가 본체(100)와 연결되기 위해 마련되며, 도 2에 도시된 바와 같이 본체(100)와 턱끝혀근자극부(300)를 연결하는 제2 연결케이블(500)의 제2 소켓(530)에 삽입되어 연결됨으로써 본체(100)와 각종 신호를 송수신할 수 있다.
도 3에는 미도시되었으나, 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 같이 제1 연결케이블(400)은 본체(100)와 뇌파측정부(200)가 서로 연결되도록 하여 본체(100)와 뇌파측정부(200) 간에 송수신되는 신호를 전달할 수 있고, 제2 연결케이블(500)은 본체(100)와 턱끝혀근자극부(300)가 서로 연결되도록 하여 본체(100)와 턱끝혀근자극부(300) 간에 송수신되는 신호를 전달할 수 있다. 이를 통헤 본체(100)와 뇌파측정부(200) 또는 본체(100)와 턱끝혀근자극부(300)가 연동될 수 있다.
이상에서와 같은 구성을 포함하는 뉴로피드백 장치 및 뉴로피드백 시스템은 사전에 설정된 특정 주파수(Hz) 및 세기(mA)의 전기 자극만을 제공하는 종래의 뉴로피드백 장치와는 달리 뇌파, 심박 및 움직임을 측정 및 감지하고 측정된 뇌파 데이터, 심박 데이터 및 움직임 데이터에 기초하여 사용자의 상태를 실시간으로 평가하고 이에 기초하여 적절한 신경자극 뉴로피드백 신호를 생성함으로써 실시간으로 사용자에게 최적화된 미주신경자극 및 턱끝혀근자극을 제공할 수 있게 된다.
한편, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로피드백 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 상술한 뉴로피드백 시스템에서 수행되는 뉴로피드백 제어방법으로, 먼저 뉴로피드백 장치가 기설정된 영역 내에 위치하도록 사용자의 신체에 부착될 수 있다.
이 단계에서 미주신경을 포함하는 기설정된 영역 내에는 본체(100)가 위치하도록 사용자의 신체에 부착되고, 좌 전전두엽 및 우 전전두엽 영역에 뇌파측정부(200)가 위치하도록 사용자의 신체에 부착되고, 턱끝혀근을 포함하는 기설정된 영역 내에는 턱끝혀근자극부(300)가 위치하도록 사용자의 신체에 부착되는 것이다. 턱끝혀근자극부(300)는 필요에 따라 사용자에게 부착되지 않고 생략될 수도 있다.
뉴로피드백 장치가 사용자에게 부착되면, 제어부(160)는 뇌파측정부(200)와 심박센서(130)로부터 측정된 뇌파 데이터 및 심박 데이터의 반응도를 추출한다(S110). 반응도는 수집되는 뇌파 신호 및 심박 신호의 세기에 기초하여 추출할 수 있다
제어부(160)는 뉴로피드백 장치가 정상 위치에 위치하는지를 판단한다(S120). 이는 추출한 반응도에 기초하여 판단하게 되는데, 측정된 각 신호의 세기를 반응도로 하고 사전에 설정된 반응도와 비교한다.
만약 반응도가 기설정된 반응도 미만인 경우에는 정상 위치가 아닌 것으로 판단하고(S120-아니오), 반응도를 추출하는 단계(S110)로 회귀할 수 있다. 도면에는 미도시되었으나 이 때 사용자에게 위치변경이 필요함을 안내하는 신호를 생성하여 출력할 수 있다.
반면 각 신호의 세기로부터 추출된 반응도가 기설정된 반응도 이상인 경우에는 정상 위치인 것으로 판단한다(S120-예).
그러면 뉴로피드백장치는 사용자의 뇌파, 심박 및 움직임 중 적어도 하나를 측정하는 측정단계를 수행한다(S130).
본체(100)의 심박센서(130)는 사용자의 심박 신호를 측정하여 제어부(160)로 심박 데이터를 전송하고, 움직임센서(140)는 사용자의 움직임을 감지하여 제어부(160)로 움직임 데이터를 전송하며, 뇌파측정부(200)는 사용자의 뇌파 신호를 측정하여 제어부(160)로 뇌파 데이터를 전송할 수 있다.
이후 제어부(160)는 측정단계(S130)에서 측정된 뇌파 데이터, 심박 데이터 및 움직임 데이터 중 적어도 하나를 분석하여 임상 지표를 생성할 수 있다(S140).
구체적으로 제어부(160)는 뉴로피드백 알고리즘에 따라 수면 중인 착용자로부터 검출된 뇌파 데이터, 심박 데이터 및 움직임 데이터를 분석하여 자율신경계 활성화 정보와 실시간 수면 단계 분류 결과를 산출할 수 있다.
그러면 제어부(160)는 생성된 임상 지표에 기초하여 설정된 목표 상태에 도달하였는지를 판단할 수 있다(S150).
제어부(160)는 뉴로피드백 알고리즘에 따라 수면 중인 사용자로부터 검출된 뇌파 데이터, 심박 데이터 및 움직임 데이터를 분석하여 자율신경계 활성화 정보와 실시간 수면 단계 분류 결과를 산출하고 이를 통해 생성된 사용자의 현재 임상 지표를 설정된 부교감신경 활성화 목표 상태와 비교하여 부교감신경 활성화 목표 상태에 도달하였는지를 판단하고, 만약 현재 임상 지표가 설정된 부교감신경 활성화 목표 상태에 도달한 것으로 판단되면(S150-예), 뉴로피드백 제어 방법의 수행은 종료될 수 있다.
반면 현재 임상 지표가 설정된 부교감신경 활성화 목표 상태에 도달되지 않은 것으로 판단되면(S150-아니오), 제어부(160)는 임상 지표에 대응하는 뉴로피드백 신호를 생성할 수 있다(S160).
제어부(160)는 뇌파 데이터, 심박 데이터, 움직임 데이터 및 이를 분석한 임상 지표를 뉴로피드백 알고리즘을 통해 사용자의 수면 단계를 분류하고 분류된 수면 단계에서의 적절한 신경자극에 대응되는 뉴로피드백 신호를 생성할 수 있다.
구체적으로 제어부(160)는 뉴로피드백 알고리즘에 따라 수면 중인 착용자로부터 검출된 뇌파 데이터, 심박 데이터 및 움직임 데이터를 분석하여 자율신경계 활성화 정보와 실시간 수면 단계 분류 결과를 산출하는 단계 S140을 통해 생성된 사용자의 현재 임상 지표로부터 사용자에게 최적화된 개인 맞춤형 미주신경자극과 턱끝혀근자극을 생성할 수 있게 되는데, 적절한 미주신경자극과 턱끝혀근자극이라 함은 검출된 데이터들 중에서 뇌파 데이터를 이용한 파워 스펙트럼 밀도와 심박 데이터를 이용한 심박 변이 지표를 활용하여 사용자가 설정한 부교감신경 활성화 목표 상태에 도달되도록 하는 자극일 수 있다.
수면 중 미주신경자극을 통한 부교감 신경의 활성화는 뇌파의 저주파 및 알파밴드의 크기를 증가시켜 시냅스의 가소성이 촉진되어 인지기능의 상승으로 이루어지므로, 제어부(160)는 연속적으로 검출되는 뇌파 데이터 및 심박 데이터를 활용함으로써 실시간으로 착용자의 부교감 신경 활성화 정도를 판단할 수 있다.
이를 통해 제어부(160)는 뉴로피드백 알고리즘에 따라 산출된 사용자 맞춤형 전기 자극을 위한 뉴로피드백신호를 실시간으로 연속적으로 생성하여 생성할 수 있다.
이후 뉴로피드백장치는 뉴로피드백신호에 대응하는 전기 자극을 제공할 수 있다(S170).
이러한 전기 자극을 제공하는 단계(S170)는, 미주신경자극부(170)가 뉴로피드백신호에 대응하는 전기 자극을 출력하여 미주신경을 포함하는 기 설정된 영역 내에 제공하는 미주신경 자극단계 및 턱끝혀근자극부(300)가 뉴로피드백신호에 대응하는 전기 자극을 출력하여 턱끝혀근을 포함하는 기설정된 영역 내에 제공하는 턱끝혀근 자극 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이러한 전기 자극을 제공하는 단계(S170) 이후에는 다시 사용자의 뇌파, 심박 및 움직임 중 적어도 하나를 측정하는 측정단계(S130)로 회귀하여 착용자가 수면 중인 동안에는 연속적으로 뇌파, 심박 및 움직임을 측정하여 분석결과에 따라 뉴로피드백 신호를 생성할 수 있다.
따라서 본 발명의 뉴로피드백 제어 방법을 통해 사용자는 자신에게 최적화된 개인 맞춤형 미주신경자극과 턱끝혀근자극을 제공받을 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명의 뉴로피드백 제어 방법은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 본체 200 : 뇌파측정부
300 : 턱끝혀근자극부 400 : 제1 연결케이블
500 : 제2 연결케이블

Claims (7)

  1. 사용자의 신체에 부착되어 미주신경 부위에 전기 자극을 제공하는 본체를 포함하는 뉴로피드백 장치에 있어서,
    상기 본체는,
    타원형이되 길이방향의 일측 및 타측이 중심을 향해 오목하게 들어간 형상으로 마련되어 좌우 대칭되는 구조로 마련되고, 사용자의 목에 부착되는 프레임;
    상기 프레임 후면에 위치하여 상기 미주신경 부위에 전기 자극을 제공하는 복수의 전극을 포함하고 상기 사용자의 경동맥의 옆에 위치하는 미주신경 부위의 직상부 피부에 부착되는 미주신경 자극부;
    상기 프레임의 후면에서 상기 프레임의 좌우 대칭의 중심에 위치하여 상기 사용자의 심박수를 감지하는 심박 센서;
    상기 프레임 전면에 위치하여 사용자의 명령을 입력받는 조작부; 및
    신호를 송수신하기 위해 상기 프레임의 측면에 형성되는 복수의 접속 포트를 포함하고,
    상기 미주신경 자극부의 복수의 전극은,
    상기 프레임의 좌우 대칭되는 구조에서 좌우에 하나씩 마련되어 상기 프레임이 상기 사용자의 피부에 부착되면, 상기 미주신경의 방향과 수직하게 배치되고,
    상기 뉴로피드백 장치는,
    상기 사용자의 목 주변에 부착되어 상기 심박 센서에서 감지된 결과에 기초하여 조절되는 뉴로피드백 신호에 대응하여 전기 자극을 출력하는 전극을 포함하는 턱끝혀근자극부; 및
    상기 복수의 접속 포트 중 다른 하나와 연결되어 상기 본체와 상기 턱끝혀근자극부를 연결하는 제2 연결케이블을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 뉴로피드백 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 머리에 부착되어 상기 사용자의 뇌파를 측정하는 뇌파측정부; 및
    상기 복수의 접속 포트 중 하나와 연결되어 상기 본체와 상기 뇌파측정부를 연결하는 제1 연결케이블을 더 포함하고,
    상기 뇌파측정부는,
    소정의 폭을 가지며, 상기 제1 연결케이블을 통해 상기 본체와 연결되면 상기 사용자의 목 주변에서 귀 뒤를 지나 머리 일부에 걸쳐 부착되는 마련되는 제1 밴드;
    상기 제1 밴드의 일단에 위치하고, 상기 사용자의 머리 일부에 탈부착되어 상기 사용자의 좌 전전두엽(Fp1) 영역에서 뇌파를 측정하는 패치형의 제1 뇌파 센서;
    상기 제1 뇌파 센서의 후단에 위치하고, 상기 사용자의 머리 일부에 탈부착되어 상기 사용자의 우 전전두엽(Fp2) 영역에서 뇌파를 측정하는 패치형의 제2 뇌파 센서;
    상기 제2 뇌파 센서의 후단에 위치하고, 상기 사용자의 귀 주변에 탈부착되어 뇌파 측정을 위한 레퍼런스 신호를 제공하는 레퍼런스 전극;
    상기 레퍼런스 전극의 후단에 위치하고, 상기 사용자의 귀 주변에 탈부착되어 뇌파 측정을 위한 그라운드 신호를 제공하는 그라운드 전극; 및
    상기 그라운드 전극의 후단에 위치하여 상기 제1 연결케이블의 타단에 삽입 연결되는 제1 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 뉴로피드백 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 밴드에서,
    상기 제1 뇌파 센서, 상기 제2 뇌파 센서, 상기 레퍼런스 전극 및 상기 그라운드 전극이 배치되는 부분은 상기 소정의 폭보다 큰 직경을 가지는 원형의 형상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 뉴로피드백 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 연결케이블은,
    제1 케이블;
    상기 제1 케이블의 일단에 위치하여 상기 본체의 접속 포트 중 하나에 삽입되는 돌출단자로 마련되는 제1 단자; 및
    상기 제1 케이블의 타단에 위치하여 상기 뇌파측정부의 상기 제1 연결부가 삽입되는 통공을 포함하는 제1 소켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 뉴로피드백 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 턱끝혀근자극부는,
    상기 제2 연결케이블을 통해 상기 본체와 연결되면, 상기 사용자의 턱끝혀근 부위의 직상부 피부에 부착되는 제2 밴드;
    상기 제2 밴드의 일단 후면에 위치하여 상기 사용자의 턱끝혀근 부위에 상기 전기 자극을 제공하고, 패치형으로 마련되어 상기 턱끝혀근 부위의 직상부 피부에 부착되는 턱끝혀근 전극; 및
    상기 제2 밴드의 타단에 위치하여 상기 제2 연결케이블에 삽입 연결되는 제2 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 뉴로피드백 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 연결케이블은,
    제2 케이블;
    상기 제2 케이블의 일단에 위치하여 상기 본체의 접속 포트 중 하나에 삽입되는 돌출단자로 마련되는 제2 단자; 및
    상기 제2 케이블의 타단에 위치하여 상기 제2 연결부가 삽입되는 통공을 포함하는 제2 소켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 뉴로피드백 장치.
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