KR102646182B1 - 3d 안경을 착용하고 웨어러블 eeg 헤드셋을 구비하는 eeg 측정 및 자극 시스템 - Google Patents
3d 안경을 착용하고 웨어러블 eeg 헤드셋을 구비하는 eeg 측정 및 자극 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템이 개시된다. 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템은 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 표시하는 VR 영상 디스플레이 기기; 상기 VR 영상 디스플레이 기기와 USB 케이블, Wi-Fi, Bluetooth 통신부 중 어느 하나를 통해 연결되며, ERP(Event related potential) 버튼으로 사용되는 환자 제어 장치; 통신부와 제어부를 구비하며, 상기 VR 영상 디스플레이 기기의 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 시청하는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경; 및 상기 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 유무선 통신을 통해 연동되며, 머리 부분의 측정 지점에 각각 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)를 구비하며, 게임과 동영상의 자극에 반응하여 검출된 다채널 EEG 신호를 유무선 통신을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로 전송하며, 상기 3D 헤드업 디스플레이 또는 상기 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로부터 수신된 자극 제어 신호에 따라 각 EEG 전극마다 구비된 자극부에 의해 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극에 의해 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 해당 뇌의 위치와 부위를 자극하는 웨어러블 EEG 헤드셋을 포함한다.
웨어러블 EEG 헤드셋은 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 통신되며, VR 영상 디스플레이 기기(예, 3DTV)의 게임 또는 3D 영상, 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 환자 제어 장치(Patient Control Device/Button - 스마트폰(App) 또는 IoT 디바이스)를 사용하여 게임과 동영상의 3D 영상과 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 자극에 따라 환자의 뇌의 인지 반응에 따른 다채널의 EEG 전극으로부터 생성된 다채널 EEG 신호를 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로 전송하고, EEG 측정 및 자극 제어 시스템은 다채널 EEG 신호들의 뇌파 분석과 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Potientials, ERP)를 분석하여 뇌질환 환자, 치매 환자, 우울증 환자는 상대적으로 정상인 보다 ERP의 반응 속도가 느리며, 뇌파 분석을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로부터 자극 제어 신호를 웨어러블 EEG 헤드셋으로 전송하고, 웨어러블 EEG 헤드셋은 자극 제어 신호에 따라 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 뇌신경 치료를 위해 웨어러블 EEG 헤드셋의 다채널 EEG 검출과 뇌 병소 부위와 위치에 뇌 신경 자극치료가 가능하다.
웨어러블 EEG 헤드셋은 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 통신되며, VR 영상 디스플레이 기기(예, 3DTV)의 게임 또는 3D 영상, 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 환자 제어 장치(Patient Control Device/Button - 스마트폰(App) 또는 IoT 디바이스)를 사용하여 게임과 동영상의 3D 영상과 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 자극에 따라 환자의 뇌의 인지 반응에 따른 다채널의 EEG 전극으로부터 생성된 다채널 EEG 신호를 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로 전송하고, EEG 측정 및 자극 제어 시스템은 다채널 EEG 신호들의 뇌파 분석과 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Potientials, ERP)를 분석하여 뇌질환 환자, 치매 환자, 우울증 환자는 상대적으로 정상인 보다 ERP의 반응 속도가 느리며, 뇌파 분석을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로부터 자극 제어 신호를 웨어러블 EEG 헤드셋으로 전송하고, 웨어러블 EEG 헤드셋은 자극 제어 신호에 따라 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 뇌신경 치료를 위해 웨어러블 EEG 헤드셋의 다채널 EEG 검출과 뇌 병소 부위와 위치에 뇌 신경 자극치료가 가능하다.
Description
본 발명은 뇌 질환 치료를 위한 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 뇌파 측정 및 자극 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, Alzheimer형 치매(Alzheimer's Dementia), 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(epilepsy, 간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈) 등의 뇌 질환(brain disorder) 병소 위치와 부위, 신체 마비(하반신 불구)에 해당하는 뇌의 위치와 부위를 치료하기 위해, 착용자는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 연동되는 웨어러블 EEG 헤드셋을 착용하며, 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC, IoT 디바이스)과 연동되어 뇌질환 위치와 부위에 신경 자극 치료를 한다.
착용자는 머리에 웨어러블 EEG 헤드셋과 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(1. 통신부와 제어부를 구비하는 셔터 글래스, 2. 통신부와 제어부를 구비하는 편광필터 안경, 3. 통신부와 제어부를 구비하는 스마트 글래스)을 착용하고, 오른손/오른발과 왼손/왼발 움직임을 제공하는 게임, 동영상, 3D 영상 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC, IoT 디바이스)으로 자극에 따른 뇌의 인지 반응에 따라 생성된 다채널의 뇌파 신호를 전송하고, 다채널 EEG 신호의 뇌파 분석과 그 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Poriential, ERP)를 분석하여 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC)으로부터 웨어러블 EEG 헤드셋으로 자극 제어 신호를 전송하여 웨어러블 EEG 헤드셋의 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 뇌질환에 의해 마비된 신체의 대응하는 해당 뇌의 위치와 부위(오른손-좌뇌 또는 왼손-우뇌)를 신경자극 치료를 하는 EEG 검출과 브레인 자극치료 의료기기를 제공한다.
뇌파를 최초로 검출한 Hans Berger는 두개골 결손부의 피하에 2개의 백금 전극을 사용하여 뇌파를 기록하였으며, 초기 뇌파 연구에서, 1929년 처음 기록에서는 전두엽(Frontal Lobe)과 후두엽(Occipital Lobe)에 전극(electrode)을 부착하여 1분 ~ 3분 동안의 뇌파를 기록하였다. 뇌의 전기적 활동은 신경 세포(neurons), 교세포(glia cells), 혈뇌 장벽(blood-brain barrier)에 의해 결정되며 주로 신경세포에 의해 발생한다. 뇌 무게의 반을 차지하는 교세포들은 신경 세포가 연접해 있는 부위인 시냅스(synapse)에서 이온, 분자의 흐름을 조정하고, 신경 세포들 간의 구조 유지 및 지탱하는 역할을 한다. 교세포와 혈뇌 장벽에 의한 뇌파의 변화는 조금씩 천천히 일어나며, 이와 반대로 신경 세포들의 활동에 의한 뇌파의 변화는 크고, 빠르며 다양하게 발생한다.
뇌파 측정 기술은 의학, 뇌 과학, 인지 신경과학, 컴퓨터 공학, 전자 공학 기술을 사용하여 뇌의 신경 회로망에 대하여 EEG 기반 BCI(EEG-based brain computer interface) 기술이 사용된다. EEG(Electroencephalography, 뇌전도)는 뇌 표면에서 발생하는 전기 포텐셜 차이를 EEG 전극(EEG electrode)에 의해 측정되며, 증폭(analog amplifier), BPF 필터링, ADC, 시간 영역(time domain)에서는 FFT 변환 또는 wavelet 변환, Gamma-band response를 사용한 뇌파 분석을 통해 뇌질환 진단이 이루어진다.
뇌(Brain)의 구조를 측정하는 장치는 CT, Functional MRI와 PET 등이 사용되며, F-MRI와 PET는 뇌파에 비해 공간해상도가 높은 장점이 있으나, 뇌파에 비해 시간해상도가 낮아 빠른 시간 내의 뇌의 변화를 볼 수 없다.
머리 표면 아래의 대뇌 피질(cerebral cortex)은 전두엽(Frontal Lobe), 두정부엽(Parietal Lobe), 측두엽(Temporal Lobe), 후두엽(Occipital Lobe)으로 크게 나뉘며, 후두엽은 일차 시각피질에 의해 일차적인 시각정보 처리를 담당하며, 정수리 근처에 위치된 두정부엽은 체성 감각 피질에 의해 운동/감각 관련 정보처리를 담당한다.
뇌전도(EEG)는 신경계와 뇌신경 세포 사이에 신호가 발생할 때 생기는 미세한 생체 전기로써, 뇌 표면에서 발생하는 전기 포텐셜 차이를 EEG 전극(Electrode)을 사용하여 측정한다. 뇌파는 델타(δ)파, 쎄타(θ)파, 알파(α)파, 베타(β)파, 감마(γ)파로 분류된다. 뇌파는 그 주파수와 진폭에 따라 분류되며, 사람의 뇌파는 0~50Hz의 주파수가 발생되며, 약 20~200μV의 EEG 신호의 진폭을 보인다.
뇌파는 진동하는 주파수의 범위에 따라 델타-δ파(0.5 ~ 3.99 Hz), 쎄타-θ파(4 ~ 7.99 Hz), 알파-α파(8 ~ 12.99 Hz), 베타-β파(13 ~ 29.99 Hz), 감마-γ파(30~50 Hz)로 분류된다.
델타파는 2~4Hz의 주파수와 20~200 V의 진폭을 가지며, 잠을 잘 때 꿈속에서 정상인의 깊은 수면 상태나 신생아에서 주로 나타난다. 쎄타파는 4~8Hz의 주파수와 20~100 V의 진폭을 가지며, 정서적으로 안정된 상태나 취침 전에 나타난다. 알파파는 8~13Hz의 주파수와 20~60 V의 진폭을 가지며, 명상 같은 편안한 상태에서 나타나며 스트레스 해소 및 집중력 향상에 도움을 준다. 베타파는 13~30Hz의 주파수와 2~20 V의 진폭을 가지며, 평상시 의식이 깨어 있을 때 생활시에 눈을 뜨고, 걷고, 말하고, 흥분하는 상태에서 주로 전두엽에서 많이 나타난다. 감마파는 30~50Hz의 주파수와 2~20 V의 진폭을 가지며, 주로 흥분했을 때 나타난다.
| 뇌파 신호의 분류 | 주파수 | 특 징 |
| 델타-δ파 | 0.5 ~ 3.99 Hz | 0.5~3.99 Hz의 주파수와 20~200 V의 진폭을 가지며, 정상인의 깊은 수면상태나 신생아에서 주로 나타난다. 델타파 상태는 많은 양의 성장 호르몬이 생성됨 |
| 쎄타-θ파 | 4 ~ 7.99 Hz | 4~7.99Hz의 주파수와 20~100 V의 진폭을 가지며, 정서적으로 안정된 상태나 취침 전(수면에 빠지기 전)에 나타난다. 세타파는 지각과 꿈의 경계상태에서 발생 |
| 알파-α파 | 8 ~ 12.99 Hz | 8~12.99 Hz의 주파수와 20~60 V의 진폭을 가지며, 명상 같은 편안한 상태에서 나타나며 스트레스 해소 및 집중력 향상에 도움이 됨 |
| 베타-β파 | 13 ~ 29.99 Hz | 13~29.99 Hz의 주파수와 2~20 V의 진폭을 가지며, 생활시에 긴장, 흥분 상태 등 활동할 때에 나타난다. 운동력 향상에 도움을 주고, 의식이 깨어 있을 때의 뇌파 |
| 감마-γ파 | 30~50 Hz | 30~50Hz의 주파수와 2~20 V의 진폭을 가지며, 주로 흥분했을 때 나타남 |
세브란스 소아신경과에 따르면, 뇌전증(epilepsy, 간질)은 신경세포의 기능적, 구조적 이상에 의해 과도한 전기방출을 일으켜 반복적인 발작을 유발하는 뇌의 만성적 이상상태 라고 한다. 뇌전증의 원인은 유전, 분만시 뇌손상, 뇌 발달 이상, 선천성 기형, 뇌종양, 교통사고에 의한 뇌손상 시에 발생되며, 많은 뇌전증 환자들은 발작과 항경련제의 부작용으로 지능 저하, 정신 지체, 행동 장애, 인지 장애 등을 겪고 있다. 발작(seizure)이 일어나는 뇌 병소의 위치 확인은 MRI, SPECT, PET 같은 구조적 또는 기능적 영상 검사가 도움을 주지만, 병소의 확진 및 절제 범위의 결정은 두개강 내 뇌파 검사로 이루어진다. 뇌전증 병소의 확진은 두개강 내 뇌파 기록을 분석하여, 발작을 일으키는 병적 대뇌 피질에서 생산하는 병적 뇌파와 정상 뇌조직에서 만들어지는 정상 뇌파를 구분하는 것이 중요하다. 그러나, 대뇌 피질은 전기적으로 서로 연결되며 병적 뇌파와 정상 뇌파가 서로 주변으로 확산되는 경향을 가지고 있고, 병적 뇌파의 생산이 간헐적, 돌발적이라는 뇌전증의 특성 때문에 구분이 쉽지 않다.
Alzheimer형 치매 환자의 뇌파의 시공간적 패턴 분석 논문에 의하면, 알쯔하이머형 치매 환자의 병태생리적 위치가 주로 좌측 두정부와 측두엽 부위에 있음을 공지하고 있다.
○ 뇌파 검사
뇌파 검사는 기본적인 뇌전증 진단 방법이다. 뇌전증의 특징 중 하나는 평소 뇌파가 정상과 같으나 뇌전증과 발작을 일으킬 수 있는 비정상 뇌파는 간헐적으로 발생된다. 필연적으로, 장시간 뇌파를 기록하고 분석하는 것이 필요하다. 특히, 뇌전증 수술을 위해 최소 일주일 동안 뇌파를 기록하여 발작 위치를 정확히 파악하는 것이 뇌파 측정 장치는, 뇌파 데이터를 검출하기 위한 뇌파 검출부(10)와, 뇌파 검출부(10)로부터 측정된 뇌파 데이터를 증폭시키는 뇌파 증폭부(20), 증폭된 뇌파 데이터를 아날로그에서 디지털로 변환시키는 A/D 변환부(30), 디지털로 변환된 뇌파 데이터를 이용하여 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값을 얻고 이로부터 잡파의 혼입 여부를 판단하여 잡파가 혼입되었을 때 뇌파 데이터의 출력을 중단하도록 하는 뇌파 처리부(40) 및 상기 뇌파 처리부(40)의 결과를 표시하는 디스플레이부(50)로 구성된다.
뇌파 검출부(10)는 뇌파 데이터를 측정하는 EEG 전극으로서, 이 전극은 피험자의 두피에 부착되어 뇌파 데이터를 검출한다.
뇌파 증폭부(20)는 뇌파 검출부(10)로부터 각 EEG 전극으로부터 측정된 뇌파 데이터를 일정치 만큼 증폭시킨다. 또한, 뇌파 증폭부(20)는 증폭된 뇌파 데이터를 예를 들어 60Hz 대역의 필터링을 한다.
뇌파 처리부(40)는 뇌파 증폭부(20)로부터 증폭된 뇌파 데이타를 정현파로 분리하기 위한 퓨리에 변환부(Fourier transform: 410)와, 피험자의 기저 상태의 뇌파를 저장하고 있는 데이터 저장부(420), 퓨리에 변환부(410)에 의하여 변환된 뇌파 데이타들 및 피험자의 기저 상태의 뇌파 데이타를 사용하여, 피험자의 기저 상태가 고려된, 시간에 따른 주파수별 상대 출력값을 산출하는 제어부(430)를 포함한다.
퓨리에 변환부(410)는 고속 퓨리에 변환을 사용한다.
기저 상태의 뇌파를 저장하고 있는 데이타 저장부(420)는 예를 들면, 피험자가 폐안 안정시(eye-closed and relaxed state) 또는 자극제시전(interval before stimulus)에 측정된 뇌파 데이터를 저장하고 있다.
또한, 상기 제어부(430)는 퓨리에 변환후 주파수별 출력값을 산출하는 제 1 연산부(432)와, 시간에 따라 제 1 연산부(432)를 반복 수행하여 시간별, 주파수별 출력값을 산출하는 제 2 연산부(434), 제 2 연산부(434)의 출력을 각 피험자의 기저 상태의 주파수별 출력으로 나누어 기저 상태를 고려한 시간별, 주파수별 상대 출력을 산출하는 제 3 연산부(436) 및 제 3 연산부(436)의 출력과 이미 정해진 일 정값을 비교하는 비교부(438)를 포함한다.
제 1 연산부(432)는 퓨리에 변환부(410)로부터 실수부와 허수부 (a+bi)의 절대값의 크기(a2 + b2), 즉 출력값을 산출한다.
제 2 연산부(434)는 시간에 따라 제 1 연산부(432)를 반복 수행하여 일정 시간별로 주파수별 출력값을 산출한다. 상기 시간 간격은 예를들면, 0375초 정도일 수 있으며, 상기 시간 간격에 의해 퓨리에 변환을 통한 주파수 간격이 정해진다.
제 3 연산부(436)는 제 2 연산부(434)에서 구하여진 일정 시간별, 주파수별 출력값을, 각 피험자의 기저 상태의 뇌파 데이터에 대한 주파수별 출력값으로 나눈다. 이에 따라, 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값을 얻게 된다.
비교부(438)는 각 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대출력값(제 3 연산부의 출력)과 미리 정해진 일정값을 비교한다. 이때, 미리 정해진 일정값은 대략 3으로서, 그 이하이면 측정된 뇌파는 잡파가 혼입되지 않은 것으로 판단한다. 여기서, 미리 정해진 일정값은 제 3 연산부(436)의 출력값과 비교되는 대상으로, 결국 잡파가 혼입된 경우 출력값을 의미한다. 일반적으로 잡파 혼입되는 경우, 대체적으로 뇌파가 갑자기 2-3배로 커지기 때문에, 본 실시예에서는 예를 들면, 미리 정해진 일정값을 약 3으로 정한 것이다. 이에 따라, 제 3 연산부(436)의 출력이 3 이상 이면, 잡파가 혼입된 것으로 간주하고, 뇌파 데이터를 출력하지 않게끔 한다.
디스플레이부(50)는 색상을 달리하여, 시간별, 주파수별 상대 출력값의 크기를 도식화한다.
이와 관련된 선행기술2에 따르면, 특허 등록번호 10-1704704에서는 "내장형 EEG 전극용 무선 송신 모듈 및 이를 포함하는 EEG 검출 시스템"이 등록되어 있다.
도 2는 종래의 내장형 ECoG 전극용 무선 송신 모듈 및 이를 포함하는 뇌파 검출 시스템의 구성도이다.
EEG 검출 시스템(10)은 뇌파 데이터 수집부(20) 및 무선 송신 모듈(30)을 포함한다. 뇌파 데이터 수집부(20)는 복수의 채널들을 포함하는 EEG 전극이다. 뇌파 데이터 수집부(20)는 32 채널, 64 채널 또는 128 채널, 192 채널의 EEG 전극일 수 있으나, EEG 전극의 채널 수는 이에 한정하지 않는다. 상기 EEG 전극의 각각의 채널은 각각 대뇌 피질의 표면 상에 부착되어, 대뇌 피질에서 유도되는 뇌전류를 수집할 수 있다.
무선 송신 모듈(30)은 뇌파 데이터 수집부(20)로부터 수집된 뇌파 데이터를 전달받아 무선 송신 방식으로 송신할 수 있다. 무선 송신 모듈(30)은 뇌파 데이터 처리부(32) 및 뇌파 데이터 무선 송신부(34)를 포함한다.
무선 송신 모듈(30)은 뇌전증 수술 치료를 위해 대뇌 피질 표면의 피검사 영역 상에 부착되는 복수의 EEG 전극부들을 포함하는 뇌파 데이터 수집부(20)에 연결되는 무선 송신 모듈로서, 상기 복수의 EEG 전극부들을 통해 측정되는 피검사 영역의 뇌파 데이터를 전달받아 무선 송신 가능한 샘플링 신호로 변환시키는 뇌파 데이터 처리부(32); 및 상기 뇌파 데이터 처리부에서 변환된 상기 샘플링 신호를 와이파이 방식 또는 블루투스 방식으로 무선 송신하는 뇌파 데이터 무선 송신부(34)를 포함한다.
EEG 검출 시스템(10A)은 뇌파 데이터 수집부(20A), 전송 라인(22) 및 무선 송신 모듈(30A)을 포함할 수 있다.
뇌파 데이터 수집부(20A)는 복수의 EEG 전극부(21)를 포함할 수 있다 EEG 전극부(21)는 예를 들면 16 채널, 32 채널, 64 채널을 포함하는 EEG 전극일 수 있다 예를 들면, 뇌파 데이터 수집부(20A)는 64 채널을 포함하는 세 개의 EEG 전극부(21)로 구성되어 총 192 채널을 갖는 뇌파 데이터 수집부(20A)를 제공할 수 있다. 이와 달리, 뇌파 데이터 수집부(20A)는 32 채널을 포함하는 두 개의 EEG 전극부(21) 및 64 채널을 포함하는 두 개의 EEG 전극부(21)로 구성되어 총 192 채널을 갖는 뇌파 데이터 수집부(20A)를 제공할 수 있다.
실시예들에서는, 복수의 EEG 전극부(21)는 서로 이격되도록 대뇌 피질의 표면 상에 직접 부착될 수 있고, 이에 따라 복수의 EEG 전극부(21)로부터 대뇌 피질 표면 상의 광범위한 면적으로부터 뇌파 신호가 검출될 수 있다. 복수의 EEG 전극부(21)는 대뇌 수술을 위한 두개골 절단부로부터 두개골 내부로 주입되어, 대뇌 피질 표면 상에 부착될 수 있다. 뇌내 내장형 EEG 전극이 제공될 수 있다.
전송 라인(22)은 뇌파 데이터 수집부(20A)로부터 무선 송신 모듈(30A)까지 전기적으로 연결되며, 뇌파 데이터 수집부(20A)로부터 측정된 뇌파 데이터를 무선 송신 모듈(30A)에 전달된다. 전송 라인(22)은 복수의 EEG 전극부(21)로부터의 개별 전송 라인들의 집합체일 수 있다. 하나의 전송 라인(22) 또는 2개 이상의 전송 라인들(22)이 복수의 EEG 전극부(21)에 연결될 수 있다.
EEG 검출 시스템(10B)은 무선 송신 모듈(30A)에 부착된 고정부(40)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 고정부(40)는 인체에 착탈 가능하도록 고정되는 다양한 형상으로 제작될 수 있다. 헤드 밴드 또는 헤어 밴드 형상의 고정부(40)가 무선 송신 모듈(30A)에 부착되어, 무선 송신 모듈(30A)이 피검사자의 이마 또는 측두부 상에 안정적으로 고정될 수 있다. 특히, 무선 송신 모듈(30A)이 대뇌 수술을 위한 두개골 절단부에 인접한 위치에서 안정적으로 고정될 수 있으므로, 피검사자의 의식적 또는 무의식적인 거동에 의하여 피검사 영역으로부터 EEG 전극부(21)가 분리되거나 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
뇌파 검사는 주로 EEG(Electroencephalograph, 뇌전도) 전극 또는 ECoG(Electrocorticography, 피질전도) 전극을 사용한 측정 방법을 사용한다.
뇌파 검출 장치는 머리 밖은 EEG(뇌전도)를 측정하며, 머리 속은 ECoG(피질 전도)를 측정한다. EEG, ECoG는 뇌활동으로 뇌세포간의 신호를 주고받는 과정에서 전기적 신호가 발생된다. 전기적인 신호의 전류를 수신하여 분석하여 뇌 질환을 찾아내고, 검출된 뇌파를 사용하여 뇌질환 발생 위치를 확인한다.
도 2는 종래의 무선 ECoG 검출 시스템의 블록도이다.
ECoG 검출 시스템(10)은 뇌파 신호를 검출하는 32~128 채널의 전극; 상기 32~128 채널의 전극으로부터 측정된 뇌파 신호를 증폭하는 뇌파 증폭부(Amplifier); 상기 증폭된 뇌파 신호를 A/D 변환하여 디지털 뇌파 데이터로 변환하는 A/D 변환기(ADC 보드); 선택적으로 구비되는 상기 디지털로 뇌파 데이터를 FFT 변환하여 주파수별 출력값을 제공하는 뇌파 신호처리부; 디지털로 뇌파 데이터를 FFT 변환한 주파수별 출력값을 블루투스 통신을 통해 송신하는 무선 송신부를 포함한다.
기본적으로, 뇌파 신호처리부는 사용자 단말의 제어 부분에 구비한다.
사용자 단말(200)은 블루투스 통신을 통해 디지털로 뇌파 데이터를 FFT 변환한 주파수별 출력값을 수신받는 무선 수신부; 상기 디지털로 뇌파 데이터를 FFT 변환하여 주파수별 출력값을 제공하는 뇌파 신호처리부를 구비하는 제어부; 저장부; 및 시간에 따른 주파수별 출력값을 갖는 뇌파 데이터를 출력하는 LCD 표시부를 포함한다.
EEG(electroencephalogram, 뇌전도)는 사람 또는 동물의 대뇌 피질에서 발생하는 뇌전류를 기록하는 뇌파의 전기 기록도이다. 두피 상에 32~128 채널의 EEG 전극들을 부착하고, 머리의 두피 상에서 유도되는 전류 파형을 분석할 때, 대뇌 활동 상태에 따라 특정한 파형을 갖는 뇌파가 검출된다. 특히, 뇌전증(epilepsy)은 대뇌 피질에서 발생되는 비정상적 전기적 신호에 의해 발작(seizure)이나 경련이 반복적으로 발생하는 질병이다. 뇌전증의 수술적 치료는, 뇌에 다수의 EEG 전극을 부착하고 EEG 주파수 스펙트럼을 기록하여 뇌전증 발작이 일어나는 대뇌 피질의 발작 시작 위치를 검출하고, 발작 시작 부위를 수술적으로 제거해야 한다.
그러나, 기존의 EEG 뇌파 검출 장치는 치매와 뇌질환 환자의 뇌 신경 자극 치료를 제공하는 의료기기가 아직 없다.
그러므로, 뇌과학 분야에서, ICT 기술과 브레인-컴퓨터 인터페이스(BCI: brain-computer interface)를 사용하여 Alzheimer형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈), 뇌질환에 의한 신체 불구(하반신 마비) 등의 뇌 질환(brain disorder)을 치료하기 위해 EEG 신호 검출과 뇌파 분석을 통해 뇌 병소 부위에 신경 자극 치료기를 구비한 의료기기가 필요하다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 Alzheimer형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(epilepsy, 간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈) 등의 뇌 질환(brain disorder) 병소 위치와 부위, 신체 마비(하반신 불구)에 해당하는 뇌의 위치와 부위를 치료하기 위해, 착용자는 머리에 웨어러블 EEG 헤드셋과 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(1. 통신부와 제어부를 구비하는 셔터 글래스, 2. 통신부와 제어부를 구비하는 편광필터 안경, 3. 통신부와 제어부를 구비하는 스마트 글래스)을 착용하고, 오른손/오른발과 왼손/왼발 움직임을 제공하는 게임, 동영상, 3D 영상 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC, IoT 디바이스)으로 자극에 따른 뇌의 인지 반응에 따라 생성된 다채널의 뇌파 신호를 전송하고, 다채널 EEG 신호의 뇌파 분석과 그 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Poriential, ERP)를 분석하여 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC)으로부터 웨어러블 EEG 헤드셋으로 자극 제어 신호를 전송하여 웨어러블 EEG 헤드셋의 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 뇌질환에 의해 마비된 신체의 대응하는 해당 뇌의 위치와 부위(오른손-좌뇌 또는 왼손-우뇌)를 신경자극 치료를 하는 EEG 검출과 브레인 자극치료 의료 기기로 사용되는, 3D 안경을 착용한 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템을 제공한다.
또한, 상기 시스템은 3D 헤드업 디스플레이와 연동된 머리에 착용된 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 유무선 통신을 통해 사용자 단말(전용 PC, IoT 디바이스:EEG 측정 및 자극 제어 시스템)로 다채널의 EEG 신호들을 전송하며, 사용자 단말은 각각의 EEG 채널별로 뇌파의 주파수 스텍트럼을 출력하며 뇌파의 시공간적 패턴 분석(spatio-temporal pattern analysis)을 통해 이상 뇌파가 검출된 특정 뇌전증 병소 위치와 부위의 3차원 좌표(x, y, z)를 3D 뇌지도 상에 표시하고, 뇌심부 자극술에 따라 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 해당 뇌전증 발작 위치와 부위를 자극하여 뇌신경 치료를 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 뇌 질환 치료를 위한 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템은 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 표시하는 VR 영상 디스플레이 기기; 상기 VR 영상 디스플레이 기기와 USB 케이블, Wi-Fi, Bluetooth 통신부 중 어느 하나를 통해 연결되며, ERP(Event related potential) 버튼으로 사용되는 환자 제어 장치; 통신부와 제어부, 저장부를 구비하며, 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 시청하는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경; 상기 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 유무선 통신을 통해 연동되며, 머리의 다측정 지점에 각각 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)를 구비하며, 게임과 동영상의 자극에 반응하여 검출된 다채널 EEG 신호를 유무선 통신을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로 전송하며, 상기 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경 또는 상기 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로부터 웨어러블 EEG 헤드셋으로 수신된 자극 제어 신호에 따라 각각의 EEG 전극마다 구비된 자극부에 의해 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극에 의해 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 해당 뇌의 위치와 부위를 자극하는 웨어러블 EEG 헤드셋; 및 상기 웨어러블 EEG 헤드셋을 착용한 환자의 뇌파의 주파수 영역 분석 알고리즘을 통해 환자의 뇌의 병소 발작의 시작점을 찾기 위해 다채널 EEG 신호의 뇌파 분석과 특징 추출과 분석 그 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Porientials, ERPs) 신호를 분석하며, 정상 뇌파와 비정상 뇌파를 구분하는 상기 EEG 측정 및 자극 제어 시스템을 포함하며,
상기 환자 제어 장치는 제어부와 저장부와 USB 케이블, Wi-Fi, Blurtooth 통신부를 구비하는 스마트폰(App)을 사용하며, 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 환자의 뇌의 인지 반응에 따라 누르는 ERP 버튼을 구비한다.
본 발명의 뇌 질환 치료를 위한 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템은 Alzheimer형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(epilepsy, 간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈) 등의 뇌 질환(brain disorder) 병소 위치와 부위, 신체 마비(하반신 불구)에 해당하는 뇌의 위치와 부위를 치료하기 위해, 착용자는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 연동되는 웨어러블 EEG 헤드셋을 착용하며, 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC, IoT 디바이스)과 연동되어 뇌질환 위치와 부위에 신경 자극 치료를 한다. 착용자는 머리에 웨어러블 EEG 헤드셋과 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(1. 통신부와 제어부를 구비하는 셔터 글래스, 2. 통신부와 제어부를 구비하는 편광필터 안경, 3. 통신부와 제어부를 구비하는 스마트 글래스)을 착용하고, 오른손/오른발과 왼손/왼발 움직임을 제공하는 게임, 동영상, 3D 영상 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC, IoT 디바이스)으로 뇌의 인지 반응에 따라 생성된 다채널의 EEG 신호를 전송하고, 다채널 EEG 신호의 뇌파 분석과 그 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Porientials, ERPs)를 분석하여 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC)으로부터 웨어러블 EEG 헤드셋으로 자극 제어 신호를 전송하여 웨어러블 EEG 헤드셋의 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 뇌질환에 의해 마비된 신체의 대응하는 해당 뇌의 위치와 부위(오른손-좌뇌 또는 왼손-우뇌)를 신경자극 치료가 가능하게 되었다.
웨어러블 EEG 헤드셋은 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 통신되며, VR 영상 디스플레이 기기(예, 3DTV)의 게임 또는 3D 영상, 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 환자 제어 장치(Patient Control Device/Button - 스마트폰(App) 또는 IoT 디바이스)를 사용하여 환자의 뇌의 인지 반응에 따른 다채널의 EEG 전극으로부터 생성된 다채널의 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Potientials, ERP)를 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로 전송하고, 뇌질환 환자, 치매 환자, 우울증 환자는 상대적으로 정상인 보다 ERP의 반응 속도가 느리며, 뇌파 분석을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로부터 자극 제어 신호를 웨어러블 EEG 헤드셋으로 전송하고, 웨어러블 EEG 헤드셋은 자극 제어 신호에 따라 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 뇌신경 치료를 위해 웨어러블 EEG 헤드셋의 다채널 EEG 검출과 뇌 병소 부위와 위치에 뇌 신경 자극 치료가 가능하다.
웨어러블 EEG 헤드셋은 3D 헤드업 디스플레이와 연동되며 유무선 통신을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(전용 PC)와 연결되며, 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI) 기술을 사용하여 알쯔하이머형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈), 뇌질환에 의한 하반신 마비 환자 등의 마비된 신체에 해당하는 뇌 부위(오른손-좌뇌, 왼손-우뇌)의 신경 치료를 위해 사용되며, 신경 자극치료기를 통해 뇌 피질에 직접적으로 광신호 자극/전기 자극/RF 주파수 자극을 가해 신경질환의 진단과 치료가 가능한 뇌파 측정 및 치료 의료기기로 사용된다.
도 1은 종래의 EEG 뇌파 측정 장치의 블록도이다.
도 2는 기존 무선 ECoG 검출 시스템을 보인 그림이다.
도 3a 내지 3c는 뇌 손상에 의한 신체 장애 원인과, 뇌파 분석과 가상현실을 사용한 뇌질환 신체 장애 치료 방법에 관한 연구 목표와 내용, 연구의 수행 역량을 보인 그림이다.
도 3d는 뇌과학, 인지 신경과학 측면에서, 치매, 강박장애, 정신분열증 환자에서 자극에 대한 반응으로 생성되는 뇌전도의 사건 관련 전위(Event-Related Potentials: ERPs)의 파형을 보인 도면이다.
도 4a는 본 발명의 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋, EEG 측정 및 자극 시스템의 개념도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예1에 따른 3D 헤드업 디스플레이와 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋과 EEG 측정 및 자극 시스템 구성도이다.
도 6은 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋을 사용하는 EEG 측정 및 자극 방법을 보인 순서도이다.
도 7a는 웨어러블 EEG 헤드셋의 머리의 EEG 측정 지점을 표시한 그림이다.
도 7b는 EEG 파형을 보인 그림이다.
도 8은 본 발명의 실시예2에 따른 3D 헤드업 디스플레이와 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋에서 플렉시블 기판 상에 F-TFTA를 사용하여 매트릭스 구조의 각 픽셀마다 EEG 전극과 자극부(신경자극기)를 구비하는 웨어러블 EEG 헤드셋과 EEG 측정 및 자극 시스템 구성도이다.
도 9는 i) Thin Film Transistor와 DDIC의 결합 구조(RFIC Center), ⅱ) F-TFTA와 전기 자극을 위한 전극 결합 구조(좌), F-TFTA와 전기 자극을 위한 전극 결합 구조 단면도(우), ⅲ) F-TFTA의 매트릭스 구조의 각 픽셀마다 구비되는 EEG 전극 및 신경자극기(Nerve Stimulator)의 개념도(광운대 RFIC Center)이다.
도 10은 F-TFTA와 OLED의 결합 구조(좌), F-TFTA와 OLED의 결합 구조 단면도(우)(RFIC Center)이다.
도 11은 대학 병원과 공동으로 정량적 뇌파 분석을 통한 뇌전증 수술 환자의 수술 영역 결정 분석법(Brain and development, 2016), 뇌파의 Connectivity Analysis를 통해 비정상 뇌파의 소스파악(Clinical Neurophysiology, 2015)을 보인 3D 뇌지도를 보인 그림이다.
도 12는 3D 뇌지도와 국소 간질 분석 영상을 보인 사진이다.
도 13a, 13b는 뇌질환 환자가 웨어러블 EEG 헤드셋을 착용하고, 3D 안경을 착용하지 않거나 또는 3D 안경 착용하며 VR 영상 디스플레이 기기의 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 자극에 대한 반응으로 환자 착용 장치(Patient Control Button)를 사용시에 생성되는 다채널 ERP 신호를 획득하는 과정을 보인 도면이다.
도 2는 기존 무선 ECoG 검출 시스템을 보인 그림이다.
도 3a 내지 3c는 뇌 손상에 의한 신체 장애 원인과, 뇌파 분석과 가상현실을 사용한 뇌질환 신체 장애 치료 방법에 관한 연구 목표와 내용, 연구의 수행 역량을 보인 그림이다.
도 3d는 뇌과학, 인지 신경과학 측면에서, 치매, 강박장애, 정신분열증 환자에서 자극에 대한 반응으로 생성되는 뇌전도의 사건 관련 전위(Event-Related Potentials: ERPs)의 파형을 보인 도면이다.
도 4a는 본 발명의 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋, EEG 측정 및 자극 시스템의 개념도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예1에 따른 3D 헤드업 디스플레이와 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋과 EEG 측정 및 자극 시스템 구성도이다.
도 6은 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋을 사용하는 EEG 측정 및 자극 방법을 보인 순서도이다.
도 7a는 웨어러블 EEG 헤드셋의 머리의 EEG 측정 지점을 표시한 그림이다.
도 7b는 EEG 파형을 보인 그림이다.
도 8은 본 발명의 실시예2에 따른 3D 헤드업 디스플레이와 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋에서 플렉시블 기판 상에 F-TFTA를 사용하여 매트릭스 구조의 각 픽셀마다 EEG 전극과 자극부(신경자극기)를 구비하는 웨어러블 EEG 헤드셋과 EEG 측정 및 자극 시스템 구성도이다.
도 9는 i) Thin Film Transistor와 DDIC의 결합 구조(RFIC Center), ⅱ) F-TFTA와 전기 자극을 위한 전극 결합 구조(좌), F-TFTA와 전기 자극을 위한 전극 결합 구조 단면도(우), ⅲ) F-TFTA의 매트릭스 구조의 각 픽셀마다 구비되는 EEG 전극 및 신경자극기(Nerve Stimulator)의 개념도(광운대 RFIC Center)이다.
도 10은 F-TFTA와 OLED의 결합 구조(좌), F-TFTA와 OLED의 결합 구조 단면도(우)(RFIC Center)이다.
도 11은 대학 병원과 공동으로 정량적 뇌파 분석을 통한 뇌전증 수술 환자의 수술 영역 결정 분석법(Brain and development, 2016), 뇌파의 Connectivity Analysis를 통해 비정상 뇌파의 소스파악(Clinical Neurophysiology, 2015)을 보인 3D 뇌지도를 보인 그림이다.
도 12는 3D 뇌지도와 국소 간질 분석 영상을 보인 사진이다.
도 13a, 13b는 뇌질환 환자가 웨어러블 EEG 헤드셋을 착용하고, 3D 안경을 착용하지 않거나 또는 3D 안경 착용하며 VR 영상 디스플레이 기기의 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 자극에 대한 반응으로 환자 착용 장치(Patient Control Button)를 사용시에 생성되는 다채널 ERP 신호를 획득하는 과정을 보인 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
도 3a 내지 3c는 뇌 손상에 의한 신체 장애 원인과, 뇌파 분석과 가상현실을 사용한 뇌질환 신체장애 치료 방법에 관한 연구 목표와 내용(3a, 3b), 3D 헤드업 디스플레이와 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하여 뇌질환에 의해 마비된 신체의 대응하는 해당 뇌의 위치와 부위를 신경자극 치료 개념을 보인 그림이다.
도 3c는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 연동되는 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하며, 게임, 동영상, 3D 영상 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 자극에 대한 반응으로 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 다채널의 EEG 신호들 EEG 측정 및 자극제어 시스템(전용 PC)으로 전송하고, 뇌파 분석을 실시하는 EEG 측정 및 자극제어 시스템(전용 PC)로부터 웨어러블 EEG 헤드셋으로 자극 제어 신호를 전송하며, 뇌질환에 의해 마비된 신체의 대응하는 해당 뇌의 위치와 부위를 신경자극 치료를 보인 그림이다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 뇌 질환 치료를 위한 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템은
Alzheimer형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(epilepsy, 간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈) 등의 뇌 질환(brain disorder) 병소 위치와 부위, 신체 마비(하반신 불구)에 해당하는 뇌의 위치와 부위를 치료하기 위해, 착용자는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 연동되는 웨어러블 EEG 헤드셋을 착용하며, 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC, IoT 디바이스)과 연동되어 뇌질환 위치와 부위에 신경 자극 치료를 한다. 착용자는 머리에 웨어러블 EEG 헤드셋과 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(1. 통신부와 제어부를 구비하는 셔터 글래스, 2. 통신부와 제어부를 구비하는 편광필터 안경, 3. 통신부와 제어부를 구비하는 스마트 글래스)을 착용하고, 오른손/오른발과 왼손/왼발 움직임을 제공하는 게임, 동영상, 3D 영상 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC, IoT 디바이스)으로 뇌의 인지 반응에 따라 생성된 다채널의 뇌파 신호를 전송하고, 다채널 EEG 신호의 뇌파 분석과 그 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Poriential, ERP)를 분석하여 EEG 측정 및 자극 시스템으로부터 웨어러블 EEG 헤드셋으로 자극 제어 신호를 전송하여 웨어러블 EEG 헤드셋의 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 뇌질환에 의해 마비된 신체의 대응하는 해당 뇌의 위치와 부위(오른손-좌뇌 또는 왼손-우뇌)를 신경 자극 치료를 하는 EEG 검출과 브레인 자극치료 의료 기기를 제공한다.
웨어러블 EEG 헤드셋은 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 통신되며, VR 영상 디스플레이 기기(예, 3DTV)의 게임 또는 3D 영상, 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 환자 제어 장치(Patient Control Device/Button - 스마트폰(App) 또는 IoT 디바이스)를 사용하여 환자의 뇌의 인지 반응에 따른 다채널의 EEG 전극으로부터 생성된 다채널의 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Potientials, ERP)를 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로 전송하고, 다채널 뇌파 분석과 뇌전도의 사건 관련 전위(ERP)의 분석을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로부터 자극 제어 신호를 웨어러블 EEG 헤드셋으로 전송하고, 웨어러블 EEG 헤드셋은 자극 제어 신호에 따라 각 EEG 전극마다 구비된 자극부(신경 자극기, nerve stimulator)에 의해 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 뇌신경 치료를 위해 웨어러블 EEG 헤드셋의 다채널 EEG 검출과 뇌 병소 부위와 위치에 뇌 신경 자극 치료가 가능하다.
도 3d는 뇌과학, 인지 신경과학 측면에서, 치매, 강박장애, 정신분열증 환자에서 자극에 대한 반응으로 생성되는 뇌전도의 사건 관련 전위(Event-Related Potentials: ERPs)의 파형을 보인 도면이다.
참고로, 뇌 과학(brain science), 인지 신경 과학(cognitive neuroscience)은 과학적인 실험을 통해 뇌와 행동 및 인지의 관계를 연구하는 학문이며, 치매, 강박장애, 정신분열증 환자에서 자극에 대한 반응으로 생성되는 뇌전도의 사건 관련 전위(event-related potential, ERP)는 뇌에서 어떠한 자극에 대해 반응하는 시간과 관련된 전위차를 의미한다. 이는 뇌전도를 통해 측정될 수 있다. 예를 들면, N100은 자극 후 100ms 후에 음전위(negative)로 나타나는 ERP, P300은 자극 후 300ms 후에 정점에 달하는 정파(positive wave)의 양전위(positive)로 나타나는 ERP를 가리킨다.
사건 관련 전위(ERPs)는 특정 정보를 내포하고 있는 자극을 제시한 후, 두뇌 안의 많은 뉴런들의 활동과 관련하여 자극에 대한 반응으로 일정 시간 동안 일어나는 뇌의 전기적 활동을 의미한다. 사건관련전위(ERPs)는 다른 정신생리적 측정 방법, 예를 들면 fMRI나 PET 등과는 달리 자극을 제시함과 동시에 자극의 처리 과정을 직접적으로 관찰할 수 있다. 즉, 시간 해상도(temporal resolution)가 우수하다는 장점을 갖고 있다. 사건 관련 전위(ERP)는 양전위(positive potential) 또는 음전위(negative potential)를 띄는 여러 개의 정점(peak) 또는 요인(component)들로 구성되며, 정점은 극(polarity)과 잠재 시간(latency time)에 따라 이름이 붙여진다. 예를 들면, 자극 제시 300ms 정도에 나타나고 양전위를 띄는 정점을 P300이라고 하며, 자극 제시 400ms 정도에 나타나면서 음전위를 띄는 정점을 N400이라고 부른다. 사건관련전위(ERPs)는 크게 두 범주로 분류하는데, 자극 제시 200ms 이전에 관찰되는 정점인 N100과 N200 등을 초기 정점(early peak)으로 분류하며, 200ms 이후에 나타나는 P300, N400, slow-wave 등을 후기 인지적 정점(late cognitive component)으로 분류한다.
사건 관련 전위(ERPs)를 검출하기 위해 EEG 전극과 앰프와 필터를 사용한다. 사건 관련 전위(ERPs)는 수 ㎶의 진폭으로 EEG에 비해 신호의 크기가 작다. ERP 분석은 잡음(background EEG)에서 신호(ERP)를 증폭시키는 절차로 시작한다. 가장 일반적인 절차는 반복적인 특정한 사상에 time lock된 EEG 샘플을 평균화 하는 것이다. 평균화에 사용되는 샘플의 수는 신호대 잡음비(S/N비)에 따라 달라진다. 사상에 time lock되지 않은 EEG의 모든 측면은 샘플에 따라 랜덤하므로, 평균화 과정을 통해 이런 전위는 감소되고 사건관련전위(ERP) 만이 남게 된다. 결과로 남는 전압X시간 함수에는 많은 정적, 부적 피크가 들어있으며, 이는 측정 조작에 따라 달라진다. 각 피크는 보통 두피 전반에서 특정한 분포와 연관되며, 공간적 분포는 사건관련전위의 중요한 분별적 특성으로 여겨진다.
사건 관련 전위(Event-Related Potentials: ERPs)는 주로 치매, 강박 장애, 정신분열증 환자를 대상으로 제공하는 임상 검사로서, 인지 또는 사고 장애가 주증상인 정신과 및 신경과 질환의 진단 검사로 사용하며, 아직까지 임상 시험에서 활발하게 사용되지 못하고 있다.
특히, 뇌질환 환자, 치매 환자, 우울증 환자는 상대적으로 정상인 보다 어떠한 자극에 대해 반응하는 시간과 관련된 ERP의 반응 속도가 느리다.
웨어러블 EEG 헤드셋은 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 뇌신경 치료를 위해 웨어러블 EEG 헤드셋의 다채널 EEG 검출과 각각의 EEG 전극마다 구비된 자극부(신경 자극기, nerve stimulator)에 의해 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 뇌 신경 자극치료 의료 기기로 사용된다.
웨어러블 EEG 헤드셋은 3D 헤드업 디스플레이와 연동되며 유무선 통신을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(전용 PC)와 연결되며, 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI) 기술을 사용하여 알쯔하이머형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈), 뇌질환에 의한 하반신 마비 환자 등의 마비된 신체에 해당하는 뇌 부위(오른손-좌뇌, 왼손-우뇌)의 신경 치료를 위해 사용되며, 웨어러블 EEG 헤드셋의 각각의 EEG 전극마다 구비된 자극부(신경 자극치료기)를 통해 뇌 피질에 직접적으로 1) 광신호 자극/2) 전기 자극/3) RF 주파수 자극을 가해 신경 질환의 진단과 치료가 가능한 뇌파 측정 및 치료 의료기기로 사용된다.
VR Pharmacy 기법을 사용하여, 착용자가 웨어러블 EEG 헤드셋을 착용하고, VR 영상 디스플레이 기기를 3D 안경 없이 보거나 또는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경을 착용하고, VR 영상 디스플레이 기기(예, 3DTV)에서 재생되는 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 자극에 대한 반응으로 환자 제어 장치(Patient Control Device/Button - 스마트폰(App) 또는 IoT 디바이스)를 사용하여 환자의 뇌의 인지 반응에 따른 웨어러블 EEG 헤드셋의 다채널의 EEG 전극 신호를 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(전용 PC)으로 전송하고, EEG 측정 및 자극 제어 시스템은 다채널 EEG 신호의 뇌파 분석과 그 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Potientials, ERP)의 분석을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로부터 자극 제어 신호를 웨어러블 EEG 헤드셋으로 전송하고, 웨어러블 EEG 헤드셋은 자극 제어 신호에 따라 각각의 EEG 전극마다 구비된 자극부(신경 자극기, nerve stimulator)에 의해 마비된 신체의 해당 뇌의 위치와 부위(오른손-좌뇌 또는 왼손-우뇌)를 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극에 의해 신경자극 치료 방법을 제공한다.
도 4a는 본 발명의 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋, EEG 측정 및 자극 시스템의 개념도이다.
Alzheimer형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(epilepsy, 간질), 뇌졸중(Stroke: 뇌경색, 뇌출혈) 등의 뇌 질환(brain disorder)과 신체 마비 환자를 치료하기 위해,
착용자는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(300)과 연동된 머리에 착용된 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로부터 유무선 통신(USB 케이블, Bluetooth, Wi-Fi)을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(전용 PC, IoT 디바이스)(200)로 다채널의 EEG 신호들을 전송하며, EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)은 뇌파 분석에 의해 각각의 EEG 채널별로 뇌파의 주파수 스텍트럼을 출력하며, 다채널 EEG 신호의 뇌파 분석과 그 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Poriential, ERP)를 분석하며, 뇌파의 시공간적 패턴 분석(spatio-temporal pattern analysis)을 통해 정상 뇌파/비정상 뇌파를 구분하고 비정상 뇌파가 검출된 뇌전증 병소 위치와 부위의 3차원 좌표(x, y, z)를 3D 뇌지도 상에 표시하며, 뇌심부 자극술에 따라 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로 해당하는 뇌의 위치와 부위에 자극 제어 신호를 전송하여 각 EEG 전극마다 구비된 자극부(신경 자극기, nerve stimulator)에 의해 해당 뇌 부분을 자극하거나, 또는
착용자는 웨어러블 EEG 헤드셋(100)과 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(300)을 착용하고, VR 영상 디스플레이 기기(예, 3DTV)(310)의 오른손/오른발과 왼손/왼발 움직임을 제공하는 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 환자 제어 장치(Patient Control Device/Button - 스마트폰(App) 또는 IoT 디바이스)를 사용하여 환자의 뇌의 인지 반응에 따른 다채널의 EEG 전극으로부터 검출된 다채널의 EEG 신호를 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)으로 전송하고, EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)은 다채널 EEG 신호의 뇌파 분석과 뇌전도(EEG)로부터 추출된 사건 관련 전위(Event Related Potientials, ERP)의 분석을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)으로부터 자극 제어 신호를 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로 전송하고, 웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 자극 제어 신호에 따라 뇌질환 환자 또는 신체마비 환자의 마비된 신체의 해당 뇌의 위치와 부위(예, 오른손-좌뇌 또는 왼손-우뇌)를 신경 자극 치료를 위해 1) 광신호 자극(400 ~ 700 nm 파장의 Blue LED의 광신호 자극), 2) 전기 자극(0.01 ~ 0.001 mA 미세 전류 자극), 또는 3) RF 주파수 자극(1~200 Hz RF 주파수 자극)을 실행한다.
웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(전용 PC)(200)과 유무선 통신(USB 케이블, Bluetooth/Wi-Fi)을 통해 연결되는 유선 EEG 헤드셋 또는 무선 EEG 헤드셋(Wireless EEG headset)으로 제작된다.
웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(300)과 연동되며, 유무선 통신을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(전용 PC)(200)으로 다채널 EEG 신호를 전송하며, EEG 측정 및 자극 제어 시스템(전용 PC)(200)은 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI) 기술을 사용하여 다채널 EEG 신호의 뇌파 분석과 각 EEG 신호로부터 추출된 ERP 신호 분석을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(전용 PC)(200)으로부터 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로 수신된 자극 제어 신호에 따라 웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 해당 뇌 부위의 각 EEG 전극마다 구비된 자극부(신경 자극치료기, nerve stimulator)에 의해 뇌 피질에 직접적으로 1) 광신호 자극/2) 전기 자극/3) RF 주파수 자극을 가해 Alzheimer형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈), 뇌질환에 의한 신체 마비 환자(하반신 마비) 등의 마비된 신체에 해당하는 뇌 부위(오른손-좌뇌, 왼손-우뇌)의 신경 치료를 한다.
본 발명의 3D 헤드업 디스플레이와 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋과 EEG 측정 및 자극 시스템은
오른손/오른발과 왼손/왼발 움직임을 제공하는 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 표시하는 VR 영상 디스플레이 기기(310);
상기 VR 영상 디스플레이 기기(310)와 USB 케이블, Wi-Fi, Bluetooth 통신부 중 어느 하나를 통해 연결되며, 웨어러블 EEG 헤드셋(100)과 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(300)을 착용한 착용자가 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 환자의 뇌의 인지 반응에 따라 누르는 ERP(Event related potential) 버튼으로 사용되는 환자 제어 장치(Patient Control Device/Button)(370);
통신부와 제어부와 저장부를 구비하며, VR 영상 디스플레이 기기(310)에서 재생되는 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 시청하는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(300);
상기 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(300)과 유무선 통신을 통해 연동되며, 머리의 다측정 지점에 각각 EEG 전극과 자극부(신경 자극기, nerve stimulator)를 구비하며, 상기 VR 영상 디스플레이 기기(310)의 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 자극에 대한 환자의 뇌의 인지 반응에 따른 머리의 다측정 지점에서 검출된 다채널의 EEG 신호를 유무선 통신을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)으로 전송하며, 다채널 EEG 신호들의 뇌파 분석과 그 뇌전도의 ERP 신호 분석 후, EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)으로부터 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로 수신된 해당 뇌 부분의 자극 제어 신호에 따라 웨어러블 EEG 헤드셋(100)의 각각의 EEG 전극마다 구비된 자극부를 통해 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극에 의해 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체(오른손-좌뇌 또는 왼손-우뇌)에 대응하는 해당 뇌의 위치와 부위에 신경 자극하는 웨어러블 EEG 헤드셋(100); 및
사용자 단말로써 전용 PC 또는 IoT 디바이스가 사용되며, 뇌파 분석 프로그램과 3D 뇌지도를 구비하며, 상기 웨어러블 EEG 헤드셋(100)과 유무선 통신(USB 케이블, Bluetooth, Wi-Fi)을 통해 다채널의 EEG 신호를 수신받고, 각각의 EEG 채널별로 뇌파의 주파수 스텍트럼을 출력하며, 상기 웨어러블 EEG 헤드셋(100)을 착용한 환자의 뇌파의 주파수 영역 분석 알고리즘을 통해 환자의 뇌의 병소 발작의 시작점을 찾기 위해 다채널 EEG 신호의 뇌파 분석과 특징 추출과 분석, 그 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Porientials, ERPs) 신호를 분석하며, 뇌파의 시공간적 패턴 분석(spatio-temporal pattern analysis)을 통해 다채널의 EEG 신호의 정상 뇌파/비정상 뇌파를 구분하고, 각 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(ERPs)의 분석을 통해 이상 뇌파가 검출된 뇌전증 병소 위치와 부위의 3차원 좌표(z, y, z)를 3D 뇌지도 상에 표시하고, 뇌심부 자극술에 따라 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로 비정상 뇌파가 검출된 해당 뇌 부분의 자극 제어 신호를 전송하는 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)을 포함하며,
상기 환자 제어 장치(370)는 제어부와 저장부와 USB 케이블, Wi-Fi, Blurtooth 통신부를 구비하는 스마트폰(App)을 사용하며, 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 환자의 뇌의 인지 반응에 따라 누르는 ERP 버튼을 구비한다.
본 발명의 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 방법은 (a) VR 영상 디스플레이 기기의 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 3D 안경 없이 또는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 유무선 통신을 통해 연동되는 웨어러블 EEG 헤드셋에 머리의 다측정 지점에 각각 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)가 구비되며, 상기 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 자극에 대한 반응으로 검출된 다채널의 EEG 신호를 유무선 통신을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로 전송하는 단계; 및 (b) 상기 웨어러블 EEG 헤드셋의 다채널의 EEG 신호의 그 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(ERPs) 분석을 통해 상기 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로부터 상기 웨어러블 EEG 헤드셋으로 수신된 자극 제어 신호에 따라 상기 자극부에 의해 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극에 의해 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 해당 뇌의 위치와 부위를 자극하는 단계를 포함한다.
통신부와 제어부, 저장부를 구비하며, 상기 VR 영상 디스플레이 기기의 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 시청하는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경을 더 포함하며,
상기 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경은 유무선 통신(USB 케이블, Wi-Fi, Bluetooth)을 통해 상기 웨어러블 EEG 헤드셋과 연동되며,
3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경은 USB 케이블, Wi-Fi, Bluetooth 통신부와 제어부, 저장부를 구비하는 셔터 글래스; USB 케이블, Wi-Fi, Bluetooth 통신부와 제어부, 저장부를 구비하는 편광필터 안경; 또는 USB 케이블, Wi-Fi, Bluetooth 통신부와 제어부, 저장부를 구비하는 스마트 글래스 중 어느 하나를 사용한다.
웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 머리의 다측정 지점에 각각 EEG 전극과 자극부(신경자극기, nerve stimulator)를 구비한다. 자극부는 1) 광신호 자극부(400 ~ 700 nm 파장의 Blue LED의 광신호 자극), 2) 미세 전류 전기 자극부(0.01 ~ 0.001 mA 미세 전류 자극), 또는 3) RF 주파수 자극부(1~200 Hz RF 주파수 자극) 중 어느 하나를 사용한다.
웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(300)과 유무선 통신을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)과 연동되며, 머리의 다채널의 EEG 신호를 검출하여 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)으로 전송하며, EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)은 뇌파 분석과 ERP 신호 분석을 통해 자극 제어 신호를 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로 전송하고, 웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 자극 제어 신호에 따라 해당 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 뇌질환에 의해 마비된 신체에 해당하는 뇌 부분의 위치와 부위에 1) 광신호 자극(400 ~ 700 nm 파장의 Blue LED의 광신호 자극), 2) 전기 자극(0.01 ~ 0.001 mA 미세 전류 자극), 또는 3) RF 주파수 자극(1~200 Hz RF 주파수 자극)에 의해 신경 자극 치료(오른손-좌뇌, 왼손-우뇌)를 한다.
착용자는 웨어러블 EEG 헤드셋(100)을 착용하고, 게임 또는 동영상(3D 영상, 3D VR/AR 콘텐츠)을 3D 안경 없이 보거나 또는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(310)을 착용하며, 자극에 대한 반응으로 환자 제어 장치(Patient Control Device/Button)(370)의 버튼을 누르며, 동시에 자극에 대한 환자의 뇌의 인지 반응에 따라 웨어러블 EEG 헤드셋은 다채널 EEG 신호들을 VR 영상 디스플레이 기기(310)로 전송한다.
착용자는 웨어러블 EEG 헤드셋(100)과 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(310)을 착용하며, VR 영상 디스플레이 기기(310)의 게임 또는 동영상(3D 영상, 3D VR/AR 콘텐츠)을 보면서 환자 제어 장치(Patient Control Device/Button)(370)는 VR 영상 디스플레이 기기(310)와 USB 케이블, Wi-Fi, Blurtooth 중 어느 하나 통신부를 통해 연결되며, 환자 제어 장치(370)의 버튼을 눌러 게임 또는 동영상(3D 영상, 3D VR/AR 콘텐츠)의 자극에 대한 반응 신호를 VR 영상 디스플레이 기기(310)로 전송한다.
환자 제어 장치(370)는 제어부와 저장부와 USB 케이블, Wi-Fi, Blurtooth 통신부를 구비하는 스마트폰(App) 또는 제어부와 저장부와 USB 케이블, Wi-Fi, Blurtooth 통신부를 구비하는 IoT 디바이스를 사용하며, 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 자극에 대한 환자의 뇌의 인지 반응에 따라 누르는 버튼을 구비한다.
웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 머리의 다측정 지점에 각각의 EEG 전극과 각 EEG 전극마다 구비되는 EEG 자극부(신경자극기, nerve stimulator)를 구비하며, 상기 자극부는 1) 광신호 자극부, 2) 미세 전류 전기 자극부, 또는 3) RF 주파수 자극부 중 어느 하나의 자극부를 구비하며,
상기 웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 상기 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)과 USB 케이블, Wi-Fi, 또는 Bluetooth 통신부를 통해 연결된다.
이때, 웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 머리의 다채널의 EEG 전극과 자극부(신경자극기, nerve stimulator)를 구비하며, 웨어러블 EEG 헤드셋(100)과 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(310)의 착용자는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(310)을 사용하여 게임, 동영상, 3D 영상 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 오른손/오른발, 왼손/왼발의 게임 또는 동영상의 움직임에 따라 환자 제어 장치(Patient Control Device/Button)(370)를 사용하여 게임 또는 동영상(3D 영상, 3D VR/AR 콘텐츠)의 자극에 반응하는 다채널 EEG 신호를 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로부터 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)으로 전송하며, EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)은 뇌파 분석과 ERP 신호 분석을 통해 자극 제어 신호를 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로 전송하고, 웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 자극 제어 신호에 따라 오른손/오른발, 왼손/왼발의 3D VR 영상의 움직임에 따라 해당 뇌 부분의 자극 제어 신호에 따라 마비된 신체(오른손-좌뇌 또는 왼손-우뇌)에 대응하는 해당 뇌질환 위치와 부위에 자극부(신경자극기)에 의해 자극하여 뇌신경 치료를 한다.
1) 광신호 자극 - 400 ~ 700 nm 파장의 Blue LED의 광신호 자극
2) 전기 자극 - 0.01 ~ 0.001 mA 미세 전류 자극
3) RF 주파수 자극 - 뇌의 해당 부분에 1~200Hz 범위의 RF 주파수 자극
Alzheimer형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(간질) 또는 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈) 또는 신체 마비(하반신 마비) 환자가 머리에 웨어러블 EEG 헤드셋을 착용하고, 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 로 EEG 채널별 뇌파를 수집 분석하고,
EEG 측정 및 자극제어 시스템(전용 PC)(200)은 3D 뇌지도가 표시되는 뇌파 기록 프로그램에 의해 EEG 채널별 뇌파 신호를 기록 저장하며, 3D 뇌지도에 비정상 뇌파가 검출된 뇌병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 대하여 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로 자극 제어 신호를 전송하면,
웨어러블 EEG 헤드셋(100)의 착용자가 3D 헤드업 디스플레이(300)를 착용하여 VR 영상 디스플레이 기기(310)의 오른손/오른발과 왼손/왼발 움직임을 제공하는 게임, 동영상, 3D 영상 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 뇌심부 자극술에 따라 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC, IoT 디바이스)(200)로부터 자극 제어 신호에 따라 뇌의 위치와 부위를 웨어러블 EEG 헤드셋(100)의 각각의 EEG 전극 마다 구비된 자극부(신경 자극기)에 의해 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극으로 비정상 뇌파가 검출된 해당 부위의 뇌신경을 치료한다.
예를들면, 뇌 질환에 의한 하반신 마비 환자(오른손/오른 발 마비)의 대응하는 뇌 부분을 자극하여 신경치료를 하는 경우, 오른손 또는 오른발이 움직이는 3D 영상을 보는 경우, EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC, IoT 디바이스)(200)으로부터 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 대한 자극 제어 신호를 전송하여 EEG 헤드셋이 오른손/오른발에 해당하는 마비된 뇌의 위치와 부위에 자극을 가하여 뇌신경 치료를 한다.
참고로, 뇌졸중은 뇌혈관이 막히는 뇌경색과, 뇌혈관이 터지는 뇌출혈로 분류된다. 뇌졸중이 의심되는 증상은 한쪽 팔다리가 마비된 편마비, 발음이 이상해지는 구음 장애, 언어 장애, 안면과 비등이 있으며, 한쪽 눈이 갑자기 안보이거나 몸의 균형이 잡히지 않는 증상이 존재한다.
예를 들면, Alzheimer형 치매 환자의 뇌파의 시공간적 패턴 분석 연구논문에 따르면, Alzheimer형 치매 환자의 병태생리적 위치가 주로 좌측 두정부와 측두엽 부위에 있음을 암시하고 있다. Alzheimer병은 병리해부학적으로 전두엽, 두정엽, 측두엽의 피라미드 세포(pyramidal cell)의 감소와 이 부위를 기능적으로 연결하는 들신경 섬유(afferent fiber)와 날신경 섬유(efferent fiber)의 감소가 관찰되는 것으로 보인다.
3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(300)과 연동되는 웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 Alzheimer형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈), 뇌질환에 의한 신체 마비(하반신 마비) 환자의 뇌 신경 치료에 사용된다.
예를들면, 뇌질환에 의한 신체 마비 환자의 뇌 신경 치료를 위해, ERP 버튼으로 사용되는 환자 제어 장치(370)와 상호 작용하는 VR 영상 디스플레이 기기(310)에 표시되도록 별도로 오른손/오른발과 왼손/왼발 움직임을 제공하는 게임(생쥐/두더지 게임), 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠가 제작된다.
뇌질환 환자, 뇌질환에 의한 신체 마비(하반신 마비) 환자를 치료하기 위해 착용자가 착용한 웨어러블 EEG 헤드셋(100)과 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(300)은 ERP 버튼으로 사용되는 환자 제어 장치(370)와 상호 작용하는 게임(생쥐/두더지 게임), 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 출력하는 VR 영상 디스플레이 기기(310)와 같이 동작된다.
예를들면, 신체 마비 환자(하반신 마비:오른손/오른발 마비)의 대응하는 뇌 부분을 자극하여 뇌 신경치료를 위해, 왼손/왼발 또는 오른손/오른발 움직임이 포함된 게임, 동영상, 3D 영상 또는 3D VR/AR 콘텐츠가 제작된다.
VR 영상 디스플레이 기기(310)는 TV, 또는 IPTV, 3DTV 단말기가 사용되며, 3D 헤드업 디스플레이 기능 3D 안경(300)을 착용하여 볼 수 있다.
VR Pharmacy 개념으로, 웨어러블 EEG 헤드셋을 착용한 착용자가 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경을 착용하고 보면서 VR 영상 디스플레이 기기에서 실시간으로 재생되는 게임, 동영상, 3D 영상 데이터에서 오른손/오른발이 움직이면, 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(300)으로부터 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로 마비된 신체(오른손/오른발 마비)에 대응하는 뇌의 위치와 부위의 자극 제어 신호를 전송하며, 웨어러블 EEG 헤드셋(100)이 해당 뇌의 위치와 부위의 자극부(신경 자극기)에 의해 오른손/오른발에 해당하는 마비된 뇌의 위치와 부위에 자극을 가하여 뇌신경 치료를 한다.
또한, 뇌질환 또는 신체 마비 환자의 뇌의 위치와 부위에, EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC, IoT 장치)(200)으로부터 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로 뇌질환 또는 신체 마비 환자의 뇌의 위치와 부위에 해당하는 자극 제어 신호를 전송하면, 웨어러블 EEG 헤드셋(100)이 해당 뇌의 위치와 부위의 자극부(신경자극기)를 통해 뇌질환 또는 신체 마비 환자의 뇌의 위치와 부위에 웨어러블 EEG 헤드셋(100)이 해당 위치의 자극부(신경 자극기)에 의해 자극을 가하여 뇌신경 치료를 한다.
(실시예1)
도 5는 본 발명의 실시예1에 따른 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템 구성도이다.
도 6은 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋을 사용하는 EEG 측정 및 자극 방법을 보인 순서도이다.
실시예1에서는, 뇌파 측정을 위해, 예를들면 16~128 EEG 전극들과 신경 자극기(자극부)를 사용한다. 예를들면, 웨어러블 EEG 헤드셋은 16/32/64/128 EEG 전극들과 각 EEG 전극 마다 자극부(신경 자극기)를 구비할 수 있다.
각각의 EEG 채널의 뇌파 검출은 각각의 EEG 전극의 뇌파-> 증폭(amplifier), BPF 필터(Band Pass Filter)-> ADC (24 bit sampling) -> 전용 PC의 뇌파 분석 프로그램에 의해 FFT 변환 또는 Wavelet 변환 -> EEG 채널별 측정된 시간 영역(time domain)의 뇌파 기록 및 주파수 영역(frequency domain)의 주파수 스펙트럼 분석, 3D 뇌지도에 이상 뇌파가 검출된 뇌의 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위의 3차원 좌표(x,y,z)를 표시한다.
ADC(analog to digital convertor) 보드는 표본화(sampling), 양자화(Quantizing), 부호화(PCM coding)가 실행된다. 표본화(sampling)는 EEG 전극으로부터 검출된 EEG 신호를 증폭기(Amplifier)에 의해 증폭된 뇌파 신호를 24 bit sampling하였다.
본 발명의 3D 헤드업 디스플레이와 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템은 3D 헤드업 디스플레이(300)와 연동되는 웨어러블 EEG 헤드셋(100), 및 EEG 측정 및 자극제어 시스템(전용 PC, IoT 장치)(200)을 포함한다.
3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(300)은 VR 기어 장치를 사용하지 않으며, 제어부와 저장부, 통신부(bluetooth, Wi-Fi 통신부) 및 선택적으로/추가적으로 USB 케이블 연결부를 구비한다.
웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 전용 PC(200)와 유무선 통신(케이블, Bluetooth/Wi-Fi)을 통해 연결되는 유선 EEG 헤드셋 또는 무선 EEG 헤드셋으로 제작될 수 있다.
웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 머리의 다수의 측정 지점마다 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)가 구비되며, EEG 전극 채널별 각각의 측정 위치 마다 EEG 신호를 검출하고, 그리고 자극 제어 신호에 따라 1) 광신호 자극, 2) 미세 전류 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극에 의해 해당하는 뇌의 위치와 부위를 자극하는 복수의 EEG 전극 및 자극부(101);
EEG 전극 채널의 머리의 각 측정 지점 마다 구비되며, 각각의 EEG 전극으로부터 검출된 EEG 신호(뇌전도)를 증폭하는 증폭부(102); 상기 증폭부(102)로부터 증폭된 EEG 신호를 샘플링 주파수에 따라 A/D 변환하는 ADC(103);
다수의 EEG 채널의 ADC들(103)로부터 수신된 디지털 EEG 신호를 일정 시간 동안 임시적으로 메모리(109)로 저장하고 이를 유무선 통신을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)으로 전송하며, 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 대한 자극 제어 신호에 따라 1) 광신호 자극, 2) 미세 전류 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극에 의해 해당하는 뇌의 위치와 부위를 자극하도록 제어하는 제어부(107);
상기 제어부(107)에 연결되고, 다수의 EEG 채널의 ADC들(103)로부터 수신된 디지털 EEG 신호를 일정 시간 동안 임시적으로 저장하는 메모리(109); 및
상기 제어부(107)에 연결되고, 각각의 EEG 채널별 검출된 EEG 신호를 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)으로 전송하며, EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200) 으로부터 수신된 상기 자극 제어 신호를 수신하는 무선 송수신부(110) 또는 적어도 하나 이상의 케이블 연결부(117)를 포함하며,
얼굴 전면 이외에 머리에 착용하는 다양한 형상의 하우징 케이스(사이클의 헤드셋 형태, 또는 머리 상부를 wearing하는 플렉시블 보자기 형태)와 얼굴을 감싸는 체결 수단을 구비한다.
상기 자극부는 EEG 전극마다 구비되는 신경 자극기(nerve stimulator)로써, 제어부와 연결되는 LED 구동회로와 LED를 포함하며, 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 자극 제어 신호에 따라 400 ~ 700 nm 파장의 Blue LED의 광신호를 자극하는 광신호 자극부를 사용한다.
상기 자극부는 각 EEG 전극마다 구비되는 신경 자극기(nerve stimulator)로써, 제어부에 연결되는 미세 전류 발생 회로를 포함하며, 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 자극 제어 신호에 따라 0.01 ~ 0.001 mA 미세 전류 자극을 하는 전기 자극부를 사용한다.
상기 자극부는 EEG 전극마다 구비되는 신경 자극기(nerve stimulator)로써, 제어부와 연결되는 RF 주파수 발생부를 포함하며, 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 자극 제어 신호에 따라 1~200 Hz RF 주파수를 발생하는 RF 주파수 자극부를 사용한다.
웨어러블 EEG 헤드셋(100)을 머리에 착용한 착용자는 3D 헤드업 디스플레이(300)를 착용하고 VR 영상 디스플레이 기기(310)의 게임, 동영상, 3D 영상 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서, 웨어러블 EEG 헤드셋(100)의 다채널 채널 EEG 신호가 검출되며 EEG 측정 및 자극제어 시스템(전용 PC)(200) 또는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(300)으로부터 수신된 자극 제어 신호에 따라 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 웨어러블 EEG 헤드셋(100)의 각각의 EEG 전극마다 구비된 자극부(신경 자극기)들에 의해 1) 광신호 자극, 2) 미세 전류 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극에 따라 신경 자극 치료를 한다.
EEG 측정 및 자극제어 시스템(200)은 전용 PC 또는 IoT 디바이스가 사용되며, 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로부터 각 EEG 채널의 EEG 신호를 수신받고 자극 제어 신호를 전송하는 무선 송수신부(210) 또는 케이블 연결부(220);
3D 뇌지도 표시 기능을 제공하는 뇌파 분석 프로그램에 의해 각각의 EEG 채널별 뇌파 신호를 FFT 변환(또는 Wavelet 변환)하여 뇌파신호처리 후 각각의 EEG 채널별 뇌파 데이터를 출력되도록 제어하며 뇌파 분석과 뇌파의 시공간적 패턴 분석(spatio-temporal pattern analysis)에 의해 뇌전증을 일으키는 비정상 뇌파를 검출하여 뇌전증 발작 위치와 부위를 찾아내 3D 뇌지도에 그 3차원 좌표(x,y,z)를 표시하며, "뇌심부 자극술"에 의해 뇌전증 발작 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 대하여 자극 제어 신호를 전송하도록 원격 제어하는 제어부(230);
상기 제어부(230)에 연결되며, 뇌파 분석 프로그램과 3D 뇌지도와 환자별 각각의 EEG 채널별 뇌파 데이터를 저장하는 저장부(240); 및
상기 제어부(230)에 연결되며, 각각의 EEG 채널별로 뇌파의 주파수 스텍트럼을 출력하며 뇌파의 시공간적 패턴 분석(spatio-temporal pattern analysis)을 통해 비정상 뇌파가 검출된 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위의 3차원 좌표(x, y, z)를 3D 뇌지도에 표시하는, 뇌파 신호처리 및 분석 표시부(270)를 포함한다.
EEG 측정 및 자극제어 시스템(전용 PC)(200)은 뇌파 분석 프로그램(cilent)에 의해 뇌질환 분석 서버(server)와 데이터베이스를 연결되고, client/server 데이터베이스를 포함하는 뇌질환 컴퓨터 분석 시스템을 구축하며, 상기 데이터베이스에 환자별 측정 시간대와 EEG 뇌파 기록 데이터, 자극 치료 증상 정보를 저장하고, 환자별 질환에 따라 분류하여 EEG 뇌파 기록 데이터를 분류 및 피처 분석, 환자별 뇌파 기록시간별 델타(δ)파, 쎄타(θ)파, 알파(α)파, 베타(β)파, 감마(γ)파로 분류된 뇌파를 3D 뇌지도에 표시하며, CT 이미지와 의료 영상 저장 및 출력, 뇌전증 수술 부위 정량적 분석, 뇌병소 위치 및 부위 확인 분석, 환자별 뇌전증 수술과 증상 분석, 임상 실험 결과 및 증상 분석, 자극 치료와 평가 결과를 데이터베이스에 저장하여 관리한다.
도 7a는 웨어러블 EEG 헤드셋의 머리의 EEG 측정 지점을 표시한 그림이며, 도 7b는 EEG 파형을 보인 그림이다.
○ EEG 전극별 뇌파 기록과 스펙트럼 분석
- EEG 데이터 검출/분석, 원하는 시간 동안의 타이머 조절
- (웨어러블 EEG 헤드셋에서) EEG 신호→(BPF 필터링) 및 증폭->ADC, (PC에서) FFT변환 또는 Wavelet 변환, 시간 영역 신호와 주파수 대역별로 분류(알파파, 베타파, 세타파, 델타파, 감마파) 영역 분석
- 뇌파 측정 범위: EEG 전극별로 델타-δ파(0.5 ~ 3.99 Hz), 쎄타-θ파(4 ~ 7.99 Hz), 알파-α파(8 ~ 12.99 Hz), 베타-β파(13 ~ 29.99 Hz), 감마-γ파(30~50 Hz)로 분류
- EEG 기반 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)의 뇌파 특징 추출 알고리즘 사용
- 시간 영역의 EEG 신호와 주파수 영역의 주파수 스펙트럼 분석,
- 뇌 병소 위치와 부위에 신경자극기(자극부)의 자극 치료에 의해 임상 치료 후 증상과 상태 정보 기록, 치료 결과와 증상 기록
뇌파 신호는 통상 125~1000Hz로 sampling하며 최대 측정 주파수가 높을수록 분해능이 향상된다.
예를 들면, 얼굴 두 눈의 상측의 전면의 2 EEG 전극을 양안의 외측안각(outer canthus)의 1 cm 바깥 쪽 위 아래로 설치하여 안전도(electrooculogram, EOG, 안구운동을 전기적으로 기록하는 검사)를 동시에 관찰하며 BPF(Band Pass Filter)는 1-64 Hz이고 60 Hz의 notch filter를 사용하였다. EEG 뇌파 신호는 Nyquist Theorem에 따라 128 sample/sec 간격으로 검출하였으며, 이를 12-bit 또는 24 bit analog-to-digital conversion 하였다.
뇌파 신호의 전처리 과정은 1~50uV 수준의 미약한 뇌파 신호에 혼합된 전원 잡음, 눈동자의 움직임에 따른 안전도 신호(EOG: ElectroOculoGraphy), 근육의 수축과 이완에 의한 근전도(EMG: Electrooculogram) 신호, 심장 박동에 의한 심전도(ECG: ElectroCardioGram) 신호 등 뇌파 신호 처리에 부합하지 않는 신호를 제거 또는 처리할 수 있다.
○ 발작이 시작되는 지점(ictal onset zone), epileptiform discharge가 관찰되는 부분(irritative zone), 실제 제거했을 경우 발작을 억제할 수 있는 부분 (epileptogenic zone)은 그 겹치는 위치와 부위가 있지만, 그 정확한 범위는 일반적으로 다르다. 이를 기존 뇌파 데이터를 데이터베이스에 저장하며, 뇌전응 병소 위치와 부위에 신경 자극 치료의 임상 실험과 증상 분석 및 통계 정보를 데이터베이스에 저장하며, client/server 시스템을 구축하여 이에 기초하여 인공 지능(AI, Artificial Intelligence)의 머신 러닝(machine learning) 기법을 사용하여 EEG 전극별 뇌파의 패턴 분석과 증상 정보와 빅 데이터 분석 후, 뇌신경 자극 치료와 증상의 정량 분석 및 정성분석을 실시하여 자극 치료와 수술 효과를 극대화
○ 신개념 뇌전증 뇌파분석법
- 딥러닝 등의 기계학습(machine learning) 분석 도입
- 머신 러닝의 베이시안 확률(Bayesian Proability) 등의 정상/비정상 뇌파 구분 통계 분석법 도입
○ 뇌 질환 또는 신체 마비 환자의 뇌 치료용 뇌의 자극 치료와 3D 뇌지도
EEG 측정, MRI, fMRI, PET, SPECT 등의 데이터 분석 정리 DB화
- 뇌의 구조적, 기능적 연결 관계와 발작 위치 관련성 파악
- 뇌전증 관련 임상 자료에 기초하여 뇌전증 병소 위치와 부위의 3차원 좌표를 표시하는 3D 뇌지도 정보 구축, 3D 뇌지도의 3D 렌더링 및 View Point에 따라 3D 뇌지도의 보는 각도를 달리하여 시공간적으로 회전하며 입체적으로 View
○ EEG 전극별 뇌파 분석과 증상에 대한 정성적/정량적 분석 및 영상 분석
○ Lennox-Gastaut 증후군 환자에서 주파수 영역 분석 알고리즘을 사용하여 뇌의 발작의 시작점을 찾아냄
- 뇌파 신호는 통상 10~1000Hz로 샘플링하며 최대 측정 주파수가 높을수록 분해능이 향상
- 두개강내 뇌파 분석에 사용된 8명의 환자의 뇌파 전극 위치와 각각의 위치에서 기록된 뇌파의 베타와 감마 밴드 파워의 정도를 색깔로 표시한 그림- 분석할 뇌파의 부분은 랜덤하게 선택하여 임상의의 시각적 분석
- 뇌파를 델타, 세타, 알파, 베타, 감마파 대역으로 나누어 각 수술 부위의 주파수 영역 절대/상대 파워(power)와 그 비율계산
- 절대적 파워의 경우 절제부위는 델파 파워가 높고 남아있는 부위는 감마 파워가 높은 것을 확인
- 상대적 파워의 경우 절제부위의 베타와 감마 파워가 낮게 나옴
- 낮은 베타, 감마 파워는 그 영역의 뇌의 활동이 병적으로 낮아짐이 나타남
- Lennox-Gastaut 증후군 환자에서 주파수 영역 분석 알고리즘을 통해 발작의 시작점을 찾아내기 위한 연구로 뇌의 병소와 건강한 조직을 구분하는 뇌파 파형의 특징 추출과 분석
○ Lennox-Gastaut 증후군 환자에서 두개강내 뇌파중 generalized sharp wave discharge (GSW)를 사용하여 여러 가지 신호분산 분석 기법을 적용, 이상 간질파의 근원이 어디인지를 보고(Kim J, et al Brain & development, 2014 pp: 1-8)
○ Lennox-Gastaut 증후군 환자에서 주파수영역 분석 알고리즘을 통해 발작의 시작점을 찾아내기 위한 연구로 병소와 건강한 조직을 구분하는 뇌파 파형의 특징을 보고
- 무선 EEG 신호를 뇌파 신호처리를 하여 뇌전증 발작 부위를 찾아내는 알고리즘 개발
- 두 개강내 뇌파 기록을 위한 각 전극의 위치와 발작을 일으킬 가능성이 있는 GSW 하나를 찾아낸 예. 이후 다양한 분석법을 통해 그 근원이 어디인지를 예측
○ 뇌파를 이용한 발작 병소의 바이오마커를 확립
- 환자 개인별 뇌전증 뇌파의 특징 추출 및 분석,
- 여러 종류의 뇌전증과 증상 정도, 개인의 차이를 극복한 뉴로마커
- 뇌파를 이용한 발작 병소의 바이오마커를 확립하여 병소 절제 범위 결정
○ Lennox-Gastaut 증후군 환자의 간질 부위 국소화를 위한 connectivity 분석 방법의 적용
- Hur Y, Kim H Seizure, 2015, 33: 1-7
- 국소 간질 분석에서 사용되던 dDTF 방법을 전신 뇌전증인 Lennox-Gastaut 증후군 환자에게 적용
- Generalized sharp and wave discharge (GSW)를 Independent Component analysis와 source dipole fitting, Connectivity analysis (eg Granger Causality)를 적용 분석하여 병소 진단 결과 보고
본 연구는 웨어러블 EEG 헤드셋의 EEG 전극과 신경자극기 또는 F-TFTA의 EEG 전극과 신경자극기를 통해 각 EEG 채널별 EEG 데이터를 수집하며, 신경 자극기(자극부)를 통해 뇌질환에 의한 장애를 치료하거나 측정 대상의 인지능력을 향상시키는 데에 도움을 준다. 신경 자극기의 활용 중에 대표적인 방법은 Deep Brain Stimulation(DBS)으로 뇌심부 자극술을 뜻한다. 현재 뇌심부 자극술은 뇌조율기라 불리는 의료장치를 뇌 안에 이식 하는 외과적 치료법인데, ECoG 전극을 뇌에 집어 넣어 뇌의 신호를 측정하는 역할을 하는 동시에 전기적 자극을 보낼 수 있다. 만성 통증, 파킨슨병, 진전, 근긴장이상증 등의 효과적인 치료를 위해 특정 뇌 부위에 뇌심부 자극술을 할 수 있다. 뇌심부 자극술의 원리나 기전은 명백하게 알려진 바가 없지만 미국 FDA에 승인을 받았으며, 뇌의 활동에 직접적으로 자극을 주어 조절할 수 있는 방법이 사용되며, 그 효과는 가역적이다. 이를 통해 뇌의 신경 자극을 통해 뇌 질환을 증상 완화 및 치료가 가능하며, 이 의료기기는 뇌전증의 증상 완화와 치료에 목적을 두고 있다
세브란스 병원은 현재 60% 정도의 국내 뇌전증과 신경 관련 환자를 치료하고 있으며, EEG 검출 및 신경 자극기 시장은 Alzheimer형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈) 치료 등 의료 기기가 연구개발되면 뇌질환 치료에 사용될 수 있다고 한다.
* 신경 자극기(Nerve Stimulator)
신경 자극기는 뇌질환 부위에 전기적 자극(LED 광 조사, 미세 전류 전기 신호 자극, RF 주파수 자극)을 보낸다. 만성 통증, 파킨슨병, 진전, 근긴장이상증 등의 효과적인 치료를 위해 뇌의 특정 부위에 뇌 심부 자극술을 사용하여 자극할 수 있다. 뇌심부 자극술은 미국 FDA에 승인을 받았으며, 아직 그 원리는 밝혀지지 않았으며, 뇌의 신경 자극을 통해 뇌 질환의 증상 완화 및 치료가 가능하다.
웨어러블 EEG 헤드셋(100)의 머리의 각 측정 지점의 EEG 전극과 전극부(신경 자극기)를 구비하고, 이러한 뇌신경 자극 치료기를 사용하여 뇌전증의 증상 완화와 치료하기 위해 사용된다.
뇌파 검사에 사용되는 EEG 전극의 수는 32~128개 EEG 전극을 사용하고 있으며, 그로 인해 모든 뇌 영역에 대한 정보를 수집할 수 없고, 일부 EEG 전극만을 측정하더라도 EEG 전극의 크기에 따라 EEG 측정 전극의 수와 뇌의 공간 분해능과 영역이 세분화 되지 않을 수 있다. 뇌파 검사시에 EEG 전극의 수와 뇌의 공간 분해능을 문제를 해결하고 향상시키기 위해, 뇌파 측정의 EEG 측정 전극의 높은 분해능을 제공하는 실시예2의 웨어러블 EEG 헤드셋의 뇌파수집 센서는 TFT 어레이의 매트릭스 구조의 각각의 TFT 마다 1000~100만개 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)가 구비될 수 있는 F-TFTA를 사용한다.
(실시예2)
도 8은 본 발명의 실시예2에 따른 3D 헤드업 디스플레이와 연동된 웨어러블 EEG 헤드셋에서 플렉시블 기판 상에 F-TFTA를 사용하여 매트릭스 구조의 각 픽셀마다 TFT와 EEG 전극과 자극부(신경자극기)를 구비하는 웨어러블 EEG 헤드셋과 EEG 측정 및 자극 시스템 구성도이다.
웨어러블 EEG 헤드셋의 매트릭스 구조의 플렉시블 기판 상에 각 픽셀마다 TFT와 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)는 반도체 공정을 사용하여 유연한 플렉시블 기판 상에 TFT 어레이를 구현한 F-TFTA(Flexible-Thin Film Transistor Array)를 제작될 수 있다.
또한, 유연한 플렉스블 기판(유연 기판) 상에 구비된 F-TFTA를 통해 머리의 각 측정 지점의 EEG 전극들로부터 뇌파 데이터들을 수집하며, F-TFTA의 매트릭스 구조의 각 측정 지점 마다 각각 EEG 전극 옆에 신경 자극기(자극부)를 구비하며, F-TFTA를 사용한 웨어러블 EEG 헤드셋은 비정상 뇌파로 분류된 뇌의 위치와 부위 또는 뇌질환에 의한 신체 마비에 대응하는 뇌의 위치와 부위를 자극하여 치료하거나 뇌의 인지능력을 향상시키게 될 것이다.
플렉시블 기판 상에 F-TFTA의 매트릭스 구조의 각 픽셀마다 드레인(Drain), 게이트(Gate), 소스(Source)를 구비하는 TFT(Thin Film Transistor)와 EEG 전극과 신경 자극기(자극부)가 구비되는 active matrix 방식으로 Gate Driver IC의 Data line과 Source Driver IC의 Control line이 연결되며 각 TFT들이 배치된 F-TFTA, 상기 F-TFTA와 연결된 DDIC가 연결된다.
제2 실시예에 따른 F-TFTA(Flexible-Thin Film Transistor Array)를 사용하여 매트릭스 구조의 각 픽셀마다 TFT와 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)를 구비하는 웨어러블 EEG 헤드셋은,
플렉시블 기판 상에 매트릭스 구조의 각 픽셀마다 TFT와 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)를 구비하는 active matrix 구조로 배치된 F-TFTA를 사용하며, 상기 F-TFTA와 연결된 DDIC; 상기 DDIC와 연결된 제어부와 저장부와 무선 송수신부(무선 통신부) 또는 USB 케이블 연결부를 구비하며, 각 채널의 EEG 전극의 TFT의 출력 전압과 전류(IDS)를 측정하여 다채널의 EEG 신호들을 유무선 통신을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(전용 PC)(200)로 전송하며, 자극 제어 신호를 수신하여 상기 자극부에 의해 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 하는 플렉시블 보자기 형태의 웨어러블 EEG 헤드셋(100); 및
상기 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로부터 다채널의 EEG 신호들을 수신받는 무선송수신부(무선 통신부) 또는 USB 케이블 연결부, 제어부, 저장부, LCD 표시부를 구비하며, 뇌파신호처리 후 각각의 EEG 채널별 뇌파 데이터를 출력하며 뇌파 분석에 의해 뇌전증을 일으키는 비정상 뇌파를 검출하여 뇌전증 발작 부위를 찾아내며, EEG 채널별 측정된 시간 영역(time domain)의 뇌파 기록 및 주파수 영역(frequency domain)의 주파수 스펙트럼 분석, 3D 뇌지도에 이상 뇌파 검출된 뇌의 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위의 3차원 좌표(x,y,z)를 3D 뇌지도에 표시하며, 해당 뇌 질환 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 대한 자극 제어 신호를 전송하는 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(전용 PC)(200)을 포함한다.
상기 플렉시블 기판은 폴리이미드(polyimid) 또는 폴리실리콘(polysilicon) 중 어느 하나가 사용되며, 0.1 ~ 100㎛ 크기로 제작된다.
상기 F-TFTA는 플렉시블 기판 상에 TFT 어레이ㅡ이 각각의 TFT의 소스(source)에 EEG 전극과 자극부(신경자극기)를 각각 구비한다.
상기 F-TFTA는 TFT 어레이의 매트릭스 구조의 각각의 픽셀마다 TFT와 EEG 전극과 신경자극기(자극부)를 구비하며, TFT 어레이의 매트릭스 구조에서 각 TFT 마다 1000~100만개 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)가 구비될 수 있다.
상기 웨어러블 EEG 헤드셋(100)의 무선 통신부와 상기 EEG 측정 및 자극 제어 시스템(전용 PC)(200)의 무선 통신부는 블루투스 통신을 사용한다.
상기 F-TFTA는 매트릭스 구조의 각각의 픽셀마다 TFT와 EEG 전극과 신경자극기를 구비하며,
상기 플렉시블 기판과, 상기 플렉시플 기판위에 형성된 게이트 전극, 상기 게이트 전극을 도포하는 제1 패시베이션층(게이트 절연층), 상기 패시베이션 층 위에 형성된 소스 전극과 드레인 전극, 및 상기 드레인 전극과 상기 소스 전극 사이에 구비되는 활성층으로 사용되는 IGZO 채널층(활성층)으로 구성되는 EEG 전극을 포함한다.
EEG 측정 및 자극 제어 시스템(전용 PC)(200)은 상기 웨어러블 EEG 헤드셋(100)으로부터 다채널 EEG 전극의 뇌파 신호를 수신받는 무선 통신부; 뇌파 분석 프로그램에 의해 각각의 EEG 채널별 뇌파 신호를 FFT 변환 또는 Wavelet 변환하여 뇌파신호처리 후 각각의 EEG 채널별 뇌파 데이터를 출력하며 뇌파 분석에 의해 뇌전증을 일으키는 비정상 뇌파를 검출하여 뇌전증 발작 위치 및 부위를 찾아내도록 제어하며, 해당 뇌의 위치와 부위에 자극 제어 신호를 전송하도록 제어하는 제어부; 상기 제어부에 연결된 뇌파 분석 프로그램과 환자별 시간에 따른 다채널 EEG 전극별 뇌파 데이터를 저장하는 저장부; 및 상기 제어부에 연결되며, EEG 채널별 측정된 시간 영역(time domain)의 뇌파 기록 및 주파수 영역(frequency domain)의 주파수 스펙트럼 분석, 3D 뇌지도에 비정상 뇌파 검출된 뇌의 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위의 3차원 좌표(x,y,z)를 표시하는 LCD 표시부를 포함한다.
EEG 측정 및 자극 제어 시스템(200)은 전용 PC 또는 IoT 장치가 사용되고, 뇌파 분석 프로그램(cilent)이 서버(server)와 데이터베이스에 연결되고, client/server 데이터베이스를 포함하는 컴퓨터 분석 시스템을 구축하며, 데이터베이스에 EEG 뇌파 기록 데이터를 저장하고, 환자별 뇌전증 설치류 모델에 따라 이식된 전극을 통한 EEG 신호 무선 기록 데이터 저장, EEG 뇌파 기록 데이터를 분류 및 피처 분석, 환자별 뇌파 기록시간별 델타(δ)파, 쎄타(θ)파, 알파(α)파, 베타(β)파, 감마(γ)파로 분류하여 각각 분류된 뇌파 파형별로 3D 모델링 된 3D 렌더러를 구비하여 3D 뇌지도에 표시, 3D 뇌지도와 CT 이미지와 의료 영상 저장 및 출력, 뇌전증 수술 부위 정량적 분석, 뇌병변 위치 확인 분석, 환자별 뇌전증 수술과 증상 분석, 임상 실험 결과와 증상 분석, 자극 치료와 평가 결과, 및 증상과 통계 정보를 데이터베이스에 저장하여 관리한다.
상기 F-TFTA는 배터리로 구동된다.
상기 F-TFTA는 TFT 어레이의 매트릭스 구조의 각각의 픽셀마다 TFT와 EEG 전극 및 신경 자극기를 구비하며, 매트릭스 구조로 1000~100만개 EEG 전극 및 신경 자극기(자극부)를 구비한다.
상기 F-TFTA는 TFT 어레이의 매트릭스 구조의 각 픽셀 마다 TFT와 EEG 전극과 신경 자극기(자극부)가 구비되며, 예를들면, C1에만 전원을 인가하고 D1에 신호(signal)를 인가하면 첫 번째 픽셀이 켜지고 D1의 신호를 끄고, D2에 신호(signal)를 인가하면 그 아래 두번째 픽셀이 켜진다.
상기 DDIC는 각 픽셀의 TFT의 게이트(Gate)와 Data line이 연결되는 Gate Driver IC; 및 각 픽셀의 TFT의 소스(Source)와 Control line이 연결되는 Source Driver IC을 구비한다.
상기 뇌파 신호는 통상 125~1000Hz로 샘플링하며 최대 측정 주파수가 높을수록 분해능이 향상된다.
웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 F-TFTA의 플렉시블 기판 상에 TFT 어레이의 매트릭스 구조의 각 픽셀마다 TFT와 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)를 구비하며, 얼굴 체결 수단을 구비하는 플렉시블 보자기 형태의 웨어러블 EEG 헤드셋(100)의 유선 또는 무선 의료기기(케이블, Bluetooth, Wi-Fi)로 사용되며,
플렉시블 기판 상에 TFT 어레이의 매트릭스 구조의 각 픽셀마다 TFT와 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)를 구비하는 active matrix 구조로 배치된 F-TFTA;
상기 F-TFTA와 연결된 DDIC; 상기 DDIC와 연결된 제어부와, 상기 제어부에 연결된 저장부와, 상기 제어부에 연결된 무선 송수신부(무선 통신부) 또는 USB 케이블 연결부를 구비한다.
또한, 웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 제어부(MCU)에 연결되는 USB 연결부를 더 포함할 수도 있다.
무선 통신부의 안테나는 1000~100만개 EEG 전극 채널별로 병렬 전송이 가능한 MIMO 안테나를 사용할 수 있다.
도 9는 i) Thin Film Transistor와 DDIC의 결합 구조(RFIC Center), ⅱ) F-TFTA와 전기 자극을 위한 전극 결합 구조(좌), F-TFTA와 전기 자극을 위한 전극 결합 구조 단면도(우), ⅲ) F-TFTA의 매트릭스 구조의 각 픽셀마다 구비되는 EEG 전극 및 신경자극기(Nerve Stimulator)의 개념도(광운대 RFIC Center)이다.
실시예2에서는, F-TFTA 시스템(유연한 플렉시블 기판 상에 TFT 어레이들과 연결된 Source Driver IC와 Gate Driver IC)은 반도체 기술을 사용하여 매트릭스 구조의 1000~100만개의 각 픽셀마다 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)를 구비할 수 있다.
상기 F-TFTA의 매트릭스 구조의 각 지점의 픽셀은
플렉시블 기판(flexible subatrate)과, 상기 플렉시플 기판위에 형성된 게이트 전극, 상기 게이트 전극을 도포하는 제1 패시베이션층(게이트 절연층), 상기 제1 패시베이션 층 위에 형성된 소스 전극과 드레인 전극, 및 상기 드레인 전극과 상기 소스 전극 사이에 구비되는 활성층으로 사용되는 IGZO 채널층(활성층)으로 구성되는 EEG 전극; 및
각각의 EEG 전극마다 옆에 구비된 신경 자극기(자극부)가 구비되며, 상기 플렉시플 기판 연결되며, 상기 플렉시플 기판위에 형성된 게이트 전극, 상기 게이트 전극을 도포하는 제1 및 제2 패시베이션층(게이트 절연층), 및 제1 및 제2 패시베이션층 상에 구비되는 전극 자극기(electrode stimulator)를 포함한다.
플렉시블 기판은 폴리이미드(polyimid) 또는 폴리 실리콘(polysilicon)을 사용한 유연 기판을 사용한다.
게이트 전극은 IGZO 채널층(활성층)의 전류를 흐르거나 흐르지 않게 조절해 준다.
패시베이션층(게이트 절연층)은 IGZO 채널층(활성층)과 게이트를 분리한다.
소스 전극/드레인 전극은 전자를 공급하고 받는 역할을 한다.
채널층은 드레인 전극과 소스 전극 사이에 구비되는 활성층이며, IGZO 채널층(활성층)을 사용한다.
상기 신경 자극기(자극부)는 뇌전증 발작 위치와 부위에 광유전학 치료법 기술을 사용하여 광신호 자극을 하는 400~700nm 파장의 BLUE LED를 사용한다.
gate 전극에 일정 전압 이상이 걸리면, 활성층 내에 전자들이 gate 쪽으로 이동하고 쌓이고 source 전극과 drain 전극 사이에 전자들(electrons)이 이동할 수 있는 통로인 채널(channel)이 형성된다. 이 채널을 통해 source 전극으로부터 drain으로 전자들이 이동할 수 있다. 채널을 형성시킬 수 있는 gate 전압을 Vth(threshold voltage, 문턱 전압)라고 하며, Vth 이하에서는 소스/드레인 사이에 채널이 형성되지 않기 때문에 전자가 이동할 수 없다.
기존 32~128 채널별 EEG 전극(EEG electrode)을 대체한 F-TFTA 시스템(플렉시블 기판 상에 TFT 어레이들과 연결된 Source Driver IC와 Gate Driver IC)은 1000~100만개 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)에 의해 뇌파를 검출하고 신경치료가 가능하며, 비정상적인 뇌파를 검출하여 웨어러블 EEG 헤드셋의 자극부(신경 자극기)를 구동하여 신경자극 치료가 가능하다. 영장류, 포유류 등의 뇌에 적용 뿐만아니라 사람의 뇌에도 적용될 수 있다.
웨어러블 EEG 헤드셋의 F-TFTA의 TFT 어레이의 매트릭스 구조의 각각의 TFT에 구비되는 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)를 통해 EEG 신호를 검출하고, 자극 제어 신호에 따라 해당 뇌의 위치와 부위에 자극을 주게 되면 뇌전증(간질) 뿐 아니라 루게릭병 치료, 대뇌피질 활성화를 통한 촉각, 후각 등의 감각 회복이 예측되며, Alzheimer 형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈), 뇌질환에 의한 하반신 마비 환자 등의 뇌 질환의 마비된 신체에 해당하는 뇌 부위의 신경 치료(오른손-좌뇌, 왼손-우뇌), 의료 분야에 사용이 가능하다.
도 10은 F-TFTA와 OLED의 결합 구조(좌), F-TFTA와 OLED의 결합 구조 단면도(우)(광운대 RFIC Center)이다.
광유전학(Optogenetics)은 생물에서 빛에 민감한 단백질들이 있는데, 이러한 단백질 중 녹조류에서 발견되는 channelrhodopsin 2(ChR2)는 Na+, K+, Ca++를 통과시키는 이온 채널을 조절하게 되고, 만약 푸른 빛이 ChR2-이온 채널에 감지되면, 그 이온 채널이 열려 Na+, Ca++가 세포 안으로 들어와 세포막을 탈분극시키는 것을 말한다. ChR2는 해롭지 않은 바이러스를 이용해 뉴런(neuron)에 그 유전자를 주입함으로 뉴런에서 발현되게 할 수 있다. 광유전학은 광학과 유전학을 결합한 기술을 사용하면, 생체 조직, 또는 자유롭게 움직이는 동물에서 개별 신경 세포들의 활동을 조절 및 관찰하고 신경활동의 조절이 어떠한 효과를 발생하는지 실시간으로 확인할 수 있다. TFTA는 기본적으로 Display용으로 OLED(Organic Light Emitting Device)와 결합하기 쉬우며 이를 통해 뇌 네트워크 분석을 가능하게 한다.
상기 F-TFTA의 각 픽셀은, 광유전학(Optogenetics) 기술이 적용되는 경우,
상기 플렉시블 기판과, 상기 플렉시플 기판위에 형성된 게이트 전극, 상기 게이트 전극을 도포하는 제1 패시베이션층(게이트 절연층), 상기 제1 패시베이션 층 위에 형성된 소스 전극과 드레인 전극, 및 상기 드레인 전극과 상기 소스 전극 사이에 구비되는 활성층으로 사용되는 IGZO 채널층(활성층)으로 구성되는 EEG 전극; 및
상기 EEG 전극 옆에 구비된 신경 자극기(자극부)로써, 상기 플렉시플 기판 연결되며, 상기 플렉시플 기판위에 형성된 게이트 전극, 상기 게이트 전극을 도포하는 제1 패시베이션층(게이트 절연층), 상기 드레인 전극과 상기 소스 전극 사이에 구비되는 활성층으로 사용되는 IGZO 채널층(활성층), IGZO 채널층(활성층) 위에 도포된 제3 패시베니션층과, 상기 제3 패시베이션층에 형성과 픽셀 전극과 Organic LED를 포함하는 전극 자극기를 포함한다.
상기 신경 자극기(자극부)는 전용 PC의 자극 제어 신호를 웨어러블 EEG 헤드셋으로 수신하여 검출된 뇌전증 발작 위치와 부위에 광유전학 기술을 사용하여 400~700nm 파장의 블루 LED를 조사하여 광학적 자극을 가한다.
웨어러블 EEG 헤드셋과 전용 PC 의료 기기는 뇌파 분석 및 3D 뇌지도 기능을 구비한 소프트웨어와 같이 사용된다.
웨어러블 EEG 헤드셋에서 매트릭스 구조의 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)를 구비하는 플렉시블 박막 트랜지스터 어레이(F-TFTA)는 DDIC와 각 트랜지스터의 Gate, Drain에 연결되게 된다. gate line 10개, drain line 10개를 matrix로 연결하고, 하나의 gate line에 전원이 들어가게 되면 그 라인에 해당하는 트랜지스터들이 동작하게 되고, drain line과 교차하는 지점마다 신호(signal)를 입력/출력할 수 있다. 이러한 개념을 active matrix라고 하며, 한 픽셀단위로 입출력 신호처리를 할 수 있다.
하나의 TFT 트랜지스터의 동작을 살펴보면, 트랜지스터의 gate에 전압이 가해지게 되면 트랜지스터의 스위치가 켜지며, 이 때 drain의 전압이 변하게 되면 전류의 양이 달라진다. 또한, 전류의 양은 gate 전압의 크기에 따라 달라지는데, 그 이유는 field effect에 의해 채널에서 흐를 수 있는 전류의 양이 달라지기 때문이다. 따라서, 채널(channel)에 전계형성을 해주게 되면 전류가 흐르게 되며, 제안하는 방법은 전극(electrode)에 전계(E-field)가 형성되면 금속 electrode는 대전이 되게 되는데 면적이 넓은 부분이 많은 양의 charge에 변화가 생긴다. 각각의 EEG 전극(EEG electrode)에 형성된 전계(electric field)의 변화로 트랜지스터(transistor)의 전류가 변하게 된다. 이를 통해 전계의 세기에 의한 전류의 변화를 알게 된다. 이 전계가 뇌파에 의해 생성되면 그 EEG 뇌파를 측정하여 해당 뇌 부위에 자극부에 의해 신경 자극을 가함으로써 뇌질환, 뇌의 네트워크 등 다양한 응용분야에 적용가능하다.
상기한 바와 같이, 수 십 만개의 EEG 전극 채널에서 동시에 일어나는 뇌파를 측정하기 위해 active matrix 동작으로 샘플링해야 한다. 기본적인 뇌파의 주파수는 수 Hz ~ 수 백 Hz로 높지 않다. 따라서, 뇌파를 샘플링하는 최소 조건인 측정 대상의 주파수보다 2배 이상의 비율로 샘플링해야 하는 Nyquist Sampling Rate 조건에 따라야 한다. 그러나, 2배는 최소 단위일 뿐 sampling rate가 높아진다면 더 정확한 신호를 수신할 수 있다. 현재 디스플레이는 1960 x 1080개(약 200만개 픽셀)의 트랜지스터를 240 Hz로 sampling이 가능하다. 그러나, 디스플레이가 아닌 일반 센서에서 픽셀 개수를 1~10만개로 줄여도 sampling 주파수를 크게 증가시킬 수 있고 측정하려는 뇌파의 sampling 주파수를 맞출 수 있다.
이렇게 sampling을 통해 수신되는 뇌파 신호는 F-TFTA의 DDIC가 신호처리하게 된다. DDIC는 수신된 아날로그 뇌파 신호를 ADC에 의해 디지털 신호로 변환하여 제어부(MCU), 무선 송신부(bluetooth)를 통해 뇌파 신호를 사용자 단말(전용 PC)로 송신한다.
이를 실현하기 위한 대부분의 반도체 기술을 통해 구현이 가능하다. TFT(Thin Film Transistor)의 개발을 제외한 나머지 핵심 요소 인 Transistor Array에 대한 공정, DDIC, 신호 송수신에 대한 Software, Flexible OLED Panel 등 여러 사업 분야에서 이미 상용화 하였으며, 제안하는 장비 개발의 실현 가능하다.
웨어러블 EEG 헤드셋이 각 픽셀마다 TFT와 EEG 전극과 자극부를 구비하는 F-TFTA(Flexible Thin Film Transistor array)로 제작되는 경우, F-TFTA를 사용한 매트릭스 구조의 복수의 EEG 전극들과 신경 자극기(자극부)를 포함하는 무선 송수신 의료기기를 사용한다.
본 연구는 웨어러블 EEG 헤드셋의 EEG 전극과 신경자극기 또는 F-TFTA의 EEG 전극과 신경자극기를 각 EEG 채널별 EEG 데이터를 수집하며, 신경 자극기(자극부)를 통해 뇌질환에 의한 장애를 치료하거나 측정 대상의 인지 능력을 향상시키는 데에 도움을 준다. 신경 자극기 활용 기술의 대표적인 방법은 Deep Brain Stimulation(DBS)으로 뇌심부자극술을 사용한다. 뇌심부자극술은 뇌파 신호를 측정하고 동시에 해당 뇌의 위치와 부위에 전기적 자극을 제공하며, 만성 통증, 파킨슨병, 진전, 근긴장이상증 등의 효과적인 치료를 위해 특정 뇌 부위에 뇌심부 자극술을 사용한다. 뇌심부 자극술의 원리나 기전은 미국 FDA에 승인을 받았으며, 뇌의 활동에 직접적으로 영향을 주는 뇌의 신경 자극을 통해 뇌 질환의 증상 완화 및 치료가 가능하며 이를 통해 뇌전증에 대한 증상 완화와 치료에 목적을 두고 있다
세브란스 병원은 현재 60% 정도의 국내 뇌전증과 신경관련 환자를 치료하고 있으며, EEG 검출 및 신경 자극기 시장은 Alzheimer형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈) 치료 등 의료 기기가 연구개발되면, 뇌질환 치료 의료 기기로 사용될 수 있다고 한다.
도 11은 대학 병원과 공동으로 정량적 뇌파 분석을 통한 뇌전증 수술 환자의 수술 영역 결정 분석법(Brain and development, 2016), 뇌파의 Connectivity Analysis를 통해 비정상 뇌파의 소스 파악(Clinical Neurophysiology, 2015)을 보인 3D 뇌지도를 보인 그림이다.
도 12는 3D 뇌지도와 국소 간질 분석 영상을 보인 사진이다.
웨어러블 EEG 헤드셋(100)은 3D 헤드업 디스플레이(300)와 연동되며 전용 PC(200)와 연결되며, 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain Computer Interface, BCI)과 3D 뇌지도를 구비하며, 뇌파 측정시에 EEG 측정과 자극 기술을 사용하여 Alzheimer형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈) 환자의 치료를 위해 사용되며, 웨어러블 EEG 헤드셋(100)의 각각의 EEG 전극마다 구비된 신경 자극치료기를 통해 뇌 피질에 직접적으로 광신호 자극/전기 자극/RF 주파수 자극을 가해 신경질환의 진단과 치료가 가능한 뇌파 측정 및 치료 의료 기기로 사용될 것이다.
도 13a, 13b는 뇌질환 환자가 웨어러블 EEG 헤드셋을 착용하고, 3D 안경을 착용하지 않거나 또는 3D 안경 착용하며 VR 영상 디스플레이 기기의 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 자극에 대한 반응으로 환자 착용 장치(Patient Control Button)를 사용시에 생성되는 다채널 ERP 신호를 획득하는 과정을 보인 도면이다.
도 3d를 참조하면, 자극 제시 100-150ms 사이에 관찰되는 정점인 N100은 주의력과 관련이 있다. 피험자가 주의를 주지 않고 무시한 자극에 비해 주의를 준 자극에서 의미 있게 큰 진폭의 N100이 관찰된다는 것을 보고하였다(Hillyard et al., 1973; Knight et al., 1981).
자극 제시 200ms 전후에 나타나는 N200은 여러 면에서 P300과 유사하다. 즉 P300과 마찬가지로 피험자가 자극에 주의를 주어야만 N200이 초래되고 자극의 제시 확률이 낮을수록 N200의 진폭이 더 음전위를 띈다(Oken, 1989). 자극의 구별이 어려워질수록 N200의 잠재 시간이 길어진다는 연구 결과에 근거하여 Naatanen(1982)과 Ritter 등(1982)은 N200이 자극의 확인(identification) 및 분류 과정과 관련이 있다고 주장하였다. Naatanen은 N200이 자동적인 'mismatch detector'의 기능을 반영한다고 주장하였으며, Ritter 등은 N200이 P300 또는 slow wave 등의 생성에 필요한 정보를 추출하는데 중요한 역할을 한다고 주장하였다. 일반적으로, N200은 유입된 자극이 이전 자극과 동일 또는 다른지를 탐지하기 위해 자극을 확인하고 분류하는 과정에 관여한다.
MMN은 청각 사상유발전위의 한 종류로서, 반복적으로 제시되는 덜 빈번한 음에 대하여 과제 독립적으로 발생된다. 주로 oddball 과제에서 피험자가 주의집중을 하지 않은 상태(수동적)에서 얻어진 뇌파를 목표 자극과 표준 자극으로 분리하여 각각 epoch에 따라 변형한 후 목표 자극에서 표준 자극을 뺀 값을 MMN으로 정한다. 자극 후 150ms ~ 250ms 사이에서 얻어지는 부적 전위(negative potential)를 MMN으로 보는데 연구에 따라서 100ms 이전에 관찰되기도 한다.
P300은 1965년 Sutton 등에 의해 처음으로 보고되었다. 이들은 두 개의 자극, 즉 청각 자극과 시각 자극을 사용하여 두 조건에서 실험을 하였다. 피험자의 실험 결과 확실 조건(certain condition)보다는 불확실 조건(uncertain condition)에서 의미 있게 큰 진폭의 양전위를 띄는 정점이 자극 제시 300ms 전후에 관찰되었다. Sutton 등은 이 정점을 극과 잠재시간에 따라 P300이라고 명명하였다. 이들은 P300이 자극의 물리적 속성에 의해 단순하게 생성된 유발 전위가 아니라 피험자와 자극 사이의 상호 작용에 의해 초래되는 내인성 전위(endogenous potentials)이며, 피험자의 불확실감이 해소된 결과(uncertainty resolution)로 초래된다고 주장하였다.
Sutton 등의 실험에서 첫 번째 자극이 뒤이어 제시되는 두 번째 자극에 대한 정보를 얼마나 제공해 주는가에 따라 P300의 진폭에 큰 차이가 있다는 결과에 근거하여 추후 연구들은 자극의 정보 전달 양을 다르게 한 후, 이에 대해 P300에 미치는 영향을 조사하였다. 자극의 제시 빈도를 조작하여 자극의 정보전달 양을 변화시키는 'oddball 방안'에서는 자주 제시되는 자극, 드물게 제시되는 자극이 사용된다. 자주 제시되는 자극은 표준 자극(standard stimulus)이고, 드물게 제시되는 자극이 목표 자극(target stimulus)이다. 피험자의 과제는 제시된 전체 자극 중에서 목표 자극이 몇 번 제시되었는가를 카운트하거나 목표 자극이 제시될 때마다 환자 제어 버튼(Patient Control Button)을 눌러 반응한다. 'Oddball 방안'을 사용하여 P300을 조사한 연구들은 비교적 일관성 있는 결과를 보이고 있으며, 즉 제시 확률이 높은 표준 자극보다는 확률이 낮은 목표 자극에서 의미 있게 큰 P300이 관찰된다는 것이다(Duncan-Johnson & Donchin, 1977; Donchin et al., 1986).
자극 제시 300-500 ms 사이에 나타나고 중앙-전두(centrofrontal) 부위에서 가장 두드러지게 관찰되며 음전위를 띄는 N400은 Kutas와 Hillyard(1980)에 의해 처음으로 보고되었다. 이들은 문장읽기 과제를 사용하여 사건관련전위(ERP)를 측정하였는데, 실험 결과 문장의 전체 뜻과 의미가 부합된(semantically congruent) 단어로 끝나는 문장보다 부합되지 않은 단어(incongruent)로 끝나는 문장에서 의미 있게 큰 진폭의 N400이 관찰되었으며, 부합되지 않는 정도가 클수록 N400이 더 큰 음전위를 보였다. 이들은 N400이 의미적 처리 과정(semantic processing)을 반영한다고 주장하였다 처음에는 N400이 언어적 자극에 의해서만 초래되는 것으로 여겼으나 의미적 처리 과정을 요하는 경우라면 어떤 자극이라도 N400을 유발할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 예를 들면 사람의 얼굴이나 그림 등과 같은 자극에 의해서도 N400이 초래된다는 것이다 (Friedman, 1990; Nigam et al., 1992).
재인식 기억 과제(recognition memory task) 동안 N400을 측정한 다수의 연구들에 의하면 N400이 장기 기억으로부터 정보를 인출하는 과정 또는 장기 기억 내의 정보를 탐색하는 과정(memory search processing)을 반영한다고 한다.
N400 이후, 즉 자극 제시 500-900ms 정도에 나타나는 양전위를 띄는 정점을 late positive component(LPC) 또는 극과 잠재 시간에 따라 P600, P800 등으로 부른다. LPC와 P300 사이의 관련성에 관하여 논란이 많다. 어떤 이들은 P300이 늦게 나타난 것이 LPC라고 주장하는 반면(Karis et al., 1984: Fabiani et al., 1986), LPC가 P300과는 다르며 독립된 특유의 심리적 기능을 반영한다고 주장하는 이들도 있다(Paller et al., 1992; Van Petten et al., 1996; Smith, 1993).
(1) 치매
P300은 정보처리 또는 인지 과정의 신경생리적 지표라고 알려져 있기 때문에 P300이 가장 많이 적용된 환자군은 치매 집단이다. Goodin 등 (1978)은 'oddball 방안'을 사용하여 치매환자 집단, 치매 증상이 없는 신경과 환자 집단 및 정상 집단을 비교하였다. 그 결과 치매 환자 중 80%가 추정치의 표준오차(SEE) 2 이상으로 긴 P300 잠재시간을 보인 반면 치매 증상이 없는 신경과 환자와 정상인들은 P300의 잠재 시간에 있어서 유의미한 차이를 보이지 않았다. 이들은 P300이 치매의 선별검사로 매우 유용하게 사용될 수 있다. 또한, Syndulko 등(1982)은 Alzheimer유형의 치매 집단과 정상인 집단을 비교한 결과, 치매 환자의 80% 이상이 정상인에 비해 유의미하게 긴 P300 잠재 시간을 보인다는 것을 보고하였다. St. Clair 등(1985)은 Alzheimer유형의 치매 집단, Korsakoff 증후군 집단 및 정상 집단을 비교하였다. Alzheimer유형 치매 환자의 70% 이상이 Korsakoff 집단과 정상 집단에 비해 유의미하게 긴 P300 잠재 시간과 적은 P300 진폭을 보였다. 이 결과에 근거하여 이들은 P300이 치매 환자와 정상인의 구별뿐만 아니라 서로 다른 발병 원인을 가진 치매 환자들을 감별하는데 민감하다고 주장하였다.
그러나, 이러한 연구들과는 달리, 치매의 선별 및 진단 검사로서 P300의 유용성에 비관적인 결과를 보인 연구들도 있다. 예를 들면 Polich 등(1986)은 치매 환자의 단지 31%만이 2 SEE 이상으로 긴 잠재 시간을 보인다고 보고하였고 Patterson 등 (1988)은 단지 13%의 치매 환자만이 정상인에 비해 유의하게 긴 잠재시간을 보인다고 밝혔다.
치매의 선별 및 진단 검사로서 P300의 유용성을 조사한 연구들이 일관성 없는 결과를 보인 것는 몇 가지 이유가 있다. 먼저 선행 연구들에서 사용된 자극의 유형이 다르다는 것이다. 두 번째 이유는 연구들마다 P300의 측정 방법이나 P300의 정의가 다르다는 것이다. 예를 들면, 뇌파의 측정 시간(epoch), 자극의 제시 횟수, 뇌파의 표본율(sampling rate) 등이 동일하지 않고, 어느 연구에서는 P300을 자극 제시 250-400ms로 정의하였으며, 또한 다른 연구에서는 300-800ms로 정의하였다.
(2) 강박 장애
신경증의 일종인 불안 장애로 분류되는 강박 장애(Obsessive-compulsive disorder, OCD)는 강박 사고(obsession)와 강박 행동(compulsion)이 매우 심각하여 개인의 일상 생활을 하는 것이 지장을 받을 경우 진단된다. P300은 전두 피질을 포함하는 몇몇 피질 영역들에 의해 발생되고(Molnar, 1994), 인지적, 주의적 처리와 관련되어 있다(Donchin & Cole, 1988; Verleger, 1988)는 점에서 강박 장애 환자들에 대하여 피질적 과잉 활동을 기능적으로 측정하는 흥미로운 도구가 될 수 있다. 초기 연구에서는‘형태 식별 시공간적 과제’의 난이도를 증가시키며 조사하였는데, 강박 장애 환자들에 있어서 N200과 P300의 진폭과 잠재기가 감소됨을 발견하였다(Ciesielski et al., 1981; Beech et al., 1983). 이러한 패턴은 특히 과제의 난도가 높아졌을 때 두드러졌다. Malloy 등(1989)의 연구에서도 이들과 일관되는 결과가 나타났다. 또한, Towey 등(1990, 1993)이 ‘청각적 oddball 방안’을 사용한 연구에서 약물을 복용하지 않은 강박 장애 환자들의 N200과 P300의 잠재기가 짧아짐이 보고되었다. 강박장애 환자들에 있어서 청각적 사건 관련 P300의 짧아진 잠재기들은 여러 다른 연구들에서 보고되었다(Morault et al., 1997; de Groot et al., 1997; Miyata et al., 1998). 그러나, Sanz 등(2001)의 연구는 약물을 복용하지 않은 강박 장애 환자들에 있어서 P300 잠재기가 길어지고 진폭은 감소됨으로써 이전의 연구들과 반대되는 결과를 나타냈다. 이와 같이 상충되는 결과들은 낮은 신뢰도와 같은 방법론적 문제들에 의해 야기되는데, 이는 두피에서 기록되는 P300의 하위요인들(P3a, P3b)의 중복 때문일 수 있다(Mavrogiorgou et al., 2002). 임상적, 연구적 측면에서 P300의 타당성을 높이기 위해 이러한 하위 요인들을 고려해볼 수 있다.
P300과 관련하여 강박장애 환자 집단, 정신분열증 환자 집단 및 정상 집단을 대상으로 P300과 몇몇 신경심리 검사수행 간의 상관을 조사한 바 있다(Kim et al., 2003). ‘청각적 oddball 방안’을 통하여 P300을 측정하였는데, 정신분열증 환자와 강박 장애 환자들의 경우, P300의 진폭이 정상인들에 비해 유의미하게 낮았고, 그 발생지는 두정, 측두 및 전두 피질들로 나타났다. P300과 신경심리 검사수행 간의 상관에 있어서는 TMT(Trail Making Test)의 part B 반응 시간과 부적 상관을 보였다. TMT는 전두엽에 의해 중재된다고 알려져 있는 시각적 탐색, 운동 기능 속도(Reitan & Wolfson, 1985), 또는 반응준비 경향의 전환(set-shifting)과 통제된 주의(Lezak, 1995)를 평가하는데 특히 효과적인 검사이다. 본 연구의 결과는 강박장애 환자들에 있어서 감소된 P300 진폭이 장애의 특징적인 전두엽의 역기능을 반영할 것임을 시사한다.
(3) 정신분열증
치매 다음으로 사건관련전위(ERP)가 활발하게 적용된 질환이 정신분열병이다. 정신분열증 환자를 대상으로 한 연구들은 치매와는 달리, 정신분열증 환자가 정상인에 비해 의미 있게 적은 P300의 진폭을 보이지만 잠재 시간에서는 유의미한 차이가 없다는 것이다. 정신분열증 환자에서 P300의 진폭이 감소하는 것이 무엇을 의미하는가에 대해서는 논란이 많은데, 이는 증상이 호전되어 관해(remission) 상태에 있는 환자에서도 정상인에 비해 유의하게 적은 진폭의 P300이 관찰되기 때문이다. 어떤 이들은 정신분열증 환자가 갖는 주의력의 감소, 낮은 동기 수준 또는 작동 기억의 손상 때문에 P300의 진폭이 감소한다고 주장하는 한편(Ford et al., 1994), 신경해부학적 또는 신경화학적 이상 때문에 P300의 진폭이 감소한다고 주장하는 이들도 있다(Sullivan et al., 1998).
특히, 정신분열증 환자의 인지 기능은 전체적으로 떨어져 있다는 보고들이 많다. 이들의 인지능력의 결함을 보여주는 사건관련전위 요소로 late positive component(LPC)와 N400이 보이는 다른 패턴을 설명함으로써 이를 이해하려는 시도들이 있지만, 이러한 인지적 결함이 발생하는 원인에 대해서는 명확히 밝혀진 바가 많지 않다. Kim 등(2004)은 재인식 기억 과제에서 사건관련전위 LPC, N200, N400을 같이 비교하였는데, 정신분열증 환자들에게서 인지 기능의 결함을 보고하였다. 정신분열증 환자의 경우에는 정상인에 비해 정확도가 떨어지고 N200과 N400, LPC의 진폭과 topography 패턴이 정상인과는 다르게 나타났다. 정신분열증 환자의 뇌전도의 사건관련전위(ERP)의 연구는 정상인과 다른 인지기능을 가지며, 이러한 결함이 정확한 발병의 원인을 파악함으로써 이를 치료하거나 보완할 수 있는 방법들을 찾을 수 있다.
최근, 뇌 영상 기법이나 신경 심리 검사를 사용한 연구들은 강박 장애가 뇌 구조 또는 뇌 기능의 이상과 관련되어 나타나는 뇌 질환이라는 것을 강하게 시사하고 있다. 또한, 강박 장애 환자의 인지 기능을 조사한 연구들은 이 환자에서 특히 비언어적 기억 및 공간 활동 기억 등과 같은 기억 장애가 일관성 있게 관찰된다는 것을 보고하고 있다. 강박 장애 환자에서 반복 점화 시 나타난 사건관련전위를 조사하고, 사건관련전위의 source를 분석하여, 강박 장애 환자에 있어 암묵적 기억의 신경생리적 기전을 밝히는데 도움이 된다.
Alzheimer형 치매, 파킨슨병, 해리슨, 뇌전증(epilepsy, 간질), 뇌졸중(뇌경색, 뇌출혈) 등의 뇌 질환(brain disorder) 병소 위치와 부위, 신체 마비(하반신 불구)에 해당하는 뇌의 위치와 부위를 치료하기 위해, 착용자는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 연동되는 웨어러블 EEG 헤드셋을 착용하며, 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC, IoT 디바이스)과 연동되어 뇌질환 위치와 부위에 신경 자극 치료를 한다. 착용자는 머리에 웨어러블 EEG 헤드셋과 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경(1. 통신부와 제어부를 구비하는 셔터 글래스, 2. 통신부와 제어부를 구비하는 편광필터 안경, 3. 통신부와 제어부를 구비하는 스마트 글래스)을 착용하고, 오른손/오른발과 왼손/왼발 움직임을 제공하는 게임, 3D 영상 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC)으로 뇌의 인지 반응에 따라 생성된 다채널의 뇌파 신호를 전송하고, 뇌파 분석과 뇌전도의 사건 관련 전위(Event Related Poriential, ERP)를 분석하여 EEG 측정 및 자극 시스템(전용 PC)으로부터 웨어러블 EEG 헤드셋으로 자극 제어 신호를 전송하여 웨어러블 EEG 헤드셋의 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 뇌질환에 의해 마비된 신체의 대응하는 해당 뇌의 위치와 부위(오른손-좌뇌 또는 왼손-우뇌)를 신경자극 치료를 하며, 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 뇌신경 치료를 하는 EEG 검출과 브레인 자극 치료 의료 기기를 제공한다.
웨어러블 EEG 헤드셋은 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 통신되며, VR 영상 디스플레이 기기(예, 3DTV)의 게임 또는 3D 영상, 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 환자 제어 장치(Patient Control Device/Button - 스마트폰(App) 또는 IoT 디바이스)를 사용하여 환자의 뇌의 인지 반응에 따른 다채널의 EEG 전극으로부터 생성된 다채널의 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Potientials, ERP)를 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로 전송하고, 다채널 뇌파 분석과 뇌전도의 사건 관련 전위(ERP)의 분석을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로부터 자극 제어 신호를 웨어러블 EEG 헤드셋으로 전송하고, 웨어러블 EEG 헤드셋은 자극 제어 신호에 따라 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 통해 뇌신경 치료를 위해 웨어러블 EEG 헤드셋의 다채널 EEG 검출과 뇌 병소 부위와 위치에 뇌 신경 자극치료가 가능하다.
기술적 측면에서, 현재 국내외 회사는 제안된 방법과 장치를 개발하지 못한 실정이며, 이를 구현하게 되면 뇌파 측정 및 신경 치료 의료기기는 국내 및 해외 경쟁 우위(competitive advantage)를 갖게 될 것이다.
산업적 측면에서, 뇌 과학, 인지 신경과학 분야에서 뇌파 검출 및 신경 자극 치료기의 수요는 계속적으로 증가하고 있으며, 본 의료 기기가 연구개발되면 국내외 시장을 개척할 수 있다.
뇌파 검사의 많은 EEG 전극 수와 높은 분해능을 갖는 EEG 측정 및 자극 장치를 통해 뇌파 분석, 뇌 병소 위치와 부위의 자극 치료, 뇌 네트워크의 분석이 가능하며, 이를 통해 그동안 해결하지 못했던 뇌 질환 치료 뿐만 아니라 뇌파를 이용한 신체장애 극복, 게임 재활 치료, 다양한 분야에서 크게 기여할 것으로 예상된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 웨어러블 EEG 헤드셋
200: EEG 측정 및 자극제어 시스템
300: 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경
310: VR 영상 디스플레이 기기
200: EEG 측정 및 자극제어 시스템
300: 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경
310: VR 영상 디스플레이 기기
Claims (13)
- 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 표시하는 VR 영상 디스플레이 기기;
상기 VR 영상 디스플레이 기기와 USB 케이블, Wi-Fi, Bluetooth 통신부 중 어느 하나를 통해 연결되며, ERP(Event related potential) 버튼으로 사용되는 환자 제어 장치;
통신부와 제어부와 저장부를 구비하며, 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 시청하는 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경;
상기 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경과 유무선 통신을 통해 연동되며, 머리의 다측정 지점에 각각 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)를 구비하며, 게임과 동영상의 자극에 반응하여 검출된 다채널 EEG 신호를 유무선 통신을 통해 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로 전송하며, 상기 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경 또는 상기 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로부터 웨어러블 EEG 헤드셋으로 수신된 자극 제어 신호에 따라 각각의 EEG 전극마다 구비된 자극부에 의해 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극에 의해 각 EEG 전극마다 구비된 자극부에 의해 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 해당 뇌의 위치와 부위를 자극하는 웨어러블 EEG 헤드셋; 및
상기 웨어러블 EEG 헤드셋을 착용한 환자의 뇌파의 주파수 영역 분석 알고리즘을 통해 환자의 뇌의 병소 발작의 시작점을 찾기 위해 다채널 EEG 신호의 뇌파 분석과 특징 추출과 분석, 그 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Porientials, ERPs) 신호를 분석하며, 정상 뇌파와 비정상 뇌파를 구분하는 상기 EEG 측정 및 자극 제어 시스템을 포함하며,
상기 환자 제어 장치는 제어부와 저장부와 USB 케이블, Wi-Fi, Blurtooth 통신부를 구비하는 스마트폰(App)을 사용하며, 게임, 동영상, 3D 영상, 또는 3D VR/AR 콘텐츠를 보면서 환자의 뇌의 인지 반응에 따라 누르는 상기 ERP 버튼을 구비하는, 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 3D 헤드업 디스플레이 기능을 갖는 3D 안경은 USB 케이블, Wi-Fi, Bluetooth 통신부와 제어부, 저장부를 구비하는 셔터 글래스; USB 케이블, Wi-Fi, Bluetooth 통신부와 제어부, 저장부를 구비하는 편광필터 안경; 또는 USB 케이블, Wi-Fi, Bluetooth 통신부와 제어부, 저장부를 구비하는 스마트 글래스 중 어느 하나를 사용하는, 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 EEG 측정 및 자극 제어 시스템은
PC 또는 IoT 디바이스가 사용되며, 뇌파 분석 프로그램과 각 측정 파형별로 3D 모델링 된 3D 렌더러에 의해 렌더링되는 3D 뇌지도를 구비하며, 상기 웨어러블 EEG 헤드셋과 유무선 통신을 통해 다채널 EEG 신호를 수신받고, 각각의 EEG 채널별로 뇌파의 주파수 스텍트럼을 출력하며, 다채널 EEG 신호의 뇌파 분석과 그 뇌전도(EEG)의 사건 관련 전위(Event Related Poriential, ERP)를 분석하며, 뇌파의 시공간적 패턴 분석(spatio-temporal pattern analysis)을 통해 정상 뇌파와 비정상 뇌파를 구분하고, 비정상 뇌파가 검출된 뇌전증 병소 위치와 부위의 3차원 좌표(x, y, z)를 3D 뇌지도에 표시하며, 상기 웨어러블 EEG 헤드셋으로 비정상 뇌파가 검출된 해당 뇌 부분의 자극 제어 신호를 전송하는, 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 웨어러블 EEG 헤드셋은 머리의 다측정 지점에 각각의 EEG 전극과 자극부(신경자극기, nerve stimulator)를 구비하며, 상기 자극부는 1) 광신호 자극부, 2) 미세 전류 전기 자극부, 또는 3) RF 주파수 자극부 중 어느 하나의 자극부를 구비하며, 상기 웨어러블 EEG 헤드셋은 상기 EEG 측정 및 자극 제어 시스템과 USB 케이블, Wi-Fi, Bluetooth 통신부를 통해 연결되는, 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 웨어러블 EEG 헤드셋은
머리의 각각의 측정 위치 마다 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)가 구비되며, 각 EEG 전극으로부터 EEG 신호를 검출하고, 그리고 자극 제어 신호에 따라 1) 광신호 자극, 2) 미세 전류 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극에 의해 해당하는 뇌의 위치와 부위를 자극하는 복수의 EEG 전극 및 자극부;
각각의 EEG 전극으로부터 검출된 EEG 신호를 증폭하는 증폭부;
상기 증폭부로부터 증폭된 EEG 신호를 샘플링 주파수에 따라 A/D 변환하는 ADC;
다수의 EEG 채널의 ADC들로부터 수신된 디지털 EEG 신호를 일정 시간 동안 임시적으로 메모리로 저장하고 이를 유무선 통신을 통해 상기 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로 전송하며, 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 대하여 상기 자극 제어 신호에 따라 EEG 전극 마다 구비된 자극부에 의해 1) 광신호 자극, 2) 미세 전류 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극에 의해 해당하는 뇌의 위치와 부위를 자극하도록 제어하는 제어부;
상기 제어부에 연결되고, 다수의 EEG 채널의 ADC들로부터 수신된 디지털 EEG 신호를 임시적으로 저장하는 메모리; 및
상기 제어부에 연결되고, 다수의 EEG 채널별 검출된 EEG 신호를 상기 EEG 측정 및 자극 제어 시스템으로 전송하며, 상기 EEG 측정 및 자극 제어 시스템 또는 3D 헤드업 디스플레이로부터 수신된 상기 자극 제어 신호를 수신하는 통신부를 포함하며,
얼굴 전면 이외에 머리에 착용하는 하우징 케이스와 체결 수단을 구비하는, 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 자극부는 각 EEG 전극마다 구비되는 신경 자극기로써, 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 상기 자극 제어 신호에 따라 400 ~ 700 nm 파장의 Blue LED의 광신호를 자극하는 광신호 자극부를 사용하는, 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 자극부는 각 EEG 전극마다 구비되는 신경 자극기로써, 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 상기 자극 제어 신호에 따라 0.01 ~ 0.001 mA 미세 전류 자극을 하는 전기 자극부를 사용하는, 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 자극부는 각 EEG 전극마다 구비되는 신경 자극기로써, 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 상기 자극 제어 신호에 따라 1~200 Hz RF 주파수 자극을 하는 RF 주파수 자극부를 사용하는, 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 웨어러블 EEG 헤드셋은 플렉시블 기판 상에 매트릭스 구조의 TFT 어레이의 각 픽셀마다 TFT와 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)를 구비하는 active matrix 구조로 배치된 F-TFTA를 사용하며, 다채널의 EEG 신호들을 유무선 통신을 통해 전송하며, 뇌 질환 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 대하여 자극 제어 신호를 수신하여 각 EEG 전극마다 구비된 자극부에 의해 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 하며, 플렉시블 보자기 형태의 웨어러블 EEG 헤드셋을 사용하며,
플렉시블 기판 상에 TFT 어레이의 매트릭스 구조의 각 픽셀마다 TFT와 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)를 구비하는 active matrix 구조로 배치된 F-TFTA;
상기 F-TFTA와 연결된 DDIC;
상기 DDIC와 연결된 제어부와, 상기 제어부에 연결된 저장부와, 상기 제어부에 연결된 무선 송수신부(무선 통신부) 또는 USB 케이블 연결부를 구비하며,
각 채널의 EEG 전극의 TFT의 출력 전압과 전류(IDS)를 측정하여 다채널의 EEG 신호들을 유무선 통신을 통해 전송하며, 상기 자극 제어 신호를 수신하여 상기 자극부에 의해 1) 광신호 자극, 2) 전기 자극, 또는 3) RF 주파수 자극을 하는, 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 F-TFTA는 플렉시블 기판 상에 매트릭스 구조의 각 픽셀에 각각의 TFT의 소스에 EEG 전극과 자극부(신경 자극기)를 각각 구비하며, 상기 플렉시블 기판은 폴리이미드 또는 폴리실리콘 중 어느 하나가 사용되고,
상기 F-TFTA는 매트릭스 구조의 각각의 픽셀마다 TFT와 EEG 전극과 신경자극기(저극부)를 구비하며, 매트릭스 구조로 1000~100만개 EEG 전극과 자극부(신경치료기)가 구비될 수 있는, 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 F-TFTA는 매트릭스 구조의 각각의 픽셀마다 TFT와 EEG 전극과 신경자극기를 구비하며,
상기 플렉시블 기판과, 상기 플렉시플 기판위에 형성된 게이트 전극, 상기 게이트 전극을 도포하는 제1 패시베이션층(게이트 절연층), 상기 패시베이션 층 위에 형성된 소스 전극과 드레인 전극, 및 상기 드레인 전극과 상기 소스 전극 사이에 구비되는 활성층으로 사용되는 IGZO 채널층(활성층)으로 구성되는 EEG 전극을 포함하는, 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 EEG 측정 및 자극제어 시스템은 전용 PC 또는 IoT 디바이스가 사용되며,
상기 웨어러블 EEG 헤드셋으로부터 각 EEG 채널의 EEG 신호를 수신받고 자극 제어 신호를 전송하는 통신부 또는 케이블 연결부;
뇌파 분석 프로그램에 의해 각각의 채널별 뇌파 신호를 FFT 변환하여 뇌파신호처리 후 각각의 EEG 채널별 뇌파 데이터를 출력되도록 제어하며 뇌파 분석과 뇌파의 시공간적 패턴 분석(spatio-temporal pattern analysis)에 의해 뇌전증을 일으키는 비정상 뇌파를 검출하여 뇌전증 발작 위치와 부위를 찾아내 각 측정 지점별로 3D 뇌지도에 3차원 좌표(x,y,z)를 표시하며, 뇌전증 발작 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위에 자극되도록 자극 제어 신호를 전송하는 제어부;
상기 제어부에 연결되며, 뇌파 분석 프로그램과 3D 뇌지도와 환자별 각각의 EEG 채널별 뇌파 데이터를 저장하는 저장부; 및
상기 제어부에 연결되며, 각각의 EEG 채널별로 뇌파의 주파수 스펙트럼을 출력하며 뇌파의 시공간적 패턴 분석을 통해 정상 뇌파와 비정상 뇌파를 구분하고, 비정상 뇌파가 검출된 뇌전증 병소 위치와 부위 또는 마비된 신체에 대응하는 뇌의 위치와 부위의 3차원 좌표(x, y, z)를 3D 뇌지도 상에 표시하는, 뇌파 신호처리 및 분석 표시부를 포함하는, 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 EEG 측정 및 자극제어 시스템은 상기 뇌파 분석 프로그램(cilent)에 의해 뇌질환 분석 서버(server)와 데이터베이스를 연결되고, 상기 데이터베이스에 환자별 측정 시간대와 EEG 뇌파 기록 데이터, 자극 치료 증상 정보를 저장하고, 환자별 질환에 따라 분류하여 EEG 뇌파 기록 데이터를 분류 및 피처 분석, 환자별 뇌파 기록시간별 델타(δ)파, 쎄타(θ)파, 알파(α)파, 베타(β)파, 감마(γ)파로 분류하여 각각 분류된 뇌파 파형별로 3D 모델링 된 3D 렌더러를 구비하여 3D 뇌지도에 표시, 3D 뇌지도와 CT 이미지와 의료 영상 저장 및 출력, 뇌전증 수술 부위 정량적 분석, 뇌병변 위치 확인 분석, 환자별 뇌전증 수술과 증상 분석, 임상 실험 결과와 증상 분석, 자극 치료와 평가 결과, 및 임상 통계 정보를 데이터베이스에 저장하여 관리하는, 3D 안경을 착용하고 웨어러블 EEG 헤드셋을 구비하는 EEG 측정 및 자극 시스템.
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