KR102567515B1 - 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents
통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치 및 방법 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, 인지능력의 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 가능한 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 무선 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 뇌 신경 조절(neuromodulation) 기술과 측정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 근적외선 분광기와 경두개 직류전류 자극기를 하나의 통합장비로 구성하고, 프로그램을 통해 해당 통합장비가 뇌기능 활성화를 증진시키도록 작동시키고 그 증진된 양을 측정할 수 있는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치 및 방법 관한 것이다.
20세기 뇌과학 연구의 대표적 패러다임인 뇌영상기술(neuroimaging)의 발전에 힘입어, 뇌의 해부학적 구조뿐 아니라 고등 인지활동을 포함한 각종 기능에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 뇌영상기술은 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 활성 시키거나 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 cranial 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)를 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, 계측원리는 근적외선을 이용한 뇌혈류의 헤모글로빈 산소화 정도의 측정에 바탕을 두고 있다.
보다 구체적으로는, 생체에 근적외선을 조사하여 조직을 투과한 fNIRS 신호를 검출하여 처리하면 산화 헤모글로빈(Oxy Hb)의 농도와 탈산화 헤모글로빈(Deoxy Hb)의 농도를 측정할 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 농도변화는 뇌활동의 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 근적외선 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, 뇌기능 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 가능한 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 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); 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 암산 게임, 단어 유추 게임, 사물 인지 게임, 작업 기억 게임 등 단순하며 흥미를 유발하는 게임으로 혈역학적 활성화를 유발할 수 있는 게임 형태의 인지적 활동을 제공하고, 필터 및 특징 추출 알고리즘을 적용하여, 사용자의 혈역학적 활성화 정보를 가공하고 정량화하는 구동회로와 배터리 및 배터리의 충전과 기기 전체의 전원을 관리하는 파워 서플라이 회로가 탑재된 구동회로 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 장치를 제공한다.
여기서 근적외선 분광기(fNIRS)(110)와, 상기 경두개 직류전류 자극기(tDCS)(120)는 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(Enclosure)에 구성되며, 착용자의 이마에 위치되어 부착되도록 구성되고, 상기 구동 회로 및 배터리부(130)는 착용자의 이마에 대응되는 뒤통수 부분의 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(Enclosure)에 구성되어 무게중심이 장비 전체에 골고루 배분되도록 된 것을 특징으로 한다.
그리고 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(Enclosure)는 열가소성 폴리우레탄 등의 탄성을 가진 플라스틱으로 제작되어 착용자의 이마에 상기 근적외선 분광기(110)의 광전극과 경두개 직류전류 자극기(120)가 부드럽게 밀착되도록 된 것을 특징으로 한다.
한편 근적외선 분광기(fNIRS)(110)는, 빛 신호를 발생하는 에미터 광전극인 LED(111)와 빛 신호를 탐지하는 디텍터 광전극인 복수의 포토다이오드(PD)(112)로 구성됨을 특징으로 한다.
그리고 근적외선 분광기(fNIRS)(110)는 상기 에미터 광전극인 LED(111)와 상기 복수의 포토다이오드(PD)(112) 사이의 거리에 따라서 서로 다른 깊이의 조직을 조사하는 채널을 형성하기에, 3cm 간격을 지니며 대뇌 피질에서의 혈역학적 활성화를 조사하는 2개의 정규 채널(ch 1, 2)과 1cm 간격을 지니며 피부에서의 혈류반응을 조사하는 2개의 보조 채널(ch s1, s2)이 탑재된 것을 특징으로 한다. 정규 채널 수는 1개부터 4개 또는 더 많은 개수로 제작할 수도 있다.
또한 2개의 보조 채널(ch s1, s2)을 통해 측정된 신호는 뇌 활성화와 무관한 인체 활동에 의한 정보를 담아 상기 2개의 3cm 간격을 지니는 정규 채널(ch 1, 2) 신호의 잡음을 제거하는 데에 활용되는 것을 특징으로 한다.
여기서 2개의 보조 채널(ch s1, s2)을 통해 측정된 신호는, 눈 깜박임, 심장 박동, 호흡, 혈압 변화로 인해 발생하는 잡음을 포함하는 아티팩트인 것을 특징으로 한다.
한편 근적외선 분광기(fNIRS)(110) 모듈은 유연성을 지닌 상기 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(Enclosure)의 휘어짐에 따라 휘어지고 착용자의 이마 두상에 맞는 부드러운 밀착을 제공하도록 연성 기판 상에 실장됨을 특징으로 한다.
그리고 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)는, 단일 셀의 리튬-폴리머 배터리와 충전 모듈로 구성되는 충전기 및 배터리부(131a)에 의해 구동되며, 상기 충전기 및 배터리부(131a)에서 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 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 구동 회로 및 배터리부(130)는, 상기 전원을 공급하는 전원공급부(131)와, 상기 근적외선 분광기(fNIRS)(110)를 통해 사용자의 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 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 전원 공급 온오프를 위한 스위치인 전원스위치부(135)와, 소프트웨어가 설치된 소프트웨어 설치 디바이스(200)와 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)간 통신하는 통신부(136) 및 상기 전원공급부(131), 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132), 필터 및 특징추출 알고리즘부(133), 메모리부(134), 전원스위치부(135) 및 통신부(136)를 제어하는 제어부(137)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 전원을 켜고, 소프트웨어가 설치된 소프트웨어 설치 디바이스(200)간 블루투스 페어링을 하는 단계; 뇌활성화 증진(tDCS)과 뇌활성화 모니터링(fNIRS) 중 뇌활성화 증진을 선택하면, 사용자 최적화 전류패턴을 준비하는 단계(S110); 착용자인 사용자의 최적화 경두개 직류전류를 발생시켜 자극하는 단계(S120); 뇌활성화 모니터링이 선택되어 소프트웨어 설치 스마트 기기(200)에서 미리 설정된 소프트웨어가 구동되고, 사용자는 활동 게임을 시작하는 단계(S130); 활동 게임을 통과하였는가를 판단하여(S140), 통과한 경우 게임 난이도를 상승시키고(S150), 통과하지 못한 경우에는 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)에서는 착용자의 최적화 난이도 및 혈역학 반응 매개변수를 도출하는 단계(S160); 및 상기 활동 게임 결과는 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 메모리부에 업데이트되는 단계(S170);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 사용자가 착용하는 하드웨어인 tDCS-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.
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 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 다이오드가 실장된 연성기판의 예시 도면,
도 10은 경두개 직류전류 자극기 전극의 위치와 활성화가 증진되는 대뇌의 영역을 설명하기 위한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 경두개 직류전류 자극기용 전도성 실리콘 전극의 실시예들을 나타낸 도면,
도 12는 본 발명에 따른 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 이용되는 전력공급부의 실시예를 나타낸 도면,
도 13은 본 발명에 따른 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 마이크로프로세서의 실시예를 나타낸 도면,
도 14는 본 발명에 따른 통합 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용한 뇌기능 활성화 증진에 대한 모니터링 결과를 요약하여 보여주는 방식을 나타낸 도면,
도 18은 본 발명에 따른 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치의 실시예를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
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 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 다이오드가 실장된 연성기판의 예시 도면,
도 10은 경두개 직류전류 자극기 전극의 위치와 활성화가 증진되는 대뇌의 영역을 설명하기 위한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 경두개 직류전류 자극기용 전도성 실리콘 전극의 실시예들을 나타낸 도면,
도 12는 본 발명에 따른 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 이용되는 전력공급부의 실시예를 나타낸 도면,
도 13은 본 발명에 따른 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 마이크로프로세서의 실시예를 나타낸 도면,
도 14는 본 발명에 따른 통합 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용한 뇌기능 활성화 증진에 대한 모니터링 결과를 요약하여 보여주는 방식을 나타낸 도면,
도 18은 본 발명에 따른 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치의 실시예를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
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 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 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 tDCS-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 분광(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 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에 이용되는 전력공급부의 실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 통합 tDCS-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 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치에서 이용되는 마이크로프로세서의 실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 통합 tDCS-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 tDCS-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 도면이다.
본 발명에 따른 통합 tDCS-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 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, 뇌 활성화 신호는 이후 대역통과 필터를 거쳐 사용자의 인지 활동과 연관된 주파수 대역의 뇌 신호가 산출된다.
도 15는 본 발명에 따른 통합 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 메모리부에 업데이트된다(S170).
그에 따라 통합 tDCS-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 tDCS-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 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용한 뇌기능 활성화 증진에 대한 모니터링 결과는 사용자의 뇌 활성화 및 인지적 수행 능력의 변화를 요약해서 보여준다.
도 18은 본 발명에 따른 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치의 실시예를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
본 발명에 따른 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치는 도 18에 나타낸 바와 같이, 근적외선 분광기(fNIRS)(110), 경두개 직류전류 자극기(tDCS)(120)와 구동 회로 및 배터리부(130)를 포함하여 구성된다.
여기서 근적외선 분광기(fNIRS)(110)는, 착용자의 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 전원공급부(131), 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132), 필터 및 특징추출 알고리즘부(133), 메모리부(134), 전원스위치부(135), 통신부(136) 및 제어부(137)를 포함하여 구성된다.
전원공급부(131)는 tDCS-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.
메모리부(134)는 필터 및 특징추출 알고리즘부(133)에서 정량화된 혈역학적 정보를 저장한다.
전원스위치부(135)는 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 전원 공급 온오프를 위한 스위치이다.
통신부(136)는 소프트웨어가 설치된 디바이스(스마트폰, 데스크톱 컴퓨터, 노트북, 태블릿 등)(200), 바람직하게는 스마트 패드나 스마트 폰과 블루투스 통신을 수행하여 소프트웨어 설치 디바이스(200)와 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)가 페어링되면 사용자의 fNIRS 신호가 측정되어 난이도가 점진적으로 상승하는 암산 게임, 단어 유추 게임, 사물 인지 게임, 작업 기억 게임 등 단순하며 흥미를 유발하는 게임을 하도록 하게 된다. 이때, 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 산출되는데 이용된다.
제어부(137)는 전원공급부(131), 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132), 필터 및 특징추출 알고리즘부(133), 메모리부(134), 전원스위치부(135), 통신부(136)를 제어한다.
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 : 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 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 : 전원스위치부
136 : 통신부 137 : 제어부
200 : 소프트웨어 설치 디바이스
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 : 전원스위치부
136 : 통신부 137 : 제어부
200 : 소프트웨어 설치 디바이스
Claims (11)
- 착용자의 이마에 착용되며 근적외선 분광법을 위한 발광 다이오드(LED) 및 광 센서 다이오드로 구성되는 광전극이 탑재되어 사용자의 대뇌 전전두엽 부분의 뇌기능 활성화인 뇌 혈역학적 활성화 정도를 측정하되, 빛 신호를 발생하는 에미터 광전극인 LED(111)와 빛 신호를 탐지하는 디텍터 광전극인 복수의 포토다이오드(PD)(112)로 구성되고, 상기 에미터 광전극인 LED(111)와 상기 복수의 포토다이오드(PD)(112) 사이의 거리에 따라서 서로 다른 깊이의 조직을 조사하는 채널을 형성하되, 3cm 간격의 2개 정규 채널(ch 1, 2)과 1cm 간격을 지니며 피부에서의 혈류반응을 조사하는 2개의 보조 채널(ch s1, s2)이 탑재되며, 상기 2개의 보조 채널(ch s1, s2)을 통해 측정된 신호는 뇌 활성화와 무관한 인체 활동에 의한 정보를 담아 상기 3cm 간격의 2개 정규 채널(ch 1, 2) 신호의 잡음을 제거하는 데에 활용되는 근적외선 분광기(fNIRS)(110);
착용자의 이마에 착용되어 경두개에 직류전류를 자극하되, 하나의 양전극(120a)과 하나의 음전극(120b)을 통해 두피에 미리 프로그래밍된 대로 설정된 펄스를 발생시켜 사용자의 뇌 활성화를 위한 미세전류를 흘려주면 그 중 10~20% 직류전류가 대뇌 피질에 도달하여 뇌신경의 활성을 촉진하도록 되고, 볼 조인트 구조로 하여 손쉬운 탈부착이 가능하므로 교체와 세척을 포함하는 유지보수가 용이하도록 된 경두개 직류전류 자극기(tDCS)(120); 및
상기 근적외선 분광기(fNIRS)(110)에서 측정된 빛 신호를 수신 받아서 혈역학적 활성화 정보로 변환하고 저장하며, 암산 게임, 단어 유추 게임, 사물 인지 게임, 작업 기억 게임을 포함하는 단순하며 흥미를 유발하는 게임으로 혈역학적 활성화를 유발할 수 있는 게임 형태의 인지적 활동을 제공하고, 필터 및 특징 추출 알고리즘을 적용하여, 사용자의 혈역학적 활성화 정보를 가공하고 정량화하는 구동회로와 배터리 및 배터리의 충전과 기기 전체의 전원을 관리하는 파워 서플라이 회로가 탑재된 구동회로 및 배터리부(130);를 포함하여 구성하되,
상기 구동 회로 및 배터리부(130)는,
상기 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, 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 전원 공급 온오프를 위한 스위치인 전원스위치부(135)와, 소프트웨어가 설치된 소프트웨어 설치 디바이스(200)와 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)간 통신하는 통신부(136) 및 상기 전원공급부(131), 광신호-혈역학적 활성화정보 변환부(132), 필터 및 특징추출 알고리즘부(133), 메모리부(134), 전원스위치부(135) 및 통신부(136)를 제어하는 제어부(137)를 포함하여 구성되며, 상기 제어부(137)는 저전력 블루투스 마이크로프로세서에 의해 제어되도록 MCU를 탑재하여 고속의 제어 및 통신을 수 mA의 낮은 전류로 작동할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치. - 제1항에 있어서,
상기 근적외선 분광기(fNIRS)(110)와, 상기 경두개 직류전류 자극기(tDCS)(120)는 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(Enclosure)에 구성되며, 착용자의 이마에 위치되어 부착되도록 구성되고,
상기 구동 회로 및 배터리부(130)는 착용자의 이마에 대응되는 뒤통수 부분에 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(Enclosure)에 구성되어 무게중심이 장비 전체에 골고루 배분되도록 된 것을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치. - 제2항에 있어서,
상기 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(Enclosure)는 열가소성 폴리우레탄을 포함하는 탄성을 가진 플라스틱으로 제작되어 착용자의 이마에 상기 근적외선 분광기(110)의 광전극과 경두개 직류전류 자극기(120)가 부드럽게 밀착되도록 된 것을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 1 cm 간격의 2개 보조 채널(ch s1, s2)을 통해 측정된 신호는,
눈 깜박임, 심장 박동, 호흡, 혈압 변화로 인해 발생하는 잡음을 포함하는 아티팩트인 것을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치. - 제2항에 있어서,
상기 근적외선 분광기(fNIRS)(110) 모듈은 유연성을 지닌 상기 헤어밴드 모양의 장치 외부 인클로져(Enclosure)의 휘어짐에 따라 휘어지고 착용자의 이마 두상에 맞는 부드러운 밀착을 제공하도록 연성 기판 상에 실장됨을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치. - 제1항에 있어서,
상기 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)는,
단일 셀의 리튬-폴리머 배터리와 충전 모듈로 구성되는 충전기 및 배터리부(131a)에 의해 구동되며,
상기 충전기 및 배터리부(131a)에서 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 구성된 것을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치. - 삭제
- 청구항 1 내지 청구항 3과 청구항 7 내지 9 중 어느 하나의 항에 기재된 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)-근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치를 이용한 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 방법으로,
통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 무선 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 전원을 켜고, 소프트웨어가 설치된 소프트웨어 설치 디바이스(200)간 블루투스 페어링을 하는 단계;
뇌활성화 증진(tDCS)과 뇌활성화 모니터링(fNIRS) 중 뇌활성화 증진을 선택하면, 사용자 최적화 전류패턴을 준비하는 단계(S110);
착용자인 사용자의 최적화 경두개 직류전류를 발생시켜 자극하는 단계(S120);
뇌활성화 모니터링이 선택되어 소프트웨어 설치 스마트 기기(200)에서 미리 설정된 소프트웨어가 구동되고, 사용자는 활동 게임을 시작하는 단계(S130);
활동 게임을 통과하였는가를 판단하여(S140), 통과한 경우 게임 난이도를 상승시키고(S150), 통과하지 못한 경우에는 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)에서는 착용자의 최적화 난이도 및 혈역학 반응 매개변수가 도출하되, 난이도가 점진적으로 상승하도록 프로그램된 게임을 수행하도록 하고, 게임은 사용자가 통과하지 못할 때까지 계속되며, 서로 다른 난이도의 게임 간 휴식 시간은 30초 이상 주어지며, 사용자가 통과한 최고 난이도의 게임에서 측정된 혈역학 신호를 바탕으로 사용자의 최적화 난이도와 해당 난이도에서의 혈역학 반응의 크기를 기반으로 한 혈역학 매개변수가 산출되는 단계(S160); 및
상기 활동 게임 결과는 통합 tDCS-fNIRS 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 장치(100)의 메모리부에 업데이트되는 단계(S170);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 통합 경두개 직류전류 자극기(tDCS)- 근적외선 분광기(fNIRS) 기반 착용 가능 휴대용 뇌기능 활성화 증진 및 모니터링 방법.
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